河北一次降水层状云系结构和增雨条件的模拟研究

利用中尺度模式模拟结果和卫星、雷达、飞机、地面雨量站等观测资料,对2012年9月21日河北一次西风槽降水层状云系的宏微观结构和增雨条件进行了分析。结果表明:此次西风槽降水过程的影响系统为500 h Pa低槽和700 h Pa切变线,地面并没有伴随冷锋系统;西风槽云系不同部位具有不同云层性质和垂直结构特征,前端为高层冷云,云顶温度为-35℃,云体由冰相粒子和过冷水组成,没有暖云,有少量冷云降水;槽线附近云系为冷暖混合云,云顶温度为-20℃,云体最为密实,地面降水较强;槽后云系为低层液态水云,云顶温度为-5℃,有少量暖云降水;云水分布对应上升运动和高饱和区,高饱和区越深厚、上升运动越强,产生的云水值越大;利用模式过冷水含量、上升运动区、冰晶浓度、温度和逐时雨强对冷云催化增雨作业条件进行分析,槽线附近云系过冷水含量较多,存在强可播区,播撒高度为3.8~6.5 km,最适宜冷云播撒增雨作业。     

南方三类云系云结构预报和增雨作业条件分析

2013年夏季,我国南方出现了大范围高温干旱天气。8月1—22日,中国气象局人工影响天气中心利用人影数值模式为南方高温旱区开展云结构预报和人工增雨作业条件分析服务工作。文章简要回顾了2013年8月的旱情和天气过程,重点对2013年8月南方三类云系的云结构预报结果和增雨作业条件进行了分析。8月1—22日,我国南方高温旱区降水过程可分为3种类型。1—4日为台风外围云系降水;5—13日为副热带高压控制下局地对流性降水;14—22日为台风登陆后低压环流云系降水。人影模式对台风外围云系和低压环流云系降水的范围和强度基本预报正确,对云系影响时段和局地对流降水位置的预报略有偏差。利用卫星反演光学厚度、实测雨量和雷达回波检验模式预报结果,大范围云系与实况卫星反演结果比较吻合,而且能够预报出局地对流云团,以及与实况接近的云层性质和垂直结构。综合分析云带、过冷水、云垂直结构、降水等产品可知,台风外围云系和低压环流云系既有暖云降水、也有冷暖混合云降水,冷暖混合云中有最大值为0.3 g·kg-1过冷水,位于-10～0℃,冰晶数浓度较小,可能有较好的冷云催化增雨潜力;副热带高压内部局地对流云团基本为冷暖混合云降水,在初始发展阶段会出现最大值为1 g·kg-1过冷水,冰晶数浓度很少,上升运动大值区位于过冷水层下方,可能有很好的冷云催化增雨潜力。针对南方夏季积层混合云以及对流云的微物理结构和增雨条件的研究以及预报准确率还需加强和提高。     

一次低槽冷锋层状云系结构和过冷水分布特征的模拟研究

本文利用耦合了CAMS云微物理方案的WRF中尺度模式的模拟结果结合飞机、卫星、雷达、地面雨量等观测资料,对2012年9月25日山西一次低槽弱冷锋降水层状云系的宏微观结构和过冷水分布特征进行分析,试图研究低槽冷锋层状云系结构特征及过冷水形成的宏微观条件,为人工增雨作业提供依据。模拟的天气形势、降水、云顶温度、雷达回波、水成物的演变与实测基本一致。结果表明：此次降水过程的系统为低槽弱冷锋,且锋面后倾,位于锋前的云系前部为高层冷云,云顶温度-40℃左右,以冰相粒子组成,没有降水;锋区云系变成高层冷暖混合云,冷区以少量过冷水和大量冰相粒子组成,地面降水最大;处于锋后的云系后部为高层冷云,云顶温度-30℃左右,不存在过冷水,以较少冰相粒子组成,地面降水较弱。过冷水主要分布在锋面前方低于-5℃层,高度偏低、含量偏少,过冷水一方面因垂直上升速度供应水汽维持,另一方面因冰相粒子的凝华而消耗。过冷水层及其下部上升运动较弱、而其上部上升运动较强,不利于在过冷区长时间维持大量液态水,反而促使冰相粒子发展旺盛,此处水汽相对水面不饱和、相对冰面饱和,大量冰相粒子消耗水汽,不利于过冷水的存在,导致云场仅存在少量过冷水。本次过程中,冰核浓度的增大仅增大冰晶浓度,对雪霰含量及-5~0℃的过冷水几乎没有影响。     

利用TRMM卫星资料对人工增雨云系模式云微观场预报能力的检验

文中利用TRMM卫星测雨雷达探测反演的云水、雨水、云冰和降冰4种云参数产品及实况降水资料,对比检验该人工增雨云系业务模式对云微观场和地面降水场的预报能力.结果表明,人工增雨云系模式系统对降水的预报能力要略优于现行业务运行的GRAPES模式;人工增雨云系模式系统能较好地预报云系系统云物理微观量的垂直结构特征,模式预报的微观场与卫星监测吻合较好;在播撒窗区的水平分布上,模式预报的各水凝物分布形势和强中心位置与卫星监测一致,其大小也接近监测值;人工增雨云系模式能较好地预报云的微观场和天气形势场,可作为云系人工增雨条件决策的重要参考依据.     

一次冷锋降水云系结构和人工增雨条件模拟分析

利用中尺度模式ARPS对2013年10月13—14日华北南部到河南一次冷锋降水过程的数值模拟结果和卫星、雷达、飞机等观测资料,分析了冷锋云系不同部位宏微观结构和多种增雨潜力要素分布特征,初步探讨了冷锋云系增雨潜力区判别方法及分布特征。结果表明:此次降水过程冷锋云系结构具有不均匀性,云中含水量及其变化梯度自云系前部到后部逐步减小。冷锋云系不同位置垂直结构特征不同,云系前部自云底到云顶为整层上升气流区,云中存在典型的"催化-供给"结构,动力辐合和水汽条件较好,对应区域地面出现较大降水。云系后部上升气流区集中在中高层,4.0 km以下为下沉气流,云中冰相粒子丰富,但中低层液态水含量少,"催化-供给"结构不明显,动力辐合和低空水汽条件差,对应区域地面降水微弱或不产生降水。利用模式模拟结果逐步判别云系增雨潜力条件,结果显示:增雨潜力区主要位于冷锋云系前部、地面冷锋与700 hPa切变线之间约150 km宽的狭长带状区域,云体是具有"催化-供给"结构的冷暖混合云,可催化层高度为3.5—7.0 km。     

春季两次东移型西南涡云系的发展演变特征

采用FY-2E和Cloud Sat卫星资料、雷达资料、NCEP再分析资料和常规观测资料,分析2013年春季2次西南涡云型、云系结构和雷达回波演变、环境场特征。结果表明:(1)2次西南涡形成都伴随有高原槽东移和高原东侧偏南低空急流增强,偏南低空急流增强对低涡形成和东移起重要作用;(2)西南涡云系结构与低涡环流密切相关,西南涡形成和东移初期,低涡环流结构呈椭圆形,西南涡云系表现为叶状云系或逗点云系,随着低涡后部冷空气入侵加剧,低涡云系形成典型的"S"型后边界。低涡云系的结构形式和边界形状,对低涡形成和东移、急流发展有指示作用;(3)低涡降水分布与低涡云系结构有一定关系,低涡水平云系分布为叶状云系时,降水中心位于其东南部,低涡云系水平分布为逗点云系时,降水中心位于其逗点云内;(4)受低涡云系结构影响,低涡云系降水可分为2个阶段,第1阶段为低涡暖区降水,回波带呈反气旋弯曲,向东移动并向东北方向旋转;第2阶段中层干冷空气下沉加剧,干冷和暖湿气团交汇形成西南—东北向带状回波,雷达回波上"人"字形回波形成。     

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.     

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。     

西藏高原一次冰雹天气云降水模式预报产品检验

利用FY-2G卫星反演云特征参量产品、MICAPS高空和地面形势场、逐小时地面降水和探空数据等资料,从云的宏观、微观结构及垂直结构和降水方面对2016年6月22日19:00-20:00拉萨市短时冰雹天气发生期间的GRAPES_CAMS云降水模式预报结果进行高原地区适用性检验。结果表明:(1)模式能够预报西藏地区的降水落区分布,对强降水中心和降水强度的预报存在一定偏差;(2)模式能较好地预报云系发展演变,在云系移速、移向上预报结果与实况基本一致,对云系发展旺盛程度的预报有一定偏差;(3)模式能较准确地预报高原对流云宏观特征,对流云的垂直发展预报结果比实况弱,云顶高度偏低1.0~2.0 km,云顶温度偏高10~20℃;(4)在云垂直结构特征上,模式预报与卫星、高空监测较为吻合,云的冷暖性质、垂直结构、特征温度层高度与实况接近。     

基于CloudSat卫星观测资料的辽宁省不同天气系统影响下云系垂直结构特征

为区分不同天气系统影响下云垂直结构的差异,从而为人工增雨作业提供参考,对2004—2014年辽宁省进行人工增雨作业期间,500、850 hPa以及地面的天气形势进行了统计,利用CloudSat卫星观测资料对筛选的出现频率≥2次·a~(-1)的系统配置下的云垂直结构进行分析,并研究了典型系统影响下的作业云系垂直结构特征。根据系统配置差异,2004—2014年间影响辽宁省的共有225次过程,可划分为17种配置类型,其中典型天气系统四种,分别为西风槽—切变线—冷锋(CF型)、西风槽—低涡—蒙古气旋(MCW型)、西风槽—低涡—南方气旋(SC型)和低涡—低涡—蒙古气旋型(MCV型)。对四种典型天气系统影响下的云垂直结构分析发现,不同天气系统影响下云层均以单层云为主。SC影响下的云层发展较为旺盛,云底较低而云顶较高,云层深厚。MCW影响下的云层云底高度较高,云层较薄。不同天气系统影响下的云夹层厚度大多(50%)在1 km以下,而且随着云层数目增加,低于1 km的云夹层所占的比例增加。将云底高度≤2 km且云厚≥2 km视为作业云系,发现有云条件下,SC型符合条件的作业云系最多(59.7%),而MCW型影响下最少(14.5%)。作业云系以单层低冷云为主,单层低冷云的云底高度低于1 km且云顶高度可达7 km以上,作业云系的云夹层厚度对降水云催化效果影响较小。     

冷涡前部飞机人工增雨作业条件数值模拟研究

利用中尺度数值模式WRF-ARW(V3.6)结合实测资料对2015年6月6日大兴安岭林区增雨作业条件进行研究，从不同尺度分析了天气条件、云宏微观条件，完善飞机人工增雨作业指标体系，进而为冷涡背景下的人工增雨作业提供一定的科学依据。研究表明：此次过程受贝湖以东冷涡的影响，6日08时冷涡中心位于蒙古国与内蒙东部交界处，黑龙江省西部处于涡前部偏南气流中，水汽条件良好；08-16时涡旋云系前部分布于黑龙江省西部地区，云系整体向东北方向缓慢移动，云层较厚，云顶温度在-30℃~-15℃，过冷层厚度为4~5km，云中过冷水分布较丰沛，普遍含量在0.01~0.1g/m3，最大值达到0.5g/m3，大值区主要分布在2900-4000m，具备较好的增雨作业云条件。     

六盘山地区一次低槽低涡云系结构及其降水机制的数值模拟研究

六盘山是西北重要的水源涵养林基地,干旱少雨制约了该地区农业和经济发展。作为该地区人工增雨技术研究的基础,本文利用WRF模式对2018年8月21日发生在宁夏南部六盘山区的一次降水天气过程进行了数值模拟。根据模拟结果结合实测资料,分析了造成此次强降水过程的有利环流形势场,重点讨论了山区降水云系的微物理结构以及降水形成机制。结果表明:降水是在高空槽配合低涡的动力场作用下形成的,受六盘山地形的阻挡作用,低层低涡系统移速落后于高空槽;垂直方向上云系呈现“催化—供给”的分层结构,但在云系不同部位,各层水凝物配置不同,导致冷暖云过程对降水的贡献差异;六盘山东部迎风坡降水强于西坡。霰粒子融化和云水碰并是地面降水的主要来源;碰冻过冷雨水是霰增长的主要过程。迎风坡云水层深厚,含水量高,一方面促进过冷层中霰粒子的碰冻增长过程,一方面为雨滴碰并增长提供充沛的云水条件,即同时增强了冷暖云降水过程。地形对云的发展和降水的形成有明显影响,当降低地形高度后,云水量减少,暖云过程减弱,同时也影响了霰粒子的增长过程。     

一次积层混合云降水过程增雨条件分析

基于中尺度数值模式MM5,新一代天气雷达、静止气象卫星和雨量等观测资料,对安徽省秋季旱期一次降水过程的增雨条件进行了分析。首先,模式预报的云降水结构与实况在总降水量及分布、云系回波特征、移动趋势方面基本一致,模式产品具有一定可信度,对云降水结构的分析表明,云中含有一定过冷云水且配合有上升气流的存在,这是有利的增雨条件。在此基础上,基于MM5模式结果计算了冰面过饱和度,散度差,K指数和850 hPa水汽含量,并由此得到综合增雨潜力指标,将指标与云结构、降水和卫星雷达资料进行对比,结果表明这些指标揭示了云系中有利于增雨作业的动力、热力、微物理条件,对云系发展和降水过程有良好指示意义,与雷达卫星的观测结果较一致。最后,卫星反演产品、雷达回波以及雷达反演产品如垂直积分液态水含量、回波顶高等特征与模式描述的云系结构特征一致,可判断作业的具体位置和时间,数值模式产品与观测资料结合为人工增雨作业提供了及时精确的指导。     

不同路径移出型西南涡对中国中东部降水的影响

利用欧洲中期天气预报中心提供的ERA-Interim再分析资料、热带降雨测量(tropical rainfall measuring mission,TRMM)卫星提供的降水反演产品3B42RT、全球降雨观测(global precipitation measurement,GPM)卫星搭载的双频降雨雷达(dual-frequency precipitation radar,DPR)观测数据、FY-2F云类型和云顶亮温等资料,对2010—2020年4—10月(暖季)影响中国中东部降水的西南涡进行分析。结果表明,2010—2020年暖季移出型西南涡共计108例,东移型、东北移型和东南移型占比分别为58.3%、27.8%、12.0%。其中东移型西南涡主要影响长江中下游,雨带呈东西向分布;东北移型西南涡雨带主要位于黄淮到华北一带;东南移型西南涡降水则主要集中在华南及沿海海域。另外,3类暖季移出型西南涡降水云系特征有明显差异,东移型西南涡30°N以北为层状云降水,以南为对流云降水,东北移型为对流云和层状云降水共同影响(即混合性降水),而东南移型则以对流云降水为主;暖季移出型西南涡降水云分类均以积雨云和密卷云为主,且伸展高度高、云顶亮温低,其中东移型和东北移型西南涡云系影响范围更广,而东南移型西南涡云系则呈块状、更密实。     

GRAPES_GFS不同湿物理过程对云降水预报性能的诊断与评估

积云对流和云微物理是数值天气预报模式中最为重要的两类湿物理过程,它们共同影响云和降水的预报性能。通过采用CMAP降水资料和MODIS、MLS及Cloud Sat卫星云观测资料对全球中期数值预报模式GRAPES_GFS中这两类湿物理过程参数化方案的不同组合所预报的降水场和云宏微观场进行诊断和评估,以揭示其对云和降水的预报性能。结果表明:(1)云微物理方案是中高纬度地区总降水预报差异的主因,三种云微物理方案预报的降水强度为SINCEP3NCEP5。赤道及低纬地区降水差异主要是由积云对流方案引起的,KF_SI组合与CMAP降水最为一致。(2)SI方案和NCEP3方案在中纬度地区格点降水要显著多于混合相云NCEP5方案;与SAS方案和KF方案相比,BM方案使与其组合的云方案产生的格点降水明显偏少。(3)BM方案产生的对流降水要明显多于SAS方案和KF方案,中高纬地区SAS方案和KF方案预报的对流降水基本一致,在低纬地区SAS方案对流降水最少。(4)NCEP5方案预报的云顶温度与MODIS观测吻合较好,NCEP3方案和SI方案预报的云顶温度要较实况偏暖。三种对流方案预报的云顶温度冷暖关系为SASBMKF,BM和KF预报的云顶温度与实况较为接近。(5)NCEP5方案预报的积分云水与卫星观测最为接近,两种简冰方案显著偏少,尤以SI方案偏少最多。SAS和KF方案能较好的预报积分云水的空间分布,但其量值较观测偏大,BM方案预报的积分云水在低纬度地区偏少明显。(6)所有方案组合预报的卷云较MLS卫星观测显著偏少,混合相云方案对卷云预报较简冰方案具有一定优势,BM方案偏少最显著。(7)全球平均而言,KF对流方案和NCEP5云微物理方案对GRAPES_GFS的云和降水预报性能较其他降水物理方案具有一定优势。     

我国中部区域人工增雨天气系统分型及典型天气系统特点

利用常规气象观测资料、自动站观测资料和探空资料等,对所选取的2004—2013年共78例降水过程进行分析,将中部区域春秋季降水过程分为3个类型:低槽/切变线冷锋型、低涡(西南涡/西北涡)气旋型、低槽/切变线冷高压型。统计结果表明,中部区域春秋季降水出现概率最多的类型依次为切变线冷锋型、低槽冷锋型和西南涡类型,各天气类型的雨区移动方向均以自西向东为主,低层700 h Pa和850 h Pa多存在西南或偏南急流,水汽主要来自于孟加拉湾。分析中部区域3种主要降水类型特征及其增雨潜力区位置发现:1)低槽冷锋类型降水一般出现在500 h Pa和700 h Pa低槽前部、地面冷锋后部,多为连续性降水;其增雨潜力区主要位于500 h Pa低槽前部、700h Pa槽前和西南急流出口区的左侧,以及地面冷锋后部或锋线附近区域。2)切变线冷锋类型降水多出现在地面冷锋后部、低层切变线两侧附近;其增雨潜力区主要位于700 h Pa和850 h Pa两切变线之间且较靠近700 h Pa切变线一侧、急流出口左侧的带状区域。3)西南涡波动类型降水一般出现在低涡中心及700 h Pa暖式切变线两侧附近,降水持续时间较长;其增雨潜力区主要位于700 h Pa和850 h Pa低涡中心附近及暖式切变线北侧区域。     

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.     

云顶参数与降水间关系的统计分析和数值模拟

利用FY2C静止卫星云顶物理参数及地面加密雨量观测等,结合MM5中尺度非静力数值预报模式,综合分析了典型层状云降水过程的云系演变和结构特征,揭示了云顶参数与单站雨强之间并不是简单的量化统计关系：即降水大,每小时降水量与云顶高度、有效粒子半径是较好的正相关,与云顶温度是较好的负相关;反之则不尽然,云顶高度高、云顶温度低、有效粒子半径大却不一定降水大。并用模拟结果分析解释了形成这种现象的机理。     

一次冷涡过程云系和降水模式产品检验分析

结合2015年6月6日冷涡前部飞机增雨降水过程,利用实测资料对国家人影模式产品进行定性检验,包括对云系和降水进行对比检验,结果表明:模式对于云系的发展演变趋势、移动方向预报与实测基本一致,但云系移动速度比实况稍慢,导致预报云带整体偏西;预报雨带的分布、降水量级与实况较为一致。     

定西地区人工增雨云水资源的分析研究

定西地区降水少气候干燥,夏秋雨水集中,与东部地区相比,有利人工增雨的云水资源相对不够丰富。但在某些特定环流条件下,定西地区具有形成自然降水的水汽,且降水云系的过冷水区相对较好,存在播云增雨的潜力。