2008年北京一次春季层状云探测分析

利用云和降水探测设备（DMT-PMS）对一次层状云降水过程进行了探测。分析发现CAS（云及气溶胶粒子探头）在该弱降水云中测得的云粒子平均浓度大于FSSP在其他地区层状云中所测平均值,CIP（二维云粒子图像探头）与2D-C及2D-GA2所测冰晶粒子平均浓度接近,PIP（二维降水粒子探头）与2D-P所测降水粒子平均浓度相当。观测发现云区雪晶浓度与冰晶浓度呈正相关关系,在冰晶浓度〈10^4个／m^3时,雪晶、冰晶浓度之比与冰晶浓度为负相关关系;在冰晶浓度〉10^4个/m^3的时刻,雪晶、冰晶浓度之比不因冰晶浓度变化而变化。温度为-10～-12℃的云区云水条件丰富,有较多的冰晶在该层孕育;降水粒子在温度-7～-10℃的云区生长。温度为-5～-7℃的云区云水不丰富,降水粒子蒸发变小;温度为-4～-5℃的云区仅有少量的降水粒子。     

1963年4-6月吉林地区降水性层状冷云中的冰晶与雪晶

1963年4—6月,在吉林地区15次降水性层状冷云的飞行中,用铝箔取样器观测了云中的冰晶与雪晶,共取得432份样品资料。本文将利用这些资料,研究降水性层状冷云中冰晶与雪晶的一般特征。其结论有:(1)云中冰晶(直径为1.1—0.3毫米)的平均浓度为26.2个升~(-1),雪晶(平均直径为1毫米)的平均浓度为0.18个升~(-1);(2)浓度频率的分布较集中,大多集中出现于平均值的一倍以内;(3)云中冰晶与雪晶的平均状况与云顶温度及高度密切相关,云顶温度愈低,高度愈高,云中冰晶与雪晶的平均浓度愈大;(4)云中不同温度或不同高度处的冰晶与雪晶状况是不同的。     

基于星载云雷达资料的东亚大陆云垂直结构特征分析

利用近5年(2006年6月—2011年4月)的Cloudsat卫星资料分析了东亚大陆云垂直结构特征。结果表明:(1)降水(文中可降水是根据观测到的可降水粒子信息计算到达地面的降水,并不是指地面观测到的实际降水)云和非降水云的雷达反射率(回波)垂直分布存在一定差异,除降水云反射率通常接地外,降水云主要集中在8 km以下,反射率通常为-20—15dBz,非降水云主要集中在4—12 km,反射率为-28—0 dBz;降水云雷达反射率频数大值中心在2 4 km,对应的雷达反射率为0—10 dBz,而非降水云出现在8—10 km,且对应的雷达反射率为-26—-24 dBz;(2)从雷达反射率廓线来看,降水云中雷达反射率随高度的变化先增强后减弱,而非降水云几乎不变;(3)液态降水云、固态降水云和毛毛雨降水云反射率的垂直分布明显不同;(4)液态降水云自11至7 km雷达反射率迅速增强,表明此高度是粒子快速增长的优势空间;(5)固态降水云中-15℃温度频数分布与雷达反射率频数大值中心有很好的对应关系,表明在-15℃附近的条件下冰相粒子凝华-碰冻是粒子增长的优势过程;(6)云的垂直结构随着季节变更而变化,降水云春季、夏季和秋季的雷达反射率垂直分布变化不明显,而冬季主要在低层;固态降水云的垂直分布频数大值中心从春季至冬季呈"双-单"中心交替变化,且与云中-15℃频数分布变化一致;非降水云雷达反射率垂直分布没有明显的季节变化;(7)深对流云和雨层云是形成降水粒子的主要云型。     

山东省1989-2008年23架次飞机云微物理结构观测试验结果

利用山东省1989-2008年23架次秋季降水云系云结构的粒子测量系统(PMS)探测试验资料,分析了云中过冷水以及冰晶浓度的分布特征.结果表明,山东省降水云系中存在较为丰富的过冷水,最大可达0.36 g/m3,云中冰晶浓度最大可达12.8-406 L-1.对2006-2008年探测的云粒子浓度、直径及过冷水随温度变化特...     

山西省2008—2010年64架次飞机云物理观测结果分析

利用山西省2008—2010年64架次云结构的飞机探测资料,结合地面观测和卫星数据统计分析了层状云系的宏微观特征。结果表明:降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,层状云要达到降水,云的厚度要达到近2000m;粒子尺度分布云粒子有效半径要达到10~14μm,降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0.03g/m3,中云含水量垂直方向上平均为0.05g/m3,;避光高层云-层积云、雨层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上500m附近,其最大值分别为0.61,0.42g/m3;透光高层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上300m附近,其值为0.28g/m3;云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20、30μm的粒子含水量较高,对云中液态水含量的贡献较大,降水粒子主要由20、30μm的粒子转化;降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显,也是分层的。高层主要是冰相粒子,是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在4个典型温度层的观测中,液态含水量、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同。     

太行山东麓一次低槽冷锋降水云系云物理结构和作业条件的飞机观测研究

2017年5月22日河北省出现一次低槽冷锋降水过程,河北省人工影响天气办公室利用机载粒子测量系统在太行山东麓区域对积层混合云进行了5次垂直探测。依据这些飞机探测资料结合石家庄天气雷达和邢台皇寺观测站的Ka波段云雷达资料分析了积层混合云的微物理结构和增雨作业条件。结果表明,降水云系出现在低槽槽前西南气流中,积层混合云由冷、暖云组成,云厚大于5 km,暖云厚度大于2 km,冷云厚度大于3 km,0℃层高度位于3577～4004 m,云底温度为15. 4℃,云顶温度为-17℃。云内出现最强雷达回波达45 d BZ的对流雨核,人工增雨作业应在雷达回波强度不超过40d BZ,且4000 m以上雷达回波强度不超过30 d BZ积层混合云区实施增雨作业。嵌入对流核的积层混合云中,5000 m以上冷云中上层过冷水含量达0. 2 g·m-3,比稳定的层状云中过冷水含量提高2～4倍;丰富的过冷水从雨核发展初期维持到雨核发展盛期,且该高度层是冰晶重要增长区,温度在-15～-5℃之间,适合催化作业。     

云中冰晶尺度谱特征与分布函数

本文给出了我国北方混合性、冷性层状云中冰晶(直径范围18—334μm)尺度谱分布特征和分布函数。冰晶尺度谱可归纳为单调下降和非单调下降两大类型,分布函数可用指数关系系N=N_0exp[-λD]来拟合,相关显著水平α<0.01的样本,占本文统计的样本99％以上。 冷性云中,谱分布参数N_0和λ随云中温度降低而增大,在云中温度T<-10℃时,增大更为明显。谱分布参数N_0和λ之间可用幂指数关系N_0=σ_iλ~(βi)来拟合,相关显著水平α<0.01。系数σ_1、β_i与云中有无冰晶繁生过程有关。     

地形云人工增雨条件卫星探测反演个例分析

选取2007年6月21日陕西白于山区地形云降水过程,用极轨卫星资料反演高空间分辨率的云微物理特征.对云降水物理结构分析表明:(1)山前云区(迎风坡)云顶亮温(T)为-31℃,粒子有效半径(Re)为9μm,含有丰富过冷水,缺乏冰晶;(2)T=-20℃的低云在有高云参与的情况下,产生了较多的降水;(3)山前云区面积约400...     

宁夏夏季层状暖云降水观测研究

采用Micaps资料和机载PMS实时探测资料,分析了2007年8月26日宁夏银川地区一次层状云降水过程的宏微观物理特征.结果表明,这次降水是由弱锋面云系产生的,整个云层温度在0℃以上,云中没有冰晶质粒存在,为暖云降水,而且云中的分层结构明显;降水的雨滴直径均在2～3 mm以下,降水与云中大粒子的增加有密切关系.暖性层状...     

冷云催化宏微观物理响应的探测与研究

2014年4月15日河北省中南部出现一次回流西风槽天气过程,河北省人工影响天气办公室对该天气过程作了飞机云物理探测和增雨作业,并专设飞行航线以研究作业前后云的宏观、微观物理响应。利用机载PMS观测资料,结合雷达、卫星观测资料分析,发现该次降水过程云系特点是上层"槽前云"较弱,下层"回流云"较强,无高云;作业探测过程中云中下沉的降水粒子在"回流云"中增长,该层出现大量直径在3 mm以上的降水粒子;作业层内小云粒子浓度普遍在20 cm~(-3)以上,最大值为300 cm~(-3),大云粒子浓度低于0.02 cm~(-3)。作业后宏微观物理响应包括:作业区FY-2E卫星云图亮温在1 h后由-25℃降到-30℃左右,中云发展,其云顶抬高;雷达反射率因子催化作业后升高,最强达45 d BZ,35 d BZ以上的雷达回波区面积增加;从雷达剖面图上看,强雷达回波区下沉了500~1000 m。机载PM S观测资料显示,作业后云中小云粒子、大云粒子浓度都有增加,降水粒子浓度经历了先降后升的过程,持续时间约25 min。粒子谱呈双峰分布,第二峰在10.5μm;粒子浓度在直径在10.5~150μm区间内呈指数递减,直径在150~1000μm区间内粒子浓度变化不大而粒子直径迅速增长,大于1000μm粒子浓度急降与粒子沉降有关;作业后有效粒子直径向大值方向偏移,平均直径、平方根直径和立方根直径分布频谱变宽,粒子分布更离散。作业后影响区地面雨量增加,影响时间在作业后3 h之内。     

华北春季降水性层状云中冰相粒子形状分布

为了获取华北春季降水性层状云中冰相粒子形状分布及其在降水发展中的变化,利用机载云粒子成像仪(OAP-CIP)在三次层状云降水天气过程中所测粒子图像资料,分析了不同降水阶段不同温度区间内不同粒径范围下的冰相粒子形状分布特征,并研究了影响云中冰相粒子增长变化的关键微物理过程。结果表明:在降水发展早期,云中冰相粒子形状分布以霰和线形状为主,在500 μm以上粒径统计中,这两者的出现频率分别在20%和40%以上;聚合状粒子除了在0～-4 ℃的温度区间内出现频率在10%～20%之间,其他温度区间内出现频率均在10%以下;云中粒子增长以凝华和凇附过程为主。在降水成熟阶段,霰和聚合状粒子是两种主要粒子形状,其出现频率在25%以上;线形状粒子在0～-4 ℃和-4～8 ℃温度区间内出现频率在10%～20%;板状粒子的出现频率在5%～15%;不规则状粒子在125 μm粒径以上的粒子数统计中出现频率在10%以上,但其他粒径段则在10%以内且随统计粒径增大,其出现频率降低;云中粒子增长在凝华基础上以凇附和碰并聚合为主。     

甘肃省夏季层状云微物理特征个例分析

对2004年6月12日甘肃河西地区一次降水性层状云的云物理飞机探测结果进行了分析,通过对云中粒子的浓度、直径、二维图像以及谱型变化地研究,并结合宏观观测记录,详细分析了云系的垂直和水平微物理特征.观测资料分析表明:此次云系为Ac-Sc结构,上层Ac云为纯冷云,下层Sc云为纯暖云,两层云之间存在较厚的干层.云中微物理量的垂直和水平变化均具有明显的不均匀性,整个探测过程中,FSSP-100所测云粒子的浓度和平均直径变化范围分别为0.1～-232.6cm-3和3.5～45.5μm,OAP-2D-GA2所测云粒子浓度及平均直径变化范围分别为0.01～116.7cm-3和32.2～995.7μm.粒子二维图像表明,上层高积云中冰相粒子的凇附、粘连现象普遍,说明云中存在较多的过冷水.图像及谱型分析表明,6000m以上某些区域有冰晶高浓度区存在,大量冰晶的成长消耗了云中过冷水,不利于大云粒子的形成和成长;这次降水雨滴主要由纯暖性Sc云中暖云成雨过程形成,冷云过程只在Sc云顶附近有一定作用,本次降水主要机制为下层层积云中的暖云过程.     

陇中黄土高原一次秋季层状云微物理结构及适播性分析

利用陇中黄土高原地区一次机载PMS粒子测量系统的云探测资料,研究该地区秋季典型层状云系的微物理特征,并讨论层状冷云适宜催化作业的指标。结果表明:(1)层状云系由高层云和层积云组成,在0℃层和-3~-4℃层,云粒子浓度与液态含水量存在极大值;(2)小云粒子和大云粒子浓度分别主要由3.5—10μm、50—200μm粒径段的粒子浓度决定,最大值超过100个·cm~(-3)、100个·L~(-1),与平均直径分别呈正相关和反相关,并且小云粒子高浓度区对应高液态含水量区;(3)不同高度和过冷水含量区小云粒子谱均为单峰型,大云粒子谱均为混合型;(4)此次层状冷云适宜催化作业的指标有:云系处于发展期,云高为5.5~6.3 km,温度为-6~-2.8℃,LWC≥0.05 g·m~(-3),小云粒子和大云粒子浓度分别在3.5—15μm、150—200μm粒径段各自有101个·cm~(-3)、10~1个·L~(-1)量级的高值区。     

一次层状云降雨过程多源遥感特征参量演变分析

利用河北省邢台市皇寺国家观测站布设的Ka波段云雷达、微波辐射计和微雨雷达以及地面雨量计等观测资料,对2017年5月3日一次西南涡天气过程的降水云系进行了综合分析,结果表明:本次降水过程为稳定性层状云过程,云内粒子下落速度由高空向地面逐渐增大,第一轮降水出现在云的发展阶段,第二轮降水出现在云的成熟阶段,每次降水开始前云内的相对湿度、水汽含量、液态水含量和温度曲线同时出现跃增和峰值,各指标在降水结束后出现较明显下降,之后得到恢复,出现第二三次峰值并产生降水;利用微波辐射计资料在时间和空间上连续反演计算云中水汽压和冰面饱和水汽压差值场("e—E_i"差值场),当云中过冷水和过冷水汽大值区与"e—E_i"差值场的正值区重合时,冷云中贝吉龙过程较强,有利于精细化定量判断强降水出现和人工增雨潜力区位置,综合以上遥感探测资料分析结果,可以认为本次天气过程有利的人工增雨作业时机出现两次,第一次在13:45降水刚刚开始至云顶下降到6 km前;第二次时间较长,云层条件更为有利,即17:40—21:15云顶高度维持在8~10 km的时段;作业适宜高度为4~8 km(-20~0℃)。     

一次冬季层状云的人工催化效果响应分析

2018年1月22日在邢台市区倒槽天气系统在低空形成的层状云中利用空中国王飞机搭载的粒子测量系统对水云进行催化作业探测资料,通过催化前后不同尺度的云粒子微物理变化和卫星监测结果,研究人工催化后效果响应,人工催化后目标云效果响应是降水量增加与催化作业之间证据链的重要一环,为增水效果分析提供坚实基础。结果表明,冬季冷云发展过程中,当云凝结核较为同一、且云被限制在某一层内,形成浅薄云层时,云粒子均质增长形成直径为4～6μm过冷水滴组成的水云,最大含水量为0.2 g·m~(-3);催化作业后,人工冰核消耗丰富的过冷水迅速增长形成冰晶及冰晶聚合体,催化使云粒子浓度200 cm~(-3)迅速降到15 cm~(-3),100～1000μm冰晶和雪晶浓度增长到150 L~(-1),1000μm以上降水粒子浓度增长到70 L~(-1),出现直径达6000μm雪花,表明催化促进降雪形成;催化影响区形成无云或少云云区,葵花8卫星云图上沿催化轨迹呈现为深色云带,表明此次催化作业效果显著。     

含水量对冰晶增长影响的风洞实验研究

用小型垂直过冷云风洞及其测试系统,使冰晶在自由悬浮的情况下生长。在实验温度为-5℃—15℃、含水量为0.5—2.0g/m~3的范围内,结果表明:在水面饱和条件下,冰晶的形状决定于所处的环境温度,含水量的大小对冰晶的基本形状没有影响,只是当含水量加大时,冰晶上会出现更加明显的碰冻增长的痕迹;冰晶的质量和速度增长的峰值和谷值温度分布与含水量的大小无关;随着含水量的增加,冰晶的质量和下落速度的增长会加快,但没有发现含水量的增加有加快冰晶2a轴增长的明显效果。     

漫话冰核研究

在人工降水的试验研究中,冯内格特(Vonnegut)1946年发现碘化银的冰核作用,用碘化银搞人工降水比干冰简便经济得多,特别是可以在地面进行作业,因而很快便有了大量的野外试验,并取得了肯定的效果。格兰特(Grant)和埃利奥特(Elliott)曾对美国和澳大利亚一千多次地面碘化银烧烟试验进行了统计分析,指出作业效果同云顶温度的关系十分密切,在-20℃到-15℃间效果最好;低于-23℃,高于-11℃,效果都不明显。 碘化银影响的对象是过冷云。在过冷云中施撒人造冰核,可以在一定的温度范围内促发贝吉龙(Bergeroft)过程,从而有利于形成降水。目前对云中的“冰晶繁殖”过程还不完全清楚。不过,这种过程的存在大概会更有利于人工催化。相比起来,在暖云中施撒吸湿性粒子或水滴,作用究竟多大就有些含糊。根据某些研究来看,暖云中云滴的增大往往并不存在什么障碍,因此,通过人工增大云滴来改变暖云降水     

华北积层混合云中冰晶形状、分布与增长过程的飞机探测研究

利用中国国家科技支撑计划重点项目环北京地区3架飞机联合云探测试验数据,分析了2009年4月18日和5月1日两次积层混合云中冰晶形状、分布与增长过程。结果表明：飞机在0—-16℃范围的云层内观测到的冰晶形状主要包括板状、针柱状、柱帽状、辐枝状和不规则状。云中低层的冰晶形状受云顶温度影响,云顶温度不同,冰晶形状不同,当云顶温度高于-8℃时,云中低层的冰晶以板状和针柱状为主;当云顶温度低于-13℃时,在云中低层可观测到辐枝状冰晶;当云顶温度低于-18℃时,在云中低层可观测到柱帽状冰晶。同时冰晶形态还受其所处云中位置的影响,在积层混合云中的嵌入对流区含有更多的凇附状冰晶;在融化层以上,冰晶的增长过程主要包括凝华、凇附和聚合过程,在垂直方向上,随着高度降低云中过冷水增多,冰晶的凇附增长也相应增强。积层混合云中的对流区和层云区粒子谱下落拓宽速率有明显差别,在4.8—4.2 km（-11.6—-8℃）高度层,对流区粒子谱拓宽速率为3 mm/km,而层云区为3.67 mm/km,层云中粒子拓宽增长的速率略高于对流区;而在4.2—3.6 km（-8—-5℃）高度层,对流区的粒子谱拓宽速率为6.67 mm/km,层云区为2.33 mm/km,对流区的粒子拓宽增长速率是层云区的近3倍,主要原因是对流区低层的过冷水含量较高。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 I: 观测分析

利用机载云粒子测量系统等仪器对2003年7月8日冷涡云系的积层混合云探测的资料,分析冷涡云系中的微物理结构、微物理过程和降水形成机制.结果表明:在4km以上高度,2-DC粒子浓度随高度快速增加,而粒子平均直径逐渐减小,粒子在下落过程中获得了增长.积层混合云中对流云在垂直方向上出现明显的分层的微物理结构:4.6km以上高度只存在针状冰晶;4.5～3.5 km高度,存在过冷水和冰相粒子.过冷水含量较高,冰相粒子除针状冰晶外,还有少量冰雪晶聚合体或霰粒子,其中在紧靠0℃层之上的3.5km高度,主要存在冰雪晶聚合体或霰粒子.在紧靠0℃层之下,粒子为椭球形,还有一些未完全融化的冰晶,再降低200 m高度,粒子完全是球形,这里完全是雨滴.降水粒子主要是雨水.云系液态水含量十分丰富,过冷水含量最大值可达3.3 g/m3,云体上部也达到2.0 g/m3.云垂直方向上微物理结构分析表明,云中冰晶除了通过冰核核化形成外,可能还存在冰晶的繁生过程.冰晶产生后通过聚并进一步长大,撞冻过冷水也是冰雪晶增长的方式之一.在云的暖区降水粒子为雨滴,其中至少有一部分是由冰相粒子(冰晶聚合体或霰粒子)融化形成.因此冷云过程参与了降水形成过程.     

强对流云人工增雨和防雹原理的二维数值研究

本文建立了一个二维深对流云数值模式,用该模式模拟了一个实测强对流云个例。其结果同观测相近。本文做了一系列催化数值试验,结果表明:在云发展早期播入高浓度的人工冰晶胚胎,能促使云中产生大量的大冰晶和小霰粒,它们争食液水,不易长成大雷,地面降雹动能可减少45％,但降雨量也有明显减小;减小播撒剂量,催化效果亦减小,防雹和增雨效果不明显;若在云发展早期引进浓度为10~0-10~(-1)/L的小雨滴,则能明显提早和增加降水。对于不同强度的对流云,人工引晶仅对中等积云(云顶高为6—8km)的增雨效果较好。文中还比较了二维和一维的模拟结果。