双通道微波辐射计在人工增雨作业中的应用研究

在人工增雨作业中 ,利用微波辐射计,遥感监测大气中总水汽含量与云中积分液态水含量的连续变化,从中找出其一般变化规律及其与云的可播性的联系和基本指标,为及时有效地指挥人工增雨作业提供了依据。     

微波辐射计在人工增雨中的观测实验

本文介绍在人工增雨作业中,应用微波辐射计连续遥测大气中气态总水汽含量及云中积分液态水含量变化的情况,对指标人工增雨作业,不断提高作业成功率,具有重要作用。     

利用双频微波辐射计测空中水汽和云液水含量的个例分析

利用23.8GHz和31.65GHz双频地基微波辐射计观测资料,结合卫星云图、雷达、探空和自记雨量计等资料分析了2005年4月在河南新乡观测的不同云系影响时大气垂直积分含水量(V)和云中液态含水量(L)的演变特征,对4月8日低槽云系影响时V、L的特征进行了分析。结果表明:双频辐射计对空中水汽和液态水反映灵敏,不同天气背景时对应有不同的V、L值分布。云液水含量L的变化与云量的增减有关。降水开始之前,水汽含量V值有明显波动,液态水含量L值也有明显增加,一般增大到0.4mm时即出现降水。这些现象对降水开始有指示意义,可预测云系正处于降水产生的阶段,可应用于人工增雨作业。此外,根据微波辐射计观测资料分析了大气水汽、云液水和地面降水之间的定量关系,云中液态水仅占汽态水的8.7‰左右,落回地面的降水占空中水汽量的18%左右。     

重庆地区夏季一次降水过程及增雨潜力的数值模拟分析

利用国家气象中心GRAPES人工增雨云系模式,选取2008年7月4日重庆地区一次降水过程进行数值模拟,分析了重庆地区降雨天气的水汽分布、云系宏微观分布、云中微物理转化和增雨潜力等特征。结果表明：本次降水大气过程中,重庆地区水汽含量极为丰富,水汽分布与地形分布呈明显的对应关系,低层水汽输送较大,整层水汽通量较高,有明显水汽辐合,云中液态水对地面降水影响很大。西南气流和地形共同作用为重庆地区液态水的形成提供了有利条件,在东北部山区迎风坡处大量水汽累积抬升,易形成丰富的液态水。重庆东北部地区水汽向云水转化较强,过冷液态水含量丰富,冰晶含量少,0℃层附近水汽垂直通量较大,降水效率较低,有较大的增雨潜力。     

基于新一代天气雷达的宁德市人工增雨指挥系统

建立以新一代天气雷达为主的包括卫星、闪电、探空及稠密地面雨量站网的人工增雨技术监测网络,是气象事业现代化建设的任务之一。利用雷达的1 h降水量、回波高度、垂直积分液态水含量等资料,结合天气形势,大气层结状况等因子,采用Visual Basic语言研制人工增雨作业指挥系统。其主要功能包括干旱历史监测、作业条件分析、指挥决策、雷达现场跟踪及效果评估。实践表明,综合考虑回波强度、云顶高度、云中水汽含量、大气层结条件和有利的天气形势,对提高人工增雨作业效果具有积极的意义。     

河南省非降水云中液态水的卫星微波反演试验研究

云中液态水分布对全球气候和局地天气变化有重要影响, 是判别人工影响天气作业潜力区的重要依据。利用TRMM卫星微波成像仪 (TMI) 85.5 GHz通道垂直极化亮温资料与NCEP再分析资料, 结合VDISORT模式采用逐步逼近方法反演了河南地区地表比辐射率; 再利用TRMM/TMI 85.5 GHz通道垂直极化亮温资料、TRMM/VIRS红外辐射资料及NCEP再分析资料, 结合VDISORT模式采用迭代的方法反演了河南地区云中液态水的垂直积分总含量。与红外卫星云图、TRMM卫星2A12产品及NCEP资料对比分析表明:该研究提出的反演陆地上空非降水云中液态水方法是可行的, 且对云中液态水垂直积分总含量水平分布的反演结果较对比产品结果更好。     

地基GPS水汽总量在人工增雨中的应用

利用成都市地基GPS综合应用网的观测数据,反演出大气水汽总量,并结合多普勒天气雷达探测的垂直积分液态水含量(VIL),分析了这两种新型大气水汽探测资料在人工影响天气作业中的变化特征,初步得出了GPS大气水汽总量(GPS PWV)与人影作业前后降雨量的关系。研究表明:GPS PWV与人工增雨过程有较好的对应关系,人影作业后1～3h伴随小时雨量的增大GPS PWV有下降,体现了催化剂将空中部分冰面过饱和水汽凝华核化转化为降水过程。GPS反演的水汽资料结合新一代多普勒天气雷达探测的液态水资料在指导人工影响天气作业和短临天气预报方面具有良好的应用前景。     

一次积层混合云降水过程增雨条件分析

基于中尺度数值模式MM5,新一代天气雷达、静止气象卫星和雨量等观测资料,对安徽省秋季旱期一次降水过程的增雨条件进行了分析。首先,模式预报的云降水结构与实况在总降水量及分布、云系回波特征、移动趋势方面基本一致,模式产品具有一定可信度,对云降水结构的分析表明,云中含有一定过冷云水且配合有上升气流的存在,这是有利的增雨条件。在此基础上,基于MM5模式结果计算了冰面过饱和度,散度差,K指数和850 hPa水汽含量,并由此得到综合增雨潜力指标,将指标与云结构、降水和卫星雷达资料进行对比,结果表明这些指标揭示了云系中有利于增雨作业的动力、热力、微物理条件,对云系发展和降水过程有良好指示意义,与雷达卫星的观测结果较一致。最后,卫星反演产品、雷达回波以及雷达反演产品如垂直积分液态水含量、回波顶高等特征与模式描述的云系结构特征一致,可判断作业的具体位置和时间,数值模式产品与观测资料结合为人工增雨作业提供了及时精确的指导。     

微波辐射计反演大气温湿度廓线与降水相关性分析

利用辽宁省阜新蒙古族自治县QFW-6000型地基微波辐射计和邻近探空资料,对微波辐射计反演精度进行评估,分析云中积分液态水含量、积分水汽含量与降水量的变化特征。结果表明：微波辐射计的反演参量与探空资料具有高相关性,反演的相对湿度基本大于探空测量的相对湿度,近地面与高层的误差在5%以内。基于云中积分液态水含量与降水量的统计分析发现,降水开始前存在明显跃增,云中积分液态水含量会快速增大到1 mm以上,随着降水的持续,云中积分液态水含量一直维持在2 mm以上,当降水结束,云中积分液态水含量迅速回落至0.2 mm以下。积分液态水和积分水汽含量为雨天>云天>晴天,积分水汽含量在不同天气下具有相似的垂直结构,均表现出随高度升高递减的变化趋势,水汽在高空的递减速率相对较慢,到近地层递减速率明显加快;云中积分液态水含量在云天和晴天的垂直分布结构相似,最大值分别为0.15 g·m^-3和0.10 g·m^-3,均位于1 km高度处;雨天云中积分液态水含量具有两个峰值区间,分别位于1.0 km和2.5 km高度处。云中积分液态水含量和积分水汽含量呈现白天高值而夜间及清晨低值的日变化特征,云底高度则呈相反的变化趋势。     

机载微波辐射计测云中液态含水量

文中介绍了 2 0 0 1～ 2 0 0 2年 4～ 7月吉林省人工增雨期间 ,在中国首次进行的机载对空微波辐射计外场飞行观测试验。观测结果表明 ,仪器可以灵敏地探测出层状云中垂直路径积分云液态水和过冷水含量及其变化 ,揭示了在层状云中嵌入的对流区中有丰富的垂直积分过冷水含量 ,量级可达 10 3 g/m2 。与地面雷达PPI回波强度呈正相关。本文还根据飞机上升 (或下降 )过程的探测数据 ,给出了水平均匀的层状云液态含水量的垂直廓线的实例 ,并进一步讨论了这种方法的应用前景。     

2013年内蒙古中部地区飞机增雨过程中云水资源特征分析

利用NCEP再分析资料、地面观测等资料,探讨了2013年内蒙古中部地区飞机增雨过程云水资源特征,并通过对比分析给出了适合飞机人工增雨作业的空中水汽和水凝物背景特征。结果表明:(1)夏季,单位面积地区上空整层大气水汽含量在30mm以上、云水含量2.0mm以上、小时凝结量在1.0mm以上时有利于实施增雨作业。有利作业过程水汽通量较大,作业区大部为较明显的水汽辐合,准饱和区水平范围较大,垂直方向准饱和区厚度在3.0km以上,云底高度在1.0km左右。(2)对于一次天气过程,水凝物总量为水汽总量的10%左右,源源不断的水汽输入与凝结是过程中水汽和水凝物的主要来源,有利于作业天气过程的水凝物含量明显偏多。文章的结论对内蒙古中部地区飞机人工增雨作业具有参考意义。     

过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其催化效果的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式，对美国对流降水协作试验（CCOPE）期间观测的1981年8月1日雹云进行模拟，讨论在过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其碘化银催化效果。结果表明:(1) 自然云的模拟与观测事实一致，如最大上升气流速度、云顶高度、流场结构以及雹胚组成等。(2) 雹胚以霰为主，霰主要来自冰雪晶与过冷小水滴的碰冻，其次来自雪的积聚转化；霰、冻滴和冰雹在形成后主要靠碰并过冷云水增长。(3)人工催化试验表明，碘化银主要以凝华核（包括凝结－冻结）的作用产生大量的人工冰晶，加速了过冷水向冰晶的转化，过冷云水因而大量减少；催化后霰和冻滴的数浓度增大，对过冷云水的竞争增强，其平均尺度减小导致转化成雹的数量减少；冰雹碰冻过冷云水的增长在催化后也被削弱，导致冰雹总质量进一步减少。此外，催化后降雨量也显著减少。     

层状云催化后过冷水分布与演变规律的数值模拟

在郭学良等(1999年)发展的层状云雨滴分档模式中加入冰晶繁生过程,模拟了碘化银和液态二氧化碳的催化效率以及催化后云中过冷水的分布与演变过程.结果表明:碘化银和液态二氧化碳在5200～5600 m高度上的催化效率相当,最大达到11.1%;液态二氧化碳在2600～3000 m高度层的催化效率明显增大,达到14.2%;模式云被催化后,云中云水含量在200 min都较未催化时增长0.05 g/m3以上,表现出云中过冷水被消耗后的恢复趋势;碘化银和液态二氧化碳对云体催化后,云中水汽含量减少0.5～2 g/m3,对过冷水的恢复作出贡献;催化过程使得模式云中雨滴浓度在210 rin时较未催化时减少73%,在240 min时较未催化时增加309%.得出了两点结论:(1)模式云被催化后,云中过冷水在200 rin表现出恢复趋势,云中水汽对过冷水的恢复过程作出了贡献;(2)在过冷水较多的区域播撒液态二氧化碳可以取得较好的催化效率.     

山东省空中水资源的初步分析

利用1997～1999年逐日探空资料和同期水文水资源资料,分析了山东省域空中水汽资源的时空分布特征及地-气系统的水量平衡关系.结果表明:山东省空中水汽资源受天气系统和季节变化的影响明显;静态水汽含量年均值为20.75 mm,动态水汽净输出量全年平均为440.91 mm,并以850 hPa层的水汽净输出为主.水汽净收支率年、季分布具有较强的地域特征.全年的水汽输入量很大,但空中水汽资源转化为地面降水的效率不足5%,而降水转化为水资源的量约为27.31%,空中水汽资源具有很大开发潜力.另外,从大气水量平衡角度分析了山东干旱气候特征的客观必然性,并提出开源增量、增加水资源的对策.     

中国人工增雨研究进展

随着全球气候变暖的加剧,水资源短缺问题表现得越来越突出,如何有效地开发利用空中水资源已成为人们关注的热点问题之一。本文回顾了人工增雨的发展历史,概述了当今国内外人工增雨的发展状况,归纳了各地区云状、积云特征、液态含水量、冰晶浓度等云物理特征,并在此基础上对我国各地区尤其是西北地区的增雨潜力进行了分析,最后归纳总结了人工增雨的常用手段、经验和检验人工增雨效果的方法。     

应用LAPS资料分析安徽沿淮一次短时暴雨特征

利用LAPS系统融合分析资料对安徽沿淮一次短时暴雨过程进行中尺度天气分析,探讨降水过程成因机制及天气结构特点,同时验证LAPS分析资料的实用性。结果表明：过程主要影响系统为中尺度气旋式涡旋,其向安徽北部沿淮地区移动为暴雨的发生、发展提供了触发机制。雷达降水回波主要出现在850hPa中尺度涡旋南侧以及700hPa槽前西南气流辐合上升运动过程中,持续的低空急流及其带来的水汽共同为暴雨过程提供了水汽条件和动力机制。比较雷达回波发展和云中液态水含量演变发现,云中液态水含量极大值区多出现在雷达回波单体的新生区域,借助于LAPS云中液态水含量分布结果对预测雷迭回波发展趋势及降水分布有借鉴作用。     

中国地区夏季6～8月云水含量的垂直分布特征

基于观测资料的夏季云水含量时空分布情况对于数值天气预报、气候预测以及人工影响天气试验都十分重要。本文利用CloudSat卫星资料, 分析了2006～2008年中国地区夏季月平均云水含量的垂直和区域变化特征。结果显示, 青藏高原地形以及东亚夏季风对月平均云含水量分布具有明显影响。中国中部纬度上对流层中层的月平均液态水含量比南部及北部的量值大。各月平均云液水含量垂直廓线存在两个不同高度上的峰值区, 原因可能主要是受大尺度参数的控制, 以及受到青藏高原和东亚季风环流的影响。平均冰水含量纬向垂直分布的高值区主要在对流层中上部。本文中所揭示的云水含量特征为天气和气候模式改进、人工影响天气及云—辐射相互作用提供了重要的基础信息。     

东亚干旱半干旱区空中水资源研究进展

系统回顾了近年来中外对东亚干旱半干旱区空中水资源方面的主要研究进展,主要包括大气水汽、云的分布特征、空中水资源的降水转化率及其影响因子等。东亚干旱半干旱区西部及东部水汽含量较中部高,背风坡水汽含量较迎风坡高,季风区及山脉地区云水资源高于盆地、沙漠上空。20世纪80年代中期以后,东亚干旱半干旱区对流层底部的水汽显著增多,其中夏季增加最为明显。在全球气候变化背景下,中国西北部分地区云水路径总体呈现上升趋势,同时呈现"东正西负"的东西向变化差异以及"北正南负"的反相位特征。大气环流、地表温度、下垫面地表特征等因子通过影响东亚干旱半干旱区的水汽输送及蒸散,进而改变东亚干旱半干旱区空中水资源,空中水资源的改变通过影响辐射收支、不同高度云量及第2次相变产生的云水含量进而对局地温度和降水产生影响。以往研究中,大部分主要针对东亚干旱半干旱区大气中的水汽含量和云平均状态的分布与变化特征,而与降水相关联的空中水资源的变化特征目前仍不清楚,有待系统深入地研究。      

地基微波辐射计的雨天探测

该文讨论了地基微波辐射计在雨天探测遇到的问题及可能的解决途径.介绍了对天线着水层做的仪器订正,给出了用一维雨天大气辐射传输模式模拟得到的反演水汽总量Q和云液水总量L的方法,并给出雨天观测资料的统计分析实例.结果表明,在雨强小于20mm/h范围内，都有可能由地基辐射计测值定量得到Q和L雨天探测遇到的技术问题正在逐步解决；目前我们已能在统计意义上测量天气过程的降水效率等参量。