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强对流云中“穴道”的物理含义和应用

许焕斌 田利庆

许焕斌, 田利庆. 强对流云中“穴道”的物理含义和应用. 应用气象学报, 2008, 19(3): 372-379..
引用本文: 许焕斌, 田利庆. 强对流云中“穴道”的物理含义和应用. 应用气象学报, 2008, 19(3): 372-379.
Xu Huanbin, Tian Liqing. Physical meanings of 'cave channel' in strong convective storm with its application. J Appl Meteor Sci, 2008, 19(3): 372-379.
Citation: Xu Huanbin, Tian Liqing. Physical meanings of "cave channel" in strong convective storm with its application. J Appl Meteor Sci, 2008, 19(3): 372-379.

强对流云中“穴道”的物理含义和应用

资助项目: 

国家自然科学基金项目 40475006

Physical Meanings of "Cave Channel" in Strong Convective Storm with Its Application

  • 摘要: 自提出在冰雹云中存在“穴道”-“零域”结构以来, 已有一批相关模拟和观测研究论文发表, 进一步深化了对这一现象的理解, 同时在探讨和应用中也显现出一些问题或疑问:如“穴道”-“零域”结构存在的条件, 阵雨性对流云中是否也有类似结构, 前人的研究中为何未明确指出这种结构, 在应用中如何判识“穴道”-“零域”等。该文以观测实例和数值模拟作了回答, 并系统地探讨了“穴道”-“零域”的物理意义和应用要领, 明确了以下几点:从本质上来看“穴道”-“零域”具有的功能是云中宏、微观运动量场之间相互作用的表现; 强对流云中一些特殊的雷达回波结构, 如有界弱回波区 (BWER)、无界弱回波区 (WER) 或悬挂回波 (OE), 则是这种相互作用的产物; 只有在云中的气流速度与粒子的末速大小相当时, 这种相互作用才起重要作用, 粒子的末速比气流的速度过大或过小, 其作用反映弱; 对“穴道”-“零域”物理含义的探讨可深化对雷达产品的动力及物理意义的认识, 这对于在灾害性———高影响天气的临近预报中去寻找特征指标和判定防雹增雨作业的部位、时机等提供了科学依据。
  • 图  1  “穴道”示意图 (a), 3个长成冰雹的粒子循环运行增长轨迹 (b), 1个长成冰雹并向“穴道”集中的大粒子循环运行增长轨迹的二维图 (垂直于剖面的格点坐标:y=22;*表示粒子出发位置; 虚线是上升气流速度等值线)(c), “零域”中上升气流速度及粒子平衡或平均位置 (d)

    Fig. 1  (a) Schematic of "cave channal"(CC), (b) the 3D growth-travel trajectories of three large hailstones growing up, (c) the 2D growth-travel trajectories of a large hailstones concentrated to the "CC"(projection to the vertical cross section, y=22;* represents the starting loation; dashed lines present trajectories projected to the section), (d) the profile of verticle wind speed and particles at the equilibrium state with their terminal velocities respectively

    图  2  添加了相对水平风速为零的“零线”后Fleming雹暴垂直剖面图[9]

    Fig. 2  Vertical section showing features of the visual cloud boundaries of the Fleming storm[9] with " zero line" of horizontal wind (ZLHW) analyzed by the author

    图  3  添加了悬挂回波轴线雹暴的反射率因子和估算的各种水凝物粒子群在云中分布的垂直剖面图[10]

    Fig. 3  Vertical section showing features of the reflectivity factor and the particles distribution of a hailstorm[10]

    图  4  强对流云旋转对流流型的优选演化示意图

    (a) 纯辐合, (b) 纯旋转, (c) 理想的强辐合和强旋转, (d) 实际和最优的强辐合和强旋转

    Fig. 4  The evolution schematic of a strong convective and rotary airflow pattern which is optimal for the formation and maintenance of hailstorm

    (a) full convergence, (b) full rotation, (c) strong convection and rotation in ideal, (d) strong convection and rotation in natural and in optimal

    图  5  冰雹云中长大成雹的340个粒子运行轨迹在模拟区间 (y=22~23) 粒子群运行增长轨迹分布 (a) 及三维运行增长轨迹 (b)

    Fig. 5  Vertical cross sections through the main updraft and near CC, showing growth-travel trajectories of 340 hailstones growing up (y=22-23)(a), the 3D growth-travel trajectories near CC and through the main updraft (b)

    图  6  粒子末速比原有末速减少一半时的模拟, 在y=22~23区间内, 340个长成大粒子的增长运行轨迹在区间内的轨迹线段分布

    Fig. 6  Same as in Fig.5a, but for the terminal velocities of partices equal the half as much as normal terminal velocity

    图  7  粒子群有末速时, “零域”邻区内的粒子群的平均尺寸 (a) 和粒子总数 (b) 随时步的变化

    (m=n×30, n是积分时间步数, t=nΔT, ΔT=5 s)

    Fig. 7  The evolution with time of the average diameter (a) and total number (b) of particles those locate within the volume of adjacent " CC"

    (m=n×30, n is steps of integration, t=nΔT, ΔT=5 s)

    图  8  当粒子末速比原有末速减少一半时, “零域”邻区内的粒子群的平均尺寸 (a) 和粒子群总数 (b) 随时步的变化 (其他说明同图 7)

    Fig. 8  Same as in Fig. 7, but for the terminal velocities of partices equal the half as much as normal terminal velocity

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出版历程
  • 收稿日期:  2007-03-06
  • 修回日期:  2008-01-28
  • 刊出日期:  2008-06-30

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