2008年奥运会开幕式日人工消减雨作业中尺度数值模拟的初步结果

2008年8月8日,在2008年北京奥运会开幕式举行之际,北京及周边地区出现了较强对流云团,给国家体育场内开幕式活动的顺利进行带来了极大威胁。根据云系的发展状况,北京市人工影响天气办公室有针对性地组织实施了大规模地面火箭人工消减雨作业,对抑制云、降水的形成和发展起到了一定作用。在中尺度数值模式MM5的Reisner2方案中引入了AgI粒子与云相互作用的过程,在MM5中实现了催化功能。参照2008年8月8日20:05至20:12进行的消减雨作业情况,利用加入催化方案的中尺度数值模式对该作业进行了数值模拟试验,就不同的播撒量对催化效果的影响进行了研究,并对其中的微物理机制进行了分析。研究结果表明:AgI播撒率对降水量改变影响很明显,当以5g·s-1的速率持续播撒AgI7min,在播撒作业后2h,催化区域内均表现为减雨,2h后为增雨。对于减雨的微物理机制主要是由于大量播撒AgI后导致空中云水大量减少,进一步导致霰减少,霰的减少导致雨水的减少;而2h后的增雨机制则是由于在雨水、云水、霰以及温度之间形成了正反馈,最终导致地面降水的增加。需要指出的是由于单参数方案的局限性,模拟的最大减雨率仅为8%～12%,离消雨的要求尚有差距,应利用双参数云方案作进一步模拟研究。     

2014年春季华北两次降水过程的人工增雨催化数值模拟研究

在WRF中尺度模式中耦合了中国气象科学研究院发展的CAMS（Chinese Academy of Meteorological Sciences）云微物理方案,并在CAMS方案中增加了直接播撒冰晶（S1方案）和播撒碘化银催化剂（S2方案）两种云催化方案。利用此模式,对2014年我国华北干旱期间开展飞机增雨作业的两次降水过程（个例1:5月9～10日;个例2:5月10～11日）进行了云催化数值模拟研究,分析了催化对降水和云物理量场影响,对比了S1和S2方案催化效果的异同。结果表明,在云层适当部位播撒催化剂,两种催化方案均会达到增雨效果,催化会引起云中各水凝物的明显变化,并导致催化区域温度、垂直速度的变化。个例1中,S2方案的催化影响范围要大于S1方案,在播撒区下游地区,S2方案催化效果要强于S1方案;而个例2中两方案催化效果没有表现出显著差异。S1和S2方案的催化效果在不同个例中表现不同,其重要原因在于两种催化方案的催化机制差异以及云系动力条件、水汽条件的不同。通过采用适当的催化剂量,在其他催化设置条件相同的情况下,S1和S2方案可以取得相似的催化效果,但需注意由于二者催化机制的差异,在一些具体云系条件下,二者的催化效果会有一定差异。当实际人工增雨作业采用碘化银催化剂时,相应的催化模拟研究使用S2方案更为适合。     

山东降水云系微物理结构数值模拟和播云条件分析

利用MM5V3.5中尺度数值模式和现有基本气象业务资料,对主要影响山东的2003年4月17日春季暴雨和2002年10月24~25日秋季冷锋降水过程进行数值预报,在预报效果较为理想的基础上,利用模式输出资料,特别是利用Reisner霰方案计算的云水、雨水、冰晶、雪和霰比含量数值,分析了中尺度对流云系不同发展阶段、冷锋层状云系不同部位的云降水微物理结构特征和差异,展示了背景场动力、热力和水汽输送等条件在云降水过程中的主导作用,并分析了降水云层可进行人工催化的条件。     

一次人工增雨作业效果的中尺度数值模拟

本文根据AgI播撒影响机制,把AgI催化过程耦合到初始条件、边界条件更完善且有业务化能力的中尺度WRF模式中,并利用该模式对溧阳天目湖积云增雨过程进行中尺度催化数值模拟分析。实况资料及数值模拟分析结果表明,该模式成功地模拟了溧阳天目湖地区的对流云系,作业后催化云的强回波面积扩大,平均回波强度增加,地面降水量增加,且微物理过程分析表明,作业后催化云中高空冰晶、雪、霰冰相大粒子含量增加,相应地低空雨水含量增加,导致地面降水量增加。     

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.     

北京层状云人工增雨数值模拟试验和机理研究

在中尺度WRF 模式的Morrison 双参数方案中引入了AgI 粒子与云相互作用的过程,在WRF 模式中实现了催化功能。利用加入了催化方案的中尺度模式对2008 年3 月20～21 日环北京地区一次层状云系降水过程进行模拟和催化试验。模拟自然降水与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度和时刻进行试验对降水的影响。结果表明:以20 g 的碘化银进行催化作业,在催化后的前30min 之内,地面雨量轻微减小,最大累积减雨量为2010 t,30 min 后,净增雨量迅速增加,最大累积增雨量达到了3.4×105 t。催化开始阶段的减雨主要是由于播撒AgI 后,云水减少而雪晶增多,导致雨滴碰并云滴,云滴向雨滴自动转化过程的减少以及雪晶碰并雨滴过程的增多,然而空中增多的雪晶尚未下落到暖区融化成雨滴。而第二阶段的增雨则是空中增多的雪晶逐渐下落到暖区,雪晶融化成雨滴过程增多。AgI 的播撒率对降水量有明显影响,过量催化会使雪晶平均质量减少,下落速度锐减,从而雪融化成雨水减少,导致雨量减弱,不同催化高度和催化时间的催化结果表明在过冷水含量比较丰富而冰雪晶含量偏少的区域进行催化,增雨效果显著。     

华北层状云系人工增雨个例数值研究

利用耦合了CAMS详尽云方案和非静力中尺度数值模式MM5V3的CAMS中尺度云分辨模式对2008年3月20—21日环北京地区的一次层状云系降水进行模拟和人工催化数值试验。模拟自然降水分布与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析的基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度进行试验对降水的影响。结果表明：在过冷水含量高且冰晶含量低的区域引入人工冰晶可使地面降水增加。引入人工冰晶后催化区域水汽明显减少,云水也有减少,冰晶粒子和雪粒子增加,而且水汽减少的量明显大于过冷云水的减少量。同时催化后550 hPa附近的下沉气流中心变为上升气流,动力、热力效应明显。雪碰并冰晶增长、冰晶转化成雪增长是催化高度附近雪晶增加的主要过程,而催化高度以下,雪碰并过冷云滴增长是雪晶增加的主要过程;雪晶碰并过冷雨滴增长是霰粒子增加的主要过程;雨滴碰并云滴增长是雨滴增长的主要过程。     

MM5模式对四川"8.8"降水过程的数值试验

利用MM5中尺度模式,对2003年8月8～10日发生在四川盆地的一次强降水过程进行了数值预报和数值模拟.结果表明:(1)MM5模式对盆地西北部的强降水预报较好,在暴雨落区和中心强度的预报上非常接近实况.(2)一重区域MM5模式采用BETTS方案略好于GRELL方案.(3)二重区域双向影响嵌套侧边界处理更能清晰地预报发生强降水的落点,对预报有一定的指导意义.(4)40公里格距的一重区域MM5模式具有业务应用前景,但还需作进一步的最优方案选择调试.     

贵阳机场一次辐射大雾的数值模拟研究

利用中尺度数值模式MM5对贵阳机场的一次辐射雾天气过程进行数值模拟研究,并在成功模拟的基础上,进行敏感性试验。结果表明:MM5中尺度非静力模式对此次大雾的生消演变过程具有较好的数值模拟能力;辐射是雾发生的关键因素;模式中大气辐射传输过程及微物理过程的选取对雾的强度及雾区分布有明显影响。     

中尺度数值天气预报的初步试验

通过用中尺度MM4模式对2004年11月14日到15日天气过程进行数值模拟预报试验，了解MM4模式和用数值预报模式进行天气预报的全过程。对MM4模式的初次应用表明，中尺度数值模拟及预报的研究在一般台站是可行的，中小尺度数值预报模式为今后发展地县精细化预报及中尺度过程诊断分析提供了良好的工具。     

Mesoscale numerical simulation study of warm fog dissipation by salt particles seeding

Based on the dynamic framework of WRF and Morrison 2-moment explicit cloud scheme, a salt-seeding scheme was developed and used to simulate the dissipation of a warm fog event during 6–7 November 2009 in the Beijing and Tianjin area. The seeding effect and its physical mechanism were studied. The results indicate that when seeding fog with salt particles sized 80 μm and at a quantity of 6 gm~(-2) at the fog top, the seeding effect near the ground surface layer is negative in the beginning period, and then a positive seeding effect begins to appear at 18 min, with the best effect appearing at 21 min after seeding operation. The positive effect can last about 35 min. The microphysical mechanism of the warm fog dissipation is because of the evaporation due to the water vapor condensation on the salt particles and coalescence with salt particles.The process of fog water coalescence with salt particles contributed mostly to this warm fog dissipation. Furthermore, two series of sensitivity experiments were performed to study the seeding effect under different seeding amounts and salt particles sizes. The results show that seeding fog with salt particles sized of 80 μm can have the best seeding effect, and the seeding effect is negative when the salt particle size is less than 10 μm. For salt particles sized 80 μm, the best seeding effect, with corresponding visibility of 380 m, can be achieved when the seeding amount is 30 g m~(-2).     

液氮消过冷雾对冷云催化增雨的启示

对用液氮消过冷雾和冷云催化增雨作业的宏、微观条件进行比较，找出其异同点，并根据消冷雾作业所出现的物理响应推演冷云催化后应出现的结果，以弥补飞机云中催化后缺少直接观测资料的缺陷，进而对液氮（LN）增雨效果进行探讨。     

人工消雾试验中的雾微物理响应

2009 年11—12 月在天津市武清区实施了两次消雾外场试验。11 月6—7 日,利用燃烧烟条的方式播撒吸湿性焰剂对暖雾实施催化;11 月30 日—12 月1 日,利用播撒液氮的方式实施冷雾消雾试验。对两次消雾试验期间雾的微物理观测资料分析发现,雾对催化有明显响应,具体表现为:雾滴浓度先增后减且变化剧烈,液态水含量、雾滴大小等微物理特征量也发生了显著变化;催化期间雾滴谱均出现了谱宽加大的现象,催化结束后谱宽恢复至催化前状态;催化效应导致出现了处于不同发展阶段的雾滴,雾滴谱发生了单峰分布和双峰分布间的变换:催化前滴谱为单峰分布,催化期间出现双峰谱;多个短时双峰谱反复出现;首个双峰谱出现后,滴谱逐渐由单调递减向单峰、双峰转变;催化结束后,滴谱由双峰谱恢复为单峰谱。分析认为:催化后暖雾中发生成熟过程(Ripening Process),而冷雾催化后则启动了贝吉隆过程(Bergeron process)。      

ANALYSES OF A MICROPHYSICAL RESPONSE TO THE SEEDING IN TWO CASES OF ARTIFICIAL FOG DISSIPATION

Two field experiments were performed in order to dissipate the fog at Wuqing District of Tianjin in November and December of 2009.Hygroscopic particles were seeded to dissipate fog droplets on 6-7November,2009.Liquid nitrogen(LN)was seeded into the natural supercooled fog in the experiments of 30November–1 December,2009.Significant response was found after seeding.Significant changes were observed in the microstructure of fog in the field experiments.The of fog droplet changed dramatically;it increased first and then decreased after seeding.Remarkable variation also was found in the Liquid Water Content(LWC)and in the size of fog droplet.The Droplet Size Distribution(DSD)of fog broadened during the seeding experiments.The DSD became narrow after the seeding ended.After seeding,the droplets were found to be at different stages of growth,resulting in a transform of DSD between unimodal distribution and bimodal distribution.The DSD was unimodal before seeding and then bimodal during the seeding experiment.Finally,the DSD became unimodally distributed once again.     

辽宁地区一次罕见大雾天气成因分析

应用常规气象观测、加密自动站、能见度观测等资料和NCEP FNL再分析资料,对2014年辽宁地区一次罕见的长时间大范围强浓雾天气的成因进行诊断。结果表明：2014年11月20-22日辽宁地区大雾过程分为两个阶段,其中21日14-16时大雾爆发性发展后,特强浓雾持续12 h,此种情况在辽宁近20 a比较罕见。大雾第一阶段为辐射雾,雾前低层弱暖平流利于升温,大雾期间中层弱冷平流利于出现晴空辐射条件,夜间在辐射降温作用下,975 hPa高度以下形成逆温;气温下降、温度露点差减小、相对湿度增大;近地面微风利于降温,同时水汽不易流出,逆温作用使得水汽不易向高层扩散,近地面层水汽浓度增大,导致第一阶段大雾快速发展。大雾第二阶段为锋面雾,大雾快速发展期间无逆温、有弱冷锋过境,锋面附近辐合导致水汽上升冷却凝结,同时锋面附近低云降下雨滴在干冷空气中蒸发,利于近地面附近水汽饱和、冷凝,是大雾快速发展的原因。     

重庆雾气候特征及天气成因分析

利用1980-2011年的重庆全市36个区县气象站的能见度及相对湿度资料,分析了重庆全区域雾的气候特征。选取全市的典型浓雾个例,利用NCEP 1°×1°的再分析资料和L波段雷达资料,合成分析了辐射雾和雨雾的环流形势、温、湿、风的垂直结构。结果表明：重庆全区域雾呈现西多东少的分布形势,出现的时间主要集中在10月至次年2月,年平均雾日数在21世纪初呈现显著下降趋势,雾日减少的突变发生在2002年。辐射雾发生时500 hPa中亚及青藏高原地区为高压脊,地面上重庆位于高气压内部的均压场中,冷锋已到达华南地区;而雨雾发生时500 hPa青藏高原地区为低压槽区,地面冷高压中心位于我国北方地区,有弱冷空气经大巴山从东北向渗入重庆。两种雾的温、湿、风垂直结构特征表现为辐射雾近地层逆温明显强于雨雾;上干下湿和湿层深厚分别是辐射雾和雨雾形成时,湿度垂直结构的主要特征;两种雾形成时近地层风速都很小,总体来看雨雾发生时各层的风速都大于辐射雾。     

新型消暖雾催化剂与传统吸湿性催化剂消雾性能的室内对比试验

为了研究一种新的环保型消暖雾催化剂RC／XW的消雾性能,同时选取无水氯化钙（CaCl2）和氯化钠（NaCl）2种吸湿性物质作为对比物,对它们进行室内试验研究。其中RC／XW粒子直径主要集中在12um;将无水氯化钙和氯化钠分别粉碎成10um、15um、20um和30um4个不同的直径。结果表明：不同种类的催化剂、同种类不同尺度的催化剂之间消雾效果都存在很大差异。消雾效果与播撒剂量直接相关。RC／XW适用于消除含水量在0．3g·m^-3以上的严重影响视程的暖雾,且播撒剂量要〉1g·m^-3。     

雨雾、雪雾共生天气气象要素分析

利用多通道微波辐射计、边界层风廓线仪及自动/人工气象站等观测资料, 分析了2007年秋冬季北京地区雨雾和雪雾两次共生天气形成与维持过程中地面和高空气象要素伴随降雨、 降雪过程的变化。结果显示:(1) 高湿和小风是雨雾、雪雾生成并造成地面低能见度的主要气象条件。大雾形成与维持过程中, 地面水平能见度与相对湿度的反相关关系非常显著。能见度越低时, 雾的含水量也越高。 (2) 较弱的降雨和降雪可以促使雾含水量减少, 提高能见度, 但降雨或降雪蒸发增湿又利于雾的维持。 (3) 雨雾在降雨过程中高层气温经历大幅增降, 除可能受天气系统影响外, 与云层中水汽凝结释放的大量潜热和含水量大幅度增加也有关系。雪雾在降雪过程中高层温度总体随着时间趋于降低且变化幅度较小。 (4) 在降雨、降雪过程中雨雾和雪雾低层一直存在水汽饱和层, 且饱和层的顶部随降雨和降雪强度的加大而抬升, 厚度不断加大, 造成地面水平能见度进一步下降。结合催化剂人工消雾与共生雾降水 (降雨或降雪) 相似的原理, 个例分析结果初步表明较弱的降雨或降雪过程对消除暖雾、冷雾的影响有限, 对改善地面水平能见度并不显著, 这对人工消雾技术研究具有一定的启发作用。     

南京冬季雾爆发性增强的物理特征研究

根据2006年12月在南京市郊观测的3次浓雾过程(12月12日、14日和24~27日)资料,分析了雾的发展过程及爆发性增强特征,探讨了雾体爆发性增强的原因。结果表明:南京冬季雾爆发性增强的物理特征是在很短时间内(30 min以内),能见度急剧下降,雾滴数密度和含水量明显增加、尺度明显增大、雾滴谱变宽。究其原因,发现夜晚长波辐射增强或近地层出现冷平流造成的气温急剧下降,日出后地表水分蒸发或西南湿平流增强造成的湿度明显增大以及湍流混合作用,都能导致雾体爆发性增强。     

华南沿海暖海雾过程中的湍流热量交换特征

湍流交换是海雾中的关键物理过程, 在海雾的热量和水汽平衡过程中起重要作用。本文根据2007年3月24～25日一次海雾的外场观测数据, 分析了海雾过程中近海面湍流热量交换特征; 并在区分风切变机械湍流与雾顶长波辐射冷却热力湍流的基础上, 着重分析了两种不同性质的湍流对海雾发展和维持的作用。结果表明: (1) 本次海雾是在西南低压和变性冷高压的控制下, 来自南海东部暖水区的空气平流在近岸冷海面上形成的暖海雾; 暖海雾中的湍流热量交换过程比冷海雾更为复杂; (2) 在暖海雾的形成和消散阶段, 风切变机械湍流的热量输送起主要作用; 而在发展和维持阶段, 既有风切变机械湍流的热量输送作用, 也有雾顶长波辐射冷却热力湍流的热量输送作用; (3) 风切变机械湍流向冷海面输送热量, 对近海面空气起到降温和增湿作用; 热力湍流同样向冷海面输送热量, 但对雾层起到增温和降湿作用; (4) 暖海雾中的湍流热量交换机制与雾层的非充分混合结构有密切关系。