山西中部一次积层混合云降水微物理特征

基于2011年5月9日山西中部一次积层混合云降水的飞机探测和地面雨滴谱观测资料,分析空中云系微物理参量的垂直分布、冰晶形态及演变和地面降水的微物理特征。结果表明:积层混合云为冷云结构,垂直分布不均匀,云中过冷水较为丰沛,对流泡的存在造成云内不同区域云水含量不均匀。云滴的凝华增长导致5.3 km处大云粒子和降水粒子数浓度明显增加。小云粒子谱分布以单峰型为主,峰值直径主要在5~6μm或9~10μm,大云粒子谱分布呈多峰型,不同高度处变化较大。观测到的冰晶形态包括板状、针柱状、柱帽状、辐枝状和不规则形状,4.9 km处受聚合和淞附过程的共同影响,辐枝状和针柱状冰晶增多,在4.1 km处融化层附近淞附状冰晶明显增加。地面降水受到雨滴谱仪布设位置的影响,其微物理结构主要呈现层状云降水的特征。

基于雨滴谱的增雨作业微物理特征分析

针对2018年3月16—17日四川盆地西北部一次典型层状云降水天气过程,利用云模式、卫星、雷达、探空等资料,分析了人工增雨作业条件和物理响应。同时,基于雨滴谱观测数据开展了人工增雨作业微物理特征分析,重点研究了粒径速度谱分布特征。结果表明:人工增雨作业后,不同粒径、不同粒速的粒子数变化明显,大滴粒子显著增多,雨滴谱变宽,0.437~1.625mm粒径谱和1.5~5.2m/s速度谱明显变宽;同时,粒径和粒子速度无明显跃变,区间值分布相对集中在粒径0.312~2.125mm、粒速1.1~6.8m/s,人工增雨作业对降水粒子的粒径和粒子速度改变有限。人工增雨作业影响时段,降水强度和雨含水量以及总数浓度和有效粒径,依然保持与自然降水时段各自峰值、谷值、震荡态势的一致性,人工增雨作业不改变各物理量之间的相关性。

甘肃北部短时强降水中尺度特征及物理量配置

利用甘肃北部27个国家级自动气象站及635个区域气象站降水资料,结合常规高空、地面和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析物理量场资料,选取了2016—2019年5—9月104个典型短时强降水个例,对甘肃北部短时强降水天气发生发展的环境条件进行了中尺度综合分析,揭示了区域内短时强降水的一些特征和规律。结果表明:(1)甘肃北部短时强降水集中出现在6—8月,短时强降水的强度多为10~20 mm。(2)甘肃北部短时强降水天气的典型特征,分为副高边缘型、低压槽型、西北气流型和河套阻高型4种流型。(3)通过分析不同天气形势、不同类别、不同物理量参数间的联系与区别,总结出各类短时强降水天气的环流特征和物理量要素指标和阈值。(4)地面辐合线(冷锋)是甘肃北部触发强对流天气的关键系统,地面辐合线(冷锋)的分析对短时临近预报至关重要。(5)低空偏南风急流(显著流线)在110°E左右北上及在37°N左右产生辐合是判断甘肃北部能否产生短时强降水的重要依据。并对2020年短时强降水预报效果进行检验,预报准确率达63.6%,说明建立的短时强降水预报指标预报能力较强,为提高短时强降水预报预警能力提供了一种新途径。

基于CERES资料的中国西南地区云水含量和粒子有效半径分布及变化特征

利用NASA/CERES发布的2001~2015年云参数资料,选取高层云、雨层云、层积云的云水含量和云粒子有效半径,统计分析了西南地区云参数的时空分布特征和变化趋势。结果表明:从年均空间分布来看,西南地区液水和冰水含量均东部高于西部,海拔低的地区高于海拔高的地区;高层云和雨层云液相和冰相云粒子有效半径在川西高原最大。从数值大小来看,雨层云液水和冰水含量最多,分别介于90~230 g/m^2和100~300 g/m^2,层积云最少,分别介于0~80 g/m^2和0~60 g/m^2;冰相云粒子有效半径高于液相2~6 μm。从季节分布来看,雨层云液水和冰水含量秋季和冬季偏高,夏季和春季偏少,高层云和层积云季节差异较小;液相云粒子有效半径均夏季最大。从变化趋势来看,西南地区各地液水和冰水含量均呈减少趋势,液相和冰相云粒子有效半径有呈减少或增加趋势。

山西一次降雪云物理特征的飞机观测研究

通过飞机直接进入降雪云进行探测,并配合MICPAS(气象信息综合分析处理系统)、雷达和卫星等资料,对2011年11月29日山西一次降雪云宏、微观结构特征进行分析。研究发现:本次降雪过程的雷达回波以10~20 dBZ大片层状云回波为主,镶嵌了超过30 dBZ的块状强回波,雷达径向速度零线呈较强的“S”型弯曲,出现“牛眼”结构,从低层到高层有较强的风垂直切变。液态水含量主要位于3.2 km以下,最大值为0.0697 g m^(-3),N_(50)(粒子直径大于50μm的冰雪晶数浓度)、N_(200)(粒子直径大于200μm的冰雪晶数浓度)和冰水含量主要产生于层积混合降雪云的上部,极大值出现在-9.3℃附近,分别为188.4 L^(−1)、33.5 L^(-1)和0.121 g m^(-3)。-14.4℃~-19.7℃冰晶图像以针状、柱状和不规则状为主,以冰晶的凝华增长为主。-9.3℃附近冰雪晶图像以辐枝状、不规则状为主,辐枝状冰晶的聚并碰撞和折裂繁生可能是造成此处冰雪晶高浓度的主要原因。利用指数形式能较好地拟合冰雪晶谱分布,谱拟合参数可以用幂函数N_(os)=1.021λ^(1.684)表示(其中,N_(os)、λ分别表示截距和斜率,N_(os)越大表示小粒子数浓度越大,λ越大表示小粒子数浓度占总粒子数浓度比例越高),相关系数R^(2)为0.86。3.2 km以下存在三次逆温,逆温层的出现使云微物理特征量和拟合参数N_(os)减小,抑制了云内凇附增长和凝华增长,导致本次观测谱拟合参数N_(os)、λ随温度的变化规律与以往的观测不一致,逆温强度越大抑制作用越大。

华南一次强对流天气过程中环境条件对MCS形态特征的影响

2014年5月22日华南地区出现了一次大范围强对流天气过程,该过程中出现了两个中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)MCS-A和MCS-B,两个MCS表现出迥异的形态特征,产生了不同的强对流天气。利用多源观测资料以及高分辨率数值模式分析了环境条件对于MCS形态特征的影响,结果表明:(1)广西夜间到凌晨边界层顶附近强盛的低空急流,使得MCS-A在北部山区出现后向建立(BB,back building)的形态特征,有利于大量级的短时强降水的出现;(2)MCS-A进入广西平原地区以后,强盛的边界层以上的低空急流使得能量垂直廓线的极大值在边界层高度以上,且风垂直切变特征不利于冷池前方的垂直运动发展,冷池前方无法连续触发对流,MCS-A逐渐演化成线状对流/层云伴随(TL/AS,Training Line/Adjoining stratiform)的形态特征,而后消亡;(3)在广东,能量极大值出现在大气底层,环境风廓线有利于冷池前方垂直运动发展,进而触发新的对流,新生成的MCS-B呈现典型的层云拖曳型(TS,trailing stratiform)形态,最终形成飑线,造成雷暴大风天气。

1961～2015年中国地区冰雹持续时间的时空分布特征及影响因子研究

本文利用1961~2015年(55年)中国地区577个地面观测站的冰雹资料,应用统计学方法,分析了冰雹持续时间的空间分布、年际变化以及日变化特征,包括站点降雹累积持续时间、平均单次降雹持续时间、区域平均单次降雹持续时间、小时降雹累积持续时间和总降雹累积持续时间。结果表明:(1)1961~2015年中国地区站点降雹累积持续时间与海拔高度呈现较高的正相关关系,相关系数高达0.99。站点降雹累积持续时间的最大值出现在青藏高原地区,累积持续时间高达250分钟,其次为内蒙古中部以及东北部的山区地带,累积持续时间约为150分钟。(2)1961~2015年平均单次降雹持续时间呈现上升趋势,55年冰雹累积持续时间大约增长1分钟,且通过了95%信度水平的显著性检验。(3)西北地区、北部平原地区和东南地区在1961~1980年期间,区域平均单次降雹持续时间都有显著的下降趋势,而在1970~2015年期间西北地区和青藏高原地区呈现显著的上升趋势。1961~1980年期间区域平均单次降雹持续时间在西北地区的长期趋势变化主要受到日最低气温以及温度日较差长期年际变化的影响,在北部平原地区仅与温度日较差相关,而在东南地区与三个对流参数都有较好的相关性;1970~2015年和1961~2015年期间西北地区和青藏高原地区的区域平均单次降雹持续时间的上升趋势分别与这两个区域的区域平均日最高气温、日最低气温呈正相关。(4)单次降雹持续时间的日变化明显,午后至夜间出现的冰雹持续时间长于凌晨和上午的冰雹持续时间,持续时间峰值出现在当地时间17时和18时。本文还利用探空资料分析了对流有效势能和Totals-totals指数与冰雹持续时间的关系,结果表明中国地区20时(北京时)的对流有效势能和Totals-totals指数可能是冰雹持续时间日变化的影响因子之一。

冬季中尺度降雪系统暖输送带云微物理垂直特征的飞机观测研究

本文利用飞机云物理探测系统观测数据,分析了2017年河北南部一次暖锋影响下的降雪云系微物理特征。受到西南涡暖锋暖湿输送带WCB(Warm Conveyor Belt)的影响,降雪前期云系可分为三层结构,上层为比较稀疏的冰云,冰雪晶单晶为主且粒径较小;中间层云厚与暖输送带厚度相当(0.9 km),其中液态水含量最大可达0.51 g m^(−3),冰晶非常稀少,云内液态含水量廓线与绝热含水量非常接近;下层云为纯冰云,冰雪晶粒子数浓度比云系上部高两个量级,粒子谱宽显著大于云系上部,冰雪晶粒子形状以柱状、柱状束和霰粒子为主,霰粒子是云系高层的单晶在过冷水丰富的云层中凇附增长下落形成的,并通过Hallett-Mossop繁生机制产生大量柱状冰晶。暖湿输送带中丰富的过冷水对降雪前期冰晶凇附、繁生等微物理过程有极为重要的影响。降雪后期,700 hPa急流轴移出观测区,云系垂直混合较为均匀,此时云中观测到的粒子以片状冰雪晶为主,在云系上部片状聚合体粒径较小,越向下片状聚合体粒径越大,体现了冰雪晶粒子在下落过程中的碰连增长。

地面建筑物(群)对地闪回击电磁环境的影响

为了研究地闪回击电磁辐射受周边建筑的影响,进而提高闪电探测效率,建立建筑、闪电通道空间一体化计算模型,基于TL雷电回击电流模式,采用时域有限差分法对单建筑和多建筑的情况进行数值计算。结果显示：对有无环境建筑存在磁场的变化不明显,而电场的变化十分显著;建筑的存在对建筑前后电场存在一定削弱作用,尤其是多建筑时,处于中间区域的电场减少的更为显著;无论单建筑还是多建筑建筑顶端的电场明显增大,并且当建筑高度一定时该增大比例在一个较为稳定的区间。

华中地区一次气溶胶与云微物理特性的飞机观测研究

基于2018年12月10日在华中地区的一次飞机观测,利用DMT机载资料分析了华中地区的气溶胶与云微物理量的分布特征。结果表明,气溶胶数浓度随着高度的增加而迅速降低,低层气溶胶有效直径主要集中在0.4μm。在高层,上升段的气溶胶有效直径随着高度缓慢增加,集中在2~2.5μm范围内;下降段的气溶胶有效直径在垂直方向上复杂多变,离散度也大,主要集中在0.5~1μm。气溶胶粒子谱为多峰分布,第一峰值直径在0.14μm。气溶胶粒子主要集中在小粒径端,随着粒子尺度的增大,气溶胶浓度逐渐降低,粒径在0.3~0.4μm之间的气溶胶浓度减小最快。在不同高度上的云滴谱均呈现多峰分布,第一峰值直径在6μm,云滴谱宽约50μm。

国际人工影响天气技术新进展

本文总结了近年来国际人工影响天气相关技术的新进展,概述了人工影响天气试验及效果综合评估、高性能遥感探测装备在人工影响天气领域的应用、催化模式及应用、作业装备研发改进等四个主要方面的进展及现状。在分析近年来我国人工影响天气相关技术进展与存在问题的基础上,结合国际新进展,从多个方面讨论并提出了促进我国人工影响天气技术进步可借鉴的经验与建议。

强风暴电过程对霰粒子含量和谱分布影响的数值模拟研究

利用建立的耦合电过程三维冰粒子分档模式(通过引入电场力来考虑电场对粒子的影响),模拟研究了北京一次强雷暴发展过程中电过程对霰粒子含量、数浓度的影响。结果发现:(1)相对小的霰粒子含量受电过程直接影响较大,这种影响累积后,会对相对较大的霰粒子含量产生间接作用。在冰雹发展的初期和成熟期的部分阶段,电场对霰粒子最大含量所处空间位置基本没有影响。而在冰雹发展的成熟期向衰败期过渡时的部分时刻,电场对其稍有影响。在霰粒子最大含量处,直径相对较大的霰粒子决定着总的霰粒子含量。(2)总体来说,直径较小的霰粒子数浓度受电场影响较大,直径较大的霰粒子数浓度受电场影响较小。由于霰粒子含量中心大直径粒子较多,而其受电场的影响相对较小,并且该处电场也小于电场极值,故其最大含量受电场影响相对较小。所以,在此次个例的模拟过程中,霰粒子最大含量的时变曲线变化很小。(3)考虑电过程情况下,在霰粒子数浓度最大处,小直径霰粒子数浓度要么增加,要么略微减少,而大直径霰粒子要么进档增长受阻,要么数浓度减少。对不同直径的霰粒子来说,电过程既有可能使其数浓度增加,又有可能使其数浓度减少。当电场较大时,电过程对小直径霰粒子的影响比较直接,而对大直径霰粒子的影响相对间接;当电场较小时,电过程对霰粒子的谱分布影响相对较小。

一次对流云人工消减雨作业云条件预报和作业预案合理性分析

为做好固定目标时段和区域的人工消减雨作业,利用云降水显式预报系统(CPEFS-v1.0)对云系性质和结构、移速移向及演变、降水机制等云条件进行预报。预报结果显示,2017年8月8日影响呼和浩特的云系性质为分散性对流云,具有冷暖混合云结构,云中上升气流强,对流单体水平尺度约为几十千米,生命史约为1.5~3 h,云顶高度约为10 km、云底高度约为3 km,0℃高度约为4.3 km;微观方面,冰相水凝物雪、霰含量高,暖区云水含量少,云中过冷水含量最大达0.7 g·kg^(-1),过冷水丰沛区域冰晶数浓度低,以冷云降水为主。初生在呼和浩特特定防护区西北方向的对流云团快速发展东移南压影响核心保障区,移速约为30~40 km·h^(-1)。卫星、雷达等实况监测显示,8日的云系为分散性对流云,预报对流云的生成时间比实况偏晚1~2 h,移向与实况一致,移速偏慢10~20 km·h^(-1)。在5 400 m高度处(-8℃),机载云物理探测的液水含量最大为0.6 g·m^(-3),预报与实况接近。根据预报的云系条件制定作业预案指出,在核心保障区的偏西北方向30~50 km处进行重点布防,适宜在5.1~7.0 km高度处实施AgI过量催化,8日上午飞机在第一道防线的弱回波区开展探测作业,地面作业集中在第三道防线对流云初生阶段实施过量播撒,以达到消减雨作业的目标。根据预案,提前24 h在核心保障区偏西北方向的第三道防线增设了5个地面移动作业点,这些作业点8日及时实施了消减雨作业。总体看来,此次云条件预报正确、预案制定合理,及时为外场实施消减雨作业提供了支撑。

青藏高原那曲地区一次深对流云垂直结构的多源卫星和地基雷达观测对比分析

为了加强对青藏高原深对流云垂直结构的深入认识,利用TRMM、CloudSat和Aqua多源卫星观测资料及地基垂直指向雷达(C波段调频连续波雷达和KA波段毫米波云雷达)资料,对第三次青藏高原大气科学试验期间2014年7月9日13—16时(北京时)发生在那曲气象站附近的深厚强对流云和那曲气象站以西100 km左右的深厚弱对流云的垂直结构特征进行了分析,得到的结果如下:(1)深厚强对流云和深厚弱对流云的水平尺度均较小(10—20 km),垂直发展高度较高(15—16 km,均指海拔高度);深厚强对流云在0℃层以下雷达反射率因子递增非常快,表明对流云内固态降水粒子下落至0℃层以下后融化过程有很重要的作用;在对流减弱阶段有明显的0℃层亮带出现,亮带位于5.5 km左右(距地1 km);(2)对比TRMM测雨雷达和C波段调频连续波雷达观测到的雷达反射率因子,发现TRMM测雨雷达在11 km以下存在高估;(3)深对流云主要为冰相云,云内10 km以上主要是丰富小冰粒子,而10 km以下是较少的大冰晶粒子;深厚强对流云和深厚弱对流云的微物理过程都主要包括混合相过程和冰化过程,混合相过程分为两种:一种是-25℃(深厚强对流云)或-29℃(深厚弱对流云)高度以下以凇附增长为主,另一种是该高度以上主要以冰晶聚合、凝华增长为主,该过程冰晶粒子有效半径增长较快。这些空基和地基的观测证据进一步揭示了青藏高原深对流云的垂直结构特征,为模式模拟青藏高原深对流云的检验提供了依据。

冷涡前部飞机人工增雨作业条件数值模拟研究

利用中尺度数值模式WRF-ARW(V3.6)结合实测资料对2015年6月6日大兴安岭林区增雨作业条件进行研究,从不同尺度分析了天气条件、云宏微观条件,完善飞机人工增雨作业指标体系,进而为冷涡背景下的人工增雨作业提供一定的科学依据。研究表明:此次过程受贝加尔湖以东冷涡的影响,6日08时冷涡中心位于蒙古国与中国内蒙古东部交界处,黑龙江省西部处于涡前部偏南气流中,水汽条件良好;08—16时涡旋云系前部分布于黑龙江省西部地区,云系整体向东北方向缓慢移动,云层较厚,云顶温度在-30^-15℃,过冷层厚度为4~5 km,云中过冷水分布较丰沛,含量在0.01~0.5 g/m^(3),大值区主要分布在2 900~4 000 m,具备良好的增雨作业云条件。

四川盆地云和降水观测科学试验设计与实践

2014—2017年四川地区开展了大范围云系观测科学试验。观测对象以盆地层状云系和积层混合云系为主,积状云(对流云)为辅。本文围绕试验目标、区域、观测要素、观测布局设计、观测方案设计、设备技术参数和典型个例等7个方面进行介绍,根据不同类型云系和降水变化特征,设计有针对性的观测方案,获得了不同类型云系和降水的多尺度连续性观测数据,为四川地区开展云和降水关系研究提供详实的综合型外场观测数据。层状降水云典型个例云高可达8km,云强核心部位的云雷达反射率可达28dBz,径向速度可达-6m·s^(-1),在0℃附近,反射率和退偏振因子LDR上有一条明显的亮带,表现为极大值,液态水主要集中于4.5km以下,随着雨强增大,液水含量增加,降水滴谱分布较窄,随着雨强减小,雨滴谱和速度谱变窄,但小粒径数浓度增加,说明对层状云雨强起主导作用的是雨滴直径,而不是数浓度;无降水层状云典型个例云层厚度为3.2km,云顶约为4km,云雷达反射率不超过0dBz,径向速度不超过5m·s^(-1),层状云内整层水汽含量和液水含量较为稳定,云中主要为液态粒子且粒径偏小、小粒径数浓度较高。

利用FY-4A卫星反演产品对飞机增雨作业的分析

本文利用FY-4A卫星反演的云降水微物理特征参数,分析了2018年10月8日的一次飞机增雨前层状云的微物理结构和特征参数变化,得到四川盆地秋季层状云增雨潜力区的分布,结果表明:(1)此次作业过程,四川盆地大部分地区覆盖中低云,局部有高云,中低云含有丰富的过冷水,云底粒子较小10～15μm,主要通过凝结过程增长;(2)此次作业过程,云系随时间的演变特征为从中午到傍晚,云层加厚,云顶升高,粒子有效半径增长,有大片过冷水区,但是缺乏大滴和冰晶,降水不充分;(3)在无高云配置下,中低云区产生的地面降水较小,而有高低云共同配置和粒子有效半径较大的地区,降水更为充沛;(4)利用统计检验中的区域对比分析、双比分析和区域历史回归分析方法对本次飞机增雨进行分析后表明,对具有丰富过冷水区的中低云进行人工引晶后,绝对增雨量分别为1. 81mm(对比分析)、1. 26mm(双比分析)、1. 69mm(区域历史回归分析)。利用FY-4A卫星反演方法能够提供云和降水高时空分辨率的物理特征参数演变,丰富了云和降水宏微观物理信息,为人工增雨判别增雨潜力区和准确把握增雨时机提供了一种新的方法。

一次增雨作业的FY-4A卫星反演分析

本文利用FY-4A卫星对2019年5月四川盆地实施的一次人工增雨减轻空气污染作业条件进行分析,综合分析增雨可播性,判别增雨潜力区和作业高度,为开展人工增雨作业提供可靠的依据,然后利用多普勒天气雷达、地面气象台站、空气质量指数、颗粒物污染物浓度等多种数据资料分析人工增雨作业前后作业云体宏观情况和空气质量、雨量的变化,对其作业效果进行分析。结果表明:(1)5月12日四川盆地西部有云系发展,作业前6小时作业区附近主要为积层混合云,存在大量过冷水,红色对流泡云顶温度约为-30℃,粒子有效半径为15~40μm,作业前0~3小时作业区位于深厚对流降水云边缘,云顶温度约为-40℃,粒子有效半径为7~40μm,作业区南部有大片积层混合云,提供大量过冷水;(2)作业区内,高低空配合的环流场形成了较有利的降水形势,作业云体过冷水丰沛,增雨潜力较好,符合人工播撒催化剂条件,适宜开展人工增雨作业;(3)经过人工增雨作业后,作业区雨量峰值降雨时间延长,总体雨量增加,作业区的AQI从82降到29,PM10从94μg/m3下降到28μg/m3,PM2.5从49μg/m3降到17μg/m3,而3个对比区没有实施人工增雨作业,空气质量指数持续超标数小时。

天气现象仪降水观测分析

针对2018年四川出现的21次降水天气过程,利用四川盆地及川西高原13个地区35台降水天气现象仪滴谱数据,分析了天气现象仪降水观测.结果表明:基于天气现象仪滴谱数据计算获取大暴雨、暴雨降水量,与自动气象站测值相关系数在0.8以上,相关度较高,通过了置信度为99%的显著性检验,大暴雨、暴雨天气现象的观测是可行的,但81.8%过程降水量的绝对偏差和相对偏差都较大.计算获取小雨到大雨降水量,与自动气象站测值相关系数在0.95以上,绝对偏差也较小,表现出降水时间点、降水强度时间点、日最大降水强度、过程持续时间以及变化趋势的观测十分吻合,大雨到小雨天气现象的观测是可靠的,但过程降水量相对偏差依然较大.同时,低温降水过程(温度<2℃),一些站过程降水量相对偏差出现异常,经数据质量控制,仍然存在大粒径、小粒速的粒子,很难从正常雨滴中分离出来,此类降水过程伴有降雪的可能性较大,因此,通过天气现象仪滴谱数据计算获取的此类型降水量或等效降水量不可信.

青海高原人工消(减)雪试验效果分析探讨

利用2017年1—5月在青海省泽库县实施的人工消(减)雪试验,应用气象台站和布设的测雪点数据,通过双比分析方法分析人工消(减)雪作业效果,探讨了消(减)雪作业设计,使用物理检验分析消(减)雪试验过程。结果显示:通过4次过程作业前、后的液态水含量分析,所选作业高度较合适,水汽条件较好,作业后整体回波强度减弱,回波体积减小,后续回波有继续发展,但持续时间较短;双比分析方法得到4次相对消(减)雪1%,绝对消(减)雪0.03mm。通过对作业过程的定量统计分析和基于观测资料的定性分析表明,人工消(减)雪作业有一定的减雪作用,但作业不适当也有可能增大降雪量而形成雪灾,还需通过大量实例总结和验证开展人工消(减)雪的技术可行性和技术方案。