基于空间GIS的天津市人工影响天气电子沙盘系统设计与开发

为提高人工影响天气信息综合管理能力和作业指挥能力,设计开发了人工影响天气电子沙盘系统。系统基于国内自主研发的空间GIS平台EV-Globe,集成天津市高分遥感地理信息数据、人影信息数据以及气象监测数据,实现天津人影作业全域精细化三维地理场景的漫游展示,飞机、燃烧炉、火箭及高炮等人影作业工具的仿真模拟、展示与管理,卫星云图、雷达回波及降雨量等气象信息空间可视化分析展示,实时或历史人影飞机作业状态管理查询以及作业过程空间可视化监控等功能,同时系统可实现基本空间GIS测量功能。系统的建设为天津人影业务完全三维空间GIS可视化和安全作业提供了保障。

天津市人工影响天气标准化作业站点建设方案

根据天津市人工影响天气固定作业站点建设现状,结合全市人工影响天气现代化建设需求,阐述了天津市人工影响天气标准化作业站点建设的重要性和建设原则。从站点选址、建筑物建设要求、炮库(火箭库)的建设标准、临时弹药库建设标准和射击平台建设等方面,详细介绍了标准化作业站点建设的主要技术内容。建设方案对规范人工影响天气作业站点安全生产行为、改善安全生产条件、消除安全隐患、建设安全天津等方面具有十分重要的现实意义。

“8·12”天津港爆炸事故处置现场人工影响天气保障方案设计与实现

"8·12"天津港特别重大火灾爆炸事故发生后,救援处置工作面临巨大挑战。开展科学施救,避免次生灾害发生和救援人员伤亡,对应急气象保障服务提出了新的挑战,也对人工影响天气工作提出新的要求。通过分析"8·12"天津港特大火灾爆炸事故救援工作对人工影响天气服务的需求,设计人工消减雨试验方案,明确了人工影响天气应急服务关键时间节点的主要工作内容、流程,作业防线布设、时机掌握、催化部位、剂量和方式等技术要点,并对人工影响天气作业保障情况进行评估,试验期间消减雨作业有效率为37.5%,为今后应对突发事件人工影响天气保障服务提供参考。

天津市降水特征及人影作业影响分析

利用天津市1986-2008年13个测站日降水资料,总结天津市降水特征并分析人影作业影响因子在其中产生的影响。结果表明:天津市降水空间分布不均匀,东西方向差异小,南北方向差异较大,雨量由北向南呈现递减趋势,且北部等值线密集,南部稀疏,雨量递减的速率由北向南减慢。降水季节性差异较大,降雨量和降雨日数都集中分布在夏季,春秋两季降雨次之,冬季降雨最少;人影作业未改变天津区域雨量相关系数,对空间分布影响较小,这与天津的作业特点有关;人影作业会对雨型概率分布产生影响,对1986—2001年和2002—2008年两个时期的各个雨型降雨日概率进行对比分析,结果表明,人影作业后的小雨降雨日概率相对较小,中雨以上的降雨日概率相对较高,但这些差别并不明显。

天津市冰雹天气形成过程及催化数值模拟分析

应用中国科学院大气物理研究所建立的三维完全弹性冰雹云模式,对2004年6月22日发生在天津市的一次冰雹天气过程及其催化试验进行数值模拟。结果表明,本个例雹云中,冰雹粒子主要由冻滴和霰转化形成,冻滴对冰雹形成的贡献比霰大得多,冰雹主要通过撞冻过冷雨水、过冷云水以及碰并冻滴进一步长大;在冰雹形成前进行催化作业,可达到增雨减雹的目的。

人工影响天气业务平台使用功能介绍

天津地区开展的大规模的人工影响天气作业近年来取得了较快、较大的发展,人工影响天气在农业抗旱减灾、缓解水资源短缺和改善生态环境等方面都起到了重要作用。天津市人工影响天气业务平台建设旨在建立一套适合本地区特点,自动化、信息化程度较高,具有操作性强,可快捷高效供指挥人员分析、设计和指挥人工影响天气作业,方便人工影响作业的顺利实施。天津市人工影响天气业务平台充分利用计算机通讯与网络技术,逐步完善本地区合理的人工影响天气业务系统平台,努力实现作业决策科学化、自动化,为本地区高效快捷地实施人工影响天气作业提供重要的科技支撑。

天津城市环境对一次局地降水过程影响的模拟研究

采用中尺度气象模式WRF结合自动站观测资料,对天津城区及附近发生的一次局地降水过程进行数值模拟和敏感性试验,研究了城市环境(城市地表、城市大气污染)对降水发生发展的影响。结果表明:城市地表引起的热岛环流,叠加海风环流后,改变了辐合线的位置和强度,直接影响了对流降水的发生及落区。城市大气污染状况可影响对流发展后的强度及降水量,敏感性试验结果显示气溶胶浓度增大后区域平均降水量增加约25%;气溶胶的增雨效应主要表现在可增进对流云中液态水和冰相物质含量,增多的液态水物质被强的上升气流抬升到较高处冻结形成冰晶,这一过程中增多的凝结潜热又可促进对流发展,最终导致地面总降水量增多,研究个例中气溶胶浓度增加可使潜热加热率最大增加110 K·h^-1。

天津地区大气能见度变化特征及影响因子

基于能见度资料等级分析法、Ridit方法、“非常好”能见度及“较差”能见度出现频率分析法，分析了天津西青、塘沽两个气象观测站2000--2010年大气能见度变化趋势及低能见度天气特征，研究了影响大气能见度的主要因子。结果表明：11年间，两站能见度超过40km的情况均未出现，西青站2～9km能见度出现频率逐年上升，塘沽站从2006年开始20～39km能见度出现频率呈明显下降趋势；西青站从2006年开始，Ridit中值降至0．5以下，塘沽站Ridit中值呈波动式下降趋势，2006年Ridit中值最小（为0．43）；两站“非常好”能见度出现频率呈逐渐下降趋势，“较差”能见度出现频率呈上升趋势；秋冬两季是西青、塘沽站低能见度天气的多发季，常伴有高湿度、低风速，两站的盛行风向存在差异；相对湿度与能见度呈负相关，风速与能见度呈正相关，与能见度波动式下降的趋势相反，能源消耗总量为逐年增加趋势。

近年天津地区冰雹和雷暴天气特征研究

基于天津地区13个观测站的1990～2009年冰雹资料和2000～2009年雷暴资料,分析了近年来天津地区降雹、雷暴的时空分布特点,并总结出当前雷暴云移动路径,以及引发此类天气的主要影响系统。主要结论为:(1)近20年天津地区年平均雹日是12.6d,北部蓟县为冰雹天气多发区,冰雹天气常出现在春夏秋季节,集中出现在每年3～9月;(2)全市13个测站在13:00(北京时间,下同)到20:00之间雷暴的发生概率较大,且西北路径,西南路径的雷暴云出现频率较高,占到了65.2%;(3)引发天津地区冰雹及雷暴天气的主要影响系统为高空冷涡和高空槽,所占比例为49.54%和43.12%。

天津春节期间烟花爆竹燃放对空气质量的影响

为明晰春节期间烟花爆竹燃放对大气环境的影响,利用天津地区2016年和2017年春节期间(除夕至农历十五,公历2016年2月7—22日、2017年1月27日—2月11日)大气污染物质量浓度的监测数据和气象观测资料,对这一时期大气污染物质量浓度的变化规律进行分析.结果表明:天津春节期间大气颗粒物质量浓度峰值均出现在初一的00:00—01:00.烟花爆竹燃放对ρ(PM_(10))、ρ(PM_(2.5))和ρ(SO_2)影响较大,尤其是对地面污染物质量浓度影响最大,并且对ρ(PM_(2.5))和ρ(PM_(10))的影响高度相对增高,但对ρ(NO2)的实时影响最小.初一00:00—00:01,ρ(PM_(10))、ρ(PM_(2.5))、ρ(SO_2)和ρ(NO2)分别增加了305、178、80和7μg/m3.烟花爆竹燃放使ρ(PM_(2.5))和ρ(PM_(10))的日变化曲线较非春节期间波动性增强,主峰值区(20:00—翌日01:00)污染物质量浓度升高和出现的时间延后;ρ(SO_2)主峰值出现时段由09:00—10:00变为00:00左右,并且其峰值剧增.烟花爆竹燃放使夜间空气中ρ(PM_(2.5))上升,导致ρ(PM_(2.5))在ρ(PM_(10))的占比显著升高. 2016年和2017年春节期间,PM_(2.5)、PM_(10)和SO_2的最大小时质量浓度及其变化率均高于春节前后(除夕前15 d和农历十五后15 d),而NO2和CO的最大小时质量浓度及其变化率则低于春节前后. 2016年和2017年除夕ρ(PM_(2.5))的半衰期分别为4. 7和3. 6 h.研究显示,即使在有利于扩散的气象条件下,烟花爆竹燃放仍可使天津地区ρ(PM_(10))、ρ(PM_(2.5))和ρ(SO_2)短时迅速增大,污染物质量浓度主峰值均出现在夜间,ρ(PM_(2.5))的半衰期介于3～5 h.

天津地区一次冰雹天气触发机制分析

[目的]分析2011年7月10日发生在天津市地区的一次冰雹天气的触发机制。[方法]利用Micaps、自动站资料、探空观测资料以及多普勒雷达资料,对2011年7月10日发生在天津市西青区杨柳青镇大柳滩村的一次冰雹天气过程进行个例分析,探讨此次天气的触发机制。[结果]此次过程是由海风锋与地面辐合区相配合所触发的超级单体降雹过程;高空形势位于冷涡底后部的前倾槽前,有利于强对流天气的发展;地面图上位于高压底后部偏东气流有水汽输送,同时存在辐合区;0℃层以上为湿层,并且有较强的上升运动,有利于冰雹的形成与发展。海风锋从海洋向内陆移动带来丰富的水汽、弱冷空气和抬升作用,弥补了中低层的不利条件,当其移动到地面辐合区时可触发强对流天气;多普勒天气雷达能够监测到此次渤海湾海风锋与局地的地面辐合区触发演变为冰雹天气的整个过程。[结论]该研究对判断冰雹过程有明显的指示意义。

基于机载微波辐射计的天津地区典型层状云水汽和液态水分布特征分析

基于2016年11月20日机载微波辐射计GVR(G-band water Vapor Radiometer)和热线含水量仪探测资料以及FY-2E卫星云顶亮温、天津塘沽站雷达组合反射率、美国国家环境预报中心(National Centers for Environment Prediction,NCEP)/国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)FNL再分析资料,分析天津地区典型层状云水汽和液态水分布特征。结果表明:层状云的液态水路径自云底向上随高度上升而减小,到达冰云高度后减至0 mm,而积分水汽含量自地面向上随高度上升逐渐减小,在云上3 500 m高度平飞过程中稳定在0.3~0.5 cm。液态水密度随高度上升先增后减,在云底(900 m)以上GVR探测的液态水均为过冷水,在上升过程中过冷水主要分布在900~2 400 m高度,密度最大为0.63 g·m^(-3),而在下降过程中主要分布在900~1 600 m高度,密度最大为0.78 g·m^(-3)。相比热线含水量仪,GVR能更好地反映云中过冷水含量及过冷层高度和厚度。水汽主要源于平流输送,水汽密度在400 m高度向上不断增大,在云底附近明显积聚后迅速减小,在1 400~3 000 m高度波动变化。随着降水的临近,飞机下降阶段的最大水汽密度增大且高度上升,水汽大值层厚度增大,可为降水预报及人工影响天气提供一定参考。

大气背景场对云中液态水反演结果影响

基于机载对空微波辐射计GVR讨论应用BP神经网络算法反演液态水路径时大气背景资料对反演结果的影响,为合理选择训练样本获取更准确的液态水观测数据提供依据,同时有利于了解反演算法的探测适用范围。文章选择多个历史探空资料,按照历史资料时间序列长度、季节和区域进行分类,建立不同类样本集训练BP神经网络获取反演方程,选择样本检验集模拟计算每类反演方程的反演精度,通过反演精度对比分析大气背景资料差异在反演云中液态水时造成的影响。结果表明训练样本的大气背景时空差异影响反演结果,在一定时间范围内增加历史资料序列长度可以减小大气背景差异对反演误差的影响,但当时间序列长度到达一定程度时,增加历史样本量将不再是提高反演精度的一种有效措施。季节分类可以减小大气背景差异对反演误差的影响,但在实际应用中,资料分类带来样本容量减小,对一定时间序列长度的历史资料,按照季节进行分类并不能有效提高垂直累积液态水的反演精度。

渤海湾海风锋与阵风锋碰撞形成雷暴天气的诊断特征

对2007年8月13日天津多普勒天气雷达（CIN RAD WSR/98D）探测的雷暴天气个例进行分析,结果表明：此次雷暴天气是由渤海湾海风锋与阵风锋碰撞形成的;碰撞后,在海风锋前端、阵风锋前部有新的雷暴单体形成;阵风锋后部的对流回波主体加强,对流回波主体由椭圆状加强为典型的弓状。应用天津36个自动气象站的地面六要素资料和北京850 h Pa以上探空资料,组成新的诊断资料,对该个例进行诊断分析,结果表明：雷达探测的海风锋前端具有较强的低层垂直风切变梯度和露点温度梯度大值区,海风锋前沿与0~3 km垂直风切变梯度密集区相对应,且与露点温度梯度变化较快的区域基本吻合;海风锋与阵风锋相互碰撞时,0~3 km垂直风切变在2 h内变化较快,且有明显的增加趋势,CAPE（convective available potential energy,对流有效位能）值在雷暴形成前有较明显增加;随着雷暴天气结束,上述特征随之消失。

秋季天津城区雾中风速、温度和湿度的湍流统计特征

利用气象铁塔湍流观测、能见度仪、自动气象站以及其他气象资料，分析了天津城区秋季雾天气过程中低层大气层结演变及温度、湿度和风速湍流统计特征。结果表明，不稳定层结条件下，下垫面温度、湿度均一化标准差随稳定度程度加强而呈减弱趋势，数值显著高于Kansas草原及农田下垫面，变化规律不能用经典湍流相似性理论描述；而风速归一化标准差数值随稳定度的变化符合近地面经典湍流相似性理论，中性层结条件下的各方向风速归一化标准差分别为2．5，1．9和1．2。稳定层结条件下，温度和湿度均一化标准差离散，风速没有明显的离散。另外，城区浓雾过程中，大气层结由雾前的强稳定转为雾中的偏中性层结，雾形成前，稳定度数值集中在-10～10之间；雾期间，在-2～2之间变化，变化范围较窄；雾消散后，在-5～10之间变化。

2006年北京市人工增雨作业效果统计分析

利用区域历史回归方案对北京市2006年人工增雨作业效果进行统计评估,选择区域平均日雨量作为统计变量,北京市2006年共有43个催化作业日,其中41个为增雨作业日,作业区域位于北京市北部,面积大约为100 km×50 km。评估结果表明,北京市2006年人工作业相对增雨13%,绝对增雨39 mm,但增雨效果不显著。本文根据催化技术状况对作业日进行分类统计分析,得到21个地面催化充分作业日相对增雨34%,显著度较高,u检验达0.019;29个地面和飞机催化充分作业日相对增雨37%,u检验显著度为0.022;8个飞机作业日相对增雨48%,增雨显著度较低;12个催化不充分作业日相对减雨49%;2个过量播撒消雨作业日相对减雨12%,结果也不显著。分类统计分析表明,对目标区进行充分催化是获得好的催化效果的前提。

非随机化人工增雨作业功效数值分析和效果评估

用自然复随机化方法对北京市人工增雨作业非随机化试验进行功效数值分析。结果表明不同统计检验方案功效差别较大,序列试验功效最差,当作业样本数较多时对比试验功效较高,其次为区域历史回归试验和双比分析方案,当作业样本数较少时区域历史回归试验功效比其他两种方案更高。功效与增雨效果、历史样本数、作业样本数都有关系,当作业样本数或历史样本数增多时,功效都会增大,但是增大的程度会随着样本数目的增多而趋缓。分类统计不一定可以提高检验功效值,要采用分类统计方案首先就要保证分类后的作业样本数下的功效值大于合并后作业样本数下的功效值。在综合分析影响功效的各种因素基础上选择区域对比试验、双比分析和区域历史回归试验对北京市2002～2007年人工增雨作业进行效果总评价,结果均表明相对增雨效果在10%左右,采用复随机化方案进行显著度检验,结果表明3种方案下显著度水平均达0.05。

天津平流雾过程及其空中微物理特征个例研究

2016/2017冬季在天津开展了平流雾微物理特征观测试验,结合距地66 m高度处雾滴谱和255 m气象塔大气边界层资料,借助突变和趋势一致性非参数检验方法对重度霾后接连发生的两次平流雾过程发展阶段进行客观划分,揭示雾体内部一定高度处雾滴微物理特征和尺度分布特征的观测事实,讨论其生消演变规律。结果表明,伴随西南暖湿平流,饱和层首先在空中出现并向地面扩展,雾过程中成熟阶段观测高度范围内升温,雾层处于中性或弱不稳定层结状态。66 m高度处大雾滴持续存在,微物理特征与地面能见度准同步变化,数浓度高值出现在成熟阶段初期,而含水量、特征直径高值出现在成熟阶段后期,对应成熟阶段后期雾滴数浓度减少、地面能见度小幅跃升。消散阶段各尺度数浓度因雾滴蒸发同步减小。

人工增雨统计检验结果准确度分析

采用自然复随机化方法对人工增雨作业效果检验中常用的4种统计检验方案进行评估结果准确度分析,以"假效果"来反应评估结果准确度,指出影响评估结果准确度的各个因子并对不同统计方案的评估结果准确度进行比较。结果表明:评估结果准确度与作业样本数和历史样本数都有关系,准确度随样本数增多而提高,但随着样本数的增多,准确度的提高将趋于平缓;在相同条件下,区域历史回归试验较其它3种方案评估结果准确度更高,在规定显著度水平下要达到基本相同的评估结果准确度,区域历史回归试验所需样本数最少,其次为双比分析,但序列试验所需样本数最多,对比试验"假效果"区间分布成偏态,不宜用来做效果检验。还介绍了一种较少使用的统计分析方案——回归比率分析法,通过"假效果"分析表明,回归比率法比区域历史回归方案评估结果准确度更高。

人工增雨催化响应试验分析

针对2003年7月8日吉林省境内一次积层混合云人工催化响应过程,确定人工增雨效果检验的背景区和催化响应区,分析云系人工增雨的可播性及背景区与响应区云的微物理量差别。结果显示:(1)催化响应区中冰粒子数浓度明显高于背景区,其中直径为37.5~187.5μm的冰粒子数浓度增加最多;(2)催化响应区中直径小于等于18.5μm的小云粒子数浓度低于背景区,而直径为18.5~45.5μm的大云粒子数浓度则相反;(3)催化作业后,过冷水含量减少,雷达回波强度增加,强回波区范围增大,此次人工催化作业催化响应明显。