山西春季层状云系结构和人工增雨潜力研究

对两架次飞行个例的DMT资料进行分析,发现山西春季层状云降水系统存在水平不均匀性。2010年4月20日的个例由高卷云、降水性高层云和非降水性高层云组成,高卷云与高层云之间千层较厚不利于形成降水。4月21日的个例由降水性高层云组成,云滴浓度随高度增加减小。对高卷云、非降水性高层云和降水性高层云的宏微观特征进行对比分析。云的垂直厚度越大,云底高度越低,云厚和过冷云层厚度越大,越有利于降水的产生。对这两次个例的云中可播性进行判别,发现存在可播区,无强可播区。     

华北秋季一次低槽冷锋积层混合云宏微物理特征与催化响应分析

利用2013年10月13日机载粒子测量系统（PMS）在张家口涞源地区对积层混合云中上部进行的增雨探测数据,分析了云的垂直微物理结构、云区的可播性和作业前后液态云粒子、冰晶及降水粒子的微物理变化。结果表明,此次降水性积层混合云的垂直结构由冷、暖两层云配置,云层发展厚实,冷云区云粒子浓度平均为62 cm-3,液态水含量最大0.05 g/m3;2DC和2DP探测的冰晶及降水粒子平均浓度分别为1.9和2.2 L-1;暖云内云粒子数浓度集中在300 cm-3左右,液态水含量约0.1 g/m3。探测区域云粒子数浓度的水平分布不均匀。利用云内过冷水含量和冰晶浓度等参数判断,该降水性积层混合云的播撒作业层具有强可播性。对比作业前后云中粒子浓度及平均直径发现,云粒子在作业前时段内的平均浓度为31 cm-3,远高于作业后平均浓度（17.6 cm-3）;但平均直径变化不大。作业后冰晶粒子通过贝吉龙过程消耗过冷水长大,浓度由之前的0.86 L-1增至4.27 L-1,平均直径也增至550 μm。冰晶粒子逐渐长大形成降水,降水粒子浓度也相应有所升高,谱明显变宽。      

回流天气系统层状云的非均匀性

利用一次回流天气过程的PMS资料,从微物理结构上对回流天气系统层状云的不均匀性进行了分析,发现飞机在进入较强降水云带时,云物理量(液水含量、云滴浓度、云滴平均直径,温度)等会产生剧烈变化,表现为液水含量跃增、云滴浓度快速增大、云滴谱谱宽拓宽、温度下降等,在同一较强云带中,温度变化不大并且比周围低,较强降水云带冰晶含量丰富,自然催化较好。     

切变线降水系统微物理特征及隆水机制个例分析

利用机载云粒子探测系统(PMS).对2004年7月1日影响吉林省的一次切变线降水过程进行了探测飞行,利用所获取的宏微观资料对此次降水过程的微物理结构、降水机制进行综合分析.结果表明:此次切变线降水云系主要由高层云、雨层云、碎云构成,高层云和雨层云中间夹有1100m左右的无云区;3类云中平均云滴浓度、平均云滴直径各不相同;云水含量随高度分布不均匀,云的不同部位云水含量起伏较大;冰晶浓度平均为17.3个/L;此次探测的降水云系符合Bergeron提出的催化云一供水云相互作用导致降水的概念.根据云图及其他探测资料综合分析,冰晶主要产生于高层云上部或卷层云的冰晶播撒,供水云为高层云中下部和雨层云.     

巴丹吉林和腾格里沙漠降水特征初步分析

巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠作为中国北方最重要的两大沙漠,降水对其形成和演变意义重大。本文利用2008~2013年中国降水融合资料以及2010年8月19日NCEP再分析资料、地面台站观测资料,对比研究了巴丹吉林和腾格里两大沙漠区的降水时空分布特征和一次典型降水个例。结果表明:(1)巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠地区的降水主要集中在5~9月,其它月份降水量均较少;(2)降水融合资料能够细致地刻画出两大沙漠不同季节日均逐时降水量的变化特征;(3)通过个例分析发现,沙漠周边站点资料无法全面反映整个沙漠的降水情况,而降水融合资料显示的降水过程与NCEP资料的高空形势以及要素场分布有很好的对应关系,能够较为细致地反映沙漠降水的全貌。     

华南暴雨及中尺度对流系统发展对土壤湿度的敏感性

采用WRF及其耦合的Noah LSM陆面过程模式,通过对发生在2009年3月28日（个例1）和2010年5月6日（个例2）两次暴雨过程的24 h模拟,研究了华南暴雨及中尺度对流系统（MCS）发展对初始土壤湿度（SM）的敏感性问题。首先采用源自NCEP-FNL和NASA-GLDAS的两种不同SM资料驱动模式进行对比试验,在此基础上,以NASA-GLDAS资料模拟结果为控制试验,通过不同程度（20%、60%）增减初始SM开展多个敏感性试验。对比试验分析表明,两种资料应用对24 h累积降水分布的模拟结果影响不大,但某种程度上可影响降水量的大小。预报技巧评分结果表明,采用NASA-GLDAS SM资料进行模拟得到的结果比采用NCEP-FNL SM资料的模拟结果有所改进,尤其是50 mm以上的暴雨预报,TS评分最大可提高5%。敏感性试验分析发现,两次暴雨过程降水与SM之间主要呈正反馈作用,但其表现出的特征不完全相同。暴雨过程中MCS的组织发展形式对SM与降水之间的反馈作用有影响,具有午后局地降水性质、对流组织性发展较弱的个例1,SM增大仅引起微弱的降水增多,SM减少则明显导致降水强度减弱,降水对SM的减少更为敏感;而具有持续降水性质、对流组织性发展较强的个例2,降水对SM的增大更为敏感,SM增大可带来更明显的降水增多。此外还发现,对流系统不同发展阶段的这种反馈作用也存在差异,MCS组织性发展较弱的个例,强的反馈作用主要出现在对流发展初期阶段,而MCS组织性发展较好的个例,强的反馈作用则主要出现在对流系统发展后期。      

冰晶增长对热量收支的影响

使用二维云分辨模式研究冰晶增长过程(云水到冰晶的冻结增长和通过水汽凝华冰晶到雪的增长)对热量收支的影响。采用4种冰晶增长参数化方案模拟了热带到中纬度地区的4个降水个例。研究发现:(1)高冰核浓度的ZENG方案和SHEN方案引起对流层中上层辐射加热增多,这与它们模拟的冰晶在对流层中上层增多有关。(2)高冰核浓度的ZENG方案导致模拟区域—平均的局地温度变化在对流层上层出现异常减小值,这与它在热带个例中导致垂直热量通量辐合减少和在中纬度个例中导致潜热加热减少有关。(3)尽管高冰核浓度的ZENG方案引起质量加权平均的辐射加热增多,但是它在热带个例中引起地表感热通量减少和在中纬度个例中引起潜热加热减少,最终导致4种参数化方案计算的模拟区域—质量加权平均的局地温度变化基本一致。     

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。     

不同天气系统层状云微物理特征个例分析

利用PMS粒子测量系统和机载温湿仪观测获取的吉林省2007年5月15日高空槽和5月28日冷涡天气下降水云垂直探测资料,对比分析了两次不同天气系统下形成降水过程中云系的宏微观结构特征。结果发现,高空槽影响下的As云中云滴数浓度最大值比冷涡影响的As-Sc云系高一倍;液态水含量方面,高空槽系统下As云中在0℃附近取得最大值,冷涡系统下As-Sc云系中,最大值出现在上层As云中-4.8℃左右处。高空槽系统影响下的As云中,FSSP-100、2D-C和2D-P探测到的粒子数浓度、含水量和平均直径随高度呈不均匀性分布;而冷涡影响的As-Sc云中,FSSP-100测得As云中粒子平均直径远大于Sc,2D-C和2D-P探测到的上层As云中粒子浓度和液态含水量分布相对均匀,而下层Sc中粒子浓度、液态含水量值和平均直径都很小,这是由于云层之间存在干层,使As云中的部分大云滴和雨滴在下降过程中迅速蒸发,不利于降水形成。不同高度层FSSP-100测得的粒子平均谱分布均差异较大。对云中可播性进行研究,结果发现高空槽影响的As云中可播区均为强可播区,冷涡系统影响的As-Sc云中可播区的1/2为强可播区。     

江淮地区夏季降水的准两年周期振荡及其年代际变化的机理研究

通过对1960—2011年江淮地区夏季降水的研究发现其存在准两年周期振荡(TBO),且此TBO存在着年代际变化,1960—1974年和2001—2011年期间TBO较弱,1975—2000年期间TBO较强。对此TBO及其年代际变化的机理进行分析发现：(1) 此TBO与印度洋热含量的TBO有密切联系,前冬季印度洋热含量若为西正东负,其上空会出现两个反气旋性异常环流,到了夏季与西太平洋的异常反气旋合并,使得西太平洋反气旋加强,并出现一个类似东亚-太平洋(EAP)型遥相关波列,导致江淮地区夏季降水偏多,热含量也在海洋Rossby波和Kelvin波的作用下向东西方向移动,并在秋季使热含量发生反转,印度洋上空转为两个气旋性异常环流,在冬季加强,使得次年降水偏少,形成TBO;(2) TBO的年代际变化可能是由PDO的位相变化引起的,PDO暖(冷)位相,信风偏弱(强),海气耦合偏弱(强),降水受印度洋热含量(太平洋海温)影响较大,受ENSO影响较小(大),TBO较强(弱)。     

山西省层状云飞机云物理观测试验结果分析

利用山西省2008年-2010年64架次云结构的粒子测量系统（DMT）探测资料,配合地面观测和卫星资料统计分析了层状云系的宏微观特征。发现：降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0．03g,m^3,中云含水量垂直方向上平均为0．05g／m30对比分析降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,降水性层状云云粒子有效半径要达到10μm-14μm。对云系不同温度层的微物理特征和云中水分按不同粒子尺度的分配特征进行了对比分析,结果表明：降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显,也是分层的。高层主要是冰相粒子,主要是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在四个典型温度层的观测中,LWC、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同。云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20μm、30μm的粒子含水量较高,对云中液态水含量的贡献较大,降水粒子主要由20μm、30μm的粒子转化。     

石家庄地区一次秋季冷锋云系垂直微物理结构的观测研究

利用2008年10月4～5日石家庄一次降水性层状云系的飞机探测资料,结合实时天气、卫星、雷达等资料,分析了降水过程的天气背景条件、降水初期云中的液态含水量、云粒子平均直径和粒子谱等要素的垂直分布与变化特征,以及云系的垂直微物理结构。结合云中冰雪晶二维粒子图像的增长和地面降水特征,初步探讨了该层状云系降水形成的物理机制。...     

基于飞机观测的美国落基山地区冬季混合相态层状云与夏季对流云的微物理特征

混合相态层状云与对流云的微物理特征有很大的差异性,但现阶段数值模式中并没有充分考虑两者的区别,这是导致云降水的模拟有较大不确定性的原因之一。为了加深对层状云与对流云的微物理特征差异的理解,并为模式的验证和参数化开发提供支撑,本文基于在中落基山地区进行的Ice in Clouds Experiment—Layer Clouds（ICE-L）项目和High Plain Cumulus（HiCu）项目的飞机观测资料,定量对比分析了该地区大陆性混合相态冬季较浅薄的层状云与较弱及中等强度的夏季对流云的微物理特征。其中,粒子图像和粒子谱通过2D-Cloud和2D-Precipitation探头得到,液态水含量通过热线式King探头测量得到,冰水含量基于粒子谱计算得到。主要结论有:（1）在?30°C～0°C的温度层范围内,夏季对流云内的液态水含量比冬季层状云高一个数量级,冰水含量高一到两个数量级,并且在对流云云顶附近观测到更多的过冷水。此外,夏季对流云中液态水含量在?20°C～0°C上随温度降低而升高,而冬季层状云则相反。夏季对流云中更活跃的冰晶生成和生长过程使得云内液态水质量分数小于层状云。（2）冬季层状云与夏季对流云内相态空间分布极不均匀。随着温度从0°C降低到?30°C,在冬季层状云中冰晶发生贝吉龙过程,云中的过冷水为主的区域向混合相态和冰相转化。而夏季对流云中相态结构更为复杂,体现了对流云中复杂的冰水相互作用。（3）在?30°C～0°C的温度范围内,夏季对流云的粒子谱宽度大于冬季层状云。随着温度的降低,冬季层状云与夏季对流云均存在粒子谱增宽的现象。（4）冬季层状云中,温度低于?20°C时冰晶主要为无规则状,在?20°C～?10°C观测到了辐枝状和无规则状冰晶,在?10°C以上观测到了柱状和无规则状冰晶,说明冰晶的生长主要为凝华增长和碰并增长。而夏季对流云以冻滴、霰粒子与不规则冰晶为主,说明主要为液滴冻结、淞附增长和碰并增长为主。（5）在夏季对流云较强的上升气流中存在较高的液态水含量,但垂直速度与云内冰水含量没有明显的相关性。     

一次西风槽系统的云微物理结构分析

对１９９１年４月１６日影响河北地区中南部的一次西槽天气过程形成的降水性层状云微物理结构进行了分析。结果表明，降水主要发生在层状云的中上层，存在可供催化的过冷层和过冷水，但云体下层的供水云较薄，云底偏高，不利于降水的发展；实施人工增雨作业后，云层微结构出现相应变化（云滴和雨滴含水量增加，滴谱拓宽等）作业区与影响区雨量普遍增加，并与催化时间相吻合，这些可能与人工影响有关。     

广西南宁冬季层状暖云微物理特征的飞机观测分析

利用运十二飞机在2012年冬季广西南宁地区开展的12架次层状暖云微物理探测资料进行分析,统计和观测结果表明,层状暖云垂直方向分层显著。存在逆温是典型宏观特征,降水云基本都为多层逆温,逆温位置主要出现在云顶附近。云滴平均浓度为652±607个/cm3;无降水云比降水云云滴平均浓度略大,分别为678±348个/cm3和615±363个/cm3。平均液水含量为1.03±0.73 g/m3,其中降水云远大于无降水云,分别为1.3±0.9 g/m3和0.88±0.6 g/m3。平均有效直径为18.2±5.6 μm,降水云略大于无降水云,分别为19.4±5.0 μm和17.3±6.0 μm。垂直分布上,云滴数浓度在接近地面的下层云中最大,峰值区主要出现在云底,且随高度一般呈现递减趋势。云滴谱分布显示在6.5 μm出现次峰值。降水云中大云滴主要出现在接近地面的下层云中,而无降水云中几乎没有观测到大云滴。      

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。     

层状云结构和降水机制研究及人工增雨问题讨论

总结了层状云及其降水物理研究的部分成果。在此基础上, 讨论了层状云人工增雨的几个问题, 提出用常规观测资料判断人工增雨条件的方法。具体结果如下:层状云结构是不均匀的。层状云系在垂直方向上具有分层结构。“催化—供给”云是降水性层状云的典型结构, “催化—供给”云相互作用是导致降水的主要过程。按微观结构可以将降水性层状云分成3 层:冰相层、冰水混合层和液水层。冰相层是催化云, 冰水混合层和液水层是供给云。层状云降水过程研究表明, 对应于层状云或“催化—供给”云的3层宏观结构, 发生着不同的微物理过程, 粒子形成和增长过程也不同。冰相层的冰晶和雪, 凝华是其主要增长方式, 其次是雪与冰晶的聚合过程;雪(或聚合体)落入冰水混合层后, 继续通过凝华增长或贝吉龙过程增长, 同时撞冻过冷云水增长, 有部分冰雪晶通过撞冻增长而转化成霰。在液水层, 雪(或聚合体)霰开始融化, 同时收集云暖区云水增长。冰相粒子的撞冻增长过程和凝华增长过程相比同样重要。层状云各层对降水的贡献不同。一般而言, 对于“催化—供给”云, 催化云对降水的贡献低于30%, 供给云在70%以上。在以上研究的基础上, 讨论了层状云人工增雨的问题。(1)“催化—供给”云结构有利于云水转化成降水, 只有冰相层、冰水混合成和液水层相互“配合”, 才能形成有效降水。可以将“催化—供给”云作为层状云人工增雨催化的结构条件。(2)要选择降水形成以冷云过程为主的层状云催化, 冰面饱和水汽量和过冷水含量要大些。(3)层状云人工增雨原理应该补充。降水形成不但经历贝吉龙-芬德森过程, 冰水混合层的聚合和撞冻增长也是十分重要的过程。过冷水对于降水的形成非常重要, 但冰面饱和水汽量对降水的形成也同样重要。最后, 结合层状云的研究成果, 提出用常规探测资料判别层状云人工增雨催化条件的方法:利用卫星云图和雷达回波判别“催化—供给”云的结构, 用雷达RHI 回波(在距离高度显示器上的回波)判别降水机制和液水层。       

山西省2008—2010年64架次飞机云物理观测结果分析

利用山西省2008—2010年64架次云结构的飞机探测资料,结合地面观测和卫星数据统计分析了层状云系的宏微观特征。结果表明:降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,层状云要达到降水,云的厚度要达到近2000m;粒子尺度分布云粒子有效半径要达到10~14μm,降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0.03g/m3,中云含水量垂直方向上平均为0.05g/m3,;避光高层云-层积云、雨层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上500m附近,其最大值分别为0.61,0.42g/m3;透光高层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上300m附近,其值为0.28g/m3;云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20、30μm的粒子含水量较高,对云中液态水含量的贡献较大,降水粒子主要由20、30μm的粒子转化;降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显,也是分层的。高层主要是冰相粒子,是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在4个典型温度层的观测中,液态含水量、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同。     

基于飞机观测的华北积层混合云降水微物理特征的数值模拟研究

基于2009年5月1日积层混合云降水2架飞机观测数据分析,使用中尺度模式WRFV3对此次过程积云区和层云区的微物理特征和转化过程进行数值模拟比较研究。飞机观测数据分析表明,此次积层混合云中的层云区和积云区冰粒子形状和形成过程有明显差别,层云区的粒子形状组成比较复杂,包含针状、柱状和辐枝状等,而积云区主要以辐枝状粒子为主,聚并、凇附过程明显。数值模式能较好地模拟出此次积层混合云降水过程的基本特征,包括回波分布、飞行路径上降水粒子的数浓度和液态水含量等。数值模拟结果表明,云水相对丰富、上升气流强的层云区凇附过程较强,产生的雪在低层融化为雨水,为后期高层形成的雪和霰提供丰富的液态水,能发展成对流较强的积云区,存在播种—供给机制。在积云区,水成物的比例从大到小依次为雪（51.9%）、霰（31.0%）和雨水（16.0%）;雪的主要源项包括淞附增长（56.8%）和凝华增长（40.1%）,霰的主要源项包括凇附增长（46.6%）、雨水碰并雪成霰（42.6%）和凝华增长（16.1%）,雨水的主要源项是霰（77.6%）和雪（22.4%）的融化。而相对云水较少、上升气流较弱的层云区将保持层云的状态,层云区水成物的比例从大到小依次为雪（90.4%）、雨水（6.1%）、冰晶（3.5%）;高层冰晶和雪通过凝华过程增长,雪在零度层下融化为弱的降水。