云雾物理生长过程及其影响因子的虚拟仿真实验

陆春松+吕晶晶+杨素英

摘 要： 文章利用虚拟平台，设计了六个实验模块（核化和凝结增长理论知识、气溶胶对云微物理的影响、从微观角度分析雾霾区分的难点、垂直上升速度对云微物理的影响、湍流对云微物理的影响、夹卷对云微物理的影响），以帮助学生直观地理解云降水物理过程中各主导因子的作用，包括气溶胶、湍流和夹卷过程等。

关键词： 虚拟仿真实验 云雾物理 影响因子

通过虚拟仿真实验的开展，利用数值模拟分析影响云雾微物理的各个因子的作用，从而让学生在探索过程中加深对理论知识的理解，提升对云降水物理的学习和科研兴趣[1]。

本课程包含云雾微物理的虚拟仿真实验和相关理论知识的讲解，因此可以独立作为一门课程。通过图片和动画，学生深入理解气溶胶、垂直上升速度、湍流和夹卷对云微物理的影响。本课程也可以作为《云降水物理学》[2]这门理论课的一部分，进一步完善理论课的教学方式，活跃课堂气氛。例如可以在课堂上让学生用手机登录虚拟仿真实验的网站，现场做部分虚拟实验，剩下的作为课后作业完成。本课程可以让学生更深入理解寇拉曲线、云雾滴的凝结增长方程等理论知识。本教学中，应要求学生根据自己的想法，改变模式的初始条件，分析云雾微物理的变化。让学生学会探索、学会尝试，培养学生的科研兴趣，提高本科生的科研能力，在教学过程中寻找科研好苗子。

1.模块一：核化和凝结增长理论知识

（1）模块的设计目的

系统介绍同质核化、异质核化、寇拉曲线（温度效应、溶质效应、曲率效应）。

（2）模块的设计方案和功能

通过视频阐述水汽和热量的扩散规律（水汽的扩散、热量的扩散）、单个液滴的扩散增长过程（扩散增长基本方程、通风因子的作用、动力学效应）和云滴群的扩散增长。

实验报告要求：总结核化的分类、寇拉曲线峰值的含义、凝结增长的过程（100分）。

2.模块二：气溶胶对云微物理的影响

（1）模块的设计目的

帮助学生理解寇拉理论和云滴的凝结增长理论。

（2）模块的设计方案和功能

设置垂直上升速度为一个固定值，如2ms-1，进行如下数值实验。

设置若干组气溶胶数浓度、若干组谱型参数和若干组化学成分，让学生自由选择一个数浓度、谱型参数和化学成分，然后运行气泡模式，做出云滴谱随高度变化的动画，以及云滴数浓度、平均半径和含水量等随高度的变化图。

要求学生保持气溶胶数浓度、谱型参数和化学成分中的两个参数不变，只改变另外一个参数，然后运行气泡模式，做出与前一步骤中相同的动画和图，分析改变一个参数后对云微物理量的影响。重复进行，让学生在探索中学习气溶胶是如何影响云微物理的，最重要的参数是什么？

实验报告要求：描述不同参数改变后，云微物理量的变化特征（占80分）；根据寇拉理论，给出云微物理量变化的内在原因（占20分）。

3.模块三：从微观角度分析雾霾区分的难点

（1）模块的设计目的

帮助学生深入理解寇拉理论，并了解从微观角度区分雾霾的困难所在。

（2）模块的设计方案和功能

设置模式所允许的最小垂直上升速度，如0.1ms-1，此时过饱和度较小，接近雾过程，重复2.2中的实验，分析雾中活化的气溶胶和未活化的气溶胶所占的比例，让学生思考雾霾是否可分。这是目前的热点问题，也是云降水物理教学的一个重点和难点。

目前气象行业标准中区分雾霾的标准都是宏观上的，其实从微观角度区分雾霾更准确，因为寇拉曲线可以明确地说明是雾滴还是霾粒子。假如规定未活化的气溶胶所占比例达到80%以上时，称为典型霾；未活化的气溶胶所占比例不到20%时，称为典型雾；如果介于20%到80%之间，则称为不可分的雾霾。让学生做数值实验，分析气溶胶的数浓度、谱型参数和化学成分是如何影响雾霾的区分的。

实验报告要求：给出典型霾、典型雾和“不可分的雾霾”这三种天气现象发生时气溶胶数浓度、谱型参数和化学成分的组合，每一种类型的天气现象至少给出一种组合（占100分）。

4.模块四：垂直上升速度对云微物理的影响

（1）模块的设计目的

帮助学生理解云群滴凝结增长理论。

（2）模块的设计方案和功能

在气溶胶三个参数都保持不变的情况下，让学生改变垂直上升的速度、运行模式，做出不同垂直上升速度条件下，过饱和度、云微物理量和谱分布随高度变化的动画。

实验报告要求：根据不同的模拟结果，做出动画或者图形，解释垂直上升速度对云微物理量的影响（占80分）；根据云群滴凝结增长理论，给出云微物理量变化的内在原因（占20分）。

5.模块五：湍流对云微物理的影响

（1）模块的设计目的

帮助学生理解湍流起伏增长理论。

（2）模块的设计方案和功能

将利用犹他大学的夹卷混合气泡模式设计该模块。考虑到学生对夹卷混合气泡模式不熟悉，将用图形和文字说明该模式的功能。

传统的气泡模式的模拟区域是一个气泡，相当于三维模式的一个网格点。夹卷混合气泡模式的模拟区域不再是一个网格点，而是具有一定宽度、长度和高度的立方体，可以用来模拟云中的湍流过程，比传统的气泡模式先进。

让学生在夹卷混合气泡模式中设置一个湍流耗散率，把模拟区域分成若干小立方体，做出每一个小立方体内云微物理量和谱分布随高度变化的动画，要求学生对不同小立方体内的结果进行比较。

让学生改变湍流耗散率的值，做出类似的动画，对比不同耗散率条件下，不同小立方体内结果的差异。

在每一个湍流耗散率条件下，作出整个模拟区域内的云微物理量和谱分布随高度变化的动画。

实验报告要求：根据不同的模拟结果，画出动画或者图形，解释湍流耗散率对云微物理量的影响（占80分）；根据起伏增长理论，给出云微物理量变化的内在原因（占20分）。

6.模块六：夹卷对云微物理的影响

（1）模块的设计目的

帮助学生理解夹卷混合过程。

（2）模块的设计方案和功能

设置三个参数（夹卷率、夹卷发生的高度和环境空气中的相对湿度），让学生保持两个参数不变，只改变第三个参数，画出谱分布随高度变化的动画，分析第三个参数的影响。

让学生探索夹卷混合过程对云滴谱增宽的影响。观测到的谱分布比理论计算的谱要宽，这是一个悬而未决的科学问题。要求学生画出不同夹卷率、夹卷高度、相对湿度条件下，云滴谱的标准差和离散度随高度的变化图。

实验报告要求：利用模拟结果，分析夹卷率、夹卷发生的高度和环境空气中的相对湿度对云滴谱分布及谱宽等的影响（占80分），并探讨内在机理（占20分）。

参考文献：

[1]王静，朱彬，华兴夏，等.基于“做中学”理念的云降水物理学实践教学改革研究[J].实验技术与管理，2014（7）：145-148.

[2]杨军，陈宝军，银燕，等.云降水物理学[M].北京：气象出版社，2012.

本文的研究得到了江苏省“青蓝工程”、南京信息工程大学校级教学改革研究课题（No.13JY058）、大气科学与气象信息虚拟仿真实验教学课程项目（No.XNFZ2015A13）、大气科学与环境气象实验实习教材建设项目（No.SXJC2016C05）的资助。