三维冰雹云催化数值模式

为了研究冰雹形成机制、催化防雹机制和通过数值试验获得冰雹云优化催化技术,在以前工作的基础上,发展了一个３维弹性冰雹云催化数值模式。模式考虑了冰雹云中详细的微物理过程,各种粒子采用双变参数谱,将云中水物质分成水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰、冻滴和雹８类,可以预报粒子的比浓度和比含量,尤其可以计算以霰或冻滴为胚胎的雹块的数量,非常适合研究冰雹的形成机制。此外,建立了催化剂ＡｇＩ的守恒方程,考虑了人工冰核的凝华核化及与云、雨滴接触的冻结核化过程,并用地面降雹动能通量检验催化防雹效果,因此,也可以研究催化防雹机制和对雹云的催化技术。     

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篁,经一部分，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。     

青藏高原东部冰雹形成机理的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展和改进的三维冰雹云模式,对青藏高原东部甘肃省玛曲县的一例冰雹云过程进行了模拟研究。结果表明:玛曲冰雹云中冰雹胚胎以霰胚为主;在地面降水中,固态降水占降水总量的46%,而霰占固态降水的65%,霰主要靠撞冻雨水和云水增长;雹云中存在较弱的过冷雨水累积带,累积带的维持时间也很短,累积带中的过冷雨水有利于雹块的增长,但不起主要作用;雹块的增长主要是通过雹撞冻云水,其次是撞冻雨水增长。     

一维时变冰雹云模式研究(二)反映融化对雹谱双参数演变的影响

在雹云物理和防雹研究中需要有一个较简单的模式。现有的较简单的一维模式由于没有考虑融化作用对雹分布谱截距的影响,严重歪曲了零度层以下雹谱应有的物理图象,使人们难以相信模拟的结果。为此,我们设计了一个能反映融化对冰雹双参数分布谱演变影响的一维时变模式。计算结果表明本模式较为合理地描述了零度层以下的雹谱演变过程。利用这个模式,计算了一批例子,研究了温度层结,湿度,成雨能力,及冰雹浓度对雹云发展过程的影响,得出了一些有意义的结果。     

冰雹云中累积区与冰雹的形成的数值模拟研究

应用三维冰雹云模式对陕西旬邑地区的一次降雹过程进行模拟,结果表明:冰雹云中存在过冷雨水的累积区,其出现在最大上升气流之上,其中累积的过冷雨水含量随着云的发展而变化.冰雹生长在此累积区内.催化试验结果表明,在过冷雨水的累积区内播撒AgI粒子能取得较好的防雹效果.     

三维冰雹云数值催化模式改进与个例模拟研究

鉴于播撒冰核形成的冰晶与自然冰晶谱型不同,对三维冰雹云催化模式人工引晶物理过程参数化部分进行了改进,将人工引入的冰晶单独作为预报量处理,导出人工冰晶与其他粒子发生的微物理过程的参数化方程。分析了改进模式的催化功能及人工冰晶的微物理过程及其在催化防雹中的作用。结果表明,在同样催化条件下,改进模式的催化效果优于原模式。水汽在碘化银粒子上核化是产生人工冰晶的主要过程。人工冰晶的空间分布特征表明,它与云水和雨水接触的比例要比自然冰晶高得多,因此人工冰晶收集过冷云水增长是其与自然冰晶最大的差别。与自然冰晶相比,人工冰晶向霰转化的数量多,通过人工冰晶形成的冻滴也多。自动转化是消耗人工冰晶的最重要的物理过程。人工冰晶减雹机制是:对雹云催化后,人工冰晶增加使雪、霰和冻滴增加,转化成冰雹的数量也增加,冰雹的尺度减少,降雹强度和降雹动能通量就减少。     

呼和浩特地区一次冰雹天气的三维冰雹云模拟分析

文章利用三维冰雹云模式对呼和浩特地区一次冰雹天气进行模拟。结果表明:一是云水、雨水比含水量高值区可以反映出冰雹的生成位置,云水、雨水、雪水比含水量快速减小可以反映出冰雹云已经发展旺盛。霰粒子快速增长转变为冰雹,为冰雹云发展强盛贡献了主要力量;总含水量增长促使了冰雹云的发展变强。二是冰雹云生成前期及初期,在7km高空有强的风速辐散促进地面的辐合上升;冰雹云发展强盛时,强劲的上升气流促使7km高度的风速由辐散转为辐合。三维冰雹云模拟结果可为呼和浩特地区冰雹天气的预报提供参考意见。     

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。     

山东北部一次夏末雹暴地面降水粒子谱特征

为了更好地认识雹暴等强对流降水的微物理特征,利用降水现象仪观测资料和CINRAD/SA-D双偏振天气雷达的粒子相态识别和反射率因子等产品,分析2019年8月16日出现在山东北部的一次雹暴降水的雨、冰粒子谱（包括直径2~5 mm的霰粒子和直径大于5 mm的冰雹）的识别以及雨滴谱的演变特征,结果显示:济南双偏振天气雷达0.5°仰角PPI上在德州和陵县观测点附近识别的粒子主要为雨滴,临邑为冰雹加大雨;安装在3个观测点的降水现象仪均识别出少量冰粒子,3个观测点的冰粒子谱数密度低、分布不连续。雹暴降水开始阶段,出现少量大雨滴,这是风的筛选和蒸发作用导致的雨滴谱,具有低的小粒子数密度和较多大雨滴;雹暴强降水增大阶段,雨滴谱特征是小雨滴数密度偏低、大雨滴较多,即总的雨滴浓度低、雷达反射率因子高;雨强减弱阶段,小雨滴数密度显著增大、大雨滴数密度偏少,即总的雨滴浓度显著增大,但雷达反射率因子偏低。     

1960年以来东亚季风区云-降水微物理的直接观测研究

云-降水的直接观测结果是云微物理参数化的重要依据。自1960年以来,处于东亚季风影响下的中国实施了大量对云-降水微物理参数的观测和研究,旨在加深对云-降水微物理过程的认识,从而改进数值模式中云微物理参数化方案和指导人工影响天气作业。云-降水微物理参数包括气溶胶、冰核、云滴、雨滴、冰晶、雪晶、冰雹等粒子浓度和谱分布,以及云滴、雨滴含水量等。中国已有云-降水微物理参数的成果可归纳为:(1)通常云-降水微物理粒子浓度变化较大,但总体变化有一定的范围;(2)采用Γ函数拟合云滴谱更接近实际谱,但不同拟合谱参数差异较大;(3)可用指数函数和Γ函数来拟合层状云降水雨滴谱,Γ函数拟合积云和层积混合云降水雨滴谱精度更高;(4)中国冰核浓度较高,冰核浓度随温度的降低近似成指数变化;(5)冰晶谱、雪晶谱、冰雹谱通常采用指数函数来描述;(6)通常使用荣格(Junge)和Γ函数来分段描述气溶胶粒子谱拟合误差更小。由于云-降水过程及其反馈作用描述不准确是数值模式预报结果不确定性的最大因素,中国正在不断地推进云降水的微物理观测研究,以期进一步加深对东亚季风区云-降水微物理特征的认识,从而为模式中微物理参数化方案的改进提供观测依据和科学指导。基于数值预报模式中云微物理过程参数化发展的需要,总结了中国1960年以来云-降水微物理直接观测的研究成果,可为东亚地区云-降水微物理研究及其模式参数化方案的改进提供观测依据。此外,针对云微物理参化发展的需求,结合过去已有的大量观测提出了几点建议,为今后云-降水物理综合性观测方案的设计提供参考。     

一次大冰雹形成机制的数值模拟

利用可模拟冰雹尺度的三维冰雹分档对流云模式,研究了2014年7月16日北京一次大冰雹的形成过程。此次冰雹天气过程的地面降雹最大尺度为7 cm,对流有效位能为1785.3 J·kg-1,具有上干下湿的大气层结条件。数值模拟的冰雹云顶高度达13 km,与雷达观测比较一致,模拟的最大上升气流达30 m·s-1。由于风切变较大,冰雹云出现明显倾斜垂直结构,使冰雹云持续时间较长。此次大冰雹形成的微物理过程具有明显特点,冰雹云中-35~-10℃层存在含量达12~16 g·kg-1的高过冷雨水累积区,冰雹胚胎主要通过受到冰晶接触扰动的过冷雨滴冻结产生,其产生率量级达10-2 g·kg-1·s-1,冰雹增长过程主要依靠雹胚撞冻过冷云水,其增长率的量级与冰雹胚胎产生率的量级一致。     

CAMS三维对流云催化模式的改进及个例模拟

该文对CAMS原有的三维对流云模式(2000版)进行了改进,引入雪晶的比水量和数浓度作为预报变量,加进与雪晶有关的11种微物理过程,从而使模式的微物理过程更加完善,使其能更好的模拟对流云降水过程.通过对1996年北京雹云个例模拟,发现模式模拟云的多单体结构、回波顶高、强中心位置与雷达观测比较一致,并能很好的解释地面雹块结构的形成原因.对改进前后的模式计算结果进行对比分析发现改进前后动力场变化不大,主要是微物理过程产生的影响,同时该文还对改进后的模式进行了AgI催化模拟试验.     

低过冷雨水含量天气过程冰雹形成机制及催化机理模拟1

利用三维全弹性冰雹云模式,对2008年5月24日山东境内一次受高空冷涡影响的大范围冰雹天气过程进行模拟,分析了冰雹的形成机制和催化防雹机理。结果表明:该过程过冷雨水中心位于最大上升气流中心下方,不存在过冷雨累积区,过冷雨水含量最大值仅为4.9gm^-3,但雹云中过冷雨水含量仍然丰富,对雹胚的形成及增长起着重要作用。雹胚以冻滴为主,冻滴胚来源于冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雨滴核化过程。冻滴形成后主要以碰并过冷雨水、云水增长。冻滴胚自动转化过程是冰雹数量、质量的主要来源;冰雹形成后,前期主要靠碰并冻滴、霰和过冷雨水增长,后期主要靠碰并过冷云水增长。催化试验表明,播撒57.5g催化剂足以通过"竞争"减雹50%以上,增加AgI剂量,防雹的同时能够兼顾增雨。催化剂用量为230g时,催化后液态降水有所增加,固态降水量及占总降水量的比例减少显著,特别是冰雹。AgI主要以凝华核的作用产生人工冰晶,冰晶凝华增长导致过冷云水、雨水含量降低。催化后雹胚特别是冻滴胚数量增多,对过冷云水、雨水的竞争增强;其平均尺度、质量的减小,降低了向冰雹的转化率。冰雹碰并过冷云水、雨水增长过程被减弱,导致冰雹总质量进一步减少,达到消雹目的。     

云粒子谱演化研究中的一些问题

简略介绍了描述云中水凝物粒子群尺度谱演变的方法：谱函数方法和分档方法,并给出了分档模式实例。讨论了谱参数本身以及在应用中应注意的问题。分析了两类方法的对比研究的结果指出,一些重要的云降水物理过程,如粒子类型间的转化,涉及粒子运动状态和人工播撒的效应等过程,应当用分档方法来处理。     

Development of giant drops and high-reflectivity cores in Hawaiian clouds: numerical simulations using a kinematic model with detailed microphysics

Cores of high radar reflectivity (>50 dBZ) and raindrops larger than 4 mm in diameter were occasionally reported in warm clouds, offshore from Hawaii. A kinematic numerical model with detailed microphysics was used to study the formation of these cores and the development of the giant drops. The role of collisional and spontaneous breakup of drops was evaluated. Our results show that spontaneous breakup of raindrops restricts the formation of giant drops (D>4 mm). This could be a result of the poor parameterization of the fragment size distribution, and the probabilities of the spontaneous breakup. The inclusion of only binary breakup mechanism explained the observed radar echoes and the drop spectra. These results corroborate the hypothesis that the updrafts in the Hawaiian clouds sort out different size drops in such a way that millimeter size drops are allowed to fall in an environment deficient of smaller raindrops. In this way, the large raindrops continue to grow by collection of small cloud droplets, but have a smaller chance for collisional breakup (the efficiency for this type of breakup is small for collisions with cloud droplets). The collisional breakup of big raindrops was also found to play a significant role in the formation of giant drops. Such drops are formed following collision–breakup of large raindrops in which one of the fragments is larger than the original drops.     

强对流(冰雹)云中水凝物的积累和云水的消耗

在冰雹云中过冷水的累积对冰雹增长起重要作用。文中回顾了水凝物累积和过冷水消耗机制中的不确定性 ,利用三维Euler强对流云模式和三维Lagrange粒子群运行增长模式 ,重新研究了对流云中水凝物粒子的累积机制和过冷水的消耗图像 ,得出以下结果 :(1)强对流 (冰雹 )云具有翻滚式对流流场 ,流场的性质决定云中存在着一个动力吸引区 ,它处于主上升气流区旁侧水平气流近于零的区域 ,粒子在增长运行中向这里集中 ,造成水凝物的累积 ;(2 )这种粒子的集中和水凝物的累积 ,是流场动力特征和粒子增长行为相互作用的表现 ;(3)粒子的集中和水凝物的累积是动态循环式的 ,而不是静态平衡式的 ,粒子可以进入吸引区 ,也可以吹离吸引区 ,在进入和吹离的循环中动态地形成了集中和累积 ,累积可以发生在主上升气流上方 ,也可以延伸到其下方 ;(4)粒子的集中和水凝物的累积是受流场和粒子运动的动力过程控制的 ,而累积粒子是液相雨滴 ,或是固相霰粒、雪团和冰雹是受降水发展过程属液相或固相占优势来决定的 ;(5 )云水场中云水量 ,只在大粒子的集中区才被显著消耗 ;而在区外的云水量消耗不显著 ;(6 )对于云水含量高达 6 g/kg的云水场 ,播撒粒子浓度达到 10 0个 /m3 时 ,在考虑消耗时 ,已不能增长成直径大于 1cm的冰雹。     

旬邑冰雹云的数值模拟及累积带特征

在中国科学院大气物理研究所三维完全弹性冰雹云模式的基础上,把雨滴冻结过程作了进一步改进,增加了雨滴冻结成霰的过程.并利用改进后的模式模拟了陕西省旬邑县1999年7月17日的冰雹云个例,发现该例雹云中冰雹胚胎主要是冻滴,在雹云发展的初期阶段雹云中存在过冷雨水累积带,并且该处是雹胚产生的主要区域,雹块的增长主要通过雹与云水的碰并过程增长.对旬邑县1997～1999年14例冰雹云过程的模拟结果表明,旬邑冰雹云中冰雹胚胎以冻滴为主,绝大多数冰雹云都存在过冷雨水累积带,累积带维持时间约6 min,厚度4 km左右.     

沙尘冰核对积云起电过程影响的初步数值模拟试验

非感应起电是指云中冰相粒子间通过相互碰撞而发生的电荷转移现象,尤其以冰晶与霰粒子的碰撞过程为主,被证实是云中电荷产生的主要方式之一。沙尘作为大气冰核的重要组成成分,为了研究沙尘冰核对云中非感应起电过程的影响,本文将两种不同的非感应起电参数化方案(Takahashi方案,以下简称TAK方案;Saunders and Peck 1998方案,以下简称SP98方案)耦合至一维半云和气溶胶分档云模式中。该模式能够显性地追踪每个水成物粒子中云凝结核和冰核的质量大小,模拟每个冰核的核化过程,以及每个冰粒子的碰撞过程,从而确定霰粒子的数浓度和每个冰相粒子的电荷密度。对不同初始沙尘浓度的非感应起电过程进行了敏感性试验,模式模拟结果表明:随着沙尘粒子数浓度的增多,云中冰晶粒子与霰粒子的数浓度都分别增加,初始起电现象发生的时间提前,空间电荷密度大小增加;SP98方案和TAK方案都能模拟出1981年7月19日的一次积云观测个例的偶极型垂直分布,但SP98方案更接近实况。