气溶胶对冰雹云物理特性影响的数值模拟研究

利用RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)数值模式,研究了气溶胶数浓度的改变对半干旱地区春季出现的一次较大范围的降雹天气云微物理特性和降水过程的影响,模拟结果表明:(1)气溶胶对云中液态含水量垂直分布影响明显.气溶胶浓度改变使云中水成物的空间分布发生调整.(2)清洁大气环境...     

云凝结核浓度对北京一次降水过程影响的数值模拟

利用WRF v3.6.1模式,采用Thompson云微物理参数化方案对北京奥运会期间的一次降水过程进行了模拟,通过3组数值试验对比分析了高、中、低云凝结核浓度对降水的影响。数值试验结果显示:(1)在云凝结核浓度较低的情况下,云凝结核浓度增加使24 h累积降水量增加,且增加的幅度相对较低;在云凝结浓度较高的情况下,云凝结核浓度增加使24 h累积降水量减少,且减少的幅度相对较高。(2)从地面雨强分布来看,不同的云凝结核浓度对暴雨、大雨、中雨、小雨的影响均体现在降水强度上,对降水位相的影响不显著。(3)云凝结核浓度的变化对低云量的影响与其对降水的影响相一致,故低云量是影响降水的一个重要因素。     

层积云覆盖的边界层的数值模拟研究(Ⅱ): 数值模拟结果分析

着重分析了文献[1]新建立的层积云覆盖的边界层的数值模式对大涡模拟对比试验中个例模拟的结果。并将数值模拟结果与一些已有的观测和数值模拟结果进行了对比。分析结果表明,该边界层模式能较合理地模拟海区层积云覆盖的边界层的微湍流结构和云的微物理过程。     

层积云覆盖的边界层数值模拟研究(Ⅰ):数值模式的建立

层积云是一种在湍流作用下形成的边界层云,在这种边界层中,层积云顶即边界层顶,云层和非云层耦合在一起,为了加深对这种层积云覆盖的边界层的理解,许多作者已经做了大量的野外观测和数值试验研究,然而在数值模拟研究中存在湍流和云物理模式相互脱节的现象,针对这种缺陷,本文在湍流控制方程组中引入云滴控制方程,发展了一个新的用于研究海区层积云覆盖的边界层的数值模式,所建模式具有如下特点：（1）实现了云物理模式与湍流模式的相互耦合;（2）实现了云滴分档凝结模式和三阶湍流闭合边界层模式相互耦合,利用所建模式对大涡模拟对比试验所采用的个例进行了数值模拟,数值模拟结果表明,该边界层模式能较合理地模拟海区层积云覆盖的边界层微湍流结构和云微物理过程。     

CCN浓度对安徽一次强对流天气影响的数值模拟

应用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,采用NSSL初始CCN数据(C=600 cm~(-3)、k=0.6)及南京北郊观测拟合数据(C=4 000 cm~(-3)、k=0.47)对安徽省一次强对流天气进行模拟。结果发现CCN浓度(CASE2)增大后,所模拟的最大雷达反射率较初始情况(CASE1),在强度和云体宽度上更加接近实况,且CASE2生成了更多强对流单体;CASE2的降水落区较CASE1更为接近实况,且中心雨强大于CASE1,这主要由CASE2中第一个单体更强的降水导致,而两者第二个单体贡献值相近。在过程初期,CASE2中云水、冰晶粒子数浓度比CASE1更大,使得云水粒子冻结时释放出比CASE1更多的热量,从而使得云体发展更为旺盛;两者单位质量中雪晶质量和数浓度相差不大;CASE2比CASE1霰雹粒子比含水量更高,从而在融化过程中形成了更强的冷云降水。     

新疆渭干河灌区冰雹云微物理过程的数值模拟

利用一个比较完整的积云参数化微物理模式，模拟了渭干河灌区一次冰雹云降雹过程。结果表明，该模式能够比较南实地反映灌区冰雹云发展演变的物理过程，得现冰雹云成雹降水主要是贝吉隆过程启动的。     

气溶胶对新疆冰雹形成物理过程影响的数值模拟研究

利用带有分档微物理方案的中尺度模式（WRF-SBM）模拟了一次新疆夏季的冰雹天气过程,并通过敏感性试验研究了气溶胶浓度变化对雹云微物理特征、降水过程及冰雹形成机制的影响。结果表明:初始气溶胶浓度越大,对流云发展越旺盛。雹云发展阶段,云中液水含量随气溶胶浓度增加而增多,冰水含量在中度污染时最多。冰雹的含量随气溶胶浓度的增加呈现先增加后减小的趋势,相较而言中度污染条件下,云滴尺度适当,过冷云水含量相对充足,更有利于液相水成物向冰粒子的转化,也更有利于冰雹的生长。冰雹最初几乎全部由冰晶碰冻过冷水生成,随后该过程迅速减弱,液滴冻结过程短暂地成为主要来源,但冰雹一旦形成,自身就会迅速收集过冷水开始生长,成为冰雹生长的主导过程。重度污染条件导致各种成雹过程推迟发生。气溶胶浓度增大导致地面液相累积降水增加,冰相累积降水先增加减少,并且气溶胶浓度适当增大可使降雹量及冰相降水中冰雹的比重增加,过量则会减小。在此基础上,本文提出最适合冰雹生长的“最优气溶胶浓度”,同时也是人工防雹工作中应重点关注的浓度。     

气溶胶影响混合相对流云降水的数值模拟研究

利用一种新的异质冰相核化参数化方案,研究了当气溶胶同时作为云凝结核和冰核时,在不同高度输送对混合相对流云和降水的影响。结果发现,对于本文研究的理想混合相对流云,气溶胶在边界层的输送导致液滴数浓度明显增加,有效半径减小,霰粒的生长受到抑制,引起霰粒质量浓度降低;而气溶胶在对流层中层4～6km输送时,导致冰晶和霰粒数浓度明显增加。由于较多的冰晶引起更加快速的贝吉隆过程,使霰粒的质量浓度增加;气溶胶在对流层中层2～4km高度输送时冰相形成作用相对较弱,并引起霰粒的数浓度略微增加,由于霰粒的有效半径减小导致其质量浓度下降。气溶胶在不同高度的输送都导致液态和固态降水率降低,随着背景气溶胶数浓度的增加,气溶胶在0～2km、2～4km以及4～6km的输送分别导致累积降水量减少28％～64％、4％～44％和3％～46％,并且对降水的抑制效应及所在高度不同引起的降水差异随着背景气溶胶数浓度的增加而减小。     

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。     

云模式中气溶胶物理过程参数化方案研究概述

介绍了大气气溶胶的浓度、气溶胶的谱形等物理性质对云的微物理过程造成的影响以及目前云模式中常用到的一些气溶胶物理过程的体积水、分档等参数化方案,并评述了这些参数化方案各自的特点。提出了在设计气溶胶物理过程参数化方案时需要注意和有待解决的几个问题,建议在设计气溶胶-云相互作用的模式时,要根据不同的研究目的选择合适的参数化方案。     

不同云底温度雹云成雹机制及其引晶催化的数值研究

用二维准弹性冰雹云模式模拟了中国不同地区的冰雹云的成雹机制和人工引晶催化的效果,结果表明：强对流云中自然初始降水元的形成主要同云雨自动转化相关;云底温度较低的冰雹云的雹胚形成以云霰转化过程为主,暖云底的雹云则以雨霰转化为主。人工引晶的作用有三：（１）加强云中冰霰转化过程,雹胚过多争食防雹;（２）促进雨霰转化过程,使雹胚浓度增加,并且减少过冷雨滴,抑制冰雹碰冻过冷雨滴的增长;（３）使云的下部霰量增加,降低降水粒子的增长轨迹,阻碍霰雹的增长。多次催化有时比一次大剂量催化的防雹增雨效果好。     

碘化银核化过程的数值模拟研究

根据DeMott等给出的不同成核机制下AgI成核效率的实验结果 ,通过数值模拟的方法 ,研究了AgI粒子在云室、层状云和对流云中的核化过程。通过对云室的模拟 ,发现云滴浓度和云雾持续时间是造成不同云室检测的AgI成核率相差悬殊的主要原因。数值试验结果表明AgI的成核方式在层状云和对流云中有很大不同 :层状云中AgI主要以接触冻结、浸没冻结等慢核化过程为主 ,而对流云中则以凝结冻结过程为主。     

云微物理过程对暴雨影响的数值试验

本文利用美国科罗拉多州立大学95年完成的RAMS（Regional atmosphere Modeling system)3B版模式，通过冷、暖云两种方案，以常规报文资料为初值对1998年7月20－21日发生在湖北地区的特大暴雨过程进行了模拟分析，初步试验表明模式具有模拟此次强暴雨过程的能力，20日20时至21日20时24小时降水分别为304mm和206mm，最大雨强分别为48mm/hr和31mm/hr，降水中位于鄂东地区，与实况基本吻合。进一步分析表明聚合体粒子在此次降水中占有主要地位，冰相粒子的加入对降水有重要的增幅作用。     

积云酸化和冲刷过程的数值试验研究

用一组化学模式和二维时变积云模式及扩散模式相结合，研究了云和降水发展各阶段污染物浓度对云水和降水的降化影响及SO2冲刷过程的影响（侧重灵敏度试验的讨论）。     

初始冰核浓度对冷云对流性降水影响的数值试验

本文利用二维滞弹性非静力平衡云模式［1］,通过改变初始冰核浓度,研究其对冷云对流性降水的影响。模拟结果表明：增大初始自然冰核浓度,对对流强弱和云状影响不大,但对云内的微观结构有很大的影响,即云内冰粒子提前产生,云冰和雪含量增大,并且可以削弱地面累积固态和液态降水量。并分析了导致这些结果的原因以及要削弱局地暴雨,必须初始播撒大量冰核的同时,增大初始云滴浓度（CCN）。     

云中粒子谱形状因子变化对云及降水影响的数值研究

鉴于目前云数值模式和中尺度数值模式中云和降水过程大多用体积水参数化的方式描述,而不同模式所用的粒子谱不同或粒子谱的参数不同,用这些模式模拟研究云和降水的物理过程、降水形成机制、催化防雹和催化增雨机理以及预报降水等就遇到这样一个问题粒子谱或谱参数不同对研究结果有何影响?因此利用中国科学院大气物理研究所的三维冰雹云催化数值模式,做雹云中粒子谱参数变化的数值试验,分析了冰雹云中雨滴谱、冰晶谱、霰谱的形状参数对降雨降雹、云中微物理过程的影响.结果表明,雨滴谱形状参数变化,对降雨形成机制基本没有影响,对与雨滴有关的物理过程有直接影响.霰谱对地面降雹量、降雹强度、雨强的影响较大,对降雨量影响较小;对冰晶、霰以及冰雹的质量和数量产生率都有明显的影响,云中的所有微物理过程均受到了不同程度的影响,对有些过程影响最为显著,它不但影响粒子的产生过程,也影响粒子的增长过程.冰晶谱对降水量的影响较小,但对各种粒子的某些形成或增长过程影响较大,有的很大.此外,冰晶谱型的变化,对不同地区云或不同个体云降水的影响程度不同,反映了滴谱谱型对云和降水影响的复杂性.利用这些研究结果,讨论了云模式的使用问题.     

气溶胶浓度影响暖雨过程的数值模拟试验

本试验利用ＲＡＭＳ非静力平均模式对１９９５年８月上旬南京地区一次雷阵雨过程进行了不同气溶胶浓度背景下的模拟。初步表明，活化云凝结核浓度增加，可以延缓暖雨过程，减少降水量约２０－３０％，同时，云更持久维持。     

Cloud condensation nuclei measurements at Mace Head, Ireland, over the period 1994–2002

Analyses of cloud condensation nuclei (CCN) number concentrations (cm^− 3) measured at the Mace Head Atmospheric Research Station, near Carna, County Galway, Ireland, using a DH Associates Model M1 static thermal diffusion cloud chamber over the period from March 1994 to September 2002 are presented in this work. Air masses are defined as being ‘marine’ if they originate from a wind direction of 180–300° and ‘continental’ air masses are defined as originating from a wind direction of 45–135°. Air masses without such filtering were classified as ‘undefined’ air masses. Air masses were found to be dominated by marine sector air, re-affirming Mace Head as a baseline atmospheric research station. CCN levels for specific air masses at Mace Head were found to be comparable with earlier studies both at Mace Head and elsewhere. Monthly averaged clean marine (wind direction of 180–300° and black carbon absorption coefficient < 1.425 Mm^− 1) CCN and marine CCN varied between 15–247 cm^− 3 and 54–670 cm^− 3, respectively. As expected, significant increases in number concentration were found in continentally sourced CCN over that of marine CCN and were found to follow a log-normal distribution significantly tighter than that of clean marine air masses. No significant trend was found for CCN over the 9-year period. While polluted continental air masses showed a slight increase in CCN concentrations over the winter months, most likely due to increased fuel usage and a lower mixed boundary layer, the dominance of marine sector air arriving at Mace Head, which generally consists of background CCN concentrations, reduced seasonal differences for polluted air. Marine air showed a distinct seasonal pattern, with elevated values occurring over the spring and summer seasons. This is thought to be due to enhanced biogenic aerosol production as a result of phytoplankton bloom activity in the North Atlantic.     

初始云滴浓度（CCN）对对流性降水作用的数值试验

本文利用一个二维滞弹性非静力平衡云模式[1],选择三个典型个例,就初始云滴浓度（CCN）对对流性暖雨和冷雨过程的效应进行了数值试验。模拟结果表明：初始CCN对对流性降水影响较大。对暖雨过程而言,随着初始CCN的增大,地面累积降水量减弱;对冷雨过程而言,增大初始CCN,可削弱对流强度,减少地面累积降雹量,延缓液态水到达地面的时间,但最终增强了地面累积液态降水量。并且分析了初始CCN导致暖雨和冷雨过程这种差别的原因。     

海洋温带气旋爆发性发展数值试验

利用PSU/NCARMM4对5个西北太平洋温带气旋的爆发性发展进行了一系列数值模拟和敏感性试验,并对重要的物理过程进行了分析和诊断.采用相同物理过程及边界条件的控制试验成功地模拟出了主要的爆发性气旋加深率,为海洋爆发性气旋的业务数值预报提供了可能.敏感性试验获得了湿物理过程、能量频散、SST和海面能通量、日本岛地形及初、边值条件等影响气旋加深率的定量认识,分析表明水的微物理过程,特别是网格尺度的水汽凝结、未饱和层的云滴和雨滴蒸发,是气旋爆发性发展中最重要的物理过程;在高空200～300hPa层的云滴蒸发效应可能是形成相应层气旋中心非绝热冷却峰值的主要原因;由内在热力-动力学过程所决定的潜热释放比对流参数化任意规定的加热分布更接近实际并能产生更好的模拟结果;没有能量频散效应时可减小模拟加深的30%;海面能通量在初始时刻比在爆发性发展时更重要,不计初始时海面能通量将影响模拟加深约25%,而不计爆发性发展时的海面能通量,这种影响不及前者的一半;爆发性发展时的海面能通量呈不均匀分布并能诱导反锋面热力环流在局部抑制气旋的加深;大气模式对海-气边界层能通量交换的变化和海洋增暖产生了显着的热力学响.试验还得出了日本岛地形及初、边值条件影响的重要结论.