一次浙江对流云催化数值模拟试验

为了研究吸湿性催化剂、碘化银催化剂及两者的联合催化效果,利用双参数三维对流云催化模式,对浙江南部一次对流云降雨过程分别进行盐粉暖云催化、碘化银冷云催化和冷暖混合催化试验,对比研究不同催化方案对对流云降雨的可能影响。结果表明:盐粉催化导致先增雨后减雨,主要通过盐溶滴与云滴碰并增长,及雨滴碰并和霰粒子碰冻过程消耗。在上升气流区和降雨前期进行催化的增雨效果更好,30 μm粒径的盐粉催化剂量为12.5/L时,可增加降雨量17.8%。在降雨过程的不同发展阶段进行AgI催化,表现出先减雨后增雨的催化效果。盐粉和碘化银的联合催化,由于两者催化效果的不同步,使得不同吸湿性催化剂和碘化银催化剂量配置会导致不同的催化效果。当30 μm的盐粉,催化剂量12.5/L,联合碘化银100/L的冷区催化,可取得19%的增雨效果。     

湖南秋季积层混合云系飞机人工增雨作业方法

统计分析2007—2016年秋季湖南省长沙市地面气象观测资料、湖南省飞机人工增雨作业资料, 得到湖南省秋季积层混合云系的降水分布情况、一般结构特征和相应的飞机增雨作业方法。使用多普勒天气雷达、GRAPES_CAMS数值模式和中小尺度气象站网等资料对典型作业天气过程进行云降水物理和数值模拟分析, 采用成对对流云和基于TREC算法的回波跟踪等方法进行作业效果评估。归纳得到湖南省秋季积层混合云系人工增雨作业条件判别的12个宏微观指标, 探讨在使用运7飞机、碘化银烟条作业装备条件下, 开展飞机增雨作业的最佳催化时机、部位和剂量。针对积层混合云系中的降水性层状云系、积云对流泡, 飞机增雨适宜作业的区域、播撒高度和催化剂量:在过冷高层云的-15~-5℃层, 播撒达到30 L-1的人工冰晶浓度; 在过冷积云的-15~-7℃层, 静力催化使冰晶浓度达到30 L-1或动力催化达到100 L-1。这些方法在实践中取得了较好的人工增雨作业效果。     

多普勒天气雷达产品在人工增雨效果检验中的应用

利用湖南省境内的多普勒天气雷达探测资料,结合湖南省中小尺度地面降雨量资料,对催化作业前后日标云与对比云的多普勒天气雷达参数(回波顶高、最大反射率因子、垂直积分液态水含量、回波面积等)的变化特征进行对比分析.结果表明,催化后,目标云体雷达回波参数值均增大,约20～30 min后都能达到最强,而对比云增大率比目标云要小;作...     

2008—2018年我国人工影响天气技术及应用进展

在抗旱、防雹、生态环境保护和重大活动气象保障等国家和地方重大需求的推动下,2008—2018年我国人工影响天气技术和应用得到快速发展。在气溶胶粒子、云（雾）物理垂直结构和降水形成机理等方面,开展了大量科学试验研究,取得了重要成果,建立了国家级人工影响天气实时业务数值预报模式,提高了对作业云特征和演变过程的预报能力,对作业方案的科学设计具有重要作用。在机载云粒子谱仪与成像仪、多通道微波辐射计、X波段偏振雷达、雨（雾）滴谱仪、先进火箭作业系统等核心关键技术装备的国产化研发方面也取得重要进展,研制成功国产机载云粒子测量系统、地基多通道微波辐射计和立体播撒火箭作业系统,并应用于业务,提高了作业条件监测识别和地基作业能力。建立了空中国王、新舟60等型号的先进飞机探测和作业平台,大幅度提高了作业飞行高度、续航时间和空中作业能力。在电离、飞秒激光、声波等人工增雨新技术领域开展了理论和实验探索研究,在飞秒激光诱导降雪机理实验和数值模拟等方面取得了重要进展。     

一次有利于人工增雨作业的锋面降水过程分析

使用常规天气资料、卫星云图和雷达回波资料分析１９９９年６月１３～１４日内蒙古一次锋面降水天气过程的天气条件、卫星云图和雷达回波的特征,对锋面降水云系的分布进行讨论,为人工增雨飞行播撒作业提供科学依据。     

利用地基GPS观测火箭人工催化后大气水汽变化

为观测火箭人工催化后大气中水汽的变化规律,利用河北省秦皇岛市单站地基GPS观测数据,对2006年5月21日在该站上风方实施的两次火箭人工增雨作业进行了分析.结果发现单站地基GPS上空层状云在人工催化开始后l～3 h左右,都出现了大气中可降水量(PWV)下降的同时逐时雨量增加等现象,在天气系统前期作业,PWV得到较快恢复和补偿,人工增雨效果较后期明显.将观测结果与早期和最近模式研究结果进行了比较,具有较好的一致性.     

液态CO2人工引晶后云微物理和降水变化的观测分析

根据飞机探测仪器观测到的云中粒子微观结构,结合卫星、雷达和常规天气资料,分析了人工增雨作业前后云的宏、微观物理结构和降水变化。结果表明,作业后影响区云中的冰晶浓度、雨滴直径比对比区有明显增加,云中过冷水减少;对比区降水回波强度和强回波区面积变化不大,而影响区最大回波强度增大,强回波区的面积扩大,降水增加。这与影响区云中降水粒子增多、直径增大是一致的,这些结果说明了液态CO2催化层状云的物理响应。     

两次江淮气旋的云雨特征及其人工播云效果的综合分析

用天气学、云物理学、统计计算和数值模拟等方法，对1997年5月份影响我省的两次江淮气旋降水系统进行了综合分析研究，发现(1)中低空水汽输送条件较好，都形成了大范围较稳定的降水性层状云系，出现了连续性降水。两次过程的深厚程度、动力条件有差别，云雨的宏微观特征也有所不同；(2)云中过冷层较厚，过冷水含量较高，大滴浓度较高，众数直径较大，有利于人工催化；(3)云层降水粒子的形成，在冷层以凝华和淞附增长为主，核化和繁生相对较小，进入暖层后，主要是云滴与雨滴以及雨滴间碰并为主；(4)用干冰进行了6架次人工增雨催化作业，经综合检验，约增雨10%～40%；(5)使用层状云数值模式进行人工催化模拟，当加入50个/L人工冰核，可使地面降水增加30%左右。如果过量播撒(加入500个/L)人工冰核，降水反而减少。     

对流云人工增雨潜力初步探讨

利用在古田水库建立的以新一代天气雷达为主,包括稠密地面雨量站网等人工增雨综合监测技术系统,结合古田水库“蓄水型”人工增雨外场试验研究对流云降水量、降水效率和人工增雨潜力。研究表明:①试验区对流云自然降水效率平均约为1222×103m3,最大为1626×103m3;②人工催化后18~36 min,平均降水效率提高6个百分点,每次作业降水量增加395.5×103m3;相对增加28.36%,最大分别增加10个百分点,为972×103m3和59.78%;③每次作业水库入库流量增加143×103m3;④综合12年(1975~1986)古田人工增雨试验和2004年古田水库“蓄水型”人工增雨效果分析,可以认为对流云云内含水量大,有明显的增雨潜力。     

跨区域人工影响暴雨强度的数值模拟Ⅰ:条件分析及增雨模拟

利用IAP三维云模式对2005年7月一次强暴雨过程上游的水汽通量进行了人工影响试验．模拟和分析发现，AgI播撒速率的选择对增雨效果影响较大，仅当播撒速率在0．07g／s以下时才有增雨效果；过冷云水发展到极大值时，以0．05g／s播撒AgI获得的增雨效果最好，播撒过程使得自然云内的冰晶和雪晶出现的时间提前，含量明显增加。     

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。     

Advances in cloud physics and weather modification in China

The capabilities of cloud-resolving numerical models, observational instruments and cloud seeding have improved greatly over recent years in China. The subject of this review focuses on the main progresses made in China in the areas of cloud modeling, field observations, aerosol–cloud interactions, the effects of urbanization on cloud and precipitation, and weather modification.Well-equipped aircraft and ground-based advanced Doppler and polarized radars have been rapidly applied in cloudseeding operations. The combined use of modern techniques such as the Global Positioning System, remote sensing, and Geographical Information Systems has greatly decreased the blindness and uncertainties in weather-modification activities.Weather-modification models based on state-of-the-art cloud-resolving models are operationally run at the National Weather Modification Centre in China for guiding weather-modification programs.Despite important progress having been made, many critical issues or challenges remain to be solved, or require stronger scientific evidence and support, such as the chain of physical events involved in the effects induced by cloud seeding. Current important progresses in measurements and seeding techniques provide the opportunity and possibility to reduce these deficiencies. Long-term scientific projects aimed at reducing these key uncertainties are extremely urgent and important for weather-modification activities in China.     

不同降水天气系统自然降水特征及火箭人工增雨潜力分析

统计分析了1981~2000年20年中15种降水天气系统影响下河北地区自然降水特征,并对火箭人工增雨的潜力进行了初步分析。统计分析表明:西来槽类、高空低涡类、冷锋、切变线和副高后部等天气系统是影响河北地区的主要降水系统,其降雨量和降雨日数占到了90%以上;不同的天气系统在不同季节对降水的贡献有所不同,其中西来槽类的降雨量和降雨日数均居首位,开展人工增雨催化作业机会最多;夏季降水系统最强,云水资源最为丰富,人工增雨潜力很大,是开展火箭人工增雨催化作业的最佳季节,春秋两季增雨潜力明显比夏季小,冬季最小;倒槽、副高后部、台风低压、高空低涡类和气旋类等系统最强,日降雨量和单位面积降雨量明显比其它系统大,尤其对蓄水型火箭增雨作业十分有利。     

吸湿性播撒对暖性对流云减雨影响的数值模拟

利用以色列特拉维夫大学二维面对称分档云模式（two-dimensional slab-symmetric detailed spectral bin microphysical model of Tel Aviv University）,对2016年9月4日16:00（北京时）前后我国华东地区的一次暖性浅对流云降水过程进行模拟,模式模拟的强回波中心高度和最大回波强度范围与观测基本一致。并在此基础上进行了小于1 μm的吸湿性核的播撒减雨试验,分别考虑了不同播撒时间、不同播撒高度以及不同播撒剂量的敏感性测试。结果表明:在云的发展阶段早期播撒能起到更好的减雨效果,播撒时间越早对大粒子生长过程的抑制作用越强,随着播撒时间向后推移,受抑制作用最显著的粒径段向小粒径端偏移;在云中心过饱和度大的区域下方进行播撒,减雨效果更加明显,当播撒剂量为350 cm-3时,地面累积降水量减少率可达23.3%;另外,随着播撒剂量的增加,减雨效果更加显著,甚至能达到消雨的效果。因此,在暖性浅对流云中合理地播撒小于1 μm的吸湿性核能达到较好的减雨或消雨效果。     

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。     

对流云人工增雨作业等级预报

结合南方对流云人工影响天气作业特点，在人影作业判据各项分指标的基础上，提出一种综合性判据，为基层人影作业提供操作性较强的人影作业指标。通过2001年作业试验，将作业等级结论与积云数值模拟结果和实际降水进行分析，验征了人影作业等级预报的可行性，这对于对流云人工影响天气作业指挥具有实际的意义。     

Cloud Seedability Study with a Dual-Model System

In this research,a novel dual-model system,one-dimensional stratiform cold cloud model(1DSC) coupled to Weather Research and Forecast(WRF) model(WRF-1DSC for short),was employed to investigate the effects of cloud seeding by silver iodide(AgI) on rain enhancement.Driven by changing environmental conditions extracted from the WRF model,WRF-1DSC could be used to assess the cloud seeding effects quantitatively.The employment of WRF-1DSC,in place of a one-dimensional two-moment cloud seeding model applied to a three-dimensional mesoscale cloud-resolving model,was found to result in massive reduction of computational resources.Numerical experiments with WRF-1DSC were conducted for a real stratiform precipitation event observed on 4-5 July 2004,in Northeast China.A good agreement between the observed and modeled cloud system ensured the ability of WRF-1DSC to simulate the observed precipitation process efficiently.Sensitivity tests were performed with different seeding times,locations,and amounts.Experimental results showed that the optimum seeding effect(defined as the percentage of rain enhancement or rain enhancement rate) could be achieved through proper seeding at locations of maximum cloud water content when the updraft was strong.The optimum seeding effect was found to increase by 5.61% when the cloud was seeded at 5.5 km above ground level around 2300 UTC 4 July 2004,with the maximum AgI mixing ratio(X s) equaling 15 ng kg 1.On the other hand,for an overseeded cloud,a significant reduction occurred in the accumulated precipitation(-12.42%) as X s reached 100 ng kg 1.This study demonstrates the potential of WRF1DSC in determining the optimal AgI seeding strategy in practical operations of precipitation enhancement.     

2014年南京青奥会开幕式日降水过程数值模拟研究

为评估2014年南京青奥会开幕式日的人工催化消减雨作业效果,利用中尺度数值模式WRF对当日的云降水过程和催化作业开展数值模拟。本文系第一部分工作。首先对常用的八种云微物理方案的降水模拟效果进行评估,进一步选取Thompson和Milbrandt-Yau两个微物理方案对此次降水过程的云系结构和降水形成机制进行对比分析。模拟结果表明,采用Thompson和Milbrandt-Yau两个方案模拟的云系结构和降水形成的微物理机制是一致的。开幕式当天影响奥体场馆的降水由弱的积层混合云系产生,降水过程以冰相微物理过程为主。雪的融化是雨水的主要源项,Thompson方案中雪的融化对雨水的贡献率为72%,Milbrandt-Yau方案为60%,蒸发则是雨水的主要汇项,Thompson方案中蒸发对雨水的消耗率达94%,Milbrandt-Yau方案为95.6%。     

利用新一代天气雷达资料分析飞机人工增雨作业效果

利用GPS仪和新一代天气雷达的探测,对广西2008年2月16日一次飞机人工增雨作业的效果进行了物理检验。分析表明,对过冷云实施播云作业后,过冷云层的微物理影响能直接导致高层过冷水与冰晶混合区以及低层暖区云雨层对雷达基本反射率的增强,同时能比同等条件下非催化云层更快到达雷达回波峰值,并持续较长时间。催化作业可使冷层的雷达回波增强最大可达200%,同时可使低层暖区云雨层的雷达回波增强最大可达100%。