文摘

冰核是非常重要的因素,因为他们显著影响对流发展和演变的冰雹云等云。在这项研究中,冰雹过程的数值模拟进行了浙江省利用中尺度数值模式(WRF v3.4)。6的影响冰核参数化方案对冰雹云的宏观和微观结构进行了比较。冰核浓度的影响在地面hailfall比在地面降雨。有明显的时空,在hailfall强度和分布的差异。冰核浓度的变化引起不同的水文气象的变化,直接影响冰晶的时空分布,因此,其他水文气象和云的热力学结构。冰核浓度提高了初始浓度的增加冰晶与更高的混合比。在冰雹云的发展和成熟阶段早期,大量的冰晶争夺水蒸气随着冰核浓度。这种效应可以防止冰晶形成成熟雪粒子和抑制冰雹的形成和增长的胚胎。在稍后的成熟阶段,在云中上升气流加剧和过冷水0°C以上运输,冰雹粒子的生产和发展中。 An increased ice nuclei concentration therefore favors the formation of hail.

1。介绍

统计数据显示,超过50%的中纬度地区降水是由大型冰粒子的融化过程中产生的液相转换过程;这一比率略低(~ 30%)在热带地区1]。液相转变的微观物理学的过程在云层中扮演着不同的角色在降水粒子的形成。因此,冰晶体成核过程是非常重要的2- - - - - -4]。许多学者研究了冰核的分布特征(在)及其对云和降水的影响使用的组合观测和数值模拟的结果。结果表明,在云微物理过程影响大气热力学环境的变化通过人工繁殖,可以成长为冰晶。这因此影响潜热释放率、强对流云的动态过程,合成降水粒子(5]。

考虑到在对强对流云的影响是极其复杂的,没有明确结论的净影响的浓度在强对流云(6]。一些研究表明,增加浓度有利于地面降水。例如,一项研究关注在1940年代和1960年代发现的浓度与大量的冰晶云气溶胶(特别是)经由上游风增加了,导致增加降雨和冰雹在印第安纳州,由城市空气污染影响这一时期(7]。Khain et al。8)表示,冻结潜热释放的小云滴提高对流在云浓度增加混合相位对流云层,导致降水增加。然而,灵敏度的测试浓度的强烈对流云层显示相反的效果。西瓦等。9卡里奥]和et al。10]讨论的影响在强对流云在佛罗里达使用区域大气建模系统(公),一个高度通用的数值代码由科罗拉多州立大学的科学家开发的模拟和预报气象现象(11]。结果表明,霰粒子的数量减少和冰雹粒子增加当气溶胶浓度增加。此外,增加浓度的对流云团的早期阶段导致地面降水增加。然而,在后期,气溶胶的浓度是最低的积累沉淀时达到最大值。Connolly et al。12)认为,“冰冻的间接效应”产生的浓度的增加非常小。

注意,在浓度对流降水的影响是非常复杂的,可能不同于一个位置和/或到另一个。天文台在参数化反映了在特定条件下的自然分布和属性和位置,在此基础上在对流云中冰阶段启动和发展。因此,它是有意义的使用天文台在参数化探索的角色发展的严重的降水。

2。观察和简短回顾冰核的参数化方案

几个参数化方案的发展来描述在冰晶浓度和异相成核过程。在浓度的拟合方程获得广泛用于观察模型由于其简单性。在1960年代,弗莱彻(13)首次使用了静态过滤方法和获得的经验方程只与温度相关的浓度。然而,成核过程被诊断框架高估了冰晶的浓度和缺乏对饱和度的变化。一些研究还表明,成核的能力依赖于温度(14- - - - - -16]。相关研究讨论大气浓度及其变化在中国也一直在进行。你等。17- - - - - -19)观察到的浓度在北京、吉林和冰晶,分别获得了经验拟合方程在浓度和温度之间的相关性。的特点在冰晶浓度及其影响进行了讨论。

许多观测证明,云层中的冰晶浓度不是完全取决于温度(20.,21]。沉积成核过程可以更适当的被过度饱和的冰面(22- - - - - -24]。这意味着,不同过度饱和条件下,具有不同的表面属性和相同类型的只能在相同的环境条件下同时成核。

异构分子成核过程不是简单的由温度或冰面过饱和。1985年,瓦里(25)首次提出了四种不同的异类分子成核机制包括沉积,沉浸冻结,condensation-freezing,接触冻结成核。然而,这些机制的相对重要性尚未确定。相关研究表明,(26,27)对混合相位沉浸冻结和接触冻结成核是最重要的云,而沉积成核在冰云在对流层更重要。其他的研究表明,沉浸冻结和condensation-freezing成核在冰冷的机制发挥主导作用[28]。

在浓度的预测模型非常复杂和困难由于缺乏了解的相对重要性的四个异构冰晶成核机制。迈耶斯et al。11首次开发经验关系不同的成核机制,仍在广泛使用的模型(9,10]。

相关沉积和condensation-freezing过程相对于冰层表面过度饱和。水蒸气分子连接到然后通过沉积过程中形成的冰晶,即异构沉积成核过程。如果气溶胶和云凝结核的特点,首先附着在气溶胶和水汽分子形成液态水滴,然后冻结成冰晶体,即异构condensation-freezing成核过程。经验拟合方程可以表示为两个过程 在哪里沉积的浓度和condensation-freezing核每升空气,是相对于冰面饱和, , ,适用的温度范围是−−5°C 20°C。

没有独立的观察接触冻结核浓度已经获得直到库珀和桑德斯[15)进行了观察,估计接触冻结核的浓度。基于库珀的观察,迈耶斯等人开发了一个拟合方程的浓度接触冻结核,这是与温度有关的11]: 如果气溶胶直径是0.1μ米,是云滴温度(K), , 和单位是L⁻¹。

迈耶斯之后,在参数化了29日,30.]。中国的气象研究人员进行了一系列的观察实验在黄河上游的31日,32]。人们相信,在不同位置的浓度显示大的波动,导致实证关系的大气浓度的变化(33- - - - - -36]。

2007年,菲利普et al。37)开发了一个改进的基于Meyers浓度拟合方程的研究通过添加更等开发的经验方程。38)使用连续流扩散室(CFDC)观察沃纳山的顶部,科罗拉多州,在激活和扩展的适用温度范围。浓度的拟合表明,迈耶斯大陆边界层计算的经验公式明显高于对流层的内部(尤其是在高海拔地区的土地来源)。

菲利普斯et al。39)认为物理和化学性质的影响和表面积浓度方程,开发了一种新的。Connolly et al。12)开发了一种密度之间的相关性方程核表面激活网站和浓度通过研究沉浸冻结尘埃粒子的成核。最近,中国气象研究人员开发出一种新的经验拟合方程,浓度利用Su的观测数据(40和杨et al。41]。

3所示。案例研究和仿真框架的介绍

3.1。案例研究和模型的介绍

强对流天气发生在大面积的浙江省11月9日,2009年。从06:00时中国标准时间(CST) 12:00 CST,浓雾出现在东部的一些地区,北部,浙江中部和持续了六个小时。雷雨和大风发生后整个省的15:00春秋国旅,代表最广泛和强烈对流天气发生在那一年的秋天。此外,还下起了冰雹在浦江县15 CST和其他地方。冰雹直径达到1.5厘米。

本文利用WRF v3.4中尺度数值模拟模型进行了。六小时全球再分析数据( 从国家环境预报中心)(摘要)被选为初始场和边界数据。冰雹过程的模型的集成时间范围从喂饲20:00 CST 11月9日,2009年。积分时间步是36。仿真中心的纬度和经度29.60°N和119.80°E,分别。在模型中采用双层双向嵌套。从粗到细的D01 D02领域,网格分辨率为6.2公里,网格点的数量是150×160、262×280,分别。27层垂直。云微物理方案是一个NSSL two-moment计划(42)由美国国家严重的风暴实验室(NSSL)在2010年,这是一个混合相云框架。对云微物理过程,模型预测特定含水量(质量控制,Qr,气,Qs,路上,这么多)和浓度(数控,Nr,倪,Ns,Ng,Nh)六个类型的水文气象(云水、雨水、冰晶、雪、霰、和冰雹粒子)。NSSL框架是一种改进的框架基于齐格勒框架(43),可以用来预测平均霰粒子密度。粒子从冻滴到低密度冰雹胚胎集体被称为霰。选择其他物理过程如下:Monin-Obukhov表层计划的Mellor-Yamada-Janjic (MYJ)边界层方案,诺亚地表方案,快速和准确的辐射传输模型(RRTM)长波辐射方案,和Dudhia短波辐射方案。Kain-Fritsch (Eta)计划用于D01地区积云对流参数化,而D02区域被关闭。

3.2。介绍的冰核参数化方案

3.2.1之上。NSSL冰晶成核过程的框架

NSSL,三种类型的冰晶体的成核被认为是通过:沉积,condensation-freezing,接触冻结(异构分子成核)。

(1)沉积和Condensation-Freezing成核。有两个场景计算浓度的沉积和condensation-freezing流程。首先,当温度小于−5°C,迈耶斯等人的经验关系。11使用)。第二,当温度大于或等于−5°C,方程给出了棉花et al。44使用: 在哪里水汽混合比,和是饱和的比率相对于冰和水,分别和 是相对于冰面饱和。

(2)接触冻结成核。的参数是激活接触核浓度(单位:米⁻³)表示为 和是云滴温度。

在大多数two-moment微观物理学的计划,在浓度用于预测浓度和冰晶的混合比。浓度的计算是基于简单的经验方程,如上所示,初始冰晶浓度由异相成核是通过计算获得。

3.2.2。敏感性测试的冰晶成核过程

为了更好地理解在云微物理过程的影响,五个额外的参数化方案是受雇于本研究除了最初的一个。通过比较实验,6在参数化的影响冰晶的时空分布和其他水文气象进行了讨论。在参数化的影响不同微观物理学的冰雹云和雹暴的发生过程进行了讨论。下面概述的5个方案提出了模拟和适用条件。

(1)弗莱彻(13)计划 的参数是单位体积的激活数量(L⁻¹),在被激活时对应的温度,和适用的温度范围从−27°C到0°C。在计算方案的浓度低于计算值观察到更高的温度和浓度较高时,温度相对较低(−25°C)。

(2)库珀(15)计划 适用温度范围从−40°C到0°C。

(3)菲利普斯et al。39)计划。菲利普斯et al。39)综合和改进迈耶斯(11)和更计划(38]。Ψ经验修正系数增加,冰的适用温度范围内成核激活扩展: 经验校正因子在哪里 和代表了表面饱和相对冰。

(4)观察黄山(Chi_Mt。(H)方案40]。在浓度差异显著是由于地区和气象因素的影响,介绍了中国在观察的经验关系。苏(40]在顶部的安徽黄山,中国,使用5 L境混合云室。观察期间是2011年5月至10月的总浓度方程(温度范围从25°C到−−10°C)是由拟合,考虑四种成核机制(沉积,condensation-freezing、接触冻结和沉浸冻结):

(5)南京观测计划(Chi_NJ) (41]。杨et al。41使用5 L境)进行观察混合云室在南京,中国。观察期间总共是2011年夏天,冰核浓度方程(温度从25°C−−10°C)基于四个成核机制是:

了解云的微物理特征和降水变化的反应浓度、六个冰成核方案被分成三个组根据浓度的计算方法(图1)和时空水汽现象进化进行了比较。

在第一组中,浓度与温度有关的,这是经典的配合(集团)适用于沉积和condensation-freezing成核过程包括弗莱彻和库珀方案。第二组也与温度有关的(在中国混合相位云室测量)。它指的是总在浓度方程基于成核机制(集团)包括Chi_NJ和Chi_Mt。H方案。第三组与冰面过饱和相对于(组),包括飞利浦和原始迈耶斯计划。

4所示。数值模拟结果的分析

4.1。地面降水的模拟和分析

这个严重的主要降水区域对流天气过程是浙江省北部和西部和降水带遵循northeast-southwest方向。累积沉淀的六个小时,9点开始中科11月9日达到67毫米(图2(一个))。二次降水中心位于杭州地区累积降水量达到44毫米。模拟的降水区域和发生时间6小时累积降水(图2 (b)接近实际情况。沉淀可分为两个northeastern-southwestern雨带位于中北部、浙江东南部。北部降水带接近实际情况和降水中心的位置是一致的。的最大累积降雨量70毫米,接近。累计降水量最大的降水中心在杭州是70毫米,高于观察。

4.2。和模拟雷达回波的演变特征

摘要新生成的s波段多普勒天气雷达(新一代)数据从杭州站使用。11月9日在43中科对流风暴细胞形成的黄山地区。在苦求CST,对流室搬到东北和强度达到65 dBz(图3)。随后,这种强对流云继续向东迁移与细胞融合在前面和加强。在42春秋国旅,多细胞组成的风暴对流细胞在杭州地区的不同发展阶段形成的。钩子型和回声是11公里高。15:23 CST,多细胞风暴继续发展和新细胞是不断生成的东北部和合并成风暴。最终,拱顶对流带成立于杭州和杭州地区发生强烈的雷雨和大风。浦江县地区南端的回声区,另一个移动细胞发达和强烈对流强度达到65 dBz向东。顶部的16公里,对流强烈回响。大约在15分春秋国旅、地面冰雹发生在浦江。风暴在17:42 CST,多细胞分散成几个强烈对流细胞广泛覆盖和弓形成呼应。 Its intensity was 60 dBz, and the maximum height of the echo reached 14 km, corresponding to the thunderstorm weather occurring at 18:00 CST. Subsequently, the echo belt weakened and moved eastwards into the sea, ending the strong convective weather in the Zhejiang Province.

模拟降水面积和最大回波强度与观察是一致的;均显示向东运动,这显然表明强烈的对流单体的演化特征等形成、发展和成熟的阶段。轻微差异的观察是一个大的回波范围和模拟的发展速度慢的多细胞风暴。模拟实际落后于风暴了大约一个小时。

5。比较实验的影响冰核对流降水过程参数化

5.1。比较累积地面降雨

图4显示了模拟6小时累计地面降水在11月9日20:00 CST基于参数化的六个。而观察到的降水(图2(一个)),所有参数化模拟降雨的趋势和范围,但降雨强度和降雨雨中心带是不同的。对暴雨中心,弗莱彻的结果,Chi_Mt。H,原计划是最接近实际情况和强度大于65毫米。此外,降雨强度预测的Chi_NJ项目较小,而库珀的计划更大。二次降水中心在杭州,弗莱彻的强度和位置模拟,飞利浦,原计划是最准确的。总的来说,弗莱彻方案最接近实际情况(其次是原计划)的模拟范围、趋势,降水强度的雨水带和两个降水中心的位置与实际位置。

5.2。地面累积Hailfall进行比较分析

根据累积hailfall强度和分布,库珀方案(图的仿真结果5)是最准确和最强大的中心位置hailfall倾斜,浦江的西部。冰雹在浦江强度最小的对其他五个方案。Chi_Mt。H方案仿真结果也不理想,显示位置的偏差最大hailfall。最大hailfall位置模拟其他方案出现在浦江地区。原计划显示冰雹量最高,而弗莱彻计划显示最小的。

总之,在地面浓度冰雹的影响显著高于地面降雨。在影响大的冰晶的形成和增长通过改变冰晶,这直接导致地面冰雹。仅供降雨,强降水中心位置和降雨量略有不同;不超过5毫米的差别。

5.3。影响冰核参数化的微观物理学的对流云层的结构

5.3.1。影响的空间和时间分布初始冰晶

图6表明,浓度的变化直接影响的时空分布初始冰晶(数字6(一)和6 (b))。生成的冰晶冰雹云的形成时期被用作初始冰晶和冰晶体的平均含水量和数量浓度特征(数字6(一)和6 (b))和垂直分布的冰晶含水量(图7)进行了分析。结果表明,平均冰水内容和数量浓度期间在14:00中科如下:(1)组:库珀>弗莱彻;(2)组:Chi_NJ > Chi_Mt。H;和(3)组:原始程序>飞利浦。基于浓度(图的结合1),冰晶的分布与分布有关。更多的在导致更多的初始含水量较高的冰晶。例如,适用温度范围(从−40°C到0°C)的冰核激活库珀计划是最大的。在浓度与温度的下降迅速增加,因此最初的冰晶浓度最高的是(110×10³L⁻¹)和水分含量最高(mg·21公斤⁻¹)。相比之下,弗莱彻浓度的方案是最小的,适用的温度范围是小于库珀的计划。因此,这个方案的初始冰晶数量是最小的(51×10³L⁻¹)和水分含量最低(mg·13公斤⁻¹)。的差异之间的冰晶浓度和含水量这两个方案是59×10³L⁻¹和8 mg·公斤⁻¹,分别。

5.3.2。影响冰晶的垂直分布

冰晶的垂直分布的差异在每个计划将最大值和水(图的内容6 (c))。库珀方案高度最大值和含水量最高的冰晶体。弗莱彻方案最低高度的最大值(8.5公里)和含水量的冰晶体。这种差异是由于库珀计划有更广泛的温度范围;有更多的在较低的温度,相比之下,少在弗莱彻在低温范围计划。因此,冰晶的高度存在冰的温度范围内成核的激活有关。

5.3.3。影响不同的冰核参数化的空间和时间分布其他水文气象

在浓度的变化会导致不同类型的水文气象的不同变化。冰晶,最基本的液相粒子,变化的时间和空间分布其他水文气象和macrodevelopment云通过参与液相结构转换过程。另一方面,这些变化将影响冰晶通过时间和空间分布的微观物理学的进程。理解云微物理过程的演变,时空分布的气流结构和水文气象云进行了详细分析。

(1)对雪粒子的时空分布的影响。结合冰晶的时间演化,宏观的雪含水量随时间的变化进行了分析(图8)。山顶的雪水发生略晚于冰晶的巅峰。雪的滞后水表明最初的冰晶形成,然后通过沉积增加到一定规模,Bergeron和碰撞过程,最终变成了雪粒子。

雪粒子的空间分布特征在不同阶段进行了分析(图9)。在冰雹云的发展和早期成熟阶段,雪含水量是按照以下顺序:(1)组:库珀<弗莱彻;(2)组:Chi_NJ < Chi_Mt。H;和(3)组:原始<飞利浦。这是相反的分布冰晶上一节的内容。分布和雪粒子的浓度变化特征类似于水的内容(图8 (b))。

上述结果表明,冰晶的增加引起的增加不利于雪粒子的形成和发展。固定数量的水蒸气,水蒸气消费增加而增加冰晶的形成。许多冰晶争夺有限的水蒸气和不能快速增长转化为雪晶,从而抑制生产和雪粒子的增长,导致较低的雪粒子的数量。

(2)对云计算的时间和空间分布影响水和雨水。修改后的参数化方案的最小影响云水和雨水的内容。云含水量(图7)在最初的阶段是在原始程序的顺序<飞利浦和库珀<弗莱彻因为更多的数量的增加最终导致冰晶,从而提高消费在云中液态水。

对雨水的内容(图9少),计划在对应于前雨水低于0°C水平成熟阶段(例如,Chi_NJ < Chi_Mt。H)。随着浓度增加,许多冰晶争夺液态水,因此抑制冰晶的生长。这是不利于大型冰晶的生长和雨滴的形成,导致少雨。此外,在云中上升气流的强度增加会导致降低水含量低于0°C层。然而,这种趋势不太明显成熟后的冰雹云。

(3)对冰雹的时空分布影响胚胎(霰)和冰雹。冰核和霰/冰雹之间的关系更加复杂。冰雹胚胎(霰)形成的雹云发展阶段,然后扩大,发展成为冰雹。然后冰雹增长到一个足够大的规模和早熟的开始下跌阶段的冰雹云。冰雹落在地上后,冰雹云后来进入了成熟阶段。

的变化在每一组类似于雪霰粒子从冰雹胚胎形成hailfall(图10)。例如,在集团Chi_NJ < Chi_Mt。H;即霰方案对应于更丰富的含水量小于方案对应的更少。随着浓度增加,霰的早期形成抑制,后期的强上升气流冰雹云可以促进雪霰粒子的变换。因此,雪含水量在成熟阶段明显减少,如在库珀和Chi_NJ方案(图10)。

冰雹粒子每组显示上述霰粒子的变化趋势相反,早期或后期的成熟阶段(图11)。这是符合西瓦等人的结果。9卡里奥]和et al。10)研究的影响的增加在霰和冰雹在严重的降水情况下在佛罗里达州。在这项研究中,冰雹的含水量集团是在原始的顺序>飞利浦计划的早期阶段冰雹云的成熟。在以后的冰雹云的成熟阶段,冰雹的内容和组显示以下顺序:库珀>弗莱彻和Chi_NJ > Chi_Mt。h .更高浓度的结果表明,该方案对应于一个更大的冰雹水含量在成熟阶段和更大的冰雹落在地上。

在浓度的增加有一定的抑制性影响雹胚的生长(霰;在早期的发展和成熟阶段)。然而,当冰雹增长冰雹降水阶段(成熟的后期阶段),冰雹的计划内容是对应于一个更高的浓度高,这表明浓度的增加有利于以后冰雹增长。在冰雹胚胎形成和发展阶段,浓度的增加不利于冰雹胚胎的生长由于上述原因提出类似雪粒子抑制;,大量的小冰晶争夺水资源,因此使它更加难以成长为大型冰颗粒,导致较低的霰水的内容。更重要的是,雪粒子的数量相对较小。因此,相应的霰改变了雪粒子增长下降。然而,与此同时,在云中上升气流的强度增加,这可能是由于重大相变潜热发布(如沉积、冻结),因此加强对流在云5,45]。

当霰成长为冰雹,上升气流速度的增加将运输更多的过冷水在0°C的水平上,导致霰和冰雹的增长通过与过冷水碰撞,由明显的表示过冷水消费在弗莱彻方案(图7)。否则,上升气流足以允许冰雹有更多的时间来遇到过冷的水滴,允许冰雹粒子生长。

6。总结和讨论

(1)对冰雹过程模拟在这个工作,在地面hailfall浓度的影响显著高于地面降雨。hailfall区域和强度有显著差异。降雨,它只导致了稍微不同的强降水中心位置和降雨量和降雨的差异不超过5毫米。在浓度的变化引起不同的变化的水文气象云。对冰晶的影响是最重要的。在量越大,初始浓度越大的冰晶,冰晶的含水量。冰晶含水量的差别,计算基于浓度最高的库珀方案和弗莱彻方案的最小浓度,是9毫克公斤⁻¹。冰晶浓度的差异是95×10³L⁻¹。此外,高度的最大冰晶含水量发生是由冰的温度范围内成核激活。在云浓度的影响水和雨水内容相对较小。随着浓度增加,生成大量的冰晶,争夺水蒸气,并通过Bergeron冰晶的快速增长过程消耗大量的过冷水滴,间接影响云的变化水和雨水的内容。

(2)在这种情况下,不同浓度的影响在不同阶段的冰雹云也不同。在变化的时间和空间分布其他水文气象和动态结构在云中冰晶变异。一般来说,在发展中国家和冰雹发展的成熟阶段早期,大量的冰晶争夺有限的水汽和云水浓度增加,因此防止冰晶的生长和减缓雪晶的转变。这间接依赖有抑制作用的形成和增长/雪冰雹的胚胎。在后来的成熟阶段,在云中上升气流的增加,运输更过冷水0°C以上的水平。另一方面,这将允许更多的时间通过收集冰雹粒子生长的冰、雪粒子,过冷的水滴。

总之,冰雹风暴的发展和他们的依赖是非常复杂的。在未来,时间和空间的变化在严重降水的模拟应考虑基于高精度观测的气溶胶特征如气溶胶粒子的物理和化学性质,在激活气溶胶的属性。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(41375137,41375137,41375137,41505121),从气象灾害的重点实验室开放资金教育部、中国(KLME1205)和科学技术基金会中国国家电网公司(1704 - 00203)。