三维冰雹云数值催化模式改进与个例模拟研究

鉴于播撒冰核形成的冰晶与自然冰晶谱型不同,对三维冰雹云催化模式人工引晶物理过程参数化部分进行了改进,将人工引入的冰晶单独作为预报量处理,导出人工冰晶与其他粒子发生的微物理过程的参数化方程。分析了改进模式的催化功能及人工冰晶的微物理过程及其在催化防雹中的作用。结果表明,在同样催化条件下,改进模式的催化效果优于原模式。水汽在碘化银粒子上核化是产生人工冰晶的主要过程。人工冰晶的空间分布特征表明,它与云水和雨水接触的比例要比自然冰晶高得多,因此人工冰晶收集过冷云水增长是其与自然冰晶最大的差别。与自然冰晶相比,人工冰晶向霰转化的数量多,通过人工冰晶形成的冻滴也多。自动转化是消耗人工冰晶的最重要的物理过程。人工冰晶减雹机制是:对雹云催化后,人工冰晶增加使雪、霰和冻滴增加,转化成冰雹的数量也增加,冰雹的尺度减少,降雹强度和降雹动能通量就减少。     

人工增雨降温机理的数值模拟研究: 对流云个例试验

为减轻夏季用电负荷,2004年我国许多省市实施了碘化银催化增雨降温作业。本文利用数值模拟方法讨论了强对流云(冰雹云)催化降温的机理。模拟结果表明,实施碘化银催化后,地面降雨量增加、降雹量减少、地面温度降低。催化使得云中冰晶、霰和雨水的含量增加,造成云雨蒸发、霰的融化(蒸发)及冰晶升华量增加,从而使空气温度降低。     

海口市人工催化热带对流云增雨降温的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展的具有火箭人工增雨催化功能的三维云分档数值模式(IAP2HBM),对2004年7月8日海南岛海口市区的一次热带对流云火箭人工增雨降温作业过程的宏、微观物理演变过程和人工增雨降温作业效果进行数值模拟。结果显示,人工催化播撒AgI后地面降水增加、地面气温下降的区域扩大、维持时间延长。催化导致云水含水量降低,雨水、冰晶、霰、雪含量增加,云中雨水的大量蒸发和冰晶、霰和冰雹粒子融化造成空气温度降低。     

对流云微物理过程的数值模拟——引晶催化的效果分析

用一维时变微物理模式,模拟了1990年盛夏季节大冶县高炮人工降雨作业点作业日的积云及其催化效果。结果表明,高炮人工降雨作业技术难度大,作业效果与云顶温度、云体大小等有一定关系。     

鄂西北对流云及其人工催化的三维数值模拟个例研究

该文把三维对流云模式应用于湖北省西北部地区的对流云降水研究和人工增雨试验设计，并和张家口冰雹云个例的模拟进行了比较。模拟结果表明该地区给定季节的对流云主要特征有云底温度（约26℃)。云中上升气流速度中等（最大约18m/s)，初始回波在较暖区1～-2.5℃)形成，云的回波顶高约13km。前期的暖支降水对地面雨量贡献很大。播云的数值模拟结果显示了初始回波出现后约10min回波项高到达-22℃处时，在温度为-2～-6℃层的支的中心部位引进5×105～107个/kg碘化银冰核，使地面降雨只有身长弱增加。湖北西北部对流云中过冷云水偏少，最大仅5g/kg和3.8g/kg,面且过冷云水大值区温度偏高（-2.5℃).催化后云中最大上升气流和地面格点最大雨量值变化不大，有时减少，后期降雨量增加，下风方雨量增加，分布更加均匀，但总雨量增加不多。     

三维对流云盐粉催化模式的发展和催化模拟试验

在三维混合相对流云模式中发展了盐粉催化方案,该方案考虑了盐粒与云雨滴和冰相粒子间的相互作用,模式中增加了盐溶滴的质量Qn和浓度Nn两个预报量.利用盐粉催化模式进行了个例模拟试验,并对催化结果进行了对比分析.结果表明,当采用30个·L-1剂量的盐粉两次催化时,催化效果较好,地面总降水量可增加10％;当催化剂量减少时,增雨效果不明显.同时催化剂量超过1 000个·L-1,可导致降水总量减少.催化时间提前或延后都会影响增雨效果.模拟第70 min后出现了少量的减雨,并持续到降水结束.通过分析催化后云中水成物,发现盐粉催化不仅影响了暖雨过程,而且云雨滴通过冻结形成霰等过程也影响了冷雨过程.     

鄂西北夏季对流云降水微物理过程数值模拟

为了深入研究对流云降水微物理过程特征,为局地对流降水预报和人工增雨提供更多的参考依据,利用三维双参数对流云模式,使用常规单站探空资料,开展湖北两北部山地夏季对流降水实例的批量数值模拟,使用地面降水量和雷达回波资料检验模拟效果,统计分析降水微物理过程特征,归纳总结冰相粒子的形成、增长机制,以及液念水和冰相粒子的相互转化机制。结果表明：（1）对流云模式能够较好地模拟实际对流降水的一些宏观微观特征;（2）当地夏季主要是对流冷云降水,冰相过程是形成降雨的主要物理过程;（3）冰相过程巾过冷水、霰、冰晶之间的相互转化过程是主要的冷云降水形成机制。     

青海省秋季一次对流云人工增雨的数值模拟

利用中国气象科学研究院的三维对流云数值模式，模拟了青海省2002年秋季一次对流云过程，分析了青海省秋季对流云云体发展的动力学特点和微物理特征。数值模拟结果表明，青海省秋季的对流云降水几乎全部是由霰的融化形成的，而自然云中冰晶含量少、冰霰自动转化形成霰胚的过程非常微弱。但采用合适的方法催化以后，冰晶的核化、繁生量增加，通过冰霰自动转化过程形成大量霰胚，霰胚再通过其他冷云微物理过程迅速增长，融化成降水。催化后各种微物理机制都比催化前活跃，同时催化改变了云体的动力场分布，在动力过程和微物理过程的相互促进下，使增雨取得了很好的效果。     

CAMS三维对流云催化模式的改进及个例模拟

该文对CAMS原有的三维对流云模式(2000版)进行了改进,引入雪晶的比水量和数浓度作为预报变量,加进与雪晶有关的11种微物理过程,从而使模式的微物理过程更加完善,使其能更好的模拟对流云降水过程.通过对1996年北京雹云个例模拟,发现模式模拟云的多单体结构、回波顶高、强中心位置与雷达观测比较一致,并能很好的解释地面雹块结构的形成原因.对改进前后的模式计算结果进行对比分析发现改进前后动力场变化不大,主要是微物理过程产生的影响,同时该文还对改进后的模式进行了AgI催化模拟试验.     

减弱对流云降水的AgI催化原理的数值模拟研究

在对流云模式中增加了AgI两个预报量,耦合了考虑受水汽过饱度和温度影响的4种核化机制的AgI催化模块,使其具备了对AgI类催化剂的模拟能力,能够研究AgI类催化剂对对流云系统的影响。利用该模式对一次华南对流云降水过程进行了AgI催化数值模拟试验,对人工减缓对流云降水的可能性及原理进行了研究。模拟结果表明,在适当的时机对适当的部位进行大剂量的催化,可以减少总降水量,也可以减少最大降水中心的雨强。当催化浓度达到2×10~8 kg~(-1)时,可以减少32%的降水量,具备有效减缓对流云降水的可能性。大剂量催化后,大量的AgI粒子在冷区核化后,消耗了大量的过冷水。催化后霰粒子的落速和雨水的落速减小。催化阶段由于霰融化成雨水减少而使降水减弱。催化结束后在霰融化成雨水增多的情况下,雨水的蒸发大幅增加,从而导致了降水量的持续减少。AgI在模拟的强对流云中主要以受过饱和度影响的凝结冻结和催化剂长时间作用的浸没冻结这两种方式成核。研究所用催化方法在外场作业中具有技术可行性。     

大气冰核谱分布对对流风暴云人工催化影响的数值模拟研究

2002年9月在青海省河南县人工增雨综合试验基地开展了人工增雨外场综合观测试验.根据这次实验得到的大气冰核资料,以及文献给出的另外两组常用的冰核资料,利用中国科学院大气物理研究所研制和发展的三维对流云人工催化数值模式,讨论了3类不同大气冰核谱环境对模拟对流风暴云人工催化增雨效果的影响,模式中还考虑了国内人工影响天气部门常用的RYI-6300型和WR-1B型人工增雨防雹火箭播云弹道的差异.模拟结果表明,3类不同大气冰核谱环境对模拟对流风暴云的宏观和微观参量分布结构有很大影响,在这些对流云中进行火箭播云催化试验得到的播云效果也有很大差异.大气环境中高温冰核浓度低,而低温冰核浓度高时,对流风暴云人工催化将导致云中冰晶过量,不利于对流风暴云降水增加.在大气环境中高温冰核浓度较高,并且低温冰核浓度较低时,对流催化风暴云可获得最高的人工增雨效果.在青海试验区的大气冰核谱环境下,火箭催化对流风暴云增雨有一定效果.对不同地区进行人工增雨作业时,了解清楚当地大气冰核的基本背景状况对于正确地评估播云效果非常重要.文中还给出了导致这些结果差异的物理解释.     

一次积层混合云降水实例的数值模拟分析

观测显示,积层混合云有自己独特的动力热力结构,降水过程也有自己的特点,但过去关于积层混合云的实例模拟工作较少.2007年9月28日在我国华北地区发生了一次积层混合云降水过程.利用WRF-ARW中尺度数值模式,对这一个例进行了实例模拟,并结合常规观测、卫星和雷达资料分析模拟结果,表明:此次积层混合云系是降水云系减弱,层状云发展形成的.在降水物理过程中,此次积层混合云不仅具有积云和层云形态混合的特征,还具有冷云过程和暖云过程共存的相态混合的特征;中层的大范围辐合和相应的较均匀上升气流场支撑着层状云,而在均匀上升气流场中的波动导致了对流云镶嵌其中;有迹象表明,条件对称不稳定是维持此次积层混合云发展的动力因子.     

GRAPES双参数云微物理方案的改进和云降水个例模拟研究：GRAPES_SCM对热带对流云个例的模拟研究

应用全球-区域同化预报系统单柱模式(GRAPES_SCM),对热带暖池国际云试验(TWP-ICE)个例进行数值模拟。通过和实际观测资料进行对比,诊断并改进了Liuma云微物理方案对热带对流云微物理特征的模拟能力。结果显示在GRAPES_SCM框架下,Liuma原方案和WSM6(WRF single moment)方案均能呈现出TWP-ICE期间热带云系的发展特征,并能够明显区分试验期间的季风活跃期和季风抑制期。活跃期Liuma原始方案和WSM6方案模拟的冰云组成结构差异显著,在Liuma原始方案所模拟的冰相水凝物分布中,存在冰雪含量过少、霰过多的现象。改进后的Liuma方案对程序中各微物理过程计算顺序进行了优化,改进后霰质量混合比明显减少,冰雪质量混合比明显增加,冰相水凝物分布较合理。     

热带深对流云砧数值模拟及云凝结核数浓度对其影响的初步试验

利用中国科学院大气物理研究所发展的三维强风暴模式,对Egrett Microphysics Experiment with Radiation Lidar and Dynamics（EMERALD）试验期间的一次长寿命热带深对流个例进行对流产生、发展、消亡过程以及云砧的数值模拟,并与实测资料［包括C波段双线偏振雷达图像资料、机载云粒子成像仪（CPI）探测的云砧卷云微物理特性以及激光雷达探测的云砧宏观特性资料］进行了细致的对比,然后通过改变模式中最大云滴数浓度进行有关云凝结核数浓度影响云砧卷云冰晶含水量和数浓度的敏感性试验。模式较好地模拟出系统的一些重要宏观特征,如爆发性增长阶段、各高度雷达水平反射率因子的最大值、对流云主体移动方向、云砧底部和顶部高度。对云砧冰相粒子含水量、数浓度以及平均直径等微观特征的模拟结果与实测也比较接近。对于本文个例而言,异质核化为冰晶形成的最主要方式,其次为过冷云滴的均质核化。敏感性试验结果表明:当云凝结核数浓度增加时,爆发性增长阶段的垂直速度减小,使得对流云从中低层向高层的水物质输送量减少,从而使云砧卷云冰晶的数量减少。     

一个气候系统模式对小冰期外强迫变化的平衡态响应

本文利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的气候系统模式FGOALS_gl, 通过设定小冰期的太阳辐射变化, 模拟了小冰期的气候平衡态, 讨论了小冰期气候变化的机理。数值试验结果表明, 由太阳辐照度变化和火山活动共同作用造成的太阳辐射减少是小冰期气候的重要成因, 模拟的小冰期表层气温变化分布与重建资料在全球大多数地区较为一致。就全球平均情况而言, 小冰期的年平均气温较之1860年偏冷0.15℃, 较之20世纪平均情况偏冷0.6℃左右。小冰期温度变化存在显著的地域和季节特征, 表现为北半球降温幅度大于南半球, 高纬地区降温幅度大于低纬地区, 夏季的降温幅度大于冬季。东亚地区小冰期温度较之1860年和20世纪分别偏冷0.3℃和0.6℃。小冰期的降水异常中心位于低纬地区, 主要表现为赤道中东太平洋降水负异常和赤道中西太平洋降水正异常, 以及位于热带印度洋的降水偶极子型。除欧洲和北美外, 全球其他地区陆地降水均减少。东亚地区小冰期夏季降水的变化最为显著, 较之1860年, 华北、 东北地区降水增加, 而长江流域以南降水则减少; 较之20世纪, 东部降水异常表现出华北地区偏多、长江流域偏少、华南地区偏多的“三极型” 分布特征。     

一个海-冰-气耦合模式中格陵兰海海冰年际变异及其成因的个例分

利用一个全球海-冰-气耦合模式模拟结果, 选取冬季年际变率最大的海冰区--格陵兰海海冰区中的一个4年海冰剧烈变化过程展开分析, 试图探讨此个例过程中海冰剧烈变化的原因.结果表明, 在此个例中, 该区域海冰年际变异主要是由大气环流异常驱动的, 海表面温度和海冰密集度变化主要是对大气环流变化的响应.海表面温度变化决定着海冰范围及海冰密集度的变化, 但海冰变化时通过相变潜热的释放或吸收反过来对海表面温度变化有一定影响.     

陕焦化甲醇生产项目雷击风险评估

为了使人工增雨更有针对性,需要在作业方案制定阶段就对未来影响天气系统有一个明确的判断,需要总结出一套适合山西省进行人工增雨作业的天气概念模型。为此,普查了1991年-2000年欧亚范围高空及地面天气图,筛选出影响山西省并产生降水的天气系统,加以分析归纳,建立了4种有利于山西省人工增雨作业的天气概念模型,即西风槽型、东北冷涡型、切变线型及副高型,并分别给出了未来12h～24h影响山西省的警戒区及最佳人工增雨作业区。     

“93.5”黑风暴发展结构和不同模式分辨率的数值试验

1993年5月4～6日在我国西北部地区发生了一次“黑风暴”。用改进的MM1和高分辨PBL参数化及40 km细网格控制试验能基本上模拟出“93.5”黑风暴的结构和演变。模拟结果表明,黑风暴发展时段,在PBL内与一个中尺度气旋性强涡旋相伴,在对流层内与一个垂直涡柱相伴。这个伸展至对流层顶的涡柱下（上）半部是与低（高）空强烈辐合（辐散）入（外）流相伴的气旋（反气旋）性涡柱。该黑风暴结构不同于一般锋面结构,其主要判别是：界面坡度陡,θe水平梯度大,斜压性强,PBL内暖心明显。该暖心结构与下垫面剧烈热力强迫有关。不     

高寒草甸生态系统陆地生物圈模式研究及应用

改进了适合于高寒草甸生态系统的陆地生物圈模式，分析了模式中温度变化与水分运动分层的物理原因，说明了气候状况对地表面能量交换的影响，给出了净辐射和蒸散量新的计算方法，提出了有限差分计算中具有二阶精度的Euler隐式格式，介绍了中国科学院海北高寒草甸生态站的气候概况和野外观测情况。最后利用本模式对高寒草甸生态站地区的土壤－－植被－－大气间水热交换过程进行了数值模拟，模拟值与实测值吻合较好。     

GAMIL模式海气湍流通量参数化方案的改进及其对大气环流年际变率模拟效果的影响

通过引人中尺度对流运动对海表湍流通量的贡献,改进了大气环流模式GAMIL1.0的海气湍流通量参数化方案.利用1979年1月至2000年12月的观测海温资料驱动GAMIL1.0模式,研究了海气湍流通量参数化改进对大气环流年际变化模拟效果的影响.结果表明:采用改进的海气湍流通量参数化方案,模拟的热带海表湍流热通量得到增强,...