青藏高原那曲地区雷暴云电荷结构特征数值模拟研究

选取2003年藏北高原那曲地区的两次典型过顶雷暴过程，首先总结了它们的层结特征，然后利用一个只考虑感应和非感应起电机制的三维强风暴动力和电耦合模式模拟了两次雷暴过程的电荷结构，最后从微物理场和流场出发讨论了高原雷暴电荷结构特征及其主要形成原因。结果表明，由于高原平均地表温度较低, 雷暴云反转温度层以下的起电区域较小,强的垂直上升速度使大粒子能够到达较高的高度,增加了大小粒子碰并几率,易形成明显的三极性电荷结构特征;较弱的上升速度易使大小粒子比含水量中心受重力作用过早的分离,高层的小粒子和低层的大粒子基本不参与起电活动,云底部和上部的正电荷区减弱。     

播撒金属丝对雷暴云电结构影响模拟研究

利用积云动力一起电二维轴对称模式,模拟分析了雷暴不同发展阶段在云中上升气流速度最大区播撒金属丝对雷暴云电结构的总体影响。通过与未播撒模拟结果相比较,发现各种降水粒子的荷电率及电场强度都有所减小,这种减小在雷暴发展的成熟阶段尤为明显,雷暴云内的扩散、电导和感应起电机制作用减弱。通过不同播撒位置和播撒率的敏感性试验得到,在云中强上升所泫区播撒对垂直电场的抑制效果比在云底和云顶更好,不同的播撒率引起的电     

雷暴云不同空间电荷结构数值模拟研究

利用一个三维时变双参数动力电耦合模式对决定雷暴云空间电荷结构的三个初始场：反转温度、中心最大扰动位温和扰动区域进行模拟对比研究。结果表明,选取不同的参数值,雷暴云电结构有很大差异,从而解释了在不同地区、季节、强度的雷暴云中所观测到得不同的空间电荷结构的原因。     

雷暴云中起电活动对动力和微物理过程的影响

本文通过改变三维强风暴动力—电耦合数值模式中电场参量的引入条件，将电场带入积云运动方程及水凝物下落末速中，模拟比较了有无电场影响下模拟云的主要差异。在考虑电场的作用下，由于初期电活动并不剧烈，降水强度与云内风速变化较小；随着云中起电活动的增强，考虑电场影响的模拟云内上升、下沉风速均有所增加，对应时段的降水强度有明显起伏，但累计液态与固态降水量增加微弱；同时，闪电数目增多，闪电发生得更早，持续的时间更长，电场的影响是不可忽视的。模拟发现:雷暴成熟时期，由于电场力的作用，雹粒子瞬时落速变化的极值均超过10 m s-1，霰粒子瞬时落速变化极值也超过了7 m s-1。但强电场的区域较小，粒子下落时经过强电场区域的时间较短，所以落速极值变化不大，相比之下电场力对半径较小粒子的下落末速的瞬时改变更显著。电场通过对粒子下落速度的影响，改变了水凝物粒子主要源项的生成率，增加雨滴、冰晶粒子的生成率，减小霰、雹粒子的生成率，调整了三相水凝物粒子的时空分布，使云中水汽总量增加9%，释放潜热增加7%，为云体的进一步发展提供了内能。     

湖北地区一次雷暴云电荷结构和放电特征的数值模拟研究

在三维强风暴动力—电耦合数值模式中引入非感应起电参数化方案、感应起电参数化方案以及放电参数化方案,对湖北宜昌2014年6月19日一次闪电过程中雷暴云电荷结构和放电特征进行了模拟分析。模拟结果表明,当云内粒子增多、增大,大部分霰粒子逐渐降落到中低层,上部正电荷区减小,底部正电荷堆范围开始扩大,中部负电荷区和底部正电荷区成为主要的起电区域,这种底部正电荷区较厚的三极性电荷结构不利于地闪的产生。在粒子带电分析中,霰与冰晶粒子携带的电荷量均大于云滴,说明霰与冰晶之间非感应碰撞是云中主要的起电过程。虽然云滴的电荷量较小,但霰与云滴之间感应碰撞的作用不可忽视。结合电荷结构的分布,发现底部正电荷堆的垂直分布高度与霰粒子、云滴的电荷浓度的分布有关,且霰与云滴电荷浓度的累积区与底部正电荷堆相一致。     

青海和北京地区不同个例雷暴云电荷结构特征差异的数值模拟分析

利用加入起电、放电参数化方案的数值模式[Weather Research and Forecasting Model(Version3.7.1),WRF3.7.1＿ELEC],分别对发生在青藏高原东北部青海大通地区和华北地区北京西部山区的两次雷暴过程进行模拟研究,对比分析两个不同地区雷暴个例的电荷结构特征差异及原因。结果表明：对发生在两个地区的雷暴个例,模式均能够较好地模拟出雷暴的移动方向、回波强度以及形状的变化特征。对比两个个例不同发展阶段雷暴云电荷结构可以看出,除了在发展旺盛阶段两个地区的雷暴云电荷结构自下而上均为“+-+-”的四层结构,在发展初始阶段和消亡阶段,两个地区雷暴云电荷结构明显不同。造成两个雷暴个例在雷暴云初始和消亡阶段电荷分布差异的主要原因是云中霰粒子混合比和有效液态水含量的差异。     

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.     

雷暴云首次放电前两种非感应起电参数化方案的比较

在三维强风暴动力-电耦合数值模式中分别引入两种基于不同实验室结果的非感应起电参数化方案S91和SP98, 对比分析了一次雷暴单体首次放电前, 利用两种方案模拟得到的非感应电荷转移区域、极性、量级和电荷结构的演变特征, 及其与有效液态水、温度、粒子分布和对流之间的关系。结果表明, S91中, 起电区域逐渐由高温、高有效液水区向低温、低有效液水区转移。电荷转移量快速增加, 且由以正极性为主过渡为以负极性为主。电荷结构由偶极性转变到三极性。SP98中, 淞附增长率的大值区范围较大, 霰以携带正电荷占绝对优势, 易形成反极性的电荷结构, 但有进一步转变为三极性的趋势。两种方案的共同点表现为: 电荷层较高, 位于对流区上部及雷暴移动方向前侧出流区; 正电荷转移多发生在高有效液态水(或淞附增长率)和高温区, 负电荷转移都发生在低有效液态水(或淞附增长率)和低温区; 转移电荷的正中心均位于霰的累积区中心, 负中心易出现在冰晶和霰共存区的中心。     

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。     

雷暴云起电机制及其数值模拟的回顾与进展

对国内外有关雷暴云起电机制和起/放电模式的研究结果和进展进行了回顾,总结了这两方面研究的主要进展及所涉及的重要问题。详细介绍了离子、粒子及其他起电机制的发展历程,并从非云模式和云模式这两方面综述了国内外起/放电模式的一些结果和进展。目前对雷暴云内电荷的产生已有较为系统地了解,但仍需对雷暴内动力、微物理和起电过程及它们之间的相关性做更深入的研究。进一步完善雷暴云起/放电模式,并应用模拟结果和观测资料来研究动力、微物理过程及电结构的相互作用机制。     

青藏高原雷暴云降水与地面电场的观测和数值模拟

在2003年青藏高原那曲地区夏季雷暴云的观测试验中,三次伴有降水的过程中都出现了地面电场(Egnd)随降水的漂移现象,而且固态和液态降水对Egnd的极性改变并不相同。为了模拟再现高原雷暴云降水和Egnd之间的关系,选取了8月13日这次具有高原雷暴代表性特征的过程,模拟了雷暴云移经观测点上空期间,测站固、液态降水与Egnd的变化以及雷暴云下部正电荷区的空间分布。模拟的Egnd及固、液态降水与其的对应关系与观测事实较一致。分析结果表明,固态降水主要携带正电荷,液态降水主要携带负电荷,各类带不同极性和数量电荷的降水粒子常共存在雷暴云中,Egnd主要受携带电荷量占主导地位的降水粒子的影响,地面出现强正电场时正好是云在当顶并且地面出现强固态降水的时间。     

一个三维Monte-Carlo地气耦合辐射传输模式

建立了一个可靠和较高计算效率的三维Monte-Carlo地气耦合辐射传输模式(3DMC).该模式在光子释放和定位、地气耦合、辐射率高分辨模拟计算和计算效率等方面有所发展.     

Potential Predictability of Sea Surface Temperature in a Coupled Ocean--Atmosphere GCM

Using the Flexible Global Ocean--Atmosphere--Land System model (FGOALS)version g1.11, a group of seasonal hindcasting experiments were carried out.In order to investigate the potential predictability of sea surfacetemperature (SST), singular value decomposition (SVD) analyses were appliedto extract dominant coupled modes between observed and predicated SST fromthe hindcasting experiments in this study. The fields discussed are seasurface temperature anomalies over the tropical Pacific basin(20^oS--20^oN, 120^oE--80^oW), respectively starting in fourseasons from 1982 to 2005. On the basis of SVD analysis, the simulatedpattern was replaced with the corresponding observed pattern to reconstructSST anomaly fields to improve the ability of the simulation. The predictiveskill, anomaly correlation coefficients (ACC), after systematic errorcorrection using the first five modes was regarded as potentialpredictability. Results showed that: 1) the statistical postprocessingapproach was effective for systematic error correction; 2) model errorsources mainly arose from mode 2 extracted from the SVD analysis---that is,during the transition phase of ENSO, the model encountered the springpredictability barrier; and 3) potential predictability (upper limits ofpredictability) could be high over most of the tropical Pacific basin,including the tropical western Pacific and an extra 10-degrees region of themid and eastern Pacific.     

一个海气耦合模式对东亚夏季气候预测潜力的评估

利用一个具有较高分辨率的海气耦合模式SINTEX-F(Scale Interaction Experiment-Frontier Research Center for Global Change coupled GCM)的多年回报结果,评估了该海气耦合模式对东亚区域,尤其是中国地区气候异常的预测潜力.与观测实况的比较结果表明:SINTEX-F模式对夏季降水、500 hPa高度场和地表气温都有一定的预测技巧,但是相比而言降水与高度场的回报技巧要高于地表气温;而且耦合模式对东亚地区气候异常的主要空间分布和年际变化特征也有较好的预测潜力,对500 hPa高度场效果较好;对降水异常的年际变化也有一定的预测潜力,尤其是我国中部地区效果较好,但是模式预测的降水异常的幅值较观测相对偏弱;此外对我国西部的极端气候也有一定的预测潜力.     

海气耦合气候模式的依时解

运用量子力学方法,精确地求出了海气耦合随机-动力模式的依时解。对依时解的分析表明：当气候系统处于基态时,系统的行为呈布朗运动形式,由此从理论上证明了Hassel-mann关于随机气候模式建立的立足点。当系统处于第一激发态时,系统运动呈随时间衰减的形式;在一定条件下则为周期振荡,主周期长度为2.3年。最后将结果用来讨论二氧化碳浓度倍增时的气候影响。     

太湖区域三维湖陆风场数值模拟

本文考虑太湖周围实际地形，建立了一个适合太湖区域复杂地形，满足静力平衡条件的三维非定常大气边界层数值模式，计算表明:模式运行十分稳定，与实际观测资料吻合较好。     

区域海气耦合模式对我国极端降水模拟分析

使用区域海气耦合模式40年的降水模拟结果,采用百分位的方法定义极端降水事件,分析了耦合模式模拟的夏季中国极端降水事件的特征。结果表明,区域海气耦合模式基本能够模拟出气候平均极端降水阈值的空间分布型及极端降水事件在长江中游、西南部分地区和长江下游局部地区的显著增加、增强趋势,在中西部、华北北部和东北局部的显著减少、减弱趋势。EOF分析发现,模式模拟的极端降水事件几个特征量在我国江南地区长江以南与华南沿海及长江以北的呈反位相变化,这一变化以年代际为主要特征。区域耦合模式基本能够模拟出极端降水量、夏季总降水量、极端降水日数两两间的高时空相关关系。     

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。     

闪电宽带电场三维定位及其回波特征

利用自制闪电宽带电场三维定位系统, 分析了山东地区一次雷暴过程闪电三维时空结构。结果表明, 在云内击穿放电整个时间序列中, 辐射源空间分布（对应强电场区分布）呈现明显的三极性分层电荷结构, 并分布在3个高度层次： 6~8 km为上部正电荷区, 4~6 km为中部负电荷, 2.5~4 km为下部次正电荷区。云内放电首先出现在中部负电荷区, 然后产生向上发展的负流光进入上部正电荷区传输, 形成向上发展的云闪; 随着雷暴发展, 产生向下发展的负流光进入下部次正电荷区, 形成向下发展的云闪, 且能维持到雷暴发展后期。结合雷达回波分析表明, 雷达回波的强度影响着闪电活动, 强回波区的增加会使得强电场区域增加, 但是强电场区域并不与最强回波区域对应, 除下部正电荷区的底部会有部分辐射源出现在回波强度为40~50 dBz的区域中以外, 大多数的辐射源出现在25~35 dBz的中等回波区范围内, 强回波区域中通常较少出现击穿放电。     

建立在数值预报系统上的航空气象要素预报试验

文章介绍了建立在数值预报基础上的航空气象要素（颠簸、积冰和云等）预报技术，给出了预报颠簸强度的晴空湍流指数和预报积冰的积冰强度和积冰严重性指数，并利用预报模式进行了模式成云预报和云区诊断分析，给出了一些具体的模拟及预报试验结果。