山西省两种降水云系微物理特征和数值模拟研究

【摘要】：本文利用2009年5月8-10日常规天气资料、卫星云图、太原多普勒雷达资料及2009年5月8日和10日飞机获取的DMT资料,分别对山西省一次积层混合云和一次层状云的宏、微观结构进行了分析,并利用中尺度WRF模式对2009年5月9日一次中尺度对流系统引起的强降水进行了数值模拟研究,得到以下结论： (1)2009年5月8日飞机探测到的积层混合云是由对流单体多次并合形成的带状对流云团减弱后形成的,带状对流云团的形成过程经历了多尺度并合,并合过程分为单体并合、云体并合和强中心并合。并合过程对云体面积、强度和回波顶高均有不同程度的促进作用。CDP、CIP、PIP探头观测到的粒子平均浓度变化范围分别是132.4-220.2个/cm3、1.54×10-1-6.28×100个/cm3、9.09×10-4-7.34×10-3个/cm3。二维图像分析发现：冷层中的固态粒子主要是形状不规则的霰粒子,说明过冷水供应充足；碰并和凇附是冰晶粒子增长为霰的重要机制。CDP云粒子谱,2-18μm云粒子浓度基本随着高度的增加而减小,24-35μm粒子浓度随高度增加而增大。CIP大云粒子谱,除4100m为双峰谱外,其他高度均为单峰谱。PIP降水粒子谱,4450m高度处的粒子浓度和谱宽最大,表明对流单体及周边区域为较大固态降水粒子的形成提供了良好的环境。 (2)2009年5月10日对西风槽影响下的层状云系的个例研究发现,CDP探头测得的层积云和高层云的最大云滴浓度分别为375个/cm3和217个/cm3；CIP探头测得的层积云和高层云的平均粒子浓度分别为2.45×10-2个/cm3和1.21×100个/cm3；PIP探头测得的降水粒子浓度基本在10-4-10-2个/cm3量级。二维图像分析发现：冷层中固态粒子以柱状和枝状冰雪晶为主,在接近0℃的负温度范围内,柱状冰晶间的粘连过程起主导作用,形成的聚合体尺度大,说明凇附和碰并是主要的增长机制。CDP云粒子谱型大体为单峰分布,CIP大云粒子谱为负指数型,PIP降水粒子谱,随着高度的降低,各档粒子数浓度逐渐降低,谱宽也逐渐减小,0℃层以上谱型相似,为负指数型,0℃层以下的谱,为单峰型和双峰型。 (3)利用WRF模式能够较好的模拟出2009年5月9日的强降水过程,从模拟的雷达组合反射率图上看,云系呈东北-西南向分布,表现为积层混合云的回波特征。在对流发展旺盛的强中心区域,降水的垂直结构为典型的“播种云-供应云”降水机制,符合顾震潮提出的三层云概念模式。在山西的中西部地区,良好的动力、热力和水汽条件使得云系发展旺盛,对流活动频繁出现,冷、暖云机制得到充分发挥,降水效率高,持续时间长,造成了区域性强降水的发生。