山东省冰雹云宏微观特征观测及数值模拟研究

【摘要】：本文对2002年9月和2003年6月山东省境内出现的三次冰雹云过程进行了宏微观特征观测的资料分析及数值模拟研究。利用多种探测资料如多普勒天气雷达实时观测资料、卫星云图资料、MICAPS高空及地面气象观测资料和探空资料等,分析了冰雹云发生发展的动力机制和环境特征,并利用中科院大气物理研究所的三维冰雹分档模式研究了冰雹形成增长的微物理机制,以及数值催化效果,由此建立了山东省典型冰雹云的概念模型,并提出了相应的催化方案。 分析结果表明,这三次降雹过程发生的大尺度背景场在高空存在华北冷涡或者冷性低槽,大尺度系统东移并南压,使得高空冷空气下传,而低层存在较深厚的暖湿气流输送,从而在对流层中低层形成大范围不稳定层结。在地面一般存在较强盛的低压系统,产生辐合,并且与高空急流南侧的辐散区相叠加,引起了上升运动。对于发展强大、降雹持续时间长的冰雹云,一般存在较大的环境风垂直切变。水汽条件也是产生大冰雹的重要条件,湿层比较浅薄,整层相对比较干燥是产生大冰雹的有利环境条件。雷达回波显示出超级单体风暴的很多典型特征,回波强度呈现弱回波区、“钩状”回波及悬垂结构等特征,速度图上有的存在“逆风区”,有的存在中-γ尺度气旋,也有的表现为强的辐合辐散。 数值模拟结果表明,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高低层动量的交换和降雹等因素引起的拖曳作用而逐渐被削弱。模拟出冰雹在云中的循环增长方式反映了冰雹云中的主要动力场特征,小冰雹粒子主要分布在主上升气流两侧的次上升气流上方,主要通过碰并云水获得增长。雹胚主要来源于过冷水的冻结,即冻滴。此外,雪通过结凇云水和雨水长大后,转化为雹和霰胚,部分霰胚也是雹胚的来源。数值模拟催化过程发现,催化后大雹减少,小雹及霰增加,或者都减少,主要原因是催化最终使得冰雹对云水和雨水的收集明显减少,干增长过程的收集率也降低,雹胚在云中滞留的时间缩短,所以降落到地面的主要以霰为主,或者仍然以冰晶的形态存在于云中。 在以上综合分析以及前人研究工作的基础上,建立了山东省典型冰雹云的概念模型,主要特征是:冰雹云的云底存在大范围辐合上升气流,云顶存在向两侧的出流,对流层中层上升运动达到最大,由上逐渐减小,对于环境风较大的超级单体,云中出现了倾斜的上升气流,高层随高空风向云移动方向流出,拉出了巨大的云砧,云砧主要是由小冰雪晶等组成。在云体后侧出现的下沉气流逐渐发展到云底,此时冰雹粒子由两侧随下沉气流向地面输送。