地形与气溶胶对新疆冰雹形成物理过程影响的数值模拟研究

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地形和气溶胶对雹云的发展都有重要影响。本文使用带有分档微物理方案的中尺度模式(WRF-SBM)模拟了一次新疆夏季的冰雹天气过程,并通过敏感性试验研究了地形和气溶胶(分别充当云凝结核(CCN)和大气冰核(IN))对雹云微物理特征、降水过程及冰雹形成机制的影响,并将结果与雷达观测资料进行对比。主要结论如下:地形影响雹云的位置、范围及对流启动时间等。若天山地形高度降低,有利于山体南侧对流提前发生;否则,对流推迟启动。天山地形的存在阻挡来自西北方向和北方的水汽和气流的输送,在一定程度上抑制了天山以南对流的发展。地形高度降低使得天山以南地面液相降水增加,冰相降水减少,若地形高度升高则相反。并且地形影响云内微物理结构,若地形降低,天山以南雹云内冰雹含量大幅增加。CCN影响云中云滴的形成。初始CCN浓度越大,对流云发展越旺盛;雹云发展阶段,云中液水含量随CCN浓度增加而增大,冰水含量在中度污染时最大。冰雹的含量随CCN浓度的增加呈现先增加后减小的趋势,相较而言,中度污染条件下,云滴尺度适当,过冷云水含量相对充足,更有利于液相水成物向冰粒子的转化,也更有利于冰雹的生长;冰雹最初几乎全部由冰晶碰冻过冷水生成,随后该过程迅速减弱,液滴冻结过程短暂地成为主要来源,冰雹一旦形成,自身迅速收集过冷水开始生长,成为冰雹生长的主导过程,重度污染条件导致各成雹过程推迟发生。初始CCN浓度增大导致地面液相累积降水增加,冰相累积降水先增加减少。在此基础上,本文提出最适合冰雹生长的CCN浓度,同时也是人工防雹工作中应重点关注的浓度。IN影响云内冰晶的形成。初始IN浓度越大,将消耗更多的过冷水生成大量冰晶,且其冰晶的形成机制与增加CCN时不同:CCN浓度增加,大量小云滴被抬升到高空,由冻结过程生成的冰晶增多;而IN直接参与云中的异质核化过程,浓度增大导致在更温暖的环境中生成的冰晶更多。冰雹含量随IN浓度的增大而减少,IN增多促进冰晶碰冻过冷水成雹的过程,同时抑制液滴通过浸润冻结生成冰雹的过程。初始IN浓度增大导致地面累积液相降水增加,冰相降水减少。
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