利用激光雨滴谱仪检验消（减）雨作业效果

为了有效地检验人工影响效果,设计了地面火箭和飞机催化作业方案,分析了2009年秋季的雨滴谱观测资料。计算了火箭作业点相对于激光雨滴谱仪的距离和方位,为了便于实际作业指挥中的灵活应用,将结果标注在多普勒雷达的地图上。分析了10次降水过程共5338min的雨滴浓度资料。结果显示,秋季积层混合云的雨滴浓度小于500个的占87.6%,而大于3000个的浓度出现几率很低,不同过程雨滴浓度分布有明显差别;2009年10月16日降水过程出现最大雨滴浓度6003个,部分原因可能与火箭消减雨催化作业有关。     

南京青奥会开幕式期间人工减雨作业对雨滴谱的影响分析

本文利用南京青奥会开幕式期间的OTT雨滴谱仪观测资料、探空数据和地面降雨及雷达等资料,结合火箭减雨作业的时间和地点,通过人工减雨作业对雨滴谱的影响分析来评估开幕式期间人工减雨作业的效果。首先以奥体中心为目标区域,利用探空数据分析火箭减雨作业的最佳高度和作业点与奥体中心的最佳距离,所得结果与实际作业情况一致。然后,利用实测雨滴谱拟合滴谱廓线,计算雨滴粒子平均直径、中数直径等特征直径,对比南京站点人工减雨作业前后时刻的雨滴谱变化;再拟合各时刻的雨滴粒子总数浓度、雨滴谱谱型参数γ(反映雨滴粒子尺度分布),将人工减雨作业后同时段内的南京站点与芜湖站点的雨滴谱作比较分析。结果发现人工减雨作业后,南京站点的雨滴谱较作业前谱宽变窄,直径小于1 mm的小滴粒子占比增加,大于1 mm的大滴粒子减少,雨滴粒子各特征直径均小于作业前;同时段内南京站点雨滴粒子总数浓度、质量加权平均直径在减雨作业影响时段内均小于芜湖站点,而谱型参数γ总体大于芜湖,且随时间变化趋势与芜湖站点相反。这些特征表明人工减雨作业明显改变了雨滴谱分布,有效减小了雨滴群中的大粒子,从而抑制了降雨的发展,起到减雨效果。     

陕北地区层状云系催化的物理效应分析

１９８０、１９８９和１９９１年飞机人工增雨作业结果表明。对展状云系催化后含水量、云雨滴浓度、云雨滴分布、粒子增长、谱型特征和地面降水分布等物理效应均有明显效果，起到增雨作用．     

祁连山北坡一次人工增雨降水过程雨滴谱特征分析

本文以2020年8月21日在祁连山开展的人工增雨外场试验为例,分析了祁连山北坡雨滴谱特征和增雨作业前后雨滴谱特征参量和谱型的变化。结果表明:虽然此次降水不均匀,但北坡3个试验点微物理参量特征值的演变较接近,平均雨滴谱谱宽均较小,谱型基本一致,均为单峰型,峰值出现在0.5mm左右。Gamma分布对雨滴谱的拟合效果较好,分布曲线能较准确地反映实际雨滴谱的分布形态,但在峰值段(0.5mm)拟合值有偏差,拟合结果略小于实测谱。Z-I之间满足对数相关,拟合优度R~2值都在0.86以上,有较好的拟合关系。作业后雨滴尺度、总数浓度、雨强等均出现增大趋势,作业后雨滴谱的谱宽逐渐增大,作业后10min,峰型由单峰转变为双峰,作业后30min、60min,谱宽持续增大,说明此时云内小雨滴间的碰并过程开始出现,产生了较大尺度的雨滴。     

一次中小尺度强降水火箭增雨作业效果评估

分析了2003年7月23夜间至24日,衡水市受副热带高压外围强西南气流及弱冷空气共同作用下出现的一次小尺度强雷雨天气。介绍了实施火箭人工催化增雨作业情况,在作业同时进行了雨量、雨滴谱、雷达和闪电定位观测,利用常规天气图资料、雷达观测资料、闪电定位仪和雨滴谱、雨量等观测资料,对此次天气过程进行了分析,并采用作业区和非作业区对比的方法,就增雨效果从雨量、雨滴谱及秩和检验(Wilcoxon氏法)等方面进行了效果分析,结果显示:在局地强对流云系含水量丰沛,云顶高度高,云层温度低,过冷水区浓厚,同时垂直风切变有利于AgI粒子的结晶和扩散时,作业时机宜选择在降雨初期云中能量聚集尚未释放时,可进一步提高增雨作业效果。     

一次层状云火箭增雨作业效果分析

文章采用统计检验和物理检验方法对2015年4月12日大连市出现的一次层状云降水过程进行了火箭增雨试验和作业效果评估,结果表明,通过作业区和对比区雨滴谱分钟雨量观测值与拟合值的对比计算发现,被催化云体在催化后的30~50 min内产生了最大雨强和降水,其相对增雨量达到49%(α0.001),显著性较高;同时,催化云体的雷达回波强度、回波面积、降雨时间,以及雨滴谱的变化特征等均表现了很好的物理效应,增雨试验效果显著。     

黄河上游地区雷达测量降水与雨滴谱的对比分析

本利用1999年7月4日～7月16日期间，由青海省人影办和有关科研单位的人员在黄河上游地区开展地面人工增雨试验获取的711数字化雷达资料、雨滴谱资料和地面降水自记资料，对黄河上游地区云层降水的微物理特征和雷达定量测量降水进行了初步的分析和研究。分析研究表明：黄河上河上游地区其雨滴谱分布以多峰型为主，降水的滴谱较宽，对实施人工增雨催化作业较有利，同时拟合出黄河上游地区层状云降水的Z-I关系，可以作为雷达定量测量层状云降水的参考。     

北京层状云人工增雨数值模拟试验和机理研究

在中尺度WRF 模式的Morrison 双参数方案中引入了AgI 粒子与云相互作用的过程,在WRF 模式中实现了催化功能。利用加入了催化方案的中尺度模式对2008 年3 月20～21 日环北京地区一次层状云系降水过程进行模拟和催化试验。模拟自然降水与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度和时刻进行试验对降水的影响。结果表明:以20 g 的碘化银进行催化作业,在催化后的前30min 之内,地面雨量轻微减小,最大累积减雨量为2010 t,30 min 后,净增雨量迅速增加,最大累积增雨量达到了3.4×105 t。催化开始阶段的减雨主要是由于播撒AgI 后,云水减少而雪晶增多,导致雨滴碰并云滴,云滴向雨滴自动转化过程的减少以及雪晶碰并雨滴过程的增多,然而空中增多的雪晶尚未下落到暖区融化成雨滴。而第二阶段的增雨则是空中增多的雪晶逐渐下落到暖区,雪晶融化成雨滴过程增多。AgI 的播撒率对降水量有明显影响,过量催化会使雪晶平均质量减少,下落速度锐减,从而雪融化成雨水减少,导致雨量减弱,不同催化高度和催化时间的催化结果表明在过冷水含量比较丰富而冰雪晶含量偏少的区域进行催化,增雨效果显著。     

利用Ka波段毫米波雷达功率谱反演云降水大气垂直速度和雨滴谱分布研究

利用中国气象科学研究院2016年华南云降水试验中Ka波段毫米波雷达探测一次层状云降水过程,开展了云内大气垂直速度和雨滴谱的反演研究,并与地面激光雨滴谱仪和微降水雷达的测量雨滴谱结果进行对比分析。首先,采用小粒子示踪法从功率谱密度中反演大气垂直速度以得到静止空气条件下的功率谱密度,进而利用粒子下落末速度-粒子直径关系反演出雨滴谱,最后进行标准化的Gamma分布拟合。研究表明:(1)云降水从零度层到地面1 km,主要由下沉气流主导,近地面大气浮游粒子和直流干扰造成的晴空杂波会影响雷达的功率谱分布;受动态范围限制,回波强度过饱和现象会影响近地面大气垂直速度的反演结果;(2)毫米波雷达CR、微雨雷达MRR和地面雨滴谱仪测量回波强度存在一定差异,MRR相较于CR与地面雨滴谱仪测量偏差较小;在稳定降水时CR和MRR功率谱密度对比较为一致;(3) CR和MRR反演雨滴谱对比实验中,雨滴谱反演对大气垂直速度十分敏感,大气垂直速度的变化,会使CR反演雨滴谱随着高度增加数浓度量级变大、粒子平均半径变小。CR反演的雨滴谱与M RR反演结果基本一致,验证了CR功率谱反演雨滴谱方法的可靠性;(4) CR与地面雨滴谱仪雨滴谱拟合参数的对比表明,CR大气垂直反演的雨滴谱与地面雨滴谱相比粒子平均直径Dm较小,数浓度则较为一致。     

X波段双偏振雷达反演雨滴谱方法研究

X波段双偏振雷达观测参数能够完成雨滴谱反演,但是由于X波段雷达波长较短,降水观测时存在较大的衰减,本文采用自适应约束算法进行反射率和差分反射的衰减订正。通过对雨滴模型的散射模拟以及对雨滴谱进行Gamma谱拟合,建立了雨滴谱参数与双偏振雷达目标参数之间的函数关系和雨滴谱参数相互之间的关系,用于进行雨滴谱反演。将雨衰减订正前后的雷达目标参数进行雨滴谱反演并与实测雨滴谱进行对比,结果表明,所建立的X波段双偏振雷达反演雨滴谱方法能够较好地反演雨滴谱,并且经过订正后反演得到的雨滴谱在浓度、尺度和谱形上都优于订正前的反演结果,通过对距离高度扫描和平面位置扫描数据进行雨滴谱反演,可以得到雨滴谱参数的垂直结构和水平分布,可用以进行降水分析。     

雨滴谱特征量分析及人工催化时机的选择

对1990年6月7日南京的一次降水天气进行了雨滴谱分析，研究了人工催化的某些科学问题。结果：①雨滴空间浓度随雨滴直径的增加呈指数递减分布；②降水谱型为多峰型；③雨强起伏较大；④雨水含水量，雷达反射率因子与雨强的相关可用指数方程来拟合；⑤人工催化的时机与雨水含水量小于云含水量的区域和降水强度小的区域相对应。     

雨滴下落过程谱分布演变的数值模拟

利用一维雨滴分档模式,以飞机观测的空中雨滴谱和边界层气象要素廓线作为模式的初始背景场,模拟了雨滴在出云后下落过程中谱分布的演变。结果表明,一维雨滴分档模式能较好地模拟雨滴在下落过程中的蒸发、碰并和破碎过程;模拟的滴谱呈多峰分布。蒸发作用使得雨滴的直径变小,对小雨滴的消耗较大雨滴更为明显,并能增大中等大小雨滴的数浓度,但在整体上并不会改变雨滴的谱型。碰并和破碎机制可以使得雨滴谱呈现多峰分布,并增大了滴谱的谱型变化。     

上海地区几类强降水雨滴谱特征分析

用Parsivel激光降水粒子谱仪资料对2013年上海地区4—10月份期间4种类型 (层状云、对流暖云主导型、对流冷云主导型和强台风影响下的混合暖云型) 降水过程的雨滴谱特征进行了分析。通过平均雨滴谱及其拟合特征、雨滴数密度与含水量分布、雨滴尺度与速度二维谱分布等对比分析发现:各类降水中, 雨滴谱的峰值结构与雨强大小有关, 其中直径介于0.187~1.312 mm的小雨滴均出现峰值且总数最多。各尺度雨滴数密度及其比例决定了其降水量贡献比, 在冷云强降水中的雨强贡献最大的雨滴尺度要显著大于其他3种类型。雨滴谱宽按大小排列依次为对流冷云主导型、混合暖云型、对流暖云主导型和层状云。最后综合运用雨滴谱、雷达、雨量站、闪电等观测资料对9月13日对流冷云主导型降水过程进行分析后发现:在雷暴的演变过程中, 雨滴谱特征与雷达反射率因子、垂直液态水含量、自动站雨强、闪电频次等要素均有较好的相关性。冷云产生的冰晶和冰雹融化后的大雨滴进入中低层的广谱小雨滴群, 并通过破碎分裂增加了大雨滴的形成概率, 尤其是捕捉碰并过程更加快了大雨滴的增长速度, 使雨强在短时间内迅速加强。雨滴谱中各档粒子数的演变, 揭示了降水强度的变化, 用雨滴谱资料可有效弥补现有雷达定量估测降水的偏差, 且在冷云中改善明显。     

碘化银冷云催化的数值模拟研究

利用加入碘化银冷云催化模块的中尺度数值模式WRF对2014年5月9一11日发生在华北地区的一次降雨天气过程进行了增雨催化数值模拟研究。模式的催化参数根据实际增雨作业信息进行设置,探讨了增雨的效果和机理,并针对催化高度和催化剂量进行了两组敏感性试验。结果表明:在高度5~6 km,温度一20~一15℃左右的冷云区位置引入碘化银冷云催化剂可使地面降水量显著增加。地面增雨开始于作业后30 min左右,70 min左右达到最大,90 min后出现减雨,110 min后减雨效果大于增雨。增雨机制主要为:碘化银的播撤使融化层之上云中的过冷水含量显著减少,冰雪晶的含量增加,雨滴碰并雪的过程和雨滴捕获云滴的过程增强;增加的雪晶下落到暖区融化成雨滴的过程增多,最终造成地面降雨量的显著增加。从微物理过程的量级来看,雪晶粒子的融化是导致降水增加的最主要过程。不同催化高度和催化剂量的敏感性试验结果表明,针对这次过程在过冷云水丰富,温度较低而冰雪晶含量相对较少的高度进行催化效果较好。继续加大催化剂量,可以起到更好的增雨效果。     

激光雨滴谱降水量与人工降水量的对比分析

本文将武汉国家基本气象站2011-2012年期间的激光雨滴谱估测降水量与该站人工定时观测降水量进行了系统的对比和分析,发现激光雨滴谱估测降水量与人工定时观测降水量总体较为接近,均方根误差较小,且不存在显著性差异;整体来看,在雨天时激光雨滴谱估测的降水量小于等于人工降水量,雪天则相反;激光雨滴谱初安装时,误差较小,随时间推移,稳定度逐步下降;大风使人工降水量测值偏小。     

西岭雪山地形云人工增雪试验研究

为了开发西岭雪山地形云形成的空中云水资源,本文基于地基碘化银发生器工作原理,在西岭雪山山区布设合理的作业点进行远程遥控催化人工增雪作业,并利用PARSIVEL激光雨滴谱仪和自动气象站加密观测资料分析典型降水天气过程中人工增雪作业前后的雪晶谱与气象数据。结果表明:西岭雪山人工增雪作业时的地面风向风速对碘化银凝结核的入云效率和作业目标区具有较大的影响,降雪量最大可增加22%;可利用多普勒雷达速度场零速度线的变化和正负速度中心的分布确定人工增雪作业区域,并结合边界层风廓线雷达垂直气流分布判断最佳人工增雪作业时机;人工增雪催化作业后,雪晶浓度明显增大,浓度变化趋势与降雪量一致,但不同直径雪晶的浓度增加幅度不同,直径小于1.5 mm的雪晶浓度增长较快。     

地面激光雨滴谱仪反演降水参量的特性探究

采用河南省2016—2017年100个日降水资料,对比分析雨滴谱反演回波与雷达回波的差异、雨滴谱反演降水强度与雨量计观测降水强度的差异;进行雨滴谱Gamma拟合,以探究河南省雨滴谱分布及降水云系类型;进行Z-I关系拟合,以探究河南省降水回波与降水强度的关系。结果表明:(1)雨滴谱反演回波、雷达观测回波的变化趋势具有较好一致性。而前者普遍小于后者,其可能原因:一是雷达通过最低仰角观测到的地面雨滴谱仪上方回波与地面雨滴谱仪之间存在一定高度差,二是雨滴下落时的蒸发、破碎过程,使到达地面的雨滴直径减小。(2)雨滴谱反演的降水强度与雨量计观测的降水强度相比,存在一定差异,但无显著偏大或偏小规律性特征。(3)对流云及层积混合云的雨滴谱宽大于层状云,中等尺度雨滴数密度较大。层状云的小水滴数密度较大。河南省大部分降水过程为雨滴谱较窄的层状云降水。(4)河南省降水回波与降水强度的拟合公式:Z=262I~(1.34),层状云拟合公式:Z=219I~(1.30),对流云拟合公式:Z=307I~(1.38)。(5)雨滴数浓度较高月份为6—7月(1500个·m~(-3)左右),降水强度较高月份为8—10月(60 mm·h~(-1)),雨滴最大直径较高月份为4—8月(4.3～4.8 mm),雨滴平均直径较高月份为3—4月(3 mm左右)。雨滴数浓度、降水强度、最大直径、平均直径的月份特征变化无一致性。     

云中粒子谱形状因子变化对云及降水影响的数值研究

鉴于目前云数值模式和中尺度数值模式中云和降水过程大多用体积水参数化的方式描述,而不同模式所用的粒子谱不同或粒子谱的参数不同,用这些模式模拟研究云和降水的物理过程、降水形成机制、催化防雹和催化增雨机理以及预报降水等就遇到这样一个问题:粒子谱或谱参数不同对研究结果有何影响?因此利用中国科学院大气物理研究所的三维冰雹云催化数值模式,做雹云中粒子谱参数变化的数值试验,分析了冰雹云中雨滴谱、冰晶谱、霰谱的形状参数对降雨降雹、云中微物理过程的影响。结果表明,雨滴谱形状参数变化,对降雨形成机制基本没有影响,对与雨滴有关的物理过程有直接影响。霰谱对地面降雹量、降雹强度、雨强的影响较大,对降雨量影响较小;对冰晶、霰以及冰雹的质量和数量产生率都有明显的影响,云中的所有微物理过程均受到了不同程度的影响,对有些过程影响最为显著,它不但影响粒子的产生过程,也影响粒子的增长过程。冰晶谱对降水量的影响较小,但对各种粒子的某些形成或增长过程影响较大,有的很大。此外,冰晶谱型的变化,对不同地区云或不同个体云降水的影响程度不同,反映了滴谱谱型对云和降水影响的复杂性。利用这些研究结果,讨论了云模式的使用问题。     

台风“利奇马”期间苏州大暴雨物理量诊断和微物理特征分析

采用日本气象厅的最佳台风路径及强度资料、NCEP/NCAR逐6 h细网格再分析数据,分析了"利奇马"暴雨影响相关的云水含量、假相当位温、水汽通量散度、Q矢量、湿位涡等物理量;通过苏州雨滴谱资料,分析降雨强度、雨滴数密度、雨滴平均直径、雨滴含水量、雷达反射率因子、雨滴谱宽等微物理量特征。结果表明降水落区位于环境垂直风切变顺切的左侧。暴雨期间能量和水汽条件较好,低层Q矢量梯度使辐合上升增强,且其非对称性对暴雨落区有指示意义,湿位涡的发展也有利于暴雨的加强;另外,微物理分析表明冷云降水机制使降水效率大幅提高,雨滴谱能较好地反映台风降水特征,强降水主要由层状云中嵌入的对流降水引起。强降水时段雨滴谱的相关微物理量等都呈现较大值。     

基于Parsivel激光雨滴谱仪的夏季雨滴谱特征分析

本文利用OTT Parsivel2降水粒子探测资料,分析了2015年7-8月期间哈尔滨宾县8次降水过程的雨滴谱特征,并进行了M-P谱分布拟合。结果表明:两种类型降水云背景下,小雨滴对雨滴数浓度的贡献皆比大雨滴对雨滴数浓度的贡献大;对流云降水类型的雨滴谱比层状云降水类型的雨滴谱更宽,雨滴数浓度更大,大雨滴所占比例更大,对流云降水更易出现超大雨滴;两种降水类型的M-P分布与实测值平均谱分布比较接近,但M-P谱分布高估了小雨滴数浓度而低估了大雨滴数浓度。