基于多源资料的中天山降水云宏微观特征分析

文章基于C波段新一代多普勒天气雷达、Ka波段云雷达、微雨雷达和地基微波辐射计等观测资料对中天山地区夏季一次地形云降水的宏微观特征进行了分析。研究表明:此次降水过程受西风气流影响产生地形云降水;该降水过程的0℃层高度在4 km附近,大气层结表现为干层-湿层-干层分布;雷达反射率因子主要分布在15~30 dBZ,云体厚度6 km左右,云内粒子在强湍流作用下迅速增大;在3.5 km高度上雨滴谱存在明显增宽,小粒子数浓度不断减小,大粒子则迅速增多,结合0℃层高度信息得出在3.5 km以上多为冰相粒子,3.5 km以下则主要为液相粒子;多种不同波长的雷达分别适用于测量不同尺度的粒子,可以对降水云的发生演变进行整体全面的观测。研究有助于从地形云宏微观物理特征的视角科学评估中天山白杨沟地区地形云降水人工增雨播云潜力。

基于CloudSat云分类资料的华北地区云宏观特征分析

利用2007年1月至2008年12月的CloudSat 2B-CLDCLASS-LIDAR云分类资料对华北地区（36°~42°N,110°~120°E）各类云在单层及多层云中的出现频率、平均高度及平均厚度进行统计分析。结果表明：华北地区单层云和多层云出现频率存在明显的季节变化,夏季最大,春秋次之,冬季最小。单层云的出现频率远高于多层云,单层云出现频率在春、夏、秋、冬4个季节分别为44.3%、46.1%、37.8%和32.8%,而多层云中2层云所占比例最大。单层云和多层云各云层平均高度、平均厚度分析显示,3层云上层云顶云底高度最高,3层云下层云顶云底高度最低,单层云平均厚度明显大于多层云,云层数越多,各云层的平均厚度越小。对不同类型云出现频率分析显示,卷云主要出现在单层云及多层云中、上层,高层云和高积云在单层云和多层云各云层中均占有一定的比例,层云主要出现在多层云下层,层积云、积云、深对流云主要出现在单层云及多层云下层,雨层云主要出现在夏季单层云中。卷云、高层云、高积云的平均高度及厚度在不同云系统中存在显著的差异。

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。

2017年夏季六盘山地区一次强对流天气过程云降水宏微观特征分析

利用常规气象观测资料、Grapes_CAMS模式产品以及卫星雷达遥感资料,对2017年8月11日宁夏六盘山地区强对流天气过程成因、云降水宏微观特征进行综合分析,结果表明:此次局地小尺度强对流天气过程出现在高纬“两槽一脊”环流背景下,主要影响系统为蒙古冷涡、低层切变线、地面风场辐合线;云反演产品与降水云团的发展演变一致性较好,短时强降水初期云顶高度在5-7 km之间,云顶温度低于-30℃,过冷层厚度在4 km左右,黑体亮温低于-30℃;雷达回波表现为典型的强对流回波特征,强对流天气期间各地组合反射率均>50 dBz,最强达61 dBz,回波顶高普遍在8 km左右,强对流鼎盛时期45 dBz以上的强回波高度达到7 km左右,4 km高度附近有55 dBz以上的强回波中心。当雷达回波朝六盘山山体移动时,回波有明显的加强趋势;Grapes_CAMS模式较好地模拟了此次强对流过程,模式产品显示此次降水云系为冷暖混合云,0℃-(-5)℃层之间有一定的过冷水存在,在-5℃-(-20)℃之间,冰晶数浓度1个/L,含量较少。

基于CloudSat-CALIPSO数据的黄土高原地区云特征分析

云是地气系统的重要组成部分,为深入分析黄土高原地区云特征,利用2007-2016年搭载首部云探测雷达云卫星(CloudSat)与云-气溶胶激光雷达和红外探测者观测卫星(The Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation, CALIPSO)资料,选取黄土高原半湿润、半干旱、干旱和寒旱四个区域,对云的宏、微观物理特征进行了分析。结果表明:(1)黄土高原各区域云出现频率年均值达到了55%以上,其中,春、夏季云出现频率最高,秋冬两季相对较低;半湿润区云出现频率高于其他区域,但其他三个区域云出现频率最高的月份均早于半湿润区。(2)各区域中单层云出现频率最高,占到总云量的60%以上,多层云中主要是双层云,约占总云量的25%。云层高度在不同区域表现为春、夏季节大于秋、冬季节,半湿润区的云层高度在四季均大于其他区域。各区域云几何厚度季节变化不显著,均在1~4 km之间,主要以薄云为主,且78.13%的云几何厚度不超过2 km。(3)各区域的云液态水含量年均值均达到了220.5 mg·m^(-3),约为冰水含量年均值的6.5倍,主要分布在8.5 km以下的高度层。随着高度的减小,液态水含量逐渐增多,其中半湿润区云液态水含量大于其他区域。各区域全年冰水含量占比较小,主要分布在16.5 km以下的高度层。(4)液滴有效半径在各区域的值主要集中在12~16μm,在半干旱区的春季出现了最大值,约为24μm;冰粒子有效半径最大值出现在半湿润区的夏季。液滴数浓度在各区域的值集中在60~80 cm^(-3),均小于冰粒子数浓度平均值,其峰值出现在各区域的夏季,冰粒子数浓度的峰值出现在半湿润和半干旱区的春季。该研究结果有助于深入认识黄土高原云的特征,为区域气候模式对黄土高原地区云特征的模拟提供一定的参考依据。

基于雷达资料的一次高原涡天气云降水宏微观特征研究

利用常规天气资料,并结合第三次青藏高原大气科学试验(TIPEX-Ⅲ)的毫米波云雷达资料和激光雨滴谱仪雨滴谱资料,对影响那曲地区的一次高原涡天气进行了综合分析,包括天气背景和云-降水水平、垂直结构和演变特征。结果表明:此次高原涡天气形成了涡旋状的云系,从垂直结构看本次过程由对流云演变为积层混合云。对流云阶段,回波多呈小面积的零星稀疏分布,持续时间较短,与此同时还伴有强烈的上升运动,云中正速度区多呈条状或细带状,云顶较高,呈“蘑菇状”,此时对应降水强度小,雨滴粒子浓度较低。混合云阶段,回波多呈整齐的片状,回波持续时间较长,云中的正速度区常呈柱状或方块状,近地面1 km位置处亮带明显,是由于粒子相态变化造成的,亮带以下降水粒子碰撞破碎,反射率因子明显降低,对应雨滴粒子直径多处于1~3 mm,且浓度较大。高原涡过程中不同阶段云所对应的雷达回波结构和降水特征存在明显的差别,本研究可为高原天气预报和物理过程等研究提供一定参考。

一次锋前暖区降水云系宏微观特征分析

应用天气图和探空、雷达及机载ＰＭＳ系统探测的资料，对１９８９年１０月１４日出现在济南地区一次西北冷锋降水云系的宏微观结构特征进行了分析。结果表明：降水发生在锋前暖区，底层有近１．５ｋｍ厚的位势不稳定层（θ＿（ｓｅ）／Ｚ＜０）存在，中层３．５ｋｍ处有一逆温层，位势不稳定的存在在该层状云中上部激发的对流泡，对中下层层状云起到自然引晶催化的作用，雪晶的增长主要以淞附过程为主。层状云中部含有丰富的过冷水区（最大为０．１ｇ／ｍ￣３），具有进一步催化的潜力。本文还特别给出了本例锋前降水云系的降水结构概念模式。

西北地区春季云系的垂直结构特征飞机观测统计分析

根据2001年5—6月8架次的飞机探测资料,配合地面观测和卫星资料综合分析得出了西北地区春季云系的垂直结构宏微观特征,包括云厚、云底高度、云粒子浓度、含水量、有效半径、粒子谱分布函数等。降水性层状云厚平均约2000 m,低云含水量垂直方向上平均为0.07 g·m^(-3),中云含水量垂直方向上平均为0.03 g·m^(-3)。对比分析降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,降水性层状云有效半径要达到10～16μm。

广西春季降水的云物理特征数值预报个例研究

利用国家气象中心研制的中尺度云系模式,模拟研究了广西地区的一次春季云降水天气过程。结果表明,该模式系统对这次云降水系统有较好的预报能力,预报的云降水系统的宏微观结构特征合理。研究显示,冰晶主要处于上层,雪晶主要处于中层,霰主要处于中下层,云水主要处于中下层,雨水主要处于下层;云中强对流区对应地面强降水区;广西春季典型云降水系统中有过冷水,以过冷云水滴为主,有少量的过冷雨水滴,过冷水区冰晶含量稀少,具备人工增雨潜力。云系模式预报的云顶温度与FY-2C卫星反演的云顶温度除了最小值位置略有差别外,最小值基本一致,该云系模式的云产品对人工增雨作业具有一定的指导作用。

基于CloudSat卫星资料的青岛地区云特征研究

利用2007——2010年CloudSat卫星资料,对青岛地区(35. 583°～37. 150°N,119. 050°～121. 000°E)云特征参量进行了统计分析。结果表明:单层云出现频率为39%左右,多层云主要以2层云为主,出现频率均为18%左右;月平均云量在64. 1%～77. 6%之间,从1月至12月呈递减趋势;卷云、高层云、高积云和层积云平均频率之和为86. 5%,其他类型的云出现的频率均不高;云水路径在4、5月和8、9月较大,分别达到了200 g·m^(-2)以上和350 g·m^(-2)以上;云液态有效粒子半径在6～16μm之间,春、夏、秋季高值区位于云体中部至上部;云冰晶有效粒子半径在20～120μm之间,高值区位于云体中部至底部;青岛南部,即近海区域云有效粒子半径和云水含量大于北部。

一次西南涡过程的云-降水毫米波云雷达回波特征分析

为了探究西南涡过程的云-降水垂直结构和回波特征,利用了垂直定向Ka波段毫米波云雷达资料结合地面、高空观测资料及FY-2E卫星资料,对四川稻城2016年7月20-22日一次西南涡过程的进行分析。结果表明:此次西南涡过程的云系变化呈现为:前期(20日)主要以积层混合云为主,云顶高达11 km,午后云系上层出现空洞,低层强回波区出现速度模糊,表明该处存在较大的雨滴。至中期(21日),稻城上空云系演变为对流云,回波顶升高,云系中下部回波强度增强,与水汽通量辐合区吻合。对流发展旺盛并且在午后达到最强,同时在雨强图上有持续时间小于1 h的、强度为65 mm/h阵性降水相配合,这表明此次降水对应一个或者少数几个对流单体。至后期(22日),稻城上空主要为层状云,云顶高度回降到9 km左右,回波较为平坦,云中气流以下沉气流为主,在距离地面2 km高度处有雷达回波亮带形成,它的形成是层状云降水的明显标志。毫米波云雷达在降雨的天气状况下相比其他雷达具有十分明显的优势,不仅能够穿透云层获得云系内部的微观结构特征,充分掌握云系的垂直结构,同时还可以清晰地获取云系内粒子回波强度的变化为研究云的宏观特性提供良好的支撑。

基于飞机探测的云物理特征个例分析

基于飞机探测资料开展云系的宏微观物理特征研究,深入认知云降水机理,建立不同天气背景条件下云系特征结构模型,对于科学制定人工增雨作业方案具有十分重要的意义。文中利用冬季福建漳洲飞机探测资料,采用统计分析方法,对该地区冬季云系的宏微观特征进行分析,研究云系的变化特征和微物理参数的时空分布规律。个例分析表明,冬季在副热带高压和南支槽的共同作用下,冷暖空气对峙产生稳定层结下的锋面云系,云系分布特征从低到高分别为碎雨云、层积层、高积云。低云、中云和高云的平均云底高分别为1285m、3197m和4596m;云中的云粒子谱型分布满足KhrgianMazin谱,相关系数平均达到0.84。

中南半岛及南海海域烟雾混合层积云的微观特性研究

中南半岛地区生物物质燃烧活动使其成为东南亚烟雾气溶胶的高值区,排放的烟雾可以传播到南海海域,影响当地层积云的微观特性和降水活动,进而对气候产生影响。本文利用2007—2019年CALIPSO和CloudSat卫星数据筛选了190个烟雾气溶胶与层积云混合的个例,其中中南半岛等陆地上空(代表陆地)的烟雾混合层积云为88个,南海海域(代表海洋)的烟雾混合层积云为102个。基于个例的研究发现:相对于海洋上的烟雾混合层积云,陆地上的烟雾混合层积云中云的液态粒子数浓度(Number concentration of liquid water drops,LNC)、液态粒子有效半径(Geometric mean radius of liquid water drops,LER)和液态水含量(Liquid water content,LWC)的值都更高。与清洁层积云相比,烟雾气溶胶主要通过半直接效应影响海洋上的层积云,而主要作为云凝结核(Cloud condensation nuclei,CCN)通过间接效应影响陆地上的层积云。当气溶胶光学厚度(Aerosol optical depth,AOD)≤0.6时,海洋上烟雾混合层积云内Twomey效应发挥主导作用,而陆地上烟雾混合层积云内反Twomey效应发挥主导作用;当AOD处于0.6~1.2时,烟雾混合层积云的半直接效应发挥主导作用。本文的研究对中南半岛和南海海域的气溶胶与云的相互作用机制有重要参考意义,并为改进模式结果提供理论支持。

山西省2008—2010年64架次飞机云物理观测结果分析

利用山西省2008-2010年64架次云结构的飞机探测资料,结合地面观测和卫星数据统计分析了层状云系的宏微观特征.结果表明：降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,层状云要达到降水,云的厚度要达到近2000 m;粒子尺度分布云粒子有效半径要达到10～14 μm,降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0.03 g/m^3,中云含水量垂直方向上平均为0.05 g/m^3,;避光高层云-层积云、雨层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上500 m附近,其最大值分别为0.61,0.42 g/m^3;透光高层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上300 m附近,其值为0.28 g/m^3;云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20、30μm的粒子含水量较高,对云中液态水含量的贡献较大,降水粒子主要由20、30μm的粒子转化;降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显,也是分层的.高层主要是冰相粒子,是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在4个典型温度层的观测中,液态含水量、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同.

山西省层状云飞机云物理观测试验结果分析

利用山西省2008年-2010年64架次云结构的粒子测量系统（DMT）探测资料，配合地面观测和卫星资料统计分析了层状云系的宏微观特征。发现：降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0．03g，m^3，中云含水量垂直方向上平均为0．05g／m30对比分析降水云和非降水云系的微物理特征量，两者存在显著的差异，降水性层状云云粒子有效半径要达到10μm-14μm。对云系不同温度层的微物理特征和云中水分按不同粒子尺度的分配特征进行了对比分析，结果表明：降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显，也是分层的。高层主要是冰相粒子，主要是冰雪晶，随高度降低冰雪晶的尺度增大，在四个典型温度层的观测中，LWC、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同。云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出，直径20μm、30μm的粒子含水量较高，对云中液态水含量的贡献较大，降水粒子主要由20μm、30μm的粒子转化。

地基云遥感反演进展及挑战

云在地球系统能量平衡和水循环中扮演着至关重要的作用,其特征的准确获取对于理解大气物理过程、改进天气和气候模拟具有重要意义。地基云遥感反演是了解云特征、评估卫星云观测能力的重要手段。自20世纪80年代以来,地基云遥感反演获得快速发展,各种地基云遥感反演方法涌现,在2010年前后达到一个相对瓶颈期,已有的地基云遥感反演方法有几十种之多。从遥感手段上来说,地基云遥感包括主动遥感和被动遥感。从遥感对象上来说,地基云遥感包括宏观特征遥感反演和微观特征遥感反演。就宏观特征来说,可以分为三个类别:云识别或云量的探测方法、云边界的确定方法以及云相态的反演方法。就微观特征来说,地基云遥感反演方法基本分为两大类型,最优化求解法和经验参数化方法。任何一种云遥感反演方法都有其相对优势和不足,对其进行b了总结归纳,论述地基云遥感反演的进展。不同地基云遥感反演产品直接存在着巨大差异,远大于单个遥感反演方法所给定的不确定性信息,表明现有地基云遥感反演仍然存在巨大挑战,归纳提出了云遥感反演中存在的若干挑战,以期为未来云遥感的发展提供了方向参考。

张家口2019年11月29日降雪天气的毫米波雷达和飞机观测分析

结合毫米波云雷达数据和飞机观测数据,分析研究了2019年11月29—30日降雪云系的宏微观特征。此次降雪从29日14时持续至30日01时,受水汽输送影响,降雪量呈现增多—减少—再增多的趋势。云系的厚度变化明显,毫米波云雷达最大回波为25 dBz,地面小时降雪量大于1 mm的时刻与云雷达强回波(10~15 dBz)和大值谱宽带出现的时间有较好的对应关系。云内冰晶转化和上升气流存在的高度在4 km以上,云雷达正的径向速度主要在降雪的前中期。飞机观测发现云内以冰晶为主,存在霰粒子和聚合体。冰晶在下落过程中,通过碰并、碰连和凇附等微物理过程增长,同时云雷达的径向速度和谱宽有所增加。飞机探测到大于500μm的冰晶时,云雷达回波强度大于0 dBz。在4400~4700 m,云雷达速度谱宽急剧变化。研究结果为进一步分析张家口地区冬季降雪云系的宏微观结构和增雪潜力提供了理论参考。

内蒙古中部地区一次飞机增雨个例的综合分析

目前,我国多个地区已广泛开展人工增雨(雪)作业业务,随着人工影响天气作业要求的提升,对于作业云系的精细化预报要求也不断提高。文章利用机载大气探测系统、全固态Ka波段测云仪、地基多通道微波辐射计、多普勒雷达和气象卫星等新型探测设备,并结合模式预报场结果,对2020年4月18日华北地区北部典型层状云降水过程进行全过程分析,多角度研究了该降水云宏、微观特征和时空变化情况。结果表明:在降水发生前48 h,可通过天气形势场和天气预报模式结果初步判断降水发生时段和云场整体情况,在降水发生前3 h的临近监测预警中,可通过卫星云图、实时雷达回波图、全固态Ka波段测云仪等仪器实时监测云系移向和移速并精准预报人工增雨作业区条件,进而根据实况条件设计飞行航线,作业后详细分析云中微物理条件,将云场的精细化预报贯穿人工增雨作业始终。