华北云特征参数与降水相关性的研究

利用河北省、河南省和山西省2013—2014年的每日10—15时逐时FY2E卫星反演得到的云结构特征参数和地面小时降水,统计分析了云顶高度、云顶温度、云光学厚度和云粒子有效半径等4类云结构特征参数与地面降水的关系。主要结论有:随着云光学厚度的增加,降水概率呈增加趋势。云光学厚度比其他云参数对降水更具有指示意义,当云光学厚度大于20时,降水概率显著增大。双参数、多参数组合下,对地面是否出现降水的判断和识别要优于单个云参数的判别结果。4类云参数中,云光学厚度与降水强度呈正相关关系,对降水强度的影响最为显著;云顶温度和云顶高度对降水强度的影响次之;云粒子有效半径与降水强度的关系不明显。地面降水时,当云光学厚度小于20或云光学厚度介于21—30、云顶温度大于-15℃时,出现小雨的概率最大;当云光学厚度介于21—30、云顶温度小于-15℃或云光学厚度大于30、云顶温度大于-30℃时,出现中雨的概率最大;当云光学厚度大于30、云顶温度小于-30℃时,出现大雨或暴雨的可能性最大。云光学厚度、云顶温度、云顶高度和云粒子有效半径等云结构特征参数组合使用,对判断降水概率和降水强度具有较好的指示作用。     

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。     

基于CERES资料的新疆云物理参数时空分布特征

利用2011—2020年ERA5再分析降水资料、CERES云物理参数产品，分析新疆云参数的时空变化分布特征，归纳总结云物理参数与降水的相关性，结果表明：1）云水路径（冰相）值、云粒子有效半径（冰相）、云光学厚度与降水量的空间分布一致，均为山区最大，北疆次之，南疆最小。2）夏季（6—8月）在南、北疆、山区云水路径（液、冰相）、云顶（底）温度、云光学厚度与降水量呈同位相变化；云粒子有效半径（液、冰相）、云顶气压与降水量呈反位相变化。3）夏季（6—8月）北疆、山区的云水路径（液、冰相）值、云顶（底）温度、云光学厚度，南疆云光学厚度与降水量呈正相关；北疆云粒子有效半径（冰相），南疆云粒子有效半径（液相）、云顶气压，山区云粒子有效半径（液、冰相）、云顶气压与降水量呈负相关。     

FY-2/D卫星反演的云特征参数与地面降水的相关分析

利用中国气象局人工影响天气中心研发的云参数卫星反演系统反演得到的产品,结合地面自动站观测资料,对2009年9月19—20日降水过程的云参数及地面雨量进行对比分析。结果发现:云顶高度、云顶温度、过冷层厚度和云光学厚度对本次降水过程指示性不强,而云粒子有效半径及云液水路径对降水有较好的指示作用,且云液水路径指示作用更强,二者的变化超前于地面降水30min到1h;云液水路径及云粒子有效半径大值区与地面雨量的大小呈正相关,云液水路径值大于400g.m-2及云粒子有效半径大于27μm区域与地面雨强中心位置基本一致。掌握云参数的演变规律,有助于监测、识别大范围人工影响天气作业条件和分析可播区。     

一次飞机增雨作业的云参数变化响应分析

本文利用FY－2C静止卫星资料,以2013年5月8日四川盆地一次飞机增雨作业为例,反演了云顶温度、云顶高度、云粒子有效半径、液水路径、云光学厚度等云物理量参数,结合自动气象站资料和探空资料等,对此次飞机增雨效果进行了物理检验。结果表明:作业前,云顶温度－13℃,云粒子有效半径10μm,云体较厚,含有丰富的过冷水,具有较好增雨潜力;作业后,作业区云层增厚,云顶温度降低,云粒子有效半径增加至25μm,云顶冰晶化,冰水转化过程加快,产生了较多的降水,降水量增幅明显;作业后,对比区降水不充分,各云物理参数无明显变化。      

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。     

基于卫星云参数监测产品的贵州冰雹云指标分析

利用2018年贵州省12个冰雹个例资料,基于CPAS系统统计分析了冰雹个例的云顶高度、云顶温度、云有效粒子半径、云光学厚度、黑体亮温等卫星云监测产品的特征参数及其时间变化。结果表明:发生冰雹时回波云顶高度均在9 km以上,云顶温度均在-25℃以下,液水含量均在800 mm以上,云光学厚度均在40以上,发生冰雹时有效粒子半径大部分均在40μm以上,当Tbb达到-50℃且半小时内保持不变,对流云团对应的区域即将发生降雹,可考虑将其作为贵州省即将出现降雹的卫星监测指标判据。     

基于Himawari-8气象卫星的东亚夏季冰云云顶特征分布

利用Advanced Himawari Imager (AHI)/Himawari-8(HW8)云产品分析2017年夏季东亚地区不同下垫面条件对冰云云顶特征的影响,针对不同下垫面条件选择了9个研究区域。结果表明,冰云最常出现在青藏高原和南亚季风区。冰云的发生频率存在南北递减的趋势,并在日本附近有高值中心。冰云云顶的垂直分布高度依赖于纬度,此外还有地形和海陆热力差异的作用。青藏高原和南亚季风区冰云最常发生在6~9 km和6~15 km;冰云云顶温度在南北之间存在明显差异,不同高度的冰云形成方式也存在不同;青藏高原和南亚季风区的冰云光学厚度较高,且冰云光学厚度与发生频率呈正相关。在冰云云顶属性垂直分布中,中国东部冰云发生频率相对于其他区域较低,冰云粒子半径表现出随高度增加先增大后减小的趋势,海洋上的平均冰云粒子半径相对于其他研究区域最大;在中国西部地区,冰云光学厚度存在双峰结构,而其他相对平坦的区域只有一个单峰。     

中尺度强暴雨云团云特征的多种卫星资料综合分析

针对2002年6月23—27日发生于江淮地区的一次中尺度强暴雨过程，利用FY-1D，EOS和NOAA卫星的可见光、红外、微波通道遥感观测、反演资料，从相态、光学厚度、垂直结构等各方面分析云特征，并将分析结果与同时段地面雨量观测进行对比分析，发现云光学厚度大且云顶粒子为大粒子、冰相态是此次降雨过程中云团的主要云特征，地面雨量的大小与云光学厚度密切相关，两者间基本呈正相关关系；稳定少变的大光学厚度云或云光学厚度显著增大均可带来强的地面降水。微波资料可以很好地体现降雨云团的垂直结构。分析结果显示，卫星遥感对揭示中尺度强暴雨云团的云特征，具有很好的指示作用。     

东亚夏季气溶胶—云—降水分布特征及其相互影响的资料分析

东亚季风气候受到自然因素和人类活动的共同影响,而人类活动因子中气溶胶的作用尤为关键,采用诊断分析的手段研究东亚地区气溶胶的特征及其与云和降水的相互关系具有重要的科学意义。本文利用MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)气溶胶和云资料以及TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)降水数据,分析了东亚夏季气溶胶、云、降水的时空分布特征,研究了气溶胶与云和降水的相互关系。结果表明:中国四个典型地区(珠三角、长三角、四川盆地、京津唐)2001～2011年夏季(6～8月)平均气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)变化范围为0.40～0.68,云光学厚度平均值为18.7～23.6,水云云滴有效粒子半径在20.2～25.6 μm,冰云有效粒子半径在12.9～15.3 μm,云水路径为222.2～243.8 g m-2,降水强度平均值3.6～8.6 mm d-1;珠三角气溶胶光学厚度有显著降低趋势,年倾向为-3.31%,四川盆地云滴有效粒子半径(冰云、水云)和云水路径年变化趋势为-0.42%、-0.49%和-1.26%,京津唐夏季降水量年增幅为3.24%。气溶胶光学厚度和云光学厚度呈正相关,相关系数最大为0.77;在相对湿度较低(30%～50%)情况下,气溶胶光学厚度与云滴有效粒子半径呈负相关;气溶胶光学厚度与云水路径呈正相关,相关系数最大为0.92;相对于低污染情况(AOD<0.5),高污染情况(AOD>0.5)下出现大雨(>10 mm d-1)的频率增加了6.6%～19.1%,小雨(<1 mm d-1)的频率减少了0.72%～7.3%。在水汽含量较少的情况下,气溶胶的增加导致云滴有效粒子半径的减少;气溶胶增强了南方地区的对流性降水,抑制了北方地区层云降水。     

利用FY-2C卫星数据反演云辐射特性

本文利用FY-2C静止卫星提供的可见光、中红外和热红外观测数据, 开展了水云光学厚度、粒子有效半径和云顶温度的云参数遥感探测理论和反演方法研究。基于FY-2C可见光、中红外(3.75 μm)与热红外(11 μm)通道辐射率对云光学厚度、 云滴有效半径、云顶温度辐射参数的敏感性分析, 提出三通道同时反演云的光学厚度、云滴有效半径及云顶温度的迭代方案; 通过个例分析进行了云参数反演试验, 并将结果与MODIS的云反演产品进行了对比, 最后对反演误差进行了分析。主要结论如下:(1) 个例反演得到的云参数与各通道探测数据有着较好的对应关系, 迭代计算标准偏差在允许的计算精度范围内(<0.89%), 反演结果具有合理性; (2) 通过与MODIS云反演产品的对比可以看到, 两者云光学厚度、云滴有效半径的均值和直方图分布都非常一致, 而MODIS的云顶温度比FY-2C反演值要高, 考虑到FY-2C的 11 μm通道测量的辐射值与MODIS相比偏小, 因此认为我们的反演方法与MODIS方法的精度是相当的。     

内蒙古西部地区降水云宏观特征

基于自动站降水、雷达回波、卫星云图等资料,挑选2017及2018年内蒙古西部地区49次降水过程,利用L波段探空、风云卫星反演以及降水数据分析该地区降水云、无降水云与临近降水云的宏观结构。超过80%的样本统计结果显示降水云云底高度小于等于3.0 km,云顶高度大于等于8.0 km,云层厚度大于等于6.0 km,云夹层数小于等于2且夹层厚度小于等于0.6 km,云夹层分布稀疏。云光学厚度和液水路径作为降水云的指标判据具有一定的优势,近70%的样本表明,降水云光学厚度大于等于20,液水路径大于等于100 g·m~(-2)。一般降水易发生在高光学厚度和高液水含量区及光学厚度大于等于55和液水路径小于等于500 g·m~(-2)的降水云区。     

FY2E卫星反演云特性参数产品在乌鲁木齐暴雪天气分析中的应用

利用FY-2E静止卫星反演的云参数产品对乌鲁木齐2015年12月11日和2017年12月27日两次暴雪天气过程进行分析,发现在降水发生前2 h,云宏观参数的云顶温度、黑体亮温、云顶高度和过冷层厚度都处于不断增强的较高水平,且出现快速增强后又不断减弱,对应后期可能要出现强降水,其中与小时降水量变化具有较好的相关性,降水前期相关参量较降水中后期都要大。在降雪天气中云顶温度普遍在-20～-60℃,云顶高度最大值均超过10 km,过冷层厚度集中在2～9 km。从云微观参量来看,降雪云的光学厚度主要在10～35,绝大多数的有效粒子半径分布在15～35μm,两场天气的液水路径分别分布在75.49～975.63 g/m2和47.41～796.01 g/m2,前者降雪天气的云宏微观参量均值都不同程度地大于后者。     

基于FY-2G数据的青海省云宏微观特征参量时空分布研究

利用FY-2G静止卫星数据反演的云宏微观特征参量(简称“云参量”),对2018—2020年青海全省及3个子研究区云参量时空分布特征进行分析。结果表明:云顶高度(cloud top height,CTH)、云顶温度(cloud top temperature,CTT)、过冷层厚度(overcooled layer depth,OLD)、云光学厚度(cloud op⁃tical depth,COD)、云粒子有效半径(effective radius,ER)及液水路径(liquid water path,LWP)6个云参量全省区域年平均值分别为3.8 km、-9.7℃、2.0 km、7.1、7.1μm及63.7 g∙m^(-2)。纬度相同的柴达木盆地、青海东北部除CTT外,其余云参量月变化大致呈双峰双谷分布,峰值基本出现在5、11月,谷值基本出现在8、9月及12、1月,三江源各云参量大致呈单峰分布,峰值基本在11月。各云参量年平均值空间分布均呈沿地形和山脉走向分布的特征,除CTT外,其余云参量高值区与高大山脉相对应、低值区与沙漠盆地及低海拔地区相对应,柴达木盆地在四季均存在一低值区,夏季低值区范围最大,三江源地区及青海祁连山区在春、冬季存在明显高值区。三江源地区OLD、COD及LWP在春季及秋季较大,青海东北部地区OLD、LWP在春季最大,而春、秋季则是进行以水源涵养、抗旱减灾等为目的的人工增雨作业的较佳时机。     

基于Aqua/CERES数据的辽宁省云宏微观特征及其与降水的相关性研究

利用2014—2015年的云和地球辐射能量系统CERES Aqua Edition 4A SSF的云产品以及地面小时降水数据,对辽宁地区(38.5°N—43.5°N、118.5°E—126°E)云宏微观特征参量的时空分布进行分析,并研究各参数与降水的相关性,建立基于云光学厚度(COD)与云水路径(CWP)的降水云识别指标。结果表明,夏季云层发展旺盛,云量(CF)、COD、云顶高度(CTH)以及CWP值均较高,平均值分别为62.7%、17.9、6.5 km和252.1 g·m~(-2),而冬季云参数的值最低,分别为48.3%、7.0、3.4 km和106.2 g·m~(-2),仅云粒子有效半径(ER)显著高于其他季节。受地形影响,西部地区(122°E以西)的成云条件较东部差,除CTH较高外,其他云参量均较东部偏低。除云顶气压(CTP)和云顶温度(CTT)外,CF、COD、CWP和ER均随降水强度的增加而增加,说明云层越深厚降水强度越大,云含水量越高,粒子尺度越大。筛选出的与降水强度相关性最高的COD与CWP作为降水云识别因子,利用TS评分及HSS评分方法,选取评分值最高时对应的COD和CWP作为降水云的识别阈值,分别为35和415 g·m~(-2)。     

2009年天津地区首场降雪过程分析

基于NCEP再分析资料、多普勒天气雷达产品与风云卫星云参数反演产品,对天津地区2009年的首场降雪过程进行了分析,研究表明:①造成此次降雪的主要天气系统是东移高空槽和地面倒槽;②降雪回波具备典型层云稳定性降水回波的特点,最强回波不超过35 dBz,伴随着降雪结束,回波顶高有所下降;③降雪过程云粒子有效半径数值维持在20μm,云体过冷层厚度、云顶高度较大,云顶温度在-30℃左右.随着降雪结束,云粒子有效半径、云体过冷层厚度和云顶高度数值逐渐减小,云顶温度则有所升高;④地面降水量和云粒子有效半径、云顶高度、云体过冷层厚度呈现正相关,与云顶温度呈现负相关.     

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。     

上海及周边地区气溶胶对云和降水的影响初探

利用2000年4月—2013年9月搭载于Aqua和Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)遥感资料,首先分析上海及周边地区气溶胶光学厚度(AOD)的长期统计特性,而后配合地面自动气象站降水资料,分析气溶胶与不同类型云的特征参数和地面降水之间的关系,研究该地区气溶胶与云和降水的相互作用。结果表明:上海及周边地区AOD年均值从2000—2009年和2011—2013年分别呈现增强、减弱趋势,而2010年出现明显低值。随着气溶胶增多,该地区浅薄水云的发生频率减少15.5%~32.4%,而深厚混合云的发生频率增加2.1%~10.0%。气溶胶增多对水云云滴粒子有效半径变化的影响受环境水汽条件影响很大,当水汽条件充分(不足)时,气溶胶增多会导致水云云滴粒子有效半径增加(减弱)。深厚混合云的云顶温度随AOD增加而显著减少。气溶胶较多时,降雨量小于1.0 mm·h-1的较弱降水发生频率减少,而降雨量大于等于1.0 mm·h-1的较强降水发生频率增加,说明气溶胶增多会抑制弱降水发生而加强强降水发生。     

卫星遥感人工增雨作业条件 I: 对流云

利用卫星反演技术和云微物理分析方法,针对云微物理结构和降水形成过程探讨可播性、播撒方式,通过对不同类型对流云分析,归纳出4类可播云系,分析表明:1)重污染深厚对流云,当云底粒子有效半径小于7 μm、凝结增长带深厚、降水启动厚度大于20℃、碰并增长带薄、无雨胚带、晶化温度低于-30℃时,可播撒吸湿性核或播撒AgI.2)强上升冰雹云,若云外型强对流特征明显、各增长带增长缓慢、无雨胚带、晶化温度低于-30℃,且云顶附近存在明显的有效半径减小带,可播撒吸湿性核或播撒AgI.3)强上升强降水对流云,云底滴较大,通常大于10 μm,碰并增长较为充分,晶化温度低,一般低于-30℃,冰晶化延迟明显,冷云降水发展不充分,通过在0℃层附近播撒AgI促进冷云降水.4)污染性浅薄对流云,当云底有效半径小于10 μm、凝结增长带深厚、碰并增长带薄、无雨胚带、云顶有效半径小于14 μm、云厚3～6km,可播撒吸湿性核.     

一次对流云团合并的卫星等综合观测分析

利用FY2C卫星观测反演得到的云物理特征参数,结合雷达、微波辐射计和地面雨量等资料,综合分析了2008年7月17日中国安徽一次强降水过程的云合并特征。结果表明：对流云团发展合并是这次强降水发生的主要原因,同一区域内FY2C卫星反演的云光学厚度、雷达回波以及地面降水的分布演变具有较好的一致性,强降水落区与云光学厚度大值区以及雷达强回波区基本对应;对流云团中的液水分布不均匀,以团块状结构为主,对流云团合并时,常先有云体上部（云顶）的合并,一旦云中不均匀的液水合并,合并部位的云光学厚度迅速增加,地面微波辐射计观测的整层液水含量跃增,地面将会出现强降水;一般降水增强之前云顶抬升,光学厚度增大;若云顶高但光学厚度较小时,地面降水一般不明显,光学厚度与降水的关系更密切;对流云团合并初期,云底由小粒子组成,T-re图上表现为深厚的凝结增长区域,合并时整层云粒子的有效半径增长明显,粒子相态达到混合相态区和冻结层的温度不断升高。