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。     

层状云微物理过程的数值模拟(二)—中纬度气旋云系的微物理过程

本文用我们的微物理模式根据P.V.Hobbs在美国获得的中纬度气旋云系和降水的中尺度和微尺度结构的探测资料进行了计算。在计算的六个例子中,微物理垂直剖面同实测结果在很多方面是相符的。模拟得出了同实测比较一致的层状云“播种-供应”机制,高空发生胞的“播种”作用和暖层云中的降雨过程等。分析表明,模式所用的双参数方案、冰晶核化、云雨自动转化、冰晶繁生等方程能较好地反映云中微物理过程,但是冰晶聚合过程的模拟（主要是碰并系数Eii的表达式）需要改进。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

一次冻雨过程云物理特征的数值模拟

运用中尺度数值模式WRF3.5.1对2011年1月1日贵州境内的一次冻雨天气过程进行了数值模拟,研究了本次过程的大气层结、冻雨区云系的宏微观结构和云物理特征,初步分析了冻雨形成的云微物理过程和成因。结果表明,贵州境内的冻雨区(26°N~29°N)具有冷性和部分"冷—暖—冷"的温度层结,在高层没有显著的冰相粒子,冻雨区是相对较强的水汽辐合中心,丰富的水汽输送在冷性的环境条件下形成云滴,进而碰并产生雨滴,过冷雨水主要通过暖雨过程形成;雨滴继续下落至近地层并保持过冷雨水形式,最后接触到低于0°C的物体或地面,迅速冻结而产生地面冻雨。     

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。     

高原地区冰雹云数值模拟研究——冰相微物理过程的作用

本利用献发展的三维冰雹云模式模拟研究了1999年7月11日出现在青海省西宁的一次冰雹过程，分析了该冰雹云在不同发展阶段上的宏观特征，讨论了在冰雹云的发展过程中各种冰相微物理过程的作用，并且与实际雷达资料进行了比较。模拟结果表明：过冷雨滴的碰冻、霰对云、雨滴的碰并收集是霰的主要产生源。冰晶的主要产生源是结凇增长(Bergemn过程)。冰相物质的汇主要是0℃层以下的融化过程。冰相微物理过程增加了云中相变潜热，引起云中上升运动加强，云生命史延长，地面降水出现时间提前，降水量和雨强最大峰值加大，并提高了降水效率。     

一次热带海洋对流云微物理过程的数值模拟

为了理解微物理过程以及次生对流云对热带对流云团发展演变过程的影响,利用二维云分辨模式对2006年1月20日靠近澳大利亚西北部的印度尼西亚暖池附近的一次对流云降水过程进行数值模拟,分析了对流云发展演变不同阶段各种微物理过程的特征,尤其对次生对流的形成以及并合过程进行了深入分析.结果表明:本个例所研究的热带对流云团具有发展...     

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。     

广西秋季层状云微物理特征分析

利用2012年11—12月在广西进行的11架次飞机云物理探测资料对层状云宏微观物理结构特征进行研究,探讨层状云降水机制。结果表明:广西层状云微物理特征与我国其他地区的存在显著差异。层状云典型的微物理垂直结构为在云下层是由凝结作用生成云滴,随上升气流发展,云滴数浓度、平均直径和液态水含量随高度逐步增加,云滴谱拓宽,谱型向大尺度的方向扩展,至云中上层增大至最大值后随高度减小。冷暖混合云结构的高层云冷云部分的冰相粒子落入暖层后对其微物理结构产生影响,主要是使云滴谱展宽,CIP云滴平均直径垂直分布变幅增大,有利于暖层中碰并过程的启动和发展。层积云微物理水平分布呈现不连续跳跃式变化特征,存在对流泡结构,对流泡内各微物理量高于泡外,云滴谱型向大尺度移动,对流泡结构是层积云形成降水的重要机制。     

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.     

强降水云物理过程的三维数值模拟研究

利用全弹性三维冰雹云数值模式,对2016年6月5日河南三门峡单体雹云个例进行模拟,将催化防雹的方式、时间、区域、剂量指标动态化组合形成81种方案,从而更高效、更精细地探究能够产生显著防雹效果的作业指标值域,探究催化防雹作业指标的最佳组合方案。结果表明：（1）减雹效果显著的催化方式、区域、剂量非固定单一指标,而催化在雹云初期内越早越好;催化防雹的显著效果取决于适合冰雹个体的各催化作业指标的优化组合。在雹云形成最早期,使用合理值域内的最大剂量对过冷水含量中心进行垂直催化,可使减雹效果最显著。（2）催化防雹后降雹量的减少转化为降雨量的增加,总降水量随之增加。（3）霰转化成冻滴、雹粒撞冻过冷云水增长二者的减少是冰雹时空积分总量减少的重要因素。（4）试验获得的8种减雹效果显著方案,其冰雹含水量极大值较未催化方案均减少80%;催化防雹对冰雹含水量极大值的分布位置影响很小。

     

一次高原强降水过程及其云物理结构的数值模拟

本文利用中尺度WRF数值模式,对2010年8月7—8日发生在青藏高原东部一次强降水过程进行数值模拟,利用常规观测资料、FY卫星云图和数值模拟结果对此次强降水过程的宏微观演变特征和降水机制进行分析。本次模拟选用Milbrandt-Yau(MY)微物理方案,有较为完整的双参数计算过程,较为全面地考虑了各类云物理过程,对云微物理结构的描述和处理精细而复杂。结果表明,此次强对流降水发生在副热带高压与南亚高压相连、中高纬短波槽分裂南下、并与西南暖湿气流相遇形成低涡切变线的有利天气形势下,西南暖湿气流带来大量水汽、降水区存在大量不稳定能量、以及低层辐合高层辐散的高低空配置为暴雨发生发展提供了必要条件。WRF模式较好地模拟出了此次强降水过程的降水落区、降水中心和降水量级,对青海平安和甘南上空云团合并过程、强对流云团范围也模拟较好。对云微物理结构的分析结果表明,此次对流云降水为冷云降水,暖层浅薄,冰相粒子丰富,其中霰粒对过冷水的碰冻能力最强,使得其含量远大于冰雪晶含量,其融化是雨水的主要来源。雪晶含量最少,或与其碰冻过冷水能力较弱有关。     

春季冷锋天气过程层状云微物理结构个例分析

利用PMS云粒子测量系统和GPS定位系统探测了2002年4月28日一次冷锋天气过程。用取得的资料分析了此次过程云滴、冰晶等云微物理量的水平、垂直分布,以及谱的特征,确定出最佳谱模拟参数,揭示了其中发生的微物理过程。从微观角度说明了甘肃春季冷锋天气过程层状云的一些特点。并讨论了云系的增雨潜力。     

贵州地区冰雹云微物理过程及发展机制数值模拟研究

为了进一步探究贵州地区冰雹云的形成、发展机制和冰雹增长的微物理转化条件,运用三维冰雹云模式对该地区2012—2015年12个冰雹个例进行数值模拟研究,结果发现:各种水成物有利的空间分布是雹粒增长的物质基础,且上升气流与水汽相变之间存在一个正反馈效应,冰雹粒子主要以霰粒子为胚胎进行增长,增长方式以霰自动转化成雹为主。在再生冰雹云发展过程中,雹云首次发展过程结束时,高空仍维持4 km及以下很低的0℃层高度,是再生冰雹云发展的热力环境条件。降雹区地面气流辐散,导致两侧区域形成较强的气流辐合上升,是再生冰雹云发展的动力条件。气流在辐合的同时,又使原降雹区的水汽源源不断地向两侧气流辐合区汇合,是再生冰雹云发展的水汽来源。冰雹云中冰晶和霰粒子含量的迅速增加,为冰雹的再次增长提供了有利的微物理物质转化条件。     

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。