（大气物理学与大气环境专业论文）多普勒雷达探测资料的云模式数值模拟试验.pdf

摘要 利用中国 科学院大气物理研究所建立的完全弹性三维雹云数值模式 收a p - c s m 3 d ) . 模拟 了2 0 0 4 年4 月2 3日发生在湖南境内的一次强对流天气过程。当日0 8 时1 5 分至 1 1 时4 2 分 一条胞线横扫湘中 湘南大部分地区，造成邵阳、 娄底、长沙、浏阳等地区和城市普降暴雨， 累积 三小时 最大降水量 均超过5 。 二。1 2 时3 7 分至1 4 时2 5 分，长 沙、株洲先后遭到冰雹的 袭击。 文中模拟了 此次强对流过程的流场、雷达回波和含水量等宏、微观物理量的分布及其 演变。 分析了 冰雹形成的 微物理过程， 冰雹粒子主要由 冻滴 ( c n f h ) 和被 ( c n g h ) 转化形成， 其中 冻滴的 贡献比 较大， 冰雹主要是 通过 撞冻过冷水过 程 ( c l c h , c l r h ) 长大。 将多 普勒雷 达实测资料同模拟的 气流结构进行比较，结果表明，雷达观测到散度随高度的变化与模式模 拟的气流结构一致;模式输出的雷达回波强度及回波顶高与雷达观测事实相近。 云中 含水量一直是多种学科和业务中 都极其重要的 参数。目 前 众多雷达产品中反映 含水 量大小的产品只有垂直累积液态含水量 ( v 工 l ) ，为了了 解云体内 部的水成物分布， 我们利用 多普勒天气雷达探测的反射率因子反演含水量，并构建了等高平显和垂直剖面两种显示。计 算域定为以 雷达站为中 心，水平边长为1 5 0 k 。 的正 方形格点域， 高度为 3 0 k m ， 分辨率是l k m x 1 k m x l k m .以 此次强 对流风暴过程为例， 对比 数值模式输出的 含水量， 结果表明， 不论在风 暴的发展阶段还是在强盛阶段，反演得到的含水量等值线分布和模拟输出总体相似 风暴中 心的强度和高度位置吻合得很好，基本上可以反映该风暴云的结构，反演效果较好。 关键词: 对流风暴云，数值模拟，含水量，成雹机制 ab s t r a c t t h e f u l ly e l a s t i c t h r e e - d im e n s i o n a l c o n v e c t i v e s t o r m m o d e l ( l a p - c s m 3 d ) d e v e l o p e d b y t h e i n s t i t u t e o f a t m o s p h e r i c p h y s i c s ( l a p ) , u s e t h i s m o d e l t o s i m u l a t e a s t r o n g c o n v e c t i v e s t o r m t h a t o c c u r r e d i n h u n a n p r o v i n c e o n a p r . 2 3 t h , 2 0 0 4 . t h e d is t r i b u t i o n a n d e v o l u t i o n o f m a c r o - p h y s i c a l a s w e ll a s m i c r o - p h y s i c a l v a r ia t i o n s s u c h a s w in d f i e l d s t ru c t u r e , r a d a r e c h o , w a t e r c o n t e n t , e t c . i n t h e s t o r m w e r e a n a l y z e d . t h e f o r m a t i o n m e c h a n is m o f h a i l s t o n e s in t h e s t o r m w a s a n a ly z e d t o o . i n d i c a t e s th a t h e a u t o - c o n v e c t i o n o f fr o z e n 声 o p s a n d g r a u p e ls ( c n f h , c n g h ) a r e t h e m a in s o u r c e s o f t h e h a i l s t o n e s i n t h e s t r o n g c o n v e c t iv e s t o r m s t u d i e d in t h e p a p e r , b u t t h e c o n t r i b u t i o n o f fr o z e n d r o p s i s g r e a t e r t h a n t h a t o f g r a u p e l s . h a i l s t o n e s m a i n l y d e p e n d o n t h e p r o c e s s e s o f c o ll e c t i n g s u p e r c o o l e d w a t e r ( c l c h , c l r h ) t o g r o w . c o m p a r e d w it h t h e o b s e r v a ti o n a l d a t a 勿 t h e d o p p l e r w e a t h e r r a d a r , a n a l y z e d t h e f i e l d s t ru c t u r e . t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c h a n g i n g o f h o r i z o n t a l d i v e r g e n c e o b s e r v e d b y r a d a r w it h h e i g h t i s c o n s i s te n t w i t h t h e w in d fi e l d s t r u c t u r e o f s i m u l a t i o n . wh i l e o b s e r v a ti o n o f d o p p l e r r a d a r r e fl e c t i v i t y a n d e c h o t o p a r c a c c o r d i n g t o t h e s i m u l a t i o n t o o . c l o u d l i q u i d w a t e r c o n t e n t is a l w a y s o n e o f t h e m o s t im p o r t a n t q u a n ti t i e s in m a n y s u b j e c t s a n d o p e r a ti o n s . a t p r e s e n t o n l y t h e v e r t ic a ll y i n t e g r a t e d l i q u i d ma p ( v i l ) c a n r e fl e c t t h e v a l u e o f t h e w a t e r c o n t e n t i n a m u l t it u d e o f r a d a r p r o d u c t s . i n o r d e r t o kn o w t h e d is t r i b u ti o n o f w a t e r s u b s t a n c e i n s i d e t h e c l o u d b o d y , t h e r e fl e c t i v i t y o b s e r v e d b y t h e d o p p l e r w e a t h e r r a d a r w a s u s e d t o r e t ri e v e t h e w a t e r c o n t e n t , a n d e s t a b l i s h e d t w o d is p 吻 m o d e s w h i c h a r e c a p p i a n d v c s . c a l c u l a ti o n fi e l d i s d e f in e d a s t h e s q u a r e g r i d 二 w i t h t h e r a d a r s t a ti o n a s c e n t e r , w i t h th e h o r i z o n t a l s i d e l e n g t h o f 1 5 0 k m , w it h t h e h e i g h t o f 3 0 1 c m , a n d w i t h t h e d i s t in g u i s h a b i l i t y o f l k m l l n t l k m , t o r e t r i e v e t h e c a s e s w a t e r c o n t e n t in c o m p a r i s o n w i t h t h e w a t e r c o n t e n t fr o m t h e n u m e r i c a l m o d e l i n g , t h e r e s u l t a s t h e f o l l o w i s i n d i c a t e d : t h e c o n s t a n t v a l u e l i n e d i s t r i b u t i o n o f t h e r e t r i e v e d w a t e r c o n t e n t i s p a r a l l e l t o t h e s i m u l a t e d o u t p u t a s a w h o l e n o m a t t e r i n t h e d e v e l o p m e n t s t a g e o r i n t h e s t r o n g s t a g e o f th e s t o r m , a n d t h e s t re n g t h i n t h e s t o r m c e n t e r 二w e l l a s t h e h e i g h t p o s i t i o n i s c o n s i s t e n t w e l l , t h a t r e fl e c t t h e s t o r m s t r u c t u r e o n t h e w h o l e a n d t h e r e t r i e v e e ff e c t i s r a t h e r p e r f e c t k e y w o r d : s t r o n g c o n v e c t i v e s t o r m, n u m e ri c a l s i m u la t i o n , w a t e r c o n t e n t , m e c h a n i s m o f hailstone f o r - t i o n i v 学位论文独创性声明 本人郑重声 明: i 、坚持以 “ 求实、创新”的科学精神从事研究工作。 z 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实 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 己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: 日期: 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或其指定机 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 的的少量复制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: 日期: 第一章引言 1 . 1 研究目的和意义 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。 与其他方法相比， 云数值模拟还具有调节灵活方便、 投资少、实验周 期短和研究适用范围极广等独特长处。 因此，云数值模拟在云微物理和动力学基础研究、云 与 化学、 云与 辐射、人工播云效果、局地灾害天气预警研究等方面获得日 益 广泛的应用。 多普勒雷达是观测降水云最基本的工具之一， 它以能够同时获取降水粒子的 径向 速度和 反射率的特点，在中小尺度强对流灾害性天气系统.如龙卷、强风暴、微下击暴流的研究和 业务监测及临近预报方面具有无法取代的重要作用， 它能够迅速扫描降水系统从而获得云体 各个部位的观测资料。多普勒雷达是沿着波束方向测量水凝物粒子的相对速度，测量水凝物 后向 散射能量获得径向 速度和雷达反射率因子的。随着雷达技术的发展， 新的测量方法即利 用雷达发射和接收信号的不同极化状态将使我们能够获得更多水凝物特征的信息。 对流性风暴的 动力学结构以 及演变过程和传播特征是中小尺度暴雨预报和局地灾害性 天气临 近预报 ( n o w a a s t i n g ) 研究所最感兴趣的问 题。随 着对降 水系统认识的 深入以 及观测 系统和计算机技术的发展， 现在我们把数值模式和雷达观测这些相互独立的方法合成为一个 有机的系统。 把d o p p le r 雷 达观 测 场及 其反 演 场当 作 模 式风 暴的 初值 对 风暴 模式的 研究 来 说 是一个 挑 战。 现有关于风暴的数值模拟工作中，模式的初始场都是水平均匀的， 有些研究工作虽然讨 论了 环境 初始 场非 均匀性 对风 暴 模拟的 作 用 7 1 ， 但是 还都 是 一些 特 殊情 形。 况 且 风暴的 初始 扰动 ( 热力学和动力学启动)都是人为的，这在一定程度上对于研究风暴的自身维持以及演 变是可取的。 到目 前为止， 风暴数值模式主要只作为一个研究工具， 而难以在实际业务中作 为 预 报 模 式s -s1 对流风暴数值模式的初值化必须依赖于详细的三维风场、气压场、 温度场、 湿度场以及 水物质场，而大尺度数值预报模式只依赖于水平风场、温度 场和湿度场。 现有的高空探测网 在空间上和时间间隔上 约3 0 0 1 a n 和 1 2 小时) 对大尺度数值预报模式适合，但是对于对流 风暴的数值预报模式来说都太粗了。 一般地， 对流风暴过程只有几十公 里的范围。而且其时 间尺度也只有几个小时，因此现有的探空资料只能作为对流风暴初值化的基态场。 对于爬线、 强对流等中小尺度系统的数值预报，困 难之一在于没有足够的观测资料形成 初始 场， 没 有高分 辨 率的 气 象资 料， 数 值 预报取 得重大 进展 是很困 难的 叫 雷 达资料有 很高 的时空分辨率，对形成初始场非常有利，但径向速度和回波强度还不足以形成初始场。近些 第一章引言 1 . 1 研究目的和意义 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。 与其他方法相比， 云数值模拟还具有调节灵活方便、 投资少、实验周 期短和研究适用范围极广等独特长处。 因此，云数值模拟在云微物理和动力学基础研究、云 与 化学、 云与 辐射、人工播云效果、局地灾害天气预警研究等方面获得日 益 广泛的应用。 多普勒雷达是观测降水云最基本的工具之一， 它以能够同时获取降水粒子的 径向 速度和 反射率的特点，在中小尺度强对流灾害性天气系统.如龙卷、强风暴、微下击暴流的研究和 业务监测及临近预报方面具有无法取代的重要作用， 它能够迅速扫描降水系统从而获得云体 各个部位的观测资料。多普勒雷达是沿着波束方向测量水凝物粒子的相对速度，测量水凝物 后向 散射能量获得径向 速度和雷达反射率因子的。随着雷达技术的发展， 新的测量方法即利 用雷达发射和接收信号的不同极化状态将使我们能够获得更多水凝物特征的信息。 对流性风暴的 动力学结构以 及演变过程和传播特征是中小尺度暴雨预报和局地灾害性 天气临 近预报 ( n o w a a s t i n g ) 研究所最感兴趣的问 题。随 着对降 水系统认识的 深入以 及观测 系统和计算机技术的发展， 现在我们把数值模式和雷达观测这些相互独立的方法合成为一个 有机的系统。 把d o p p le r 雷 达观 测 场及 其反 演 场当 作 模 式风 暴的 初值 对 风暴 模式的 研究 来 说 是一个 挑 战。 现有关于风暴的数值模拟工作中，模式的初始场都是水平均匀的， 有些研究工作虽然讨 论了 环境 初始 场非 均匀性 对风 暴 模拟的 作 用 7 1 ， 但是 还都 是 一些 特 殊情 形。 况 且 风暴的 初始 扰动 ( 热力学和动力学启动)都是人为的，这在一定程度上对于研究风暴的自身维持以及演 变是可取的。 到目 前为止， 风暴数值模式主要只作为一个研究工具， 而难以在实际业务中作 为 预 报 模 式s -s1 对流风暴数值模式的初值化必须依赖于详细的三维风场、气压场、 温度场、 湿度场以及 水物质场，而大尺度数值预报模式只依赖于水平风场、温度 场和湿度场。 现有的高空探测网 在空间上和时间间隔上 约3 0 0 1 a n 和 1 2 小时) 对大尺度数值预报模式适合，但是对于对流 风暴的数值预报模式来说都太粗了。 一般地， 对流风暴过程只有几十公 里的范围。而且其时 间尺度也只有几个小时，因此现有的探空资料只能作为对流风暴初值化的基态场。 对于爬线、 强对流等中小尺度系统的数值预报，困 难之一在于没有足够的观测资料形成 初始 场， 没 有高分 辨 率的 气 象资 料， 数 值 预报取 得重大 进展 是很困 难的 叫 雷 达资料有 很高 的时空分辨率，对形成初始场非常有利，但径向速度和回波强度还不足以形成初始场。近些 年来，由 于反演技术的发展，使得在初始场中使用雷达资料成为可能。 研究表明，反演资料 可以大大提高模式预报的准确率。 研究的目 的在于利用中小尺度模式， 结合多普勒天气雷达观测资料， 对强风暴内 部结构 进行探讨。 本文对2 0 0 4 年4 月2 3 日 发生在湖南境内的 一次强风暴过程进行数值模拟， 并与 雷达实测资料进行对比 分析， 经反复试验，成功地模拟出 该风暴的生成、发展、成熟和消亡 过程。以 期从 宏、 微观物理角度研究这次强风暴形成的 过程、 流 场结构及 其降 雹的 云物理机 制。数值模拟是 研究风暴云中含水量的重要手段，同时利用雷达反射率因子 z和含水量 m 的经验关系式反演含水量， 建立c a p p i 和v c s 两种显示方式，与模式输出的含水量分布进 行对比 ，作为 把d o p p le r 雷 达反 演资 料与 数值 模式 相 结合的 前期 工作 1 .2国内外云数值模拟工作进展 积云数值模式是研究云和降水物理过程的重要手段之一， 它是将积云动力学方程组和云 的 微物理过程方 程组相结合， 模拟云和降水发生、 发展的 物理过程。 1 .2 . 1国 外云数值模拟工作进展 m a lk u s 和w itt ( 1 9 5 9 ) 的 云 模式 o n ， 虽然没 有 考虑 云的 凝结 过 程， 但 它 算得 上是 第一 个 “ 云”模式了。云模式有一维、二维和三维模式。 一维模式将云和环境割裂开来， 计算云内 各高度上各参量在水平方向上的平均值， 一维 模式又有 一维定 常 模式如d a s ( 1 9 6 4 ) 和s im p s o n 等 ( 1 9 6 9 ) 、 一 维非定 常 模 式如w e in s t e i n ( 1 9 7 0 ) 和w is n e r 等 ( 1 9 7 2 ) 以 及 一 维 半 非 定 常 模式 如o g u r a 等 ( 1 9 7 4 y - ii i ， 由 于 考 虑了 通 过 侧 边 界 的 气流速度， 故称为一维半模式。 一维模式可以详细了 解云的垂直结构， 具有计算简单的优点， 但对发展较旺盛的积云会带来很大误差。 二维模式是一种流体力学模式， 把积云和环境看作不可分割的统一整体。 二维模式有轴 对 称 模 式 如s o o n g ( 1 9 7 4 ) 和 面 对称 模 式 如o r v i l l e ( 1 9 6 8 ) , t a k e d a ( 1 9 7 1 ) 和s c h l e s in g e r ( 1 9 7 3 ) 等 ， 一 川。 轴对称 模式 使用 柱 坐 标系， 适于 模拟 静止大 气中 的 孤 立圆 柱形 对流 单 体; 面对 称模 式 采 用笛卡尔直角坐标系， 适于模拟跑线等具有强二维特征的 对流天气系统， 与轴对称模式相比， 面对称模式模拟的积云发展较弱。 二维模式不能模拟实际强对流风暴的三维气流结构， 对一 些动力学现象也不能做出 完善的解释。 般云都具 有三维结构， 只有三维模式才能更真实 地模拟云的宏观和微观物理结构。 进 入七十年代后，随 着电 子计算机技术的迅速发展，完整的三维云结构模拟成为可能。最早的 三 维 云 模式 是 加 拿 大s te in e r ( 1 9 7 3 ) 建 立的 浅 对 流 无 降 水 模 式 (2 2 1 ， 模拟 结 果 与 实 验 室 模 拟的 涡 旋特征 基本吻 合。 以 后w ilh e lm s o n ( 1 9 7 4 ) . p as tu s h k o v ( 1 9 7 3 ) 和s c h l e s ig e r ( 1 9 7 5 ) 等 都 进行了 深 对 流 三 维 数 值 模 拟 试 验 p 2 . 2 3 . 2 4 1 。 在 这 些 模 式 中 ， 基 本 上 都 采 用 了b o u s s in e s q 滞 弹 性 近 似 ， 滤去声波，微物理过程采用 k e s s l e r 的暖云参数化方案。七十年代后期，三维模式有了 迅速 发 展. k le m p 和w i lh e lm s o n ( 1 9 7 8 ) (2 5 采用了 保留 声 波的 完全弹 性 ( 可 压 缩) 原 始 方程三维 模 年来，由 于反演技术的发展，使得在初始场中使用雷达资料成为可能。 研究表明，反演资料 可以大大提高模式预报的准确率。 研究的目 的在于利用中小尺度模式， 结合多普勒天气雷达观测资料， 对强风暴内 部结构 进行探讨。 本文对2 0 0 4 年4 月2 3 日 发生在湖南境内的 一次强风暴过程进行数值模拟， 并与 雷达实测资料进行对比 分析， 经反复试验，成功地模拟出 该风暴的生成、发展、成熟和消亡 过程。以 期从 宏、 微观物理角度研究这次强风暴形成的 过程、 流 场结构及 其降 雹的 云物理机 制。数值模拟是 研究风暴云中含水量的重要手段，同时利用雷达反射率因子 z和含水量 m 的经验关系式反演含水量， 建立c a p p i 和v c s 两种显示方式，与模式输出的含水量分布进 行对比 ，作为 把d o p p le r 雷 达反 演资 料与 数值 模式 相 结合的 前期 工作 1 .2国内外云数值模拟工作进展 积云数值模式是研究云和降水物理过程的重要手段之一， 它是将积云动力学方程组和云 的 微物理过程方 程组相结合， 模拟云和降水发生、 发展的 物理过程。 1 .2 . 1国 外云数值模拟工作进展 m a lk u s 和w itt ( 1 9 5 9 ) 的 云 模式 o n ， 虽然没 有 考虑 云的 凝结 过 程， 但 它 算得 上是 第一 个 “ 云”模式了。云模式有一维、二维和三维模式。 一维模式将云和环境割裂开来， 计算云内 各高度上各参量在水平方向上的平均值， 一维 模式又有 一维定 常 模式如d a s ( 1 9 6 4 ) 和s im p s o n 等 ( 1 9 6 9 ) 、 一 维非定 常 模 式如w e in s t e i n ( 1 9 7 0 ) 和w is n e r 等 ( 1 9 7 2 ) 以 及 一 维 半 非 定 常 模式 如o g u r a 等 ( 1 9 7 4 y - ii i ， 由 于 考 虑了 通 过 侧 边 界 的 气流速度， 故称为一维半模式。 一维模式可以详细了 解云的垂直结构， 具有计算简单的优点， 但对发展较旺盛的积云会带来很大误差。 二维模式是一种流体力学模式， 把积云和环境看作不可分割的统一整体。 二维模式有轴 对 称 模 式 如s o o n g ( 1 9 7 4 ) 和 面 对称 模 式 如o r v i l l e ( 1 9 6 8 ) , t a k e d a ( 1 9 7 1 ) 和s c h l e s in g e r ( 1 9 7 3 ) 等 ， 一 川。 轴对称 模式 使用 柱 坐 标系， 适于 模拟 静止大 气中 的 孤 立圆 柱形 对流 单 体; 面对 称模 式 采 用笛卡尔直角坐标系， 适于模拟跑线等具有强二维特征的 对流天气系统， 与轴对称模式相比， 面对称模式模拟的积云发展较弱。 二维模式不能模拟实际强对流风暴的三维气流结构， 对一 些动力学现象也不能做出 完善的解释。 般云都具 有三维结构， 只有三维模式才能更真实 地模拟云的宏观和微观物理结构。 进 入七十年代后，随 着电 子计算机技术的迅速发展，完整的三维云结构模拟成为可能。最早的 三 维 云 模式 是 加 拿 大s te in e r ( 1 9 7 3 ) 建 立的 浅 对 流 无 降 水 模 式 (2 2 1 ， 模拟 结 果 与 实 验 室 模 拟的 涡 旋特征 基本吻 合。 以 后w ilh e lm s o n ( 1 9 7 4 ) . p as tu s h k o v ( 1 9 7 3 ) 和s c h l e s ig e r ( 1 9 7 5 ) 等 都 进行了 深 对 流 三 维 数 值 模 拟 试 验 p 2 . 2 3 . 2 4 1 。 在 这 些 模 式 中 ， 基 本 上 都 采 用 了b o u s s in e s q 滞 弹 性 近 似 ， 滤去声波，微物理过程采用 k e s s l e r 的暖云参数化方案。七十年代后期，三维模式有了 迅速 发 展. k le m p 和w i lh e lm s o n ( 1 9 7 8 ) (2 5 采用了 保留 声 波的 完全弹 性 ( 可 压 缩) 原 始 方程三维 模 年来，由 于反演技术的发展，使得在初始场中使用雷达资料成为可能。 研究表明，反演资料 可以大大提高模式预报的准确率。 研究的目 的在于利用中小尺度模式， 结合多普勒天气雷达观测资料， 对强风暴内 部结构 进行探讨。 本文对2 0 0 4 年4 月2 3 日 发生在湖南境内的 一次强风暴过程进行数值模拟， 并与 雷达实测资料进行对比 分析， 经反复试验，成功地模拟出 该风暴的生成、发展、成熟和消亡 过程。以 期从 宏、 微观物理角度研究这次强风暴形成的 过程、 流 场结构及 其降 雹的 云物理机 制。数值模拟是 研究风暴云中含水量的重要手段，同时利用雷达反射率因子 z和含水量 m 的经验关系式反演含水量， 建立c a p p i 和v c s 两种显示方式，与模式输出的含水量分布进 行对比 ，作为 把d o p p le r 雷 达反 演资 料与 数值 模式 相 结合的 前期 工作 1 .2国内外云数值模拟工作进展 积云数值模式是研究云和降水物理过程的重要手段之一， 它是将积云动力学方程组和云 的 微物理过程方 程组相结合， 模拟云和降水发生、 发展的 物理过程。 1 .2 . 1国 外云数值模拟工作进展 m a lk u s 和w itt ( 1 9 5 9 ) 的 云 模式 o n ， 虽然没 有 考虑 云的 凝结 过 程， 但 它 算得 上是 第一 个 “ 云”模式了。云模式有一维、二维和三维模式。 一维模式将云和环境割裂开来， 计算云内 各高度上各参量在水平方向上的平均值， 一维 模式又有 一维定 常 模式如d a s ( 1 9 6 4 ) 和s im p s o n 等 ( 1 9 6 9 ) 、 一 维非定 常 模 式如w e in s t e i n ( 1 9 7 0 ) 和w is n e r 等 ( 1 9 7 2 ) 以 及 一 维 半 非 定 常 模式 如o g u r a 等 ( 1 9 7 4 y - ii i ， 由 于 考 虑了 通 过 侧 边 界 的 气流速度， 故称为一维半模式。 一维模式可以详细了 解云的垂直结构， 具有计算简单的优点， 但对发展较旺盛的积云会带来很大误差。 二维模式是一种流体力学模式， 把积云和环境看作不可分割的统一整体。 二维模式有轴 对 称 模 式 如s o o n g ( 1 9 7 4 ) 和 面 对称 模 式 如o r v i l l e ( 1 9 6 8 ) , t a k e d a ( 1 9 7 1 ) 和s c h l e s in g e r ( 1 9 7 3 ) 等 ， 一 川。 轴对称 模式 使用 柱 坐 标系， 适于 模拟 静止大 气中 的 孤 立圆 柱形 对流 单 体; 面对 称模 式 采 用笛卡尔直角坐标系， 适于模拟跑线等具有强二维特征的 对流天气系统， 与轴对称模式相比， 面对称模式模拟的积云发展较弱。 二维模式不能模拟实际强对流风暴的三维气流结构， 对一 些动力学现象也不能做出 完善的解释。 般云都具 有三维结构， 只有三维模式才能更真实 地模拟云的宏观和微观物理结构。 进 入七十年代后，随 着电 子计算机技术的迅速发展，完整的三维云结构模拟成为可能。最早的 三 维 云 模式 是 加 拿 大s te in e r ( 1 9 7 3 ) 建 立的 浅 对 流 无 降 水 模 式 (2 2 1 ， 模拟 结 果 与 实 验 室 模 拟的 涡 旋特征 基本吻 合。 以 后w ilh e lm s o n ( 1 9 7 4 ) . p as tu s h k o v ( 1 9 7 3 ) 和s c h l e s ig e r ( 1 9 7 5 ) 等 都 进行了 深 对 流 三 维 数 值 模 拟 试 验 p 2 . 2 3 . 2 4 1 。 在 这 些 模 式 中 ， 基 本 上 都 采 用 了b o u s s in e s q 滞 弹 性 近 似 ， 滤去声波，微物理过程采用 k e s s l e r 的暖云参数化方案。七十年代后期，三维模式有了 迅速 发 展. k le m p 和w i lh e lm s o n ( 1 9 7 8 ) (2 5 采用了 保留 声 波的 完全弹 性 ( 可 压 缩) 原 始 方程三维 模 式， 采用将声波与其它气象慢波项分离求解的 “ 时步分离，数值积分技术提高计算效率。 c o t t o n 和t r ip o l iz b ,n 3建 立了 有1 0 个 参 数 化 冷 云 微 物 理 过 程的 强 对 流 云 三 维 模 式 ， 但 未 考 虑 过 冷 云 滴的异质核化冻结和雹的湿增长， 还忽略了 冷云物理中相当重要的冰晶繁生过程。 c o tt o n 等 2 8 1 又 对该 模式微物理过 程作了 较大扩充， 增加了h a ll e tt - m o s s o p繁生 过 程、 聚并 过程等。 c s u ( c o l o r a d o s t a t e u n iv e r s it y ) 的r a m s 中尺 度云 模式 和n m 非 静力 平衡中 尺 度模 式都 采用 了完全弹性非静力平衡方程组和时步分离算法。为了 使计算更省时和简单，并且保留非静力 平衡 模 式的 基术性 质， a n d e r s o n 等( 1 9 8 5 ) 建立了 所 谓的“ 准 弹 性” 三 维 云数 值 模式， 用 一 个 大大低于声波速的 “ 虚假声波波速” 代替声波波速，提高小时步积分步长，节省计算时间。 mil l e r 等( 1 9 7 8 ) 用气压垂直坐标三维模式，采用实际 探空资料， 首次成功地模拟了 一次真实 准静止多单体风暴过程，并初步研究了该风暴的右移传播和单体分裂现象。wi l h e l m s o n和 k l e m p ( 1 9 8 1 ) r 9 1成 功 地 模 拟 了 一 次 龙 卷 风 暴 的 先 后 两 次 分 裂 过 程 ， k le m p 等 ( 1 9 8 1 ) 3 0 还 模 拟了 一次超级单体风暴， 模拟结构与观测结果具有很好的相似性。 这一时期进行得最多也最有成 效的 还是s c h l e s i n g e r , me m p 和w ilh e lm s o n . c o tt o n 和t r ip o l i , c la r k 等 对风 暴动 力学问 题 的三维数值模拟。进入九十年代后，随着计算能力的大大提高，对云微物理和云动力学过程 的深入研究，以及对云化学、云辐射等过程的研究， 利用三维云模式进行云和降水物理过程 的模拟及人工影响天气方面的应用等都取得了更大的发展。 1 . 2 .2国内云数值模拟工作进展 六十 年代初期，国内 赵柏 林等 用零维 模式 研究了 冰一 水转 化 和冰 雹 形 成问 题3 1 ,3 2 ,3 3 .3 4 1 巢 纪 平和 周晓 平等 人开 始了 积云 动力 学 和云数 值 模拟 方面的 研究 工作 3 5 1 ， 对积云 动力 过 程基 本方程组的建立、 积云发生和发展条件的线性 和非线性分析、以 及积云发展过程的 数值试验 方面均做了一些当时处于国际前列的工作 七十 年 代 末， 胡 志 晋 ( 1 9 7 9 ) 3 6 1建 立了 零 维 暖 雨 模 式， 计 算了 不同 云 底 温 度、 升 速 和 微 结 构 特 征 条 件下 ， 积 云 通 过 暖 雨 过 程 形 成 降 雨 所 需 的 云 厚。 胡 志 晋 和 蔡 利 栋 ( 1 9 7 9 ) 3 7 1 利 用 该 模 式 进 行了 积 云暖雨 过 程及 盐 粉催 化的 参 数 化数 值 试验， 并 对b e r r y 云雨自 动转化公 式 进行了 修正 解决了b e r r y 参 数化引 起的 降 水偏大 偏快问 题， 模拟了 我国 南方 夏 季 浓积 云 和积雨 云 前期的自 然成雨过程。 徐华英等1 9 8 0 年建 立了 二维面对称滞弹性 近似暖云参数化模式， 并在1 9 8 3 年3 8 1 用该模 式在国内进行了盐粉催化积云降水的二维数值试验，得到了盐粉颗粒大小、剂量和降雨量之 间 的 一 些 定 量 关 系 。 毛 节 泰 等 ( 1 9 8 2 ) 3 9 1对 用s im p s o n 模 式 预 报 北 京 地 区 的 降 雹 作 了 尝 试 胡 志晋 等 ( 1 9 8 3 ) 0 ,4 1 ,4 2 3 则 对 层 状 暖 云、 冷 云 进 行了 数 值 模 拟。 与 此同 时 徐 华 英 等 ( 1 9 8 3 ) 14 3 3 采 用 具有详细暖云微物理处理方案的一维时变模式模拟了 积云内 部云滴群的 凝结增长， 模式未考 虑 凝 结 以 外 的 其 它 微 物 理 过 程. 后 来肖 辉 等 ( 1 9 8 8 ) 4 0 ,4 5 1在 这 个 详 细 微 物 理 模 式 中 增 加了 其 它 暖 云 微 物 理 过 程 ， 将 液 水 质 粒 分 为1 0 1 档 ， 建 立 了 分 档 模 式。 胡 志 晋 和 何 观 芳 ( 1 9 8 7 , 1 9 8 8 ) 4 6 ,4 7 1 式， 采用将声波与其它气象慢波项分离求解的 “ 时步分离，数值积分技术提高计算效率。 c o t t o n 和t r ip o l iz b ,n 3建 立了 有1 0 个 参 数 化 冷 云 微 物 理 过 程的 强 对 流 云 三 维 模 式 ， 但 未 考 虑 过 冷 云 滴的异质核化冻结和雹的湿增长， 还忽略了 冷云物理中相当重要的冰晶繁生过程。 c o tt o n 等 2 8 1 又 对该 模式微物理过 程作了 较大扩充， 增加了h a ll e tt - m o s s o p繁生 过 程、 聚并 过程等。 c s u ( c o l o r a d o s t a t e u n iv e r s it y ) 的r a m s 中尺 度云 模式 和n m 非 静力 平衡中 尺 度模 式都 采用 了完全弹性非静力平衡方程组和时步分离算法。为了 使计算更省时和简单，并且保留非静力 平衡 模 式的 基术性 质， a n d e r s o n 等( 1 9 8 5 ) 建立了 所 谓的“ 准 弹 性” 三 维 云数 值 模式， 用 一 个 大大低于声波速的 “ 虚假声波波速” 代替声波波速，提高小时步积分步长，节省计算时间。 mil l e r 等( 1 9 7 8 ) 用气压垂直坐标三维模式，采用实际 探空资料， 首次成功地模拟了 一次真实 准静止多单体风暴过程，并初步研究了该风暴的右移传播和单体分裂现象。wi l h e l m s o n和 k l e m p ( 1 9 8 1 ) r 9 1成 功 地 模 拟 了 一 次 龙 卷 风 暴 的 先 后 两 次 分 裂 过 程 ， k le m p 等 ( 1 9 8 1 ) 3 0 还 模 拟了 一次超级单体风暴， 模拟结构与观测结果具有很好的相似性。 这一时期进行得最多也最有成 效的 还是s c h l e s i n g e r , me m p 和w ilh e lm s o n . c o tt o n 和t r ip o l i , c la r k 等 对风 暴动 力学问 题 的三维数值模拟。进入九十年代后，随着计算能力的大大提高，对云微物理和云动力学过程 的深入研究，以及对云化学、云辐射等过程的研究， 利用三维云模式进行云和降水物理过程 的模拟及人工影响天气方面的应用等都取得了更大的发展。 1 . 2 .2国内云数值模拟工作进展 六十 年代初期，国内 赵柏 林等 用零维 模式 研究了 冰一 水转 化 和冰 雹 形 成问 题3 1 ,3 2 ,3 3 .3 4 1 巢 纪 平和 周晓 平等 人开 始了 积云 动力 学 和云数 值 模拟 方面的 研究 工作 3 5 1 ， 对积云 动力 过 程基 本方程组的建立、 积云发生和发展条件的线性 和非线性分析、以 及积云发展过程的 数值试验 方面均做了一些当时处于国际前列的工作 七十 年 代 末， 胡 志 晋 ( 1 9 7 9 ) 3 6 1建 立了 零 维 暖 雨 模 式， 计 算了 不同 云 底 温 度、 升 速 和 微 结 构 特 征 条 件下 ， 积 云 通 过 暖 雨 过 程 形 成 降 雨 所 需 的 云 厚。 胡 志 晋 和 蔡 利 栋 ( 1 9 7 9 ) 3 7 1 利 用 该 模 式 进 行了 积 云暖雨 过 程及 盐 粉催 化的 参 数 化数 值 试验， 并 对b e r r y 云雨自 动转化公 式 进行了 修正 解决了b e r r y 参 数化引 起的 降 水偏大 偏快问 题， 模拟了 我国 南方 夏 季 浓积 云 和积雨 云 前期的自 然成雨过程。 徐华英等1 9 8 0 年建 立了 二维面对称滞弹性 近似暖云参数化模式， 并在1 9 8 3 年3 8 1 用该模 式在国内进行了盐粉催化积云降水的二维数值试验，得到了盐粉颗粒大小、剂量和降雨量之 间 的 一 些 定 量 关 系 。 毛 节 泰 等 ( 1 9 8 2 ) 3 9 1对 用s im p s o n 模 式 预 报 北 京 地 区 的 降 雹 作 了 尝 试 胡 志晋 等 ( 1 9 8 3 ) 0 ,4 1 ,4 2 3 则 对 层 状 暖 云、 冷 云 进 行了 数 值 模 拟。 与 此同 时 徐 华 英 等 ( 1 9 8 3 ) 14 3 3 采 用 具有详细暖云微物理处理方案的一维时变模式模拟了 积云内 部云滴群的 凝结增长， 模式未考 虑 凝 结 以 外 的 其 它 微 物 理 过 程. 后 来肖 辉 等 ( 1 9 8 8 ) 4 0 ,4 5 1在 这 个 详 细 微 物 理 模 式 中 增 加了 其 它 暖 云 微 物 理 过 程 ， 将 液 水 质 粒 分 为1 0 1 档 ， 建 立 了 分 档 模 式。 胡 志 晋 和 何 观 芳 ( 1 9 8 7 , 1 9 8 8 ) 4 6 ,4 7 1 还建立了一个含有 2 6 种主要微物理过程的一维时变积云模式， 通过数值模拟， 认为暖底积 雨 云 中b e r g e r o n 过 程 对降 水 作 用 不 大暖 雨 过 程是 启 动 降 水 的 主 要 环 节。 许 焕 斌 等 ( 1 9 8 5 ) 4 8 ,4 9 1 设计了 一维时变双参数谱演变冰雹云模式， 对冰雹、 冻雨和雨的比质量和浓度均可通过计算 得到， 这种双参谱演变的微物理处理比k e s s l e r 和b e r r y 系列的 单参数方案能更 好地反映谱的 计算 情况 1 9 8 8年 许焕 斌等 1 50 1又把 双参 谱演 变微 物 理处 理方 案 应用到 二维 面 对称雹 云 模式 中，