冰雹云物理发展过程的一些研究

本文包括近年来我们在冰雹云物理研究几个方面的工作,即冰雹云单体生命史、云体併合与雹云形成、雹云和环境条件关系、冰雹云物理分类、冰雹云闪电观测分析和人工防雹的某些研究。 文章扼要地给出了上述研究的主要结果。     

有云泡结构的对流云中降水形成的研究

观测事实表明,对流云中分布着许多不同大小的云泡,本文根据这一事实讨论有云泡结构的对流云中降水粒子形成的问题。我们考虑在云泡中的含水量和垂直气流均比云泡外的云中的值大,因此这是一个含水量和垂直气流同时起伏条件下滴在云中随机生长的模式。 根据滴在云中碰併增长的公式,我们推得一个重要的关系:即对于任何滴同样的半径增量,通过云泡所需移动的距离要比在云泡外的云中所需移动的距离少,而这个距离的差值仅与云泡的特性有关,与滴的初始大小无关,因此滴在云中经过若干云泡的生长就由一个排列问题转变为组合问题,这就便于我们讨论摘随机穿过若干云泡的生长。 计算结果表明,有云泡结构的云中,比较薄的云就可以形成较大的水滴或冰雹,或者说降低了形成降水对云厚的要求。本文还计算了云泡特征量对降水形成的影响。     

形形色色的冰雹

冰雹简称"雹块",固体降水物的一种.其单体称为"雹块",是直径大于5毫米的园球形或园锥形(也有不规则的)冰块.冰雹是以雹胚为核心,撞冻碰併大量过冷水滴而形成的.在含水量小的云区内生成不透明层,在含水量大的云区生成透明层或"海绵"层.雹块降自发展十分强烈的雷雨云.这种云又黑又厚,含水量大,上升、下降气流强,几经翻滚折腾,那雹胚有如小孩玩滚雪球似的,越滚越大,下降到地表面,     

湿急流的结构及形成过程

利用比较稠密的无线电探空和气球测风观测网,通过对华北夏季一次暴雨过程的三维流场和湿度场的分析,揭示了湿急流的结构和形成过程。湿急流是指低层空气在湿不稳定大气的上升过程中,不断加速形成一支斜穿整个对流层的自下而上的急流。在湿急流附近,凝结饱和区的分布和发展过程,似乎表明水汽在急流形成过程中起了一种主动作用。湿急流在对流层顶附近和副热带急流合併,并使副热带急流的动能增加。这似乎启示,湿斜压过程可能是大气环流中的基本过程之一。     

一条具有宽阔尾随层状云区的中纬度飑线的中尺度结构

1985年6月11日,一条具有宽阔的尾随层状云区的强飑线经过美国堪萨斯—俄克拉荷马州的PRE-STORM中尺度网。本文应用由14个探空站得到的53个探空资料,对这条飑线在成熟价段和消亡阶展的运动学和热力学结构分别作了合成分析。分析表明,飑线系统有稳定的中尺度环流,一股由前向后的入流及一股由后向前的入流构成了环流框架。在对流区,高层辐散、低层辐合,整层上升。在层状云区,中层福合,高、低层分别为上升和下沉运动。雷达次级强回波区与层状云区高层的上升运动区相对应。在层状云区中低层有一气旋性涡旋。     

关于积雨云(CB)在航空报中的编码

在航空报规定的第5条中，第五款规定，积雨云与其它云同时存在，已高度相同时，还看天空总云量是否≥4／10，来确定编报几组8Nschshs。其中：①N≥4／10时，究编报CB的8Nschshs组．然拒，按0、4、6、10规定编报8Nschshs，这一组的Ns报合量。C编报积雨云之外电码大的云状。由于CB云是一种特珠的云种，容易出现一定特珠的天气现象，甚至灾害性天气，所以对CB云在航空报中的云量、云层的编报就显得十分重要。就应用航空报的单位来讲、收到这份航空报，对了解这个地方当时天空云量，云层有一个清晰的印象。那么．当Cll云与其它云同时存在…     

甘肃永登强对流云的雷达气候学特征分析

利用甘肃永登19年(1971—1985年,1999—2003年)的雷达回波资料,分析了强对流云回波形成及分布特征与甘肃永登地区特殊地形的关系;强对流天气大尺度天气背景和相应的强对流雷达回波的移动、高度、强度和回波谱等特征。结果表明,该区的特殊地形造成气流阻挡并使其折转汇合、垂直运动剧烈加速,使得对流云迅速发展,这是该区对流云形成和分布的决定因素;高空天气形势和对流云结构制约了对流云雷达回波的移动和基本特征。雹云回波谱表明,雹暴对流活动一般均处于旺盛状态,强回波高度和其所处的云内温度是形成雹云的重要条件。     

Ka波段固态发射机体制云雷达和激光云高仪探测青藏高原夏季云底能力和效果对比分析

激光云高仪和云雷达是探测云底的两种设备,但其探测能力和探测结果有一定的差异,对比分析两种设备的测云效果有助于正确认识它们的探测优势,推进我国云雷达在云探测中的应用。本文提出了基于云雷达数据的云底和云顶高度分析方法,利用2014年夏季第三次青藏高原大气科学试验云雷达、激光雷达和激光云高仪数据,统计了三种设备探测青藏高原低云、中云和高云的云底高度偏差、探测率,分析了激光云高仪探测云底偏高的原因,根据探测结果提出了固态发射机体制雷达探测青藏高原低云的优化观测模式,模拟分析了探测效果。结果表明:（1）云雷达对高云的探测能力要明显优于激光云高仪,但其对低云的探测能力有待改进,激光云高仪探测云底下部的边界层内的云雷达回波信号可能是非云降水回波;低层云的遮挡作用明显降低了激光云高仪对多层云的观测能力;与激光云高仪相比,云雷达仍然会漏掉一些高云和中云。（2）激光云高仪探测的中云和高云的云底很多在云雷达回波内部,云雷达和激光云高仪观测的云底的时空对应关系比较差。（3）增大激光发射功率和优化固态发射机体制云雷达观测模式可提高云的观测能力,微波和激光雷达数据融合可全面了解不同类型云的宏观特征。这一工作为云雷达和激光雷达数据的应用,评估激光云高仪和云雷达探测青藏高原云的能力,讨论设计优化的云观测方案,为推进我国云观测技术的发展提供了重要参考依据。     

论江淮气旋的两类发展过程

根据天气分析经验和理论研究结果,我们认为江淮气旋有两种发展类型:A类气旋是指西南低涡沿江淮切变线东移,地面静止锋上产生的气旋波,它发生在付热带急流上的南支低槽越过青藏高原东移的形势下,其主要发展因子是暖平流输送和暴雨产生的潜热加热作用,由于高空涡度平流和冷平流都很弱,气旋一般不发展;B类气旋是指北支槽与西南涡结合,河西冷锋进入地面倒槽与暖锋相接而产生的气旋,它发生在极锋上的北支槽与南支槽合併东移的形势下,高空涡度平流、对流层下部的温度平流和潜热释放对气旋发展都有较大贡献,因此,气旋经常强烈发展。本文结合实例分析论述这两类气旋的发展过程。     

毫米波测云雷达系统及其外场试验结果初步分析

观测云宏观信息及其辐射特性的工具一直都很缺乏。利用毫米波测云雷达连续观测大气中的云能够获得有重要意义的参数,这些参数包括宏观上的云厚、云高、云层数,微观上云粒子的大小、滴谱分布、冰与液态水的含量等,它们不仅决定了云的上行、下行辐射的影响效果,也是研究自然降水过程的重要参数。文章介绍了2007年中国气象科学研究院研发的应用于探测云、雾和沙尘暴垂直结构的机动式8.6 mm毫米波雷达系统(HMBQ),重点介绍测云雷达在2008~2009年主要参加的外场试验情况,最后给出了探测得到的各种类型云(包括非降水云、弱降水云以及降雪云等)的雷达回波图,并作了初步分析。     

平凉冰雹云回波特征分析

用大量实测冰雹云过程回波资料,根据地面降雹大小和灾情统计资料,分析了200多例不同冰雹云的回波顶高、回波面积随反射率Ze变化的回波特征参量和各高度层反射率强度分布结构模型。表明在不同的冰雹云过程中,Ze≥30dBz的回波特征参量有明显差别,用这些强回波特征参量对认识强对流云的演变过程和识别冰雹有较大优势。     

一次热带海洋对流云微物理过程的数值模拟

为了理解微物理过程以及次生对流云对热带对流云团发展演变过程的影响,利用二维云分辨模式对2006年1月20日靠近澳大利亚西北部的印度尼西亚暖池附近的一次对流云降水过程进行数值模拟,分析了对流云发展演变不同阶段各种微物理过程的特征,尤其对次生对流的形成以及并合过程进行了深入分析.结果表明:本个例所研究的热带对流云团具有发展...     

低压倒槽影响下积层混合云形成过程模拟研究

利用多普勒雷达资料和中尺度天气预报模式wRF（Weather Research and Forecasting）模拟结果,对2009年5月9—10日发生在太原及其周边地区的一次积层混合云降水形成过程进行分析。结果表明,在积层混合云的形成初期,局地对流云得到发展,随着其强度不断增强,与周围云发生并合过程（包括局地单体对流的并合、积云团的并合和积层混合云内强中心的并合）,形成范围较大的积层混合云云系。局地单体对流和积云团的并合可带来云体的爆发性增长,霰含量、雨水含量大幅增加。积层混合云内强中心的并合对降水强度影响不大,但有利于降水面积扩大。低压倒槽和弱冷锋是此次积层混合云形成和维持的主要影响因素。低压倒槽有利于低层大范围不稳定能量的积累,风向切变有利于近距离云团的发展和并合,山地动力和热力作用有利于局地对流单体、积层混合云内强中心的形成和加强。     

暴雨过程中对流云合并现象的观测与分析

利用静止/极轨气象卫星、新一代多普勒天气雷达、地面观测和NCEP再分析资料, 对2008年7月22日淮河流域一次暴雨过程中的对流云合并现象进行观测分析。综合观测显示, 这是一次在低层显著气压梯度作用下发生的对流云合并现象, 是一次多尺度、多合并方式的典型过程, 不仅有对流单体之间的合并, 还存在着对流云核(强中心)之间的合并。根据合并的进程, 可以划分为三个主要阶段:单体发展、云桥形成以及系统合并。卫星云图显示, 对流云核合并后云团结构更加紧密、边缘更加光滑;在雷达回波上, 合并后回波顶高和垂直积分液态含水量有显著的增加。对流云核合并完成后, 区域内最高云顶开始回落, 垂直积分液态含水量的最大值开始减少, 并在地面产生强降水。另外, 对流单体之间的合并不仅导致地面降水范围有所扩大, 而且还使降水持续了较长的时间。对合并过程可能存在的机制分析表明, 存在着三个方面的动力因素:(1)大尺度环境场中垂直运动存在的水平不均匀性, 是促成对流云团合并的环境因素。(2)对流系统间存在的低压中心及其引起的显著地面气压梯度, 是对流系统间合并的主要原因。(3)一个云核的下沉气流加强了另一个云核的上升气流, 是对流云核合并的动力学原因。     

多物理参量检验防雹效果的研究

除使用地面冰雹资料（即冰雹动能、质量、降雹强度等）外，还选用了反映雹云变化的雷达回波参量等１０个物理参量，作为作业效果的检验量，检验防雹效果。结果表明：高炮作业后雷达回波顶高、强度及３０ｄｂｚ强回波顶高显著地比作业前小；作业区比未作业区冰雹动能、冰雹质量、冰雹动能通量、质量通量、最大冰雹直径、数密度以及降雹持续时间也有明显减小。     

A Cloud-resolving Study on the Role of Cumulus Merger in MCS with Heavy Precipitation

The cumulus merging processes in generating the mesoscale convective system （MCS） on 23 August 2001 in the Beijing region are studied by using a cloud-resolving mesoscale model of MM5. The results suggest that the merger processes occurred among isolated convective cells formed in high mountain region during southerly moving process play critical role in forming MCS and severe precipitating weather events such as hailfall, heavy rain, downburst and high-frequency lightning in the region. The formation of the MCS experiences multi-scale merging processes from single-cell scale merging to cloud cluster-scale merging, and high core merging. The merger process can apparently alter cloud dynamical and microphysical properties through enhancing both low- and middle-level forcing. Also, lightning flash rates are enhanced by the production of more intense and deeper convective cells by the merger process, especially by which, the more graupel-like ice particles are formed in clouds. The explosive convective development and the late peak lightning flash rate can be found during merging process.     

四川盆地暴雨过程对流云合并特征初探

利用FY-2E静止气象卫星的云图资料,对2012—2018年夏季(6—9月)发生在四川盆地眉山市内的35次区域性暴雨过程进行分析,探索研究暴雨过程中对流云合并现象的特征。结果表明:暴雨过程中有88%出现了对流云合并,对流云合并是造成暴雨强对流天气过程的重要影响因素;按照合并云团的数目以及合并次数,可将合并过程分为两个对流云团合并、多个对流云团同时合并和多个对流云团多次合并三大类;同时暴雨过程里的合并现象与合并云团之间的距离、面积比例、最低亮温差及最低亮温平均值有密切的联系。     

青藏高原东北侧局地冰雹统计特征及对特殊雹云单体的讨论

以3D-Barnes方案插值的新一代天气雷达反射率因子等高平面资料,用垂直累积液态含水量(Vertically Integrated Liquid Water Content,简称:VIL)的理论模式计算单体的VIL,用VIL与单体顶高度之比计算单体的VIL密度(Vertically Integrated Liquid Water Content Density,简称:VILD),采用统计方法对青藏高原东北侧局地冰雹的日变化和大小分布特征以及地面最大冰雹直径(简称:Rmax)与单体在降雹过程中的最大VIL(简称:VILmax)和最大VILD(简称:VILDmax)之间的关系进行了统计。结果表明:(1)青藏高原东北侧局地降雹主要以中冰雹为主(直径在5~20 mm之间),其次是小冰雹(直径<5 mm,现称为霰),出现大冰雹(直径≥20 mm)的概率很小;(2)从冰雹的日变化特征看,青藏高原东北侧局地降雹主要出现在下午到傍晚,期间存在2个降雹高峰时段。第一个主要集中在13:00~18:00,其中以15:00~16:00出现的概率最高,另一个主要集中在20:00~21:00,日内其余时间降雹概率很小,此结论与陈乾[1]等研究区域性冰雹发现的午后傍晚双峰型特征基本吻合,但在出现时段上稍有偏早;(3)VILmax和VILDmax从总体趋势上看与Rmax之间均存在正相关关系,但VILD-max比VILmax与Rmax之间的相关性更好;相同大小的冰雹所对应的雹云单体的VILDmax虽然存在一定的差异,但差异不大,一般维持在0.1 g.m-3以内;(4)雷达观测静锥区和单体强回波区倾斜或悬垂回波等是影响VILmax和VILDmax与Rmax之间出现负相关的2个主要因素。     

满城冰雹云类型与特征分析

根据探空、雷达观测以及降雹资料，对河北满城地区１９８６－１９９０年６４次降雹天气过程进行了分析，对冰雹云类型作了分类研究。结果表明，该地区冰雹云分为５种类型：强单体、点源雹云、传播雹云、多单体及弱单体雹云。５年的统计资料得出，满城地区以多单体、弱单体雹云为最多，强单体雹云和传播雹云是该地区主要成灾雹云。     

云并合过程中物理特征演变的模拟研究

云并合过程中物理特征的变化对云降水过程的演变至关重要,对降水的短时预报和研究也有重要意义.因此,本文利用新一代中尺度天气预报模式WRF (Weather Research Forecast)对2005年5月5日发生在贵阳的一次云并合过程进行模拟,结合雷达观测资料以及MICAPS资料,分析了降水对流云的合并过程,及其伴随...