河北省一次层状云冰相粒子及融化层微物理特性研究

层状云中冰粒子、融化层及以下粒子微物理特性演变规律的科学认识对于中国云降水参数化、降水预报及人工影响天气研究具有重要意义。利用2019年8月24日河北省一次层状云飞机观测资料,分析云中负温层、融化层及以下粒子群微物理特性的演变。研究表明,云中负温层冰相粒子以聚合体为主,部分区域存在霰粒子。云中冰相粒子通过凇附、碰连和贝吉龙过程增长。相对来说,上升气流较强及相对湿度较高云区的冰相粒子数浓度较高、粒子谱较宽。融化层中,中等大小粒子数浓度存在增大趋势,说明融化层中不同粒径冰相粒子的融化速率存在差异。研究发现,高相对湿度区(RH≥95%)粒子融化速率较低相对湿度区(RH<95%)快,低相对湿度区中表面融化的粒子蒸发吸收潜热,使环境温度降低,减缓粒子融化速率。融化层高相对湿度区降水粒子谱分布的截距大于低相对湿度区,斜率与低相对湿度区接近。融化层降水粒子负指数谱分布的截距与斜率均大于负温层,0℃层高度以下HVPS探测到的粒子谱分布参数N_(0)与λ呈正相关,线性函数能较好地拟合二者的关系。对于D_(max)大于1000μm的降水粒子,谱参数λ与D_(max)呈负相关,幂函数能较好地拟合二者的关系。数值研究发现,0℃层之下云内存在混合相态粒子,观测和模拟结果均发现0℃层之下中等大小的粒子数浓度更高。分档方案数值模拟得到的降水粒子平均谱的截距与观测资料一致,但斜率大于观测结果。研究结合飞机观测资料与模式,对云内融化层中粒子微物理特性有了更加深入的认识。

基于S波段双偏振雷达融化层识别算法的研究

基于融化层识别算法(melting layer detection algorithm,MLDA)原理,利用2020年7—8月济南、青岛两部S波段双偏振多普勒雷达体扫数据,进行融化层高度信息识别试验,根据试验结果在MLDA算法中引入径向连续性检验、增加扫描仰角范围与调整判别融化层出现的距离库总数阈值的改进措施,与改进前的MLDA算法进行了对比分析,得到以下结论:MLDA对融化层顶高度有一定识别效果,识别的融化层顶高度的平均绝对误差较大,融化层底高度过低;加入径向连续性检验(简称MLDA-R1)后,识别的融化层顶高度的平均绝对误差明显减小,融化层底对应温度与融化层厚度分布在合理区间,但是遗漏识别的试验数明显增加;在MLDA-R1基础上,扫描区域增加了3.3°仰角(简称MLDA-R2)并调整了判别融化层出现的距离库总数阈值(简称MLDA-R3),融化层遗漏识别的试验数明显减少,同时提高了对融化层高度信息的识别效果;一些降水回波与非降水回波混合的区域会被错误识别为融化层区域,影响MLDA算法对融化层的识别效果,仍需进一步改进。总体来看,改进后的MLDA更适用于我国S波段双偏多普勒振雷达,对雷达水凝物相态分类与定量降水估测等气象现代化业务有一定支撑作用。

毫米波雷达资料融化层亮带特征的分析及识别

云的融化层亮带位置、厚度及其回波强度的垂直结构变化信息对于云和降水物理研究、人工影响天气指挥和效果评估,数值模拟云参数化均有非常重要的意义。为了了解云层融化层高度的精确位置,根据云雷达在广东、河北、吉林等不同云过程总计456个例分析(其中确认融化层明显个例34次),系统分析云雷达探测到融化层亮带宏观参量的统计情况,包括融化层厚度、反射率因子在融化层强度变化、退偏振因子在融化层的强度变化,并提出了一种结合垂直探测的云雷达探测到的雷达反射率因子(R)和退偏振因子(Ldr)垂直廓线数据,根据参量在融化层附近显著变化特性,识别零度层亮带高度和厚度的算法。同时选取个例对应观测时刻探空资料观测的0°层高度进行对比,反演的融化层高度等参数同实际情况比较接近,位于探空资料观测的0°层下方,而且退偏振因子对融化层的敏感程度大于反射率因子。

毫米波测云雷达融化层自动识别技术

为了充分利用雷达数据中的融化层信息,通过分析融化层在反射率因子和线性退极化比(LDR)参量中的特性,结合国内某型毫米波测云雷达的特点,提出了一种融化层边界自动识别的技术。利用2010年5—10月国内某型毫米波测云雷达在杭州的探测资料及相应的探空资料,对识别结果以及算法中参数的敏感性进行了对比和分析。对比结果表明,该方法能有效识别亮带的存在,得到的融化层上边界平均高度与实测零度层高度的误差小于100 m。参数的敏感性分析表明,融化层在反射率和LDR中的特性存在差异,其厚度在600～1500 m。毫米波测云雷达距离分辨率高、LDR对融化层敏感以及使用反射率和LDR双重约束是识别出的融化层边界误差较小的原因。

人类工程活动对青藏高原北部多年冻土融化层及其环境的影响

人类工程活动对多年冻土环境的影响是评价人类工程活动对冻土生态系统影响的重要组成部分.以修建青藏公路时的工程干扰带与非干扰带为对比,研究了人类工程活动对多年冻土环境及其融化层的影响.结果表明,干扰带的融化层厚度比非干扰带要小,在非工程干扰带内,融化层厚度随海拔高度的升高,总体上呈下降趋势;而在工程干扰带内,融化层厚度随海拔高度的变化无规律可循.植被类型对冻土融化层厚度的影响表现为:草原>灌丛>草甸.干扰带和非干扰带的土壤含水量垂直分布格局主要受海拔高度的影响,在海拔接近时,受植被状况的影响.人类工程活动对地温的影响表现为干扰带温度低于非干扰带温度.

关于冰雹的融化层高度

冰雹尤其是强冰雹预报的重要参数之一是冰雹融化层到地面的高度。长期以来国外英文文献上一直都将湿球温度0℃层(Wet Blub Zero,WBZ)作为冰雹融化层的近似高度,但这一事实一直没有引起国内预报人员和部分研究人员(包括作者在内)的足够注意。以至于一直到现在,国内绝大多数预报人员仍然将干球温度0℃层(Dry Blub Zero,DBZ)作为冰雹融化层的近似高度,这是一个错误。在WBZ和DBZ之间和上下一定范围内存在明显干空气(即温度露点差较大)时,二者高度会有明显的差距。本文主要阐明冰雹融化层的高度应该采用湿球温度0℃层(WBZ)高度而不是干球温度0℃层(DBZ)高度,说明了当对流层尤其对流层中层存在明显干层时,由于蒸发冷却引起的水膜再冻结会有利于大冰雹落地,而此时的冰雹融化层也就是湿球温度0℃层(WBZ)的高度明显低于干球温度0℃层(DBZ)的高度。文中给出了如何根据探空资料的T-logp图确定湿球温度垂直廓线进而确定湿球温度0℃层(WBZ)高度的方法。最后给出两个对比鲜明的例子,进一步说明对流层中层明显干层存在与否对冰雹融化层高度的影响,以及冰雹融化层高度的高低是决定冰雹大小甚至降雹与否的主要因子之一。

降雨融化层对电波散射与衰减特性的研究

提出了更为切合实际的融化粒子的涂水雪球模型 .应用涂层球的计算方法计算了不同大小和不同融化状态下的融化粒子的散射特性及反照率 ,结果表明频率在 6及 10GHz时 ,粒子的反照率较雨滴和冰球的大 .计算了不同降雨率 ,不同融化度状态下融化层的单位距离衰减及整个融化层的衰减和散射损耗 ,结果表明 ,用涂水雪球模型计算的融化层的衰减稍大于用Mie理论计算的等效雨区的衰减 ;在频率较低时 ,融化层的散射损耗大于等效雨区的散射损耗 ,随着频率的升高 ,散射损耗的相对差值变小 .这与雷达观测和文献中结果均相符 ,说明了这种融化粒子模型是正确可行的 ,较雨滴或冰球模型更切合实际 .

基于毫米波云雷达的融化层亮带识别算法研究

为研究毫米波(Ka波段)云雷达对融化层亮带的探测能力,文章利用天顶垂直指向云雷达径向速度的梯度特征,结合反射率因子阈值,确定融化层亮带的高度范围,实现对亮带顶部、底部、最大回波强度以及径向速度梯度最大值所在高度的自动提取。结果表明,利用径向速度的梯度特征,可有效对降水过程中的融化层进行识别,算法不易受云内对流活动影响;在融化层内部,反射率因子与径向速度在垂直方向上的突变范围一致;通过与对应观测时刻探空资料的零度层高度进行对比,表明反演的融化层高度与实际情况接近。

华北太行山东麓一次稳定性积层混合云飞机观测研究：对流云/对流泡和融化层结构特征

对云中微物理过程的研究是研究云降水形成过程和人工影响降水的重要基础,目前对积层混合云的对流区/对流泡中的微物理结构了解甚少。本文利用河北省"十三五"气象重点工程--云水资源开发利用工程的示范项目(2017~2019年)"太行山东麓人工增雨防雹作业技术试验"飞机和地面雷达观测数据,重点分析研究了2017年5月22日一次典型稳定性积层混合云对流泡和融化层的结构特征。研究结果表明,此次积层混合云高层存在高浓度大冰粒子,冰粒子下落过程中的增长在不同区域存在明显差异,在含有高过冷水含量的对流泡中,冰粒子增长主要是聚并和凇附增长,而在过冷水含量较低的云区以聚并增长为主。由于聚并增长形成的大冰粒子密度低,下落速度小,穿过0℃层时间更长,出现大量半融化的冰粒子,使融化现象更为明显。镶嵌在层状云中的对流泡一般处于0℃^-10℃(高度4~6 km)层之间,垂直和水平尺度约2 km,最大上升气流速度可达5 m s^-1。对流泡内平均液态水含量是周围云区的2倍左右,小云粒子平均浓度比周围云区高一个量级,大粒子(直径800μm以上)的浓度也更高。在具有较高过冷水含量的对流泡中降水形成符合"播撒-供给"机制,但在过冷水含量较低的区域并不符合这一机制。

偏振雷达参量对融化层回波的探测敏感性分析

融化层特征的研究及其微物理性质的识别在云物理降水研究、人工影响天气、航空飞行以及积云参数化方案修订等都有重要意义。利用南京信息工程大学C波段双偏振雷达(简称为NUIST C-Pol雷达)的回波强度Z,差分反射率因子ZDR、差分传播相位常数KDP、正交相关系数ρHV,研究融化层回波(即零度层亮带,简称亮带)敏感性及其对应水凝物微物理特征。根据NUIST C-Pol雷达2014年实测数据,分析亮带的偏振参数探测特性时发现相关系数最敏感,它比其他参量更早出现亮带特征;其次是差分反射率因子、差分传播相位常数,最后才在回波强度上看到明显的亮带。进一步地,探讨了亮带中相关系数的探测敏感性及其数值减小的机理。研究结果对于用双偏振雷达参数研究云降水物理特性具有理论和应用价值。

稳定性降水融化层在风廓线雷达资料中的特征

针对风廓线雷达探测降水的需要,通过理论分析和个例验证,从垂直速度、信噪比和谱宽3方面初步总结了稳定性降水融化层在风廓线雷达资料中的特征。结果表明:垂直速度从融化层上方向下递增,融化层内变化最快,在融化层下方达到最大;信噪比和谱宽在融化层内分别形成一个"亮带",谱宽"亮带"的高度略高于垂直速度最大值的高度,略低于信噪比"亮带"的高度。

古莲河露天煤矿季节融化层及其剥离

古莲河矿区霍拉河盆地饱冰季节融化层融化成浆状，影响露天煤矿的春季剥离。采取超前火烧植被和超前剥离植被层措施，使饱冰冻土类型成为少冰冻土类型。利用分条带的剥离方法，可实现季节融化层的超前剥离。

降雨融化层后向散射的蒙特卡罗仿真

云层上端冰雪粒子的融化形成了降雨融化层,随着粒子的下落融化过程开始,因此融化层的微观特性在垂直方向上是连续变化的.建立了降雨融化层的仿真模型,应用更为切合实际的三层球形粒子代替了融化层中的粒子.根据降雨过程中雨滴的尺寸分布推导了融化层中融化粒子的尺寸分布.根据Mie理论,计算了降雨率小于12.5mm/h时,降雨融化层对5,10,35,94GHz电磁波的雷达反射率和特征衰减因子的垂直廓线.计算结果表明,当电磁波频率高于20GHz时,将无法观测到“雷达亮带”,这与实验结果相符.根据辐射传输理论,应用蒙特卡罗方法计算了垂直方向微观特性连续变化的降雨融化层对不同频率电磁波的反射率,比较了两种不同尺寸分布(Gamma分布和Marshall-Palmer分布)融化层反射率的差别,这为利用高频电磁波对降雨融化层进行遥感提供了理论和数值依据.

贵州省不同强度区域性凝冻过程环流形势对比分析

利用贵州省84个气象站逐日观测资料以及再分析资料,对4种不同强度区域性凝冻过程进行对比分析。结果表明:500 hPa位势高度场上中高纬度的亚洲东部区域距平场呈现“+-”的分布或有切断低压分布,贝加尔湖至中国华北地区以经向环流为主;850 hPa风场上云南南部以南受偏南风和西南风控制,并且在江南至华南存在西南或西风急流,是4种不同强度凝冻过程中形势场共性特征。500 hPa高度场上中高纬度地区呈两槽一脊或一槽一脊分布;风场上850 hPa东北风回流和700 hPa西南急流形成上暖下冷的形势场,同时850 hPa形成稳定低层切变线;温度场上存在冷暖冷的夹心结构,近地面层0℃线维持在900 hPa以下,均是较强等级以上的区域性凝冻过程中形势场共性特征。而对于一般性区域性凝冻过程,500 hPa位势高度场上呈多槽脊分布,风场上是否存在东北风回流和低层切变线,温度场上是否存在冷暖冷的夹心结构以及近地面层0℃线位置等特征均不统一。温度剖面图上,当近地面层0℃线位置最低时或出现冷暖冷的夹心结构时段与凝冻过程影响范围最广、灾情最重的时间段对应。

吉林省一次层状云降水宏微观特征的观测研究

利用长春2004年7月5日一次降水过程的飞机观测资料,结合天气图、卫星云图及雷达回波等资料,综合分析了本次热带气旋影响下降水过程中云系的宏微观特征。研究表明,降水性层状云微观垂直结构配置可以分为4个发展层:云顶附近是核化和凝华增长区;-4^-7℃为云滴和冰粒子活跃增长层;0^-4℃为固态粒子聚合及云滴蒸发层;0℃层以下是雨滴碰并增长和云滴凝结增长区。2D-P观测的粒子的平均直径、最大直径、峰值直径的峰值集中在融化层附近,与融化层回波亮带对应。用同一种形式的密度分布函数N(r)=mrfexp(-ar+br2-cr3)来拟合暖层小云滴、大云滴和雨滴的谱分布,拟合结果与观测的谱分布吻合较好,拟合出的平均直径、均方根直径、数浓度以及含水量与观测值也较接近,相对误差小。

C-FMCW雷达对江淮降水云零度层亮带探测研究

不同于体扫雷达探测降水系统,垂直指向雷达可探测降水云中粒子垂直演变的微物理过程。C波段调频连续波垂直指向雷达（C-FMCW）采用收发分置天线,数据垂直分辨率达15~30 m,时间分辨率达2~3 s,利用其2013年6—8月在安徽定远探测数据对降水云垂直结构特征及亮带中融化微物理过程进行研究。6次降水过程共计46 h中的39.1%数据具有清晰的亮带结构特征,期间降水占地面总降水量的15%;江淮雨季层状云、对流云和混合性降水系统中均出现零度层亮带,层状云中亮带长时间维持,对流降水系统移出后减弱阶段的亮带结构稳定,混合降水系统中的对流扰动加强冲破了亮带结构。以融化层中最大回波强度Z_p所在高度进行融化层的粒子碰并增长和破碎减弱分层分析,上半层融化过程主要表现为碰并增长,下半层则是粒子破碎减弱。剔除了介电常数、下降速度引起的粒子浓度改变影响后,层状云和对流降水后期的回波强度加强表明融化增长程度接近,后者略强,混合降水云的融化增长最强。

基于SimRAD平台的零度层亮带特征模拟试验

在作者先前开发的SimRAD软件平台上添加了融化层中融化粒子散射特性的计算,从而在给定雷达发射频率,大气状态参数(高度、气压、气温、相对湿度)以及水成物相态、滴谱分布、含水量等信息的条件下,定量模拟出含有融化层的层状云的雷达反射率因子。模拟结果与大量雷达观测资料得出的层状云零度层亮带的回波特征相符合。并在此模拟的基础之上进行了零度层亮带对粒子融化速度和粒子群谱分布的敏感性试验,发现零度层亮带的雷达反射率因子廓线对二者均有一定的敏感性。

用地震折射法探测沥青路面的季节融化深度及其变化

试验结果表明,用经过数字化改造后的地震仪测出的路心融化深度,与钻孔测温确定的融化深度相比,其解释误差小于7％。路基和涵洞横剖面的探测结果能反映出融化层变化的主要趋势。不同路堤高度的路基形成的融化横剖面均呈下凹形,而涵洞下形成的融化横剖面则是涵洞中心的融化深度小于两端洞口处的融化深度。因此,地震折射法将为多年冻土地区路基的修筑和稳定性研究提供一种简捷、可靠的探测手段。

湖北省湿球温度0℃层高度的特征分析

利用2005年1月1日—2021年12月31日间安康、恩施和武汉站探空资料及同期湖北省的地面观测和灾情数据,分析和讨论了湖北省不同地区湿球0℃(Wet blub zero,WBZ)高度和干球0℃(Dry blub zero,DBZ)与湿球0℃高度差的季节变化特征,得到以下主要结论,DBZ和WBZ高度差随季节的变幅则远小于WBZ高度,且表现为鄂东秋季最大,鄂西北夏季最大,鄂西南夏季最大。各季节WBZ高度发生频率表现为春季和秋季WBZ高度出现概率最大的高度均为2500~3500 m;夏季WBZ高度明显高于其他季节,冬季最低。各季节DBZ和WBZ高度差的发生概率来看:随高度的升高,概率呈下降趋势,春、秋和冬季DBZ和WBZ高度差最大概率高度均在500 m以下。湖北省不同地区主要冰雹天气过程的合成分析表明,当有冰雹发生时WBZ变幅最大的为鄂西南地区,最小的为鄂西北地区,冰雹发生时平均的WBZ高度最高为鄂西南地区,DBZ和WBZ高度差从大到小依次为鄂西北、鄂东和鄂西南。

2020年11月吉林省罕见冻雨天气成因分析

利用常规地面观测资料、探空秒数据、微波辐射计资料、ERA5再分析资料等,对2020年11月17—20日吉林省冻雨天气成因进行分析。结果表明:此次冻雨天气过程受高空槽东移加深、蒙古高压向南入侵和地面气旋北上共同影响。低空急流为吉林省输送了充沛的水汽,比湿为3~7 g·kg^(-1)。同时,受850 hPa暖脊影响,0℃等温线长时间停留在吉林中部并缓慢移动,导致冷暖气团持续作用,在对流层中低层形成稳定的逆温层,为长春市、吉林市等地冻雨天气的发生提供了有利温度层结条件。通过分析长春站和吉林站冻雨发生时的温度、湿度层结可知,冻雨发生于自下而上的冷—暖—冷温度层结中,冷垫高度高于950 hPa,厚度为0.7~1.0 km,1000 hPa温度为-3~0℃,850 hPa温度为1~3℃,暖层厚度为950~750 hPa,约1.5 km,中心最高温度大于3℃。同时,中高空(800~350 hPa)固态水含量需高于0.2 g·kg^(-1),中低空(900~700 hPa)液态水含量需大于0.2 g·kg^(-1),上升气流越强,含水量越高,降水越大。通过观测10 m风速骤降为0 m·s^(-1)或缺测,可大致推算冻雨发生时间,以订正或补充人工观测结果。