冰雹形成机制的研究并论人工雹胚与自然雹胚的“利益竞争”防雹假说

在播撒防雹中，如何实现人工雹胚与自然雹胚的增长竞争是决定防雹效果的关键，这实质上也是雹云物理的关键课题。经过对强对流（雹）云的流场特征和相应的过冷水场配置的综合分析和数值模拟研究，发现：（１）由于雹云流场的对流性，其中必然存在着一个主上升气流区和相对于云体的水平风速零的区域，它在垂直剖面上，可呈现出一条零线，可长大成冰雹的水凝物粒子是绕零线循环运行增长的，并逐步进入主上升气流区；（２）在雹云中存在着冰雹“穴道”，它位于主上升气流区边侧及零线下的入流区，其体积约为雹云总体的６％或更小，不论自然雹胚或是人工雹胚，只要进入“穴道”都经历着循环运行增长，其轨迹是相互交叉的，因而可以实现平等“竞争”；（３）“穴道”的存在和位置由流场特征决定，运行轨迹的基本形态也由流场决定，而粒子增长率及运行路径的长短由“穴道”内的过冷水场（过冷度和量）决定。

孤立单体中雹胚生长物理过程分析

为探究威宁地区孤立单体雹胚的演变特征,基于双线偏振雷达数据,通过模糊逻辑相态识别算法,研究了2018年3月30日雹暴过程霰粒子的演变特征。结果表明:在2018年3月30日雹暴发展阶段有一过冷水累积区存在,且该累积区范围在成熟阶段进一步扩大,维持至消散阶段;低密度霰分布于3~7 km,高密度霰分布于0~3 km,过冷水分布于1~4 km,冰雹分布于0~6 km,高密度霰和低密度霰对冰雹的生成都有贡献,但从整个降雹阶段分析,高密度霰为本次雹暴中冰雹的主要来源;冰雹区和过冷水累积区对应着反射率高值区,上升气流将高密度霰带往过冷水累积区形成冰雹是本次过程成雹的主要机制,通过对雹暴机制的分析,建立了相关概念模型。

基于X波段双线偏振雷达的贵州威宁雹胚演变特征研究

为探究贵州省威宁地区雹暴过程中雹胚粒子的演变特征,本文在对X波段双线偏振雷达数据经过退折叠、滤波、自适应衰减订正后,运用Barnes插值方法对偏振参量进行插值,并结合模糊逻辑算法进行水成物粒子识别,然后对威宁县的两次典型雹暴过程进行了系统的分析,得到以下结论:(1)两次过程中高密度霰的来源均为冰晶聚合物和冻滴,低密度霰粒子的来源均为冰晶粒子;单体雹暴过程中高密度霰粒子对冰雹的产生贡献最大,多单体雹暴过程中低密度霰粒子对冰雹的产生贡献最大。(2)多单体雹暴中,衰减单体的高空辐合以及低空辐散对发展单体的雹胚形成有促进作用。(3)单体雹暴降雹前:低密度霰粒子数量近乎不变;由于冰晶聚合物增多使得消耗过冷水粒子速度加快,导致过冷水粒子减少,而且有部分高密度霰粒子坠落至地面,导致高密度霰粒子数量减少,每分钟减少的距离库数为10;降雹时:高密度霰粒子淞附过冷水粒子增长形成冰雹,导致高密度霰粒子减少,每分钟减少的距离库数为12.1;而在"贝吉龙过程"(即Wegener-Bergeron-Findeisen过程,简称WBF)以及冰晶聚合物的淞附作用下,低密度霰粒子迅速增多,每分钟增加的距离库数为36;降雹后:低密度霰粒子坠落,数量快速减少,每分钟减少的距离库数为36.6;低密度霰粒子在下降过程中淞附过冷水、冰晶聚合物等粒子转化成高密度霰粒子,导致高密度霰粒子总量几乎不变,每分钟增加的距离库数为2。(4)多单体雹暴降雹前与单体雹暴类似,不同的是在消散单体的促进作用下,发展单体的发展速度、雹胚数量、回波强度均高于单体雹暴;降雹时:低密度霰粒子在下落过程中淞附过冷水滴增长形成冰雹,导致数量迅速减少,每分钟减少的距离库数为62.6;高密度霰粒子数量增加,每分钟增的距离库数为16.5;由成熟到降雹的时间比单体雹暴长15分钟左右;降雹后与单体雹暴类似。(5)通过对威宁地区雹暴机制的分析,分别建立了单体雹暴、多单体雹暴的概念模型。本文针对两种典型雹暴的各个过程中雹胚的演变特征研究得到了初步结果,这对于雹暴预警、预报以及人工消雹具有较高的应用价值。

山东冰雹形成机制及雹云催化技术模拟——个例研究

利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式,对2006年7月5日山东境内一次以冰雹、雷雨大风为主的强对流过程进行模拟,分析了冰雹的形成机制。结果表明:79%左右的冰雹胚胎是霰,雹胚以霰为主,霰主要来自于冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雪的自动转换过程,霰形成后主要靠碰并过冷云水、雨水增长,而冰雹主要质量来源是霰的自动转化以及碰并过冷云水增长。人工催化试验表明:在强对流云中冰雹含量达到0.1g·m-3前1～4min进行催化,能有效抑制冰雹粒子的增长,在过冷水含量中心(5.5km)上方1.0～1.5km催化防雹效果较好,在其下方催化防雹效果较差;剂量越大防雹效果越好。AgI主要以凝华核的作用产生人工冰晶,冰晶凝华增长导致过冷云水含量降低。催化后雹胚特别是霰胚的数量增多,对过冷云水的竞争增强,其平均尺度、质量均减小,降低了雹胚向冰雹的转化率。冰雹碰并过冷云水增长也被减弱,导致冰雹总质量进一步减少。

山东省一次冰雹云过程的数值模拟

利用中国气象科学研究院的三维对流云模式,对发生在山东省的一次强降雹天气过程进行了数值模拟,并将模拟结果与雷达观测资料进行了检验。分析了风暴各发展阶段的流场结构和回波结构特征及微观物理量的分布及其演变。结果表明:雹胚源区出现在主上升气流前侧上升气流向辐散下沉气流的转向处,在垂直方向上位于最大上升速度上方;冰晶碰并过冷水形成霰和冰雹,冰雹粒子在气流循环处生长。研究结果对实际防雹业务有一定参考意义。

过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其催化效果的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式,对美国对流降水协作试验(CCOPE)期间观测的1981年8月1日雹云进行模拟,讨论在过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其碘化银催化效果。结果表明(1)自然云的模拟与观测事实一致,如最大上升气流速度、云顶高度、流场结构以及雹胚组成等。(2)雹胚以霰为主,霰主要来自冰雪晶与过冷小水滴的碰冻,其次来自雪的积聚转化;霰、冻滴和冰雹在形成后主要靠碰并过冷云水增长。(3)人工催化试验表明,碘化银主要以凝华核(包括凝结冻结)的作用产生大量的人工冰晶,加速了过冷水向冰晶的转化,过冷云水因而大量减少;催化后霰和冻滴的数浓度增大,对过冷云水的竞争增强,其平均尺度减小导致转化成雹的数量减少;冰雹碰冻过冷云水的增长在催化后也被削弱,导致冰雹总质量进一步减少。此外,催化后降雨量也显著减少。

超级单体风暴中大冰雹增长机制的模拟研究

为调查超级单体中大冰雹的运行增长机制,使用三维冰雹分档对流云模式结合三维粒子运行增长模式,对一例超级单体风暴进行了数值模拟。实测风暴的结构如中气旋、弱回波区、前悬回波等被很好地模拟再现,显示了模式对超级单体具有良好的模拟能力。雹胚在风暴发展阶段由过冷雨滴冻结产生,主要分布在主上升气流区上部,在主上升气流区西北侧中高层也有相当数量的雹胚粒子,冰雹主要分布在主上升气流区东侧。风暴发展阶段产生的雹胚有7%～8%增长到1cm以上,1%左右增长到2cm以上,这些大冰雹绝大多数起源于主上升气流区北侧的高层云区,气旋性进入主上升气流区按照简单的上—下形式增长,少数大冰雹起源于主上升气流区西北侧风暴后部中高层,气旋性地沿着主上升气流区的边缘按照下—上—下形式运动增长,表明了超级单体中大冰雹存在两条增长路径。

爆炸防雹中的云微物理机制的探讨

在综合实验和观测结果的基础上 ,提出了能形成大雹的雹胚 ,在它运行增长中常会有一个下伸到 0℃层以下融化 ,又再进入主上升气流区上升到 0℃层以上再次冻结的过程。发生这一过程的位置是雹云的悬挂回波所在的冰雹胚胎帘区的底部 ,如果在这个位置利用爆炸引起由雹胚融化而形成的液滴破碎 ,会改变大雹的运行轨迹 ,从而抑制大雹的形成。同时还利用数值模式模拟研究了该机制 ,结果表明该机制是合理的。

含水量累积区与冰雹增长行为之数值模拟

利用三维冰雹云模式联合三维粒子增长运行模式,对一例具有累积区的雹云进一步展开研究。结果表明:(1)累积区既是雹胚和冰雹的形成区,也是二者初期的快速增长区,但并非主要的增长区;(2)源于累积区的雹胚粒子,至少要达到毫米以上才有可能最终长成中等以上大小的冰雹,而且初始粒径越大最终产生的大冰雹的尺度越大、数目越多;(3)大冰雹增长运行轨迹呈现简单的下—上—下形式,其中初始粒径较大的粒子运行轨迹与典型超级单体有相似之处,不同的是,本文初始于累积区,而超级单体则来自"胚胎帘"。