一次暴雨过程中云微物理特征的卫星反演分析

利用卫星反演技术和云微物理分析方法,以陕北2006年7月2日发生的暴雨过程为例,反演了云顶粒子有效半径(Re)、云顶温度(T)等云物理特征参数,通过卫星不同时次对暴雨云团的探测资料,分析了暴雨发展过程.暴雨云团表现为多单体特征,发展旺盛期对流单体的数量明显增加、云团尺度大幅增加.根据暴雨云系中的对流云、层云、过冷水云、低云(未被高云遮挡住)4种类型,分别选择了9个代表区,用于分析这次暴雨过程中不同类型云的物理特征和垂直结构.结果表明:此次暴雨云团由多种高度的云组成,低云高度较低,温度较高,云顶在0--10℃;层云高度略高,T为-10--20℃,Re为10-20 μm,并含有连片分布的过冷水云(Re为10 μm左右);高度最高的云为对流云,镶嵌在系统性层云中或在其上发展,T最低达到-80℃左右.从云底至0℃层存在一个较厚的凝结增长带,Re为5-10μm;0--10℃层存在一个碰并增长带,Re从13-15μm增长到20～25μm,但其厚度小于凝结增长带;T<-10℃层以上存在一个深厚的冰相增长带,表明在对流云团的发展成熟期,冰相增长过程为优势云物理过程.随着云的逐渐发展,混合相增长带由厚变薄,冰化增长带增厚,晶化温度升高、高度降低,表明在对流云团发展到成熟的过程中,冰化增长带在下传,云中冰化增长过程向下传递明显.     

不同积云微物理特征的卫星反演分析

利用NOAA卫星多光谱资料反演了云滴有效半径,采用多信息组合的RGB彩色显示方法,分析了云顶微物理特征;运用Rosenfeld的卫星微物理反演分析方法,根据云中物理过程与T-re分布关系,着重分析了不同积云的云物理过程和微物理特征.结果表明:中高纬内陆地区积云底层一般具有较深厚的凝结增长带和较小的云滴有效半径,晶化增长起始温度较低,具有典型的大陆性云物理特征;低纬度海岛与近海地区积云与大陆性积云相比,底层云滴有效半径普遍较大,碰并作用较强,晶化增长起始温度较高,具有大陆性到海洋性过渡的云物理特征;海洋上空积云底层的云滴有效半径最大,晶化增长起始温度高,降水带较深厚,具有海洋性云物理特征.     

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。     

利用雷达和卫星资料对一次强对流天气过程的云结构特征分析

利用FY-2D静止卫星、SWAN雷达产品和湖北随州CINRAD/SA雷达资料,结合局地分析预报系统LAPS、自动气象站资料和探空资料等,对2011年7月26日湖北随州一次强天气过程的云结构特征进行了综合分析.结果表明,对流云团的生长中心与雷达反射率因子大值区、云顶黑体亮温TBB低值区和陡变的温度梯度区相对应;云体的合并有助于对流云的发展和维持.单站雷达资料适用于局部回波的形态识别和动力场分析,在两次弓形同波过程个例中,第一次弓形回波产生了降雹,在发展强盛阶段,低层有弱回波区和较明显的人流缺口,出现速度模糊、风暴体倾斜的现象;而第二次则以强降水天气为主.与第二次相比,第一次弓形回波过程有更多、更快的能量聚集和更丰沛的垂直积分液态水含量,有利于冰雹的发生.FY-2D卫星反演的云顶温度和粒子有效半径之间的关系(T-Re)垂直分布显示,降雹的对流云中具有强烈的上升气流,使得粒子有效半径增长缓慢,晶化温度低,没有明显的碰并增长带和降水(雨胚增长)带.     

吸湿性播撒对暖性对流云减雨影响的数值模拟

利用以色列特拉维夫大学二维面对称分档云模式（two-dimensional slab-symmetric detailed spectral bin microphysical model of Tel Aviv University）,对2016年9月4日16:00（北京时）前后我国华东地区的一次暖性浅对流云降水过程进行模拟,模式模拟的强回波中心高度和最大回波强度范围与观测基本一致。并在此基础上进行了小于1 μm的吸湿性核的播撒减雨试验,分别考虑了不同播撒时间、不同播撒高度以及不同播撒剂量的敏感性测试。结果表明:在云的发展阶段早期播撒能起到更好的减雨效果,播撒时间越早对大粒子生长过程的抑制作用越强,随着播撒时间向后推移,受抑制作用最显著的粒径段向小粒径端偏移;在云中心过饱和度大的区域下方进行播撒,减雨效果更加明显,当播撒剂量为350 cm-3时,地面累积降水量减少率可达23.3%;另外,随着播撒剂量的增加,减雨效果更加显著,甚至能达到消雨的效果。因此,在暖性浅对流云中合理地播撒小于1 μm的吸湿性核能达到较好的减雨或消雨效果。     

河北省一次降水云系云物理结构的飞机探测研究

利用机载粒子测量系统资料、天气雷达和Ka波段云雷达资料,分析了2017年5月22日河北省一次低槽冷锋降水过程积层混合云的微物理结构。结果表明:降水云系出现在低槽槽前西南气流中,积层混合云为大范围的层状云系中镶嵌大量对流云核结构,0℃层高度位于3577—4004m,随降水过程发展0℃层高度降低,嵌入的对流加强将抬升云顶高度。云内粒子浓度随云内对流的发生和加强而提高,云粒子浓度从1.8×10^5L^-1上升至5.0×10^5L^-1;云内过冷水含量大幅提高,从0.05g·m^-3上升至0.60g·m^-3,冷云中上层过冷水含量可长时间维持在0.20g·m^-3,中上层过冷水占比达60%。对流发生和加强可提高冰晶粒子增长速度,弱对流区冷云低层出现冰晶粒子浓度爆发增长区,强对流区冷云中上层成为冰晶粒子浓度快速增长区;最大降水粒子直径从8000μm增长至10000μm以上,直径在10000μm以上降水粒子谱分布区域从云底向中上层拓展。     

NPP/VⅡRS卫星反演青藏高原夏季对流云微物理特征

青藏高原（下称高原）对东亚大气环流、气候变化及下游灾害性天气形成、发展有重要影响,研究青藏高原云微物理特征有重要意义。但因高原台站稀少,对云微物理研究不充分。NPP（National Polar-orbiting Partnership）卫星ⅦRS（Visible Infrared Imaging Radiometer Suite）传感器包含17个中分辨率通道（750 m）和5个高分辨通道（375 m）,具有反演初生小块对流云的优势,能够利用NPP/ⅦRS反演对流云的微物理特征。利用NPP/ⅦRS卫星格点对流云云物理自动反演（Automatic Mapping of Convective Clouds,AMCC）软件对高原地区2013-2017年夏季（6-8月）过境的ⅦRS资料进行了反演,得到了高原对流云的宏、微观物理特征,并计算了这些物理量在0.33°×0.33°格点上的平均值。分析得出如下结论:（1）反演云底温度（T_b）与那曲探空计算抬升凝结温度（T_LCL）线性相关,相关系数为0.87,均方根误差为3.0℃。（2）高原对流云宏、微观物理特征为:一是云底冷（T_b为-5℃）,云底离地高度为1800-2200 m,云内含水量低;二是云底云凝结核数浓度（N_CCN）为200-400个/mg,最大过饱和度（S_max）为0.7%,N_CCN少,S_max大,云滴凝结增长速率更快;三是降水启动厚度（D₁₄）小,为1500-2000 m,雅鲁藏布江流域及藏南地区D₁₄约500-1000 m,更加容易形成降水;四是云顶海拔高度为10-13 km,云厚度从南部5000 m逐渐减小到北部2500 m,云厚有限;五是晶化温度高,从中部、南部-30℃到北部-25℃,加之高原T_b < 0℃,使得云内降水粒子以冰相为主。（3）高原对流云的这些微物理特征决定了其降水具有多发、短时、量小、滴大的特点。这些结论进一步深化了对高原夏季对流云的科学认识。      

河北一次降水层状云系结构和增雨条件的模拟研究

利用中尺度模式模拟结果和卫星、雷达、飞机、地面雨量站等观测资料,对2012年9月21日河北一次西风槽降水层状云系的宏微观结构和增雨条件进行了分析。结果表明:此次西风槽降水过程的影响系统为500 h Pa低槽和700 h Pa切变线,地面并没有伴随冷锋系统;西风槽云系不同部位具有不同云层性质和垂直结构特征,前端为高层冷云,云顶温度为-35℃,云体由冰相粒子和过冷水组成,没有暖云,有少量冷云降水;槽线附近云系为冷暖混合云,云顶温度为-20℃,云体最为密实,地面降水较强;槽后云系为低层液态水云,云顶温度为-5℃,有少量暖云降水;云水分布对应上升运动和高饱和区,高饱和区越深厚、上升运动越强,产生的云水值越大;利用模式过冷水含量、上升运动区、冰晶浓度、温度和逐时雨强对冷云催化增雨作业条件进行分析,槽线附近云系过冷水含量较多,存在强可播区,播撒高度为3.8~6.5 km,最适宜冷云播撒增雨作业。     

卫星遥感人工增雨作业条件 II:层状云

通过卫星多光谱资料的定标,利用可见光反射率、3.7 μm和11 μm辐射亮温,反演了云顶粒子有效半径、云顶温度等云特征参数.运用图像合成技术,建立了反映云宏、微观特征的RGB合成图.利用发展的多光谱云微物理综合分析方法,通过极轨卫星分析了不同过冷层状云及其降水特征,结合增雨假设,总结出适宜人工增雨作业的卫星判据为:云厚大于1.5 km,云顶温度-5～-15℃时,有效半径小于25 μm;或云顶温度-15～-25℃时,有效半径小于15 μm.利用可见光反射率、云顶温度和有效半径多阈值建立人工增雨播云等级和分级显示.通过静止卫星跟踪云系演变,进一步确定播云部位和作业时机,指导人工增雨作业.     

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。     

液滴催化暖云降水的最佳播撒技术

用液滴催化暖云降水，达到“以小得大”的降水目的，结果指出：液滴催化暖云降水的最佳播撒高度和最佳播撒效率受到云中垂直气流速度（ｗ），云含水量（Ｑ），云滴半径（ｒ）和云层厚度（△Ｈ）的制约。     

人工增雨农业减灾技术研究

该项目在河南、山东、吉林3省建立了层状云人工增雨外场观测作业试验区，研制了层状云数值模式，结合分析得出了层状云人工增雨新的概念模型、相应的催化条件判据和作业指标；研制了催化条件的飞机实时识别技术和地面综合集成识别技术；建立了中尺度层状云系数值模拟预报的实时业务和省级的人工增雨综合技术系统（催化条件综合识别判据、实时监测识别技术、催化指标和作业决策系统等），提出了相应的作业流程。 在鄂西北（十堰市）对流云人工增雨作业试验区进行了大量外场观测和作业试验，用研制的三维对流云催化模式进行实时预报和催化数值试验，初步提出了催化的最佳部位、时机和剂量；开发应用了高成核率火箭；用雷达识别作业条件并建立了指挥作业的技术流程，因而大大减少了作业的盲目性，提高了对流云人工增雨作业的科学性。     

霰粒子参数对强对流云降水和催化影响的数值模拟研究

本文利用三维对流云AgI催化模式, 开展了霰粒子密度和落速参数的敏感性模拟试验, 以研究高凇附度时霰粒子参数的选取对催化模拟结果的影响。敏感性试验中对七个霰微物理过程进行了调整。分析发现改变霰落速参数和霰密度, 可以引起3小时模拟的总降水量增加4.9%。催化后改变了敏感性试验中霰落速和上升气流的配置, 并影响到霰碰并云水和冰晶的过程, 及霰融化成雨水的过程。在高凇附度云中如果只增加霰密度而没有增加相应的落速系数, 将使云中霰含量大幅增加。霰参数也影响了自然云和催化云的降水效率。过量催化使得催化云的降水效率低于自然云。增加霰密度的同时也增加霰落速系数, 将使其降水效率高于对照试验, 从而影响催化效果。在高凇附度云中采用大密度和较大下落系数, 并且利用比数浓度平均落速计算霰粒子比数浓度的下落过程, 会使催化效率从25%减少到15%, 极大地改变催化效果。所以在高凇附度的暴雨个例中, 应当采用高霰密度和相应的高霰落速, 否则减雨的催化效果将会被大幅夸大。     

一个用于催化剂成冰性能检测的新型等温云室

云雾物理实验是我国大气科学研究需要加强的一个方面, 文中介绍了中国气象科学研究院新建用于人工冰核催化剂成冰性能研究的1 m3等温云室。阐述了该云室主要结构组成、 性能特点、 附属设备和实验程序, 以及所开展的催化剂成冰效率的初步检测研究。实验结果表明, 该云室在原建系列云室基础上, 对制冷及保温性能有很大的改进和优化, 更适合催化剂成冰性能检测和研究, 为今后我国开展云雾、 降水微物理实验研究和提高人工影响天气催化技术水平提供了一个有用的综合研究平台。     

地形云催化增雨试验研究进展

地形云作为最具有前景和可行的人工影响云系,受到人工影响天气工作者和研究人员的关注。本文分析了国内外地形云催化增雨野外科学试验的历史进程,总结了野外科学试验中取得的成果,梳理了在地形云催化增雨试验中需关注的几个关键科学问题,包括对地形云自然降水过程的分析、地形云系统中过冷水在云内的分布、山地云系的微物理过程演变特征及其与中尺度动力结构的关联,介绍了宁夏开展地形云野外科学试验的实践,提出了加快地形云催化野外科学试验,提高地形云云水资源开发利用的对策及建议。为解决中国西北地区干旱问题,推动黄河流域生态环境保护及高质量发展提供了一种思路。     

一次新型液态CO2播撒效果的数值模拟

利用三维积层混合云人工增雨数值模式对2002年7月11日的一次天气过程进行了由播撒液态CO2引起的微物理量变化及云动力影响的数值模拟。结果表明:播撒后,云中最大上升气流速度增大,由未播撒时的0.37 m/s增大到播撒后的0.54 m/s,播撒使云中出现最大上升速度W的时间比未播撒提前了4 min,表明播撒液态CO2影响了云的动力过程。同时与未播撒相比:云中雨水含量最大值由1.04 g/kg增加到1.40 g/kg;冰粒子含水量的出现提前了88 min,最大值的出现提前了76min;冰粒子浓度的出现提前了72 min,最大值的出现提前了72 min;雪粒子含水量的出现提前了72 min,最大值的出现提前了128 min;云水含量最大值由1.21 g/kg减小到0.87 g/kg。证明了播撒液态CO2后可影响云的微物理过程,从而导致地面降水的增加。     

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。     

河北省冬季低槽冷锋层状云结构特征和可播性分析

2018年1月6日河北省出现一次低槽冷锋天气系统,利用两次云粒子垂直探测资料分析层状云结构特征和演化规律,探讨冬季低槽冷锋系统层状云催化条件和催化时机。结果表明：天气系统初期西南风风速中心发生在6500 m高空时,风速随高度呈不连续分布,层状云云顶温度为-29.2℃,中低云层稀薄;3000 m以上云层粒子基本被冰化,云内过冷水含量小于0.05 g·m^-3,固态含水量为0.1 g·m^-3左右,3000 m以下云层有大量自然冰晶,过冷水低于0.15 g·m^-3,不具备催化条件。700—3000 m高度层西南风加强,云内过冷水含量普遍大于0.1 g·m^-3;2200 m风速中心风速达16 m·s^-1,该高度最大液态水含量达0.38 g·m^-3,冰晶浓度为6 L^-1,温度为-9℃,适宜催化。低槽冷锋天气系统层状云结构特征和催化条件受槽前西南风强弱和风速中心高度影响,天气系统初期层状云云顶过高、温度过低时,层状云为不可播云。随槽线东移,风速中心高度降低,3000 m以下西南风加强,层状云转变为可播云。     

冰雹形成机制和催化防雹机制研究

利用文献［１］发展的三维弹性冰雹云催化模式模拟研究了１９９７年７月８日陕西省旬邑防雹试验区出现的一块冰雹云,分析其冰雹形成的物理机制,对雹云做了高度催化试验,研究了催化防雹机制。结果表明,９７％的雹块是以冻滴为核心增长的,在云中冰雹还未形成前,于强上升气流区的适当高度催化效果较好,而在上升气流极值高度,亦是高含水量区催化效果最好。催化使霰和冻滴的浓度增加,粒子质量减小,向雹的转化比例大为降低,因此雹块的质量和浓度都减小,达到了防雹的目的。     

对流云人工增雨雷达效果分析软件的应用

根据雷达回波参量自动选取对比云并进行效果分析的方法,研制了对流云人工增雨雷达效果分析软件.在此基础上,对2008年湖北省12次对流云增雨试验进行了效果检验:发现其中10个个例催化效果良好,具体表现为增雨作业催化后,目标云的物理参数发生了比较明显的变化,回波强度、回波顶高、液态含水量、强回波面积等均增大,约半小时内达到峰值,而相应的对比云回波参量增长幅度比目标云小,或者没有继续发展,大部分对比云的生命史比目标云短.最后,通过综合分析,提出基层作业站点适宜开展人工增雨的催化指标,在实际应用中取得了良好的效果.