河北春季一次飞机人工增雪的综合分析

2013年4月19日,河北省人工影响天气办公室在河北中南部地区根据云系特点首次采用多层次水平催化和垂直验证的方式对层状云进行人工催化和探测。本文利用机载仪器所取得的飞机探测资料,结合实时天气、卫星、雷达、探空和雨量观测资料,分析了河北春季层状云增雪作业的技术指标,探讨了航测微物理参量和卫星、雷达、探空等资料在作业中的应用。结果表明：云在发展期雷达回波由15 dBZ逐步上升到25-35 dBZ,卫星反演的云顶高度、云顶温度、有效粒子半径、光学厚度等都有增加;云在中后期有效粒子半径、光学厚度、液水路径迅速下降,雷达回波同时减弱。在高度3 177-5 723 m之间过冷云滴达100-700个/cm^3,含水量在0.01 g·m^-3左右,最大0.081 g·m^-3,云粒子主要在此增长,形成降水粒子,该区间适宜催化。作业后,影响区内云体发展,雷达回波增强,出现35 dBZ强回波,且强回波中心扩大;卫星反演的云顶高度、光学厚度等比对比区有明显增加。     

安庆地区一次飞机积冰的气象条件分析

利用卫星、雷达、探空、飞机等观测资料和NCEP再分析资料,以及数值模拟结果,对2016年3月8—9日我国安庆地区的云系特征和飞机积冰气象条件进行了分析,并对比了几种积冰指数算法的计算结果。结果表明,此次飞机积冰发生在寒潮天气背景下,强冷空气造成锋面逆温。实测飞机积冰现象出现在对流降雨结束后的层积云层顶部,积冰高度对应高空锋区逆温层底部,云顶高度约为3.4 km,云顶温度为-10℃,无降水和雷达回波,云中主要为过冷水,丰沛时段飞机观测过冷水平均值为0.36 g·m~(-3),基本无冰相粒子。当云顶高度再度抬升,冰相粒子增多时,过冷水含量减少,不利于积冰现象发生。多种积冰指数对比分析表明,CIP初始积冰潜势算法较好体现了此次层积云飞机积冰特征。CPEFS模式模拟出了与实测比较一致的云宏微观结构。     

2009年天津地区首场降雪过程分析

基于NCEP再分析资料、多普勒天气雷达产品与风云卫星云参数反演产品,对天津地区2009年的首场降雪过程进行了分析,研究表明:①造成此次降雪的主要天气系统是东移高空槽和地面倒槽;②降雪回波具备典型层云稳定性降水回波的特点,最强回波不超过35 dBz,伴随着降雪结束,回波顶高有所下降;③降雪过程云粒子有效半径数值维持在20μm,云体过冷层厚度、云顶高度较大,云顶温度在-30℃左右.随着降雪结束,云粒子有效半径、云体过冷层厚度和云顶高度数值逐渐减小,云顶温度则有所升高;④地面降水量和云粒子有效半径、云顶高度、云体过冷层厚度呈现正相关,与云顶温度呈现负相关.     

太行山东麓一次低槽冷锋降水云系云物理结构和作业条件的飞机观测研究

2017年5月22日河北省出现一次低槽冷锋降水过程,河北省人工影响天气办公室利用机载粒子测量系统在太行山东麓区域对积层混合云进行了5次垂直探测。依据这些飞机探测资料结合石家庄天气雷达和邢台皇寺观测站的Ka波段云雷达资料分析了积层混合云的微物理结构和增雨作业条件。结果表明,降水云系出现在低槽槽前西南气流中,积层混合云由冷、暖云组成,云厚大于5 km,暖云厚度大于2 km,冷云厚度大于3 km,0℃层高度位于3577～4004 m,云底温度为15. 4℃,云顶温度为-17℃。云内出现最强雷达回波达45 d BZ的对流雨核,人工增雨作业应在雷达回波强度不超过40d BZ,且4000 m以上雷达回波强度不超过30 d BZ积层混合云区实施增雨作业。嵌入对流核的积层混合云中,5000 m以上冷云中上层过冷水含量达0. 2 g·m-3,比稳定的层状云中过冷水含量提高2～4倍;丰富的过冷水从雨核发展初期维持到雨核发展盛期,且该高度层是冰晶重要增长区,温度在-15～-5℃之间,适合催化作业。     

陕西中部一次超强雷暴天气的中尺度特征及成因分析

利用2007年8月8～9日陕西中部一次超强雷暴天气的闪电定位资料、 天气图、 多普勒雷达和卫星云图资料, 从动力学、 物理学等方面分析了此次强雷电天气产生的主要原因。结果表明： 远距离台风外围的低层偏东气流到达陕西中部, 增强了低层的水汽和能量, 对大暴雨和强雷电天气的产生起到了非常重要的作用; 中-α尺度对流云团发展期是产生高密度大强度雷电的主要时段, 雷电主要发生在TBB≤-60℃的云区; 产生强雷电的雷达回波强度达到50～60 dBz, 垂直液态水含量VIL为60～70 kg/m2, 云顶高度达到或超过15～17 km; 雷电的产生主要与对流云低层辐合区水汽通量的大小有关： 低层辐合区水汽通量比较小时, 有利于雷电的产生。     

一次飞机严重积冰的天气条件和云微物理特征

利用2021年2月28日机载探测资料,结合欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料、陕西省延安站探空资料,分析飞机发生严重积冰的天气背景和云的宏微观结构特征。此次严重积冰天气是受高空槽、低空切变线、低空急流和地面冷锋共同影响的结果。ERA5再分析资料表明:过冷水大值区主要分布于锋区前部暖侧的700 hPa至600 hPa高度。探空资料表明:飞机探测区环境温度为-9～-3℃,温度露点差为0℃,具有发生严重积冰的温度和湿度条件。飞机遭遇严重积冰期间环境温度为-8～-5℃,云粒子探头观测的液态水含量平均为0.35 g·m^-3,最大为0.7 g·m^-3;总水含量仪观测的液态水含量平均为0.5 g·m^-3,最大为0.85 g·m^-3,有11 min大于0.45 g·m^-3;云粒子中值体积直径平均为20.3μm,云粒子数浓度平均为149.3 cm^-3;云粒子数浓度由低层到高层呈增大趋势,而云粒子中值体积直径变化趋势与之相反。计算表明:国王350飞机在穿云作业时,云中过冷...     

面向业务应用的上海地区毫米波云雷达观测质量评估

基于宝山国家基本气象站部署的毫米波云雷达2019年的观测数据,辅以激光雨滴谱、微雨雷达、探空资料、风云四号卫星产品、地面雨量计等多元观测数据,从探测稳定性、探测能力、基数据和产品数据探测合理性等方面开展了毫米波云雷达观测质量评估。结果表明:毫米波云雷达在试验期间仅出现单次软件故障,且基数据全年获取率高于95％,探测稳定性较好;毫米波云雷达各高度最小可测回波强度位于-40～-20 dBZ,并随高度呈现出与理论相符的指数递减;9 km高度以下最小回波强度变化小于2 dB,最小回波探测能力稳定性较高,在降水率达到4～5 mm/h时,毫米波云雷达会出现强衰减导致的虚假晴空区。虽然多部毫米波云雷达的基数据存在差异,但与地面雨滴谱计算回波强度和微型雨雷达观测回波强度具有一致的垂直分布及时间演变特征。毫米波云雷达探测云顶云底高度与探空资料估算云顶云底高度、风云四号卫星反演云顶高度具有一定的一致性。拼接缝和距离旁瓣虚假回波是较为直观且能够对业务化应用产生直接影响的问题。     

卫星云参数与飞机云物理探测对比研究和飞行方案设计

开展卫星反演云特性参数与飞机观测的对比研究,对于更好地发挥卫星遥感观测在天气、云物理和人工影响天气方面的探测优势具有重要意义。选取2012年9月21日一次层状云降水过程,对比分析FY-2与MODIS反演云参数及飞机观测结果,探索了飞机检验卫星云参数的飞行方案。结果表明:FY-2反演云参数演变趋势与飞机观测结果有较好的一致性;FY-2反演有效粒子半径(Effective Radius,Re)和光学厚度(τ)与MODIS反演的Re和τ间相关性较好,但此个例FY-2反演值普遍小于MODIS反演值;探测区域FY-2反演Re频率分布与飞机观测Re分布有一定差异,FY-2反演Re偏小,MODIS反演Re频率分布与飞机观测结果更为接近;飞机观测计算得到的τ和液水路径值(Liquid WaterPath,LWP)与卫星反演τ和LWP差异较大,FY-2反演值明显偏小。对于Re的检验,飞机最好在Re分布不大均匀的云顶作较长距离平飞观测;对于LWP和τ等垂直积分参量的检验,飞机最好选择在光学厚度较均匀的小区域内螺旋爬升至云顶之上,再自云顶向下至最低高度进行垂直观测。     

FY-2卫星反演的云顶高度与多普勒雷达回波顶高的关系初探

对主要用FY-2C/D卫星并融合其他观测资料反演的云顶高度与多普勒雷达回波顶高的关系作了初步探讨。通过对20个主要由积层混合云和层状云造成的降水个例总数万个样本的统计分析表明,卫星反演云顶高与SA型号雷达回波顶高存在较好的正相关关系,两者的关系对组合反射率因子的大小不敏感。卫星反演云顶高与小于18 dBz反射率因子对应的回波顶高比与18 dBz回波顶高更接近,这主要是由于FY-2C/D卫星和SA型号雷达探测和反演的原理不同造成,卫星云顶高反映的是积层混合云和层状云顶部云粒子的辐射特性,而回波顶高体现的主要是云中下部较大降水粒子对雷达电磁波的衰减。     

我国干旱地区一次直升机自然结冰试飞天气个例分析

2018年3月17日、27日,国产某型直升机在新疆五家渠地区成功完成2架次自然结冰试飞。利用NCEP/NCAR的1°×1°再分析资料、机测液态水含量资料结合常规气象资料,对2次结冰天气过程的天气环流形势、动力热力特征、液态水含量进行分析。结果表明:17日在高空冷涡、地面冷锋前的环流形势下,试飞高度层位于冷暖平流交汇处,温度为0～-4℃,比湿值为3～3.5 g/kg,处于强水汽辐合中心,并伴有弱上升运动,Ic积冰指数为20～30,云中液态水含量波动较大,飞机挂架上形成0.5 cm厚度的凇冰。27日在高空槽前和地面冷锋后的环流形势下,试飞高度层在弱冷平流中心附近,温度为0～-2℃,比湿值接近4.5 g/kg,处于弱水汽辐合中心边缘,伴有弱上升运动,Ic积冰指数为30～40,云中液态水含量稳定,飞机挂架上形成1～2 cm厚度的明冰。在气象保障中运用探空、云图、雷达、微波辐射计等资料有效预报了积冰区域及高度。     

一次强雷电天气特征分析

研究旨在探讨雷电发生前各探测资料的变化特征,以期为雷电的预报提供指标。利用湖北闪电定位资料、多普勒天气雷达以及气象卫星的观测资料,从环流背景、系统形成机理、雷达反射率、回波顶高、垂直液态水含量和云图特征等方面,对湖北2014年8月30—31日的一次强雷雨天气过程进行分析。分析表明,在中尺度对流云团的影响下产生雷雨天气,雷雨天气过程发生时间及区域与雷达回波强反射率、高云顶高度区域的位置相吻合。当区域回波强度大部分达到40 dBz,最大达到45 dBz,回波顶高大部分在9 km以上,最大达到17 km,K指数≥36和垂直液态水含量大部分在6 kg/m^2以上,最大达到20 kg/m^2时,对强对流天气的雷电预报有明确的指示作用。     

基于卫星资料的大连地区强对流天气闪电活动特征

利用FY-4卫星云顶亮温（Cloud Top Temperature,CTT）资料和雷达回波资料,分析了2019年6-9月大连地区的闪电活动特征,重点分析了该地区2019年9月4日的一次强对流天气闪电活动特征与雷达回波及CTT之间的相关性。结果表明：此次过程雷暴起始于大连东南方向。在雷暴初始阶段,以云闪为主,云闪高度主要集中在7-12 km。闪电活动主要集中在雷达回波强度>30 dBz的区域,对应的云顶高度超过了8 km。闪电活动与FY-4卫星CTT之间存在较好的相关性,闪电主要发生在CTT为240-250 K左右区域。对2019年5-8月大连地区雷达与闪电活动进行量化分析,发现闪电活动主要集中于雷达组合反射率39.38 dBz附近区域,对应的云顶高度为8.21 km。     

基于星载微波雷达和激光雷达探测的夏季云顶高度及云量差异分析

云是天气与气候变化的重要影响因子,准确估量云顶高度和云量对分析云特性、降水及强天气预报、估算云辐射强迫等都具有重要意义。利用2006-2010年6-8月CloudSat卫星搭载的微波云廓线雷达（CPR,简称微波雷达）和CALIPSO卫星搭载的云-气溶胶偏振激光雷达（CALIOP,简称激光雷达）的探测资料,分析了全球云顶高度及云量的空间分布特征。结果表明,热带地区微波雷达探测云顶高度平均比激光雷达低约4 km,但均超过12 km;副热带洋面云顶高度在4 km以下,且两部雷达探测的云顶高度差异存在地域性。微波雷达对薄云、云砧及云顶高度低于2.5 km的低云存在漏判,对厚云的云顶高度偏低估;微波雷达探测的全球总云量均值为51.1%,比激光雷达少23.3%;两者给出的云量分布也存在显著的海-陆差异,其中洋面云量差异更大,如微波雷达测出局部洋面云量为80%,而激光雷达的探测结果却超过90%。由于激光雷达发射波长短,对云顶微小粒子比较敏感,而微波雷达波长较长,对相对较小粒子的探测存在局限性。因此,激光雷达对云顶高度的探测优于微波雷达。此结果不仅加强了对激光雷达和微波雷达探测原理的认识,而且进一步理解了云的气候特征。     

庆阳2次强对流天气过程的新一代雷达资料对比分析

通过新一代天气雷达观测,利用基本数据产品和物理量产品,分析了庆阳市2005年5月30日强冰雹过程和7月1～2日连续暴雨过程中雷达回波强度、速度、云顶高度、垂直积分液态含水量的特征,并将2次过程的雷达产品特征进行了对比分析。结果表明:冰雹和连续性暴雨回波反射率因子差异大,冰雹回波发展移动快,达50 km/h,中心强度超过50 dBZ;回波移动前沿梯度大,速度图上出现速度模糊,雷达探测出中气旋,云顶高度超过12 km;降雹前VIL出现跃增,中心超过20 kg/m2都有降雹。而连续暴雨强度只有25～35 dBZ,移速慢,零速度线分布有规律,能反映低空急流和冷暖气团移动规律,云顶高度低,仅为5～8 km,降水过程中VIL变化小。     

FY2E卫星反演云特性参数产品在乌鲁木齐暴雪天气分析中的应用

利用FY-2E静止卫星反演的云参数产品对乌鲁木齐2015年12月11日和2017年12月27日两次暴雪天气过程进行分析,发现在降水发生前2 h,云宏观参数的云顶温度、黑体亮温、云顶高度和过冷层厚度都处于不断增强的较高水平,且出现快速增强后又不断减弱,对应后期可能要出现强降水,其中与小时降水量变化具有较好的相关性,降水前期相关参量较降水中后期都要大。在降雪天气中云顶温度普遍在-20～-60℃,云顶高度最大值均超过10 km,过冷层厚度集中在2～9 km。从云微观参量来看,降雪云的光学厚度主要在10～35,绝大多数的有效粒子半径分布在15～35μm,两场天气的液水路径分别分布在75.49～975.63 g/m2和47.41～796.01 g/m2,前者降雪天气的云宏微观参量均值都不同程度地大于后者。     

冷云催化宏微观物理响应的探测与研究

2014年4月15日河北省中南部出现一次回流西风槽天气过程,河北省人工影响天气办公室对该天气过程作了飞机云物理探测和增雨作业,并专设飞行航线以研究作业前后云的宏观、微观物理响应。利用机载PMS观测资料,结合雷达、卫星观测资料分析,发现该次降水过程云系特点是上层"槽前云"较弱,下层"回流云"较强,无高云;作业探测过程中云中下沉的降水粒子在"回流云"中增长,该层出现大量直径在3 mm以上的降水粒子;作业层内小云粒子浓度普遍在20 cm~(-3)以上,最大值为300 cm~(-3),大云粒子浓度低于0.02 cm~(-3)。作业后宏微观物理响应包括:作业区FY-2E卫星云图亮温在1 h后由-25℃降到-30℃左右,中云发展,其云顶抬高;雷达反射率因子催化作业后升高,最强达45 d BZ,35 d BZ以上的雷达回波区面积增加;从雷达剖面图上看,强雷达回波区下沉了500~1000 m。机载PM S观测资料显示,作业后云中小云粒子、大云粒子浓度都有增加,降水粒子浓度经历了先降后升的过程,持续时间约25 min。粒子谱呈双峰分布,第二峰在10.5μm;粒子浓度在直径在10.5~150μm区间内呈指数递减,直径在150~1000μm区间内粒子浓度变化不大而粒子直径迅速增长,大于1000μm粒子浓度急降与粒子沉降有关;作业后有效粒子直径向大值方向偏移,平均直径、平方根直径和立方根直径分布频谱变宽,粒子分布更离散。作业后影响区地面雨量增加,影响时间在作业后3 h之内。     

辽宁长历时暴雨中尺度对流系统特征分析

选取发生在辽宁的3次典型长历时暴雨过程,利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析、FY-2E黑体亮温TBB、多普勒天气雷达和自动气象站等资料,分析了降水实况、天气形势背景、卫星红外云图、雷达回波的结构和强度变化的代表性特征。结果表明:辽宁长历时暴雨是在有利于产生暴雨的大尺度环流背景下,异常稳定的形势场导致冷暖空气在某一地区长时间相互对峙而形成的。该型暴雨的降水实况具有雨强变化小、强降水无明显阶段性特征和雨强变化大、强降水具有明显阶段性两种特征。一般性对流云团、暖云和深对流云团均可造成该型暴雨,其中一般性对流云团的云顶亮温变化幅度小,在-47～-36℃,暖云的云顶亮温在-8～3℃,深对流云团的云顶亮温-68～-50℃且强降水发生在云顶亮温低值中心偏向温度梯度大值区一侧。该型暴雨的雷达反射率因子强回波质心较低,表现为上游回波同一方向连续移入形成的"列车效应"、本地生成回波并不断加强以及不同方向的强回波先后移入影响三种类型,小时平均回波强度及其变化对降水强度和趋势有较好的指示意义。需要特别关注副热带高压西侧低层高能高湿、凝结高度低、整层近乎饱和且又具有局地地形抬升触发条件地区的暖云强降水的分析和监测。     

黄渤海地区FY-4A闪电成像仪(LMI)探测效果评估

基于大连和青岛地区地基三维雷电探测网数据,对FY-4A闪电成像仪(lightning mapping imager,LMI)在黄渤海地区的探测效率进行评估。结果表明:针对2019年大连地区4次强对流天气过程,绝大多数地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲发生在强回波区,回波强度为30 dBZ,强回波区的云顶高度超过9 km,FY-4A LMI探测到的组(group)数量与地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲数量之比平均值为0.2,变化范围为0.15~0.26;针对2019年青岛地区5次强对流天气过程,FY-4A LMI探测的group数量较少,其与地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲数量比值的平均值为0.34,变化范围为0.27~0.4,地基三维雷电探测网和FY-4A LMI测到的雷电活动的空间位置比较一致,都基本处于强对流核心区域。总体来看,FY-4A LMI在黄渤海地区的探测效率比较低下。     

南疆西部秋季一次罕见暴雪过程诊断分析

利用常规气象观测资料,FY-2G卫星、喀什多普勒雷达、全球同化系统(global data assimilation system, GDAS)数据及NCEP(1°×1°)再分析资料,对2020年11月20—23日发生在南疆西部喀什、克州地区的一次暴雪天气过程进行了多尺度诊断分析。结果表明：500 hPa中亚低涡为此次暴雪天气过程发生的大尺度环流背景,700～850 hPa切变线提供有利的动力条件,中低层持续上升运动以及低层辐合、高层辐散的配置为暴雪提供动力支持;HYSPLIT水汽后向轨迹模拟结果显示,此次暴雪水汽源地主要在里海—咸海、西西伯利亚,不同高度上两者水汽贡献率有明显差别,里海水汽贡献率大于西西伯利亚水汽贡献率,因此偏西路径水汽输送占比略多;整个暴雪天气过程中雷达回波以层状云回波为主,回波强度仅为20～25 dBz,但有弱的对流特征;降雪开始时卫星云图上云顶亮温迅速下降,降雪区处于其等值线边缘的梯度大值区。     

新一代天气雷达负仰角探测能力分析

由于地球曲率的影响,当CINRAD.SA新一代天气雷达使用目前最低仰角同定为0.5°的模式探测时,探测肓区较大,对低层降水回波的探测能力严重不足.在实地展开试验的基础上,推导了负仰角探测时雷达最低探测高度计算公式,计算出仰角为0.5°、0°、-0.3°、-0.5°时不同探测距离上的雷达最低探测高度,对比分析不同仰角观测模式的主要雷达产品特点,探讨新一代天气雷达使用负仰角观测模式的局限性,提出了新一代天气雷达使用负仰角观测的建议.