北京一次大风和强降水天气过程形成机理的数值模拟

利用3维强风暴冰雹分档模式(IPA—HBM)对2001年8月23日北京的一次伴有大风、暴雨和冰雹的强对流天气过程进行模拟和分析，并与部分观测资料进行了比较分析。结果表明，该模式对此次强风暴的生命史、降水分布、降雹的大小等要素做了较好的模拟，并能够模拟出伴随强风暴过程所产生的强下沉气流和及地面强风速切变(下去暴流)。从云微物理学角度分析了此次局地性大风的形成原因，认为由高空冰雹粒子的拖曳产生的负浮力作用是促发强下沉气流产生的主要原因，其次是冰雹的融化和雨水蒸发冷却对下沉气流起加速作用，冰雹的拖曳和融化作用对下沉气流具有决定性作用。强风暴所产生的爆发性强下沉气流最终导致了局地大风的形成。     

辽宁地区不同降水云系雨滴谱参数及其特征量研究

利用位于辽宁省沈阳市和辽阳市的Parsivel（Particle Size and Velocity）激光雨滴谱仪观测到的雨滴谱资料按照积雨云降水系统、积层混合云降水系统和层状云降水系统分析雨滴谱特征量和谱参数的平均特征及随时间的演变特征。结果表明:Gamma分布拟合谱参数N₀和λ按照层状云、积层混合云和积雨云的顺序减小,谱参数μ按照层状云、积层混合云和积雨云的顺序增大;直径小于1 mm的降水粒子对数浓度的贡献最大,直径大于1 mm的降水粒子对雷达反射率的贡献最大;M-P分布的谱参数N₀与雨强I具有幂函数关系,并且随着雨强I的增大而增大,谱参数λ与雨强I具有指数函数关系,随着雨强I的增大而减小。     

三维冰雹分档强对流云数值模式研究：Ⅰ、模式建立及冰雹的循环增机制

针对现行冰雹云参数化模式中假定冰雹谱服从特定的负指数分布，冰雹增长率依赖其加权平均末速度以及粒子间的数浓度转换不守衡等局限性，作者建立和发展了一个包括云滴、云冰、雨滴、雪团、霰和雹的云中主要水成物场及凝结、撞冻等37种主要微物理过程，可用于预测和研究三维强冰雹云降雹过程的冰雹分档模式，模式能够提供在雹云参数化模式中无法提供的关于冰雹增长与分布的信息，研究共分三部分；模式的建立及冰雹的循环增长机制；冰雹的分档分布特征；冰雹产生与增长的微篁,经一部分，通过建立模式及模拟一个多单体风暴个例，对多单体中冰雹的增长机制进行了数值模拟研究。     

北京强雷暴的地闪活动与雷达回波和降水的关系

对2000-2001年发生在北京地区的8次天气过程进行了闪电与降水特征的统计分析，并针对两类典型暴雨和冰雹天气进行了详细的雷达、闪电特征分析。结果表明：降雨和降雹天气的地闪特性具有明显差异。降雹天气的正闪比例较大，特别在降雹前正闪频数增加剧烈。闪电通常发生在45dBZ以上的回波区，比目前“闪电在中纬度通常发生在30～45dBZ”等其他一些研究结果偏高。     

2003年8～9月北京及周边地区云系微物理飞机探测研究

对2003年8～9月北京及周边地区4次飞机探测结果，特别对资料较完整的8月15日的层积云（Sc）和9月4日的层状云（St）系进行了较详细的分析。结果表明，FSSP－100测量的小云粒子（云滴、冰晶）最大浓度的变化范围从Sc云的120 cm-3到深厚高层云（As）的183 cm-3，平均直径7.22～16.05 μm。2D－GA2探头观测的冰粒子最大浓度变化范围从2.25×10-3 cm-3到3.29×10-1 cm-3。机载King热线液态水含量仪（King－LWC）的最大含水量变化范围为0.42～0.69 g/m3。St云垂直和水平分布不均匀特性很明显，高空（-10℃层以上）有较大的小云粒子浓度，达到120 cm-3以上，尺度也比较大，最大值为20 μm。云中液态水含量随高度缓慢减小，基本处于0.1～0.2 g/m3的范围。在-5.9～-8℃层，主要是柱状冰晶和少量结淞体，-8～-12℃层显示基本为结淞粒子，-20℃层左右表现出较多的枝状冰粒子。大冰粒子浓度基本在0.01～1 L-1左右。Sc云和St云的平均谱存在明显的差异。Sc云系的大粒子不同层的平均谱很相似，为单峰分布，谱宽达到1500 μm。越到云低层，云粒子浓度越低。St云系的大粒子不同层的谱分布差异比较大，云中在0～-8℃和-8～-12℃层，直径小于400 μm的粒子谱型基本相似，大于400 μm的大粒子谱分布差异较大，-8～-12℃层有明显的双峰分布特征，而0～-8℃呈现多峰特征，谱宽达到1300～1400 μm。     

一次东北冷涡中对流云带的宏微物理结构探测研究

利用2003年7月8日的东北冷涡中对流云带的飞机穿云观测资料，结合雷达、卫星云图及天气图等资料，详细分析了此次冷涡对流云带的宏观特征、微物理结构，并对降水形成机制进行初步探讨。此次东北冷涡对流云系具有明显的带状水平回波结构，中等强度，垂直尺度小（小于6 km），云过冷液态水含量丰富，最大可达3.3 g/m3，云的上部过冷水含量也达到2.0 g/m3。对流云带的上部存在冰粒子高浓度区，最大值为1062 L-1，出现在5242 m（-6.8℃） 处，这些冰粒子在高过冷水含量区的快速长大对降水产生起到重要作用。云滴直径与云滴浓度在0℃层附近呈现负相关性；通过分析解释了上升气流强的区域有更小的云滴粒子和冰晶粒子的原因，上升气流的作用造成了0℃层以下粒子浓度的积累。在弱上升气流区，2-DC观测的粒子浓度，高浓度区对应小粒子多，低浓度区对应大粒子多。并初步探讨了冷涡对流云带可能存在冰晶繁生过程。     

积云并合在强对流系统形成中的作用

利用中尺度非静力平衡模式（MM5V3），模拟研究了积云并合过程在北京2001年8月23日一次产生强降水和冰雹对流天气形成中的作用。研究结果表明，积云并合在此次强中尺度对流系统（MCS）形成中有非常重要作用。整个形成过程经历了从单体并合、积云团并合和强中心并合的多尺度并合过程。首先，相邻孤立对流单体之间通过在中层形成云桥并合成为积云团，接着相邻积云团之间也通过中层云桥并合形成具有多个强中心的中尺度对流系统，最后，中尺度对流系统内强中心实现并合。而强中心并合过程伴随着强降水、大风等剧烈天气的产生。积云下沉气流对于积云并合有着重要作用，由强辐散出流形成的上升气流及与环境风相互作用有利于并合的形成和发展。并合过程导致云内上升－下沉气流增强，对流运动发展加强，有利于水汽转化，形成大量过冷云水和冰相粒子。大量冰晶和霰的形成有利于强降水的产生。     

2011~2013年中国冻雨、冻毛毛雨和冻雾的特征分析

研究冰冻天气的特征对于更好的认识冰冻天气,提高此类天气的预警预报能力,从而达到防灾减灾有重要意义。利用2011~2013年间中国民航机场的一小时或半小时一次的例行观测和特殊观测资料,分析了冻雨、冻毛毛雨和冻雾天气的时空分布、持续时间和气象条件等特征。研究结果表明:我国大部分地区均会发生冰冻天气。冻雨和冻毛毛雨的频发区与其持续时间较长区比较一致,而冻雾的少发区,其持续时间也可能较长。我国冰冻天气最容易在冬季(12~2月)发生,在1月出现的比例最高;在凌晨[00~07时(当地时间,下同)]出现频率相对较高,午后(13~14时)出现频率最低。一次冰冻天气的持续时间一般不超过2个小时。温度在-3~-1℃,露点温度在-4~-1℃,温度露点差在0~1℃时冰冻天气发生的频率最大。出现冰冻天气时的风向以东北风和北风为主,而平均风速在2~3.9 m s-1时冻雨和冻毛毛雨发生的频率最大。我国冻雨和冻毛毛雨发生时,同时常会有雾或轻雾;冻雾出现时,一般不会伴随其他天气。     

利用地基多通道微波辐射计遥感反演华北持续性大雾天气温、湿度廓线的检验研究

地基多通道微波辐射计可提供高时间分辨率的大气温、湿度和液态水含量廓线遥感探测数据,为大气层结及云雾形成和演变特征研究提供了重要手段,但对其观测数据的可靠性检验研究很少。本研究在对比晴空MonoRTM模拟亮温和微波辐射计观测亮温的基础上,利用华北地区2009—2013年11个雾天气过程的170个时次(其中30个为雾发生时次)的探空数据,检验了美国Radiometrics 35通道MP-3000A型微波辐射计(Microwave Radiometer Profiles,MWRP)探测的温度、水汽密度和相对湿度数据,并结合系留气艇和CloudSat云雷达等观测资料,检验了典型雾个例的MWRP反演的温、湿度廓线数据。与探空数据的比较表明,两者的温度(T)数据的相关系数超过0.98,水汽密度(ρ)的相关系数超过0.95,但相对湿度(RH)的相关系数只有0.67左右。总样本误差分析中MWRP反演的T比探空偏低约3℃,ρ的均方根误差(E)在1 g/m~3以内,RH在1—7 km高度偏大,总样本RH垂直平均E在18%左右,雾天时的RH垂直平均E在23%左右。与系留气艇观测数据比较表明,MWRP反演的T也偏低,但两种探测方式的T和RH在指示雾的发展演变过程中具有很好的一致性。CloudSat云雷达数据验证了MWRP反演显示中高层出现高RH区与云的存在有关。     

探测大气温湿廓线的35通道微波辐射计设计原理与特点

总结了自主研制的MWP967KV型地基35通道微波辐射计系统设计原理和主要特点。系统将K、V双频段宽带天线及接收机、宽带调谐本振、温湿压计以及电源模块紧凑集成为一台整机设备。对各传感器的测量输出实时进行一体化综合处理,采用BP神经网络实时反演大气温度、湿度廓线和汽、水总量。廓线的垂直覆盖范围为地表至顶空10km,共划分为58层。辐射计样机于2012年秋冬季节在北京地区开展了为期2个月的观测试验,利用这段时期内的69个探空资料样本对辐射计2个层次的实时观测输出都进行了对比检验,计算了水汽、氧气通道亮温和反演所得大气温湿廓线的平均偏差、均方差以及相关性。结果表明该系统能够满足实时气象监测的需求,达到国际先进水平。