潍坊地区降水性层状云特征及云水资源的估算

一、引言我省自1989年开展飞机人工增雨工作以来,催化对象以降水性层状云为主。飞机人工增雨基地设在潍坊市,我们已就影响其降水天气过程的主要天气系统,作业条件的选择等问题做了初步分析。分析表明:该地区飞机增雨作业季节(3—6,9—10月)以层状云降水为主,各类系统产生层状云降水的日数占各自降水总日数的70—95％,其中黄淮气旋产生层状云降水日数占该系统降水总日数的95％。同时降水性层状云具有维持时间长,范围广,云层稳定少变等特点,适宜飞机人工增雨作业。因此,进一步深入研究降水性层状云的     

层状云系人工增雨潜力评估研究

层状云系是中国人工增雨催化作业的主要对象.云系人工增雨潜力的大小是判断是否作业的最为重要的科学依据.但是,目前中国还没有一套比较完整的综合判断云系人工增雨潜力的评估方法.自然降水形成过程是个复杂的科学问题,因此判断人工增雨潜力也是一个非常复杂的科学问题.作者利用中尺度MM5数值模式模拟的层状云系研究与人工增雨潜力有关的要素,从理论上研究了不同要素与降水的关系.在分析云体的垂直结构、降水机制、水汽厚度、冰面过饱和水汽量、云水厚度、过冷水含量、冰晶浓度、降水效率(凝结水降水效率和凝华水降水效率)等潜力要素基础上,获得了新的潜力要素,例如 "催化-供给" 云结构、降水机制、冰面过饱和水汽量,并提出了定性综合判断云系人工增雨潜力思路.     

贵州冬季层状云的观测研究

本文使用贵阳地区的探空、飞机探测、地面降水以及飞机撒播干冰人工增雨试验的初步结果等资料,对贵州冬季层状云的宏、微观结构,降水性质,降水的区域相关,云层对太阳辐射的影响以及人工催化增雨的可能性及实施作业的实际增雨效果等进行了综合的研究分析。 研究和试验结果表明,冬季层状云在贵州国民经济生产中,既是一种不利因素,又是一种可供实际开发的空中水资源。     

层状云催化宏微观物理响应的数值模拟研究

层状云系是进行人工增雨开发利用空中云水资源的重要对象,增雨作业需要有科学可行的技术指标来指导实际作业的科学实施,而合理准确评估人工增雨作业的效果也是需要解决的重要课题,通过数值模式合理地仿真模拟实际催化作业的过程,进而研究增雨作业后云和降水的一系列宏微观特征的变化及其机理,是建立和改进催化作业技术的必要途径,也是评估实际人工增雨作业效果的有效手段。本文使用三维中尺度冷云催化模式对2014年4月15日河北省一次层状云降水的飞机催化作业过程进行了仿真模拟,力图对实际作业过程进行合理再现,通过对模拟结果的分析,研究飞机播撒的AgI（Silver iodide）催化剂在空中的扩散传输特征,分析催化对云和降水宏微观特性的影响,并对此次飞机催化作业的增雨效果进行评估。研究结果表明,播撒的AgI催化剂烟羽扩展的水平尺度可达数十公里以上,垂直方向上,大部分AgI粒子则主要集中在作业层上下约1 km的厚度范围内,AgI粒子的向上输送明显强于向下的输送;催化后云中的冰晶和雪粒子明显增加,导致催化模拟前期的霰增长受到抑制,之后随着霰碰并雪过程及零度层附近冰相粒子淞附过程的增强,云中霰的总量逐渐增加;催化作业后,催化云的雷达回波强度有明显增强,且随时间变化表现出不同的结构特征;催化导致地面降水出现先减少后增加的时间变化特征,催化后3小时,作业影响区向作业区下游扩展100 km以上,总体呈现减雨—增雨的区域分布特征;数值模拟评估表明,整个评估区内的净增雨量达到3.6×107 kg,平均增雨率为1.1%,暖层霰粒浓度和尺度的增加是降水增加的主要原因。由于作业目标云系的催化条件一般,而播撒的AgI剂量偏大,造成增雨作业效果偏低。     

包头中部地区一次人工增雨作业的效果分析

通过2004年6月5日人工增雨作业实况和711数字雷达回波以及地面雨量自记资料的对比分析,发现在深厚的层状云系中,适时进行人工增雨作业,可以加快混态云的冰—水转化效率,增强降水能力。分析结果为指导火箭人工增雨作业提供了科学的方法和可靠的数据。     

黄河上游地区雷达测量降水与雨滴谱的对比分析

本利用1999年7月4日～7月16日期间，由青海省人影办和有关科研单位的人员在黄河上游地区开展地面人工增雨试验获取的711数字化雷达资料、雨滴谱资料和地面降水自记资料，对黄河上游地区云层降水的微物理特征和雷达定量测量降水进行了初步的分析和研究。分析研究表明：黄河上河上游地区其雨滴谱分布以多峰型为主，降水的滴谱较宽，对实施人工增雨催化作业较有利，同时拟合出黄河上游地区层状云降水的Z-I关系，可以作为雷达定量测量层状云降水的参考。     

宁夏层状云降水指标分析

为更好地确定人工增雨作业的最佳(时段)方案,利用2004—2006年4—9月全区25个气象站观测到的层状云、(银川、固原)新一代天气雷达(CINRAD/CD)观测资料,结合天气形势、降水实况进行综合分析。结果表明:宁夏在"东高西低"和"西风气流"天气型下稳定性层状云降水概率为65%;中部干旱带层状云降水最大概率74%～85%;同时得出层状云降水指标,为宁夏人工增雨作业提供科学依据。     

基于雨滴谱的增雨作业微物理特征分析

针对2018年3月16-17日四川盆地西北部一次典型层状云降水天气过程,利用云模式、卫星、雷达、探空等资料,分析了人工增雨作业条件和物理响应.同时,基于雨滴谱观测数据开展了人工增雨作业微物理特征分析,重点研究了粒径速度谱分布特征.结果 表明:人工增雨作业后,不同粒径、不同粒速的粒子数变化明显,大滴粒子显著增多,雨滴谱变...     

陕西省飞机增雨作业典型天气个例分析

在2002～2003年春秋季陕西省14次飞机增雨作业天气分析的基础上,对2002年9月13日飞机增雨作业典型天气个例的环流背景、影响系统以及500 hPaθse、温度、垂直速度、水汽通量散度等物理量场进行了分析,并结合飞机和雷达探测资料,得出飞机增雨作业需要的有利于层状云向降水转化的条件：有稳定的层状云,云系有一定冷层厚度和过冷云水量,供自然冰相降水元和人工催化形成的降水元增长;云系还应有一定厚度的暖层,供下落的自然和人工形成降水元融化再经碰并云水增长成雨滴形成降水.陕西省春秋季具有进行有效飞机增雨作业的天气系统和天气条件.     

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。     

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。     

北京层状云人工增雨数值模拟试验和机理研究

在中尺度WRF 模式的Morrison 双参数方案中引入了AgI 粒子与云相互作用的过程,在WRF 模式中实现了催化功能。利用加入了催化方案的中尺度模式对2008 年3 月20～21 日环北京地区一次层状云系降水过程进行模拟和催化试验。模拟自然降水与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度和时刻进行试验对降水的影响。结果表明:以20 g 的碘化银进行催化作业,在催化后的前30min 之内,地面雨量轻微减小,最大累积减雨量为2010 t,30 min 后,净增雨量迅速增加,最大累积增雨量达到了3.4×105 t。催化开始阶段的减雨主要是由于播撒AgI 后,云水减少而雪晶增多,导致雨滴碰并云滴,云滴向雨滴自动转化过程的减少以及雪晶碰并雨滴过程的增多,然而空中增多的雪晶尚未下落到暖区融化成雨滴。而第二阶段的增雨则是空中增多的雪晶逐渐下落到暖区,雪晶融化成雨滴过程增多。AgI 的播撒率对降水量有明显影响,过量催化会使雪晶平均质量减少,下落速度锐减,从而雪融化成雨水减少,导致雨量减弱,不同催化高度和催化时间的催化结果表明在过冷水含量比较丰富而冰雪晶含量偏少的区域进行催化,增雨效果显著。     

华北层状云系人工增雨个例数值研究

利用耦合了CAMS详尽云方案和非静力中尺度数值模式MM5V3的CAMS中尺度云分辨模式对2008年3月20—21日环北京地区的一次层状云系降水进行模拟和人工催化数值试验。模拟自然降水分布与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析的基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度进行试验对降水的影响。结果表明：在过冷水含量高且冰晶含量低的区域引入人工冰晶可使地面降水增加。引入人工冰晶后催化区域水汽明显减少,云水也有减少,冰晶粒子和雪粒子增加,而且水汽减少的量明显大于过冷云水的减少量。同时催化后550 hPa附近的下沉气流中心变为上升气流,动力、热力效应明显。雪碰并冰晶增长、冰晶转化成雪增长是催化高度附近雪晶增加的主要过程,而催化高度以下,雪碰并过冷云滴增长是雪晶增加的主要过程;雪晶碰并过冷雨滴增长是霰粒子增加的主要过程;雨滴碰并云滴增长是雨滴增长的主要过程。     

一次浙江对流云催化数值模拟试验

为了研究吸湿性催化剂、碘化银催化剂及两者的联合催化效果,利用双参数三维对流云催化模式,对浙江南部一次对流云降雨过程分别进行盐粉暖云催化、碘化银冷云催化和冷暖混合催化试验,对比研究不同催化方案对对流云降雨的可能影响。结果表明:盐粉催化导致先增雨后减雨,主要通过盐溶滴与云滴碰并增长,及雨滴碰并和霰粒子碰冻过程消耗。在上升气流区和降雨前期进行催化的增雨效果更好,30 μm粒径的盐粉催化剂量为12.5/L时,可增加降雨量17.8%。在降雨过程的不同发展阶段进行AgI催化,表现出先减雨后增雨的催化效果。盐粉和碘化银的联合催化,由于两者催化效果的不同步,使得不同吸湿性催化剂和碘化银催化剂量配置会导致不同的催化效果。当30 μm的盐粉,催化剂量12.5/L,联合碘化银100/L的冷区催化,可取得19%的增雨效果。     

Macro- and Micro-physical Characteristics of Different Parts of Mixed Convective-stratiform Clouds and Differences in Their Responses to Seeding

This study investigates the cloud macro- and micro-physical characteristics in the convective and stratiform regions and their different responses to the seeding for mixed convective-stratiform clouds that occurred in Shandong province on 21 May 2018, based on the observations from the aircraft, the Suomi National Polar-Orbiting Partnership (NPP) satellite, and the high-resolution Himawari-8 (H8) satellite. The aircraft observations show that convection was deeper and radar echoes were significantly enhanced with higher tops in response to seeding in the convective region. This is linked with the conversion of supercooled liquid droplets to ice crystals with released latent heat, resulting in strengthened updrafts, enhanced radar echoes, higher cloud tops, and more and larger precipitation particles. In contrast, in the stratiform cloud region, after the Silver Iodide (AgI) seeding, the radar echoes become significantly weaker at heights close to the seeding layer, with the echo tops lowered by 1.4–1.7 km. In addition, a hollow structure appears at the height of 6.2–7.8 km with a depth of about 1.6 km and a diameter of about 5.5 km, and features such as icing seeding tracks appear. These suggest that the transformation between droplets and ice particles was accelerated by the seeding in the stratiform part. The NPP and H8 satellites also show that convective activity was stronger in the convective region after seeding; while in the stratiform region, a cloud seeding track with a width of 1–3 km appears 10 km downstream of the seeding layer 15 minutes after the AgI seeding, which moves along the wind direction as width increases.     

减弱对流云降水的AgI催化原理的数值模拟研究

在对流云模式中增加了AgI两个预报量,耦合了考虑受水汽过饱度和温度影响的4种核化机制的AgI催化模块,使其具备了对AgI类催化剂的模拟能力,能够研究AgI类催化剂对对流云系统的影响。利用该模式对一次华南对流云降水过程进行了AgI催化数值模拟试验,对人工减缓对流云降水的可能性及原理进行了研究。模拟结果表明,在适当的时机对适当的部位进行大剂量的催化,可以减少总降水量,也可以减少最大降水中心的雨强。当催化浓度达到2×10~8 kg~(-1)时,可以减少32%的降水量,具备有效减缓对流云降水的可能性。大剂量催化后,大量的AgI粒子在冷区核化后,消耗了大量的过冷水。催化后霰粒子的落速和雨水的落速减小。催化阶段由于霰融化成雨水减少而使降水减弱。催化结束后在霰融化成雨水增多的情况下,雨水的蒸发大幅增加,从而导致了降水量的持续减少。AgI在模拟的强对流云中主要以受过饱和度影响的凝结冻结和催化剂长时间作用的浸没冻结这两种方式成核。研究所用催化方法在外场作业中具有技术可行性。     

催化对降水区域外效应的中尺度数值模拟

The Fifth-Generation NCAR/Penn State Mesoscale Model (MM5) has been used to investigate the extra-area effects of silver iodide (AgI) seeding on stratiform clouds performed at the supercooled layer.A bulk two-moment microphysical scheme and the new software package for silver iodide are incorporated in MM5.Extra conservation equations are applied to trace the seeding agent,which is transported along the flow field and interacts with the supercooled cloud fields.In this study,the model was run using three nested grids,with 3.3 km × 3.3 km horizontal resolution in the finest grid.The model results showed that seeding with AgI at the 5 to 15℃ levels had microphysical effects on the simulated clouds and that the simulation produced a longer-lasting seeding effect because of the transport of the seeding agent by upper-level winds.Most of the AgI particles acted as deposition nuclei,and the deposition nucleation process contributed mostly to additional cloud ice formation in this study.The results showed that more precipitation results from seeded than unseeded case,and the precipitation was redistributed downwind of the target.Augmented precipitation (varying from 5% to 25% downwind) was confined in space to within 250 km of the seeding target and in time to the 3-h period after initial seeding.     

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。       

“碧利斯”(0604)暴雨过程不同类型降水云微物理特征分析

本文利用"碧利斯"(0604)暴雨增幅过程高分辨率的数值模拟资料, 将降水分成对流降水和层云降水, 对比分析了不同类型降水云微物理特征和过程的差异, 探讨了不同类型降水对暴雨增幅的贡献, 结果指出:(1)暴雨增幅前, 降水基本为层云降水, 对流降水只存在于零星的几个小区域, 暴雨增幅发生时段, 对流降水所占比例较暴雨增幅前有显著增加, 平均降水强度达层云降水强度的3倍多。(2)暴雨增幅时段, 云系发展更加旺盛, 云中各种水凝物含量较增幅前明显增加, 其中, 对流和层云降水区云中水凝物含量均有一定程度增长, 但对流降水区增加更显著;而无论增幅前还是增幅时段, 对流降水区云中水凝物含量均要明显大于层云降水区, 并且两者的这种差异随着地面降水强度的增强而增大。(3)暴雨增幅前后, 对流降水区雨滴的两个主要来源最终均可以追踪到云水, 通过云水与大的液相粒子(雨滴)和大的固相粒子(雪)之间、以及大的固相粒子(雪和霰)之间的相互作用和转化, 造成雨滴增长, 并最终形成地面降水, 而层云降水区中与雨滴形成相关的上述主要云微物理过程明显变弱, 但层云降水区中暴雨增幅时段的上述过程又要强于增幅前, 说明层云降水对暴雨增幅也有一定贡献。