积云发展问题的数值试验

本文给出了一个三维轴对称的积云发展模式,考虑了凝结对流场的反馈影响,并假定环境的温度递减率和相对湿度随高度减小。在电子计算机上求得的数值解表明:当大气中有1℃左右的温度扰动时,则在二十分钟以内就可以发展成一块5—6公里厚的积云。在积云下部形成一个变化不大的湿绝热不稳定区,流场和温度场在积云发展后期变化也不大。而在积云上部的稳定层结中,流场和温度场随时间变化则比较大,从云中下部上升的对流泡到顶部形成波动。这与观测结果是相象的。     

大气中的水汽

对于大气中的水还有一点是我们必须了解的,这就是以水汽形态存在的水的数量,它取决于空气的温度。由于水汽是一种气体,我们可采用测气压的方法来测量它;还可以用另一种方法来确定在一定温度下可能含有的最大水汽量,即用每立方米空气中所含有的水汽质量(通常用克/米~3)来表示。在一定温度下,空气的最大水汽含量称为饱和水汽量。实际的含量通常是小于饱和值,但偶尔也出现大于饱和值的情况(可是,这时水汽可以通过凝结转变成液态水。饱和值仅说明可能的最大水汽含量。而云既含有水,又含有水汽)。气温越高,空气能够含有的水汽越多,其饱和值也就越大。下表给出饱和值变化的大致情况。表中克/米~3是一种表示水汽     

静力稳定度的能量分析

目前,在天气分析和研究工作中,讨论强对流天气的发生条件时,对静力稳定度的使用常有混乱之处。理论上多采用条件不稳定,以铅直减温率大于湿(饱和)绝热减温率为判据;气象台业务上多使用潜在不稳定,即气块绝热上升到达某一参考高度后,其气块温度比环境空气温度高;近年来,国内又流行使用所谓“位势不稳定”,实际上是狭     

大气凝结水汽汇、凝结潜热作用与积云对流参数化

从引入包含质量(水汽)源、汇的连续方程出发,重新推导出大尺度凝结降水和积云对流凝结降水之水汽汇起作用的热力学方程,从而重新给出气压、气温预报方程及地面气压与高空位势高度预报方程。发现,在此基础上,才能实现凝结3个作用:气块水汽质量流失与气压降低;气块虚温降低;加热气块;和通过大气运动方程,实现大气凝结潜热“热机”作功。这时,对于预报气压、气温场,积云对流参数化方案中的参数在凝结3个作用中保持一致。否则,通过积云对流参数化方案,虽可以近似实现对于预报气压和气温场的凝结3个作用,但不可能调好参数的降水物理特性及其时空分布特征。且对于静力模式预报地面气压和高空位势高度场,不可能实现上述的第一凝结作用。最后表明,当模式分辨率提高到只用降水显式方案、不再用积云对流参数化方案后,则必须引入包含水汽源、汇的连续方程。因在热带海洋面上的水蒸发过程,水汽进入大气将改变地面气压场,且蒸发潜热可分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能),内潜热立即成为大气热能的一部分,而外潜热直接对大气层作功,使得大气位能增加。文中研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对气压场与位势高度场的影响。一般积云对流参数化方案都已考虑内潜热对大气的加热作用,但还须考虑因凝结与降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化,后者应是外潜热作用的结果。在上述研究过程中,必须引入考虑凝结作用的连续方程,且最终可以改变有降水(包括大尺度凝结降水和积云对流凝结降水)发生时的数值预报模式动力框架。     

计算抬升凝结高度的一个新方法

通常都是采用T-lnp图用图解法确定抬升凝结高度.为了使用计算机作探空的自动分析,这里介绍一种由美国气象局斯塔克波尔(stackpole)提出的数值分析方法. 抬升凝结高度是这样一个压温点,气块干绝热上升到这一点上达到了饱和.也就是说,在这一点上,气块的混合比等于由气块的初始气压及露点所决定的饱和混合比.这个压温点,可以看作是两个未知数所组成的两个方程的解,这两个未知数即抬升凝结高度的气压     

2007年8月登陆台风帕布、圣帕暴雨过程诊断分析

采用T213L31模式大气分析资料,诊断计算天气学中的凝结函数降水、水汽通量散度降水,并理想设计与诊断计算气层对流不稳定降水和层结不稳定降水,用于对2007年8月间西太平洋登陆台风帕布和圣帕降水运动进行诊断计算与分析。结果表明:热带扰动中凝结函数降水场呈弱态,但有较强水汽通量散度降水场,且水汽辐合降水运动组织对流不稳定降水和层结不稳定降水。在热带扰动发展与台风形成时,其低层风场水汽辐合与积云对流相互作用的过程,同时是气层对流不稳定能量与气块(团)湿不稳定能量的积聚过程,前者可带来暴雨,后者可带来大暴雨。相关天气学分析表明:台风暴雨是大尺度风场及中尺度水汽辐合降水运动组织起中、小尺度气层、气块(团)对流降水运动,对流性降水是由风场支配故变化较大、较快。     

巨盐核对云滴活化影响的数值模拟研究

利用包含云凝结核(CCN)与巨核(GCCN)的核化,云滴凝结和碰并增长的分档气块模式模拟研究了不同的CCN数浓度、上升气流速度、CCN中值半径以及云底温度等情况下GCCN对CCN活化的影响,结果表明,在水汽供应相对充足的情况下GCCN对云滴活化数浓度的影响并不明显;而当水汽供应相对不充足时,增加GCCN至1 cm-3的量级以上可以有效减少CCN的活化数浓度.在水汽供应不充分且其他条件相同的情况下,增大CCN的平均直径或是增加云底温度都可以使GCCN对云滴活化的抑制作用增强.对比分析不同的GCCN数浓度对清洁大气和污染大气云底以上300 m高度处粒子谱型的影响可以看出,在水汽供应不充分的条件下加入GCCN,初始时刻CCN的数浓度对GCCN产生的大云滴数目及云滴谱宽的影响较小.在水汽供应相对充足的情况下,GCCN对CCN活化基本没有抑制作用,但此时在高过饱和度峰值下生成的大量小云滴争食水汽,反而导致云滴群凝结增长速度小于水汽供应相对不充足的情况,此时加入的GCCN可以先活化形成大云滴.     

饱和湿绝热方程的精确数值计算

本文根据大气热力学基本原理,探讨了各种不同情形下饱和湿绝热上升气块中温度变化的规律,提出了由饱和湿绝热变态方程进行精确数值计算的结果。     

暴雨前后山地与平原的大气垂直结构特征对比分析

利用神农架机场站2016年6月23日11时—24日08时(北京时,下同)和咸宁站2016年7月3日04时—4日01时两次暴雨过程的地面小时降水数据及同址微波辐射计观测数据反演的地面至10 km高度共58层的水汽密度、液态水含量、相对湿度和温度廓线,以及站点水汽总量、液态水总量、云底高度等资料,得到两次暴雨过程中,位于山地的神农架与位于平原的咸宁的暴雨前后大气垂直结构差异。神农架水汽总量、液态水总量均低于咸宁,测站上空各高度的水汽密度、液态水含量、温度也低于咸宁对应高度的数值,混合层的相对湿度略大于咸宁。多要素综合分析认为:(1)神农架处于山地,外来水汽供应不够充分,降水的形成主要依靠本地水汽凝结产生;由于山地海拔较高,神农架大气层结温度相对较低,冰晶效应的温湿条件较咸宁好,冰晶效应使得神农架在水汽供应不够充足的情况下产生暴雨。(2)咸宁水汽供应充足,水汽凝结之后可以得到及时补充;咸宁尽管混合层的湿度条件不如神农架,冰晶的凝结增长相对较弱,但混合层的凇附过程和融化层的云雨滴碰并都在降水过程中起到重要作用。(3)降水开始前神农架的大气抬升作用比咸宁的强,地形对气流的阻挡抬升作用明显,而降水开始后咸宁的大气抬升作用更显著,表现出明显的对流性特征。     

利用多普勒天气雷达估算层状云的降水效率

通过多普勒天气雷达VAD(velocity-azimuth display)技术可以反演得到水平线性风场和非线性风场的平均散度。根据连续方程求出不同高度层面的垂直速度,再利用探空曲线计算水汽凝结率。假定云中凝结和凝华的水量全部降落到地面,结合地面雨量计实测资料可以估算其降水效率。用该方法计算华北地区降水性层状云两次降水过程的平均降水效率分别为68％和59％。