数值模式越来越多地应用于人工影响天气业务工作中。文中着眼北京地区人工影响天气业务对数值模式预报的需求,结合地基作业的特点,初步进行了碘化银(AgI)冷云催化数值模式在人工影响天气业务中的应用试验。试验采用同化了多种观测资料的北京睿图快速更新和多尺度分析预报系统-临近子系统(RMAPS-ST,Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System-Short Term)的预报结果做为初始场,运用耦合了冷云催化模块的中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)进行冷云催化数值试验,催化模块添加在Morrison双参数微物理方案中,考虑了水汽在人工冰核上的凝华核化、凝结冻结和接触冻结核化过程,模拟范围覆盖北京地区所有的地面作业站点以及华北人工影响天气飞机作业区域。业务试验包括运行对照试验以判定具有催化潜力的地基作业站点及催化信息、进行预催化模拟和实际作业后的催化模拟。个例应用显示,冷云催化数值模式的业务试验可以预判未来一定时段内人工影响天气相关物理量场的变化及作业效果,可为前期人工影响天气地面作业方案的制定提供参考,后期可进行实际作业信息输入进行催化模拟,对比验证与分析可以改进和优化流程算法,不断提升制定地面作业方案的科技水平。
积层混合云是我国一种重要的降水系统,其降水既有对流云又有层状云特征。基于积层混合云的重要性,本文利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),结合三维粒子运行增长模式对2012年5月29日北京地区的一次积层混合云降过程进行了模拟研究。模拟的降水与雷达回波与实测结果基本一致。在此基础上,重点分析了混合云系中积状云与层状云各自的微物理结构特征与降水的发生机理等。结果表明:降水过程云内存在着明显的"播种—供给"机制,层状云中"播种—供给"机制相对简单。而对流云区中由于降水粒子可以发生上下多次的循环增长,"播种—供给"机制可在云的上下层间双向进行,云中粒子群可以增长得更大。在积层混合云中,在低层,层状云中已有的水凝物粒子进入内嵌的积云块中,而在高层水成物粒子又从积云中落到层云中,积层混合云系充分发挥了积云和层云各自的优势,从而降水效率较高。
2009年6月3日在我国河南发生了历史罕见的强飑线天气过程,造成了严重的人员伤亡和灾害。为了解此次飑线天气的特征和产生的机理,本文采用卫星、雷达及地面加密观测资料,结合中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)数值模式,研究了此次飑线产生的天气背景、宏微观结构特征及造成灾害性大风的机理。结果表明,此次飑线过程的主要影响系统是东北冷涡,其后部横槽引导的南下冷空气与西南暖湿气流在河南新乡南部一带交汇促发强对流过程,最后演变为飑线。但由于低层西南风偏弱,水汽条件不足,飑线发生的环境较为干冷。飑线产生区大气处于条件性不稳定状态,对流有效位能(CAPE,Convective Available Potential Energy)在1300J/kg左右,并具有适平的垂直风切变。地面气象场显示飑线具有相对冷湿的雷暴高压和强冷池,飑线过程产生的灾害性天气以大风而非强降水为主。数值模式结果显示飑线下沉气流的最大值仅为-13m/s,而地面风速最大值达到35m/s,是最大下沉气流的2.7倍。进一步的数值敏感试验表明,降水粒子的蒸发和融化冷却过程对降低地面温度和产生地面强风速具有重要影响,其中雨水蒸发过程产生的最大等效冷却率为-3K/min,远大于霰融化冷却率-0.7K/min,因此雨水蒸发过程是影响冷池强度的关键因素,而地面强冷池在此次飑线灾害性大风的产生中具有重要作用。
为了深入探讨北京冬季云降水的微物理特征,提高雷达反演冬季固态降水的精度和冬季降水的预报水平,利用PARSIVEL(Particle Size and Velocity)降水粒子谱仪所观测的冬季降水粒子谱,结合地面显微镜粒子图像和云雷达数据,对比分析了北京海坨山地区冬季过冷雨滴、霰粒、雪花、混合态降水的粒子谱和下落速度特征,得到主要结论如下:(1)霰粒降水过程的云顶最高,整层的含水量最大,低层的退偏振比(LDR)最小,粒子更接近于球形;降雪过程的云顶最低,云中含水量最少,低层的退偏振比较大;混合态降水过程的雷达回波强度和高度特征介于两者之间,但低层的退偏振比最大;(2)在云中上升或下沉气流及湍流的影响下,过冷雨滴、霰粒和雪的下落速度均对称分布于各自理论下落末速度曲线的两侧。因此可根据粒子浓度相对于其直径和速度分布的中轴线位置,判断出该段降水过程中的主要粒子形态;(3)冬季雪花、霰粒和混合态降水粒子下落速度分布的散度较雨滴更大,其原因是由于冷云降水过程的粒子形态复杂,且固态粒子下落过程中更容易受破碎、聚并和凇附等微物理过程影响;(4)在4种降水类型中,雪的平均直径和离散度最大,雨滴最小;混合态降水粒子的总数浓度最大,雨滴的总数浓度最低,并且4种降水类型的粒子数浓度、平均直径和离散度均随降水强度的增大而增大。
