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中国气象局2019年 第30卷 第6期
摘要
PDF 644KB
2019, 30(6): 641-650.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190601
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摘要:
在抗旱、防雹、生态环境保护和重大活动气象保障等国家和地方重大需求的推动下，2008—2018年我国人工影响天气技术和应用得到快速发展。在气溶胶粒子、云（雾）物理垂直结构和降水形成机理等方面，开展了大量科学试验研究，取得了重要成果，建立了国家级人工影响天气实时业务数值预报模式，提高了对作业云特征和演变过程的预报能力，对作业方案的科学设计具有重要作用。在机载云粒子谱仪与成像仪、多通道微波辐射计、X波段偏振雷达、雨（雾）滴谱仪、先进火箭作业系统等核心关键技术装备的国产化研发方面也取得重要进展，研制成功国产机载云粒子测量系统、地基多通道微波辐射计和立体播撒火箭作业系统，并应用于业务，提高了作业条件监测识别和地基作业能力。建立了空中国王、新舟60等型号的先进飞机探测和作业平台，大幅度提高了作业飞行高度、续航时间和空中作业能力。在电离、飞秒激光、声波等人工增雨新技术领域开展了理论和实验探索研究，在飞秒激光诱导降雪机理实验和数值模拟等方面取得了重要进展。
2019, 30(6): 651-664.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190602
摘要:
利用可模拟冰雹尺度的三维冰雹分档对流云模式，研究了2014年7月16日北京一次大冰雹的形成过程。此次冰雹天气过程的地面降雹最大尺度为7 cm，对流有效位能为1785.3 J·kg-1，具有上干下湿的大气层结条件。数值模拟的冰雹云顶高度达13 km，与雷达观测比较一致，模拟的最大上升气流达30 m·s-1。由于风切变较大，冰雹云出现明显倾斜垂直结构，使冰雹云持续时间较长。此次大冰雹形成的微物理过程具有明显特点，冰雹云中-35~-10℃层存在含量达12~16 g·kg-1的高过冷雨水累积区，冰雹胚胎主要通过受到冰晶接触扰动的过冷雨滴冻结产生，其产生率量级达10-2 g·kg-1·s-1，冰雹增长过程主要依靠雹胚撞冻过冷云水，其增长率的量级与冰雹胚胎产生率的量级一致。
利用可模拟冰雹尺度的三维冰雹分档对流云模式，研究了2014年7月16日北京一次大冰雹的形成过程。此次冰雹天气过程的地面降雹最大尺度为7 cm，对流有效位能为1785.3 J·kg-1，具有上干下湿的大气层结条件。数值模拟的冰雹云顶高度达13 km，与雷达观测比较一致，模拟的最大上升气流达30 m·s-1。由于风切变较大，冰雹云出现明显倾斜垂直结构，使冰雹云持续时间较长。此次大冰雹形成的微物理过程具有明显特点，冰雹云中-35~-10℃层存在含量达12~16 g·kg-1的高过冷雨水累积区，冰雹胚胎主要通过受到冰晶接触扰动的过冷雨滴冻结产生，其产生率量级达10-2 g·kg-1·s-1，冰雹增长过程主要依靠雹胚撞冻过冷云水，其增长率的量级与冰雹胚胎产生率的量级一致。
2019, 30(6): 665-676.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190603
摘要:
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。
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。
2019, 30(6): 677-689.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190604
摘要:
2017年9月14—27日在珠江三角洲地区开展了6个架次飞机观测试验。利用飞行获取的气溶胶、云凝结核、云滴及常规气象探头观测资料，结合天气形势、气象条件及气团后向轨迹分析，研究了珠江三角洲地区深圳气溶胶数浓度及其谱的垂直分布特征，配合不同过饱和度条件下云凝结核浓度观测，分析了气溶胶活化特性。结果表明：在不同天气条件下，深圳低层气溶胶数浓度变化范围为500~9000 cm-3；边界层内气溶胶分布相对均匀，谱型随高度变化与气象条件相关。将6个架次气溶胶观测资料根据数浓度及谱型分为3种类型：类型Ⅰ为海洋型气溶胶，数浓度小，粒子尺度大，谱型呈双峰分布；类型Ⅲ为大陆型气溶胶，数浓度高，粒子尺度小，谱宽较宽且呈三峰分布；类型Ⅱ为海洋大陆影响型气溶胶，即受海洋和大陆共同影响，数浓度低于类型Ⅲ高于类型Ⅰ，谱型为双峰分布。拟合了包含海洋型及大陆型气溶胶的3个架次近地面云凝结核活化谱，计算了气溶胶在不同过饱和度条件下的活化效率。
2017年9月14—27日在珠江三角洲地区开展了6个架次飞机观测试验。利用飞行获取的气溶胶、云凝结核、云滴及常规气象探头观测资料，结合天气形势、气象条件及气团后向轨迹分析，研究了珠江三角洲地区深圳气溶胶数浓度及其谱的垂直分布特征，配合不同过饱和度条件下云凝结核浓度观测，分析了气溶胶活化特性。结果表明：在不同天气条件下，深圳低层气溶胶数浓度变化范围为500~9000 cm-3；边界层内气溶胶分布相对均匀，谱型随高度变化与气象条件相关。将6个架次气溶胶观测资料根据数浓度及谱型分为3种类型：类型Ⅰ为海洋型气溶胶，数浓度小，粒子尺度大，谱型呈双峰分布；类型Ⅲ为大陆型气溶胶，数浓度高，粒子尺度小，谱宽较宽且呈三峰分布；类型Ⅱ为海洋大陆影响型气溶胶，即受海洋和大陆共同影响，数浓度低于类型Ⅲ高于类型Ⅰ，谱型为双峰分布。拟合了包含海洋型及大陆型气溶胶的3个架次近地面云凝结核活化谱，计算了气溶胶在不同过饱和度条件下的活化效率。
2019, 30(6): 690-699.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190605
摘要:
孤立对流云是江淮地区重要的降水云系，通过分析江淮地区2013—2016年6—9月的多普勒天气雷达数据，统计得到664个对流云，其中孤立对流云196个，占江淮地区对流云发生频率的29.5%，7月和8月是江淮地区孤立对流云的高发期，6月相对较少，9月最少，同时12：00（北京时，下同）—18：00是孤立对流云的高发时段，05：00—07：00孤立对流云发生频率最低。针对2013年7月20日安徽定远出现的孤立对流云个例，综合分析多普勒天气雷达和C波段连续波雷达探测资料，发现此次暖区孤立对流云内部强反射率因子中心交替生成，导致内部反射率因子呈强弱交替出现的波状结构，沿着移动方向由弱到强，降水粒子下落速度与之对应，降水粒子最大落速出现在孤立对流云中下部的强反射率因子区域，速度超过10 m·s-1。
孤立对流云是江淮地区重要的降水云系，通过分析江淮地区2013—2016年6—9月的多普勒天气雷达数据，统计得到664个对流云，其中孤立对流云196个，占江淮地区对流云发生频率的29.5%，7月和8月是江淮地区孤立对流云的高发期，6月相对较少，9月最少，同时12：00（北京时，下同）—18：00是孤立对流云的高发时段，05：00—07：00孤立对流云发生频率最低。针对2013年7月20日安徽定远出现的孤立对流云个例，综合分析多普勒天气雷达和C波段连续波雷达探测资料，发现此次暖区孤立对流云内部强反射率因子中心交替生成，导致内部反射率因子呈强弱交替出现的波状结构，沿着移动方向由弱到强，降水粒子下落速度与之对应，降水粒子最大落速出现在孤立对流云中下部的强反射率因子区域，速度超过10 m·s-1。
2019, 30(6): 700-709.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190606
摘要:
基于华北雾-霾综合观测试验资料，分析了2011年12月4日河北涿州一次浓雾过程爆发性增强的微物理特征及形成机理。结果表明：此次浓雾过程除具有均压场、地面辐射降温、逆温层、静稳天气等特征外，还具有雾微物理过程出现爆发性增强的特征，10 min内，小雾滴浓度显著增加，含水量增大了3个量级，雾滴谱由15 μm拓宽到35 μm，能见度由500 m骤降至70 m。夜间地面长波辐射冷却效应导致近地层雾的形成，而近地层雾的形成反过来快速地增强了地面长波辐射冷却效应，促使大量小雾滴的形成和碰并过程的产生，这是一种正反馈效应；大量雾滴形成释放的潜热，促使雾体抬升和向下长波辐射增强，又使地面长波辐射冷却效应减弱，产生负反馈效应。相对于南京辐射雾过程，此次涿州浓雾的小雾滴粒子数浓度高，液态水含量明显偏小，这与华北高浓度气溶胶和弱水汽输送有关。
基于华北雾-霾综合观测试验资料，分析了2011年12月4日河北涿州一次浓雾过程爆发性增强的微物理特征及形成机理。结果表明：此次浓雾过程除具有均压场、地面辐射降温、逆温层、静稳天气等特征外，还具有雾微物理过程出现爆发性增强的特征，10 min内，小雾滴浓度显著增加，含水量增大了3个量级，雾滴谱由15 μm拓宽到35 μm，能见度由500 m骤降至70 m。夜间地面长波辐射冷却效应导致近地层雾的形成，而近地层雾的形成反过来快速地增强了地面长波辐射冷却效应，促使大量小雾滴的形成和碰并过程的产生，这是一种正反馈效应；大量雾滴形成释放的潜热，促使雾体抬升和向下长波辐射增强，又使地面长波辐射冷却效应减弱，产生负反馈效应。相对于南京辐射雾过程，此次涿州浓雾的小雾滴粒子数浓度高，液态水含量明显偏小，这与华北高浓度气溶胶和弱水汽输送有关。
2019, 30(6): 710-721.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190607
摘要:
该文对1981—2017年北京地区1010个高精度冰雹灾情信息进行统计分析。从年代际变化看，1981—1990年平均降雹日数为10 d，1991—2000年和2001—2010年年平均降雹日数均有所减少（5.67 d和4.33 d），而从2011年起，年平均降雹日数急剧增加到21 d。1981—1995年年平均最大冰雹直径总体呈增加趋势，2002年开始总体较小。从年变化看，冰雹日数的年变化呈明显的单峰型即初夏峰型，4月起降雹日数逐渐增加并在6月达到峰值，其后缓慢下降。从空间分布看，北京地区的降雹分布十分广泛，但高频次降雹区域主要集中在北京西北部延庆区，平均每年至少发生两次降雹，此外降雹高值区还出现在城区的海淀区。2010年后，降雹范围明显增大，同时降雹分布也由相对集中变为相对均匀。
该文对1981—2017年北京地区1010个高精度冰雹灾情信息进行统计分析。从年代际变化看，1981—1990年平均降雹日数为10 d，1991—2000年和2001—2010年年平均降雹日数均有所减少（5.67 d和4.33 d），而从2011年起，年平均降雹日数急剧增加到21 d。1981—1995年年平均最大冰雹直径总体呈增加趋势，2002年开始总体较小。从年变化看，冰雹日数的年变化呈明显的单峰型即初夏峰型，4月起降雹日数逐渐增加并在6月达到峰值，其后缓慢下降。从空间分布看，北京地区的降雹分布十分广泛，但高频次降雹区域主要集中在北京西北部延庆区，平均每年至少发生两次降雹，此外降雹高值区还出现在城区的海淀区。2010年后，降雹范围明显增大，同时降雹分布也由相对集中变为相对均匀。
2019, 30(6): 722-730.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190608
摘要:
膨胀云室可形成水汽、水面和冰面过饱和环境，是研究气溶胶粒子、人工影响天气冷暖催化剂核化过程和机理的重要实验设备。但长期以来，我国缺乏装备先进云雾粒子谱和图像测量系统的膨胀云室。2019年完成的我国自主研制的膨胀云室系统由云室主体、控制系统、通讯系统及环境和云雾测量系统4个子系统组成。该系统首次采用了国产云粒子谱仪和成像仪测量系统。测试结果表明：该云室具有良好的温度和压力控制能力，平均降温速率达到0.26℃·min-1，温度分布均匀，-40℃时舱内温差小于0.29℃；膨胀造雾过程4 min，雾可维持4 min，雾滴较小；可以实现从室温到-50℃低温环境的控制，具备压力膨胀成云雾模拟和微物理参数监测能力，解决了我国缺乏气溶胶粒子和暖云催化剂室内实验装备的状况，对验证暖云催化剂核化性能和提高暖云人工增雨科技水平有重要价值。
膨胀云室可形成水汽、水面和冰面过饱和环境，是研究气溶胶粒子、人工影响天气冷暖催化剂核化过程和机理的重要实验设备。但长期以来，我国缺乏装备先进云雾粒子谱和图像测量系统的膨胀云室。2019年完成的我国自主研制的膨胀云室系统由云室主体、控制系统、通讯系统及环境和云雾测量系统4个子系统组成。该系统首次采用了国产云粒子谱仪和成像仪测量系统。测试结果表明：该云室具有良好的温度和压力控制能力，平均降温速率达到0.26℃·min-1，温度分布均匀，-40℃时舱内温差小于0.29℃；膨胀造雾过程4 min，雾可维持4 min，雾滴较小；可以实现从室温到-50℃低温环境的控制，具备压力膨胀成云雾模拟和微物理参数监测能力，解决了我国缺乏气溶胶粒子和暖云催化剂室内实验装备的状况，对验证暖云催化剂核化性能和提高暖云人工增雨科技水平有重要价值。
2019, 30(6): 731-744.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190609
摘要:
MWP967KV型地基微波辐射计是我国自主研发，拥有完整自主知识产权的新型大气微波遥感探测设备，为了实现国产设备在气象业务中的应用，需对设备的探测精度进行对比分析。利用2015年8月—2018年3月四川盆地南部山区的无线电探空数据和地基微波辐射计数据，分析晴空和有云天气条件下温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线及相关物理参数的精度。结果表明：晴空、层积云和高积云的微波辐射计与探空仪的温度、水汽密度和相对湿度相关系数整体上分别在0.9890，0.9665，0.5868以上，均达到0.01显著性水平。3种参数廓线的相关系数整体均呈地面大于高空，仅温度廓线相关系数达到0.01显著性水平，相对湿度廓线和水汽密度廓线在高空的相关系数未达到0.01显著性水平。3种参数的相关性整体上温度最高，水汽密度次之，相对湿度最低。温度、相对湿度和水汽密度的均方根误差平均值分别为2.8℃，22%和1.38 g·m-3，温度廓线和相对湿度廓线在层积云和高积云的云中及云上的精度明显降低，均方根误差较云层下温度升高1℃~2℃，相对湿度增大10%~20%。逆温层会影响廓线及物理参数的精度。晴天或云天等大范围相似天气条件下，探空气球飘移距离与温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线偏差的相关性较弱。
MWP967KV型地基微波辐射计是我国自主研发，拥有完整自主知识产权的新型大气微波遥感探测设备，为了实现国产设备在气象业务中的应用，需对设备的探测精度进行对比分析。利用2015年8月—2018年3月四川盆地南部山区的无线电探空数据和地基微波辐射计数据，分析晴空和有云天气条件下温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线及相关物理参数的精度。结果表明：晴空、层积云和高积云的微波辐射计与探空仪的温度、水汽密度和相对湿度相关系数整体上分别在0.9890，0.9665，0.5868以上，均达到0.01显著性水平。3种参数廓线的相关系数整体均呈地面大于高空，仅温度廓线相关系数达到0.01显著性水平，相对湿度廓线和水汽密度廓线在高空的相关系数未达到0.01显著性水平。3种参数的相关性整体上温度最高，水汽密度次之，相对湿度最低。温度、相对湿度和水汽密度的均方根误差平均值分别为2.8℃，22%和1.38 g·m-3，温度廓线和相对湿度廓线在层积云和高积云的云中及云上的精度明显降低，均方根误差较云层下温度升高1℃~2℃，相对湿度增大10%~20%。逆温层会影响廓线及物理参数的精度。晴天或云天等大范围相似天气条件下，探空气球飘移距离与温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线偏差的相关性较弱。
2019, 30(6): 745-758.
DOI: 10.11898/1001-7313.20190610
摘要:
设计并实现人工影响天气飞机作业实时监测移动应用系统（TEAM），对飞机作业实时监测并可视化与共享，以解决飞机作业监测中作业信息采集渠道多样、标准不统一、共享范围小、飞机内外场交流渠道不畅等业务问题。TEAM基于人工影响天气飞机作业实时监测的移动应用平台框架（RMPF-WMA）构建并在移动终端上实现。该框架包括海事卫星、北斗卫星双链路传输、安全加固体系和分层策略，可作为数据和移动终端技术实现的标准化解决方案。TEAM基于HTML5混合开发模式与Ionic/Angular JS开发，提高开发效率和终端运行性能。TEAM实时可视化显示飞机准备情况、轨迹、播撒动态以及飞行简报、通知，提升飞机作业各环节沟通效率和共享覆盖度。全国人工影响天气作业飞机中，TEAM可实时监测并实现信息共享的飞机占总数的80%以上，应用于东北、华北、西北、西南、中部等多个区域日常飞机作业监测和重大应急服务一线指挥。移动应用程序响应迅速，运行稳定，作业监测和可视化效果良好。
设计并实现人工影响天气飞机作业实时监测移动应用系统（TEAM），对飞机作业实时监测并可视化与共享，以解决飞机作业监测中作业信息采集渠道多样、标准不统一、共享范围小、飞机内外场交流渠道不畅等业务问题。TEAM基于人工影响天气飞机作业实时监测的移动应用平台框架（RMPF-WMA）构建并在移动终端上实现。该框架包括海事卫星、北斗卫星双链路传输、安全加固体系和分层策略，可作为数据和移动终端技术实现的标准化解决方案。TEAM基于HTML5混合开发模式与Ionic/Angular JS开发，提高开发效率和终端运行性能。TEAM实时可视化显示飞机准备情况、轨迹、播撒动态以及飞行简报、通知，提升飞机作业各环节沟通效率和共享覆盖度。全国人工影响天气作业飞机中，TEAM可实时监测并实现信息共享的飞机占总数的80%以上，应用于东北、华北、西北、西南、中部等多个区域日常飞机作业监测和重大应急服务一线指挥。移动应用程序响应迅速，运行稳定，作业监测和可视化效果良好。
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