冰雹云中微物理过程研究

摘 要 利用三维冰雹云模式通过实例模拟研究了云中冰相物理过程，结果表明、云中粒子产生有一源地，在雹云发展阶段早期，霰、冻滴、雹和雨水的极大产生率都位于6.0km高度附近，这里是雹胚及冰雹形成的源区，从“利益竞争”概念出发，人工防雹的催化部位应在此高度附近；粒子产生高度与其源项发生高度及主要增长方式有关，粒子产生和增长过程在云的发展不同阶段也是不同的。在冰雹形成过程中，作为雹胚的霰和冻滴主要通过撞冻过冷水增长。撞冻增长占增长量的大部分，云中存在丰富的过冷水对冰雹胚胎和冰雹形成，增长都是十分重要的。在“冰晶-过冷水-雹胚-冰雹”这一链环中，没有过冷水参与很难形成强烈降雹。通过两例雹云的对比研究，发现若雹云云底温度降低和湿度增大，由于霰撞冻过冷水尤其是撞冻过冷云水增长量大幅度提高，霰的尺度加大，提高向冰雹的转化率，使霰胚数量大大增加。

“催化-供给”云降水形成机理的数值模拟研究

利用含有详细微物理过程的一维层状云模式模拟,研究了2002年4月5日冷锋降水性层状云云系中“催化供给”云的微物理结构、降水粒子形成的环节和微物理过程,并从降水形成的环节和云的结构分析人工增雨的条件。结果说明,“催化供给”云具有显著的分层结构:云内高层是冰晶,下层是雪,接下来是霰和过冷云水组成的冰水混合层,最下方是云中暖区的液水层。作为催化云层的冰水层对降水的贡献约25.5%,冰水混合层为31.3%,液水层为43.1%,亦即供给云对降水的贡献约74.4%。具有“催化供给”云结构的层状云降水形成的主要环节是:冰晶通过凝华增长转化成雪,雪撞冻过冷云水、收集冰晶和凝华增长转化形成霰,霰靠撞冻过程、收集雪过程长大,从而形成可以降落到云的暖区融化形成雨水的粒子,它对降水的贡献较大。凝华和撞冻增长过程是冰粒子增长的主要物理过程,也是雨水产生的重要过程。“催化供给”云体系是重要的人工增雨条件,云中水汽对雨水形成的贡献与过冷云水几乎相当,与过冷云水一样,水汽也是人工增雨的重要条件。

一次锋面层状云云系结构、降水机制及人工增雨条件研究

利用观测资料、中尺度模式MM5和一维层状云模式,分析和研究了典型层状云系的"催化-供给"云结构及其分布、降水形成微物理机制;通过分析云的结构、降水机制和水分转化研究了人工增雨条件。结果表明,云系的不同部位,其垂直结构也不同,云系中有3个不同高度的含水量中心:高层冰云由冰晶和雪组成,含水量中心在300hPa高度;中层云为冰水混合层,云含水量中心在600～650hPa之间;低层云在800～900hPa之间,完全由液态水组成。这些含水量中心的高度大体上与凝结率极大值的高度对应。在锋面云系的不同部位,三层云有不同的组合。多层云是云系的主要宏观结构特征,说明"催化-供给"云体系是冷锋降水云系的主要降水机制。锋面云系中"催化-供给"云的水分转化分析表明,有29%的云水转化成降水粒子,冰粒子的撞冻增长是云水转化成降水的主要过程。约有49%的冰晶转化成雪,约有92%的雪融化成霰,约有96%的霰融化成雨水,占形成雨水总量的57%。锋面云系的部位不同,降水形成的机理也不同。远离锋区的锋后部位降水几乎完全由冷云过程形成,冰粒子主要通过凝华方式增长,撞冻增长过程很弱,降水完全由冰粒子融化形成。与锋区相比,锋前区暖云过程对雨水的贡献较大,60%的雨水是由暖云过程产生的;而锋区附近冷云过程对雨水的形成贡献较大。在云结构和降水机制研究基础上分析了云的人工增雨条件,可以用云体"催化-供给"云结构、降水机制、过冷水含量、冰晶浓度和云的暖区含水量以及冰面过饱和水汽量判断人工增雨催化条件。

云降水物理和人工影响天气研究进展和思考

云降水物理和人工影响天气密不可分,云降水物理为人工影响天气提供理论基础,人工影响天气是云降水物理一个重要应用领域。目前我国人工影响天气规模、经费投入已达世界之最,人工影响天气工程正在建设之中。论文简要回顾了我国云物理研究和人工影响天气的发展过程,评述研究工作取得的进展,思考我国人工影响天气在新形势下进一步的发展的问题,显得尤为重要。几十年来,我国开展了一系列云雾降水的外场观测研究和人工影响天气的外场试验研究,云和降水物理以及人工影响天气的理论和技术研究不断取得进展,数值云模式和中尺度模式的模拟研究水平有了长足的进步,在云和降水物理过程和降水机制研究、云的微物理结构、云水资源和人工增雨潜力评估、催化条件预测、催化剂和催化技术等方面取得了显著进展。论文最后指出,目前的人工影响天气需要加强人工影响天气核心技术研究,并提出了需要进一步研究的云和降水物理中的有关科学问题。

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。

西太平洋热带海域秋冬积云对流输送的初步研究

本文建立以考虑云侧边夹卷效应和微物理过程的一维半暖积云模式为基础的积云输送模式,并利用此模式和实测雷达资料,导出了计算西太平洋热带海域积云群体输送公式,对此进行了实际计算,还讨论了积云群体输送对大气状态的影响。

冰雹形成机制和催化防雹机制研究

利用文献［１］发展的三维弹性冰雹云催化模式模拟研究了１９９７年７月８日陕西省旬邑防雹试验区出现的一块冰雹云，分析其冰雹形成的物理机制，对雹云做了高度催化试验，研究了催化防雹机制。结果表明，９７％的雹块是以冻滴为核心增长的，在云中冰雹还未形成前，于强上升气流区的适当高度催化效果较好，而在上升气流极值高度，亦是高含水量区催化效果最好。催化使霰和冻滴的浓度增加，粒子质量减小，向雹的转化比例大为降低，因此雹块的质量和浓度都减小，达到了防雹的目的。

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。

积层混合云数值模拟研究（Ⅱ）──云相互作用及暴雨产生机制

用文（Ⅰ）积层混合云数值模式及暴雨云的平均大气层结模拟研究了暴雨积层混合云的演变过程、两种云的相互作用、云体结构及降水特征，并分析了暴雨产生的物理原因。结果表明，在积层混合云中，当对流发展时其周围层状云减弱甚至消散，层状云的降水强度随着离开对流云距离增大而增大。数值试验说明：层状云给积云提供良好的发展条件，饱和的环境及伴随层状云的辐合场使对流云具有长生命期、产生持续性的高强度降水和间歇性的特高强度降水；积层混合云是一非常有效的降水系统，这些及冰相微物理过程是暴雨产生的主要物理原因。

层状云系人工增雨潜力评估研究

层状云系是中国人工增雨催化作业的主要对象。云系人工增雨潜力的大小是判断是否作业的最为重要的科学依据。但是,目前中国还没有一套比较完整的综合判断云系人工增雨潜力的评估方法。自然降水形成过程是个复杂的科学问题,因此判断人工增雨潜力也是一个非常复杂的科学问题。作者利用中尺度MM5数值模式模拟的层状云系研究与人工增雨潜力有关的要素,从理论上研究了不同要素与降水的关系。在分析云体的垂直结构、降水机制、水汽厚度、冰面过饱和水汽量、云水厚度、过冷水含量、冰晶浓度、降水效率(凝结水降水效率和凝华水降水效率)等潜力要素基础上,获得了新的潜力要素,例如“催化供给”云结构、降水机制、冰面过饱和水汽量,并提出了定性综合判断云系人工增雨潜力思路。

层状云结构和降水机制研究及人工增雨问题讨论

总结了层状云及其降水物理研究的部分成果。在此基础上,讨论了层状云人工增雨的几个问题,提出用常规观测资料判断人工增雨条件的方法。具体结果如下:层状云结构是不均匀的。层状云系在垂直方向上具有分层结构。"催化—供给"云是降水性层状云的典型结构,"催化—供给"云相互作用是导致降水的主要过程。按微观结构可以将降水性层状云分成3层:冰相层、冰水混合层和液水层。冰相层是催化云,冰水混合层和液水层是供给云。层状云降水过程研究表明,对应于层状云或"催化—供给"云的3层宏观结构,发生着不同的微物理过程,粒子形成和增长过程也不同。冰相层的冰晶和雪,凝华是其主要增长方式,其次是雪与冰晶的聚合过程;雪(或聚合体)落入冰水混合层后,继续通过凝华增长或贝吉龙过程增长,同时撞冻过冷云水增长,有部分冰雪晶通过撞冻增长而转化成霰。在液水层,雪(或聚合体)霰开始融化,同时收集云暖区云水增长。冰相粒子的撞冻增长过程和凝华增长过程相比同样重要。层状云各层对降水的贡献不同。一般而言,对于"催化—供给"云,催化云对降水的贡献低于30%,供给云在70%以上。在以上研究的基础上,讨论了层状云人工增雨的问题。(1)"催化—供给"云结构有利于云水转化成降水,只有冰相层、冰水混合成和液水层相互"配合",才能形成有效降水。可以将"催化—供给"云作为层状云人工增雨催化的结构条件。(2)要选择降水形成以冷云过程为主的层状云催化,冰面饱和水汽量和过冷水含量要大些。(3)层状云人工增雨原理应该补充。降水形成不但经历贝吉龙-芬德森过程,冰水混合层的聚合和撞冻增长也是十分重要的过程。过冷水对于降水的形成非常重要,但冰面饱和水汽量对降水的形成也同样重要。最后,结合层状云的研究成果,提出用常规探测资料判别层状云人工增雨催化条件的方法:利用卫星云图和雷达回波判别"催化—供给"云的结构,用雷达RHI回波(在距离高度显示器上的回波)判别降水机制和液水层。

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。

旬邑地区冰雹云的早期识别及数值模拟

分析了１９９７年到１９９９年在陕西省旬邑防雹实验区用３ ｃｍ雷达观测到的１４６块雷暴和雹暴云回波资料， 结果表明， 冰雹云和雷雨云的雷达回波特征有明显的差别。冰雹云初期回波和强回波都生成于５．０ ｋｍ（０～－５℃）左右高度， 然后向上伸展或向上向下同时伸展， 以４５ ｄＢｚ回波顶高≥７．０ ｋｍ， 顶温＜－１４℃。雷雨云初期回波和强回波出现高度比较低， 强回波生成后向下伸展； ４５ ｄＢｚ回波顶高＜７．０ ｋｍ， 顶温高于－１４℃。以４５ ｄＢｚ回波顶高≥７．０ ｋｍ， 或以４５ ｄＢｚ回波顶温度低于－１４℃， 作为识别冰雹云的指标， 再根据强回波生长情况， 可提前５～１０ ｍｉｎ识别出冰雹云， １９９９年现场识别准确率为８６％。三维冰雹云模式计算结果表明， 云的强回波顶高和强度出现剧烈增长是云内冰雹生成引起的， 这也和雷达观测到的冰雹云降雹的先兆特征“跃增增长”现象一致， 而雷雨云的这些特征不明显。

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＜５ ｍｍ）、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。

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 1 998年 7月 2 1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。

近年来云降水物理和人工影响天气研究进展

回顾和总结了中国科学院大气物理研究所近5年(2003～2007年)的云降水物理和人工影响天气研究,内容涉及云和降水物理研究、云和降水数值模拟研究、人工影响天气研究和云化学研究等诸多领域。随着国家和社会对人工影响天气需求的日益增加,云降水物理仍是重要的研究方向,会随着观测和理论研究的发展而取得突破性进展。

人工防雹实用催化方法数值研究

目前 ,我国普遍采用高炮和火箭两种催化工具进行人工防雹 ,但就如何提高这两种作业工具的有效性还缺乏系统的研究。作者利用三维冰雹云数值催化模式 ,选取 1 999年 7月 1 8日陕西省旬邑地区的冰雹云作为试验个例 ,分别就高炮催化不同的作业时间、催化剂量、作业部位、催化方式等 ,以及对火箭催化所携带的高效AgI焰剂的成核率与火箭在作业过程中以不同的发射距离、发射仰角和当火箭方位角发生偏离后对地面防雹效果的影响进行数值模拟 ,以期为提高防雹效果提供一些技术参考。

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 1 999年 7月 1 7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 1 997～ 1 999年 1 4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 6min ,厚度 4km左右。

半个世纪的云雾、降水和人工影响天气研究进展

回顾和总结了中国科学院大气物理研究所半个世纪的云雾、降水和人工影响天气研究的进展,内容涉及云和降水物理研究、雷暴探测和雷电物理研究、云动力学研究、云和降水的数值模拟研究、人工影响天气研究、云化学和酸雨的研究等诸多领域,论述了各研究领域问题的提出、创新思路、研究方法以及研究结果。