污染大气对冻雨过程影响的数值模拟

为了揭示污染大气（气溶胶浓度增加）对于冰冻灾害天气尤其冻雨的影响,利用可分辨云模式（WRF）对2008年1月18—21日中国南方地区一次冰冻灾害天气进行了研究。结果表明：污染气溶胶对此次冰冻天气的区域降水有一定的抑制作用,其中对冻雨的抑制作用更为明显,尤其表现在对较强冻雨过程的抑制作用。微物理过程分析表明,贵阳地区冻雨形成机制表现为过冷云机制（暖云机制）,污染气溶胶使云内云水含量浓度增加,使得冰相粒子撞冻过冷水这一过程进行的更加充分,引起过冷却雨水含量减小,进而导致地面以固态降水为主,抑制了冻雨的产生。     

两次华北冷涡过程雹云结构特征及AgI催化效果数值研究

用三维完全弹性非静力平衡雹云模式模拟了不同低涡雹云演变特征和人工引晶催化效果,结果表明:冷涡雹云中不存在大量的过冷雨滴,过冷水几乎是由云滴组成的,雹胚形成以云霰转化为主,由冰相过程形成降水粒子。近地面有薄逆温层云体,云底温度高,云中垂直运动强,云中过冷云水含量增长迅速且丰富。在雹云主要上升气流到达的过冷水含量大值区下方和过冷水大值区中心部位分别一次引进×107/kg碘化银粒子进行大剂量催化试验,碘化银主要以凝结-冻结方式核化成冰,雹胚浓度增加,雹胚过多争食抑制冰雹增长,使得冰雹直径明显减小。     

利用GRAPES模式研究气溶胶对云和降水过程的影响

在GRAPES中尺度模式的双参数微物理方案中加入了气溶胶活化参数化过程,实现了对云滴数浓度的预报。选取不同季节两个降水过程进行模拟,并分别开展了不同气溶胶背景下的两个试验进行对比分析,研究气溶胶对云和降水可能的影响。结果表明:气溶胶浓度增加后,因为活化产生了更多尺度较小的云滴,抑制了云雨的自动转化,使大气中滞留了更多的云水,暖云降水减小;另一方面,云水的增加会使冰相粒子,尤其是雪和霰通过碰并云水等过程而增大,最后融化成雨增加冷云降水,同时冰相粒子增加会释放更多的潜热,促进上升气流的发展,进一步增加冷云降水。气溶胶对降水的影响存在空间不一致性,暖云较厚的地方暖雨过程受到的抑制明显,使地面降水减小,冷云厚度相对较厚时,冷云降水的增加会大于暖云降水的抑制,使地面降水增加。同时由于在云降水发展的不同阶段冷暖云的变化,气溶胶对降水的影响也存在着时间不一致性。     

气溶胶对北京中尺度对流系统影响的数值试验

利用可分辨云模式(WRF),模拟研究了不同气溶胶浓度对北京地区2001年8月23日一次产生强降水和冰雹的对流天气的影响。结果表明,气溶胶浓度的增加不利于对流云的发展,导致地面降水减小,但是对降水结构没有明显影响。气溶胶浓度增加导致云中水成物数浓度和质量浓度均发生变化,其中云水、冰晶和雪含量增加,而雨水、霰和雹含量减小。从云微物理学分析发现,气溶胶浓度减小有利于高层云的形成,云滴有效半径随着气溶胶浓度增加而减小。     

沙尘气溶胶对大气冰相过程发展的敏感性试验

利用分档云动力学模式,研究了沙尘气溶胶输送过程中在不同大气背景环境条件下对云内冰相粒子形成、发展和降水过程的影响.通过敏感性试验发现:在背景气溶胶浓度不断增加的情况下,冰相降水率以及冰相降水在总降水量中的比例逐渐减小;只有在大陆性云和污染严重的地区,含有一定比例可溶性物质的沙尘粒子提高了大气中的巨核浓度,使云中冰相降水质粒提前出现,有利于降水的形成.另一方面,当把不可溶矿物气溶胶粒子作为有效的大气冰核参与云降水形成的物理过程时,由矿物气溶胶引起的大气冰核浓度增加在一定程度上抑制云中冰相降水质粒的发展,部分抵消巨核对降水的促进作用.     

云南一次典型降雹过程的冰雹微物理形成机理数值模拟研究

冰雹形成的微物理机理是人工防雹的重要科学依据,但对我国西南地区冰雹形成的微物理机理研究很少。利用中国科学院大气物理研究所三维冰雹分档云模式对云南2016年7月11日一次冰雹云过程进行了数值模拟研究,揭示了冰雹形成的微物理机理。此次冰雹云生成发展快,强度大,是西南山区典型夏季冰雹云。数值模拟的降水、降雹和回波强度等物理量与对应的观测量基本一致。模拟的冰雹云的最大上升气流速度达到28.7 m s?1。通过对冰雹形成的微物理过程分析研究表明,雹/霰胚的主要生成来源是通过过冷雨滴的概率冻结产生的冻滴,占95%,而冰晶碰冻雨滴产生的雹/霰胚仅占5%,这与国外和我国其他地区雹/霰胚产生的来源和冻滴所占比例有明显差别;形成的雹/霰胚直径多数集中在0.3 mm至3.0 mm范围,雹/霰胚主要通过对过冷云水的碰并过程实现增长,直径小于0.3 mm的雹/霰胚较难增长;大雨滴冻结成较大直径的雹胚,可促成短时间内形成冰雹;在雹云发展过程中存在短时的过冷雨水累积带,但过冷雨水累积带对雹/霰胚的增长贡献不大。     

对流云对大气气溶胶和相对湿度变化响应的数值模拟

利用二维面对称分档云模式研究了气溶胶颗粒物浓度和尺度谱分布对混合相对流云微物理过程和降水的影响, 并重点讨论了气溶胶效应随环境相对湿度的变化。结果表明, 在初始热力和动力条件相同的情况下, 相对清洁的海洋性云在发展和成熟阶段能更有效地产生雨滴、 冰晶和霰粒, 形成更强的雷达反射率。随着气溶胶浓度增加, 比如在本文模拟的污染大陆性云中, 气溶胶粒子数浓度的增加限制云滴增长, 不利于降水粒子的形成。模拟结果也发现, 环境相对湿度对气溶胶效应有显著影响, 即当地面相对湿度从50%增大到70%时, 所模拟的云从浅对流泡发展为深对流云; 气溶胶对云微物理特性和降水的影响在干空气中较小, 但在湿空气中表现非常显著, 这与前人结果一致。随着相对湿度的增加, 冰相粒子出现的时间提前, 增长加快, 云砧范围扩大, 但相对来说, 降水起始时间对相对湿度的变化比气溶胶更敏感。     

三维对流云催化数值模式人工冰晶参数化方案的改进与个例模拟试验

在中国科学院大气物理研究所的三维全弹性对流风暴云催化数值模式(简称为IAP-CSM3D)的基础上,对模式中催化部分的参数化方案进行了改进,推导出人工冰晶与其它粒子之间相互作用的微物理过程的参数化方程。改进后的模式将催化产生的人工冰晶单独作为预报量进行处理,把人工冰晶与自然冰晶区分开,且考虑的人工冰晶谱型为双参数粒子谱,使模式更符合实际。利用改进后的模式模拟了2005年7月8日发生在辽宁省朝阳市的一次冰雹云天气过程,着重分析了催化云人工冰晶的微物理过程、空间分布和谱型,以及对冰相降水粒子的贡献。数值试验表明,自然雹云模拟结果与观测事实相吻合,说明改进后的模式对冰雹云具有较可靠的模拟能力。模拟分析表明,冻滴是该例自然雹云冰雹胚胎的主要来源,对该冰雹云进行AgI催化可明显地减少降雹量,特别是在云中冰雹形成初期进行催化防雹效果最好,既可产生最大的防雹作业效果又不至于过度减少降雨量。催化减雹的主要原因是催化显著地减少了云中冻滴向冰雹胚胎的转化总量。进一步研究发现,人工冰晶在云的不同阶段对各种冰相降水粒子的贡献是不同的。人工冰晶对雪花总质量的贡献较小,对霰总质量的贡献有所增大,而对冻滴总质量的贡献较大。模拟的冰晶粒子谱可较好地反映出人工冰晶谱型较窄,浓度较大,尺度较小的特征。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 I: 观测分析

利用机载云粒子测量系统等仪器对2003年7月8日冷涡云系的积层混合云探测的资料,分析冷涡云系中的微物理结构、微物理过程和降水形成机制.结果表明:在4km以上高度,2-DC粒子浓度随高度快速增加,而粒子平均直径逐渐减小,粒子在下落过程中获得了增长.积层混合云中对流云在垂直方向上出现明显的分层的微物理结构:4.6km以上高度只存在针状冰晶;4.5～3.5 km高度,存在过冷水和冰相粒子.过冷水含量较高,冰相粒子除针状冰晶外,还有少量冰雪晶聚合体或霰粒子,其中在紧靠0℃层之上的3.5km高度,主要存在冰雪晶聚合体或霰粒子.在紧靠0℃层之下,粒子为椭球形,还有一些未完全融化的冰晶,再降低200 m高度,粒子完全是球形,这里完全是雨滴.降水粒子主要是雨水.云系液态水含量十分丰富,过冷水含量最大值可达3.3 g/m3,云体上部也达到2.0 g/m3.云垂直方向上微物理结构分析表明,云中冰晶除了通过冰核核化形成外,可能还存在冰晶的繁生过程.冰晶产生后通过聚并进一步长大,撞冻过冷水也是冰雪晶增长的方式之一.在云的暖区降水粒子为雨滴,其中至少有一部分是由冰相粒子(冰晶聚合体或霰粒子)融化形成.因此冷云过程参与了降水形成过程.     

一次冰雹过程人工催化的数值模拟试验

利用二维雹云模拟济南地区１９９６年７月２４日出现的一次冰雹过程，模拟结果表明对雹云２６个主要微物理过程双参数化较细致地描述对流过程的热，动力反馈和微物理特点２。根据计算结果，对该次冰雹过程进行了ＡｇＩ催化试验，结果得出在云发展初期对暖底雹云实施高浓度的冰晶催化，可起到减少地面冰雹和增加地面降水的作用。     

Comparison of Aerosol Effects on Simulated Spring and Summer Hailstorm Clouds

Numerical simulations are carried out to investigate the effect of cloud condensation nuclei(CCN) concentrations on microphysical processes and precipitation characteristics of hailstorms. Two hailstorm cases are simulated, a spring case and a summer case, in a semiarid region of northern China, with the Regional Atmospheric Modeling System. The results are used to investigate the differences and similarities of the CCN effects between spring and summer hailstorms. The similarities are:(1) The total hydrometeor mixing ratio decreases, while the total ice-phase mixing ratio enhances, with increasing CCN concentration;(2) Enhancement of the CCN concentration results in the production of a greater amount of small-sized hydrometeor particles, but a lessening of large-sized hydrometeor particles;(3) As the CCN concentration increases, the supercooled cloud water and rainwater make a lesser contribution to hail, while the ice-phase hydrometeors take on active roles in the growth of hail;(4) When the CCN concentration increases, the amount of total precipitation lessens,while the role played by liquid-phase rainfall in the amount of total precipitation reduces, relatively, compared to that of icephase precipitation. The differences between the two storms include:(1) An increase in the CCN concentration tends to reduce pristine ice mixing ratios in the spring case but enhance them in the summer case;(2) Ice-phase hydrometeor particles contribute more to hail growth in the spring case, while liquid water contributes more in the summer case;(3) An increase in the CCN concentration has different effects on surface hail precipitation in different seasons.     

低过冷雨水含量天气过程冰雹形成机制及催化机理模拟1

利用三维全弹性冰雹云模式,对2008年5月24日山东境内一次受高空冷涡影响的大范围冰雹天气过程进行模拟,分析了冰雹的形成机制和催化防雹机理。结果表明:该过程过冷雨水中心位于最大上升气流中心下方,不存在过冷雨累积区,过冷雨水含量最大值仅为4.9gm^-3,但雹云中过冷雨水含量仍然丰富,对雹胚的形成及增长起着重要作用。雹胚以冻滴为主,冻滴胚来源于冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雨滴核化过程。冻滴形成后主要以碰并过冷雨水、云水增长。冻滴胚自动转化过程是冰雹数量、质量的主要来源;冰雹形成后,前期主要靠碰并冻滴、霰和过冷雨水增长,后期主要靠碰并过冷云水增长。催化试验表明,播撒57.5g催化剂足以通过"竞争"减雹50%以上,增加AgI剂量,防雹的同时能够兼顾增雨。催化剂用量为230g时,催化后液态降水有所增加,固态降水量及占总降水量的比例减少显著,特别是冰雹。AgI主要以凝华核的作用产生人工冰晶,冰晶凝华增长导致过冷云水、雨水含量降低。催化后雹胚特别是冻滴胚数量增多,对过冷云水、雨水的竞争增强;其平均尺度、质量的减小,降低了向冰雹的转化率。冰雹碰并过冷云水、雨水增长过程被减弱,导致冰雹总质量进一步减少,达到消雹目的。     

一次冰雹天气过程的云系发展演变及云物理特征研究

利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting)的数值模拟,结合NECP/FNL再分析资料、地面、探空、多普勒雷达基数据和卫星产品等观测资料,综合分析了2014年3月30日发生在贵州省西南部的一次冰雹天气过程。研究了有利于冰雹发生的环流特征和环境条件,分析了冰雹云系的发展演变特征、云微物理结构特征,初步分析了冰雹形成的云物理机制。结果表明:此次冰雹天气是典型的低压辐合线型降雹类型,地面降雹位置位于700 hPa切变线和近地面辐合线附近及南侧;发生此次冰雹过程的对流云系经历了对流云系的初生阶段、合并加强阶段、成熟降雹阶段和东移阶段。贵州地区上空对流云系的微物理结构具有混合相云特征,高层为冰晶、雪,中层为云水、霰,低层为雨水、冰雹。霰和云水是形成雨水和冰雹的主要来源,霰撞冻过冷云水和霰的自动转化是冰雹形成的主要微物理机制。     

Idealized simulation of the Colorado hailstorm case: comparison of bulk and detailed microphysics

One of the purposes of the Fourth Cloud Modeling Workshop was to compare different microphysical treatments. In this paper, the results of a widely used bulk treatment and five versions of a detailed microphysical model are presented. Sensitivity analysis was made to investigate the effect of bulk parametrization, ice initiation technique, CCN concentration and collision efficiency of rimed ice crystal–drop collision. The results show that: (i) The mixing ratios of different species of hydrometeors calculated by bulk and one of the detailed models show some similarity. However, the processes of hail/graupel formation are different in the bulk and the detailed models. (ii) Using different ice initiation in the detailed models' different processes became important in the hail and graupel formation. (iii) In the case of higher CCN concentration, the mixing ratio of liquid water, hail and graupel were more sensitive to the value of collision efficiency of rimed ice crystal–drop collision. (iv) The Bergeron–Findeisen process does not work in the updraft core of a convective cloud. The vapor content was always over water saturation; moreover, the supersaturation gradually increased after the appearance of precipitation ice particles.     

过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其催化效果的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式,对美国对流降水协作试验（CCOPE）期间观测的1981年8月1日雹云进行模拟,讨论在过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其碘化银催化效果。结果表明:(1) 自然云的模拟与观测事实一致,如最大上升气流速度、云顶高度、流场结构以及雹胚组成等。(2) 雹胚以霰为主,霰主要来自冰雪晶与过冷小水滴的碰冻,其次来自雪的积聚转化;霰、冻滴和冰雹在形成后主要靠碰并过冷云水增长。(3)人工催化试验表明,碘化银主要以凝华核（包括凝结－冻结）的作用产生大量的人工冰晶,加速了过冷水向冰晶的转化,过冷云水因而大量减少;催化后霰和冻滴的数浓度增大,对过冷云水的竞争增强,其平均尺度减小导致转化成雹的数量减少;冰雹碰冻过冷云水的增长在催化后也被削弱,导致冰雹总质量进一步减少。此外,催化后降雨量也显著减少。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 II: 数值模拟

在利用卫星、雷达和机载PMS(粒子测量系统)等观测资料对2003年7月8日东北冷涡积层混合云系的降水形成机制分析的基础上,将观测分析与数值模拟研究相结合,用中尺度数值模式对积层混合云系做数值模拟,并结合观测资料进一步分析了积层混合云系的微物理结构、粒子形成过程和降水形成机制,获得如下结果:(1)混合云中对流云具有分层的微物理结构.冰晶含水量最大值出现的高度最高,其次由高到低的排序是雪、云水、霰和雨;雨水主要出现在云的暖区;各种粒子中以雨水含水量最高,其次是霰.对流云体生命期较长,微物理结构基本稳定.(2)粒子形成增长过程有差异.冰晶通过凝华过程增长.雪主要来源于冰晶,产生后主要通过撞冻、收集冰晶和凝华过程增长,其中撞冻过冷云水增长对雪质量贡献最大,其产生率极大值高度与过冷云水相当.丰富的过冷云水,给雪的撞冻增长提供了有利条件.在高、中和低层雪的形成有着不同的机制,高层雪收集冰晶长大后,下落到低层又以雪撞冻过冷云水的结淞增长为主要过程.霰主要由雨滴冻结和雪的转化产生,过冷雨滴与冰晶接触冻结成霰;过冷雨滴收集雪,雪随着雨滴的冻结而转化成霰.因此霰的产生与过冷雨滴关系极大.霰主要撞冻云水、收集雪和冰晶增长,其中撞冻是霰的重要增长过程.雨水主要由霰的融化形成,降水主要是由冷云过程产生的.在过冷层,霰撞冻增长占优势.云上部的冰晶和雪对云的中部具有播撒作用,过冷层中存在丰富的过冷水,对冰相粒子的撞冻增长有利.对云水消耗的分析表明,雨滴对云滴的收集、霰和雪对云水的撞冻增长是消耗云水的主要过程.(3)从各种粒子的形成和增长过程可以看出,大部分雨水由霰融化形成,暖云过程贡献要小得多.可见,降水主要是由冷云过程产生的,这与观测分析的结果一致.     

冰碰冻增长的实验研究

冰质粒碰冻过冷却水滴而增长是自然雹块增长的主要机制,研究碰冻增长的条件与所形成的冰的微物理特征的关系有助于了解自然雹块增长的微物理过程。本文首先介绍了用于研究碰冻冰增长的实验设备设计、实验参数的控制和测量以及实验方法,然后讨论了碰冻冰微物理参数(诸如,冰密度、冰生长率、冰中气泡结构和晶体结构,以及平均捕获效率等)与生长条件之间的关系,这为利用自然雹块微物理结构研究其生长情况提供了很有用的资料。     

冻滴微物理过程的分档数值模拟试验研究

霰和冻滴是深对流降水的主要来源。由于二者密度差异造成的不同下落末速度必然会导致云微物理过程的变化以及降水时空分布的改变。我们在以色列特拉维夫大学二维轴对称对流云全分档模式的基础上,将水成物粒子从34档增加到40档,修改了霰和雪的密度,加入冻滴分档处理的微物理过程,发展了一个包括液滴、冰晶、雪、霰和冻滴更为详细的云微物理分档模式。利用改进后的模式模拟了一次理想的强对流天气过程,分析了改进模式与原模式模拟的云微物理量场以及水成物粒子的时空分布特征,模拟结果表明:（1）由于冻滴的产生,较大的下落末速度导致在云内-3℃至-8℃较早地出现了冻滴,并造成了大量的冰晶繁生。（2）冻滴形成前期,液态水中心区域位于垂直上升速度大值中心上方,形成液态水累积区;冻滴形成期,液态水累积区位于0℃层以上,雨滴冻结生成冻滴,霰与半径大于100 μm的液滴碰并生成冻滴;冻滴增长期,在垂直上升气流的支撑下,冻滴碰并过冷水增长,导致冻滴含量增大,液态水含量减小。因此,改进模式能较好的模拟冻滴的形成过程,可以将该分档处理的微物理方案耦合到三维WRF（Weather Research and Forecasting model）模式中,更深入地研究强雷暴风切变在冰雹生成过程中的作用。