祁连山冬季降雪个例模拟分析(Ⅱ):人工催化试验

利用部分改进了的中尺度模式MM5V3对2006年2月7～8日甘肃北部地区一次冷云降雪过程进行了人工催化的数值试验,研究加入人工冰晶对祁连山北坡地区冷性层云降雪的影响.进行了不同剂量和不同高度的催化试验,详细分析了催化后的微物理过程和动力热力过程的变化.结果表明:累积降雪中心的上风方含有过冷云水的区域为催化潜力区.催化后累积降雪中心雪量增加,增雪区周围出现分散的减雪区.过冷云水最多并且最缺乏冰晶粒子的层次具有很好的催化条件.加人人工冰晶后消耗了水汽和过冷云水,冰晶和雪的量值均有所增加,雪碰并冰晶过程、冰品转化过程、凝华过程是雪增长的主要过程,相态变化引起的潜热增加导致升温和上升运动加强.这种变化同时使周围的垂直运动和水成物含量发生改变,周围的上升运动减弱,雪的含量减少,产生了减雪区.     

祁连山冬季降雪个例模拟分析(II)： 人工催化试验

利用部分改进了的中尺度模式MM5V3对2006年2月7~8日甘肃北部地区一次冷云降雪过程进行了人工催化的数值试验, 研究加入人工冰晶对祁连山北坡地区冷性层云降雪的影响。进行了不同剂量和不同高度的催化试验, 详细分析了催化后的微物理过程和动力热力过程的变化。结果表明： 累积降雪中心的上风方含有过冷云水的区域为催化潜力区, 催化后累积降雪中心雪量增加, 增雪区周围出现分散的减雪区。过冷云水最多并且最缺乏冰晶粒子的层次具有很好的催化条件。加入人工冰晶后消耗了水汽和过冷云水, 冰晶和雪的量值均有所增加, 雪碰并冰晶过程、 冰晶转化过程、 凝华过程是雪增长的主要过程, 相态变化引起的潜热增加导致升温和上升运动加强。这种变化同时使周围的垂直运动和水成物含量发生改变, 周围的上升运动减弱, 雪的含量减少, 产生了减雪区。     

三维冰雹云数值催化模式改进与个例模拟研究

鉴于播撒冰核形成的冰晶与自然冰晶谱型不同,对三维冰雹云催化模式人工引晶物理过程参数化部分进行了改进,将人工引入的冰晶单独作为预报量处理,导出人工冰晶与其他粒子发生的微物理过程的参数化方程。分析了改进模式的催化功能及人工冰晶的微物理过程及其在催化防雹中的作用。结果表明,在同样催化条件下,改进模式的催化效果优于原模式。水汽在碘化银粒子上核化是产生人工冰晶的主要过程。人工冰晶的空间分布特征表明,它与云水和雨水接触的比例要比自然冰晶高得多,因此人工冰晶收集过冷云水增长是其与自然冰晶最大的差别。与自然冰晶相比,人工冰晶向霰转化的数量多,通过人工冰晶形成的冻滴也多。自动转化是消耗人工冰晶的最重要的物理过程。人工冰晶减雹机制是:对雹云催化后,人工冰晶增加使雪、霰和冻滴增加,转化成冰雹的数量也增加,冰雹的尺度减少,降雹强度和降雹动能通量就减少。     

用GMS5卫星反演水汽场分析中国西北地区大气水汽分布的气候特征

卫星遥感资料具有反演大气水汽含量的能力.由于山区降水一般随高度增加,而海拔高的地区大气柱的厚度比海拔低的地区薄,整层水汽含量少,使得大气总水汽含量与降水的分布在复杂地形情况下不吻合.为此,引入用卫星反演的单位大气柱水汽含量,较好地反映了降水的空间分布特征.分析结果表明,在云水条件上,西北地区东部具备了较好的实施人工增雨(雪)的条件,尤其在春、夏季,实施人工增雨(雪)的云水条件更加优越.     

冰相雨胚转化水汽密度差的实验研究

我国的降水云系多属混合云。成雨机制中固相雨胚的形成对自然降水和人工增雨都具有十分重要的意义。该文通过飞机外场催化试验指出固相雨胚的形成过程不仅转化过冷云水，还可转化冰水面饱和水汽密度差Δρ（g/m3）。为在低过冷云水含量（SLWC）（g/m3）的云中实施人工增雨提供了重要的实验依据。并将使降水形成理论日臻完善。     

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。     

２００８年６月一次引发广西大暴雨的西南低涡的诊断分析

利用中国科学院大气物理研究所发展的具有火箭人工增雨催化功能的三维云分档数值模式（IAP2HBM）,对2004年7月8日海南岛海口市区的一次热带对流云火箭人工增雨降温作业过程的宏、微观物理演变过程和人工增雨降温作业效果进行数值模拟。结果显示,人工催化播撒AgI后地面降水增加、地面气温下降的区域扩大、维持时间延长。催化导致云水含水量降低,雨水、冰晶、霰、雪含量增加,云中雨水的大量蒸发和冰晶、霰和冰雹粒子融化造成空气温度降低。     

吉林省云水和雨水酸度的分析

本文根据１９９３ 年─１９９５ 年吉林省高空云水和雨水６４ 份资料, 分析了云水和雨水酸度、电导率及化学组分,得出了云水和雨水酸度呈弱酸性,酸雨频率在５％ 左右,云水和雨水含盐量不大, 化学组分分型以ＨＣＯ ─Ｎａ·ＮＨ·Ｃａ 型水为主。     

海口市人工催化热带对流云增雨降温的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展的具有火箭人工增雨催化功能的三维云分档数值模式(IAP2HBM),对2004年7月8日海南岛海口市区的一次热带对流云火箭人工增雨降温作业过程的宏、微观物理演变过程和人工增雨降温作业效果进行数值模拟。结果显示,人工催化播撒AgI后地面降水增加、地面气温下降的区域扩大、维持时间延长。催化导致云水含水量降低,雨水、冰晶、霰、雪含量增加,云中雨水的大量蒸发和冰晶、霰和冰雹粒子融化造成空气温度降低。     

西南地区不同类型云的云水含量时空分布和变化趋势

利用NASA/CERES发布的L3级云资料,选取西南地区(云南、贵州、四川、重庆)2001~2010年水高层云、水雨层云、水层积云、水层云的云水含量数据,研究了该区域4种类型云的年和季节云水含量时空分布特征和变化趋势。结果表明:(1)4种类型云的年和季节云水含量均在海拔低的地方偏多,海拔高的地方偏少。重庆、贵州云水含量高于云南、四川;(2)水雨层云年和季节云水含量最大,其次为水层云和水高层云,水层积云云水含量最少;(3)近10 a来,整个西南地区4种类型云的年平均云水含量均呈递减趋势;(4)4种类型云的云水含量秋季高于春季;(5)春季,中云(水高层云、水雨层云)云水含量既有增加区域,也有减少区域,低云(水层积云、水层云)云水含量呈递减趋势;秋季,中云、低云云水含量均为递减趋势;水雨层云和水层云年和季节云水含量的递减趋势最显著。     

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。     

降水性层状云系中过冷水的分布特征

统计分析了降水性层状云系中过冷水出现的频率、过冷水区尺度、云水含量的分布特征,以及云中总的粒子尺度谱,为人工增雨作业提供重要依据。     

对流尺度数值预报中的云物理初始化方法改进及个例试验

通过在云初始化方案中增加由地表感热和潜热通量确定的对流尺度速度作为对流判据,同时增加层云云冰、云水计算方案,改进云分析方法,并基于第2代华东快速更新循环同化模式预报系统,针对2015年4月28日华东强对流个例,进行对比试验,分析了改进的云初始化方案对云分析结果和模式预报效果的影响。试验表明:在云分析中增加对流判据,使得平均40%左右的云分析格点判定为非对流格点,对流格点分布与正的感热通量分布相似,在陆地上有显著日变化。在对流和层云格点判定之后,增加层云云冰、云水计算方案分析层云格点,显著地减小了模式初始场的云冰、云水混合比,有效地减弱了模式积分初始阶段云冰、云水含量的剧烈调整,尤其是在陆地区域。采用改进的云初始化方案进行预报,可以减少模式前1 h和前6 h的降水强度;尤其在个例的循环试验中,强降水中心强度和面积的预报比原方案显著减弱。      

Characterization of cloud microphysical properties in different cloud types over East Asia based on CloudSat/CALIPSO satellite products

利用CloudSat/CALIPSO卫星资料,本文揭示了东亚三个代表性区域的云微物理属性,为评估和改进模式云微物理过程提供重要的观测基础.研究的云微物理量包括云水/冰质量,数浓度和有效半径.研究表明:暖云中云水质量和数浓度随高度增加而减小,有效半径处于8-14μm范围.对于冰云,云冰质量和有效半径随高度增加而减小,而数浓度在垂直方向上变化不大.此外,云微物理属性在不同云型之间存在显著差异:积云的云水质量和数浓度最大,而卷云的云水质量和数浓度最小.从三个区域的对比结果来看,相比于华东和西北太平洋地区,青藏高原地区暖云的云水质量和数浓度较小,而冰云的则较大.     

山东冰雹形成机制及雹云催化技术模拟——个例研究

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2006年7月5日山东境内一次以冰雹、雷雨大风为主的强对流过程进行模拟,分析了冰雹的形成机制。结果表明:79%左右的冰雹胚胎是霰,雹胚以霰为主,霰主要来自于冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雪的自动转换过程,霰形成后主要靠碰并过冷云水、雨水增长,而冰雹主要质量来源是霰的自动转化以及碰并过冷云水增长。人工催化试验表明:在强对流云中冰雹含量达到0.1 g·m^-3前1～4 min进行催化,能有效抑制冰雹粒子的增长,在过冷水含量中心(5.5 km)上方1.0～1.5 km催化防雹效果较好,在其下方催化防雹效果较差;剂量越大防雹效果越好。AgI主要以凝华核的作用产生人工冰晶,冰晶凝华增长导致过冷云水含量降低。催化后雹胚特别是霰胚的数量增多,对过冷云水的竞争增强,其平均尺度、质量均减小,降低了雹胚向冰雹的转化率。冰雹碰并过冷云水增长也被减弱,导致冰雹总质量进一步减少。     

不同发展阶段对流云合并过程的数值模拟

使用MM5 (Mesoscale Model 5, 简称MM5) 中尺度模式和雷达组网产品,对2008年7月22日发生在安徽等地的一次强对流天气过程中对流云合并现象进行观测和数值模拟分析.观测结果表明,30 dBZ以上回波水平尺度约10 km,回波中心相距近20 km的小单体通过合并形成了水平尺度几十公里的大单体.首先是外围较弱的回波相连接,其次是中低层的强回波中心发生合并,合并后有雷达回波中的强回波面积增加等现象出现.对模拟结果和观测资料进行的对比验证的结果表明,模拟结果和实况特征基本一致.基于雷达观测结果和第三层细网格模拟结果,对两类不同发展阶段的对流单体之间的合并过程分析结果表明,当两个单体都处于相近的发展阶段,合并后单体发展增强;当一个单体强度大于另一个单体时,合并后一个单体得到增强,另一个单体减弱消亡.合并时,两云间下部的低压辐合区会有新的云水中心产生,前一类合并过程中,新产生的云水中心代替了原有的两个云水中心,而后者在合并时,新产生的云水和其中一个原有的云水发生了合并,而另一个云水中心减弱消散了.模拟分析结果还表明,对流云合并过程可引起回波增强、云顶抬高、云水、冰相物质含量增加、地面降水增加现象.     

气温变化对中国夏季云水量的影响

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的1979-2016年ERA-Interim再分析资料分析了中国4个地区夏季大气水循环变量和气温时空特征,并通过相关分析、SVD方法及环流场合成分析进一步揭示了气温变化对云水含量的影响。结果表明:中国夏季云水含量空间分布从东南向西北减少。高原区云水含量与气温正相关,其他地区为显著负相关。西北地区升温使西风带水汽输送减弱和蒙古东部异常反气旋环流维持,北方地区升温使东北至蒙古异常反气旋和东南沿海异常气旋维持,西北太平洋副热带高压(副高)东撤,二者均使200 hPa西风急流减弱,水汽输送和上升运动减弱,云水含量减少。南方地区升温使黄海异常反气旋和南海异常气旋维持,副高东撤,200 hPa西风急流偏北,不利于水汽输送和上升运动,云水含量减少。高原地区升温使西风带南支和高原西部异常气旋加强,副高西伸北抬,高原北侧西风急流和南亚高压增强,促进水汽输送和低层辐合上升,使云液水含量增加。     

"催化-供给"云降水形成机理的数值模拟研究

利用含有详细微物理过程的一维层状云模式模拟,研究了2002年4月5日冷锋降水性层状云云系中"催化-供给"云的微物理结构、降水粒子形成的环节和微物理过程,并从降水形成的环节和云的结构分析人工增雨的条件.结果说明,"催化-供给"云具有显著的分层结构:云内高层是冰晶,下层是雪,接下来是霰和过冷云水组成的冰水混合层,最下方是云中暖区的液水层.作为催化云层的冰水层对降水的贡献约25.5%,冰水混合层为31.3%,液水层为43.1%,亦即供给云对降水的贡献约74.4%.具有"催化-供给"云结构的层状云降水形成的主要环节是:冰晶通过凝华增长转化成雪,雪撞冻过冷云水、收集冰晶和凝华增长转化形成霰,霰靠撞冻过程、收集雪过程长大,从而形成可以降落到云的暖区融化形成雨水的粒子,它对降水的贡献较大.凝华和撞冻增长过程是冰粒子增长的主要物理过程,也是雨水产生的重要过程."催化-供给"云体系是重要的人工增雨条件,云中水汽对雨水形成的贡献与过冷云水几乎相当,与过冷云水一样,水汽也是人工增雨的重要条件.     

利用WRF-Chem模式模拟分析人为气溶胶对台风Fitow(1323)强度及降水的影响

利用气象与化学模块在线耦合的模式WRF-Chem V3.5(Weather Research and Forecasting Model coupled to Chemistry Version 3.5) 对1323号台风Fitow进行了模拟,设计无人为排放源、含人为排放源和人为排放源增加的三组模拟试验,对比分析了人为气溶胶对台风的影响。结果表明:人为气溶胶对台风移动路径影响较小。人为气溶胶增加,台风强度减弱,台风主体总累积降水量减少,靠近陆地阶段台风主体降水率减少。气溶胶的增多可提供更多的凝结核,台风外围云水增加,更多的云水可上升至冻结层以上形成过冷水,促进冰相粒子的形成,释放的潜热增加,使外围对流增强,降水增加。台风外围对流的发展,使低层入流的暖湿空气更多的在外围上升,向台风中心的入流减弱,眼墙的发展减弱,降水减少,台风强度减弱。台风外围的对流发展弱于眼墙的对流,降水仍以眼墙区为主,使累积降水量和降水率整体上表现为减少。     

太平洋上云水路径反演产品及其气候变化特征分析

基于极轨卫星NOAA-15上的微波温度计AMSU-A（Advanced Microwave Sounding Unit-A）多年亮温观测资料,建立了全球海洋上的云液态水路径反演产品,并通过对比ERA5和FNL/NCEP再分析资料的云水路径产品,分析了反演产品对云液态水路径气候变化特征的再现能力,进一步通过线性回归和EEMD（Ensemble Empirical Mode Decomposition）方法分别分析了太平洋地区大气云水路径的线性和非线性气候变化趋势特征。结果表明,云水路径反演资料可以很好的再现多年平均空间分布特征及相应的气候变化趋势,云水路径气候趋势表现出明显的纬度带特征,增多和减小趋势随纬度带间隔出现,而且在北半球东太平洋地区,云水路径气候趋势的纬度带特征有向北迁移的现象。相比而言,反演产品的气候趋势与ERA5再分析资料有更好的相似性,而FNL资料对趋势的纬度带特征,尤其是纬度带特征的北移现象未能很好的再现,只是表现为赤道地区水汽减少,而两侧云水路径显著增加的特征。