冰雹云形成发展与闪电深变特征分析

1998年4月23日下午在中尺度对流系统（MCS）的影响下，山东滩坊地区出现了一次大范围的冰雹强对流天气，应用闪电定位系统，卫星和雷达观测资料，研究了这次降雹过程形成和发展不同阶段闪电的变化特征，分析发现，雹云在形成发展和减弱消亡阶段，每5分钟闪电频数低于20次，且正闪电频数明显低于负闪电，雹云在成熟阶段，闪电频数每5分钟平均值大于20次，且正，负闪电频烽相当，而在强降雹短时会出现正闪电频数超过负闪电现象，此外还发现，在降雹前20－30分钟闪电频数有跃增现象，其增加速率和降雹强度呈正相关关系，降雹的起始时刻与总闪电和负闪电每5分钟频数出现极大值的时刻有明显的一致性。     

冰雹云形成发展与闪电演变特征分析

1998年 4月 2 3日下午在中尺度对流系统 (MCS)的影响下 ,山东潍坊地区出现了一次大范围的冰雹强对流天气。应用闪电定位系统、卫星和雷达观测资料 ,研究了这次降雹过程形成和发展不同阶段闪电的变化特征。分析发现 :雹云在形成发展和减弱消亡阶段 ,每 5分钟闪电频数低于 2 0次 ,且正闪电频数明显低于负闪电 ;雹云在成熟阶段 ,闪电频数每 5分钟平均值大于 2 0次 ,且正、负闪电频数相当 ,而在强降雹前短时会出现正闪电频数超过负闪电现象。此外还发现 ,在降雹前 2 0～ 30分钟闪电频数有跃增现象 ,其增加速率和降雹强度呈正相关关系 ,降雹的起始时刻与总闪电和负闪电每 5分钟频数出现极大值的时刻有明显的一致性。     

一次冰雹云形成发展与闪电演变过程分析

2004年4月23日,江西中部和南部出现了大范围的冰雹强对流天气过程。通过分析这次强对流天气过程发生前的天气形势和云图特征,并应用闪电定位系统、卫星和多普勒天气雷达观测资料,对这次过程的闪电特征进行了研究。结果表明,在雹云的形成发展和减弱阶段,每10min闪电频数<60次,正闪电频数明显低于负闪电。在雹云成熟阶段,闪电频数每10min平均值>60次,负闪电频数大于正闪电。在降雹前10min,闪电频数有跃变现象,其正闪增加速率和降雹呈正相关关系,降雹的起始时刻与总闪电和正闪电每10min频数出现较大值的时刻有明显的一致性。     

贵州中西部冰雹云中闪电特征观测研究

利用贵州省三维闪电监测网资料、新一代天气雷达资料、地面观测资料,对贵州省中西部地区13次冰雹天气过程中闪电特征进行了分析。结果表明：雹暴整个生命史内主要以负地闪为主,且伴随强降水。冰雹云发展阶段,降雹区域闪电频次增加明显,降雹前闪电频次变化均出现“跃增”,部分降雹点出现闪电频次二次跃增;冰雹云消散阶段,闪电频次显著减少。冰雹云总闪、正闪均高于雷雨云,5 min闪电频数大于16次且闪电频次上升度大于12次/5 min可作为识别冰雹云的参考指标。另外,降雹落区与闪电密度中心区域较为吻合,闪电密度中心位置略偏降雹位置之前,闪电逐时分布标识出冰雹云的发展移动方向。以上这些特征可以为冰雹识别、冰雹短时预警预报及人工防雹作业提供参考。     

白云机场一次强对流冰雹过程的闪电特征

采用广东省VLF/LF三维闪电定位资料和白云机场雷达数据对2019年2月21日一次强对流伴冰雹过程的闪电特征进行统计分析。结果表明:冰雹云不同发展阶段闪电的频次,强度明显不同。冰雹云成熟阶段,对流增强,闪电频次快速增大,云顶抬升,正电荷中心强度增大,对冰雹的出现有指示作用。降雹区的正闪电总频数为32次,负闪电总频数为123次,正负闪电强度不大,在-20～20 kV/m。冰雹云内雹和冰晶的碰撞通常使得冰雹获得负电荷,由于雹暴内存在大量的雹粒子,有利于负电荷区的形成,因此降雹区域主要都是负闪电。     

广西冰雹云闪电变化特征分析及其防雹应用

利用广西2006―2011年4-6月17个降雹样本资料和以降雹点为中心半径50km范围内闪电监测定位网探测到的所有闪电数据对广西冰雹云闪电变化特征进行分析,结果显示:广西地区冰雹发生前的短时间内负闪频数远大于正闪频数,正负闪强度的比值大多都在1.5以上,而正负闪陡度的比值相差不大,5min闪电频次峰值都在5次以上,降雹前峰值出现明显跃增,降雹出现在闪电密度最大中心的下风方右侧,闪电变化分析结果在广西地区人工防雹作业中有一定的指导作用。     

辽宁省一次强对流天气的地闪特征

利用闪电定位系统、多普勒雷达和加密自动站资料对辽宁一次冷涡天气中暴雨、冰雹过程的地闪变化特征进行分析。结果表明,暴雨和冰雹过程均出现了地闪密集区,冰雹过程中正地闪占总地闪比例高于暴雨过程;暴雨过程以负地闪为主,主要分布在45 dBz以上的强回波区内,和暴雨持续时间相当,负地闪最密集区位于风暴的核心部位。负地闪频数比强回波面积提前30至70分钟到达峰值,对于短时暴雨预报预警具有一定意义。冰雹过程中,负地闪集中在雹云前部,正地闪位于雹云核心部位,与降雹区一致,正、负地闪发生区域分离。正地闪提前降雹30分钟左右发生,总地闪、正地闪频数在降雹前明显增加;降雹出现在总地闪、正地闪频数和强回波面积达到峰值及从峰值迅速下降时间段内;雹云减弱消散阶段总地闪次数减少但正闪增加。     

北京一次大雹天气过程的闪电活动特征分析

由于受闪电监测系统限制,已有研究多局限于强对流天气的地闪(cloud-to-ground lightning,CG)活动特征。本文利用VLF/LF三维闪电监测定位资料,结合雷达观测等资料对北京地区一次典型大雹天气过程的全闪活动特征进行了分析。结果表明:降雹发生前,闪电活动主要分布在对流系统的后部,闪电数较少,且以负地闪活动为主;降雹期间,闪电频数显著增加,云闪(intracloud lightning,IC)及正地闪活动明显加强,该阶段闪电活动主要集中在对流系统强回波中心及其前部雷达反射率因子梯度较大的区域;降雹结束之后,强回波中心基本移出北京,北京范围内的闪电频数明显减少。正闪比例在降雹发生前逐渐增大,在降雹期间稳定维持在较大值,降雹结束后迅速减小;云闪比(云闪频数/总闪频数)表现为降雹发生前和降雹结束后逐渐增大趋势,在降雹期间基本维持稳定少变。闪电的电流强度主要集中在5—50 kA之间,20 kA以下的低雷电流强度的云闪和地闪多发生在降雹期间及降雹结束后,而20 kA以上的高雷电流强度的云闪和地闪在降雹发生前占有很大比例,小于5 kA的云闪在大雹发生期间所占比例明显高于地闪。降雹发生前及降雹结束后云闪发生高度在2-6 km,降雹期间有所抬升,约为2-8km。闪电频数峰值超前于降水峰值5-20 min。     

陇东地区冰雹云系发展演变与其地闪的关系

利用１９９７年设在陇东地区的闪电定位系统及双线偏振雷达资料,分析研究了该地区冰雹云系发展演变及其地闪的关系。结果表明：在降雹前３０ｍｉｎ左右时,每５ｍｉｎ地闪频数陡然上升,降雹前１８ｍｉｎ,每５ｍｉｎ地闪频数平均上升为３．５,每５ｍｉｎ地闪频数的最大值一般是出现在开始降雹前１６ｍｉｎ到前６ｍｉｎ之间,在冰雹云演变的发展、成熟和消散三个阶段中负地闪数远大于正地闪数,并且起着主导作用。冰雹云中心的冰相     

山东地区冰雹云的闪电活动特征

利用山东电力部门提供的雷电定位资料,对10次冰雹过程的地闪活动特征进行了分析。通过分析发现,雹暴中正地闪占总地闪的比例平均为57.39％,远高于当地正地闪比例的气候特征值13.48％。地面降雹区基本出现在正地闪密集（活跃）区或邻近区域。在雹云快速发展阶段,地闪频数存在明显的“跃增”;在减弱消散阶段,地闪频数显著减少,但正地闪比例有所提高。负地闪频数峰值的出现通常提前于降雹0～20 min,正地闪频数峰值的出现一般滞后于降雹发生时间。整个降雹阶段对应于正地闪的活跃阶段。另外,结合对卫星观测的总闪电资料分析,发现冰雹云的云闪与地闪的比值远高于一般的雷雨过程,其云闪密度也远高于雷雨过程。以上这些特征对于冰雹的识别和对冰雹的超短时预报具有指示意义。     

一次层状云降水过程云粒子的特征分析

本文针对山西省2009年6月18日-19日的一次降水过程,利用Micaps系统天气图和机载DMT探测资料分析了这次降水的宏微观特征,并用Г分布拟合了云滴谱分布,结果接近云滴谱的实际分布。     

中国区域总云量和低云量分布变化

据1960—2009年606个气象台站总云量和低云量观测数据分析显示,我国总云量总体处于下降趋势,相对于20世纪60至70年代云覆盖年变化平稳阶段,1980 2009年全国平均总云量下降了0.6%,但长江以南沿海地区和新疆少部分地区总云量一直变化比较平稳。低云变化空间不均性差异较大,以四川盆地为中心区域50年间低云持续减少,从20世纪60年代开始,平均每10年年平均下降幅度达4.0%;长江以南、东北东部和新疆西部至青藏高原北部区域低云却增加了,平均每10年增加4.8%。     

利用MODIS云检测产品客观确定AIRS云检测

云检测是用卫星资料研究云对气候系统作用至关重要的第一步,采用Nagle的基于扫描几何特性的共同空间匹配算法,用MODIS云检测产品客观确定了AIRS云检测,是将高空间分辨率成像仪产品与高光谱分辨率传感器观测资料结合使用的一次实际应用。合成使用高空间分辨率成像仪与高光谱分辨率传感器观测资料的关键步骤在于:①有效而精确的时间和空间上的匹配;②传感器像素内图像仪云检测产品的断定。不仅是云检测,利用AIRS视场内空间匹配的MODIS云产品,还可以判断AIRS的云相态、有效云量及云光学厚度等。     

积层混合云结构和云微物理的数值模拟

对三维非静力中尺度模式ARPS的云微物理方案进行了改进,利用改进后的模式模拟了华北地区的积层混合云降水个例,通过对模拟结果的分析并结合实况资料研究了积层混合云的降水特征、云物理结构特征和微物理过程。结果表明,积层混合云降水分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,云系中微物理量在水平和垂直方向上分布都不均匀,积云中的垂直液态水积分含量大大高于层云中含量,此次降水冰相过程占主导地位,霰的融化是最主要的雨生成项。     

典型层状云系催化试验的云物理响应研究

利用2003年秋季延安地区一次典型层状云系加密探空和实时雷达观测资料,设计了催化和对比探测方案,计算得出催化影响区及下风方可能采集到响应值的区域。按照设计方案进行催化和探测。云物理响应观测结果表明:PNS粒子探测系统检测到催化后30min,小云滴减少;大冰晶的浓度增加;催化前冰晶以片状为主,催化后可看到有霰坯;催化前大雪晶浓度很小,雪晶之间没有攀附;催化后雪晶浓度增加,且大雪晶增加很多,可明显看到几个雪团攀附在一起形成的较大雪团;雷达观测到催化前拟播撒区内云的回波强度较弱、范围较小,催化后云体明显增大,强中心增加了5～10dBz;催化约1h后影响区雨量均有增加,说明催化引入的人工冰晶,使冰晶凝结比水滴凝结更有利于过冷云水转化为降水,冰晶效应和雪晶攀附过程是这次层状云系降水系统中的主要过程。过冷水冻结释放的潜热,导致云内升速加大,使催化区云和降水得到发展。     

强对流降水云团的云图特征分析

对1992～1994年夏季四川、湖北、河南3省333个地面雨量站2万多个雨量观测数据以及与之相应的4千余幅GMS-4红外数字云图资料的分析结果表明，云顶温度、温度梯度、云团的膨胀、穿透性云顶的存在、云体相对于云团中心的偏离量与云的降水强度有着明显的对应关系。在不同的地区，这种对应关系有所不同。     

Calculating the Climatology and Anomalies of Surface Cloud Radiative Effect Using Cloud Property Histograms and Cloud Radiative Kernels

Cloud radiative kernels (CRK) built with radiative transfer models have been widely used to analyze the cloud radiative effect on top of atmosphere (TOA) fluxes, and it is expected that the CRKs would also be useful in the analyses of surface radiative fluxes, which determines the regional surface temperature change and variability. In this study, CRKs at the surface and TOA were built using the Rapid Radiative Transfer Model (RRTM). Longwave cloud radiative effect (CRE) at the surface is primarily driven by cloud base properties, while TOA CRE is primarily decided by cloud top properties. For this reason, the standard version of surface CRK is a function of latitude, longitude, month, cloud optical thickness (τ) and cloud base pressure (CBP), and the TOA CRK is a function of latitude, longitude, month, τ and cloud top pressure (CTP). Considering that the cloud property histograms provided by climate models are functions of CTP instead of CBP at present, the surface CRKs on CBP-τ histograms were converted to CTP-τ fields using the statistical relationship between CTP, CBP and τ obtained from collocated CloudSat and MODIS observations. For both climate model outputs and satellites observations, the climatology of surface CRE and cloud-induced surface radiative anomalies calculated with the surface CRKs and cloud property histograms are well correlated with those calculated from surface radiative fluxes. The cloud-induced surface radiative anomalies reproduced by surface CRKs and MODIS cloud property histograms are not affected by spurious trends that appear in Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) surface irradiances products.     

基于雷达资料的云分析在冰雹云短时预报中的应用

通过ARPS/ADAS云分析系统将雷达反射率因子信息引入到模式的初始场中,并结合中尺度数值模式模拟研究了2008年6月23日发生在北京周边地区的一次冰雹天气过程。结果表明:在初始场中引入雷达反射率因子信息之后,改进了初始场中水凝物信息和温度场,使得初始场更加符合实际大气状况;与未进行云分析试验比较,云分析之后,模式模拟对于雹云产生位置、强度以及移动路径有明显改进,其中3h之内的模拟效果最好;降水降雹提早1h发生,并且降水降雹的峰值也提前出现,明显减少模式spin-up时间。     

基于探空云识别方法的云垂直结构分布特征

云的垂直结构特征作为云重要的宏观特征之一,直接决定了云的类型,进而通过发射和吸收辐射的方式影响着地气系统的能量收支平衡,因此对云垂直结构特征的研究一直都是云物理研究的一个重要方向。作为观测云垂直结构特征的一种方式,探空气球通过获取沿路径方向高分辨率的廓线信息,采用一定反演方法从而能够较为准确的识别云的垂直结构。本文即利用我国业务布网探空站的观测资料,采用相对湿度阈值法识别云垂直结构,并同激光云高仪、“风云四号”静止卫星和毫米波云雷达对识别的云结构特征量进行了一致性检验。在此基础上,统计分析了2015～2017年单层、两层和三层云的垂直结构分布特征、日变化和季节变化特征以及全国区域分布特征,结果表明:（1）整体分布上,单层云在垂直方向上出现的高度范围介于多层云的高度范围内,并且随着云层数的增加,云在垂直方向上更为伸展,即高层云越高,低层云越低;（2）在日变化中,中午单层和多层云中最低层云的云底高度均高于早晨,而夜间单层和多层云中最高层云的云顶高度则高于早晨和中午,同时中间层云厚的变化要小于最上层和最下层云厚的变化;（3）在季节变化中,夏季云量较其他季节更多,云体发展也更为深厚,表明温暖的大气条件更有利于云的形成和发展;（4）我国云垂直结构分布特征具有明显的纬向变化趋势,从以青藏高原为中心的西南地区的云底较高云体较薄的云,逐步过渡到以东南沿海地区为中心的云底较低云体较为深厚的云,表明不同地形和气候带的差异与不同云类型的分布直接相关。     

中国地区云光学厚度和云滴有效半径变化趋势

利用ISCCP最新的D2云气候资料集和MODIS云的资料,给出中国地区云的光学厚度和云滴有效半径的分布特征;分别对季节平均和年平均时间序列进行线性趋势分析,并进行了显著性检验。结果表明：夏季云的光学厚度和有效半径的变化趋势最显著。结合云量变化情况,可发现云滴有效半径的变化对云光学厚度的影响可能在夏季最大,也就是说,气溶胶的间接气候效应可能在夏季最强;云量、云光学厚度和云滴有效半径的变化也表明长江以南地区和青藏高原地区可能是气溶胶间接气候效应比较显著的地区。中国地区冰云光学厚度与有效直径的相关具有很强的区域特征,说明冰云的微物理机制比水云更复杂。