云与降水过程及其数值模拟

课程编码：070601M04003H 英文名称：Cloud Physics and Numerical Simulations 课时：80 学分：5.00 课程属性：专业核心课 主讲教师：孙继明等

本课程为大气科学类研究生的学科基础课。本课程从热力学和大气动力学的角度陈述云的微物理演变过程，并应用数学的方法描述大气中气相，液相以及冰相之间的微物理转换过程。从而使大气科学类的研究生能更加深入地理解和掌握云滴、冰晶和雨滴形成的有关理论，及其目前国际云微物理学界最新的研究进展；并且进一步了解云降水过程在积云模式、中尺度模式以及气候模式中的描述方法。

热力学、高等数学

第一章 Thermodynamics of Dry Air 3学时
第1节 Equation of state for dry air
第2节 The first law of thermodynamics
第3节 Meteorological thermodynamic charts
第二章 Meteorological thermodynamic charts 3学时
第1节 Clausius-Clapeyron equation
第2节 Moist air: its vapor content
第3节 Thermodynamics of unsaturated moist air
第4节 Ways of reaching saturation
第5节 Pseudoadiabatic process
第6节 Adiabatic liquid water content
第三章 Parcel Buoyancy and Atmospheric Stability 2学时
第1节 Hydrostatic equilibrium and dry adiabatic lapse rate
第2节 Stability criteria for dry air and stability criteria for moist air
第四章 Mixing and Convection 2学时
第1节 Mixing of air masses
第2节 Convective condensation level and elementary parcel theory
第五章 Observed Properties of Clouds 3学时
第1节 Sizes of clouds and cloud systems
第2节 Microstructure of cumulus clouds
第3节 Cloud droplet spectra
第4节 Microstructure of stratus clouds
第5节 Likelihood of ice and precipitation in clouds
第6节 Microstructure of large continental storm clouds
第六章 Formation of Cloud Droplets 2学时
第1节 Cloud condensation nuclei and cloud and precipitation formation
第2节 Nucleation of liquid water in water vapor
第七章 Droplet Growth by Condensation 2学时
第1节 Diffusional growth of a droplet
第2节 The growth of droplet populations
第八章 Initiation of Rain in Nonfreezing Clouds 4学时
第1节 Droplet growth by collision and coalescence
第2节 Statistical growth: the stochastic coalescence equation
第3节 Condensation plus stochastic coalescence
第九章 Cumulus Cloud Dynamics 8学时
第1节 Dynamic equations for cumulus convections
第2节 Dynamic properties for cumulus convections
第3节 Acoustic wave and gravitational wave
第4节 Conservation laws for the basic quations
第5节 Acoustic filtering
第6节 Anelastic appoximation
第7节 The new perspective for cloud droplet spectra broadening
第十章 Formation and Growth of Ice Crystals 4学时
第1节 Nucleation modes for heterogeneous ice nucleation
第2节 Ice multiplication phenomenon (Hallett and Mossop mechanism)
第3节 Diffusion growth of ice crystals
第4节 Further growth by accretion
第十一章 Rain and Snow 2学时
第1节 Drop-size distribution
第2节 Rain drop breakup
第3节 Distribution of snowflakes with size
第十二章 Precipitation Processes 2学时
第1节 Stratiform precipitation
第2节 Precipitation theories
第3节 Mesoscale structure of rain
第十三章 Severe Storms and Hail 2学时
第1节 life cycle of the thunderstorm cell
第2节 Severe thunderstorms
第3节 Hail growth
第十四章 Physical-Process Parameterizations 12学时
第1节 Background
第2节 Cloud droplet nucleation parameterizations
第3节 Autoconvertion and accretion rate parameterizations
第4节 Ice growth and riming parameterizations
第十五章 Cloud Numerical Simulations 11学时
第1节 Spectra (bin) microphysical cloud models
第2节 Bulk microphysical cloud models
第3节 Large eddy simulations
第4节 Cloud-resolving modelling
第5节 Aerosol effects on precipitation in numerical simulations
第十六章 Measurement of Cloud Drop-size Distribution 9学时
第1节 Method of Cloud droplets detection and data processing
第2节 Cloud Imaging detection (2D-C )
第3节 Cloud and Aerosol Spectrometer (CAS) and Liquid water content(LWC) detect
第4节 Cloud Particle Imager (CPI) and Cloud Condensation Nuclei Counter (CCN)
第5节 Passive Cavity Aerosol Spectrometer Probe
第6节 Data processing of Cloud Imaging
第十七章 Cloud detection by Radar and Satellite 3学时
第1节 Cloud structure detection by radar: Principle and Phased Array Radar
第2节 Cloud structure microphysics detection by Satellite: Principle and Data Retrieving
第十八章 Airborne Microwave Radiometer and Weather Modification 6学时
第1节 Airborne Microwave radiometer
第2节 Weather Modification: History、present and future

孙继明教育经历

学士， 1986-1990，南京气象学院，气象系天气动力专业
硕士， 1999-2002，南京气象学院，大气物理及大气环境系
博士， 2003-2008，加拿大麦吉尔大学，大气科学和海洋系
　 工作经历 　

2011-09--今 中国科学院大气物理研究所 研究员
2010-01--2011-08 美国夏威夷大学 博士后
2008-11--2009-12 加拿大环境部气象中心 博士后
1992-08--1999-08 宁夏气象科学研究所 工程师，高级工程师
1990-07--1992-07 宁夏同心县气象局 天气预报员
　　学术成就

　　1.完善了积云生成的微物理学和动力学机制

　　 积云云滴谱的拓宽是云降水物理学一个长期没有解决的难题。经典的气块理论和湍流挟卷理论无法解释积云中心滴谱的拓宽现象。为此，指出了经典气块理论的缺陷，提出了积云生成的一个新的理论：积云的生成是浮力和气压扰动梯度力同时发生作用的结果，在积云的发展阶段，大气连续性的特征要求积云云顶上部的空气必须在气压扰动梯度力的作用下绝热抬升，这种绝热膨胀冷却过程必然导致云顶边界层饱和而生成新的云滴。在积云的发展阶段，积云云顶和云底同时生成云滴，积云云顶边界层存在凝结过程的这一理论打破了长期以来认为的云顶边界只存在蒸发过程的观念。

　　2.解释了暖积云冰晶的繁生现象

　　 浅对流暖积云的冰晶繁生现象是困扰云雾物理学家多年的未解之谜，问题的焦点在于如何快速形成大的冰粒子，从而借助Hallett-Mossop机制解释在10分钟之内冰晶的浓度从可探测到的每升小于1个迅速增加到每升大于100个。为此，提出了在积云的发展阶段，积云内部存在一个向上移动的雨滴高浓度带，过冷雨滴经过极个别的生物冰核活化后形成的原始冻滴，在-3℃与-8℃之间和云滴碰撞后会生成小的冰晶粒子，冰晶粒子进一步被高浓度的雨滴捕捉，形成大量的次生冻滴，云滴粒子和冻滴连续不断地碰撞从而导致了冰晶粒子在很短时间内的爆发。

　　学术任职

　　《Advanced Atmospheric Sciences》编委

　　《大气科学》编委

　　现任中国气象学会大气物理学会委员会委员