在线连续流量扩散云室对华北冬季大气冰核的观测分析

利用国内首台在线连续流量扩散云室,2017年冬季在华北地区高山站开展了大气冰核观测;结合常规气象要素、降水滴谱、气溶胶观测,分析了大气冰核数浓度特征,并对冰核活化参数化方法以及降雪对冰核的影响进行了研究。结果表明:（1）大气冰核在不同时间的浓度差异较大,?20°C时数浓度变化范围为2.50～76.8 L?1,平均值为18.347 L?1;（2）大气冰核浓度随活化温度降低呈指数增加趋势,随过饱和度增加呈指数增加,凝华核化所占比例约为18.64%;（3）大气冰核与粒径大于0.5 μm的气溶胶数浓度的关系可用参数化表示,相关性大于仅基于活化温度建立的参数化公式;（4）降雪过程大气冰核具有先增加后减少的特征。降雪开始后大气冰核数浓度增加,降雪后期系统过境伴随的大风,对气溶胶的清洗作用明显,大气冰核随之减少。本研究为在线连续流量扩散云室类型的冰核观测仪在国内首次使用,所建立的冰核参数化公式有助于华北地区冬季地形云及其降水的微物理特征研究,同时在云模式的发展和人工影响天气研究中也有重要的参考意义。     

利用双线偏振雷达分析人工防雹作业效果

以北京市平谷区2011年6月11日防雹作业为例,利用双线偏振雷达资料,选取与作业区条件十分接近的云块为对比区,根据回波移动方向和速度,跟踪分析在不同高度上防雹作业前后云体宏观结构特征和粒子相态等微物理变化过程。作业后云体所呈现特征为:1作业区的云顶高度、强回波中心高度迅速下降,对比区变化不明显;2作业区水平反射率Zh减小,差分反射率Zdr、零相关系数ρhv增大,单位差分传播相移Kdp小范围内波动,对比区Zh、Zdr、Kdp变化不明显;ρhv增大;3作业区对流减弱,高层较大冰雹粒子、大雨滴下沉明显,最终以霰粒子为主;而对比区域则对流仍然旺盛,冰雹粒子有增多趋势。以上特征表明防雹作业可有效抑制冰雹胚胎成长为冰雹的过程,通过偏振雷达观测参量可对防雹作业效果进行较好的验证。     

X波段双极化雷达在北京夏季降水估测中的应用

利用X波段双极化雷达和地面自动雨量站数据对北京地区2009年夏季降水进行分析,先采用低通滤波、衰减订正等方法对数据质量进行控制,提取了单位差分传播相移Kdp之后,分别拟合出X波段双极化雷达参数与降水之间的两个关系式:Zh=159R1.37及R=13.9Kdp0.81,最后再分别利用这些拟合公式对北京地区进行降雨估测。结果表明:雷达用这两个公式估测的降雨量与地面实测降雨量有较好的一致性;且当每小时降雨量大于10mm时,Kdp-R的估测比Zh-R估测更稳定、准确;通过平均标准差统计可知,Kdp-R估测精度明显高于Zh-R估测精度。     

星载雷达在订正地基天气雷达标定误差中的应用

在雷达反射率数据定量应用中,标定误差是导致结果产生偏差的重要原因之一。星载雷达（TRMM PR）长期工作的稳定性和连续性已被验证,本文将星载雷达数据转换到S波段,通过对比星载雷达和南京雷达同时段不同高度（相对于融化层的位置）不同降水类型（层云降水或对流降水）的数据,得到两部雷达对融化层以下层云降水的观测相关性高,差异稳定。通过对比分析星载雷达和南京雷达同时段零度层以下层状云降水的观测数据,得出两部雷达反射率因子值的回归关系式。以星载雷达观测数据为基准,使用该关系式对南京雷达反射率数据进行订正,并通过雨量计数据对订正结果进行验证,结果显示使用本文订正关系式订正后雷达估计的降雨量更接近雨量计的观测值。     

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。      

基于偏振雷达的积层混合云降水增雨潜力识别方法研究

本文统计分析了北京地区近三年的有效降水,重点研究了积层混合云降水特点并对其分类,发现积层混合云降水出现频次约占总降水次数的61%,其中积层混合云降水以积层连结型和水平混合型为主,二者之和占近80%。重点分析了积层混合云中对流和层云两种不同特点降水类型的宏微观结构,确立了反射率因子Z、温度T、粒子含水量M、催化剂AgⅠ（碘化银）活化率NE和粒子相态HTC（hydrometeor type classification）为人工增雨潜力识别指标及这些识别指标的取值范围,同时也根据研究现状和人工影响天气需求总结制定出人工增雨潜力等级。利用偏振雷达构建模糊逻辑识别算法对积层混合云三种降水类型进行增雨潜力区域识别研究,结果表明:（1）对于播撒碘化银增雨来说,积层混合云的增雨潜力区在垂直方向上可分为上、中、下三层,上层（增雨等级为“不适合”）和下层（零度层及以下）分别受含水量和温度等影响不适合增雨,中间层（增雨等级大于等于“等级一”）是可增雨区域;（2）积层混合云中层云区增雨潜力较小,对流云区可增雨潜力要远大于层云区,开式流场型与积层连结型可增雨潜力要大于水平混合型;（3）当降水云中识别出霰粒子时,其附近的大部分区域会有较好的增雨潜力。通过偏振雷达实例检验和数值模式模拟在积层混合云不同部位播撒碘化银催化试验发现,在增雨潜力较好的区域催化有很明显增雨效果,模拟试验结论与偏振雷达识别增雨潜力区结果也基本一致,说明基于偏振雷达的增雨潜力区识别方法和结果是具有参考意义的。     

北京山区降雪微物理机制及催化影响的数值模拟研究北大核心CSCD

基于观测资料和中尺度数值模式WRF对2019年2月14日发生在北京地区的一次典型低涡低槽型降雪系统进行了观测资料分析和数值模拟,研究了降雪产生的云微物理机制,探讨了雪的形成过程并进行了人工催化降雪的数值模拟分析。结果表明:低涡前部暖湿平流带来的水汽和低涡切变线附近强烈的上升运动造成了此次区域性大雪;雪的凝华增长、雪降落过程中凇附云水继续长大、云冰自动转换为雪、冰晶和雪碰并聚合是此次降雪的主要微物理过程。催化模拟显示,人工播撒碘化银催化剂之后,云中产生大量冰晶,增多的冰晶通过凝华增长、碰并、聚合、凇附等转换成雪的过程增加,进而造成地面降雪的增加。     

一次基于风廓线雷达观测的北京夏季降水的垂直观测研究

本文利用风廓线雷达数据反演了降水云体的大气垂直速度、雨滴下落末速度等云动力特征和云水混合比、雨水混合比等云微物理参数,并结合天气雷达、探空、自动站、雨滴谱仪和微波辐射计等数据对2020年5月7～8日发生在北京市海淀区的一次夏季降水过程进行垂直综合观测。结果表明:垂直探测仪器观测及其反演的数据可以获得降水云体的详细动力参数和微物理特征。站点位于主体降水回波边缘,降水为层状云类型,整体回波较弱（主要在0～20 dBZ）,4 km高度的水平风垂直切变贯穿整个降水过程,降水分为两个阶段:前期7日20时（北京时,下同）至8日02时低层存在浅对流结构,云顶较高（平均高度8207 m）,低层水平风切变促进了对流发展,10～20 dBZ的回波比重较大,粒子谱较窄,直径＜1 mm,雨强较弱,但粒子数浓度值大,最大值26305 m?3,2～3 km处存在暖平流,水汽和液水值大,雨水混合比0.02～0.15 g/kg,云水混合比0.5～2 g/kg,且强值区域大,雨滴下落末速度3.2～4.2 m/s,大气垂直速度在±0.6 m/s之间,上升气流和下沉气流变换明显;后期8日02～10时转为典型层状云降水,云顶较低（平均高度7831 m）,＜10 dBZ的回波比重较大,3100 m处形成亮带的强值中心,粒子谱展宽,最大直径接近1.5 mm,粒子数浓度值减小,最大值＜3000 m?3,雨水和云水值比对流期小了一个量级,且强值范围变窄,雨滴下落末速度减小为2.8～3.6 m/s,大气垂直速度也比对流时期小了一个量级,并且在亮带高度以下（2.5～2.8 km）范围内出现明显横向带状的上升和下沉气流区。     

基于机载观测资料订正雷达比及其垂直分布特征

雷达比是激光雷达反演气溶胶光学特性的重要参数和影响因素。利用北京地区2016年一次清洁过程（12月10日）和两次污染过程（11月15～18日和12月16～19日）的微脉冲激光雷达、机载浊度计和黑碳仪以及多种地基观测设备,综合研究基于飞机观测订正雷达比的方法及其分布特征。清洁过程地面PM_2.5浓度低于40 μg m?3;污染严重时期的PM_2.5均高于150 μg m?3且能见度低于5 km,污染过程1存在高空传输的特征。研究结果表明相较于采用单一的柱平均雷达比,利用本文方法获得的雷达比垂直廓线反演得到的气溶胶消光系数和光学厚度更接近原位跟踪观测,精度均有提升。基于此方法获得的雷达比在污染发展不同时期垂直分布差异较大,主要分布在19～76 sr之间,清洁时期雷达比较小且垂直分布差异不大。污染过程1雷达比随高度波动增加至边界层顶（19～45 sr）;污染过程2严重期边界层内雷达比随高度由70 sr降低到20 sr;边界层以上均呈现小幅波动变化。边界层内雷达比垂直分布与气溶胶来源特别是高空气溶胶传输有密切联系,混有沙尘的区域传输显著提升了所在高度的雷达比值。边界层以上雷达比受少量大粒子或者强吸收性的气溶胶粒子的影响波动变化。边界层内消光系数增大时雷达比呈增加趋势;当相对湿度高于40%,边界层内雷达比随相对湿度增加而增大。     

北京海坨山区低槽降雪云系演变特征的观测研究

2019年2月14日在北京海坨山地区出现了一次由低槽云系产成的降雪过程。利用飞机、Ka波段云雷达、微波辐射计、降水粒子谱仪、雪晶显微观测仪等协同观测数据集,分析了此次降雪过程的天气形势、中尺度和微观结构的演变特征。协同观测显示:（1）降雪过程由高空低槽和地面倒槽槽前西南暖湿气流与低层东风回流干冷偏东风共同影响形成,西南风厚度和强度与地面降雪量以及降雪粒子数浓度成正相关。（2）降雪云系为冰云,地面降雪形状主要为片状、枝状和柱状单晶体,冰雪晶的凝华-聚并增长是降雪的主要形成机制。（3）大量枝状雪花的攀附现象出现在地形云爬升阶段,即低层东风回流减弱,转由倒槽槽前西南暖湿气流控制。（4）过冷水的出现与地形抬升有关,地形云爬升期间存在人工增雪潜力。