Aircraft-Based Measurements Of Turbulence Structures In The Katabatic Flow Over Greenland

Turbulence structures in the katabatic flow in the stable boundary layer (SBL) over the ice sheet are studied for two case studies with high wind speeds during the aircraft-based experiment KABEG (Katabatic wind and boundary layer front experiment around Greenland) in the area of southern Greenland. The aircraft data allow the direct determination of turbulence structures in the katabatic flow. For the first time, this allows the study of the turbulence structure in the katabatic wind system over the whole boundary layer and over a horizontal scale of 80 km.The katabatic flow is associated with a low-level jet (LLJ), with maximum wind speeds up to 25 m s^-1. Turbulent kinetic energy (TKE) and the magnitude of the turbulent fluxes show a strong decrease below the LLJ. Sensible heat fluxes at the lowest level have values down to -25 W m^-2. Latent heat fluxes are small in general, but evaporation values of up to +13 W m^-2 are also measured. Turbulence spectra show a well-defined inertial subrange and a clear spectral gap around 250-m wavelength. While turbulence intensity decreases monotonously with height above the LLJ for the upper part of the slope, high spectral intensities are also present at upper levels close to the ice edge. Normalized fluxes and variances generally follow power-law profiles in the SBL.Terms of the TKE budget are computed from the aircraft data. The TKE destruction by the negative buoyancy is found to be very small, and the dissipation rate exceeds the dynamical production.     

华北太行山东麓一次稳定性积层混合云飞机观测研究:对流云/对流泡和融化层结构特征

对云中微物理过程的研究是研究云降水形成过程和人工影响降水的重要基础,目前对积层混合云的对流区/对流泡中的微物理结构了解甚少。本文利用河北省“十三五”气象重点工程——云水资源开发利用工程的示范项目（2017～2019年）“太行山东麓人工增雨防雹作业技术试验”飞机和地面雷达观测数据,重点分析研究了2017年5月22日一次典型稳定性积层混合云对流泡和融化层的结构特征。研究结果表明,此次积层混合云高层存在高浓度大冰粒子,冰粒子下落过程中的增长在不同区域存在明显差异,在含有高过冷水含量的对流泡中,冰粒子增长主要是聚并和凇附增长,而在过冷水含量较低的云区以聚并增长为主。由于聚并增长形成的大冰粒子密度低,下落速度小,穿过0℃层时间更长,出现大量半融化的冰粒子,使融化现象更为明显。镶嵌在层状云中的对流泡一般处于0℃～-10℃（高度4～6 km）层之间,垂直和水平尺度约2 km,最大上升气流速度可达5 m s-1。对流泡内平均液态水含量是周围云区的2倍左右,小云粒子平均浓度比周围云区高一个量级,大粒子（直径800 μm以上）的浓度也更高。在具有较高过冷水含量的对流泡中降水形成符合“播撒—供给”机制,但在过冷水含量较低的区域并不符合这一机制。     

基于模糊逻辑的飞机积冰预测指数

使用北京人工影响天气办公室提供的2014-2017年京津冀地区飞行记录积冰个例样本与机载观测数据,2016年全国空中报告积冰、非积冰个例样本和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第5代全球气候大气再分析数据（ERA5）,基于模糊逻辑隶属度函数,定义了以气温和相对湿度为判别基础并考虑垂直速度和云量影响的积冰指数I_p（icing potential index）,用于判断飞机在空中发生积冰事件的可能性。检验结果表明:该指数对积冰事件的判别准确率为80.2%,与目前国内常用的经典积冰指数（I_c）相比,其判别准确率有明显提升,且漏报率和虚警率均显著降低（分别为9.4%和10.4%）,结合数值预报产品可对飞机在空中特定位置发生积冰事件的可能性进行预测。     

导线积冰重量模拟方法探讨

根据导线积冰的物理模型框架以及对导线积冰的主要影响气象因子相关分析,构造与导线积冰增长有关的水汽输送量指标,建立了导线积冰的预测模型;利用贵州省9个气象站1951—2010年的积冰观测资料和同期气象观测资料,采用非线性回归分析等方法,拟合了预测模型中效率因子系数的经验函数。建立的模型中各因子均为可预报气象要素,因而具有更好的预报可操作性,历史资料的拟合效果比较理想。     

一次飞机冷云增雨作业效果检验

最近60多年,全球范围内广泛开展了人工增雨作业,但人工增雨效果检验一直是个难题。传统上,利用雨量计和目标/对比区统计数据评估人工增雨效果,结果大多不确定。对一次人工增雨作业而言,从科学上给出令人信服的效果检验更是没有好的解决方案。2017年3月19日,陕西省实施业务飞机冷云增雨作业播撒含有750 g碘化银（AgI）的催化剂,播撒线长125 km。作业后卫星、雷达观测到一条与播云线对应的清晰的云迹线,地面雨滴谱仪观测到相应的雨强、雨滴数浓度、雨滴直径增大,表明播云使云体产生了增雨响应。针对这次增雨过程,从连片雷达回波中分离增雨作用造成的回波增强带（增雨影响回波）和确定了自然降水回波强度,建立增雨影响回波强度（Z）与地面雨强（I）的拟合关系（Z-I关系）,定量研究人工增雨的时、空演变。结果表明:（1）增雨影响时间约4 h,增雨影响回波区域（增雨影响区）面积为5448 km2。该区累计降雨总量和增雨总量分别为1.518×106 m3和8.04×105 m3,增雨影响区内增雨率达53%。（2）总降雨量、增雨量、自然降雨量随时间先增后减,总降雨量与增雨量的峰值同步,两者峰值都早于自然降雨峰值;催化后146 min （04时47分,世界时,下同）,每6 min增雨量达到最大,为4.9×104 m3;催化后174 min （05时15分）,增雨雷达回波面积达到最大（1711 km2）,面积峰值滞后增雨量峰值出现。（3）增雨影响区位于播撒线下游,呈条带状;区域内总降雨量空间分布为中间大边缘小,与增雨量空间分布一致。（4）此次增雨作业改变了降雨时、空分布,促进降雨形成,增加了地面降雨量。      

华北积层混合云中冰晶形状、分布与增长过程的飞机探测研究

利用中国国家科技支撑计划重点项目环北京地区3架飞机联合云探测试验数据,分析了2009年4月18日和5月1日两次积层混合云中冰晶形状、分布与增长过程。结果表明：飞机在0—-16℃范围的云层内观测到的冰晶形状主要包括板状、针柱状、柱帽状、辐枝状和不规则状。云中低层的冰晶形状受云顶温度影响,云顶温度不同,冰晶形状不同,当云顶温度高于-8℃时,云中低层的冰晶以板状和针柱状为主;当云顶温度低于-13℃时,在云中低层可观测到辐枝状冰晶;当云顶温度低于-18℃时,在云中低层可观测到柱帽状冰晶。同时冰晶形态还受其所处云中位置的影响,在积层混合云中的嵌入对流区含有更多的凇附状冰晶;在融化层以上,冰晶的增长过程主要包括凝华、凇附和聚合过程,在垂直方向上,随着高度降低云中过冷水增多,冰晶的凇附增长也相应增强。积层混合云中的对流区和层云区粒子谱下落拓宽速率有明显差别,在4.8—4.2 km（-11.6—-8℃）高度层,对流区粒子谱拓宽速率为3 mm/km,而层云区为3.67 mm/km,层云中粒子拓宽增长的速率略高于对流区;而在4.2—3.6 km（-8—-5℃）高度层,对流区的粒子谱拓宽速率为6.67 mm/km,层云区为2.33 mm/km,对流区的粒子拓宽增长速率是层云区的近3倍,主要原因是对流区低层的过冷水含量较高。     

一次典型层积云的飞机观测结果及与卫星资料的对比分析

飞机探测可直接获取云的微观结构特征量,但只是一些线段;卫星遥感资料可大范围监测云环境,但不是直接获得云参量,需要反演。因而开展云的飞机观测结果与卫星资料的对比分析是必要的。对1999月6月4日华北平原上一次层积云过程两个架次的飞机微物理探测资料进行了详细分析,并将飞机盘旋上升和下降取得的5次云参数垂直探测结果作为辐射传输模式SBDART2.4的输入,采取正演的方式与GMS5/VISSR、NOAA15/AVHRR反射通道的资料进行了对比分析。飞机探测显示层积云云厚约1000 m,云粒子浓度最大值425 cm-3,含水量最大值0.2 g/m3。第1架次云粒子浓度、含水量、有效半径的平均值为225±75 cm-3、0.08±0.03 g/m3、7.2±1.6μm,第2架次云粒子浓度、含水量、有效半径的平均值为196±73 cm-3、0.04±0.02 g/m3、4.9±1.4μm。按500 m垂直分层后,云粒子有效半径平均值为6.1±1.7μm,主体云层(1000—1500 m)柱含水量平均值为29.5±17.5 g/m2。敏感性试验表明当有云存在时,云的光学厚度是影响可见光通道反照率的主要因子,利用飞机探测云参数...     

飞机空中积冰的气象条件分析及数值预报试验

利用2000年3月至2005年6月山东飞机增雨作业季节,90架次飞机宏观观测资料,对飞机积冰的气象条件和积冰特征进行了分析;并利用PSU/NCAR MM5非静力数值模式,对2005年5月16日增雨作业过程进行了个例研究,在模式准确地预测出了降水的发展趋势和降水范围的基础上,用模式预报场计算的积冰指数和实际飞行观测资料进行了对比试验。结果表明,地面倒槽和冷锋,是山东飞机增雨作业季节的主要作业天气;低压倒槽出现轻度及中度以上积冰所占的比率最大,但南方气旋出现积冰的概率最高,达53.3%;MM5模式预报场计算的积冰指数和垂直上升运动场的叠加,能较好地反映最可能发生积冰的区域、时间及积冰强度,可作为确定飞机增雨作业安全飞行航线的依据。     

电线积冰及路面温度研究的新进展

2009年起,研究组开展了电线积冰野外观测试验及道路结冰规律的观测研究,将电线积冰观测研究从传统的积冰气象条件和积冰厚度观测提升到了积冰气象条件、积冰厚度加积冰天气云降水微物理综合观测研究的新高度,揭示了积冰发生的微物理机制,研究积冰增长率及其影响因子,建立的积冰增长模型较好地模拟了积冰增长过程.对沥青、水泥、土壤三种...     

贵州雨凇积冰过程的云层特征及环流背景

雨凇形成的基本条件是地面温度在０Ｃ以下并有过冷雨滴降至地面，严重雨凇过程的特点即是上述条件维持时间长而且有较大的过冷雨滴降水，作者使用贵阳５６次探空和高空风资料，着重分析了贵州中部严重积冰过程的云内宏观热力，动力特征，发现云层厚度，云上部Ｏ℃以上暖层的存在以及云层中部湍流强度等因子对过冷雨滴降水量有重大影响。同时，还分析了形成这种云层宏观特征的天气系统及大尺度环流背景。