华北地区雪密度不同的两次降雪过程对比分析

利用加密降雪观测资料、地面常规观测、FY-2E卫星观测及ERA5再分析资料对华北地区两次融化比存在显著差异的降雪过程其降雪特征、云内垂直热动力结构、降水粒子垂直分布、地面气温和地表温度等进行了对比分析,揭示了热动力垂直结构和水汽条件对降雪过程的雪密度影响。结果表明:融化比较大降雪过程(简称“0103”过程)整层温度偏低,位于对流层低层的-18~-12℃温度层较为深厚,与最大上升运动中心、水汽饱和区相重合,有利于树枝状雪花的形成进而产生较大融化比,其云中粒子以冰相粒子为主;融化比较小降雪过程(简称“1129”过程)整层温度偏高,前述温度层位于对流层高层,较为浅薄,且位于最大上升运动中心下方,其云层下部存在较多过冷水滴,有利于凇附作用进而产生较小融化比;“0103”过程短波槽较浅,导致最大动力抬升层次低,-18~-12℃温度层位于暖锋锋区附近,锋前暖平流有利于深厚温度层的建立和维持,水汽主要来自低层偏东气流输送,导致其水汽含量偏小;“1129”过程主要由高空槽前暖湿气团沿冷锋锋面爬升所引起,动力抬升位于中高层,-18~-12℃温度层位于冷锋锋区上部,温度直减率大,导致-18~-12℃温度层较为浅薄,中层西南风水汽输送提供了有利水汽条件。     

北京延庆山区降雪云物理特征的垂直观测和数值模拟研究

基于风廓线雷达、云雷达、粒子谱仪、微波辐射计和自动站等垂直观测设备,结合中尺度数值模式WRF对2017年3月23~24日北京延庆海坨山地区的一次降雪过程进行了观测和数值模拟研究。研究结果表明:垂直探测仪器结合中尺度数值模式可以获得降雪的宏观结构和微物理信息,有助于对降雪的深入研究。此次降雪过程由中高层西南及偏南暖湿气流与低层东南偏冷空气交汇造成动力和水汽辐合抬升形成,4~5 km高度处的风切变有利于降雪的增强。上升气流有助于水汽的输送、冰雪转化以及雪晶凝华、聚合,冰晶数浓度中心对应着上升运动顶部。然而此次降雪云系低层过冷云水含量不足,降雪回波<20 dBZ,回波顶高<7 km,雪花垂直下落速度<2 m s-1,地面降水量大值与低层强回波区对应。降雪粒子谱分布范围较窄,以直径1 mm左右的小粒子为主,相态主要为干雪,基本不存在混合相态。     

2008年1月一次强降雪冰冻过程的数值模拟与分析

采用NCEP 1°×1°再分析资料和常规观测资料,利用中尺度数值模式WRF对2008年1月25-29日发生在长江中下游地区的强降雩冰冻过程进行数值模拟,模拟结果显示:WRF模式可以较好地模拟出此次强降雪冰冻过程高低空环流形势演变特征以及降水雨雪带的分布.诊断分析结果进一步表明,西南低空急流对水汽的输送使得长江中下游地区成为很强的湿度区,为强雨雪冰冻的发生提供了充足的水汽条件.对降雪及冻雨的云微物理过程特征分析表明,中低空-600-900 hPa逆温层的存在与降雪及冻雨的发生密切相关,固态降水粒子经0℃以上逆温层融化后形成过冷却水降落至冷的地面形成冻雨,而雪的形成过程中逆温层的温度小于0℃.     

北方两次不同类型降雪过程的微物理模拟研究

利用中尺度模式MM5分别模拟了中国北方地区两次不同类型的降雪过程:2001年12月7—8日的北京小雪和1999年11月23—24日的辽宁雨转雪过程。文中还从微物理角度研究了这两次降雪过程,分析不同天气条件下降雪的水成物相态及其源汇项分布特点,并初步探讨云物理过程对降水热力、动力过程的反馈作用。重点分析了云物理变量的模拟结果,计算时采用输出水成物源、汇项小时累计量的方法,讨论了最大降水时段内各源、汇项的分布特征,并通过敏感性试验,分析了水成物相变潜热作用和降水粒子的拖曳作用对云的反馈影响。结果表明,云中水成物相态分布与温度有密切关系,北京小雪过程为气、固两相粒子作用,辽宁雨转雪过程为气、液、固三相粒子相互作用;在最大降水时段内,雪的产生主要来自于水汽凝华增长和雪收集冰晶增长,过冷水对形成霰很关键,冰相粒子融化加强雨的形成;降雪过程对热力、动力过程具有一定的反馈影响,相变潜热对上升运动和降水有正反馈作用,降水粒子下落拖曳力对上升运动和降水有负反馈作用。辽宁降雪过程降水粒子丰富,云物理过程对降水热力动力过程的反馈作用比北京小雪要强一些。     

不同云微物理方案对青藏高原一次强降水的模拟影响分析

利用WRF模式中三种云微物理参数化方案(Lin、Eta和WSM6)对青藏高原一次强降水过程进行模拟试验,将模拟降水结果与实测资料进行对比,以评估不同云微物理参数化方案对该区域降水过程的模拟性能。结果表明:三种方案均能够模拟出此次降水天气过程的发生,但在主要降水区域和降水强度两方面仍与实测资料存在偏差;在水凝物方面,三种方案对冰粒子的模拟较接近,Lin和WSM6方案模拟的雪粒子差异较大,但霰粒子无明显差异。进一步对比分析了Lin和WSM6方案模拟的云微物理转化过程,结果表明:这两种方案都表现出了霰向雨水转化的特点。在Lin方案中,通过水汽向霰粒子凝华、霰碰并水汽凝华生成的雪粒子以及霰碰并云水这三种过程生成的霰粒子最终融化为雨水。而在WSM6方案中,一方面水汽凝结成云水,云水被雪和霰粒子碰并收集转化为霰,之后霰融化为雨水;另一方面水汽凝华为冰粒子,一部分冰转化为雪,雪直接融化为雨水或转化为霰融化为雨水,另一部分冰转化为霰,霰融化为雨水。      

云凝结物平流输送对降水云系发展影响的数值模拟研究

大气动力学中"平流输送"是非常重要的宏观动力学过程,云凝结物的平流输送与降水云系的发展演变密切相关,它把宏观动力过程与各种云凝结物粒子的时空演变联系起来,云凝结物的平流输送可以增加或减少局地大气中云凝结物的含量,改变云凝结物的空间分布状况,影响云凝结物的微观物理过程,进而促进或抑制降水云系的发展演变.本文在数值模拟研究中.通过改变云凝结物平流输送的状况来研究宏观动力过程对云微观物理过程的影响,因而利用ARPS模式开展3个分别排除云凝结物水平平流输送、垂直平流输送和三维平流输送的敏感试验,进行关于云凝结物平流输送对降水云系发展演变影响的敏感性数值模拟研究.结果表明,云凝结物的平流输送对水汽比湿的影响很小.云凝结物的三维平流输送有利于增加降水云系中雪和霰的混合比含量,抑制云水、雨水和云冰混合比含量的增长.云凝结物的水平平流输送可以降低降水云系中云水和雨水的混合比含量,增加云冰和雪的混合比含量;云凝结物垂直平流输送的作用是增加降水云系中雨水、雪和霰的混合比含量,减少云与冰混合比含量.云凝结物三维平流输送效应的分析表明,云凝结物的三维平流输送主要通过调整云凝结物的微物理过程源汇项以及降水粒子(雨水、雪和霰)的下落末速项来改变降水云系中云凝结物的垂直结构;另外,雪的三维平流输送对雪本身的分布也有一定影响.     

太行山迎风坡降水云微物理结构数值模拟分析

利用MM5模式对太行山迎风坡暴雨过程进行了数值模拟,分析了太行山迎风坡降水的微物理结构特征及山脉对降水的影响。结果表明,降水过程既有太行山地形作用造成的暖云降水又包含汽、水、冰混合的冷云降水,当冰相粒子与液态水的中心上下接近垂直时,1 h降水量最大;地形对于降水增幅作用较大,低层东风遇太行山阻挡辐合抬升形成地形雨;地形造成的弱垂直运动将影响高层上升强度,进而改变水汽分布,并通过微物理过程使得水汽发生相变,该个例中垂直上升运动使得雪和霰相粒子迅速增长,从而导致雨滴增大并克服重力作用下降,在下落过程中捕获低层地形云中水滴变成更大雨滴降落;而在上升过程中水汽凝结释放潜热,对物理量场有一个反馈作用。     

南海季风区冰相相变潜热对中尺度对流云和降水影响作用的数值模拟研究

利用可分辨云模式及中国南海北部试验区加密探空的平均水平风场、位温场和水汽场模拟分析了1998年5月15日至6月11日中国南海北部地区中尺度对流系统(Mesoscal Convective System,简称MCS)中冰相相变潜热对云和降水、辐射传输以及大尺度环境场的影响作用。研究表明,冰相相变潜热总体上不会引起明显的大气辐射通量的变化,但会引起较明显的下垫面热通量的变化。凝华潜热释放显著地增加了大气稳定度,造成对流和下垫面热通量的减弱,从而导致地面降水减小10.11%。碰冻潜热释放也使得大气稳定度增加,不利于中尺度对流系统对流的发展,区域累积降水量减小2.2%。融化潜热的冷却效应,使得融化层以下的大气降温,从而增加了低层大气的不稳定性,有利于海面热通量的输送,导致MCS降水增加4.1%。因此,冰相相变潜热对降水的影响主要是通过影响大气环境稳定,进而影响洋面感热通量和潜热通量的垂直输送和对流的发展,导致区域降水改变。     

地形动力作用对华北暴雨和云系影响的数值研究

为了进一步研究地形对华北暴雨的影响,本文从云微物理学的角度出发,选取了2005年7月22～24日的一次华北暴雨过程为研究对象,利用中尺度数值模式ARPS,通过地形高度敏感性试验,详细讨论了地形高度变化对流场、云及降水微物理过程的影响.结果表明:地形高度变化对水平和垂直流场的大小和分布都有较大影响;地形高度增加有利于迎风坡附近水平风场辐合和垂直上升运动发展,这对云的垂直和水平发展影响都很大,尤其是对中高层云的发展影响最明显,并且能明显扩大地面降水的分布范围,地面最大降水量也有所增多.这主要是由于地形高度增加后能促进中高层云水的产生,尤其是零度层之上的过冷云水含量的增多,这大大促进了冰相粒子(雪和霰)的增多,从而使得以冷云过程为主的此次降水过程中,冰相粒子融化形成的雨水含量增多.虽然地形高度的增加会抑制云系发展前期的暖云过程,但对冷云过程有持续加强作用,而且不会明显改变云内降水的形成机制,冷云过程依然是降水的最大贡献项,总体上促进了云和降水的发展.     

不同微物理方案对台风“彩虹”(2015)降水影响的比较研究

本文以GFS资料为初始场,利用WRF（v3.6.1）模式对2015年第22号台风“彩虹”进行了数值研究。采用CMA（中国气象局）台风最佳路径、MTSAT卫星、自动站降水为观测资料,对比了4个微物理方案（Lin、WSM6、GCE和Morrison）对“彩虹”台风路径、强度、结构、降水的模拟性能。模拟发现上述4个云微物理方案都能较好地模拟出“彩虹”台风西行登陆过程,但是其模拟的台风强度、结构及降水存在较大差异;就水成物而言,除GCE方案对雨水的模拟偏高以外,其他方案对云水、雨水过程的模拟较为接近,其差异主要存在于云冰、雪、霰粒子的模拟上。本文对比分析了WSM6和Morrison两个方案模拟的云微物理过程,发现WSM6方案模拟的雪和霰粒子融化过程显著强于Morrison方案,但是冰相粒子间转化过程的强度明显弱于Morrison方案。云微物理过程的热量收支分析表明:WSM6方案模拟的眼区潜热更强,暖心结构更为显著,台风中心气压更低。细致的云微物理转化分析表明,此次台风降水的主要云微物理过程是水汽凝结成云水和凝华为云冰;生成的云水一方面被雨水收集碰并直接转化为雨水,另一方面先被雪粒子碰并收集转化为霰,然后霰粒子融化成雨水;而生成的云冰则通过碰并增长转化为雪。小部分雪粒子通过碰并收集过冷水滴并淞附增长为霰粒子,随后融化为雨水,大部分雪粒子则直接融化形成地面降水。     

北京地区一次降雪系统大气水凝物输送特征及降雪微物理机制的数值模拟研究

北京冬季降雪云系存在丰富的可开发利用的云水资源。出于人工增雪研究和充分开发云水资源的需要,文中对北京2019年11月29日发生的年度首场降雪进行了观测,对其资料做了分析和中尺度数值模拟,研究了降雪过程的宏观特征、水凝物输送及降雪的微物理机制。结果表明:影响本次北京降雪的是稳定性层状冷云云系,水凝物主要从北京区域的西边界和南边界输送到区域内,而从东边界和北边界流出,具有西向和南向分量的湿气流是降雪云系水物质的输送通道。降雪云中的水凝物基本全为冰晶和雪,有少量的云水,整层云系都含有非常丰富的水汽并且贯穿整个降雪时段。在冰面过饱和环境中,水汽凝华（Prds）是雪的主要增长过程;其次是云冰增长成雪（Prci）和云冰聚合成雪（Prai）的过程。     

北京北部山区两次降雪过程微物理形成机制的观测—模拟研究

降雪是北京冬季的重要降水天气过程,但目前对实例降雪形成的微物理机制的观测-模拟研究较少。本文利用中尺度WRF模式结合外场观测资料,对北京2015年1月24日和11月5~6日两次不同天气条件下的山区降雪云系的微物理结构特征及降雪形成的微物理转化机制进行了分析研究,定量比较了云中水凝物含量的比例和降雪形成机制的差异。研究结果表明:(1)由于两次降雪过程的天气形势和水汽输送有较大差异,导致降雪形成的微物理转化机制也出现较大差异。11月5日降雪第一阶段水汽输送较强,云中过冷水含量较高,降雪形成以凝华增长和凇附增长为主,地面表现为雨夹雪天气,而1月24日和11月5~6日第二阶段水汽输送弱,降雪形成以凝华增长和聚并增长为主,地面表现为纯降雪天气;(2)11月5日的雨夹雪天气过程中,云中不仅有冰晶(9%)、雪晶(72%),还有云水(6%)和雨水(12%)的存在,高层生成的雪胚在下落过程中主要通过凝华(78%)和凇附(20%)过程增长。而1月24日与11月5~6日第二阶段的纯降雪过程中,云中水凝物分布相似,以冰晶和雪晶为主,1月24日冰晶含量占28%,雪晶含量占72%;11月5~6日冰晶含量占11%,雪晶含量占88%,冰粒子主要分布在高层。首先高层6~12 km通过云冰转换生成的雪胚下落到低层水汽充足区,然后通过凝华和聚并过程增长,1月24日凝华增长过程占92%,聚并增长过程仅占5%;11月5~6日凝华占88%,聚并仅占3%。(3)垂直上升气流速度与冰晶、雪晶生成和增长过程呈正相关,上升气流带来充足的水汽,配合垂直运动使得雪胚增加,凝华、凇附凇附和聚并过程增强,导致雪晶含量增加。     

河南省2002年秋季一次层状云降水过程的观测研究

在涡旋云系和低槽切变云系的先后影响下,2002年10月16-20日河南省产生了主要由层状云形成的小到中雨天气。中低层对流不稳定层结和偏东偏南暖湿气流为降水提供了有利条件。较厚的云体多为混合相结构,雷达回波普遍有明显亮带,过冷云区冰相粒子含量较过冷水高,暖云区云水含量偏低,雨水浓度基本随雨滴直径指数递减,较大雨滴对雨强的贡献大。推测总体降水机制可能为,冷云过程强于暖云过程,冰粒子凝华增长是其主要增长方式,冰粒子融化对地面降水有较大贡献。云系宏微观结构和降水特征都表明在层状云系不同部位存在不均匀性。     

北京冬季降水粒子谱及其下落速度的分布特征

为了深入探讨北京冬季云降水的微物理特征,提高雷达反演冬季固态降水的精度和冬季降水的预报水平,利用PARSIVEL（Particle Size and Velocity）降水粒子谱仪所观测的冬季降水粒子谱,结合地面显微镜粒子图像和云雷达数据,对比分析了北京海坨山地区冬季过冷雨滴、霰粒、雪花、混合态降水的粒子谱和下落速度特征,得到主要结论如下:（1）霰粒降水过程的云顶最高,整层的含水量最大,低层的退偏振比（LDR）最小,粒子更接近于球形;降雪过程的云顶最低,云中含水量最少,低层的退偏振比较大;混合态降水过程的雷达回波强度和高度特征介于两者之间,但低层的退偏振比最大;（2）在云中上升或下沉气流及湍流的影响下,过冷雨滴、霰粒和雪的下落速度均对称分布于各自理论下落末速度曲线的两侧。因此可根据粒子浓度相对于其直径和速度分布的中轴线位置,判断出该段降水过程中的主要粒子形态;（3）冬季雪花、霰粒和混合态降水粒子下落速度分布的散度较雨滴更大,其原因是由于冷云降水过程的粒子形态复杂,且固态粒子下落过程中更容易受破碎、聚并和凇附等微物理过程影响;（4）在4种降水类型中,雪的平均直径和离散度最大,雨滴最小;混合态降水粒子的总数浓度最大,雨滴的总数浓度最低,并且4种降水类型的粒子数浓度、平均直径和离散度均随降水强度的增大而增大。      

区域冷锋降水微物理机制研究

20世纪利用一维层状云模式对2002年4月4~5日河南省冷锋降水过程进行了模拟。数值模拟结果显示,此次冷锋降水属于冷云降水过程,冷锋前后云中主要以冰相粒子为主,云中水质粒自上而下的空间分布依次为冰晶、雪、云水、霰、雨水。冷锋前后,各种水质粒有着不同的含量及数密度,但形成水质粒的主要微物理过程都表现为:冰晶数密度的增加主要依靠核化、繁生,大部分雪主要靠凝华、撞冻过冷云水和冰晶增长,霰的质量增加主要靠撞冻雪、过冷云水和雪自动转化而来,大部分的雨水是由霰融化而来,因而此次冷锋降水机制表现为“水汽—雪—霰—雨水”。     

OBSERVATION ON CHEMICAL COMPOSITION OF SUPERCOOLED CLOUD AND SNOW

The rime ice samples of seven cold-cloud events,including the snow samples of two events,were col-lected at Huangshan Mountain Summit (1840m in elevation) in the January of 1986 and 1987.The resultsof analyses of the chemical composition of the rime ice and the falling snow for the events showed that thecloud water under the prevailing wind of SW,W and NW had a less pH than 5.6 while the snow and the localclouds had a larger pH than 7.0.SO_4~(2-) was the dominant ion that influenced the cold-cloud events.The ma-ximum value of pH and the minimum value of [SO_4~(2-)] appeared at the middle part of the cold-clouds.Compar-ed with the cold-cloud water,the snow had a characteristic of larger pH and lower ion concentrations.Thevariation of the ion concentrations in precipitation may be partially due to higher percentage of the solid pre-cipitation.     

影响哈密降雪异常的大气环流及水汽输送特征

利用1960—2020年哈密市6个气象站降雪观测数据及NCEP再分析资料，对哈密市降雪的时空分布特征及降雪异常年的大气环流和水汽特征进行了分析，结果表明：哈密市降雪中部多南北少，降雪日数12月最多，降雪量11月最多；降雪量和降雪日数总体呈增加趋势，但主要在2010年前增加，之后减少；降雪以小雪为主，大雪以上量级降雪较少。降雪偏多时，高层偏西急流增强，急流区北扩，中层伊朗副高加强北抬，极锋锋区南压，脊前低槽南下东移；低层风速增大，出现风向辐合和气旋性切变，地面锋面气旋加强，水汽输送增大，低层水汽含量多。降雪偏少时，高层急流偏弱，急流轴南移，中层西风气流控制，极锋锋区偏北，新疆脊东移，冷空气偏北，低层风速辐散增强，北方气旋偏北偏弱，水汽输送量小，水汽含量也少。     

Sensitivity of Snowfall Characteristics to Meteorological Conditions in the Yeongdong Region of Korea

This study investigates the characteristics of cold clouds and snowfall in both the Yeongdong coastal and mountainous regions under different meteorological conditions based on the integration of numerical modeling and three-hourly rawinsonde observations with snow crystal photographs for a snowfall event that occurred on 29?30 January 2016.We found that rimed particles predominantly observed turned into dendrite particles in the latter period of the episode when the 850 hPa temperature decreased at the coastal site,whereas the snow crystal habits at the mountainous site were largely needle or rimed needle.Rawinsonde soundings showed a well-defined,two-layered cloud structure along with distinctive wind-directional shear,and an inversion in the equivalent potential temperature above the low-level cloud layer.The first experiment with a decrease in lower-layer temperature showed that the low-level cloud thickness was reduced to less than 1.5 km,and the accumulated precipitation was decreased by 87%compared with the control experiment.The difference in precipitation amount between the single-layered experiment and control experiment(two-layered)was not so significant to attribute it to the effect of the seeder?feeder mechanism.The precipitation in the last experiment by weakening winddirectional shear was increased by 1.4 times greater than the control experiment specifically at the coastal site,with graupel particles accounting for the highest proportion(~62%).The current results would improve snowfall forecasts in complicated geographical environments such as Yeongdong in terms of snow crystal habit as well as snowfall amount in both time and space domains.     

毫米波测云雷达在降雪观测中的应用初步分析

本文利用毫米波云雷达联合称重式雨量计、气球探空和S波段天气雷达在北京对2015年11月三次降雪进行了观测,以2015年11月22~23日降雪过程为例,主要从降雪系统的宏观结构特征、微物理变化以及毫米波雷达在降雪探测中电磁波衰减情况、雪粒子含水量和地面降雪量估测几方面进行初步分析。结果表明:（1）毫米波云雷达具有高时空分辨率,能对降雪系统进行精细化探测,在降雪系统发展最旺盛的阶段能够通过反射率（Z）、退极化比（LDR）和径向速度（V）初步判断出云中是否含有过冷液滴;（2）降雪回波强度最大值能反映整层云系中含水量最大的区域,当最大值Z大于20 dBZ时,最大值的大小、最大值持续时间、最大值出现的高度与地面降水量成正相关,速度最大值表示云中粒子上升最大速度（速度为正时）或者粒子下落的最小速度（速度为负时）,主要分布在－0.5~2 m s?1,速度最小值表示粒子下落的最大速度,主要在－3~－1 m s?1;（3）随着高度增加反射率的垂直廓线会出现多个峰值,这是由于不同高度层风速分布不均造成的,降雪回波这种特点比降雨回波更明显;（4）对比Ka与S波段雷达反射率可知,两雷达反射率平均差值小于2.5 dBZ,Ka波段反射率略大S波段雷达反射率;（5）降雪量反演与地面降雪量仪数据对比,逐小时降雪量反演精度为20.38%,累计降雪量反演误差为6.58%,24小时累计降雪量绝对误差为1.9 mm,说明云雷达估算累计降雪量具有较高的可行性,能够很准确的反映地面实际降雪情况,当降雪系统发展旺盛时,雪粒子含水量分布在0.05~0.15 g m?3,在降雪初期或者降雪系统消散期,雪粒子含水量一般小于0.04 g m?3,能够很好地反映出整层降雪回波的雪粒子含水量。这些云雷达在降雪观测中的应用和初步分析结果可以更好的地了解降雪系统宏微观结构,为云模式的发展和人工影响天气中增雪潜力评估提供一些参考。     

贵州铜仁一次罕见暴雪过程分析

本文将利用常规探测资料、NCEP再分析资料和多普勒雷达资料,对2018年12月29～30日铜仁市暴雪过程的环流形势特征与成因进行分析,结果表明：此次暴雪过程发生在高空南支槽、多波动槽东移、700hPa西南暖湿急流输送及850hPa东北回流冷垫的环流背景下,表现出持续时间长、范围广、强度大、积雪深的特征;强降雪阶段对流层低层有来自孟湾的源源不断的水汽输送,湿层厚度增强,且有较强的水汽辐合;700hPa较强的垂直上升运动及对流层中低层较强的垂直风切变利于暴雪天气的发生;强降雪时刻暴雪区800hPa以上位于高层冷平流、低层暖平流的叠加区域,为不稳定大气;此次降雪具有对流性和持续性特征,雷达反射率回波云团具有列车效应。