西北地区一次层状云降水云物理结构和云微物理过程的数值模拟研究

利用MM5中增加的双参数显式云物理方案模拟了西北地区一次层状云降水过程,模拟结果显示对小雨的预报评分较高,对中雨以上评分低而且位置有一定偏差,即对层状云降水模拟效果较好。模式中增加了雷达反射率的计算,与延安站雷达RHI回波相比较,模拟的回波结构基本符合层状云回波特征,存在0℃层亮带。采用三层模型解释模拟的层状云降水形成机制和过程:第一层为冰晶区,无过冷水;第二层存在过冷水,为各种冰相粒子增长区,第一层和第二层的分界不固定;第三层和第二层的分界在0℃,为暖云。第一层对第二层播种冰晶,第二层为第一层播种下的冰晶供给过冷水,使冰晶快速增长;第二层对第三层播种雪和霰,使其在第三层融化成雨,第三层同时消耗云水。模拟给出了三层模型层状云场的空间结构,延安站不同时刻微物理量垂直分布和各种水凝物粒子的生成源项分析揭示了三层模型降水形成机制和主要微物理过程。三层模型可以完整和全面地解释层状云降水形成机制和过程。     

降水性层状云系结构和降水过程的观测个例与模拟研究

2004年7月4～6日, 在我国东北地区有一次大范围的降雨过程。作者分析了此次层状云降雨的观测资料, 包括机载PMS资料、雷达资料以及地面雨强计资料等, 并用包含详细微物理过程的一维层状云模式进行了数值模拟, 用顾震潮的三层概念模型（把层状云垂直结构分为三层:第一层为冰晶层, 第二层为过冷水层, 第三层为暖水层）分析了云的结构及降水形成过程。结果表明, 这个模型基本反映了降水性层状云的结构和降水产生的物理过程。在第一层中, 冰晶的凝华增长很重要, 也存在冰晶的碰并过程。在第二层中, 冰晶和雪的增长主要是通过凝华过程, Bergeron过程作用很大, 但不同时刻Bergeron过程的作用程度不同。第三层中主要有云滴、雨滴和从第二层降落下来以后融化的雪和霰。云的第一层对第二层有播种作用, 冰晶层对降水的贡献为7%, 过冷水层对降水的贡献为54%, 暖水层对降水的贡献为39%, 降水的产生中冷云过程作用稍大, 但暖云过程也起重要作用。     

陕西关中地区层状云降水及雷达特征分析

作为人工增雨的一项基础工作,利用陕西关中地区宝鸡等3个雷达站附近共12个气候站1998-2007年2~11月的降水及雷达实测资料,分析了该地区的层状云降水及雷达回波特征。结果表明,(1)关中地区人工增雨的适宜时段为每年的2月5日~11月15日;(2)对层状云降雨的天气形势和雷达回波进行了分类;(3)统计分析了宝鸡雷达站稳定性层状云降雨和混合性层状云降雨雷达回波的最大回波强度、回波顶高度、冷层厚度、暖层厚度、融化层厚度、融化层高度等特征;(4)春、秋季稳定性层状云及混合性层状云冷层厚度大于暖层厚度一倍以上,云层中水汽条件较好,更适合人工增雨作业。     

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.     

"催化-供给"云降水形成机理的数值模拟研究

利用含有详细微物理过程的一维层状云模式模拟,研究了2002年4月5日冷锋降水性层状云云系中"催化-供给"云的微物理结构、降水粒子形成的环节和微物理过程,并从降水形成的环节和云的结构分析人工增雨的条件.结果说明,"催化-供给"云具有显著的分层结构:云内高层是冰晶,下层是雪,接下来是霰和过冷云水组成的冰水混合层,最下方是云中暖区的液水层.作为催化云层的冰水层对降水的贡献约25.5%,冰水混合层为31.3%,液水层为43.1%,亦即供给云对降水的贡献约74.4%.具有"催化-供给"云结构的层状云降水形成的主要环节是:冰晶通过凝华增长转化成雪,雪撞冻过冷云水、收集冰晶和凝华增长转化形成霰,霰靠撞冻过程、收集雪过程长大,从而形成可以降落到云的暖区融化形成雨水的粒子,它对降水的贡献较大.凝华和撞冻增长过程是冰粒子增长的主要物理过程,也是雨水产生的重要过程."催化-供给"云体系是重要的人工增雨条件,云中水汽对雨水形成的贡献与过冷云水几乎相当,与过冷云水一样,水汽也是人工增雨的重要条件.     

河南省2002年秋季一次层状云降水过程的观测研究

在涡旋云系和低槽切变云系的先后影响下,2002年10月16-20日河南省产生了主要由层状云形成的小到中雨天气。中低层对流不稳定层结和偏东偏南暖湿气流为降水提供了有利条件。较厚的云体多为混合相结构,雷达回波普遍有明显亮带,过冷云区冰相粒子含量较过冷水高,暖云区云水含量偏低,雨水浓度基本随雨滴直径指数递减,较大雨滴对雨强的贡献大。推测总体降水机制可能为,冷云过程强于暖云过程,冰粒子凝华增长是其主要增长方式,冰粒子融化对地面降水有较大贡献。云系宏微观结构和降水特征都表明在层状云系不同部位存在不均匀性。     

一次副热带高压后部层状云降水中山区层状云宏微物理结构探测分析

利用2010年8月18日副热带高压后部层状云降水中山区层状云的飞机穿云观测资料,结合雷达、卫星云图及天气图等资料,详细分析了此次高后降水中山区层状云的宏观特征、微物理结构,并对降水形成机制进行初步探讨.结果表明:此个例由两层云构成,上层为冷云,下层主要为暖云;冷层粒子图像显示主要以板状为主,平板柱状、柱状和霰粒为辅,冰粒子的聚合体在整个冷层都有出现;降水形成机制为播种—喂养机制,冷云中观测到丛集和淞附现象,其中淞附现象主要发生在冷云的中下部靠近融化层附近.     

鄂西北夏季对流云降水微物理过程数值模拟

为了深入研究对流云降水微物理过程特征,为局地对流降水预报和人工增雨提供更多的参考依据,利用三维双参数对流云模式,使用常规单站探空资料,开展湖北两北部山地夏季对流降水实例的批量数值模拟,使用地面降水量和雷达回波资料检验模拟效果,统计分析降水微物理过程特征,归纳总结冰相粒子的形成、增长机制,以及液念水和冰相粒子的相互转化机制。结果表明：（1）对流云模式能够较好地模拟实际对流降水的一些宏观微观特征;（2）当地夏季主要是对流冷云降水,冰相过程是形成降雨的主要物理过程;（3）冰相过程巾过冷水、霰、冰晶之间的相互转化过程是主要的冷云降水形成机制。     

层状云降水微物理特征及降水机制研究概述

层状云是中国北方大部分地区降水的主要云系，采用综合观测资料的分析研究并结合最新的数值模式对层状云特征和降水机制进行深入研究很有必要，也是含后工作的方向。描述了层状云的种类、特点，通过分析机载PMS(粒子测量系统)资料和地面雨滴谱资料介绍了国内外在层状云云滴谱、冰晶谱、雪质粒谱、雨滴谱、云中质粒总谱等微物理特征方面的研究方法及成果，还介绍了国内外在层状云降水机制方面的研究方法及成果，包括层状云降水数值模拟以及暖云降水机制和冷云降水机制研究。     

两次降水过程的微降雨雷达探测精度分析

垂直指向微降雨雷达(MRR)能够测量从近地面至高空的雷达反射率因子和雨滴谱分布特征,对认识降水微物理结构,改进雷达定量降水估计精度有重要作用。为评估MRR探测的雨滴谱分布、降水和雷达回波精度,利用南京地区夏季观测的两次降水过程,将MRR与业务S波段天气雷达、二维视频雨滴谱仪、常规雨量筒观测进行层状云降水和对流性降水下的定量对比分析。结果表明,MRR垂直探测的雷达反射率因子与S波段雷达观测在中低层(＜4 km)平均差异＜1 dB, 但高层(＞4 km)出现显著低估,且该现象随降水强度增强更明显,这主要是雷达回波衰减导致。MRR在回波强度＜35 dBz时对降水率的探测精度较高,但在＞35 dBz时低估降水。其中,层状云降水的降水率比对流性降水更接近雨量筒观测。常规雨量筒对0.1 mm以下的降水无探测能力,而MRR探测敏感度较高,对于微弱降水率的估计效果也很好。由于MRR最大探测范围的限制,相对于2DVD而言,MRR探测的最大粒子直径低估、最小粒子浓度高估,但在中间段的探测效果和2DVD雨滴谱观测一致性较高。总体而言,MRR是一个有效的降水探测仪器,其探测结果在层状云降水过程中优于对流性降水过程。     

雷达估测降水在区域站降水质控中的应用

利用高分辨率雷达定量估测降水的格点数据,与自动站实际观测到的降水量进行分析对比,发现雷达估测降水映射得到的自动站估测小时降水量与自动站实际观测的小时降水量的比值服从正态分布,以此来反推区域自动站实际观测的小时降水量的可信程度,并通过建立回归方程来对那些降水失真自动站作估计。以“菲特”台风期间的区域站降水量为例作了分析计算,结果表明雷达定量估测降水对自动站实际观测降水有良好的质控效果,值得进一步分析研究。     

基于雷达回波强度面积谱识别降水云类型

基于谱分析原理提出了雷达回波强度面积谱的概念及算法,利用宁夏银川多普勒天气雷达回波资料,分析了不同性质降水云的雷达回波强度面积谱,并根据不同性质降水云雷达回波强度面积谱特征,提出了基于雷达回波强度面积谱识别降水云类型的方法,利用强回波面积（回波强度不小于40 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比和基本降水回波面积（回波强度不小于20 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比作为降水云类型判别的主要因子,提炼出基于雷达回波强度面积谱特征参数的层状云、积层混合云、对流云等不同类型降水云的判别指标,建立了基于雷达回波的降水云类型自动判识模型。利用该模型对2016-2017年6次强降水过程进行了降水云类型判别试验,模型准确判别出6次强降水过程中2次为对流云降水、4次为混合云降水,判别结果较好地反映了降水云类型,验证了判识方法的可行性。     

基于雷达回波最大重叠率的一种临近降水预报方法

基于天气雷达的临近降水预报是雷达短时预报业务系统的重要组成部分,本文在回顾雷达临近降水预报技术发展的基础上,充分考虑新一代天气雷达高时间、空间分辨率的优点,提出两个相邻时刻雷达回波具有最大重叠率的移向、移速是与降水系统整体的移向、移速密切相关的论点,再用此移向、移速对当前雷达回波进行平移,最后采用九点平均的回波生消模型...     

Comparison of Precipitation Observations from a Prototype Space-based Cloud Radar and Ground-based Radars

A prototype space-based cloud radar has been developed and was installed on an airplane to observe a precipitation system over Tianjin,China in July 2010.Ground-based S-band and Ka-band radars were used to examine the observational capability of the prototype.A cross-comparison algorithm between different wavelengths,spatial resolutions and platform radars is presented.The reflectivity biases,correlation coefficients and standard deviations between the radars are analyzed.The equivalent reflectivity bias between the S-and Ka-band radars were simulated with a given raindrop size distribution.The results indicated that reflectivity bias between the S-and Ka-band radars due to scattering properties was less than 5 dB,and for weak precipitation the bias was negligible.The prototype space-based cloud radar was able to measure a reasonable vertical profile of reflectivity,but the reflectivity below an altitude of 1.5 km above ground level was obscured by ground clutter.The measured reflectivity by the prototype space-based cloud radar was approximately 10.9 dB stronger than that by the S-band Doppler radar(SA radar),and 13.7 dB stronger than that by the ground-based cloud radar.The reflectivity measured by the SA radar was 0.4 dB stronger than that by the ground-based cloud radar.This study could provide a method for the quantitative examination of the observation ability for space-based radars.     

基于微波成像仪资料反演陆面降水

为了探讨微波亮温与降水的关系,结合时空匹配较好的TRMM卫星测雨雷达(PR)、微波成像仪(TMI)资料,用逐步回归方法,建立统计反演降水的新算式,并对新算式反演结果进行验证.结果表明:对0.1～3 mm/h和3～6 mm/h的降水来说.新算式反演结果与PR雷达反演降水相关较好;对6～10 mm/h的降水来说,新算式反演结果与PR雷达反演降水相关较差;对于大于10 mm/h的降水,新算式反演结果与PR雷达反演降水有较好的相关性,但均方根误差比较大,说明用这种方法反演降水,对于强降水中心的确定有很好的参考价值,但反演结果较实际偏小.通过对2004年7月18日发生的一次特大降水反演结果表明,卫星反演雨带的空间分布、强降水中心位置与PR雷达反演降水以及地基雷达反演降水基本一致.     

加密探空资料同化对一次降水预报能力改进研究

通过设计不同的试验方案,将加密探空资料同化到WRF模式中,对一次层状云系的降水过程进行了数值模拟.采用实时四维资料同化的方法,使得背景场和观测资料相协调,在一定程度上解决了模式的spin up问题.将温度同化到模式里,改变了模式原有的热力场,使得模式动力场随之改变,模式模拟的结果更接近实际观测.经过松弛(nudging)之后,得到的雷达回波、高度场、温度和实况很像,降水也要比不加探空资料的降水更接近实况.鉴于只有两个地方的探空资料,并不能覆盖整个模式区域,以及同化过程还需要改进,模式模拟的结果和实际观测之间还有一定的差异,有待更深入的研究.     

卫星和雷达资料在暴雨数值预报中的应用研究

采用美国风暴分析预报中心开发的中尺度模式（Advanced Regional Prediction System,ARPS）的资料分析系统ADAS（ARPS Data Analysis System）,把中国CINRAD/SA、SB多普勒雷达反射率、风云-2E卫星的红外和可见光资料引入模式初始场,利用高分辨率中尺度模式WRF对2012年7月21日中国华北地区暴雨过程进行数值模拟。结果表明：加入雷达和卫星资料的WRF数值模拟,由于修正了中低层水汽,对降水系统预报有一定的调整,预报的降水落区位置和降水量中心值更接近实况;同时加入卫星和雷达资料同化后,明显改善了WRF降水系统预报偏慢的情况。雷达与卫星资料同化对WRF模式降水预报影响不同,雷达资料影响的时间短,只在6 h内预报起作用,而卫星资料影响时间较长,能够改善24 h内的预报。加入卫星和雷达资料,修正了水汽场,使降水预报在开始时间、量级和范围上均有改善,更接近实况。     

人工增雨催化区跟踪方法与效果评估指标研究

如何利用新一代天气雷达作业前后回波的变化分析人工增雨效果,对提高人工影响天气的科学性有非常重要的意义。文章基于新一代天气雷达三维拼图和最大相关系数的雷达回波跟踪方法（TREC）,在考虑多个作业影响时间和催化剂扩散背景下,实现对高炮和飞机播云作业中催化区的连续跟踪,并计算区域内的最大反射率、垂直积分液态含水量等回波参数。利用2个降水过程,选择多个跟踪区域进行连续跟踪,详细分析了回波跟踪的合理性。选择北京的一次高炮增雨作业与一次模拟飞机作业,对其催化区进行跟踪。结果表明：利用TREC算法,能够合理跟踪回波在空间的垂直位置与水平位置,较好地跟踪单点、多点作业时催化区域移动,实时跟踪飞机播云催化区的回波变化,从而为人工增雨的效果评估提供了一个有意义的参考。     

基于偏振雷达的积层混合云降水增雨潜力识别方法研究

本文统计分析了北京地区近三年的有效降水,重点研究了积层混合云降水特点并对其分类,发现积层混合云降水出现频次约占总降水次数的61%,其中积层混合云降水以积层连结型和水平混合型为主,二者之和占近80%。重点分析了积层混合云中对流和层云两种不同特点降水类型的宏微观结构,确立了反射率因子Z、温度T、粒子含水量M、催化剂AgⅠ（碘化银）活化率NE和粒子相态HTC（hydrometeor type classification）为人工增雨潜力识别指标及这些识别指标的取值范围,同时也根据研究现状和人工影响天气需求总结制定出人工增雨潜力等级。利用偏振雷达构建模糊逻辑识别算法对积层混合云三种降水类型进行增雨潜力区域识别研究,结果表明:（1）对于播撒碘化银增雨来说,积层混合云的增雨潜力区在垂直方向上可分为上、中、下三层,上层（增雨等级为“不适合”）和下层（零度层及以下）分别受含水量和温度等影响不适合增雨,中间层（增雨等级大于等于“等级一”）是可增雨区域;（2）积层混合云中层云区增雨潜力较小,对流云区可增雨潜力要远大于层云区,开式流场型与积层连结型可增雨潜力要大于水平混合型;（3）当降水云中识别出霰粒子时,其附近的大部分区域会有较好的增雨潜力。通过偏振雷达实例检验和数值模式模拟在积层混合云不同部位播撒碘化银催化试验发现,在增雨潜力较好的区域催化有很明显增雨效果,模拟试验结论与偏振雷达识别增雨潜力区结果也基本一致,说明基于偏振雷达的增雨潜力区识别方法和结果是具有参考意义的。     

模式水平分辨率对祁连山区降水模拟影响的初步分析

利用中尺度模式MM5V3．6，针对祁连山地区2002年7月14～17日的一次降水过程，设计了一组不同水平分辨率的试验进行数值模拟。并将模式结果与实测资料进行对比，结果表明：高水平分辨率对降水中心位置的模拟较好，但同时会产生虚假降水中心，且模拟的降水中心量值一般都大于实测值。而低水平分辨率对降水量值的模拟较好，但对降水中心位置的模拟没有高水平分辨率的好。