改进的雷达回波顶高、垂直积分液态水含量及其密度算法

鉴于新一代天气雷达回波顶高和垂直积分液态水含量产品的若干缺陷,提出其改进算法,并增加垂直积分液态水含量密度算法。改进的回波顶高算法通过极坐标方式将该产品的空间分辨率从4 km×4 km提高为1°×1 km,且通过垂直线性内插处理得到更精确的回波顶高值。改进的垂直积分液态水含量算法通过扩大计算范围(460 km)满足监视来自上风方向对流的需求,通过去掉18 dBz阈值的限制、提高空间分辨率(1°×1 km)以及保存未分等级的数据,从而提高其产品的精细化分辨能力,以满足监视初生天气潜在发展的需求。通过对比分析算法改进前后的回波顶高和垂直积分液态水含量产品以描述改进产品的优点,结果表明:改进后的回波顶高产品已无原产品中的锯齿状振荡;回波顶高值大于等于改进前的;改进的垂直积分液态水含量产品纹理更加光滑、结构更加精细。相比垂直积分液态水含量,垂直积分液态水含量密度更适合作为冰雹判别指标。

银川地区大气水汽、云液态水含量特性的初步分析

基于双通道微波辐射计资料和地面常规气象资料,分析了银川地区不同季节大气水汽含量和云液态水含量的日变化特征及各个时次的降水分布。结果表明,在银川地区,一年观测期内的大气水汽含量逐月变化与多年(1951-2010年)平均降水量逐月变化的相关性较好,相关系数达0.94;大气水汽含量的高值区出现在中午到傍晚时段,低值区出现在日出前后。春、夏、秋季夜间的云液态水含量大于白天;云液态水含量的高值区出现在日出前和傍晚,这种情况在夏、秋季尤为明显;云液态水含量和大气水汽两者间的日变化相关性不显著。

机载微波辐射计测云中液态水含量(Ⅱ):反演方法

介绍了机载对空微波辐射计探测云中路径积分液态水含量(L)的辐射传输原理和反演方法;根据吉林省长春市的历史探空资料和典型的层状云液水垂直分布模式,得到该地区4～7月各月随高度而变化的反演公式系数的表达式,并给出了反演误差的数值模拟检验结果:在地面反演值对"真值"的统计相对偏差是15%～25%,在6km高度处为5%～10%,表明该方法已具有实用可接受的精度。此外,为减少由于回归样本中云液水廓线的"失真"给反演造成的误差,本文在对探空廓线作诊断建立云液水廓线时,引入了实际目测最低云底高的信息。数值模拟比较表明,该措施行之有效,使对流层中下层几乎所有高度上L反演值的精度提高了5%～20%,观测高度越低,精度提高的越多。

寿县地区云中液态水含量的微波遥感

该文利用地基双频 ( 2 2 .2 35GHz( 1 .35cm)和 35.3GHz( 8mm) )微波辐射计和热带降雨测量卫星微波成像仪 (TRMM/TMI)两种被动微波遥感资料分别反演安徽寿县地区云中液态水含量 ,运用统计回归方法得到该地区云水含量的反演公式 ,揭示了该地区云中液态水含量存在一个阈值 0 .4mm ,当云中液态水含量超过这一阈值时 ,该地区一般就会出现降水。在降水发生之前 ,水汽和云中液态水含量均会出现一个显著增加的过程 。

结冰风洞液态水含量测量方法研究

液态水含量是影响结冰形状和结冰类型的重要结冰云雾参数。获知结冰风洞中的液态水含量,是得到定量结冰风洞实验结果的基础。本文提出了一种采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段,测量结冰风洞中液态水含量的方法。该方法首先采用拉格朗日法数值计算水滴运动轨迹,得到物体表面水滴的总收集系数;其次,计算不同液态水含量所对应的结冰质量,建立液态水含量与结冰质量的关系曲线;在此基础上,进行结冰风洞实验,测量实验得到的结冰质量,通过在液态水含量与结冰质量的关系曲线上进行插值,进而得到实验液态水含量的大小。用本文提出的方法进行结冰风洞液态水含量测量,只需一般的质量测量工具即可进行,操作方便,成本低廉,避免了常规的液态水含量测量或标定需要专门设备的不足。采用25和35m/s两种速度条件对0.3m×0.2m结冰风洞的液态水含量进行了测量,两种条件得到的结果一致,相差不超过0.01g/m3,说明本文提出的方法是合理的。研究显示,0.3m×0.2m结冰风洞在开启一个喷嘴时,液态水含量值在0.15g/m3左右。

垂直累积液态水含量应用拓展浅析

利用吉林省2003、2004年多普勒雷达资料,对层状云连续性降水和对流云降水整层垂直累积液态水含量(VerticallyIntegratedLiquidWater,简称VIL)及0℃层上、下层VIL的分布特点进行了分析,指出VIL可应用于人工增雨作业区域的选择、暴雨和强风暴的分析以及降水机制等研究。

液态水含量和冰晶浓度对闪电频数影响的数值模拟研究

假定在软雹和冰晶碰撞的非感应起电机制为主要的起电机制成立的条件下,数值模拟研究了国际上公认的Fletcher和H-M冰晶产生机制以及云中的液态水含量对雷暴云放电过程(区分了云闪和地闪)的影响。结果表明,随着气压和温度的变化,在两种冰晶产生机制假定下,冰晶浓度分布有很大差异,这直接导致了雷暴云内电活动的差异。液态水含量的增加将使得首次放电时间延迟,同时将引起放电位置的下降和闪电频数的减少。

结冰风洞液态水含量测量装置设计与实现

结冰风洞与常规风洞的重要区别就是结冰风洞能够模拟真实大气结冰云雾环境,研究飞行器的结冰特性,因此结冰云雾参数的模拟是结冰风洞主要而且关键的能力。液态水含量是结冰风洞云雾参数中一项重要参数,其准确测量是结冰试验开展的基本前提。冰刀法测量液态水含量在国内外被广泛认可,且冰刀装置作为风洞校测基本手段,写入了结冰风洞校准规范。针对结冰风洞中用于液态水含量测量的冰刀装置,根据其测量原理制定了试验方案;提出了整套装置设计的技术指标并指出其中的技术难点;对总体结构进行了设计,并对关键受力部件进行了强度、刚度分析;进行了关键技术研究,包括冰刀液态水收集系数计算和驱动控制系统设计等;最后将设计出的冰刀装置在结冰风洞中进行了试验验证。试验结果表明:冰刀装置设计合理,液态水收集效果良好,实现了结冰风洞液态水含量的测量标定,且防护罩开闭迅速,实现了结冰时间的精确控制,满足技术指标要求。

云中液态水含量在人工影响天气中的应用

针对云中液态水含量的重要意义、不同方法探测云中液态水含量的优点和不足进行了详细地阐述,并提出了云中液态水含量在人工影响天气中的应用前景。

垂直积分液态水含量在地面大风预报中的应用

利用天津塘沽的CINRAD-SA型新一代多普勒雷达体扫描垂直积分液态水含量(VIL)产品资料,结合地面大风灾情报告和实况资料,对地面灾害性大风出现前VIL值的演变、发展情况进行了统计分析。结果表明:VIL值达到30kg/m2是地面灾害性大风出现的阈值,VIL值达到或超过40kg/m2则可以看作是大风的一个预警指标;VIL值达到最大后的快速减小意味着将出现地面灾害性大风,VIL值快速减小后的突然跃增则是地面灾害性大风开始的标志。应用评分系统命中率、误警率、临界成功指数检验了上述预警指标,结果表明VIL产品预警地面灾害性大风是可用的,而且随时间调整阈值大小,可以大大提高地面灾害性大风预警的命中率和临界成功指数;地面灾害大风出现前预报员有12～18min的时间用于发布短时、临界大风天气预报和大风预警。

云雷达联合微波辐射计反演混合性降水层云液态水含量的方法研究

单独利用云雷达反演液态含水量（LWC）廓线,由于降水粒子与冰相粒子的影响,反演结果误差较大。单独利用微波辐射计反演LWC廓线,由于无法得到云的垂直结构,结果也不理想。在云雷达联合微波辐射计反演暖云LWC廓线方法的基础上,根据回波强度区分云滴粒子与降水粒子,根据温度区分云滴粒子与冰相粒子,建立粒子分布模型,提出了利用云雷达回波强度数据与微波辐射计液态水路径数据（LWP）联合反演混合性降水层云LWC廓线的算法,基于2014年6月6日与7日两次混合性层云降水个例,联合反演LWC廓线,分析了该联合反演算法的稳定性和合理性,结论如下：（1）与直接用单一Z-LWC经验关系的方法相比,根据联合反演算法,剔除回波强度中的冰相粒子信息,区分云滴粒子和降水粒子,并采用不同Z-LWC经验关系的方法更加合理。（2）影响联合反演算法的7个参数（非降水粒子Z-LWC经验关系的系数a1与b1等）中,降水粒子Z-LWC经验关系系数a2与b2的改变对联合反演算法结果影响稍大,偏差在20%～30%左右,而其他参数的改变对结果的影响很小,偏差小于5%,联合反演算法的稳定性较好。（3）联合反演得到的LWC廓线与微波辐射计输出的LWC廓线相比,廓线分布更为合理。

液态水含量对防冰表面水膜流动换热的影响

为了研究液态水含量对防冰表面水膜流动换热的影响,基于机翼防冰表面水膜及空气相互作用机理,并考虑水膜表面传热传质过程,建立了水膜与空气的流动换热模型,得到溢流水膜及空气边界层流动换热的积分控制方程,通过对比文献试验结果验证了模型的准确性。在此基础上,比较了不同液态水含量条件下防冰表面水膜厚度及主要热流量的分布情况。结果表明:液态水含量对水膜沿表面厚度分布有明显影响,而对换热过程中各项热流的影响主要集中在水滴撞击区域,加热热流与散热热流随液态水含量的增加呈现相反的变化趋势。

黄河上游地区秋季云中液态水含量的微波遥感

本文利用布设在黄河上游增雨基地的地基双频段(31.65GHz和23.87GHz)微波辐射计遥感资料反演了黄河上游地区秋季云中液态水含量,计算分析得到该地区的云中液态水含量的反演公式,并揭示了该地区降水前后云中液态水含量的变化情况。

S弯进气道中液态水含量变化的数值模拟研究

为了改善目前直接将大气液态水含量(LWC0)作为发动机进口结冰计算参数的研究现状,对某S弯进气道的LWC变化进行了数值模拟。采用欧拉-拉格朗日方法计算了进气道内空气-水滴两相流场,得到了流场液态水含量的分布;分析了不同的流量系数下大气液态水含量、水滴直径、Ma对进气道出口LWC的影响。计算结果表明:受S弯的影响,进气道出口的液态水含量分布不均匀,中间液态水含量较高,顶部和底部较少;流量系数φ<1时比φ>1时的出口平均LWC高,且高LWC区域也较大;在流量系数一定的条件下,水滴直径增加,进气道出口平均LWC减小;大气中LWC0增加,进气道出口LWC分布不变,但LWC值会增大;Ma增加,进气道出口平均LWC变化不大。由于进气道出口LWC的数值及分布与大气中的LWC0存在一定差别,因此研究发动机支板的结冰、防冰问题和发动机帽罩的结冰、防冰问题时,需要考虑进气道的影响。

基于云雷达和微波辐射计反演混合云液态水含量的算法

液态水含量（LWC）是重要的云微物理参数，为反演得到混合云的LWC廓线，分析和总结Z—LWC经验关系，根据冰相粒子与温度的分布模型，剔除冰相粒子对z的贡献，提出联合反演混合云LWC垂直廓线的方法。利用2013年4—8月，在广东三水和四川理塘外场试验数据，分析雷达反演的液态水总量与微波辐射计LWP数据的相关性，确定数据的可用性，并利用联合反演算法进行混合云的LWC的反演试验，结论如下：反演算法由于引入微波辐射计LWP数据，减小由于Z—LWC关系的实际变化而带来的误差。

冬季NH_(3)和液态水含量对PM_(2.5)中SNA形成的影响与敏感性分析

为了解冬季不同污染等级下NH_(3)和AWC(Aerosol Water Content,气溶胶液态水含量)对PM_(2.5)中水溶性二次离子形成的影响,对保定市冬季颗粒物浓度、二次离子及前体物(SO_(2)、NO_(2)、NH_(3))浓度进行了分析,并利用ISORROPIA-Ⅱ计算了PM_(2.5)中的AWC和pH.结果表明:①2017—2018年冬季保定市重污染期(AQI>200)ρ(PM_(2.5))、ρ(SO_(2))、ρ(NO_(2))和ρ(NH_(3))较优良期(AQI<100)分别升高了3.0、1.1、1.3和0.8倍,气态前体物的二次转化是污染形成的重要原因之一.重污染期ρ(NH_(4)^(+))、ρ(SO_(4)^(2-))、ρ(NO_(3)-)较冬季平均值分别升高了1.2、0.9、1.3倍,其中ρ(NO_(3)-)升幅最大,其次为ρ(NH_(4)^(+)).②保定市大气中过剩NH_(3)指数为0.1μmol m^(3),采样期间为富氨环境,NO_(3)-的生成主要受HNO_(3)限制.③重污染期PM_(2.5)中AWC高达93.6μg m^(3),是优良期的20.6倍,观测期间保定市SO_(4)^(2-)的二次生成以颗粒物表面液相氧化为主,即SO_(2)被NO_(2)和NH_(3)氧化,NO_(3)-的二次生成包括NH_(3)参与的非均相转化和N_(2)O_(5)的非均相水解过程.④整体而言,pH变化的敏感性表现为TA(总氨)浓度>TS(总硫)浓度>TN(总氮)浓度≈TA+TS+TN浓度(同时改变相同比例的总氨、总硫、总氮浓度),随污染等级的升高,pH对TS、TA浓度变化的敏感性减弱,对TN浓度变化的敏感性增强;单独改变TS、TN、TA浓度时AWC敏感性弱,同时改变TS、TN、TA浓度时AWC敏感性较强,AWC变化与二次离子浓度密切相关.研究显示,保定市冬季污染期SNA的形成以液态水参与的液相氧化为主,NH_(3)可以维持颗粒物的高pH,保持氧化过程.

液态水含量对寒区海上风力机叶片霜冰结冰的影响

采用Fluent和FENSAP-ICE相结合的方法对寒区海上风力机叶片结冰开展数值模拟,选取液态水含量作为敏感参数,分析了液态水含量的变化对叶片结冰厚度、结冰量和结冰外形的影响。结果表明,液态水含量在0.05~0.25 g·m^(-3)范围内,随着液态水含量的增加,叶片表面的结冰量和结冰厚度逐渐增加;液态水含量并不影响叶片表面的结冰类型和结冰生长趋势;冰与叶片的吸附面也不随液态水含量变化而发生改变。

降水条件下的云雷达与微波辐射计反演液态水含量对比分析

为了发展云雷达与微波辐射计联合反演液态水含量的方法,利用2019年4—9月中国气象科学研究院在广东龙门开展的综合观测试验中的双波段云雷达和微波辐射计数据,首先检验了在降水条件下微波辐射计天顶观测和斜路径观测两种探测模式反演温度(T)、相对湿度(RH)、液态水含量(LWC)和液态水路径(LWP)的合理性,然后分析了两种探测设备反演LWC和LWP的差别。得到以下结论:(1)微波辐射计在斜路径观测模式下反演的产品受降水影响较小,其反演结果明显优于天顶观测模式;(2)两种探测设备反演的LWP相关性较好且随时间变化较为一致,但云雷达反演LWP与平均回波强度有明显相关,随着雷达回波强度的增大,云雷达与微波辐射计反演的LWP之比越大;(3)两种探测设备反演的LWC相关性较差且存在明显偏差,在不考虑融化层的情况下单波段云雷达反演LWC与微波辐射计随高度变化趋势相近,双波段云雷达反演LWC与微波辐射计反演结果在1 km及其以上区间存在明显差异。

飞机机头附近液态水含量分布规律的数值研究

在飞行器飞行过程中,安装在机头上的各类传感器结冰会对飞机的飞行安全产生不利影响。而液态水含量是影响飞机结冰的重要参数,为了更好地进行传感器结构及布局设计,对机头附近液态水含量分布规律进行数值研究。采用计算流体力学方法对飞机飞行时的空气-过冷水滴的稀疏两相流场进行数值模拟,通过求解N-S方程获得空气流场,采用欧拉法求解水滴运动场得到水滴运动轨迹。分析在不同来流马赫数、来流迎角及液滴直径等条件下,机头关键截面上广义水滴遮蔽高度的变化及机头关键位置上液态水含量的变化规律,研究不同状态参数对液态水含量分布的影响。结果表明:水滴遮蔽高度及浓度增加区范围随马赫数增大而增加,迎角的变化对机头上下表面液态水含量分布产生相反的影响。

长三角东部沿海地区气溶胶液态水含量及酸度的热力学平衡研究:以上海淀山湖为例

气溶胶液态水含量(ALWC)及酸度(pH)是表征气溶胶理化性质的重要指标,对PM_(2.5)二次颗粒生成机制及来源研究具有重要意义.本文基于国家环境保护长三角区域大气复合污染上海淀山湖科学观测研究站2020年PM_(2.5)和水溶性离子组分等在线监测数据,利用ISORROPIA-Ⅱ模型正向模式和亚稳态体系分析了ALWC和pH的昼夜、月度时间变化以及影响因素、相互关系,同时利用MeteoInfo模拟气团后向轨迹探究了高值ALWC及pH的传输来源.结果表明:①SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)对气溶胶pH的影响与其浓度、比例及ALWC有关,而NH_(4)^(+)对pH的影响有限,NH_(4)^(+)与SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)浓度均呈较强正相关,且pH越高,NH_(4)^(+)与SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)浓度越靠近拟合曲线.②PM_(2.5)浓度低于75μg/m3时ALWC较低;在相对湿度高于80%时,随着PM_(2.5)浓度升高,ALWC迅速增加.③ALWC表现为1月最高、8月最低,且一天内午后最高;当温度介于13~27℃时,ALWC受温度影响较小;当温度高于27℃时,随着温度升高,ALWC逐渐降低.④pH表现为冬季高、夏季低,且一天内午后最低,可能是由于温度升高导致ALWC和pH降低.⑤气团的来源、移动速度对ALWC和pH均存在一定程度的影响.研究显示,长三角东部沿海地区气溶胶液态水含量和酸度受气象条件影响显著,温度和相对湿度的变化是判定气溶胶理化性质演变的重要指标.研究结果可为进一步深化对长三角东部沿海地区气溶胶生成机制的认识提供数据和理论参考.