机载云降水粒子成像仪的数据处理软件研发及其在云微物理研究的应用

云粒子成像仪(Cloud Imaging Probe, CIP)和降水粒子成像仪(Precipitation Imaging Probe, PIP)在云微物理和人工影响天气的观测研究中具有重要的作用。受限于仪器的成像测量原理,CIP和PIP所测云微物理数据质量因伪粒子的影响而降低,因此,急需一款能够对仪器所测数据进行订正的软件以满足云微物理分析的数据质量要求。在对测量过程中影响仪器测量准确性因素分析的基础上,提出了一套可提高仪器测量数据准确性的方法。利用LabVIEW图像化编程语言,编写出了一款可处理CIP和PIP图像数据的软件,可满足对CIP和PIP所测数据的质量控制要求。利用所开发的软件对2010年4月20日一次降水性层状云的飞机探测资料进行处理,获取了整个降水性层云的垂直结构特征与粒子谱的变化特征,表明本软件有助于云降水微物理的研究。     

改进的Holroyd云粒子形状识别方法及其应用

云降水粒子形状是影响云微物理过程的重要因素,准确的云粒子形状信息是诸多云微物理参量计算的前提。为获取机载云粒子成像仪（CIP）所测云粒子的形状信息,文中提出了一种改进的Holroyd云粒子形状识别方法,即先对云粒子形状进行预分类,然后针对预分类后的完整粒子和可识别的部分状粒子,分别选出合适的参数及其阈值再进行具体的分类,最终可将云粒子分为微小状、线形状、聚合状、霰、球形、板状、不规则和枝状。利用实测数据对原始的Holroyd方法和改进的Holroyd方法进行识别效果对比验证。结果表明改进的Holroyd方法在云粒子形状识别的准确度方面比原Holroyd方法有较大的提高。将所提方法应用于太原地区一次降水性层状云的云微物理飞机观测资料以分析不同的降水阶段云中冰晶粒子的形状分布、增长机制、冰晶粒子数浓度以及冰水含量的垂直分布特征,所获取的云中冰晶粒子属性表明新提出方法有助于云微物理分析。      

高性能机载云粒子成像仪研制及应用

机载云粒子成像仪是目前直接观测云中粒子谱分布和形状特征的关键设备,在云物理结构探测、遥感反演验证、数值模式云物理过程改进和人工影响天气等领域具有十分重要的作用。因此,针对现有进口仪器性能和应用方面的不足,开发更高性能的云粒子探测仪器十分必要。通过2011年启动的国家重大科学仪器设备开发专项—机载云粒子谱仪与成像仪研制项目,研制出国产高性能机载云粒子测量系统。经过多年的研制和反复测试,解决和显著改进了激光光束均匀化、弱信号探测、多路并行处理及微粒消衍射等关键技术,从而提高了探测器像元的光功率均匀性和一致性,使光斑区域内平均光功率密度提高约3倍,从而改进了粒子成像能力。采用更高分辨率国产光电线阵探测器,测量响应时间明显缩短,对小云粒子的探测能力明显提高。研制的仪器通过一系列基础参数测试、系统优化、环境适应性实验和累计60多架次的飞行测试。对2018年11月5日进行的两架次对比探测结果的初步分析表明,新研制的云粒子成像仪对小粒子浓度的测量精度较进口仪器提高一个量级左右,测量数据起伏更小,稳定性更高,并且可正确获得更清晰可靠的云粒子形态特征。      

DMT机载云粒子图像形状识别及其应用

利用机载云粒子探测设备入云进行观测是目前获取云粒子微物理特征最直接有效的手段。国内已有多家单位引进美国DMT（Droplet Measurement Technologies）公司的云粒子图像探头CIP（cloud imaging probe）。由于其配套软件不能输出逐个粒子的详细信息,在很大程度上限制了对云粒子图像探测数据的深入挖掘和分析。基于解析粒子图像原始数据,对粒子图像数据进行质量控制,并根据粒子形状几何特征将粒子形状分为8类（微小、线状、聚合状、霰状、球状、板状、枝状和不规则状）。利用2018年12月—2019年3月河南省3次冬季航测获取的灰度CIP探测数据,分析云粒子形状及各形状粒子面积的统计特征,并对比基于不同形状粒子的质量-尺度关系与将所有粒子视作球形液滴计算所得的粒子水凝物含量,发现后者超过前者约1个量级。     

河北省降水性层状云宏微观物理特征

利用2009年河北省春秋季17架次飞机宏观观测资料和相应的机载PMS云微物理探测数据,经过回放处理、筛选和计算,统计分析近年河北省降水性层状云物理特征。结果表明：河北省降水性层状云是以Ns、Sc、As为主的多层云系,且多伴随有干层结构。云底平均高度、过冷层厚度、0℃层高度分别为2002、1106 m和3811 m。微物理方面,云滴数浓度平均为54.6 cm^-3,平均直径为8.64 μm。云粒子浓度和尺度均比20世纪90年代各特征值有所减少。统计计算的降水性层状云中液态水含量为0.13 g·m^-3,远大于20世纪90年代的值。     

机载云降水粒子成像仪所测数据中伪粒子的识别

机载云粒子成像仪(Cloud Imaging Probe,简称CIP)和降水粒子成像仪(Precipitation Imaging Probe简称PIP)所测数据中伪粒子的存在会直接导致仪器所测数据质量下降。利用山西Y-12探测飞机在太原地区的三次航测资料对飞机采样期间伪粒子图像的特点及其成因进行了分析和归类,并在此基础上提出了综合利用到达时间间隔阈值和图像处理识别技术的伪粒子识别方法。利用所提的方法对航测的粒子图像资料进行处理、统计和分析,统计结果表明,在一次测量过程中伪粒子的出现概率最高可达45.2%,其平均出现概率分别是36.01%(CIP)和8.64%(PIP);在所有伪粒子成分中,破碎形成的伪粒子的出现概率是最高的,它可以占到伪粒子总数的95%以上;其次是条纹状粒子和并存粒子,相对来说,空白粒子和线状粒子出现的概率是比较低的。研究还发现,机载平台的飞行状态对伪粒子各成分的出现概率也会造成影响。利用所提方法对仪器测量的粒子谱、粒子数浓度和冰水含量值进行订正,订正结果表明伪粒子对仪器量程内的粒子谱、粒子数浓度和冰水含量值均有影响,其中在云粒子谱影响上,伪粒子对粒子谱两端的影响较大,其中对小云粒子谱的影响主要是在400 μm以下,对大云粒子端的影响主要是在1000 μm(CIP)和2000 μm(PIP)以上。所提方法和阈值对于以Y-12飞机为机载探测平台,以CIP和PIP为探测仪器所获取的其它航次云微物理图像资料处理也是有一定的参考使用价值。     

机载光阵探头探测期间云粒子的破碎

机载光阵探头探测时,云粒子(液态和固态)进入二维光阵探头的采样区前,会因与探头探测臂发生机械碰撞,或者与探头外壳产生的湍流和风切变相互作用而破碎。破碎程度与粒子类型、大小、粒子密度、探头入口设计以及飞行空速等有关。利用2008年7~9月探测飞机(Y-12)在山西省太原地区的航测资料并对飞机采样期间的云粒子破碎现象进行介绍和分析,分析结果表明,粒子到达时间间隔分布具有双模态特征:长时间模态是粒子空间分布的真实结构,短时间模态则是云粒子破碎的结果。提出用粒子到达时间间隔阈值作为粒子破碎的判定标准,给出适用于2008年太原地区航测资料的粒子破碎识别阈值,其中适合于探头云粒子成像仪(CIP)的阈值是2×10-5 s,而探头降水粒子成像仪(PIP)的阈值是1×10-4 s。所提的阈值对于以Y-12为机载探测平台,以CIP和PIP探头为探测仪器所获取的其它航次云微物理图像资料的粒子破碎处理也是有一定的参考使用价值。     

高原东部春季降水云层的微物理特征分析

利用人工增雨飞机和机载PMS粒子探测系统，对高原东部地区春季人工增雨主要降水云层的微物理结构进行大量探测研究。根据1995年和1997年共15架次的飞行探测资料，分析研究了高原东部低层大气气溶胶微粒的分布特征及其与大气层结的关系，着重分析了高原东部春季降水云层的云粒子、降水粒子以及冰晶、过冷水的一些初步分布特征。     

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。      

青海省春季降水云的微物理特征分析

2001年春末夏初结合人工影响天气飞机增雨试验,开展了云及降水的微物理特征飞机探测.利用先进的机载PMS粒子探测系统对春季云和降水进行空中观测,得到一些非常可贵的资料.文章通过资料分析,对青海省春末夏初降水云的空中结构有了一个较系统的认识.对今后开展科学人工影响天气作业和深入认识青海地区降水云微物理结构特征都有非常重要的意义.     

一次冷锋云系的宏微观物理特征分析

利用常规气象资料、自动站资料、卫星云图、CINRAD-SA多普勒天气雷达资料以及NCEP再分析资料,结合飞行探测数据,对影响2011年4月17日河北抚宁县森林大火的一次冷锋云系进行分析.结果表明:1)宏观分析,过程降水的水汽仅来自冷锋自身所携带的微弱水汽,水汽辐合值较小,不利降水;2)微观分析,冷锋层状云系在水平和垂直方向上存在较薄的过冷水云区,小粒子数浓度大于20 cm^-3的云区占一定比例.飞机催化作业后,雷达回波强度增强,CAS(云气溶胶粒子探头)探测的小粒子数浓度、云含水量及粒子平均直径均有明显变化,说明该次冷锋云系有一定的增雨潜力.     

吉林一次降水层状云的结构和物理过程研究

利用机载粒子测量系统的探测结果,配合雷达及地面降水资料,结合一维层状云模式,通过对吉林2004年7月1日的一例降水性层状云系的宏微观物理结构和降水机制的定量化分析,对顾震潮三层模型有了进一步的认识.观测资料表明,该降水过程为典型的层状云降水,地面降水存在不均匀性,云系结构符合顾震潮三层概念模型,其中第1层为尺度很小的冰...     

云南省积层混合云微物理特征飞机观测

2017-2020年利用运-12和空中国王-E350飞机搭载的国产云粒子测量设备在云南开展了 76架次积层混合云观测,数据分析表明:云南的云粒子数浓度远高于华北地区,云粒子(直径为2～50 μm)数浓度平均值为339.7 cm-3,最大值为1067.6 cm-3,平均含水量为0.181 g·m-3,最大值为2.827 ...     

机载热线含水量仪探测数据校验方法

机载含水量仪是目前云中液态水含量唯一的探测仪器,其准确性直接影响人工增雨作业条件判别。基于2015年和2017年四川盆地南部开展的10架次飞机云物理探测试验,考察机载热线含水量仪LWC-100探测数据发现存在异常极大值、负值数量多等问题。通过分析DMT（Droplet Measurement Technologies）公司云粒子探头（cloud droplet probe,CDP）、云粒子图像探头（cloud imaging probe,CIP）、降水粒子图像探头（precipitation imaging probe,PIP）数据,提出对入云前的干功率进行重新计算的3种方法:方法1以CDP探头的不同粒子尺度分档为标准,不低于某一档尺度的粒子数浓度大于0记为入云;方法2以CDP的数浓度大于10 cm-3为入云判定条件;方法3以CDP,CIP,PIP 3种探头探测的粒子数浓度同时大于0记为入云。结果显示:3种方法均有效纠正液态水含量不为0的情况,负值数量也较探测数据明显减少。方法1以不小于5 μm的粒子数浓度大于0记为入云,校验计算得到的液态水含量以负值数量和大小作为评价依据较方法2和方法3更优。     

降水性层状云结构及微物理量相关性分析

利用飞机、雷达、卫星观测资料,对2014年5月1日08时—2日08时河北省一次降水性层状云结构特征进行综合观测分析。结果表明本次过程降水云大致分为3层:4 200~2 850 m为冷暖云结构,2 162~2 174 m为十几米厚的纯暖云,近地面层121~265 m有粒子浓度较低(量级为101cm-3)的暖云。降水开始前存在较明显的催化云—供给云结构,降水开始后高层对低层有催化作用。人工增雨潜力区主要位于3 100~4 000 m,对应的雷达回波强度为20~30 d Bz,且雷达回波强度垂直梯度明显变小。对不同高度的云微物理量进行相关性分析,结果表明,云底的液态水含量和云滴浓度与气溶胶浓度具有较强的负相关,过冷水含量与云滴浓度相关性达到0.434,云凝结核浓度在冷云中与温度相关性较强,相关系数达到0.717。     

河北春季一次飞机人工增雪的综合分析

2013年4月19日,河北省人工影响天气办公室在河北中南部地区根据云系特点首次采用多层次水平催化和垂直验证的方式对层状云进行人工催化和探测。本文利用机载仪器所取得的飞机探测资料,结合实时天气、卫星、雷达、探空和雨量观测资料,分析了河北春季层状云增雪作业的技术指标,探讨了航测微物理参量和卫星、雷达、探空等资料在作业中的应用。结果表明：云在发展期雷达回波由15 dBZ逐步上升到25-35 dBZ,卫星反演的云顶高度、云顶温度、有效粒子半径、光学厚度等都有增加;云在中后期有效粒子半径、光学厚度、液水路径迅速下降,雷达回波同时减弱。在高度3 177-5 723 m之间过冷云滴达100-700个/cm^3,含水量在0.01 g·m^-3左右,最大0.081 g·m^-3,云粒子主要在此增长,形成降水粒子,该区间适宜催化。作业后,影响区内云体发展,雷达回波增强,出现35 dBZ强回波,且强回波中心扩大;卫星反演的云顶高度、光学厚度等比对比区有明显增加。     

基于多源数据的“利奇马”台风大气环流、云及降水特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料、FY-4A静止卫星资料对“利奇马”生命过程的大气环流特征、云宏观特征进行了分析。针对“利奇马”超强台风期间的一次降水过程,利用GPM卫星的双频降水雷达(Dual-frequency Precipitation Radar,DPR)资料对其进行了宏微观特征分析。结果表明:在“利奇马”生命过程中,西太平洋副热带高压、40°N以北的高空槽脊、(35°N,80°E)的高压以及“罗莎”台风对“利奇马”的发展、移动均产生了重要的影响;其云系分布先后表现为螺旋状、逗点状、中心对称结构以及不规则形状,其南北两侧的云区范围、云顶高度也不断变化;在“利奇马”超强台风期间的一次降水过程中,近地表降水率大致呈环状分布,降水粒子浓度以及降水粒子半径的南北分布与东西分布相差较大,除了云墙降水为对流降水外,其他部分的降水以层云降水为主,层云降水对应的雨顶高度在4.5~12 km,主要集中在5.5~10 km;对流降水对应的雨顶高度在1~12 km,主要集中在2~5 km和6~11 km。     

改进阈值的冰晶粒子形状分类方法及其应用

基于历史航测数据,对Holroyd云粒子形状分类方法的阈值进行了改进,使得改进阈值后的Holroyd云粒子形状分类方法更适合机载云粒子成像仪（Cloud Imaging Probe, CIP）在我国华北地区所测冰晶粒子形状识别。将改进阈值后的方法应用于山西一次降水性层状云的飞机观测资料分析发现,此次降水性层云中无论在水平分布还是垂直分布上,出现频率在15%以上的冰晶粒子形状有4种,其中有3种较为固定,分别是霰、线形状和不规则状,另外一种形状则与具体的云内环境有关,垂直方向上不同温度区间内为枝状（?8～0°C）和微小状（?12～?8°C）,不同高度的水平方向上则是枝状（5200 m）、微小状（5500 m）和板状（5800 m）;云中冰晶粒子数浓度在水平和垂直方向上波动较大,最小值小于1 L?1,最大值则大于20 L?1,垂直方向上的最大值分别位于每层云中的下部;云中冰水含量值在水平方向和垂直方向上波动范围也很大,其在垂直方向上的云中最大值区域与冰晶粒子数浓度的最大值区域基本一致。