地面雨滴谱观测技术及特征研究进展

雨滴谱是反映降水微观物理过程和宏观动力结构的主要指标之一.通过分析雨色斑滴谱,可以深入了解降水的发展和演变过程,揭示降水机制.传统雨滴谱测量包括动力学法、滤纸色斑法、面粉团法、快速摄影法和浸润法等,但是普遍存在精度低、工作量大、实时性差、成本高及无法自动完成测量分类等缺点.以雨滴谱仪为代表的新型雨滴谱测量技术包括冲击雨滴谱仪、光学雨滴谱仪和声学雨滴谱仪以及雷达技术等克服了这些缺点,在降水粒子观测和降水物理研究中发挥了重要的作用.综合概述了描述雨滴谱的主要分布模型及其适用条件.归纳分析了不同降水云系(对流云、层状云和层积云降水)、不同降水类型(大陆云和海洋云降水)及不同高度处观测的降水的雨滴谱特征.从学科发展趋势和社会需求的角度,概述了有关雨滴谱研究中存在的主要问题和发展趋势.     

数字全息云粒子测量技术现状及进展

准确获取大气中云粒子的原位探测信息,对于揭示气溶胶—云—降水形成物理机制、改进数值预报模式微物理参数化方案、评估人工影响天气催化效果等具有重要的应用价值。数字全息测量技术能够同时获取云粒子的尺度、速度、相态和空间位置等信息,且具有覆盖粒子尺度范围广（μm～mm）、空间采样精度高（可达mm量级）和仪器采样体积可准确确定等诸多优点,在云微物理观测领域具有广阔的应用前景。总结了目前国内外数字全息云粒子测量仪器的研究现状,分析了仪器研制所涉及的全息光路设计、机械防护和全息图处理等几个关键技术问题,并介绍了全息云粒子观测结果在揭示混合云内冰晶冻结机制和云中湍流混合作用影响微物理机制等方面的应用。最后,从技术应用角度对全息光路优化设计、全息图处理方法、仪器结构防护和外场观测试验等方面作了一定的思考和展望,以期为开展相关仪器研制和云微物理观测应用研究提供参考。     

祁连山区云光学特征的遥感反演与云水资源的分布特征分析

利用Terra和Aqua卫星上载的MODIS探测器接收资料和祁连山区及周边气象台站6 h降水量资料,应用6S辐射传输模式和Mie模式,针对2002—2005年以来的18次大范围云覆盖的祁连山区,反演了云的光学厚度、云粒子有效半径以及云液态含水量等参数,结合地理信息系统分析了其随海拔高度变化的分布特征及其与地面降雨量的关系.结果表明:祁连山区云的光学厚度、云粒子有效半径以及云液态含水量分布受地形影响具有显著的地域差异,最大值分布在海拔4 300 m以下的山区,是云水资源丰富区和易降水区;云宏观特征参数与地面6 h降水量成正相关关系,产生降水概率较大的云光学厚度在8~20之间,云粒子有效半径在6~12μm之间,云液态含水量在0.04 g·m^-3就能产生降水.祁连山区云液态含水量可高达0.15 g·m^-3,表明山区云水资源具有很大的开发潜力.     

新疆天山山区降雨的微物理结构特征

使用GBPP-100型雨滴谱仪,于2001年6月12日至7月31日在天山北坡的小渠子气象站和牧业气象试验站,对27次降雨过程进行了雨滴谱观测,共获取了4 719个雨滴谱样本。通过观测资料分析新疆中天山山区积状云、层状云、积状-层状混合云降雨的微物理结构特征。观测分析表明,天山山区降雨雨滴的平均直径0.41~0.55 mm,以积状云最大,混合云次之,层状云最小。最大平均直径0.88~1.12 mm、平均雨强1.18~2.78 mm·h^-1、平均含水量5.23~11.62 g·m^-3,混合云的这三个特征量均为最大。三类云的雨强与数密度呈正相关。积状云、层状云降雨的雨滴谱服从M-P分布,混合云服从Γ分布。由于山区地形的作用,使云中降雨粒子的生长时间受到限制,天山山区降雨小滴浓度高、尺度小,人工降雨潜力大。     

区域中尺度模式云微物理参数化方案特征及其在中国的适用性

云微物理参数化方案在数值模式中起着重要的作用,是影响数值天气预报和气候预测准确性的最大因素。系统回顾了中尺度数值模式中云微物理参数化方案的研究进展,并统计分析了最近十余年云微物理参数化方案在中国范围内的敏感性试验研究成果。Lin方案和Rutledge-Hobbs方案奠定了中尺度模式中云微物理参数化方案的基础,其他方案都是直接或间接在这2个方案的基础上从多方面改进而形成的。这些改进主要体现在:①水凝物粒子分类数目;②冰核活化;③粒子谱分布描述函数;④粒子谱截距的取值;⑤粒子间相互转换阈值大小的设定。中国范围内云微物理参数化方案敏感性试验研究成果统计表明,使用WRF模式中Lin方案的模拟效果较好,MM5模式采用Goddard和Reisner方案效果较好。     

冰核对云物理属性和降水影响的研究

系统回顾了冰核对云和降水影响的研究进展,详细分析了冰核对云的宏微观特征、对流系统结构和强度、辐射、雷电、降水量和降水强度的影响途径,并从云微物理过程的角度解释了其影响机制。得到如下结论:1通常情况下,冰核浓度增加,冰晶浓度增大,云滴浓度减小,云的生命史延长;2对于发展阶段的对流云,冰核在温度较高的过冷区活化使潜热在中低层提早释放,增加了对流系统中层不稳定能量,促进了对流系统的发展;3卷云中冰核浓度的增加,改变了冰相水物质与液相水物质的比例;削弱或抑制了卷云中同质核化,增大了卷云中冰晶粒子的平均半径;4冰核浓度的增加,能够使到达地气系统的净辐射增加;5冰核浓度的变化能够引起雷电活动发生频次和强度的变化;6冰核浓度增加,引起降水量的变化不确定,即降水量增加、减少或者变化不显著的情况都可能存在。这些结果为改进数值模式中冰核活化参数化方法提供指导,从而提高数值模式对云和降水的预报能力;同时为人工影响天气选择合适的人工催化剂和撒播时机提供参考。     

降水观测误差修正研究进展

获取准确的降水量是研究气候变化以及水文循环的基础,国内外学者针对雨量筒降水量捕捉率不足的问题做了大量工作。对近几十年来国内外降水量对比观测及雨量筒降水量修正方面的研究进行综述,认为目前对液态降水修正方案较为成熟,但是对固态降水尚未形成一个统一的修正标准。主要原因在于目前的降水量修正方案缺少对降水微过程的考虑。充分考虑降水微过程是给出包含物理意义降水量修正方案的关键。另外,更为细致的降水类型判定方案以及对微量降水事件的记录也是确定降水修正方案需要重点解决的问题。     

祁连山云特征参数及人工增雨研究进展与展望

综述了祁连山区云特征参数及人工增雨方面的主要研究成果,内容涉及祁连山区空中水汽特征、云量分布、不同云系分布特征、云光学特征、云降水机制、降水分布、人工增雨有利天气系统、催化机制以及人工增雨综合效益,有助于全面、深入了解祁连山区云降水物理和人工增雨机制。进一步对祁连山区综合应用多种观测资料,结合云数值模式,深入研究地形云结构及降水机制、定量化的人工增雨作业科学指标、播云优化技术、地形与垂直气流相互作用对天气系统影响等方面存在的问题进行了展望。     

雷达识别冰雹方法的进展

回顾了用气象雷达识别冰雹云方法的进展情况，介绍了双波长雷达、园偏振雷达，特别是双线偏振雷达在研究云体中降水粒子相态方面的原理及部分观测结果。     

云相态的卫星遥感研究进展

云相态不仅是气象学和气候学研究的重要参量,也是卫星云参数反演的关键要素,其识别的准确性直接关系到光学厚度、有效粒子半径等光学和微物理参数的反演精度.卫星遥感技术的发展为云相态的识别提供了前所未有的技术手段.对能够提取云相态信息的主要星载遥感源进行了介绍,重点总结了近30年来国内外利用星载被动光学遥感资料、偏振辐射资料以及主动雷达资料进行云相态反演的基本原理、方法以及技术特点,最后针对目前云相态反演工作中存在的一些问题和发展趋势进行了探讨.     

定点冰厚观测新技术研究

冰厚是冰科学和冰工程研究中最关键的物理指标之一,为满足定点冰厚观测不同需要,发展了3种定点冰厚观测新技术。结合它们的测量原理及其现场或实验室的应用结果,论述了它们的适用性和各自的优点。基于磁致伸缩原理的冰厚测量仪现场测量精度达±2mm,解决了制约海冰热力学模式向精细发展的"瓶颈"问题;电阻式冰厚测量仪比利用温度廓线推求冰厚的技术更加可靠,且具有自动测量冰川表面物质平衡,进行河道、湖泊以及水库冰厚观测时同时监测其冰下水位的潜力;热电阻丝冰厚测量装置制作简单廉价、使用方便、数据可靠,在中国北方小型水文站广泛推广是适合的。     

多参数CTD测量在富钴结壳环境调查中的应用

传统温盐深测量及采水作业中,通过水样现场化学测试获取水体附加参数的方法具有低效、不适宜气体测量、结果分辨率低等缺点。结合前人在附加传感器应用上所做的工作,借鉴国外海洋物理调查的先进经验,提出将水样现场化学测试与传感器方法相结合的多参数CTD测量模式。西太平洋麦哲伦海山群M海山的应用试验证明,该模式能满足富钴结壳环境调查的需求,更加高效、准确、精细地揭示多项环境参数特征。     

太阳活动驱动气候变化空间天气机制研究进展

大量研究表明,从数小时到十年、百年时间尺度上的天气、气候变化受太阳活动影响显著。近年来,全球云量、北大西洋冬季气旋等气候、气象要素与银河宇宙射线通量变化、太阳能量粒子事件等空间天气事件显著的统计相关被陆续发现。在此基础上,提出太阳活动驱动气候变化空间天气机制,其基本观点是：空间天气事件通过改变云物理特性影响气象、气候,其核心是：太阳活动造成的空间天气事件与云微物理过程的联系,目前空间天气理论分化为离子诱导成核机制和全球大气电路—静电云微物理机制（简称Tinsley机制）。主要回顾和总结了近年来空间天气机制研究的发展,包括观测与理论,取得的成果,并对其未来的发展提出展望。      

机载多普勒天气雷达及应用研究进展

机载多普勒天气雷达由于其灵活机动性,在台风、暴雨等灾害性天气系统中尺度三维精细结构研究中发挥着重要作用.对机载多普勒天气雷达技术及其资料应用进行了概要性综述,主要从机载多普勒天气雷达发展历程、4种主要机载多普勒雷达技术特点、雷达天线扫描策略、单多普勒雷达风场反演技术、双多普勒雷达风场反演技术、雷达资料同化以及目标观测等方面进行阐述和分析;着重讨论了应用中需要解决的问题.最后,指出发展具有快速扫描和双偏振功能的机载相控阵多普勒雷达是机载天气雷达的发展方向,它可以获取高时空分辨率的探测数据,能够对云和降水系统的三维精细动力结构、热力结构以及微物理结构等进行综合研究.     

毫米波测云雷达的特点及其研究现状与展望

云在大气的能量分配、辐射传输,尤其是水循环系统中有不可忽视的作用。云探测对云物理、人工影响天气、气候变化和航空航天等领域有重要意义,是大气科学研究的热点之一。尽管目前已经发展了很多种遥感设备对云进行观测(如激光雷达、卫星、云幂仪等),但这些设备无法得到高时空分辨率的云水平和垂直结构,而毫米波雷达是云三维精细结构探测的重要工具。由于毫米波雷达具有更接近小粒子尺度的短波长,因此更适合用来探测弱云,同时毫米波雷达也存在衰减严重的缺点。介绍了毫米波雷达的特点以及其探测小粒子的优势;对比分析了其与新一代多普勒天气雷达、晴空风廓线雷达的差异,得出：毫米波雷达具有高时空分辨率,能够更精确地反映云的垂直和水平结构,比普通天气雷达更适合监测云的变化。概括了国内外毫米波测云雷达的发展现状以及在云物理研究方面的情况,并展望了国内毫米波雷达未来研究的方向。     

三维激光扫描装置设计与数据处理

三维激光扫描仪克服了传统的单点测量方式,可以方便地对实物进行复制建立立体模型。笔者简单介绍了三维激光扫描仪构造及其实现的原理,利用自行购买的激光雷达、相机和电控平台等部件搭建三维激光扫描平台,利用串口通讯实现对激光雷达、相机和电控平台等硬件控制,进一步完成三维激光扫描点云生成及图像获取,并对生成的点云进行了精度校正,最后基于特征点拼接多幅扫描图像并成功地实现了扫描点云和图像的匹配融合,其中点云精度和图像融合效果较好。     

WMO第八届阳江国际探空比对辅助遥感综合试验

第八届阳江国际探空比对辅助遥感综合试验为分析探空仪系统在高空出入云的温湿特性,评估高层云红外辐射对温度传感器的影响以及湿度传感器的系统偏差提供有力帮助。通过试验,还评估了国产X波段双偏振雷达与毫米波云雷达的优缺点和性能差异,以及国产多普勒激光雷达、微脉冲激光雷达的探测性能和应用能力,在改进微波辐射计温湿反演算法、X波段偏振雷达参数的云中粒子相态模糊逻辑识别算法,以及多普勒天气雷达风场反演、云分类算法、高空业务测风算法等方面开展广泛研究并取得一定进展。试验还利用先进的各类遥感设备对阳江热带地区的云、局地对流以及海陆风系统的结构进行了观测和分析,取得了较好的研究结果。     

地震地下流体观测井水文地质参数的确定

地下流体观测是地震监测预报的一项重要工作。地震地下流体观测井通常为承压单井,需要通过单井试验确定观测含水层的水文地质参数。在湖北省武汉和黄梅地震地下流体观测井分别进行了非稳定流水位恢复试验和微水试验,确定了观测含水层的水文地质参数,取得了较好的效果。鉴于渗透系数K反映了含水岩层的物理状态,建议将其动态变化纳入地震地下流体的监测体系。     

杨柳垭滑坡应急处置工程实践

以杨柳垭滑坡应急处置为例,研究控制推移式滑坡体变形成灾的途径。从变形特征、工程地质、处置过程和工程措施4个方面分析其应急措施。现场监测和数值模拟对各项工程的效果检验表明,推移式滑坡抢险可通过后缘减载、前缘堆载、抗滑桩和地表截排水,进行治理。     

物理过程参数化方案对中国夏季降水日变化模拟的影响

系统地分析了不同陆面过程、辐射传输以及积云对流参数化方案对区域气候模式模拟中国夏季降水日变化能力的影响,发现日内最大标准化降水及其出现时刻的模拟对不同模式物理过程的组合方案敏感。陆面过程、辐射传输参数化方案只影响降水强度的模拟,而对降水日变化形式和峰值出现时间模拟的影响较小,降水日变化形式的模拟对积云对流参数化方案敏感且与模拟区域的选择关系密切。Grell方案对青藏高原东部、长江中游地区夏季降水的日变化特征具有较好模拟能力,Kuo和Anthes-Kuo方案较好地模拟出了东北、华南地区夏季降水的日变化特征,BM方案仅能模拟华南地区夏季降水的日变化特征。4种积云对流参数化方案均不能模拟出江淮—华北地区夏季降水日变化的双峰值结构。