基于探空数据探讨河套地区层云、层积云降水的物理量特征

基于2019年内蒙古河套地区雷达、卫星探测资料,将降水过程分为层云降水和层积云降水,并基于L波段探空秒数据反演云的垂直结构。得到如下结论:(1)层云降水和层积云降水大多为1~2层云。降水云为1层云时,层云降水和层积云降水的云底均在2.0 km左右;但是,层积云降水的云厚明显大于层云降水。降水云为2层云时,层云降水和层积云降水的云底也均在2.0 km左右;但是,层积云降水的下层云厚度大于层云降水,总厚度也明显大于层云降水,夹层更薄。(2)降水云为层云时,云系的整层可降水量为26.2 mm,总指数为41.91℃,K指数为28.32℃,抬升凝结温度为10.00℃,对流有效位能为59.39 J·kg^(-1),云系稳定。降水云为层积云时,云系的整层可降水量为32.1 mm,总指数为42.03℃,K指数为32.29℃,抬升凝结温度为12.61℃,对流有效位能为103.09 J·kg^(-1),云系比较稳定。比较而言,降水云系为层积云时更多,且整层可降水量更多,更适宜开展人工增雨作业。

云降水物理和人工影响天气对农作物种植的作用

为减少天气对农作物种植产生的影响,本文重点对云降水物理和人工影响天气在农作物种植中的作用进行阐述。研究结果表明,云降水物理和人工影响天气有利于提升农作物生长性能、质量和产量。因此,应尝试将云降水物理和人工影响天气应用于农作物种植管理,改善农作物种植条件。

安宁河谷雨季层状云和对流云降水的雨滴谱特征

利用2017年8—10月安宁河谷的激光雨滴谱仪观测数据,对层状云和对流云降水粒子谱的微物理参量、Gamma函数拟合、Z-I拟合关系、降水粒子对数浓度和降水强度贡献率进行了分析。结果表明:层状云雨滴谱较对流云窄,对流云降水粒子总数浓度、降水强度、液态水含量和雷达反射率因子等均显著高于层状云。Gamma函数可以较好地拟合雨滴谱的分布情况,层状云的函数曲线较对流云更加平滑。层状云、对流云降水的Z-I拟合关系均较好,分别为Z=181.90I1.54和Z=175.59I1.54。层状云降水强度贡献率的80%集中在直径不超过2 mm的粒子,而对流云的90%集中在直径超过1 mm的粒子,表明降水粒子尺度较浓度对降水强度的影响更大,大尺度降水粒子对降水强度贡献更大。

X波段相控阵偏振雷达观测墨脱地区云降水宏观特征的统计研究

第二次青藏高原综合科学考察研究项目在墨脱布设了一部X波段相控阵偏振雷达(X-PAR),实现了首次对河谷地区云降水的雷达连续观测。为了揭示高原东南河谷地区云降水的宏观特征,本文利用墨脱X-PAR2019年11月至2020年10月的观测数据定量分析了墨脱地区云降水回波强度、回波顶高等参数的月变化、日变化和高度变化,并与那曲地区夏季季风时期多普勒雷达观测数据进行了比较。研究发现:(1)墨脱地区回波顶高、面积、强回波所占比例以及回波分布范围在4~10月大于11~3月,4~10月降水频次高、对流性降水多,其中以6月最为显著。而进入4月后弱回波数量的大幅度增加导致了4~10月回波强度小于11~3月。降水回波月变化特征结合高原季风指数,将一年分为旱季(11~3月)与雨季(4~10月)。(2)雨季降水回波频次、顶高、面积均大于旱季,说明雨季降水频次更高、对流性活动更旺盛。降水回波频次、顶高、面积的日变化表明,旱季日降水主要发生在下午与上半夜,雨季主要发生在下半夜。(3)墨脱降水回波强度大部分小于30 dBZ,旱季在海拔高度3 km以上回波发生频次高,雨季在3 km以下高。(4)夏季季风期间墨脱回波顶高低于那曲,其顶高、面积日变化趋势与那曲不同。夏季季风期间那曲日降水主要集中在下午与上半夜,而墨脱则集中在下半夜。墨脱旱季云降水特征与那曲夏季季风时期特征较为相似。

祁连山云降水特征及云水资源开发利用技术研究进展与展望

地处中国西北地区的祁连山是全球气候变化下的敏感地区与生态脆弱区。近年来,在全球气候变暖背景下,祁连山冰川、雪盖加剧消融退缩,严重影响西北地区的生态环境安全。人工增雨是补充自然降水、增加地表径流、增加冰川储量的有效手段,但人工增雨受制于空中云水资源分布特征和云微物理特征影响,只有充分了解祁连山云水资源背景场特征和地形云及其降水规律,才能科学有效指导人工增雨作业。为此,本文对近十年来祁连山云水资源特征和地形云人工增雨的研究现状进行归纳总结,分别介绍了祁连山地形云的宏微观特征、水汽特征以及降水特征,重点包括大气可降水量、云水路径、水汽输送、降水效率等,以及人工增雨探测和效果评估新进展。研究发现,虽然祁连山空中云水资源分布不均,季节差异大,但可利用其变化规律进行人工增雨作业,利用云降水微物理检验、数理统计和生态效果检验等得出祁连山人工增雨具有显著效果。最后,本文指出未来对祁连山云降水的研究方向,以期为祁连山科学开展人工增雨提供参考,保护祁连山脆弱的生态环境。

中国天山西部区域云降水物理野外观测科学试验研究若干进展

天山西部区域是中亚地区降水量最多的区域,其向西开口独特河谷地形与西风环流构成了中亚区域独有的云降水物理过程,降水形成积雪、冰川和径流对中亚社会经济和生态环境形成重要影响。随着国家“丝绸之路经济带”建设的推进,对中亚水资源、气象防灾减灾和生态环境保护提出了严峻的科技挑战,而该区域云降水物理过程的观测和研究是科技基础,仍处于起步阶段,不能满足国家战略和中国气象事业发展需求,为此于2019年建设了天山西部区域云降水物理野外观测科学试验基地,并对云宏微物理、层状云/对流云雨滴谱、中/西天山雨滴谱特征异同、冷锋暴雪微物理等开展了相关研究并取得了前沿成果,本文对此进行提炼总结,以期推动中亚地区云降水物理学科发展。

地基多波长雷达垂直探测云降水微物理特征研究进展

雷达作为一种遥感探测仪器,在云和降水的观测中发挥着重要作用。然而,由于不同水凝物粒子在形状、密度、粒径、主轴取向和谱分布等方面的巨大差异,单部雷达的反射率因子对云降水系统内部微物理特征的准确量化存在困难。近年来,水凝物粒子散射理论、电子计算机和毫米波器件技术的进步加速了多波长雷达遥感技术的应用,为进一步认识云微物理过程和改进云微物理方案提供了重要观测依据。多波长垂直探测雷达技术已经从散射理论催生新的观测方法进入到观测试验揭示关键云降水微物理过程的阶段。本文从雷达反演液态和固态水凝物的角度,讨论基于水凝物粒子衰减和散射特性的地基双波长和三波长垂直探测雷达遥感技术研究进展,介绍了国内外地基多波长云雷达实验的研究进展,并从粒子散射理论出发,提出多波长雷达正在从传统波段组合(如W/Ka/X波段)向结合更短波长和更长波长的“三波长+”方向发展。随着卫星雷达载荷从单波长到双波长,地基多波长气象雷达遥感技术的发展将为下一代星载多波长雷达载荷的研制提供有力支撑。

六盘山区夏季一次层状云降水成因及宏微观特征分析

利用六盘山区1部X波段双偏振雷达、3部ka波段云雷达、3部Parsivel2雨滴谱仪的观测资料,分析了六盘山区夏季一次层状云降水成因及降水云系宏微观变化特征。结果表明,受锋面过境影响,六盘山区降水的时间和空间差异较大,降水云系反射率因子在20~36 dBZ之间,差分反射率因子在0~3.5dBZ之间,受阵性降水影响双偏振雷达显示相关系数均值在0.5~0.8之间;此次降水雨滴的等效直径较小,雨滴谱数浓度与等效直径随海拔高度增加分别呈现增大和减小趋势,由于山顶距离云底较近或在云内,小雨滴的浓度较大,随着降水的发生,西坡雨滴的谱型发生变化,而东坡谱型未发生变化,说明西坡由于碰并和小雨滴的蒸发,出现较强的阵性降水,与实况降水表现一致。

亚洲季风区积云降水和层云降水时空分布特征及其可能成因分析

本文利用最近12年的TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星资料,分析了亚洲季风区积云降水和层云降水的时空分布特征。结果表明:从多年平均角度看,亚洲季风区积云降水和层云降水空间分布主要呈现出随纬度变化的特征:25°N以北的副热带季风区以层云降水方式为主,其所占比例在50%以上,而且表现为由南向北层云降水比例逐渐增加的特征;25°N以南的较低纬度地区则以积云降水为主,其比例在55%左右,而且表现为全区比较一致的空间分布特征。积云和层云降水观测数比例的空间分布表明整个亚洲季风区降水云系以层云为主(层云平均占60%以上)。在季节时间尺度上,东亚季风区特别是25°N以北的副热带季风区,积云降水和层云降水都表现出显著的季节变化特征(季节变化标准差都在10%以上):冬季以层云降水为主,所占比例在85%左右,随着夏季的到来和季风雨带的向北推进,层云降水比例逐渐减小而积云降水比例逐渐增加,并在7、8月份层云降水比例达到最低值55%左右而积云降水比例达到最高45%左右,此后随着时间的推移,层云降水比例又逐渐增加而积云降水比例逐渐降低并恢复到冬季的状态;南亚季风区以及东亚季风区25°N以南的热带季风区,积云降水和层云降水季节变化特征不太显著(季节变化标准差在3%左右):一年四季都以积云降水为主,其比例在50%～65%之间变化。并且,本文从动力因子和热力因子对上述积云降水和层云降水的时空分布成因进行分析,其结果表明,亚洲季风区积云降水和层云降水的时空分布主要受季风环流的风场垂直切变动力因子所支配,而温度、水汽、相当位温和对流有效位能等热力因子对积云降水和层云降水的强度和范围及其持续时间也起着一定的作用,并且这些动力因子和热力因子对积云降水和层云降水的时空分布的影响存在一个阈值标准。

黄山层状云和对流云降水不同高度的雨滴谱统计特征分析

根据2011年6~7月在黄山不同高度采用PARSIVEL雨滴谱仪测得的雨滴谱数据,对不同海拔高度上两类(层状云和对流云)降水粒子谱的微物理特征量、Gamma函数拟合以及雨滴的下落速度进行对比分析,结果表明:对流云降水的雨水含量和降水强度、雨滴的各类尺度参数和数浓度都比相同位置上层状云降水的大,同类降水中,山腰的雨滴尺度大于山顶和山底,这可能与各观测点和云底相对位置的不同有关;随降水强度增加,雨滴的质量加权平均直径Dm逐渐增大,广义截距参数(log10Nw)的标准差逐渐减小。拟合结果表明各高度的雨滴谱都比较符合Gamma分布,由拟合参数分析雨滴谱的演变,发现相对于对流云降水,层状云降水粒子谱随高度的变化较小,雨滴谱的演变较为稳定。此外,本文还对两类降水中雨滴的下落速度及影响落速的因素进行了分析。

云降水物理研究与人工影响天气工作现状分析

云降水物理与人工影响天气之间的关联密切,云降水物理是人工影响天气的理论基础,人工影响天气则是云降水物理的应用领域。目前,人们加大了对云降水物理和人工影响天气的研究力度,并获得了显著成效。基于此,从云降水物理研究和人工影响天气工作现状入手展开了详细分析,讨论了人工影响天气工作的现状,并提出了提高人工影响天气工作质量的有效策略。

层状云降水微物理特征及降水机制研究概述

层状云是中国北方大部分地区降水的主要云系,采用综合观测资料的分析研究并结合最新的数值模式对层状云特征和降水机制进行深入研究很有必要,也是含后工作的方向。描述了层状云的种类、特点,通过分析机载PMS(粒子测量系统)资料和地面雨滴谱资料介绍了国内外在层状云云滴谱、冰晶谱、雪质粒谱、雨滴谱、云中质粒总谱等微物理特征方面的研究方法及成果,还介绍了国内外在层状云降水机制方面的研究方法及成果,包括层状云降水数值模拟以及暖云降水机制和冷云降水机制研究。

基于星载测雨雷达探测的亚洲对流和层云降水季尺度特征分析

利用热带测雨卫星搭载的测雨雷达10年探测结果,就季尺度亚洲对流降水和层云降水的降水频次和强度及降水垂直结构的特点进行了研究。结果表明春、秋、冬三季东亚季平均降水环西太平洋副热带高压呈带状分布,雨强一般不超过10mm/d;夏季,沿孟加拉湾、中国西南、中国东部至日本的大片雨区中出现了大于12mm/d强降水;亚洲陆面对流和层云降水强度均弱于洋面。亚洲山地强迫不但可引起迎风坡上千公里长度的高降水频次和强降水带,而且导致其下风方向降水频次减少。季尺度降水频次分析表明,亚洲大部分地区对流降水频次小于3%;而层云降水频次一般大于3%,最高可超过10%;副热带高压南侧及西南侧的热带地区对流和层云降水频次均高于副热带高压北侧及西北侧的中纬度地区;降水频次的区域分布还表明,春季中南半岛至中国华南及南海南部对流活动多于同期的印度次大陆。季平均对流和层云降水廓线的季节变化主要表现为"雨顶"高度的季节变化,即降水云的厚度变化;两类降水平均廓线季节变化的区域性差异表明,热带外地区较热带地区显著、陆面较同纬度洋面显著、孟加拉湾比南海显著,而南海和西太平洋暖池无明显的季节变化。此外,降水结构的剖面分析还表明对流降水存在4层结构、层云降水存在3层结构。

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。

山东一次暴雨过程的云降水微物理特征分析

以2013年7月29日发生在山东的一次暴雨过程为例,利用高空间分辨率的MODIS极轨卫星资料以及布设在章丘的THIES激光雨滴谱仪连续采样获取的降水粒子谱资料,并采用Rosenfeld等提出的云微物理分析方法,对云和降水的微物理特征进行了分析。结果发现,这个暴雨云团由多种不同高度的云系组成,其中对流云团在-10℃以上存在深厚的混合相增长带和冰化增长带,冰化增长起始温度基本都在-20℃左右。系统性层云中存在凝结增长、碰并增长和混合相增长过程,但无冰化增长过程。此降水过程多次出现强度>100 mm·h^(-1)的高雨强值,最大雨滴数浓度达10~4量级,并存在接近8 mm的特大滴,降水强度与雨滴数浓度和谱宽的关系极为密切;直径>2 mm的雨滴数浓度不足1%,但对降水的贡献却占绝大多数。从雨滴谱谱型分布来看,多峰型结构所占比例最大,单峰型次之,指数型分布出现频率最少。

云降水物理与人工影响天气研究进展(2008～2012年)

本文回顾和总结了近5年(2008～2012年)云降水物理与人工影响天气主要研究进展,并讨论了目前存在的主要问题和亟待解决的关键科学问题。内容涉及可分辨云数值模式及模拟研究、云降水的观测与遥感反演研究、气溶胶对云降水的影响及人工影响天气相关的数值模式、观测试验研究等。提高对云降水形成过程、时空结构与演变机理的深入认识,对揭示大气水循环、气候变化过程,提高天气精细化预报、大气云水资源开发利用及气象防灾减灾的能力,具有十分重要的作用。

HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云的模拟(I)云降水显式方案

将三套显式云降水方案移植、耦合到国家气象中心业务有限区数值预报模式HLAFS中 ,显式云降水方案包括双参数暖云方案、简化混合相云方案和双参数混合相云方案 ,明显地改进了原模式预报系统的湿物理过程 ,特别是对云降水过程的模拟能力。详细介绍了这三套云降水方案的物理过程 。

秦岭地区气溶胶对地形云降水的抑制作用

以华山站为影响站,周围的西安、渭南和华阴作为对比站,通过影响站与对比站降水之比——地形强化因子（Ro）的变化趋势以及Ro与能见度关系的分析,定量研究了秦岭地区气溶胶对地形云降水的抑制作用。Ro的演变分析表明：有观测以来Ro逐年递减,减幅为14%～20%,即影响站与对比站相比降水量减少了14%～20%;Ro的减少趋势与能见度递减、气溶胶递增相吻合,说明气溶胶的增加抑制了地形云降水。Ro的递减主要是减少了中小雨（日雨量小于30 mm）的天数,这种影响对浅薄的生命期较短的地形云降水作用更明显,对于华山站,30 mm以下的降水都会受到入云气溶胶的抑制作用,而西安站为5 mm以下,入云气溶胶浓度越高,就有越厚的降水云受气溶胶影响而抑制降水;在以动力强迫抬升为主的春秋季,气溶胶抑制华山地形云降水20%左右,最大可达25%;在热对流条件下,气溶胶对地形云和对平原地区云的抑制作用基本相当。不同风速风向下Ro的变化趋势表明,Ro递减随风速增大而加快,迎风向（240°～30°）大风（≥5 m/s）时减少降水超过30%。由Ro与能见度关系的定量分析发现,当能见度在14 km时Ro为1.8左右,随着能见度的降低Ro逐渐减小,当能见度小于8 km时,R0约为1.2,减小了30%左右;华山对于华阴的Ro与能见度呈线性关系,相关系数达0.81。最后,根据研究结果归纳出气溶胶抑制秦岭地区地形云降水的初步物理模型。

气溶胶对北京地区不同类型云降水影响的数值模拟

利用耦合Milbrandt双参数显式云方案的WRF模式,在大陆型和海洋型气溶胶浓度背景下,对北京地区暴雨、中雨和微量降水等3次云降水过程进行了数值模拟研究。结果表明,气溶胶的增加对北京地区云降水有多方面的影响:(1)影响地面降水量。随着气溶胶浓度的增加,北京地区的暴雨、中雨和微量降水平均累计降水量分别减少了23.8%,16.6%和14%;(2)影响地面降水分布。在暴雨过程中,随着气溶胶浓度的增加,北京大部分地区的降水量减少了20mm以上。在中雨降水过程中,随着气溶胶浓度增加,降水量增加的面积较大而总降水量减少。在微量降水过程中,随着气溶胶浓度的增加,北京西部的降水量有所增加,东部则减少。气溶胶浓度的增加延迟了暴雨系统中对流云团降水的发生;(3)影响地面雨强。随着气溶胶浓度的增加,暴雨雨强峰值宽度变窄,雨强峰值高度降低,高气溶胶浓度延长了暴雨降水时间。气溶胶浓度的增加导致了中雨降水过程提早结束;(4)影响空中水凝物。气溶胶浓度的增加导致了暴雨和中雨降水过程中云水含量的增加和雨水含量的减少。

河南春季一次层状云降水云物理结构分析

河南2000年4月14日的降水由冷锋和西南涡产生,降水云系分布不均匀,云图上云区间有带状云隙,雷达回波图上出现两条带状回波,云带内部分布也不均匀,垂直方向上降水云系有分层现象。分析了降水云系的微物理特征,根据可播度的PMS指标确定了航线上过冷水丰富的区域,结合卫星、雷达资料讨论了过冷水丰富区域的分布特征,还讨论了降水云系内部存在的对流不稳定。