2002年7月沈阳一次降水过程的催化数值模拟研究

应用三维对流云模式和探空资料，对沈阳地区2002年7月12日发生的一次东北冷涡降水过程进行了数值模拟研究。结果表明，这次降水主要是由积层混合云引起的，其中冰相过程占主导地位，霰的融化是最主要的雨生成项。催化模拟试验表明，当云体处于成熟稳定的积层混合云阶段，在0℃层高度以上播撒AgI能起到显著的增雨效果。积层混合云具有巨大的人工增雨潜力。     

华北地区一次积层混合云降水的数值模拟研究

利用WRF ARW中尺度数值模式对2009年4月18日华北地区的一次积层混合云系降水进行模拟。首先,对实况的天气形势和雷达反射率及垂直剖面进行分析;并通过垂直剖面对其流场结构概念图进行分析;然后,通过对比,模拟的自然降水分布与实测结果基本一致,模拟的雷达组合反射率和雷达反射率的垂直剖面与实测结果也基本一致;通过分析云中各要素的分布,了解了积层混合云系的微物理特征和动力特征;最后对积层混合云降水机制进行探讨。结果表明：积层混合云水凝物含水量分布不均匀,对流云和层状云相互粘连跨接,水平方向充分混合,雨水的大值中心、云水的大值中心及冰晶的大值区相互对应,存在播撒-供给机制。从动力场来看,在低层对流云区域垂直上升速度较大,高层对流云区域的旁侧有较明显的下沉气流,云区低层存在辐合,高层存在辐散,此种配置有利于维持云系的发展。积层混合云不仅在层状云区有层状云的简单的＂播撒-供给＂机制,或在积状云区有粒子群的循环增长机制,而且可以发生层云—积云间的粒子群交换。     

一次积层混合云降水实例的数值模拟分析

观测显示,积层混合云有自己独特的动力热力结构,降水过程也有自己的特点,但过去关于积层混合云的实例模拟工作较少.2007年9月28日在我国华北地区发生了一次积层混合云降水过程.利用WRF-ARW中尺度数值模式,对这一个例进行了实例模拟,并结合常规观测、卫星和雷达资料分析模拟结果,表明:此次积层混合云系是降水云系减弱,层状云发展形成的.在降水物理过程中,此次积层混合云不仅具有积云和层云形态混合的特征,还具有冷云过程和暖云过程共存的相态混合的特征;中层的大范围辐合和相应的较均匀上升气流场支撑着层状云,而在均匀上升气流场中的波动导致了对流云镶嵌其中;有迹象表明,条件对称不稳定是维持此次积层混合云发展的动力因子.     

高原地区冰雹云数值模拟研究——冰相微物理过程的作用

本利用献发展的三维冰雹云模式模拟研究了1999年7月11日出现在青海省西宁的一次冰雹过程，分析了该冰雹云在不同发展阶段上的宏观特征，讨论了在冰雹云的发展过程中各种冰相微物理过程的作用，并且与实际雷达资料进行了比较。模拟结果表明：过冷雨滴的碰冻、霰对云、雨滴的碰并收集是霰的主要产生源。冰晶的主要产生源是结凇增长(Bergemn过程)。冰相物质的汇主要是0℃层以下的融化过程。冰相微物理过程增加了云中相变潜热，引起云中上升运动加强，云生命史延长，地面降水出现时间提前，降水量和雨强最大峰值加大，并提高了降水效率。     

一次强对流降水及雨水蒸发对其影响的数值研究

基于中尺度数值模式(WRF v3.4),对发生在湖北省红安地区的一次强对流降水天气过程进行了数值模拟。结果表明,此次强对流天气是在水汽充足,高层辐散、低层辐合以及不稳定能量较大的条件下发生发展的。模式模拟得到的地面累积降水和雷达反射率因子与实况相符,云下雨水蒸发过程显著。进行敏感性试验,将雨水蒸发率分别降至1/2、1/4以及完全关闭后,雷达回波强度减弱,对流演变特征发生变化。蒸发过程的减弱使得降水始发阶段以及后期消散阶段的降水强度增强,在对流旺盛阶段降水强度减弱。同时雨水蒸发过程减弱导致云中上升气流减弱,冰雪晶及霰粒子含水量极大值减小、极大值所在高度降低。可见,雨水蒸发对对流云团动力、热力结构及云微物理结构以及云物理过程均有一定程度的影响。     

一次积层混合云降水不同尺度结构的数值模拟

利用中尺度数值模式WRF-ARW（V3.2）对2009年4月18-19日发生在张家口地区的一次积层混合云降水进行了模拟,并结合观测资料从不同尺度对这次降水过程进行了对比分析.结果表明：700 hPa西风槽、850 hPa低涡是影响这次降水的主要天气系统,来自南方的暖湿空气和西北内蒙古低涡带来的水汽是这次降水的主要水汽来源,两股水汽在张家口附近低层出现了大尺度辐合,有利于该地区云系的发展、降水的形成;降水云系呈东北-西南向带状分布,带长约1 000 km,带宽300km,在大片的云带中分布着很多个小的高值中心,中心区域一般在几十千米;结合雷达回波可以看到在均匀的回波层中镶嵌着柱状对流回波,具有典型的积层混合云降水回波特征;沿着雷达回波做剖面,发现云中云水含量分布无论是水平方向还是垂直方向都是不均匀的,雨水的大值中心与上层的霰、雪的大值中心相对应,中心水平范围在1020 km.     

2014年8月南京青奥会开幕式人工减雨作业回波分析

为评估重大赛事活动场馆的人工减雨作业效果,利用南京信息工程大学C波段双偏振多普勒雷达（C-Pol NUIST）资料、探空及地面降水等资料,对2014年8月16日南京青奥会开幕式人工减雨作业效果进行分析。用交叉相关法TREC （Tracking Radar Echoes by Correlation）追踪回波单体,统计作业点上下游的回波强度比值的变化,分析了反射率因子、径向速度、回波顶高（ET）、差分反射率因子Z_dr和相关系数ρ_hv的回波特征以及风矢位温（V-3θ）图表示的大气结构特征。研究表明,在减雨目标区的目标时段,回波强度和回波顶高均呈减弱趋势,减雨作业在播撒催化剂间歇时段和作业后会导致更显著的短时强降水。研究结果为回波产品评估人工减雨的最佳作业时间、作业部位和作业效果提供决策依据。     

华北一次积层混合云微物理和降水特征的数值模拟与飞机观测对比研究

为考察云数值模式中的云物理方案和对实例云物理和降水过程的模拟能力, 本文将中尺度数值模式(WRF)模拟的华北地区一次积层混合云的微物理结构特征、降水过程与国家科技支撑计划重点项目环北京地区三架飞机联合云探测实验数据以及雷达、地面降水观测数据进行了深入的比较和验证研究。结果表明:WRF 模式能够较好地模拟出此次积层混合云的云系演变、雷达回波和降水分布特征。对比结果是:(1)模式模拟的云中液态水浓度(LWC)与飞机观测值具有较好的一致性, 在3℃ 层, 飞机观测的LWC 最大值为0.8 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为0.78 g m-3, 两者接近;在－8℃ 层, 飞机观测LWC 最大值为1.5 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为1.1 g m-3, 模拟值偏小;在－5℃ 层以下, 模式能够准确模拟云中水凝物的垂直分布, 包括融化层的分布, 模拟的水凝物质量浓度与实测吻合。而对固态水, 在－6～－10℃, 由于模式中雪粒子凇附增长过程较大, 聚合过程发生的高度偏高, 导致模式模拟的固态水凝物质量浓度高于实测值, 说明模式在雪粒子增长过程的处理方面有待进一步改进。(2)在云粒子谱参数方面, 在－8℃ 层, 由于模拟的雪粒子质量浓度偏高, 所以模式计算的粒子谱的截距和斜率都小于飞机观测值, 模拟偏小;在－5℃ 层, 两者比较接近;在3℃ 层, 由于云中小粒子浓度逐渐减少, 所以模式计算的斜率接近观测值, 但是截距大于观测值, 说明模式降水粒子谱参数的描述方案有待改进, 模式中谱形参数μ 不应一直设置为0, 而是应该随着高度变化而变化。     

2008年奥运会开幕式日人工消减雨作业中尺度数值模拟的初步结果

2008年8月8日,在2008年北京奥运会开幕式举行之际,北京及周边地区出现了较强对流云团,给国家体育场内开幕式活动的顺利进行带来了极大威胁。根据云系的发展状况,北京市人工影响天气办公室有针对性地组织实施了大规模地面火箭人工消减雨作业,对抑制云、降水的形成和发展起到了一定作用。在中尺度数值模式MM5的Reisner2方案中引入了AgI粒子与云相互作用的过程,在MM5中实现了催化功能。参照2008年8月8日20:05至20:12进行的消减雨作业情况,利用加入催化方案的中尺度数值模式对该作业进行了数值模拟试验,就不同的播撒量对催化效果的影响进行了研究,并对其中的微物理机制进行了分析。研究结果表明:AgI播撒率对降水量改变影响很明显,当以5g·s-1的速率持续播撒AgI7min,在播撒作业后2h,催化区域内均表现为减雨,2h后为增雨。对于减雨的微物理机制主要是由于大量播撒AgI后导致空中云水大量减少,进一步导致霰减少,霰的减少导致雨水的减少;而2h后的增雨机制则是由于在雨水、云水、霰以及温度之间形成了正反馈,最终导致地面降水的增加。需要指出的是由于单参数方案的局限性,模拟的最大减雨率仅为8%～12%,离消雨的要求尚有差距,应利用双参数云方案作进一步模拟研究。     

2014年春季华北两次降水过程的人工增雨催化数值模拟研究

在WRF中尺度模式中耦合了中国气象科学研究院发展的CAMS（Chinese Academy of Meteorological Sciences）云微物理方案,并在CAMS方案中增加了直接播撒冰晶（S1方案）和播撒碘化银催化剂（S2方案）两种云催化方案。利用此模式,对2014年我国华北干旱期间开展飞机增雨作业的两次降水过程（个例1:5月9～10日;个例2:5月10～11日）进行了云催化数值模拟研究,分析了催化对降水和云物理量场影响,对比了S1和S2方案催化效果的异同。结果表明,在云层适当部位播撒催化剂,两种催化方案均会达到增雨效果,催化会引起云中各水凝物的明显变化,并导致催化区域温度、垂直速度的变化。个例1中,S2方案的催化影响范围要大于S1方案,在播撒区下游地区,S2方案催化效果要强于S1方案;而个例2中两方案催化效果没有表现出显著差异。S1和S2方案的催化效果在不同个例中表现不同,其重要原因在于两种催化方案的催化机制差异以及云系动力条件、水汽条件的不同。通过采用适当的催化剂量,在其他催化设置条件相同的情况下,S1和S2方案可以取得相似的催化效果,但需注意由于二者催化机制的差异,在一些具体云系条件下,二者的催化效果会有一定差异。当实际人工增雨作业采用碘化银催化剂时,相应的催化模拟研究使用S2方案更为适合。     

2008年北京奥运会开幕式化学危害预测数值模拟

针对2008年北京奥运会安保,建立了一个复杂的系统,包括两个气象预报模式MM5和RAMS6.0以及一个复杂地形上有毒云团的扩散模式CDM。开发了MM5和RAMS6.0接口模块,发展了基于RAMS6.0气象场预报结果的CDM,实现了对未来36h内的精细气象场和扩散场进行模拟,气象场预报的分辨率为500～1000m,扩散场的分辨率可达到50～200m。基于T213数据,应用MM5进行了水平分辨率为3km的气象场初步预报,将该预报结果转化为RAMS6.0识别的数据格式,应用RAMS6.0对气象场进行分辨率为500～1000m的精细预报,得出北京奥运会期间的风场与湍流量的预报结果。基于该气象场,根据想定,应用CDM对北京奥运会国家体育场"鸟巢"附近发生化学事件时进行了模拟研究,得出危害范围、危害等级、危害开始时间、危害持续时间等时空分布,为奥运会开幕式化学危害应急提供技术支持。     

十一运会开幕式消（减）雨作业数值模拟研究

利用中科院大气所开发并发展的三维对流云模式对十一届全运会开幕式当天影响山东的对流过程进行了数值模拟和过量催化试验。结果表明模拟自然云与观测事实吻合较好;设计96组催化方案对该个例进行消(减)雨模拟试验、催化试验表明,在模拟云3.5km高度的最大过冷水含量中心引入3600.0g碘化银催化剂,连续催化消(减)雨效果较好(地面降水总量减少97.5%),此次模拟对比分析了模拟自然云与催化云,从微观上探讨了消(减)雨的基本原理,模拟所用催化剂量、催化部位与当天山东人影办的作业实际基本一致,对指导实际作业有一定的参考价值。     

北京奥运会开幕式期间的中尺度天气系统研究

利用北京地区稠密的地面观测网资料以及北京市观象台、海淀、上甸子3部风廓线仪的观测资料,通过分析2008年8月8日北京奥运会开幕式期间发生在北京地区的降水过程,讨论了此次过程中在环境风场、地形和城市热岛作用下,中尺度系统发展或减弱的可能机制及对城区降水的影响。结果表明:城市热岛和地形作用形成的次级环流圈对城区南北两侧的影响不同,在城区南侧,次级环流圈使南风减弱,同时受次级环流圈下沉气流影响,中尺度系统北上时会减弱;在城区北侧,次级环流圈使南风加强,中尺度系统南下时会使气流辐合增强,有利于中尺度系统发展。当环境风场是较弱的偏南风时,城市热岛-地形次级环流圈在城区1500 m以下形成辐合,以上辐散,在3000 m左右辐散最强,不利于北上的中尺度系统向城区发展形成降水。     

亚青会期间南京地区大气冰核的观测分析

2013年8月2—26日亚青会期间对南京地区进行了大气冰核的观测采样,同时结合气溶胶、气象要素等观测资料,研究了南京地区大气冰核浓度的分布特征,探究在污染管控措施下大气气溶胶的变化是否对冰核浓度产生影响。结果表明,大气气溶胶浓度在污染管控的措施下明显降低,冰核浓度在多种因素影响下没有明显降低的变化趋势,但有明显的日变化特征。燃放烟花的空气污染时刻,大气冰核浓度随污染物浓度的增加会明显增加。当活化湿度达到水面过饱和,温度范围为-12~-23℃时,南京夏季的冰核浓度范围为0.38~50.55 L~(-1)。将活化温度和冰面过饱和度同时加入到参数化公式中得到大气冰核浓度N(T,S_i)=0.003 1exp(-0.254 9T+0.161 6S_i)。进一步分析冰核浓度与PM_(2.5)、PM_(10)、PM_(10)-PM_(2.5)的关系,发现冰核浓度与PM_(10)-PM_(2.5)的相关性较高,相关系数为0.55,说明大粒径气溶胶粒子更容易充当冰核,大粒径气溶胶在冷云过程中起着更为重要的作用。     

十一运会人工消（减）雨卫星反演产品特征分析

利用2009年10月16日MODIS和FY-2卫星资料以及Rosenfeld的卫星微物理反演分析方法对云的微物理特征进行反演,通过对云中粒子有效半径、过冷水含量等微物理特征以及消(减)雨作业情况的研究,初步分析了开幕式当日影响山东中西部地区天气系统的发展、变化特征以及作业效果。研究表明:蒙古气旋后部扩散南下的冷空气在东移过程中呈现出由初生到发展的变化过程;消减雨作业后,云顶高度持续下降,而未进行催化作业的云系则出现发展增强的现象,消(减)雨作业可能在一定程度上抑制了对流云系的发展。     

南京青奥会开幕式期间人工减雨作业对雨滴谱的影响分析

本文利用南京青奥会开幕式期间的OTT雨滴谱仪观测资料、探空数据和地面降雨及雷达等资料,结合火箭减雨作业的时间和地点,通过人工减雨作业对雨滴谱的影响分析来评估开幕式期间人工减雨作业的效果。首先以奥体中心为目标区域,利用探空数据分析火箭减雨作业的最佳高度和作业点与奥体中心的最佳距离,所得结果与实际作业情况一致。然后,利用实测雨滴谱拟合滴谱廓线,计算雨滴粒子平均直径、中数直径等特征直径,对比南京站点人工减雨作业前后时刻的雨滴谱变化;再拟合各时刻的雨滴粒子总数浓度、雨滴谱谱型参数γ(反映雨滴粒子尺度分布),将人工减雨作业后同时段内的南京站点与芜湖站点的雨滴谱作比较分析。结果发现人工减雨作业后,南京站点的雨滴谱较作业前谱宽变窄,直径小于1 mm的小滴粒子占比增加,大于1 mm的大滴粒子减少,雨滴粒子各特征直径均小于作业前;同时段内南京站点雨滴粒子总数浓度、质量加权平均直径在减雨作业影响时段内均小于芜湖站点,而谱型参数γ总体大于芜湖,且随时间变化趋势与芜湖站点相反。这些特征表明人工减雨作业明显改变了雨滴谱分布,有效减小了雨滴群中的大粒子,从而抑制了降雨的发展,起到减雨效果。     

2008年奥运会期间北京地区大气O3浓度模拟分析

利用空气质量模式系统RAMS-CMAQ模拟分析了2008年8月北京及周边地区近地面O3浓度的时空变化。分析结果表明,模式系统可以较好地模拟污染物以及气象要素的变化特征和区域分布情况;奥运会期间的污染控制对O3浓度的降低有明显的作用,但是在一些有利的气象条件下,O3易达到较高浓度:8月2日、24日14时(北京时间)左右O3浓度都在0.22mg.m-3以上,其中2日北京地区处于辐合的弱风场中,风速为1.5～2.5m.s-1,24日则是处于自南向北的有输送作用的风场中,风速为3.5～6.5m.s-1;污染控制对北京周边地区的效果要好于北京市区。     

北京2008年奥运会开幕式人工消减雨作业

自2002年6月起北京市人工影响天气办公室依托北京市科委重点课题"奥运期间人工防雹、消雨作业试验研究"进行了人工消(减)雨的研究,在此研究基础上提出了北京2008年奥运会开闭幕式人工消减雨作业技术方案和实施流程,针对北京8、9月份天气的特点和云系影响北京的来向,设计奥运会开闭幕式消减雨18个作业区,并分析了前期试验结果.重点分析了8月8日天气特点,及相应的飞机、地面火箭作业情况,并对作业效果进行分析.地面火箭大规模消云减雨作业后,雷达回波强度明显减弱,雷达回波趋于消散,尤其是在21:48-22:00作业阶段,雷达回波出现一个明显的缺口.对雷达回波按强度分档,从各档强度的雷达回波面积变化可以看出,回波变化的明显的特征是强回波面积逐渐减少,而弱回波面积则在逐渐增加.卫星资料反演的云顶高度和云粒子有效半径也能比较清楚地显示出大规模作业后的效果.