基于飞机真实轨迹的一次层状云催化的增雨效果及其作用机制的模拟研究

层状云降水效率通常较低,但却具有较高的云水资源开发潜力,是人工增雨作业的重要对象。随着中国南方地区生态改善、水库增蓄、抗旱等社会需求的增加,针对这些地区降水云系的人工增雨研究显得愈发重要。使用三维中尺度冷云催化模式,对2018年10月21日湖北省一次层状云飞机人工增雨作业过程进行了数值模拟研究,并将模拟结果与卫星、降水和机载云物理观测数据进行了对比。模式合理地模拟出了云和降水的主要宏、微观特征,观测和模拟结果均显示作业云区具有较好的冷云催化条件,在此基础上,按照实际作业中的飞机播撒轨迹,完整地模拟了此次催化作业过程。对数值模拟结果的分析表明:凝结冻结核化和凝华核化是碘化银催化剂的主要核化方式;90%以上碘化银粒子的局地活化比为0.01%—2%,平均活化比为0.07%—0.27%;云系降水是由冷云降水和暖云降水两种机制共同作用的结果,催化作业使两种降水机制均有增强,增雨效果明显;催化后4 h,整个评估区内的累计净增雨量为2.12×108 kg,局地增雨率为?51.1%—306.7%,区域平均增雨率为8.1%;催化作业也使部分地区出现减雨,主要是由于催化过程中的潜热释放引起过冷层动力场扰动,一部分云区的上升气流减弱,从而导致降水粒子的成长减弱,地面出现减雨;在过冷云区,碘化银核化使冰晶浓度升高,导致冰晶-雪、雪-霰的转化过程增强,雪、霰粒子总量增加,更多的雪、霰粒子从冷区落入暖区,在暖区上层产生更多的大雨滴,从而使暖区的云雨粒子碰并过程增强,最终地面降水增加,这是此次催化作业导致增雨的主要微物理链条。      

基于多源资料的积层混合云降水微物理特征

基于地基云雷达、微雨雷达和天气雷达等遥测设备观测资料,结合挂载KPR云雷达和DMT粒子测量系统的飞机平台,详细分析了山东积层混合云降水过程的云降水微物理结构特征。结果表明,积层混合云降水过程呈现层状云和对流云降水特征。零度层以上,5～6 km高度层内,对流云降水多普勒速度和谱宽均大于层状云,说明对流云降水环境垂直气流、粒子尺度等均大于层状云。对流云降水,云雷达和微雨雷达时空剖面上出现由衰减造成的“V”字形缺口,云雷达衰减程度大于微雨雷达,且随高度增加,衰减越大。层状云降水,零度层亮带附近,雷达反射率因子跃增高度比多普勒速度高80 m,多普勒速度跃增高度又比谱宽高20 m。降水云系零度层附近降水机制复杂,粒子形态有辐枝冰晶聚合物、针状冰晶聚合物和云滴;0°C层以上,5～6 km处,对流云降水的多普勒速度和谱宽均大于层状云降水,即对流云降水环境垂直气流、粒子尺度范围等均大于层状云降水。     

液态CO2人工引晶后云微物理和降水变化的观测分析

根据飞机探测仪器观测到的云中粒子微观结构，结合卫星、雷达和常规天气资料，分析了人工增雨作业前后云的宏、微观物理结构和降水变化。结果表明，作业后影响区云中的冰晶浓度、雨滴直径比对比区有明显增加，云中过冷水减少；对比区降水回波强度和强回波区面积变化不大，而影响区最大回波强度增大,强回波区的面积扩大，降水增加。这与影响区云中降水粒子增多、直径增大是一致的，这些结果说明了液态CO2催化层状云的物理响应。     

华北太行山东麓一次稳定性积层混合云飞机观测研究:对流云/对流泡和融化层结构特征

对云中微物理过程的研究是研究云降水形成过程和人工影响降水的重要基础,目前对积层混合云的对流区/对流泡中的微物理结构了解甚少。本文利用河北省“十三五”气象重点工程——云水资源开发利用工程的示范项目（2017～2019年）“太行山东麓人工增雨防雹作业技术试验”飞机和地面雷达观测数据,重点分析研究了2017年5月22日一次典型稳定性积层混合云对流泡和融化层的结构特征。研究结果表明,此次积层混合云高层存在高浓度大冰粒子,冰粒子下落过程中的增长在不同区域存在明显差异,在含有高过冷水含量的对流泡中,冰粒子增长主要是聚并和凇附增长,而在过冷水含量较低的云区以聚并增长为主。由于聚并增长形成的大冰粒子密度低,下落速度小,穿过0℃层时间更长,出现大量半融化的冰粒子,使融化现象更为明显。镶嵌在层状云中的对流泡一般处于0℃～-10℃（高度4～6 km）层之间,垂直和水平尺度约2 km,最大上升气流速度可达5 m s-1。对流泡内平均液态水含量是周围云区的2倍左右,小云粒子平均浓度比周围云区高一个量级,大粒子（直径800 μm以上）的浓度也更高。在具有较高过冷水含量的对流泡中降水形成符合“播撒—供给”机制,但在过冷水含量较低的区域并不符合这一机制。     

青藏高原那曲地区一次深对流云垂直结构的多源卫星和地基雷达观测对比分析

为了加强对青藏高原深对流云垂直结构的深入认识,利用TRMM、CloudSat和Aqua多源卫星观测资料及地基垂直指向雷达（C波段调频连续波雷达和KA波段毫米波云雷达）资料,对第三次青藏高原大气科学试验期间2014年7月9日13-16时（北京时）发生在那曲气象站附近的深厚强对流云和那曲气象站以西100 km左右的深厚弱对流云的垂直结构特征进行了分析,得到的结果如下:（1）深厚强对流云和深厚弱对流云的水平尺度均较小（10-20 km）,垂直发展高度较高（15-16 km,均指海拔高度）;深厚强对流云在0℃层以下雷达反射率因子递增非常快,表明对流云内固态降水粒子下落至0℃层以下后融化过程有很重要的作用;在对流减弱阶段有明显的0℃层亮带出现,亮带位于5.5 km左右（距地1 km）;（2）对比TRMM测雨雷达和C波段调频连续波雷达观测到的雷达反射率因子,发现TRMM测雨雷达在11 km以下存在高估;（3）深对流云主要为冰相云,云内10 km以上主要是丰富小冰粒子,而10 km以下是较少的大冰晶粒子;深厚强对流云和深厚弱对流云的微物理过程都主要包括混合相过程和冰化过程,混合相过程分为两种:一种是-25℃（深厚强对流云）或-29℃（深厚弱对流云）高度以下以凇附增长为主,另一种是该高度以上主要以冰晶聚合、凝华增长为主,该过程冰晶粒子有效半径增长较快。这些空基和地基的观测证据进一步揭示了青藏高原深对流云的垂直结构特征,为模式模拟青藏高原深对流云的检验提供了依据。      

沿海地区一次中尺度对流系统闪电活动及降水结构

利用TRMM卫星的测雨雷达,微波成像仪,闪电成像仪等探测数据,研究了2010年8月5日发生在江苏北部一次中尺度对流系统(MCS)的降水结构和闪电活动之间的关系.结果表明:MCS在发展阶段,对流云降水面积与层状云降水区相当;在减弱阶段,层状云降水区面积远大于对流云降水区.MCS的生命史中,大部分闪电发生在对流云区,仅有少数闪电发生在层状云区,在减弱阶段闪电多发生在对流云和层云的过渡区中.发生闪电的层云和对流云降水垂直廓线表明:在MCS的发展成熟和减弱中在4 km高度,层云降水率都达到最大值;在对流云降水区中发生闪电主要与对流云上空含丰富的冰相粒子和对流云发展厚度(顶高达17 km)有关.研究还表明闪电数目最大值一般回波强度在35～45 dBz之间,并非回波越强闪电越多.闪电主要发生在40～50 dBz之间,且明显向强回波区趋近,这对我们利用雷达回波预警闪电落区具有一定的参考意义.     

层状云催化宏微观物理响应的数值模拟研究

层状云系是进行人工增雨开发利用空中云水资源的重要对象,增雨作业需要有科学可行的技术指标来指导实际作业的科学实施,而合理准确评估人工增雨作业的效果也是需要解决的重要课题,通过数值模式合理地仿真模拟实际催化作业的过程,进而研究增雨作业后云和降水的一系列宏微观特征的变化及其机理,是建立和改进催化作业技术的必要途径,也是评估实际人工增雨作业效果的有效手段。本文使用三维中尺度冷云催化模式对2014年4月15日河北省一次层状云降水的飞机催化作业过程进行了仿真模拟,力图对实际作业过程进行合理再现,通过对模拟结果的分析,研究飞机播撒的AgI（Silver iodide）催化剂在空中的扩散传输特征,分析催化对云和降水宏微观特性的影响,并对此次飞机催化作业的增雨效果进行评估。研究结果表明,播撒的AgI催化剂烟羽扩展的水平尺度可达数十公里以上,垂直方向上,大部分AgI粒子则主要集中在作业层上下约1 km的厚度范围内,AgI粒子的向上输送明显强于向下的输送;催化后云中的冰晶和雪粒子明显增加,导致催化模拟前期的霰增长受到抑制,之后随着霰碰并雪过程及零度层附近冰相粒子淞附过程的增强,云中霰的总量逐渐增加;催化作业后,催化云的雷达回波强度有明显增强,且随时间变化表现出不同的结构特征;催化导致地面降水出现先减少后增加的时间变化特征,催化后3小时,作业影响区向作业区下游扩展100 km以上,总体呈现减雨—增雨的区域分布特征;数值模拟评估表明,整个评估区内的净增雨量达到3.6×107 kg,平均增雨率为1.1%,暖层霰粒浓度和尺度的增加是降水增加的主要原因。由于作业目标云系的催化条件一般,而播撒的AgI剂量偏大,造成增雨作业效果偏低。     

湖南秋季积层混合云系飞机人工增雨作业方法

统计分析2007—2016年秋季湖南省长沙市地面气象观测资料、湖南省飞机人工增雨作业资料, 得到湖南省秋季积层混合云系的降水分布情况、一般结构特征和相应的飞机增雨作业方法。使用多普勒天气雷达、GRAPES_CAMS数值模式和中小尺度气象站网等资料对典型作业天气过程进行云降水物理和数值模拟分析, 采用成对对流云和基于TREC算法的回波跟踪等方法进行作业效果评估。归纳得到湖南省秋季积层混合云系人工增雨作业条件判别的12个宏微观指标, 探讨在使用运7飞机、碘化银烟条作业装备条件下, 开展飞机增雨作业的最佳催化时机、部位和剂量。针对积层混合云系中的降水性层状云系、积云对流泡, 飞机增雨适宜作业的区域、播撒高度和催化剂量:在过冷高层云的-15~-5℃层, 播撒达到30 L-1的人工冰晶浓度; 在过冷积云的-15~-7℃层, 静力催化使冰晶浓度达到30 L-1或动力催化达到100 L-1。这些方法在实践中取得了较好的人工增雨作业效果。     

河北一次层状云系降水的微物理机制数值模拟与分析

利用一维层状云模式,详细分析了2009年5月1日中国中东部地区一次层状云系的微物理结构和降水过程。结果表明：此次降水为层状云系降水,云系垂直结构符合顾震潮三层概念模型和“播种云-供给云”机制,其中第一层（上层：4.7-7.0 km）存在冰雪晶,雪主要通过冰晶自动转化和凝华增长。第二层（中层：2.6-4.6 km）有冰晶、雪、霰、云水、雨滴,此层贝吉龙过程作用明显。第三层（下层：1.3-2.5 km）主要粒子为云滴、雨滴、从上层融化的雪和霰,霰的融化对于雨滴的形成贡献最大。云体发展成熟时,各层之间存在一定的播种－供应关系,如第一层向第二层顶部播撒雪和冰晶,第二层向第三层顶部播撒霰和雪。     

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。     

一次浙江对流云催化数值模拟试验

为了研究吸湿性催化剂、碘化银催化剂及两者的联合催化效果,利用双参数三维对流云催化模式,对浙江南部一次对流云降雨过程分别进行盐粉暖云催化、碘化银冷云催化和冷暖混合催化试验,对比研究不同催化方案对对流云降雨的可能影响。结果表明:盐粉催化导致先增雨后减雨,主要通过盐溶滴与云滴碰并增长,及雨滴碰并和霰粒子碰冻过程消耗。在上升气流区和降雨前期进行催化的增雨效果更好,30 μm粒径的盐粉催化剂量为12.5/L时,可增加降雨量17.8%。在降雨过程的不同发展阶段进行AgI催化,表现出先减雨后增雨的催化效果。盐粉和碘化银的联合催化,由于两者催化效果的不同步,使得不同吸湿性催化剂和碘化银催化剂量配置会导致不同的催化效果。当30 μm的盐粉,催化剂量12.5/L,联合碘化银100/L的冷区催化,可取得19%的增雨效果。     

减弱对流云降水的AgI催化原理的数值模拟研究

在对流云模式中增加了AgI两个预报量,耦合了考虑受水汽过饱度和温度影响的4种核化机制的AgI催化模块,使其具备了对AgI类催化剂的模拟能力,能够研究AgI类催化剂对对流云系统的影响。利用该模式对一次华南对流云降水过程进行了AgI催化数值模拟试验,对人工减缓对流云降水的可能性及原理进行了研究。模拟结果表明,在适当的时机对适当的部位进行大剂量的催化,可以减少总降水量,也可以减少最大降水中心的雨强。当催化浓度达到2×10~8 kg~(-1)时,可以减少32%的降水量,具备有效减缓对流云降水的可能性。大剂量催化后,大量的AgI粒子在冷区核化后,消耗了大量的过冷水。催化后霰粒子的落速和雨水的落速减小。催化阶段由于霰融化成雨水减少而使降水减弱。催化结束后在霰融化成雨水增多的情况下,雨水的蒸发大幅增加,从而导致了降水量的持续减少。AgI在模拟的强对流云中主要以受过饱和度影响的凝结冻结和催化剂长时间作用的浸没冻结这两种方式成核。研究所用催化方法在外场作业中具有技术可行性。     

催化对降水区域外效应的中尺度数值模拟

The Fifth-Generation NCAR/Penn State Mesoscale Model (MM5) has been used to investigate the extra-area effects of silver iodide (AgI) seeding on stratiform clouds performed at the supercooled layer.A bulk two-moment microphysical scheme and the new software package for silver iodide are incorporated in MM5.Extra conservation equations are applied to trace the seeding agent,which is transported along the flow field and interacts with the supercooled cloud fields.In this study,the model was run using three nested grids,with 3.3 km × 3.3 km horizontal resolution in the finest grid.The model results showed that seeding with AgI at the 5 to 15℃ levels had microphysical effects on the simulated clouds and that the simulation produced a longer-lasting seeding effect because of the transport of the seeding agent by upper-level winds.Most of the AgI particles acted as deposition nuclei,and the deposition nucleation process contributed mostly to additional cloud ice formation in this study.The results showed that more precipitation results from seeded than unseeded case,and the precipitation was redistributed downwind of the target.Augmented precipitation (varying from 5% to 25% downwind) was confined in space to within 250 km of the seeding target and in time to the 3-h period after initial seeding.     

OBSERVATIONAL STUDY OF MICROPHYSICS IN THE STRATIFORM REGION AND TRANSITION REGION OF A MIDLATITUDE MESOSCALE CONVECTIVE COMPLEX

Cloud microphysical data observed with PMS probes have been combined with radar and other in-situdata collected by a NOAA P-3 aircraft that flew through the stratiform and transition regions of a mesoscaleconvective complex(MCC).The combined data have been analyzed with respect to the mescscale structureof the storm systems.The characteristics of ice particles in the transition and stratiform regions were quitediffereat.The ice particle concentrations in the transition region were about 4 to 6 times that found in thestratiform region,and the size of ice particles in the stratiform region was about twice that in the transitionregion.The relatively lower radar reflectivity in the transition region is a result of smaller particle sizes.Themain precipitation particle growth mechanisms are riming and aggregation in the transition region ard theaggregation process predominates in the stratiform region referred from the microphysical structures.The ag-gregation starts in the upper,colder lev(?)ls but becomes more efficient as the particles approach the melting layer.     

Observational Evidence of High Ice Concentration in a Shallow Convective Cloud Embedded in Stratiform Cloud over North China

In this study we observed the microphysical properties, including the vertical and horizontal distributions of ice particles,liquid water content and ice habit, in different regions of a slightly supercooled stratiform cloud. Using aircraft instrument and radar data, the cloud top temperature was recorded as higher than -15℃, behind a cold front, on 9 September 2015 in North China. During the flight sampling, the high ice number concentration area was located in the supercooled part of a shallow convective cloud embedded in a stratiform cloud, where the ambient temperature was around -3℃. In this area,the maximum number concentrations of particles with diameter greater than 100 μm and 500 μm(N_(100) and N_(500)) exceeded 300 L~(-1) and 30 L~(-1), respectively, and were related to large supercooled water droplets with diameter greater than 24 μm derived from cloud–aerosol spectrometer probe measurements. The ice particles types in this region were predominantly columnar, needle, graupel, and some freezing drops, suggesting that the occurrence of high ice number concentrations was likely related to the Hallett–Mossop mechanism, although many other ice multiplication processes cannot be totally ruled out.The maximum ice number concentration obtained during the first penetration was around two to three orders of magnitude larger than that predicted by the Demott and Fletcher schemes when assuming the cloud top temperature was around-15℃.During the second penetration conducted within the stratiform cloud, N_(100) and N_(500) decreased by a factor of five to ten, and the presence of columnar and needle-like crystals became very rare.     

Comparison Between Computer Simulation of Transport and Diffusion of Cloud Seeding Material Within Stratiform Cloud and the NOAA-14 Satellite Cloud Track

A precipitation enhancement operation using an aircraft was conducted from 1415 to 1549 LST 14 March 2000 in Shaanxi Province. The NOAA-14 satellite data received at 1535 LST soon after the cloud seeding shows that a vivid cloud track appears on the satellite image. The length, average width and maximum width of the cloud track are 301 kin, 8.3 and 11 kin, respectively. Using a three-dimensional numerical model of transport and diffusion of seeding material within stratiform clouds, the spatial concentration distribution characteristics of seeding material at different times, especially at the satellite receiving time,are simulated. The model results at the satellite receiving time axe compared with the features of the cloud track. The transported position of the cloud seeding material coincides with the position of the track. The width, shape and extent of diffusion of the cloud seeding material are similar to that of the cloud track.The spatial variation of width is consistent with that of the track. The simulated length of each segment of the seeding line accords with the length of every segment of the track. Each segment of the cloud track corresponds to the transport and diffusion of each segment of the seeding line. These results suggest that the cloud track is the direct physical reflection of cloud seeding at the cloud top. The comparison demonstrates that the numerical model of transport and diffusion can simulate the main characteristics of transport and diffusion of seeding material, and the simulated results are sound and trustworthy. The area, volume, width, depth, and lateral diffusive rate corresponding to concentrations 1, 4, and 10 L^-1 are simulated in order to understand the variations of influencing range.     

河北春季一次飞机人工增雪的综合分析

2013年4月19日,河北省人工影响天气办公室在河北中南部地区根据云系特点首次采用多层次水平催化和垂直验证的方式对层状云进行人工催化和探测。本文利用机载仪器所取得的飞机探测资料,结合实时天气、卫星、雷达、探空和雨量观测资料,分析了河北春季层状云增雪作业的技术指标,探讨了航测微物理参量和卫星、雷达、探空等资料在作业中的应用。结果表明：云在发展期雷达回波由15 dBZ逐步上升到25-35 dBZ,卫星反演的云顶高度、云顶温度、有效粒子半径、光学厚度等都有增加;云在中后期有效粒子半径、光学厚度、液水路径迅速下降,雷达回波同时减弱。在高度3 177-5 723 m之间过冷云滴达100-700个/cm^3,含水量在0.01 g·m^-3左右,最大0.081 g·m^-3,云粒子主要在此增长,形成降水粒子,该区间适宜催化。作业后,影响区内云体发展,雷达回波增强,出现35 dBZ强回波,且强回波中心扩大;卫星反演的云顶高度、光学厚度等比对比区有明显增加。     

一次对流降水过程增雨催化时机的模拟分析和雷达识别

为加深对对流云增雨催化机制的理解,避免催化指标的随意性,通过三维积云数值模拟和雷达加密探测资料分析相结合的方法,对发生在湖北省西北部多山地区的一次对流降水过程进行了增雨催化时机的分析和识别.首先运用三维积云模式,通过催化模拟敏感试验,得出对流云增雨催化存在时间窗,最佳的催化时机应该为对流云发展的早期,催化后关键是增加雨和冰晶冻结后碰并霰增长这一冰相微物理过程的产量.根据模式分析结果,结合雷达观测资料分析,发现对流回波在生成及发展上表现出一些规律性,可以作为通过雷达观测识别增雨催化的时机和潜力区域的指标.     

碘化银核化过程的数值模拟研究

根据DeMott等给出的不同成核机制下AgI成核效率的实验结果 ,通过数值模拟的方法 ,研究了AgI粒子在云室、层状云和对流云中的核化过程。通过对云室的模拟 ,发现云滴浓度和云雾持续时间是造成不同云室检测的AgI成核率相差悬殊的主要原因。数值试验结果表明AgI的成核方式在层状云和对流云中有很大不同 :层状云中AgI主要以接触冻结、浸没冻结等慢核化过程为主 ,而对流云中则以凝结冻结过程为主。     

Vertical Structures of Convective and Stratiform Clouds in Boreal Summer over the Tibetan Plateau and Its Neighboring Regions

Cloud is essential in the atmosphere, condensing water vapor and generating strong convective or large-scale persistent precipitation. In this work, the relationships between cloud vertical macro- or microphysical properties, radiative heating rate, and precipitation for convective and stratiform clouds in boreal summer over the Tibetan Plateau (TP) are analyzed and compared with its neighboring land and tropical oceans based on CloudSat/CALIPSO satellite measurements and TRMM precipitation data. The precipitation intensity caused by convective clouds is twofold stronger than that by stratiform clouds. The vertical macrophysics of both cloud types show similar features over the TP, with the region weakening the precipitation intensity and compressing the cloud vertical expansion and variation in cloud top height, but having an uplift effect on the average cloud top height. The vertical microphysics of both cloud types under conditions of no rain over the TP are characterized by lower-level ice water, ice particles with a relatively larger range of sizes, and a relatively lower occurrence of denser ice particles. The features are similar to other regions when precipitation enhances, but convective clouds gather denser and larger ice particles than stratiform clouds over the TP. The atmospheric shortwave (longwave) heating (cooling) rate strengthens with increased precipitation for both cloud types. The longwave cooling layer is thicker when the rainfall rate is less than 100 mm d^?1, but the net heating layer is typically compressed for the profiles of both cloud types over the TP. This study provides insights into the associations between clouds and precipitation, and an observational basis for improving the simulation of convective and stratiform clouds over the TP in climate models.