北上台风“杜苏芮”登陆后河北中南部的雨滴谱特征分析

利用雨滴谱仪观测资料,分析了2023年7月29日至8月1日的河北中南部极端降水的雨滴谱特征,研究降水的微物理特征变化。结果表明,降雨强度R小于50 mm/h时,雨滴直径随着R的增加明显增大,R超过50 mm/h时,随着R的继续增大,雨滴的质量加权平均直径不再继续增长,趋于平衡,稳定在2 mm。此次降水位于海洋性对流特征区域的点较多,而位于大陆性的点较少,仍有很多点位于两种形态的过渡区间内,表明地面降水的微物理过程具有显著的时空变化。利用K-means聚类算法,将降水样本按照滴谱特征分为5类,发现不同强度滴谱特征具有明显差异,当降水强度高于50 mm/h时,降水的滴谱性质体现为较大的加权平均直径和较大的粒子数浓度,正是因为有持续稳定的大直径粒子和高数浓度的特征,雨滴谱的突变加上台风输送源源不断的水汽,才能在短时间内产生强降水。利用滴谱数据进行雷达降水估测关系拟合,得到雷达反射率Z、差分反射率KDP和R的拟合公式Z=224R1.44和R=45.8KDP0.77,使用R-KDP定量降水估测关系,结果要优于使用Z-R关系,尤其是超过40 mm/h的降水,估计误差明显好于使用Z-R关系。

南京地区雨滴谱参数的详细统计分析及其在天气雷达探测中的应用

雨滴谱包含了降雨的丰富信息,不仅能反映雨滴群的微物理特性,也能反映降雨类型、降雨强度等宏观特性,并且在雷达气象领域也有重要的价值。论文对2015和2016年度南京地区32次降雨过程的雨滴谱资料进行了处理、并对多种雨滴参数进行了详细的统计和分析,拟合了层状云降雨、对流云降雨以及积层混合云降雨的雨滴谱Gamma分布参数。另外,还基于雨滴谱数据拟合了雷达反射率因子Z与降雨强度R的Z-R关系,计算了差分反射率ZDR、相位常数KDP以及衰减参数,并利用衰减参数进行了C波段雷达回波的衰减订正试验。结果表明:(1)层状云降雨的各微物理参数比较稳定,积雨云的变化剧烈;层云降雨和积层混合云降雨的中雨滴、积雨云降雨的大雨滴对雷达反射率因子的贡献最大。(2)积雨云降雨的滴谱最宽,层状云降雨的最窄。(3)利用依据雨滴谱数据拟合的三类降雨Z-R关系,可以一定程度地提高雷达估测降雨的精度。(4)利用基于雨滴谱数据拟合的衰减系数,有效地进行了C波段双偏振雷达回波强度的衰减订正,体现了统计参数和拟合参数准确性。

青藏高原雷暴电荷结构特征及成因的数值模拟研究

利用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,通过对青藏高原地区2003年8月13日一次雷暴过程进行模拟,分析了高原雷暴的电荷结构特征并从微物理角度讨论了其主要形成原因。结果表明,高原雷暴以三极性结构为主,在消散阶段电荷结构转变为偶极性,结构整体电荷密度较小,主正电荷区与主负电荷区深厚,下部次正电荷区范围较大,持续时间较长。其中三极性结构主要是由于云内冰相粒子通过非感应起电机制作用形成;后期偶极性构是由霰粒子下落固态降水的增强导致。云内暖云区厚度较小,混合相区域内有效液态水含量较高,对流层顶较低,导致冰晶、雪所在的高度更低,与霰、雹这样的大粒子重合的区域更大,形成了下部范围较大持续时间较长的正电荷区。

闪电产生氮氧化物对青藏高原臭氧低谷形成的影响

为了进一步了解青藏高原闪电的产生氮氧化物(LNO_x)经由光化学反应对O_3浓度变化及夏季O_3低谷形成的可能影响,本文利用2005～2013年由OMI卫星得到的对流层NO_2垂直浓度柱(NO_2 VCD)、O_3总浓度柱(TOC)和O_3廓线以及星载光学瞬变探测器OTD和闪电成像仪LIS获取的总闪电数资料,对青藏高原和同纬度长江中下游地区的TOC和NO_2 VCD月均值时空分布特征、闪电与NO_(2 )VCD的相关性和O_3的垂直分布特征及其与LNO_x的关系进行了对比分析。结果表明,青藏高原的O_3低谷主要出现在夏季和秋季,其TOC值比同纬度长江中下游地区低约10～15 DU(Dobson unit)。青藏高原NO_2VCD总体较小,表现为夏高冬低的分布特征。青藏高原夏季O_3浓度受南亚高压的影响总体呈减小趋势,但因强雷暴天气导致对流层中上部LNO_x浓度升高,并随强上升气流向对流层顶输送,同时通过光化学反应使O_3浓度增加,缩小了青藏高原和同纬度地区的O_3浓度差,减缓了O_3总浓度的下降,抑制了夏季O_3低谷的进一步深化。

雷暴单体的对流强度对电荷结构的影响

利用三维雷暴云动力—电耦合数值模式,通过改变中心扰动位温,设置敏感性试验组,分析探讨雷暴单体对流强度对电荷结构的影响。结果表明:雷暴单体对流强度随着扰动位温的增加而增加。对流强度不同,其空间电荷结构也明显不同,但始终存在底部次正电荷区。当对流较弱时,雷暴电荷结构简单,只有主负电荷区和次正电荷区,无主正电荷区。在中等强度的对流雷暴中,雷暴内基本呈正常三极性电荷结构,且主负电荷区有上、下两个明显的电荷中心,上部中心的电荷密度更大。在强雷暴单体中,除了正常的三极性结构以外,次正电荷区以下出现了小范围弱的负电荷区,云顶出现了负屏蔽层,从下到上呈现出正负交替的五层,是电荷结构最复杂的阶段。这主要是由于云上部的正电荷区持续时间较长,电荷密度较大,增强了对周围大气中自由离子的吸引,自由离子被吸引到云边界附着到粒子上,在云顶形成了负屏蔽电荷层。同时,由于对流强,霰粒子可以得到更快的增长,固态降水增强,下沉气流中的霰通过与云滴的感应碰撞形成了云底部短时的弱负电荷区。

广东一次雷暴过程的宏微观及电特征的数值模拟

采用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,模拟了2015年7月17日广东清远一次系统性强雷暴过程,探究此次雷暴的宏微观及电活动特征,从微物理角度出发,分析电荷结构的复杂成因。结果表明,由于水汽充足,上升气流速度大,云体高度高,小粒子随着强上升气流快速上升,迅速增长为雨滴等大粒子,降水出现早,强度大,较高的气温,使得很难产生固态降水。本次过程中,电荷结构由三极性结构逐渐演变成偶极性结构,这是由于霰的自动转化作用较强,中层霰粒在雷暴云成熟期转化为雹下落,上升气流由于强降水的发生不能维持,冰晶和霰粒子分布区域重合面积减少,非感应起电减弱,使得下部电荷结构消散。较高的电荷区高度使得云闪数目远远多于地闪数目。

张家口地区一次长时间降雪过程的滴谱特征分析

利用OTT Parsivel激光雨滴谱仪和站点加密观测资料,分析2019年11月29日张家口地区一次长时间降雪天气过程开始、雪花、稳定强降雪、结束4个阶段的滴谱演变特征,结果表明:(1)降雪天气过程中微物理参量(降水强度R、数浓度Nt、雨水含量W、雷达反射率因子Z、质量加权平均直径Dm)演变趋势基本相同,其中开始阶段、稳定强降雪阶段、结束阶段的降水强度、雨水含量、雷达反射率因子受粒子数浓度影响较大,而雪花阶段降水强度、雨水含量、雷达反射率因子受粒子直径影响较大。(2)稳定强降雪阶段,粒子数浓度Nt量级为103~104个/m^(3),而Dm<1 mm,这是由于大雪片在温度较低的情况下,下落过程中破碎形成大量小雪片。降雪过程中,雪滴下落速度<2 m/s的粒子数占总粒子数的90%,强降雪阶段的雪滴下落速度集中于1~1.5 m/s。(3)在降雪过程中,最小二乘法拟合效果优于二、三、四阶矩方法。

两种气象用湿度传感器比对结果的详细统计分析

空气湿度是自动气象站的重要观测要素,其准确度至关重要。为比较DHC2型和DHC1型两种气象用温湿度传感器的湿度测量性能,选取上述两种型号的传感器各100支,以3MS计量检定系统为实验装置,确保比对结果的准确性和代表性,为测量准确度的分析及湿度的修正提供理论参考。结果表明,相较于DHC2型,DHC1型正反行程中正负误差所占比重变化相对平缓,但高湿时正误差率大,更容易出现高湿不退的情况;两种传感器湿度的平均误差曲线趋势基本一致,DHC1型平均误差-1.23%RH~0.72%RH,DHC2型平均误差-2.56%RH~0.55%RH。在实际业务中应当选择合适的型号,或针对不同型号作相应的误差修正。

飞机人工增雨云系结构及作业技术的观测研究

云作为大气水循环的重要组成部分,通过降水为陆地生态系统提供大量淡水。由于华北地区降水量和云量有限,华北区域成为全国缺水比较严重的地区,资源性缺水问题成为制约该区域水资源安全保障、生态文明建设,以及防灾减灾和乡村振兴的重要因素。与此同时,空中云水资源成为了人们关注的重点。从自然云的降水效率来看,对流云平均降水效率为56%,层状云为29%,我国年均云水资源的降水效率约为20%,华北地区不到15%,因此具有较大的开发潜力。