吉林省春季人工增雨潜力及指标的数值模拟研究

利用吉林省业务运行的中尺度数值模式WRF3.3.1,分析了2016年4月12日吉林省一次春季降水过程的人工增雨潜力,选取比湿、上升气流、K指数、冰面过饱和度、云水厚度共5种与人工增雨潜力密切相关的指标,作为吉林省春季人工增雨潜力判别的因子。结果表明：吉林省春季850 hPa比湿和K指数与降水量存在相关关系,比湿小于2.9 g·kg^-1几乎不产生降水,产生2 mm以上的降水比湿几乎均大于4.5 g·kg^-1,K指数大于22℃。将850 hPa比湿大于4.5 g·kg^-1、K指数大于22℃、积分云水含量大于0.2 mm、高层冰面过饱和度大于0和低层垂直速度大于0.4 m·s^-1作为强增雨潜力区的指标,并利用春季其他个例对该指标进行检验,发现该指标基本能够表征云内的动力、热力和微物理条件,可以作为人工增雨潜力区的判别指标。     

切变线型降水的增雨潜力与数值模式分析

针对人工增雨作业前缺少微物理资料确定人工增雨潜力区的问题,文章利用欧洲细网格资料、地基微波辐射计资料和飞机探测资料,根据人工增雨前所需具备的动力条件、水汽条件、可播区条件,分析了层状云切变线型降水人工增雨潜力区的宏观判据。结果表明:欧洲细网格模式预报大气可降水量、低云量、比湿最大值、气柱总含水量和850 hPa比湿与降水的演变趋势一致,大气可降水量预报平均值为43.0 mm,气柱总含水量预报平均值为33.0 kg·m-2,850 hPa比湿预报平均值在6.4 g·kg~(-1)时,有利于人工增雨作业的实施;模式探空资料反映的湿层(相对湿度≥80%)高度与厚度、e-Ei反映的冰水转化区与T-T_d反映的准饱和湿层的垂直分布,可确定人工增雨作业的合适时间与最佳播撒高度;欧洲模式预报对判定人工增雨潜力区和降水过程有良好的指示意义,与地基微波辐射计和飞机的探测结果较为一致,模式预报产品与观测资料结合为判定人工增雨作业潜力区提供了指导。     

河北省冬季低槽冷锋层状云结构特征和可播性分析

2018年1月6日河北省出现一次低槽冷锋天气系统,利用两次云粒子垂直探测资料分析层状云结构特征和演化规律,探讨冬季低槽冷锋系统层状云催化条件和催化时机。结果表明：天气系统初期西南风风速中心发生在6500 m高空时,风速随高度呈不连续分布,层状云云顶温度为-29.2℃,中低云层稀薄;3000 m以上云层粒子基本被冰化,云内过冷水含量小于0.05 g·m^-3,固态含水量为0.1 g·m^-3左右,3000 m以下云层有大量自然冰晶,过冷水低于0.15 g·m^-3,不具备催化条件。700—3000 m高度层西南风加强,云内过冷水含量普遍大于0.1 g·m^-3;2200 m风速中心风速达16 m·s^-1,该高度最大液态水含量达0.38 g·m^-3,冰晶浓度为6 L^-1,温度为-9℃,适宜催化。低槽冷锋天气系统层状云结构特征和催化条件受槽前西南风强弱和风速中心高度影响,天气系统初期层状云云顶过高、温度过低时,层状云为不可播云。随槽线东移,风速中心高度降低,3000 m以下西南风加强,层状云转变为可播云。     

中国东北地区重污染事件气溶胶浓度变化与天气形势分析

近年来中国东北地区污染事件频发,为揭示该地区重污染天气分布特征,利用2014—2017年中国东北地区40个城市空气质量数据及对应的高低空天气形势资料,统计分析得到中国东北地区大气污染状况的变化特征以及区域重污染事件的天气学特征。结果表明：2015—2017年中国东北地区PM_2.5和PM₁₀年平均质量浓度呈下降趋势,其中PM_2.5年平均质量浓度下降的更快,PM_2.5最大值出现在辽宁和吉林中部地区约为90—100 μg·m^-3,SO₂年平均质量浓度较高值分布在辽宁西部地区约为50 μg·m^-3,而NO₂最大值出现在沈阳—长春—哈尔滨一带,约为45 μg·m^-3,CO质量浓度最大值分布在东北沿海地区约为1.6 mg·m^-3,相反中国东北地区O₃年平均质量浓度呈上升趋势,最大值出现在沿海的大连及营口等地,约为100 μg·m^-3。污染物浓度变化具有鲜明的季节变化特征,不同地区PM_2.5和PM₁₀与AQI最大值均出现在冬季,SO₂冬季质量浓度最大值出现在沈阳（180 μg·m^-3）,NO₂与CO冬季最大值出现在哈尔滨（80 μg·m^-3,1.8 mg·m^-3）。相反,O₃最大值出现在夏季沈阳地区约为140—150 μg·m^-3。重度污染级别（200 μg·m^-3≤PM_2.5 < 300 μg·m^-3）和严重污染级别（PM_2.5>300 μg·m^-3）的空气质量表现出以哈尔滨为中心,向周围迅速减少,辽宁中部又略有增加的特征;中度污染（150 μg·m^-3≤PM_2.5 < 200 μg·m^-3）的天数沈阳>哈尔滨>长春,轻度污染（100 μg·m^-3≤PM_2.5 < 150 μg·m^-3）的天数是沈阳>长春>哈尔滨。引发中国东北地区重污染的天气形势大致可分为高压型,低压型和北高南低型3种,出现比例分别为62%、27%和11%;高压型850 hPa高压脊东移经过中国东北地区,地面处于高压南部或弱高压中心,有时在黑龙江北部或辽宁西南部连续有弱小的低压生成并快速东移过境;低压型850 hPa低压系统发展并东移经过中国东北地区,地面处于低压后弱高压中;北高南低型850 hPa和地面中国东北地区受北面高压和南面低压的共同影响。     

中国中部区域一次低槽冷锋天气过程人工增雨潜力区研究

低槽冷锋天气系统为中国中部区域春秋季主要的人工增雨作业天气类型,根据地面冷空气活动路径及西太平洋副高位置,具体分为低槽西路冷锋型、低槽东路转西路冷锋型和副高西伸型3种类型,其中低槽西路冷锋型占比最多。选取2012年11月24日中部区域一次典型低槽西路冷锋降水个例,首先利用多种资料进行增雨潜力区初判,再利用WRF模式模拟结果,综合给出增雨潜力区位置。结果表明:本次过程降水主要出现在500 hPa和700 hPa槽前及地面冷锋后部区域,过程典型时刻2012年11月3日14时初判人工增雨潜力区位于河南东北部、山东西南部、湖北东部和安徽大部分地区,模式模拟的过冷水分布区域与其基本一致。综合分析得到此次中部区域典型低槽西路冷锋天气过程人工增雨潜力区位于500 hPa和700 hPa低槽前部、700 hPa急流左侧且更靠近急流轴一侧、地面冷锋后部及锋线附近。     

阻塞形势下内蒙古东南部地区一次冷涡暴雨过程水汽特征分析

使用常规观测资料、FY-2G卫星及1°×1°的NCEP再分析资料,对2017年7月6—7日内蒙古东南部地区一次冷涡暴雨天气过程进行分析。结果表明:在稳定的"一槽一脊"型环流背景下,阻塞高压稳定维持,西风槽东移受阻移动缓慢,加深为涡,暴雨发生在冷涡发展加强阶段;低空急流建立,一方面形成偏南水汽输送,为暴雨提供源源不断的水汽,水汽收支主要集中在700 hPa以下,暴雨发生前水汽净收入明显增大,南、北边界水汽贡献率大;另一方面,偏南暖湿气流的输送使不稳定层结建立,能量在暴雨区积聚,偏南低空急流与高空急流耦合,又为暴雨发生提供了动力条件;暴雨发生前后湿度场变化显著,大气可降水量最大达到55—60 kg·m^-2,且暴雨发生前增幅显著,增幅近2倍。暴雨区700 hPa (850 hPa)上比湿不低于7 g·kg^-1(12 g·kg^-1),强降水出现在水汽图上白亮区断裂消失后,高层比湿峰值附近和相当黑体温度<230 K为强降水高发区。     

2003年淮河上游区域暴雨的水汽特征

利用合成平均天气图资料和T213数值预报产品物理量中的水汽因子,对2003年6～7月出现在淮河上游的5次暴雨过程的水汽条件进行了分析,结果表明水汽分别来自孟加拉湾和南海;暴雨产生前后,850～500 hPa三层中均以850 hPa水汽含量最大,且辐合亦最明显;当850 hPa和700 hPa天气图上分别在桂林到长沙和昆明到贵阳有＞200×10-4kg·s-1·m-1·hPa-1和＞100×10-4kg·s-1·m-1·hPa-1的水汽通量大值中心,且上游风速又大于下游时,可考虑未来24 h淮河暴雨的产生;当T213数值产品中淮河上游区域的相对湿度、比湿和水汽通量的预报值大于诊断量的临界值的绝对值时,亦可作为暴雨预报的参考依据.     

京津冀强对流天气的环境场条件及触发机制

利用MICAPS、自动气象站、FY2气象卫星和美国NCEP 1°×1°再分析等资料,对2019年7月29日出现在京津冀的一次区域性强对流天气过程进行综合分析,探讨了其发生的大尺度天气背景以及环境场和触发机制。结果表明：高空西风槽与副热带高压、低空切变线和地面冷锋是此次暖区强对流天气形成的主要影响系统,地面辐合线的生成对强天气的爆发起到了触发作用;副高外围的暖湿气流在850 hPa形成西南低空急流,配合低空切变线的作用使得水汽在京津冀地区强烈辐合,当850 hPa水汽通量散度降至-4×10-8 g/(cm2·hPa·s)以下时,预示着强降雨的出现,而700 hPa大气的辐合、500 hPa以上的强辐散加强了大气的垂直上升运动,对雨强产生明显的增幅作用;冀南地区中高层的干空气侵入使大气的层结不稳定增强,引发了雷暴大风,北京的深厚湿层则更利于产生高强度的降水,即雷暴大风的生成需要更强的大气层结不稳定性。     

2015年春季北疆沿天山一带一次强沙尘暴过程分析

利用NCEP1°×1°全球格点再分析资料和常规地面观测资料,对2015年4月27日北疆沿天山一带的沙尘暴天气过程进行了诊断分析。结果表明：乌拉尔山低槽分裂短波槽与中纬度锋区上中亚低槽汇合东移是沙尘暴发生的影响系统,地面冷锋过境是沙尘暴出现的直接原因;前期高温少雨,时值春播期为沙尘暴的发生提供了丰富的沙尘源;中层400 hPa至低层700 hPa强冷平流的入侵,加大了热力不稳定;假相当位温锋区的强迫抬升作用,触发了不稳定能量的释放;300 hPa高空西风急流的增强造成锋生和动量下传,为沙尘暴提供了充足的动力。沙尘暴天气发生在地面冷锋后部西北大风区内、Δp3中心前部、850 hPa强冷平流前部以及850 hPa强上升运动区内。Δp3 ≥10.0 hPa、水平螺旋度≤ -300 m2?s-2对沙尘暴天气的预报有较好的指示意义。     

气球携带碘化银焰弹增雨雪效果分析

利用2003—2017年观测资料,分析了喀左县采用气球携带碘化银焰弹方法人工增雨雪的效果。结果表明：天气形势为蒙古气旋、短波槽、冷涡时,取得的人工增雨雪效果较好。气球焰弹增雪播撒的高度在2000—4000 m,增雨的播撒高度在3000—5000 m,以稳定层状云中的层云、雨层云、高层云最明显。在-10℃温度条件下,冰核生成率平均为6.3×10¹³个/g;喀左县每年降水量平均为505.87 mm,比全市各县平均448.33 mm增加57.54 mm,每年增雨折合水量为1.29×10⁸ m³。气球焰弹增雨每年增加量为31.31 mm,增加降水7.007×10⁷ m³;投入产出比为1∶97.1。气球携带碘化银焰弹增雨雪方法可为其他地区相关业务提供科学参考和技术支撑。     

一次极端降水的中尺度雨团分析

利用常规观测资料、ECMWF ERA-Interim 0.125°×0.125°分析资料、FY-2G卫星云图和多普勒天气雷达资料等,对2017年8月18-19日漯河极端降水的中尺度特征及降水成因进行分析。结果表明:(1)本次过程在200 hPa高空分流区、500 hPa高空槽以及副热带高压、低层急流切变、地面低压倒槽等天气尺度系统合理配置及其相互作用下发生。(2)探空显示漯河上空具有较高的对流潜势,有利于中尺度雨团初生和发展。低层饱和、厚暖云层、弱风切变有利于暴雨云团产生,高CAPE值、高比湿和高降水效率是极端雨团的重要原因。(3)中尺度对流云团一个随槽前西南气流东移北上,一个随低层切变线南压,相向合并发展为M_βCS,有利于暴雨云团增强。不同于以往本地区的云团"同向合并",持续的列车效应以及低质心高效率的中尺度对流单体后向传播导致强回波长时间维持,极端降水发展。(4)地面中尺度辐合线和强辐合中心对强降水起到动力触发作用,有利于对流发展。冷池出流与交汇北上的东南风和偏东风相互作用,导致水平温度梯度增大形成和冷池前侧锋生加强,一方面致使雨团组织化发展和单体后向传播,另一方面也在降水区下游触发新生雨团,冷池持续增强。(5)本次过程整层风场较弱,且低层气流传播速度大于引导气流速度,平移与传播方向的反向夹角大,导致两者矢量和大幅度偏离了引导气流方向,同时产生的减速效应导致暴雨中尺度系统移动缓慢,导致极端降水形成。     

河北省一次降水云系云物理结构的飞机探测研究

利用机载粒子测量系统资料、天气雷达和Ka波段云雷达资料,分析了2017年5月22日河北省一次低槽冷锋降水过程积层混合云的微物理结构。结果表明:降水云系出现在低槽槽前西南气流中,积层混合云为大范围的层状云系中镶嵌大量对流云核结构,0℃层高度位于3577—4004m,随降水过程发展0℃层高度降低,嵌入的对流加强将抬升云顶高度。云内粒子浓度随云内对流的发生和加强而提高,云粒子浓度从1.8×10^5L^-1上升至5.0×10^5L^-1;云内过冷水含量大幅提高,从0.05g·m^-3上升至0.60g·m^-3,冷云中上层过冷水含量可长时间维持在0.20g·m^-3,中上层过冷水占比达60%。对流发生和加强可提高冰晶粒子增长速度,弱对流区冷云低层出现冰晶粒子浓度爆发增长区,强对流区冷云中上层成为冰晶粒子浓度快速增长区;最大降水粒子直径从8000μm增长至10000μm以上,直径在10000μm以上降水粒子谱分布区域从云底向中上层拓展。     

江西一次暴雨过程的诊断分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料、地面与探空资料、卫星资料等,对2012年5月12日发生在江西省中部的一次暴雨过程进行诊断分析。结果表明：本次暴雨过程发生在冷锋南侧地面倒槽区,由高层西风槽、低层低空急流及切变线、低涡共同影响所致。中低层西南气流的加强,一方面使暴雨区有充足的水汽输送,同时也使该区对流不稳定度加大,加强了暴雨区上空的对流上升运动。中尺度辐合线是强对流暴雨的触发机制,而冷锋影响使地面东风气流加强,冷空气入侵致中尺度辐合线演变为中尺度低压,中尺度低压是江西短时强降水长时间持续的机制;500hPa高空槽东移,槽前正涡度平流向江西上空输送,利于低层低涡生成和维持、上升运动加强,从而导致降水增强。冷空气影响初始阶段,〉10mm·h-1 的中尺度雨团产生在中尺度辐合线及其所演变成低压的1、2象限即中尺度辐合线或中尺度低压偏北一侧,随着冷空气的进一步入侵,中尺度雨团产生于中尺度低压的偏南一侧。     

准噶尔盆地南缘一次强对流风暴雷达回波演变特征

利用Doppler雷达产品,结合常规观测资料对2008年7月25日中国准噶尔盆地南缘冰雹、强降水的雷达回波结构演变特征进行分析。结果表明：此次冰雹、强降水天气过程发生在西伯利亚至巴尔喀什湖冷槽东南象限的对流不稳定层结中,近低层至地面有中尺度辐合切变线。强风暴的演变可归为＂逗点—‘人’字形—螺旋形＂3个回波阶段,相应径向速度图上出现＂逆风区＂、中气旋和辐合区。冰雹的雷达回波强度中心值超过65 dBz6,0 dBz回波顶高为5.5 km,65 dBz回波顶高为3.0 km。垂直累积液态含水量由10 kg·m^-2增至70 kg·m^-2。强降水的雷达回波强度中心值达60 dBz,55 dBz回波顶高为3.7 km6,0 dBz回波顶高为2.2 km。垂直累积液态含水量由15 kg·m^-2增加至55kg·m^-2。Doppler雷达产品对冰雹、强降水天气监测预警具有指示意义。     

台风“利奇马”不同区域降水极端性特征及成因分析

利用常规气象观测资料、卫星及雷达拼图以及NCEP分辨率为1°×1°的再分析资料,对浙江和山东两个区域不同的极端降水特征及其成因进行诊断对比分析。结果表明:浙江极端降水表现出“高效”的热带降水系统特征,山东极端降水是一次长时间,中等强度的“大陆锋面型”降水。台风近海对称性和对流明显增强;同时,其西北行移速较同期台风偏慢,导致行进方向上长时间受螺旋雨带影响;受超强台风厚实云墙影响,登陆前后浙江等地风雨激增;另外,双台风及沿海山地地形对浙江降水有增幅作用。而山东地区主要受台风北侧稳定维持倒槽和西风槽结合影响,出现极端降水。敏感性分析发现山东降水和台风“第一象限”低层偏南急流强度相关性好,而台风环流持续维持、高度场的密集梯度及降水的潜热反馈共同导致低层急流(>20 m·s-1)长时间维持;同时,西风带高空槽和台风倒槽势力相当,形成稳定“锋区”;锋前多条带状对流持续向北发展,形成“列车效应”;后期冷空气侵入台风中心后山东北侧依然维持较好环流配置。上述条件共同维持了山东地区持续性的较强“锋面降水”。副高、西风槽及台风环流的强度对比是本轮台风降水预报的关键因素。     

2005年8月16日天津大暴雨成因分析

运用FY-2C卫星资料和由NCEP/NCAR再分析资料计算的多种物理量场,初步分析了2005年8月16日天津大暴雨的成因：此次大暴雨发生在低槽冷锋前部,对流层中层低槽和副热带高压的维持、对流层低层切变线的出现、近地面层冷空气的扩散侵入、对流层中低层强盛的不稳定能量以及充沛而又深厚的水汽等天气条件的有效合理配置,造就了这次历史罕见的大暴雨。降水显著的中尺度特性与中尺度云团相对应。同时,对比分析了15日发生在河北东北部、京津地区的另一个降水较弱、对流天气强的对流云团,结果显示它们形成发展中存在差异,为今后两类天气的预报提供了一些线索。     

不同降水天气系统自然降水特征及火箭人工增雨潜力分析

统计分析了1981~2000年20年中15种降水天气系统影响下河北地区自然降水特征,并对火箭人工增雨的潜力进行了初步分析。统计分析表明:西来槽类、高空低涡类、冷锋、切变线和副高后部等天气系统是影响河北地区的主要降水系统,其降雨量和降雨日数占到了90%以上;不同的天气系统在不同季节对降水的贡献有所不同,其中西来槽类的降雨量和降雨日数均居首位,开展人工增雨催化作业机会最多;夏季降水系统最强,云水资源最为丰富,人工增雨潜力很大,是开展火箭人工增雨催化作业的最佳季节,春秋两季增雨潜力明显比夏季小,冬季最小;倒槽、副高后部、台风低压、高空低涡类和气旋类等系统最强,日降雨量和单位面积降雨量明显比其它系统大,尤其对蓄水型火箭增雨作业十分有利。     

变性台风“麦德姆”(1410)环流中的锋生现象及其对降水的影响

利用中国气象局热带气旋年鉴、FY-2D（0.1°×0.1°）云顶亮温、逐时自动气象站降雨量、常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,运用锋生函数对台风“麦德姆”（Matmo,1410）影响辽东半岛和山东半岛期间的降水特征进行了诊断分析。结果表明：1）Matmo影响辽东半岛和山东半岛期间,其低压环流与西风带高空槽相互作用,在其西侧和东北侧分别有冷锋和暖锋锋生,两条锋带均向东移。强锋生区首先在低层生成,随后尽管高空锋区向下延伸,但并未与低层冷锋重合,低层冷锋锋生强度减弱。2）山东半岛和辽东半岛的降水均发生在台风低压环流的锋生过程中,但山东半岛的降水明显多于辽东半岛。这与锋生强度密切相关,辽东半岛的锋生强度和垂直运动较山东半岛明显偏弱。3）强降水与台风环流内冷、暖平流活动密切相关,冷暖平流交汇之处对强降水有较好的示踪作用。山东半岛始终处于冷暖平流交汇处,其西侧斜压不稳定加强,上升运动发展,强降水出现在冷锋带上暖平流区内;而辽东半岛由冷平流转为暖平流时,对流运动向其东北方向发展,强降水位于辽东半岛东北部。