层状降水云系典型结构的飞机观测与数值模拟比较研究

探测技术的发展，对层状降水云系的宏、微观结构可以通过飞机入云和雷达等进行实时的观测；数值模拟的发展，可以模拟出层状降水云系的典型结构，如高空对流泡、0℃层亮带、下挂强回波等。但观测资料和模拟结果在信息上是不对称的，如何弥补两者的差异，使之有机的结合来共同反映降水的机制，具有非常重要的意义。本项目针对北方层状降水云系，对观测采取有方案设计的飞机分层和垂直加密飞行，对数值模拟选择模式不同分辨率、参数化方案，通过研究，使观测资料和模拟结果具有可比性；调整模式参数使之能够再现外场观测的主要典型结构；最后利用观测资料和数值模式结果对降水形成机制进行综合研究，共同揭示层状云降水形成机制，建立以观测事实为依据，数值模式能再现观测主要现象的模拟方法和模式参数。在深入认识和理解降水层状云系基本云物理结构特征和降水形成机制基础上，为人工增雨作业指挥、寻找增雨潜力区提供科学依据和指导。

本项目利用雷达、卫星云图、天气图及飞机穿云观测历史资料，详细分析了冷涡中尺度云系的宏观特征、微物理结构，对降水形成机制进行初步探讨,并采用观测分析与数值模拟研究相结合方法，用中尺度数值模式对积层混合云系做数值模拟，并结合观测资料进一步分析了积层混合云系的微物理结构、粒子形成过程和降水形成机制。通过研究，对冷涡积层混合云中云系回波结构，强度，垂直尺度小，云过冷液态水含量丰富、分层微物理结构，粒子形成增长过程的差异以及冷云和暖云过程对降水的贡献大小有了深入了解；利用毫米波雷达观测资料反演了层状云微物理参数并与飞机联合观测层状云试验资料进行了对比，研究表明：8 mm雷达观测得到的3个量与雨滴谱分析得到的关系比较接近，层状云粒子尺度、数密度和含水量从云顶到云的回波强中心有明显的变化，粒子尺度的增加是回波强度增加的重要原因，毫米波雷达反演得到的降水微物理参数和飞机观测数据具有可比性；利用中尺度模式，模拟了潜热对中尺度系统和降水的影响，表明：在对流云团中,5000 m以上微物理过程起加热作用,以下起冷却作用。微物理过程潜热通过影响云系和降水发展过程、云系动力场,进而影响水汽场、云场和降水，过研究对模式的微物理过程有了深入的认识。.. 其次，借助课题的支助，在2011-2013年吉林人工增雨期间，对吉林省境内的层状云和积层混合云进行20多架次飞机观测，累计飞行96小时，收集了大量pms、gps、温、压、湿和热线含水量仪等设备的综合观测资料。虽然相对于积云而言，层状降水云系是比较均匀的，但事实上云内各种物理量的起伏变化也是非常大的。为此，我们利用课题的支助，对2012年6月29日出现在白城地区的积层混合云，集中2架装备有先进的微观粒子测量系统和宏观观测仪器的飞机，配合雷达、地面加密雨量站等设备，对同一云系的不同部位进行同时观测，共飞行4架次，取得宝贵的科研探测资料，为深入分析层状云系的典型结构特征、降水形成机制，提供了基础数据；课题还利用中尺度数值模式输出资料诊断分析了吉林省境内产生强降水的积层混合云降水过程发生发展的动热力学特征和水汽短期集中机制以及降水机理;利用集合动力因子诊断分析了降水系统的落区和典型动力场和热力场的垂直结构。. 第三，在本项目资助下，出版发表和撰写论文13篇见附件，培养硕士研究生3名。