机载碘化银（AgI）播撒器的使用与维护

在人工影响天气外场作业中，为了得到更好的人工增雨催化效果，根据实际天气云层条件，今年我办采用了液态二氧化碳（LCO2）和碘化银（AgI）两种催化剂相结合的催化方式进行人工增雨作业。机载碘化银（AgI）播撒器是我办研究人员参照美国的“Lohse—WMI”机载碘化银（AgI）播撒器而研制的一套新的播撒设备。它适用于层状云和积云的人工催化播撒，     

祁连山云系云微物理结构和人工增雨催化个例模拟研究

改进了胡志晋、刘奇俊的云物理方案,并实现了与GRAPES模式的耦合;利用包括了新云物理方案的GRAPES模式对祁连山地区一次山区云降水过程进行了数值模拟,研究了祁连山地区云系的微物理结构,并开展了人工催化的数值试验研究。结果表明：（1）耦合的双参数方案能够较好的模拟此次降水范围、强度及云场分布的特点和规律;（2）新方案给出了祁连山云系的合理微观结构和它的特征;（3）播撒冰晶可以增加降雨,在云初始阶段播撒增雨范围较广,在云发展阶段播撒增雨范围较集中;（4）播撒冰晶后,云的动力结构发生了改变。     

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。      

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。     

基于偏振雷达的积层混合云降水增雨潜力识别方法研究

本文统计分析了北京地区近三年的有效降水,重点研究了积层混合云降水特点并对其分类,发现积层混合云降水出现频次约占总降水次数的61%,其中积层混合云降水以积层连结型和水平混合型为主,二者之和占近80%。重点分析了积层混合云中对流和层云两种不同特点降水类型的宏微观结构,确立了反射率因子Z、温度T、粒子含水量M、催化剂AgⅠ（碘化银）活化率NE和粒子相态HTC（hydrometeor type classification）为人工增雨潜力识别指标及这些识别指标的取值范围,同时也根据研究现状和人工影响天气需求总结制定出人工增雨潜力等级。利用偏振雷达构建模糊逻辑识别算法对积层混合云三种降水类型进行增雨潜力区域识别研究,结果表明:（1）对于播撒碘化银增雨来说,积层混合云的增雨潜力区在垂直方向上可分为上、中、下三层,上层（增雨等级为“不适合”）和下层（零度层及以下）分别受含水量和温度等影响不适合增雨,中间层（增雨等级大于等于“等级一”）是可增雨区域;（2）积层混合云中层云区增雨潜力较小,对流云区可增雨潜力要远大于层云区,开式流场型与积层连结型可增雨潜力要大于水平混合型;（3）当降水云中识别出霰粒子时,其附近的大部分区域会有较好的增雨潜力。通过偏振雷达实例检验和数值模式模拟在积层混合云不同部位播撒碘化银催化试验发现,在增雨潜力较好的区域催化有很明显增雨效果,模拟试验结论与偏振雷达识别增雨潜力区结果也基本一致,说明基于偏振雷达的增雨潜力区识别方法和结果是具有参考意义的。     

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。     

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。     

层状云系催化增雨的中尺度模拟研究

利用PSU/NCAR中尺度模式MM5研究层状云碘化银催化后的区域外效应.在MM5中双参数显式云物理方案基础上,采用显式方法加入碘化银粒子的成核机制,建立碘化银粒子比含水量和数浓度预报方程.通过增加催化过程的程序模块,建立起一个中尺度人工催化系统.采用三重嵌套到3.3 km格距模拟了一次层状云系大范围降水,此个例-5℃到-10℃上碘化银催化试验结果表明碘化银在高空风的作用下向下风方输送并影响云内的微物理过程,碘化银持续作用时间为3h.大多数碘化银主要起凝华核作用,催化后冰晶增加主要靠凝华过程.催化后3h内在下风方区域80 km到240 km有10％～30％的增雨,出现催化区域外效应.     

红河州2005年初夏干旱火箭增雨技术研究

对2005年红河州初夏干旱进行4次大规模人工增雨作业过程、影响天气系统、雷达回波和探空资料进行研究分析,得出初夏降雨天气过程的前锋主要为对流云系,然后演变成混合云或深厚层状云,其云系均具有较大催化潜力,是人工增雨的有利作业对象。提出人工增雨机制,指出现行两种增雨火箭播撒催化能力和作业催化的利弊。初步提出适合人工增雨的条件、监测识别方法和催化部位、催化时机和催化剂量理论参数。     

三维对流云盐粉催化模式的发展和催化模拟试验

在三维混合相对流云模式中发展了盐粉催化方案,该方案考虑了盐粒与云雨滴和冰相粒子间的相互作用,模式中增加了盐溶滴的质量Qn和浓度Nn两个预报量.利用盐粉催化模式进行了个例模拟试验,并对催化结果进行了对比分析.结果表明,当采用30个·L-1剂量的盐粉两次催化时,催化效果较好,地面总降水量可增加10％;当催化剂量减少时,增雨效果不明显.同时催化剂量超过1 000个·L-1,可导致降水总量减少.催化时间提前或延后都会影响增雨效果.模拟第70 min后出现了少量的减雨,并持续到降水结束.通过分析催化后云中水成物,发现盐粉催化不仅影响了暖雨过程,而且云雨滴通过冻结形成霰等过程也影响了冷雨过程.     

A Two-Moment Bulk Microphysics Coupled with a Mesoscale Model WRF: Model Description and First Results

The Chinese Academy of Meteorological Sciences (CAMS) two-moment bulk microphysics scheme was adopted in this study to investigate the representation of cloud and precipitation processes under different environmental conditions.The scheme predicts the mixing ratio of water vapor as well as the mixing ratios and number concentrations of cloud droplets,rain,ice,snow,and graupel.A new parameterization approach to simulate heterogeneous droplet activation was developed in this scheme.Furthermore,the improved CAMS scheme was coupled with the Weather Research and Forecasting model (WRF v3.1),which made it possible to simulate the microphysics of clouds and precipitation as well as the cloud-aerosol interactions in selected atmospheric condition.The rain event occurring on 27-28 December 2008 in eastern China was simulated using the CAMS scheme and three sophisticated microphysics schemes in the WRF model.Results showed that the simulated 36-h accumulated precipitations were generally agreed with observation data,and the CAMS scheme performed well in the southern area of the nested domain.The radar reflectivity,the averaged precipitation intensity,and the hydrometeor mixing ratios simulated by the CAMS scheme were generally consistent with those from other microphysics schemes.The hydrometeor number concentrations simulated by the CAMS scheme were also close to the experiential values in stratus clouds.The model results suggest that the CAMS scheme performs reasonably well in describing the microphysics of clouds and precipitation in the mesoscale WRF model.     

云微物理过程对台风数值模拟的影响

将中国气象科学研究院（CAMS）混合双参数云微物理方案用于中尺度天气模式WRF,开展了对2013年超强台风天兔（1319）的模拟,通过与台风最佳路径、强度及热带降雨测量卫星（TRMM）资料对比,分析CAMS云微物理方案在模拟台风中的适用性及云微物理过程对模拟台风天兔的影响机制。设计了3组敏感性试验:修改雪粒子质量和落速系数（EXP1）,采用海洋性云滴参数（EXP2）,同时修改雪粒子质量和落速系数并采用海洋性云滴参数（EXP3）。结果表明:EXP1和EXP3由于霰碰并雪速率的增加及减小的雪下落通量,导致雪含量显著降低,同时也减少了整体冰相物的含量;EXP2和EXP3模拟的台风眼区对流有效位能快速减小,再现了前期台风的快速增强过程,路径偏差也最小;各试验模拟的小时降水率总体偏强,EXP3的降水空间分布与实况更接近,明显降低雪粒子含量,并一定程度上改善模拟的台风路径、强度及降水分布等。该结果不但可为改进适用于台风的云微物理参数化方案提供思路,也可加深云微物理过程对台风影响的认识。     

2014年南京青奥会开幕式日降水过程数值模拟研究

为评估2014年南京青奥会开幕式日的人工催化消减雨作业效果,利用中尺度数值模式WRF对当日的云降水过程和催化作业开展数值模拟。本文系第一部分工作。首先对常用的八种云微物理方案的降水模拟效果进行评估,进一步选取Thompson和Milbrandt-Yau两个微物理方案对此次降水过程的云系结构和降水形成机制进行对比分析。模拟结果表明,采用Thompson和Milbrandt-Yau两个方案模拟的云系结构和降水形成的微物理机制是一致的。开幕式当天影响奥体场馆的降水由弱的积层混合云系产生,降水过程以冰相微物理过程为主。雪的融化是雨水的主要源项,Thompson方案中雪的融化对雨水的贡献率为72%,Milbrandt-Yau方案为60%,蒸发则是雨水的主要汇项,Thompson方案中蒸发对雨水的消耗率达94%,Milbrandt-Yau方案为95.6%。     

中尺度碘化银催化数值模式在人工影响天气业务中的应用试验

数值模式越来越多地应用于人工影响天气业务工作中。文中着眼北京地区人工影响天气业务对数值模式预报的需求,结合地基作业的特点,初步进行了碘化银（AgI）冷云催化数值模式在人工影响天气业务中的应用试验。试验采用同化了多种观测资料的北京睿图快速更新和多尺度分析预报系统-临近子系统（RMAPS-ST,Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System-Short Term）的预报结果做为初始场,运用耦合了冷云催化模块的中尺度数值模式WRF（Weather Research and Forecasting Model）进行冷云催化数值试验,催化模块添加在Morrison双参数微物理方案中,考虑了水汽在人工冰核上的凝华核化、凝结冻结和接触冻结核化过程,模拟范围覆盖北京地区所有的地面作业站点以及华北人工影响天气飞机作业区域。业务试验包括运行对照试验以判定具有催化潜力的地基作业站点及催化信息、进行预催化模拟和实际作业后的催化模拟。个例应用显示,冷云催化数值模式的业务试验可以预判未来一定时段内人工影响天气相关物理量场的变化及作业效果,可为前期人工影响天气地面作业方案的制定提供参考,后期可进行实际作业信息输入进行催化模拟,对比验证与分析可以改进和优化流程算法,不断提升制定地面作业方案的科技水平。      

用WRF模式中不同云微物理参数化方案对华南一次暴雨过程的数值模拟和性能分析

本文使用中尺度数值模式WRFV3.4中的8种不同云微物理过程参数化方案,模拟2010年5月6～7日华南一次暴雨事件,探讨不同云微物理方案对华南暴雨模拟的影响。结果表明:不同云微物理方案对不同量级降水模拟效果总体较好。WSM3方案对小到大雨和大暴雨的模拟效果最好,对暴雨的模拟最差;WDM5方案对暴雨模拟效果最好。结合TS评分和误差分析结果,整体效果最好的是WSM5方案,最差的是Lin方案。对于同一云微物理参数化方案,不同分辨率的降水模拟结果差异不大,但同一分辨率的不同云微物理参数化方案的降水结果差异较大,这说明云微物理过程比模式分辨率对暴雨模拟的影响更大。     

不同云微物理方案对“7.21”特大暴雨模拟的对比试验

利用中尺度数值模式WRF v3.5.1中的17种不同云微物理过程参数化方案,对2012年7月21—22日北京特大暴雨过程进行了对比试验。模拟结果表明:不同云微物理方案对不同量级降水的模拟效果各有优势。NSSL 1-momlfo方案对中雨和大暴雨两个等级降水的模拟效果最好,降水中心值最接近实况;Eta(Ferrier)和Kessler方案分别对大雨和暴雨等级降水的模拟效果最好。总体上,能够较好地模拟出本次特大暴雨过程的方案依次为:NSSL 1-mom、NSSL 1-momlfo和Milbrandt 2-mom方案,而WDM6方案的模拟效果最差。云中水成物演变特征表明,模拟较好的方案中液态水、云冰和霰的含量较多,且随时间演变与地面降水强度的变化相一致。另外,模拟较好的方案中冰相粒子多,过冷水的范围大、含量高,有利于各相态粒子相互转化,促进冰相过程发展,致使降水量增多。     

Cloud Seedability Study with a Dual-Model System

In this research,a novel dual-model system,one-dimensional stratiform cold cloud model(1DSC) coupled to Weather Research and Forecast(WRF) model(WRF-1DSC for short),was employed to investigate the effects of cloud seeding by silver iodide(AgI) on rain enhancement.Driven by changing environmental conditions extracted from the WRF model,WRF-1DSC could be used to assess the cloud seeding effects quantitatively.The employment of WRF-1DSC,in place of a one-dimensional two-moment cloud seeding model applied to a three-dimensional mesoscale cloud-resolving model,was found to result in massive reduction of computational resources.Numerical experiments with WRF-1DSC were conducted for a real stratiform precipitation event observed on 4-5 July 2004,in Northeast China.A good agreement between the observed and modeled cloud system ensured the ability of WRF-1DSC to simulate the observed precipitation process efficiently.Sensitivity tests were performed with different seeding times,locations,and amounts.Experimental results showed that the optimum seeding effect(defined as the percentage of rain enhancement or rain enhancement rate) could be achieved through proper seeding at locations of maximum cloud water content when the updraft was strong.The optimum seeding effect was found to increase by 5.61% when the cloud was seeded at 5.5 km above ground level around 2300 UTC 4 July 2004,with the maximum AgI mixing ratio(X s) equaling 15 ng kg 1.On the other hand,for an overseeded cloud,a significant reduction occurred in the accumulated precipitation(-12.42%) as X s reached 100 ng kg 1.This study demonstrates the potential of WRF1DSC in determining the optimal AgI seeding strategy in practical operations of precipitation enhancement.     

北京一次短时局地大暴雨过程的特征及对云物理方案的敏感性数值模拟试验

云物理过程是云和降水形成的重要环节。本文针对2011年6月23日发生在北京地区的一次大暴雨过程进行了云降水与天气特征分析,并开展了WRF模式中10种不同云微物理方案对此次暴雨强度、落区和发生时间的敏感性数值模拟试验。研究结果表明,此次大暴雨是由多单体组织、合并形成深厚的中尺度对流系统,并具有明显的短时局地特征和有利的高低空、高低纬度大中尺度天气环流形势及强烈的水汽输送条件。暴雨强度、落区和发生时间的数值模拟结果对云物理方案非常敏感。不同云物理方案对累积降水量≥50 mm和≥100 mm的暴雨模拟的ETS评分显示,只有Thompson方案对此暴雨量级的评分均为正,其他方案的ETS评分均不理想,特别是对累积降水量≥100 mm的大暴雨模拟。在小时暴雨强度和发生时间方面,Thompson方案模拟效果也较好,其次是Lin方案和WSM6方案;对区域累积最大降水量和落区的模拟方面,Thompson方案和Morrison方案模拟的最大累积降水量更接近观测值,但在落区方面,一些具有完整云物理过程的单参数方案（Lin方案、WSM6方案）模拟效果较好,但模拟的最大降水量偏小。针对暖雨的双参数方案WDM6对区域平均降水模拟较好,但对暴雨极端降水模拟较差。对造成差异的原因分析表明,不同云物理方案的差异主要体现在雪和霰的参数化方面,由于采用的粒子谱分布、密度和末速度不同,导致云中粒子间的碰并和形成过程不同,大部分云物理方案模拟的霰含量高,雪含量低。这种云微物理过程的差异会导致云动力过程的反馈作用出现明显不同,但这种反馈作用的差异主要体现在降水粒子对上升气流的拖曳作用不同。尽管云中相变潜热过程对云动力过程具有很重要的影响,但不同云物理方案在相变潜热过程和温度廓线分布方面造成的差异并不明显。因此,云物理方案中考虑合理的粒子谱分布、形态和密度变化,有利于提高暴雨的模拟效果。     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。