一个简化的混合相云降水显式方案

该文提出一个新的混合相云降水显式方案，它预报２个云物理量，即云水（冷区为过冷云水）和降水（冷区为冰雪，暖区为雨），考虑了７种云物理过程．文中给出了详细的方程组，可以作为一个子程序供大、中尺度天气模式使用．该方案还与详细微物理显式方案和暖云方案作了实例模拟比较．

人工影响天气工程系统

文章介绍了人工影响天气 (人工增雨、防雹、消雾等 )的基本科学原理、国内外的发展历史、现状、科技水平、效益以及国内的需求、组织、规模等概况。描述了我国典型的人工影响天气工程系统及其各组成部分 ,即天气云况监测预测、催化技术、数值模拟、通信指挥和效果评估等分系统。强调了科研支持系统的重要性 ,提出了当前有关应用基础和技术开发的主要研究课题 。

层状云人工增雨机制、条件和方法的探讨

该文提出了新的层状云人工增雨机制 ,指出人工冰晶除通过贝吉隆过程使过冷云水转化为降水外 ,还使一部分冰面过饱和水汽转化为降水 ,凝华潜热的释放导致空气增温和局部升速加大 ,促进云降水的发展。与此相应提出了适合人工增雨的云层条件、监测识别方法以及最佳催化部位、药剂、剂量等。

静力平衡模式在中尺度大气模拟中的适用性问题

静力平衡模式是目前数值天气预报的主要模式。近年来随着模式分辨率的提高，非静力平衡模式在中国的研制和ＭＭ５等模式的引进，从理论研究和应用的角度看，有必要对这两种模式在中尺度大气模拟中的适用性问题作细致的分析研究。本文从理论上分析了静力平衡假定下重力波频率模拟的误差，指出其相对误差随Δｘ增大成平方的减少。当Δｘ≥２０ｋｍ时，相对误差小于４％，当Δｘ≤１０ｋｍ时，相对误差可能大于１６％。和一般顾名思义的概念不同，静力模式计算的重力波频率被夸大，计算的垂直加速度也由于略去惯性项而夸大。推导的准静力平衡模式，对静力平衡模式作了惯性项订正，个例试验也肯定了上述结果。

关于半拉格朗日半隐式大气模式的时步问题

讨论半拉格朗日半隐式大气模式中时步的限制,展示时步过大时用一般的首尾两点平均方案计算非线性源汇项的严重误差,提出精确的源汇项计算格式并作了特例计算和比较,讨论了被模拟的大气过程和波动的特征对时步的要求,指出柯朗数NC=C.Δt/ΔX是大气模式时空步长匹配的重要参数。指出云降水和大气化学过程特征时间对相应的正定变量的计算时步的限制。

云中绝热温度递减率同微结构的关系

1.湿绝热温度递减率的物理假定 云中绝热温度递减率(Γ_a)过去都用湿绝热递减率(Γ_w)来近似。它的基本假定认为云中水汽在垂直运动时的凝结(包括蒸发)过程是瞬时完成的,水汽在凝结时的过饱和度(包括欠饱和度)较小,可以略去不计,即水汽比温(Q_v)和饱和比湿(Q_s)相等。在冰晶云中也和水滴云相似,只是Q_s值分别为冰晶饱和值和水面饱和值。根据上述假定在同环境没有热量、水分交换的条件下可以写出云中气块在上升或下沉(含有云粒的气块)的温度(T)比湿(Q_s)的方程组:

CAMS云分辨模式系列的研制和应用

该项目的目标是研制三维、复杂云物理的层状云模式，用于人工增雨和降水预报；研制三维、复杂云物理和地形的对流云模式，用于强对流预报和人工增雨防雹；研制中小尺度云分辨模式，用于研究α、β、γ中尺度云群的宏微观结构和演变规律；研制云辐射模式，研究辐射对云和降水的影响。该项目4次得到自然科学基金的支持，1999—2003年得到国家973项目“新一代数值预报模式的理论和方法研究”课题的支持。由中国气象科学研究院胡志晋、周秀骥、楼小凤、刘奇俊和北京大学赵春生以及秦瑜、刘玉宝、刘公波、何观芳等同志在15年内完成。

中尺度模式云降水物理方案介绍

介绍大气模式中湿过程的饱和凝结、对流参数化和显式云物理三种方法的适用条件和特点。中尺度大气模式的对流参数化和显式过程一般有多种方案 ,介绍了多种方案的主要处理方法、基本微物理过程、预报量和主要特点。对流云模式都采用显式过程 ,但不同模式的湿过程有一定的差别 ,有各自的微物理特点 ,对有代表性的云物理方案进行了叙述和分析。

华南冷锋云系的中尺度和微物理特征模拟分析

利用中国气象科学研究院（CAMS）中尺度云分辨模式,结合实测地面雨量、卫星和雷达资料,对发生在2004年3月31日-4月1日的华南春季冷锋降水过程进行模拟分析。模拟云带的出现时间、位置、形状与走向以及随时间的演变均与卫星观测一致。模拟的雷达回波分布同实测一致,回波主要出现在地面锋线以及锋后冷空气一侧,呈西南东北带状分布,锋面云系的不同部位回波单体的差异很大。模拟的主要降水时段内的地面雨量分布范围以及大小同实测接近,中尺度雨带呈西南东北带状结构,随着冷锋的移动逐渐向东南方向移动。在中尺度雨带上有4个生命史超过3小时的强降水中心,强降水中心基本都是向东略偏南的方向移动,与回波单体的移动方向一致。锋面云系的垂直运动深厚,且基本与云区对应,云系产生在低层辐合、正涡度,高层辐散和高相当位温的区域。地面锋线附近的上升速度大,云水含量高,冰相粒子的淞附和雨滴碰并云滴是云中的主要微物理过程,暖雨过程和冷雨过程都重要;而在高空锋区宽雨带部分低层为下沉气流,上升气流只出现在高层,主要是过冷云水、霰和雪晶组成的混合云,雪晶是霰增长的主要源项,降水主要由霰的融化产生,冷云降水过程比较重要。

层状冷云人工增雨可播性实时识别技术研究

该文综合分析了 4次层状冷云人工增雨过程的雷达回波、粒子测量系统 (PMS)探测资料 ,以及GPS定位资料 ,提出应以PMS的FSSP 1 0 0探头探测的云中粒子浓度以及 2D C探头探测的云中大粒子浓度作为判别云中可播性的主要技术参量 ,并发展了层状冷云飞机人工增雨实时监测指挥技术。FSSP 1 0 0探测的粒子浓度不小于 2 0 /cm3的云区才具有一定的可播性。其中 2D C探测的大粒子浓度小于 2 0 /L时 ,可确定为强可播区 ,否则为可播区。

梅雨期暴雨个例模拟及其中小尺度结构特征分析研究

利用中尺度数值模式MM5和多普勒雷达观测资料，对2002年7月22-23日发生在长江中游一次梅雨暴雨过程进行模拟和分析。模拟结果与观测资料相比基本吻合。主要研究内容包括暴雨过程α中尺度到γ中尺度的回波结构以及动力特征和云降水粒子的分布。研究结果表明：在长江中游地区存在一条东北西南走向低空切变线，切变线北侧偏东气流中回波较弱，而南侧西南气流中不断出现强对流云团发生发展、合并分裂现象，形成沿着切变线分布的α中尺度对流带。对流带中有多个东北西南向的β中尺度波列，这些波列由从西南向东北方向移动的γ中尺度回波所构成。新回波大多产生在老回波的后部。γ中尺度回波具有相应尺度的气流辐合辐散结构。各种云降水粒子与动力场相互配合，上升运动位置和强弱决定云水的位置和强弱。云发展初期降雨首先产生于低层，以暖雨过程为主，成熟期云中冰相粒子对降水非常重要。强回波区的降水会在近地面产生出流。在西南气流中，远离切变线的回波移速大于靠近切变线的回波，容易产生回波合并；强回波由于降水而产生下沉和辐散气流，易导致回波分裂。

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 (2 0 0 0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 1 1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 1 996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 。

华南冷锋云系的人工引晶催化数值试验

在对华南2004年3月31日～4月1日的冷锋降水天气过程进行正确模拟的基础上,通过向云中引入人工冰晶研究了催化效应,结果表明：催化使地面雨量在催化后30 min开始增加,80 min时达到峰值,120 min时减小到最小值。被催化的云团随着自然雨带逐渐向东南方向移动,并且催化云影响其周围的云团,造成了催化的下风方域外效应,使催化效果可以延长到催化后10个小时,随着自然云的消散而结束。人工冰晶的引入,使得大量过冷雨滴快速转变为霰粒,霰粒通过淞附云水和碰并雨滴过程增长,使降水提前发展,之后霰粒的融化使地面雨量增加。大量冻结潜热的释放,使云中温度增加,上升速度增强,说明“静力催化作用”和“动力催化作用”是相互关联不可割裂的。在云体发展早期冷云降水过程还没有启动之前引入人工冰晶的催化效果优于云体发展接近成熟时的催化效果,而只由催化剂量的不同造成的增雨差异较小。

HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云的模拟(I)云降水显式方案

将三套显式云降水方案移植、耦合到国家气象中心业务有限区数值预报模式HLAFS中 ,显式云降水方案包括双参数暖云方案、简化混合相云方案和双参数混合相云方案 ,明显地改进了原模式预报系统的湿物理过程 ,特别是对云降水过程的模拟能力。详细介绍了这三套云降水方案的物理过程 。

黄河上游玛曲地区雨滴谱特征的观测研究

为了解决近年来黄河流域水资源短缺的现象,2000年由青海省气象局组织及多个单位合作,在黄河上游进行了人工增雨试验。通过对玛曲地区雨滴谱的分析,推测玛曲当地的雨滴较大,这对在当地实施人工增雨提供了观测依据。另外,通过分析得到当地积云降水的雷达反射率因子和雨强的相关关系式,该公式可以作为利用雷达定量测量高原地区降水的参考。分析发现,虽然高原地区冷雨过程是主要的降水机制,但是暖雨过程仍然对降水有贡献。通过对雨滴谱资料的分析,可以促进对高原地区云物理特征的了解。

碘化银核化过程的数值模拟研究

根据DeMott等给出的不同成核机制下AgI成核效率的实验结果 ,通过数值模拟的方法 ,研究了AgI粒子在云室、层状云和对流云中的核化过程。通过对云室的模拟 ,发现云滴浓度和云雾持续时间是造成不同云室检测的AgI成核率相差悬殊的主要原因。数值试验结果表明AgI的成核方式在层状云和对流云中有很大不同 :层状云中AgI主要以接触冻结、浸没冻结等慢核化过程为主 ,而对流云中则以凝结冻结过程为主。

雷达反射率因子在中尺度云分辨模式初始化中的应用Ⅰ:云微物理量和垂直速度的反演

对于水平网格距小于10 km的高分辨率非静力平衡的显式云分辨模式,云微物理量的初始化以及物理量之间的相互协调是十分重要的,并且一直是云分析领域的一个难题。考虑在云雨处于定常状态的前提下,根据暖云过程,可得到云中水成物之间相互转化以及与垂直速度的约束关系,而雨水含量跟雷达反射率因子(Z)有关。因此,采用合肥新一代天气雷达2003年7月5日02时(北京时)的观测资料,针对雷达探测的特点对雷达原始数据进行了坐标转换,并进行了插值处理和简单的质量控制,然后依据Z-qr关系和定常暖云方案,反演了雨水混合比(qr)、云水混合比(qc)、水汽混合比(qv)和垂直速度(w)。结果表明,由此得到的雷达回波主要特征及量值分布与雷达站的CAPPI图像基本一致;水汽、云水、雨水和垂直速度量值大小的分布与雷达回波强度的分布也是吻合的,体现出了云中水成物和垂直速度的三维分布结构;各物理量的量值也符合梅雨锋暴雨的特点,梅雨锋积层混合云系中层状云和对流云的差别十分明显。在较强的回波区,雨水在6 km以下含量较大,最大值位于4 km左右,可超过3.0 g/kg;上升速度在5 km左右最大,最大值超过5 m/s;云水含量大值区位于5 km以上,在7 km高度上达到最大,超过3.0 g/kg;雨滴末速度虽然上下比较一致,一般几米每秒,但在5 km左右为大值区。

一次山地浓雾的三维数值研究

利用非静力平衡中尺度数值模式MM5v3对发生在2001年3月7～8日的南岭山地浓雾进行数值研究,结合外场综合观测资料,分析浓雾的发生、发展和消散机制。结果表明,在大范围的主体层状云系到来之前,低层的偏南暖湿气流沿山坡爬升冷却凝结形成爬坡雾,提早了地面浓雾出现的时间;大范围层状云系在山头接地形成了地面的浓雾。随后锋面逆温促进了低云和浓雾的长期维持与发展。模拟雾的强度、出现时间、含水量和温度、湿度随时间的演变与实测基本吻合。表明了中尺度模式预报山地浓雾的潜在能力。

雷达反射率因子在中尺度云分辨模式初始化中的应用Ⅱ:数值模拟试验

将反演的云微物理量和垂直速度采用"牛顿连续松弛逼近"(Nudging)技术应用到GRAPES模式中,对一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。通过设计不同的试验方案,分别对水汽、液态水和垂直速度对Nudging效果以及预报结果的影响进行了考察。研究发现,采用Nudging初始化方法,可使背景场与观测反演资料相协调,实现了模式中对流的热启动,模式预报的开始时刻就产生降水,缩短Spin-up时间。水汽对降水至关重要,对降水的强度和持续时间都有重要影响;云水、雨水和垂直速度决定了初始时刻对流的强弱分布并产生降水;水平风场决定了系统的移动方向,对预报降水的落区有重要影响。模式比较成功地模拟了6 h的降水过程,中尺度天气系统的时空特征比较明显,对流中心上升速度最大值约2.0 m/s,云水含量400 hPa以上较大,最大值约1.5 g/kg,雨水含量500 hPa以下较大,最大约3.0 g/kg,底层辐合高层辐散。反演资料对降水的影响随预报时间的增加而减弱,预报1 h之内反演资料有明显影响,3 h之后的预报则主要依赖模式自身。鉴于仅使用一部雷达资料的反射率因子资料,雷达资料没有覆盖整个模式区域,天气系统被截断,反演和同化过程还采用了一些经验参数方法等原因,数值模拟结果与雷达观测之间还存在一定的差异,有待于更深入的研究。

CAMS复杂云微物理方案与GRAPES模式耦合的数值试验

CAMS复杂云微物理方案是混合相双参数方案,包括11个云物理变量和31个云物理过程,能够同时预报水成物的比质量和数浓度。通过在GRAPES非静力中尺度模式中增加预报量并修改相关程序后,实现了二者的耦合,耦合后模式运行稳定。选取2005年8月15—17日我国华北地区一次暴雨过程,利用耦合后的模式进行48h模拟试验,同时还选取了GRAPES模式中其他3个比较复杂的微物理方案进行模拟,着重分析了降水和水成物分布的模拟结果。研究结果表明:CAMS方案能够模拟出与实测相接近的雨带分布特征,并且对降水演变的模拟结果与其他方案比较一致,对暴雨中心位置的模拟有待改进。CAMS方案模拟的水成物垂直分布与其他方案相比具有相似的总体特征,各相态粒子的量级和分布合理,不同方案的结果在量值上有所差别。个例分析结果显示出CAMS方案对降水和水成物的分布能够合理描述。今后应通过更多个例进行更为精细的模拟试验,对新方案进行检验。