强雷暴个例云内闪电与上升气流及液水含量关系的三维数值模拟

利用建立的三维闪电数值模式,模拟研究了北京2001年8月23日一次强雷暴发展过程中的云内闪电通道特征及其与上升气流和液水含量（LWC）之间的关系。结果发现：在强雷暴发展过程中,由于雪晶往往在上升气流相对较弱及LWC较低的地方形成、发展,与霰粒子之间的非感应起电过程首先发生在这些区域,然后发生电荷分离。因此,云内闪电往往在上升气流较弱和LWC相对较低的区域触发。闪电触发后,上行先导延伸区域的LWC较小,而下行先导延伸区的LWC取决于强风暴云发展的阶段。强风暴成熟期发生的闪电,下行先导可以延伸到较大LWC区,而无法延伸到LWC最大区。强雷暴衰退期发生的闪电,下行先导可以延伸到LWC最大区。     

降水条件下的云雷达与微波辐射计反演液态水含量对比分析

为了发展云雷达与微波辐射计联合反演液态水含量的方法, 利用2019年4—9月中国气象科学研究院在广东龙门开展的综合观测试验中的双波段云雷达和微波辐射计数据, 首先检验了在降水条件下微波辐射计天顶观测和斜路径观测两种探测模式反演温度(T)、相对湿度(RH)、液态水含量(LWC)和液态水路径(LWP)的合理性, 然后分析了两种探测设备反演LWC和LWP的差别。得到以下结论: (1)微波辐射计在斜路径观测模式下反演的产品受降水影响较小, 其反演结果明显优于天顶观测模式; (2)两种探测设备反演的LWP相关性较好且随时间变化较为一致, 但云雷达反演LWP与平均回波强度有明显相关, 随着雷达回波强度的增大, 云雷达与微波辐射计反演的LWP之比越大; (3)两种探测设备反演的LWC相关性较差且存在明显偏差, 在不考虑融化层的情况下单波段云雷达反演LWC与微波辐射计随高度变化趋势相近, 双波段云雷达反演LWC与微波辐射计反演结果在1 km及其以上区间存在明显差异。      

内蒙古中部地区一次典型层状云的云微物理结构特征分析

文章利用机载云粒子探测设备对2020年9月13日在内蒙古地区探测获得的一次云飞行个例资料,通过分析云内微物理结构特征发现飞机在爬升阶段和下降阶段云滴数浓度(N_c)和液水含量(LWC)存在明显的起伏,说明云系在垂直方向不均匀,同时发现云内的N_c与LWC的变化趋势较为一致,云滴有效半径(ED)最大值出现在4000～5000 m高度附近,显示在该高度区间为云滴尺度增长的主要部位;分析云滴谱发现,小粒子段谱线高于大粒子段,是由于云内主要为凝结增长过程,小云滴的增长速度远快于大云滴;同时由于云内上升气流作用,在3500 m以上存在LWC和ED随高度逐渐增大的趋势且存在峰值,因此云滴谱显示高层尺度较大的云滴多于低层;并且通过对云滴谱离散度(ε)的计算,讨论ε与N_c的关系发现,在N_c较高时ε出现整体收敛,并且随着LWC的增大,ε与N_c的负相关关系逐渐明显。     

云雷达联合微波辐射计反演混合性降水层云液态水含量的方法研究

单独利用云雷达反演液态含水量(LWC)廓线,由于降水粒子与冰相粒子的影响,反演结果误差较大。单独利用微波辐射计反演LWC廓线,由于无法得到云的垂直结构,结果也不理想。在云雷达联合微波辐射计反演暖云LWC廓线方法的基础上,根据回波强度区分云滴粒子与降水粒子,根据温度区分云滴粒子与冰相粒子,建立粒子分布模型,提出了利用云雷达回波强度数据与微波辐射计液态水路径数据(LWP)联合反演混合性降水层云LWC廓线的算法,基于2014年6月6日与7日两次混合性层云降水个例,联合反演LWC廓线,分析了该联合反演算法的稳定性和合理性,结论如下:(1)与直接用单一Z-LWC经验关系的方法相比,根据联合反演算法,剔除回波强度中的冰相粒子信息,区分云滴粒子和降水粒子,并采用不同Z-LWC经验关系的方法更加合理。(2)影响联合反演算法的7个参数(非降水粒子Z-LWC经验关系的系数a_1与b_1等)中,降水粒子Z-LWC经验关系系数a_2与b_2的改变对联合反演算法结果影响稍大,偏差在20%~30%左右,而其他参数的改变对结果的影响很小,偏差小于5%,联合反演算法的稳定性较好。(3)联合反演得到的LWC廓线与微波辐射计输出的LWC廓线相比,廓线分布更为合理。     

Variation Characteristics of Regional Synchronous Wind in Hami, Xinjiang of Northwest China

From several towers in Hami, Xinjiang of Northwest China, built by the national wind power resources professional observation network, we selected three towers with synchronous 10-min average wind speed data for one year(May 2011–April 2012) under strict quality control. The towers are located where large-scale wind power development is projected. We analyzed the frequency and variation of extreme wind speed at low wind condition(LWC), rated wind condition(RWC), and cut-out wind condition(CWC), which may significantly impact the electric power grid configuration in large-scale wind power development. The correlation between duration and frequency of LWC/RWC/CWC is obtained. Major findings are: 1) The frequency of CWC is the lowest among all conditions, its synchronous rate at all three towers tends to be zero, and the frequency of LWC is always greater than that of RWC. 2) Among the three towers, the synchronous rate of RWC steadily increases with height, and LWC differs little between different levels. The synchronous rate of LWC concentrates in winter, while that of RWC mainly occurs in spring and summer.Diurnal variation of LWC/RWC during the entire year is significantly different. 3) During the study year,the longest durations of synchronous LWC and RWC among the three towers are up to 640 and 700 min,respectively. The duration and frequency of LWC/RWC can be quantitatively well described by a logarithmic function. Consequently, the synchronous rates of LWC and RWC over any duration in the region can be easily calculated by using the fitting function equation from observed data. These results are of value to the planning of large-scale wind power transmission and grid dispatching in this area.     

华北一次积层混合云微物理和降水特征的数值模拟与飞机观测对比研究

为考察云数值模式中的云物理方案和对实例云物理和降水过程的模拟能力, 本文将中尺度数值模式(WRF)模拟的华北地区一次积层混合云的微物理结构特征、降水过程与国家科技支撑计划重点项目环北京地区三架飞机联合云探测实验数据以及雷达、地面降水观测数据进行了深入的比较和验证研究。结果表明:WRF 模式能够较好地模拟出此次积层混合云的云系演变、雷达回波和降水分布特征。对比结果是:(1)模式模拟的云中液态水浓度(LWC)与飞机观测值具有较好的一致性, 在3℃ 层, 飞机观测的LWC 最大值为0.8 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为0.78 g m-3, 两者接近;在－8℃ 层, 飞机观测LWC 最大值为1.5 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为1.1 g m-3, 模拟值偏小;在－5℃ 层以下, 模式能够准确模拟云中水凝物的垂直分布, 包括融化层的分布, 模拟的水凝物质量浓度与实测吻合。而对固态水, 在－6～－10℃, 由于模式中雪粒子凇附增长过程较大, 聚合过程发生的高度偏高, 导致模式模拟的固态水凝物质量浓度高于实测值, 说明模式在雪粒子增长过程的处理方面有待进一步改进。(2)在云粒子谱参数方面, 在－8℃ 层, 由于模拟的雪粒子质量浓度偏高, 所以模式计算的粒子谱的截距和斜率都小于飞机观测值, 模拟偏小;在－5℃ 层, 两者比较接近;在3℃ 层, 由于云中小粒子浓度逐渐减少, 所以模式计算的斜率接近观测值, 但是截距大于观测值, 说明模式降水粒子谱参数的描述方案有待改进, 模式中谱形参数μ 不应一直设置为0, 而是应该随着高度变化而变化。     

Comparison of Liquid Water Content Retrievals for Airborne Millimeter-Wave Radar with Different Particle Parameter Schemes

In the application of the physical iterative method to retrieve millimeter-wave radar liquid water content(LWC) and liquid water path(LWP), particle parameter scheme is the main factor affecting retrieval performance. In this paper, synchronous measurements of an airborne millimeter-wave radar and a hot-wire probe in stratus cloud are used to compare the LWC retrievals of the oceanic and continental particle parameter scheme with diameter less than 50μm and the particle parameter scheme with diameter less than 500μm and 1500μm(scheme 1, scheme 2, scheme 3, and scheme4, respectively). The results show that the particle parameter scheme needs to be selected according to the reflectivity factor when using the physical iterative method to retrieve the LWC and LWP. When the reflectivity factor is less than-30 d BZ, the retrieval error of scheme 1 is the minimum. When the reflectivity factor is greater than-30 d BZ, the retrieval error of scheme 4 is the minimum. Based on the reflectance factor value, the LWP retrievals of scheme 4 are closer to the measurements, the average relative bias is 5.2%, and the minimum relative bias is 4.4 %. Compared with other schemes,scheme 4 seems to be more useful for the LWC and LWP retrieval of stratus cloud in China.     

湛江地区近海岸雾产生的天气条件及宏微观特征分析

利用2011年2～3月广东省湛江市东海岛雷达站观测得到的12次雾过程中雾滴谱、能见度、边界层风温场资料以及常规气象资料,对沿岸海雾发生时的天气系统进行分类,分析了雾发生时的气象条件、边界层特点、微物理特征等,并对典型个例进行讨论。总结发现:海雾易出现在低压前部、高压后部和冷锋前部等天气形势下;雾过程中,地面以偏东风为主,高空以偏东、偏南风为主;雾滴数浓度(N)的平均值变化范围为170～372 cm-3,液态水含量(LWC)为0.018～0.170 g m-3,平均半径为1.71～3.28 μm。选取了一个典型个例来研究典型天气形势下海雾宏微观特征,该过程发展初期以核化凝结为主,在水汽不充足时,大量的雾滴凝结核争食水汽,使得N增加而平均半径几乎不变。根据自动转化阈值T可以看出,成熟时期碰并效率增加,大滴端数密度增加,滴谱拓宽。结合边界层气象要素演变分析发现,在夜间急流显著时,不利于雾滴生长,LWC较低;而高空风速较小,逆虚温较强可能是消散阶段平均半径出现跃增的原因。雾滴谱呈双峰分布,且瞬时谱符合Gamma分布;液态水含量与消光系数、有效半径呈正相关关系,相关系数分别为0.95和0.97。     

利用微雨雷达研究伊宁地区一次大雨过程的雨滴谱垂直演变特征

基于伊犁河谷伊宁站内布设的微雨雷达(MRR)、地面OTT-PARSIVEL雨滴谱仪以及雨量筒观测资料,针对2019年9月30日伊宁地区一次大雨过程,对比检验MRR数据的可靠性,在此基础上探究降水不同时期MRR的微物理量垂直分布特征。结果表明:3种仪器观测的降水量较为接近、变化趋势一致,MRR观测的近地面35、70和105 m高度层雨强与OTT-PARSIVEL雨滴谱仪的观测值有较好的相关性,决定系数分别为0.9233、0.9289和0.9186,且当雨强低于3 mm·h~(-1)时,MRR与雨滴谱仪的雨强拟合收敛程度更高。不同雨强阶段,雨滴谱的垂直分布存在差异。低雨强阶段,降水初期环境湿度较低、蒸发较大,MRR的雷达反射率因子Z、液态水含量LWC及雨强R_i随高度降低而减小;降水中期,环境湿度较大、蒸发较小,Z、LWC、R_i随高度变化不大;降水末期,空中水汽和动力条件供应不足,靠近地面R_i明显减弱。中、高雨强阶段,粒子下落速度W较为稳定,而Z、LWC、R_i受雨滴间碰并作用影响较大,整体随高度降低而增大。此次大雨过程主要以小雨滴为主,其平均数浓度占总数浓度90%以上,且随高度降低而减少;中雨滴对雨强的贡献最大,不同雨强阶段的贡献率均在60%以上,且随高度降低而增大;大雨滴数浓度占比及对雨强的贡献均最小。     

飞机试飞的自然结冰潜势预测及检验评估

自然结冰试飞是运输类飞机合格审定必须实施的高难度、高风险试飞科目，需要在环境温度、云中液态水含量（LWC）和云滴中值体积直径（MVD）满足条件，含有大量过冷水的环境中完成规定的飞行动作。利用2020年3月16日、26日及27日阎良机场国产某大型运输机自然结冰试飞的地面、高空、卫星、雷达和机载探测等多源观测资料，对3次自然结冰试飞气象条件进行了对比分析，并验证了李佰平等改进的自然结冰潜势算法有效性。结果表明：改进的自然结冰潜势算法对于结冰区域的预报较为准确，但在结冰强度预报上需进一步优化。西风系统因水汽条件不足，结冰气象条件较南支系统要差。高空冷空气未到达试飞区域前，云中环境温度偏高，结冰强度较弱；冷暖空气交汇的区域，LWC较高，MVD较为合适，结冰较强。研究结果对未来在阎良机场开展运输类飞机自然结冰试飞的窗口期和空域选择、协同指挥保障均具有参考意义。     

Characteristics of Quasi-Periodic Oscillations During Sea Fog Events

Based on the high-resolution datasets collected in a sea fog field experiment at the northern coast of South China Sea, the variations of liquid water content (LWC) and net longwave radiation flux (NLRF) during two sea fog events on 16th-17th and 18th-19th March, 2008 are exaimeed by wavelet analysis, and the cooling mechanisms for fog formation and persistence are also investigated. The main results are shown as follows. (1) Sea fog may develop and persist whether it is cloudy or not aloft. However, when there is cloud aloft the LWC is less and wind speed in sea fog is higher than that in the clear sky. (2) The quasi-periodic oscillations (QPOs) of NLRF are observed in the formation stage of the two fogs. QPOs of LWC are only found in the developing stage no matter with cloudless or cloudy condition. (3) It is likely that sea fog forms by the cooling effects of longwave radiation and develops through the vertical mixing induced by the radiative cooling at the upper level. (4) During sea fog development and persistence, other mechanisms could also play important roles in fog-layer cooling, such as turbulent heat transport and radiation transport between air-sea interfaces.     

西南地区不同类型云的云水含量时空分布和变化趋势

利用NASA/CERES发布的L3级云资料,选取西南地区(云南、贵州、四川、重庆)2001~2010年水高层云、水雨层云、水层积云、水层云的云水含量数据,研究了该区域4种类型云的年和季节云水含量时空分布特征和变化趋势。结果表明:(1)4种类型云的年和季节云水含量均在海拔低的地方偏多,海拔高的地方偏少。重庆、贵州云水含量高于云南、四川;(2)水雨层云年和季节云水含量最大,其次为水层云和水高层云,水层积云云水含量最少;(3)近10 a来,整个西南地区4种类型云的年平均云水含量均呈递减趋势;(4)4种类型云的云水含量秋季高于春季;(5)春季,中云(水高层云、水雨层云)云水含量既有增加区域,也有减少区域,低云(水层积云、水层云)云水含量呈递减趋势;秋季,中云、低云云水含量均为递减趋势;水雨层云和水层云年和季节云水含量的递减趋势最显著。     

基于ERA-Interim资料的中国天山山区云水含量空间分布特征

利用欧洲数值预报中心(ECMWF)发布的第一代全球分辨率ERA-Interim再分析数据,分析了1979—2014年天山山区水汽含量和云水含量的空间分布特征。结果显示:(1)水汽含量的高值中心出现博罗科努山迎风坡,中心值域在10~11 mm之间,低值区位于天山中部的巴音布鲁克附近,中心值域在5~6 mm之间;夏季水汽含量最丰富,在8~11 mm之间。(2)云液水含量的高值区出现在博格达山北坡,而云冰水含量的高值区在西天山海拔较高的托木尔峰地区,低值区均在伊犁河谷等海拔低的地区;夏季云液水含量、云冰水含量均呈减少趋势,云冰水含量较云液水减少得更为明显,下降速率为0.28×10-3 g·kg~(-1)/10 a;(3)垂直分布上,云液水含量在600 h Pa左右的高空出现高值区,中心最大值为10×10~(-3) g·kg~(-1);云冰水含量的高值区则出现在500 h Pa左右的高空,为11×10~(-3) g·kg~(-1);在对流层大气中云冰水含量值远大于云液水,且云冰水发展的高度较云液水更高。     

天山山区水汽和云水含量的空间分布特征

利用欧洲数值预报中心(ECMWF)发布的第一代全球分辨率ERA-Interim再分析数据,分析了1979～2014年天山山区水汽含量和云水含量的空间分布特征。结果显示：(1)水汽含量的高值中心出现在伊犁河谷地区,中心值域在10—11kg m-2之间,低值区位于天山中部的巴音布鲁克附近,中心值域在5—6kg m-2之间;夏季水汽含量最丰富,在8—11kg m-2之间。(2)云液水含量的高值区出现在博格达山北坡,而云冰水含量的高值区在西天山海拔较高的托木尔峰地区,低值区均在伊犁河谷等海拔低的地区;夏季云液水含量、云冰水含量均呈减少趋势,云冰水含量较云液水减少的更为明显,下降速率为0.28kg kg-1/10a;(3)垂直分布上,云液水含量在600hpa左右的高空出现高值区,中心最大值为10kg kg-1;云冰水含量的高值区则出现在500hpa左右的高空,为11kg kg-1;在对流层大气中云冰水含量值远大于云液水,且云冰水发展的高度较云液水更高。     

Aircraft Measurements of Cloud–Aerosol Interaction over East Inner Mongolia

To investigate the potential effects of aerosols on the microphysical properties of warm clouds, airborne observational data collected from 2009 to 2011 in Tongliao, Inner Mongolia, China, were statistically analyzed in this study. The results demonstrated that the vertical distribution of the aerosol number concentration(N_a) was similar to that of the clean rural continent. The average aerosol effective diameter(D_e) was maintained at approximately 0.4 μm at all levels. The data obtained during cloud penetrations showed that there was a progressive increase in the cloud droplet concentration(N_c) and liquid water content(LWC) from outside to inside the clouds, while the Nawas negatively related to the Ncand LWC at the same height. The fluctuation of the N_a, Ncand LWC during cloud penetration was more obvious under polluted conditions(Type 1) than under clean conditions(Type 2). Moreover, the wet scavenging of cloud droplets had a significant impact on the accumulation mode of aerosols, especially on particles with diameters less than 0.4 μm. The minimum wet scavenging coefficient within the cloud was close to 0.02 under Type 1 conditions, while it increased to 0.1 under Type 2 conditions,which proved that the cloud wet scavenging effect under Type 1 conditions was stronger than that under Type 2 conditions.Additionally, cloud droplet spectra under Type 1 conditions were narrower, and their horizontal distributions were more homogeneous than those under Type 2 conditions.     

基于ERA-Interim资料的青海省空中云水资源评估

利用ERA-interim再分析资料分析2009—2018年青海省云液水含量和云冰水含量时空分布特征。结果表明:青海省云液水含量和云冰水含量自西北向东南逐渐增多,玉树南部、果洛东南部和祁连山区为云水资源较为丰富的地区,夏秋季节云水资源最为丰富,可达60～70 g·m~(-2)。从云水资源的垂直分布来看,云液水含量和云冰水含量随海拔高度增高呈先增多后减少的变化趋势,云液水含量在海拔4～6 km高度较多,云冰水含量在海拔7～8 km高度较多,云冰水含量峰值所在高度高于云液水含量峰值所在高度。夏秋季节,青南高原云液水含量和云冰水含量垂直变化幅度大,柴达木盆地云液水含量和云冰水含量垂直变化幅度小。从年际变化趋势来看,2009—2018年青海省大部地区云液水含量、云冰水含量呈增多趋势,且秋季增多趋势最为显著。从月际变化看,云液水含量和云冰水含量9月最高,1月最低。柴达木盆地云液水含量和云冰水含量的月际差异最小,东部农业区云液水含量月际差异最大,青南高原云冰水含量月际差异最大。     

基于CloudSat/CALIPSO资料的海陆上空中云的物理属性分析

利用CloudSat和CALIPSO卫星云产品数据分析了2007年1月至2010年12月中国华北(陆地A1)、日本海(近海A2)和太平洋地区(远海A3)的中云(高积云Ac和高层云As)分布特征.3个地区全年中云平均发生概率近1/3,As的发生概率高于Ac.As高度主要位于4～8 km,Ac则集中于高度3.5～5.5 km范围,中云垂直及水平尺度从陆地向深海逐步增加.位于对流层中部的中云其所处位置温度使冰晶和过冷水状态的液态水能够同时存在.统计结果表明As中冰态粒子含量占绝对多数,Ac中液态和冰态各占比例彼此相当.As与Ac中IER(冰晶有效粒子半径)分布与高度均呈负相关关系,IER谱分布主要范围为35～80 μm.As中LER(液水有效粒子半径)与高度呈正相关特征,但Ac中这一特征明显减弱,Ac及As中LER主要分布范围为5～15 μm.As及Ac中IWC及LWC谱分布比较分散,与高度之间的相关性亦不明显.     

风电场风机叶片覆冰气象条件及覆冰模型研究进展

随着我国风电行业的快速发展，覆冰已经成为严重威胁风电场安全稳定运行的因素之一，针对这一问题，国内外学者陆续开展了相关研究。综合现有研究成果，从覆冰概况、研究方法分类、影响覆冰的因素、风机叶片覆冰期特点等方面做了总结。大量的研究成果显示：影响风机叶片覆冰的气象因素主要为环境温度、相对湿度、风速、液态水含量（Liquid Water Content,LWC）和体积中径（Median Volume Diameter,MVD）等。此外，冰风洞试验和数值仿真模拟方面已有很多成果，而覆冰模型法的研究还较少，后续研究的重点是开展对高分辨率数值预报产品的订正研究，构建适用于本地的风机叶片覆冰模型，为风电场提前预警覆冰期以采取融冰措施、合理安排生产等提供科学参考。     

回流天气系统层状云的非均匀性

利用一次回流天气过程的PMS资料,从微物理结构上对回流天气系统层状云的不均匀性进行了分析,发现飞机在进入较强降水云带时,云物理量(液水含量、云滴浓度、云滴平均直径,温度)等会产生剧烈变化,表现为液水含量跃增、云滴浓度快速增大、云滴谱谱宽拓宽、温度下降等,在同一较强云带中,温度变化不大并且比周围低,较强降水云带冰晶含量丰富,自然催化较好。     

云参数的两种地基雷达反演方法对比研究

云微物理参数是研究云物理过程和云辐射效应的基础。采用35 GHz的Ka波段毫米波云雷达的IQ数据,处理得到功率谱数据,进行了云微物理参数的反演,并且与云雷达和微波辐射计的联合反演方法进行了对比。个例研究表明:(1)层状云的云滴数浓度(N_0)典型值在80～100个/cm~3;有效半径R_e(Effective Radius)在15～25μm之间;液态水含量LWC(Liquid Water Content)在0.01～1 g·m~(-3)之间;(2)利用功率谱进行反演,可以消除空气运动的干扰,提高了反演结果的可靠性;(3)反演结果的对比分析表明,功率谱反演方法和联合反演方法有较好的一致性,两种方案都适用于水云微物理参数的反演。