苏联伏尔加河中游地区人工增加冬季降水试验的初步结果

苏联从1981—1985年在伏尔加河中游地区,用飞机播撒干冰对不同类型的冬季层状云进行了75次人工降水试验。根据试验场降水分布以及降水强度和雷达回波结构的演变,利用气象雷达的数字化计算系统,对作业效果进行了检验。得出,在40％的试验中,与云中播撒区相对应的地面上确实观测到了降水的增加。     

新疆准噶尔盆地冬季系统性降水研究Ⅱ．理论探讨

根据对北疆盆地冬季冷锋降水个例的观测分析，建立一个二维动力场给定、微物理时变的冷云模式。模式考虑了云水、云冰、雪、霰和水汽五种水元间16个微物理过程。本文用其研究了无扰动层状云、发生泡区和高空引晶自然播撒作用于层状云和飞机播撒层状云的降水发展过程，并用一维模式作一些模拟补充。模拟表明，无扰动层状云内液水丰富、冰粒子少，降水不充分。高空引晶自然播撒能大大加强层状云降水。低层发生泡既产生更多的云水又提供大量冰晶，对增加降水有双重作用。模拟得出各个过程中不同部位的各微物理过程相对重要性的时间演变，清楚地解释了观测发现的一些主要降水特征。对层状云飞机播撒同样能加强降水形成，播撒后主要增水区约10公里宽且有最大剂量限制。泡区人工播撒可进一步增加降水，而在自然播撒区再作人工播撒效果不好。     

两次飞机增雨作业过程数值模拟分析

利用国家气象中心GRAPES业务模式耦合混合相双参数云微物理方案,对2010年12月15日的两次飞机人工增雨作业过程进行了催化数值模拟分析。分析得出:GRAPES模式基本能给出正确的中低层天气形势场和降水的动力结构,较大降水的落区和范围基本可信,降水强度较实况偏小;按照作业实况进行催化模拟具有一定的可信度,与实况降水在较强降水区域有较好的对应性;两次播撒都取得了增加降雨量的效果,24 h平均增雨量在3~5 mm,最大增雨量达7 mm,两次播撒后增雨作业区的累计降水总量较未播撒时增加约一倍;播撒有效时段在4 h内,播撒后1~2 h雨量增加最大,增雨区域初期与播撒区域一致,随时间延长而在播撒区附近扩散;第一次播撒时,播撒冰晶消耗液态水,转化成固态水,水汽流入速度加快,向液态水转化加快,液态水迅速恢复,未出现减雨现象;第二次播撒时,云中固态水争食水汽增长,液态水得不到补充,云中上升运动减弱,自然降水阶段出现减雨现象。     

河北一次降水层状云系结构和增雨条件的模拟研究

利用中尺度模式模拟结果和卫星、雷达、飞机、地面雨量站等观测资料,对2012年9月21日河北一次西风槽降水层状云系的宏微观结构和增雨条件进行了分析。结果表明:此次西风槽降水过程的影响系统为500 h Pa低槽和700 h Pa切变线,地面并没有伴随冷锋系统;西风槽云系不同部位具有不同云层性质和垂直结构特征,前端为高层冷云,云顶温度为-35℃,云体由冰相粒子和过冷水组成,没有暖云,有少量冷云降水;槽线附近云系为冷暖混合云,云顶温度为-20℃,云体最为密实,地面降水较强;槽后云系为低层液态水云,云顶温度为-5℃,有少量暖云降水;云水分布对应上升运动和高饱和区,高饱和区越深厚、上升运动越强,产生的云水值越大;利用模式过冷水含量、上升运动区、冰晶浓度、温度和逐时雨强对冷云催化增雨作业条件进行分析,槽线附近云系过冷水含量较多,存在强可播区,播撒高度为3.8~6.5 km,最适宜冷云播撒增雨作业。     

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。     

北疆冬季降水的中小尺度结构与人工增水作业潜力和自然条件探讨

本文分析了1984年冬季北疆4次降水过程（11月21日、11月28日、12月1日、12月9日）的雷达观测资料、加密探空和包括1983年几次过程的飞机穿云观测、地面雪强和雪晶微物理观测以及常规观测资料等。结果表明，该区气旋锋面降水过程由频繁有秩的中小尺度降水带构成。依据观测可将它们分为两类:地形降水带和系统降水带。本文还初步研究了降水结构和降水带的生成机制，并进一步探讨了降水带的可播性。从各种降水带微结构特点和地面降水特征得知，该区冬季人工增雪催化对象主要是无高空强引晶作用的锋下层积云和浅对流、波动、爬坡等动力作用产生的降水带。     

碘化银播撒对云和降水影响的中尺度数值模拟研究

通过在WRF (Weather Research and Forecasting) 中尺度天气数值模式中引入碘化银与云相互作用过程, 建立了中尺度播撒碘化银数值模式。研究了碘化银播撒对于中尺度对流天气过程中云和降水的影响, 研究了不同播撒部位、 播撒时间和播撒剂量情况下碘化银的扩散、 传输及其对云中水成物和降水量的影响。研究结果表明, 碘化银在云中的扩散传输过程与播撒的位置有很大关系, 在最大上升气流区播撒的碘化银能随着气流更快地扩散到云体上部过冷水含量丰富的区域, 播撒在云上层入流区和云下层入流区的碘化银扩散到云中过冷水区需要时间更长, 同时有大部分停留在云体边缘。碘化银能与云中过冷水相互作用, 消耗过冷水使云中冰晶数浓度明显增加, 从而使霰粒子转化减少, 过冷水更多地转化为雪粒子, 过冷水凝结释放出潜热使上升气流增强, 促进了对流发展。由于雨水含量的增加, 地面降水也出现增加。碘化银播撒率对地面降水量影响很大, 当播撒率为0.6 g/s时, 播撒对降水的影响时间超过4小时, 增雨的效果更好。播撒率为0.1 g/s时增雨效果不明显, 当播撒率为1.2 g/s 时, 对总降水可能出现抑止作用。对比碘化银播撒率为0.6 g/s时12小时地面增雨量, 在云上层入流区播撒碘化银试验中, 地面增雨量比对最大过冷水含量区的催化试验提高了48.7%, 最大上升气流区播撒试验增雨效果最好, 地面增雨量比在最大过冷水区域播撒提高了72.1%。     

AgI焰剂对层状云催化的数值模拟

使用包含详细微物理过程的一维层状云全分档模式,并加入AgI焰剂催化方案,对2007年吉林省长春市一次层状云降水过程进行AgI播撒试验。分别选取云内过冷水含量峰值区(4000 m)、最大冰面过饱和度区(5000 m)和低温度区(5500 m)作为播撒试验区,播撒时间选择云体未充分发展阶段和充分发展阶段。结果显示,在同等播撒剂量下,地面降水对云内AgI播撒高度较为敏感。ST2方案模拟400 min后地面累计降水量增加10.4%。同等条件下,播撒时间越早,催化效果越佳。在充分发展的云体内播撒AgI焰剂,40 min后云内过冷水含水量减少70%以上,表明云内过冷水消耗量与地面雨强增加量之间具有良好的正相关性。4种播撒方案均显示,云内AgI主要靠凝华核化机制产生冰晶,而接触核化机制对AgI核化过程贡献较小。与未催化云体相比,催化后云内冰晶粒子总凝华速率增加明显。同时,地面雨强增加,最大雷达回波强度减小。地面水滴粒子谱分布显示,相比于未播撒时,各播撒方案均使直径400 μm左右的水滴粒子浓度增加1个数量级以上,而水滴粒子谱宽均略有下降,这表明AgI播撒后主要通过增加可降水粒子数量来影响地面降水强度和累计雨量,而对降水粒子谱型拓宽的贡献有限。     

AgI焰剂对层状云催化的数值模拟研究

使用包含详细微物理过程的一维层状云全分档模式,并加入AgI焰剂催化方案,对2007年吉林省长春市一次层状云降水过程进行AgI播撒试验。分别选取云内过冷水含量峰值区(4000m)、最大冰面过饱和度区(5000m)和低温度区(5500m)作为播撒试验区,播撒时间选择云体未充分发展阶段和充分发展阶段。结果显示,在同等播撒剂量下,地面降水对云内AgI播撒高度较为敏感。ST2方案模拟400min后地面累计降水量增加10.4%。同等条件下,播撒时间越早,催化效果越佳。在充分发展的云体内播撒AgI焰剂,40min后云内过冷水含水量减少70%以上,表明云内过冷水消耗量与地面雨强增加量之间具有良好的正相关性。4种播撒方案均显示,云内AgI主要靠凝华核化机制产生冰晶,而接触核化机制对AgI核化过程贡献较小。与未催化云体相比,催化后云内冰晶粒子总凝华速率增加明显。同时,地面雨强增加,最大雷达回波强度减小。地面水滴粒子谱分布显示,相比于未播撒时,各播撒方案均使直径400μm左右的水滴粒子浓度增加1个数量级以上,而水滴粒子谱宽均略有下降,这表明AgI播撒后主要通过增加可降水粒子数量来影响地面降水强度和累计雨量,而对降水粒子谱型拓宽的贡献有限。     

北京冬夏降水系统中的云水量及其统计特征分析

根据地基双通道微波辐射计观测的降水天气下大气水汽、液水含量的变化，分析了北京1989年夏季1次降水过程和1990年冬季5次降雪过程的云水量资料，讨论了降水过程中汽态水和液态水含量的一些统计特征及其随时间的变化，并估算了夏季降水中凝结水向降水的转化率。结合极轨气象卫星的遥感云顶温度资料，以及冬季地面降雪强度的观测，对北京冬季降水系统中的液水含量与降水的相关进行了分析，探讨了北京地区降雪的潜力。     

自动气象站与人工观测数据差异的原因分析

地面气象测报规范要求人工观测在观测时次的45～60分钟之间完成气温、湿度、降水、风、气压、地温的观测．自动站是在00～01分钟内按一定的顺序完成各项日观测的。人工观测靠观测员逐项进行,观测时问跨度较大;由于近地面气象要素随时问而变化,人工观测和自动观测时间上的不同步导致两种观测结果出现差异,这种差异随气象要素的时间变化速率和变化幅度大小而不同,     

碘化银播云的持续效应

澳大利亚进行播云试验地区及其附近地区降水记录的统计学考察强烈地显示出播撒的滞后效应。最明显的效应是增加了播撒日后1—3周的降水,从而使播撒成果的传统的统计学估算出现错误。通过与早期结果和地面播撒碘化银后冰核浓度持续增加的某些观测结果相比,可以说播撒的持续效应中包括了次生冰核的作用。如果是这样,那么次生冰核必定比碘化银本身能更有效地增加降水,因而推想可能有比迄今为止使用的方法更好的促进降水的方法。     

精细化评估GPM/IMERG产品对台风“妮坦”降水的观测精度

采用地面加密雨量计观测资料，以1 h、3 h、6 h、12 h和24 h等多个时间尺度分别评估了全球降水观测GPM （Global Precipitation Measurement）计划降水产品IMERG （Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM）对台风"妮妲"降水中小雨、中雨、大雨和暴雨等不同量级降水的估计能力，主要结论如下：（1）降水累积时长会影响IMERG降水产品的估计精度。随着降水累计时长的增加，IMERG与地面雨量计观测结果的一致性加大，相对偏差和偏差的随机性均减小；（2）降水累计时长1 h时，IMERG对不同量级降水的观测精度均存在较大偏差；（3） IMERG降水产品会高估小雨时地面雨量计的降水量，且低估小雨事件发生的概率，对于小雨等级降水的观测能力还有待提高；（4） IMERG能较好地观测到暴雨降水的空间分布区域，但对暴雨的估计量级会明显偏低。     

不同资料同化对登陆台风菲特(2013)短时预报的影响研究

为定量评估地面、探空、飞机报、卫星辐射亮温、雷达反射率及径向风等不同观测资料同化对台风预报性能的影响,本文以2013年严重影响我国的登陆台风菲特为例,利用WRF模式与GSI-3DVAR同化系统开展观测系统试验(OSE)研究,探讨了不同类型资料同化对"菲特"(2013)路径、强度、形势场和降水短时预报的相对贡献及可能影响机理。结果表明:(1)不同类型资料同化对模拟结果贡献程度有明显差别,其中探空、雷达反射率和飞机报对模拟结果有较大影响,分别"拒绝"这三种资料后模式模拟的高空各要素均方根误差分别上升约54.8%~62.0%、9.2%~16.5%和6.1%~6.4%。(2)对于不同的台风预报效果评估参数,各类资料的贡献率大小排序不同。对高空场和台风路径模拟影响较大的是探空和飞机报,对台风强度模拟影响较大的依次是雷达径向风、反射率、探空和飞机报,而对降水模拟影响较大的依次是雷达反射率、探空和飞机报。(3)各类资料对降水模拟的贡献率随时间变化不同。雷达反射率资料对降水的贡献随着模式积分时间明显下降,而飞机报、探空资料等对降水的贡献在模式积分3 h之后开始出现。(4)资料同化对降水模拟的改进与其对台风路径、水物质及强度模拟改进有关,因此影响高空场、台风路径和强度较大的雷达反射率、探空和飞机报资料,也是对降水模拟贡献较大的资料。     

冷云催化剂（液态CO2）的实验测试及其对云微物理结构的影响

本文对研制成的液态CO2播撒设备进行了地面试验。并应用于外场飞机人工增雨工作中。试验结果和应用情况如下：利用水平和垂直分档方案测得液态CO2的最低温度分别为-80．8℃和-54．8℃，且最低温度与喷嘴直径的大小无关；不同喷嘴直径其播撒持续时间不同，适合外场作业的喷嘴直径分别为0．4mm和0.5mm，其播撒持续时间分别为44min和40min。2002、2003年共飞行作业82架次，作业情况良好。同时，利用机载PMS粒子测量系统对2002年7月11日的一次天气过程进行了科研探测并进行了由播撒液态CO2引起的微物理量变化和引晶效应的初步分析。PMS资料分析结果表明，作业后小云滴的总浓度变化不大，但含水量和滴的平均直径约增大两倍．体积直径增加比较多；大云滴浓度明显增多，雨滴浓度减少，含水量增大，而过冷水含量减少，冰晶浓度增大。     

锡林郭勒盟2020年6月21—22日飞机人工增雨作业个例分析

文章利用常规观测资料、NCEP再分析资料、自动气象站观测资料和锡林浩特多普勒天气雷达产品等分析了2020年6月21—22日锡林郭勒盟一次明显降雨天气过程,以及飞机人工增雨作业效果。结果表明:(1)在天气形势和作业条件适宜的情况下,对系统云系播撒催化剂,促使大量的人工冰核迅速形成冰晶,使云中过冷水转化为降水。(2)飞机人工增雨作业后,作业区及下风方向的降水回波强度稳定或加强,回波面积明显扩大。(3)自动气象站雨量观测资料分析得出,飞机人工增雨作业使得飞机作业区及下风方向区域的降水范围及降水量均增大,增雨效果能维持3～6 h。(4)在有利的天气背景下,K指数为22～28℃,SI指数为0～2℃,比湿为8～12 k·kg-1,云顶温度在-15～-50℃,飞机人工增雨作业时间段内,云体较厚,含有丰富的过冷水,这种低能量高湿度且有较厚云体,具备了好的增雨潜势,适于开展飞机人工增雨催化作业。     

青藏高原雷暴云降水与地面电场的观测和数值模拟

在2003年青藏高原那曲地区夏季雷暴云的观测试验中,三次伴有降水的过程中都出现了地面电场(Egnd)随降水的漂移现象,而且固态和液态降水对Egnd的极性改变并不相同。为了模拟再现高原雷暴云降水和Egnd之间的关系,选取了8月13日这次具有高原雷暴代表性特征的过程,模拟了雷暴云移经观测点上空期间,测站固、液态降水与Egnd的变化以及雷暴云下部正电荷区的空间分布。模拟的Egnd及固、液态降水与其的对应关系与观测事实较一致。分析结果表明,固态降水主要携带正电荷,液态降水主要携带负电荷,各类带不同极性和数量电荷的降水粒子常共存在雷暴云中,Egnd主要受携带电荷量占主导地位的降水粒子的影响,地面出现强正电场时正好是云在当顶并且地面出现强固态降水的时间。     

冷锋降雪后期宽雪带的微物理结构及降水增长过程

依据北疆一次冷锋降水后期宽雪带获得的飞机观测资料，根据雪带中的降雪粒子随高度的浓度分布和尺度分布，分析了雪带的微物理结构特征和降水增长过程。     

层状云催化宏微观物理响应的数值模拟研究

层状云系是进行人工增雨开发利用空中云水资源的重要对象,增雨作业需要有科学可行的技术指标来指导实际作业的科学实施,而合理准确评估人工增雨作业的效果也是需要解决的重要课题,通过数值模式合理地仿真模拟实际催化作业的过程,进而研究增雨作业后云和降水的一系列宏微观特征的变化及其机理,是建立和改进催化作业技术的必要途径,也是评估实际人工增雨作业效果的有效手段。本文使用三维中尺度冷云催化模式对2014年4月15日河北省一次层状云降水的飞机催化作业过程进行了仿真模拟,力图对实际作业过程进行合理再现,通过对模拟结果的分析,研究飞机播撒的AgI（Silver iodide）催化剂在空中的扩散传输特征,分析催化对云和降水宏微观特性的影响,并对此次飞机催化作业的增雨效果进行评估。研究结果表明,播撒的AgI催化剂烟羽扩展的水平尺度可达数十公里以上,垂直方向上,大部分AgI粒子则主要集中在作业层上下约1 km的厚度范围内,AgI粒子的向上输送明显强于向下的输送;催化后云中的冰晶和雪粒子明显增加,导致催化模拟前期的霰增长受到抑制,之后随着霰碰并雪过程及零度层附近冰相粒子淞附过程的增强,云中霰的总量逐渐增加;催化作业后,催化云的雷达回波强度有明显增强,且随时间变化表现出不同的结构特征;催化导致地面降水出现先减少后增加的时间变化特征,催化后3小时,作业影响区向作业区下游扩展100 km以上,总体呈现减雨—增雨的区域分布特征;数值模拟评估表明,整个评估区内的净增雨量达到3.6×107 kg,平均增雨率为1.1%,暖层霰粒浓度和尺度的增加是降水增加的主要原因。由于作业目标云系的催化条件一般,而播撒的AgI剂量偏大,造成增雨作业效果偏低。     

火箭增雨效果雷达回波分析

利用2004年6月12日甘肃省永登县雷达观测对流云的加密资料,选取了2次相似对流云过程分别作为目标云和对比云,探讨了目标云作业前后较对比云雷达回波有关参数的显著变化,并结合地面雨量点观测资料对地面人工增雨作业效果进行了初步分析,结果表明:目标云在降水、生命期特征、回波垂直特征参数变化方面,表现出作业前后较对比云存在明显差异,目标云作业40 m in后地面产生0.6 mm降水,而对比云则从新生发展到减弱消散阶段经历较短的时间(30 m in),地面并无降水产生,从而推断本次人工增雨达到了一定的预计效果。