多单体对流云团的自然发展和人工催化的数值模拟

发布时间：2020-05-11 11:38

【摘要】：对流云是我国各地常出现的重要降水云系,深入研究对流云的演变规律、降水机制和对流云催化方案和效果,对于其降水预报以及实际外场人工消减雨作业都是至关重要的。本文使用CAMS云模式(将CAMS云微物理方案耦合进WRF中尺度数值模式中),针对2015年8月22日北京平谷地区一次小尺度对流云团降水过程,结合实况观测,开展自然云和催化模拟研究。首先分别使用NCEP FNL资料和LAPS(Local Analysis and Prediction System)资料作为模式的初始场启动模式,模拟研究了不同初始场对该类云的模拟能力;揭示了该类对流云系降水的物理机制;在此基础上,模拟了碘化银催化剂在此次对流云过程中采用不同催化方案得到的催化效果。得到一些重要认识。主要结果有:1.通过对该对流云团的模拟,分析了CAMS云模式对多单体对流云团的模拟能力。结果显示,使用CAMS云模式模拟的云带、雷达回波、雨量以及对流单体的尺度、形状、位置与实况较为一致。2.对比分析了使用NCEP FNL和LAPS两种初始场的模拟结果与实况的差异,结果显示,使用LAPS初始场模拟的对流云团的尺度、形状、位置和演变情况的模拟结果要优于使用NCEP FNL初始场的模拟结果;特别是对对流云团演变过程的模拟,LAPS初始场的结果在前6h的模拟结果更接近实况,14:00以后,模拟的对流云团的演变过程较实况稍有滞后,生命史大约延长2h左右。而使用NCEP初始场对层状云的模拟结果更有优势。3.在LAPS初始场对云结构的模拟结果基础上,研究了自然云的微物理结构特征和降水机制,结果显示:该对流云团是冷暖混合性质的降水云系。冰晶通过凇附增长过程形成霰粒子,霰粒子融化形成雨滴是产生降水的主要微物理过程。该对流云团的降水机制为冷云降水机制与暖云降水机制相结合,其中冷云降水为主要机制,而暖区的供水云则对降水起到了增强作用。4.使用CAMS云模式中的碘化银催化模块,对对流云团进行催化数值模拟控制试验,旨在研究不同剂量、不同时机和部位实施催化的效果,同时可为外场人工消减雨实际作业提供理论指导。主要结论有:1)在对流云团发展、成熟、消散阶段采用过量催化的方式都能不同程度地起到抑制降水的作用,在成熟阶段采用多次催化的方式催化对流单体,催化减雨效果最好;2)当使用的催化剂剂量越大时,区域平均减雨量也越大;3)减雨时段主要集中在催化后2h以内;催化后40min减雨效果最为明显;4)催化后区域平均雨量有先减少后增加的趋势;5)在早期实施催化作业时,剂量不够大时将会在催化后3h有较明显的增雨效果,成熟阶段的催化作业则不会带来明显的增雨;消散阶段的催化作业则随着云体消散,一直维持减雨。催化剂量越大,减雨效果越明显,地面净减雨量越大;6)催化作业造成减雨的主要原因是由于高层出现更多粒径较小的霰粒子,导致下落至暖区的霰含量减少,从而使得融化形成雨滴的粒子含量减少,造成了地面的减雨。
【图文】：

工作流程,文献,方案,粒子群

图 2.1 WRF 模式框架及工作流程(引自文献)[71]2.2 CAMS 微物理方案简介的水汽凝结或凝华形成大量的微小水滴、过冷水滴、冰晶云中分布。为描述不同种类水凝物粒子的相变过程、增长的微物理过程，需要抓住粒子群的主要特征，用少数参书对流云系，CAMS 方案中把水凝物分为云滴（半径小于（直径大于 0.02cm 的水滴）、冰晶（包括雪团）、霰（包于 0.5cm 的冰球）五种。用单位质量空气中所含该水凝物Qc,Qr,Qi，Qg，，Qs）和单位质量空气中所含该水凝物粒子，Ns，Ng，Nr）这两个参数来描述水凝物粒子群的特征，简单数方案。方案最早是由中国气象科学研究院胡志晋[50]等发展的一方案。本文使用的是由高文华 [50]改进后的 CAMS 方案，水量（ Qv,Qc ），冰晶、雪晶、雨水和霰的比水量

微物理过程,研究生院,硕士学位论文,国防科技大学

CAMS云方案微物理过程示意
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P456.7;P426.5;P481

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