三维冰雹分档强对流云数值模式研究Ⅰ.模式建立及冰雹的循环增长机制

针对现行冰雹云参数化模式中假定冰雹谱服从特定的负指数分布，冰雹增长率依赖其加权平均末速度以及粒子间的数浓度转换不守衡等局限性，作者建立和发展了一个包括云滴、云冰、雨滴、雪团，霰和雹的云中主要水成物场及凝结、撞冻等37种主要微物理过程，可用于预测和研究三维强冰雹云降雹过程的冰雹分档模式，模式能够提供在雹云参数化模式中无法提供的关于冰雹增长与分布的信息。研究共分三部分：模式的建立及冰雹的循环增长机制；冰雹的分档分布特征；冰雹产生与增长的微物理过程。第一部分，通过建立模式及模拟一个多单体风暴个例，对多单体中冰雹的增长机制进行了数值模拟研究。     

三维冰雹分档强对流云数值模式研究 I.模式建立及冰雹的循环增长机制

针对现行冰雹云参数化模式中假定冰雹谱服从特定的负指数分布,冰雹增长率依赖其加权平均末速度以及粒子间的数浓度转换不守衡等局限性,作者建立和发展了一个包括云滴、云冰、雨滴、雪团、霰和雹的云中主要水成物场及凝结、撞冻等37种主要微物理过程,可用于预测和研究三维强冰雹云降雹过程的冰雹分档模式,模式能够提供在雹云参数化模式中无法提供的关于冰雹增长与分布的信息.研究共分三部分:模式的建立及冰雹的循环增长机制;冰雹的分档分布特征;冰雹产生与增长的微物理过程.第一部分,通过建立模式及模拟一个多单体风暴个例,对多单体中冰雹的增长机制进行了数值模拟研究.     

三维冰雹分档强对流云数值模式研究Ⅱ.冰雹粒子的分布特征

在第一部分研究工作的基础上，为便于分析，将冰雹的21档按照一般关于冰雹分类的定义重新划分为5类:小冰粒子(直径D＜1mm)、霰与雹胚(1mm＜D＜5mm)、小雹(5mm＜D＜10mm)、典型雹(10mm＜D＜25mm)、大雹(D＞25mm)。研究了每一类粒子的分布及演变特征。并给出了悬垂区、云砧，上下气流区等冰雹粒子谱分布及演变情况，提出了多单体雹暴中各尺度的冰粒子通过主次单体之间的运动循环机制对冰雹形成及增长的作用及贡献。最后将冰雹分档谱与Marshall-Palmer谱作了比较分析。     

微物理过程分档处理的三维对流云模式研究

在三维完全弹性冰雹云参数化模式动力框架和二维面对称分档模式(微物理过程分档处理)的基础上,建立粒子全分档的三维对流云分档模式.利用建立的分档模式对2000年6月29日美国堪萨斯州的一次超级单体风暴进行了模拟,并将模拟结果与三维冰雹云参数化模式的模拟结果作了对比.结果表明:分档模式可以较好地模拟出强对流云中两支上升气流,模拟得到的最大上升气流速度大于参数化模式;分档模式模拟得到的雷达回波强度、顶高和回波宽度更接近实测.     

三维对流云催化数值模式人工冰晶参数化方案的改进与个例模拟试验

在中国科学院大气物理研究所的三维全弹性对流风暴云催化数值模式(简称为IAP-CSM3D)的基础上,对模式中催化部分的参数化方案进行了改进,推导出人工冰晶与其它粒子之间相互作用的微物理过程的参数化方程。改进后的模式将催化产生的人工冰晶单独作为预报量进行处理,把人工冰晶与自然冰晶区分开,且考虑的人工冰晶谱型为双参数粒子谱,使模式更符合实际。利用改进后的模式模拟了2005年7月8日发生在辽宁省朝阳市的一次冰雹云天气过程,着重分析了催化云人工冰晶的微物理过程、空间分布和谱型,以及对冰相降水粒子的贡献。数值试验表明,自然雹云模拟结果与观测事实相吻合,说明改进后的模式对冰雹云具有较可靠的模拟能力。模拟分析表明,冻滴是该例自然雹云冰雹胚胎的主要来源,对该冰雹云进行AgI催化可明显地减少降雹量,特别是在云中冰雹形成初期进行催化防雹效果最好,既可产生最大的防雹作业效果又不至于过度减少降雨量。催化减雹的主要原因是催化显著地减少了云中冻滴向冰雹胚胎的转化总量。进一步研究发现,人工冰晶在云的不同阶段对各种冰相降水粒子的贡献是不同的。人工冰晶对雪花总质量的贡献较小,对霰总质量的贡献有所增大,而对冻滴总质量的贡献较大。模拟的冰晶粒子谱可较好地反映出人工冰晶谱型较窄,浓度较大,尺度较小的特征。     

对流云中冰相过程的三维数值模拟 I:模式建立及冷云参数化

本文建立了一个完全弹性三维冷云数值模式。采用参数化方法处理冰相微物理,包括冰核化、凝华、结淞、雹干湿增长以及融化等15个主要过程。使用理想初值条件和环境场对模式进行了检验,证明是可靠和稳定的。三维对流云系统的一些主要特征均能够成功模拟出,例如弱云外补偿下沉运动、云中水平涡耦及其分裂、中层障碍流、弱回波结构等。     

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。     

强雷暴云中电荷多层分布与形成过程的三维数值模拟研究

通过建立云物理耦合电过程的冰粒子分档模式, 对北京一次强雷暴天气的云中空间电荷结构分布、 形成机制及放电过程进行了模拟分析研究。结果表明: (1) 云水含量主要通过感应起电来影响云水、 霰粒子之间的电荷转移, 然后再影响空间电荷分布。而包含了雨水后的液水含量主要通过非感应起电在不同含水量条件下的起电机制影响霰粒子同雪粒子 (或冰晶) 碰撞后转移电荷的极性与大小, 从而影响空间电荷结构。 (2) 微物理过程的不均匀性将导致水成物含水量源汇项的不均匀性。而这种不均匀性首先会使得水成物在不同垂直剖面上的分布也不均匀, 从而使得感应、 非感应起电变得更复杂。源汇项的不均匀性还会导致水成物之间因质量转移而产生的电荷转移也不均匀。 (3) 强的上升气流将冰相物携带到较高处, 从而使得水成物间发生电荷转移的高度也比较高。雪粒子在强上升气流上部及两侧区域出现多个含量中心, 霰粒子含量分布相对均匀, 而质量中心向背风侧倾斜。因此, 非感应起电过程主要发生在背风侧的辐散区域, 从而导致空间电荷也主要分布在该区域。强上升气流使得冰相水成物在不同区域出现含量中心, 使得同一冰相物在不同区域携带不同电荷 (尤其是在强风暴的成熟期), 从而使得空间电荷易于出现多层结构。 (4) 由于放电会改变空间电荷结构, 放电通道中的感应电荷会重新分配到各个水成物表面, 所以在微物理过程和动力过程等作用下, 在水成物质量转移过程中发生的电荷转移将会更加复杂, 从而使得空间电荷浓度分布更加复杂。但是该作用的重要性还需要进一步的研究。以上因子均是造成空间电荷多层分布的重要原因。     

一次冰雹过程及雹云物理结构的数值模拟研究

利用常规高空、地面观测资料和多普勒雷达资料,采用中尺度数值模式(WRF),对发生在浙江省的一次冰雹天气过程进行了综合分析和数值模拟,从气流、温度结构以及雹云中的各类微观物理量的时空变化分析了此次冰雹过程的宏微观演变特征及形成机制。结果表明,该次强对流天气是在大尺度动力不稳定、热力不稳定的环境场和上干下湿的不稳定层结下发生发展的,边界层中尺度辐合线作为抬升触发机制释放不稳定能量。模式模拟得到的地面累积降水和雷达反射率因子与实况基本符合;模拟的水汽辐合区、能量锋区以及雷达反射率因子高值区接近辐合线。模拟的雹云属多单体风暴,具有明显的合并发展特征;霰(雹胚)通过雪晶的碰冻过程及过冷雨滴冻结产生,后碰并增长转化形成冰雹,冰雹通过碰冻过冷水滴和碰撞收集冰雪晶快速增长,最终降落至地面。其中,雹云内的过冷雨水累积带对霰及雹的产生及增长至关重要。     

三维强风暴动力-电耦合数值模拟研究--模式的初步检验

利用文献「１」所发展的三维强风暴动力－电耦合模式对ＣＣＯＰＥ（Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｃｏｎｖ－ｅｃｔｉｖｅＰｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ,１９８１）计划中７月１９日的一次强雷暴过程进行了模拟检验,并对雷暴云宏观和微观两个方面实测和模拟值进行了对比。通过分析表明,该模式基本能反映出雷暴云在各发展阶段上动力、微物理和电学特征的时空演变规律,模拟结果与实际观测结果较为接近。     

雹云成雹机制及最佳催化方案的数值研究

应用中科院大气物理研究所建立的三维雹云模式,对河南南阳1999年5月9日一次降雹过程进行了数值模拟.模拟结果表明云内存在过冷水累积区,冰雹在过冷水累积区长大;使用不同催化方案催化后,均能起到减少地面降雹的作用,但是在雹云形成的不同时间、不同的催化部位和使用不同的催化剂量,其消雹效果不一样,在冰雹形成前于过冷水累积区催化效果最好.     

雹云成雹机制及最佳催化方案的数值研究

应用中科院大气物理研究所建立的三维雹云模式，对河南南阳1999年5月9日一次降雹过程进行了数值模拟，模拟结果表明：云内存在过冷水累积区，冰雹在过冷水累积区长大；使用不同催化方案催化后，均能起到减少地面降雹的作用，但是在雹云形成的不同时间、不同的催化部位和使用不同的催化剂量，其消雹效果不一样，在冰雹形成前于过冷水累积区催化效果最好。