层状云微物理结构演变特征的个例研究

在人工增雨作业的同时,利用机载粒子测量系统对一次降水云系的探测资料进行了深入分析,给出了云和降水的宏微观结构演变特性,研究表明：（１）层状云中的中小尺度降水云区,是造成地面降水分布不均匀的物理原因;（２）云滴浓度与平均直径之间呈负相关关系;（３）支滴谱的垂直分布是典型的３种类型;（４）层状云微结构在水平方向上的起伏较大,存在４种不同类型。     

基于风廓线雷达的降水云分类方法在海南地区的应用

将风廓线雷达用于热带降水云体进行垂直探测,可以实时对热带地区降水云体进行较准确分类.通过对海口地区降水云系特征(2017年1月～12月)进行统计分析,提出一套基于风廓线雷达探测数据(回波强度、垂直速度和速度谱宽)的热带降水云体分类方法.以该方法为基础,结合天气雷达等观测资料,对2017年发生在海口地区的两次降水过程展开详细分析.结果表明:风廓线雷达具备较好体现降水云体垂直结构的能力,相比于天气雷达,风廓线雷达探测数据可以更精细地描述降水云系的变化趋势;相比于传统降水分类方案,采用以风廓线雷达探测数据为基础的分类方案可以提高对复杂降水类型识别的正确率;风廓线雷达可以更好地描述快速过境的高空微弱对流系统.     

藏东南墨脱地区云中过冷水的毫米波雷达观测

云中过冷水识别对于人工影响天气及预防飞机积冰具有重要意义,但过冷水的识别一直是气象探测中的难点,毫米波雷达是连续探测云结构和物理特征的有效工具。本文利用布设在藏东南水汽通道入口处墨脱地区的Ka波段毫米波云雷达基数据,结合微波辐射计温度资料,采用基于模糊逻辑法、阈值法进行过冷水识别,识别出的粒子相态包含冰、雪、过冷水及混合态。并利用同址的微波辐射计的液态水路径(LWP)对墨脱云雷达观测的两个层积云过程的过冷水识别效果进行了分析和初步验证。结果表明:模糊逻辑法和阈值法识别的过冷水基本合理,但模糊逻辑法可以识别更多的过冷水,从定量分析来看,模糊逻辑法相对于阈值法识别的LWP更接近于微波辐射计。藏东南墨脱地区层积云中过冷水的微物理参数与其他地区较为一致,有效半径主要位于7~15 μm之间,液态水含量(LWC) 主要分布在0.01~0.3 g·m-3之间,但墨脱地区过冷水的分布比其他地区更为丰富,往往云顶、云底及云中同时存在过冷水。     

海南省秋季暴雨过程雨滴谱的特征分析

以2017年海南省海口市秋季暴雨过程为研究对象,利用Parsivel降水粒子谱仪观测到的雨滴谱资料,分析雨滴微物理参量特征及滴谱随降水过程的演变特征.结果显示:降水粒子以直径小于1 mm的雨滴为主,直径大于1 mm的雨滴数所占的比例低,但其对雨强的贡献最大.雨滴数浓度、雨强、最大直径和均立方根直径随时间的演变趋势相似,峰值和谷值位置基本一致.降水前期雨滴谱以单峰为主,谱型窄;中期谱型拓宽,滴谱从单峰向双峰甚至三峰演变,有4 mm的大粒子出现;末期谱型变窄,滴谱变回单峰,雨滴数浓度显著降低.当进行Gamma分布的拟合时,直径在1.5 mm～3 mm范围内的雨滴,其拟合最为理想,本研究可为进一步研究热带降水云系的微物理特征提供参考.     

云南飞机增雨作业气象条件分析

利用NCEP再分析气象资料和GRAPES_CAMS人工影响天气模式结合降水资料对飞机"雨作业条件进行分析.结果表明:南支槽、静止锋、南支槽和静止锋相互配合、700 h Pa切变线、孟加拉湾低槽是云南飞机"雨作业的主要天气形势,低层(550或600 h Pa以下)相对湿度在60%以上的高湿和垂直上升运动环境是飞机增雨作业的必要条件,促使低层水汽向上运动和Ag I凝结核抬升凝结增长形成雨滴而导致降水增大,同时水汽混合比、垂直累积液态水(过冷水)、云顶温度、云顶高度等云系宏微观参量达到一定阈值,才能产生足够的云水和冰水粒子保障Ag I凝结增长.     

华北平原湿地上空气溶胶的分布特征研究

分析了衡水湖湿地上空一次飞行探测过程中的大气气溶胶的垂直分布、水平分布以及平均谱分布,并应用多阶Γ函数对不同高度的谱分布进行了拟合.分析结果为:衡水湖湖面附近气溶胶小粒子的算术平均直径平均值为0.18μm,湖面上空气溶胶的小粒子数浓度平均值为1762.17cm-3;衡水湖上空气溶胶数浓度较周边陆地小,且随着高度增加水平方向上粒子数浓度变化范围变小.同高度陆地上空气溶胶粒子算术平均直径较衡水湖湖面上空大;1500m以下同高度上陆地上空与湖面上空的粒子尺度差变化较小,其后随着高度的增加,两者上空粒子尺度之间的差异变大;细粒子谱分布在0.28μm左右处出现峰值;多阶Γ函数对气溶胶粒子谱有较好的拟合效果.     

河南春季一次冷锋降水过程的云物理结构分析

利用Cheyenne ⅢA探测作业飞机机载PMS探测设备、GPS航迹资料、飞机探测宏观记录、天气预报等资料,对河南春季云粒子浓度、粒子直径、液态水含量及云滴谱进行了分析。结果发现,冷锋前后云中粒子的浓度、液态含水量以及粒子的粒子谱型存在较大的差异,从而揭示出锋面前后云中粒子的不同特征,云粒子谱分析表明：锋前云粒子谱主要为单峰型,锋面过境时,谱型逐渐转为双峰型或多峰型。混合云及更高层的云谱型比层积云更加复杂,粒子直径比积云大很多,谱宽较宽。     

近60年淮河流域极端降水和极端温度时空变化特征

基于1962—2019年间淮河流域149个站的气象数据,选择10个典型极端降水指标,12个极端温度指标,运用M-K趋势检验、相关性检验等方法,研究淮河流域降水和温度时空变化特征。结果表明：1)极端降水空间分布由东南向西北逐渐减小;时间序列上,多数极端降水指标呈微弱下降趋势,仅RX1day、CWD、R95P和R99P呈微弱上升趋势。2)极端温度空间分布上,多数极值指标自北向南逐渐升高,仅TXx自西向东逐渐降低;极端暖指标中SU25自西向东逐渐降低,TR20自北向南逐渐升高,其余指标分布规律不明显;极端冷指标中仅FD0、ID0自南向北逐渐升高;时间序列上,极值指标和极端暖指标呈上升趋势,极端冷指标呈下降趋势;极端冷指标下降的幅度高于极端暖指标增加的幅度,二者演变趋势对气候整体变暖的影响表现为同向一致性。3)极端降水指标与大部分极值指标、极端暖指标呈正相关;与大部分极端冷指标呈负相关。     

一次强降水过程中两类暖区暴雨特征对比

利用常规气象探测资料、龙岩S波段双偏振雷达数据、加密区域自动站数据等,对2019年6月7～13日一次强降水过程出现的两类暖区暴雨特征进行对比分析。结果表明,①暖区暴雨均处在高温高湿场中,呈低层辐合高层辐散状态,层结极不稳定,由底层的辐合或切变触发,其中冷空气渗透暖区暴雨多为本地场触发生成;②冷空气渗透暖区暴雨对流性强于暖切抬升暖区暴雨,前者雨滴大、不均匀,后者雨滴小且均匀,降水效率高,两者雷达特征区别非常明显。     

GPS探空和飞机探测在2009年春季张家口地区一次降水过程分析中的应用

利用Vaisala RS-92型GPS探空仪加密探测和飞机云物理探测资料, 对2009年春季张家口地区一次层积云降水过程进行了研究。从准饱和区、位势不稳定区以及风场的演变等方面探讨了降水的宏观天气学特征; 从水汽输送、水汽总含量变化, 各高度水汽分布等方面分析了降水的水汽变化特征。同时, 对GPS探空和飞机探测结果进行了对比分析。     

基于模糊逻辑法的粒子识别研究

毫米波雷达相比于微波雷达对云的探测具有更高的敏感性,本文利用Chilbolton观测场的94GHz毫米波云雷达的基本探测量,结合探空仪的温度廓线数据,根据Shupe总结得到的云粒子相态识别的阈值,采用模糊逻辑算法对一次实际探测进行了反演研究.该模糊逻辑算法采用的主要隶属函数为不对称的梯形函数,识别粒子的相态类别主要分成雨、毛毛雨、液态水、混合相态、冰、雪等6种,对比经典的阈值算法反演的过冷水区域结果后认为,本文所研究的模糊逻辑算法对云中水凝物粒子的相态识别分类基本合理,其反演的结果对于人工影响天气作业以及飞机安全飞行等方面具有重要的意义.     

基于CloudSat的东亚和南亚季风区降水云特征分析

利用2007年3月-2010年2月3年的CloudSat资料,2008年3月-2010年2月的TRMM_3B43资料,分析了东亚季风区(EMA)和南亚季风区(SMA)降水量的季节性差异、降水云的发生频率及宏观垂直结构特征(包括云层数、云厚、雨顶高度、冻结降水出现最大高度、雷达反射率垂直分布)及云类型季节变化.结果表明,EMA降水云的出现频率随季节变化先降低后升高,SMA则相反,先升高再降低,夏季达到最大值.EMA降水云以单层云为主,云顶高度随季节有明显的起伏变化,SMA则以单层云与双层云为主.EMA降水云云厚的季节变化明显:夏季最厚,冬季最薄;SMA云厚无明显季节变化,云厚发展高于EMA.两区域降水云均以深对流云及雨层云为主,但EMA降水云除夏季以深对流云为主外,其他三季雨层云占主导地位,而SMA则以深对流云为主,雨层云次之.从雷达反射率来看,降水云主要集中在8 km以下,雷达反射率在-15～15 dBz,降水云中雷达反射率随高度降低的趋势先增强后减弱,但SMA粒子增长速度较快,粒子累积带也大于EMA.     

一次霾过程的气溶胶特征分析

利用2008年5月26日河北省机载粒子探测系统PMS获得的飞行探测资料,分析了大气气溶胶包括粗细粒子的浓度、尺度谱分布及其时空变化特征,并对不同高度的谱分布进行了拟合.分析表明:霾天气下,气溶胶在近地面到1km高度层内有所积累,随后数浓度迅速减少.1-4km高度段中,气溶胶数浓度减少趋势变缓,4km以上气溶胶数浓度保持在30-40cm-3.低空气溶胶数浓度和平均直径水平变化不大;中高空由于云区的出现变化幅度相对较明显.霾天气下的同尺度气溶胶数密度谱值一般要高出晴天下一个量级以上.负幂函数对积聚态粒子有较好的拟合效果;修正后的伽马谱分布函数对粗粒子谱分布平均曲线的拟合较好.     

洋面多层暖云的空间分布及垂直结构特征

利用中分辨成像光谱仪(MODIS)和云廓线雷达(CPR)2008年全年的融合资料,针对具有多层结构的洋面暖云系统,研究了其全球尺度的空间分布和垂直结构特征.通过修正传统的基于云顶温度的暖云判据,发现洋面暖云单体大多分属于3种主导构型,包括单层暖云、双层半暖云和双层纯暖云.统计结果表明,单层暖云、双层半暖云和双层纯暖云3种构型的占比分别为77.14%, 19.15%和3.71%.在全球分布上,3种构型暖云的差异明显,尤其是分布密集区域迥然不同.在云顶高度、云底高度及云层厚度等结构参数上,双层半暖云的下层暖云单体与单层暖云单体的统计特征极为接近,显示了两类暖云单体在几何结构上的相似性.这表明双层半暖云中上层冷云的存在并未造成下层暖云结构上的变化,洋面上的双层半暖云系统中的上层云和下层云可能多源于独立的成云过程.双层纯暖云构型中上层暖云的结构特征明显异于单层暖云,下层暖云则与单层暖云较为接近,但其云顶高度和云层厚度相比单层暖云偏小.另外,该构型中的下层暖云越薄,上层暖云越能向更高更厚发展.一致表明双层纯暖云系统中上层暖云与下层暖云的发展有一定的制约关系,两层云在生消变化中具有潜在的物理联系.     

孤立单体中雹胚生长物理过程分析

为探究威宁地区孤立单体雹胚的演变特征,基于双线偏振雷达数据,通过模糊逻辑相态识别算法,研究了2018年3月30日雹暴过程霰粒子的演变特征。结果表明:在2018年3月30日雹暴发展阶段有一过冷水累积区存在,且该累积区范围在成熟阶段进一步扩大,维持至消散阶段;低密度霰分布于2-7km,高密度霰分布于0-3km,过冷水分布于1-4km,冰雹分布于0-7km,高密度霰和低密度霰对冰雹的生成都有贡献,但从整个降雹阶段分析,高密度霰为本次雹暴中冰雹的主要来源;冰雹区和过冷水累积区对应着反射率高值区,上升气流将高密度霰带往过冷水累积区形成冰雹是本次过程成雹的主要机制,通过对雹暴机制的分析,建立了相关概念模型。     

雨滴谱gamma函数拟合方法的分析与评估

地面雨滴谱常呈现gamma分布,gamma函数三个参数分布特征与降水云性质有关,采用不同拟合方法得到雨滴谱分布参数亦存在差异。利用2016年6～7月华南前汛期降水观测试验期间广东龙门地面PARSIVEL激光雨滴谱数据和相同地点的C波段调频连续波垂直探测雷达数据进行层状云及对流云分类,对地面雨滴谱数据按照15 min时长进行分组,得到了102组层状云降水样本和64组对流降水样本,开展降水雨滴谱gamma模型函数拟合方法的评估试验。对雨滴谱分布平均值特征曲线的代表性确认后,分别进行了非线性最小二乘法拟合以及多种阶矩法的拟合试验;使用地面实测数据与gamma拟合函数三个参数分别计算雨滴谱数浓度均方根误差、质量加权中值粒径的相对误差和降水强度的相对误差评估拟合结果。结果表明,使用非线性最小二乘法拟合效果最优。联合2016年6月13日调频连续波雷达探测一次降水过程不同阶段的地面雨滴谱特征,得到降水强度与gamma参数的相关关系,为降水云体垂直结构及降水微物理研究提供合理方法。     

两种不同偏振方式的C波段雷达在成都地区的探测差异

本文运用成都地区两种不同偏振方式的雷达在2008年7月对比探测取得的试验资料,针对晴空、暴雨等典型个例,对同波段不同极化方式多普勒雷达回波的强度、速度和谱宽进行对比分析,并对双偏振雷达的双极化产品进行了较为详细的介绍。结果表明,717雷达识别出的晴空回波强度要大于721雷达;暴雨探测中,在测站东部及东南方向两部雷达的回波位置和强度等均存在较大差异。整体而言,717回波相对721更偏南一些,且强度偏弱,在速度探测上差异较大,甚至在同一地区出现了相反的速度分布,但二者在近雷达位置的速度探测效果都不太理想,而721谱宽场的层次感较强,数值较大。     

基于时域有限差分法的冰晶粒子群多次散射特性

为了精确地利用雷达回波信号反演降雪粒子的微观物理参数,建立满足Gamma谱分布的两类非球形降雪粒子群模型,利用XFDTD软件计算了这两类非球形冰晶粒子群模型在94 GHz频率下的雷达散射截面,分别为-37.690 0和-40.301 0dB·m~2,与简单叠加计算的结果对比后发现绝对误差分别达到0.334 4和0.733 7 dB.在冰水含量一定时,满足Gamma谱分布的两类非球形降雪粒子群模型在分别考虑多次散射和单次散射下雷达反射率因子的绝对误差分别为0.334 6和0.733 7 dB,因此粒子群的多次散射效应在实际气象探测中必须加以考虑.     

迭代法在低纬高原地区多普勒天气雷达测量降水中的应用

 利用昆明多普勒天气雷达资料,采用迭代订正方法对强降水和大范围中等强度降水引起雷达信号的衰减情形进行了订正研究,同时对比分析了衰减订正前后的雷达测量降水与自动雨量站逐小时累计的雨量资料.结果表明:在低纬高原地区雷达测量降水中,强降水和大面积中等强度的降水情况下需要考虑降水对雷达信号的衰减影响;使用迭代法对雷达衰减订正的效果比较好,其订正后的雷达反射率明显高于雷达直接探测的反射率,最大的订正差值超过了9dBz;降水粒子的温度对多普勒天气雷达反射率订正结果也有比较显著影响;订正后雷达测量的降水更接近于自动雨量站的观测值.     

华北重度霾过程期间大气气溶胶粒子的微物理垂直特征

在华北重度霾过程期间(2013年9月30日),利用夏延ⅢA的飞机观测资料分别对石家庄和邢台的气溶胶粒子谱分布,气溶胶(cloud nuclei,CN)与云凝结核(cloud condensation nuclei,CCN)垂直分布特征进行了分析。研究结果表明,两地的气溶胶数浓度均随着高度的增加而减小,气溶胶粒子有效半径比较接近,积聚模态和粗模态气溶胶粒子有效半径的范围分别在0.05~0.35μm,0.8~2.2μm之间。两地的边界层内和边界层以上均出现了逆温层,且逆温层之下的气溶胶数浓度均出现明显增加现象。对气溶胶后向轨迹的分析结果表明:3 000 m高度处的气溶胶主要是随气团远距离输送而来;1 500 m高度处的气溶胶主要来自南边近地面污染物排放,输送距离较短;500 m高度处的气溶胶受偏南气团的影响,主要由高浓度的气溶胶细粒子组成。云凝结核的垂直分布结果表明,CCN数浓度随高度的增加而减小,逆温层的存在对CCN有一定的累积效应。对石家庄(邢台)市的CCN与气溶胶数浓度做相关性分析,结果表明两地的CCN与气溶胶的总相关系数均在0.95以上,而淡积云内相关系数仅为0.83,且云内的CCN数浓度明显低于云外,因此表明了云滴活化对CCN的消耗作用。云凝结核的数浓度随高度的增加而减小,逆温层的存在对CCN有一定的累积效应。云底以下的气溶胶粒子谱宽较窄,云内和云顶以上的气溶胶粒子谱较宽。