对流性降水雨滴谱特征及其与雷达反射率因子的对比分析

利用OTT Parsivel激光降水粒子谱仪观测的南京地区梅雨季节对流性降水过程的雨滴谱资料和江苏省气象台龙王山雷达观测资料,结合天气形势,对梅雨季节对流性降水过程的微物理参量、平均雨滴谱和速度谱分布特征进行分析;在对平均谱拟合时发现,Gamma分布对小滴数目的估计和大滴端形状的符合程度效果好于M-P分布和对数正态分布,并且拟合了Gamma分布参数μ和λ的二次项关系;建立了雷达反射率因子与雨强的相关关系,并将Parsive激光降水粒子谱仪观测计算的回波强度与雷达观测的回波强度作以比较,结果表明:对于此次暴雨过程,雷达观测到的回波强度有低估的现象,并且Parsivel粒子激光探测仪观测计算的回波强度越大,雷达低估的现象越为明显。回波修正后,用统计的Z-I关系式估算的降水量与Parsivel测得的降水量更为接近。

能见度自动观测系统性能对比及分析

1998年 6月至 9月间在北京进行了一次透射表能见度仪与前向散射式能见度仪的对比试验。参加试验的能见度自动观测系统有 :透射表两套、前向散射能见度仪一套和双光路前向散射能见度仪两套。五套参试仪器分别被安装在南苑机场南北向主跑道的东侧。试验收集数据的起止时间为 1998年 7月 2 5日 0 9h至8月 2 5日 0 8h,时间间隔为 1min。从总体误差分布分析 ,VAISAL A公司的前向散射仪 FD- 12表现最好 ;其次是跑道中段的 PRESENTEY公司的 PEP90 12双光路前向散射仪 ;而传统上认为测量结果较好的 MITRAS透射表在高能见度时表现均不佳。所有参试仪器在能见度低于 2 0 0 0 m时表现都不错 ,能见度 4 0 0 0 m以上时 ,散射仪的测量值明显偏高。因此可以认为能见度在 4 0 0 0 m以下时 ,参试的五套仪器均能满足航空气象保障要求 ,4 0 0 0 m以上测量结果的离散性较大 ,不确定性均大 ,但对飞行安全影响也较小 。

Parsivel~激光降水粒子谱仪及其在气象领域的应用

降水粒子特性是大气运动和云内微物理过程的综合结果,在云降水物理及人工影响天气领域有着重要的意义。传统的测量方法不适合对大量数据分析寻找规律,德国OTT公司的Parsivel激光降水粒子谱测量系统可以较好解决自动测量难题。该仪器是以激光测量为基础的粒子测量传感器,采用平行激光束和光电管阵列结合,当有降水粒子穿越采样空间时,自动记录遮挡物的宽度,通过穿越时间计算降水粒子的尺度和速度,根据各种参数的综合信息对降水粒子进行分类,并能够以数字形式显示瞬时降水强度、降水粒子总数、累积降水量、降水时的能见度和雷达反射因子,以图形方式显示降水粒子尺度谱、速度谱、降水粒子分类且自动生成天气现象代码,实现天气现象的自动识别。激光降水粒子谱仪主要用于气象水文观测。在雷达气象学领域可用于Z/R关系的拟合修正,比传统的用雨量筒观测数据拟合效果好得多;由降水粒子谱仪测量雨滴的降落速度,可以对天气雷达垂直向上测量的粒子径向速度谱进行校正。人工影响天气的效果检验一直是一个难题,自然降水粒子谱分布形式与人工催化以后的降水粒子谱型理论上应当具有较大的差别,人工增雨作业降水滴谱变化物理响应和降水强度时间变化响应都有明显的区别。如果能够实时检测到这些差别,就能够充分说明人工催化的有效性。未来如果能够进行联网观测记录区域性降水、降雹,就有充分证据表明人影作业的有效性,在定量化作业效果评估以及灾害损失评估等方面应用潜力巨大。利用该仪器已经对一年的自然降水过程进行了连续观测,并将所获得的降水粒子谱、雨滴浓度值随时间变化状况与卫星反演的云顶有效粒子半径时间变化趋势进行了对比,发现有较好的一致性。

利用激光降水粒子谱仪研究雨滴谱分布特性

利用Parsivel激光降水粒子谱仪2009年3—6月在南京观测获取雨滴谱资料,分类对各次降水过程雨滴谱进行Gamma分布拟合,对比分析了南京地区不同云系降水的雨滴谱分布特征以及Gamm a分布参数相关特性,并且讨论了"标准化"Gamma分布参数随雨强及雷达反射率因子的变化关系。结果表明:用Gamma分布拟合本次试验不同云系降水的雨滴谱分布精度都比较高;"标准化"的Gamma分布参数较Gamma分布参数更具有物理意义,且其参数μ和Dm与雷达反射率因子Z均具有较佳的对应关系,μ随Z的增大依次递减,Dm则随Z的增大呈指数型递增。

涡喷消雾装置试验研究

1999年 4月 ,在北京南苑机场进行了涡动加热消雾的试验。利用飞机涡轮喷气发动机改装成消雾装置 ,采用多点探测设备对消雾装置的温度、湿度和气流作用场进行了性能测试 ,首次取得了涡喷发动机消雾装置在单台、双台和多台组合情况下的实测资料 ,分析了单台涡喷发动机作用场分布以及与实际测试数据的对比情况和消雾效果 ,并给出了涡喷发动机消雾装置在单台、双台和多台组合情况下的分布曲线。最后结合一次野外消雾作业检验 ,给出涡喷发动机实际消雾效果及其初步的分析。

对比法测量气象能见度的理论分析

本文从能见度定义出发，提出了一种新型的能见度测量方法——对比法。对比测量法就是以自然水平天空为背景，人工设定一个亮度可调的目标物，用同一测量系统分别测量目标物亮度与天空背景亮度的差异，当该差值小于某设定阈值时，就认为该目标物的视亮度与天空背景亮度相同，根据目标物的实际亮度值就可以计算出大气透过率，进而计算气象能见度。采用检测目标物亮度与天空背景亮度对比确定气象光学距离方法的优点在于：理论上采用能见度定义，满足目标物刚好“可见”条件，实际使用中只需要人工目标物设计成亮度多级重复循环变化，对于接收端仅需要测量亮度差是否达到预先设定值进行判断。只要人工目标物有足够的亮度重复精度，就能保证测量结果的准确性，而检测器实质上是一个差分检测放大系统，这种差分电路对于共模信号都有较好的抑制能力，并且不需要测量绝对光强度，可以降低技术工艺方面要求。本文从理论推导人手，根据实际情况进行了必要的简化，得出对比法的计算公式，最后根据实际天空背景亮度变化情况给出了人工目标物亮度的变化范围。

2009—2010年梅雨锋暴雨雨滴谱特征

2009、2010年夏季利用Parsivel激光降水粒子谱仪在淮南和南京同时观测到两次梅雨锋暴雨过程,获得了3 617个雨滴谱样本资料。采用阶矩法对Gamma函数进行拟合,分析了梅雨锋暴雨降水微结构特征。结果表明:主雨带和雨带边缘的雨滴谱存在明显差别,处于主雨带中的降水粒子尺度明显大于雨带边缘的粒子尺度;梅雨锋暴雨过程中0.25mm<D≤1.0mm的粒子所占比例最大,但对于雨强贡献最大的则是1.0mm<D≤2.0mm的粒子;雨滴谱谱型以双峰型为主,几乎不存在无峰型;与其他微结构特征量不同的是,雨滴谱峰值直径Dp随着雨强的增大先增加后减小,而雨滴谱分布参数N0、μ、λ则随着雨强的增大而一直减小,其中μ-λ间存在较好的二项式函数关系;梅雨锋暴雨的Z-R关系为Z=212R1.38。

飞机探测云物理数据集的建立和应用

通过收集大量历史和现今的飞机探测云物理资料,对所获取的资料进行必要的质量控制和检验,并进行统一整理、加工、规范和信息化处理,形成了具有规范格式和详细说明文档的"飞机探测云物理数据集"产品。该数据集产品具有分类查询、数据导出、格式说明等功能.可以按照时间属性、地理空间属性、数据种类等不同属性对该数据集中的各类数据进行多元化使用。借助于"气象科研数据共享平台","飞机探测云物理数据集"产品已在一定范围内得到广泛应用。在此应用基础上,包括国家科技攻关项目在内的许多科研或业务项目已经取得了众多可喜的成果。

河南春季一次云降水过程的宏微观物理特征分析

云降水的宏微观物理特征的观测和研究,有助于建立典型的云降水多尺度结构模型,为确定科学的人工增雨催化方案提供重要依据。借助于雷达、卫星等多种遥感探测手段,结合飞机的云中观测,对2004年3月31日河南云降水观测外场试验区（31.5-35°N,111-114°E）的一次云降水过程实施了综合探测,综合分析了此次云降水过程的宏微观物理特征。此次云降水系统属于比较典型的低槽、冷锋活动所造成的一次小至中雨过程。根据GOES卫星云图和天气图可以看出,沿锋面云系的后部,有一槽线,它对试验区的降水起主要作用,地面冷锋位于云带的前沿。雷达PPI回波显示为一条窄而长的回波带,宽度较窄,强度不大;RHI显示回波高度不高,回波云顶高度平均在5-6km左右,除存在一些20-30dBz的回波团外,回波强度比较均匀,回波中存在明显的0℃层亮带。这次降水为锋上高积云（Ac）和其下部液水较为丰沛的层积云（Sc）结合而成,在Ac云的4340m（-4.8℃）和3670m（0℃）液态水含量出现高值,分别为0.072g/m^3和0.086g/m^3,在Sc云中的0℃附近液态水含量出现高值。降水形成前,云中粒子谱型主要为单峰型,粒子直径大部分在5-10μm之间变化,大粒子浓度很低,不到0.1个/cm^3,且呈不连续分布,随着云中微物理过程的发展和降水的形成,粒子谱型逐渐转为双峰或多峰型,粒子浓度明显增高,粒子直径逐渐增大。

优化湖泊流域水环境的对策与关键技术——从物质循环及平衡观点看

经济发展和生活水平提高对水量水质提出了更高要求,而用水越多、污水也越多,使安全水资源匮乏日益成为制约我国高速经济发展与生态保护的瓶颈。大力减少污染源排放无疑是极重要的,但目前湖泊流域内的第一、第二、第三产业都难于做到无污染排放,致使水系退化为纳污渠/库。因此目前同样极为重要的是要改善水质、修复水生态系统:从物质循环及平衡观点看,必须发展物理(电、磁、声、光、动力、微气泡等)、化学(慎用)、微生物、植物(水生、陆生+浮岛)、水生动物等综合高新技术,将水中污染物质加以资源化利用,实现以改善水质、优化水环境为主要目标的"环保资源化产业";它在政策支持下启动,不仅有重大社会生态效益,而且可逐步获取越来越多的经济效益。多年来为解决局部水质净化发展起来的物理生态工程(physic-ecological engineering,PEEN)丰富了水循环的含义,将水分循环从水量循环扩大为包括水质循环,使污染水恢复清洁,修复健康水生态系统,主要依靠太阳能因地制宜从局部到大范围,将大量营养盐(包括可能存在其中的毒物)转化为水生植物并取出予以分别利用,是有较高性价比、可操作的对策。采用物理生物削浪、水面植物-沉水植物斑马线式镶嵌、植物群落镶嵌、固定化氮循环细菌等技术,逐步扩大修复健康水生态系统的范围、降低营养盐水平、遏制藻类水华,同时低能耗地将含水量极高的水生植物进行收集、加工、储存、干燥和分别利用,发展可称为"生物环保产业(bio-environmental enterprise,BEE)"的"环保资源化产业"。通过此途径,可以加速水质循环过程,在入湖污染负荷未能到达控制富营养化阈值前实现控制湖泊富营养化和遏制藻类水华的目标。文中介绍了实现此目标的途径和关键技术。可以规模化、较廉价地提供饲料肥料和生产活性炭原料。将水草加工成便于运输的"水草袋","水草干"可供在北方干旱半干旱地区和沿海荒滩地种植速生林木、高杆先锋草本植物阵之用。利用水草袋或水草干添加当地污水,使先锋性(例如香根草等速生、适应性强的)植物在当年生长成能固沙、挡风、拦截降雪的阵。逐步修复荒漠化区良性生态。这样,可以用较小代价并较快地联合解决我国面临的控制富营养化与控制荒漠化的生态环境问题。

南海一次海洋性对流云降水雨滴谱特征分析

利用2012年10月19日OTT-Parsivel激光雨滴谱仪在南海地区获取的一次对流云降水资料,对降水的微物理参量、平均雨滴谱和速度谱分布特征进行分析。结果表明:降水中直径小于1 mm的小粒子所占比例非常大,直径较大粒子也频繁出现,最大直径接近10 mm,大粒子对降水强度、含水量、雷达反射率因子贡献很大;对平均谱进行Gamma分布最小二乘、阶矩法拟合和对数正态分布拟合,三种方法均较好表示谱的分布,但对数正态分布拟合有着明显优势(尤其在小滴端),且拟合相对误差在三者中最低,Gamma拟合的参数μ、λ关系均能很好地用二次函数表示;速度谱分布较接近Atlas-Ulbrich的实验结果,且直径小于0.687 mm时,粒子降落速度明显大于实验值,雨滴直径越小偏大越明显,同时用Atlas-Ulbrich与Gunn-Kinzer的实验曲线形式对速度谱进行拟合,两者的拟合相对误差平均值分别为9.17%和5.87%。

Parsivel激光雨滴谱仪观测较强降水的可行性分析和建议

为了研究OTT-Parsivel激光雨滴谱仪(简称Parsivel)在较强降水观测中应用的可行性,用南京地区2012年6—7月份4个典型的降水个例,对Parsivel和SL3-1翻斗式雨量计(简称雨量计)的累积降水量、降水强度观测资料进行对比分析,并与人工雨量筒观测作以比较。结果表明:Parsivel测值是可信的,在累积降水量观测上,与雨量计具有很好的相关性,但测值始终偏高,该现象主要是粒子相互遮挡造成的。雨量计的反应时间,明显滞后于Parsivel。雨量计测值接近人工测值;而Parsivel与人工测值的偏差明显大于雨量计。结合实验分析与业务应用,提出3点使用建议:(1)仪器应架设在无遮蔽物的开阔地带。(2)采样周期应随着降水强度(地理位置)的不同而改变。(3)对降水微物理参量特征以及粒子谱分析时,可剔除直径过大、速度很低的粒子。

庐山地区层状云和对流云降水特征对比分析

根据Parsivel激光雨滴谱仪在庐山高海拔观测场获取的2011年降水资料,结合宏观特征量、雨滴谱资料和雷达图像资料,将降水划分为对流云降水和层状云降水,选取了12次典型降水过程。对两类云降水的6种特征直径、各档雨滴对降水参量的贡献、降水微物理参量的演变等进行了分析,并利用M-P分布和Gamma分布对两类云降水雨滴谱进行拟合,对拟合参数以及拟合效果进行了分析。结果表明:两类云降水微物理特征有着本质的区别,层状云降水谱宽相对较窄,参量随时间变化比较平缓,直径不超过1 mm的小滴对降水贡献最大;对流云降水谱宽相对较宽,出现了直径接近10 mm的大滴,参量起伏较大,对数密度贡献很小的大滴对雨强、含水量贡献却比较大。从拟合效果检验来看,层状云降水拟合时的M-P曲线在大部分区段比Gamma曲线更接近实测雨滴谱曲线;对流云降水拟合时的Gamma分布曲线与实际雨滴谱分布曲线整体吻合程度较高。M-P分布和Gamma分布两种拟合方法都适用于层状云降水,对流云降水雨滴谱拟合时Gamma拟合效果优于M-P拟合效果。

几种消暖云(雾)催化剂性能的实验研究

本文选取了十一种吸湿性物质，对它们的吸湿特性进行了实验研究， 对其中一些吸湿性能较好的催化剂开展了云室消雾试验。结果表明，这些物质的吸 湿能力及其随相对湿度变化的分布有较大区别，其他和状态下的平衡增长率也有 较大差异，水泥类物质中，矿渣水泥及普通４２５＃Ｋ水泥的吸湿特性与氯化钠类似， 氯化钠、氯化铵及矿渣水泥的云室消雾效果较好，但其作用机理可能有所不同。

一次霾天气条件下石家庄上空大气气溶胶数浓度的飞行探测与特征分析

利用2010年8月30日河北省石家庄一次霾天气条件下的气溶胶飞行探测资料,分析了石家庄地区上空658—6933 m高度范围内大气气溶胶粒子平均数浓度、平均直径的垂直分布特征和9个水平飞行高度上的谱分布特征。结果表明：轻度霾天气条件下的气溶胶平均数浓度为325个/cm3,平均直径为0.169μm。在约1000 m高度以下,气溶胶平均数浓度随高度的增加呈线性减少趋势。粒径也随高度增加而减小,由0.187μm减小至0.164μm。1000 m高度以上,气溶胶平均数浓度随高度减少趋势变缓,粒子平均直径在0.167~0.171μm范围内波动。9个不同高度上的谱分布都呈单峰型,随着高度增加,谱宽变小,峰值向小尺度方向移动。后向轨迹计算分析表明：污染气团的远距离输送可能是导致大气1500 m高度层气溶胶数浓度突增的原因。

河北气溶胶浓度垂直分布特性研究

为了研究气溶胶粒子浓度垂直分布及其与温度廓线及云水的关系,选取河北地区2013—2014年的9次气溶胶飞机探测资料(高度大于4000 m)进行分析,用指数函数a×exp(b×x)对气溶胶粒子浓度的垂直分布进行拟合、分类,对于出现强逆温的情况将气溶胶粒子浓度与温度廓线作相关性分析。结果表明:当气溶胶本底浓度较低时,云的出现对气溶胶的垂直分布影响较小;当气溶胶本底浓度较高时,气溶胶垂直分布的极大值并未出现在云底,而是存在于距离云底下方1000—1500 m高度处。逆温层对气溶胶粒子浓度的垂直分布有重要作用,粒子在逆温层下累积,出现浓度的极大值。在逆温强度较弱的情况下,数浓度最大值一般出现在近地面附近,但若受到强的平流作用,在该平流层高度处的气溶胶粒子浓度可能会出现超过近地面气溶胶粒子浓度的情况。气溶胶浓度的垂直分布可以分为缓慢递减型、快速递减型、温度相关型三种类型。在出现强逆温的情况下,气溶胶浓度的垂直分布为温度相关型,可以直接通过大气温度廓线和气溶胶本底浓度判断气溶胶浓度的分布。

石家庄地区2005年秋季污染气溶胶飞机观测资料分析

利用河北省2005年10月份的3次气溶胶飞机观测资料和宏观天气资料,综合分析石家庄地区不同天气条件下气溶胶的垂直分布和尺度谱分布特征。分析结果表明：气溶胶浓度的分布与大气环境情况密切相关。气溶胶数浓度最大值的变化范围是103~104cm^-3,平均数浓度为103cm^-3,粒子平均直径为0.120~0.150μm;21日近地面有霾,相对湿度为58%,近地面气溶胶浓度较17和29日略低,但粒子平均直径（0.165μm）比其余两次要大,可见相对湿度较大,大气中水汽含量较多,有利于小粒子凝结水汽,使粒子直径增大;逆温层结下,粒子在逆温层下累积,无逆温时数浓度最大值出现在近地面附近。气溶胶粒子谱呈单峰分布。

庐山不同高度雨滴谱分析

选取在庐山不同高度处测得的一次对流云降水过程资料,结合Hu等相关研究结果,分析了雨滴下落过程中各种物理机制的重要作用,并采用两种不同的水滴下落末速度经验公式,分别比对了不同高度处雨滴下落的末速度。所得结论如下:蒸发作用降低了小雨滴(D≤0.3 mm)和较大雨滴(1.5 mm<D<3.0 mm)的数浓度,增加了中等大小雨滴(0.3 mm<D≤1.5 mm)的数浓度。大小雨滴在降雨不同时期和不同高度对含水量的贡献是不同的。雨滴直径在0.5～5.0 mm区间内,下落末速度经验关系式V(D)=9.65-10.3e-0.6D适用于海拔较高处;雨滴直径大于5.0 mm时,经验关系式V(D)=3.778D0.67适用于海拔较低处。

庐山地区不同海拔高度降水雨滴谱特征分析

利用2010年7月30日架设在庐山的OTT-Parsivel激光雨滴谱仪收集的一次对流云降水雨滴谱资料,对不同海拔高度的降水微物理参量进行比较分析,以探讨降水微物理特征在垂直高度上的差异。结果表明,庐山地区夏季对流性降水,具有时间短、强度大的特点,数浓度、雨强和含水量等微物理参量值普遍较大,雨滴最大直径约为10 mm。降水粒子中所占比例最大的为直径小于1 mm的小雨滴,并且海拔高处的小雨滴所占比例较大。Gamma拟合参数μ和λ的起伏变化趋势基本一致,在确定μ值的情况下,海拔较高处λ值较大,并且用SIFT方法计算的μ—λ关系较为准确。V—D关系符合对数分布,并且直径大于2 mm的雨滴下落末速度偏大于Gunn和Kinzer实验结果,雨滴直径愈大,速度偏大愈明显。相同直径的雨滴,海拔较低处下落末速度较大。

2000年两次沙尘暴天气过程的分析研究

本文根据探空资料 (TTAA) ,利用数值模式的客观和诊断分析结果、高空气象探测数据处理系统 (T- lnp图 )及天气图进行天气形势、物理量场的定量分析及单站气象要素的演变分析等对 2 0 0 0年 4月 4 - 6日两次沙尘暴天气过程进行了分析结果表明 :两次沙尘暴过程的形成是由于生成于蒙古地区的蒙古气旋进入东北后强烈发展 ,在华北、东北、内蒙南部地区形成大范围的强西北风而引起的。地面锋线及高空槽后都为偏北大风区 ,强劲的空中风使沙尘迅速向前方扩展。地面锋线与 85 0、70 0、5 0 0 h Pa槽线上、下位置重合较好 ,槽后各层均存在大风区及下沉运动区 ,二者配合有利于高层动量下传 ,形成地面辐散大风直接导致了沙尘暴的形成。陡峭的锋面使得锋前有强盛的上升气流 ,将沙尘粒子源源不断地输送到高空 ,使地面和空中沙尘连成一体。利用高空气象探测数据处理系统对探空资料 (TTAA报 )处理的结果表明 :整层大气比较稳定 ,对流不易发展。近地面大气较干燥 ,无法形成降水 ,疏松的沙土易被大风扬起 。