积层混合云结构特征及降水机理的个例模拟研究

积层混合云是我国一种重要的降水系统,其降水既有对流云又有层状云特征。基于积层混合云的重要性,本文利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),结合三维粒子运行增长模式对2012年5月29日北京地区的一次积层混合云降过程进行了模拟研究。模拟的降水与雷达回波与实测结果基本一致。在此基础上,重点分析了混合云系中积状云与层状云各自的微物理结构特征与降水的发生机理等。结果表明:降水过程云内存在着明显的"播种—供给"机制,层状云中"播种—供给"机制相对简单。而对流云区中由于降水粒子可以发生上下多次的循环增长,"播种—供给"机制可在云的上下层间双向进行,云中粒子群可以增长得更大。在积层混合云中,在低层,层状云中已有的水凝物粒子进入内嵌的积云块中,而在高层水成物粒子又从积云中落到层云中,积层混合云系充分发挥了积云和层云各自的优势,从而降水效率较高。

北京层状云人工增雨数值模拟试验和机理研究

在中尺度WRF模式的Morrison双参数方案中引入了AgI粒子与云相互作用的过程,在WRF模式中实现了催化功能。利用加入了催化方案的中尺度模式对2008年3月20～21日环北京地区一次层状云系降水过程进行模拟和催化试验。模拟自然降水与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度和时刻进行试验对降水的影响。结果表明:以20g的碘化银进行催化作业,在催化后的前30min之内,地面雨量轻微减小,最大累积减雨量为2010t,30min后,净增雨量迅速增加,最大累积增雨量达到了3.4×105t。催化开始阶段的减雨主要是由于播撒AgI后,云水减少而雪晶增多,导致雨滴碰并云滴,云滴向雨滴自动转化过程的减少以及雪晶碰并雨滴过程的增多,然而空中增多的雪晶尚未下落到暖区融化成雨滴。而第二阶段的增雨则是空中增多的雪晶逐渐下落到暖区,雪晶融化成雨滴过程增多。AgI的播撒率对降水量有明显影响,过量催化会使雪晶平均质量减少,下落速度锐减,从而雪融化成雨水减少,导致雨量减弱,不同催化高度和催化时间的催化结果表明在过冷水含量比较丰富而冰雪晶含量偏少的区域进行催化,增雨效果显著。

垂直探测雷达的降水云分类方法在北京地区的应用

风廓线雷达采用相干累积技术提高雷达探测灵敏度,用于对降水云体进行垂直探测,能获取高分辨率的云体返回信号的全谱信息。利用多年降水天气统计资料,针对北京延庆地区降水特征,提出了基于风廓线雷达谱参数(回波强度、速度和谱宽)的降水云分类方案。该方案将降水资料分为浅对流、浅层状云、深对流、深层状云、混合—排除和混合—包含等六种降水类型。根据该方案,利用风廓线雷达结合双偏振雷达和自动雨量站观测资料,对2012年9月1日和2013年6月27日发生在延庆地区的两次降水天气过程进行了分析。结果表明,风廓线雷达谱参数垂直廓线可以较好的描述降水云体的垂直结构,回波强度廓线发展趋势与地面降水量趋势吻合较好。当降水存在对流时,地面降水量出现明显增大,同时伴随着大速度值区和高空大谱宽值区。利用基于风廓线雷达的分类方案识别降水云,可以降低降水类型误判的几率。

一次副热带高压后部层状云降水中山区层状云宏微物理结构探测分析

利用2010年8月18日副热带高压后部层状云降水中山区层状云的飞机穿云观测资料,结合雷达、卫星云图及天气图等资料,详细分析了此次高后降水中山区层状云的宏观特征、微物理结构,并对降水形成机制进行初步探讨。结果表明:此个例由两层云构成,上层为冷云,下层主要为暖云;冷层粒子图像显示主要以板状为主,平板柱状、柱状和霰粒为辅,冰粒子的聚合体在整个冷层都有出现;降水形成机制为播种—喂养机制,冷云中观测到丛集和淞附现象,其中淞附现象主要发生在冷云的中下部靠近融化层附近。

广西南宁冬季层状暖云微物理特征的飞机观测分析

利用运十二飞机在2012年冬季广西南宁地区开展的12架次层状暖云微物理探测资料进行分析,统计和观测结果表明,层状暖云垂直方向分层显著。存在逆温是典型宏观特征,降水云基本都为多层逆温,逆温位置主要出现在云顶附近。云滴平均浓度为652±607个/cm3;无降水云比降水云云滴平均浓度略大,分别为678±348个/cm3和615±363个/cm3。平均液水含量为1.03±0.73 g/m3,其中降水云远大于无降水云,分别为1.3±0.9 g/m3和0.88±0.6 g/m3。平均有效直径为18.2±5.6μm,降水云略大于无降水云,分别为19.4±5.0μm和17.3±6.0μm。垂直分布上,云滴数浓度在接近地面的下层云中最大,峰值区主要出现在云底,且随高度一般呈现递减趋势。云滴谱分布显示在6.5μm出现次峰值。降水云中大云滴主要出现在接近地面的下层云中,而无降水云中几乎没有观测到大云滴。

一次基于风廓线雷达观测的北京夏季降水的垂直观测研究

本文利用风廓线雷达数据反演了降水云体的大气垂直速度、雨滴下落末速度等云动力特征和云水混合比、雨水混合比等云微物理参数,并结合天气雷达、探空、自动站、雨滴谱仪和微波辐射计等数据对2020年5月7~8日发生在北京市海淀区的一次夏季降水过程进行垂直综合观测。结果表明:垂直探测仪器观测及其反演的数据可以获得降水云体的详细动力参数和微物理特征。站点位于主体降水回波边缘,降水为层状云类型,整体回波较弱(主要在0~20 dBZ),4 km高度的水平风垂直切变贯穿整个降水过程,降水分为两个阶段:前期7日20时(北京时,下同)至8日02时低层存在浅对流结构,云顶较高(平均高度8207 m),低层水平风切变促进了对流发展,10~20 dBZ的回波比重较大,粒子谱较窄,直径<1 mm,雨强较弱,但粒子数浓度值大,最大值26305 m;,2~3 km处存在暖平流,水汽和液水值大,雨水混合比0.02~0.15 g/kg,云水混合比0.5~2 g/kg,且强值区域大,雨滴下落末速度3.2~4.2 m/s,大气垂直速度在±0.6 m/s之间,上升气流和下沉气流变换明显;后期8日02~10时转为典型层状云降水,云顶较低(平均高度7831 m),<10 dBZ的回波比重较大,3100 m处形成亮带的强值中心,粒子谱展宽,最大直径接近1.5 mm,粒子数浓度值减小,最大值<3000 m;,雨水和云水值比对流期小了一个量级,且强值范围变窄,雨滴下落末速度减小为2.8~3.6 m/s,大气垂直速度也比对流时期小了一个量级,并且在亮带高度以下(2.5~2.8 km)范围内出现明显横向带状的上升和下沉气流区。

北京北部山区两次降雪过程微物理形成机制的观测-模拟研究

降雪是北京冬季的重要降水天气过程,但目前对实例降雪形成的微物理机制的观测-模拟研究较少。本文利用中尺度WRF模式结合外场观测资料,对北京2015年1月24日和11月5~6日两次不同天气条件下的山区降雪云系的微物理结构特征及降雪形成的微物理转化机制进行了分析研究,定量比较了云中水凝物含量的比例和降雪形成机制的差异。研究结果表明:(1)由于两次降雪过程的天气形势和水汽输送有较大差异,导致降雪形成的微物理转化机制也出现较大差异。11月5日降雪第一阶段水汽输送较强,云中过冷水含量较高,降雪形成以凝华增长和凇附增长为主,地面表现为雨夹雪天气,而1月24日和11月5~6日第二阶段水汽输送弱,降雪形成以凝华增长和聚并增长为主,地面表现为纯降雪天气;(2)11月5日的雨夹雪天气过程中,云中不仅有冰晶(9%)、雪晶(72%),还有云水(6%)和雨水(12%)的存在,高层生成的雪胚在下落过程中主要通过凝华(78%)和凇附(20%)过程增长。而1月24日与11月5~6日第二阶段的纯降雪过程中,云中水凝物分布相似,以冰晶和雪晶为主,1月24日冰晶含量占28%,雪晶含量占72%;11月5~6日冰晶含量占11%,雪晶含量占88%,冰粒子主要分布在高层。首先高层6~12 km通过云冰转换生成的雪胚下落到低层水汽充足区,然后通过凝华和聚并过程增长,1月24日凝华增长过程占92%,聚并增长过程仅占5%;11月5~6日凝华占88%,聚并仅占3%。(3)垂直上升气流速度与冰晶、雪晶生成和增长过程呈正相关,上升气流带来充足的水汽,配合垂直运动使得雪胚增加,凝华、凇附凇附和聚并过程增强,导致雪晶含量增加。

吉林省一次降水性层状云消散期的微观结构特征

利用2012年6月29日的通辽和白城飞机联合探测资料(包括DMT和PMS)及雷达资料,对吉林省一次层状云降水消散期微观物理结构特征进行分析研究。结果表明:该天气过程是在东北锋面气旋影响下发展起来的,给东北地区带来大范围降水,属于吉林地区春季常见的降水性层状云系As-Ac-Ns云型。Ns云底约在1000m左右,云顶不超过4000m,Ns云层较厚,在该云系发展过程中雨层云下伴有碎雨云。结合DMT和PMS,小粒子在每个高度层上都占主要部分,0.61~2μm的小粒子浓度可达100cm-3,直径大于2μm的粒子谱型基本都是单调递减型;云内含水量较少,极大值也不足0.01g·m-3;粒子有效直径随高度变化呈多峰分布,粒子有效直径与粒子浓度在0℃层以下范围内,大的粒子有效直径对应小的粒子浓度,随着高度的升高粒子有效直径呈递减趋势。

北京冬季降水粒子谱及其下落速度的分布特征

为了深入探讨北京冬季云降水的微物理特征,提高雷达反演冬季固态降水的精度和冬季降水的预报水平,利用PARSIVEL(Particle Size and Velocity)降水粒子谱仪所观测的冬季降水粒子谱,结合地面显微镜粒子图像和云雷达数据,对比分析了北京海坨山地区冬季过冷雨滴、霰粒、雪花、混合态降水的粒子谱和下落速度特征,得到主要结论如下:(1)霰粒降水过程的云顶最高,整层的含水量最大,低层的退偏振比(LDR)最小,粒子更接近于球形;降雪过程的云顶最低,云中含水量最少,低层的退偏振比较大;混合态降水过程的雷达回波强度和高度特征介于两者之间,但低层的退偏振比最大;(2)在云中上升或下沉气流及湍流的影响下,过冷雨滴、霰粒和雪的下落速度均对称分布于各自理论下落末速度曲线的两侧。因此可根据粒子浓度相对于其直径和速度分布的中轴线位置,判断出该段降水过程中的主要粒子形态;(3)冬季雪花、霰粒和混合态降水粒子下落速度分布的散度较雨滴更大,其原因是由于冷云降水过程的粒子形态复杂,且固态粒子下落过程中更容易受破碎、聚并和凇附等微物理过程影响;(4)在4种降水类型中,雪的平均直径和离散度最大,雨滴最小;混合态降水粒子的总数浓度最大,雨滴的总数浓度最低,并且4种降水类型的粒子数浓度、平均直径和离散度均随降水强度的增大而增大。

基于BJ-RUC系统的人影冷云催化潜力识别模式平台设计

提前准确识别冷云催化潜力,有助于提升人工影响天气作业的科学水平,是实现气象现代化的重要保障。北京市人工影响天气办公室基于BJ—RUC系统,设计研发了北京人影冷云催化潜力识别模式平台(BJ—CCSPR平台)。该平台通过后台支撑系统和前台分析系统的有机结合,具有自动处理数据监测、模式计算、人影业务产品制作与显示等功能,并能实现人机交互操作。冷云综合催化潜力指标基于BJ—RUC系统输出的三维云宏微观物理量条件、热力和动力条件设计研发,可直观地提供人影催化潜力区的空间和地域分布,具有较强的科学性和可信度。业务应用表明:该平台性能稳定,自动化程度较高,易于扩展,实用性强;与BJ—RUC系统结合,业务产品基本可以反映未来24 h内人影相关物理量场的变化情况;地基增雪和飞行增雨典型实例说明冷云综合催化潜力指标可直接服务于人影决策指挥,在实际业务中发挥重要作用。

垂直探测雷达对北京地区夏季降水分类统计

基于风廓线雷达谱参数(回波强度、速度和谱宽)提出降水云分类方案,将降水分为浅对流、浅层状云、深对流、深层状云和混合型五种类型,其中浅对流和浅层状云降水属于暖雨范畴而深对流、深层状云和混合型降水属于冷雨范畴。并且利用此分类方案对2012年和2013年夏季(5-10月)北京延庆地区降水天气类型进行了分类统计。结果表明,暖雨是北京夏季降水的一个重要组成部分,占26%,其降水比例为17%;冷雨过程占74%,降水比例为83%。北京夏季以混合型降水为主占47%,其次是层状云占43%,对流性降水最少,占10%;对流性系统造成的降水最显著,其次是混合型降水,层状云对降水的贡献最小。对各种降水类型的特征归纳得到:浅层状云降水的谱参数随高度变化均不明显,总体比较平滑;浅对流性降水变化比浅层状云降水强烈,在3 km处增大明显,且降水出现次数随高度下降迅速增多;深对流性降水谱参数分布广泛,特别是谱宽,比其他类型都宽且高空存在宽谱区;深层状云降水回波呈现出统一的亮带分布,速度和谱宽在零度层附近出现强梯度区;混合型降水兼顾对流性和层状云降水特征,其回波分布跟深对流性降水类似,速度和谱宽分布跟深层状云降水分布类似。

基于航测的云底气溶胶活化率与过饱和度估算

2016年11月13日在北京地区上空存在持续稳定的层状云天气背景下,利用飞机开展气溶胶粒径谱、化学组成、云滴谱等参量的垂直观测,研究该个例云底气溶胶的活化能力。结果表明:探测期间北京地区为轻度污染天气,地面气溶胶浓度(0.11~3μm)达到4600 cm^(-3)。云层高度为800~1200 m,云底气溶胶数浓度相对于近地面大幅度降低,有效粒径显著增大(0.3~0.6μm)。同时,近地面气溶胶中疏水性的一次有机气溶胶贡献显著,而云底气溶胶中一次有机气溶胶的贡献大幅降低,无机组分和二次有机气溶胶的贡献明显增大,造成吸湿性参数κ由0.25(地面)增大至0.32(云底)。云中气溶胶和云滴的谱分布衔接较好,且两者的数浓度之和与云底气溶胶浓度一致,可分别代表未活化和已活化的粒子。基于云底气溶胶粒径谱和吸湿性参数计算得到不同过饱和比下云凝结核的活化率,通过与云中观测结果对比,反推得到云底过饱和度约为0.048%。

2010年夏季北京零度层亮带特征统计

零度层亮带对研究层状云降水机理和人工影响天气作业具有意义,应用风廓线雷达对北京2010年4—9月不同类型的降水进行观测,提出了针对北京地区的亮带识别算法,通过订正的亮带识别算法对降水数据进行亮带识别,得到了延庆地区亮带出现的高度、持续时间以及和降水量、降水类型的对比等数据。根据统计结果得到了2010年夏季北京延庆地区融化层的分布特征,回波强度最大值主要出现在36～40 dBz之间,亮带厚度主要为1000～1500 m,上下边界速度差值主要为4～5m·s^(-1)。

北京地区人工增雨效果和防雹经济效益评估

基于近年来北京地区开展的人工增雨、防雹作业情况,利用农业气象灾情统计资料和经典的区域历史回归统计方法,对2004 2010年北京地区人工增雨效果和防雹经济效益进行了客观定量地评估。结果表明:(1)在5 9月的评估期,随着作业样本数逐年累加,人工增雨平均相对增雨率逐渐趋于稳定,并维持在20%左右;在所选目标区,连续7年的人工增雨作业累计增加降水量约417.8 mm,增雨效果显著。(2)年平均人工防雹经济效益约2.48亿元,多年平均防雹投入产出比为1∶16。人工防雹效益最高、最低年份分别在2009年和2005年,对应投入产出比分别为1∶27和1∶6。

北京地区沙尘天气气溶胶飞机观测特征

利用3次沙尘天气期间的气溶胶飞机观测资料,分析了北京地区在3种沙尘天气下气溶胶垂直分布特征。结果显示：逆温层的存在对扬沙个例的垂直分布有影响。数密度谱的分布基本呈单调递减,但边界层内扬沙、浮尘和沙尘暴个例都在0.13-0.3μm间存在峰值,而扬沙个例在0.8μm,浮尘个例在6.5μm以及沙尘暴个例在2.8和6.5μm处出现次峰值。沙尘中细粒子的有效直径是人为源气溶胶粒子的4到10倍。浮尘天气整个粒子谱宽从近地面层开始随高度先增大后减小,到3000m达到最大,这与高空输送有关;扬沙个例沙尘粒子谱分布显示近地面层大于50μm段粒子谱无论数浓度还是谱宽都明显高于浮尘和沙尘暴个例,这与扬沙是局地大风扬尘引起有关;沙尘暴个例谱宽在接近云底达到最大,说明大粒子已经被携带到一定高度,与蒙古气旋云系的上升运动有关。

一次飞机播撒吸湿性焰剂试验的微物理探测浅析

2011年夏季,北京市人工影响天气办公室组织了吸湿性焰剂的飞机播撒试验,选取八达岭长城西北的淡积云作为催化对象。试验期间,使用装备了云探测设备的运12飞机进行播撒及云微物理探测。在6月1日的试验中,运用差异化策略分别对不同的淡积云实施了催化,探测发现云中出现了符合暖云增雨概念模型的微物理反应。随后在晴空区实施了烟羽探测试验,通过在吸湿性焰剂烟羽区的穿刺飞行,获得了正在扩散的吸湿性焰剂的粒子谱,了解了播撒后扩散区的微物理特征。

探空气球漂移位置订正对一次大风降温过程的模拟研究

应用改进后的MM5模式,采用包含有实际探空气球在各个气压层上精确的经纬度信息的新型探空资料,研究探空资料对高分辨率中尺度数值模式的影响。通过对一次中尺度大风降温天气过程的模拟分析,可以看出:位置订正对初始气象要素场的改变虽然总体上有低层较小,高层较大的特征,但是在500hPa以下大气运动剧烈的情况下,低层气象要素场的改变量也会较大,甚至会超过高层相应的气象要素场的变化,速度场的改变尤为明显;位置订正使得模拟结果在数值和影响范围上都有效地减小了误差,更加接近实况;位置订正后,模式较准确的模拟出了该次向南推进的大风降温过程的移动变化,尤其是模拟的大风前沿位置与实况的对应关系较好,温度场的变化与速度场的变化有较好的一致性。

基于灾情信息的1981—2017年北京地区降雹特征

该文对1981—2017年北京地区1010个高精度冰雹灾情信息进行统计分析。从年代际变化看,1981—1990年平均降雹日数为10 d,1991—2000年和2001—2010年年平均降雹日数均有所减少(5.67 d和4.33 d),而从2011年起,年平均降雹日数急剧增加到21 d。1981—1995年年平均最大冰雹直径总体呈增加趋势,2002年开始总体较小。从年变化看,冰雹日数的年变化呈明显的单峰型即初夏峰型,4月起降雹日数逐渐增加并在6月达到峰值,其后缓慢下降。从空间分布看,北京地区的降雹分布十分广泛,但高频次降雹区域主要集中在北京西北部延庆区,平均每年至少发生两次降雹,此外降雹高值区还出现在城区的海淀区。2010年后,降雹范围明显增大,同时降雹分布也由相对集中变为相对均匀。

利用双线偏振雷达分析人工防雹作业效果

以北京市平谷区2011年6月11日防雹作业为例,利用双线偏振雷达资料,选取与作业区条件十分接近的云块为对比区,根据回波移动方向和速度,跟踪分析在不同高度上防雹作业前后云体宏观结构特征和粒子相态等微物理变化过程。作业后云体所呈现特征为:1作业区的云顶高度、强回波中心高度迅速下降,对比区变化不明显;2作业区水平反射率Zh减小,差分反射率Zdr、零相关系数ρhv增大,单位差分传播相移Kdp小范围内波动,对比区Zh、Zdr、Kdp变化不明显;ρhv增大;3作业区对流减弱,高层较大冰雹粒子、大雨滴下沉明显,最终以霰粒子为主;而对比区域则对流仍然旺盛,冰雹粒子有增多趋势。以上特征表明防雹作业可有效抑制冰雹胚胎成长为冰雹的过程,通过偏振雷达观测参量可对防雹作业效果进行较好的验证。

一次大雾形成过程的数值模拟分析

利用非静力中尺度模式MM5V3对2009年11月30日到12月1日天津武清地区的一次大雾天气过程进行了数值模拟研究,这次大雾过程主要分布在天津、河北、山东地区,天津市武清县位于大雾的边缘位置。此次雾过程可以分为3个阶段。11月30日的17:00(北京时间,下同)至12月1日00:00是雾的形成阶段,12月1日00:00出现雾,00:00至09:00是雾的发展阶段,09:00之后是雾的消散阶段。模拟研究表明长波辐射降温使得温度下降并导致逆温层出现,同时由于暖湿气流输送,观测点处具有充足的水汽供应,促使了大雾的形成;在雾形成之后,逆温层的维持、持续的长波辐射降温有利于雾的不断发展;而后期辐散下沉运动明显,水汽不断向外辐散,使得雾逐渐消散。湍流对雾的影响是向上和向四周传输水汽,使得雾范围扩大,但如果太强,又会使得雾很快消散。