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三维变分同化雷达资料暴雨个例试验

气象学报 2010年第6期68卷 779-789页

作者：刘红亚薛纪善顾建峰徐海明上海中心气象台上海200030 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 南京信息工程大学南京210044

采用中国新一代数值预报模式及其同化系统开展雷达资料的三维变分同化和数值模拟研究。通过一次暴雨个例的对比试验,结果表明:不考虑垂直运动影响的情况下,仅同化多普勒雷达经向风资料可以增加初始场中的中小尺度系统信息,并在一定程度... 详细信息

采用中国新一代数值预报模式及其同化系统开展雷达资料的三维变分同化和数值模拟研究。通过一次暴雨个例的对比试验,结果表明:不考虑垂直运动影响的情况下,仅同化多普勒雷达经向风资料可以增加初始场中的中小尺度系统信息,并在一定程度上改善预报开始阶段的降水;同化由反射率因子导出的垂直速度、雨水混合比并令上升区饱和,可以较大改善降水预报结果;联合同化径向速度和反射率因子资料将得到它们的共同影响。模拟的β中尺度对流系统6 h的演变过程与观测十分一致,基本消除了旋转加强现象。发展旺盛阶段的对流单体南北方向范围约50km,最大上升速度位于500hPa附近,超过3.0m/s;雨水最大含量在400 hPa附近,超过5.0 g/kg;云水最大值位于600 hPa,约0.5 gkg;造成的降水强度可达30mm/h,具有明显β中尺度系统的特征。初始场中水汽是否达到β中尺度降水维持所需条件是至关重要的,如果初始场中水汽条件较差,即使含有云水、雨水、垂直速度的信息,这些信息也会很快消亡,难以维持下去;此外,雷达资料的质量控制也是十分重要的。

关键词：三维变分径向风反射率因子云微物理量垂直速度

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山西春季层状云系数值模拟及与飞机探测对比

应用气象学报 2014年第1期25卷 22-32页

作者：李军霞李培仁陶玥史月琴晋立军南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室南京210044 山西省人工降雨防雹办公室太原030002 中国气象科学研究院北京100081

采用中国气象科学研究院(CAMS)中尺度云参数化模式对2010年4月20日山西省一次春季层状降水云系的宏微观结构,特别是垂直方向上的微物理结构进行了数值模拟和分析。利用携带云粒子探测设备的飞机对该次层状云系进行了两次云物理探测飞行... 详细信息

采用中国气象科学研究院(CAMS)中尺度云参数化模式对2010年4月20日山西省一次春季层状降水云系的宏微观结构,特别是垂直方向上的微物理结构进行了数值模拟和分析。利用携带云粒子探测设备的飞机对该次层状云系进行了两次云物理探测飞行,并将飞机探测所获取的数据和图像资料与数值模拟结果进行了对比研究。模拟结果显示:该次降水过程以层状冷云降水为主,云中过冷水含量丰富,云系存在明显的3层结构,地面降水主要来自于云中高层冰晶、雪、霰等冰相粒子的融化和低层云水的转化。数值模拟与飞机探测对比分析显示,高空温度、湿度和高度的配置两者基本一致,数值模拟不同高度的云粒子相态、垂直方向云水比含水量与飞机探测获取的云粒子图像和云液态水含量的垂直结构基本吻合,但数值模拟的云中各种水成物粒子出现的高度较飞机探测偏高。

关键词：云微物理量数值模拟机载探测

基于多源观测的飞机积冰环境云微物理特征分析

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基于多源观测的飞机积冰环境云微物理特征分析

作者：薛蓉蓉中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

开展飞机积冰环境云微物理量研究,对飞机积冰环境识别有重要意义。利用Cloud Sat资料和机场观测资料对2013年1月-2018年10月机场飞机积冰环境特征进行了分析。结果表明:空间上,冻雨、冻毛毛雨天气积冰环境发生频率大小依次是云贵地区0.... 详细信息

开展飞机积冰环境云微物理量研究,对飞机积冰环境识别有重要意义。利用Cloud Sat资料和机场观测资料对2013年1月-2018年10月机场飞机积冰环境特征进行了分析。结果表明:空间上,冻雨、冻毛毛雨天气积冰环境发生频率大小依次是云贵地区0.74%、长江中下游0.23%、新疆的西北部0.08%、东北地区、黄河中下游0.07%;时间上,冻雨、冻毛毛雨天气积冰环境发生频率日变化不明显,冻雨在凌晨北京时4时最高,冻雾天气存在明显的日变化特征,在北京时8时最高,冰冻天气积冰环境月份百分比主要分布在11～次年3月;冻雨、冻毛毛雨天气积冰环境发生时温度多在-5～-1℃,平均风速在3m/s左右,北疆地区海拔越高,冰冻天气天数越小,其他地区与之相反。冻雨、冻毛毛雨发生时均有逆温存在,特别是云贵地区、新疆、东北地区存在多层逆温,北疆地区、东北地区的逆温更强;积冰环境出现条件须为混合相态云水,且与粒子数浓度关系不大;冰冻天气发生时,机场附近以轻度至中度积冰为主,积冰层云类型主要是层积云、高层云、高积云和深对流云;黄河中下游地区积冰层最厚达2.2km,北疆地区和云贵地区的积冰层底高最高达3km,但积冰层厚度较薄,整体来看,大粒径过冷水一般存在于逆温层中部,液水含量、粒子半径、数浓度在积冰层底部达到最大;积冰层过冷水含量和数浓度在黄河中下游地区达到最大值分别为1410mg/m、270 mg/m、826个/m、1849个/m,液水粒子有效半径在云贵地区达到最大值为283μm,且云水含量高,数浓度不一定大;从单个地区看表现为混合态过冷水含量越高、粒子有效半径越大,积冰程度越严重,积冰层厚度越厚。

关键词： CloudSat资料 metar资料飞机积冰环境云微物理量

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雷达和微波辐射计联合反演云液水廓线

雷达和微波辐射计联合反演云液水廓线

中国气象学会2007年年会

作者：李宏宇李睿劼罗布北京市人工影响天气办公室北京市人工影响天气办公室定日县气象局

利用雷达和微波辐射计观测资料,通过对北京地区夏季一次强降水个例云液水廓线的主被动联合反演,结果表明:CINRAD/SA多普勒天气雷达和TP/WVP-3000微波辐射计联合反演的云液水廓线与单点位置的雷达回波强度垂直分布形状相似,与附近位置微... 详细信息

利用雷达和微波辐射计观测资料,通过对北京地区夏季一次强降水个例云液水廓线的主被动联合反演,结果表明:CINRAD/SA多普勒天气雷达和TP/WVP-3000微波辐射计联合反演的云液水廓线与单点位置的雷达回波强度垂直分布形状相似,与附近位置微波辐射计遥感的单点云液水量也较为接近。两种地基非常规设备的联合应用能够充分发挥雷达对中小尺度天气系统的高空间分辨率以及多通道微波辐射计高时间分辨率的优势,由获得的单点位置的大气和云微物理参数,进而也能够获得雷达整个观测范围内较为宏观的一些云场信息。

关键词：多普勒雷达微波辐射计反演云微物理量

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3DVAR同化雷达资料暴雨个例试验

3DVAR同化雷达资料暴雨个例试验

中国气象学会2008年年会天气预报准确率与公共气象服务分会场

作者：刘红亚薛纪善徐海明顾建峰中国气象科学研究院南京信息工程大学上海中心气象台

本文采用我国新一代数值预报模式(GRAPES)及其同化系统开展雷达资料的三维变分(3DVAR)同化和数值模拟研究。通过一次暴雨个例的对比试验得到以下结论:不考虑垂直运动影响的情况下,同化Doppler雷达径向风资料可以增加初始场中的中小尺度... 详细信息

本文采用我国新一代数值预报模式(GRAPES)及其同化系统开展雷达资料的三维变分(3DVAR)同化和数值模拟研究。通过一次暴雨个例的对比试验得到以下结论:不考虑垂直运动影响的情况下,同化Doppler雷达径向风资料可以增加初始场中的中小尺度系统信息并在一定程度上改善预报开始阶段的降水;同化由反射率因子导出的垂直速度、雨水混合比并令上升区饱和可以大大改善降水预报结果;联合同化径向速度和反射率因子资料将得到它们的共同影响。模拟的6h降水过程与实况比较一致,基本消除了Spin-up现象,发展旺盛阶段的对流单体南北方向范围约50km,最大上升速度位于500hPa附近,超过3.0ms-1;雨水最大含量在400hPa附近,超过5.0gkg-1;云水最大值位于600hPa,约0.5gkg-1;造成的降水强度可达30mmh-1,具有明显的中β尺度系统的特征。初始场中水汽是否达到降水维持所需条件是至关重要的,如果初始场中水汽条件较差,即使包含有云水、雨水、垂直速度的信息,这些信息也会很快消亡,难以维持下去;此外,对观测资料更为专业的质量控制也是十分必要的。

关键词：三维变分径向风反射率因子云微物理量垂直速度

ARPS模式云微物理产品在人工增雨中的适用性分析

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ARPS模式云微物理产品在人工增雨中的适用性分析

河南省气象学会2010年年会

作者：刘艳华河南省人工影响天气中心

综合国内外人工增雨机制和增雨潜力要素的研究结果,本文对ARPS模式输出产品进行二次开发,确定了6个人工增雨工作中常用的云微物理量:垂直积分冰面过饱和水汽(qv),垂直积分过冷水(qc),垂直积分冰晶含量(qi),云暖区(0℃层以下)云水厚度(wq... 详细信息

综合国内外人工增雨机制和增雨潜力要素的研究结果,本文对ARPS模式输出产品进行二次开发,确定了6个人工增雨工作中常用的云微物理量:垂直积分冰面过饱和水汽(qv),垂直积分过冷水(qc),垂直积分冰晶含量(qi),云暖区(0℃层以下)云水厚度(wqc),-10℃层以上的冰晶厚度(cqi),-10℃层以下的冰晶厚度(wqi)。为了解上述云微物理量对降水和适宜作业区域的可预报性,本文对二者的统计关系作了分析。选取2008年和2009年春秋季16次降水过程中河南65个自动站的数值模拟出的6个云微物理量以及相应

关键词：云微物理量降水统计关系

基于CloudSat资料的中国东部暖季深对流云和层积云的宏微观特征

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基于CloudSat资料的中国东部暖季深对流云和层积云的宏微观特征

第34届中国气象学会年会

作者：李思聪李昀英孙国荣卢志贤解放军理工大学气象海洋学院

利用Cloudsat卫星资料,区分降水和非降水情况,研究了暖季（4-9月）中国东部地区（20-35°N,105-150°E）海洋和陆地上空深对流云和层积云的微物理特征,主要包括液态水含量、冰水含量、粒子数浓度、有效半径、分布宽度参数、雷达反射率... 详细信息

利用Cloudsat卫星资料,区分降水和非降水情况,研究了暖季（4-9月）中国东部地区（20-35°N,105-150°E）海洋和陆地上空深对流云和层积云的微物理特征,主要包括液态水含量、冰水含量、粒子数浓度、有效半径、分布宽度参数、雷达反射率、光学厚度等。首先分析了各微物理的概率分布,然后统计了各类云伴随降水的概率。结果表明,暖季深对流云出现时,中国东部陆地和海洋上空伴随液态降水的概率分别为66.4%和72.9%,无降水的概率分别为30.25%和27.4%,其它探测样本还包括固态降水和Cloud Sat探测为可能是毛毛雨的情况。深对流云出现时,单独出现的概率为80.63%;而层积云出现时,单独出现的概率为61.09%,出现两层云的概率为27.18%,三层及以上的概率为11.73%。深对流云和层积云的微物理量在海洋和陆地上空各微物理量量值概率密度曲线趋势相似,量值的分布范围大致相同,其峰值大小略有差异;但是降水和非降水时,微物理量量值分布概率密度曲线峰值出现的位置有明显差异。

关键词： CloudSat 深对流云层积云云微物理量

青藏高原地区积云中夹卷混合过程的数值模拟及参数化

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青藏高原地区积云中夹卷混合过程的数值模拟及参数化

第35届中国气象学会年会

作者：罗仕陆春松刘延刚卞建春杨素英郭小浩南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室美国布鲁克海文国家实验室中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室

云覆盖了地球60%-70%的面积,云量、云高及云中微物理量的变化都可能导致地气系统中净辐射强迫、全球能量平衡和气候发生显著的变化。此外,在地气系统中云是水循环的重要环节,其能够将大气中的水汽快速地变为液态/固态水,另外,云中释放... 详细信息

云覆盖了地球60%-70%的面积,云量、云高及云中微物理量的变化都可能导致地气系统中净辐射强迫、全球能量平衡和气候发生显著的变化。此外,在地气系统中云是水循环的重要环节,其能够将大气中的水汽快速地变为液态/固态水,另外,云中释放的潜热是大气中各种尺度天气现象和大气运动的重要能量来源,所以,在整个地气系统中,云具有举足轻重的作用。然而,在与云相关的过程中,云与干空气之间的夹卷混合过程不仅会导致云中微物理量（云内含水量、云滴数浓度、云滴粒径）和云滴谱的变化,影响云中降水过程的形成,而且还会影响云-气候之间的相互反馈以及气溶胶间接效应的评估。但目前对该过程的理论认识还不够充分,因而在现有的数值模式中对该过程的表述往往是进行简单的假设,这种简单粗糙的处理方式制约着模式中云和降水的模拟效果。本文采用一个考虑云与干空气之间相互作用的显式混合气泡模式（EMPM）,该模式能够模拟小至柯尔莫戈洛夫尺度（1mm）的湍流作用,并呈现云内空气和干空气之间相互混合过程中每个云滴粒径的变化。在EMPM中,结构为20m（长）×1mm（宽）×1mm（高）的水平一维气块从云底开始绝热抬升,云滴经历凝结增长过程并随机分布在该气块中,当气块到达夹卷混合高度时,气块不再抬升,干空气和气块之间开始等压混合,卷入气块中的干空气与气块之间随机等比例替换,在湍流的作用下干空气块破碎成不同尺度的不饱和气块并随机分布在云内,云滴根据其周围水汽过饱和度的变化发生不同程度的蒸发/凝结。当湍流形变使干空气块达到次网格尺度时,干空气与云滴间分子扩散起主要作用。此外在该模式中输入青藏高原第三次大气科学试验（TEPIX-III）那曲地区夏季7、8月份的激光云高仪数据、气象要素以及气溶胶探空数据作为模式的初始值,进行了约23000次敏感性试验,模拟青藏高原的地区云与干空气之间的夹卷混合过程,用于研究云内夹卷混合过程均匀程度随混合时间和垂直高度的演变,探究干空气相对湿度、湍流耗散率、卷入云内干空气比例及云内云滴数浓度对该过程的影响,同时对未消散的12000次试验中云内微物理的变化进行参数化,结果表明:该地区云中夹卷混合过程的均匀程度整体较高,但从低层到高层逐渐增大,对应的夹卷混合机制从非均匀混合机制向均匀混合机制演变,因低层云滴经历的凝结增长时间较短,尺度小于高层云滴,故在混合蒸发过程中低层云滴更容易发生完全蒸发,夹卷混合机制越趋向非均匀。其次,在夹卷混合过程中,均匀混合百分比随时混合时间的演变大致呈现出三种趋势,分别为无峰型,均匀混合程度逐渐减小,云内云滴以部分蒸发为主,随着混合的进行,云滴完全蒸发的比例逐渐增加,对应均匀夹卷混合机制向非均匀转变;单峰型,均匀混合程度先减小后增加,云中云滴先以部分蒸发为主,随着混合过程的进行,云滴完全蒸发的数量逐渐增加,但整体表现为小云滴数量增加并累积（第一阶段）,随着过程的继续进行,小云滴出现完全蒸发大量减少（第二阶段）,干空气块仍未达到饱,云滴部分蒸发比重逐渐增加小云滴再次出现累积（第三阶段）,但因干空气相对湿度的增加,其累积的幅度小于第一阶段。当干空气达到饱和,均匀混合程度不再变化,对应夹卷混合机制从均匀混合向非均匀混合变化再向均匀混合演变;多峰型,均匀混合程度先减小后增加交替变化,干空气块经历第三阶段后仍未达到饱和,累积的小云滴大量完全蒸发,均匀混合程度再次减小,随着混合过程的进行,再次出现小云滴的累积,均匀混合程度增加,但这种交替变化的幅度逐渐减小,对应的夹卷混合机制在非均匀和均匀之间交替演变。另外,当卷入干空气的相对湿度较大时,均匀混合程度的演变通常呈现为无峰型,随着干空气的相对湿度的逐渐的减小,需要云滴蒸发的总量增加,均匀混合程度逐渐呈现出单峰型和多峰型;当云中湍流耗散率较大时,大多数云滴处于近乎相同的不饱和环境,云滴以部分蒸发为主,均匀混合程度逐渐减小表现为无峰型。随着湍流耗散率的减小,湍流作用减弱,与干空气相接触的云滴会出现完全蒸发,云滴数浓度短时间内大幅度减小,非均匀混合程度增加,干空气相对湿度也大幅增加,随着混合过程的继续,云滴部分蒸发占主导,小云滴累积,均匀混合程度增加,在接下来的过程中小云滴大量减少,均匀混合程度减小,若干空气未达到饱和,均匀混合程度的变化趋势将出现交替变化;当卷入云内干空气比例较小时,均匀混合程度的变化趋势呈现出三种峰型,随着混合比例的增加,需要云滴蒸发的总量增加,多峰型和单峰型逐渐消失,但无峰型的变化趋势几乎不变;当云内云滴数浓度较大时,形成的云滴尺度较小,更容易发生非均匀混合,因而均匀混合程度的值更小,但其变化的趋势基本不变。此外,利用未消散个例建立的云中夹卷混合过程的参数化方案可以应用到天气预报模式中作进一步研究。

关键词：云云微物理量云与干空气夹卷混合参数化