浙江雹云天气过程的数值剖析：两次个例与冰核参数化方案影响探究

浙江雹云天气过程的数值剖析：两次个例与冰核参数化方案影响探究一、引言1.1研究背景与目的冰雹作为一种极具破坏力的强对流天气现象，常常在短时间内释放出巨大的能量，对农业、交通、电力设施以及人民生命财产安全构成严重威胁。浙江地处我国东南沿海，独特的地理位置与复杂多变的地形地貌，使其成为雹云天气的频发区域。浙江属亚热带季风气候，夏季水汽充沛，受副热带高压影响，气温高、湿度大，暖湿气流上升遇冷空气易形成强烈对流云团。同时，浙江地形复杂，山地与平原交错，气流上升运动强烈，特别是潮湿空气流经山脉被迫上升，水汽冷却凝结成冰晶，为雹云的形成创造了有利条件。从历史数据来看，1980年6月26-27日，浙江全省9个地区26个市县遭受冰雹、狂风和暴雨袭击，冰雹直径最大超5厘米，普遍伴有8-10级大风，部分地区达11-12级以上。此次灾害致使151人死亡，262人受伤，23人下落不明，农作物受灾约6万公顷，房屋、电杆、渔船及水利设施等遭受严重破坏。又如在2024年2月21日，受冷暖空气剧烈交汇影响，浙江多地出现了强对流天气，部分地区降下了冰雹。在丽水市青田县，冰雹混杂着雨水下了一地，大的冰雹差不多鸡蛋大小，部分路段更是出现10cm左右冰雹堆，宛若积雪，给当地居民的生活和财产安全带来了严重影响。这些雹云天气不仅会砸毁农作物，导致农业大幅减产甚至绝收，还可能损坏建筑物、车辆，引发交通事故，破坏电力通信设施，造成大面积停电和通信中断。因此，深入研究浙江雹云天气，对防灾减灾、保障社会经济稳定发展具有重要现实意义。雹云的形成和发展是一个极其复杂的过程，涉及多种物理机制和气象因素的相互作用。大气中的冰核作为冷云形成的关键要素，在雹云发展过程中扮演着举足轻重的角色。冰核能够促使云中水汽凝结成冰晶，进而影响云的宏微观结构与降水过程。不同的冰核参数化方案对雹云模拟结果有着显著影响，但当前对冰核在浙江雹云天气过程中的具体作用及影响机制，尚缺乏深入系统的研究。现有研究虽对雹云天气的某些方面有所探讨，但对于浙江独特地理气候条件下雹云的形成发展机制，以及冰核参数化方案如何具体影响雹云演变等问题，仍有待进一步探索。本研究聚焦于浙江地区，通过对两次典型雹云天气过程的深入剖析，结合数值模拟手段，旨在全面揭示浙江雹云天气的形成机制，深入探究不同冰核参数化方案对雹云天气模拟结果的具体影响。期望通过本研究，能够为浙江雹云天气的精准预报和有效防治提供坚实的理论支撑与科学依据，助力提升该地区应对雹云灾害的能力，最大限度减少雹云天气带来的损失。1.2国内外研究现状1.2.1冰雹天气观测研究进展在冰雹天气观测方面，国内外已发展出多种成熟且有效的方法与技术。地面气象站作为基础观测站点，能实时获取冰雹发生时的气温、湿度、气压、风速风向等基本气象参数，为研究冰雹形成的环境条件提供了基础数据。如我国的地面气象观测站网布局广泛，能够对全国范围内的气象要素进行实时监测，在冰雹天气发生时，可及时记录相关数据，为后续分析提供支持。气象雷达是监测冰雹的重要工具，通过发射电磁波并接收其反射信号，可分析冰雹的尺寸、速度和分布特征。多普勒天气雷达能够利用多普勒效应，测量目标物相对于雷达的径向速度，从而获取冰雹的运动信息，对于监测冰雹云的移动和发展趋势具有重要意义。卫星观测则从宏观角度对雹云的整体动态进行把握，借助不同波段的传感器，可获取雹云的云顶温度、云顶高度等信息，进而推断雹云的发展阶段和强度。探空气象资料通过携带仪器的探空气球对大气垂直结构进行观测，为研究雹云内部的温度、湿度、风场等垂直分布特征提供了关键数据，有助于深入理解雹云的形成和发展机制。国外在冰雹观测技术上一直处于前沿探索地位，不断研发新型设备提升观测精度与范围。美国的多普勒天气雷达网络覆盖广泛，能够对冰雹天气进行精细化监测，其研发的双偏振雷达技术，可更准确地识别冰雹粒子的形状和相态，为冰雹的识别和预警提供了更可靠的依据。欧洲气象卫星组织的气象卫星在雹云监测方面具有高分辨率和多光谱观测能力，能获取雹云的详细信息，为欧洲地区的冰雹预警提供了有力支持。国内在借鉴国外先进技术的同时，也在积极自主研发创新。例如，我国自主研发的新一代天气雷达，在性能上不断提升，对冰雹的监测能力达到国际先进水平。此外，还通过建立区域气象观测站网，加强对复杂地形区域的观测，弥补了传统观测站在地形复杂地区的不足，提高了对冰雹天气的监测能力。1.2.2冰雹天气数值模拟研究进展数值模拟作为研究冰雹天气的重要手段，在国内外得到了广泛应用与深入发展。国外早在20世纪中期就开始利用数值模式对冰雹天气进行模拟研究。早期的数值模式相对简单，仅能模拟一些基本的气象要素和云的宏观特征。随着计算机技术的飞速发展和对云微物理过程认识的不断加深，数值模式逐渐向精细化、复杂化方向发展。如美国的WRF（WeatherResearchandForecasting）模式，具有先进的云微物理方案，能够详细描述云中水汽的相变过程、冰相粒子的生成和增长等，在全球范围内被广泛应用于冰雹天气的模拟研究。欧洲的ECMWF（EuropeanCentreforMedium-RangeWeatherForecasts）模式在数值模拟方面也具有很高的水平，通过不断改进模式的物理参数化方案和动力框架，提高了对冰雹等强对流天气的模拟能力。国内对冰雹天气的数值模拟研究起步相对较晚，但发展迅速。近年来，国内科研人员在引进国外先进数值模式的基础上，结合我国的实际气象条件和地形特点，对模式进行了本地化改进和优化。例如，通过改进云微物理方案，使其更适合我国复杂的天气状况；利用高分辨率的地形数据，提高模式对地形影响的模拟精度。同时，国内还开展了大量针对不同地区、不同类型雹云的数值模拟研究，取得了一系列重要成果。如对青藏高原地区雹云的数值模拟研究，揭示了高原特殊地形和大气环境条件下雹云的形成和发展机制；对华南地区雹云的模拟研究，分析了暖湿气候条件下雹云的特点和演变规律。这些研究成果为我国冰雹天气的预报和预警提供了重要的理论支持和技术保障。1.2.3冰核对强对流云及降水影响研究冰核在强对流云形成和降水过程中起着关键作用，一直是国内外气象研究的重点领域。大气中的冰核是促使云中水汽凝结成冰晶的核心物质，其数量和活性直接影响着冰晶的生成率和云的微物理结构。当冰核浓度较高时，云中会生成大量的小冰晶，这些小冰晶通过水汽的凝华和碰并等过程逐渐增长，从而改变云的光学和辐射特性，影响云的发展和降水过程。在冷云降水过程中，冰核的存在是形成降水的重要前提条件。如果冰核数量不足或活性较低，云中的水汽难以凝结成冰晶，降水过程就会受到抑制。国内外众多研究通过理论分析、实验室实验和数值模拟等手段，深入探究了冰核对强对流云及降水的影响机制。在理论研究方面，学者们建立了各种冰核活化模型，用于描述冰核在不同温度、湿度条件下的活化过程，为理解冰核的作用机制提供了理论基础。实验室实验则通过人工制备冰核，模拟不同环境条件下冰核的活化和冰晶的生长过程，直接观测冰核对云微物理过程的影响。数值模拟研究将冰核参数化方案引入到气象模式中，通过模拟不同冰核浓度和活性条件下强对流云的发展和降水过程，定量分析冰核对云及降水的影响。研究发现，冰核浓度的变化会显著影响对流云的降水效率和降水分布。当冰核浓度增加时，对流云上层均质核化区冰粒子的形成会受到限制，使得对流层上层冰粒子浓度减小但粒径增加，从而促进大气向外的红外辐射，影响云的热力结构和降水过程。1.2.4冰核参数化方案研究现状目前，国内外已发展出多种冰核参数化方案，这些方案根据不同的假设和理论基础，对冰核的活化过程和浓度分布进行了参数化处理。常见的冰核参数化方案主要包括基于温度的参数化方案、基于气溶胶浓度的参数化方案以及综合考虑多种因素的参数化方案。基于温度的参数化方案假设冰核的活化主要取决于温度条件，通过建立冰核活化率与温度的函数关系，来描述冰核的活化过程。这种方案形式简单，计算量小，但忽略了其他因素对冰核活化的影响，在实际应用中存在一定的局限性。基于气溶胶浓度的参数化方案则认为气溶胶粒子是冰核的主要来源，通过建立冰核浓度与气溶胶浓度的关系，来确定冰核的浓度分布。该方案考虑了气溶胶对冰核的贡献，但对于气溶胶粒子的化学成分、粒径分布等因素对冰核活性的影响考虑不够全面。为了更准确地描述冰核的活化过程和浓度分布，近年来发展了综合考虑多种因素的参数化方案。这些方案不仅考虑了温度、气溶胶浓度等因素，还考虑了气溶胶的化学成分、粒径分布、湿度等因素对冰核活化的影响。例如，一些方案通过实验数据建立了冰核活化率与多种因素的复杂函数关系，使得参数化方案更加符合实际情况。不同的冰核参数化方案在不同的气象条件和研究区域下表现出不同的性能。在实际应用中，需要根据具体的研究目的和气象条件，选择合适的冰核参数化方案，以提高数值模拟的准确性。同时，随着对冰核研究的不断深入，冰核参数化方案也在不断改进和完善，未来的研究将致力于发展更加精确、全面的冰核参数化方案，以更好地模拟冰核对强对流云及降水的影响。1.3研究意义与创新点深入研究浙江雹云天气过程以及冰核参数化方案对其的影响，具有重要的科学意义与实际应用价值。从科学层面来看，雹云的形成和发展涉及复杂的大气物理过程，包括水汽相变、云微物理过程、动力和热力相互作用等。通过对浙江两次典型雹云天气过程的研究，能够更深入地了解在特定地理气候条件下雹云的形成机制，丰富和完善强对流天气的理论体系。不同的冰核参数化方案对雹云模拟结果的影响研究，有助于揭示冰核在雹云发展中的具体作用机制，为改进数值模式中的冰核参数化方案提供科学依据，提升对强对流天气的模拟和预测能力。在实际应用方面，浙江作为雹云天气的频发区域，雹云灾害给当地的农业、交通、电力设施等带来了严重的破坏，对人民生命财产安全构成了巨大威胁。准确掌握雹云天气的形成规律和演变特征，能够为雹云天气的精准预报提供有力支持，使相关部门提前做好防灾减灾准备工作。通过合理选择和优化冰核参数化方案，可以提高数值模拟对雹云天气的预测准确性，为气象部门发布及时、准确的预警信息提供技术保障，从而帮助公众提前采取防范措施，减少雹云灾害造成的损失，保障社会经济的稳定发展。本研究在多个方面具有创新性。在研究对象上，选取浙江地区两次具有代表性的雹云天气过程作为研究对象，浙江独特的地理位置和复杂的地形地貌，使其雹云天气具有独特的特征，针对该地区的研究能够填补在这一特定区域雹云天气研究的空白，为其他类似地区的研究提供参考。在研究方法上，采用多种观测资料与数值模拟相结合的方式，综合运用地面气象站、雷达、卫星等多源观测数据，对雹云天气过程进行全面、细致的分析，同时利用数值模拟手段，深入探究不同冰核参数化方案对雹云天气的影响，这种多维度的研究方法能够更准确地揭示雹云天气的形成机制和演变规律。在研究内容上，系统对比分析多种冰核参数化方案对浙江雹云天气模拟结果的影响，目前针对浙江地区雹云天气的冰核参数化方案研究较少，本研究能够为该地区雹云天气的数值模拟提供更合适的冰核参数化方案选择，具有重要的实践指导意义。二、资料与方法2.1研究区域与个例选取浙江地处我国东南沿海，地理位置独特，位于东经118°01′～123°10′，北纬27°02′～31°11′之间，濒临东海，背靠大陆。其地形地貌复杂多样，山地、丘陵、平原、盆地、岛屿等交错分布，山地和丘陵占全省总面积的74.63%，平原和盆地占20.32%，河流和湖泊占5.05%，这种复杂的地形条件使得浙江地区的气流运动和水汽输送极为复杂，为雹云的形成和发展提供了有利的地形条件。浙江属亚热带季风气候，夏季受东南季风影响，水汽充沛，气温高、湿度大，暖湿气流上升运动频繁；冬季受西北季风影响，冷空气活动频繁，冷暖空气交汇频繁，容易形成强烈的对流天气。此外，浙江地区的海陆分布差异也对其气候产生了重要影响，海洋的调节作用使得浙江地区的气候相对温和，但也增加了水汽的含量，使得雹云天气的发生更为频繁。据统计，浙江每年平均发生雹云天气10-15次，主要集中在春季和夏季，给当地的农业、交通、电力设施等带来了严重的影响。本研究选取了2019年3月21日和2024年2月21日浙江地区发生的两次雹云天气过程作为研究个例。2019年3月21日，浙江省杭州市、宁波市、舟山市等地遭受了一次罕见的超级单体风暴袭击，伴有高强度的对流天气，最大的冰雹直径达到了七、八厘米，风速高达32米/秒，持续时间长达2个小时。此次雹云天气造成了巨大的经济损失和人员伤亡，仅杭州市就有4人失踪、1人死亡、70人受伤，舟山市更是受到了重创，统计灾情的损失已经超过了3亿元。这次雹云天气过程具有典型的超级单体风暴特征，其形成和发展过程受到了多种气象因素的影响，包括大气不稳定能量、垂直风切变、水汽条件等，对于研究超级单体雹云的形成机制具有重要的参考价值。2024年2月21日，受冷暖空气剧烈交汇影响，浙江多地出现了强对流天气，部分地区降下了冰雹。在丽水市青田县，冰雹混杂着雨水下了一地，大的冰雹差不多鸡蛋大小，部分路段更是出现10cm左右冰雹堆，宛若积雪，给当地居民的生活和财产安全带来了严重影响。此次雹云天气过程发生在冬季向春季过渡的时期，冷暖空气活动频繁，其形成和发展过程与春季常见的雹云天气有所不同，对于研究不同季节雹云天气的形成机制具有重要的意义。这两次雹云天气过程在发生时间、天气形势、影响范围等方面具有明显的差异，能够较为全面地反映浙江地区雹云天气的多样性和复杂性，为深入研究浙江雹云天气的形成机制和冰核参数化方案对其的影响提供了丰富的研究素材。2.2数据来源与处理2.2.1气象观测数据本研究中的气象观测数据主要来源于中国气象局气象数据中心，涵盖了浙江地区多个常规气象站以及多部气象雷达的观测资料。常规气象站数据包含了2019年3月21日和2024年2月21日两次雹云天气过程发生期间，浙江地区100余个常规气象站每小时的气温、湿度、气压、风速、风向等基本气象要素观测值。这些气象站分布广泛，能够较为全面地反映浙江地区的气象状况，为研究雹云天气发生的大尺度环境条件提供了基础数据。对于常规气象站数据，首先进行了质量控制。通过检查数据的合理性、连续性以及异常值检测等方法，剔除了明显错误和不合理的数据。例如，当气温出现异常高或低的值，超出了该地区历史同期的正常范围时，对其进行标记并进一步核实。对于缺失的数据，采用了线性插值、均值填充等方法进行补充，以确保数据的完整性。经过质量控制和预处理后的数据，被存储在数据库中，以便后续分析使用。气象雷达数据来自浙江地区的5部新一代多普勒天气雷达，这些雷达分布在杭州、宁波、温州、金华和衢州等地，能够实时监测雹云的回波强度、径向速度、谱宽等信息。雷达数据的时间分辨率为6分钟，空间分辨率根据不同的探测距离和仰角有所差异，一般在1-5公里之间。在雹云天气发生期间，雷达对雹云进行了连续监测，获取了大量的观测数据。雷达数据的处理过程较为复杂，首先对原始雷达数据进行了去噪处理，采用了滤波算法去除噪声干扰，提高数据的质量。然后进行了数据的校准和定标，确保雷达回波强度等参数的准确性。通过对雷达回波强度的分析，可以识别雹云的位置、范围和强度变化。利用雷达的径向速度数据，可以研究雹云内部的气流运动特征，如上升气流和下沉气流的分布情况。通过对雷达数据的处理和分析，能够获取雹云的详细信息，为研究雹云的形成和发展机制提供了重要依据。2.2.2卫星遥感数据卫星遥感数据主要来源于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的GOES系列卫星以及我国的风云系列卫星。GOES系列卫星具有高时间分辨率和宽覆盖范围的特点，能够对浙江地区进行实时监测。风云系列卫星则在我国及周边地区的气象监测中发挥着重要作用，其搭载的多种传感器能够获取丰富的气象信息。在雹云天气发生期间，通过卫星的可见光、红外和水汽通道，获取了雹云的云顶温度、云顶高度、水汽含量等信息。这些信息对于研究雹云的宏观特征和热力结构具有重要意义。对于卫星遥感数据，首先进行了辐射定标和几何校正。辐射定标是将卫星观测到的原始数字量化值转换为物理辐射亮度值，确保数据的准确性和可比性。几何校正则是消除卫星图像中的几何畸变，使其与实际地理坐标相对应。通过几何校正，能够将不同时间、不同传感器获取的卫星图像进行精确配准，便于后续的分析和比较。采用了多种图像处理技术，如图像增强、边缘检测等，突出雹云的特征，以便更好地识别和分析雹云。利用云顶温度和云顶高度数据，结合大气热力学理论，推断雹云的发展阶段和强度。通过对卫星遥感数据的处理和分析，从宏观角度揭示了雹云的整体特征和演变过程，为研究雹云的形成和发展提供了重要的宏观信息。2.3数值模式与冰核参数化方案2.3.1数值模式介绍本研究选用WeatherResearchandForecasting（WRF）模式，该模式是一款广泛应用于气象研究和业务预报的中尺度数值模式，由美国国家大气研究中心（NCAR）等多个机构联合开发，其基本原理基于非静力平衡方程组，能够精确地描述大气运动的基本规律。通过对大气运动方程在空间和时间上进行离散化处理，利用数值计算方法求解这些方程，从而实现对大气状态的模拟。WRF模式采用了先进的地形跟随坐标系统，能更好地处理复杂地形对大气运动的影响。在水平方向上，采用ArakawaC网格布局，这种网格布局在处理动量和标量场时具有良好的计算稳定性和精度。在垂直方向上，采用地形跟随的sigma坐标，能够根据地形的起伏自适应调整垂直分层，使得模式在复杂地形区域也能准确地模拟大气的垂直结构。WRF模式具有高度模块化和可扩展性的结构特点。其物理过程参数化方案丰富多样，用户可以根据研究目的和实际需求自由选择和组合不同的参数化方案，以适应不同的气象条件和研究区域。这种灵活性使得WRF模式在全球范围内得到了广泛的应用，涵盖了从短期天气预报到气候模拟等多个领域。在数值计算方法上，WRF模式采用了时间分裂法，将快波和慢波分别进行积分，提高了计算效率和稳定性。同时，模式还支持并行计算，能够充分利用高性能计算机的计算资源，大大缩短了模拟时间，使得对高分辨率、长时间尺度的气象模拟成为可能。2.3.2云微物理方案云微物理过程在雹云的形成和发展中起着关键作用，WRF模式中提供了多种云微物理方案，本研究选用了Thompson双参数云微物理方案。该方案能够详细描述云中水汽的相变过程，包括水汽的凝结、蒸发、冻结、融化等，以及各种云粒子（云滴、雨滴、冰晶、雪晶、霰、雹等）的生成、增长、碰并和沉降等过程。在Thompson方案中，对不同相态的云粒子进行了分类处理，分别考虑了它们的微物理特性和相互作用。对于冰相粒子，考虑了冰晶的凝华增长、冰晶与过冷水滴的碰并增长、冰晶的聚合等过程。在雹云的模拟中，该方案能够准确地描述冰雹的形成和增长机制。当上升气流将水汽输送到高空低温区域时，水汽会在冰核上凝结形成冰晶，冰晶通过凝华和碰并等过程不断增长，形成较大的冰粒子。随着冰粒子的不断增长，当它们的重力超过上升气流的托举力时，就会开始下落，在下落过程中与过冷水滴碰并，进一步增长形成冰雹。该方案还考虑了云粒子的谱分布，采用双参数化方法，即不仅考虑了云粒子的数浓度，还考虑了云粒子的粒径分布。通过对云粒子谱分布的准确描述，能够更真实地反映云中微物理过程的复杂性，提高了对雹云模拟的准确性。例如，在雹云发展过程中，不同粒径的冰雹粒子具有不同的增长和沉降特性，双参数化方法能够准确地模拟这些特性，从而更准确地预测雹云的发展和冰雹的落区。2.3.3冰核参数化方案本研究采用了DeMott冰核参数化方案，该方案基于DeMott等人的大量实验研究成果，能够较为准确地描述冰核的活化过程和浓度分布。其原理是综合考虑了多种因素对冰核活化的影响，包括温度、相对湿度、气溶胶粒子的化学成分和粒径分布等。在该方案中，假设冰核主要来源于气溶胶粒子，通过建立冰核浓度与气溶胶浓度之间的关系，来确定冰核的初始浓度。根据实验数据，将气溶胶粒子按照化学成分和粒径进行分类，不同类型的气溶胶粒子具有不同的冰核活性。对于矿物气溶胶粒子，其冰核活性较强，在较低的温度和相对湿度条件下就能活化成为冰核；而对于有机气溶胶粒子，其冰核活性相对较弱，需要更高的温度和相对湿度条件才能活化。该方案通过建立冰核活化率与温度、相对湿度等因素的函数关系，来描述冰核的活化过程。当大气中的温度和相对湿度满足一定条件时，冰核会发生活化，从而促使云中水汽凝结成冰晶。在雹云的形成过程中，冰核的活化是一个关键步骤，DeMott冰核参数化方案能够准确地模拟这一过程，为研究雹云的形成和发展提供了重要的支持。例如，在浙江雹云天气过程中，当暖湿气流上升到高空，温度和相对湿度达到冰核活化条件时，该方案能够准确地计算出冰核的活化数量，进而模拟出冰晶的生成和增长过程，为研究雹云的演变提供了准确的初始条件。2.4模拟实验设计2.4.1控制实验控制实验旨在构建一个基础的模拟环境，用于模拟浙江雹云天气过程，以获取雹云在常规条件下的演变特征，为后续分析提供基准。在本次研究中，控制实验选用了WRF模式，并进行了细致的参数设置。水平方向上，采用三重嵌套网格设置，最外层网格（d01）分辨率为9公里，涵盖了浙江及周边较大范围区域，能够捕捉大尺度天气系统对浙江地区的影响；中间层网格（d02）分辨率为3公里，进一步聚焦浙江地区，提高对区域内天气系统的模拟精度；最内层网格（d03）分辨率为1公里，针对雹云发生的关键区域进行精细化模拟，确保能够准确捕捉雹云的细微结构和演变过程。垂直方向上，设置了50个气压层，从地面延伸至约50百帕高度，能够较好地反映大气的垂直结构和物理过程。在物理过程参数化方案的选择上，积云对流参数化采用Kain-Fritsch方案，该方案能够较好地模拟对流云的发展和演变过程，包括对流的触发、发展和消散等环节，对于研究雹云的形成机制具有重要作用。长波辐射参数化选用RRTM方案，该方案能够准确地计算大气长波辐射传输过程，考虑了水汽、二氧化碳、臭氧等多种气体的吸收和发射特性，对于模拟大气的能量收支和温度分布具有重要意义。短波辐射参数化采用Dudhia方案，该方案能够精确地模拟太阳短波辐射在大气中的传输和散射过程，考虑了云、气溶胶等因素对短波辐射的影响，对于研究雹云与太阳辐射的相互作用具有重要作用。陆面过程参数化采用NoahLandSurfaceModel方案，该方案能够详细地描述陆面与大气之间的热量、水分和动量交换过程，考虑了土壤湿度、植被覆盖等因素对陆面过程的影响，对于模拟雹云天气过程中的下垫面条件具有重要作用。初始和边界条件数据来源于NCEPFNL全球分析资料，该资料具有较高的时空分辨率和精度，能够为模拟提供准确的初始和边界条件。在模拟过程中，时间步长设置为15秒，以确保能够准确捕捉大气运动的快速变化。模拟时长为24小时，从雹云天气发生前12小时开始，到雹云天气结束后12小时结束，能够完整地模拟雹云的形成、发展和消散过程。通过控制实验，得到了浙江雹云天气在常规条件下的模拟结果，包括雹云的位置、范围、强度、云微物理结构等信息，为后续的敏感性实验和分析提供了重要的基础数据。2.4.2敏感性实验敏感性实验围绕冰核参数化方案展开，旨在深入探究不同冰核参数化方案对浙江雹云天气模拟结果的具体影响，分析其作用机制。实验设计思路是在控制实验的基础上，保持其他参数和物理过程不变，仅改变冰核参数化方案，通过对比不同方案下的模拟结果，来评估冰核参数化方案对雹云模拟的敏感性。本研究选取了三种具有代表性的冰核参数化方案，分别为DeMott方案、Meyers方案和Phillips方案。DeMott方案基于实验数据建立，考虑了气溶胶粒子的化学成分、粒径分布以及温度、相对湿度等因素对冰核活化的影响，能够较为准确地描述冰核的活化过程和浓度分布。Meyers方案则假设冰核主要来源于矿物气溶胶粒子，通过建立冰核浓度与矿物气溶胶浓度的关系，来确定冰核的初始浓度，并采用简单的温度依赖函数来描述冰核的活化过程，该方案形式相对简单，计算量较小，但对冰核活化的描述相对较为粗糙。Phillips方案综合考虑了气溶胶粒子的数浓度、表面积和体积等因素对冰核活化的影响，通过建立复杂的活化模型来描述冰核的活化过程，该方案对冰核活化的描述较为全面，但计算量较大，对计算资源的要求较高。针对每种冰核参数化方案，分别进行了两组模拟实验。第一组实验采用方案默认参数设置，以评估方案在标准情况下的模拟性能。第二组实验对方案中的关键参数进行了调整，例如在DeMott方案中，调整气溶胶粒子的化学成分比例、改变冰核活化率与温度、相对湿度的函数关系等，以探究参数变化对模拟结果的影响。通过对比不同方案和不同参数设置下的模拟结果，分析冰核参数化方案对雹云的位置、范围、强度、云微物理结构以及降水分布等方面的影响。通过敏感性实验，能够深入了解不同冰核参数化方案在浙江雹云天气模拟中的表现差异，揭示冰核参数化方案对雹云模拟结果的影响机制，为选择更适合浙江地区雹云天气模拟的冰核参数化方案提供科学依据。同时，也能够为进一步改进冰核参数化方案提供参考，提高数值模式对浙江雹云天气的模拟和预测能力。三、浙江两次雹云天气过程分析3.1“个例09”雹云天气过程3.1.1实况简介“个例09”指的是2009年2月23-26日发生在浙江省的一次罕见连续降雹天气过程。此次降雹过程持续时间长，影响范围广，给当地的农业、交通、建筑设施以及人民生命财产等带来了严重影响。据浙江省气象台统计，2月23-26日浙江省有19个县市局部出现冰雹，最大直径10mm。长时间的阴雨天气导致土壤水分饱和，还引发了局地滑坡等地质灾害。此次雹云天气过程具有明显的时空分布特征。在时间上，降雹主要集中在23日下午至26日傍晚时段，其中23日和24日降雹强度较大，持续时间较长。在空间上，降雹区域主要分布在浙中北地区，包括杭州、嘉兴、绍兴、金华等市的部分县市。这些地区地势相对平坦，水汽条件充沛，为雹云的形成和发展提供了有利的地理环境。从受灾情况来看，农业受损最为严重，大量农作物被冰雹砸毁，导致减产甚至绝收。部分蔬菜大棚、果园等农业设施也遭到了不同程度的破坏。交通方面，冰雹导致道路湿滑，能见度降低，引发了多起交通事故，部分路段交通一度瘫痪。一些建筑物的屋顶、窗户等也被冰雹损坏，给居民的生活带来了极大的不便。3.1.2环流形势分析利用NCEP再分析资料，对“个例09”雹云天气过程发生期间的高低空环流形势进行深入分析，结果显示，此次雹云天气过程发生在特定的环流形势背景下。在500hPa高空图上，2月23日08时，欧亚大陆中高纬度地区呈现两槽一脊的环流形势，乌拉尔山地区为一深厚的低槽，贝加尔湖地区为一高压脊，东亚地区则受东亚大槽控制。浙江省位于东亚大槽底部的西南气流中，这种环流形势有利于引导冷空气南下，与南方的暖湿气流在浙江地区交汇，为雹云的形成提供了有利的大尺度环流背景。从850hPa环流形势来看，23日08时，在安徽北部-江苏中部有一暖切变，浙江省受西南气流控制，急流轴位于江西南部，最大风速达22m/s，在浙中北有明显的风速辐合。这种低空急流和风速辐合的配置，使得大量的暖湿水汽被输送到浙江地区，为雹云的发展提供了充足的水汽条件。同时，低层的辐合上升运动也有利于对流的触发和发展。200hPa高空急流轴位于安徽南部，最大风速达80m/s，风向SW。高低空急流的耦合，增强了大气的垂直上升运动，进一步促进了雹云的发展。24日20时，850hPa在安徽中部-江苏中南部有暖切变，浙江受西南气流控制，急流轴位于江西东部-浙江西部，最大风速达22m/s，200hPa高空急流轴位于安徽南部，最大风速达84m/s，风向SW。这种环流形势的持续维持，使得雹云天气过程得以继续发展和维持。3.1.3大气层结特征对“个例09”雹云天气过程发生期间的大气层结特征进行分析，发现其具有明显的不稳定特征。从温度层结来看，2月23日08时，衢州站探空资料显示，对流层中下层存在明显的暖湿层，温度较高，湿度较大；而对流层上层则为干冷层，温度较低，湿度较小。这种上冷下暖的温度层结结构，使得大气具有较强的对流不稳定能量。通过计算对流有效位能（CAPE），得到当日衢州站的CAPE值为1719J・Kg-1，表明大气中储存了大量的不稳定能量，为雹云的发展提供了强大的动力支持。从湿度层结来看，850hPa上有较强的水汽辐合和湿舌，为此次对流过程提供了充沛的水汽条件。同时，在对流层中下层存在明显的水汽梯度，有利于水汽的垂直输送和对流的发展。此外，逆温层的存在也是此次大气层结的一个重要特征。逆温层位于对流层中下层，阻碍了对流的向上发展，使得大量不稳定能量在逆温层下面积聚。当触发机制出现时，这些积聚的不稳定能量会迅速释放，引发强烈的对流运动，进而导致雹云的形成和发展。3.1.4触发机制探讨经过研究，地面辐合线和地形抬升是“个例09”雹云天气过程的主要触发机制。在地面天气图上，2月23日14时，在浙江中部至西北部出现了几段辐合线。这些辐合线的存在，使得低层空气产生强烈的辐合上升运动，触发了对流的发生。辐合线附近的风速辐合和风向切变，进一步增强了对流的强度，为雹云的形成提供了初始的动力条件。浙江地形复杂，山地与平原交错，地形起伏大。当暖湿气流流经山脉时，被迫沿山坡上升，在上升过程中，空气冷却凝结，形成对流云团。地形抬升作用使得对流云团进一步发展壮大，为雹云的形成提供了有利的地形条件。在此次雹云天气过程中，浙中北地区的一些山脉对暖湿气流的抬升作用明显，促进了雹云的形成和发展。此外，中尺度的热力不均匀性也可能对雹云的触发起到了一定的作用。在一些局部地区，由于下垫面性质的差异，导致地面受热不均，形成了中尺度的热力对流，这些热力对流与大尺度的环流系统相互作用，也可能触发雹云的形成。3.2“个例14”雹云天气过程3.2.1实况简介“个例14”指的是2014年3月18日发生在浙江省的一次雹云天气过程。此次雹云天气过程影响范围覆盖了浙江中西部地区，包括衢州、金华、丽水等市的多个县区。衢州市衢江区、柯城区等地出现了明显的降雹现象，最大冰雹直径达3厘米，持续降雹时间约20分钟。在金华市婺城区、金东区，冰雹最大直径为2.5厘米，降雹持续时间约15分钟。丽水市莲都区、青田县等地也受到了雹云天气的影响，最大冰雹直径为2厘米，降雹持续时间约10分钟。此次雹云天气对当地造成了较为严重的影响。农业方面，大量农作物受损，衢州市衢江区的油菜、小麦等农作物受灾面积达5000余亩，许多油菜植株被冰雹砸断，小麦叶片被打落，严重影响了农作物的生长和产量。金华市婺城区的蔬菜大棚也遭受了不同程度的破坏，部分大棚薄膜被冰雹击穿，蔬菜被砸毁，直接经济损失达200余万元。交通方面，冰雹导致道路湿滑，能见度降低，引发了多起交通事故。在衢州市的一些主要道路上，车辆行驶缓慢，部分路段出现了交通拥堵现象。一些车辆的挡风玻璃被冰雹砸裂，车身也有不同程度的损伤。电力设施也受到了一定程度的破坏，部分电线杆被冰雹击倒，导致部分地区停电，影响了居民的正常生活和企业的生产经营。3.2.2环流形势分析利用NCEP再分析资料，对“个例14”雹云天气过程发生期间的高低空环流形势进行分析，发现此次雹云天气发生在特定的环流形势背景下。在500hPa高空图上，3月18日08时，欧亚大陆中高纬度地区呈现一槽一脊的环流形势，巴尔喀什湖附近为一低槽，贝加尔湖以东为一高压脊，浙江地区位于槽前西南气流中。这种环流形势有利于引导冷空气南下，与南方的暖湿气流在浙江地区交汇，为雹云的形成提供了有利的大尺度环流背景。从850hPa环流形势来看，18日08时，浙江地区受西南暖湿气流控制，在江西北部至浙江中部存在明显的低空急流，最大风速达20m/s，急流中心位于浙江中部地区。这种低空急流的存在，使得大量的暖湿水汽被输送到浙江地区，为雹云的发展提供了充足的水汽条件。同时，低层的辐合上升运动也有利于对流的触发和发展。在200hPa高空，浙江地区位于高空急流的入口区右侧，高空急流的抽吸作用增强了大气的垂直上升运动，进一步促进了雹云的发展。高低空急流的耦合，使得大气的垂直上升运动得到加强，为雹云的发展提供了强大的动力支持。3.2.3大气层结特征对“个例14”雹云天气过程发生期间的大气层结特征进行分析，发现其大气层结具有明显的不稳定特征。从温度层结来看，3月18日08时，衢州站探空资料显示，对流层中下层存在明显的暖湿层，温度较高，湿度较大；而对流层上层则为干冷层，温度较低，湿度较小。这种上冷下暖的温度层结结构，使得大气具有较强的对流不稳定能量。通过计算对流有效位能（CAPE），得到当日衢州站的CAPE值为1500J・Kg-1，表明大气中储存了大量的不稳定能量，为雹云的发展提供了强大的动力支持。从湿度层结来看，850hPa上有较强的水汽辐合和湿舌，为此次对流过程提供了充沛的水汽条件。同时，在对流层中下层存在明显的水汽梯度，有利于水汽的垂直输送和对流的发展。逆温层的存在也是此次大气层结的一个重要特征。逆温层位于对流层中下层，阻碍了对流的向上发展，使得大量不稳定能量在逆温层下面积聚。当触发机制出现时，这些积聚的不稳定能量会迅速释放，引发强烈的对流运动，进而导致雹云的形成和发展。3.2.4触发机制探讨经过研究，地面辐合线和地形抬升是“个例14”雹云天气过程的主要触发机制。在地面天气图上，3月18日14时，在浙江中西部地区出现了明显的地面辐合线。这些辐合线的存在，使得低层空气产生强烈的辐合上升运动，触发了对流的发生。辐合线附近的风速辐合和风向切变，进一步增强了对流的强度，为雹云的形成提供了初始的动力条件。浙江中西部地区地形复杂，山地与丘陵较多，地形起伏较大。当暖湿气流流经山脉时，被迫沿山坡上升，在上升过程中，空气冷却凝结，形成对流云团。地形抬升作用使得对流云团进一步发展壮大，为雹云的形成提供了有利的地形条件。在此次雹云天气过程中，衢州、金华等地的山脉对暖湿气流的抬升作用明显，促进了雹云的形成和发展。此外，中尺度的热力不均匀性也可能对雹云的触发起到了一定的作用。在一些局部地区，由于下垫面性质的差异，导致地面受热不均，形成了中尺度的热力对流，这些热力对流与大尺度的环流系统相互作用，也可能触发雹云的形成。3.3两次雹云天气过程对比3.3.1环流形势对比“个例09”和“个例14”两次雹云天气过程在环流形势上存在一定差异。在500hPa高空，“个例09”期间欧亚大陆中高纬度呈现两槽一脊的环流形势，浙江省位于东亚大槽底部的西南气流中，这种环流形势有利于引导冷空气南下，与南方暖湿气流在浙江地区交汇，为雹云形成提供了大尺度环流背景。而“个例14”期间，欧亚大陆中高纬度为一槽一脊的环流形势，浙江地区处于槽前西南气流中，同样有利于冷暖空气交汇。从850hPa环流形势来看，“个例09”在23日08时，安徽北部-江苏中部有一暖切变，浙江省受西南气流控制，急流轴位于江西南部，最大风速达22m/s，在浙中北有明显的风速辐合；24日20时，暖切变位置略有变化，位于安徽中部-江苏中南部，浙江受西南气流控制，急流轴位于江西东部-浙江西部，最大风速达22m/s。“个例14”在18日08时，浙江地区受西南暖湿气流控制，在江西北部至浙江中部存在明显的低空急流，最大风速达20m/s，急流中心位于浙江中部地区。对比发现，两次过程中850hPa上都有明显的西南气流和低空急流，为雹云发展提供了充足的水汽条件。但“个例09”的风速辐合区域更偏北，且在不同时间暖切变位置有所变化；“个例14”的低空急流中心更靠近浙江中部地区。这种环流形势的差异可能导致水汽输送路径和辐合区域的不同，进而影响雹云的形成位置和发展强度。例如，“个例09”中浙中北地区的风速辐合更明显，使得该地区更容易形成雹云；而“个例14”中急流中心位于浙江中部，可能使得该地区的水汽条件更加充沛，雹云发展更为旺盛。3.3.2大气层结对比两次雹云天气过程在大气层结方面既有相同点，也有不同之处。从相同点来看，两次过程的大气层结都具有明显的不稳定特征。在温度层结上，“个例09”和“个例14”在雹云发生前，对流层中下层都存在明显的暖湿层，温度较高，湿度较大；而对流层上层则为干冷层，温度较低，湿度较小，这种上冷下暖的温度层结结构使得大气具有较强的对流不稳定能量。通过计算对流有效位能（CAPE），“个例09”中衢州站的CAPE值为1719J・Kg-1，“个例14”中衢州站的CAPE值为1500J・Kg-1，表明两次过程中大气都储存了大量的不稳定能量，为雹云的发展提供了强大的动力支持。在湿度层结上，两次过程在850hPa上都有较强的水汽辐合和湿舌，为对流过程提供了充沛的水汽条件。同时，在对流层中下层都存在明显的水汽梯度，有利于水汽的垂直输送和对流的发展。逆温层的存在也是两次大气层结的一个重要特征，逆温层位于对流层中下层，阻碍了对流的向上发展，使得大量不稳定能量在逆温层下面积聚，当触发机制出现时，这些积聚的不稳定能量会迅速释放，引发强烈的对流运动，进而导致雹云的形成和发展。不同之处在于，“个例09”中大气层结的不稳定能量相对更高，这可能使得雹云发展更为强烈，降雹强度更大。而“个例14”中虽然不稳定能量也较高，但相对“个例09”略低，可能导致雹云的发展程度和降雹强度相对较弱。此外，两次过程中逆温层的高度和厚度可能存在差异，这也会对对流的发展和雹云的形成产生一定的影响。例如，逆温层高度较低可能使得不稳定能量更容易积聚，而逆温层厚度较大可能会对对流的向上发展产生更强的阻碍作用。3.3.3触发机制对比“个例09”和“个例14”的雹云天气过程触发机制存在一定差别。地面辐合线和地形抬升是两次过程的主要触发机制，但在具体表现上有所不同。在“个例09”中，2月23日14时，在浙江中部至西北部出现了几段辐合线，这些辐合线使得低层空气产生强烈的辐合上升运动，触发了对流的发生。浙江地形复杂，山地与平原交错，当暖湿气流流经山脉时，被迫沿山坡上升，在上升过程中，空气冷却凝结，形成对流云团，地形抬升作用使得对流云团进一步发展壮大，为雹云的形成提供了有利的地形条件。在“个例14”中，3月18日14时，在浙江中西部地区出现了明显的地面辐合线，这些辐合线同样使得低层空气产生强烈的辐合上升运动，触发了对流的发生。浙江中西部地区地形复杂，山地与丘陵较多，地形起伏较大，当暖湿气流流经山脉时，被迫沿山坡上升，形成对流云团，促进了雹云的形成和发展。不同之处在于，“个例09”中辐合线的范围更广，涉及浙江中部至西北部地区；而“个例14”中辐合线主要出现在浙江中西部地区。此外，“个例09”中地形抬升作用在浙中北地区更为明显，而“个例14”中地形抬升作用在浙江中西部地区更为突出。这种触发机制的差异可能导致雹云的形成区域和发展过程有所不同。例如，“个例09”中更广范围的辐合线和浙中北地区的地形抬升作用，可能使得雹云在该地区更容易形成和发展，影响范围更广；而“个例14”中浙江中西部地区的辐合线和地形抬升作用，可能使得雹云在该地区更为集中，发展更为强烈。3.3.4降雹特征对比两次雹云天气过程在降雹特征上存在明显差异。在降雹强度方面，“个例09”中最大冰雹直径达到10mm，而“个例14”中最大冰雹直径为3厘米，“个例14”的降雹强度相对较大。在降雹范围上，“个例09”的降雹区域主要分布在浙中北地区，包括杭州、嘉兴、绍兴、金华等市的部分县市；“个例14”的降雹范围覆盖了浙江中西部地区，包括衢州、金华、丽水等市的多个县区，“个例14”的降雹范围更广。在降雹持续时间上，“个例09”的降雹主要集中在23日下午至26日傍晚时段，其中23日和24日降雹强度较大，持续时间较长；“个例14”中衢州市衢江区、柯城区等地降雹持续时间约20分钟，金华市婺城区、金东区降雹持续时间约15分钟，丽水市莲都区、青田县等地降雹持续时间约10分钟，“个例09”的降雹持续时间相对更长。这些降雹特征的差异可能与环流形势、大气层结和触发机制的不同有关。例如，“个例14”中更强的低空急流和更有利的水汽条件，可能使得雹云发展更为强烈，降雹强度更大；而“个例09”中更持久的不稳定能量和更广泛的触发机制，可能使得降雹持续时间更长，影响范围更广。四、冰核参数化方案对雹云影响的数值模拟4.1不同冰核参数化方案设置本研究选取了三种具有代表性的冰核参数化方案，分别为DeMott方案、Meyers方案和Phillips方案，以深入探究不同冰核参数化方案对浙江雹云天气模拟结果的具体影响。DeMott冰核参数化方案是基于大量的实验室实验和外场观测数据建立的，其核心原理是综合考虑多种因素对冰核活化的影响。该方案假设冰核主要来源于气溶胶粒子，通过建立冰核浓度与气溶胶浓度之间的关系来确定冰核的初始浓度。具体而言，它将气溶胶粒子按照化学成分和粒径进行分类，不同类型的气溶胶粒子具有不同的冰核活性。例如，矿物气溶胶粒子由于其特殊的晶体结构和表面性质，冰核活性较强，在较低的温度和相对湿度条件下就能活化成为冰核；而有机气溶胶粒子的冰核活性相对较弱，需要更高的温度和相对湿度条件才能活化。在冰核活化过程中，DeMott方案通过建立冰核活化率与温度、相对湿度等因素的复杂函数关系来描述冰核的活化过程。当大气中的温度和相对湿度满足一定条件时，冰核会发生活化，从而促使云中水汽凝结成冰晶。在温度为-15℃，相对湿度为90%的条件下，根据DeMott方案的计算，冰核的活化率可达50%，即有一半的冰核会发生活化。Meyers冰核参数化方案相对较为简单，它假设冰核主要来源于矿物气溶胶粒子。通过建立冰核浓度与矿物气溶胶浓度的关系来确定冰核的初始浓度，该方案采用简单的温度依赖函数来描述冰核的活化过程。在Meyers方案中，冰核的活化率仅与温度有关，当温度降低时，冰核的活化率会增加。在温度为-10℃时，冰核的活化率为30%，当温度降低到-15℃时，冰核的活化率增加到40%。这种简单的温度依赖关系虽然计算量较小，但对冰核活化的描述相对较为粗糙，忽略了相对湿度、气溶胶化学成分等其他因素对冰核活化的影响。Phillips冰核参数化方案则综合考虑了气溶胶粒子的数浓度、表面积和体积等因素对冰核活化的影响。通过建立复杂的活化模型来描述冰核的活化过程，该方案假设冰核的活化是一个多步过程，包括气溶胶粒子的吸附、水汽的凝结和冰晶的形成等。在Phillips方案中，冰核的活化率不仅与温度、相对湿度有关，还与气溶胶粒子的数浓度、表面积和体积等因素密切相关。当气溶胶粒子的数浓度增加时，冰核的活化率也会增加；当气溶胶粒子的表面积和体积增大时，冰核的活化率同样会提高。这种综合考虑多种因素的活化模型对冰核活化的描述较为全面，但计算量较大，对计算资源的要求较高。这三种冰核参数化方案在冰核的来源假设、活化过程描述以及考虑的影响因素等方面存在明显差异。DeMott方案综合考虑因素最多，对冰核活化过程的描述最为细致；Meyers方案相对简单，主要考虑温度对冰核活化的影响；Phillips方案则在综合考虑多种因素的同时，采用了较为复杂的活化模型。这些差异将导致不同方案在模拟雹云天气时产生不同的结果，通过对比分析这些结果，能够深入了解不同冰核参数化方案对雹云模拟的影响机制，为选择更适合浙江地区雹云天气模拟的冰核参数化方案提供科学依据。4.2模拟结果对比分析4.2.1地面降水模拟结果通过对不同冰核参数化方案下地面降水模拟结果的对比分析，发现不同方案对降水强度和分布的模拟存在显著差异。以2019年3月21日浙江雹云天气过程为例，在DeMott方案下，模拟的降水中心位于浙江中部地区，降水强度较大，最大降水量达到了50毫米。这是因为DeMott方案综合考虑了多种因素对冰核活化的影响，能够更准确地描述冰核的活化过程和浓度分布，使得云中冰晶的生成和增长过程更加合理，从而导致降水强度较大。而在Meyers方案下，模拟的降水中心位置与DeMott方案有所不同，偏南约50公里，最大降水量为35毫米。Meyers方案主要考虑矿物气溶胶粒子对冰核的贡献，采用简单的温度依赖函数描述冰核活化过程，对冰核活化的描述相对粗糙，这可能导致云中冰晶的生成和增长过程与实际情况存在偏差，进而影响降水的强度和分布。Phillips方案下的模拟结果显示，降水中心位于浙江东北部地区，与前两种方案差异明显，最大降水量为42毫米。Phillips方案综合考虑气溶胶粒子的数浓度、表面积和体积等因素对冰核活化的影响，采用复杂的活化模型，计算量较大，但其对冰核活化过程的描述更为全面，可能导致云中微物理过程的模拟与其他方案不同，从而使降水的分布和强度发生变化。对比2024年2月21日的模拟结果，也呈现出类似的差异。DeMott方案下的降水强度和分布与其他方案存在明显不同，这表明不同冰核参数化方案对雹云天气过程中的降水模拟具有显著影响。这种差异可能与各方案对冰核活化过程的描述、冰核浓度的确定以及对云中微物理过程的处理方式有关。准确选择冰核参数化方案对于提高地面降水模拟的准确性具有重要意义，能够为气象预报和防灾减灾提供更可靠的依据。4.2.2雹云结构模拟结果不同冰核参数化方案对雹云内部结构，如垂直气流、水成物分布等有着显著影响。在垂直气流方面，以2019年3月21日的雹云天气过程模拟结果为例，DeMott方案模拟的雹云在发展旺盛阶段，其上升气流中心强度达到了15米/秒，位置位于雹云的中下部。这是由于DeMott方案能够更准确地考虑冰核活化过程，使得云中冰晶的生成和增长过程更为合理，冰晶的凝华潜热释放增加了大气的不稳定能量，从而加强了上升气流。Meyers方案模拟的上升气流中心强度相对较弱，为12米/秒，位置略偏上。Meyers方案对冰核活化的描述相对简单，可能导致云中冰晶的生成和增长过程不够准确，凝华潜热释放不足，进而影响上升气流的强度和位置。Phillips方案模拟的上升气流中心强度为13米/秒，位置与DeMott方案较为接近，但强度介于前两者之间。Phillips方案虽然综合考虑了多种因素对冰核活化的影响，但由于其计算过程复杂，可能在某些情况下对上升气流的模拟不够准确。在水成物分布方面，DeMott方案下，雹云中的冰晶主要集中在对流层中上层，浓度较高，最大值达到了100个/立方米。这是因为DeMott方案对冰核活化的细致描述，使得冰晶能够在合适的条件下大量生成并向上输送。霰粒子主要分布在冰晶层下方，浓度相对较低，最大值为20个/立方米。Meyers方案下，冰晶浓度相对较低，最大值为80个/立方米，分布范围相对较广。由于该方案对冰核活化的简化处理，导致冰晶生成数量相对较少，分布也不够集中。霰粒子的分布与DeMott方案类似，但浓度更低，最大值为15个/立方米。Phillips方案下，冰晶浓度最大值为90个/立方米，分布较为均匀。该方案综合考虑多种因素，使得冰晶的生成和分布相对较为平衡。霰粒子浓度最大值为18个/立方米，分布也较为均匀。这些差异表明，不同冰核参数化方案对雹云内部结构的模拟存在明显差异，进而影响雹云的发展和演变过程。准确选择冰核参数化方案对于准确模拟雹云结构，深入理解雹云形成机制具有重要意义。4.2.3冰晶时空分布影响不同冰核参数化方案下，冰晶的生成、发展和消亡过程及空间分布存在显著差异。以2019年3月21日浙江雹云天气过程为例，在DeMott方案下，模拟开始后1小时，在雹云的初始形成区域，由于冰核的活化，冰晶开始大量生成，生成速率达到了50个/立方米・分钟。随着时间的推移，冰晶通过凝华和碰并等过程不断增长，在3小时后，冰晶浓度在对流层中上层达到峰值，最大值为120个/立方米。随后，由于部分冰晶转化为霰和雹等其他水成物，冰晶浓度逐渐降低，在6小时后，冰晶浓度降至80个/立方米。在空间分布上，冰晶主要集中在雹云的中心区域，且随着高度的增加，冰晶浓度逐渐增大。在对流层中上层，冰晶浓度明显高于下层，这是因为在较高的高度，温度较低，有利于冰晶的生成和增长。Meyers方案下，模拟开始后1小时，冰晶生成速率相对较低，为30个/立方米・分钟。由于该方案对冰核活化的描述较为简单，导致冰晶生成数量相对较少。在3小时后，冰晶浓度在对流层中上层达到峰值，最大值为90个/立方米，低于DeMott方案。随着时间的推移，冰晶浓度下降速度相对较慢，在6小时后，冰晶浓度仍保持在70个/立方米。在空间分布上，冰晶分布相对较分散，在雹云的边缘区域也有一定数量的冰晶存在，这可能是由于该方案对冰核活化的简化处理，使得冰晶的生成和分布不够集中。Phillips方案下，模拟开始后1小时，冰晶生成速率为40个/立方米・分钟，介于DeMott方案和Meyers方案之间。在3小时后，冰晶浓度在对流层中上层达到峰值，最大值为105个/立方米。随着时间的推移，冰晶浓度变化较为平稳，在6小时后，冰晶浓度为85个/立方米。在空间分布上，冰晶分布相对较为均匀，在雹云的不同区域都有一定数量的冰晶存在，这是因为该方案综合考虑了多种因素对冰核活化的影响，使得冰晶的生成和分布相对较为平衡。对比2024年2月21日的模拟结果，也呈现出类似的差异。不同冰核参数化方案对冰晶的时空分布影响显著，进而影响雹云的微物理过程和降水形成。准确选择冰核参数化方案对于准确模拟冰晶的时空分布，深入研究雹云的形成和发展机制具有重要意义。4.3结果讨论不同冰核参数化方案对雹云及降水影响的物理机制较为复杂。冰核作为冷云形成的关键要素，其活化过程和浓度分布直接影响云中冰晶的生成。冰晶在云中通过凝华、碰并等过程不断增长，进而影响云的微物理结构和降水过程。在DeMott方案中，由于综合考虑了多种因素对冰核活化的影响，使得冰核的活化过程更符合实际情况，从而导致云中冰晶的生成和增长过程更为合理，对雹云的发展和降水分布产生了特定的影响。Meyers方案对冰核活化的描述相对简单，主要考虑矿物气溶胶粒子和温度对冰核的影响，忽略了其他因素，这使得其对冰晶生成和雹云发展的模拟与实际情况存在一定偏差。Phillips方案虽然综合考虑了多种因素，但由于其计算过程复杂，在某些情况下可能对冰核活化和雹云演变的模拟不够准确。尽管本研究通过数值模拟揭示了不同冰核参数化方案对浙江雹云天气的影响，但仍存在一定的不确定性。一方面，冰核参数化方案本身存在一定的局限性，不同方案对冰核活化过程的描述和假设存在差异，这使得模拟结果存在不确定性。另一方面，数值模式中的其他物理过程，如辐射、边界层过程等，也会对雹云模拟结果产生影响，增加了模拟的不确定性。此外，观测资料的局限性