中国东部层积云发展过程中云微物理特征的演变

基于2007—2010年的CloudSat卫星观测数据,以云层液态水路径为指标将层积云的发展过程划分为五个阶段,对比研究了中国东部降水与非降水层积云发展过程中云微物理特征和云微物理机制的演变,并分析了其海陆差异.研究表明:非降水层积云中,云滴增长主要通过凝结过程完成,但云滴的凝结增长有限,难以形成降水,在非降水层积云发展的旺盛阶段,云层中上部云滴发生较弱的碰并过程.降水层积云中云滴碰并增长活跃,当云层液态水路径小于500 g·m~(-2)时,云滴在从云顶下落至云底的过程中持续碰并,并在云底附近出现云水向雨水的转化;当降水层积云液态水路径超过500 g·m~(-2)时,云滴碰并增长主要发生在云层上部,在云层中部,云液态水含量、液态粒子数浓度和液态粒子有效半径达到最大,云水向雨水的转化最为活跃.层积云微物理特征的海陆差异主要是由海陆上空气溶胶浓度和云中上升气流强度不同导致的.在非降水层积云中下部,陆地丰富的气溶胶为云滴凝结增长提供了充足的云凝结核,因而云微物理量的量值在陆地上空更大,而在云层中上部,云滴凝结增长达到极限,海洋充足的水汽输送使云微物理量的量值在海洋上空更大.当降水层积云液态水路径大于500 g·m~(-2)时,陆地层积云中更强的上升气流使大量云滴在云层中上部累积滞留,云滴碰并增长活跃,云层中上部云微物理量的量值在陆地上空更大.     

巨凝结核对冰雹云降水结构影响的数值模拟研究

利用RAMS数值模式,研究了巨凝结核数浓度改变对半干旱地区春季冰雹云降水特征的影响,研究显示巨核浓度改变对冰雹云中微物理过程及地面降水都有重要影响.累积带对冰雹生成有重要贡献.巨核数浓度增加时,冰雹云中冰雹混合比含量及其云中水平覆盖面积增加;云中过冷雨水和大云滴生成的过冷云水增加,冻结作用增强;地面降雨量增加但降雹量减少;总的地面累积降水量增加但累积冰相降水量减小.对降水的作用在污染云中要比清洁云中明显.地面流场分布随着巨核数浓度的改变而不同.在不同背景气溶胶下,春季冰雹云的判别指标不同于夏季冰雹云.     

利用风云三号微波成像仪资料遥感“桑达”台风降雨云结构

本文利用搭载于我国风云三号B星上的微波成像仪(MWRI)观测亮温数据,结合戈达德廓线反演算法,对1102号"桑达"台风地面雨强和降雨云结构进行反演试验.利用AMSR-E业务降水产品对地面雨强反演结果进行了检验,结果表明,MWRI和AMSR-E反演的地面雨强在空间分布上非常吻合,相关性达76%,均方根误差约2.8 mm/h,二者的观测亮温及地面雨强反演结果具有较好的一致性.提取洋面台风雨区的平均水凝物廓线,其垂直结构显示,雨水和可降冰含量丰富,随高度变化明显,且具有明显峰值高度,云水和云冰含量则较少,且随高度变化不明显;当降水增强时,雨水和可降冰各层含量稳定增加,且峰值高度基本保持不变,云水和云冰含量则增幅不稳,且峰值高度有所改变.地面雨强随距台风中心距离的变化阐释了台风的螺旋结构及降水特点,距台风中心距离0.3°和0.6°附近分别出现了地面雨强峰值和次峰值,且66%的降水集中在距台风中心距离1°的空间范围内.MWRI提供的台风地面雨强和降雨云垂直信息具有较高的可信度,对于我们监测台风降水、分析台风降水结构的时空演变特征以及数值预报模式应用等具有重要的参考价值.     

CAMS云微物理方案的改进及与WRF模式耦合的个例研究

本文在中国气象科学研究院(CAMS)双参数云微物理方案的基础上,增加气溶胶粒子的活化过程,改进原方案中的水汽混合比、云水混合比及云滴数浓度的预报方程,实现对各种水成物(包括云水)的混合比和数浓度的预报.此外,改进后的CAMS云方案被成功耦合到了WRF v3.1中尺度模式.本文利用耦合模式对2009年4月23~24日发生在我国北方地区的一次降水天气过程进行了模拟,将新方案的模拟结果与WRF自带的3个微物理方案进行了比较.结果显示,新方案能够合理地描述地面降水特征,其模拟的雨带分布范围与实测接近,降水中心的强度和位置优于其他3个方案.新方案模拟的云滴数浓度与WDM6方案基本一致,表明加入的气溶胶活化过程是合理的.新方案模拟的其他水成物粒子数浓度与Morrison方案相比有时会有量级的差别,说明粒子数浓度的模拟目前还存在着很大的不确定性,这也是云微物理模式进一步发展的难点.     

气溶胶对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

本文在已有的三维雷暴云起、放电模式中加入了一种经典的气溶胶活化参数化方案,结合一次长春雷暴个例,进行了雷暴云起放电数值模拟试验.研究显示气溶胶浓度改变对雷暴云微物理、起电及放电过程都有重要影响.结果表明:(1)污染型雷暴云中气溶胶浓度增加时,云滴数目增多,上升风速加强;云中冰晶与霰粒子数浓度增加但尺度减小;(2)相对于清洁型雷暴云,污染型雷暴云非感应起电过程弱,感应起电过程强,起电持续时间长;(3)污染型雷暴云中首次放电时间延迟,闪电持续发生的时间长,总闪电频次增加,正地闪频次增加明显.     

超强台风Soudelor(2015)登陆前后局地强降水的动力过程分析

基于中尺度站点观测、雷达图像、卫星红外云图和NCEP全球业务分析数据资料,详细分析了2015年13号台风Soudelor在华东地区尤其在浙江省沿海产生局地灾害性强降水的分布、强度、触发因子及相应的动力过程.这次台风降水过程可分为4个阶段:第一阶段由台风北侧外围环流偏东风分量与浙江沿海地形相互作用而产生;第二阶段的降水强度最强,累积降水最大,是台风内区主体环流与局地地形相互作用的结果;第三阶段是由于台风内区减弱,主要降水云带在台风东北侧发展而形成;第四阶段由于台风环流与中纬度系统相互作用,使得降水云带"北跳"至江苏省中东部,引起浙江省内的降水迅速减弱.定量计算表明,"地形效应"对局地台风降水增幅起确定性作用,其在台风总体降水中占比达50%左右.台风登陆后结构变化引起水汽输送发生变化,进而引起台风局地降水云带发展的非对称分布,是造成台风强降水空间非对称分布的主要因子.对此个例分析表明,影响中国沿海灾害性强降水不仅与台风强度、结构及外围云带紧密相关,其降水强度会因为台风与沿海地形的复杂相互作用而增加,而其影响时间会因为由大尺度环流引导的弧线路径而延长.此次台风强降水过程的物理及动力分析可以用于指导对未来台风降水灾害的理解、预报及预防,尤其有益于由登陆台风与沿海地形相互作用引起的闪雨、山洪、泥石流及洪涝灾害的预报预警.     

台风暴雨过程中位势散度波作用密度分析和预报应用研究

在位涡的基础上,考虑散度效应,把水平风矢量旋转90°后的旋度在广义位温梯度方向上的投影定义为位势散度,并把其二阶扰动量定义为位势散度波作用密度,该波作用密度代表扰动热量的扰动输送,与位势稳定度的发展演变有关.登陆台风Morakot(2009)的诊断分析表明,在台风登陆台湾岛,进入台湾海峡和登陆大陆三个阶段,波作用密度高值区与大陆和台湾降水区相重叠,扰动热量的扰动输送显著;在前两个阶段,大陆和台湾降水区波作用密度逐渐增大,扰动热量的扰动输送逐步增强;在台风登陆福建霞浦市后,大陆地区波作用密度减小,扰动热量的扰动输送减弱.在影响波作用密度局地变化的诸多物理因素中,扰动非地转风位涡项是主要强迫项.统计分析表明,波作用密度与观测降水有一定的相关性,据此发展了位势散度波作用密度降水预报方程,其本质是数值模式预报资料的动力延伸释用,预报应用表明,利用24 h模式预报场计算的波作用密度降水能够较好地再现观测降水的落区,对台风Morakot引发的暴雨有一定的预报技巧.     

三维对流云中粒子谱演变特征的数值模拟

利用对CCN、液滴、冰晶、雪粒和霰粒均进行分档处理的三维完全弹性对流云模式模拟了2000年6月29日发生在美国堪萨斯州的一次超级单体风暴过程中粒子谱形成演变特征．模拟结果表明：微物理过程分档方案可以较好的描述出对流单体中水凝物粒子谱的时空分布演变特征,从而可以较好的描述对流云中水凝物粒子的形成演变规律．模拟对流单体中霰粒形成增长机制有凝华和淞附机制两种,入流区上部及主上升气流上部霰粒增长以淞附增长为主,出流区上部的霰粒谱在对流单体发展及成熟阶段均以单峰型谱分布为主,霰粒主要依靠凝华作用增长,长大后以下落为主．初始时刻相对湿度的降低不利于入流区上方霰粒的形成及增长;初始时刻位温扰动的增加不利于出流区上方大霰粒的形成及增长．得出结论：可以通过在入流区上部和主上升气流上部影响霰粒的凝华增长和淞附增长抑制大霰粒或冰雹粒子的形成．对流单体不同部位霰粒增长机制不同,初始时刻不同的温湿扰动下霰粒产生增长机制,及其适宜的防雹催化部位及机理也不相同．     

FY-2D红外亮温模拟及对WRF模式云预报误差的响应

基于WRF和RTTOV模式实现了FY-2D红外模拟亮温图的制作,侧重分析了WRF模式微、宏观云参量模拟误差对FY-2D红外模拟亮温精度的影响.结果表明,在0~48h模拟时效内,本文模拟亮温的均方根误差基本上控制在10~27K,好于以往20~40K的研究结果;在0~24h,各通道模拟与观测亮温值的相关系数均大于0.5;相比其他3个通道,水汽通道模拟性能比较稳定,效果最好.4种云微物理方案的模拟结果均显示云区亮温模拟值偏大,云系分布不够饱满,尤其是在台风区;其中THOM方案的模拟效果最好;数值范围253~273K是各方案存在偏差最大的区间.微观方面,THOM方案的雪水物质混合比远大于其他方案,提高云微物理方案中云中固态水的生成效率或保有量是有必要的,但对亮温模拟影响不大.宏观方面,本文云量诊断方案获得云量数值偏小,对高云诊断方案的改进十分必要,选取精准的云量诊断方案更有利于提高模拟精度.研究结果可为预报员研判未来天气提供了一种更直观的参考资料,也可为开展FY-4红外模拟亮温图制作奠定了技术积累.     

电线积冰微物理机制初步研究：观测和模拟

利用2008/2009和2009/2010年冬季在恩施雷达站观测得到的能见度、云雾滴和雨滴微物理特征量以及积冰厚度资料,结合同期的自动气象站和常规气象资料,对恩施地区电线积冰产生、增长、维持和脱落阶段的天气背景、气象条件以及云雾和降水粒子的微物理特征进行分析.结果表明：积冰发生期间,地面形势场表现为冷锋过境,850hPa高空受冷高压和冷温度槽控制,500hPa高空的西南气流提供水汽;积冰的开始时间基本为傍晚以及凌晨,而积冰的脱落时间为中午12时左右,脱落时的气温为-1～0℃;积冰增长期云雾滴的平均液水含量要明显大于其他3个阶段,且在积冰厚度的增长期都出现了降水;液水含量与积冰厚度的增长率呈正相关,相关系数达0.62;同时对积冰厚度进行了模拟,模拟结果能较好反映实际冰厚变化.     

“彩虹”台风对宽频带地震计记录的影响

201522号"彩虹"台风于2015年10月4日14时前后登陆广东湛江坡头区,对其登陆及前后1周时间内,相邻地震台站宽频带地震计记录的台基噪声速度幅值相关关系进行分析,结果显示:(1)随着台风发育和消亡,在台风登陆的8区域附近,地震台记录的速度幅值由逐渐增加变为逐渐减小,相邻地震台速度幅值线性相关系数达0.9以上;(2)滤波后1—10 s频段数据,相邻地震台速度幅值比趋于稳定。可见"彩虹"台风对1—10 s频段台基噪声影响明显,相邻地震台幅值比趋于稳定。     

利用全极化微波辐射计资料反演台风境内海面风场

作为一种新兴的被动遥感技术,全极化微波辐射计不仅可以提供海面风速产品,还可以提供海面风向产品.以往利用全极化微波辐射计观测亮温进行海面风场反演仅在晴空条件下进行,本文通过对观测亮温结合台风区域海面风场的分布特征进行分析,验证了全极化微波辐射计具有在台风等恶劣天气条件下进行海面风场观测的能力.基于敏感性分析实验,确定使用6.8 GHz和10.7 GHz等低频通道组合可进行台风区域内海面风场反演.其中,海面风速反演使用基于统计的多元线性回归算法,同时对海面温度、大气水汽含量、云中液态水含量及降水强度等物理量进行反演计算,为海面风向反演做准备.海面风向反演使用物理统计法进行,借鉴散射计风向反演使用的最大似然估计法.通过在全极化辐射传输前向模型中加入降水对大气透过率的影响、设计第三和第四Stokes通道亮温环境影响修正函数,在实现台风区域内海面风向反演的同时减小了反演误差.通过对“云娜”台风境内海面风场进行数值计算,验证了本文反演算法的可行性,并对反演误差的空间分布特征进行了分析.将2004年各台风过程的海面风场反演结果与散射计风场产品进行对比,海面风速和海面风向反演的均方根误差分别为1.64 m·s^-1和18.02°.     

地震电磁成因假说

为了找到符合或接近自然真实的地震成因,结合地震学、电磁学、等离子体物理、空间物理等学科的一些研究成果,提出一个新的地震成因机制,对各种地震现象做出了合理解释。有证据表明,地震可能是一种电磁和化学效应。它可能是由于受太阳活动调制的电离层、磁层等离子体电场与地表之间的电磁感应以及地壳内部的电过程,导致大量荷电粒子（等离子体）因趋肤效应在地壳表层的某些区域积聚,积聚在数万至数百万平方千米地表中的巨量等离子体在诸如太阳活动的影响下达到了等离子体复合的条件时,就会发生猛烈的集体复合。由于等离子体复合是一种放能过程,因而会释放出巨大能量。同时由于存在辐射复合过程而产生地光,等离子体复合的爆炸效应导致类似打雷、放炮的地声,并释放出沿球面均匀地向四周传播的地震波,由此形成的强磁场中的洛伦兹力使地面产生强烈旋扭而使地面出现左旋或右旋的地裂缝。与地震密切相关的一些自然现象如干旱、台风、暴雨、热异常以及地震中的喷水冒沙、地震云等现象,都可以由此得到统一的解释。     

大气温度反馈的机理及其对全球增暖的贡献

大气和地表之间热辐射交换引起的地气温度耦合(即大气温度反馈)是影响地表能量收支平衡的重要因子.文章旨在阐述大气温度反馈机理,讨论影响其强度和空间分布的主要因子;并以全球变暖为例,论述大气温度反馈如何与外强迫和气候反馈过程耦合最终对全球增暖产生贡献.基于ERA-Interim再分析资料,利用地表反馈响应分析方法,计算大气温度反馈核,以此来阐述大气温度反馈的物理机制及其强度的空间分布与气候态温度、水汽和云水含量空间分布的关系,以及全球增暖加速期间大气温度反馈对全球平均表面温度增加的贡献.分析表明大气温度反馈过程主要通过与气候系统外强迫和内部过程的耦合作用,将各独立过程引起的地表能量收支异常信号放大.研究结果表明大气温度反馈显著放大了CO_2浓度升高、冰雪融化、水汽含量增加和海洋热量吸收减缓引起的地表增暖,削弱了云量增加引起的地表降温效应.同时,也放大了地表潜热通量增加造成的地表冷却效应.从全球平均结果来看,全球快速变暖前后,尽管外强迫和气候系统内部过程引起的全球平均总地面直接能量通量扰动为负,但大气温度反馈造成的全球平均总地面能量通量扰动却为正,且后者幅度远大于前者,这导致全球平均总地面净能量通量扰动正异常.由此可见,大气温度反馈对全球变暖起到了至关重要的作用.     

雹暴的闪电活动特征与降水结构研究

利用地面雷电探测网获取的地闪资料分析了10次雹暴过程的闪电分布和演变特征, 并结合地面多普勒雷达和TRMM卫星的闪电成像仪(LIS)、测雨雷达(PR)、微波成像仪(TMI)分析了雹暴的降水结构及其与闪电活动的关系. 研究结果表明: 降雹天气过程的正地闪比例较高, 平均值为45.5%; 在雹云快速发展阶段, 地闪频数存在明显的“跃增”; 在整个降雹阶段正地闪活动非常活跃, 在正地闪频数增加的过程中通常伴有负地闪频数的下降; 在雹暴的减弱消散阶段, 地闪频数显著减少. 两次典型雹暴的闪电活动非常活跃, 总闪电频数分别为183次/min和55次/min; 其降水结构特征是, 大于30 dBZ的强回波单体多集中于系统的前缘, 系统后部伴有稳定性的层状云降水区, 回波顶高均超过14 km; 其对流降水的贡献率分别为85%和97%. 对6 km高度处的雷达回波与总闪电关系的研究表明, 总闪电主要出现在强回波区(>30 dBZ)及其周围. 对流降水区发生闪电的几率约是层云降水区的20倍以上, 可以利用闪电与对流降水的相关性来有效地识别对流降水区. 初步结果还表明闪电频数和冰水含量之间呈线性关系, 即冰水含量越高, 相应的闪电活动也越频繁.     

蒸发皿蒸发量的物理意义、近40年变化趋势的分析和数值试验研究

依据边界层梯度输送理论和能量守恒原理分析了蒸发皿蒸发量的物理意义，蒸发皿蒸发量是多环境因子共同非线性相互作用的结果，并利用我国有长期太阳辐射观测的62个常规气象站观测资料，通过蒸发皿蒸发量与环境气象因子的相关分析对其进行了验证. 分析了近40年蒸发皿蒸发量和环境气象因子的变化趋势，分析结果也表明只利用单个环境因子的变化来解释蒸发皿蒸发量的气候变化会产生偏颇，譬如将蒸发皿蒸发量的逐年减少归因于地表接收的太阳辐射减少的解释在中国东部比在中国西部较合理. 分析1983～2001年间国际卫星云气候计划观测的资料得出，我国大部分地区的总云量保持微小的减少趋势而总云水路径处于明显的增加趋势，这表明云变得更不透明了,它的物理属性发生了明显的变化;预示着大气可降水量有逐年增加的趋势, 地气系统变得更湿润. 结合水循环过程，利用大气环流模式用数值方法证明地气系统的水汽变化能引起陆地近地层大气相对湿度、地表接收的太阳总辐射和地表潜在蒸发量的明显变化.     

华北一次持续性重度雾霾天气的产生、演变与转化特征观测分析

2011年12月1~7日在华北地区发生了一次比较罕见、持续一周左右的低能见度重度雾霾天气,本文利用气象行业专项"京津地区低能见度雾霾天气监测与预报研究"观测试验资料,研究分析了此次持续性重度雾霾天气的气溶胶、云凝结核(CCN)、雾滴谱和含水量等微物理特征及大气能见度、边界层垂直结构特征,探讨了雾霾天气的产生、演变与转化特征及机理.结果表明,此次持续一周的雾霾天气过程发生在高压天气系统和静风条件下,暖平流和辐射降温形成的稳定逆温边界层结构有利于污染气溶胶的积累和雾霾的形成和发展,尤其是来自南方持续不断的湿平流使雾霾天气得以长时间持续和发展.整个雾霾天气期间能见度均小于2 km,最低能见度达到56 m,液态水含量在10-3 gm-3量级,最大达到0.16 gm-3,气溶胶数浓度均在10000cm-3以上,质量浓度范围为50~160μgm-3.进一步的研究表明,此次长达一周的雾霾天气发生了三次强弱不同的霾气溶胶积累、霾雾转化和混合及减弱三个主要阶段.霾气溶胶积累阶段先后有爱根核模和积聚模气溶胶数浓度的积累和增加.霾向雾转化和混合阶段中,雾滴凝结释放的潜热和高浓度气溶胶环境使布朗碰并加剧,导致气溶胶尺度向粒径大的方向转移,从而提供了大量可形成云凝结核的气溶胶粒子,促进了雾的爆发性增强,浓雾过程中气溶胶向CCN活化率可达17%,而CCN向雾滴的转化效率可高达100%,此期间雾滴谱具有爆发性拓宽的特征;冷锋系统过境或辐射加热增强导致了雾霾过程的减弱和消散.     

北京地区雷电灾害天气系统的动力-微物理-电过程观测研究

在国家"973"项目"雷电重大灾害天气系统的动力-微物理-电过程和成灾机理"(简称:雷暴973)资助下,2014~2018年连续五年在北京组织开展了雷电(也称闪电)灾害天气系统的暖季综合协同观测实验,旨在获得对北京及周边城市群区域的雷电天气系统特征和规律的实际认识,探索雷电资料在数值预报模式中的同化方法,以期改进雷电重大灾害天气系统的预报效果.主要观测设备包括:由16个子站构成的雷电(全闪)三维定位系统、2台X波段双线偏振多普勒雷达和4台激光雨滴谱仪等,协同观测还充分利用了中国气象局在京津冀地区的中尺度气象观测网.观测结果表明,受地形和环境条件影响,飑线和多单体雷暴是影响北京地区的两类主要的雷电灾害天气系统,它们除产生频繁的雷电活动外,还常伴随突发性局地短时强降水和冰雹,造成城区突发洪涝灾害.雷电密度的高值区位于北京昌平区东部、顺义区的中部和东部以及中心城区.超强雷暴(占总雷暴数的5%)、强雷暴(占比35%)和弱雷暴(占比60%)对总雷电分布的贡献分别为37%、56%和7%.北京城区的热岛效应对过境雷暴增强产生了重要作用,超强雷暴在中心城区的雷电频数可以高达每分钟数百次.雷电活动与雷暴云的热动力、微物理特征之间存在紧密联系,因此雷电频数可以作为冰雹、短时强降水等灾害性天气的指示因子.在对流可分辨数值预报模式中,建立并引入雷电资料同化方案,通过调整或修正模式的热动力和微物理参量,可明显提高模式对强对流和降水的预报效果.     

利用GPS与环境负荷形变数据研究台风引起的垂向地表位移

台风造成的强降雨、低气压、海面高度变化均会引起地表的形变.本文利用中国大陆构造环境监测网(陆态网)7个GPS台站每日的垂向位移和环境负荷形变模型分析2018年9月10—26日台风"山竹"期间不同负荷引起的区域垂向地表形变.结果表明,台风期间大气负荷和非潮汐海洋负荷垂向形变最大分别达到5.1 mm和-9.2 mm.模型能较好地反映河流区域地表水文负荷变化造成的垂向形变,但不同模型之间存在系统偏差.由于缺少地下水等信息,模型反映负荷长期形变效应的效果不佳,且形变的量级明显小于GPS观测的结果.迅速增加的水文负荷使北海GPS站从开始下沉到最低点(-15.6 mm)5天的下沉量达到25.7 mm;珠海、广州GPS站均观测到河流汇水作用造成地表的二次下沉,且珠海站一周后才抬升到正常位置;湛江和北海GPS站能较好地反映河流水位变化,相关系数分别为-0.66和-0.50.研究结果表明,相比于形变模型,GPS能更有效地监测台风短期水文负荷形变,可为台风洪水等灾害监测与预报提供有用的信息.     

雨雪冰冻天气多普勒雷达产品特征

2008年1月下旬至2月上旬福建省西部北部出现了历史罕见的雨雪冰冻灾害。利用多普勒雷达反射率、回波顶高、径向速度、垂直风廓线等产品对此次雨雪冰冻天气进行特征分析,通过分析发现:①冰晶和雪的回波强度通常比连续性降水回波弱,在反射率图上,回波表现为边缘毛松,丝缕状纹理结构明显,边缘模糊不清,没有确定的边界;②回波顶高和零度层较低,因为垂直方向大气相对较稳定,不利于对流发展,降水粒子没有发展到高空;③在径向速度图上存在牛眼,说明在低空有急流存在。在低层有环形的零速度线,中高层的零速度线为倒"S"形,表明低层有风切变存在,中高层有冷平流;④风廓线图上高层为西南风,中层为西北风,低层为西南风,近地层为东北风。说明从近地层到高层为"冷-暖-冷-暖"的层结结构,有利于冻雨天气形成。