一次北京冰雹形成的数值模拟及微物理机制研究OA北大核心CSTPCD

本文利用WRF模式对2021年6月25日一次发生在北京地区的冰雹天气进行高分辨率数值模拟研究。从雷达反射率和降水来看,数值模拟基本再现了冰雹风暴的宏观特征。在此基础上分析了冰雹风暴不同发展阶段的中尺度热力、动力和微物理特征。最后通过输出微物理过程的中间转化项,着重分析雹粒子和雨滴的质量收支和潜热收支情况,给出冰雹形成的云微物理概念模型图。研究结果表明:本次冰雹过程可分为多单体回波、线状对流和飑线三个阶段。此次冰雹天气主要以雪粒子为雹胚在对流层中高层与雨水和云水发生撞冻作用形成雹粒子,雹粒子生成后不断地撞冻雨水和云水增长,冰晶直接撞冻雨水形成雹的转化率很低。气流在风暴的前部低层流入,多单体阶段的两股弱上升气流不断地合并,而线状对流和飑线阶段低层入流减弱,中高层较干冷气流的流入明显。气流在飑线阶段强烈上升,在高层向前流出。被上升气流抬升的暖湿空气与中高层流入的干冷空气相遇凝结为云水或凝华为冰相粒子,释放大量潜热,导致云内浮力增强,促进云内气流强烈上升,将有更多的云水和冰相粒子生成,同时促进了雹粒子的生成和累积。雪和雹粒子的融化吸收大量潜热,导致融化层升高,因此在飑线阶段有大量过冷雨水生成并与雪粒子发生撞冻作用形成更多的雹粒子。大雹粒子降落产生的更强的水物质拖曳力将促进低层下沉气流增强。下沉运动导致低层雨水蒸发冷却,在近地面形成冷池,与高层的潜热加热配合增强对流,从而正反馈于经向环流。环流导致的垂直上升气流促进低层的水汽抬升至融化层以上凝结形成过冷水和凝华为雪粒子,而垂直下沉气流促进雪和雹降落至融化层以下形成雨水以及雨水在融化层以下蒸发,进而正反馈于云内热力环境。如此反复,产生降雹和强降水。