云物理学专业课程思政工作探索与实践

在提高专业课教学质量的同时,怎样通过课程思政,实现立德树人的根本教育目标,是目前国内各高校专业课面临的重要课题。云物理学作为大气科学专业最为重要的分支学科之一,不仅培养学生从云微观物理的角度分析和解决实际生活中可能遇到的云降水相关的天气和防灾减灾等问题,也着重锤炼和发展学生的哲学思辨、科学素养和创新精神。该文从兰州大学大气科学学院云物理学课程的教学实践和问题出发,结合本专业特色和当代大学生现状,以国家需求和实践创新为切入点,深挖该课程中众多思政元素,优化思政内容融入方式;顺应后疫情时代,转变教学模式;注重思政教学效果评估,强调过程性评价考核,最终确保“全员全程全方位育人”的教学效果。

基于风云静止卫星的飞机增雨云物理响应

利用2016—2019年9次飞机增雨作业资料及FY-2E/2G/4A气象静止卫星反演产品,采用HYSPLIT模式确定增雨影响区的方法、卫星反演产品及雷达产品分析方法,分析增雨催化后卫星反演云物理参数的响应,获取增雨催化后云物理特征及演变规律,提高气象卫星在人工增雨效果检验与评估方面的综合应用能力及效益。结果表明:对于研究中的多数增雨作业,自然变异和人工催化双重因素共同影响下的4项云物理参数在催化结束后2~3 h达到最大变化。对于9次飞机增雨作业,云顶温度、云粒子有效半径、光学厚度、液水路径、小时降水量在催化结束后3 h的平均变化值分别达到-1.44~2.09℃、-3.73~3.84μm、-5.47~3.62、-112.59~61.12 mm、-0.06~0.27 mm,半数以上作业云顶温度、小时降水量增加,半数以上作业云粒子有效半径、光学厚度、液水路径减小,个别作业降水量减少。对于不同云体,当液水分布和云系结构存在很大差异且不均匀时,增雨催化后产生的云物理变化、降水变化均存在显著差异。对于自然变异和人工催化共同影响引起的降水变化,目前难以科学完整地剔除二者分别对降水变化的影响。

一次冰雹过程及雹云物理结构的数值模拟研究

利用常规高空、地面观测资料和多普勒雷达资料,采用中尺度数值模式(WRF),对发生在浙江省的一次冰雹天气过程进行了综合分析和数值模拟,从气流、温度结构以及雹云中的各类微观物理量的时空变化分析了此次冰雹过程的宏微观演变特征及形成机制。结果表明,该次强对流天气是在大尺度动力不稳定、热力不稳定的环境场和上干下湿的不稳定层结下发生发展的,边界层中尺度辐合线作为抬升触发机制释放不稳定能量。模式模拟得到的地面累积降水和雷达反射率因子与实况基本符合;模拟的水汽辐合区、能量锋区以及雷达反射率因子高值区接近辐合线。模拟的雹云属多单体风暴,具有明显的合并发展特征;霰(雹胚)通过雪晶的碰冻过程及过冷雨滴冻结产生,后碰并增长转化形成冰雹,冰雹通过碰冻过冷水滴和碰撞收集冰雪晶快速增长,最终降落至地面。其中,雹云内的过冷雨水累积带对霰及雹的产生及增长至关重要。

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。

2008年初南方冻雨云物理过程的模拟研究

利用中尺度模式MM5V3.7,模拟了2008年初发生在我国南方地区最强的一次冻雨云物理过程。结果表明,这次冻雨过程期间有两条明显的水汽通道,上升运动明显。冻雨区上空主要以低空云水和雨水,特别是云水的积聚为主,中高空有少量雪花和微量的冰晶。与冻雨区相比,非冻雨区过冷却水含量大,主要位于低空,高空没有霰,雪花也明显偏少。这主要是因为冻雨区的上升气流弱,高空水汽不饱和。在降雨区,靠近0℃线以上为冰相降水,以下为雨水。在冻雨区,冰相粒子没有落在0℃线附近,雨水顶也不在0℃线附近,这次冻雨的云物理过程属于液相暖雨机制。造成此次巨大灾害的原因除了冻雨外,还有雾凇和水汽的凝华附凇作用,正是由于雨凇和雾凇复合积冰的共同作用,导致了这次冻雨过程的冻雨量不大,但灾情却异常严重。

飞机探测云物理数据集的建立和应用

通过收集大量历史和现今的飞机探测云物理资料,对所获取的资料进行必要的质量控制和检验,并进行统一整理、加工、规范和信息化处理,形成了具有规范格式和详细说明文档的"飞机探测云物理数据集"产品。该数据集产品具有分类查询、数据导出、格式说明等功能.可以按照时间属性、地理空间属性、数据种类等不同属性对该数据集中的各类数据进行多元化使用。借助于"气象科研数据共享平台","飞机探测云物理数据集"产品已在一定范围内得到广泛应用。在此应用基础上,包括国家科技攻关项目在内的许多科研或业务项目已经取得了众多可喜的成果。

2008年1月南方一次冰冻天气中冻雨区的层结和云物理特征

2008年1月中下旬,我国南方经历了四次历史罕见的冰冻雨雪天气。本文针对2008年1月25～29日的一次典型冻雨天气过程,在实测资料、NCEP再分析资料综合分析的基础上,利用中国气象科学研究院(CAMS)中尺度云分辨模式对1月28日～29日的冻雨天气过程进行了数值模拟,研究了冰冻天气形成的大气层结及云系冻雨区云的宏微观结构特征,初步分析了冻雨形成的云微物理过程及云物理成因。结果表明,深厚而稳定的逆温层和低空冷层的存在是大范围冻雨出现的直接原因。此次南方冰冻过程中,湖南和贵州两地冻雨形成的云物理机理不同,不同冻雨区上空为两种不同类型的云,对应两种不同的云微物理结构和大气层结结构。湖南冻雨区云层较厚,云顶温度较低,属于混合相云,云中高层存在丰富的冰相粒子(雪的比含水量最大)。湖南冻雨在"冷—暖—冷"层结下,通过"冰相融化过程"形成,即在锋面之上的对流层中层水汽辐合中心内形成的雪,从高空落入暖层,雪融化形成雨,再下落到冷层后,形成过冷雨滴,最后接触到温度低于0℃的物体或降落到地面上,迅速冻结形成冻雨。而贵州冻雨区云层较薄,云顶温度较高,属于暖云,中高层基本无冰相粒子,低层为云水和雨水(云水的比含水量最大)。贵州冻雨是在"暖—冷"层结下通过"过冷暖雨过程"形成的。即水汽沿锋面抬升,在对流层中低层的水汽辐合中心内,经过冷却凝结成云滴,通过碰并云滴增长的雨滴下落到低空冷层,形成的过冷却雨滴直接冻结形成冻雨。

四川盆地降水云系飞机云物理观测个例分析

利用2008年10月26日晚至27日凌晨成都上空连续两架次飞机穿云观测资料,分析了探测云系的云物理特征和降水机制,以期了解四川盆地降水形成的云物理过程。结果表明:探测云系为上冷下暖的混合云系,云系深厚,云顶温度在-10℃左右,0℃层较高。云系中暖层厚,约3200 m;过冷层较薄,约1800 m。在过冷层中,从云顶往下,大云粒子谱和降水粒子谱明显拓宽。在暖层中,降水粒子的浓度和尺度减小。冰晶和过冷水的存在使得冷云过程得以发动,配合暖层中的暖云过程,降水现象得以实现。而过冷水不够充沛,形成的降水粒子不多,同时暖层中液态水含量少,供水不充分,使得地面降水强度不大,形成了小雨。

2009年山东一次特殊雨雪天气的云物理特征分析

利用探空、CloudSat卫星、山东自动气象站及NCEP再分析资料,对2009年11月11-12日山东西部大暴雪过程的天气形势、云物理特征及动力场结构特征进行了分析。结果表明:(1)700hPa切变线和西南急流是造成暴雪的直接影响系统,中低层偏南风急流与冷空气交汇形成较强的动力辐合和水汽辐合,有利于天气系统的发展和增强。(2)暴雪区上空水平能量锋区明显,垂直方向上等θse线密集且随高度向北显著倾斜,为暴雪的产生提供了重要的热力条件。(3)强降雪发生前,低层冷空气的南侵触发了暴雪系统的发展;暴雪强盛期,高层气旋性环流促使暴雪区中高层西南暖湿气流输送加强;暴雪后期,冷空气加强并逐渐控制了中低层,切断了暖湿气流的供应,导致降雪逐渐停止。(4)上升气流有助于水汽的输送和云滴、冰晶、雪晶粒子之间的碰并、淞附,冰水含量大值区与上升速度大值区相一致,冰晶数浓度中心对应着上升运动顶部。高层冰晶下落过程中经过凝华、结淞及碰连增长在低层形成数浓度较低的大冰相粒子,为降水发展提供了有利条件。(5)结合CloudSat卫星资料、NCEP再分析资料及探空秒数据,分析了一定动力条件下暴雪云系的物理过程和垂直演变特征。

一次梅雨锋暴雨云物理特征的数值模拟研究

利用中尺度数值模式MM5(V3.6),选用模式中不同的显式云物理方案,对2003年7月4—5日发生在江淮流域的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,并根据模拟结果对造成此次暴雨过程的对流云团的微物理特征进行了分析。研究结果表明:(1)具有详细云物理过程的中尺度模式MM5对短时强降水过程具有较好的模拟能力,提高MM5模式的分辨率,可以更好地模拟短时梅雨锋暴雨过程,模式中的Goddard云物理方案的模拟结果要优于Reisner方案和Schultz方案。(2)梅雨锋对流云团是一种复杂的固、液、气三相混合体结构,在云体区域内的平均质量密度分布中,水汽的质量密度最大,其次是霰,而冰晶、雪、云水和雨水的质量密度较小且数值大小彼此接近,各种相态粒子质量密度峰值出现的高度随时间无明显变化。雨水、云冰和霰的质量密度随时间演变规律与地面降水强度的变化特征相一致,近地面层水汽密度随时间的演变规律比地面降水强度提前1—2个小时,水汽通量的辐合对暴雨时段内水汽的补充和维持起到了重要的作用。(3)除了最基本的云水向雨水转化的云微物理过程之外,此次降水过程还显示,在中层500—700hPa范围内雪、冰晶等冰相粒子首先转化为霰粒子,而霰和云水的结合进一步加速(剧)云水向雨水的转换,成为短时特大暴雨形成不可或缺的动力机制,云物理过程中的相变潜热与对流运动的正反馈机制是促进暴雨维持和发展的最重要热力因子。

南方不同类型冰冻天气的大气层结和云物理特征研究

利用观测资料和CAMS中尺度云分辨模式,对南方3次不同类型冻雨天气过程进行模拟,重点研究了冰冻天气中冻雨区云系宏、微观结构及大气层结特征,初步分析了冻雨形成的云物理机制。结果表明:(1)逆温层的存在是冻雨发生的必要条件,低层湿度较大的逆温常与冻雨天气有关。3次冻雨过程的冻雨区都存在逆温层,其中第一、二次过程属于锋面逆温,而第三次过程属于平流逆温。可见,逆温层结有利于冻雨的发生,但逆温层的存在仅是形成冻雨的条件之一。冻雨的发生还与水汽(湿度)、风向风速、地面特征有关。低层有水汽输入到冻雨区、地面温度等于或低于0℃,有利于冻雨形成和过冷雨水的冻结。(2)冻雨的形成需要满足3个主要条件:在对流层中高层存在冻结层,冻结层下要有暖层和逆温层,近地层有一个温度<0℃的冷却层,并且低层的冷却层相对湿度较高。中高层冻结层主要产生冰相降水粒子,中层的暖层可以确保上层降落下来的固态降水粒子(雪或霰)融化成雨滴或在融化层中直接产生液态降水。这样,雨滴下降到低空冷却层后会逐渐变成过冷雨滴,当过冷却雨滴接触到<0℃的地面或者其他物体表面时,迅速冻结形成冻雨。(3)不同冻雨区上空存在2种不同类型的云,对应云中有2种明显不同的温度层结:混合相云中的"冷-暖-冷"层结和水云中的"暖-冷"层结。具有2种不同层结特征的不同冻雨区云系,对应2种不同的微物理结构,具有2种不同的冻雨形成的云物理机制。(4)同一类型天气系统中的冻雨区,可以存在不同的温度层结、云的微物理结构和冻雨形成的机制;不同类型天气系统也可以存在特征相同的冻雨区,即冻雨形成的温度层结、云的微物理结构和冻雨形成的物理机制都相同。

星载毫米波测云雷达在研究冰雪天气形成的云物理机制方面的应用潜力

从2008年1月10日起,受强冷空气和暖湿气流共同影响,中国南方大部分地区遭遇1954年以来罕见的冰冻天气,此次天气过程持续时间长、冰冻范围广、受灾程度重。文中简要介绍了毫米波雷达的探测特点及衰减特性;重点利用CloudSat卫星上搭载的3 mm波长云廓线毫米波雷达(CPR)的探测结果分析了1月28日、2月10日南方冰雪天气形成的云物理机制,并且与C波段测雨雷达探测结果对比;结果表明:(1)毫米波雷达具有高空间分辨率,能够清楚地反映云的垂直和水平结构,且清晰地反映云中0℃层融化带的垂直特征。(2)1月28日湖南冻雨、2月10日贵州冻雨分别是"冰雪-雨-过冷雨"和"过冷云-过冷雨"两种典型的云物理机制,云内0℃层融化带的强度和厚度与近地面温度的高低是能否形成冻雨天气的关键因素。(3)毫米波雷达在冰冻天气研究中有很大的应用潜力;充分将毫米波雷达与天气测雨雷达以及其他遥感手段结合,可以取长补短、相得益彰。发展毫米波探测技术将对研究各种天气形成的微观物理机制、云物理的发展、气候变化的研究及人工影响天气等工作均有重要意义。

山西省2008—2010年64架次飞机云物理观测结果分析

利用山西省2008-2010年64架次云结构的飞机探测资料,结合地面观测和卫星数据统计分析了层状云系的宏微观特征.结果表明：降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,层状云要达到降水,云的厚度要达到近2000 m;粒子尺度分布云粒子有效半径要达到10～14 μm,降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0.03 g/m^3,中云含水量垂直方向上平均为0.05 g/m^3,;避光高层云-层积云、雨层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上500 m附近,其最大值分别为0.61,0.42 g/m^3;透光高层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上300 m附近,其值为0.28 g/m^3;云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20、30μm的粒子含水量较高,对云中液态水含量的贡献较大,降水粒子主要由20、30μm的粒子转化;降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显,也是分层的.高层主要是冰相粒子,是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在4个典型温度层的观测中,液态含水量、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同.

一次华北暴雨的云物理特征及霰雹分类对云和降水影响的数值研究

利用中尺度模式ARPS模拟了2005年7月22日一次典型华北暴雨过程的云物理特征,对比分析了高密度大冰雹下落末速度增大时对云和降水的发展演变、云系宏微观结构、垂直风场以及云系的宏观热力场的影响。结果表明,产生这次暴雨的中尺度对流系统经历了对流云团发展、加强及合并过程,其高层为冰晶、雪,中层为霰/雹、过冷云水,低层主要是雨水;霰/雹形成和融化的冷云过程对雨水的形成起重要作用。高密度大冰雹下落末速度增大时:(1)对暴雨区降水量、云的分布、厚度和含水量有较明显的影响;(2)可以引起云中高含水量区合并,累积含水量减小,含水量中心位置发生变化;(3)云系有提前进入消散阶段的趋势;(4)对云中霰/雹和雨滴的垂直分布范围及其含水量极大值影响显著,霰/雹含水量区向下延伸约1km,雨滴含水量最大值高度也随之降低。同时霰/雹含水量减小,而雨滴含水量增加;(5)上升气流的发展受到抑制,云顶高度降低,云中含水量减小,伴随微物理过程的相变潜热也随之减小。

北京一次短时局地大暴雨过程的特征及对云物理方案的敏感性数值模拟试验

云物理过程是云和降水形成的重要环节。本文针对2011年6月23日发生在北京地区的一次大暴雨过程进行了云降水与天气特征分析,并开展了WRF模式中10种不同云微物理方案对此次暴雨强度、落区和发生时间的敏感性数值模拟试验。研究结果表明,此次大暴雨是由多单体组织、合并形成深厚的中尺度对流系统,并具有明显的短时局地特征和有利的高低空、高低纬度大中尺度天气环流形势及强烈的水汽输送条件。暴雨强度、落区和发生时间的数值模拟结果对云物理方案非常敏感。不同云物理方案对累积降水量≥50 mm和≥100 mm的暴雨模拟的ETS评分显示,只有Thompson方案对此暴雨量级的评分均为正,其他方案的ETS评分均不理想,特别是对累积降水量≥100 mm的大暴雨模拟。在小时暴雨强度和发生时间方面,Thompson方案模拟效果也较好,其次是Lin方案和WSM6方案;对区域累积最大降水量和落区的模拟方面,Thompson方案和Morrison方案模拟的最大累积降水量更接近观测值,但在落区方面,一些具有完整云物理过程的单参数方案(Lin方案、WSM6方案)模拟效果较好,但模拟的最大降水量偏小。针对暖雨的双参数方案WDM6对区域平均降水模拟较好,但对暴雨极端降水模拟较差。对造成差异的原因分析表明,不同云物理方案的差异主要体现在雪和霰的参数化方面,由于采用的粒子谱分布、密度和末速度不同,导致云中粒子间的碰并和形成过程不同,大部分云物理方案模拟的霰含量高,雪含量低。这种云微物理过程的差异会导致云动力过程的反馈作用出现明显不同,但这种反馈作用的差异主要体现在降水粒子对上升气流的拖曳作用不同。尽管云中相变潜热过程对云动力过程具有很重要的影响,但不同云物理方案在相变潜热过程和温度廓线分布方面造成的差异并不明显。因此,云物理方案中考虑合理的粒子谱分布、形态和密度变化,有利于提高暴雨的模拟效果。

典型层状云系催化试验的云物理响应研究

利用2003年秋季延安地区一次典型层状云系加密探空和实时雷达观测资料,设计了催化和对比探测方案,计算得出催化影响区及下风方可能采集到响应值的区域。按照设计方案进行催化和探测。云物理响应观测结果表明:PNS粒子探测系统检测到催化后30min,小云滴减少;大冰晶的浓度增加;催化前冰晶以片状为主,催化后可看到有霰坯;催化前大雪晶浓度很小,雪晶之间没有攀附;催化后雪晶浓度增加,且大雪晶增加很多,可明显看到几个雪团攀附在一起形成的较大雪团;雷达观测到催化前拟播撒区内云的回波强度较弱、范围较小,催化后云体明显增大,强中心增加了5～10dBz;催化约1h后影响区雨量均有增加,说明催化引入的人工冰晶,使冰晶凝结比水滴凝结更有利于过冷云水转化为降水,冰晶效应和雪晶攀附过程是这次层状云系降水系统中的主要过程。过冷水冻结释放的潜热,导致云内升速加大,使催化区云和降水得到发展。

一次沙尘暴过程中沙尘气溶胶对云物理量和辐射强迫的影响

利用MODIS Aqua卫星反演和装载在Aqua上的CERES仪器观测资料，讨论了我国北方地区2004年3月26～28日沙尘暴过程中沙尘气溶胶对云物理特性和辐射强迫的影响。初步结果表明，沙尘气溶胶明显改变了云的物理特性，使云滴变小，含水量及光学厚度减少，减弱了云的净辐射强迫，云的冷却效应受到了抑制，相当于大气层顶沙尘气溶胶的增温作用。

石家庄地区一次西风槽系统下云物理特征的分析

河北省小麦主产区中南部地区春季最多的降雨系统为西风槽系统,为研究西风槽系统影响下的云物理结构特征,对石家庄地区2006年5月8—9日的一次西风槽过程进行了云物理特征分析。分析结果得到:该西风槽降水云层薄并夹有干层,观测所得的云中含水量最大为0.30g/m3,平均含水量较低;石家庄地区处于西风槽底部,不利于降水的形成;另外,由于云中含水量较低和干层的存在使云滴和雨滴的蒸发,导致石家庄市降水只为1mm。

从天气动力学角度看云物理过程在降水预报中的作用

文章讨论了深湿对流过程中的天气动力学过程(宏观过程)与云物理过程(微观过程)对云的形态特征、天气现象演变的影响和它们在降水过程中的作用,从天气动力学的角度阐述了雷暴移动发展过程,比较了不同性质云的降水量估算等基本问题。

显式云物理方案的研究进展

回顾了近年来显式云物理方案的研究进展。显式云方案主要有体积水方法和详细微物理方法(分档法)。体积水方法有单参数和双参数两种谱描述方法,根据模式预报变量和物理过程的不同,可以分为暖云方案、简单冰相方案和复杂冰相方案。详细的微物理方法由于预报变量繁多、计算量巨大而一般多应用于研究工作。不同的模式,有不同的显式云方案,并不是粒子分类越复杂模拟效果就越好,需要根据研究的重点、计算资源的许可选择使用不同的物理方案。物理过程参数化需要建立在理论和实验研究的基础上,因此应加强这方面的理论和实验研究,使物理参数化具有更坚实的物理基础。