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1、 1三维冰雹云数值催化模式改进与个例模拟研究 李兴宇 洪延超 中国科学院大气物理研究所 北京 100029 摘 要 鉴于播撒冰核形成的冰晶与自然冰晶谱型的不同本文对三维冰雹云催化模式人工引晶物理过程参数化部分作了改进将人工引入的冰晶单独作为预报量处理导出人工冰晶与其他粒子发生的微物理过程的参数化方程分析了改进模式的催化功能及人工冰晶的微物理过程及其在催化防雹中的作用结果表明在同样催化条件下改进模式的催化效果优于原模式水汽在碘化银粒子上核化是产生人工冰晶的主要过程人工冰晶的空间分布特征表明它与云水和雨水接触的比例要比自然冰晶高的多因此人工冰晶收集过冷云水增长是其与自然冰晶最大的差别和自然冰晶相比
2、人工冰晶向霰转化的数量多通过人工冰晶形成的冻滴也多自动转化是消耗人工冰晶的最重要的物理过程工冰晶减雹机制是对雹云催化后人工冰晶增加使雪霰和冻滴增加转化成冰雹的数量也增加冰雹的尺度减少降雹强度和降雹动能通量就减少 关键词模式改进 催化功能人工冰晶转化特征防雹机制 1引言 我国人工影响天气常采用冷云催化方式 无论是人工增雨还是人工防雹 通常向云中引入催化剂碘化银AgI粒子为了用数值模拟的方法研究冰雹形成机理催化防雹和催化增雨的物理机制以及人工催化技术方法人们常常在云模式中增加催化功能洪延超1发展了三维弹性冰雹云催化数值模式 云中粒子采用双变参数谱 可计算以霰或冻滴为胚胎的雹块的数量 并导出了催化剂
3、碘化银粒子微物理过程的参数化方程 考虑了人工冰核的凝华核化及与云雨滴接触的冻结核化过程用来研究催化防雹机制和雹云的催化技术2黄燕等3将冰晶浓度和播撒物质的方程引入三维冷云模式的二维版本 模拟了不同环境下的雹暴个例的播撒作用探讨了对流云播撒的可行性于达维4在胡志晋等发展的三维对流云模式基础上利用刘诗军5的碘化银气溶胶成冰核化模式对湖北十堰对流云降水个例进行催化模拟 在碘化银气溶胶成冰过程模拟中 采用了在特定时刻特定区域引入一定浓度一定尺度碘化银气溶胶的方案 计算了碘化银未核化的气溶胶和含在水滴中的颗粒浓度的时空分布和它们的核化消耗Farley 利用与 Orville 共同发展的大冰粒子分档混合模
4、式6模拟了 Alberta 冰雹计划中的的催化引晶个例取得了减少降雹的效果可见云数值模式在云的催化研究中已得到广泛的应用 对引入云中的碘化银粒子形成的冰晶又有几种处理方法 一是将人工冰晶并入自然冰晶并服从自然冰晶谱分布亦即人工冰晶和自然冰晶是不加以区分的这样处理的不足之处是在人工冰晶催化时云中局部有大量冰晶产生这些初生冰晶尺度都很小浓度较高并入自然冰晶实际上使自然冰晶谱的小尺度端浓度增高与自然冰晶的谱2分布不吻合二是将人工冰晶并入自然冰晶两种冰晶谱叠加使用叠加后形成的冰晶谱根据研究7叠加谱的小粒子和大粒子皆被削减了事实上人工引晶不可能发生大粒子的减少这说明使用叠加谱也是不合理的这就是说在人工影
5、响云降水过程中播撒粒子群与自然粒子群因为谱相差很远 不能因粒子类型相同就将播撒粒子并入自然粒子群处理 这样会造成虚假的播撒效应 三是将人工冰晶与自然冰晶相区别 将播撒粒子作为独立的粒子处理7 本文对原三维弹性冰雹云数值催化模式中的催化部分的参数化方法做了改进 将人工冰晶作为区别于自然冰晶的另一类粒子建立预报方程 推导人工冰晶与其他粒子相互作用的微物理过程方程式并利用改进后的模式对 1999 年 7 月 9 日陕西省旬邑地区的一块冰雹云进行模拟和催化试验 分析了改进模式的催化功能及人工冰晶在云中的微物理过程和在催化防雹中的作用 2模式简介 模式动力框架初始条件和边界条件及数值计算与文8相同微物理
6、过程参数化方法同文1除云滴外采用双变参数谱预报云中各种粒子的比含量 Q 和比浓度 N同时还包括碘化银核化所发生的物理过程将云中水物质分为 8 类分别为:水汽v云水c雨水r冰晶i雪s霰g冻滴f冰雹h括号中的字母代表水物质的类型此外还预报碘化银粒子比含量aQ模式控制方程如下 (0.608)1pvupvvpvvtwM MMducDdtx dvcDdtydwcgQQDdtz dDSdt V MdMDSdtz += +=+=+=+=+2222vjjdvjvjpvpvUURddccDdtXcXcdtc+= +其中M 代表 8 种水物质和催化剂的比浓度和比含量即xxQN和下标 x = v, c, r, i,
7、 s, g, f, h, a其他与文献1相同这些量中aN不作为预报量另外0caVV=D 与 S 分别代表次网格尺度混合项及微物理过程的源汇项 33微物理模式的改进 在作者发展的三维冰雹云数值模式中由碘化银粒子核化形成的人工冰晶并入自然冰晶合并后冰晶服从自然冰晶的谱分布现在将人工冰晶与自然冰晶作为两种不同的冰粒子处理自然冰晶谱不变假定引入云中的碘化银粒子尺度相同水汽在碘化银粒子上凝华产生的人工冰晶尺度也相同是单分散粒子谱带下标 z 的量即为人工冰晶的量与碘化银粒子接触的过冷云滴冻结成的冰晶归为自然冰晶一类接触的过雨滴冻结成冻滴这样模式又增加两个预报量 zzQN和即人工冰晶的比含水量和比浓度人工冰
8、晶的形状密度同自然冰晶相同下降末速度计算公式也与自然冰晶相同即单个人工冰晶的质量 2zzmzmA D= 其中 zmA=102g m1 2()zzzmDmA=1 2()zzmzQ A N其他各类粒子尺度分布采用 Gamma 函数描述即 ()exp()xa xxoxxxxNDN DD= 其中 0sfghaaaa=5ca =2ra =1ia = 人工冰晶通过碘化银粒子核化过程vazNU产生产生后人工冰晶发生凝华增长vzVD撞冻云滴增长czCL这三种微物理过程作为人工冰晶的源项雨雪霰冻滴雹和自然冰晶对人工冰晶的收集,zrzszgzfzhziCLCLCLCLCLCL人工冰晶的升华zvVD和融化zrML以
9、及融化蒸发zvMVD人工冰晶向雪和霰的自动转化,zszgCNCN这 11 种微物理过程是人工冰晶的汇项 各微物理过程的表示方式与文献1相同 (1) 碘化银粒子核化vazNU和vazNNU产生人工冰晶 /vazdvaNNUSm= 式中dvS为核化的碘化银粒子质量am为碘化银粒子质量当 5T2 0 4()()aDaa dvadNTQ NTSmwdtz=aN(20) 其中()aDNT为凝华活化的碘化银粒子数具体公式参见文献1 若dvS 20时碘化银粒子全部活化 dvS=aQ/2T 因此得 0vazvazzNUNNUm= 其中0zm为单个人工冰晶质量 (2)人工冰晶凝华vzVD增长 1()()z vz
10、zsdmVDNdt= 1()4(1) ()()/( )z zierimdmNc Sf Rdabdt=+ 式中()z sdm dt为单个冰晶粒子凝华增长率iS为冰面相对湿度()z rimdm dt为单个人工冰晶结淞率2/()sfvdL LkRT= ()/z rimczzdmCLNdt= ()ef R=1+0.231/2 eR为通风因子22/() , / ( )svvfsiaLkRTbR TDeT= c=/zD 4(1) ()/( )vzzzieczVDN D Sf Rd CLab=+ 3人工冰晶结淞增长czCL 当云滴直径 Dc615 10 m, 人工冰晶直径zD6300 10 m时 人工冰晶发
11、生结淞增长由于人工冰晶为单分散谱单个人工冰晶结淞增长率为 *2() ()()4cz rimzzczcDdmDvEQdt= 式中zv11034()vzzPA DP为单个人工冰晶粒子的下落速度 * cD=15610m , 假定5czE=ciE取值参照文献1同时*() ccDQ表达式为 *31()()6cDccLccccDQD N D dD=822 1()exp()(1/ !)i c iQi=+ 式中 * 2ccD=得 1()z czrimCLNdt= 11348 20 22 11() ()()exp()(1/ !)4i zvzzczzc iPDA DENQiP=+ 4人工冰晶融化蒸发zvzvMVD
12、NMVD和 1()z zvzevdmMVDNdt= S ( )()zg szzANCNNAN= 其中 A=0.011s 由上述参数化公式可得控制方程中与人工冰晶有关的zS和nzS项分别为 zS= vzVDvazNUczCLzvMVDzrfzrgzszgzfzhziCLCLCLCLCLCLCL+9zvVDzrMLzszgCNCN+ nzS=vazNNUzvNMVDzrfzrgzszgzfzhziNCLNCLNCLNCLNCLNCLNCL+zvNVDzrNMLzszgNCNNCN+ 其它粒子的S项都因人工冰晶而改变 4改进模式催化功能分析 将三维冰雹云模式催化物质微物理过程参数化改进后 模式的催化
13、功能有那些改变 这些改变对原模式模拟催化获得的催化技术即催化防雹的物理机制和催化要素催化时间高度剂量有何影响这对于利用模式研究人工防雹技术而言是需要了解的为此本文利用三维冰雹云催化模式对陕西省旬邑地区 1999 年 7 月 9 日的一块冰雹云进行模拟并用改进前后的催化模式对冰雹云做催化试验 分析改进模式的催化功能和减雹机制 由于改进后的模式将人工冰晶从冰晶中分离出来 与原模式相比 它可以研究人工冰晶的物理过程和在防雹中的作用 模式的计算域为 36km36km18.5km 水平格距 1.0km 垂直格距 0.5km用, ,i j k分别表示向东向北和向上的, ,x y z轴上格点序数采用湿热泡扰
14、动方式启动扰动半径 8km厚 6km最大扰动温度为 1.5底层相对湿度 75%模拟时间 60min 4.1 冰雹云的模拟 将 1999 年 7 月 9 日旬邑 0700 探空温压湿风资料读入冰雹云模式 图 1为模拟雹云和实测雹云雷达 RHI 回波 模拟云的雷达回波中心强度为 75 dBZ在 4 km 高度附近 回波顶高在 10km. 实测雷达最大回波强度为 70 dBZ 高度为 4 km 回波顶高为 10km可以看出模拟云的雷达回波顶高度水平尺度回波结构和强度等与实测回波基本相同 图 2 是模拟雹云的通过含水量中心的垂直剖面图在云发展 8 分钟时4 km 高度上出现30.1g m的含水量区随着
15、云体的发展云中高含水量区高度持续抬升含水量不断加大20 分钟达到 5 km 高度28 分钟时含水量中心已抬升至 6 km 高度由图 2ab图 1 模拟雷达回波( a )和观测的雷达 RHI 回波( b ) 10c和d4 个剖面可以看出含水量中心与强上升气流有很好的配置这说明在云发展阶段主含水量中心或强回波区是强上升气流的指示28 分钟后云中高含水中心下降30 分钟含水量区降至地面云体进入降水阶段36 分钟高含水量区降至 3km 高度40分钟地面出现强降水从图 2ef剖面图看在云降水阶段主含水量中心与下沉气流相配合从雹云发展过程中我们还可以看到当云体发展较高达到 10km 高度后高空风对云体结构 即风切变对云体结构有明显影响 这一动力学效应使进入降水阶段的冰雹云出现向顺风方拉出的云砧 但这一云砧并没有影响到云的强区结构 云顶仍然维持在 11km高度随后开始降低维持在 10 km 左右降雹滞后于降雨 2 3 分钟40 分钟时降雹强度到最大值图 3此时最大降雹动能通量为 8.862/()Jms 4.2 催化试验结果及其分析 在对 1999 年 7 月 9 日雹云进行数值模拟的基础上用碘化银进行催化数值试验催化时间在云发展第 18 分钟剂量 200g播撒部位为云中最大上升气流区催化区是以最大上升气流格
