基于CloudSat卫星对地基云雷达反射率因子的校准

地基云雷达是云的重要探测手段,但随着运行时间的增加,雷达发射机、接收器等参数的变化,会使观测数据产生漂移偏差,从而对云物理特性的反演产生显著影响,因此云雷达数据的校准是一个重要的基础问题。针对KAZR（Ka Band Zenith Radar,K波段云雷达）云雷达特征,本文在Pavlos等提出的雷达数据校准方法基础上进行改进,优化了对弱云和降水的信号识别,利用CloudSat星载雷达观测的反射率因子,气体衰减校正等数据,对兰州大学半干旱气候环境监测站（Semi Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,SACOL）KAZR云雷达2013年8月至2017年5月反射率因子数据进行了校准,建立了KAZR雷达反射率因子46个月的历史资料校准数据库,并对校准周期的变化进行了对比分析。校准数据库的建立对SACOL站云的长期观测研究具有重要意义,同时为不同波段地基雷达的对比增加了可行性。     

2015年10月29日弱降雨前后的层状云微物理参数反演和分析

利用Ka波段毫米波云雷达和微波辐射计资料对2015年10月29日安徽寿县的一次弱降雨过程的云参数进行了反演,所采用的反演方案是单参数法和双参数法。论文先介绍了单参数和双参数反演方法,然后反演了降雨前后的云微物理参数,对比分析表明：（1）降水发生前云滴数浓度较大,典型值1 000个·cm^-3左右,有效半径小于4.5 μm;（2）降雨后,云滴数浓度显著减小,典型值在500个·cm^-3左右,但有效半径略增大了1~1.5 μm;（3）云中含水量的变化不明显,降雨后略增大,增加量在0.1 g·m^-3以内; （4）降水发生前,云微物理参数随高度的起伏较大,降水后的廓线比较平缓,显示出降雨后的云层动力特性更稳定。     

一次春季区域性暴雨过程诊断分析

2009年5月9日08时～10日08时,长治出现了春季历史罕见的区域性暴雨天气,给农业、交通和电力等带来严重影响。通过对500hPa环流形势特征,700hPa切变系统,物理量场的相对湿度、散度经向剖面、Ki指数平均场及fy-2c红外卫星云图的综合分析,得出结论：南支槽是这次暴雨天气的主要形势。700hPa切变激发出强对流云带,在缓慢东移过程中造成暴雨天气。强降水期间,相对湿度〉80％的湿中心抬升至150hPa,最大对称的湿中心与暴雨落区近于一致,而且低层幅合,高层幅散呈现出较为明显的对称结构,中低层大气一直处于不稳定状态。     

黄河上游对流云降水微物理特征的数值模拟试验

利用二维动力-热力场和水凝物粒子分档数值模式,对黄河上游河曲地区浅对流云降水微物理特征进行了试验性模拟,得出了浅对流云中暖雨增长机制可以单独形成雨,且其成雨速率可以快于冷雨过程等有意义的结果。     

利用全天空可见光图像反演天空辐亮度

由中国科学院大气物理研究所LAGEO实验室研制和开发的地基全天空成像仪,可实现地基全天空自动化观测,文中首先对全天空成像仪仪器及性能进行介绍.辐亮度是气象科学研究中基础而重要的气象要素,而全天空成像仪记录的是可见光红、绿、蓝三波段辐射信息的灰度值图像,因而无法直接应用到气象研究中.为能够从灰度值图像中获取天空辐亮度信息,文中详细介绍了与亮度反演密切相关的几个重要标定实验,包括儿何标定、光学标定,以标定参数为基础并结合全天空仪器成像原理提出了一个由可见光灰度图像反演相对天空辐亮度分布的算式算法.文中还利用大气物理研究所香河观测站(39.75°N,116.96°E)同时观测的全天空成像仪以及CIMEL光度计所观测的天空辐亮度数据(440 nm波长),对该反演算式进行检验和比对,结果表明,所提出的算法进行天空辐亮度分布反演可行,该算法将灰度图像与天空辐亮度建立了联系,有利于观测图像数据与数值模式模拟工作的相互对比和验证,有利于观测图像数据在模式研究中的应用.     

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。     

卫星(IASI 探测仪)观测云顶高与地基云雷达观测的对比验证

IASI（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer）是搭载在欧洲METOP-A 卫星上,采用干涉分光技术的新一代超高光谱红外大气探测仪器,其光谱测量范围涵盖了多个吸收带,可用于反演大气、海洋、云和大气成分,为地球大气遥感、气象业务和科学研究提供了丰富的遥感资料,是各国学者关注的又一热点。为深入了解IASI 在国内的云产品情况,本文利用2008 年10 月15 日～12 月15 日期间IASI 在安徽寿县地区的云参数观测资料和中美 [美国能源部大气辐射测量（ARM）计划] 联合在安徽省寿县进行大气辐射综合观测试验期间,相同时段云雷达[ARM W-band（95 GHz）Cloud Radar,WACR]的观测资料进行了对比分析和验证。在以寿县ARM 移动观测设施（AMF）为中心,半径为20 km 的范围内,IASI（2 次/d）共有有效观测129 次,其中与WACR（1 次/2 s）匹配的IASI 有效观测共80 时次。结果表明:对于单层云,二者云高相关系数为0.8312,标准差为1.8423 km;对于双层及多层云,IASI 反演云顶高结果绝大多数在WACR 的最上和最下层云之间,且靠近较厚的云层。对比结果显示,一般情况下,IASI 反演云顶高结果明显低于WACR;IASI 反演云顶高结果受到视场中云量、云层厚度及云层中粒子浓度大小的影响:视场中云量越大,云层越厚,云层中粒子浓度越大,IASI 反演云高的结果越接近真实云高。     

积层混合云数值模拟研究(Ⅱ)──云相互作用及暴雨产生机制

用文（Ⅰ）积层混合云数值模式及暴雨云的平均大气层结模拟研究了暴雨积层混合云的演变过程、两种云的相互作用、云体结构及降水特征，并分析了暴雨产生的物理原因。结果表明，在积层混合云中，当对流发展时其周围层状云减弱甚至消散，层状云的降水强度随着离开对流云距离增大而增大。数值试验说明：层状云给积云提供良好的发展条件，饱和的环境及伴随层状云的辐合场使对流云具有长生命期、产生持续性的高强度降水和间歇性的特高强度降水；积层混合云是一非常有效的降水系统，这些及冰相微物理过程是暴雨产生的主要物理原因。     

An evaluation of Arctic cloud and radiation processes during the SHEBA year: simulation results from eight Arctic regional climate models

Eight atmospheric regional climate models (RCMs) were run for the period September 1997 to October 1998 over the western Arctic Ocean. This period was coincident with the observational campaign of the Surface Heat Budget of the Arctic Ocean (SHEBA) project. The RCMs shared common domains, centred on the SHEBA observation camp, along with a common model horizontal resolution, but differed in their vertical structure and physical parameterizations. All RCMs used the same lateral and surface boundary conditions. Surface downwelling solar and terrestrial radiation, surface albedo, vertically integrated water vapour, liquid water path and cloud cover from each model are evaluated against the SHEBA observation data. Downwelling surface radiation, vertically integrated water vapour and liquid water path are reasonably well simulated at monthly and daily timescales in the model ensemble mean, but with considerable differences among individual models. Simulated surface albedos are relatively accurate in the winter season, but become increasingly inaccurate and variable in the melt season, thereby compromising the net surface radiation budget. Simulated cloud cover is more or less uncorrelated with observed values at the daily timescale. Even for monthly averages, many models do not reproduce the annual cycle correctly. The inter-model spread of simulated cloud-cover is very large, with no model appearing systematically superior. Analysis of the co-variability of terms controlling the surface radiation budget reveal some of the key processes requiring improved treatment in Arctic RCMs. Improvements in the parameterization of cloud amounts and surface albedo are most urgently needed to improve the overall performance of RCMs in the Arctic.     

新一代可移式天气雷达在人工影响天气中的应用研究

在总结“十五”国家科技攻关重大计划项目“人工增雨技术研究及示范”成果的基础上,利用我国可移式新一代天气雷达在青海省河南县和河南省许昌市进行秋(春)季降水系统中尺度结构外场试验观测的方法和技术,对这两个地区云和降水的若干特征进行了分析;另外,使用两步变分方法反演了风场结构,分析了层状云和对流云的中尺度回波强度和动力结构。结果表明:新一代天气雷达可为人工影响天气作业指挥和云物理研究提供更多信息,包括风场中尺度结构、辐合线位置等;青海省河南县及周边地区秋季降水以对流云降水为主,低空辐合是对流云旺盛发展的重要原因;河南省许昌市春季降水既含有对流云降水也含有层状云降水,对流云降水过程伴有低空辐合,层状云内风场比较均匀,但风的垂直切变明显,多为暖平流。