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。      

锡林郭勒盟2020年6月21—22日飞机人工增雨作业个例分析

文章利用常规观测资料、NCEP再分析资料、自动气象站观测资料和锡林浩特多普勒天气雷达产品等分析了2020年6月21—22日锡林郭勒盟一次明显降雨天气过程,以及飞机人工增雨作业效果。结果表明:(1)在天气形势和作业条件适宜的情况下,对系统云系播撒催化剂,促使大量的人工冰核迅速形成冰晶,使云中过冷水转化为降水。(2)飞机人工增雨作业后,作业区及下风方向的降水回波强度稳定或加强,回波面积明显扩大。(3)自动气象站雨量观测资料分析得出,飞机人工增雨作业使得飞机作业区及下风方向区域的降水范围及降水量均增大,增雨效果能维持3～6 h。(4)在有利的天气背景下,K指数为22～28℃,SI指数为0～2℃,比湿为8～12 k·kg-1,云顶温度在-15～-50℃,飞机人工增雨作业时间段内,云体较厚,含有丰富的过冷水,这种低能量高湿度且有较厚云体,具备了好的增雨潜势,适于开展飞机人工增雨催化作业。     

一次西风槽系统的云微物理结构分析

对１９９１年４月１６日影响河北地区中南部的一次西槽天气过程形成的降水性层状云微物理结构进行了分析。结果表明，降水主要发生在层状云的中上层，存在可供催化的过冷层和过冷水，但云体下层的供水云较薄，云底偏高，不利于降水的发展；实施人工增雨作业后，云层微结构出现相应变化（云滴和雨滴含水量增加，滴谱拓宽等）作业区与影响区雨量普遍增加，并与催化时间相吻合，这些可能与人工影响有关。     

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%。     

新安县人工增雨效益评估办法

根据作业云回波面积和强度的变化，可定性判断人工增雨是否有效。对有效增雨，可根据高炮有效控制半径，计算出影响面积；根据作业区样本点作业后比作业前的降水平均增量和对比区样本点作业前后雨量平均变化量，可确定作业区平均增雨量（mm）；根据增雨量，可计算出影响区增雨质量，并由此计算出经济效益。     

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。     

新安县人工增雨效益评估办法

根据作业云回波面积和强度的变化,可定性判断人工增雨是否有效。对有效增雨,可根据高炮有效控制半径,计算出影响面积;根据作业区样本点作业后比作业前的降水平均增量和对比区样本点作业前后雨量平均变化量,可确定作业区平均增雨量(mm);根据增雨量,可计算出影响区增雨质量,并由此计算出经济效益。     

内蒙古中部地区一次飞机人工增雨效果检验分析

利用卫星、雷达、区域自动气象站雨量等资料,运用区域对比分析方法,对2016年5月23日内蒙古中部地区一次飞机增雨作业天气进行效果分析。分析结果发现:在作业前云顶温度-8℃,云粒子有效半径16.28μm,过冷水较丰富,具有一定的增雨潜力;作业后各项云参数、雷达参数以及地面降水量均有所增长;而对比区各项云参数在作业前后变化不明显或减小,地面降水量有明显下降趋势。因此认为该次增雨作业是一次较为有效的增雨作业过程。     

高纬地区一次飞机人工增雨作业综合分析

利用现代化人机交互气象信息处理和天气预报制作系统(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System,M ICAPS)常规数据、全球/区域同化预报系统耦合中国气象科学研究院的复杂云微物理方案(Global/Regional Assimilation and Pr Ediction System_Chinese Academy of M eteorological Sciences,GRAPES_CAM S)云模式产品及卫星数据反演产品等资料,基于云降水精细分析系统—东北版(Cloud Precipitation Accurate Analysis System_North East,CPAS_NE)平台,对2016年5月24日黑龙江省一次飞机人工增雨作业过程进行了分析。结果表明:在高空冷涡和地面低压的共同影响下,人工增雨作业目标区云层较厚、过冷层厚度较厚,且具有一定量的过冷水,同时雷达显示存在大面积片状层状云回波,具有较好的增雨催化潜力,云带深厚且垂直累积液态水含量较高时段为最佳增雨作业时段。人工增雨作业区与对比区的催化效果物理检验表明,作业效果在地面降水量方面表现明显,而雷达回波变化较小,卫星反演产品中作业区的黑体亮温温度降低较快、云顶温度有所下降、云顶高度略降低,宏观物理检验表明此次人工增雨作业催化效果较好。人工增雨作业后过冷层厚度降低表明催化剂消耗了云中的过冷水,光学厚度增加表明过冷水滴迅速增长成大滴,粒子有效半径在作业中降低表明催化剂在消耗云中的云粒子,利用反演的微观物理参数检验了此次飞机人工增雨催化作业的过程。     

卫星遥感人工增雨作业条件 II:层状云

通过卫星多光谱资料的定标,利用可见光反射率、3.7 μm和11 μm辐射亮温,反演了云顶粒子有效半径、云顶温度等云特征参数.运用图像合成技术,建立了反映云宏、微观特征的RGB合成图.利用发展的多光谱云微物理综合分析方法,通过极轨卫星分析了不同过冷层状云及其降水特征,结合增雨假设,总结出适宜人工增雨作业的卫星判据为:云厚大于1.5 km,云顶温度-5～-15℃时,有效半径小于25 μm;或云顶温度-15～-25℃时,有效半径小于15 μm.利用可见光反射率、云顶温度和有效半径多阈值建立人工增雨播云等级和分级显示.通过静止卫星跟踪云系演变,进一步确定播云部位和作业时机,指导人工增雨作业.     

利用FY-4A卫星反演产品对飞机增雨作业的分析

本文利用FY-4A卫星反演的云降水微物理特征参数,分析了2018年10月8日的一次飞机增雨前层状云的微物理结构和特征参数变化,得到四川盆地秋季层状云增雨潜力区的分布,结果表明:①此次作业过程,四川盆地大部分地区覆盖中低云,局部有高云,中低云含有丰富的过冷水,云底粒子较小10～15μm,主要通过凝结过程增长;②此次作业过程,云系随时间的演变特征为从中午到傍晚,云层加厚,云顶升高,粒子有效半径增长,有大片过冷水区,但是缺乏大滴和冰晶,降水不充分;③在无高云配置下,中低云区产生的地面降水较小,而有高低云共同配置和粒子有效半径较大的地区,降水更为充沛;④利用统计检验中的区域对比分析、双比分析和区域历史回归分析方法对本次飞机增雨进行分析后表明,对具有丰富过冷水区的中低云进行人工引晶后,绝对增雨量分别为1.81mm (对比分析)、1.26mm (双比分析)、1.69mm (区域历史回归分析)。利用FY-4A卫星反演方法能够提供云和降水高时空分辨率的物理特征参数演变,丰富了云和降水宏微观物理信息,为人工增雨判别增雨潜力区和准确把握增雨时机提供了一种新的方法。      

湖南秋季积层混合云系飞机人工增雨作业方法

统计分析2007—2016年秋季湖南省长沙市地面气象观测资料、湖南省飞机人工增雨作业资料, 得到湖南省秋季积层混合云系的降水分布情况、一般结构特征和相应的飞机增雨作业方法。使用多普勒天气雷达、GRAPES_CAMS数值模式和中小尺度气象站网等资料对典型作业天气过程进行云降水物理和数值模拟分析, 采用成对对流云和基于TREC算法的回波跟踪等方法进行作业效果评估。归纳得到湖南省秋季积层混合云系人工增雨作业条件判别的12个宏微观指标, 探讨在使用运7飞机、碘化银烟条作业装备条件下, 开展飞机增雨作业的最佳催化时机、部位和剂量。针对积层混合云系中的降水性层状云系、积云对流泡, 飞机增雨适宜作业的区域、播撒高度和催化剂量:在过冷高层云的-15~-5℃层, 播撒达到30 L-1的人工冰晶浓度; 在过冷积云的-15~-7℃层, 静力催化使冰晶浓度达到30 L-1或动力催化达到100 L-1。这些方法在实践中取得了较好的人工增雨作业效果。     

基于飞机真实轨迹的一次层状云催化的增雨效果及其作用机制的模拟研究

层状云降水效率通常较低,但却具有较高的云水资源开发潜力,是人工增雨作业的重要对象。随着中国南方地区生态改善、水库增蓄、抗旱等社会需求的增加,针对这些地区降水云系的人工增雨研究显得愈发重要。使用三维中尺度冷云催化模式,对2018年10月21日湖北省一次层状云飞机人工增雨作业过程进行了数值模拟研究,并将模拟结果与卫星、降水和机载云物理观测数据进行了对比。模式合理地模拟出了云和降水的主要宏、微观特征,观测和模拟结果均显示作业云区具有较好的冷云催化条件,在此基础上,按照实际作业中的飞机播撒轨迹,完整地模拟了此次催化作业过程。对数值模拟结果的分析表明:凝结冻结核化和凝华核化是碘化银催化剂的主要核化方式;90%以上碘化银粒子的局地活化比为0.01%—2%,平均活化比为0.07%—0.27%;云系降水是由冷云降水和暖云降水两种机制共同作用的结果,催化作业使两种降水机制均有增强,增雨效果明显;催化后4 h,整个评估区内的累计净增雨量为2.12×108 kg,局地增雨率为?51.1%—306.7%,区域平均增雨率为8.1%;催化作业也使部分地区出现减雨,主要是由于催化过程中的潜热释放引起过冷层动力场扰动,一部分云区的上升气流减弱,从而导致降水粒子的成长减弱,地面出现减雨;在过冷云区,碘化银核化使冰晶浓度升高,导致冰晶-雪、雪-霰的转化过程增强,雪、霰粒子总量增加,更多的雪、霰粒子从冷区落入暖区,在暖区上层产生更多的大雨滴,从而使暖区的云雨粒子碰并过程增强,最终地面降水增加,这是此次催化作业导致增雨的主要微物理链条。      

河北春季一次飞机人工增雪的综合分析

2013年4月19日,河北省人工影响天气办公室在河北中南部地区根据云系特点首次采用多层次水平催化和垂直验证的方式对层状云进行人工催化和探测。本文利用机载仪器所取得的飞机探测资料,结合实时天气、卫星、雷达、探空和雨量观测资料,分析了河北春季层状云增雪作业的技术指标,探讨了航测微物理参量和卫星、雷达、探空等资料在作业中的应用。结果表明：云在发展期雷达回波由15 dBZ逐步上升到25-35 dBZ,卫星反演的云顶高度、云顶温度、有效粒子半径、光学厚度等都有增加;云在中后期有效粒子半径、光学厚度、液水路径迅速下降,雷达回波同时减弱。在高度3 177-5 723 m之间过冷云滴达100-700个/cm^3,含水量在0.01 g·m^-3左右,最大0.081 g·m^-3,云粒子主要在此增长,形成降水粒子,该区间适宜催化。作业后,影响区内云体发展,雷达回波增强,出现35 dBZ强回波,且强回波中心扩大;卫星反演的云顶高度、光学厚度等比对比区有明显增加。     

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。     

山西省2008—2010年64架次飞机云物理观测结果分析

利用山西省2008—2010年64架次云结构的飞机探测资料,结合地面观测和卫星数据统计分析了层状云系的宏微观特征。结果表明:降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,层状云要达到降水,云的厚度要达到近2000m;粒子尺度分布云粒子有效半径要达到10~14μm,降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0.03g/m3,中云含水量垂直方向上平均为0.05g/m3,;避光高层云-层积云、雨层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上500m附近,其最大值分别为0.61,0.42g/m3;透光高层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上300m附近,其值为0.28g/m3;云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20、30μm的粒子含水量较高,对云中液态水含量的贡献较大,降水粒子主要由20、30μm的粒子转化;降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显,也是分层的。高层主要是冰相粒子,是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在4个典型温度层的观测中,液态含水量、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同。     

河北省一次降水云系云物理结构的飞机探测研究

利用机载粒子测量系统资料、天气雷达和Ka波段云雷达资料,分析了2017年5月22日河北省一次低槽冷锋降水过程积层混合云的微物理结构。结果表明:降水云系出现在低槽槽前西南气流中,积层混合云为大范围的层状云系中镶嵌大量对流云核结构,0℃层高度位于3577—4004m,随降水过程发展0℃层高度降低,嵌入的对流加强将抬升云顶高度。云内粒子浓度随云内对流的发生和加强而提高,云粒子浓度从1.8×10^5L^-1上升至5.0×10^5L^-1;云内过冷水含量大幅提高,从0.05g·m^-3上升至0.60g·m^-3,冷云中上层过冷水含量可长时间维持在0.20g·m^-3,中上层过冷水占比达60%。对流发生和加强可提高冰晶粒子增长速度,弱对流区冷云低层出现冰晶粒子浓度爆发增长区,强对流区冷云中上层成为冰晶粒子浓度快速增长区;最大降水粒子直径从8000μm增长至10000μm以上,直径在10000μm以上降水粒子谱分布区域从云底向中上层拓展。     

一次典型降水层状云的结构特征和增雨潜势分析

利用FY-2C卫星资料、雷达资料和逐时降水资料及NCAR/NCEP(1°×1°)再分析资料,对2005年9月24-25日河南省出现的层状云降水过程进行了分析。结果表明:影响降水过程的是低槽—切变云系,切变线云系为暖云云系,结构较均匀,低槽云系主体为冷云,云顶亮温不均匀,有低亮温带结构,当东移的低槽云系与北抬的切变线云系叠加后,叠加区上有中小尺度云团活动,促使降水加强。强降水出现在700 hPa、850 hPa切变线之间及500 hPa低槽前部,并与云顶亮温的发展变化趋势表现出相似性;500 hPa槽前、700 hPa切变线北侧的降水,雨强与亮温值的对应关系不确定。这主要是由于低槽云系和切变线云系的叠加部位不仅具有深厚的湿层,而且具有较强的动力抬升和水汽辐合条件;切变线北侧处于低空辐散区且水汽条件较差,自然降水产生的条件不是很好。最后借助于FY-2C卫星资料反演的云物理参数,对低槽—切变云系的增雨潜势进行了简要分析,认为低槽—切变云系上云顶温度较高的部位符合“播云窗”概念,具有很好的增雨潜势,切变线北侧的低槽云系由于云顶温度低、低空水汽不充分,“播撒—供应”机制不能很好地建立,其增雨潜势条件也弱。     

河南省人工增雨飞机云微物理探测设计

人工增雨是一项研究型业务,飞机外场作业、探测是它的重点,只有根据一定目的方案设计下才能体现探测、作业资料的研究价值。根据河南省人工增雨作业、探测分析研究的需要并结合行业专项飞机探测,探讨了5种云微物理探测目的及相应飞机探测设计:1典型锋面云系垂直剖面结构探测;2降水性层状云垂直结构探测;3人工增雨催化作业效果检验飞行探测;4云中过冷水探测;5催化剂在云中的扩散及其物理响应的探测。以2013年3月25日飞机人工增雨探测为例,探讨了飞行探测人工增雨的催化作业效果检验。