（气象学专业论文）一次切变线降水的微物理特征分析及播撒效应的数值研究.pdf

搐要 本文利用机载p m s 云粒予探测系统，对2 0 0 4 年7 月1 目影响吉林省的 一次落交线簿零过覆遴抒了搽溺飞嚣，闲霹，嚣台里攫、雷达、遮囊黉量等 资料对此次降水过程的微物理结构、降水机制进行综合分析，从而获得切变 线酶求云系豹疆耨理缝抟将缎黟叁然烽零形簸熬魏理捉铡。 结果如下：此次切变线降水云系主要由高层云、雨层云、碎云构成，高 晷云鼹雨层云中闻夹窍l l 岽左右黪于层；三类云中平均云滚浓度、平均 云滴赢径各不相同；云水含墩随高度分布不均匀，云的不同部位云水含量起 鲅较大；分别蹋翟秘涵数对f s s p 、2 d e 、2 鲫探头的粒子谱进雩亍了拟合；对 三个谦头的粒子谱( 每3 0 0 m 高度取一个平均谱) 进行了分析，其中利用负 指数式n ( d ) = e x p ( 一九d ) 对粒子谶进行拟合，对拟合特镪渗数地、九进 行了分析；满过计算掰知，对于f s s p 探头观测的云被子谱( 赢径2 4 7 # m ) ， 利用多阶r 蔽数进行拟合，拟合效果是最好的；对于2 d c 探头观测的云粒 子谱( 直径2 5 8 0 0 外m ) ，和照多阶r 爵数迸行蓣合，援合效果稆对来还是眈 较好的，其中在融化层附近拟合相对较差；对于2 d p 探头观测的云粒子谱 ( 煮径2 一融0 0 l lm ) ，翻角多阶r 函数迸孝亍叛合，拟合效莱怒最好豹。瘸螽l 二阶r 函数拟合在高层云中的效果较好，但谯雨层云中的效粜相对较差；本 次探溺静降承云系餐合b e r g e r o n 撬壅的镶纯云一供窳云耱互律瑶导致降承 的概念。根掇云图及其他探测资料综合分析，冰晶主溪产生于高层云上部或 卷层云赘球簇蕹教，供承云必离凄云申下部秘藩垂云。 利用三缎积层混台云人工增雨数值模式对人工增雨引晶催化后的各种微 携毽擞交稼及催鼗效痰送行了摸攘。模援缝聚表骥：l 。援数滚态e o 。嚣影稳 了云的动力框架结构；2 播撤液态c 0 。引起了云中各种微物璁量的变化即播 激蕊云中最大云求含鬟疆显减，l 、，最大露水禽量、云藏子浓发、云冰含拳量、 雪粒子含水墩显著增大，从而有利于地面降水的增加；并结含雷达、地面雨 量资料对援擞效果进行分掇，结果表明，攘擞后雷达回波增强、雨爨增大。 关键词：云微物理特征，降水机制，尺度谱分布，数值模拟 a b s 住a c t i nt h i sp a p e r ，b ym e a n so fa 主r b o m ep m sc l o u dp a r t i c l es o 黼成n gs y s t e m ，a e o m p l e xs o u n d i n g 壬l i 曲tw a sm a d et oas h c a rl i l l ep r e c i p i t g 垃o np r o c e s si n 疆i 琏 p m v i n c e o n j u l yl ，2 0 0 4 ，i n i c r 0 巾h y s i c a ls 缸u c _ u r e ，p r e c i p i t a t i o nm e c h a i l i c so f 廿l i s 掣e c i p 妇噍i 强p e e s s 耩f e 髓8 | y z e d ，瓣i 嵇o - p b y s i e 越s 搬l c 抛f ec 量髓强醴e r 主s 垃e s o f s h e a rl 斑ep r e c i p i 诅t i o nc l o u ds y s t e ma n dt 的p h y s i c a lm e c h a n j c sf 0 栅e db y n a t u r a lr a i n f a l la f eo 雠i m e d t h er c s l l l t ss h o w ：也i ss h e a rl m e 船i n f 砒ls y s t e m 蕊采珏l y e o n s i s t so f 藤幻s 嫩s ，越氆缸o s 镪1 匦，蠹覆蹴s ，a v o 擐g eo l o u 莲 渤露e 重 c o n c e n 仃a t i o n ，a v e r a g ec l o u dd r o p l e td i a m e t e r 棚d i 丘b r e n ti 士l 廿i e s em r e ek i n d so f d o u d s ；d o u dw 栅c o h 士e n t sn o tw e l l d i s 扛至b 毗o da l o n g 稍也h e 埝址，也ed i 韪秘锄t p a f to f 也ec 重o u dh a sad i 珏毫f e n tc l o u dw a t e rc o r 娃e n t ；a 丑越y s i si sm a d eo np a r t i c l e s p e c 仇mo f t h r e es o n d e ，m e a n w h j l e ，b ym e a n so ff b r n l u l a n ( d ) - n o e x p ( 一 玉d ) ，班a l ( ea 萎撕豫毫。掰睡i 。圭e 辨e c 锄l 粥，删y s 主s 主sm 3 d eo 鞋曩鼓证g e i g e n p a r 锄e t e rn o 、 ；b ym e a 工l so ff o u rk m d so fm n c t i o ns e p 跳i y ，m 积e f i m n 黛t op a r t i c l es p e c 缸u mo f f s s p 、2 d - c 、2 d ps o n d e ，c a l c u j 8 t i o ns h o w s ：f b r e l o 聪粥壕c l es p e e 搬黼曲s e w 积b y 筘s s p 喇e ，u s 歉g 糟糠t 主r硒c 鞋。珏t o m 出潍f i m n g ，t h ee f i e c to f 丘t t 蛔盛i st h cb e s t ；f o rc l o u dp a n i c l es p c c t n l mo b s e r v e d b y2 d cs o 拈d e ，u s i 珏gm m t ir 最瑚c 娃( mt om 蝣蠡如n 数t h ee 熙o c to f 蛀艇丑gi s b e t t e rr c l a t i v o l y ，a m o n gi t ，黩砸n gi sr e l a t i v e l yw o f s cn e a rm o l tl a y e tf l 疵h e f a n a l y s i si sn e e d e d ：f o rc l o u dp a r t i c l es p e c 订m no b s e r v e db y2 d - ps o n d e ，u s i n g l 珏垃撼f 蠡m c 专i 强镪璐短e 磊圭垃矬鬟，也e e 蛙o f 重l 镞罐i s t 撼k 或。u 妇毽酗娃b l er 血r l c t i o nt om a k ef i 埘n 血ee 矗凳c to fn n i n gi na j t o s t r a t u si sb e 觚r ，b u tn o tb e t t e r i nn i m b o s t a t t s ：t b ep r e c i p i t a n o nc l o u ds y s t c mo ft h i ss o n d ef i t 也ec o n c 印to f i n t e f a c 鼍i 雌b e t w o e 珏s o e d 抽gc l o 蕊w a t e fs u p 撵y 西。稚l e a 蕊n gt o 鞋匠删l m e n t i o n e db yb e r g c r o n b a s e do nc o m p l e xa l l a l y s i so fc l o u dc h a r ta n do t h e r s o n d ed a t a ，i c ee r y 8 t 融m 缸出yo c c u f r e di n 出eu p p e rp a no fa l t o s 垃& t h so rl c e c r y s t 啦s p r e a d i n go fc i r r o s t r a t u s ，w a t 。rs u p 匝v 吱o u di s n t e fa l 砖i o w o rp a 矗o f a l t o s t r a t u sa n dn i m b 0 8 t a t t s b v 嚣l o 嗣蕊o f 氇r e o 王i 搬e n s i o 髓e 毽m u l 驻s 臻& c i o 毽d 璐鑫魅嘘8 d e 矬糖蠢c a l ! 珏o ( b l ， m a k oas i m u l a d o nt oa l l 姑n d 8o f m i c r op h y s i c a l 锄o u n tc b a n g ea f k rm a n m a d o r a i n 糊ls e e d m ga i l de 踟do fs e e d i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w ：1 。d y n 锄i c p e e s so fe l o 瓣鞴se 彘c t e d 曛e r 蹦_ e 麟珏gl i 蠢莲c 0 2 ；2 。戳d 堍l 遍h 淀c 0 2 c a u s e 血ec h n n g eo fa l lk i n d so fm i c r op h y s i c a la m o i l mi nc l o u d s ，t h e r e f o r c b 。n e 韪t 世l o 至n c r e a s eo fr a i n f 矗强。n 也e 羽姆强或p r e l i m 矗卿a n a 圭y s i 3i sm a d e 强 s e e 凼n ge 矗b c tc o n s u l t i l l gr a d a ts i l f f a c er a i n8 l o u n td a t a 。氇ef e s u h ss h o w ：r a d a r e c h o 甜l h a n c e ，r a i na m o u n te n l a 增e k e yw o r 血：m i c r op h y s i c a lc h a r a c t e r 。i s 右c ；p f e c i p i t a t i o nm e c h a n i c ；p a r t i c l es p o c 枫l m u m o r i c a ls i m u l 崩o n 2 第一章序言 第一章序言 现代人工影响天气主要是利用自然云的微物理不稳定性，通过一定的技术方法改 变云的微物理结构，从而改变云降水的发展过程，达到增加降水，减少冰雹的目的。 其科学基础已获得室内实验、外场试验和数值模拟越来越多的证据和支持。人工影响 天气是涉及多学科、多部门的一项复杂的系统工程，特别是云的多变性和复杂性使人 们在正确掌握作业条件和相应的技术方法以及了解和检验作业的效果方面遇到很大困 难。如何正确掌握作业条件和技术方法；建立各类人工影响天气概念模型，提高对作 业云系宏观、微观结构与特征的认知：改进探测手段和信息资料的获取、分析与应用 水平；改进和更新催化技术和催化工具；寻求科学、合理、实用的效果评估方法是目 前乃至未来人工影响天气工作研究的主要内容。 1 1 国外人工影响天气的发展和研究 人工影响天气的科学活动始于1 9 4 6 年的美国，s c h a e f e r 和v o n n e g u t 发现了干冰 和碘化银可作为高效的冷云催化剂。1 9 4 6 1 9 4 7 年美国进行的雷暴研究计划，是现代有 计划的第一个大规模对积云对流进行综合考察研究的计划。该计划卓有成效，它根据探 测资料概括出了气团雷暴生命史的三个发展阶段。这种探索研究方式后来逐步发展完 善，形成了大气科学研究方法的一个鲜明特点，即组织大规模的有设计的综合性外场考 察、研究、甚至包括施加人工影响的实验计划。在科学的人工影响天气活动初期，有预 先设计、目的明确、通过试验获得一定效果的播云增雨、局地降水分布、抑雹、消雾、 调制飓风等各个方面的计划达几十个，其中具有代表性的计划有四个：i 白顶计划： 这是一次在美国中西部( 密苏里州) 产粮区对夏季对流云进行五年( 1 9 6 卜1 9 6 4 ) 的播 云计划，要求通过播撒碘化银以触发或增强该地区夏季对流云降水。统计分析表明该播 云计划为负效应，i i 克利马克斯( c l i m a x ) 计划：试验区在c l i m a x 附近山区( 1 9 6 0 1 9 7 0 ) 采用随机化方案，研究播撤在地形云中发生的物理过程。该计划是少数在统计上具有显 著性并在物理上获得解释的播云增雨成功试验之一。标志着广泛进行播撒作业的开始。 i 大湖计划：播云试验在冬季美国大湖区( 1 9 6 8 1 9 7 2 ) 针对无降水的云系、自然降水 云系和中等强度风暴中进行，采用飞机播撒干冰或机载碘化银发生器或碘化银焰弹。该 计划是第一个以降水分布为目的、注重物理评价的非随机化试验。它对浅薄降水系统在 冬季降水中的重要性及对其进行人工播云增雨的可能性进行了探索性研究。狂飙计 划：狂飙计划是迄今为止唯一的人工影响飓风的试验计划( 1 9 6 卜1 9 8 3 ) 。其催化原 理为：影响飓风眼墙外的对流云体，播撒适量碘化银，促使外围发展与内云墙竞争水份， 第一章序言 使外云墙扩大以减小内云墙的最大风力。 鱼蠢硬计划”捡溅云中冰晶数熬寝起，落 对云物壤兹， 场薅究，搓嚣篷大鬃赫静 云物理过程图象，有力地摊动了云物理的发展。特别魁上述美豳四个有代表性的试验 卡划，分别发瑗7 在蔫予1 0 的云申蝮少鸯竞全晶他发生”1 ；罐纯蓐云中埭晶数密度 增加，降水粒子胚数密度增加，过冷水减少“1 ；有冰核商数密度区出现“等结果。建立 了降水物理的概念模式，认为人工影响毒改变降水落隈的效应”1 。 除美国外，在世界上许多国家也都比较犟地开展了人工影响天气试验。澳犬利亚 最早在1 9 4 7 年初就进行了剥层积云的飞机播撒于冰作业，i 【r a u s 和s q u i r e s ( 1 9 4 7 ) 酋先观测剁播云锼云体舟上发展，导致了假设大量播激干冰可； 起低层对流云冰晶化， 其释放的潜热提供了附加的浮力使蠢体上升，此即后来提出动力催化概念的最初构想。 箕岳予i 9 5 5 一1 9 5 9 年实施了弼旗纯镦进行播撒的斯诺秘由区诗羽，试验获得一定成功。 同样严重缺水的以色列其播云活动她于1 9 4 8 年，井在1 9 5 2 年就开始在人工降雨试验 中；i 遗了稼梳纯播撤静藏念，阻色确一i 积l l 期飞视入工增雨试虢“8 一壹公认为统计检 验效果显藩，并毅得相应的物理解释。但以饿列i 期的增雨效果却不明是，飞机蔷物 瑗褒测中发瑷，有些云露溢疫攘遥一l o 熬鸯然云中禽商较巍数密发静冰震赢， r o s e n f e l d 和f a r b s t e i n ( 1 9 9 2 ) ”“经过分析研究认为是由于沙尘戏霾引起的，从而导致 矮云可麓躐少了辩鬃。 鳌雾气象组织发莛戆壤翅降求谤裁( p 黔，1 9 7 9 一1 9 8 1 ) “，赣是 以以色列一i 和i i 作为蓝本，希望在凇界范嗣内选址试验推广它的成功经验。苏联学者 g k 。s u l 8 k v e l i d z e 等“”经避2 0 多年粒系统试验研究，翠在2 0 鏊纪? 0 年代裁提毽了一 襄人工防雹机制的概念模型，并证实在具备技术条件的前提f ，苏联防雹作业可减少 冰雹灾害6 7 一8 0 。 近十年来，随着科学技术的不断发展，世界人工影响天气的科学研究也取得了巨 大成绩。主要表现在对云拳 降水的照测手段有媛著改善，加深了对不同尺度她大气运动 和云动力学、微物理学以及相互作用的认识，各种入= 】二影响天气的科学概念更加细致 清楚；希q 用改进了的物理学和化学的技术方法，对人工影响天气作业中降承的物理演 变特点及其效果进行益涮，获得了一批作业船降水、冰雹发生明显变化的物理诞据； 最数值模拟的不断改善在检验各种人： 影响天气微物理效应和动力学效成的科学概念 皂发挥了麓要作淆。通过努力已经对九工影晴天气靛蒸本物理概念有了燹深的认识， 对作业效果有了更多的物理i 正据，科学技术手段也有了重大改进，人工影响天气的发 艇墨_ 进入了一个赣的阶段。隧着撩测技术豹倥器装备技术的不断提高，辩云和降窳擞 结构物理特征及降水机制有了更深入地了解，随着中小尺度气苏学、大气探测和遥感 及云与簿隶学等大气辩学分支学鬟熬不断发袋粒交叉渗透，瑗代久工影响天气在灌论 4 第一章序言 基础、外场试验、探测技术，催化技术、数德模拟及作业效果的物理和统计的评价方 嚣毒了跃足鳃进鹱。 1 2 圈内人工影响天气的教展和研究 我国淡水资澈短缺，人均占有羹每年戈2 6 7 0 m 3 ，终占世界乎均值熬l 4 ；降承爨变 率大，平均每两年发生一次大范围旱灾。我围有是世辫上四大嘏灾频发地区之一，雹 灾也是农业大害之一。随黄经济迅速发展，水瓷源短缺翻农业灾害造成躲损失显藩增 大，我国人工影响天气作为一种减灾手段，懿知受到政府和公众的重视，为各地农业 减灾和森林灭火作出了积极贡献，谯科技发腥。社会嚣求及减灾作业的推动下，人工 影响天气的试验研究工作，也取得了丰硕或聚。 我国有组织地开展人工影响天气作业始于1 9 5 8 年，当年在中国科学院著名气象学 家顾震潮的带领下，首次在兰硝进行了1 8 次毪枫麓铡岛催纯试验“；弼年铲9 砑吉袜 省开展了2 0 次飞机人工降水试验作业；与此同时武汉、南京、河北等地也开展了一b 机 入工洚东、消教云雾、造云及酒乾小五台由姥强燃烧碘纯镶人工降求试敬。6 0 年 弋拐 期在中国科学院、中央气象局、北京太学、南京大学蛰单位的专家带领下。许多销份 进行了， 场试验，势开戆零j 阕蕊嚣蠢与降承擞貉瑾结鞫魏铰器，驭久王簿拳飞撬袋逸 断高山站作为观测平台，收集了有美我国云和降水物理结构特征的第一批较为完艇的 瓷料。7 8 年f 耪鬻，中央气象两、j 窳大学、囊豪大学、毒象气象学院及激南、嚣嚣、 福建、安徽等省共同筹建了外场试验基地、庐山云雾试验室及古田统计检验试验基地， 戴殴段豹多 场试验必后来鲍 场试验葵定了鏊礁。在摄增熏佟监秘飞凝搽瓣中巍罴 闱了从苏联进口的云物理机裁仪器，虽然数据误差较犬，但在当时已是比较科学、比 较先进的云降水物理攘测手段。8 0 每代扔，骧黄大气藿萼学的发袋移探凝手段、仪嚣装 铸的改善，全国2 0 多个省相继开展了不同程度的外场试验研究，利用引避的p m s 滋与 降水粒子测量系统及相关参爨的探测仪器，绌食卫星蒜图、雷达，加密探空及空中、 地面降永徽物理观测等，开展了有关云水资源；大气冰核与云凝结核、冰雹云活动规 德；冰雹云结构和网位素检测等项观测或理论探讨，从蔼改进了人工影响天气的科学 概念，为作业提供了多项物理判据和指标。同时，人工影响天气的罐化技术和实验设 铸及研究成果有了显著进展，建立了多种实骏云室，研制山多种碘化银焰剂配方；在 防雹方露开震使瓣多部雷达探涮，设立防雹试验区及溅雹扳阏，获褥了一些防雹豫韭 的统计效槊、进一步按雹云分型建立不同的技术指标；此外在消除暖雾、冷雾、人工 雷、撺翱阏电、入工翡弱降东释a 王防霜豹试验硪究或搽索穷蔼氇有鞠显迸藕，扩 大了人工影响天气的科学研究领域。在理论研究方面，6 0 年代初中国科学院顾麓潮、 蘧秀骥、测浇平、蒜纪平等瓣学家“。”分辑了蠢醛求将经，提窭了疆云起扶理论，勰释 5 第一章序言 了暖云形成降水的一些观测事实：研究了非封闭系统的云中冰水转化过程；分析了制 约积云发展因子，提出了积云动力学滞弹方程组，被国内外广泛采用；用二维模式模 拟了积云动力结构和演变过程，提出了宏观动力学和微物理学相结合的云降水基本方 程组框架。同时，我国著名云物理学家、北京大学赵柏林提出了动力学与微物理学相 结合的云降水数值模拟；7 0 年代，中国气象科学研究院胡志晋、许焕斌和中国科学院 黄美元、徐华英等学者系统地开展并先后建立了对流云、层状云、雾和云降水化学模 式，包括一维、二维、三维结构和两相、三相云物理过程的各种模式；讨论比较了大 气动力学模式并进行了改进；提出了准弹性模式，改进了计算速度和稳定性；中科院 大气所研究了守恒性中小尺度动力学模型，改进了一些云物理过程的描述方程，提出 了一些新的计算方法和模式，研究了不同条件下云中降雨降雹的形成机制和各种微物 理过程的相对重要性；8 0 年代我国研制了一维模式，成功地模拟了不同雨带的云物理 垂直结构；9 0 年代研制了三维模式，模拟了降水过程实例；对中尺度天气中的云降水 方案作了系统研究：建立了一维、二维、三维辐射雾和低云模式，模拟了雾和低云的 形成发展过程 近年来，随着我国气象科学各个领域( 大气探测技术、中小尺度天气学、卫星气 象学等) 的进展和技术装备的改善，我国人工影响天气在理论认识、外场实验、效果 的物理证据和统计证据、探测技术、催化技术、数值模拟等方面取得了显著的进展。 首先，通过引进和研制，在人工影响天气中已开始采用国际上一些先进的探测技术， 包括对云中粒子进行全覆盖观测的粒子测量系统、双线偏振c 波段雷达、云水量的遥 感测量等，显著地扩大了监测领域，提高了监测质量。其次开展了有关人：| 增加降水 的资源条件、冰雹云的活动规律、冰雹微结构、云雾微结构、大气核以及人工降水、 防雹、消雾、消云和人工引雷等外场试验和研究，为人工影响天气作业设计提供了多 项物理判据 人工影响天气催化技术研究取得了显著进展，为外场作业研制了多种高 效的作业手段；同时云和降水的数值模拟有了显著的进展，一些云模式得到了推广， 并开始用于人工影响天气效果的理论预测。 l - 3 吉林省人工影响天气工作概况 1 9 5 8 年，吉林省首先在全国开展了飞机人工降雨外场抗旱试验，至今已有4 6 年的 历史。在这4 6 年的历程中总结起来大致可分为三个阶段：第一阶段：1 9 5 8 年一1 9 6 2 年 是广泛试验阶段，目的就是解除当时威胁吉林省农业生产的干旱问题，是单纯的抗旱 作业，技术装备也比较落后，没有开展相应的云微物理观测，此阶段也是人工影响天 气工作的初级阶段，当时人们主要根据天气形势、地面及空中的宏观观测来实拖作 业，对云的微物理结构特征了解甚少。第二阶段：1 9 6 3 年一1 9 8 3 年，1 9 6 3 年我省在降 6 第一章序言 雨飞机上分别安装叫一4 3 飞机计、t p z 一2 液态含水量仪、t 雕一l 云滴谱仪、冰雪晶、雨 滴谱铝箔取样器等多种手动宏、微观云物理探测仪器，在抗旱作业的同时，对影响春 季吉林省的降水性层状云开展了云中宏、微观云物理观测，通过系统地观测，对吉林 省春季降水性层状云的微物理结构特征有了初步了解，并且当时得出了一批科研成果 “7 4 “。观测结果表明：吉林省春季降水性层状云中，结构不均匀，微物理量起伏较大， 云中液态含水量少而冰晶多，但和苏联比少l 2 个量级，和西班牙、美国比较浓度 相近i2 “，液态含水量多数小于0 1 9 m 3 ，许多云层在一定高度上已是水云：云中垂直向 冰晶浓度( 直径小于3 0 0 m ) 则很大，达3 1 0 9 7 1 0 个升，最大浓度达2 2 1 0 2 个升。云中冰晶主要来源于冰晶的繁生、冰核的活化以及上层卷云的播种。第三阶 段；自2 0 世纪8 0 年代以来，随着科学技术的发展、探测技术和技术装备的改善，特 别是机载p m s 粒子测量系统的引进，使我省人工影响天气工作迈向新的台阶。该粒子 测量系统主要包括三个取样探头：f s s p 一1 0 0 、2 d c 、2 d p ，三个探头的取样范围达到 o 卜6 4 0 0 ，涵盖了除雪团和冰雹以外的全都粒子，从而能对云中粒子进行全覆盖的 观测，对于分析云中粒子的相互转化、判断粒子的形态特征等具有重要意义。2 0 0 2 年 我省购置了一架运一1 2 专业飞机( 如图卜1 ) 2 1 ，经过改装，飞机加载了温、压、湿度 表、g p s 全球定位系统、空地数据传输系统、热线含水量仪、微波辐射计、p m s 粒子测 量系统等多种宏、微观探测设备及同时用于催化作业的液态二氧化碳播撒设备及碘化 图卜1 经改装后的“y 一1 2 。飞机 f i 9 1 一l “y 一1 2 ”a i r c r a f tr e e q u i p p e d 银播撒设备，可以方便地对各种云进行催化( 如图卜2 ) ”“。 图卜2 安装在飞机上的液态二氧化碳及碘化银播撒设备 f i 9 1 21 i q u i dc 0 2a n da g is e e d i n ge q u i p m e n ti nt h ea i r c r a f t 通过使用这些探测仪器，多次对我省的云降水物理、人工降水资源及自然背景进 行了综合性外场试验研究，分析出了几类主要影响我省的降水云系从天气学至微物理 学的多尺度云物理过程的综合图象，建立了相应的概念模型，揭示了其间相互作用的 某些云物理过程的特点。并对云水资源和人工降水的自然条件进行了综合分析，从而 对我省的人工降水条件有了比较系统、深化的认识；系统地揭示出主要影响我省降水 云系的云与降水微结构的统计特点，降水微物理过程演变特征及其制约因子，为人工 降水作业条件选择及实时监测、作业设计提供了多项物理依据。通过引进和改进各种 云物理模式，研究了自然降水和人工催化的云物理演变过程，模拟出了详细的微物理 7 第一章序言 过程瀵交鼙象，褥垂了扰较台瑾懿结果； 1 4 研究云微物理特征和降水机制的重要激义 嚣蓠我蓬稿警一罄分逑嚣逮下零饕开采畦经建鼹，太强增繁、经济袭震与零羹嚣 短缺的矛盾日盏加剧，嫩态环境进步恶化水资源短缺已严重影响潜我国部分地区 经茨积挺会特苗是表韭粒持续毽藤发曩。在释露鞋宥求姿源熬翅露，遣餐霰婺辩发耨 的水资源。人工增雨，就是开发利用空中嚣水资源，缓解水谥源短缺韵一种有被的新 途径。窀是在避当静云两条静下。赞薅系鞠魏云，袋援耪寝灏人工镂健牧寒，魏变云 降水物理过程，以达到增加局地降水的一顼科学技术。云蜘瑗学是研究有关云的形成 彝产生簿水翁过程赞学辩，嚣显跫理鼗太= ：l ：= 影璃天气麴科学蕊础，爨她云物鬓学嚣研 究日蕊受到重视。云物礴学的研究途径包括：对自然界的云和降东韵形成、演变进行 外场观测研究，对云物壤过程的浆些环节避抒室内模拟试验，竣及利用数学方法进行 云物骥进程的数值模撼研究等。藻中9 蕊躐颡研究撼诀谖云物理过程的最重要盼途径， 因此，世界务地在近半个世纪以嫩先后组织实施了多项大型的外场观测试验计划，使 云穆璃学褥至镕迅速静蠢矮。降承过程静云徽物理鳍翰静禚溅在a 工增两串占意重要瓣 地位。深入认识自然降水的规律熟人工影响天气豹关键内容之一。 强藏，天工彩璃天气工偌圭溪是稳掰蛊然云麓擞糖理不稳定睡，遥遵一是援术方 法改变羞的微结构，从麟改变云降水的发腱过程，选到人工增雨的目的。其中，冷云 戆天工罐诧蹭褥袄据戆蓥零原囊燕b e r g e r o n 过程。l 3 3 年8 8 r g e r o n 提窭了球求瓣宫 云的降水理论( b e r g e r o n 过程) ，即在云中冰相粒子与过冷水滴共存时，由于冰面饱 帮客气鹾纛予辩滚囊下鹃球西蘧魏索气嚣，爨燕攀鲻粒子通嬗零 留散嚣迅速凝牮螬 跃，如果水汽供应不足，水滴就公蒸发补充，从而使云中批存的过冷却水滴转化为较 夫麓球箍，避一劳癌动袋_ 并蓬罄，健舞蹲承躺强或使褥嚣终承嚣产生繇承；荬舞( 1 晷3 8 年) f i 响e i s e n 扩充和完褴的这一理论奠定了冷云降7 k 机制，称为b e r g e r o n f i n d e i s e n 理谚。1 9 蝻年s e 艇a f e r 写￥聃g l l t 籀继茨埂子溶臻l 碘纯镀跫霹辫在避羚云申产生丈 量冰黼的冷却疆和人工冰核型的人工降水冷云催他荆。在遂魑认识的旗础上，通过试 验魏臻论褒究，形壤了键到广薮认可鳇a 王缆弛增褥趣静力催他基本原理理设# 冷云 降水效率不高戏无降求可能是由乎云中缺纛足够盼球棱，可通过人工酌办法g l 入冰核， 促使b e r g e r o n 过程发展，达到鸯效剥崩过冷水赘潍藤增丽的髑豹。严牾地说，在适当 条律一f 逶过播撇千诛和碘纯壤可戳产生大鬣冰晶，献而可以产生南滴，这一碱象也逐 步为嶷验室和辫外的一熄试验所谶实。然瓶，什么魁适当象 牛? 云成舆备什么条件才 髓避苻人工增雨律监? 至今对酶术进程串i 螽供零褶嚣俸精麓擞锯褒过程豹 簿 仍然很少，这然问题没有很深入的认识，惭且各地气象和地形条件不样，谶和降水 第一章序言 黔条制：媳不疑，降承的微物理特锰也会不趣，因此卡势必要通过观测藏了解当地主疆 降隶器系麓臻擒彝产爱酶承静撬髑； 客观的科学的定量的评价人工锉他增雨的效果是人工影响天气幂斗学研究的重鬻组 成部分。近年来世界各地不断开展人工增雨试验，遮荣试验的效果究逝如何，增雨澈果 是否鞠照，这是夫塞壤关心斡差珏要勰凌熬| j ：霉透；但是，囊予爨然降承避塑变差大，影响醛 求量豹翻索多，降永酌定踅预报闯题溉米解决，所矾，人工增雨效巢游客观评价一赢是 一个相当复杂的问题，效果检验也是一谢困扰我们的问题。人工增磷效果检验常用的 方法是统计分析方法，它是以姥两降求懿为统计变鼙。翠瑚检验方法激周的是简单的雨 避黯毙分橱，娃螽麓震燕褥餐熬辘诗捡彀，黯实瓣骥镶雨爨与统诗攘薮鬻量之震魏菠 值进行统计检验，拉出由予降永腑自然变差和估计懂的随机误差芎i 惩的箍异瀚可黼髓 有多大。喾这羊中可麓性禳小，例如小于5 ，刚试为人工倦袍毅采髭著。荦纯静雨量统计 硷验暴露“罴耱”静镌矮，它不瞧 芷鹱糍忧帮瓣量变健瓣凌理强暴关系，统诗分橱继暴 龟缺乏客观毪。2 0 鞋绝瓣年代弑来褥磐莽对效果捻耱，器求获褒黎纯侉麓兹臻理链撂， 簧梭验德纯是否造袋了系列熬物理燮纯，蟊拣晶恭；l 隧拳粒子增多、兹中滋发积上羚遮 度增大等，煮辩琏颡掰爨增多，这被称为镌理检验。汝予蓝溅通信投零舱迅速发展，桃 簸，避鏊等云舞求攘澎设蚕戆蚕辫完謦；捷赣壤统诗羧鼗褥疆实藏。人煞霹瑟睡穗魏预 测具体兹条乎| ：下鄹具体媸健技术静勃理效果，聂然不够精确，但糍措拳秣化改变的物理 攫及熟改变时潮、窆蚓期数量的大致范围，利于效果捡骏的设计秘送杼，具有躯要的研 究意义。 1 5 零敬研究耱蠢义潮辫的 云的微物理结母勾剃照然降水形成的物理过程，是署榭理利人二l = 影响天气研党的激溪 问题。多年来，对云判降7 k 的认识虽b 黼相逝的进腱，但对其细节珲h 降水微物理机制 爨臻乏谈谖。盎然貔鬟过程十努复聚，不仅赛建域菱嘲，嚣量对溺一秘簿永芸系程不 同发麓阶段，其降水机理怒不同的，同一地点不同降嫩天气系统的降水过程也是不同 的。 臻爱线天气系统楚影嗨害转省酶拳鲍重簧天气豢烧，瞧是a 二l = 影旗天气工作盼主 甏研究瓣象，吉林省爨从i 9 鼹年在飞搬土安装了电苏联磺稍静手臻微耩理掇溅蚊器， 捌目薪日| 避的先进的由藏匿雕s 公司生产梳栽粒子颡l 爨系统，黎合炎气动力条件分析， 曾对澎响宙棒省凡大天气系统如；河套低压、蒙古气旋、漩淮气旋鞋冷暖锋雨系谶褥 过一系鲥戮究8 “1 ，叠嚣分耨了且太_ 天气系统瓣云褥客徽蕊结椽特毵、降零靛发生发箴 撬裂厦a 工影霸潜力等鞠穰，毽罄烈大王增爵效累 窜滋一缝统诗分褥。整燕，黠憾 变线袭统满表徽过类 骧的王作。因此，钟对2 4 年7 捌l l 受切变绞影螭鳇天气避摆， 9 第一章序言 测攫现搜他攒撵系统，黄次开展了把微观探测搜器、卫星、雷选、探空、天气、地面 观测结合在一起的综会擐测方法，垒面分析了这次天气过程的话雨微物理结构及降水 机制；并酋次剥用由中国科学院大气物理研究所郭学良开发的三维积层混合云人工增 疆数值模式计算了播撤前后云中各种微物理量的变化及播擞效成；研究的目的在于通 过对这次切变线天气系统的分卡厅研究，全面、系统地了解该切变线尝系降水的宏微观 结构特征、降水形成机制及播云增雨条件等，以提高人工增雨的科学性，减少人工增 雨工作的盲目性：同时充分利用卫爨云图、雷达嚣多种资料，并把这些资料与微观缩 台起来，揭示出切变线降水系统中适宜八工增雨催仡作业的部位和时段，力争提高人 工增雨作业的科学性、针对性和适用性：利用数值模拟计算出催仡前后徽物理量的变 化情况，在个例中获得证实，对今后吉林省入工影响天气工作凝有羹要瓣指等作糟。 1 6 研究内容和方法 针对这次切交线降永云系采用综合搽测的方法，深涮中莽j 溺先进静云降东耪疆探 测设备，缩合卫最、雷运、探空、撼瑶雨量等蕊涮资料，瓣切变线降承云系进行溉涮 研究， 盖获得对翻变线降承云系静擞锈理结掏和鑫然簿永形藏静物理过程兹认识，黑 观测事实零l 数毽楼熬采骏蠡芝a 王增雨；l 晶催纯螽静擞物理鬟交纯及催他效应。 ( 1 ) 剥熠天气姿辩对此次影嚷害抟嚣熬天气蓑统进 予详缨分攒。 ( 2 ) 刊闺极载p 烬粒子测攫系绕所获取麴微观资料对此次切变线系统的篷直结构特援 投徽物理量如云漓、冰晶、霉基、云水禽量豹分布特键进行分析：并对此次切变线系统 的降水机巷进行分析。 ( 3 ) 对三个探头的粒子谱每3 0 0 m 高度取一个平均谱进行分析，利甩负指数式n ( d ) = n 。e x p ( 一xd ) 分别对三个探头的粒子谱进行拟合，对拟台特征参数、 进行分析。 ( 4 ) 利用负指数型n ( d ) 山n o e x p ( 一 d ) 、二二阶r 函数n ( d ) = n o d 2 e x p ( 一 d ) 、多阶r 函数n ( d ) = n o d “e x p ( 一 d ) 、负幂函数n ( d ) = a d “分别对三三个探头的粒子谱进行拟台。 ( 5 ) 利用由中国科学院大气物琏研究所郭学良开发的三维积层混合云人二【增雨数值模 式模拟播撇前后云中各种微物理量的变化及播撤效应； ( 6 ) 利用雷选、地面雨量资料对播撒效栗进行分析。 1 0 第二章天气系统分析 第二章天气系统分析 2 1 东亚地区5 0 嘶p b 大尺度环液背景分析 6 月3 0 日2 0 时从乌拉尔山到勘察加半岛，中高纬地区呈两脊一槽的稳定经向环 流形势。乌拉尔山| 三【西和勘察加半岛以东分别为长波脊区，两脊之间为长波糟区。在 长波槽区内有四个短波槽叠加，它们分别位于巴尔喀什湖、贝加尔湖北部、东北地区 西部和日本岛。到了7 月1 日0 8 时，在睦波槽内的短波槽、脊，缓慢东穆，位于巴尔 喀什湖和东北地区西部之间的短波脊减弱，日本岛的短波槽加深，而在贝加尔湖北部 的短波槽与东北地区西部的短波槽里阶梯槽型，这样使得冷空气能够补充到东北地区 厂一一j 厂 i，、。，j 1，。，。，一 图2 17 月1 日0 8 时5 0 0 h p a 形势图与6 月3 0 日2 0 时2 0 0 h p a 高空急流 f i 9 2 1 0 8 ：0 05 0 0 h p as y n o d t i cs i t u 毗i o nu 【l7 1 ，2 0 0 4 a n d2 0 ：0 0 “口p e ra i rj e to n63 0 ，2 0 0 4 西部的短波槽内，使它东移到东北区加强。另外，在东北区东部有一个相对较强的短 波脊，由丁8 号台风北上促使日本岛的短波槽逐渐加深并台，是东北地区的槽移动较 慢原闽之一这样有利于降水时问延长，锕蓬加大。 在低纬度地区，在台湾岛南部年日本岛南部分别有两个热带风暴( 7 号台风蒲公英 币j8 号台风婷婷) 活动，其中在7 号热带风暴北上过程中，向东北区输送水汽，这在 低层反映的更为明显副热带高压东退到东经1 3 0 度阻东，长江中f 游地区为弱高压 拄。 2 2 中低层切交线的分析 2 2 - l i 低层切变线的分析 。1 。 。一 图2 27 月1 日2 0 时7 0 0 h p a 垂直速度 f i 日2 2 2 0 ：0 07 0 0 h p av e r t i c a lv e l o c i t yo n7 1 ，2 0 0 4 。1 。一一 i一 图2 37 月1 日2 0 时8 5 0 h p a 流场和空间配置 f i 9 2 3 2 0 ：o o8 5 0 h p aa l l o c a t i o no fs l r e 鲫n ef i e a n ds d a c eu f l 7 1 2 0 0 4 1 1 第二章天气系统分析 在6 月3 0 日2 0 时和7 月1 日0 8 时，7 0 0 h p a 和8 5 0 ”a 天气图上，与5 0 0 h p a 对应 的贝湖的槽在东移过程中将北部的冷空气扩散到其南部的槽中，使得该槽加深东移到 东北区，并形成一条位于吉林省中部的一条西北一东南走向的切变线，从8 5 0 l p a 到 7 0 0 h p a 坡度较大，几乎垂直，并且少动，这说明有较大的上升运动。在切变线南部有 两个低空急流中心分别位于大陆高压东侧和7 号台风的北侧，它们在东北区汇合( 见 图2 3 ) ，将黄海和渤海以及台风水汽向北输送到切变线的南侧。2 0 0 h p a 高空急流与 5 0 0 h p a 急流儿乎重合位于切变线的北侧附近。切变与地面的暖锋走向一致，降雨中心 就位于暖锋的北部和7 0 0 l p a 切变线之间的辐合上升区内( 见图2 2 ) ，由图2 3 可见， 降水区就在高空急流的右后方和低空急流的左前方的不稳定区内。 2 3 地面系统分析 6 月3 0 日1 4 时( 如图2 4 ) ，在贝加尔湖以南是一个中心强度为9 9 2 h p a 的蒙古气 旋，东北区为弱高压，在华东地区有一倒槽向北伸到辽宁与吉林交界处，并伴有降水 区，它们之间为高压带，在日本岛有一低压带，到2 0 时( 如图2 5 ) 位于东北区的高压 东移入海，蒙古气旋缓慢东移，在日本岛的低压带南端减弱，倒槽东移，雨区也北抬。 到了1 日0 8 时( 如图2 6 ) ，位于倒槽和蒙古气旋之间的高压带断裂，蒙古气旋也东移 加强，其中暖锋己伸入到我省中部，我省东部的高压也加强，降水开始。到2 日0 2 时 蒙古气旋已经移到东北地区，暖锋北抬减弱切变降水减弱。 【。，一 图2 6 7 月1 日0 8 时地面形势图 7 号和8 号台风开始都向西北方向缓慢移动，到了7 月1 日0 2 时7 号台风向北移 动，而8 号台风转向东北方向移动逐渐移近日本岛东部的低压，这使得在我省东部的 高压稳定加强，系统滞留，降水时间延长，有利于雨量加大。 2 4 形势综合分析 这次切变线天气过程有以下两个特点： 1 2 基聂 第= 章哭气系统分析 从空间上采署，一是簧有不目纬度之间系统相虱作用，二燕要有商低层系统的互稆 配合，兰是要谢上下游琢统之间的相互影响，四是疆有大尺魔与中小尺度的系统的耦 台。簸竣主努毫簿来看，奉次降糸过程基本上其蔷了淤上西条。在降永发生蓊籍中离纬 度一融维持着稳定的两脊一槽的缝向型环流，低纬度则是两个台风穆动缓慢，这样对 琵方鹣冷空气囱寝扩教秘鸯方豹疆湿空气| 麓l l 输送撬供有力豹大只发驹环藏帮景；默 高低空系统的相互配合方面，由网2 3 、2 7 可见，从地面的暖锋到黼空7 0 0 h p a 的切 变线，澎袋了一个不稳定皱辐合上舞嚣，巍箕嚣部糍5 强p 8 薅空摇，将高空冷空气繁 厂一 1，。，。，。，。一 图2 77 月1 臼0 8 时8 5 0 h p a 系统配置 厂 ，。，。，。，。，。一 图2 87 月1 日2 0 时k 指数 入暖镣豹北侧，与低层搿龌囱北输送豹暖瀑空气在甥变线南端据遇形成不稳定送；日 本岛的低压东移后加强假使我省东部的高膳也加强。由此下游效应，造成我省切变的 稳定少动，是满足持续降水不可缺少的条件。 癸产生区域性降水，必须要谢三个重蒙的条件：充沛的水汽；强烈的上升运动( 动 力条件) 和不稳定能量( 熟力条件) 。 驮以上的分析可觅，有稳定的低空急流将黄渤海和7 哥台风的永汽源源不断的向 东北区输送，图2 7 “绿点”区表示湿区，遮说明有较好的水汽条件 由于在暖锋和中 低空切变线之闯其有较鬣的辐合，圈2 吨为垂直速艘东托区为大值医，说明裔强烈斡 上升运动( 如果有7 日0 8 时的垂盥速度就更能说明问题了) ；从以上分析也不难看出， 离层盎予育除梯稽存在，傻褥有乾部斡冷空气不甄商南扩散，藤低屠有疆瀑空气篷藿 低空急流向北输送在东北区形成上冷下暖的不稳定醒，图2 8 ( 如果有7 丑0 8 时的就 更能落溺游瑟了) 是表示不稳定秘瑾量麴k 捂鼗，簌末袭区杰长嚣3 0 凌疆土表示该区蕊 不稳定区。一次降水过稷，往往悬不稳定能量的集