太行山东麓一次低槽冷锋降水云系云物理结构和作业条件的飞机观测研究

2017年5月22日河北省出现一次低槽冷锋降水过程,河北省人工影响天气办公室利用机载粒子测量系统在太行山东麓区域对积层混合云进行了5次垂直探测。依据这些飞机探测资料结合石家庄天气雷达和邢台皇寺观测站的Ka波段云雷达资料分析了积层混合云的微物理结构和增雨作业条件。结果表明,降水云系出现在低槽槽前西南气流中,积层混合云由冷、暖云组成,云厚大于5 km,暖云厚度大于2 km,冷云厚度大于3 km,0℃层高度位于3577～4004 m,云底温度为15. 4℃,云顶温度为-17℃。云内出现最强雷达回波达45 d BZ的对流雨核,人工增雨作业应在雷达回波强度不超过40d BZ,且4000 m以上雷达回波强度不超过30 d BZ积层混合云区实施增雨作业。嵌入对流核的积层混合云中,5000 m以上冷云中上层过冷水含量达0. 2 g·m-3,比稳定的层状云中过冷水含量提高2～4倍;丰富的过冷水从雨核发展初期维持到雨核发展盛期,且该高度层是冰晶重要增长区,温度在-15～-5℃之间,适合催化作业。     

初冬一次层状云较弱云区垂直结构的飞机观测

为分析层状云垂直微物理结构,了解雷达参数特征,揭示降水机制,利用机载Ka波段云雷达和DMT（Droplet Measurement Technologies）粒子测量系统,针对2019年11月17日山东冷锋层状云系开展从云顶至云底的垂直探测。结果表明:观测云层由高层云（3100~4500 m高度）和雨层云（800 ~2600 m高度）两部分组成。高层云过冷水含量较低,平均值为0.0026 g·m-3,最大值为0.008 g·m-3,云内冰晶通过水汽凝华增长,平均浓度为8.2 L-1,最大直径为900 μm,平衡谱状态下冰晶浓度与雷达反射率因子具有较好相关性,相关系数最大为0.84。雨层云过冷水含量丰富,最大含水量为0.354 g·m-3,过冷水区平均雷达反射率因子为7.48 dBZ,多普勒速度为-2.3 m·s-1,速度谱宽为0.7 m·s-1;雨层云中上部以冰晶为主,下部为暖区融化粒子,冰晶通过凇附过程增长,平均浓度为208 L-1,最大直径为450 μm;雷达反射率因子随高度降低至1500 m不断增大,在1200~1500 m高度保持不变,1200 m高度以下减小,未出现明显0℃亮带,速度谱宽随高度降低增大。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 I: 观测分析

利用机载云粒子测量系统等仪器对2003年7月8日冷涡云系的积层混合云探测的资料,分析冷涡云系中的微物理结构、微物理过程和降水形成机制.结果表明:在4km以上高度,2-DC粒子浓度随高度快速增加,而粒子平均直径逐渐减小,粒子在下落过程中获得了增长.积层混合云中对流云在垂直方向上出现明显的分层的微物理结构:4.6km以上高度只存在针状冰晶;4.5～3.5 km高度,存在过冷水和冰相粒子.过冷水含量较高,冰相粒子除针状冰晶外,还有少量冰雪晶聚合体或霰粒子,其中在紧靠0℃层之上的3.5km高度,主要存在冰雪晶聚合体或霰粒子.在紧靠0℃层之下,粒子为椭球形,还有一些未完全融化的冰晶,再降低200 m高度,粒子完全是球形,这里完全是雨滴.降水粒子主要是雨水.云系液态水含量十分丰富,过冷水含量最大值可达3.3 g/m3,云体上部也达到2.0 g/m3.云垂直方向上微物理结构分析表明,云中冰晶除了通过冰核核化形成外,可能还存在冰晶的繁生过程.冰晶产生后通过聚并进一步长大,撞冻过冷水也是冰雪晶增长的方式之一.在云的暖区降水粒子为雨滴,其中至少有一部分是由冰相粒子(冰晶聚合体或霰粒子)融化形成.因此冷云过程参与了降水形成过程.     

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。     

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。     

四川盆地降水云系飞机云物理观测个例分析

利用2008年10月26日晚至27日凌晨成都上空连续两架次飞机穿云观测资料,分析了探测云系的云物理特征和降水机制,以期了解四川盆地降水形成的云物理过程。结果表明：探测云系为上冷下暖的混合云系,云系深厚,云顶温度在-10℃左右,0℃层较高。云系中暖层厚,约3200 m;过冷层较薄,约1800 m。在过冷层中,从云顶往下,大云粒子谱和降水粒子谱明显拓宽。在暖层中,降水粒子的浓度和尺度减小。冰晶和过冷水的存在使得冷云过程得以发动,配合暖层中的暖云过程,降水现象得以实现。而过冷水不够充沛,形成的降水粒子不多,同时暖层中液态水含量少,供水不充分,使得地面降水强度不大,形成了小雨。     

一次低槽冷锋层状云系结构和过冷水分布特征的模拟研究

本文利用耦合了CAMS云微物理方案的WRF中尺度模式的模拟结果结合飞机、卫星、雷达、地面雨量等观测资料,对2012年9月25日山西一次低槽弱冷锋降水层状云系的宏微观结构和过冷水分布特征进行分析,试图研究低槽冷锋层状云系结构特征及过冷水形成的宏微观条件,为人工增雨作业提供依据。模拟的天气形势、降水、云顶温度、雷达回波、水成物的演变与实测基本一致。结果表明：此次降水过程的系统为低槽弱冷锋,且锋面后倾,位于锋前的云系前部为高层冷云,云顶温度-40℃左右,以冰相粒子组成,没有降水;锋区云系变成高层冷暖混合云,冷区以少量过冷水和大量冰相粒子组成,地面降水最大;处于锋后的云系后部为高层冷云,云顶温度-30℃左右,不存在过冷水,以较少冰相粒子组成,地面降水较弱。过冷水主要分布在锋面前方低于-5℃层,高度偏低、含量偏少,过冷水一方面因垂直上升速度供应水汽维持,另一方面因冰相粒子的凝华而消耗。过冷水层及其下部上升运动较弱、而其上部上升运动较强,不利于在过冷区长时间维持大量液态水,反而促使冰相粒子发展旺盛,此处水汽相对水面不饱和、相对冰面饱和,大量冰相粒子消耗水汽,不利于过冷水的存在,导致云场仅存在少量过冷水。本次过程中,冰核浓度的增大仅增大冰晶浓度,对雪霰含量及-5~0℃的过冷水几乎没有影响。     

一次基于飞机观测的河北中南部降雪云系微物理结构的对比分析

2017年2月21日河北省出现一次低槽降雪天气系统，河北省人工影响天气办公室在系统槽前部位层状云系中开展飞机云微物理探测作业，通过对邢台、赵县两地云微物理垂直结构的精细化探测分析，发现本次过程云系为层状冷云。邢台、赵县两地云系均存在明显的逆温层，在逆温层及其下方出现过冷水，邢台过冷水较为丰富含量0.19 g/m3，在温度-8～-11 ℃过冷水丰富层下方可见结凇冰晶，直径有所增大，浓度没有出现明显增加；赵县云系过冷水含量偏低0.074 g/m3，冰晶在温度-8.7～-10.3 ℃的过冷水层以凇附、粘连增长为主，冰晶聚合体比邢台偏多，粒子直径和浓度均比邢台偏大。本次探测过程，邢台云内过冷水含量丰富，具有人工增雪作业的条件；赵县云内过冷水含量偏低，人工增雪条件差。     

甘肃省夏季层状云微物理特征个例分析

对2004年6月12日甘肃河西地区一次降水性层状云的云物理飞机探测结果进行了分析,通过对云中粒子的浓度、直径、二维图像以及谱型变化地研究,并结合宏观观测记录,详细分析了云系的垂直和水平微物理特征.观测资料分析表明:此次云系为Ac-Sc结构,上层Ac云为纯冷云,下层Sc云为纯暖云,两层云之间存在较厚的干层.云中微物理量的垂直和水平变化均具有明显的不均匀性,整个探测过程中,FSSP-100所测云粒子的浓度和平均直径变化范围分别为0.1～-232.6cm-3和3.5～45.5μm,OAP-2D-GA2所测云粒子浓度及平均直径变化范围分别为0.01～116.7cm-3和32.2～995.7μm.粒子二维图像表明,上层高积云中冰相粒子的凇附、粘连现象普遍,说明云中存在较多的过冷水.图像及谱型分析表明,6000m以上某些区域有冰晶高浓度区存在,大量冰晶的成长消耗了云中过冷水,不利于大云粒子的形成和成长;这次降水雨滴主要由纯暖性Sc云中暖云成雨过程形成,冷云过程只在Sc云顶附近有一定作用,本次降水主要机制为下层层积云中的暖云过程.     

南方三类云系云结构预报和增雨作业条件分析

2013年夏季,我国南方出现了大范围高温干旱天气。8月1—22日,中国气象局人工影响天气中心利用人影数值模式为南方高温旱区开展云结构预报和人工增雨作业条件分析服务工作。文章简要回顾了2013年8月的旱情和天气过程,重点对2013年8月南方三类云系的云结构预报结果和增雨作业条件进行了分析。8月1—22日,我国南方高温旱区降水过程可分为3种类型。1—4日为台风外围云系降水;5—13日为副热带高压控制下局地对流性降水;14—22日为台风登陆后低压环流云系降水。人影模式对台风外围云系和低压环流云系降水的范围和强度基本预报正确,对云系影响时段和局地对流降水位置的预报略有偏差。利用卫星反演光学厚度、实测雨量和雷达回波检验模式预报结果,大范围云系与实况卫星反演结果比较吻合,而且能够预报出局地对流云团,以及与实况接近的云层性质和垂直结构。综合分析云带、过冷水、云垂直结构、降水等产品可知,台风外围云系和低压环流云系既有暖云降水、也有冷暖混合云降水,冷暖混合云中有最大值为0.3 g·kg-1过冷水,位于-10～0℃,冰晶数浓度较小,可能有较好的冷云催化增雨潜力;副热带高压内部局地对流云团基本为冷暖混合云降水,在初始发展阶段会出现最大值为1 g·kg-1过冷水,冰晶数浓度很少,上升运动大值区位于过冷水层下方,可能有很好的冷云催化增雨潜力。针对南方夏季积层混合云以及对流云的微物理结构和增雨条件的研究以及预报准确率还需加强和提高。     

河北省冬季低槽冷锋层状云结构特征和可播性分析

2018年1月6日河北省出现一次低槽冷锋天气系统,利用两次云粒子垂直探测资料分析层状云结构特征和演化规律,探讨冬季低槽冷锋系统层状云催化条件和催化时机。结果表明：天气系统初期西南风风速中心发生在6500 m高空时,风速随高度呈不连续分布,层状云云顶温度为-29.2℃,中低云层稀薄;3000 m以上云层粒子基本被冰化,云内过冷水含量小于0.05 g·m^-3,固态含水量为0.1 g·m^-3左右,3000 m以下云层有大量自然冰晶,过冷水低于0.15 g·m^-3,不具备催化条件。700—3000 m高度层西南风加强,云内过冷水含量普遍大于0.1 g·m^-3;2200 m风速中心风速达16 m·s^-1,该高度最大液态水含量达0.38 g·m^-3,冰晶浓度为6 L^-1,温度为-9℃,适宜催化。低槽冷锋天气系统层状云结构特征和催化条件受槽前西南风强弱和风速中心高度影响,天气系统初期层状云云顶过高、温度过低时,层状云为不可播云。随槽线东移,风速中心高度降低,3000 m以下西南风加强,层状云转变为可播云。     

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。     

湖南秋季积层混合云系飞机人工增雨作业方法

统计分析2007—2016年秋季湖南省长沙市地面气象观测资料、湖南省飞机人工增雨作业资料, 得到湖南省秋季积层混合云系的降水分布情况、一般结构特征和相应的飞机增雨作业方法。使用多普勒天气雷达、GRAPES_CAMS数值模式和中小尺度气象站网等资料对典型作业天气过程进行云降水物理和数值模拟分析, 采用成对对流云和基于TREC算法的回波跟踪等方法进行作业效果评估。归纳得到湖南省秋季积层混合云系人工增雨作业条件判别的12个宏微观指标, 探讨在使用运7飞机、碘化银烟条作业装备条件下, 开展飞机增雨作业的最佳催化时机、部位和剂量。针对积层混合云系中的降水性层状云系、积云对流泡, 飞机增雨适宜作业的区域、播撒高度和催化剂量:在过冷高层云的-15~-5℃层, 播撒达到30 L-1的人工冰晶浓度; 在过冷积云的-15~-7℃层, 静力催化使冰晶浓度达到30 L-1或动力催化达到100 L-1。这些方法在实践中取得了较好的人工增雨作业效果。     

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.     

2014年夏季青藏高原云和降水微物理特征的数值模拟研究

为了加强对青藏高原（高原）云和降水微物理特征的深入认识,采用高分辨率中尺度数值预报模式（WRF）,对第三次青藏高原大气科学试验2014年7月3-25日发生的6次不同强度云和降水过程进行了数值模拟分析。研究结果表明:（1）青藏高原夏季云和降水过程具有独特性。高原夏季对流的促发机制主要是午后高原加热造成的,云和降水具有明显的日变化。午夜后,对流性降水一般转化为层状云降水,具有明显的0℃层回波亮带,并且会产生强降水。大部分对流云云顶高度超过15 km（海拔高度）,最大上升气流速度为10-40 m/s。（2）6次云过程中均具有高过冷云水含量,主要分布在0—-20℃层,冰晶含量主要分布在-20℃层以上的区域,强盛的对流云中,可出现在-40℃层以上区域;雨水集中分布在融化层之下,说明其主要依赖降水性冰粒子的融化过程;雪和霰粒子含量高,分布范围广,说明云中冰相过程非常活跃。（3）高原夏季云中水凝物的转化过程和降水的形成机理具有明显特点。霰粒子的融化过程是地面雨水的主要来源,暖雨过程对降水的直接贡献很小,但通过暖雨过程形成的过冷雨滴的异质冻结过程对云中霰胚的形成十分重要。霰粒子的增长主要依靠凇附过程以及聚并雪晶的增长过程。      

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。     

华南冷锋云系的中尺度和微物理特征模拟分析

利用中国气象科学研究院（CAMS）中尺度云分辨模式,结合实测地面雨量、卫星和雷达资料,对发生在2004年3月31日~4月1日的华南春季冷锋降水过程进行模拟分析。模拟云带的出现时间、位置、形状与走向以及随时间的演变均与卫星观测一致。模拟的雷达回波分布同实测一致,回波主要出现在地面锋线以及锋后冷空气一侧,呈西南-东北带状分布,锋面云系的不同部位回波单体的差异很大。模拟的主要降水时段内的地面雨量分布范围以及大小同实测接近,中尺度雨带呈西南-东北带状结构,随着冷锋的移动逐渐向东南方向移动。在中尺度雨带上有4个生命史超过3小时的强降水中心,强降水中心基本都是向东略偏南的方向移动,与回波单体的移动方向一致。锋面云系的垂直运动深厚,且基本与云区对应,云系产生在低层辐合、正涡度,高层辐散和高相当位温的区域。地面锋线附近的上升速度大,云水含量高,冰相粒子的淞附和雨滴碰并云滴是云中的主要微物理过程,暖雨过程和冷雨过程都重要;而在高空锋区宽雨带部分低层为下沉气流,上升气流只出现在高层,主要是过冷云水、霰和雪晶组成的混合云,雪晶是霰增长的主要源项,降水主要由霰的融化产生,冷云降水过程比较重要。     

一类光滑Chua's电路的自适应同步

利用2009年5月8日多普勒雷达资料和飞机穿云观测资料,综合分析了西风槽影响下山西省一次积层混合云的形成过程和微物理结构。结果表明,此次飞机探测到的积层混合云是由对流单体多次并合形成的带状对流云团减弱后形成的,云中嵌有明显的对流泡,最大强度为45～50dBZ,最大垂直尺度在6km左右。CDP（cloud droplet probe,前向散射粒子谱探头）、CIP（cloud ima-ging probe,二维灰度云粒子探头）、PIP（precipitation imaging probe,二维灰度降水粒子探头）测量的平均数浓度变化范围分别是132.4～220.2cm-3、1.54×10-1～6.28×100cm-3、9.09×10-4～7.34×10-3cm-3。二维图像表明,冷层中的固态粒子主要是形状不规则的霰粒子,说明过冷水供应充足;在-7℃左右观测到柱状聚合体和凇附程度不同的冰雪晶粒子,表明柱状冰晶通过凝华形成后,碰并和凇附是其增长为霰粒子的重要机制。不同高度的CDP平均谱（2～50μm）存在一定的差异,因低层水汽凝结作用较强,2～18μm的云粒子数浓度基本随高度的增加而降低;因暖层中碰并效率低和冷层中小冰晶浓度随高度增加,24～35μm粒子数浓度随高度增加而增大。CIP平均谱（25～1550μm）,除4100m为双峰谱外,其他高度均为单峰谱。PIP平均谱（100～6200μm）,4450m高度处的粒子谱宽和数浓度最大,3200～4000μm之间出现大值区域,表明对流单体及周边区域为较大固态降水粒子的形成提供了良好的环境。     

2014年青藏高原云和降水多种雷达综合观测试验及云特征初步分析结果

加密外场试验可提供云降水物理过程新的数据。2014年7月1日—8月31日,第3次青藏高原大气科学试验项目组在那曲开展了水汽、云和降水的综合观测,使用了中国最先进的Ka波段毫米波云雷达、Ku波段微降水雷达、C波段连续波雷达和激光雷达,并配以微波辐射计、雨滴谱仪等设备,获取了高时空分辨率的云和降水宏微观垂直结构特征数据;利用C波段双线偏振雷达与新一代天气雷达配对,进行双多普勒雷达观测,获取青藏高原对流云三维风场和降水粒子相态的结构和演变数据。文中简单介绍了本次试验的情况,并利用这次观测的云雷达数据对那曲地区夏季云的云顶和云底高度、云厚、云量、云层数等特征的日变化进行了初步统计分析,对不同类型云的宏观特征进行了讨论。结果表明:本次外场试验首次成功获取到了多种雷达的云观测数据。那曲地区夏季云主要集中在6 km(距地面高度,下同)以上和4 km以下;总云量、高云的云顶、云量和云厚等云的统计参数有明显的日变化,10时(北京时)为云发展最弱的时段,20时云发展最为旺盛;初生的积云和层云常常出现在3 km高度上,这一高度上常常存在明显的上升气流;深对流系统高度可达16.5 km,同时存在上升气流和下沉气流,对流中可能存在过冷水。这些数据和初步结果为进一步开展高原云和降水机理、云和降水物理过程参数化方案研究及卫星反演结果的订正提供了基础。