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《南京信息工程大学》 2012年 博士论文
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河北省春秋季层状降水云系宏微观结构观测和数值模拟研究

居丽玲  
【摘要】:为了抗旱减灾、缓解水资源短缺、保障国家粮食安全,河北省每年的春秋两季均开展飞机人工增雨作业。在作业的同时利用机载粒子测量系统PMS进行云物理探测,研究云系结构和降水形成机制,从而提高人工增雨的科学性、针对性和有效性。本文利用2005-2009年河北省春秋季常规天气资料、非常规气象资料以及机载PMS探测资料,采用天气学和云物理学相结合的方法,研究了河北省春秋季层状降水云系的宏观结构、云与降水的微物理特征,探讨了云系的可播性条件;通过典型个例综合观测分析和数值模拟,揭示了降水形成的物理机制,丰富了对河北地区层状降水云系物理特性的认识。得到如下主要结论: 1.河北省春秋季层状降水云系的宏观特征。影响河北省春秋季并可产生降水的天气系统主要有低槽、冷锋、低涡、气旋、切变线、回流等,其中低槽、冷锋是主要影响系统。不同天气系统在春秋两季对降水量的贡献不同。大范围层状云系内部具有非均匀性结构特征,造成地面降水的不均匀分布。大部分的水汽含量集中在大气中低层,500hPa以下水汽占了整层水汽含量的93%-98%以上。层状云降水天气绝大多数为热力稳定型但同时存在位势不稳定区,并存在弱的垂直上升速度。 2.河北省春秋季层状降水云系的微物理特征。河北省2005-2009年春秋季层状降水云系云粒子浓度14~205个/cm3,平均直径7~18μm,King探头实测云中平均液态水含量0.26 g/m3,最大1.636g/m3,平均冰晶浓度为27.7个/L。春季云粒子浓度、云滴含水量、平均直径比秋季大。冷锋过境前后,云微物理要素差异较大。在冷锋过境前平均云滴浓度相对较大,粒子直径偏小,云水含量相对较低;云系发展旺盛或成熟期,云滴浓度下降明显,粒子直径普遍增大,冰晶粒子数量增加;冷锋过境后,云滴浓度进一步下降,云粒子直径和云水含量继续增大,冰晶粒子数量和冰晶直径都减小。冷锋过境前后,As云和Sc云内,云微物理量要素变化显著,但云粒子谱变化不大。 3.河北省春秋季云系的可播性条件。观测研究表明,河北省2005-2009年春、秋季层状降水云系大多具有多层结构,符合“催化云—供水云”结构,有利于降水的云层结构是下层配合Ns或Sc的Asop云占55.7%。降水性层状云系过冷层厚度平均1414m,符合可播性条件。降水云系过冷层含水量丰富,87%的架次观测到含水量大于0.1 g/m3的过冷水区。King探头实测平均为0.16g/m3,春季略高于秋季;过冷水含量随云系的不同发展阶段、不同部位有很大差异,而不同降水云型其过冷水含量也有很大不同。云滴最大浓度大多在21~216个/cm3之间。降水云层的冰晶浓度较低,冰晶浓度小于27.7个/L的占到55%,具有较大的人工引晶催化潜力,播撒层基本上在-2~-8℃。 4.揭示了降水形成的物理机制。选取2008年10月4日~5日河北省出现的一次典型冷锋层状云降水过程进行观测和数值模拟分析。研究表明,冷锋云系符合“催化—供给”机制。云内高层是冰晶,中层是雪,接下来是霰和过冷云水组成的冰水混合层,最下方是暖水层。供水云为锋下层积云,有云滴、雨滴和从上层降落下来以后融化的雪和霰,紧接着靠液滴间碰并增长形成降水粒子。催化云为锋上高层云,是由冰晶、雪、霰和过冷云水组成的冰水混合云,冰晶和雪的增长不仅有冰晶的凝华和聚合过程,还包含雪晶凇附过冷水和攀附过程,卷层云中的冰晶对高层云起着自然催化作用。降水云系冷云过程与暖云过程共存,降水主要以冷云过程发动。降水发展的不同时段,云内结构、各种湿物质之间的转化关系和雨水形成机制都存在明显差异。


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