一次典型积层混合云降水的综合探测分析

本文针对2003年7月8日吉林省一次积层混合云人工增雨资料进行了分析。利用热线含水量仪、PMS及GPS等仪器所探测的资料,并结合天气、卫星和雷达资料对云的宏、微观结构进行了分析,给出了该云体各层微物理结构的变化,为人工增雨寻找最佳潜力区提供科学依据。     

中国人工增雨研究进展

随着全球气候变暖的加剧,水资源短缺问题表现得越来越突出,如何有效地开发利用空中水资源已成为人们关注的热点问题之一。本文回顾了人工增雨的发展历史,概述了当今国内外人工增雨的发展状况,归纳了各地区云状、积云特征、液态含水量、冰晶浓度等云物理特征,并在此基础上对我国各地区尤其是西北地区的增雨潜力进行了分析,最后归纳总结了人工增雨的常用手段、经验和检验人工增雨效果的方法。     

陕北地区层状云系催化的物理效应分析

１９８０、１９８９和１９９１年飞机人工增雨作业结果表明。对展状云系催化后含水量、云雨滴浓度、云雨滴分布、粒子增长、谱型特征和地面降水分布等物理效应均有明显效果，起到增雨作用．     

人工增雨效果物理检验方法的建立及应用

本文针对基于多源探测数据的人工增雨效果物理检验,建立对比区选取的相似性度量系数（APC,Analogy Deviation-Pearson Correlation Coefficient）,建立人工增雨效果物理检验的无量纲化指数PIDI（Physical Inspection Dimensionless Index）方法。结果表明:（1）人工增雨效果物理检验PIDI指数方法,能够实现以相似性度量系数APC最大程度削减增雨作业催化云体及降水的自然变率影响,以无量纲化处理方法综合多种具有量纲差异的云物理探测参数,最终以一个百分数变化率的数值形式综合度量多种云物理参数的整体变化趋势及程度。（2）应用PIDI方法对2014～2019年24架次飞机增雨作业进行增雨效果物理检验。人工增雨催化引起作业后3 h的云顶温度、云粒子有效半径、光学厚度、液水路径、组合反射率、≥30 dBZ回波面积、垂直累积液态含水量7项指标平均变化率3.4%～19.6%。18次作业的小时降水量变化率呈0～58.3%的增雨效果,6次作业的小时降水量变化率呈?37.5%～0的减雨效果。多数增雨作业引起的云物理参数变化明显小于降水变化。（3）具有增雨正效果的18次增雨作业,人工催化引起多数作业的云顶温度、组合反射率、垂直累积液态含水量呈增加趋势,多数作业的云粒子有效半径、光学厚度、液水路径呈减小趋势。（4）利用飞机增雨个例对比PIDI指数方法与K值方法异同。对于降水量变化趋势的检验二者具有一致性。二者差别在于PIDI指数方法能够反映人工催化引起的所有检验指标平均变化率。     

层状云中的液水含量与降水条件

宁夏开展人工降水工作,已有五年多,为研究人工增雨的自然条件,近年来进行了云液水含量与云滴谱等云物理结构特征的研究。本文分析了1978、1979年飞机观测的云液水含量资料,指出了云含水量随时间、空间的分布特征;讨论了云中降水增长的条件;并初步分析了各次间人工增雨的相对潜力。 一、资料来源及观测结果 云层的宏观资料,是依据飞机观测记录及银川气象台雷达观测记录,并参考定时天气图得到的。云中液态含水量资料,是使用A-27型机载液态含水量仪获得的。地面降水资料选自靠近观测云层下方气象台站及水文站的自记记录。本文分析对象是1978年7月上旬至8月上旬、1979年5月上旬至7月下旬出现     

切变线型降水的增雨潜力与数值模式分析

针对人工增雨作业前缺少微物理资料确定人工增雨潜力区的问题,文章利用欧洲细网格资料、地基微波辐射计资料和飞机探测资料,根据人工增雨前所需具备的动力条件、水汽条件、可播区条件,分析了层状云切变线型降水人工增雨潜力区的宏观判据。结果表明:欧洲细网格模式预报大气可降水量、低云量、比湿最大值、气柱总含水量和850 hPa比湿与降水的演变趋势一致,大气可降水量预报平均值为43.0 mm,气柱总含水量预报平均值为33.0 kg·m-2,850 hPa比湿预报平均值在6.4 g·kg~(-1)时,有利于人工增雨作业的实施;模式探空资料反映的湿层(相对湿度≥80%)高度与厚度、e-Ei反映的冰水转化区与T-T_d反映的准饱和湿层的垂直分布,可确定人工增雨作业的合适时间与最佳播撒高度;欧洲模式预报对判定人工增雨潜力区和降水过程有良好的指示意义,与地基微波辐射计和飞机的探测结果较为一致,模式预报产品与观测资料结合为判定人工增雨作业潜力区提供了指导。     

抗旱型火箭人工增雨效果检验方法初步研究

为了在人工增雨作业中及时进行效果评估，利用2005年江淮地区人工增雨试验基地的资料，采用区域雨量对比分析、地面增雨效果的回归分析和增雨效果的物理检验方法，对2005年6月9日、8月3日两次人工增雨的效果进行了分析。结果表明：两次增雨作业都取得了较好的正效果；相对增雨在120％～140％。     

关于吉林省积云人工增雨作业的一些思考

积云含水量较高,特别是其催化的可播性和降水的高效性更是目前人工增雨作业的关键所在,本文试图从积云降水的原理出发探讨积云人工增雨作业的可播性和其增雨的高效性,结合吉林省人工增雨作业的实际情况,得出一套适合于吉林省积云人工增雨作业的应用方案。     

海口市人工催化热带对流云增雨降温的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展的具有火箭人工增雨催化功能的三维云分档数值模式(IAP2HBM),对2004年7月8日海南岛海口市区的一次热带对流云火箭人工增雨降温作业过程的宏、微观物理演变过程和人工增雨降温作业效果进行数值模拟。结果显示,人工催化播撒AgI后地面降水增加、地面气温下降的区域扩大、维持时间延长。催化导致云水含水量降低,雨水、冰晶、霰、雪含量增加,云中雨水的大量蒸发和冰晶、霰和冰雹粒子融化造成空气温度降低。     

２００８年６月一次引发广西大暴雨的西南低涡的诊断分析

利用中国科学院大气物理研究所发展的具有火箭人工增雨催化功能的三维云分档数值模式（IAP2HBM）,对2004年7月8日海南岛海口市区的一次热带对流云火箭人工增雨降温作业过程的宏、微观物理演变过程和人工增雨降温作业效果进行数值模拟。结果显示,人工催化播撒AgI后地面降水增加、地面气温下降的区域扩大、维持时间延长。催化导致云水含水量降低,雨水、冰晶、霰、雪含量增加,云中雨水的大量蒸发和冰晶、霰和冰雹粒子融化造成空气温度降低。     

Analysis of the Microphysical Structure of Heavy Fog Ｕsing a Droplet Spectrometer: A Case Study

The microphysical properties of a long-lasting heavy fog event are examined based on the results from a comprehensive field campaign conducted during the winter of 2006 at Pancheng (32.2°N, 118.7°E), Jiangsu Province, China. It is demonstrated that the key microphysical properties (liquid water content, fog droplet concentration, mean radius and standard deviation) exhibited positive correlations with one another in general, and that the 5-min-average maximum value of fog liquid water content was sometimes ...     

积层混合云结构和云微物理的数值模拟

对三维非静力中尺度模式ARPS的云微物理方案进行了改进,利用改进后的模式模拟了华北地区的积层混合云降水个例,通过对模拟结果的分析并结合实况资料研究了积层混合云的降水特征、云物理结构特征和微物理过程。结果表明,积层混合云降水分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,云系中微物理量在水平和垂直方向上分布都不均匀,积云中的垂直液态水积分含量大大高于层云中含量,此次降水冰相过程占主导地位,霰的融化是最主要的雨生成项。     

云微物理参数的地基探测反演研究综述

云相态、云滴谱分布和云液态水含量作为重要的云微物理参数,对气候变化、天气变化、人工影响天气和飞行安全等很多方面都有着重要的影响。云微物理参数的研究已是国际气象学研究领域中的热点之一,而在国内这方面的研究较少。简要论述了地基方法在云微物理学研究的优越性,扼要总结了国内外地基探测技术的发展现状,重点概括了云相态、云滴谱和云液态水3个参数的地基反演算法,并予以评价,展望了未来发展趋势,为国内云微物理研究提供了参考与借鉴。     

两类双参数云微物理方案对夏季强降水事件模拟能力的对比研究

运用中尺度WRF模式,分别采用Morrison(MOR)和Milbrandt-Yau(MY)双参数化云微物理方案,对2010年7月20—21日辽宁省的一次强降水过程进行模拟,通过对比分析两个方案所对应的地表累积降水量、降水强度、云中微物理量的模拟结果,评估两个双参数方案对强降水事件的模拟能力及主要微物理过程的差异。结果表明,在对雨带和强降水中心的位置上,MOR方案的模拟能力优于MY方案,但MY方案对强降水中心强度模拟能力则优于MOR方案;两方案对强降水宏观特征的模拟差异在一定程度上体现了它们在微物理具体方案上的差异,相比MY方案而言,MOR方案模拟降水发展期的垂直水汽通量高,使得雪晶的凝华增长、碰连增长增强,从而导致MOR方案的冰晶含量低,雪晶含量高,通过雪晶的凇附作用形成的霰含量也比MY方案高,霰的凇附增长消耗了大量过冷水,使冷云中云滴(过冷水)含量减少; MOR方案模拟得到的600 hPa到地表的雨滴直径均为1 mm,与实际雨滴直径的观测值不符,需要未来进一步开展研究,对原方案进行优化。     

CAMS复杂云微物理方案与GRAPES模式耦合的数值试验

CAMS复杂云微物理方案是混合相双参数方案, 包括11个云物理变量和31个云物理过程, 能够同时预报水成物的比质量和数浓度。通过在GRAPES非静力中尺度模式中增加预报量并修改相关程序后, 实现了二者的耦合, 耦合后模式运行稳定。选取2005年8月15—17日我国华北地区一次暴雨过程, 利用耦合后的模式进行48 h模拟试验, 同时还选取了GRAPES模式中其他3个比较复杂的微物理方案进行模拟, 着重分析了降水和水成物分布的模拟结果。研究结果表明: CAMS方案能够模拟出与实测相接近的雨带分布特征, 并且对降水演变的模拟结果与其他方案比较一致, 对暴雨中心位置的模拟有待改进。CAMS方案模拟的水成物垂直分布与其他方案相比具有相似的总体特征, 各相态粒子的量级和分布合理, 不同方案的结果在量值上有所差别。个例分析结果显示出CAMS方案对降水和水成物的分布能够合理描述。今后应通过更多个例进行更为精细的模拟试验, 对新方案进行检验。     

高纬度强对流与对流层上层水汽变化关系的数值模拟研究

应用WRF中尺度模式模拟了发生在黑龙江省西南部的一次区域性暴雨过程,通过云微物理参数化方案的敏感性试验,分析了对流云体中水汽垂直输送特征.结果表明:强对流活动使对流层上层局地水汽平均增加10倍以上,对流活动对于水汽的垂直输送以及对高层水汽含量的改变具有非常显著的作用.云微物理参数化方案,对于整个对流层水汽通量密度变化趋势有较好的表现.在不同方案中,0.5 ～9 km水汽通量密度及24 h总水汽垂直输送量,随高度变化差异较大.这是由平均垂直速度对不同方案敏感性造成的,不同的参数化方案,水汽通量最大值间最多相差可达27.9％.在不同的方案中,对流层上层加湿作用持续时间和对流层上层平均水汽混合比的最大值较敏感:对流活动可造成模拟区域对流层上层增湿持续16 ～20 h不等;对流层上层平均水汽混合比的最大值差异明显,最大可达15.8％.进行24 h平均后,上述物理量对方案的敏感性可减小到8.3％.所以,云微物理方案的不确定性对于暴雨过程的时间尺度是不可忽视的.     

从夹卷的角度探讨雾不同阶段微物理量的变化机理

夹卷混合过程作为影响云雾的主要物理过程之一,对云雾的生命周期、云雾降水的形成过程、辐射传输过程和气溶胶间接效应等都有着重要影响。本文从微物理和动力两个方面探讨辐射雾中的夹卷混合机制,既促进对夹卷混合机制的理论认识,又从新的角度来讨论辐射雾的发展消亡过程。利用2006年和2007年冬季在南京进行的雾综合观测的资料,研究了9个个例中的夹卷混合机制。首先,针对2007年12月10～11日这一次辐射雾过程进行详细分析,探讨了不同阶段微物理量的变化和夹卷混合机制。结果表明:成熟阶段主要为极端非均匀夹卷混合机制,数浓度和含水量同时减小,体积平均半径却基本保持不变;快速消散阶段主要为均匀夹卷混合机制,各微物理量同时减小,互为正相关关系。除了微物理,本文也分析了夹卷混合机制的动力特征,计算了过渡尺度数,发现在成熟（快速消散）阶段,过渡尺度数小（大）,有利于极端非均匀（均匀）夹卷混合机制的发生。其次,分析了其他8个个例中微物理量之间的相关关系,发现体积平均半径和含水量之间主要呈正相关关系,以均匀夹卷混合为主。所得结果有助于夹卷混合机制参数化方案的开发,同时为辐射雾的模拟预报提供参考。     

江苏北部不同等级雾的微物理结构及个例分析

利用2015—2017年秋冬季在江苏北部观测到12次雾过程的雾滴谱数据及常规气象观测资料,统计分析了轻雾、大雾、浓雾、强浓雾和特强浓雾等级下的微物理特征量及雾滴谱分布,并通过一次雾过程的分析,探讨了不同雾等级下的主要微物理过程。结果表明:随着雾等级的提升,雾滴数浓度、含水量增长明显,而轻雾、大雾和浓雾的雾滴平均直径和最大直径差异不大,但当能见度小于200 m时,平均直径和最大直径显著增大;能见度下降时,平均数浓度谱和含水量谱的谱线上抬,从浓雾到强浓雾,粒径大于10 μm的大雾滴增长明显;雾滴数浓度主要由小雾滴控制,雾滴含水量受大雾滴影响;东海县郊平均的雾滴含水量与南京观测结果相差不大,但雾滴数浓度仅为南京的一半左右,平均直径大约是南京的2.3倍;个例分析中,能见度从1000 m下降到50 m,凝结核活化并凝结增长是主要微物理过程,但可凝结水汽是影响该过程效果的一个重要因子,可使雾滴数浓度和平均直径呈现不同的相关关系;能见度降到50 m以下时,碰并过程效果显著;日出后雾滴蒸发作用显现并逐步增强。      

台风“云娜”在近海强度变化及结构特征的数值研究Ⅰ:云微物理参数化对云结构及降水特征的影响

首先对AREM模式模拟的台风基本结构和云结构进行验证,检验了模拟结果的可靠性.在此基础上,设计了5组试验来研究云微物理参数化方案对台风"云娜"云结构及降水特征的影响.试验设计主要突出冰相云微物理过程、云微物理特征引发的冷却效应以及霰下落速度的重要性.结果表明:云微物理参数化过程对云的发展和降水特征的影响更为显著.各试验的水凝物分布和强度不同,降水类型和强度存在较大差异,由此引起的云中热力结构也有较大区别;在所有试验方案中,24 h降水率最大差异为52.5 mm/h.云微物理过程对云和降水特征的具体影响表现在:(1)如果不考虑雨水蒸发冷却效应,此时台风内核上升运动强度最强(达到-19 Pa/s),雨水和霰粒子增长最明显,相对于对照试验增量分别为1.8和2.5 g/kg.(2)霰和雪的融化对于螺旋雨带中雨滴的增长十分重要,但他们可能不是云墙中雨水形成的主导因子.(3)不同方案的降水模拟特征也存在较大差别,采用暖云参数化后,降水区域最小,但其中对流降水比例最大(63.19%);霰落速减半后,降水区域最大,其中非对流降水比例也最大(51.15%).     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 II: 数值模拟

在利用卫星、雷达和机载PMS(粒子测量系统)等观测资料对2003年7月8日东北冷涡积层混合云系的降水形成机制分析的基础上,将观测分析与数值模拟研究相结合,用中尺度数值模式对积层混合云系做数值模拟,并结合观测资料进一步分析了积层混合云系的微物理结构、粒子形成过程和降水形成机制,获得如下结果:(1)混合云中对流云具有分层的微物理结构.冰晶含水量最大值出现的高度最高,其次由高到低的排序是雪、云水、霰和雨;雨水主要出现在云的暖区;各种粒子中以雨水含水量最高,其次是霰.对流云体生命期较长,微物理结构基本稳定.(2)粒子形成增长过程有差异.冰晶通过凝华过程增长.雪主要来源于冰晶,产生后主要通过撞冻、收集冰晶和凝华过程增长,其中撞冻过冷云水增长对雪质量贡献最大,其产生率极大值高度与过冷云水相当.丰富的过冷云水,给雪的撞冻增长提供了有利条件.在高、中和低层雪的形成有着不同的机制,高层雪收集冰晶长大后,下落到低层又以雪撞冻过冷云水的结淞增长为主要过程.霰主要由雨滴冻结和雪的转化产生,过冷雨滴与冰晶接触冻结成霰;过冷雨滴收集雪,雪随着雨滴的冻结而转化成霰.因此霰的产生与过冷雨滴关系极大.霰主要撞冻云水、收集雪和冰晶增长,其中撞冻是霰的重要增长过程.雨水主要由霰的融化形成,降水主要是由冷云过程产生的.在过冷层,霰撞冻增长占优势.云上部的冰晶和雪对云的中部具有播撒作用,过冷层中存在丰富的过冷水,对冰相粒子的撞冻增长有利.对云水消耗的分析表明,雨滴对云滴的收集、霰和雪对云水的撞冻增长是消耗云水的主要过程.(3)从各种粒子的形成和增长过程可以看出,大部分雨水由霰融化形成,暖云过程贡献要小得多.可见,降水主要是由冷云过程产生的,这与观测分析的结果一致.