一次有利于人工增雨作业的锋面降水过程分析

使用常规天气资料、卫星云图和雷达回波资料分析１９９９年６月１３～１４日内蒙古一次锋面降水天气过程的天气条件、卫星云图和雷达回波的特征,对锋面降水云系的分布进行讨论,为人工增雨飞行播撒作业提供科学依据。     

用雷达回波参量分析一次飞机人工增雨的播撒效果

应用潍坊气象台的地面雨量、雷达跟踪观测的不同时刻、不同层次的云体变化以及随飞机工作人员通过第一次的播撒与第二次播撒时在飞机上观测到的先水后冰的转化等结果，分析了１９９５年４月２２６潍坊西南部的一次飞机人工增雨播撒效果。结果表明，播撒后雷这回波参量发生了明显变化；随飞机观测有冰水转化产生；影响区内产生了地面降水，非影响区无地面降水。     

AgI焰剂对层状云催化的数值模拟

使用包含详细微物理过程的一维层状云全分档模式,并加入AgI焰剂催化方案,对2007年吉林省长春市一次层状云降水过程进行AgI播撒试验。分别选取云内过冷水含量峰值区(4000 m)、最大冰面过饱和度区(5000 m)和低温度区(5500 m)作为播撒试验区,播撒时间选择云体未充分发展阶段和充分发展阶段。结果显示,在同等播撒剂量下,地面降水对云内AgI播撒高度较为敏感。ST2方案模拟400 min后地面累计降水量增加10.4%。同等条件下,播撒时间越早,催化效果越佳。在充分发展的云体内播撒AgI焰剂,40 min后云内过冷水含水量减少70%以上,表明云内过冷水消耗量与地面雨强增加量之间具有良好的正相关性。4种播撒方案均显示,云内AgI主要靠凝华核化机制产生冰晶,而接触核化机制对AgI核化过程贡献较小。与未催化云体相比,催化后云内冰晶粒子总凝华速率增加明显。同时,地面雨强增加,最大雷达回波强度减小。地面水滴粒子谱分布显示,相比于未播撒时,各播撒方案均使直径400 μm左右的水滴粒子浓度增加1个数量级以上,而水滴粒子谱宽均略有下降,这表明AgI播撒后主要通过增加可降水粒子数量来影响地面降水强度和累计雨量,而对降水粒子谱型拓宽的贡献有限。     

AgI焰剂对层状云催化的数值模拟研究

使用包含详细微物理过程的一维层状云全分档模式,并加入AgI焰剂催化方案,对2007年吉林省长春市一次层状云降水过程进行AgI播撒试验。分别选取云内过冷水含量峰值区(4000m)、最大冰面过饱和度区(5000m)和低温度区(5500m)作为播撒试验区,播撒时间选择云体未充分发展阶段和充分发展阶段。结果显示,在同等播撒剂量下,地面降水对云内AgI播撒高度较为敏感。ST2方案模拟400min后地面累计降水量增加10.4%。同等条件下,播撒时间越早,催化效果越佳。在充分发展的云体内播撒AgI焰剂,40min后云内过冷水含水量减少70%以上,表明云内过冷水消耗量与地面雨强增加量之间具有良好的正相关性。4种播撒方案均显示,云内AgI主要靠凝华核化机制产生冰晶,而接触核化机制对AgI核化过程贡献较小。与未催化云体相比,催化后云内冰晶粒子总凝华速率增加明显。同时,地面雨强增加,最大雷达回波强度减小。地面水滴粒子谱分布显示,相比于未播撒时,各播撒方案均使直径400μm左右的水滴粒子浓度增加1个数量级以上,而水滴粒子谱宽均略有下降,这表明AgI播撒后主要通过增加可降水粒子数量来影响地面降水强度和累计雨量,而对降水粒子谱型拓宽的贡献有限。     

两次飞机增雨作业过程数值模拟分析

利用国家气象中心GRAPES业务模式耦合混合相双参数云微物理方案,对2010年12月15日的两次飞机人工增雨作业过程进行了催化数值模拟分析。分析得出:GRAPES模式基本能给出正确的中低层天气形势场和降水的动力结构,较大降水的落区和范围基本可信,降水强度较实况偏小;按照作业实况进行催化模拟具有一定的可信度,与实况降水在较强降水区域有较好的对应性;两次播撒都取得了增加降雨量的效果,24 h平均增雨量在3~5 mm,最大增雨量达7 mm,两次播撒后增雨作业区的累计降水总量较未播撒时增加约一倍;播撒有效时段在4 h内,播撒后1~2 h雨量增加最大,增雨区域初期与播撒区域一致,随时间延长而在播撒区附近扩散;第一次播撒时,播撒冰晶消耗液态水,转化成固态水,水汽流入速度加快,向液态水转化加快,液态水迅速恢复,未出现减雨现象;第二次播撒时,云中固态水争食水汽增长,液态水得不到补充,云中上升运动减弱,自然降水阶段出现减雨现象。     

碘化银播云的持续效应

澳大利亚进行播云试验地区及其附近地区降水记录的统计学考察强烈地显示出播撒的滞后效应。最明显的效应是增加了播撒日后1—3周的降水,从而使播撒成果的传统的统计学估算出现错误。通过与早期结果和地面播撒碘化银后冰核浓度持续增加的某些观测结果相比,可以说播撒的持续效应中包括了次生冰核的作用。如果是这样,那么次生冰核必定比碘化银本身能更有效地增加降水,因而推想可能有比迄今为止使用的方法更好的促进降水的方法。     

新疆准噶尔盆地冬季系统性降水研究Ⅱ．理论探讨

根据对北疆盆地冬季冷锋降水个例的观测分析，建立一个二维动力场给定、微物理时变的冷云模式。模式考虑了云水、云冰、雪、霰和水汽五种水元间16个微物理过程。本文用其研究了无扰动层状云、发生泡区和高空引晶自然播撒作用于层状云和飞机播撒层状云的降水发展过程，并用一维模式作一些模拟补充。模拟表明，无扰动层状云内液水丰富、冰粒子少，降水不充分。高空引晶自然播撒能大大加强层状云降水。低层发生泡既产生更多的云水又提供大量冰晶，对增加降水有双重作用。模拟得出各个过程中不同部位的各微物理过程相对重要性的时间演变，清楚地解释了观测发现的一些主要降水特征。对层状云飞机播撒同样能加强降水形成，播撒后主要增水区约10公里宽且有最大剂量限制。泡区人工播撒可进一步增加降水，而在自然播撒区再作人工播撒效果不好。     

华北地区一次积层混合云降水的数值模拟研究

利用WRF ARW中尺度数值模式对2009年4月18日华北地区的一次积层混合云系降水进行模拟。首先,对实况的天气形势和雷达反射率及垂直剖面进行分析;并通过垂直剖面对其流场结构概念图进行分析;然后,通过对比,模拟的自然降水分布与实测结果基本一致,模拟的雷达组合反射率和雷达反射率的垂直剖面与实测结果也基本一致;通过分析云中各要素的分布,了解了积层混合云系的微物理特征和动力特征;最后对积层混合云降水机制进行探讨。结果表明：积层混合云水凝物含水量分布不均匀,对流云和层状云相互粘连跨接,水平方向充分混合,雨水的大值中心、云水的大值中心及冰晶的大值区相互对应,存在播撒-供给机制。从动力场来看,在低层对流云区域垂直上升速度较大,高层对流云区域的旁侧有较明显的下沉气流,云区低层存在辐合,高层存在辐散,此种配置有利于维持云系的发展。积层混合云不仅在层状云区有层状云的简单的＂播撒-供给＂机制,或在积状云区有粒子群的循环增长机制,而且可以发生层云—积云间的粒子群交换。     

碘化银播撒对云和降水影响的中尺度数值模拟研究

通过在WRF (Weather Research and Forecasting) 中尺度天气数值模式中引入碘化银与云相互作用过程, 建立了中尺度播撒碘化银数值模式。研究了碘化银播撒对于中尺度对流天气过程中云和降水的影响, 研究了不同播撒部位、 播撒时间和播撒剂量情况下碘化银的扩散、 传输及其对云中水成物和降水量的影响。研究结果表明, 碘化银在云中的扩散传输过程与播撒的位置有很大关系, 在最大上升气流区播撒的碘化银能随着气流更快地扩散到云体上部过冷水含量丰富的区域, 播撒在云上层入流区和云下层入流区的碘化银扩散到云中过冷水区需要时间更长, 同时有大部分停留在云体边缘。碘化银能与云中过冷水相互作用, 消耗过冷水使云中冰晶数浓度明显增加, 从而使霰粒子转化减少, 过冷水更多地转化为雪粒子, 过冷水凝结释放出潜热使上升气流增强, 促进了对流发展。由于雨水含量的增加, 地面降水也出现增加。碘化银播撒率对地面降水量影响很大, 当播撒率为0.6 g/s时, 播撒对降水的影响时间超过4小时, 增雨的效果更好。播撒率为0.1 g/s时增雨效果不明显, 当播撒率为1.2 g/s 时, 对总降水可能出现抑止作用。对比碘化银播撒率为0.6 g/s时12小时地面增雨量, 在云上层入流区播撒碘化银试验中, 地面增雨量比对最大过冷水含量区的催化试验提高了48.7%, 最大上升气流区播撒试验增雨效果最好, 地面增雨量比在最大过冷水区域播撒提高了72.1%。     

多普勒天气雷达在低纬高原地区建立高分辨率降水资料场中的应用

利用昆明多普勒天气雷达资料、自动雨量站的降水资料以及TRMM/PR资料,对多普勒天气雷达在低纬高原地区建立高分辨率降水资料场中的应用进行了研究。结果表明：（1） 在低纬高原地区的降水云层的零度亮带的高度值变化较大,其最高值与最低值的差达到3 787.8 m,这在建立高分辨率降水资料场时是需要考虑的,选择雷达体扫复合仰角的PPI反射因子来进行雷达降水估测是比较合适的;（2） 在强降水和大面积中等强度降水的情况下,还需要考虑降水衰减的影响。通过试验发现：对于低纬高原地区雷达测量降水,使用迭代法对雷达衰减订正的效果比较好,其订正后的雷达反射因子明显高于雷达直接探测的反射因子,最大的订正差值超过了9 dBz;（3） 在雷达-自动雨量站联合校准中采用卡尔曼滤波方法对雷达测量降水的误差修正有明显的改进作用。     

雷达定量降水估计技术及效果评估

为提高雷达定量估测降水的精度,利用广东省6部新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)回波资料和雨量计降水量观测资料,采用概率配对法(PFT,Probability-fitting technique)建立Z-I关系进行单部雷达降水估测,并采用最优插值法(OI,Optimum Interpolation)对降水估计进行订正;为扩大降水估测的范围,对多部雷达的降水估计进行拼接,采取重叠区域以各部雷达的均方根误差平方的倒数作为权重系数(iω==1/RMSE(K)2/n∑i-1/RMSE(i)2)进行加权平均,并分别分析比较上述方法得到的降水估计与单纯OI雨量计及与雷达拼图回波强度得到的降水估计的优劣。以上各环节误差分析表明,对于单部雷达,雨量计降水强度与其上空9点平均的雷达回波强度关系最为密切;6部相同型号的雷达估测降水精度各异。交叉检验表明,OI雷达法对单部和多部雷达估测降水均可取得较好的校准效果;对于多部雷达的降水估测,单部雷达先分别进行OI订正后拼接,然后对重叠区再次OI订正的结果比直接对未订正的单部雷达降水估计拼接后统一做一次OI订正的效果好。多部雷达降水估计拼接时,前期对于单部雷达降水估计的订正尤为重要;多部雷达降水估计的拼接值精度要明显高于OI雨量计,而相比由雷达拼图回波强度得到的降水估计而言,前者也优于后者。因此,多部雷达降水估计的拼接方法,对雷达资料的应用有较好的参考价值,在业务上也有一定的应用前景。     

基于雷达—雨量计降水融合方法提高极端降水监测能力

高时空分辨率、高精度的降水产品对于极端降水的监测以及防灾减灾具有重要意义。地面雨量计提供点尺度降水精确观测,但无法精细化捕捉对流性强降水的空间分布。雷达观测可以精细地刻画降水的空间分布特征,但雷达定量估计降水（QPE,quantitative precipitation estimation）产品估测精度易受雷达观测偏差和Z–R（雷达反射率—降水率）关系等因素影响。因此,本文开展高时空分辨率的雷达—雨量计降水融合算法研究,集成雨量计观测和雷达定量估计降水产品各自的优点。该算法主要步骤包括:雨量站观测数据格点化、局地雨量计订正雷达QPE和雷达—雨量计降水融合三个部分。首先利用克里金插值方法,对雨量站观测的降水进行插值,得到格点降水信息;再通过局地雨量计订正方法系统性地订正雷达QPE产品,以提高雷达QPE产品精度;最后,结合降水类型,通过雷达—雨量计降水融合算法,产生高时空分辨率、高精度的雷达—雨量计降水融合产品。通过郑州“21·7”暴雨、台风“烟花”和2021年8月随州暴雨三个典型的极端降水个例,对雷达—雨量计降水融合算法产生的雷达—雨量计降水融合产品进行了系统地评估和分析。结果表明,在不同的极端降水个例和不同的降水时段,雷达—雨量计降水融合产品精度上优于雷达QPE产品,且在降水的空间分布上较雨量站观测格点插值产品更能精细地刻画降水的结构特征。表明算法得到的雷达—雨量计降水融合产品的准确性较高,对极端降水有较好地捕捉和监测能力。     

雷达与雨量计联合估测降水的相关性分析

在对比分析质量控制前后雷达估测降水量与自动雨量计降水量之间相关性的基础上,采用雷达-雨量计联合校准方法,对14种不同密度雨量计校准雷达估测降水的效果进行分析。结果表明:在使用雷达资料和雨量计资料前有必要对资料的质量进行分析与控制。联合雨量计校准雷达能明显提高雷达对降水的估测能力;采用不同密度雨量计校准雷达,随着校准雨量计密度的加大,雷达估测降水的精度不断提高并趋于稳定。校准雷达的效果及所需雨量计密度与降水类型有关,当校准效果相同时,积云强降水过程需要的雨量计密度最大,积混对流性降水过程次之,层云稳定性降水过程需要的雨量计密度最小。不同方法的校准效果不同,卡尔曼滤波方法适合于对稳定性降水的校准,或在雨量计密度低的地区对雷达进行校准;变分校准法和最优插值法的校准效果相当,适合对积混对流性降水的校准,或在雨量计密度高的地区对雷达进行校准。     

基于偏振雷达的积层混合云降水增雨潜力识别方法研究

本文统计分析了北京地区近三年的有效降水,重点研究了积层混合云降水特点并对其分类,发现积层混合云降水出现频次约占总降水次数的61%,其中积层混合云降水以积层连结型和水平混合型为主,二者之和占近80%。重点分析了积层混合云中对流和层云两种不同特点降水类型的宏微观结构,确立了反射率因子Z、温度T、粒子含水量M、催化剂AgⅠ（碘化银）活化率NE和粒子相态HTC（hydrometeor type classification）为人工增雨潜力识别指标及这些识别指标的取值范围,同时也根据研究现状和人工影响天气需求总结制定出人工增雨潜力等级。利用偏振雷达构建模糊逻辑识别算法对积层混合云三种降水类型进行增雨潜力区域识别研究,结果表明:（1）对于播撒碘化银增雨来说,积层混合云的增雨潜力区在垂直方向上可分为上、中、下三层,上层（增雨等级为“不适合”）和下层（零度层及以下）分别受含水量和温度等影响不适合增雨,中间层（增雨等级大于等于“等级一”）是可增雨区域;（2）积层混合云中层云区增雨潜力较小,对流云区可增雨潜力要远大于层云区,开式流场型与积层连结型可增雨潜力要大于水平混合型;（3）当降水云中识别出霰粒子时,其附近的大部分区域会有较好的增雨潜力。通过偏振雷达实例检验和数值模式模拟在积层混合云不同部位播撒碘化银催化试验发现,在增雨潜力较好的区域催化有很明显增雨效果,模拟试验结论与偏振雷达识别增雨潜力区结果也基本一致,说明基于偏振雷达的增雨潜力区识别方法和结果是具有参考意义的。     

我国Ka频段降水测量雷达机载校飞试验结果

2010年6—10月在天津与江苏地区开展了国内首次Ku/Ka频段星载降水测量雷达机载校飞试验。此次校飞试验获得了宝贵的机载雷达观测数据和地面、海面同步观测数据,目前已开展了外定标、数据对比与衰减订正等工作。该文给出了天津校飞试验中Ka频段降水测量雷达实测结果,对Ka频段降水测量雷达资料与天津地区S波段地基多普勒雷达资料进行了详细的对比分析,有利于更好地了解Ka频段降水测量雷达仪器本身的性能及其探测降水的能力;利用由GPS探空资料、地基多通道微波辐射计观测亮温结合微波辐射传输模式得到的雷达路径积分衰减量,对Ka频段降水测量雷达进行了衰减订正,为继续开展降水反演工作奠定了基础。     

客户端联网故障分析与解决

我国新一代天气雷达网建设即将成功,天气雷达在估测降水、人工影响天气方面会起到越来越重要的作用。本文介绍了天气雷达测量降水的基本原理并对其误差来源进行了分析,讨论了雷达估计降水的研究现状以及雷达测雨在水文中应用的前景及发展方向。     

结合毫米波雷达提取降水条件下风廓线雷达大气垂直速度的研究

风廓线雷达主要是利用大气湍流对电磁波的散射作用,在晴空条件下对大气风场等进行探测。在降水天气下,风廓线雷达能同时接收到大气湍流回波和雨滴的散射回波信号,其探测到的回波功率谱中降水信号谱和大气湍流信号谱叠加在一起,使得大气的运动被雨滴的运动信息所掩盖,给后续的大气风场反演带来误差。而毫米波云雷达在降水天气下仅能探测到云雨粒子的回波而无法探测到大气湍流回波,基于这一差异结合毫米波云雷达资料对风廓线雷达功率谱数据进行订正,剔除其中的降水回波信息,进而获取正确的大气运动垂直速度。通过一次典型弱降水天气过程的雷达资料对该方法进行了可行性验证,并将计算得出的大气垂直速度与传统双峰法提取的大气运动垂直速度及原始风廓线雷达垂直速度进行了对比分析,显示在弱降水天气下该方法能有效消除降水对风廓线雷达垂直速度测量的影响,提高弱降水天气下测速准确率,并且在湍流谱极其微弱的情况下该方法也能准确地获取到大气运动垂直速度信息。但是云雷达回波在降水时会有衰减,虽然是弱降水也会导致在高层距离库上的订正效果变差,故目前只适用于弱降水时低距库处的降水订正。      

利用卫星和雷达估计大暴雨

利用合肥、武汉和长沙雷达、云顶亮温TBB等观测资料,对2003年7月8日发生的大暴雨天气过程进行了联合估计。结果表明:联合估算降水很好地再现了这次降水过程;卫星估算降水很大程度上弥补了雷达估算降水在空间分布上的不足,但对特大暴雨在强度上估计不足,对中等强度的降水估计偏大;引入雷达对卫星估算降水进行联合估算,能很好地反映暴雨云团的中尺度结构特征,反演的降水场能很好揭示强降水过程的时空变化特征。     

基于气象卫星资料的天气雷达非降水回波消除方法

在分析天气雷达回波与卫星云图的基础上,利用"点对块"的匹配方式对雷达、卫星资料空间一致性进行处理,提出了基于气象卫星(Himawari-8)高时空分辨率资料的天气雷达非降水回波消除方法,并选取晴空非降水回波分布较广的华北、华中和长江中下游地区为研究范围,以地面气象观测的降水资料为标准,对降水和非降水条件下卫星资料红外亮温(TBB)特性值进行统计分析,得到TBB的概率分布,采用红外亮温阈值法进行天气雷达非降水回波的消除。选取2016年7月1—30日地面气象观测资料对该方法消除效果进行检验评估,该方法的正确识别率达88.5%。个例效果检验表明:该方法能够有效地识别消除大部分非降水回波,在基于现有天气雷达资料质量控制方法的基础上可进一步提高雷达数据质量;该方法对无云条件的非降水识别率较高,对降水回波误判率较低,但对有云条件下的非降水回波识别率较低。     

风云三号降水测量雷达技术性能分析

风云三号降水测量卫星主要用于台风等灾害性天气系统强降水的监测,并提供全球中低纬度地区降水的结构信息。降水三维结构的准确测量是通过风云三号降水测量卫星的核心载荷——双频降水测量雷达实现的。首先介绍了风云三号降水测量雷达的主要任务与探测能力要求,然后通过仿真技术对降水测量雷达距离分辨率、水平分辨率、扫描角度、天线旁瓣电平、测量精度、波束匹配精度等主要技术性能指标进行了详细的分析。最后,利用于2010年开展的降水测量雷达样机航空校飞试验评估验证了降水测量雷达的各项功能和主要性能参数。结果表明,风云三号降水测量雷达整体降水探测性能与全球降水测量卫星的双频降水雷达相当。