（气象学专业论文）山东省西部夏季冰雹云宏微观结构的数值模拟.pdf

摘要 本文通过实况观测分析和数值模拟，对2 0 0 2 年7 月1 8 日和2 0 0 5 年7 , q 1 2 日山 东省西部出现的两次冰雹云天气过程的发生发展的环境场特征、动力机制和云 物理结构开展了研究，在此基础上建立了山东省西部夏季典型冰雹云的概念模 型。 结果表明：两次降雹过程发生的大尺度天气背景场是高空低涡，低空的切 变线及地面的冷锋，中尺度背景场也为降雹提供了有利条件。降雹前风矢量场 存在有利的触发机制，即云顶的强辐散与云底的辐合相对应，引起的上升速度 随着降雹等因素引起的拖曳作用而逐渐被削弱。云体首先出现在主上升气流区 前侧，垂直方向上升速度最大值的上方，并沿着上升气流向外辐散下沉气流转 向处发展。在冰雹云发展阶段中底层出现回波非常弱的区域，呈现半圆形回波 缺口，对应的强上升气流；在最强盛阶段，中底层呈现钩状结构，有强上升气 流和偏南风的入流气流。在垂直剖面上出现穹隆、回波墙和悬垂回波。 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拐角处，垂直 方向最大上升速度上方的区域。雹胚出现的高度，环境温度为一2 0 ( 2 左右。随着 上升气流及辐散下沉气流的增强，雹胚被气流带至前方，一部分粒予( 以霰和 冰晶为主) 被辐散气流吹散，在水平方向上铺展得很开，形成强大的云砧；一 部分霰粒子由于下沉气流作用，被带至较低层，与底层的辐合气流汇合重新卷 入主上升气流，在上升和下沉气流之间循环增长，形成大的冰雹。胚胎帘出现 在主上升气流前方由上升气流转向下沉气流的区域，冰雹粒子在这里循环增长， 形成冰雹云成熟阶段垂直剖面上的回波墙。 关键词：冰雹云，雷达回波，雹胚，数值模拟，气流转向 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h er e a l - t i m eo b s e r v a t i o na n a l y z ea n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t w o s e v e r eh a i l s t o r m so c c u r r e di ns h a n d o n gp r o v i n c eo l lj u l y1 8 t h , 2 0 0 2a n dj u l y1 2 t h , 2 0 0 5w m c a r e f u l l ys t u d i e d 1 1 l ep a p e rr e s e a r c h e dt h ee n v i r o n m e n t a ld i s t i n c t i o n , t h e c l y m r l i em e c h a n i s ma n dc l o u dm i 四o p h y s i t ss l r u c t u r e f i n a l l yac o n c e p t u a lm o d eo f t y p i c a lh a i l s t o r mi nw e s ts h a n d o n gp r o v i n c ew c l ec 锄eu p t h er e s u l ts h o w st h a tt h el o wv o r t e xi nh i g ha l t i t u d e ，t h es h e a ri nm i n i m u m a l t i t u d ea n dc o l df r o n to ns u r f a c ew e r et h el a r g e - s c a l ee f f e c ts y s t e m a n dm e s o s c a l e b a c k g r o u n df i e l da l s op r o v i d e df a v o r a b l ec o n d i t i o n sf o rt h es t o r m f a v o r a b l et r i g g e r m e c h a n i s me x i s t e di nw i n dv e e t e r sb e f o r eh a i l i n g t h a ti s , t h ec o u p l i n go fs t r o n g d i v e r g e n c eo i lc l o u dt o pa n dc o n v e r g e n c eo nc l o u db a s ec a u s e di n t e n s eu p w a r d v e l o c i t y ，w h i e l aw o u l db e e n 鲫a c t u a l l yd e c r e a s e do w i n gt ot h ee f f e c to fd r a g g i n g f u n e t i o r to fh a i l i n ge t cb r o u g h t a tt h eb e g i n n i n g , b a i l d o u da p p e a ri nf r o n to ft h e m a i nd r a f t , h i g h e rt h a nt h el a r g e s ta s e c j a d i n gv e l o c i t y l l e ai nv e r t i c a l ，t h e nc l o u d d e v e l o p e da l o n gt h ep l a c ew h e r et h eu p d 触f l o wt u r n e di n t od o w n & a f td i v e r g e n t f l o w i nt h em i d d l ea n dl o wl e v e l so ft h ed e v e l o p i n gp e r i o d , 1 1s e m i c i r c l ee c h og a p a p p e a r e da tt h eb a c ks p a c eo ft h eh a i l - c l o u d , w h e r em a i nu p d l 啦e x i t e d a tt h e m a t u r i t yp e r i o d ，1 3 h o o ks h a p e de c h oa p p e a ra tt h er i g h tb a c ko ft h eh a i l - c l o u di nt h e m i d d l ea n dl o wl e v e l s e c h ow a l l ，b w e ro v e r h a n ge c h oe x i t e di nt h ev e r t i c a lp l a n e h a i le m b r y os o u r c ea p p e a r e di nt i o n to ft h em a i nd r a t t , h i g h e rt h a nt h el a r g e s t a s c e n d i n gv e l o e i t ya r e ai nv e r t i c a l w h e r et h eu n r a 矗f l o wt u r n e di n t od o w n d r a f t d i v e r g e n tf l o w t h es u r r o u n d i n gt e m p e r a t u r ei sn e a t - 2 0 ( 2 a st h es t r e n g t ho ft h e u p d r a f ta n dd o w n d r a f td i v e r g e n tf l o w , $ o i i l ep a r t i c l e sw e l ef l o w e dt oaf a ra f t r ai n h o r i z o n t a ld i r e e t i 0 1 3 t of o r me n o l m o u sa n v i lc l o u d ；s o m e ，c r ef l o w e dw i t ht h e d o w n d r a f tf l o wt oi tl o w e rl e v e lt om e e tt h ee o z l v e r g c n tf l o wa n di n t ot h em a i nd r a t i ， a n dt h e nt h ed o w n d r a f t t h u s ，p a r t i c l e sg r o wu pi nt h i sc i r c u l a t i o nb e t w e e nu p d r a f t a n dd o w n d r a f ta n di n t ol a r g eh a i lp a r t i c l e s e m b r y oc u r t a i ne x i t e da tt h i sa i a e c h o w a l lw a sa l s oh e r ea tm a t u r e p e r i o d k e y w o r d ：h a i l - c l o u d ，r a d a re c h o ，h a i le m b r y o ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h et u r no f f l o w 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l ，坚持以。求实、创新”的科学精神从事研舡作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研舡作和取得的研究成果 3 、本论文中除引文外，所有实验，致据和有关材科均是真实的 4 本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写 过的研究成果 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意 作者签名；区讼 日期：立平旦 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门城其指定机构送交论文的电子版和纸 质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复翻并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后适用本规定 作者签名：喳邀 e l 期：堡z ! ：! 第一章前言 1 1 引言 第一章前言 冰雹是中小尺度强对漉云( 即冰雹云) 的产物，是一种严重的气象灾害，它出现时常伴 有大风、降温和强降水。冰雹作为一种自然灾害，对人民群众的生命财产和国家的工农业 生产造成巨大的威胁。我国平均每年由于冰雹造成的直接经济损失达数十亿元。在我国北 方地区，冰雹灾害频繁，突然的冰雹袭击常使丰收在望的农作物毁于一旦。尤其是维持时 间较长的超级单体风暴所造成的灾害更为严重。对冰雹云进行研究可以减少冰雹所带来 的不利的影响，并可将冰雹转化为降水降落，使干旱地区灾情得到缓解，为人民的生产生 活带来积极的影响。 1 2 国内外进展 冰雹云发展极其迅速，从最初形成到最终瓦解往往只需要几个小时，其生命史非常短， 但结构却很复杂。而冰雹云的形成是范围很广的大尺度系统、中尺度系统及云物理过程相 互作用的结果，与环境场和云内的微物理场有多重的相互作用，这使得我们在研究冰雹云 的过程中遇到很多困难。但是，人类探索自然规律的脚步却从未停止。从上个世纪初开始， 国内外许多学者利用各种探测手段和研究方法对冰雹云进行研究，对冰雹云的结构和形成 机制方面有了初步的认识。尤其近些年来，多普勒天气雷达的迅速发展。极大地提高了对 强风暴的三维动力结构的认识，使得对冰雹的研究有了很大的发展。 1 2 1 冰雹云物理学研究 冰雹云是强对流云，是可在地面形成降雹的积雨云。它具有对流云的各样特征：垂直 厚度达、上升气流强、含水量丰富和负温层厚度大等特点。根据生成环境和内部结构，对 雹云的分类各有不同，一般简单分为超级单体和多单体雹云两种。根据黄美元“1 等( 1 9 8 0 ) 总结的冰雹云的结构模式和动力特征，认为对于造成巨大危害的强单体冰雹云，其结构的 主要特点是云体庞大，生命史长，云中结构比较持续稳定。云中有两支对持相切的上升气 流和下沉气流组成，倾斜上升气流从风暴右前例低层进入云底，在云中上部上升气流达极 大，然后迅速减小，在高层随高空风向云移动方向流出，拉出了巨大的云砧。下沉气流是 l 第一章前言 由云后中层流入。并由降水加强，在近地层向四周辐散，大部分向后流出，小部分则进入 上升气流区，加强了云体发展。 对于冰雹云研究中最著名的是在2 0 世纪6 0 年代初，前苏联科学家s u l a k v e l i d z e 等四 提出了冰雹形成的累积区理论。其主要概念为；对流云中上升速度从云底随高度逐渐增大， 到达高度z 时上升速度为最大值。从z 到云顶，上升速度随高度减小，这样的云中上升速 度分布，造成了在z 以上大量液态或固态水累积的条件，如果最大上升速度大于自然破碎 时水滴的降落末速度v ，而z 又低于大水滴的自然冻结高度，则在云的中上都形成由大水 滴组成的含水量累积区。当累积区处在o c 层与- 2 5 层之间时，就会形成冰雹，所以累积 区是冰雹生长的主要源区，其体积约在1 1 0 1 锄。在这基础上提出了竞争防雹理论，认为 累积区中含水量很大，而自然冰雹胚胎数量不多，它们都能充分并合冰冻长成大冰雹。为 了限制这些自然冰雹胚胎的增长，向云中引进大量人工冰雹胚胎，去和自然雹胚争食累积 区里可利用的液水，结果每一个雹胚都得不到充足的液水，从而不能长成大冰雹，达到人 工防雹的目的，这个理论引导了苏联在6 0 - 7 0 年代人工防雹方面取得很大的效益。引起了 全世界的高度关注。这个理论引导前苏联在6 0 - 7 0 年代开展了较大规模的外场防雹试验。 b r o w n i n g 和l u d l a m p l ( 1 9 6 2 ) 最早提出了超级单体雹暴中的冰雹循环增长模式。其主 要概念是：强风暴所特有的有组织的上升气流和下沉气流的三维结构，可以使降水粒子在 其中上下往返多次而循环增长，大的雹胚沿倾斜气流上升，增长到气流托不住时落下，并 重新进入上升气流区增长，因为较高部位含水量少，雹块捕获的过冷水滴可迅速冻结，而 再次进入含水量较大区域时，捕获的过冷水滴冻结很慢，如此循环几次，即长成明暗相闻 的多层冰结构。这个理论较好地解释了冰雹的分层结构。冰雹的增长可能经历了“干”和 “湿”阶段，即如果冰雹碰冻的过冷水滴全部冻结的话，则冰雹处于“干”生长过程，其 表面温度低于o c ；如果冰雹的热传输不足以冻结所有的碰冻过冷水滴，则冰雹处于 “湿”生长过程。 后来b r o w n i n g 和f o o t e “。( 1 9 7 6 ) 通过对( f l e m i n g ) 雹暴流场结构的分析，推论出在超 级单体雹暴中，冰雹的增长可以区分为三个阶段，总结为胚胎帘理论。强风暴的雷达回波 特点是悬垂回波和弱回波穹隆，因为悬垂回波起着雹胚源的作用，所以此理论也就称为胚 胎帘理论。具体概念是：在强上升气流中心的粒子，由于增长时间太短而不能长大，大部 分随上升气流进入云砧或出云；在上升气流边缘的粒子，由于上升气流比较弱而有较长时 间增长，能达到毫米大小并有机会进入胚胎帘。胚胎帘中一部分冰雹胚胎降到帘的下部， 随上升气流进入含水量丰富的区域进一步增长，然后沿着回波穹隆顶部长成大冰雹，在回 2 差二童萱壹 波墙前降落 上述冰雹形成生长机制的理论。基本上是一些物理概念模型。这些理论成果提供了早 期防雹试验的理论基础，并取得了一定的实际作业效果。上述理论已得到一些观测事实的 支持，能解释一定类型雹暴中冰雹的形成，但还应通过观测和数值模拟，对这些理论做更 广泛的验证和鉴别。分析其适用条件和局限性，以便发展成针对性强的可以作为防雹依据 的重要理论。 1 2 2 羲齿观测研究功灌云 近些年来，多种先进探测工具的使用，尤其是多普勒天气雷达的迅速发展，极大地提 高了对强风暴的三维动力结构的认识，使得对冰雹的研究有了很大的发展。 上个世纪6 0 年代初，b r o w n i n g 3 1 4 指出，超级单体作为一个强烈发展的对流单体的 特征除了其准稳定状态外，一个重要特征就是雷达回波存在一个弱回波区w e r ( w e a k e c h or e g i o n ) 或有界弱回波区b w e r 。超级单体的另一个雷达回波特征是低层的钩状回 波，第一个钩状回波是由s l o u t 和h 浦口) 观测到的。并非所有的超级单体都呈现出典型的钩 状回波，大多数情况下都是由风暴主体向着低层入漉方向伸出的一个突出物。d o n a l d s o n l o j 首次利用多普勒天气雷达观测到了超级单体中的“龙卷气旋”，也就是最早由f u j ，胎f 提出， 现在广泛使用的所谓“中气旋”( m e s o c y c l o n e ) 。近些年来，多普勒天气雷达的迅速发 展。极大地提高了对强风暴的三维动力结构的认识，使得对冰雹的研究有了很大的发展。 k e s s i n g e r 等 s l 使用多部多普勒雷达资料对中纬度飑线系统进行了研究，发现中纬度飑线 系统在对流区高层辐散。对流上曳气流在低层向西倾斜。但在对流项附近向东倾斜，环境风 切变在低层弱，在中层较强。h o u z e 等f 9 1 研究了1 9 8 5 年5 _ 6 月风暴前期试验的两个中 纬度中尺度对流系统的三维动力特征，揭示了一些重要流场特征，例如相对于风暴高空的 前部向后运动的气流，中低空来自后部的下沉气流，以及与比较强烈中尺度下沉相联系的 低空辐散气流等。 在国内，也有很多专家利用雷达对冰雹云进行研究。比较早的有葛润生u 啦对1 9 6 4 年 发生在北京地区几次降雹过程的雷达回波进行分析。其中一个雹暴的结构和超级单体相似。 之后王昂生和徐乃璋f 1 1 j 研究了中国若干超级单体个例。葛润生等1 1 2 l 利用中国气象科学研 究院的多普勒天气雷达研究了一次雹暴的反射率因子和流场结构，发现那次雹云过程在垂 直剖面上的气流有良好的组织，表现出强烈的旋转和上升。刘黎平f 1 3 】【1 4 】利用双偏振雷达研 3 第一章前言 究冰雹云，根据雷达r h i 资料推测z d r 值为负的区域相应于降雹区，而z d r 值较大区为雨 区。冰雹区z d r 负值可能是由具有一定优势取向的大扁冰雹和小的锥状冰雹产生。利用此 结论可以区分降水的相态。朱君鉴等1 1 5 】利用雷达研究表明风暴中存在中尺度气旋，中尺度 气旋低层气旋性辐合、中低层纯气旋性旋转、中上层气旋性辐散、高层辐散。在中高层气 旋的右后侧紧挨着有一个反中气旋伴随。中气旋与反中气旋形成了一个“8 ”型流场和。s ” 型的强回波区。朱君鉴等” 对发生在山东的一次冰雹风暴的c i n r a d s a 产品进行了分析， 观测到了低层前侧入流缺口、有界弱回波区( b 盹r ) 、中气旋0 d 等超级单体风暴的特征， 揭示了风暴中中气旋发生、发展和消亡的过程。殷占福”对多普勒雷达观测的山东省的冰 雹云进行了比较详细的分析。 1 2 3 冰雹云数值模拟 云数值模拟是现代云和降水物理学研究的最重要发展之一，其最大优势在于能够将 云内各种微观物理过程、化学过程等与制约云发展演变的宏观动力过程有机结合起来，揭 示其相互作用特征。因而，同经典理论研究、实验室研究以及外场观测一起成为当今云和 降水物理学研究的最基本手段。在5 0 年代末期人们就开始应用云数值模拟对进行模拟。云 模式也从一维、二维发展到三维的云模式。 上世纪7 0 年代早期和中期在美国所进行的国家冰雹研究试验( n h r e ) ，取得了一系 列关于雹暴的比较完整的资料，m i l l e r 等“”，f o o t e 利用这些资料检验了大量关于冰雹增 长轨迹的模拟研究。o r v i l l e 等“”，f a n e y 等“”对二维雹暴模拟进行研究。其他关于冰雹增 长和雹暴诊断的模拟研究，如d a n i e l s o n 。1 的早期一维雹云过程模拟指出冰相微物理过程 是影响美国西部地区对流风暴生命史以及降水的关键因素。t a k a h a s h i 2 ”在一个二维轴对 称积云动力学模式中非常详尽地模拟了几类冰相质粒，尤其是冰雹的谱演变过程。考虑了 冻结和凝华核化、结淞核凝华增长。h a l l e t - - m o s s p o 繁生、融化及破碎等微物理过程对质 粒谱的贡献，但没有考虑雹块的湿增长方式。o r v i l l e 和k o p p “”将w i s n e r 等的体积水参数 化冰相微物理过程加以扩充后结合到他们的二维面对称加山地积云模式中模拟雹云的生命 史。模式中将冰相质粒分为云冰和雹块两类，增加考虑了雹湿增长方式以及雹块融化水的 脱落，但未包括过冷雨水与冰晶接触引起的碰冻以及次生冰晶的产生项，冰晶的凝华率只 用了一个公式。云水在一3 5 时瞬时转化为云冰。f a d e y 将云冰和雪晶仍用体积水参数化 方法计算，但把雹块按质量划分为2 0 档，分别计算各档的数浓度变化，使得可以侧重模拟 4 第一章前言 各种微物理过程以及播云作业对雹谱的作用。k o p p “”在模式中对冰晶( 云冰) 浓度改为通 过方程求解。 我国在很早的时候就对冰雹云进行数值模拟。上世纪6 0 年代初巢纪平和周晓平等“ ( 1 9 6 4 ) 采用流体力学模式模拟了一块轴对称积云的发展过程，正确模拟出了干对流中温 度场和垂直速度场的结构配置以及演变特征。并对流云降水的阵性特征及降水的拖带作用 做了理论和数值试验。毛节泰等1 ( 1 9 8 2 ) 对用一维、定常积云模式对北京地区的冰雹作 了尝试。许焕斌( 1 9 8 5 ) 引入了雨水、冻雨和冰雹浓度连续方程，并重新给定了冻雨冰 雹的谱形式，建立了一个新的一维时变参数化模式这个模式可以较好地描述各种不同类型 的水凝物粒子问的相互作用。胡志晋”1 ( 1 9 8 7 ) 建立了一个比较完整的积雨云参数化微物 理模式。包含了2 6 种微物理过程，并且试验结果表明：模式所用的双参数方案、冰晶 核化、云雨自动转化、冰晶繁生等方程能较好地反映云中微物理过程，但是冰晶聚合过程的 模拟需要改进。何观芳和胡志晋”3 ( 1 9 9 8 ) 通过典型实例对自然过程和引晶催化过程进行 了系统模拟，主要比较分析不同云底温度的自然成雹和催化成雹的不同机制和技术为防雹 作业应用提供理论依据。郭学良”( 1 9 9 1 ) 建立了三维强对流云的冰雹形成机制及降雹 过程的冰雹分档模式，包括3 7 种主要微物理过程的详细的微物理模式，并对多单体风暴进 行了数值模拟，模拟结果与观测结果基本一致，成功模拟出多单体风暴中冰雹的循环增长 机制。付丹红等( 2 0 0 3 ) 利用三维冰雹分档模式较好地模拟出北京的一次大风和强降水 天气过程。孔凡铀等“”( 1 9 9 0 ) 研制了三维对流云模式，指出了冰相过程在积云发展中的 作用。黄燕等“1 ( 1 9 9 4 ) 盼三维碘化银成冰催化模拟得到了一定的防雹效果。周玲等” ( 2 0 0 1 ) 利用三维双参数冰雹云催化模式模拟研究了陕西旬邑的冰雹云，指出了在云的发 展早期具有前苏联s u l a k v e l i d z e 等提出的过冷水累积带的类似结构，对其及时催化可导致 减雹增雨的效果，并且研究了冰雹形成的物理机制，认为9 7 的雹块是以冻滴为核心增长 的。许焕斌和段英“( 2 0 0 2 ) 利用三维e u l e r 强对流云模式和三维l a g r a n g e 粒子群运行增 长模式，研究了对流云中过冷水的消耗和水凝物的积累及之间的关系，提出了零域及穴道 的观点，并认为，粒子的集中和水凝物的积累是动态循环式的，受流场和粒子运动的动力 过程控制。在此基础上，利用数值模式探讨了人工雹胚和自然雹胚的。利益竞争”防雹假 说，得出人工粒子的播撒位置应该在“穴道”，有利于雹胚的形成，并可以和自然雹胚平 等地争食过冷水而达到防雹的效果。房文3 ( 2 0 0 1 ) 利用郑国光( 1 9 9 4 ) 测定的热传输系 数，进行参数化处理。模拟了各种参数化方案下冰雹的生长情况，结果发现冰雹的融化、 蒸发、干湿增长都有很大不同。段英等( 1 9 9 8 ) 对单体、多单体、超级单体冰雹云的数 5 第一章前言 值模拟，等等。这些研究结果为实际的催化作业提供了理论基础。刘术艳：3 ”在对北京的冰 雹云个例进行模拟时指出：冰雹粒子主要由冻滴和霰转化形成，但冻滴对冰雹形成的贡献 比霰大得多，冰雹含水量中心的发展演变与冻滴含水量中心的发展演变相一致，冰雹主要 是通过撞冻过冷水过程而进一步长大的。洪延超h 们、李文娟“”等也对冰雹云进行了模拟研 究。 1 3 研究内容 1 , 3 1 问题的提出及研究的主要内容 基于人工消雹的需要，我们需要对冰雹云内部的宏微观物理结构有更深入的研究。因 此本论文将主要研究冰雹云形成的环境场特征、冰雹云的风场、热力场及云宏微观结构、 空间尺度、生命史等以及冰雹云的微物理过程以及支配云过程的热力动力条件，云物理过 程对动力场热力场的反馈。由于在消雹作业中，播撒催化剂的时机、剂量、云中部位等是 非常重要的因素，因此需要对冰雹云中雹胚产生的源地以及在各阶段生长方式是怎样的有 更精确的认识。s u l a k v e l i d z e 提出的“水分累计带”和“利益竞争”理论很大程度上解决了 这个问题，但是由于依据的物理模型过于简单。它基本上是一个垂直的一维模型等问题， 而后来的一些科学家( 如许焕斌等) 提出的一些概念模型使这个问题有了更深入的理解， 因此本论文重点将讨论冰雹云中雹胚产生的源地、在各个阶段冰雹云的发展情况以及其微 物理结构，以对人工消雹提供更好的理论依据。 1 , 3 2 论文结构 论文主要内容分为五章： 第一章：阐述论文选题的目的和意义；回顾和总结国内外利用多普勒雷达资料和模式 模拟冰雹云的研究进展和动态；陈述论文研究内容和目标。 第二章：介绍观测资料的获取以及雷达资料的观测方案，陈述本次论文研究思路和方 法，并介绍了数值模式的框架。 第三章：对2 0 0 2 年7 月1 8 日下午发生在山东泰安的一次冰雹个例进行研究。分析降雹 前天气形势、中尺度背景：分析了多普勒雷达观测数据：并利用数值模式对此次冰雹云进 行了模拟。将模拟结果和实况进行比较，讨论了冰雹云形成的环境场特征、冰雹云的风场、 热力场及云宏微观结构、空间尺度、生命史等以及冰雹云的微物理过程以及支配云过程的 6 第一章前言 热力动力条件。 第四章：对2 0 0 5 年7 月1 2 日下午发生在山东泰安的一次冰雹个例进行研究，分析降雹 前天气形势、中尺度背景；分析了多昝勒雷达观测数据；并利用数值模式对此次冰雹云进 行了模拟，将模拟结果和实况进行比较，讨论了冰雹云形成的环境场特征、冰雹云的风场、 热力场及云宏微观结构、空间尺度、生命史等以及冰雹云的微物理过程以及支配云过程的 热力动力条件。 第五章：针对论文提出的问题及目的，对论文的研究内容和研究结果进行全面概括和 总结，在总结前人研究工作的基础上，改进了山东省西部冰雹云的概念模型，讨论了本次 论文存在的闻题和不足 7 第二章观测资料和研究方法 2 1 研究方法 第二章观测资料和研究方法 近年来。由于多普勒雷达的广泛使用和计算机的不断更新，对冰雹云形成发展过程的 研究水平有了较大的进步。本论文将以数值模拟为主，模式选取中国气象科学研究院的三 维对流云模式，对典型个例进行数值模拟，并结合以雷达为主的冰雹云实际观测，对模拟 结果进行分析，从而总结出冰雹云的宏伟观物理结构以及雹云中的云微物理过程。 2 2 资料获取 2 2 1 探空资科 目前大量使用的方法是无线电探空仪探测法，即采用无线电遥测技术，由充气氢气的 探空气球携带无线电探空仪上升，进行空中温、压、湿及风速风向的测量。它可以将感应 的气象要素值转为无线电信号，不断地向地面发送，地面的接收设备同时接收和处理探空 信号，就可以获得探测结果。本文使用的探空资料为济南站的常规探空资料。 2 2 2 多普勒天气雷达观涮 天气雷达是探测降水系统的主要手段，是对强对流天气( 冰雹、大风、龙卷和暴洪) 进行检测和预警的主要工具之一天气雷达发射脉冲形式的电磁波，当电磁波脉冲遇到降 水物质( 雨滴、雪花和冰雹等) 时，大部分能量会继续前进，而一小部分能量被降水物质 向四面八方散射，其中向后散射的能量回到雷达天线，被雷达所接收。根据雷达接收的降 水系统回波的特征可以判别降水系统的特性。2 0 世纪末2 l 世纪初新一代天气雷达系统建 设被列为我国一项跨世纪的气象现代化工程。我国新一代天气雷达业务组网的建设目标是： 在东部和中部地区，装备先进的新一代s 频段和c 频段多普勒天气雷达系统，对强对流、 热带气旋和暴雨等重要天气系统进行有效的监测和预警。 新一代天气雷达有若干个子系统构成。这些子系统是：雷达数据采集子系统( r d a ) 、 雷达产品生成子系统( r p g ) 和主用户终端子系统( p e p ) 。r d a 是用户所使用的雷达数据的 采集单元。i d a 由四个部分构成：发射机、天线、接收机和信号处理器。它的主要功能是 8 第二章观测资料和研究方法 产生和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的散射能量，并通过数字化形成基本数据。 r p g 是由宽带通讯线路从r d a 接收数字化的基本数据，对其进行处理和生成各种产品，并 将产品通过窄带通讯线路传给用户。p u p 主要功能是获取、存储和显示产品。预报员主要 通过这一界面获取所需要的雷达产品，并将它们以适当的形式显示在监视器上 本论文采用的是济南雷达站的多普勒天气雷达观测的产品，是北京敏视达雷达公司生 产的s 波段全相干新一代多普勒天气雷达( c i n r a d s a ) 。体扫方式为v c p 2 1 ，即规定6 分钟内 对9 个具体仰角的扫描。它具有采样频率高、空间分辨率高、探测范围大、能探测大气中的 天气系统的风场结构等功能，也具有探测径向风速的功能以及丰富的产品，因此在中尺度 气旋、中小尺度辐合线的识别、锋区及切变线的定位、冷暖平流和气旋结构的分析等方面 具有独特的优势。济南新一代天气雷达架设在济南西北方向约2 3 k m 的齐河县境内( 3 6 。4 8 1 0 ”n ，1 1 6 。4 6 7 5 l ”e ) ，雷达型号为c i n r a d s a ，天线海拔离度7 2 。钿，天线中心相对 地面高度4 3 m ，雷达工作波长2 8 3 0 蛐z ，2 0 0 2 年2 月开始使用。 2 3 雷达资料分析 ( 1 ) 反射率因子( r ) 雷达反射率因子r ( 单位d b z ) 为单位体积内所有散射粒子直径六次方之和，反映了降 水的强度。反射率因子的大小主要是大粒子起主要作用，因此在冰雹云观测中。强回波区 意味着大冰雹粒子所在位置。反射率因子描绘了一个完整的3 6 0 。方位扫描的回波强度数 据。依靠反射率因子产品可以确定回波的强度，确定风暴的强弱和结构以及强降雨( 雪) 带，还可根据反射率因子随时间的变化确定降水回波的移动以及未来的趋势等，结合c i c 、 r c s 和e t 产品，可以分析回波结构、强度、高度及任意剖面的强度垂直分布。 ( 2 ) 径向速度( v ) 径向速度( v ) 是利用多普勒效应确定目标物在雷达径向方向上的速度分量。分析内 容主要包括：零径向速度线，正负速度的对称性。如果径向速度线平行于雷达距离圈，则 表明零径向速度线即为辐合或辐散线，或者表明存在风的垂直切变；零径向速度线不呈径 向分布，而是一条曲线，表示风向随高度变化；零径向速度线出现明显折角，反映了水平 流场中有不同方向的气流存在，可能是有锋面、切变线等天气。尺度小且强的正负速度中 心径向对称，表明存在辐合或辐散运动，负中心靠近雷达一方为辐散，反之为辐合；尺度 小且强的正负速度中心切向对称。表明存在气旋性涡旋或者反气旋性涡旋，左正右负为反 气旋性涡旋，左负右正为气旋性涡旋。 9 第二章观测资料和研究方法 ( 3 ) 垂直剖面( r c s ，v c s 和s c s ) 垂直剖面有反射率因子剖面( r c s ) 、速度剖面( v c s ) 和谱宽削面( s c s ) ，可以沿 着雷达观测范围内的任意两点。剖面垂直方向的分辨率为0 5 1 m 、水平方向的分辨率为i k m 。 但由非相邻方位扫描得到的数据则垂直分辨率较粗，因为数据空白是由水平和垂直内插填 充的。r c s 可以用来分析冰雹云的结构特征，如悬垂状、倾斜度、弱回波区及有界弱回波区。 v c s 主要与r c s 联合使用，以建立反射率因子结构和风暴运动学的联系。v c s 也可被用于分 析风暴顶辐散及中气旋的垂直范围。s c s 被用来检验r c s 和v c s 产品的特征。 ( 4 ) 垂直累积液态水( v i l ) c i n r a d s a 雷达系统的v i l 算法假设垂直气柱里所有反射率因子均由液态水造成，对气 柱内的液态水含量求和，获得垂直累积液态水总量。覆盖半径是2 3 0 k m ，分辨率为4 k m x 4 k m 。 v i l 的计算方程为： m = 3 4 4 1 0 - z 4 7 7 其中m 为液态水含量( g 所- 2 ) ，z 为雷达反射因子( 所聊6 柳 3 ) ，其定义为单位体积中 降水粒子直径6 次方的总和，有以下关系式： z = y d ? 簟l 幻 反射率因子z 值的大小，反映了气象目标强度。 由上述两个关系式，我们可以看到v i l 和降水粒子直径成正比例的关系，当垂直累计含水量 增大时，粒子直径也相应增大，雷达反射率因子也增大；反之，垂直累计含水量减少时， 降水离子的直径也将减小。 ( 5 ) 中气旋( m ) 中一，尺度涡旋常和强烈的上升气流相伴，具有组合蓝金涡旋特征。它在多普勒径向速 度图上表现为一对最大正负速度中心组成的小尺度涡旋，由切变尺度、垂直方向伸展和持 续时间3 个参数衡量中一，尺度气旋的强弱，其中切变尺度通常由旋转速度来估计。从径向 速度图中可以清楚地看到中一，尺度气旋的演变特征。 中气旋的生命是可分为生成阶段、成熟阶段和消散阶段。 生成阶段：中气旋的速度分布具体起源于中层并向上、向下增长的特征。同对，中气 旋底部以下常伴有相应尺度的辐散现象。 成熟阶段：低层。上升气流下方的辐合和中气旋的旋转相结合，产生辐合旋转；中下 层，为纯粹的旋转；中上层，产生辐散旋转；中气旋顶以上的的风暴顶部，只存在纯粹的 l o 第二章观测资料和研究方法 稻散。 消亡阶段：以中气旋的高度迅速降低为开始。并且其旋转速度不断减小。最终只存在 于一很浅薄的层内，并且低层通常伴有辐散气流。 ( 6 ) 相对风暴径向速度( s 删) 相对于风暴的平均径向速度图( s 腿) 与基本速度产品类似，只不过减去了由风暴跟 踪信息( s t i ) 识别的所有风暴的平均运动速度，或减去了由操作员选定的风暴运动速度。 由于相对于风暴的平均径向速图度减去了风暴的运动速度，所以可以更有效地用来分析风 暴内部的风场的辐台辐散及旋转结构。该产品对每个采样的仰角都可以得到，显示范围是 2 3 0 k m ，分辨率为1 。i k = ，数据级别为1 6 ，它用的是组成1 1 【m 产品分辨率提及的4 个o 2 5 k m 距离库中最大速度值。另外，相对风暴径向速度图的色标范围是从一2 5 m s 至l j + 2 5 m s ，而 基本速度图的色标范围是从一3 3 m s 到+ 3 3 m s 。利用s r m 可以探测到被风暴运动掩盖掉的切 变区域( 如中气旋、辐散及龙卷涡旋特征) ，对快速移动的风暴最为有效。 ( 7 ) 回波顶( e t ) 回波顶( e t ) 是1 6 个数据级别的产品它是在1 8 d b z ( 可调阈值) 反射率因子被探 测到时，显示以最高仰角为基础的回波顶高度。回波项是以平均海平面( m s l ) 为参考的， 它是在雷达2 3 0 k i n 内的4 蛔4 k m 笛卡儿网格上。利用e t 可以研究强烈发展的风暴，但是由 于受天线扫描方式有关的体积扫描模式( v c p ) 的限制，经常发生弧状的“阶梯式”形状回 波。 2 4 模式简介 本文采用了中国气象科学研究院的三维对流云模式对冰雹云的宏微观特征进行数值 模拟研究。兰位对流云模式采用的是g a l - c h e n 地形坐标系中全方程作为动力框架，由分裂 时步法计算声波，并考虑了准弹性近似。模式考虑了云滴、雨滴、冰晶、雪晶、霰、冰雹 等的微物理过程对云和降水的作用。 2 4 i 模式方程组 第二章观测资料和研究方法 a 讲u = - c 。8 , 。豢一( o 觑u u + 等+ 警一_ + 去或 詈一c p 钆爹一c 警+ 等+ 警一v v 历心去风 詈一c 氏警一c 警+ 等+ 警一m 卧c + 去珥 丝叫警+ 娑+ 譬协v 矿) 押罢”上d ， (1)ot 反 钞 昆受 4 岛 4 警一一c 警+ 等+ 警训v 而q v i l 。， 西缸 匆 岔 9 9 “ 9 詈去毒c 岛氏誓， 公式( 1 ) 中，由为q ，q 。，n 。，q ，n ，q l ，n f ，q ，n ，q g ，n g ，q ，k ，n 。，n 。 d 为湍流扩散项，为源汇项，p 、口，表示位温和虚位温，e 表示下落项： ，；一1 业 。4 氐 钯 r ：2 s c 丢+ o e t 。，一o 。一。，一。，一o ， - o g - q h ， c = ( c 口r d 氏c ，) 0 5 在上述几式中，除速度预报量外，其他预报量均采用分离变量法分解为扰动量与平均 量( 静力平衡参考态) 之和：a = a o + a 。这样做有利于减少多种计算误差，对地形坐标下 的气压梯度力的计算尤为重要。为了表示起来比较简单，我们将含有a 的量用a 来表示， 这样，上述方程中，除速度预报量外，其他预报量实际上是扰动量。在实际计算时，我们 将上述方程组转化为地形坐标系下的相应的形式进行计算。 2 4 2 源汇项的计算 方程( 1 ) 中各源汇项的计算方法如下： m g2 一s , , , c - s 。- s w - s - s 一p w + 固2 。 苎三主婴型塞整塑堡塞查鲨 m g - s 竹- c d - c 仃- c 昭- c 曲a 仃- p d + 巧q 铲 ” ”，琶 m ，2 n s + n c 口+ n a 口+ 矿+ n m , , + n m h , - n m t 2 2 7 3 k _ c h t 2 7 3 k - n c , j , 一n c g n c 。t 2 7 3 k ，k k 2 0 - n c 而呻犯嘈呻i c h 一( c 埔c 俯) q h o t 2 7 3 k ，k k = l m 口，- - s w + c d - c p - - m ，一c 培一c 曲- a 曙+ p w + p d + 固打 m n ? = n s - n c p - n m h - n c 一n a 镕+ n pv i + n p d - n cu + 6 n h 口l - s _ 譬+ c 曙+ c 孵- - c # , + a 。8 + m ，譬吨矿- a 一+ c + c p + c d t 2 7 3 k w 虬= s 。+ n a 培+ 咖，譬叶唧，呻帆一- n c 曲+ 乏” m 口 2 s 讪+ c 腑+ c 一- m 加- a 劝+ m 帆- n a 一- h 强n 。2 矾 m 2 耐m 。 d + c ，i ， c 讷 t 2 7 3 k t 2 7 3 k t 2 7 3 k k k = 0 k k = l 其中，k k ；0 表示雹块干增长，k k = 1 表示雹块湿增长。在上式中，m f 、m p 、m 打、m ，譬为霰、 第二章观测资料和研究方法 冰晶、冰雹和雨水的融化或冻结项。 2 4 3 边界条件 模式是由出、入流条件确定的迎风平流和o r l a n s k i 辐射相结合的边界条件，并建立了 海面吸收项和海绵侧边界模块。模式下边界可选光滑地表、阻尼地表或直接由边界层参数 化确定。 2 4 4 模式的初条件和对流启动方式 模拟域的水平范围为1 0 0 k m x l o o k m ，垂直高度为1 5 k i n 。网格间距x = y = l k m ， z = 0 5 k m ，即x ，y 轴上分别有1 0 0 个格点。z 轴上有3 0 个格点。模式选用c 一型跳网格和二阶 蛙跃差分方案，时间积分采用分裂时步法，即大时步取3 0 s ，小时步取5 s 分步积分，模拟时 间1 2 0 m i n 。为了在模式中触发对流的产生，本模式采用湿、热泡扰动： 口= 口。( 1 - o 0 5 k k 。1 ) e 一1 i 7 。ie - 4 , v - j o i q ，= q y o + ( q 册- q r d ) r h e 白1 7 。口i e - a 4 j - j o ie - a l 啦i 式中i ，j ，k 分别为x , y , z 方向格点；l o ，j o ，k o 为最大扰动中心；口一为最大扰动位温； i i i i 。为最大扰动相对湿度；q 为考虑位温扰动后的饱和比湿；口1 ，口2 ，岱3 ，a4 ，口s 为扰动衰减系数。 1 4 第三章2 0 0 2 年7 月1 8 日冰雹云个例分析 3 。1 灾情报告 第三章2 0 0 2 年7 月1 8 日冰雹云个倒分析 据山东的灾情报告，2 0 0 2 年7 月1 8 日，泰安岱岳区、泰山区1 1 个乡镇遭受暴风雨和 冰雹袭击。岱岳区：1 8 日1 5 ：0 0 1 6 ：3 0 ，黄前、祝阳、山口、徂徕等乡镇的3 8 个村遭受 冰雹袭击，冰雹持续长达3 0 分钟