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，設計了六個實驗模塊（核化和凝結增長理論知識、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），以幫助學生直觀地理解云降水物理過程中各主導因子的作用，包括氣溶膠、湍流和夾卷過程等。

關鍵詞： 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，利用數值模擬分析影響云霧微物理的各個因子的作用，從而讓學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習和科研興趣[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》[2]這門理論課的一部分，進一步完善理論課的教學方式，活躍課堂氣氛。例如可以在課堂上讓學生用手機登錄虛擬仿真實驗的網站，現場做部分虛擬實驗，剩下的作為課后作業完成。本課程可以讓學生更深入理解寇拉曲線、云霧滴的凝結增長方程等理論知識。本教學中，應要求學生根據自己的想法，改變模式的初始條件，分析云霧微物理的變化。讓學生學會探索、學會嘗試，培養學生的科研興趣，提高本科生的科研能力，在教學過程中尋找科研好苗子。

1.模塊一：核化和凝結增長理論知識

（1）模塊的設計目的

系統介紹同質核化、異質核化、寇拉曲線（溫度效應、溶質效應、曲率效應）。

（2）模塊的設計方案和功能

通過視頻闡述水汽和熱量的擴散規律（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、通風因子的作用、動力學效應）和云滴群的擴散增長。

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

2.模塊二：氣溶膠對云微物理的影響

（1）模塊的設計目的

幫助學生理解寇拉理論和云滴的凝結增長理論。

（2）模塊的設計方案和功能

設置垂直上升速度為一個固定值，如2ms-1，進行如下數值實驗。

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

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

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

3.模塊三：從微觀角度分析霧霾區分的難點

（1）模塊的設計目的

幫助學生深入理解寇拉理論，并了解從微觀角度區分霧霾的困難所在。

（2）模塊的設計方案和功能

設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的一個重點和難點。

目前氣象行業標準中區分霧霾的標準都是宏觀上的，其實從微觀角度區分霧霾更準確，因為寇拉曲線可以明確地說明是霧滴還是霾粒子。假如規定未活化的氣溶膠所占比例達到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。讓學生做數值實驗，分析氣溶膠的數濃度、譜型參數和化學成分是如何影響霧霾的區分的。

實驗報告要求：給出典型霾、典型霧和“不可分的霧霾”這三種天氣現象發生時氣溶膠數濃度、譜型參數和化學成分的組合，每一種類型的天氣現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）模塊的設計目的

幫助學生理解云群滴凝結增長理論。

（2）模塊的設計方案和功能

在氣溶膠三個參數都保持不變的情況下，讓學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：根據不同的模擬結果，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）；根據云群滴凝結增長理論，給出云微物理量變化的內在原因（占20分）。

5.模塊五：湍流對云微物理的影響

（1）模塊的設計目的

幫助學生理解湍流起伏增長理論。

（2）模塊的設計方案和功能

將利用猶他大學的夾卷混合氣泡模式設計該模塊?？紤]到學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。

傳統的氣泡模式的模擬區域是一個氣泡，相當于三維模式的一個網格點。夾卷混合氣泡模式的模擬區域不再是一個網格點，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，比傳統的氣泡模式先進。

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

讓學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，不同小立方體內結果的差異。

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

實驗報告要求：根據不同的模擬結果，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）；根據起伏增長理論，給出云微物理量變化的內在原因（占20分）。

6.模塊六：夾卷對云微物理的影響

（1）模塊的設計目的

幫助學生理解夾卷混合過程。

（2）模塊的設計方案和功能

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

讓學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問題。要求學生畫出不同夾卷率、夾卷高度、相對濕度條件下，云滴譜的標準差和離散度隨高度的變化圖。

實驗報告要求：利用模擬結果，分析夾卷率、夾卷發生的高度和環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），并探討內在機理（占20分）。

參考文獻：

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

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

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