过冷云与飞机积冰

过冷云与飞机积冰张安乐（民航甘肃省局航气处中川７３００７０）“三九严寒，滴水成冰。”飞机在空中飞行有时会遇到积冰。飞机积冰常发生在机翼和尾翼的前缘、发动机及其进气口、螺旋浆、天线、雷达罩、空速管和风挡上。这些部位一旦积冰，不仅改变了飞机的气动特性，增...     

山西省层状云飞机云物理观测试验结果分析

利用山西省2008年-2010年64架次云结构的粒子测量系统（DMT）探测资料,配合地面观测和卫星资料统计分析了层状云系的宏微观特征。发现：降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0．03g,m^3,中云含水量垂直方向上平均为0．05g／m30对比分析降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,降水性层状云云粒子有效半径要达到10μm-14μm。对云系不同温度层的微物理特征和云中水分按不同粒子尺度的分配特征进行了对比分析,结果表明：降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显,也是分层的。高层主要是冰相粒子,主要是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在四个典型温度层的观测中,LWC、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同。云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20μm、30μm的粒子含水量较高,对云中液态水含量的贡献较大,降水粒子主要由20μm、30μm的粒子转化。     

我国云降水物理飞机观测研究进展

飞机观测是云中粒子相态、分布和转化特征的重要探测技术。我国云降水物理飞机观测开始于20世纪60年代,经过60多年的发展,在飞机平台、机载测量技术、云微物理结构和降水形成机制认识等方面均取得了长足进步。发现积层混合云中对流泡区具有更高的过冷水含量,凇附增长起重要作用,符合“播撒-供给”降水形成机制,而在层云区,当云厚度较小时,过冷水含量很少,冰雪晶的凝华、聚并增长起主导作用,并不符合“播撒-供给”降水形成机制,而当云厚度较大时,过冷水含量较为丰富,凝华、聚并和凇附增长起主导作用,基本符合“播撒-供给”降水形成机制;我国北方冬季降雪过程的形成机制主要是凝华-聚并机制,只有在水汽非常充足、云较厚的情况下,凇附增长过程才具有重要作用。近年虽然在人工影响天气播撒效应、数值模式云物理过程验证、卫星及雷达遥感数据检验、对流云结构观测等方面也取得了一些进展,但仍较薄弱,亟待加强。     

云的卫星探测和飞机探测

一、卫星云图的原理 气象卫星云图是在高空俯视较大范围的云景图片。初期是电视云图。这种云图是卫星携带照相机,在空间轨道上,向下对地球大气进行照相,然后分解成许多扫描线变成电信号向地面发送,地面站得到一张张平面图象。由于夜间无法照相,只有白天的云图。随着卫星技术的发展,第二代业务卫星则用扫描     

层状云飞机增雨催化剂用量研究

催化用量和催化云的温度场、水汽场、动力场、背景水凝物粒子数浓度和谱分布密切相关。根据层状云中催化层过冷云水量、冰水面饱和水汽密度差、增长形成的冰晶群平均质量、催化剂有效扩散空间、催化剂成核率,给出了催化用量的计算公式。选用尺度为50、100和150μm等效水滴质量表示不同核化增长环境的冰晶群平均质量,对于同质核化,催化剂成核率取为1012(个.g-1),对于异质核化以-6℃-、8℃-、10℃为例,计算了催化用量。计算结果和广泛采用的经验用量吻合。比较后发现,国内飞机增雨的实际催化用量明显偏低,应当引起重视。     

初冬一次层状云较弱云区垂直结构的飞机观测

为分析层状云垂直微物理结构,了解雷达参数特征,揭示降水机制,利用机载Ka波段云雷达和DMT（Droplet Measurement Technologies）粒子测量系统,针对2019年11月17日山东冷锋层状云系开展从云顶至云底的垂直探测。结果表明：观测云层由高层云（3100~4500 m高度）和雨层云（800 ~2600 m高度）两部分组成。高层云过冷水含量较低,平均值为0.0026 g·m-3,最大值为0.008 g·m-3,云内冰晶通过水汽凝华增长,平均浓度为8.2 L-1,最大直径为900 μm,平衡谱状态下冰晶浓度与雷达反射率因子具有较好相关性,相关系数最大为0.84。雨层云过冷水含量丰富,最大含水量为0.354 g·m-3,过冷水区平均雷达反射率因子为7.48 dBZ,多普勒速度为-2.3 m·s-1,速度谱宽为0.7 m·s-1;雨层云中上部以冰晶为主,下部为暖区融化粒子,冰晶通过凇附过程增长,平均浓度为208 L-1,最大直径为450 μm;雷达反射率因子随高度降低至1500 m不断增大,在1200~1500 m高度保持不变,1200 m高度以下减小,未出现明显0℃亮带,速度谱宽随高度降低增大。     

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。     

四川盆地降水云系飞机云物理观测个例分析

利用2008年10月26日晚至27日凌晨成都上空连续两架次飞机穿云观测资料,分析了探测云系的云物理特征和降水机制,以期了解四川盆地降水形成的云物理过程。结果表明：探测云系为上冷下暖的混合云系,云系深厚,云顶温度在-10℃左右,0℃层较高。云系中暖层厚,约3200 m;过冷层较薄,约1800 m。在过冷层中,从云顶往下,大云粒子谱和降水粒子谱明显拓宽。在暖层中,降水粒子的浓度和尺度减小。冰晶和过冷水的存在使得冷云过程得以发动,配合暖层中的暖云过程,降水现象得以实现。而过冷水不够充沛,形成的降水粒子不多,同时暖层中液态水含量少,供水不充分,使得地面降水强度不大,形成了小雨。     

飞机尾迹云识别及其辐射强迫的研究进展

喷气式飞机在对流层上层的航空活动形成的尾迹云能够影响区域气候,对全球变暖有正的贡献。飞机尾迹云的辐射强迫与飞机尾迹云的区域覆盖率、物理特性以及光学特性密切相关。本文回顾了近几十年来线状尾迹云的相关研究进展,并分析总结了线状尾迹云的不同识别方法。首先讨论了欧美主流的尾迹云检测算法(Contrail Detection Algorithm,CDA)及其延伸算法,并总结了线状尾迹云在西欧、北美等地区覆盖率的季节和昼夜变化特点;接着讨论了以往多种线状尾迹云光学厚度的计算方案及其计算不确定性;最后分析了线状尾迹云的辐射强迫与覆盖率、光学厚度的关系,并指出目前飞机尾迹云相关研究存在的问题以及未来发展方向。     

飞机积冰云微物理特征分析及监测技术研究

利用7个架次有积冰报告的飞机探测资料,对积冰云的微物理特征进行了分析,详细描述了云中相态组成、液水含量、中值体积直径和过冷大滴浓度特征。介绍了基于卫星、数值模式输出和地面观测资料的飞机积冰潜势监测技术,在与20个飞机探测积冰报告对比中,积冰监测可识别率为90%,并应用飞机积冰潜势监测技术具体分析了2010年10月26日的积冰个例。最后介绍了基于积冰潜势监测技术的飞机积冰监测系统,该系统能够支持水平分辨率为20 km、垂直分辨率为25 hPa、时间分辨率为1 h的飞机积冰潜势产品的运算和显示,该系统可为实际业务提供参考。     

山东省飞机增雨天气系统云水资源转化特征分析

利用水汽辐合法和水汽凝结法，对山东省1997－1999年春秋季18个降水过程的水汽辐合率、凝结率及降水效率等表征云水资源及其转化的特征量进行计算。分析了南方气旋、西北冷锋等主要降水天气系统以上特征量的地域分布和差别。可为人工增雨作业区域选择和航线设计提供气候背景。     

2008北京残奥会闭幕日飞机消云作业分析

利用新一代多普勒天气雷达资料,对北京2008年9月17日残奥会闭幕日北京上游地区较弱对流云团作业进行了初步分析。结果表明,用飞机播撒吸湿性高浓度粒子群催化剂可消弱雷达回波强度和范围,有效抑制对流云团的发展。飞机消云拦截作业对保障残奥会闭幕式的顺利进行起到了一定作用。     

螺旋桨飞机安装云降水物理观测设备位置分析

云降水物理观测设备是研究人工影响天气的必要设备,该设备的观测数据质量不仅取决于仪器本身的性能,而且与飞机上安装位置密切相关,后者是影响观测数据质量的主要因素。螺旋桨类飞机因机体结构及螺旋桨发动机滑流影响,机体周围气流流向复杂,安装大气非扰动气流探测设备的空间极其有限,经从飞机结构和气动特性分析得出将这类设备安装在翼尖内侧和机腹中前段位置为最佳位置。     

一次飞机增雨作业的云参数变化响应分析

本文利用FY－2C静止卫星资料,以2013年5月8日四川盆地一次飞机增雨作业为例,反演了云顶温度、云顶高度、云粒子有效半径、液水路径、云光学厚度等云物理量参数,结合自动气象站资料和探空资料等,对此次飞机增雨效果进行了物理检验。结果表明:作业前,云顶温度－13℃,云粒子有效半径10μm,云体较厚,含有丰富的过冷水,具有较好增雨潜力;作业后,作业区云层增厚,云顶温度降低,云粒子有效半径增加至25μm,云顶冰晶化,冰水转化过程加快,产生了较多的降水,降水量增幅明显;作业后,对比区降水不充分,各云物理参数无明显变化。      

基于飞机观测的四川盆地初夏云下气溶胶特征

利用2009年6月23日夏延飞机搭载的云粒子测量系统(PMS)对四川盆地上空云和气溶胶的2次观测试验资料和MODIS光学厚度产品及云和辐射资料(CERES SYN1deg-3Hour Ed3A),结合HYSPLIT模式模拟的气团后向轨迹和前向轨迹,分析四川盆地云下气溶胶数浓度垂直分布、谱分布和来源特征。结果表明:飞机观测的四川盆地大气气溶胶数浓度量级为108~109m~(-3),与河北省、北京及周边城市飞机观测的气溶胶数浓度量级相同,污染较重。远距离输送对四川盆地气溶胶贡献小,说明气溶胶主要受盆地区域内污染物影响,同时气溶胶生成后主要在盆地区域内聚集,使得区域内空气污染居高不下。初夏阴天天气条件下,四川盆地的大气气溶胶主要分布在2 800 m以下,气溶胶粒子数浓度越靠近地面越大,且云下气溶胶粒子较多是积聚模态,粒子Angstr9m波长指数介于1.2~1.4之间,城市-工业气溶胶的特征明显。     

一次飞机播云的微物理效应分析

根据1995年6月29日对辽宁省一次层状云降水过程的飞机探测资料，对人工增雨催化作业前后各高度层云的含水量、云雨滴数密度、谱型等微物理参量进行了分析研究。结果表明：作业云层(高度：4．0～5．5km，温度：-4．5～-13．8℃)的云水含量约为0．02～0．03g／m^3，是整个云体中最大的，但冰雪晶相对较少，特别是5km以上云层，冰晶粒子只有1000～2000m，因此对这一云层作业是适宜的。作业后在作业高度层产生了大量冰晶，由于冰晶和过冷云滴同时存在，导致小云滴的数密度由34．38cm^-3减少到8．97cm^-3，过冷液态含水量由0．015g／m^3减少到0．005g／m^3；大云滴和冰雪晶的数密度由618m^-3增加为2267m^-3、含水量由0．10g／m^3增加为0．17g／m^3；各高度层的云粒子谱也产生了相应的变化。这个实例验证了实施碘化银催化对作业云的微物理结构产生了影响。     

一次飞机积冰环境中的云微物理特征

2014年3月12日利用机载粒子探头(DMT)对我国宜昌及周边地区的非降水云系进行了探测时发现了少量的飞机积冰,本文分析了积冰云层中云微物理量的分布特征。垂直平均分布表明,CAS、CIP和PIP粒子数浓度分别大于300个·cm~(-3)、1个·cm~(-3)和10~(-5)个·cm~(-3),粒子中值直径最大值分别为3μm、89μm和1389μm。谱分布表明,3650m高度重力碰并和凇附过程使得CIP和PIP粒子谱较宽,3650m以下谱宽较窄,粒子以凝结增长为主,大粒子和冰晶粒子主要是由高层下落造成。平飞观测统计表明,3350m的CAS和CIP粒子平均数浓度均大于3650m的值,但PIP粒子数浓度、粒子平均和最大中值直径则相反。平飞时间变化表明,3350m高度CAS粒子数浓度和直径大致呈反相关,3650m大云滴和冰雪晶粒子的数浓度和中值直径随时间波动较大。     

飞机探测云物理数据集的建立和应用

通过收集大量历史和现今的飞机探测云物理资料,对所获取的资料进行必要的质量控制和检验,并进行统一整理、加工、规范和信息化处理,形成了具有规范格式和详细说明文档的"飞机探测云物理数据集"产品.该数据集产品具有分类查询、数据导出、格式说明等功能,可以按照时间属性、地理空间属性、数据种类等不同属性对该数据集中的各类数据进行多元化使用.借助于"气象科研数据共享平台","飞机探测云物理数据集"产品已在一定范围内得到广泛应用.在此应用基础上,包括国家科技攻关项目在内的许多科研或业务项目已经取得了许多可喜的成果.     

祁连山一次地形云降水微物理特征飞机观测

祁连山是我国西北地区重要的生态屏障,地形云是祁连山主要降水云系,加强对祁连山云微物理过程的认识,对科学有效开展人工增雨作业、改善生态环境具有重要意义。利用2020年8月29日祁连山一次地形云降水过程的飞机观测数据,研究祁连山地区夏季云降水过程的微物理特征。此次降水过程云系呈明显的分层结构,云底高度为4000 m,整层含水量较丰富,云水大值区出现在4500~5300 m高度,与云滴高浓度区对应,云水含量主要由粒子直径为15~20 μm的云滴粒子贡献。小云粒子和大云粒子平均浓度分别为7.54 cm-3和0.86 cm-3,有效直径平均值分别为11.02 μm和198.11 μm,呈现出浓度小、直径大的特征。云系翻越祁连山过程中南北坡云微物理特征有明显变化,北坡（背风坡）粒子浓度、直径和液态水含量明显大于南坡（迎风坡）。祁连山地区不同高度小云粒子谱呈单峰型分布,Gamma分布可较好拟合直径小于50 μm的云滴谱,直径大于50 μm的云粒子谱更符合幂指数分布。凝华和聚并是冰相层冰雪晶的增长机制,混合层冰晶增长以贝吉龙过程为主,并伴有凇附和聚并生长。