气溶胶对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟

将云滴冻结方案植入已有的二维雷暴云起、放电模式,结合一次山地雷暴个例,探讨了气溶胶浓度对雷暴云微物理过程、起电以及空间电荷结构的影响。结果表明:气溶胶浓度增加,云滴数目增多,尺度降低,雨滴含量减少;云滴冻结导致冰晶在低温区快速生长,冰晶数浓度增加,尺度减小,当气溶胶浓度高于1000 cm-3后小冰晶难以增长成大尺度的霰粒子,因此霰粒子数浓度先增加后急剧减少。此外,气溶胶浓度的大小不会影响雷暴云的电荷结构特征,但会对云内的起电强度产生明显的作用:当气溶胶浓度较低时,增加气溶胶浓度,更多的冰晶和霰粒子发生碰撞使得云内起电过程增强,空间电荷密度增加;当气溶胶浓度高于1000 cm-3后,少量的霰粒子和小冰晶的出现抑制了非感应起电过程,导致电荷密度降低。     

冰晶异质核化对雷暴云电过程影响的数值模拟

引入一种新型冰晶异质核化方案,基于二维雷暴云模式,探讨雷暴云电过程对三种异质核化的响应.结果 表明:浸润核化是冰晶生成的最重要异质核化过程,较高数浓度的冰晶消耗雷暴云内液态水含量,抑制淞附过程,导致霰粒子比含水量低,表现为较强的负极性非感应起电率;接触核化生成的冰晶量最少,仅对雷暴云中下层3～5 km处的冰晶有贡献,同...     

云滴数浓度影响混合型层状云降水的数值模拟

使用耦合了Morrison双参数微物理方案的中尺度WRF模式V2．2,对2008年1月25-29日发生在我国南方的冰雪天气过程进行了数值试验。在模式准确再现了此次天气过程形势演变特点的基础上,对模式微物理方案中云滴数浓度影响累积降水量的情况进行了敏感性试验,发现云滴数浓度对降水量的影响是复杂和非线性的。对此次天气过程中的微物理量进行了详细的分析,并从各种水成物粒子的发展演变上,讨论了云滴数浓度的增加在暖云和冷云两种降水机制上对降水产生的不同影响。结果表明,云滴数浓度越大,云水混合比就越大,云滴的尺度越小。雨滴对不同云滴数浓度的响应与云滴的情况相反,随着云滴数浓度的增加,雨滴数浓度减小,雨水也减少,暖云降水过程受到了抑制;冰晶和雪晶的数浓度的演变过程没有明显变化,而冰晶和雪晶的混合比是相应增加的,冷云降水过程得到了一定程度的增强。从本文模拟的个例来看,设置不同云滴数浓度所得到的总累计降水量的差异在1％以内。总的来说,增加云滴数浓度,降水量会减少。从比例上来看,增加云滴数浓度对暖云降水过程的抑制作用比对冷云降水过程的增强作用更为显著,但是在本文模拟的个例中,冷云降水过程占主导地位,减少的降水和增加的降水的绝对值在同一个量级上并且数值相近,它们相互抵消后得到的结果是降水量变化的绝对值大大减小了,这解释了增加云滴数浓度后模拟的总累积降水量变化不明显的原因。     

六种非感应起电参数化方案对南京一次雷暴电荷结构的数值模拟分析

利用三维非静力中尺度数值模式Meso-NH中的六种非感应起电参数化方案,采用理想场模拟南京地区雷暴云不同阶段的电荷结构特征,重点分析了雷暴云发展期雪、霰电荷密度对电荷结构的影响,并将成熟期的电荷结构与观测资料比较。结果表明,在雷暴云发展期,电荷分布在上升气流内且高度较高,TAKAH方案为反偶极结构,GARDI方案为三极结构,SAUN、BSMP为反三极结构,SAP98方案为正偶极结构,HELFA方案呈多层结构。在成熟期,电荷分布高度降低,有正负电荷共存区产生。模拟结果中,雪与霰是主要的荷电载体,荷电量及极性与方案有关。雪的电荷密度对云顶的电荷密度影响较大,霰的电荷密度对中下层的电荷密度影响较大。成熟期的电荷结构与VHF宽带干涉仪和雷声联合定位结果对比,SAP98方案模拟结果更符合该次雷暴云电荷结构。     

冰晶繁生对雷暴云非感应起电影响的数值模拟

为了研究冰晶繁生在雷暴云发展过程中对非感应起电过程的影响,利用三维雷暴云模式在理想层结环境下,对雷暴云内各种水成物粒子、电荷以及电场分布情况进行数值模拟。模拟结果表明:在雷暴云发展和成熟阶段,有繁生过程参与的雷暴云中下部存在一个冰晶聚集区域,从而使得云内冰晶的数量较无繁生过程增大约1 5%～18%,且聚集的区域范围更大;同时,繁生过程的加入也使得霰粒子数量也比无繁生过程时增大约20%;霰冰非感应电荷转移的正区一般位于霰粒子浓度高值区附近,而负区位于冰晶和霰粒子浓度高值区相重合的区域;冰晶繁生过程通过影响雷暴云中冰晶和霰粒子浓度和分布位置,使得雷暴云非感应起电的强度和位置发生改变,导致云内起电过程提前约5～6 min。     

大气冰核对雷暴云电过程影响的数值模拟

利用已有的二维雷暴云起、放电模式模拟了一次雷暴天气,并通过敏感性试验研究了冰核浓度变化对雷暴云动力、微物理及电过程的影响。结果表明：随着大气冰核浓度的增加,雷暴云发展提前,上升气流速度和下沉气流速度均呈现降低的趋势。大气冰核浓度提升有利于异质核化过程增强,冰晶在高温区大量生成,而同质核化过程被抑制,因此冰晶整体含量降低,引起低温区中霰粒含量降低和高温区中霰粒尺度降低。在非感应起电过程中,正极性非感应起电率逐渐减小,负极性非感应起电率逐渐增大。由于液态水含量随大气冰核浓度的增加逐渐降低,高温度冰晶携带电荷的极性由负转变为正的时间有所提前。在感应起电过程中,由于霰粒尺度减小及云滴的快速消耗,感应起电率极值逐渐降低。冰晶优先在高温区生成而带负电,不同大气冰核浓度下的雷暴云空间电荷结构在雷暴云发展初期均呈现负的偶极性电荷结构。在雷暴云旺盛期,随着冰核浓度增加,空间电荷结构由三极性转变为复杂四极性。在雷暴云消散阶段不同个例均呈现偶极性电荷结构,且随着冰核浓度的增加电荷密度值逐渐减小。     

长春地区对流云起电过程的数值模拟

在三维强风暴动力和电耦合数值模式的基础上,考虑了粒子直径及降落末速差对转移电荷的影响,把非感应起电参数化方案作了进一步改进,对长春地区两次不同强度、不同环境风切变的对流云内电荷累积和电场发展过程进行了模拟分析。结果表明,对流云上升气流达到极大值时,较强和较弱两块云分别具有三极性和反偶极性电荷分布结构。垂直上升气流是表明电场发展强弱的重要参量。对发展强烈的对流云,较强的上升气流使霰和冰晶在云体的中上部维持较长的时间．存在感应和非感应起电的跃增。     

云凝结核浓度对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

本文将非感应起电机制耦合到WRF中尺度模式中,选取Morrison双参数微物理方案,采用整体放电参数化方案,改变初始云凝结核（CCN）浓度（浓度变化从500 cm-3到4000 cm-3）,共模拟15组试验,讨论了CCN浓度（n_CCN）对雷暴云起电强度的影响。通过研究发现:随n_CCN增加,霰粒子数浓度减少,混合比增加,导致霰粒子平均尺度增加;冰晶粒子数浓度增加,混合比基本不变,导致冰晶粒子平均尺度减小。此外,霰粒子平均尺度增大,下落末速度增大,冰晶粒子平均尺度减小,下落末速度减小,二者末速度差值增加,导致单次碰撞电荷分离量增加。综上所述,气溶胶浓度增加使霰粒子与冰晶粒子碰撞分离过程增强,单次碰撞电荷分离量增加,正负电荷密度平均值增加,从而增强雷暴起电强度。     

不同云滴数浓度参数化方案对硝酸盐气溶胶 第一间接效应影响的比较研究

在区域气候化学模式系统（RegCCMS）中,分别采用Hegg、Hansen、Ghan、Jones等4种云滴数浓度参数化方案,模拟研究了2003年10月硝酸盐气溶胶的浓度分布和第一间接气候效应,并对不同方案进行比较。结果表明,不同方案模拟的硝酸盐气溶胶分布大体上一致,主要集中在河南、山东、河北、四川等地,地面浓度最大值达18 μg/m3。Hegg、Hansen、Ghan、Jones等 4种云滴数浓度参数化方案计算得到的由硝酸盐气溶胶所造成的第一间接辐射强迫全国平均值分别为-148、-205、-161和-140 W/m2。4种方案模拟的硝酸盐气溶胶间接效应都表现为近地面气温下降,降水减少,其中Hansen方案的间接效应最强,Ghan、Hegg方案次之,Jones方案最弱。     

云滴数浓度对超级单体龙卷影响的数值模拟研究

为了探讨云滴数浓度对于龙卷发生、发展的影响,利用ARPS（Advanced Regional Prediction System）模式,通过调整云滴数浓度（分别取高3000 cm-3、中1000 cm-3和低100 cm-3）的变化,对2003年7月8日安徽省无为县超级单体龙卷进行理想模拟试验。研究表明:三组试验都模拟出超级单体风暴的特征结构如钩状回波和V型入流缺口;云滴数浓度高的试验中上升气流更强、风暴较先发展且持续时间长,近地面涡度也较其他两组试验更大;从三组试验中找到4个龙卷涡旋,其中云滴数浓度高的试验中有两个,涡旋总持续时间接近30 min,最大近地面风速为46.93 m s-1,最大涡度值为0.42 s-1;高云滴数浓度情况下地面冷池弱,更有利于龙卷产生,并对龙卷的发生、发展有促进作用。     

云水饱和度对雷暴云非感应起电过程的影响

在三维强风暴动力—电耦合数值模式中引入基于Saunders et al.(1991) 实验结果的非感应起电参数化方案S91,在此基础上,利用云水饱和度替代环境温度和有效液水含量将S91方案变形.对比分析一次雷暴单体首次放电前,变形后的S91方案和原S91方案模拟得到的非感应转移电荷的极性、量级、电荷结构以及与霰和冰晶粒子分布之间的关系.结果表明,虽然两种方案采用的电荷密度变化率以及每次碰撞平均转移的电荷量均相同,但不同方案中决定粒子间电荷转移的因子不同对电荷的分布存在较大的影响.加入云水饱和度的S91方案,非感应转移电荷的极性多为正极性,电荷结构先呈单极性后转变为三极性,并有进一步转变为偶极性的趋势.但这两种方案模拟得到的霰与冰晶粒子电荷分布的重合区的范围、大小均不同,这也是造成两种方案电荷结构和转移电荷分布不同的主要原因.     

CCN数浓度及参数化方案对一次层云降水过程影响的数值研究

利用中尺度WRF模式(V3.7),采用WDM6双参数微物理方案,对2014年7月26日12时—28日06时发生在华东地区的一次层状云降水天气进行数值模拟。通过改变模式中初始云凝结核(CCN)数浓度及参数化方案,进行敏感试验,对模拟结果进行对比分析。改变CCN数浓度的结果表明,CCN数浓度对降水的影响复杂、非线性,随着CCN数浓度的增大,降水量减小。云水、霰混合比始终增加,雨水混合比表现为先增加后减小再增加的趋势,冰晶混合比则与之相反,呈现先减小再增加再减小的趋势,雪晶混合比呈现先减小后增加的趋势;改变CCN参数化方案的结果表明,两者模拟降水落区有差别,三参数方案更接近实际;降水产生后,三参数方案的CCN浓度一直高于双参数方案,且数值变化不大;双参数方案的结果显示暖云降水加强,冷云降水略弱,三参数方案则显示暖云降水较弱,冷云降水较强。     

云凝结核对南京及周边地区夏季暴雨影响的数值模拟

利用WRF3.8.1模式,采用Thompson云微物理参数化方案,对南京2014年6月初的一次暴雨过程进行模拟;设置多组数值试验,从中选取清洁和严重污染两组试验,对比分析低、高云凝结核浓度对此次降水的影响。结果表明：1）Thompson方案对此次降水过程具有一定的再现能力,但对24 h累积降水量的模拟整体偏低,且随云凝结核浓度的上升,累积降水量增加。较高的云凝结核浓度有利于强降水中心强度增强、降水范围扩大,而对较弱降水中心则有相反的影响。2）云凝结核浓度的增加将抑制云滴向雨滴的转化,使更多云滴被输送到对流层中层,对流层低层的暖云过程被抑制。3）云凝结核浓度的增加使对流层中层的过冷云水增加,促进过冷云水向霰的转化,也促进雪的淞附过程,这有利于冷云过程的发展。4）云凝结核浓度的增加对暖云过程具有负反馈作用,对冷云过程具有正反馈作用。     

An evaluation of the effects of cloud parameterization in the R42L9 GCM

Cloud is one of the uncertainty factors influencing the performance of a general circulation model (GCM)．Recently,the State Key Laboratory of Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics,Institute of Atmospheric Physics(LASG／IAP)has developed a new version of a GCM(R42L9)．In this     

云凝结核浓度对南京地区一次冰雹云过程影响的数值研究

采用WRF模式与包含了云凝结核(Cloud Condensation Nuclei,CCN)浓度和霰雹密度预报的NSSL(National Severe Storm Laboratory,国家强风暴实验室)微物理方案,模拟不同CCN初始浓度条件下南京地区的一次冰雹云过程,分析不同CCN初始浓度影响下冰雹云过程的宏微观演变特征,以及对流发展不同阶段的水凝物粒子及流场、温度场的垂直分布特征。研究发现:1)较大的CCN初始浓度虽然抑制了前期对流降水,但对后期对流降水的产生有促进作用;2)CCN初始浓度的增加使得模拟雷达回波的强回波区域(大于40 dBz)缩小,中等强度区域(小于40 dBz)扩张。3)CCN初始浓度增大不利于对流发展初期云雨自动转化过程的发生,但是促进了冰晶与雪的产生,使得冰雹含量峰值出现的时间推迟。4)CCN浓度增大抑制了雨水产生,间接使得霰粒子更倾向于干增长,平均密度更小;5)较大的CCN浓度促使冰雹云单体的发展时间增长。     

GPM卫星DPR和GMI探测的2018年5月重庆超级单体云团降水结构特征分析

目前人们对超级单体云团降水回波结构的认知仍有限。本文采用GPM (Global Precipitation Measurement)卫星搭载的测雨雷达DPR (Dual-frequency Precipitation Radar)和微波成像仪GMI (GPM Microwave Imager)的探测结果,结合FY-4A静止卫星多通道扫描成像辐射计(AGRI)的热红外10.8μm通道观测结果、探空站的温湿风观测结果及欧洲天气预报中心再分析数据,利用雷达回波剖面和回波反射率因子概率密度随高度分布的方法,分析了2018年5月重庆地区超级单体云团的降水结构特征。结果表明:该超级单体云团由西北向东南运动的冷空气与暖湿空气交汇而引发;超级单体云团内存在对流降水和层状降水等次尺度系统;强降水区位于云贵高原与四川盆地交界处至盆地的西南部;超级单体暴雨云中冰相粒子多;对流降水的回波顶高度超过12 km,且最大回波强度多数位于地面上空4—5 km;对流降水比层状降水拥有更高的降水粒子浓度,而粒子大小却小于后者;对流降水的粒子尺度随着高度下降而明显增大,反映了其明显碰并增长过程。     

Impact of the Vertical Velocity Field on Charging Processes and Charge Separation in a Simulated Thunderstorm

A three-dimensional(3D) charging-discharging cloud resolution model was used to investigate the impact of the vertical velocity field on the charging processes and the formation of charge structure in a strong thunderstorm. The distribution and evolution of ice particle content and charges on ice particles were analyzed in different vertical velocity fields. The results show that the ice particles in the vertical velocity range from 1 to 5 m s-1obtained the most charge through charging processes during the lifetime of the thunderstorm. The magnitude of the charges could reach 1014 n C. Before the beginning of lightning activity,the charges produced in updraft region 2(updraft speed 13 m s-1) and updraft region 1(updraft speed between 5 and 13 m s-1) were relatively significant. The magnitudes of charge reached 1013 n C, which clearly impacted upon the early lightning activity. The vertical velocity conditions in the quasi-steady region(updraft speed between –1 and 1 m s-1) were the most conducive for charge separation on ice particles on different scales. Accordingly, a net charge structure always appeared in the quasi-steady and adjacent regions. Based on the results, a conceptual model of ice particle charging, charge separation, and charge structure formation in the flow field was constructed. The model helps to explain observations of the"lightning hole" phenomenon.     

Validation for a tropical belt version of WRF: sensitivity tests on radiation and cumulus convection parameterizations

对基本气候态和降水日变化的分析是检验模式模拟性能、理解模式误差来源的重要手段。为了评估出对热带气候模拟效果较好的物理参数化方案组合,本文应用WRF带状区域模式,主要比较了四种积云对流参数化方案:NewTiedtke、Kain-Fritsch、newSAS、Tiedtke,和两种辐射参数化方案:RRTMG和CAM,对热带带状区域的气候模拟结果。研究表明:使用NewTiedtke积云对流参数化方案和RRTMG辐射方案的试验,表现出对气温、降水及降水日变化等综合性最好的模拟性能;NewTiedtke积云对流参数化方案能模拟出较好的降水空间分布和降水日变化位相分布特征;与RRTMG辐射方案相比,CAM辐射方案会使温度模拟偏低,特别是陆地上更明显,这种陆地上的冷偏差可能主要来源于Tmin的模拟偏冷。     

祁连山云系云微物理结构和人工增雨催化个例模拟研究

人工影响天气的学科基础是中小尺度天气动力学与云降水物理学,需要将天气-动力-云降水物理耦合为一体。考虑到目前将天气动力学性质的基础数值模式用于人工影响天气中的问题,从数值模式动力方程、模式分辨率、云物理过程、数值求解方案、初边值条件等方面系统地探索了发展人工影响天气数值模式中一些需要重点解决、且不可忽视的特色问题,并举例对相关问题提出了解决思路和方法。期望提出的问题有助于构思更适合于人工影响天气数值模式,使数值模式功能真正向满足人工影响天气的要求靠近一步。