基于对流云/层状云划分的云分析方法改进

本文基于实况融合降水和雷达反射率因子,采用模糊逻辑法提出了一个新的对流云/层状云判别方法,进而改进了GSI（Gridpoint Statistical Interpolation）同化系统中的云分析方案（简称CUST方案）。以2019年6月19日影响浙江的一次梅雨过程为例,利用WRF（Weather and Forecast Research）模式与GSI同化系统开展了逐小时循环同化试验,分析了CUST方案对降水的模拟改进作用和可能影响过程,并与其他方案进行了对比,探讨了CUST方案的应用效果。结果表明:（1）新提出的CUST方案可较为准确地划分对流云和层状云,以此作为判别因子改进GSI同化系统中的云分析方案切实可行。（2）CUST方案在对流区域采用对流云分析方案,在非对流区域采用层云分析方案,减小了单纯对流云方案在非对流区域的空报现象、以及单纯层云方案在强对流区域的漏报现象,有效提升了短时降水的模拟能力。（3）CUST方案对模式起报初期（6 h甚至3 h内）的改进效果较为明显,且对小雨量级的改进幅度要大于大雨量级。（4）与基于地表感热和潜热通量确定的对流尺度速度作为对流判据的混合云分析方案（简称CSW方案）相比,CUST方案基于实况资料划分的对流云/层状云更为合理,模拟的降水结果占优,说明CUST方案方法有较好的应用前景。     

地面降水诊断方程对降水过程的定量诊断

降水, 尤其是强降水 (暴雨), 对国家经济发展、 社会建设以及人民生活影响巨大, 然而由于同降水相关的物理过程非常复杂, 因此, 对降水的研究与预测十分困难。过去有关降水的研究大多关注水汽及水汽辐合 (输送) 的影响, 对与降水有关的水汽收支研究较多。Gao et al.(2005a) 率先将大气中水汽和云中水凝物 (云水、 雨水、 云冰、 雪及霰等) 的变化方程结合起来, 得到一个地面降水诊断方程, 从而可以将与降水有关的大气中水汽和云的演变过程在同一框架下定量地分析研究。本文利用一套21天长度的热带云分辨尺度模拟资料, 通过计算地面降水诊断方程中的局地水汽变化、 水汽辐合辐散率、 地面蒸发率以及云的变化率等各项, 分析了这些物理过程对降水的贡献, 指出局地水汽和云的变化率、 水汽辐合率, 地面蒸发率等均对地面降水有重要贡献。区域平均资料分析表明, 若水汽辐合与局地大气变干共存, 则产生强降水; 若存在水汽辐合但局地大气增湿或者存在水汽辐散但局地大气变干, 则引起中等强度降水; 若水汽辐散与局地大气增湿共存, 则造成弱降水。将降水划分成对流和层状降水进行分析发现, 对流降水率一般大于层状降水率, 水汽辐合是对流降水最主要的水汽源, 而局地大气变干则是层状降水最主要的水汽源。区域平均局地大气变干主要发生在降水性层状云区, 而最强的局地大气增湿则发生在对流云区和晴空区; 最强的局地云的消散发生在层状云区, 而最强的局地云的发展发生在对流云区。     

垂直探测雷达对北京地区夏季降水分类统计北大核心CSCD

基于风廓线雷达谱参数(回波强度、速度和谱宽)提出降水云分类方案,将降水分为浅对流、浅层状云、深对流、深层状云和混合型五种类型,其中浅对流和浅层状云降水属于暖雨范畴而深对流、深层状云和混合型降水属于冷雨范畴。并且利用此分类方案对2012年和2013年夏季(5-10月)北京延庆地区降水天气类型进行了分类统计。结果表明,暖雨是北京夏季降水的一个重要组成部分,占26%,其降水比例为17%;冷雨过程占74%,降水比例为83%。北京夏季以混合型降水为主占47%,其次是层状云占43%,对流性降水最少,占10%;对流性系统造成的降水最显著,其次是混合型降水,层状云对降水的贡献最小。对各种降水类型的特征归纳得到:浅层状云降水的谱参数随高度变化均不明显,总体比较平滑;浅对流性降水变化比浅层状云降水强烈,在3 km处增大明显,且降水出现次数随高度下降迅速增多;深对流性降水谱参数分布广泛,特别是谱宽,比其他类型都宽且高空存在宽谱区;深层状云降水回波呈现出统一的亮带分布,速度和谱宽在零度层附近出现强梯度区;混合型降水兼顾对流性和层状云降水特征,其回波分布跟深对流性降水类似,速度和谱宽分布跟深层状云降水分布类似。     

层状云结构和降水机制研究及人工增雨问题讨论

总结了层状云及其降水物理研究的部分成果。在此基础上, 讨论了层状云人工增雨的几个问题, 提出用常规观测资料判断人工增雨条件的方法。具体结果如下:层状云结构是不均匀的。层状云系在垂直方向上具有分层结构。“催化—供给”云是降水性层状云的典型结构, “催化—供给”云相互作用是导致降水的主要过程。按微观结构可以将降水性层状云分成3 层:冰相层、冰水混合层和液水层。冰相层是催化云, 冰水混合层和液水层是供给云。层状云降水过程研究表明, 对应于层状云或“催化—供给”云的3层宏观结构, 发生着不同的微物理过程, 粒子形成和增长过程也不同。冰相层的冰晶和雪, 凝华是其主要增长方式, 其次是雪与冰晶的聚合过程;雪(或聚合体)落入冰水混合层后, 继续通过凝华增长或贝吉龙过程增长, 同时撞冻过冷云水增长, 有部分冰雪晶通过撞冻增长而转化成霰。在液水层, 雪(或聚合体)霰开始融化, 同时收集云暖区云水增长。冰相粒子的撞冻增长过程和凝华增长过程相比同样重要。层状云各层对降水的贡献不同。一般而言, 对于“催化—供给”云, 催化云对降水的贡献低于30%, 供给云在70%以上。在以上研究的基础上, 讨论了层状云人工增雨的问题。(1)“催化—供给”云结构有利于云水转化成降水, 只有冰相层、冰水混合成和液水层相互“配合”, 才能形成有效降水。可以将“催化—供给”云作为层状云人工增雨催化的结构条件。(2)要选择降水形成以冷云过程为主的层状云催化, 冰面饱和水汽量和过冷水含量要大些。(3)层状云人工增雨原理应该补充。降水形成不但经历贝吉龙-芬德森过程, 冰水混合层的聚合和撞冻增长也是十分重要的过程。过冷水对于降水的形成非常重要, 但冰面饱和水汽量对降水的形成也同样重要。最后, 结合层状云的研究成果, 提出用常规探测资料判别层状云人工增雨催化条件的方法:利用卫星云图和雷达回波判别“催化—供给”云的结构, 用雷达RHI 回波(在距离高度显示器上的回波)判别降水机制和液水层。       

一次东北冷涡云降水垂直结构特征分析

利用辽宁阜新国家站(121.7458°E,42.0672°N)的毫米波云雷达(8 mm)和微雨雷达(12.5 mm)对2020年8月12-13日东北冷涡影响下的一次降水过程进行了观测,分析了云降水的垂直结构特征并探讨了降水机制。结果表明：本次过程中,云水平方向发展不均匀,以层状云和层积混合云为主,云内有时还嵌有对流泡。云降水阶段性变化明显,先后出现了层状云降水、层积混合云降水和对流云降水。层状云降水和层积混合云降水均表现出明显的亮带特征,但层积混合云降水的雷达回波强度、回波顶高和降水强度明显大于层状云降水。对流云降水的雷达回波会因强降水而产生明显衰减,因此回波顶高不能表示出实际的云顶情况。层状云降水阶段,云雷达反射率随高度降低增长缓慢,雨滴在下落过程中受蒸发和碰并的共同作用,反射率降低。与层状云降水相比,层积混合云降水的碰并效应强,且由于前期降水对近地面的增湿作用,使云下蒸发弱。对流云降水阶段,反射率的增长主要发生在冰水混合层,有利于大滴的产生,拓宽了云滴谱,提高了碰并效率。     

垂直探测雷达对北京地区夏季降水分类统计

基于风廓线雷达谱参数(回波强度、速度和谱宽)提出降水云分类方案,将降水分为浅对流、浅层状云、深对流、深层状云和混合型五种类型,其中浅对流和浅层状云降水属于暖雨范畴而深对流、深层状云和混合型降水属于冷雨范畴。并且利用此分类方案对2012年和2013年夏季(5-10月)北京延庆地区降水天气类型进行了分类统计。结果表明,暖雨是北京夏季降水的一个重要组成部分,占26%,其降水比例为17%;冷雨过程占74%,降水比例为83%。北京夏季以混合型降水为主占47%,其次是层状云占43%,对流性降水最少,占10%;对流性系统造成的降水最显著,其次是混合型降水,层状云对降水的贡献最小。对各种降水类型的特征归纳得到:浅层状云降水的谱参数随高度变化均不明显,总体比较平滑;浅对流性降水变化比浅层状云降水强烈,在3 km处增大明显,且降水出现次数随高度下降迅速增多;深对流性降水谱参数分布广泛,特别是谱宽,比其他类型都宽且高空存在宽谱区;深层状云降水回波呈现出统一的亮带分布,速度和谱宽在零度层附近出现强梯度区;混合型降水兼顾对流性和层状云降水特征,其回波分布跟深对流性降水类似,速度和谱宽分布跟深层状云降水分布类似。     

低层对流嵌入到高层云系的模拟研究

嵌有对流的层状云系兼有两种云的特征并且降水效率较高, 具有重要的研究意义。本文结合观测资料, 利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecast)模拟了2010年7月1日发生在东北地区的一次大范围强降水天气过程, 并对其中两个较典型的嵌入对流个例进行了详细分析。分析发现这两个嵌入对流都是由低层对流嵌入到高层云系所形成, 其中由对流云和位于其正上方的层云所形成的嵌入对流发展更加旺盛并给地面带来更强降水。以这两个个例为基础, 通过其与模拟区域内的普通对流云和层云相比较发现:相对于孤立对流云, 嵌入对流内的对流云生命期更长、低层水汽辐合更强、云内液水含量更大, 不稳定能量更多集中在低层;而在液水含量相当的两个嵌入对流中固态水含量的不同对降水强度影响较大;另一方面, 在嵌入对流发展的过程中嵌入对流内层云的垂直尺度扩大、含水量增加、降水强度增强, 从降水机制来看其云内固态和液态水含量都随嵌入对流发展逐渐增大, 而单纯层云内的上述变化均不明显。     

基于CloudSat资料的青藏高原地区云微物理特征分析

青藏高原云物理特征的认识对高原天气和气候的研究有重要意义。利用2006年6月—2011年4月的CloudSat卫星资料,分析了青藏高原地区云的总云水路径、液态水路径、冰水路径及雷达反射率的分布特征,并对高原与东亚降水云的垂直结构进行对比,得到如下结论:(1) 总云水路径的大值区分布在高原西南坡、东南部及高原中部低值区分布在昆仑山脉、祁连山脉及其以北地区;暖季大于冷季;(2) 高原南部及东部为液水路径大值区,以液相云为主;高原中部、北部及西部为冰水路径大值区,以冰相云为主;(3) 雷达反射率的垂直分布主要介于-27～17 dBz,集中在3～9 km;云粒子群随高度先增大后减小,在4 km高度的大小和浓度最大;暖季云高大于冷季,对流活动旺盛;(4) 高原与东亚降水云的结构不同,季节变化也与东亚有差别。(5) 雷达反射率在近地面层随纬度的增大减小,垂直方向的递减率是暖季小于冷季;(6) 冷季的高原上与周边相比为丰水区,南坡的冰水路径与低层雷达反射率大值区对应,表明南坡阻挡作用促进云中冰粒子的形成。      

内蒙古西部地区降水云宏观特征

基于自动站降水、雷达回波、卫星云图等资料,挑选2017及2018年内蒙古西部地区49次降水过程,利用L波段探空、风云卫星反演以及降水数据分析该地区降水云、无降水云与临近降水云的宏观结构。超过80%的样本统计结果显示降水云云底高度小于等于3.0 km,云顶高度大于等于8.0 km,云层厚度大于等于6.0 km,云夹层数小于等于2且夹层厚度小于等于0.6 km,云夹层分布稀疏。云光学厚度和液水路径作为降水云的指标判据具有一定的优势,近70%的样本表明,降水云光学厚度大于等于20,液水路径大于等于100 g·m~(-2)。一般降水易发生在高光学厚度和高液水含量区及光学厚度大于等于55和液水路径小于等于500 g·m~(-2)的降水云区。     

FY-2/D卫星反演的云特征参数与地面降水的相关分析

利用中国气象局人工影响天气中心研发的云参数卫星反演系统反演得到的产品,结合地面自动站观测资料,对2009年9月19—20日降水过程的云参数及地面雨量进行对比分析。结果发现:云顶高度、云顶温度、过冷层厚度和云光学厚度对本次降水过程指示性不强,而云粒子有效半径及云液水路径对降水有较好的指示作用,且云液水路径指示作用更强,二者的变化超前于地面降水30min到1h;云液水路径及云粒子有效半径大值区与地面雨量的大小呈正相关,云液水路径值大于400g.m-2及云粒子有效半径大于27μm区域与地面雨强中心位置基本一致。掌握云参数的演变规律,有助于监测、识别大范围人工影响天气作业条件和分析可播区。     

"催化-供给"云降水形成机理的数值模拟研究

利用含有详细微物理过程的一维层状云模式模拟,研究了2002年4月5日冷锋降水性层状云云系中"催化-供给"云的微物理结构、降水粒子形成的环节和微物理过程,并从降水形成的环节和云的结构分析人工增雨的条件.结果说明,"催化-供给"云具有显著的分层结构:云内高层是冰晶,下层是雪,接下来是霰和过冷云水组成的冰水混合层,最下方是云中暖区的液水层.作为催化云层的冰水层对降水的贡献约25.5%,冰水混合层为31.3%,液水层为43.1%,亦即供给云对降水的贡献约74.4%.具有"催化-供给"云结构的层状云降水形成的主要环节是:冰晶通过凝华增长转化成雪,雪撞冻过冷云水、收集冰晶和凝华增长转化形成霰,霰靠撞冻过程、收集雪过程长大,从而形成可以降落到云的暖区融化形成雨水的粒子,它对降水的贡献较大.凝华和撞冻增长过程是冰粒子增长的主要物理过程,也是雨水产生的重要过程."催化-供给"云体系是重要的人工增雨条件,云中水汽对雨水形成的贡献与过冷云水几乎相当,与过冷云水一样,水汽也是人工增雨的重要条件.     

基于TRMM卫星资料的江西一次大暴雨过程降水结构特征

利用热带测雨卫星(TRMM)的降水雷达(PR)和微波成像仪(TMI)连续2个轨道的探测结果,分析了2013年6月26—29日发生在江西省北部地区的中尺度降水过程不同降水阶段的降水水平结构、雨顶高度、降水廓线的变化特征。结果表明,此次降水过程由强对流云降水逐渐演变为对流性较弱的层状云降水。对流云降水阶段降水系统由成片层状降水云团中分布的多个零散强对流降水云团组成,降水分布不均匀,强对流云降水对总降水量的贡献大。层状云降水阶段,层状云中强对流单体消失,对流云降水像素及对流云降水率对总降水量的贡献减少,降水雨强谱变小,降水高度逐渐降低,云体高层降水量减少。对流云降水和层状云降水廓线存在差异,最大降水率出现的高度越高且中高层降水量越大,降水的对流性则越强。     

庐山层状云和对流云雨滴谱比较分析

本文从庐山近3 a的雨滴谱观测资料中选取数例层状云降水和对流云降水个例,通过对两类云降水的平均雨滴谱分析拟合、各微物理量演变以及速度谱的对比研究,得出以下结论:庐山对流云降水的平均雨滴谱很宽,有直径大于10 mm的大雨滴出现。Γ分布,对层状云降水拟合,较MP分布差,而对对流云降水拟合,较MP分布好。两类云降水的雨强变化都是由最大雨滴直径和粒子数浓度共同决定的,但对于对流云降水,最大雨滴直径的决定作用更为重要。雨滴直径较小时,两类云降水的实测速度大于经验公式值;而雨滴直径较大时,实测速度值分布在经验公式曲线两侧,但对流云降水的分布偏差要大于层状云降水。     

地基微波辐射计探测空中水个例分析

为了解层状云降水天气过程中水汽、液水含量的变化 ,在西安地区利用双波长地基微波辐射计进行空中水汽、液态水的连续探测。通过对 2 0 0 3 - 0 9- 1 7的层状云降水天气过程跟踪探测 ,分析得到空中水汽、液水含量的变化特征 :在降水开始前 5 h,水汽、液水含量出现低值段     

一次拖曳型飑线过程雨滴谱演变特征研究

利用Thies激光雨滴谱仪观测资料和CINRAD/SA多普勒雷达观测资料,分析了2017年7月18日一次典型中纬度拖曳型飑线过程不同发展阶段雨滴谱和积分参数的演变特征,主要结果为：1）成熟飑线回波包括对流带、过渡区和拖曳层状云区三部分,对流带前侧不断有对流带生成并合并到主对流带中,使得对流带的前沿具有强的反射率因子,并且有多个雨强大值中心。2）垂直穿过飑线对流带,雨强增加阶段有较少的小粒子（直径小于1 mm）和特大粒子（直径大于5 mm）,以及较低的雨滴浓度和反射率因子,而雨强减弱阶段有较多的小粒子和特大粒子,以及较高的雨滴浓度和反射率因子;飑线加强阶段,雨滴谱有较大的峰值直径（0.44 mm）、较多的大（直径大于3 mm）和特大粒子,而飑线减弱阶段,雨滴谱有较小的峰值直径（0.19 mm）、较少的大粒子。3）对流带、过渡区和层状云降水雨滴谱的Gamma谱三参数N0、μ、λ随雨强增大有明显的分层特征,相同雨强时,对流云和过渡区降水的三参数比层状云降水的数值大;而飑线不同发展阶段、不同降水类型的λ-μ关系具有一致性,二次多项式可以很好地拟合λ-μ关系。4）归一化雨滴谱参数NW和D0的分布可以用来区分对流云和层状云降水,并给出了新的分离线方程;另外,飑线在发展和减弱阶段的雨滴谱特征有明显差异,表明飑线演变过程降水形成的微物理机制发生变化,前期冷云过程有重要影响,而后期暖云过程起主导作用。     

中国冬夏季模式降水方案的应用分析研究

通过对中国冬夏季各一次降水过程的模拟分析 ,研究了不同云降水方案在中国区域的应用特征。结果指出 ,夏季 ,Kain Fritsch(KF)和Betts Miller(BM)积云方案模拟产生的积云降水是有差异的 ,KF方案对本次连续降水过程的预报要优于BM方案 ;KF方案和BM方案可以使周围环境大气状况发生不同的变化 ,KF方案可以使周围环境大气变得更湿、上升气流更加深厚 ,更有利于网格尺度降水的产生 ,即不同积云对流方案对网格尺度降水具有重要的影响 ;冬季 ,中国北方大陆基本没有对流降水产生 ,不同积云对流方案对网格尺度降水预报的影响基本可以不予考虑 ,中国北方的冬季降水主要是由网格尺度降水构成的。     

一次河南省春季层状云降水的地面雨滴谱特征

2002年4月4-5日河南省出现了层状云降水天气，临颖、孟津两站进行了地面雨滴谱观测。通过对降水过程中两站的雨滴微物理参量和雨滴谱的对比分析，指出河南层状云降水的雨滴平均直径为10～mm，雨滴数密度为10^2个／m ^3，占雨滴总数较小的大雨滴对雨强的贡献较大。锋前暖区雨滴的平均直径比锋后冷区雨滴平均直径小，雨滴数密度比锋后冷区大，但冷区降水强度大于暖区。在层状云降水过程中，暖区雨滴谱型由宽谱双峰型演变为窄谱单峰型，冷区雨滴谱型由宽谱单峰型演变为窄谱单峰型。雨滴平均直径的起伏暖区要大于冷区，这与暖区中云系结构不均匀及云中对流有关。     

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。     

一次层状云系水分收支和降水机制的数值研究

对2002年10月18—20日河南省层状云系的水分收支和降水机制用MM5模式模拟的结果表明,河南省域以外的水物质主要通过西和南边界输送到区域内,19日降水主要时段总水物质通量在水平方向上为净流入。对河南省域水汽、水凝物和总水物质的水分平衡等式中各项的估算表明该区域水物质基本达到收支平衡。估算的河南省域总水物质降水效率、凝结率、凝华率和水凝物降水效率及水汽降水效率分别约33.1%、27.7%、13.1%、69.7%和31.1%,总水物质降水效率与水汽降水效率接近是由于参与的水物质总量中水汽占绝大部分。约58.2%以上的冰晶转化为雪,超过82.1%的雪融化,不到11.1%的雪转化为霰,霰粒子几乎完全融化。冰晶通过凝华过程增长。雪主要由冰晶转化产生,凝华增长率比撞冻增长率高得多。雨水由暖云和冷云过程产生和增长,雨水碰并云水量和冰粒子融化量对雨水的贡献相近,云雨自动转化量小。可见,在主要降水时段,降水是由冷云和暖云过程共同产生的。冰粒子凝华增长对雨水的贡献最大超过35%,撞冻增长的贡献最高不足12%,可见水汽对降水粒子增长重要。催化层、冰水混合层和液水层对降水的贡献分别约为15%—27%、45%—50%和23%—38%,表明此"催化-供给"云中冰粒子在冰水混合层的增长对降水的贡献相当大。     

昭苏夏季层状云和对流云降水的雨滴谱特征

利用2020—2021年昭苏地区夏季的雨滴谱数据，研究层状云和对流云降水的微物理参量及雨滴谱特征。结果表明：对流云降水的粒子数浓度和粒子直径明显偏大，较大的粒子直径和粒子数浓度使得其降水强度和液态含水量远大于层状云降水。两类降水云的雨滴谱均为单峰结构，峰值直径主要分布在0.5～0.625 mm，对流云降水的雨滴谱谱宽明显大于层状云降水。两类降水云的雨滴直径和粒子数浓度与青藏高原中部的观测值相近，且昭苏地区的对流云滴谱更倾向于大陆性对流簇。研究结果有助于加深对昭苏地区降水的微物理特征及其演变规律的理解。