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。     

一次对流云人工消减雨作业云条件预报和作业预案合理性分析

为做好固定目标时段和区域的人工消减雨作业,利用云降水显式预报系统(CPEFS-v1.0)对云系性质和结构、移速移向及演变、降水机制等云条件进行预报。预报结果显示,2017年8月8日影响呼和浩特的云系性质为分散性对流云,具有冷暖混合云结构,云中上升气流强,对流单体水平尺度约为几十千米,生命史约为1.5~3 h,云顶高度约为10 km、云底高度约为3 km,0℃高度约为4.3 km;微观方面,冰相水凝物雪、霰含量高,暖区云水含量少,云中过冷水含量最大达0.7 g·kg^-1,过冷水丰沛区域冰晶数浓度低,以冷云降水为主。初生在呼和浩特特定防护区西北方向的对流云团快速发展东移南压影响核心保障区,移速约为30~40 km·h^-1。卫星、雷达等实况监测显示,8日的云系为分散性对流云,预报对流云的生成时间比实况偏晚1~2 h,移向与实况一致,移速偏慢10~20 km·h^-1。在5 400 m高度处(-8℃),机载云物理探测的液水含量最大为0.6 g·m^-3,预报与实况接近。根据预报的云系条件制定作业预案指出,在核心保障区的偏西北方向30~50 km处进行重点布防,适宜在5.1~7.0 km高度处实施AgI过量催化,8日上午飞机在第一道防线的弱回波区开展探测作业,地面作业集中在第三道防线对流云初生阶段实施过量播撒,以达到消减雨作业的目标。根据预案,提前24 h在核心保障区偏西北方向的第三道防线增设了5个地面移动作业点,这些作业点8日及时实施了消减雨作业。总体看来,此次云条件预报正确、预案制定合理,及时为外场实施消减雨作业提供了支撑。     

一次低涡气旋云系宏微观结构和降水预报的检验

利用GRAPES_CAMS模式对2014年5月9—12日一次大范围低涡气旋降水过程的云宏微观结构和降水进行预报,结合观测资料,从天气结构、降水、云宏微观结构等方面对模式预报结果进行检验分析,对低涡气旋降水的增雨可播区进行模式识别。结果表明:无论48 h还是24 h模式均可预报出雨带的位置和移动趋势,且24 h预报雨量的量值、落区和降水时段与实测更接近;模式预报的大范围云系分布和演变与卫星反演结果较吻合;模式预报出了与实测接近的云层冷暖结构、降水性质、云带位置等特征,但云顶高度预报比实测偏高;模式预报的过冷水含量、降水粒子浓度与飞机观测结果接近。低涡降水云系基本为冷暖混合云结构,雨区主要分布于低涡北部、东部及东南部;低涡中心云顶温度为-25~-15℃,而其东侧和北侧云顶温度在-40℃以下,云系含水量大值区主要位于低涡东部和东南部,冷云催化增雨可播区主要位于700 h Pa低涡东侧和东南侧的西南气流中。     

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。     

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.     

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。     

2002年河南春季的一次层状云降水特征研究

对2002年4月4—5日发生在河南省的大范围春季层状云降水进行探空、雷达、卫星等综合加密观测,分析了锋面移动过程中的云系特征和降水特点。结果发现此次降水主要是700～500hPa大气位势不稳定( θse/ z<0)造成的,位势不稳定区与地面降水极值中心有较好的对应。另外,在位势不稳定层出现前后,高空250～200hPa均存在一个急流中心,而在位势不稳定层的上方或下方则会有风向切变与之对应。云层厚度小、云顶高度低、云系结构不均匀是此次降水云系的主要特点。700～500hPa之间的位势不稳定度小、水汽输送量小和云顶温度低是造成此次降水量小的主要原因。     

广州亚运开幕日人工消(减)雨作业的物理响应分析

2010年11月12日广州亚运会开幕日当天对广州西部降水云系实施了飞机人工消(减)雨作业。对实施人工消(减)雨作业前后FY-2C/D静止卫星资料反演的云顶高度、云顶温度、云粒子有效半径、液水路径等4个云参量的时间序列变化特征进行分析,初步明确了此次飞机人工消(减)雨作业的物理响应,结果显示:作业后,云顶高度高的云系面积减小,整个目标云系迅速收缩;针对冷暖云层分别采用冷暖云催化剂进行催化,作业后冷云层很快消散;作业目标云系的云粒子有效半径在母云系的云粒子有效半径增加时出现不断减小的情况,这与催化后降水提前产生,大粒子从云体落至地面,使得目标云中大粒子越来越少有关;云中垂直液水含量在作业后迅速减小。     

FY2C/D卫星反演云特性参数与地面雨滴谱降水观测初步分析

针对2008年4月11-12日一次北方层状云降水过程,将FY2C/D静止卫星反演的云参数和地面同时段的雨滴谱仪的观测资料进行联合分析,发现反演得到的一些特征云参数对地面降水有一定的指示意义:一般降水发生前,云系发展,云顶抬升,云顶温度和云黑体亮温都降低,云光学厚度增大,云参数先于地面降水变化,两者大概相差2小时。其中,云光学厚度与地面降水量和降水粒子数关系密切,其相关性比云顶高度、云顶温度和云黑体亮温的相关性都好;一般地面降水强,光学厚度一定大,若云层光学厚度较小,即便云顶发展得很高,地面几乎无降水或降水较小,但云光学厚度大时,地面降水强度并不一定都大,可能降水粒子数浓度大,地面多降毛毛雨。     

云特征参数与降水相关性的研究

利用FY2C卫星和探空反演得到的云结构特征参数,结合地面降水,研究了云顶高度、光学厚度、云粒子有效半径和云厚度等云结构参数与降水的关系,并分类研究了层状云和对流云在不同降水强度情况下,云参数的频数分布规律及其与降水的关系。结果表明：通常云厚大于5km、云底较低、云粒子有效半径较大时,地面易出现降水,若云顶高于10km、云光学厚度大于20且云中无夹层或夹层稀薄时,地面雨强多大于1mm/h;对于层状云降水,当云光学厚度大于17时,地面出现降水的概率较大,随光学厚度值增加,地面雨强呈增大趋势;对于对流云降水,云顶高度和光学厚度相关性较好,云光学厚度大于17且云顶高于7km时,地面出现降水的概率较大,当光学厚度大于20时,地面雨强明显增大;层状云和对流云的降水概率均随云顶高度和光学厚度的增加而增大,降水概率与云光学厚度的相关性更为密切,光学厚度小于10的云很难产生降水,而云光学厚度大于20时,层状云和对流云的降水概率都会显著增加;综合云体的高度、厚度和云光学厚度等云参量的组合特征,对分析判断地面降水落区和降水强度更加有效。     

高寒草原不同量级降水对干旱解除的影响

基于2017年3月1日至10月31日逐日每10 min降水量和土壤体积含水率试验数据,分析不同降水量级不同处理对土壤体积含水率的影响,结果表明:(1)小雨仅能提高0～10 cm土壤墒情,且在遮挡率超过30%时,效果明显减弱,同时地表植被覆盖能在一定程度上提高降水利用率。(2)在土壤底墒较差条件下,中雨能改善对照区、遮挡率20%和30%处理下0～10 cm土壤体积含水率;在土壤底墒较好条件下,中雨能有效补充对照区、遮挡率20%、30%和40%处理下0～30 cm土壤水分。(3)大雨条件下,在对照区、遮挡率20%、30%、40%和60%处理下,0～20 cm土壤体积含水率均有明显增加,在20～30 cm土壤层对照区、遮挡率20%、30%、40%处理下增加亦比较明显,大雨能完全解除0～30 cm土壤干旱。(4)短时强降水对土壤水分的补偿十分有限。暴雨对提高0～20 cm土壤体积含水率非常明显,但对提高20～30 cm土壤水分含量不及大雨效果明显。(5)在对照区,0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土层有效降水量阈值分别为2. 5、7. 0和10. 0 mm。(6)特旱、重旱、中旱和轻旱条件下,0～10 cm土层干旱解除所需的最小降水量分别为21. 5、11. 7、5. 0、1. 4 mm,10～20 cm土层所需的最小降水量分别为32. 9、18. 6、8. 6、2. 7 mm。     

一次甘肃天水强冰雹的雷达回波特征及成因分析

利用常规气象观测资料、天气雷达以及NCEP FNL再分析资料,对2017年5月18日下午天水一次强冰雹天气的雷达回波结构演变特征和成因进行了详细分析。结果表明:(1)降雹对流单体低层反射率因子呈现出明显的"V"型缺口,最大回波强度出现在低层,为63 d Bz。反射率因子垂直剖面呈对流单体有界弱回波区和其上的回波悬垂,相应的径向速度垂直剖面呈中低层径向风有明显的辐合特征,高层转为辐散,尤其风暴顶附近。(2)对流单体发生在对流层中层河套地区至甘肃河东东部低涡及其附近冷区和河西中部高压脊及其东北部冷池和低层甘肃与宁夏交界处冷性低涡分别为干冷空气入侵和暖湿气流辐合抬升提供有利条件的环境背景下;较高CAPE值和低CIN值有利于强对流天气发生;对流层中低层深厚的上升气流,中层下沉气流和0℃层以上强气流上升有利于对流单体水汽输送以及生成、发展和维持;距地高度2600～2900 m的0℃层为大冰雹落地提供了环境条件。(3)冰雹临近预警的雷达参数化指标为最大反射率因子达55 d Bz,VIL最大值和VIL密度分别达25 kg·m-2和2. 3 g·m-3。     

基于动态最优PP法的乡镇温度预报技术

利用2016年宁夏气象台县站温度预报数据和宁夏县级气象观测站、乡镇级自动观测站实况数据,采用训练择优、回归PP技术,建立动态最优PP法乡镇温度预报统计方法,检验该方法的温度预报效果,分析择优过程中的内部规律。研究表明:动态择优PP法对宁夏固原乡镇温度预报的质量评分明显高于旧指标法的乡镇预报质量评分,其中最低气温提高4.74%,最高气温提高8.20%;经过逐日动态最优方法选择的最佳样本长度,各县站、各月的出现频次并不完全相同,说明采用动态择优技术选择最佳样本长度是合适的;一年中最佳样本长度累计频次随着样本数的增加而呈对数下降,但依然有3、5、7、11、19、22等样本长度容易被选中为最佳;最佳样本长度间接反映了县与乡镇温度之间的关系存在周期性。     

基于无人机低空遥感的广西甘蔗灾害监测应用研究

广西的甘蔗种植面积和蔗糖产量一直稳居全国首位,每年的极端天气事件,给广西甘蔗生产带来极大的损失。针对传统的灾情调查方法费事、费力,遥感调查手段时效性滞后等问题,本文从低空无人机遥感技术应用的角度,以广西扶绥县甘蔗双高基地为研究区,进行连续的甘蔗灾情观测,利用Pix4D Mapper软件进行航拍影像拼接及正射校正,基于遥感影像分类的方法,对受灾区域进行灾情提取和分析。研究结果表明,基于低空无人机的灾情调查手段,能够迅速准确地获取灾情信息,是广西甘蔗灾情监测的一个新的热点和趋势,能够有效提升广西甘蔗灾害的预警监测水平。     

河南省人工影响天气一体化智能业务系统设计思路

河南省人工影响天气(以下简称人影)一体化智能业务系统是在河南人影综合分析和指挥系统(CPAS_HN)的基础上,利用云平台、大数据等技术开发的具有河南特色的人影一体化智能业务系统。根据人影五段实时业务要求,该系统完善了数据采集存储模块、作业条件潜力预报模块、作业条件预警模块和飞机作业跟踪指挥模块,增加了作业过程和作业计划模块和人工防雹系统应用集成及作业效果分析评估功能;升级了地面作业信息管理和作业站点信息管理两个模块;实现了省级人影产品共享发布功能;并通过3G/4G等多种通讯方式,实现了省、市、县人影指挥中心与作业点外场人员之间的信息快速传递。该系统包括8个分系统:人影综合处理分析和指挥系统(CPAS_HN)、产品共享发布系统、综合业务信息管理系统、手机APP系统、地面作业空域申报系统、高炮/火箭安全射界图设计系统、数据产品和业务系统监控系统、作业效果分析评估系统,并与河南省人工防雹系统和人影作业装备弹药物联网管理系统无缝连接,大幅度提升了全省人影作业装备弹药作业指挥的效率与作业实施的及时性和安全性。     

基于SPEI的广西喀斯特地区1971—2017年干旱时空演变

利用广西喀斯特地区64个气象站1971-2017年逐日气温和降水量观测资料,采用标准化降水蒸散指数(SPEI)作为干旱评价指标,分析该地区干旱时空演变规律。结果表明,广西喀斯特地区年尺度干旱基本为2 a一遇,发生频率中部低、东西部高,以轻旱和中旱为主。秋旱发生频率最高,冬旱次之,春旱和夏旱发生频率较低,各季节干旱多以轻旱为主。其中,春旱3~4 a一遇,发生频率由西南向东北呈递减趋势;夏旱3~4 a一遇,发生频率由东向西呈减弱趋势;秋旱接近1 a一遇,发生频率中东部高于西部,该季节中旱、重旱和特旱发生频率也明显高于其他季节;冬旱1~2 a一遇,发生频率西北部较高,且由西向东呈递减趋势。1971-2017年,广西喀斯特地区冬旱、夏旱呈波动减弱趋势,春、秋旱呈增强趋势。在15~20 a时间尺度上,年和各季节的干旱存在明显的干湿循环,5 a以下小尺度干旱周期振荡更频繁。SPEI与土壤湿度呈显著正相关,利用SPEI可较客观反映该地区旱情。     

X波段双线偏振雷达数据质量分析及控制方法

利用双偏振参量在弱降水过程中性质均一、随时空变化缓慢的特征,选取北京、佛山地区弱降水过程的观测资料,通过将较长时间观测结果沿径向或方位累积的方法,分析双偏振参量测量精确度受地物、避雷针、旋转及俯仰关节的影响,并提出相应的质控方法,得出以下结论:(1)差分反射率(ZDR)、相关系数(ρhv)及差分传播相位(ΦDP)比水平反射率(Z)对地物更敏感,其中在地物处ρhv小于0.85,ZDR低于-1 dB。根据降雨与地物之间偏振参量特征的不同,将ρhv长时间累积能有效的识别地物回波。(2)每根避雷针对双偏振参量影响的方位和幅值是近似一致的。在以避雷针为中心的±15°的方位范围内,ZDR增大0.4~1.5 dB,ρhv降低0.01以下、Z降低1~2 dBZ,且均在避雷针中心处影响达到极值。通过基于上述方位的统计订正可以较好的去除避雷针对双偏振参量的影响。(3)雷达旋转关节的异常会导致ZDR在水平方向上不平稳变化,而俯仰关节异常会使ZDR在高、低仰角差距较大,通过ZDR沿方位一段时间的累积得到各层仰角ZDR变化曲线,用此曲线来实现ZDR的误差标定。通过检验,本文提出的质量控制方法有效的提升了X波段双偏振雷达的数据质量,为其在业务中的进一步推广提供了支持。     

黄山冬半年云海预报研究

利用2004—2014年黄山气象站地面气象观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了云海发生时气温、气压、湿度、风速等要素的垂直分布、时间演变特征,选取能够反映云海天气特征的指标作为预报因子,分析预报因子分布特征,确定其阈值及消空指标,采用指标叠套法建立了黄山冬半年各月08时云海预报模型,总体正确率为88%,T_S评分为31%。利用2015—2016年资料进行检验,总体正确率为88%,T_S评分为36%,其中3月、10月T_S评分为44%,1月T_S评分为38%,模拟结果对黄山冬半年的云海预报具有一定的参考价值。     

新一代天气雷达资料传输说明及设置技巧

山西省人工降雨防雹办公室在山西省布设了雷电监测定位系统,在全省7个子站配备了ADTD雷电探测仪,并通过CDMA无线传输和气象系统局域网传输的方式将所探测的闪电数据传输到山西省人工降雨防雹办公室,以达到对雷电天气的实时监控．在数据上传国家探测中心的同时,也为我们飞行作业计划的制定提供了非常重要的指导作用。本文主要介绍了雷电定位系统的构成以及故障检查和处理。     

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。