基于云微物理过程的北方冻雨的模拟与形成机制研究

本文通过耦合AFWA(Air Force Weather Agency)冻雨参数化方案的WRF模式,对2020年冬季因暖锋引发的中国北方严重冻雨灾害个例进行了模拟,结果显示模式能够很好地模拟此次冻雨过程中降水相态的空间分布。通过分析暖锋的演变、水成物云微物理特征以及降水相态的变化,得到:在辽宁中北部—吉林中东部地区,暖锋导致中低空形成“冷—暖—冷”的温度层结,该区冻雨形成机制以“冰相机制”为主,即高空的雪花落入大于0℃暖层内融化、再降落到次冻结层后形成冻雨。同时,发现存在高空无固态水成物、逆温层内暖雨下落到次冻结层在地面形成冻雨的现象,这种新机制被定义为“暖雨机制”,更多水成物垂直剖面与同期地面观测降水相态的比对,验证了新机制的存在,并解释了该机制形成的可能原因。为更深入理解冻雨形成机理以及北方冻雨的预报、预警提供科学支撑。

2021年6月东北冷涡暴雨降水物理过程观测与模拟研究

本文针对2021年6月2~3日发生在辽宁和吉林两省的东北冷涡暴雨过程,利用多源观测和再分析数据,首先开展综合观测分析,进而利用WRF模式对此次暴雨过程的主降水时段开展高分辨率数值模拟,并结合三维降水诊断方程,开展宏、微观物理过程和暴雨形成机理模拟诊断研究。结果表明,此次暴雨过程降水范围广、局地雨强大、对流性突出;暴雨过程期间,东亚大气环流相对稳定,东北冷涡缓慢东移,携带冷空气南下,与偏南暖湿气流汇合,触发涡旋云系发展;两省位于高空急流核出口区左前方和偏南低空急流前侧,低层辐合—高层辐散的动力结构有助于强降水系统发展。伴随水汽辐合加强,云物理过程旺盛发展,水凝物含量显著升高,其中霰粒子通过融化成雨滴等云物理过程,对强降水起到重要贡献。云滴通过水汽凝结过程迅速增长,但同时由于云微物理转化过程而被大量消耗,用于云系发展和降水发生。降水强度受水汽收支和云收支过程共同影响,强降水前期,伴随强盛水汽输送与辐合,区域上空水汽含量显著增加,降水系统发展;强降水后期,伴随冷涡云系逐步东移,区域内辐合减弱,局地大气内水汽明显消耗,以继续支撑较强降水。伴随水汽局地辐合,水凝物旺盛发展(尤其是冰相水凝物)。过程初期,液相水凝物动力辐合与微物理转化过程共同支撑降水云系快速发展;降水峰值时段,上述两过程仍然活跃,但由于强降水显著消耗,水凝物含量局地变化不明显。整个暴雨过程期间,液相水凝物持续辐合,而冰相水凝物于初期短暂辐合之后,逐渐减弱为弱辐散,这一演变特征与局地热、动力结构及其演变有关。

非天然碱基dB和dS光物理过程的理论研究

本文采用高精度多参考态的完全活化空间多组态二阶微扰方法(MS-CASPT2),研究了2个非天然碱基(UNB)dB和dS的光物理机理.具体来说,分别计算了这2个结构的基态和激发态上的极小能量结构、势能面交叉结构以及连接这些交叉结构的线性内插路径,同时得到了这些结构相对应的能量.基于这些计算结果,我们推测dS和dB分子在紫外线照射下均跃迁至S1电子态.随后,dS可以通过dS-S1T1和dS-S1S0锥形交叉结构发生解离,因此该结构作为非天然碱基的光稳定性可能较弱.相反,对于结构dB,被激发到S1态后,其表现出的光稳定性相较于dS更强.本工作不仅对由dB-dS组成的两个非天然碱基的光诱导过程提供了详细的理论依据,而且有助于未来设计性能更好的新型非天然碱基.

物理过程深度影响土壤呼吸对土壤温度和湿度的响应

中国农业科学院农田灌溉研究所联合国外科研机构首次将物理过程纳入土壤呼吸的响应模型,证实了土壤物理过程和微生物过程共同影响土壤呼吸,为准确认知土壤呼吸与环境因子的响应关系以及新一代土壤碳模型的研发提供了新视角。相关研究成果发表在《土壤生物学与生物化学》。

一次干下击暴流的云微物理过程及移动和传播机制研究

本文使用风廓线雷达、跑道自动观测及多普勒天气雷达等观测资料,对2020年5月14日半干旱地区兰州的一次弱天气尺度强迫下的干下击暴流(简称“5.14”)过程的发生和演变特征进行了分析;应用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting)对该次过程的形成、移动及辐散出流区上空的水凝物演变特征进行了模拟,探讨了“5.14”过程外流传播的可能机制。结果表明:“5.14”过程的生命期约为30 min,云顶高度在9 km以上。在云体移向后侧3~6 km高度,同时出现突发性干冷空气急流侵入,云体断裂,云顶崩塌,动量下传和中低空1~4 km高度辐散出流急流,是下击暴流外流发生的可能原因。雪晶碰撞过冷云滴使之冻结合并,形成了下沉及外流区域的云中霰粒子均快速增长,模拟的霰粒子混合比在下击暴流暴发时增大了105倍;下沉区霰粒子加速了云中冷池的形成,是激发强下沉气流的原因之一。随着云体的移动,强下沉气流在地面上产生辐散出流,和相邻的辐散出流间交汇引起气流间的辐合上升运动,在云体移动方向前沿的下沉气流两侧形成两个气流上升区;随着干冷入流急流的深入,在云体移动方向激发出两个垂直环流,垂直环流由一支云内上升气流与一支紧邻的湿下沉气流相伴而成。垂直环流中的湿下沉气流在近地面形成冷池扩散促使了下击暴流的暴发,激发阵风锋。阵风锋向下击暴流辐散中心的外流方向扩散,阵风锋前的暖湿上升气流有利于新生单体合并进原风暴,风暴发展加强,随着阵风锋推进切断了暖湿上升气流导致重冷云顶下沉,云顶的不断上冲和崩溃形成了下击暴流的外流传播过程。阵风锋前的上升气流输送的雨滴粒子在0°C温度层附近冻结,冻结过程中释放的热量导致外流传播过程中0°C温度层不断升高,云中下沉的霰粒子融化层升高,融化后形成的雨滴粒子在下落过程中的蒸发层增大,霰粒子融化吸热及雨水在下降过程中蒸发吸热使得近地面冷池不断增强导致地面风速在辐散传播过程中加大,是下击暴流外流传播中地面大风形成的重要原因。另一方面,上升气流通过凝结作用加热大气加强上升运动。下沉气流的发展有助于形成和维持对流特征环流及冷池。下击暴流形成后,在云体移动方向上不断形成的垂直闭合环流是下击暴流辐散中心的移动机制,由于地面冷池外流的辐合抬升作用,移动方向的上升气流区范围不断增大,垂直闭合环流受到上升气流区阻挡无法新生,同时由于云体东移,维持下击暴流垂直闭合环流结构中水凝物的循环减弱使垂直闭合环流结构消散,导致下击暴流辐散中心减弱消亡。与以往研究相比较,本次干下击暴流发生时也出现了云体后侧入流急流、雷达回波反射率因子核下降、动量下传、霰粒子含水量大及水凝物融化蒸发过程吸热形成冷池等特征,但此次干下击暴流辐散中心有明显的垂直闭合环流,是下击暴流辐散中心的启动和维持机制,同时下击暴流辐散中心与阵风锋的形成密切相关,而阵风锋过程是造成此次干下击暴流的外流传播形成地面大风的主要原因。

青藏高原东北侧冰雹微物理过程模拟研究

以青藏高原东北侧及毗邻地区诱发冰雹灾害的东移短小切变线天气过程为研究背景,采用中国科学院大气物理研究所三维冰雹云分档模式,用MM5V3中尺度气象模式提供冰雹云模拟研究所需的环境大气状况,模拟研究了冰雹形成和增长的微物理过程。结果表明:模式再现了当时冰雹、大风及暴雨的实况;中尺度水分和动力条件是冰雹形成和增长的重要因素,它们决定了冰雹云的强度和冰雹的大小;冰雹形成和增长过程中的微物理过程决定了冰雹云的消亡,冰雹在空中形成的潜热释放延长了降雹的时间;云中冰雹发生、增长的主要区域和云内上升气流配合良好,是防雹消雹的主要范围。

煤吸附气体的固气作用机理(Ⅱ)——煤吸附气体的物理过程与理论模型

以沁水盆地等煤样品煤孔隙分析和等温吸附试验研究为基础,通过煤吸附气体动力学过程和吸附理 论模型分析,从物理化学层面对煤吸附气体的固气作用机理进行了深入探讨。认为:煤吸附气体动力学过程包括 渗流阶段、表面扩散阶段、体扩散阶段和吸着阶段;煤—煤层气吸附体系的吸附力和吸附能决定了不同煤级煤对不 同气体吸附量的大小;扩散对煤吸附气体的动力学过程有重要控制作用;煤—甲烷吸附体系应存在多元化的吸附 模型,当压力8～10MPa以上时,Langmuir单分子层吸附模型的适应性受到限制,凝聚—吸附孔隙发育和气体凝聚 是制约Langmuir单分子层吸附模型的主要原因。

海盐气溶胶和硫酸盐气溶胶在云微物理过程中的作用

利用大气气溶胶和云分档模式研究海盐气溶胶和硫酸盐气溶胶在云微物理过程中的作用,计算结果表明:云中液态水含量随高度的分布并不随海盐、硫酸盐的数目以及云团上升速度的变化而变化;随着云滴数目的增加,云滴的有效半径会减小;硫酸盐对云滴数目影响起主导作用,海盐在水汽相对充足情况下增加了云滴数目,在水汽相对不足的情况下减少了云滴数目;硫酸盐粒子浓度特别强的情况下(人类活动污染比较严重时),如果水汽相对不足,云滴数目会明显小于硫酸盐粒子浓度;而海盐粒子的存在,加剧了水汽的供应不足,从而可以在很大程度上进一步降低云滴数目。也就是说,在有些情况下,如果不考虑海盐气溶胶的作用,硫酸盐气溶胶对云特性的影响会被过高估计。

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。

避雷针迎面先导发展物理过程仿真研究

开展避雷针迎面先导起始及发展过程的仿真研究对建立正确的雷电屏蔽分析模型具有重要意义。基于长间隙放电的物理机制,建立了包括正极性电晕起始与流注发展、先导起始、先导–流注体系发展等物理过程的迎面先导发展物理过程仿真模型,并使用实验室和自然雷电条件下的迎面先导发展过程观测结果对其进行了验证,最后采用该模型对避雷针迎面先导特性进行了分析讨论。结果表明:该模型的计算结果与实验室条件下和一次自然雷电条件下获得的正极性迎面先导发展过程观测结果相吻合;迎面先导起始时刻随着雷电流幅值和避雷针高度的增加而提前;避雷针迎面先导的发展过程主要受雷电流幅值、避雷针高度影响,其发展速度随着下行先导的趋近而逐渐增加;由实验室条件下的正极性棒–板间隙放电获得的先导起始特性直接用于自然雷电中正极性迎面先导起始的计算,以及在迎面先导发展过程的计算中假设迎面先导发展速度与下行先导发展速度成一固定比例是不合适的。

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。

降水微物理过程的C波段垂直指向雷达反演研究

降水微物理过程是对空中雨滴的蒸发、碰并和凝结等演化过程的最直接描述。对降水过程中微物理特征的分析,有利于提高对云体的认识,为降水估计与数值模式参数化提供技术支撑。研究依托中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室在广东龙门建立的超级观测站,基于C波段调频连续波雷达高时空分辨率的多普勒功率谱数据。分析了2020年6月6-9日(前汛期),受西南季风影响,形成的一次持续时间长、累积雨量大、降水分布不均的降水过程中的几种典型对流单体的空中微物理特征。

模式动力过程与物理过程耦合及其对台风预报的影响研究

中国南海台风模式是基于GRAPES的热带中尺度模式,采用半隐半拉格朗日时间差分方案,借助Helmholtz方程进行隐式求解,然后计算物理过程,并把各物理量反馈到动力预报场,实现动力过程与物理过程耦合。为了探讨耦合方案对预报精度的影响,在原方案的基础上,设计了新的技术方案,主要包括两项技术改进。其一是考虑温度、水汽的物理反馈对气压场影响,将间接导出的气压反馈值返回动力场;其二是在第一项技术改进的基础上,将物理反馈值作为模式Helmholtz方程的右端项参与隐式求解,物理反馈在动力约束条件下实现与动力过程耦合。针对新方案对台风路径预报的影响开展个例和批量试验研究。个例试验研究表明,新方案明显地提高了台风预报水平,特别是提高了移动速度的预报准确率;2013年批量试验结果分析,如文中给出的台风路径预报、等压要素预报准确率对比分析,说明新技术方案整体提高模式预报精度。

对流参数化与微物理过程的耦合及其对台风预报的影响研究

在SAS(Relaxed Arakawa-schubert Scheme)对流参数化方案中引人对流云和层状云的相互耦合机制,并通过一个台风个例对改进前后两种方案的预报效果进行了比较。试验结果表明:对于台风这种对流云和层状云相互作用非常强烈的天气系统,在对流参数化方案中引人对流云和层状云的耦合机制可以有效地提高模式对台风路径的预报水平,但是对于台风强度的预报效果不明显。考虑对流参数化和微物理过程耦合后模式的参数化降水变弱而格点降水增强,与NCEP再分析资料的对比发现,改进方案对于台风外围的大尺度温度场和湿度场的预报会有所改进,但仍然存在偏干偏冷的现象。对雨和雪的不同处理方式、不同云底条件以及是否考虑雨雪的卷人抬升三个方面进行了敏感性试验,发现72 h内模式预报结果对这些因素的差异不是很敏感。从多个个例的统计结果来看,新方案对台风路径预报的改进效果是比较稳定的。

冰晶核化对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟研究

本文在已有的二维对流云模式中采用了一种与气溶胶有关的冰晶核化方案替代原有的冰晶核化经验公式,并选取个例,分别就两种方案进行了模拟对比试验。模拟结果表明:(1)新方案所得冰晶比含水量主要分布在-0.1^-7.6°C温区之间,高于原方案所得的-50.1^-24.2°C温区;在整个雷暴云的发展过程中新方案冰晶的分布高度、温度区间以及最大浓度值均大于原方案。(2)在新方案中,温度相对较高的过冷区产生大量冰晶,其争食云中水汽抑制了云滴、雨滴的增长。此外,与原方案相比,霰增长受雨滴大幅减小的影响进一步得到限制,导致生成的霰小于原方案,且空间分布具有较大区别。(3)两方案在雷暴云初期形成的电荷结构不同;在发展旺盛与消散阶段新方案中电荷空间分布区域和电荷量均大于原方案,此外,在不同时刻主正电荷区和主负电荷区的中心高度存在差异。本文对云微物理过程及起电的分析为后继探讨气溶胶与雷暴云起放电过程、电荷结构之间的相互关系提供了有利条件。

西双版纳地区雾的物理过程研究

云南省西双版纳地区是世界著名的热带多雾区。 1997年 11月 2 3—30日 ,实施了一项雾的外场考察计划。这期间雾过程每天都很有规律地出现。本文分析了雾的宏观结构特征 ,研究了雾生消的物理过程。结果发现 ,西双版纳谷地雾首先形成于低空 ,并且具有双层结构 ,及地后则在垂直方向突然增长 ,使雾层爆发性增厚。文中对植被在雾生消过程中的作用 。

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。

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。

T213全球集合预报系统物理过程随机扰动方法研究

目前我国的T213全球集合预报系统采用BGM初值扰动方案,没有考虑模式扰动方法,在技术上滞后于国际先进数值中心的集合预报系统。本文参考ECMWF的模式扰动方法,设计了我国T213全球集合预报系统的物理过程随机扰动方法,并对2008年7月20—31日进行了集合预报批量试验。试验结果表明:T213全球中期数值预报模式对物理过程随机扰动很敏感,对物理过程扰动后,模式物理量的预报情况发生变化,且这种变化随着积分时间增长而迅速扩大。在水平方向上主要表现为南北半球中高纬度地区较赤道地区更敏感,在垂直方向上,表征大尺度运动特征的物理量(如位势高度、温度、风速等)在南北半球中高纬度地区的低层到高层都很敏感,尤以300 hPa最为明显,垂直速度、散度等物理量在赤道地区也非常敏感。多初值集合预报加入物理过程随机扰动后,集合平均均方根误差在积分后期略有改善,对降水预报水平也有较为明显的提高,这表明物理过程随机扰动方法具有较好的业务应用前景。

模式误差动力特征:模式参数误差和物理过程描绘缺失误差

模式变量初始场误差和模式误差都是制约数值天气预报准确性提高的重要因素,传统数值预报和变分同化均忽略模式误差的影响。随着研究的深入,关于模式误差对数值预报影响的研究显得尤为重要。本文从非线性动力方程出发,推导出在模式存在参数误差和物理过程描绘缺失误差情况下的模式预报误差演变方程及短时间内误差平方均值近似表达式,并利用Liouville方程推导说明模式误差演变并不服从马尔科夫链分布,该结论对于任意模式系统均成立;利用Hopf分岔动力系统及Lorenz系统进行数值实验,结果表明,短期内模式预报误差均值随时间呈二次增长;随着时间增长,模式预报误差平方均值趋于稳定饱和值;参数误差和物理过程描绘缺失误差在一定意义下等价。这将为模式预报误差订正及弱约束变分同化研究提供重要理论指导和参考价值。