云降水物理学虚拟仿真实验设计与实现

为了有效解决传统云物理实践教学中自然云雾过程不可及、不可逆和多因素影响等难点,围绕云雾降水的宏微观过程,以外场仪器观测、数据分析和数值模拟为基础,借助先进的虚拟仿真技术,递进式开发了涵盖基础操作、设计验证和综合探索3层次的虚拟仿真实验,并采用自主探究式等多种教学方法,有效地加深了学生对云降水过程知识点的掌握,切实提升了学生防灾减灾实践创新能力。

人工影响天气虚拟仿真实验及课程体系建设

在“人工影响天气”的相关课程教学中,构建虚拟仿真实验教学平台有助于学生深入理解基础理论知识,并对实际业务操作及催化方案设计、优化产生感性认识。虚拟仿真实验教学突破了室内教学时空及仪器设备昂贵的局限性,解决了自然界中不能对同一块云反复催化的实际困难,对云降水环境及人工催化过程高度重现,对理论教学体系及教学形式进行补充,完善了课程教学体系。此外,科技成果在教学和本科生科研创新活动的引入,进一步增强学生科技创新意识及学习兴趣,促进了科研创新型人才的培养。

中国主雨季极端小时降水时空分布和日变化特征

基于国家级气象站逐小时降水资料,采用百分位阈值的极端降水定义方法,统计研究了中国1951—2021年4—10月小时降水时空分布和日变化特征。结果表明,中国主雨季极端降水阈值东南大、西北小,存在四个分别位于华南、环渤海、长江中下游和四川盆地的大值区,随着极端性增强,北方小时降水阈值的增大较南方更显著,大值中心北移。月尺度上,小时降水的最高频次月份由南向北从5月推迟至8月,华西地区最晚(9—10月),随着极端性增强,最高频次月份由6月、7月推迟到7月、8月,且地区差异减小。日变化特征上,全国范围内小时降水频次占比,呈现午后到夜间的谷峰主循环和后半夜到上午的次循环,且随着极端性增强,主循环振幅增大,次循环峰值减小。不同地理位置看,四川盆地的极端小时降水峰值时刻出现在凌晨,其他三个大值区则与全国平均较为一致,日变化振幅从南到北逐渐减小,西部最大。小时降水峰值时刻具有空间聚集的特征,夜间峰值主要集中在南方沿海和华北、东北,早晨—上午峰值集中在中部、东部、西南和西北部分地区,空间分布中出现的逐渐推迟和突变特征与海陆分布和大地形密切相关。小时降水峰值时刻空间占比与频次占比的日变化特征类似,均有上午峰值平缓、夜间峰值陡峭的特征,这是因为不同站点到达夜间峰值的时刻接近,而到达上午峰值的时刻不同;两者主要区别在随着极端性增强,频次占比夜间主峰值显著增大,而峰值时刻空间占比主峰值几乎不变,这是因为频次的变化主要是由同一些站点上的次数变化导致,而非不同站点之间的差异。

“23.7”华北特大暴雨过程小时强降水时空分布特征

由于西北太平洋副热带高压、2023年第5号台风“杜苏芮”、第6号台风“卡努”等共同作用,2023年7月29日08时—8月2日08时(北京时)华北地区发生极端特大暴雨,造成了重大社会影响。利用中国气象局国家气象信息中心提供的国家级气象站逐小时降水资料,分析了此次特大暴雨过程中的小时强降水(Hourly Heavy Rainfall,HHR)时空分布特征,并对不同历时类型强降水事件(Heavy Rainfall Event,HRE)的统计特征进行了对比。结果表明:1)此次特大暴雨HHR强度高、局地性明显,其对总降水量的贡献超过20%,北京西部、河北中部和西南部等太行山东麓为HHR降水量大值区和降水频次活跃区,双台风将水汽源源不断地输送到华北平原,受到太行山等山脉阻挡抬升,利于HHR增幅和持续。2)HHR降水量、降水频次经历6次峰值后减弱,其中第3次峰值时段的HHR降水量最大、降水频次最多、持续时间最长;而在“杜苏芮”残涡螺旋影响、暖式切变线和偏东风影响以及偏南或西南急流影响的3个主要降水阶段中,“杜苏芮”残涡螺旋影响阶段HHR最为活跃,共发生257次HHR,HHR最大降水量达73.5 mm。3)在3种类型HRE中,长历时(>12 h)最多,占比54.5%,短历时(1~6 h)次之,占比32.9%,中历时(7~12 h)最少,占比12.6%;长历时HRE降水量多>180 mm,短历时、中历时HRE的降水量多为[20,60)mm;HRE的最大降水量表现为短历时<中历时<长历时,而最大降水强度表现正相反,3种历时HRE的最大小时降水量多为[20,30)mm。4)不同类型HRE降水量、频次和平均降水强度的空间分布显示,长历时HRE因频次高于短历时和中历时,加之历时长,其降水量也高于后两种类型,北京、河北等地是长历时HRE降水量和频次大值区。

三峡库区蓄水前后夏季小时降水变化特征

利用国家气象信息中心小时降水资料,结合三峡库区地形的多样性,分析了库区蓄水前(1992—2002年)和蓄水后(2003—2021年)夏季(6—8月)小时降水时空变化以及不同类型强降水事件(HRE)变化特征。结果表明:蓄水后小时降水的降水量和频次减少,而强度增加;降水变化存在明显的地理分布规律,降水量、频次、强度在库区中北部增加,且多位于长江以北地区;降水量、频次在库区西南部减少,强度在库区中南部和西北部减弱,且多位于31°N以南。蓄水前后小时降水的日变化峰值时间位相的空间差异程度表现为降水强度>降水量>降水频次;蓄水后降水量、频次、强度呈增加趋势的站点增多,且降水量和强度的日变化峰值时间位相在高海拔山区具有位相前移特征。蓄水前后各等级小时降水的降水概率和降水占比变化不明显,其中降水概率在(0.1,0.5)mm等级最大,≥20 mm等级最小;降水占比在(1,5)mm等级最大,(0.1,0.5)mm等级最小,≥20 mm等级约为15%。蓄水后小时降水的日变化特征更加明显,其中≥20 mm等级的小时降水量和频次的双峰结构更为突出,其他等级的小时降水量和频次的峰值时间范围有扩大趋势,而各等级小时降水强度的次日尺度波动更频繁。蓄水前后HRE均是短历时型最多,长历时型最少,且短历时型HRE多开始于下午,中历时型和长历时型HRE多开始于夜间;蓄水后有利于HRE维持,短历时型HRE在中午和下午开始的概率增加,中历时型和长历时型HRE在清晨开始的概率增加。

青藏高原东侧九龙夏季非降水云的观测特征

青藏高原东侧九龙地区是西南涡多发区,利用该地区新型探测设备开展云探测,有助于增强对西南涡多发区云特征的认识。利用2018—2019年6—8月九龙站地基微波辐射计资料,分析了该地区夏季非降水云的出现率、液态水路径及过冷水路径的观测特征。结果表明:九龙夏季非降水云出现率月均值在67%~82%之间,以低云和中云为主,高云较少;低云出现率表现为白天低、夜间高,而中云和高云则相反;云出现率的垂直分布表现为单峰形态,在约2km高度存在云出现率峰值8.1%;受大气热力层结日变化影响,云出现率的单峰垂直分布呈现日夜差异。另外,九龙夏季非降水云的液态水路径均值为0.433kg·m^(-2),其中低云、中云、高云的液态水路径均值分别为0.665、0.240、0.102kg·m^(-2);低云的液态水路径日变化特征与其出现率相似,而中云和高云的液态水路径日变化特征不明显。此外,九龙夏季非降水云中冷云的过冷水路径均值为0.154kg·m^(-2),其中低云、中云、高云的过冷水路径均值分别为0.065、0.166、0.102kg·m^(-2);总体上过冷水路径在液态水路径中的占比约为34.3%~38.8%,过冷水路径占比随云的高度而增大,这使得中云和高云的过冷水路径日变化与其液态水路径相似。与同纬度华中地区相比,九龙夏季非降水云具有明显不同的特征,这与两地之间的大气水汽特征差异密切相关。

汉江流域2021年伏秋连汛降水季内差异特征及成因分析

汉江流域是中国重要的调水水源区,研究其降水特征对防涝抗旱具有重要意义。基于汉江流域62个国家气象站降水资料及美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(National Center for Envi⁃ronmental Prediction/National Center for Atmospheric Research,NCEP/NCAR)再分析资料,通过百分位数、相关分析和T-N波作用通量,探讨了2021年伏秋(8—10月)连汛期间汉江降水的季内差异特征及其与大气环流和海温的关系。结果表明:2021年伏秋期间,汉江上游流域出现破纪录降水,极端性强、总量大。降水在伏夏和秋季两个时段均偏多,但秋季的多雨区位置更偏北。伏夏期间,北大西洋经西伯利亚向东频散的Rossby波使得欧亚上空维持“两槽两脊”,冷空气较强,同时西太平洋副热带高压(简称“副高”)强势西伸,通过西南和偏东两支通道向北输送暖湿水汽;冷暖空气在高空急流南侧对峙并辐合上升,导致降水异常偏多。秋季,北太平洋频散的Rossby波使得欧亚上空维持“两槽一脊”,冷空气较弱;副高断裂导致水汽通道偏南,高空急流北抬使冷暖空气辐合上升位置偏北,造成雨区偏北。2021年汉江流域伏夏降水异常受热带东大西洋海温正异常影响,秋季受赤道中太平洋冷海温影响。

近20年冷涡背景下北上台风的分布及降水特征分析

利用中国台风最佳路径数据集、吉林省气象科学研究所的东北冷涡活动日历、CN05.1逐日降水资料、吉林省和辽宁省站点逐小时降水观测资料,统计近20年来冷涡背景下影响东北地区的北上台风及强降水分布特征。结果表明:2001—2020年6—9月北上的44例台风中有39例(冷涡背景下14例)明显对东北地区降雨有影响,18%的台风过境吉林省,其余为外围水汽影响;夏季冷涡背景下引发强降水的北上台风有10例,日降水量达到暴雨及大暴雨级别的各有3例,达到短时强降水级别7例;冷涡背景下北上台风路径密度大值区主要分布在130—140°E,21—30°N区域内;冷涡背景下引发强降水的北上台风路径可分为直接北上偏北类、北上西折类、北上偏东北类、北上偏东类4类,其中北上偏北类台风最多(超过半数),该类台风平均降水量级较其他路径类型台风稍弱,北上偏东类台风降水量级最大。

基于GNSS水汽和地面假相当位温观测的短时强降水阈值预报方法研究

基于2019年和2020年6—7月GNSS水汽监测网大气可降水量(PWV)资料和并址气象站的地面雨量、温、压、湿等同步观测数据,利用临界成功指数(CSI)和命中率(POD)两个检验指标,探索建立了基于PWV、6小时水汽增量(PWV*)及假相当位温距平(θ_(se)*)的短时强降水阈值预报方法,并利用2021年6—7月降水样本对该预报方法进行检验,结果显示CSI和POD分别为0.167和0.593,其评分高于目前常规业务方法对短时强降水的客观预报评分,其中约48%的短时强降水发生在预警之后的24小时内,约78%发生于48小时内。研究区域内78.6%的短时强降水样本发生在连续15小时PWV*的累积值(∑PWV*)≥75 mm且连续24小时θ_(se)*累积值(∑θ_(se)*)≥30 K的条件下;PWV高值区叠加∑PWV*和∑θ_(se)*的大值区对梅雨期短时强降水以及暴雨发生区域有较好的指示性。

沈阳市大气降水污染与沉降特征的城郊差异

为了解沈阳地区大气降水污染与沉降特征的城郊差异,对2018~2022年沈阳市铁西区站点(城市)和苏家屯站点(郊区)降水样品的电导率、pH值和各种水溶性离子浓度及其沉降量进行了研究.结果表明,观测期间两站点平均pH值分别为7.12(6.09~8.36)和7.11(5.88~8.19),均呈碱性,无酸性降水.城郊站点的降水电导率和总水溶性离子平均浓度差异不大,2018~2022年期间整体呈现下降趋势.沈阳两站点的相对酸度(FA)均值为0.0004,(Ca^(2+)+NH_(4)^(+))/(SO_(4)^(2-)+NO_(3)^(-))均值分别达到了1.57和1.61,表明碱性离子的中和能力较强.大气降水中NO_(3)^(-)/SO_(4)^(2-)的比值介于0.41~0.58,SO_(4)^(2-)-S湿沉降量分别是NO_(3)^(-)-N和NH_(4)^(+)-N沉降量的1.14倍~2.20倍,表明沈阳大气降水主要以硫沉降为主.城市站的无机氮沉降量总体上高于郊区站,其中NH_(4)^(+)-N平均沉降量分别是NO_(3)^(-)-N的1.74和1.78倍,说明沈阳市大气降水中的无机氮以还原态氮占主导,这主要与汽车尾气、城市绿地养护、人体排泄物以及郊区频繁的农业活动相关.

2000~2021年中国典型地区大气降水化学与沉降特征

基于2000~2021年中国东北、华北、华东、东南、西北、西南6个区域10个城市的大气降水组分资料,针对各地区降水量、pH值、降水电导率、水溶性离子浓度及其氮硫湿沉降特征开展了长期变化特征研究,分析了典型地区降水组分的离子中和特性.结果表明:2000~2021年中国各研究站点pH值总体呈上升趋势,但重庆和上海地区的年均pH值至今未达到5.6.济南、西安和重庆站电导率呈现出较明显的下降趋势.西北地区陆源性特征较为明显,Ca^(2+)浓度较高(可达1035.2μeq/L);NO_(3)^(-)浓度在重庆地区有上升趋势,这与城市机动车保有量的逐年增长有关;而NH_(4)^(+)在各个地区均有下降;东南地区受海盐影响,Na^(+)和Cl^(-)的浓度相对较高.西北和西南地区的硫、氮湿沉降量明显高于东南地区,NH_(4)^(+)-N/NO_(3)^(-)-N各地区均呈下降趋势,但该比值年平均值均大于1,说明大气降水中氮沉降以还原态氮为主.东南地区的降水酸度相对较高,然而酸性离子(SO_(4)^(2-)和NO_(3)^(-))浓度却较低,说明降水酸度还会受到碱性离子(Ca^(2+)和NH_(4)^(+))的影响.在厦门和西安NO_(3)^(-)、NSS-SO_(4)^(2-)和NH_(4)^(+)浓度年变化很小,而pH值、中和潜力和酸化潜力的比值(NP/AP)有明显上升趋势;但西安NP/AP值明显较高,反映西安土壤尘埃中的中和能力比东南地区强.

基于飞机观测的华北降水云系上升气流区微结构研究

上升气流是成云致雨的基本条件之一。本文利用河北省2017年5月一次层积混合云的机载云物理探测系统测量资料,研究了云中上升气流速度分布,云微结构特征以及二者的相关性。结果表明:云中上升气流速度随高度呈抛物线型分布,云底部较小(0.75±0.52 m s^(−1)),云中部最大(3.64±2 m s^(−1)),云顶部最小(0.32±0.29 m s^(−1));发现随高度增加,云中上升气流区内冰粒子形状依次以片状、针状、柱状为主;暖云上升气流区中,上升气流速度与液态含水量正相关,相关系数为0.61;强垂直气流条件下云滴数浓度、最大云滴尺度大于弱垂直气流相应的数值,强垂直气流云粒子谱更符合Г函数分布。

2008-2020年重庆城市站点降水污染及湿沉降通量的演变特征和影响因素

基于东亚酸沉降监测网(EANET)观测数据,结合气象数据和社会经济数据,分析了2008-2020年重庆市降水中电导率、pH值和水溶性离子浓度及沉降量的演变特征和影响因素。结果表明:2008-2020年重庆市降水的pH、电导率、水溶性离子、硫湿沉降通量、硝态氮湿沉降通量和铵态氮湿沉降通量平均值分别为5.33、8.64mS/m、37.03mg/L、2731kg/(km^(2)·a)、273kg/(km^(2)·a)和1748kg/(km^(2)·a)。降水中水溶性离子浓度大小排序为:SO_(4)^(2)>NO_(3)>Ca^(2+)>NH_(4)^(+)>Cl>K^(+)>Mg^(2+)>Na^(+)>F^(-),其中SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)、Ca^(2+)和NH_(4)^(+)分别占总离子浓度的45.2%、23.9%、13.0%和11.7%。降水污染存在显著的年际和逐月变化,年际变化主要受到污染物排放源的影响,逐月变化则主要受气象条件的影响。2008-2014年强酸性降雨占比(52.37%)较高,降水污染较重;2015-2020年强酸性降雨占比显著降低(3.74%),降水污染显著改善。2008-2010年为硫酸型降水,在2011-2020年为硫酸、硝酸混合型降水。夏季降水较多、大气扩散条件较好,降水中的污染物浓度较低,降水电导率最低,pH最高;冬季反之,降水电导率最高,pH最低。不同水溶性离子浓度占比的逐月变化较小。污染物的浓度对湿沉降通量年际变化的影响要大于降水量的影响,降水量对湿沉降通量逐月变化的影响要大于污染物浓度的影响。

沙尘气溶胶影响新疆对流云降水的数值模拟研究

为研究沙尘气溶胶层对云和降水的影响,本文使用耦合了分档云微物理方案(SBM)的Weather Research and Forecast Forecasting model(WRF)高分辨率天气模式(WRF-SBM),模拟了2016年7月8日发生在新疆阿克苏地区的一次强对流天气过程,并分别讨论了处于不同高度的沙尘层对云动力、微物理和降水形成过程中的作用。结果表明:沙尘层处于对流层中低层时,沙尘气溶胶作为云凝结核(cloud condensation nuclei,CCN)对云微物理过程的影响比其处于中高层时更明显,沙尘气溶胶使得CCN增加,云滴数浓度增加,云滴有效半径减小,降水延迟;而沙尘层处于对流层中高层时,沙尘气溶胶作为冰核(ice nuclei,IN)对云微物理过程影响更明显,沙尘气溶胶使得IN浓度增加,冰晶数量增加,雪、霰、雹的凇附增长率增加,参与融化过程的冰相粒子增多,降雨率增大。本文仅讨论了发生在新疆的这次对流天气过程对处于不同高度的沙尘气溶胶层的可能响应,要全面认识沙尘气溶胶对不同类型云降水过程的影响,需要进行更多的、有观测资料约束的模拟研究。

2016—2021年5—10月辽宁省降水量时空分布精细化特征分析

选用2016—2021年5—10月辽宁省小时加密观测降水资料,分析辽宁省降水过程、短时强降水过程、极端短时强降水过程降水量时空分布特征,应用K均值聚类法对汛期短时强降水过程降水累积小时数的空间分布进行分类。结果表明:辽宁省短时强降水过程(小时降水量大于或等于20 mm)和极端短时强降水过程(小时降水量大于或等于该站点历史降水量升序后的第99.9百分位)受地形影响较大。短时强降水高发区主要分布在辽宁东南部的沿海地区、辽宁西部的沿海平原和地势较高地区及辽宁东南部的迎风坡地区。辽宁省汛期降水受季风环流影响,有明显的季节变化,平均降水量和降水频次最大值发生在7月和8月,降水时段主要集中在午后至夜间。辽宁省短时强降水过程降水频次的区域间差异较大,极端短时强降水过程区域间差异较小。

射频干扰校正对星载微波资料反演降水的影响

针对全球降水测量(Global Precipitation Measurement,GPM)卫星上搭载的微波成像仪(GPM Microwave Imager,GMI),建立了陆面亮温数据的射频干扰(radio frequency interference,RFI)校正算法,同时提出了适用于GMI的综合指数雨强反演算法,即极化订正温度及散射指数(polarization corrected temperature-scattering index,PCT-SI)综合指数法,估算了2021年第6号强台风“烟花”登陆后,江苏及周边地区的雨强,与同时期双频降水测量雷达(Dual-frequency Precipitation Radar,DPR)的近地面雨强产品进行对比分析,并比较了RFI校正前、后的近地面雨强反演精度。进而用强台风“梅花”和一次江淮气旋检验了该雨强反演算法的精度以及RFI校正算法对提高反演精度的有效性。结果表明,GMI的高频观测与降水强度大小密切相关,利用低频组合拟合89.00 GHz通道亮温获得大气散射指数,散射指数越大,雨强越大;RFI信号对微波资料反演近地面雨强的影响显著,所提出的校正方法可以有效地校正陆面上受RFI污染的GMI观测数据。研究结果有助于揭示微波传感器多通道亮温资料和降水强度之间的相关性,提高微波反演陆面降水的精度,并为陆面降水反演和预报提供参考。

2014年青藏高原云和降水多种雷达综合观测试验及云特征初步分析结果

加密外场试验可提供云降水物理过程新的数据。2014年7月1日—8月31日,第3次青藏高原大气科学试验项目组在那曲开展了水汽、云和降水的综合观测,使用了中国最先进的Ka波段毫米波云雷达、Ku波段微降水雷达、C波段连续波雷达和激光雷达,并配以微波辐射计、雨滴谱仪等设备,获取了高时空分辨率的云和降水宏微观垂直结构特征数据;利用C波段双线偏振雷达与新一代天气雷达配对,进行双多普勒雷达观测,获取青藏高原对流云三维风场和降水粒子相态的结构和演变数据。文中简单介绍了本次试验的情况,并利用这次观测的云雷达数据对那曲地区夏季云的云顶和云底高度、云厚、云量、云层数等特征的日变化进行了初步统计分析,对不同类型云的宏观特征进行了讨论。结果表明:本次外场试验首次成功获取到了多种雷达的云观测数据。那曲地区夏季云主要集中在6 km(距地面高度,下同)以上和4 km以下;总云量、高云的云顶、云量和云厚等云的统计参数有明显的日变化,10时(北京时)为云发展最弱的时段,20时云发展最为旺盛;初生的积云和层云常常出现在3 km高度上,这一高度上常常存在明显的上升气流;深对流系统高度可达16.5 km,同时存在上升气流和下沉气流,对流中可能存在过冷水。这些数据和初步结果为进一步开展高原云和降水机理、云和降水物理过程参数化方案研究及卫星反演结果的订正提供了基础。

干空气入侵对东北冷涡降水发展的影响

针对干空气入侵对东北冷涡降水发展的影响,应用WRF中尺度数值模式对2011年7月一次东北冷涡过程进行数值模拟研究。结果表明:干空气入侵对东北冷涡降水云系发展产生以下两方面的作用:一方面,密度较高的高层干冷空气下沉迫使干侵入前沿暖湿气流抬升,从而促进了东北冷涡降水发展;另一方面,下沉冷空气流向前推进"挤压"可导致冷空气前沿界面较为陡峭、层结不稳定,有助于云系垂直发展,降水主要集中于云系中部。

南京市降水化学特征及其来源研究

为了解南京江北地区降水化学特征,分析了2011年3—6月共25个降水日的109个降水样品中的主要水溶性离子,并利用后向轨迹模式探讨了降水气团来源。结果表明:1)南京地区3—6月降水主要受南、北2种气团影响,北方气团降水的主要离子浓度高于南方气团降水。2)海盐示踪法和相关性分析显示,降水中NO3-和SO42-主要来自燃煤、工业排放和汽车尾气;Ca2+主要来自地壳源;Cl-主要来自海洋;海洋源和陆源对Mg2+和K+都有贡献,Mg2+的陆源贡献大于海洋源贡献,K+受海洋源的影响程度要低于Mg2+。3)南、北气团初期降水的各离子浓度高于总降水的各离子浓度,且初期降水的主要离子的富集系数高于总降水。这说明在降水初始阶段,雨水对南京大气中污染物(气态污染物和颗粒物)的云下冲刷去除作用较强,降水的离子浓度最高,局地源对降水离子的贡献较明显。

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。