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Methods of Aircraft-based Precipitation Enhancement Operation for Convective-stratiform Mixed Clouds in Autumn in Hunan Province
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摘要: 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。Abstract: Based on ground meteorological observations at Changsha of Hunan, and the aircraft artificial precipitation enhancement operation data in autumn of recent 10 years in Hunan, some statistical analysis results on the convective-stratiform mixed clouds systems are obtained, including the distribution of precipitation, structure characteristics and the seeding method of aircraft artificial precipitation enhancement operation.Physical characteristics of typical operation weather processes are analyzed by using Doppler radar data, the numerical model GRAPES_CAMS, and meso-scale meteorological data.Paired convective clouds and the echo tracking method based on TREC algorithm are used for effect evaluation.12 macro and micro parameters are picked out as indicators of artificial precipitation enhancement operation with convective-stratiform mixed clouds, including precipitation weather situation, the main cloud system, cloud-top height, cloud-top temperature, cloud thickness, seeding layer height, seeding layer temperature, seeding layer relative humidity, radar echo intensity, vertically integrated liquid, supercooled water content, rainfall situation and so on.The best seeding time, position and catalyst amount of the artificial precipitation enhancement operation using Yun-7 aircraft and AgI catalyst are discussed.For convective-stratiform mixed clouds including precipitus stratiform clouds and cumulus clouds, the most suitable area, seeding height and catalyst dosage of the operation are summarized.In supercooled -15 to -5℃ layer of altostratus cloud, seeding catalyst could make the artificial ice crystal concentration reach 30 L-1; in supercooled -15 to -7℃ layer of cumulus cloud, static seeding catalyst makes the concentration 30 L-1 while dynamic seeding catalyst makes it 100 L-1.These operation methods achieves good results in the practice of artificial precipitation enhancement.Among more than 40 times aircraft precipitation enhancement operation practice in recent 8 years, cold cloud catalyst seeding in precipitus stratiform clouds in convective-stratiform mixed clouds system usually leads to light rain (1-10 mm); cold cloud catalyst seeding in cumulus clouds in convective-stratiform mixed clouds system usually lead to small to moderate rain (5-17 mm); another 4 operations of warm cloud catalyst seeding in relatively stable stratiform warm clouds maintaining more than 12 h only bring slight enhancement of precipitation (0.1 mm).In the future, airborne meteorological equipment should be developed for cloud physics detection, especially for the detection and study of cumulus.Based on improved performance indicators of cumulus seeding, the cloud physics concept model of cumulus cloud artificial precipitation in southern China can be gradually established.
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图 1 2015年9月18日11:00 GRAPES_CAMS模式预报的整层累积水成物总量(a)与FY-2E气象卫星反演的光学厚度(b)
Fig. 1 GRAPES_CAMS model predicted vertically integrated total water substance(a) and satellite retrieval optical thickness(b) at 1100 BT 18 Sep 2015
图 2 GRAPES_CAMS模式预报2015年9月18日11:00沿29.18°N纬向的水成物垂直剖面
(Qc表示云水含量, Ni表示冰晶数浓度, T表示等温线)
Fig. 2 Vertical cross section of GRAPES_CAMS model predicted hydrometers along 29.18°N at 1100 BT 18 Sep 2015
(Qc:amount of cloud water, Ni:number concentration of ice, T:temperature)
图 3 2015年9月18日飞机增雨作业后3 h实况累积降水量
(黑色框为飞机增雨作业影响区, 红色圈为积云绕飞穿云作业区)
Fig. 3 Observed accumulated rainfall after 3 h of the aircraft precipitation enhancement operation on 18 Sep 2015
(the black box is the the affected area of aircraft precipitation enhancement, the red circle is the seeding area of aircraft precipitation enhancement through the cumulus clouds)
图 4 2015年9月18日目标云(红色框)与对比云(蓝色框)的雷达回波组合反射率因子移动演变
(a)11:35, (b)12:00, (c)12:18
Fig. 4 Movement changes in radar echo of seeded clouds(the red box) and contrast clouds(the blue box)
(a)1135 BT, (b)1200 BT, (c)1218 BT
图 5 2015年9月18日飞机增雨作业目标区和对比区回波跟踪 (a)11:36, (b)12:00
Fig. 5 Echo tracking of seeding area and contrast area of the aircraft precipitation enhancement operation on 18 Sep 2015 (a)1136 BT, (b)1200 BT
图 6 2015年9月18日飞机增雨作业目标区与对比区雷达回波参数统计
Fig. 6 Statistics of radar echo parameters in each seeding area and contrast area of the aircraft precipitation enhancement operation on 18 Sep 2015
图 7 2011年9月8日沅陵地区浓积云动力催化作业前后雷达回波变化
(红色线为剖面位置, 红色圈为播撒飞行轨迹)
Fig. 7 Radar echo changes before and after dynamical seeding operation with cumulus congestus at Yuanling on 8 Sep 2011
(the red line is sectional position, the red circle is flight track of seeding)
图 8 2011年9月8日08:00沿28.45°N的垂直速度(等值线, 单位:Pa·s-1)和相对湿度(阴影)垂直剖面
Fig. 8 The vertical section of vertical velocity(the contour, unit:Pa·s-1) and relative humidity(the shaded) along 28.45°N at 0800 BT 8 Sep 2011
表 1 长沙地区秋季典型作业云系的雷达回波特征
Table 1 Radar echo features of typical operating clouds in autumn of Changsha
云系名称 探测日期 日降雨量/mm 14:00云量/成 14:00多普勒天气雷达回波 产品分类 组合反射率因子/dBZ 距离高度显示/km 回波顶高/km 垂直积分液态含水量/(kg·m-2) 鬃积雨云
(Cbcap)2010-09-05 42.5 10 主要回波 30~35 H5 dBZ≤10, H15 dBZ≤8
H30~35 dBZ≤66~8 1 最大回波 45 H45 dBZ为4~4.5 9 5 蔽光层积云
(Scop)2011-09-30 15.7 10 主要回波 20~25 H5 dBZ≤11, H15 dBZ≤5.5,
H20~25 dBZ为2~33~5 小于1 最大回波 30 H30 dBZ为1.5~2.5 8 1 蔽光高层云
(Asop)2011-11-30 13.4 10 主要回波 30~35 H5 dBZ≤13, H15 dBZ≤6,
H30~35 dBZ为1~33~5 1 最大回波 40 H40 dBZ=2.5 8 1 透光高积云
(Actra)2011-09-26 7 主要回波 20~25 H5 dBZ≤10, H15 dBZ≤5.5,
H20~25 dBZ为0~33~5 小于1 最大回波 30 H30 dBZ=1.5 8 1 
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表 2 湖南省秋季积云或积层混合云系人工增雨作业条件判别宏微观指标
Table 2 Macro and micro indicators of artificial precipitation enhancement operation with cumulus and convective-stratiform mixed clouds in autumn of Hunan Province
判据 判别方法与获取途径 指标 天气形势 天气图 高空低槽、副热带高压边缘、台风影响、中低层切变 主要云系 卫星云图 积云、积层混合云系 云顶高度 天气雷达 回波顶高为5~9 km 云体厚度 天气雷达 不小于3.5 km 云顶温度 探空、卫星云图 -25~-5℃ 催化层高度 天气雷达 4.5~6 km 催化层温度 探空 -10~0℃ 催化层相对湿度 探空 不低于90% 雷达回波强度 天气雷达 15~35 dBZ 垂直积分液态水含量 天气雷达 不低于1 kg·m-2 过冷水含量 中尺度数值模式 不低于0.05 g·kg-1 降雨实况 中小尺度气象站网 雨区边缘、即将降雨、开始降雨
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表 3 近年湖南省典型积云或积层混合云系飞机增雨作业过程主要作业参数统计表
Table 3 Main operation parameters of artificial precipitation enhancement operation by aircraft with cumulus clouds or concective-stratiform mixed clouds of recent years in Hunan Province
作业参数 作业过程 20110908 20130811 20130813 20130817 20130818 20150918 天气形势 高空低槽 副高边缘 台风外围 台风外围 台风外围 高空低槽 主要作业云系 积层混合 积云 积层混合 积层混合 积层混合 积层混合 雷达回波强度/dBZ 10~35 10~35 15~35 15~40 10~30 15~35 雷达回波顶高/km 7~8 7~8 8~10 6~9 6~8 6~8 垂直积分液态水含量/(kg·m-2) 5~10 5~10 5~10 5 5 1~5 云顶温度/℃ -15 -20 -25 -25 -20 -15 云体厚度/km 5 5~7 6~8 5~7 5~7 3.5~7 过冷水含量/(g·kg-1) 0.05~1 0.05~1 0.05~0.5 0.05 催化方式 冷云 冷云 冷云 冷、暖云 冷、暖云 冷云 催化层高度/km 5.4~5.7 5.4~5.8 5.4 5.4 5.4 6 催化层温度/℃ -2~-5 -3~-7 -5 -3 -3 -7 催化层相对湿度/% 90% 90% 90% 90% 95% 95% 作业后3 h雨量/mm 4~5 1~15 1~20 1~10 1~5 1~10 注:表中暖云催化方式是使用ZY-1NY吸湿性焰条, 燃烧产物主要是KCl, CaCl2。
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