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一次大冰雹形成机制的数值模拟

郭欣 郭学良 陈宝君 何晖 马新成 田平 张邢

郭欣, 郭学良, 陈宝君, 等. 一次大冰雹形成机制的数值模拟. 应用气象学报, 2019, 30(6): 651-664. DOI: 10.11898/1001-7313.20190602..
引用本文: 郭欣, 郭学良, 陈宝君, 等. 一次大冰雹形成机制的数值模拟. 应用气象学报, 2019, 30(6): 651-664. DOI: 10.11898/1001-7313.20190602.
Guo Xin, Guo Xueliang, Chen Baojun, et al. Numerical simulation on the formation of large-size hailstones. J Appl Meteor Sci, 2019, 30(6): 651-664. DOI:  10.11898/1001-7313.20190602.
Citation: Guo Xin, Guo Xueliang, Chen Baojun, et al. Numerical simulation on the formation of large-size hailstones. J Appl Meteor Sci, 2019, 30(6): 651-664. DOI:  10.11898/1001-7313.20190602.

一次大冰雹形成机制的数值模拟

DOI: 10.11898/1001-7313.20190602
资助项目: 

2018年度青年骨干个人项目“北京地形云降水形成机理及气溶胶影响研究”,北京市气象局科技项目 BMBKJ201704009

2018年度青年骨干个人项目“北京地形云降水形成机理及气溶胶影响研究”,北京市气象局科技项目 BMBKJ201905001

公益性行业(气象)科研专项 GYHY201306047

北京市自然科学基金项目 8182024

详细信息
    通信作者:

    郭学良, guoxl@mail.iap.ac.cn

Numerical Simulation on the Formation of Large-size Hailstones

  • 摘要: 利用可模拟冰雹尺度的三维冰雹分档对流云模式,研究了2014年7月16日北京一次大冰雹的形成过程。此次冰雹天气过程的地面降雹最大尺度为7 cm,对流有效位能为1785.3 J·kg-1,具有上干下湿的大气层结条件。数值模拟的冰雹云顶高度达13 km,与雷达观测比较一致,模拟的最大上升气流达30 m·s-1。由于风切变较大,冰雹云出现明显倾斜垂直结构,使冰雹云持续时间较长。此次大冰雹形成的微物理过程具有明显特点,冰雹云中-35~-10℃层存在含量达12~16 g·kg-1的高过冷雨水累积区,冰雹胚胎主要通过受到冰晶接触扰动的过冷雨滴冻结产生,其产生率量级达10-2 g·kg-1·s-1,冰雹增长过程主要依靠雹胚撞冻过冷云水,其增长率的量级与冰雹胚胎产生率的量级一致。
  • 图  1  2014年7月16日北京地区冰雹云雷达回波组合反射率因子演变

    Fig. 1  Radar echo evolutions for the hailstorm in Beijing on 16 Jul 2014

    图  2  2014年7月16日回波垂直剖面分布(a)16:54观测, (b)第30分钟模拟回波强度(单位:dBZ,箭头表示u,w分量的合成矢量)

    Fig. 2  Vertical distribution of radar reflectivity on 16 Jul 2014 (a)the observed at 1654 BT, (b)the simulated at the 30th minute (unit:dBZ, the arrow denotes the synthetic vector of u and w)

    图  3  模拟区域地面最大小时降雨强度(Rrmax)和降雹强度(Rhmax)随时间变化

    Fig. 3  The simulated maximum surface rainfall intensity (Rrmax) and the maximum hailfall intensity (Rhmax)

    图  4  模拟的冰雹云中水平最大上升气流(红色实线)和下沉气流(蓝色虚线)速度(单位:m·s-1)(黑色实线为等温线)

    Fig. 4  Temporal and height distributions of horizontal maximum updraft (the red solid line) and downdraft (the blue dashed line)(unit:m·s-1) (black solid lines for isotherm)

    图  5  冰雹云中气流的垂直剖面

    (黑色线条代表云体范围,填色表示上升和下沉气流,箭头表示u,w分量的合成矢量)

    Fig. 5  Vertical distributions of updraft and downdraft

    (the black line denotes cloud area, colored areas denote updraft and downdraft, the arrow denotes the synthetic vector of u and w)

    图  6  模拟冰雹云中水平水凝物质量混合比(彩色等值线,单位:g·kg-1)的时间-高度分布(黑色等值线为等温线,单位:℃)

    Fig. 6  Temporal and height distributions of the horizontal cloud hydrometeor mixing ratios (the colored line, unit:g·kg-1) of the simulated hailstorm (the black line denotes the isotherm, unit:℃)

    图  7  模拟的冰雹云中水凝物质量混合比最大值随时间演变

    Fig. 7  Temporary variations of maximum mixing ratios of hydrometeors

    图  8  不同尺度霰与雹质量混合比(等值线,单位:g·kg-1)垂直分布随时间变化(填色为上升气流,箭头表示u,w分量的合成矢量)

    Fig. 8  Evolutions of vertical distributions of graupel (hail-bin) mixing ratios (the contour, unit:g·kg-1) (the shaded denotes updraft, the arrow denotes synthetic vector of u and w)

    图  9  模拟区域中不同尺度最大霰(雹)粒子质量混合比随时间变化

    Fig. 9  Temporary variations of maximum graupel (hail-bin) mixing ratios

    图  10  模拟区域内不同尺度最大霰(雹)粒子数量浓度随时间变化

    Fig. 10  Temporary variations of graupel (hail-bin) quantitative concentration in the simulated domain

    图  11  雹胚生成率(a)和冰雹增长率(b)随时间变化

    Fig. 11  Temporary variations of embryos production rate(a) and growth rate of hailstones(b)

    表  1  观测与模拟的冰雹云特征比较

    Table  1  Characteristics of the observed and simulated hailstorms

    特征参量 观测 模拟
    云顶高度/km 14 13
    云顶温度/℃ < -50 < -50
    云底温度/℃ >20 >20
    生命史/min >60 >60
    最大回波强度/dBZ 65 >65
    最大上升气流速度/(m·s-1) 30
    最大降雨强度/(mm·h-1) 50 100
    地面最大冰雹尺度/cm 3.5~7 >3.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-15
  • 修回日期:  2019-10-14
  • 刊出日期:  2019-11-30

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