云雾物理生长过程及其影响因子的虚拟仿真实验

2016-07-12陆春松吕晶晶杨素英

考试周刊 2016年50期

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。