云霧物理生長過程及其影響因子的虛擬仿真實驗

陸春松+呂晶晶+楊素英

摘 要： 文章利用虛擬平臺，設(shè)計了六個實驗?zāi)K（核化和凝結(jié)增長理論知識、氣溶膠對云微物理的影響、從微觀角度分析霧霾區(qū)分的難點、垂直上升速度對云微物理的影響、湍流對云微物理的影響、夾卷對云微物理的影響），以幫助學(xué)生直觀地理解云降水物理過程中各主導(dǎo)因子的作用，包括氣溶膠、湍流和夾卷過程等。

關(guān)鍵詞： 虛擬仿真實驗 云霧物理 影響因子

通過虛擬仿真實驗的開展，利用數(shù)值模擬分析影響云霧微物理的各個因子的作用，從而讓學(xué)生在探索過程中加深對理論知識的理解，提升對云降水物理的學(xué)習(xí)和科研興趣[1]。

本課程包含云霧微物理的虛擬仿真實驗和相關(guān)理論知識的講解，因此可以獨立作為一門課程。通過圖片和動畫，學(xué)生深入理解氣溶膠、垂直上升速度、湍流和夾卷對云微物理的影響。本課程也可以作為《云降水物理學(xué)》[2]這門理論課的一部分，進一步完善理論課的教學(xué)方式，活躍課堂氣氛。例如可以在課堂上讓學(xué)生用手機登錄虛擬仿真實驗的網(wǎng)站，現(xiàn)場做部分虛擬實驗，剩下的作為課后作業(yè)完成。本課程可以讓學(xué)生更深入理解寇拉曲線、云霧滴的凝結(jié)增長方程等理論知識。本教學(xué)中，應(yīng)要求學(xué)生根據(jù)自己的想法，改變模式的初始條件，分析云霧微物理的變化。讓學(xué)生學(xué)會探索、學(xué)會嘗試，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，提高本科生的科研能力，在教學(xué)過程中尋找科研好苗子。

1.模塊一：核化和凝結(jié)增長理論知識

（1）模塊的設(shè)計目的

系統(tǒng)介紹同質(zhì)核化、異質(zhì)核化、寇拉曲線（溫度效應(yīng)、溶質(zhì)效應(yīng)、曲率效應(yīng)）。

（2）模塊的設(shè)計方案和功能

通過視頻闡述水汽和熱量的擴散規(guī)律（水汽的擴散、熱量的擴散）、單個液滴的擴散增長過程（擴散增長基本方程、通風(fēng)因子的作用、動力學(xué)效應(yīng)）和云滴群的擴散增長。

實驗報告要求：總結(jié)核化的分類、寇拉曲線峰值的含義、凝結(jié)增長的過程（100分）。

2.模塊二：氣溶膠對云微物理的影響

（1）模塊的設(shè)計目的

幫助學(xué)生理解寇拉理論和云滴的凝結(jié)增長理論。

（2）模塊的設(shè)計方案和功能

設(shè)置垂直上升速度為一個固定值，如2ms-1，進行如下數(shù)值實驗。

設(shè)置若干組氣溶膠數(shù)濃度、若干組譜型參數(shù)和若干組化學(xué)成分，讓學(xué)生自由選擇一個數(shù)濃度、譜型參數(shù)和化學(xué)成分，然后運行氣泡模式，做出云滴譜隨高度變化的動畫，以及云滴數(shù)濃度、平均半徑和含水量等隨高度的變化圖。

要求學(xué)生保持氣溶膠數(shù)濃度、譜型參數(shù)和化學(xué)成分中的兩個參數(shù)不變，只改變另外一個參數(shù)，然后運行氣泡模式，做出與前一步驟中相同的動畫和圖，分析改變一個參數(shù)后對云微物理量的影響。重復(fù)進行，讓學(xué)生在探索中學(xué)習(xí)氣溶膠是如何影響云微物理的，最重要的參數(shù)是什么？

實驗報告要求：描述不同參數(shù)改變后，云微物理量的變化特征（占80分）；根據(jù)寇拉理論，給出云微物理量變化的內(nèi)在原因（占20分）。

3.模塊三：從微觀角度分析霧霾區(qū)分的難點

（1）模塊的設(shè)計目的

幫助學(xué)生深入理解寇拉理論，并了解從微觀角度區(qū)分霧霾的困難所在。

（2）模塊的設(shè)計方案和功能

設(shè)置模式所允許的最小垂直上升速度，如0.1ms-1，此時過飽和度較小，接近霧過程，重復(fù)2.2中的實驗，分析霧中活化的氣溶膠和未活化的氣溶膠所占的比例，讓學(xué)生思考霧霾是否可分。這是目前的熱點問題，也是云降水物理教學(xué)的一個重點和難點。

目前氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中區(qū)分霧霾的標(biāo)準(zhǔn)都是宏觀上的，其實從微觀角度區(qū)分霧霾更準(zhǔn)確，因為寇拉曲線可以明確地說明是霧滴還是霾粒子。假如規(guī)定未活化的氣溶膠所占比例達(dá)到80%以上時，稱為典型霾；未活化的氣溶膠所占比例不到20%時，稱為典型霧；如果介于20%到80%之間，則稱為不可分的霧霾。讓學(xué)生做數(shù)值實驗，分析氣溶膠的數(shù)濃度、譜型參數(shù)和化學(xué)成分是如何影響霧霾的區(qū)分的。

實驗報告要求：給出典型霾、典型霧和“不可分的霧霾”這三種天氣現(xiàn)象發(fā)生時氣溶膠數(shù)濃度、譜型參數(shù)和化學(xué)成分的組合，每一種類型的天氣現(xiàn)象至少給出一種組合（占100分）。

4.模塊四：垂直上升速度對云微物理的影響

（1）模塊的設(shè)計目的

幫助學(xué)生理解云群滴凝結(jié)增長理論。

（2）模塊的設(shè)計方案和功能

在氣溶膠三個參數(shù)都保持不變的情況下，讓學(xué)生改變垂直上升的速度、運行模式，做出不同垂直上升速度條件下，過飽和度、云微物理量和譜分布隨高度變化的動畫。

實驗報告要求：根據(jù)不同的模擬結(jié)果，做出動畫或者圖形，解釋垂直上升速度對云微物理量的影響（占80分）；根據(jù)云群滴凝結(jié)增長理論，給出云微物理量變化的內(nèi)在原因（占20分）。

5.模塊五：湍流對云微物理的影響

（1）模塊的設(shè)計目的

幫助學(xué)生理解湍流起伏增長理論。

（2）模塊的設(shè)計方案和功能

將利用猶他大學(xué)的夾卷混合氣泡模式設(shè)計該模塊?？紤]到學(xué)生對夾卷混合氣泡模式不熟悉，將用圖形和文字說明該模式的功能。

傳統(tǒng)的氣泡模式的模擬區(qū)域是一個氣泡，相當(dāng)于三維模式的一個網(wǎng)格點。夾卷混合氣泡模式的模擬區(qū)域不再是一個網(wǎng)格點，而是具有一定寬度、長度和高度的立方體，可以用來模擬云中的湍流過程，比傳統(tǒng)的氣泡模式先進。

讓學(xué)生在夾卷混合氣泡模式中設(shè)置一個湍流耗散率，把模擬區(qū)域分成若干小立方體，做出每一個小立方體內(nèi)云微物理量和譜分布隨高度變化的動畫，要求學(xué)生對不同小立方體內(nèi)的結(jié)果進行比較。

讓學(xué)生改變湍流耗散率的值，做出類似的動畫，對比不同耗散率條件下，不同小立方體內(nèi)結(jié)果的差異。

在每一個湍流耗散率條件下，作出整個模擬區(qū)域內(nèi)的云微物理量和譜分布隨高度變化的動畫。

實驗報告要求：根據(jù)不同的模擬結(jié)果，畫出動畫或者圖形，解釋湍流耗散率對云微物理量的影響（占80分）；根據(jù)起伏增長理論，給出云微物理量變化的內(nèi)在原因（占20分）。

6.模塊六：夾卷對云微物理的影響

（1）模塊的設(shè)計目的

幫助學(xué)生理解夾卷混合過程。

（2）模塊的設(shè)計方案和功能

設(shè)置三個參數(shù)（夾卷率、夾卷發(fā)生的高度和環(huán)境空氣中的相對濕度），讓學(xué)生保持兩個參數(shù)不變，只改變第三個參數(shù)，畫出譜分布隨高度變化的動畫，分析第三個參數(shù)的影響。

讓學(xué)生探索夾卷混合過程對云滴譜增寬的影響。觀測到的譜分布比理論計算的譜要寬，這是一個懸而未決的科學(xué)問題。要求學(xué)生畫出不同夾卷率、夾卷高度、相對濕度條件下，云滴譜的標(biāo)準(zhǔn)差和離散度隨高度的變化圖。

實驗報告要求：利用模擬結(jié)果，分析夾卷率、夾卷發(fā)生的高度和環(huán)境空氣中的相對濕度對云滴譜分布及譜寬等的影響（占80分），并探討內(nèi)在機理（占20分）。

參考文獻：

[1]王靜，朱彬，華興夏，等.基于“做中學(xué)”理念的云降水物理學(xué)實踐教學(xué)改革研究[J].實驗技術(shù)與管理，2014（7）：145-148.

[2]楊軍，陳寶軍，銀燕，等.云降水物理學(xué)[M].北京：氣象出版社，2012.

本文的研究得到了江蘇省“青藍(lán)工程”、南京信息工程大學(xué)校級教學(xué)改革研究課題（No.13JY058）、大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實驗教學(xué)課程項目（No.XNFZ2015A13）、大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實驗實習(xí)教材建設(shè)項目（No.SXJC2016C05）的資助。