云降水物理与人工影响天气研究进展

2011年,云降水物理与人工影响天气研究主要在暖云数值模式研制及模拟、云物理过程对降水影响、冰雹物理过程、效果检验、南方冻雨的微物理过程以及华北气溶胶特征等方面取得如下研究成果。     

云降水物理和人工影响天气研究进展和思考

云降水物理和人工影响天气密不可分,云降水物理为人工影响天气提供理论基础,人工影响天气是云降水物理一个重要应用领域.目前我国人工影响天气规模、经费投入已达世界之最,人工影响天气工程正在建设之中.论文简要回顾了我国云物理研究和人工影响天气的发展过程,评述研究工作取得的进展,思考我国人工影响天气在新形势下进一步的发展的问题,显得尤为重要.几十年来,我国开展了一系列云雾降水的外场观测研究和人工影响天气的外场试验研究,云和降水物理以及人工影响天气的理论和技术研究不断取得进展,数值云模式和中尺度模式的模拟研究水平有了长足的进步,在云和降水物理过程和降水机制研究、云的微物理结构、云水资源和人工增雨潜力评估、催化条件预测、催化剂和催化技术等方面取得了显著进展.论文最后指出,目前的人工影响天气需要加强人工影响天气核心技术研究,并提出了需要进一步研究的云和降水物理中的有关科学问题.     

云降水物理与人工影响天气研究进展(2008～2012年)

本文回顾和总结了近5年(2008～2012年)云降水物理与人工影响天气主要研究进展,并讨论了目前存在的主要问题和亟待解决的关键科学问题.内容涉及可分辨云数值模式及模拟研究、云降水的观测与遥感反演研究、气溶胶对云降水的影响及人工影响天气相关的数值模式、观测试验研究等.提高对云降水形成过程、时空结构与演变机理的深入认识,对揭示大气水循环、气候变化过程,提高天气精细化预报、大气云水资源开发利用及气象防灾减灾的能力,具有十分重要的作用.     

近年来云降水物理和人工影响天气研究进展

回顾和总结了中国科学院大气物理研究所近5年(2003～2007年)的云降水物理和人工影响天气研究,内容涉及云和降水物理研究、云和降水数值模拟研究、人工影响天气研究和云化学研究等诸多领域。随着国家和社会对人工影响天气需求的日益增加,云降水物理仍是重要的研究方向,会随着观测和理论研究的发展而取得突破性进展。     

一次华北冷涡降水的云物理飞机探测特征

分析了１９９９年５月１７￣１８日,由华北冷涡与长江中、下游切变线系统在山东境内交汇形成的一次较强的降水过程。对这闪天气过程进行限收音机连续观测和人工增雨作业。此类降水是山东傻子春季降水系统中的主要过程,具有一定的代表性。作业高度为４１５０￣４５００ｍ,是层状 中上层。云中含水量较小,最大值为０．０３５ｇ／ｍ＾３。云粒子浓度最大值为２５０个／ｃｍ＾３,云粒子走私、浓度空间分布等存在不均匀特性。其降水     

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。     

通辽市一次锋面降水过程云物理特征分析

文章利用2012年9月2日影响内蒙古通辽市的一次锋面降水过程的机载大气粒子测量系统（PMS）的资料,结合飞机宏观记录、天气形势、雷达回波和卫星云图等资料,对云层的物理特征进行了初步分析：锋面降水云系中的PIP粒子浓度变化随高度变化成正相关,5200m高度达到最大。底部的云体降水粒子浓度随时间减小,说明底部的云层正在消散。航线飞行过程中探测到降水粒子浓度在16：35之后变大,说明云体在下层有发展的趋势。云中CAS粒子总浓度整体相差不大,浓度在100~600个·cm-3之间,峰值浓度在4200m高度处,达到800~900个·cm-3。SPP-200粒子总浓度呈现双峰结构,分别在5200m和3450m高度层。     

河北秋季层状云物理结构及适播性分析

利用2006-2010年河北省人工影响天气办公室对29块云体9架次飞机探测(或作业)资料,统计分析了河北地区秋季层状云气溶胶粒子、云凝结核CCN、小云粒子、大云粒子、降水粒子浓度和云粒子有效直径等物理特征。结果表明,河北地区适宜增雨作业的云系为中、低或高、中、低搭配的层状云,过冷层催化有利于云体发展,促使气流流入形成正反馈。适宜催化的作业层指标有:云层高度为4582 m,云内平均含水量≥0.1 g·m-3,所对应温度为-8.0℃,小云粒子浓度为236.5 cm-3。     

华北中部夏季气溶胶垂直分布及其与云凝结核和云滴转化关系的飞机观测研究

气溶胶的时空分布及其核化成云的转化过程是云降水物理研究的重点,也是气候变化中气溶胶间接效应关注的热点问题。利用2013～2014年期间在华北中部山西地区开展的9架次夏季晴天和积云天气情况下的气溶胶、云凝结核（CCN）及云滴数浓度观测资料,分析研究了气溶胶的垂直分布、谱分布、来源特征及其与云凝结核、云滴数浓度的转化关系。研究结果表明,大气边界层逆温层结对气溶胶、CCN垂直分布有重要影响,不同天气条件下气溶胶谱型在低层差异较大而高层基本一致;垂直方向上CCN数浓度与气溶胶数浓度有较好的相关性,过饱和度0.3%条件下CCN比率（云凝结核/凝结核）与气溶胶有效直径呈线性关系;积云云下气溶胶与云滴的线性拟合方程为y=1.3x?616.3,拟合相关系数为0.96,气溶胶转化为云滴的比率可达到47%。在过饱和度0.3%条件下,云下CCN与云滴的线性拟合方程为y=1.6x?473.8,拟合相关系数也为0.96,CCN转化为云滴的比率可达到69%。     

SPEC机载云探测系统及其云物理研究进展

在综合介绍我国机载云探测系统的发展历程、应用情况和优缺点的基础上,对新一代机载云探测系统SPEC的系统组成、探测原理、探测方法和探测范围等进行了详细说明,并探讨了近年来国内外相关研究进展.随着科学研究人员对云探测精细程度、准确度要求的日益提高,以往使用的粒子观测系统(PMS)等云探测系统已无法满足一些科学试验的需求;S...     

新一代天气雷达应用于人工影响天气作业

2002年和2003年新一代天气雷达应用于“十五”国家科技攻关重大计划项目“人工增雨技术研究及示范”,在青海省河南县和河南省许昌市进行秋季和春节降水系统中尺度结构外场试验观测和指挥中,获取到了大量云和降水的外场试验资料。利用这些资料分析了这两个地区云和降水的一些特征,进行了风场结构的分析,对层状云和对流云的中尺度回波强度和动力结构进行了较为详细的分析。结果表明:新一代天气雷达可以为人工影响天气的作业指挥和云物理研究提供更多的信息,它可以清楚     

2009年石家庄地区不同天气条件下大气气溶胶分布特征

利用2009年石家庄地区的4次机载PMS探测资料,对不同天气条件下大气气溶胶的数浓度、平均直径垂直分布和谱分布及一次晴天条件下的水平分布进行分析。结果表明：PCASP 探头探测的0.1-3.0 μm气溶胶粒子最大数浓度的量级为102-104 cm-3之间,平均值量级为102-103 cm-3之间,平均直径最大值介于0.225-0.717 μm,平均值介于0.148-0.167 μm。晴天条件下,气溶胶的数浓度随高度递减,直径随高度变化不大;逆温层底气溶胶明显积累,气溶胶浓度在大气边界层内明显高于其他层次;阴天轻雾情况下边界层内的气溶胶数浓度大于雨天和晴天,雨天气溶胶浓度最低;晴天气溶胶数浓度的水平分布不均匀;在云中气溶胶浓度明显下降,在云外气溶胶浓度较高。不同天气条件和晴天不同高度情况下,石家庄地区气溶胶谱型呈单峰分布,小于0.3 μm的细粒子对气溶胶的数浓度贡献最大,且随着高度的增加谱宽变窄。     

云凝结核浓度对北京一次降水过程影响的数值模拟

利用WRF v3.6.1模式,采用Thompson云微物理参数化方案对北京奥运会期间的一次降水过程进行了模拟,通过3组数值试验对比分析了高、中、低云凝结核浓度对降水的影响。数值试验结果显示:(1)在云凝结核浓度较低的情况下,云凝结核浓度增加使24 h累积降水量增加,且增加的幅度相对较低;在云凝结浓度较高的情况下,云凝结核浓度增加使24 h累积降水量减少,且减少的幅度相对较高。(2)从地面雨强分布来看,不同的云凝结核浓度对暴雨、大雨、中雨、小雨的影响均体现在降水强度上,对降水位相的影响不显著。(3)云凝结核浓度的变化对低云量的影响与其对降水的影响相一致,故低云量是影响降水的一个重要因素。     

人工影响天气飞机播云作业有效催化范围的模拟评估

针对人工影响天气飞机播云作业效果评估需求,提出一种基于拉格朗日粒子扩散模式FLEXPART-WRF的催化剂催化范围模拟评估方法.以典型催化剂碘化银为例,开发催化剂物理化学特性参数清单模块,结合飞机播云特点和模式源项特点,将飞机不规则线性播撒方式离散化为连续移动点源播撒方式,实现模式对飞机播云的模拟能力.通过对一次飞机播云作业的模拟试验,证实了模拟评估方法的可行性和有效性.     

数值模拟在青海人工影响天气中的应用

本文介绍了数值模拟在国内外云物理、人工增雨和人工防雹中的研究和应用，并对数值模拟对青海省人工影响天气的应用和前景进行了介绍和探讨。     

2005年北京消云试验微物理检验

利用机载PMS(Particle Measurement System)粒子探测系统获得的云微观特征和宏观观测分析了2005年北京消云试验的效果。比较2005年9月12日上午消云作业前后云滴数浓度、粒子有效直径和云滴谱分布的变化发现,在暖云中播撒吸湿性高浓度粒子群能够产生一定的消云效果。作业后云微物理结构的垂直分布发生较大变化,云滴数浓度和粒子有效直径均变小,并且在作业高度下方出现一个干层;吸湿性物质促使云滴发生碰并过程,使得大云滴消失小云滴变少;作业半小时后垂直方向影响范围小于900m。此外,在9月13日下午的消云试验中观测到消云作业产生的一条明显云沟。     

河南春季一次气溶胶分布特征的飞机探测研究

利用飞机微物理探测资料,对2018年3月26日河南中北部地区一次气溶胶分布特征进行综合分析,得出以下结论:郑州市区与郊区积聚模态气溶胶粒子浓度值均在近地面达到最大值,且市区近地面污染排放比郊区严重,污染粒子被大气上升运动输送到高层,两地区浓度均随高度升高而减小。市区浓度值在4500 m附近产生2个量级骤减,郊区在3200 m附近产生2个量级骤减。市区与郊区积聚模态气溶胶粒子有效直径均随高度升高而增大;市区气溶胶粒子有效直径大于郊区的,且尺度范围更广;本地近地面排放粒子有效直径主要集中在0.4μm附近。对比过饱和度值在0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%情况下CCN粒子浓度随高度变化,发现5种情况下粒子浓度均与气溶胶垂直分布一致,说明近地面的颗粒物排放导致近地面CCN浓度值偏高。整个探测过程中积聚模态气溶胶粒子对转化凝结核贡献较多,二者数浓度相关系数R~2为0.61,CCN活化率集中在0.4～0.6。     

河北省一次降水云系云物理结构的飞机探测研究

利用机载粒子测量系统资料、天气雷达和Ka波段云雷达资料,分析了2017年5月22日河北省一次低槽冷锋降水过程积层混合云的微物理结构。结果表明:降水云系出现在低槽槽前西南气流中,积层混合云为大范围的层状云系中镶嵌大量对流云核结构,0℃层高度位于3577—4004m,随降水过程发展0℃层高度降低,嵌入的对流加强将抬升云顶高度。云内粒子浓度随云内对流的发生和加强而提高,云粒子浓度从1.8×10^5L^-1上升至5.0×10^5L^-1;云内过冷水含量大幅提高,从0.05g·m^-3上升至0.60g·m^-3,冷云中上层过冷水含量可长时间维持在0.20g·m^-3,中上层过冷水占比达60%。对流发生和加强可提高冰晶粒子增长速度,弱对流区冷云低层出现冰晶粒子浓度爆发增长区,强对流区冷云中上层成为冰晶粒子浓度快速增长区;最大降水粒子直径从8000μm增长至10000μm以上,直径在10000μm以上降水粒子谱分布区域从云底向中上层拓展。     

偏振雷达在人工影响天气工作中的应用潜力

在人工影响天气作业时，实时了解被作业云中的水成物粒子大小、相态、密谋、运动等参数及其微物理变化过程是非常重要的。这些微观参量和微物理过程揭示了云降水发展的不同阶段，对于及时正确地评估云增水及消雹潜力，确定是否适合人工影响作业以及如何正确选择作业时机、作业部位和作业量，与了解云的宏观特征一样是至关重要的，它是提高作业效率的基础。本文借助国内外偏振雷达应用研究中成功的范例，探讨了偏振雷达在人工影响天气方面的应用问题。特别是介绍了不同偏振雷达在识别云内水成物粒子的相态、密度，观测云内水成物粒子微物理变化过程，以及被作业云的作业效果评估等方面的方法。这些方法对于发展我国偏振雷达技术，促进偏振雷达在人工影响天气方面的应用和提高我国人工影响天气工作水平方面有很好的参考与借鉴作用。