山东省飞机增雨天气系统云水资源转化特征分析

利用水汽辐合法和水汽凝结法，对山东省1997－1999年春秋季18个降水过程的水汽辐合率、凝结率及降水效率等表征云水资源及其转化的特征量进行计算。分析了南方气旋、西北冷锋等主要降水天气系统以上特征量的地域分布和差别。可为人工增雨作业区域选择和航线设计提供气候背景。     

青海高原不同地区大气水汽含量对比分析

利用青海省4个探空站和NCEP格点站的大气水汽含量及对应地面站温度和降水资料,对比分析青海高原不同气候区的大气水汽含量及其与气温、降水之间的相互关系。结果表明:青藏高原地区NCEP水汽含量与L波段探空估算的水汽含量变化趋势基本一致。4站大气水汽含量的季节和旬变化特征有明显差异,测站海拔越低大气水汽含量越高且与所处地理位置和地形有关,测站海拔越高时大气水汽含量与大气环流和天气系统密切相关。大于10 mm降水与水汽含量呈正比关系,水汽转化为降水的转化率较高;小降水和无降水与水汽含量关系不明确,水汽转化为降水的转化率较低。虽然降水与温度和水汽含量有一定的正比关系,但青海高原地区降水的产生过程复杂,因而不能用温度和大气水汽含量完全确定能否产生降水。     

一次华南—江南持续暴雨的大尺度水汽场和中尺度特大暴雨模拟诊断分析

按天气学方法,对2010年6月华南—江南持续暴雨作大尺度水汽场诊断分析,同时用三重嵌套WRF中尺度模式,模拟6月19—20日"高空槽-西南涡-切变线-低空急流"系统造成的江南特大暴雨过程,并且对模拟中尺度暴雨雨带和雨团作高时空分辨率诊断分析。诊断物理量包括:可降水量、对流可降水量、水汽及云水、云冰通量和通量散度、水汽权重平均风速、凝结函数降水率等。模拟与诊断分析表明,华南江南持续性暴雨大尺度水汽场特征是,因东亚"中高纬度正距平中低纬度负距平副高偏强偏西季风槽异常活动",造成孟加拉湾和南海上空的大尺度水汽进入大陆;中尺度特大暴雨发生在上游区有暖湿急流、并处于风场辐合的"水汽+云水+云冰"(总水物质)饱和高值区;因凝结函数降水率和总水物质通量散度降水率均为风场(散度场)中垂直运动产物,模拟的凝结函数降水率随模式时空分辨率提高而逐渐逼近于模式的显式降水物理过程,当模式分辨率达到4 km,可模拟出"西南涡切变线"系统中,有凝结函数降水率为1~3 mm·min~(-1)的中尺度雨团生消;且模式大气中的云水、云冰碰并增长降水率,可用其通量散度描述,并且应与凝结函数降水率相叠加。从而表明,模拟中尺度雨带和雨团发生、发展的天气学动力因素,只能是天气系统风场,即是模式的高时空分辨率散度场决定模式大气垂直运动,进而决定凝结函数降水率和总水物质通量散度降水率,它们一起构成了模式显式降水(率)。     

同化雷达估算降水率对暴雨预报的影响

选取2009年3月28日广东省广州市大暴雨过程,考察了变分校准前后Z-I关系估算雷达降水率的区别。变分校准后的降水率资料具有较高的单点精度与合理的梯度分布。降水率资料能够反映大气动力特征和水汽分布等重要信息,是模拟中小尺度系统的关键因子。基于GRAPES (Global/Regional Analysis and Prediction System) 区域三维变分系统,将FSU (Florida State University) 对流参数化方案作为观测算子的同化试验指出,同化降水率资料后同时增强了低层大气的辐合和高层大气的辐散,从而使整层气柱的不稳定能量增加。沙氏指数和K指数诊断分析也表明,同化降水率资料后有利于触发强对流天气。此外,低空辐合有利于水汽垂直输送,维持对流发展,改进降水模拟。逐小时数值模拟结果表明:同化校准后的雷达估算降水率不仅可以改进降水分布,而且使中尺度对流系统的发展和消亡清晰地表现出来。     

污染大气边界层的长波冷却率模式

考虑大气气溶胶在长波窗区的散射和吸收作用以及水汽的连续吸收作用，建立了一个适用于污染大气边界层的长波冷却率模式。计算结果表明：当单位面积气柱中气溶胶含量为７８５．９ｍｇ／ｍ２时，气溶胶的作用可使到达地面的长波向下辐射增大３９Ｗ／ｍ２。在大气窗区，大气气溶胶和水汽的连续吸收对长波冷却率的影响是同等重要的。在水汽含量和气溶胶浓度较大的大气边界层内，水汽连续吸收的冷却率最大时可达１．３Ｋ／ｄ，气溶胶的冷却率最大时可达到１．６６Ｋ／ｄ，二者对长波冷却率的贡献均不容忽视     

一次西南涡特大暴雨的中尺度诊断分析

采用LAPS中尺度分析模式大气资料,对2008年7月一次西南涡暴雨过程进行天气学降水运动的中尺度诊断计算与分析。诊断计算包括：可降水量、层结不稳定能量、对流可降水量、水汽权重平均风速、水汽通量散度、云水、云冰总量及其通量散度和垂直速度与凝结函数降水率等。结果表明：“西南涡-切变线”系统的暴雨发生在暖湿气团与变性冷气团之间的中尺度风场辐合上升运动区,中尺度雨团发生在层结不稳定的暖湿气团一侧。计算的中尺度垂直运动与凝结函数降水率场,降水率为暴雨到特大暴雨。计算的水汽通量辐合降水率与凝结函数降水率不会完全重合,且水汽通量辐合既可致中尺度“雨”,又可成大尺度“云”,并且云水、云冰通量辐合/辐散,可解释为它们的“正”/“负”碰并增长,而碰并增长产生水凝物增量（降水率）也促成大暴雨。因此,在凝结函数降水率场中产生的中、小尺度对流雨团,加上水汽与云水、云冰通量辐合及其碰并增长,并且借助层结不稳定能量释放和可能产生的强迫“次级环流”及水汽与云水、云冰输送,是这次“西南涡-切变线”系统造成襄樊特大暴雨的天气学成因。     

内蒙古天气系统空中水物质及降水效率分析

文章利用NCEp再分析、小时降水量、探空、地面观测以及卫星资料等,从水汽、云水两方面,探究空中水物质及降水效率评估方法,分析了内蒙古自治区不同区域不同天气系统降水效率。5—9月各天气过程平均水汽初值为27mm,过程中水汽总输入量是水汽初值的36.7%,水汽降水效率为7.5%。各天气系统平均水物质总量为10mm左右,其中,水凝物初值较小,为2mm,水汽的凝结量为水凝物初值的4倍左右,过程水凝物降水效率大约为41%。全区降水效率较低,有较大的增雨潜力。     

六盘山区夏秋季大气水汽和液态水特征初步分析

六盘山区是中国典型的农牧交错带和生态脆弱带,也是黄土高原重要的水源涵养地、生态保护区及国家级扶贫开发区。利用2017年6-11月隆德气象站地基多通道微波辐射计资料,结合同期平凉探空站及隆德地面降水等观测资料,分析了六盘山区夏秋季大气水汽、液态水变化特征。结果表明：六盘山区夏秋季在降水天气背景下,大气水汽含量和液态水含量均较高,分别为无降水天气背景下的1.4倍和7.0倍;降水天气背景下水汽在5000 m以下有明显的增加,且在此高度范围内的水汽密度随高度的递减率比无降水天气背景下明显偏小;各高度层的液态水相比无降水天气背景下均有明显增大,除6月外,主峰值均出现在0℃层高度层以下。六盘山区夏秋季各月中,6-9月。大气水汽含量高值区均出现在正午到傍晚时段,低值区均出现在日出前后;液态水含量在日出前、午后及傍晚分别出现峰值,最明显的峰值出现在午后。对一次对流性降水天气过程分析后发现,降水发生前40 min大气水汽含量和液态水含量出现两次明显的跃增,水汽向上输送不断加强,2500-7500 m高度的相对湿度明显增大。     

石家庄的云、降水和水汽特征

应用1972~2003年石家庄17个站的云、降水资料分析了各类云的发生频率及其降水特征,结果表明:全年而言,积层混合云出现频率高,且降水概率、降水率较大;夏季积状云出现频率高,降水概率、降水率大,对两者增雨机会多。应用2000~2004年常规天气图,对造成石家庄降水的天气系统、云、降水、水汽进行分析,结果显示:西来槽、冷切变、东蒙冷涡和华北低涡出现频率较高,造成的降水次数多,实施增雨的机会多;气旋类、西南涡出现频率低,但过程雨量大,降水持续时间长,是人工增雨不可忽视的天气系统;冷涡类降水时间最短,降水强度大,对其实施人工增雨,作业时机的把握很重要。石家庄上空的水汽含量呈单峰型季节变化,空中水汽资源量明显地受到大气环流和天气系统影响。对水汽通量场分析表明,对流层中高层水汽多来自于孟加拉湾和南海,低层水汽主要来自于东海、黄海,地面近地层水汽源多为黄渤海。     

我国北方地区降水再循环率的初步评估

利用1976~1995年的20年月平均NCEP/NCAR再分析资料, 对我国北方地区降水再循环率进行了评估, 结果表明:黄河流域总的降雨只有19%来自当地的水汽蒸发, 其他81%降水来自外部的水汽流；黄河上游降水主要由来自青藏高原较强的水汽所提供，因此这里的降水再循环率小于15%。但黄河上游的降水蒸发后，在西风的输送下, 为黄河下游提供了大量的水汽，通过汇合南北方向来的水汽，在黄河下游形成了降水再循环率达到30%以上的椭圆形区域。评估结果显示:降水再循环率随季节变化差异较大, 8月份的降水再循环率最高, 达31%, 而在11、12、1月份3个月的降水再循环率不到5%。结果还显示蒸发率和降水率的空间分布以及它们的年际变化都对应得很好，表明我国北方地区蒸发受降水影响较强。蒸发率、降水率和降水再循环率在20年中均有增加, 表明气候变暖对我国北方地区的水汽循环的影响已经显现。     

气候变化背景下中国陆地水循环时空演变

水循环是气候系统各子系统相互作用过程中一个最活跃的枢纽,受气候变化影响显著。本文采用观测和多套再分析数据,系统分析了1979年以来中国及各大流域大气水汽含量、降水、蒸散发和地表径流等水循环要素年际变化。研究发现,1979-2018年,中国陆地整层大气水汽含量和水汽收支呈显著上升趋势;水汽收支除在松花江和西南诸河略有下降,其余流域均呈上升趋势;降水除西北诸河流域呈现显著上升趋势外,其余流域变化不显著;蒸散发整体呈微弱增加,但南方大部流域呈现显著的减小趋势;除西北诸河径流显著上升趋势外,北方大部分流域地表径流呈现减少趋势,而南方流域的径流变化趋势复杂多样。相对1979-2000年,21世纪以来中国年平均气温上升约0.63℃,年降水量、大气水汽含量分别增加0.5%和1.2%,水汽总输入和输出量均减小,降水再循环率增加10.9%。进入21世纪,中国陆地水资源一级分区内循环均较前20 a活跃,降水再循环率除松花江和辽河流域外,均有所增加。其中,海河、黄河、淮河和西北诸河流域的水汽和蒸发形成的降水都有所增加;辽河流域蒸发形成的降水有所增加,但输入水汽减少导致流域降水减少最多;松花江、长江、珠江和西南诸河流域蒸发形成的降水增加,输入水汽减少导致降水略有减少;东南诸河蒸发形成的降水略有增加,但整体变化不大。     

微波辐射计观测数据在降水预报中的应用

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2007~2010年夏季地基12通道微波辐射计观测数据,对半干旱区降水前和非降水过程的水汽含量和云液态水含量的变化特征进行分析。结果表明:(1)水汽含量达到2.20 cm可以作为半干旱区降水预报的阈值。水汽含量随时间变化比较平缓,变率约为0.06 cm/h,且降水前24 h内水汽含量均2.20 cm;或者水汽含量开始较小,但降水前水汽含量随时间出现拐点,之后变率开始增加,可达0.19 cm/h以上,进而使水汽含量2.20 cm。这2种情况均可预报可能有降水产生;(2)云液态水含量达到0.20 mm可以作为降水预报的阈值,且降水前云液态水含量随时间变化出现拐点,之后变率开始增加,可以预报1 h后可能有降水。     

天气系统降水效率与增雨潜力的研究

本文利用Ｐ．Ｖ．Ｈｏｂｂｓ等人的方法计算了影响山东主要降雨天气系统云系的降水效率，它们分布在３３．０６～６５．１６％之间。通过分析水汽收支和凝结率的垂直分布，得出在各种天气系统中适合飞机播云的“催化”高度。文中还通过对各类天气系统增雨量的估算，认为黄淮气旋单站增雨量最大，作业机率和可增雨面积也最大。     

利用北京GPS监测网分析夏季暴雨的水汽特征

利用覆盖北京地区的地基GPS水汽监测网数据反演的地基GPS大气柱水汽含量 (precipitable water vapor, PWV),分析了2009年7月3次暴雨天气过程中大气柱水汽含量的水平分布特征;利用高空、地面常规气象资料以及加密气象自动站观测资料计算地面和高空比湿,结合温度、风等物理量分析3次暴雨天气过程中的大尺度水汽输送和中尺度局地辐合作用;对最大降水强度以及降水量的时间变化的分析表明:3次降水落区分布特征与降水前期大气柱水汽含量高值的水平分布较为一致;大气柱水汽含量曲线变化特征与各尺度天气系统造成的水汽输送和水汽辐合密切相关,大气柱水汽含量的大小与水汽来源密切相关;降水前4小时内大气柱水汽含量出现陡增,线性增速大于1.1 mm/h,最大降水强度出现在大气柱水汽含量峰值出现后的1~2 h。     

不同水汽条件下气溶胶对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

为全面了解水汽在气溶胶影响雷暴云电过程中的作用,本研究在已有的二维雷暴云起、放电模式基础上,通过改变相对湿度和气溶胶初始浓度（文中气溶胶浓度均指气溶胶数浓度）进行敏感性数值模拟试验。结果表明:（1）随着气溶胶浓度升高,雷暴云产生更多的小云滴,降水过程受到抑制。而当水汽含量升高时,云滴数浓度的增长速度更快,雨滴数浓度升高,缓解了降水变弱的趋势。（2）水汽含量较低时,随着气溶胶浓度升高,更多小云滴被带入冻结层形成大量小冰晶,霰粒含量升高,雷暴云起电过程增强。气溶胶浓度升高至一定的量级（3000 cm?3）时,冰晶尺度减小和雨滴浓度降低抑制霰粒生长,雷暴云起电过程受到削弱。感应起电和非感应起电过程随气溶胶浓度升高呈先增强后减弱的趋势。水汽含量的升高促进了冰相粒子的增长,起电过程呈现持续增强的趋势,气溶胶浓度为3000 cm?3时起电率达到极值,电荷密度的增幅扩大。（3）水汽含量较低时,雷暴云难以发展成深厚的系统,气溶胶浓度变化对其影响不明显,电荷结构由三极性发展,在消散期演变为偶极性电荷结构;水汽含量较高时,雷暴云迅速发展成深厚的系统,随着气溶胶浓度升高,在雷暴发展旺盛阶段电荷分布表现为多层复杂结构。研究显示水汽含量在气溶胶浓度变化对雷暴云微物理、起电过程及电荷结构的作用中扮演重要角色。      

用微波辐射计作云降水潜力的估算

1997年7—11月，用单点双波长地基微波辐射计对西安上空的降水云作汽态水、液态水的连续探测，分析发现云中水汽和液水含量在降水开始前有明显变化。将变化的时间轴转化成空间轴，得到：在云的降水区前有一较宽的液水含量高值区，在高值区和降水区连接处存在一液水含量低值区。云的总降水量与高值区的水汽和液水含量值有一定关系，参数Rk代表云的可降水潜力，当Rk大于2．7时，云才有被人工催化增雨作业的潜力；Rk大于3．5时，人工增雨效率最高。     

地面降水诊断方程对降水过程的定量诊断

降水, 尤其是强降水 (暴雨), 对国家经济发展、 社会建设以及人民生活影响巨大, 然而由于同降水相关的物理过程非常复杂, 因此, 对降水的研究与预测十分困难。过去有关降水的研究大多关注水汽及水汽辐合 (输送) 的影响, 对与降水有关的水汽收支研究较多。Gao et al.(2005a) 率先将大气中水汽和云中水凝物 (云水、 雨水、 云冰、 雪及霰等) 的变化方程结合起来, 得到一个地面降水诊断方程, 从而可以将与降水有关的大气中水汽和云的演变过程在同一框架下定量地分析研究。本文利用一套21天长度的热带云分辨尺度模拟资料, 通过计算地面降水诊断方程中的局地水汽变化、 水汽辐合辐散率、 地面蒸发率以及云的变化率等各项, 分析了这些物理过程对降水的贡献, 指出局地水汽和云的变化率、 水汽辐合率, 地面蒸发率等均对地面降水有重要贡献。区域平均资料分析表明, 若水汽辐合与局地大气变干共存, 则产生强降水; 若存在水汽辐合但局地大气增湿或者存在水汽辐散但局地大气变干, 则引起中等强度降水; 若水汽辐散与局地大气增湿共存, 则造成弱降水。将降水划分成对流和层状降水进行分析发现, 对流降水率一般大于层状降水率, 水汽辐合是对流降水最主要的水汽源, 而局地大气变干则是层状降水最主要的水汽源。区域平均局地大气变干主要发生在降水性层状云区, 而最强的局地大气增湿则发生在对流云区和晴空区; 最强的局地云的消散发生在层状云区, 而最强的局地云的发展发生在对流云区。     

长江中下游1998年夏季梅雨期降水再循环研究

改进了Eltahir的降水再循环率计算模式,引入水汽变化量,使其可用于小于月际时间尺度的降水再循环评估。并利用1998年6~8月间长江中下游162个测站的旬蒸发和降水资料,结合NCEP/NCAR的高空逐日再分析资料,对长江中下游1998年梅雨期的降水再循环率做了计算。分析发现:1998年夏季暴雨时期长江中下游的降水平均约有三成来自当地的蒸发。区域蒸发的水汽在安徽南部和湖北东部对降水的贡献最大。区域平均再循环率的旬变化强烈,最高可达67.8%,最小只有0.8%。表明地表水文敏感,地-气相互作用不稳定。     

影响伊犁河谷地区冬季降水的主要气象要素 及其与降水率的统计关系

基于2014—2018年逐时降水资料和再分析资料分析了影响伊犁河谷地区冬季降水的主要气象要素及其与降水率的统计关系。结果表明,水汽通量是影响伊犁河谷冬季降水的最主要因素,其与降水率呈正相关;上游风速、水汽通量、弗劳德数和大气可降水量都会对该地区降水产生影响,这四个参数可以通过依赖于水汽通量的多元回归较好地拟合出降水率;静力稳定度与该地区降水没有明显统计关系,但较强的降水更多出现在稳定度较弱的天气;利用T模态斜交主成分分析法将伊犁河谷天气系统分为九类,在有降水时,出现频率较高的天气类型的主要特征是水汽通量大,但不同天气类型下降水空间分布存在区别。当河谷上游气压较低,水汽通量较大时,河谷内降水分布较为均匀;若河谷上游风速较大,但水汽条件略差时,降水强度向河谷内部逐渐增加。     

山东省空中水资源的初步分析

利用1997～1999年逐日探空资料和同期水文水资源资料,分析了山东省域空中水汽资源的时空分布特征及地-气系统的水量平衡关系.结果表明:山东省空中水汽资源受天气系统和季节变化的影响明显;静态水汽含量年均值为20.75 mm,动态水汽净输出量全年平均为440.91 mm,并以850 hPa层的水汽净输出为主.水汽净收支率年、季分布具有较强的地域特征.全年的水汽输入量很大,但空中水汽资源转化为地面降水的效率不足5%,而降水转化为水资源的量约为27.31%,空中水汽资源具有很大开发潜力.另外,从大气水量平衡角度分析了山东干旱气候特征的客观必然性,并提出开源增量、增加水资源的对策.