层状云微物理过程的数值模拟(一)——微物理模式

本文提出了一个比较完整的层状云参数化微物理方程组。根据理论和实验结果推导了18种层状云中常见的微物理过程中云滴、雨滴、冰晶、雪团和霰的群体比水量和比浓度的转化率,它们包括凝结（蒸发）、凝华、碰并、聚合、凇附、冰晶的核化、繁生以及冰—霰、雪—霰、云—雨的自动转化率等。     

层状云降水微物理过程的雨滴分档数值模拟#

通过建立层状云雨滴的分档模式,对中国北方常见的三类典型层状云降水形成的微物理过程以及冰粒子在降水形成中的作用进行了数值模拟。结果表明,对于由冰粒子驱动的降水过程,由于高空冰粒子的增长降落表现出一种准周期变化过程,导致与之相关的云水含量,雨水含量也出现准周期性的演变,这种演变在雨滴分档模式中能够较好地反映到降水过程中。     

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。     

黄淮气旋降水性层状云系微物理特征的综合分析

利用机载“PMS”资料，对黄淮气旋降水性层状云系中的微物理特征、降水时段、云中微物理量分布间的关系进行了综合分析，为人工增雨潜力区的选择提供了依据。     

河北一次层状云系降水的微物理机制数值模拟与分析

利用一维层状云模式,详细分析了2009年5月1日中国中东部地区一次层状云系的微物理结构和降水过程。结果表明：此次降水为层状云系降水,云系垂直结构符合顾震潮三层概念模型和“播种云-供给云”机制,其中第一层（上层：4.7-7.0 km）存在冰雪晶,雪主要通过冰晶自动转化和凝华增长。第二层（中层：2.6-4.6 km）有冰晶、雪、霰、云水、雨滴,此层贝吉龙过程作用明显。第三层（下层：1.3-2.5 km）主要粒子为云滴、雨滴、从上层融化的雪和霰,霰的融化对于雨滴的形成贡献最大。云体发展成熟时,各层之间存在一定的播种－供应关系,如第一层向第二层顶部播撒雪和冰晶,第二层向第三层顶部播撒霰和雪。     

热带气旋云微物理过程的研究进展

云微物理过程是影响热带气旋(TC)强度、结构和降水变化的重要因子。本文主要对近几十年有关TC云微物理过程的观测分析和数值模拟研究进展进行了回顾和评述。由于观测资料的增多和数值模式精细化程度的提高,对TC的云微物理结构和特征有了较深的认知,但云微物理过程如何影响TC路径、强度和降水还有很多不同观点,反映在云微物理过程对TC数值预报的影响还有很多的不确定性。云微物理过程的季节性和局地性特征不清楚。云微物理方案和模式分辨率以及其它物理方案之间如何协调匹配,业务预报如何选择云微物理方案等问题还有待更多的研究。     

山东降水云系微物理结构数值模拟和播云条件分析

利用MM5V3.5中尺度数值模式和现有基本气象业务资料,对主要影响山东的2003年4月17日春季暴雨和2002年10月24~25日秋季冷锋降水过程进行数值预报,在预报效果较为理想的基础上,利用模式输出资料,特别是利用Reisner霰方案计算的云水、雨水、冰晶、雪和霰比含量数值,分析了中尺度对流云系不同发展阶段、冷锋层状云系不同部位的云降水微物理结构特征和差异,展示了背景场动力、热力和水汽输送等条件在云降水过程中的主导作用,并分析了降水云层可进行人工催化的条件。     

积雨云微物理过程的数值模拟——(一)微物理模式

本文提出了一个比较完整的积雨云参数化微物理模式,推导了26种主要微物理过程中水汽、云滴比水量和冰晶、雨滴、霰、雹的群体比水量和比浓度的转化率,它们包括凝结(凝华)、蒸发、粒子间的碰并(撞冻)、冰晶核化、繁生、冻结、融化、云—雨、冰—霰、霰—雹的自动转化以及雹的干湿增长等。     

层状云酸化数值模拟

发展、设计了一个一维时变参数化微物理过程的暖性层状降水云化学模式,研究云雨酸化机制及 SO_2、HNO_3、和 H_2O_2的云内雨洗清除和云下冲刷清除。结果表明,SO_2被 H_2O_2的氧化是SO_2氧化的最主要途径;S(Ⅳ)→S(Ⅵ)转化率及氧化和清除的相对重要性随时间演变不断变化。模式结果在一定程度上与实测资料相符。     

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。     

典型层状云系催化试验的云物理响应研究

利用2003年秋季延安地区一次典型层状云系加密探空和实时雷达观测资料,设计了催化和对比探测方案,计算得出催化影响区及下风方可能采集到响应值的区域。按照设计方案进行催化和探测。云物理响应观测结果表明:PNS粒子探测系统检测到催化后30min,小云滴减少;大冰晶的浓度增加;催化前冰晶以片状为主,催化后可看到有霰坯;催化前大雪晶浓度很小,雪晶之间没有攀附;催化后雪晶浓度增加,且大雪晶增加很多,可明显看到几个雪团攀附在一起形成的较大雪团;雷达观测到催化前拟播撒区内云的回波强度较弱、范围较小,催化后云体明显增大,强中心增加了5～10dBz;催化约1h后影响区雨量均有增加,说明催化引入的人工冰晶,使冰晶凝结比水滴凝结更有利于过冷云水转化为降水,冰晶效应和雪晶攀附过程是这次层状云系降水系统中的主要过程。过冷水冻结释放的潜热,导致云内升速加大,使催化区云和降水得到发展。     

西北地区一次层状云降水云物理结构和云微物理过程的数值模拟研究

利用MM5中增加的双参数显式云物理方案模拟了西北地区一次层状云降水过程,模拟结果显示对小雨的预报评分较高,对中雨以上评分低而且位置有一定偏差,即对层状云降水模拟效果较好。模式中增加了雷达反射率的计算,与延安站雷达RHI回波相比较,模拟的回波结构基本符合层状云回波特征,存在0℃层亮带。采用三层模型解释模拟的层状云降水形成机制和过程:第一层为冰晶区,无过冷水;第二层存在过冷水,为各种冰相粒子增长区,第一层和第二层的分界不固定;第三层和第二层的分界在0℃,为暖云。第一层对第二层播种冰晶,第二层为第一层播种下的冰晶供给过冷水,使冰晶快速增长;第二层对第三层播种雪和霰,使其在第三层融化成雨,第三层同时消耗云水。模拟给出了三层模型层状云场的空间结构,延安站不同时刻微物理量垂直分布和各种水凝物粒子的生成源项分析揭示了三层模型降水形成机制和主要微物理过程。三层模型可以完整和全面地解释层状云降水形成机制和过程。     

层状云催化宏微观物理响应的数值模拟研究

层状云系是进行人工增雨开发利用空中云水资源的重要对象,增雨作业需要有科学可行的技术指标来指导实际作业的科学实施,而合理准确评估人工增雨作业的效果也是需要解决的重要课题,通过数值模式合理地仿真模拟实际催化作业的过程,进而研究增雨作业后云和降水的一系列宏微观特征的变化及其机理,是建立和改进催化作业技术的必要途径,也是评估实际人工增雨作业效果的有效手段。本文使用三维中尺度冷云催化模式对2014年4月15日河北省一次层状云降水的飞机催化作业过程进行了仿真模拟,力图对实际作业过程进行合理再现,通过对模拟结果的分析,研究飞机播撒的AgI（Silver iodide）催化剂在空中的扩散传输特征,分析催化对云和降水宏微观特性的影响,并对此次飞机催化作业的增雨效果进行评估。研究结果表明,播撒的AgI催化剂烟羽扩展的水平尺度可达数十公里以上,垂直方向上,大部分AgI粒子则主要集中在作业层上下约1 km的厚度范围内,AgI粒子的向上输送明显强于向下的输送;催化后云中的冰晶和雪粒子明显增加,导致催化模拟前期的霰增长受到抑制,之后随着霰碰并雪过程及零度层附近冰相粒子淞附过程的增强,云中霰的总量逐渐增加;催化作业后,催化云的雷达回波强度有明显增强,且随时间变化表现出不同的结构特征;催化导致地面降水出现先减少后增加的时间变化特征,催化后3小时,作业影响区向作业区下游扩展100 km以上,总体呈现减雨—增雨的区域分布特征;数值模拟评估表明,整个评估区内的净增雨量达到3.6×107 kg,平均增雨率为1.1%,暖层霰粒浓度和尺度的增加是降水增加的主要原因。由于作业目标云系的催化条件一般,而播撒的AgI剂量偏大,造成增雨作业效果偏低。     

河南省层状降水云系中尺度结构的数值模拟

利用非静力中尺度数值模式MM5(V3.5),结合实况资料,对2002年4月4-5日河南春季一次层状降水云系的中尺度结构进行了模拟分析,并与观测资料进行了对比研究.结果显示,4月4日08时-5日20时之间,850 hPa低涡与中高空低槽相配置,形成大范围具有非均匀性结构特征的云系.模式模拟出降水中雨核的产生、发展、消散,雨核所在处云系有水平尺度在几十至100 km之间的柱状结构,对应云系组合为:高层主要由冰晶组成,中层由冰相粒子和液水混合组成,低层为液水层,并伴有强烈的上升气流,雪和霰对雨水形成的贡献较大.模式还揭示了850hPa中-β尺度低涡和水汽输送对雨核起到关键性作用.     

一次降水性层状云微物理过程分析

对2010年5月14日一次降水性层状云的飞机DMT探测资料进行了分析.这次降水形成的主要微物理机制是“播种-供给”过程.冰化层降水尺度的粒子浓度高,高于其他各层.过冷层冰水粒子共存,液态水含量丰富,为冰水转化和淞附增长提供了有利的增长环境条件,是降水增长的关键层.这次降水云系“播种-供给”机制表现充分,但云暖层薄,暖层增长不充分,云底高,蒸发层厚,是不能产生强降水的主要云微物理原因.     

陕北地区夏季层状云系的微物理特征研究

根据１９８０、１９８９和１９９１年飞机对陕北地区云物理的探测资料，对降水性展状云系和降水微结构进行了分析研究，结果表明：云系具有多层结构，正、负温区陆水含量高，暖层供水云厚度大，云雨粒子浓度在垂直分布上有明显的规律性，但冰雪晶浓度很低，谱型狭窄，云水转化的效率不高，具有人工增雨作业的基本环境、背景条件，尚有一定的催化潜力．     

河南省春季一次层状云降水云系结构和降水机制的数值模拟

利用PSU/NCAR的MM5中的双参数显式云物理方案,模拟了2007年河南省春季一次层状云降水过程,模拟结果显示,降雨主要落区和强度与观测一致.24 h降雨预报的TS评分较高.模式输出的雷达反射率与郑州站雷达RHI回波相比较,模拟的回波结构基本符合层状云回波特征,存在零度层亮带.在成功降水模拟的基础上,分析了云系不同部位结构特征和粒子质量通量分布,发现雨水的形成在不同部位依靠不同的过程.郑州站云的垂直结构和降水微物理过程研究表明,降水机制符合"播种一供给"机制,降水形成主要依靠雪的融化和暖云微物理过程,暖云对整层降水起主要作用,暖云微物理过程是形成降水的更有效方式.     

西北区一次联合探测层状云系云物理特征分析

对2003-09-17我国西北地区东部层状云降水天气过程的层状云系进行了联合探测。经观测对比分析发现：对同一天气系统开展多省联合探测．对认识云系发展变化、结构特征及降水潜力很有帮助；同一条锋面云系由于流场结构的差异，其不同位置的云层结构、温度、湿度、水汽含量存在一定差异；陇东和陕北虽然同处于副高西侧的偏南气流里，但是，低层天水处于反气旋区，抑制了水汽辐合，而延安处于横切变右侧的气旋性辐合区，有利于低层水汽辐合上升，促使该地区云系发展加强，其过冷层厚度大于天水地区；PMS粒子测量系统测得在整个过冷层中，小云粒子的数浓度平均值天水比延安少1个量级，2D—P测出延安的粒子谱较宽，说明上述条件下天水地区人工增雨潜力较小．延安地区相对条件较好，人工增雨潜力大。     

积层混合云数值模拟研究(Ⅰ)──模式及其微物理过程参数化

用积云对流速度场叠加辐合场的方法建立了一个二维平面对称积层混合云数值模式,以用于模拟研究层状云和嵌入其内的对流云组成的混合云。模式动力场计算以一种新的方法求解(V,θ,π)为基本变量的深对流滞弹守恒型方程组。云中微物理过程考虑了6种水质并使用双变参数谱描述和采用更为合理的粒子谱。为了便于与实测雷达回波强度和结构比较,模式可以计算雷达观测模式云的回波强度。     

强降水云物理过程的三维数值模拟研究

利用改进的三维完全弹性强对流云模式,模拟了1998年7月21日晨发生在武汉附近的特大暴雨个例,结果显示,该模式模拟得到的降雨量与实测接近,计算得到的雷达回波强度最大值也与实际观测相一致,说明该模式对实际对流性强降水具有较好的模拟能力.在此基础上,通过冷云和暖云两种不同情况的比较分析,研究了云微物理过程在强降水形成过程中的作用.模拟结果表明,详细云物理过程的考虑对深入理解武汉这次强降水的形成过程是有意义的.该个例雨水的形成主要是暖雨过程,冰相微物理过程对该对流性强降水过程的发展和演变有重要的促进作用.在形成雨水的冷相过程中,霰的融化及其在0 ℃层下碰并云水形成雨水的过程是主要的.模式云在0 ℃层附近存在明显的雷达回波亮带,亮带中间含有强回波核和及地下挂回波.分析表明,这种强回波核和下挂回波的产生主要是由于冰相粒子在0 ℃层融化形成的,融化的冰相粒子与云滴碰并又加速雨水的产生.在这些融化的冰相粒子中,贡献最大的是霰粒.文中还分析了该强降水暴雨云维持长时间强降水的云物理机制.在低层大气温暖高湿和环境风切变有利条件下,倾斜上升气流和下沉气流之间的准稳态结构可能是暴雨强降水得以长时间维持的重要原因.