华北云特征参数与降水相关性的研究

利用河北省、河南省和山西省2013—2014年的每日10—15时逐时FY2E卫星反演得到的云结构特征参数和地面小时降水,统计分析了云顶高度、云顶温度、云光学厚度和云粒子有效半径等4类云结构特征参数与地面降水的关系。主要结论有:随着云光学厚度的增加,降水概率呈增加趋势。云光学厚度比其他云参数对降水更具有指示意义,当云光学厚度大于20时,降水概率显著增大。双参数、多参数组合下,对地面是否出现降水的判断和识别要优于单个云参数的判别结果。4类云参数中,云光学厚度与降水强度呈正相关关系,对降水强度的影响最为显著;云顶温度和云顶高度对降水强度的影响次之;云粒子有效半径与降水强度的关系不明显。地面降水时,当云光学厚度小于20或云光学厚度介于21—30、云顶温度大于-15℃时,出现小雨的概率最大;当云光学厚度介于21—30、云顶温度小于-15℃或云光学厚度大于30、云顶温度大于-30℃时,出现中雨的概率最大;当云光学厚度大于30、云顶温度小于-30℃时,出现大雨或暴雨的可能性最大。云光学厚度、云顶温度、云顶高度和云粒子有效半径等云结构特征参数组合使用,对判断降水概率和降水强度具有较好的指示作用。     

云特征参数与降水相关性的研究

利用FY2C卫星和探空反演得到的云结构特征参数,结合地面降水,研究了云顶高度、光学厚度、云粒子有效半径和云厚度等云结构参数与降水的关系,并分类研究了层状云和对流云在不同降水强度情况下,云参数的频数分布规律及其与降水的关系。结果表明：通常云厚大于5km、云底较低、云粒子有效半径较大时,地面易出现降水,若云顶高于10km、云光学厚度大于20且云中无夹层或夹层稀薄时,地面雨强多大于1mm/h;对于层状云降水,当云光学厚度大于17时,地面出现降水的概率较大,随光学厚度值增加,地面雨强呈增大趋势;对于对流云降水,云顶高度和光学厚度相关性较好,云光学厚度大于17且云顶高于7km时,地面出现降水的概率较大,当光学厚度大于20时,地面雨强明显增大;层状云和对流云的降水概率均随云顶高度和光学厚度的增加而增大,降水概率与云光学厚度的相关性更为密切,光学厚度小于10的云很难产生降水,而云光学厚度大于20时,层状云和对流云的降水概率都会显著增加;综合云体的高度、厚度和云光学厚度等云参量的组合特征,对分析判断地面降水落区和降水强度更加有效。     

利用卫星反演云参量分析一次人工消(减)雨作业过程

利用FY-2C卫星云参数产品分析了2008年8月8日北京消(减)雨作业过程。结果显示,同一时刻液水路径、云粒子有效半径、云顶高度、云顶温度的绝对值和云体过冷层厚度的大值区分布一致;作业前后液水路径、云粒子有效半径、云顶高度、云顶温度和云体过冷层厚度变化明显。     

青海省东部地区云特征参量与降水相关性分析

利用青海省东部地区2018年7—9月、2019年4—9月、2020年4—7月FY-2G卫星反演的云特征参量及地面小时降水数据,分析了云顶高度、云顶温度、云光学厚度和云粒子有效半径4种云特征参量对降水频率及降水强度的指示性。结果表明:(1)单云特征参量中,云光学厚度对降水频率指示性最强。中雨、大雨频率分别随云顶温度下降、云顶高度及云光学厚度增加呈明显增加趋势,而小雨频率随之呈减小趋势。(2)双云特征参量(云光学厚度和云顶温度)对降水频率指示性优于单云特征参量,降水频率随云光学厚度增加及云顶温度下降而增大。当云光学厚度为21~30且云顶温度大于0℃时,小雨频率最大。云光学厚度大于40且云顶温度为-45~-31℃时,中雨频率最大。云光学厚度大于40且云顶温度小于-45℃时,大雨频率最大。(3)三云特征参量(云顶温度、云光学厚度和云粒子有效半径)对降水频率指示性优于单云特征参量,但比双云特征参量降水频率指示性弱。     

一次飞机增雨作业的云参数变化响应分析

本文利用FY－2C静止卫星资料,以2013年5月8日四川盆地一次飞机增雨作业为例,反演了云顶温度、云顶高度、云粒子有效半径、液水路径、云光学厚度等云物理量参数,结合自动气象站资料和探空资料等,对此次飞机增雨效果进行了物理检验。结果表明:作业前,云顶温度－13℃,云粒子有效半径10μm,云体较厚,含有丰富的过冷水,具有较好增雨潜力;作业后,作业区云层增厚,云顶温度降低,云粒子有效半径增加至25μm,云顶冰晶化,冰水转化过程加快,产生了较多的降水,降水量增幅明显;作业后,对比区降水不充分,各云物理参数无明显变化。      

人工消(减)雨作业中卫星反演云特征参量变化

利用FY-2C静止卫星资料反演的云物理宏微观特征参数初步分析了北京2008年奥运会开幕式期间地面火箭消(减)雨作业的物理响应。对8月8日夜间作业较集中时段的云顶高度、液水路径和云粒子有效半径三个云参量的变化分析显示,地面大规模火箭作业对减弱或抑制云降水的形成和发展起到了一定作用。火箭作业及其携带入云的碘化银引晶作用,使作业区附近云顶高度明显下降,云体发展受到抑制;液水路径减少很多,表明空中云液水尤其是过冷水被大量转化。此外,过量引晶也促使作业区附近云粒子有效半径明显减小,不利于降水的形成。     

基于CERES资料的新疆云物理参数时空分布特征

利用2011—2020年ERA5再分析降水资料、CERES云物理参数产品，分析新疆云参数的时空变化分布特征，归纳总结云物理参数与降水的相关性，结果表明：1）云水路径（冰相）值、云粒子有效半径（冰相）、云光学厚度与降水量的空间分布一致，均为山区最大，北疆次之，南疆最小。2）夏季（6—8月）在南、北疆、山区云水路径（液、冰相）、云顶（底）温度、云光学厚度与降水量呈同位相变化；云粒子有效半径（液、冰相）、云顶气压与降水量呈反位相变化。3）夏季（6—8月）北疆、山区的云水路径（液、冰相）值、云顶（底）温度、云光学厚度，南疆云光学厚度与降水量呈正相关；北疆云粒子有效半径（冰相），南疆云粒子有效半径（液相）、云顶气压，山区云粒子有效半径（液、冰相）、云顶气压与降水量呈负相关。     

一次对流云团合并的卫星等综合观测分析

利用FY2C卫星观测反演得到的云物理特征参数,结合雷达、微波辐射计和地面雨量等资料,综合分析了2008年7月17日中国安徽一次强降水过程的云合并特征。结果表明：对流云团发展合并是这次强降水发生的主要原因,同一区域内FY2C卫星反演的云光学厚度、雷达回波以及地面降水的分布演变具有较好的一致性,强降水落区与云光学厚度大值区以及雷达强回波区基本对应;对流云团中的液水分布不均匀,以团块状结构为主,对流云团合并时,常先有云体上部（云顶）的合并,一旦云中不均匀的液水合并,合并部位的云光学厚度迅速增加,地面微波辐射计观测的整层液水含量跃增,地面将会出现强降水;一般降水增强之前云顶抬升,光学厚度增大;若云顶高但光学厚度较小时,地面降水一般不明显,光学厚度与降水的关系更密切;对流云团合并初期,云底由小粒子组成,T-re图上表现为深厚的凝结增长区域,合并时整层云粒子的有效半径增长明显,粒子相态达到混合相态区和冻结层的温度不断升高。     

2009年天津地区首场降雪过程分析

基于NCEP再分析资料、多普勒天气雷达产品与风云卫星云参数反演产品,对天津地区2009年的首场降雪过程进行了分析,研究表明:①造成此次降雪的主要天气系统是东移高空槽和地面倒槽;②降雪回波具备典型层云稳定性降水回波的特点,最强回波不超过35 dBz,伴随着降雪结束,回波顶高有所下降;③降雪过程云粒子有效半径数值维持在20μm,云体过冷层厚度、云顶高度较大,云顶温度在-30℃左右.随着降雪结束,云粒子有效半径、云体过冷层厚度和云顶高度数值逐渐减小,云顶温度则有所升高;④地面降水量和云粒子有效半径、云顶高度、云体过冷层厚度呈现正相关,与云顶温度呈现负相关.     

FY2C/D卫星反演云特性参数与地面雨滴谱降水观测初步分析

针对2008年4月11-12日一次北方层状云降水过程,将FY2C/D静止卫星反演的云参数和地面同时段的雨滴谱仪的观测资料进行联合分析,发现反演得到的一些特征云参数对地面降水有一定的指示意义:一般降水发生前,云系发展,云顶抬升,云顶温度和云黑体亮温都降低,云光学厚度增大,云参数先于地面降水变化,两者大概相差2小时。其中,云光学厚度与地面降水量和降水粒子数关系密切,其相关性比云顶高度、云顶温度和云黑体亮温的相关性都好;一般地面降水强,光学厚度一定大,若云层光学厚度较小,即便云顶发展得很高,地面几乎无降水或降水较小,但云光学厚度大时,地面降水强度并不一定都大,可能降水粒子数浓度大,地面多降毛毛雨。     

山东2009年10月降水气候背景及前期海温与大气环流特征

利用1951—2009年北半球500hPa高度、北太平洋海温、环流特征量、降水等资料,采用相关分析、合成分析、经验函数正交分解(EOF)、子波分析等多种统计技术,对影响山东2009年10月降水趋势的各种因素进行分析和研究。结果表明:山东10月降水大致存在3种降水分布型;在不同时间尺度的气候背景上,2009年10月山东基本处于一个少雨或由少雨向多雨转换的气候阶段;2009年春季加利福尼亚冷流的减弱,2009年6月开始的厄尔尼诺事件及6月起西太平洋副高持续的偏强、偏西、正常或偏南状态,各种指标均指示山东10月降水偏少的可能性大,预测与实况基本吻合。     

十一运会开幕式消（减）雨作业数值模拟研究

利用中科院大气所开发并发展的三维对流云模式对十一届全运会开幕式当天影响山东的对流过程进行了数值模拟和过量催化试验。结果表明模拟自然云与观测事实吻合较好;设计96组催化方案对该个例进行消(减)雨模拟试验、催化试验表明,在模拟云3.5km高度的最大过冷水含量中心引入3600.0g碘化银催化剂,连续催化消(减)雨效果较好(地面降水总量减少97.5%),此次模拟对比分析了模拟自然云与催化云,从微观上探讨了消(减)雨的基本原理,模拟所用催化剂量、催化部位与当天山东人影办的作业实际基本一致,对指导实际作业有一定的参考价值。     

低空冷式切变线引发区域性大暴雨成因分析

应用常规资料、自动站雨量资料、卫星云图及雷达资料,对2009年5月9-10日发生在鲁西北和鲁中北部的一次区域性大暴雨进行分析。分析发现,低层冷式切变线是引发大暴雨的主要系统,暴雨主要产生在低空冷式切变线右侧、西南低涡的东北象限以及低空急流的左前方,也是高低空急流耦合区。副高西侧的西南急流建立起从南海到华北中部的水汽通道,为大暴雨的发生发展提供暖湿空气和能量,使得低涡辐合加强,是低层切变线长时间停滞的必要条件。地面锋面气旋则是暴雨开始的启动机制,锋后东北冷空气与西南暖湿空气在山东上空交汇,促使对流发展和不稳定能量释放产生暴雨。在低层辐合、高层弱辐散的情况下,暴雨区低涡的涡动作用使得水汽块运动加强。多个对流单体合并形成的中尺度对流系统(MCS)经过大暴雨区,雷达回波表现为层状云为主的混合回波带,说明对流并不旺盛。     

Microphysical characteristics of precipitating cumulus cloud based on airborne Ka-band cloud radar and droplet measurements

在积云中,大多数云粒子的直径在7到10微米之间,而在层云中,大多数云粒子的直径不超过2微米.云滴有效半径与云中行星边界层(PBL)及PBL上层的气溶胶数浓度(Na)呈负相关.在1500米以上的高液态水含量区域,云滴浓度(Nc)变化不大,Na含量降低.高雷达反射率对应于大的FCDP云粒子浓度和小的气溶胶粒子浓度.积云中的...     

A cloud optical and microphysical property product for the advanced geosynchronous radiation imager onboard China's Fengyun-4 satellites: The first version

Fengyun-4 (FY-4), the latest collection of Chinese geostationary meteorological satellites, monitors the Eastern Hemisphere with high spatiotemporal resolutions. This study developed a cloud optical and microphysical property product for the Advanced Geosynchronous Radiation Imager (AGRI) onboard the FY-4 satellites. The product focuses on cloud optical thickness (COT) and cloud effective radius (CER) using a bi-spectral retrieval algorithm, and also includes cloud mask and phase using machine learning (ML) algorithms as prerequisites for COT and CER retrievals. The ML-based algorithm develops four independent models using Random Forest methods for cloud mask, liquid water, ice, and mixed-phase/multi-layer clouds, respectively. A two-habit ice and sphere water cloud model are employed to give their optical properties. Look-up tables of cloud reflectance in the COT and CER sensitive channels are built for efficient forward simulations, and the retrieval is performed by an optimal estimation algorithm. Compared with collocated active observations, the cloud mask and phase results give true positive rates of ∼95% and ∼85% and are more sensitive to mixed-phase clouds. Meanwhile, the AGRI-based COT and CER agree closely with those given by the collocated MODIS and AHI cloud products, and the correlation coefficients between MODIS and the AGRI results are 0.76 and 0.63 for COT and CER, respectively. The COT and CER retrievals will be persistently maintained and improved as the operational product for FY-4/AGRI.摘要风云四号作为中国新一代静止气象卫星, 提供了高时空分辨率的监测产品. 本文介绍风云四号搭载的先进地球同步轨道辐射成像仪AGRI的云光学和微物理特性产品. 该产品包含了基于双光谱通道反演的云光学厚度和云粒子有效半径产品, 以及基于机器学习的云识别和云相态产品. 与时空匹配的主动卫星观测结果对比显示, 该产品的云识别和云相态的准确率分别在95%和85%; 该产品提供的云光学厚度和云有效粒径与经典的MODIS产品的相关系数达到0.76和0.63. 团队将持续优化和更新该云光学和微物理特性定量产品, 服务风云四号卫星定量应用.     

鲁南地区一次暴雨天气过程的数值模拟

利用常规观测资料以及中尺度数值模式的模拟结果,对2009年8月17—18日山东南部罕见暴雨天气过程成因进行了分析。结果表明:暴雨是受副热带高压、高空西风槽和地面倒槽共同影响产生的;低层强盛的偏南气流建立起水汽通道,把水汽源源不断地向暴雨区输送,同时山东上空低层高温高湿,能量升高,形成上干冷、下暖湿的对流性不稳定层结;强降水产生时,暴雨区上空存在较强的中β尺度系统,该系统具有强而窄的垂直上升运动、上下垂直的辐散辐合结构和强烈的对流不稳定等特征。     

Revisiting the size of nonspherical particles recorded by optical array probes with a new method based on the convex hull

In recent years, the Cloud Imaging Probe (CIP) and Precipitation Imaging Probe (PIP) produced by Droplet Measurement Technologies (DMT) have been introduced by a number of meteorological research and operation centers in China. The supporting software provided by DMT, i.e., PADS (Particle Analysis and Display System), cannot output detailed information on each individual particle, which definitely limits the in-depth utilization of cloud and precipitation particle image data in China. In this paper, particle-by-particle information was extracted by decompressing the CIP and PIP original particle image data, based on which a new definition of the dimension for nonspherical particles is proposed by using the area of the convex hull enclosing a particle to obtain the equivalent diameter of a circle with equal area. Based on the data detected during one flight in Inner Mongolia, the particle size distribution obtained using the new particle size definition and that used by the other four existing definitions are compared. The results show that the particle number concentration calculated using different particle size definitions can vary by up to an order of magnitude. The result obtained based on the new particle size definition is closest to that calculated with the area-equivalent diameter definition.摘要 国内许多气象部门已引进美国DMT公司的云粒子图像探头 (CIP) 和降水粒子图像探头 (PIP) . 由于其配套软件不能输出逐个粒子的详细信息, 在很大程度上限制了对云降水粒子图像探测数据的深入挖掘. 通过解析CIP和PIP原始数据, 提出了一种基于包围粒子凸多边形的面积求取粒子尺度的新定义. 利用在内蒙古的一次航测数据, 对比分析了基于新定义及已有的四种粒子尺度定义求取的粒子尺度谱分布.     

The development of a powerful Mongolian cyclone on 14–15 March 2021: Eddy energy analysis

Intense and extensive dust, caused by a strong Mongolian cyclone, hit Mongolia and northern China on 14–15 March 2021. In this study, the development process of this cyclone is analysed from the perspective of high-frequency eddy energetics. During the low-frequency circulation field of early March of 2021, an amplified polar vortex intruding towards central Asia and a ridge straddling eastern and northeastern Asia worked in concert to comprise a strong baroclinic zone from central Asia to Lake Baikal. Under these favourable conditions, on 13 March, a migratory trough triggered the Mongolian cyclone by crossing over the Sayan Mountains. The downwards transfer of kinetic energy from the eddy at 850 hPa played a key role in the intensification and mature stage of the cyclone. This mechanism was primarily completed by the cold air sinking behind the cold front. The frontal cyclone wave mechanism became crucial once the cyclone started to rapidly develop. The authors emphasize that the anomalously large growth of high-frequency available potential energy, which characterized this super strong cyclone, was obtained by extracting energy first from the time-mean available potential energy and then from the low-frequency available potential energy. The interannual temperature anomaly pattern of “north cold south warm” facilitated the additional time-mean available potential energy, and the temperature anomaly pattern of “northwest cold southeast warm” conditioned the extra low-frequency available potential energy. The analysis results suggest that the interaction between high- and low-frequency waves was also important in the development of the intense cyclone.摘要2021年3月14-15日, 强蒙古气旋引起的大范围强沙尘天气袭击了蒙古国和中国北方地区. 本文从高频涡动能量学的角度分析了这一超强气旋的发展过程. 2021年3月初, 加强的极涡向中亚伸入, 并与横跨东亚和东北亚的一个大型脊协同作用, 由此形成了从中亚到贝加尔湖地区的强大斜压带. 在这一有利的低频环流条件下, 3月13日一个移动性小槽越过萨彦岭后触发了蒙古气旋. 850 hPa涡旋动能的下传在气旋的加强和成熟阶段起到了关键作用. 而这一机制主要由冷锋后侧的冷空气下沉过程完成. 一旦气旋开始快速发展, 锋面气旋波机制就变得至关重要.我们强调, 高频涡动有效位能是首先从时间平均有效势能中提取能量, 然后从低频有效位能中汲取能量而剧烈增长的, 这正是该超强气旋的鲜明特征. “北冷南暖”的近地面温度气候异常型为时间平均有效位能的增多和向高频涡动有效位能的转换提供了条件, 而“西北冷东南暖”的温度异常型则有利于低频有效位能的增加和向高频涡动有效位能的转换. 分析结果表明, 高低频波之间的相互作用对蒙古气旋的增强也很重要.