卫星云迹风资料对中尺度数值模式初始风场改进试验

应用GMS-5静止气象卫星云图导出的风场产品-云迹风资料对中尺度η坐标有限区域数值模式(REM)的初始风场进行改进处理．模拟了2001年7月27-28日、28-29日的降水过程，并且与没有云迹风改进的数值模拟的降水结果进行对比分析。研究结果表明．卫星云图导出的云迹风场资料同化到数值模式．从而改善因测站稀疏造成的中小尺度系统漏报的不足．提高降水的预报精度．     

机载微波辐射计测云中液态水含量 (I):仪器和标定

简要介绍为研制机载对空测云微波辐射计所做的预研究,结果确认了研制这样的单频机载微波辐射计的可行性,并明确了仪器的技术难点,给出了针对技术难点提出的设计方案和技术指标。本文还介绍了对仪器进行灵敏度测试的实验方法和结果。实验室测试和晴空飞行测试表明,在一定的条件下,仪器灵敏度指标达到0.2K;还较详细地介绍了几种实用的标定方法,并讨论了它们的适用范围和不确定性。     

旬邑地区冰雹云的早期识别及数值模拟

分析了１９９７年到１９９９年在陕西省旬邑防雹实验区用３　ｃｍ雷达观测到的１４６块雷暴和雹暴云回波资料，　结果表明，　冰雹云和雷雨云的雷达回波特征有明显的差别。冰雹云初期回波和强回波都生成于５．０　ｋｍ（０～－５℃）左右高度，　然后向上伸展或向上向下同时伸展，　以４５　ｄＢｚ回波顶高≥７．０　ｋｍ，　顶温＜－１４℃。雷雨云初期回波和强回波出现高度比较低，　强回波生成后向下伸展；　４５　ｄＢｚ回波顶高＜７．０　ｋｍ，　　顶温高于－１４℃。以４５　ｄＢｚ回波顶高≥７．０　ｋｍ，　或以４５　ｄＢｚ回波顶温度低于－１４℃，　作为识别冰雹云的指标，　再根据强回波生长情况，　可提前５～１０　ｍｉｎ识别出冰雹云，　１９９９年现场识别准确率为８６％。三维冰雹云模式计算结果表明，　云的强回波顶高和强度出现剧烈增长是云内冰雹生成引起的，　这也和雷达观测到的冰雹云降雹的先兆特征“跃增增长”现象一致，　而雷雨云的这些特征不明显。     

一次层状云系结构和降水机制的观测与数值模拟

利用机载微物理探测仪器获得了2010年4月20～21日我国中东部地区的一次大范围降雨过程的观测资料,详细分析了云系的微物理结构和降水过程,并利用WRF模式对降水过程进行了数值模拟分析,详细探讨了此次降雨形成的微物理机制。分析表明,降水前期,云体在垂直方向上存在分层结构,云粒子探头(Cloud Droplet Probe, CDP)粒子浓度存在较大起伏。降水中期,CDP粒子主要存在于4.27 km以下,其中3.69 km处浓度较大,峰值普遍超过100 cm^-3;降水粒子和尺度较大的云粒子同样在4.27 km以下。4.27 km、3.69 km处粒子形态较丰 富,经历了不同尺度的片状、不规则状、针状及辐枝状的变化,3.69 km处CDP粒子浓度较少时,降水粒子以针状为主,而CDP粒子浓度充足时则转化为尺寸更大的辐枝状粒子。4.27 km、3.69 km高度层存在的主要粒子是雪晶,其次是少许冰晶。降水后期,云体从顶部开始趋于消散,表现为3.9 km高度以上无明显CDP粒子,仅存在部分云粒子和降水粒子,其形态为不规则状。降水主要形成于3.9 km以下的云层,此时冷层仍存在部分针状的冰雪晶。WRF模拟结果表明:雨滴大部分形成于2.9 km以下,0 ℃层下方,2.2～2.9 km雪的融化贡献最大,2.2 km以下重力碰并为主。雪是冷暖层主要的降水粒子,雪在冰雪晶层大部分高度仍以凝华增长为主,混合层以凝华增长和结淞增长为主,而雪的增长程度可能受上升气流强度、过冷水含量影响。     

AgI焰剂对层状云催化的数值模拟

使用包含详细微物理过程的一维层状云全分档模式,并加入AgI焰剂催化方案,对2007年吉林省长春市一次层状云降水过程进行AgI播撒试验。分别选取云内过冷水含量峰值区(4000 m)、最大冰面过饱和度区(5000 m)和低温度区(5500 m)作为播撒试验区,播撒时间选择云体未充分发展阶段和充分发展阶段。结果显示,在同等播撒剂量下,地面降水对云内AgI播撒高度较为敏感。ST2方案模拟400 min后地面累计降水量增加10.4%。同等条件下,播撒时间越早,催化效果越佳。在充分发展的云体内播撒AgI焰剂,40 min后云内过冷水含水量减少70%以上,表明云内过冷水消耗量与地面雨强增加量之间具有良好的正相关性。4种播撒方案均显示,云内AgI主要靠凝华核化机制产生冰晶,而接触核化机制对AgI核化过程贡献较小。与未催化云体相比,催化后云内冰晶粒子总凝华速率增加明显。同时,地面雨强增加,最大雷达回波强度减小。地面水滴粒子谱分布显示,相比于未播撒时,各播撒方案均使直径400 μm左右的水滴粒子浓度增加1个数量级以上,而水滴粒子谱宽均略有下降,这表明AgI播撒后主要通过增加可降水粒子数量来影响地面降水强度和累计雨量,而对降水粒子谱型拓宽的贡献有限。     

河南省春季一次层状云降水云系结构和降水机制的数值模拟

利用PSU/NCAR的MM5中的双参数显式云物理方案,模拟了2007年河南省春季一次层状云降水过程,模拟结果显示,降雨主要落区和强度与观测一致.24 h降雨预报的TS评分较高.模式输出的雷达反射率与郑州站雷达RHI回波相比较,模拟的回波结构基本符合层状云回波特征,存在零度层亮带.在成功降水模拟的基础上,分析了云系不同部位结构特征和粒子质量通量分布,发现雨水的形成在不同部位依靠不同的过程.郑州站云的垂直结构和降水微物理过程研究表明,降水机制符合"播种一供给"机制,降水形成主要依靠雪的融化和暖云微物理过程,暖云对整层降水起主要作用,暖云微物理过程是形成降水的更有效方式.     

非感应起电参数化方案的对比性研究

为进一步研究不同的非感应起电机制对模拟云内电场的可适用性,把3种不同的非感应起电参数化方案引入三维强风暴动力和电耦合数值模式,以2005年6月10日发生在长春的一次雹暴过程为例,模拟分析第一次闪电发生前云内电场的发展情况。结果表明,电荷的产生始于过冷水含量中心,并随着过冷水含量中心的向上发展而上移;在-20～-30 ℃层存在一电荷的累积区,雷达回波跃增出现后的10 min左右,电场迅速增长,且在4～8 min内由不足50 kV·m-1增长到110 kV·m-1以上。采用方案一形成的主电荷区为偶极性结构,而采用方案二和方案三形成的为比较常见的三极性结构。对比其他地区的观测资料及模拟结果,表明相同的云体宏微观条件下,不同方案中极性反转温度的不同对云内中低层电荷的分布存在较大的影响。考虑低层正电荷区的发展及冰相粒子与过冷水含量的配置关系,取极性反转温度为-10～-20 ℃,方案二的模拟结果与实际较一致。     

一次层状云降水过程微物理机制的数值模拟研究

层状云由于在水平上较为均匀, 可以用一维模式来模拟其云微物理过程。因此, 本文使用一个包含详细微物理过程的一维层状云分档模式结合地面Doppler雷达、 PMS观测资料, 对2007年7月1日吉林省一次锋面抬升引起的层状云降水系统进行了模拟研究。计算结果详细地刻画了水滴、 霰、 雪花和冰晶粒子谱分布、 含水量在垂直高度上的分布与变化, 并定量分析了该例中冰晶层、 混合层和暖层中凝华、 凝结、 碰并等微物理过程对粒子谱型的影响, 以及冰晶层、 混合层和暖层对地面降水的贡献率。结果表明, 在该例中, 冰晶层对混合层的播撒以直径D＜300 μm的小冰晶粒子为主。从混合层播撒D＞100 μm的水滴粒子以及未完全融化的冰晶粒子对暖层中小云滴粒子的碰并收集作用较强, 同时, 一部分降水粒子在暖层内可通过随机碰并机制产生。三层云对降水的贡献分别为3.5%、 38.5%和58%。三层云中若缺少混合层, 地面降水仅为0.475 mm/h, 谱宽920 μm, 且雨滴粒子数浓度较高; 若无暖层, 降水时间滞后, 雨强增加缓慢, 地面降水达0.807 mm/h, 雨滴粒子谱宽达1500 μm; 无冰晶层时, 降水强度与三层俱全时的模拟结果基本一致, 降水及雨滴谱的改变非常微弱。     

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.     

基于LabVIEW图形化语言的云降水粒子图像回放软件

利用机载云降水粒子成像仪进行飞机入云观测是云微物理研究的一种重要探测手段。机载云降水粒子成像仪对所采集到的云粒子图像信息先进行压缩处理后再传入电脑进行存储。后续的粒子图像信息回放,需要借助专门的软件才能实现,为实现对云降水粒子图像信息的回放,在分析云降水粒子图像数据格式的基础上,利用图形化语言LabVIEW编写了粒子图像数据的解压缩程序,并采用消息队列和JKI状态机的组合形式进行软件架构的系统设计,最终开发出云降水粒子图像回放软件。该软件可实现对云降水粒子成像仪的粒子图像数据进行读取与显示,还可对粒子图像信息进行提取和存储,可辅助云降水物理的研究。