冬日话雪

“忽如一夜春风来,千树万树梨花开。”冬日早晨,推开窗户,啊!夜里下雪了!“山舞银蛇,原驰蜡象。”噢,雪好大!雪花是在既有冰晶又有过冷水滴的混合云体内生成的。在这种云体里,过冷水滴不断地蒸发着水汽,而水汽源源不断地涌向冰晶的表面,在那里凝华落脚,使冰晶不断地壮大,形成雪花。雪花的基本形状为六角形,每一朵雪花都是由独特而精美的图案构成,奇妙各异,其形状有千万种。雪花从高空飘落下来,气层温度始终在0℃以下,这就使它们能够以雪花的姿态降临到地面;落入高于0℃的气层,则融为雨滴而降落;当落入0℃以上气层时,已靠近地面了,来不及全部…     

一次层状云降水过程微物理机制的数值模拟研究

层状云由于在水平上较为均匀, 可以用一维模式来模拟其云微物理过程。因此, 本文使用一个包含详细微物理过程的一维层状云分档模式结合地面Doppler雷达、 PMS观测资料, 对2007年7月1日吉林省一次锋面抬升引起的层状云降水系统进行了模拟研究。计算结果详细地刻画了水滴、 霰、 雪花和冰晶粒子谱分布、 含水量在垂直高度上的分布与变化, 并定量分析了该例中冰晶层、 混合层和暖层中凝华、 凝结、 碰并等微物理过程对粒子谱型的影响, 以及冰晶层、 混合层和暖层对地面降水的贡献率。结果表明, 在该例中, 冰晶层对混合层的播撒以直径D＜300 μm的小冰晶粒子为主。从混合层播撒D＞100 μm的水滴粒子以及未完全融化的冰晶粒子对暖层中小云滴粒子的碰并收集作用较强, 同时, 一部分降水粒子在暖层内可通过随机碰并机制产生。三层云对降水的贡献分别为3.5%、 38.5%和58%。三层云中若缺少混合层, 地面降水仅为0.475 mm/h, 谱宽920 μm, 且雨滴粒子数浓度较高; 若无暖层, 降水时间滞后, 雨强增加缓慢, 地面降水达0.807 mm/h, 雨滴粒子谱宽达1500 μm; 无冰晶层时, 降水强度与三层俱全时的模拟结果基本一致, 降水及雨滴谱的改变非常微弱。     

梅雨云系中亮带不均匀性的理论探讨

初步理论计算表明,梅雨云系中亮带上方不均匀的回波结构可以直接造成亮带的不均匀性.另外,亮带上方冰晶的形状和尺度,融化区中的液态含水量和融化冰晶的粘并等对亮带的不均匀性也有影响,它们的适当配合可以产生很不均匀的亮带.     

融化层附近降水粒子微物理特征的个例分析

本文给出了融化层中雪花融化过程特征和融化层附近降水粒子尺度谱分布函数；雪花、融雪、雨滴尺度谱分布均可用指数函数N=N0exp(-λD)来拟合。在融化层附近，谱参数N0、λ随温度升高而增大有正相关关系。谱参数N0、λ之间有幂指数关系N0=σλβ，降水水粒子相态不同，σ值差异明显。     

冰云毫米波散射特性研究进展

重点介绍了和散射特性有关的冰晶形状模型、冰晶粒子谱分布及冰晶复折射指数的研究进展,总结了非球形冰晶散射特性的计算方法以及冰晶毫米波散射特性在国内外的研究进展情况,对目前研究中存在的一些问题及发展趋势进行了初步探讨。     

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。     

用于研究雪增长过程的垂直风洞

为研究雪增长过程,建造了一个产生过冷云的垂直风洞。风洞高18米,工作温度可低到-25℃。由超声喷雾器提供过冷小滴,用压缩空气的自动绝热膨胀来产生冰晶。对系统的运行可事先编好程序。注入下种冰晶后,降雪可持续约20分钟。在风洞中成功地生长出各种形状和大小的雪晶,包括直径2毫米的枝状雪晶和直径大于4毫米的雪花。     

基于地基微波辐射计资料对咸宁两次冰雹天气的观测分析

利用地基微波辐射计观测资料,对两次冰雹过程进行观测分析。结果表明:中低层暖湿气流输送、中层干冷空气侵入,在0~10 km形成"上干、下湿"2层垂直分布结构。低层的感热和潜热随上升气流向上输送,2~3 km层明显增温,0、-5和-20℃层略微上升。同时,低层水汽也随上升气流向上输送,降雹前大气液态水总含量(ILW,下同)和大气水汽总含量(IWV,下同)及过冷水含量快速增长。水汽经过冷层后,冰晶增多增大。当冰晶增大落入0℃以上区融化层时,冰晶融化导致液态水增加,一部分形成冰雹或地面降水,导致降雹之后ILW、IWV及0℃以下液态水含量减小。上述结论对冰雹的预警有一定指示意义。     

黄河上游地区强对流云特征的模拟分析

利用中国科学院大气物理研究所发展的完全弹性三维积云模式,对相似天气背景下黄河上游及渭北地区的强对流云的宏微观特征进行了数值模拟对比研究,并与相应的雷达回波及地面观测资料做了比较分析.模拟结果表明,模式对黄河上游玛曲和渭北地区旬邑的强对流云结构和降水均有很好的模拟能力.与旬邑相比,玛曲零度层低,云底温度低、比湿小,为冷云过程.云中雨水含水量极低,冰晶出现早,维持时间长.云中上升气流弱,对流云发展浅薄.地面降雨量相对较小,固态降水所占比例大,霰为主.霰胚对冰晶的碰并增长是地面软雹的主要来源.旬邑冰雹主要来源是霰,但冻滴也占了一定比例.霰融化是玛曲雨水的最重要来源.而冻滴融化对旬邑雨水的贡献最大.     

冰雪晶碰并勾连增长的实验与观测分析

冰雪晶碰并勾连成雪花或雪团的过程是降水的重要机制之一。冰雪晶形态不同导致各类晶动力特性的差异, 因此, 无论从理论、数值试验还是室内模拟研究这一过程都有很大困难。该文就室内、外场试验和自然云的观测, 讨论分析其发生机理和条件。结果表明:冰晶的增长过程有一个与云滴碰并增长相似的加速过程, 冰晶碰并过冷滴形成霰 (雹胚), 凇附长成冰雹; 冰雪晶相互碰并勾连、攀附增长为雪花或雪团, 都是降水质点加速增长的重要过程。此过程仅在水面饱和、过饱和条件下发生, 而水面欠饱和、无液滴 (无云) 时, 冰晶很薄、晶型简单, 无碰并勾连、攀附现象。冰晶在液滴存在的云雾中伴随气流对流、乱流运动中接触碰并勾连成雪花或雪团, 其碰并勾连效率既受晶体形状影响, 亦受晶体表面附着力的影响, 其机制有勾连亦有粘连, 晶型多样, 以相同晶型为主, 温度范围广 (-3~-17 ℃); 其中-13~-17 ℃碰并勾连效率最高, 该层的枝、星状晶是勾连、攀附的主要区域, 亦为冰晶繁生的主要区域、生长率最快, 是人工增雨播撒人工冰核催化效率较高的温度段。     

甘肃省秋季层状云冰雪晶粒子特征个例分析

利用安装有PMS探头、温湿仪和GPS的飞机 ,对 2 0 0 1年 10月 12日甘肃河西地区降水性层状云进行了探测。根据获取的资料分析了此次降水性层状云的冰雪晶特征 ,包括不同粒子的分布特性 ,给出不同温度下的冰雪晶粒子谱 ,还分析了粒子谱型随温度的变化及其包含的微物理机制。与我国其它地区的冰雪晶浓度比较认为 ,在一定的云水条件下 ,甘肃秋季层状云有较大的增雨催化潜力     

梅雨锋暴雨中云物理过程的观测和数值模拟

Cloud micro-physical structures in a precipitation system associated with the Meiyu front are observedusing the balloon-borne Precipitation Particle Image Sensor at Baoshan observatory station, Shanghaiduring June and July 1999. The vertical distributions of various cloud particle size, number density, andmass density are retrieved from the observations. Analyses of observations show that ice-phase particles(ice crystals, graupel, snowflakes, and frozen drops) often exist in the cloud of torrential rain associatedwith the Meiyu front. Among the various particles, ice crystals and graupel are the most numerous, butgraupel and snow have the highest mass density. Ice-phase particles coexist with liquid water dropletsnear the 0℃ level. The graupel is similarly distributed with height as the ice crystals. Raindrops belowthe 0℃ level are mainly from melted grauple, snowflakes and frozen drops. They may further grow largerby coalescence with smaller ones as they fall from the cloud base. Numerical simulations using the non-hydrostatic meso-scale model MM5 with the Reisner graupel explicit moisture scheme confirm the mainobservational results. Rain water at the lower level is mainly generated from the melting of snow andgraupel falling from the upper level where snow and graupel are generated and grown from collection withcloud and rain water. Thus the mixed-phase cloud process, in which ice phase coexists and interacts withliquid phase (cloud and rain drops), plays the most important role in the formation and development ofheavy convective rainfall in the Meiyu frontal system.     

枝状雪晶碰撞攀附与折裂繁生

用机载粒子测量系统（PMS）对新疆冬季一次系统降雪进行了探测。结果表明:枝状雪晶间碰撞攀附形成雪团，一方面使直径大于3300微米的雪晶数浓度明显增加，另一方面又使直径700—3300微米的雪晶数浓度明显减小，同时引起了枝状雪晶的折裂繁生，使冰晶（18≤D＜3400微米）数浓度平均增加35%，雪晶数浓度平均增加10%。     

锋面云系降水中的增雨潜力数值研究

采用中尺度模式MM5模拟研究2002年4月4～5日出现在河南省境内的一次冷锋云系宏观和微观结构特征、云系降水机制以及区域内水分循环收支、"拟降水效率"与云系增雨潜力.模拟结果显示,这次大范围冷锋降水云系分层、非均匀性结构明显,高层主要由冰相粒子构成,中层是冰-水混合层,低层为液水层.云系内同时存在较强的冷、暖云过程,低层和中层首先由暖云过程生成大量云水,而高层冰晶出现后不断向雪转化,大量的冰雪晶由高层降落至中层高云水含量区,促使雨水大量产生,云系存在明显的"播种-供给"云降水机制.此外,模拟显示云系降水主     

冰（雪）晶生长微物理过程的风洞实验研究

该文简要介绍了（１）风洞实验研究的科学意义及应用前景；（２）冰（雪）晶增长微物理实验的研究的概况；（３）新研制的冰（雪）晶增长小型垂直过冷云风洞及其测试系统；（４）主要实验研究结果，包括风洞实验模拟出的冰（雪）晶，含水量对冰（雪）晶增长的影响，风洞中冰（雪）晶的运动方式，初始晶胚特性及运用实验结果指导象灾害的预测及防治。     

Enhanced alignment of plate ice crystals in a non-uniform electric field

An atmospheric electric field exerts a torque on both column and plate ice crystals. Columns tend to align along the direction of the field. One diameter of plate crystals also aligns parallel to a field, while a non-uniform diverging field leads to further orientation and proscribes a secondary orientation along the direction of least divergence. A laboratory investigation treats the electrical orientation of thin plate ice crystals in a non-uniform field as a two-step process. In the model, the average field provides the primary torque and aligns one diameter of the plate crystal while simultaneously a spatially varying component of the field aligns the perpendicular diameter. The first element of the process, the primary torque, has been investigated previously. The complete reorientation, caused by a secondary torque, is investigated herein. Experimentally a stronger field with sufficient non-uniformity is required to demonstrate the secondary torque. The realignment caused by this torque depends also on the strength of the aerodynamic torques on the falling ice crystals. Experiments in a laboratory cold chamber with small thin plate crystals in an electric field provided by a charged rod demonstrate crystal reorientation by changing the reflections of a beam of white light. A model incorporating electrical torques is applied to the laboratory observation and used to investigate the possibility of the effects occurring in the atmosphere. Fields near lightning strokes, which are strong but of short duration, may reorient small crystals. Larger crystal aggregates like planar snowflakes are governed by the same electrical torques. It is suggested that the secondary torque realignment might be observable for aggregates large enough to be detected by radar in cases pertaining to weaker but longer duration fields associated with cloud electrification. A simplification of the model is used to investigate electrically caused crystal motion and linear aggregation, with applications to the atmosphere and to lightning initiation.     

贵州夏季自然云中冰雪晶和大粒子观测结果的分析

本文对夏季贵州自然降水性云的冰雪晶、大粒子作了初步分析。主要结果有:(1)冰雪晶平均浓度比北方地区的低,另外云中含水量大的区域冰雪晶平均浓度值也较大。(2)积状云冰雪晶浓度频数分布较集中,大多数集中于平均值附近,不超过一个量级。(3)冰雪晶和大粒子空间分布有明显差异。(4)在浓积云内暖云部分有冰雪晶沉降。(5)贵州夏季自然云降水及其人工催化的研究必须考虑冰相过程。     

超级单体向平流层输送水汽机制的数值模拟

为了揭示深对流云直接向平流层输送水汽的物理机制,利用WRF中尺度模式的理想个例运行方式对CCOPE(Cooperative Convective Precipitation Experiment)试验期间的一次超级单体进行了数值模拟。选用Thompson云微物理过程方案设置一系列初始云滴数浓度(N_c)进行模拟试验后发现,N_c=175 cm~(-3)情形下模拟云的最大垂直风速与实测结果最为接近,并且模拟出了超级单体。因此,本文利用该模拟结果分析了超级单体向平流层输送水汽的机制。1 min一次的输出结果表明:冻干脱水机制与本次所模拟出的平流层加湿没有直接的关系,超级单体向平流层输送水汽的主要机制可能为湍流输送机制,而升华加湿机制的作用很小。这是由于超级单体云上部的冰晶大部分被消耗而形成雪,因此被输送到平流层的主要是雪这种落速较大粒子,这种粒子不易被向上输送但又容易降落,因此升华所形成的水汽量相比湍流输送的水汽量小很多。湍流造成的水汽输送通量密度的量级约为10~(-9)kg·m~2·s~(-1)。     

一次暖云降水主导的暴雨过程中电荷结构特征及其成因的模拟研究

为了认识以暖云强降水为主导的对流单体中的电荷结构特征及其形成原因,利用加入了起放电参数化方案的WRF模式,模拟了2017年5月7日广州局地突发的以暖云降水为主导的特大暴雨过程,分析讨论了此次过程中一个单体成熟发展阶段的电荷结构的特征及其成因.结果 表明,此次以暖云降水为主导的特大暴雨过程中的单体对流强度较弱,云顶高度低...     

广东一次飑线过程中一个雷暴单体成熟阶段的电荷结构演变特征的数值模拟

为了进一步印证以往观测反推得到的广东地区雷暴云多偶极性电荷结构的结论,利用加入了起放电参数化方案的WRF模式,模拟了广东在2017年5月8日发生的一次飑线过程,并对这次飑线过程中一个雷暴单体成熟期的电荷结构演变特征进行分析,通过分析动力、云水含量、各水成物粒子混合比及携带电荷情况,讨论了电荷结构的形成及演变机制。结果表明,成熟阶段的单体,电荷结构从三极性逐渐演变为偶极性。这是因为在成熟初期,霰粒子在有效液态水含量适中且温度较高的地方与冰晶/雪花粒子发生了非感应碰撞,因此底部霰粒子携带正电,雷暴云底部形成次正电荷区,电荷结构为三极性。而在成熟后期,由于丰富的云水含量,使冰粒子的凇附过程增强,霰不断增加,冰晶和雪花不断被消耗,温度较暖区域与霰共存的冰晶和雪花急剧减少,使得该区域大小冰粒子的非感应碰撞起电急剧减少,此处霰粒子不能再通过非感应碰撞获得正电荷,底部次正电荷区随之消失,雷暴云的电荷结构转变为偶极性。此结果和以往观测反推得到的结论不同,这表明,对南方雷暴电荷结构还需继续深入认识。