四川盆地云和降水观测科学试验设计与实践

2014—2017年四川地区开展了大范围云系观测科学试验。观测对象以盆地层状云系和积层混合云系为主,积状云(对流云)为辅。本文围绕试验目标、区域、观测要素、观测布局设计、观测方案设计、设备技术参数和典型个例等7个方面进行介绍,根据不同类型云系和降水变化特征,设计有针对性的观测方案,获得了不同类型云系和降水的多尺度连续性观测数据,为四川地区开展云和降水关系研究提供详实的综合型外场观测数据。层状降水云典型个例云高可达8km,云强核心部位的云雷达反射率可达28dBz,径向速度可达-6m·s~(-1),在0℃附近,反射率和退偏振因子LDR上有一条明显的亮带,表现为极大值,液态水主要集中于4.5km以下,随着雨强增大,液水含量增加,降水滴谱分布较窄,随着雨强减小,雨滴谱和速度谱变窄,但小粒径数浓度增加,说明对层状云雨强起主导作用的是雨滴直径,而不是数浓度;无降水层状云典型个例云层厚度为3.2km,云顶约为4km,云雷达反射率不超过0dBz,径向速度不超过5m·s~(-1),层状云内整层水汽含量和液水含量较为稳定,云中主要为液态粒子且粒径偏小、小粒径数浓度较高。     

青海黄南地区近54年蒸发量变化特征及其影响因子

利用青海省黄南地区近54a(1960—2013年)蒸发量、气温、降水量、日照时数、水汽压等资料,应用地理信息系统、数理统计、线性回归和Mann-Kendall检验等方法分析了黄南地区蒸发量的空间及时间变化趋势,并对黄南地区蒸发量变化特征及其影响因子进行了诊断研究。结果表明:黄南地区年平均蒸发量呈明显的下降趋势,20世纪60—70年代为蒸发量偏多阶段,80年代及后为偏少阶段;黄南地区蒸发量最大的季节是春季和夏季,各季蒸发量均呈减少趋势;黄南地区年蒸发量在1973年发生了由多到少的突变,春、夏、秋、冬季分别发在1973、1975、1976和1974年;分析影响蒸发量的相关因子,蒸发量与日照时数呈显著的正相关关系,与水汽压和降水量呈显著的负相关关系,日照时数的减小是蒸发量减少的主要影响因子。     

The Extra-Area Effect in 71 Cloud Seeding Operations during Winters of 2008–14 over Jiangxi Province,East China

Effects of weather modification operations on precipitation in target areas have been widely reported, but little is specifically known about the downwind (extra-area) effects in China. We estimated the extra-area effect of an operational winter (November-February) aircraft cloud-seeding project in northern Jiangxi Province in eastern China by using a revised historical target/control regression analysis method based on the precipitation data in winter. The results showed that the overall seasonal average rainfall at the downwind stations increased by 21.67%(p=0.0013). This enhancement effect was detected as far as 120 km away from the target area. Physical testing was used to compare the cloud characteristics before and after seeding on 29 November 2014. A posteriori analysis with respect to the characteristics of cloud units derived from operational weather radar data in Jiangxi was performed by tracking cloud units. Radar features in the target unit were enhanced relative to the control unit for more than two hours after the operational cloud seeding, which is indicative of the extra-area seeding effect. The findings could be used to help relieve water shortages in China.     

A Numerical Investigation on Microphysical Properties of Clouds and Precipitation over the Tibetan Plateau in Summer 2014

In order to improve our understanding of microphysical properties of clouds and precipitation over the Tibetan Plateau (TP), six cloud and precipitation processes with different intensities during the Third Tibetan Plateau Atmospheric Science Experiment (TIPEX-Ⅲ) from 3 July to 25 July 2014 in Naqu region of the TP are investigated by using the high-resolution mesoscale Weather Research and Forecasting (WRF) model. The results show unique properties of summertime clouds and precipitation processes over the TP. The initiation process of clouds is closely associated with strong solar radiative heating in the daytime, and summertime clouds and precipitation show an obvious diurnal variation. Generally, convective clouds would transform into stratiform clouds with an obvious bright band and often produce strong rainfall in midnight. The maximum cloud top can reach more than 15 km above sea level and the velocity of updraft ranges from 10 to 40 m s-1. The simulations show high amount of supercooled water content primarily located between 0 and -20℃ layer in all the six cases. Ice crystals mainly form above the level of -20℃ and even appear above the level of -40℃ within strong convective clouds. Rainwater mostly appears below the melting layer, indicating that its formation mainly depends on the melting process of precipitable ice particles. Snow and graupel particles have the characteristics of high content and deep vertical distribution, showing that the ice phase process is very active in the development of clouds and precipitation. The conversion and formation of hydrometeors and precipitation over the plateau exhibit obvious characteristics. Surface precipitation is mainly formed by the melting of graupel particles. Although the warm cloud microphysical process has less direct contribution to the formation of surface precipitation, it is important for the formation of supercooled raindrops, which are essential for the formation of graupel embryos through heterogeneous freezing process. The growth of graupel particles mainly relies on the riming process with supercooled cloud water and aggregation of snow particles.     

青藏高原云团东传过程及其中中尺度对流系统的统计特征

利用逐小时风云卫星TBB资料、逐小时中国自动站与CMORPH降水产品融合数据以及国家级地面观测站24小时累积降水量,统计分析2010～2016年夏季,伴随下游地区（104°E以东）降水的青藏高原云团东传过程以及东传过程中镶嵌于云团中的中尺度对流系统（Mesoscale Convective System,简称MCS）特征。结果表明,共出现120次伴随下游降水的高原云团东传过程,6月出现最频繁,但持续时间较长的过程多出现在7月。云团向东传播的主要三条路径是平直东传、沿长江折向东传和复合东传。其中路径二——沿长江折向东传中的过程是高影响过程,因为过程次数较多（46次）,过程平均持续时间较长（62小时）,在下游地区引发的降水日数和暴雨日数最多。属于东传过程的MCS在7月形成最多,集中分布在青藏高原东坡、云贵高原东部、长江沿岸及其以南地区。高原MCS影响长江中下游地区降水主要是通过向东传播的形式实现,因为即使生命史更长的中α尺度对流系统（Meso-α Convective System,简称MαCS）也鲜少直接移动至110°E以东地区。不同区域的中α尺度持续性拉长形对流系统（Permanent Elongated Convective System,简称PECS）的日变化特征显示,东传过程MCS更容易在夜间从高原东坡向东传播至下游地区。在三条路径中,路径二中的东传过程MCS数量最多、在下游地区发展最旺盛并与降水日数和覆盖范围存在更好的对应关系。     

中国夏季风影响过渡区与其他地区蒸发皿蒸发量趋势相反的原因

夏季风影响过渡区是天气和气候的敏感区,随着全球和区域的变暖,该区域特殊的气候环境响应引起人们重点关注。以南昌、定西、乌鲁木齐作为夏季风影响区、夏季风影响过渡区以及非夏季风影响区的代表站,通过对比中国夏季风影响过渡区和其他地区50年来温度、日照时数、相对湿度、降水量、低云量、风速的变化趋势,以及分析各气象因子单独变化对蒸发皿蒸发量的影响,发现在夏季风影响过渡区各个气象因子的变化均使蒸发皿蒸发量增加,而在其他地区,只有温度变化会使蒸发皿蒸发量增加,其他各因子的变化均会造成蒸发皿蒸发量的下降。贡献度更直观的反映各气象因子对不同地区蒸发皿蒸发的作用。结果表明温度变化对夏季风影响过渡区蒸发皿蒸发变率的贡献最大,贡献度为48.93%。风速变化对夏季风影响区蒸发皿蒸发变率的贡献最大,贡献度为51.54%。降水变化对非夏季风影响区蒸发皿蒸发变率的贡献最大,贡献度为58.57%。此外,低云量的变化对夏季风影响过渡区、夏季风影响区和非夏季风影响区的贡献均达到20%以上。因此,不同地区影响蒸发皿蒸发的最主要的因子是不同的,但低云量对任何地区蒸发皿蒸发的影响都非常重要。     

基于多源卫星数据的云底高度反演算法在中国近海的应用研究

本文利用直减率反演云底高度的计算方法,联合星载主、被动探测资料开展了中国东海、南海上空暖云云底高度反演研究,同时对暖云的分布特征进行了统计。结果表明受大气层结稳定程度影响,夜间的反演效果优于白天。两种资料的云顶高度较一致时,反演效果好,该方法具有可行性。     

4种蒸发波导模型的对比与分析

蒸发波导模型常用来计算海上蒸发波导高度。为了认识当前不同蒸发波导模型之间的差异和方法,本文选取了目前使用广泛的4种蒸发波导模型(即P-J模型、Babin模型、NPS模型和伪折射率模型)进行对比和分析。本文首先探讨了在理想情况下它们对气象要素的敏感性,随后并利用我国南海近海大气层观测试验数据对比了这4种模型的蒸发波导高度计算结果。分析表明:相对湿度、风速和气—海温差的变化对4种模型的计算都有着较大的影响,特别是在不稳定层结状况下,4种模型计算得到的蒸发波导高度都随着相对湿度的增大而降低、随着风速的增大而增高。Babin模型和NPS模型计算的波导高度较为一致,伪折射率模型与前两种模型的计算结果存在差异,而P-J模型与其他3种模型存在较明显的偏差。基于南海气象数据的计算结果表明,不同蒸发波导模型在该海域蒸发波导的模拟结果略有不同,但4种模型计算得到的波导高度日变化变化趋势较为一致,波导高度极低值常出现在早晨,而极高值常出现在傍晚。     

利用FY-2F快速扫描资料分析对流初生阶段的云顶物理量特征

基于FY-2F静止气象卫星提供的2015年5—9月的高分辨率数据,通过温度阈值法识别出深、浅对流后,分析和比较了深、浅对流在对流初生(convective initiation,CI)至发展阶段中云顶高度、云顶快速降温率(cloud top cooling rate,CTC)以及多通道差值等云顶物理量特征的变化异同。结果表明:深、浅对流在CI阶段的云顶物理量特征具有相似变化特征,即云顶高度均在短时间内快速上升,CTC值均先减小后增大;深、浅对流差异表现为深(浅)对流云顶上升高度能(不能)超越水汽层高度;深对流CTC最低值较浅对流CTC最低值更低。基于CI阶段深、浅对流的CTC最低值的差异,通过个例验证,表明利用深、浅对流CTC最低值的差异,可以在识别出CI的基础,判断出CI是否发展成为深对流,从而能提前做出预警。     

一次冰雹天气过程的云系发展演变及云物理特征研究

利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting)的数值模拟,结合NECP/FNL再分析资料、地面、探空、多普勒雷达基数据和卫星产品等观测资料,综合分析了2014年3月30日发生在贵州省西南部的一次冰雹天气过程。研究了有利于冰雹发生的环流特征和环境条件,分析了冰雹云系的发展演变特征、云微物理结构特征,初步分析了冰雹形成的云物理机制。结果表明:此次冰雹天气是典型的低压辐合线型降雹类型,地面降雹位置位于700 hPa切变线和近地面辐合线附近及南侧;发生此次冰雹过程的对流云系经历了对流云系的初生阶段、合并加强阶段、成熟降雹阶段和东移阶段。贵州地区上空对流云系的微物理结构具有混合相云特征,高层为冰晶、雪,中层为云水、霰,低层为雨水、冰雹。霰和云水是形成雨水和冰雹的主要来源,霰撞冻过冷云水和霰的自动转化是冰雹形成的主要微物理机制。