三维对流云中粒子谱演变特征的数值模拟

摘要

利用对CCN、液滴、冰晶、雪粒和霰粒均进行分档处理的三维完全弹性对流云模式模拟了2000年6月 29日发生在美国堪萨斯州的一次超级单体风暴过程中粒子谱形成演变特征。模式的三维动力框架，采用K-M 模式体系的完全弹性（可压缩）原始方程组为模式动力结构，包括三维气流速度场、温、压、湿等预报量，用“时步分离”技术求解。模式中考虑的微物理过程包括：CCN核化，液滴的凝结蒸发过程，碰撞－并合过程和破碎过程，液滴冻结，冰晶核化（凝华、凝结－冻结、和接触核化过程，冰晶繁生过程，冰粒子的凝华和升华过程，液滴与冰相粒子之间和冰相粒子之间的相互作用（聚合、撞冻和淞附过程），冰粒子的融化过程，和沉降过程。对每一种水成物粒子，分别预报其质量浓度与数浓度，每一档的平均质量随时间改变，不再为常数。对水成物粒子按质量加倍方法分为34档，第一档质量为1.598e-11 g。对液滴和霰粒，最小直径分别为3.13 μm和4.24 μm，最大直径分别为8063 μm和10943 μm。模拟结果表明: (1) 霰粒的形成增长机制有凝华和淞附两种，入流区上部霰粒双峰和三峰型谱分布相对较多，霰粒增长以淞附增长为主，大霰粒出现的时间晚于主上升气流及出流区上方。(2) 大霰粒在主上升气流上方停留时间较长。主上升气流上方的霰粒在对流单体发展的初期以凝华增长为主，且凝华增长发挥作用的时间长于入流区上部。主上升气流上方霰粒谱没有出现明显的三峰型谱分布。(3) 出流区上部的霰粒谱在对流单体发展及成熟阶段均以单峰型谱分布为主，霰粒主要依靠对水汽的凝华作用增长，长大后以下落为主。(4) 初始时刻相对湿度的降低不利于入流区上方霰粒的形成及增长。初始时刻位温扰动的增加，不利于模拟云出流区上方大霰粒的形成及增长。得出结论：可以通过在入流区上部和主上升气流上部影响霰粒的凝华增长和淞附增长抑制大霰粒或冰雹粒子的形成。对流单体不同部位霰粒增长机制不同，初始时刻不同的温湿扰动下霰粒产生增长机制，及其适宜的防雹催化部位及机理也不相同。