吉林省长白山地形对降水云系影响的飞机探测和数值模拟研究

The influence of complex terrain on the precipitation cloud system has always been attached great importance. Orographic cloud is the most promising and feasible artificial influence cloud system. At present, aiming at the terrain effect of Changbai Mountain in China, penetrating observation is very limited and there are few in-depth studies on the microphysical mechanism of precipitation formation. Therefore, the study of the project is very meaningful. This project focuses on the scientific problem of terrain precipitation in Changbai Mountain and observation and simulation studies are conducted. It mainly integrates the aircraft field observation, numerical model improvement, numerical sensitivity test and topographic dynamic action and water vapor concentration mechanism analysis. Aircraft observations of the precipitation cloud system in Changbai Mountain on the windward slope, to reveal the distribution and characteristics of cloud microphysical structure orographic precipitation cloud particle spectrum in Changbai Mountain area; The use of aircraft cloud physical observation, to improve the cloud microphysical parameterization scheme; Through the sensitivity test, the mechanism of the elevation and barrier of the windward slope terrain of Changbai Mountain of the dynamic action of precipitation cloud system is revealed; Based on the improved numerical model, the effects of topographic forcing and blocking convergence on the concentration of water vapor are studied, revealing mechanism of short-term local water vapor concentration in windward slope of Changbai Mountain. Through a combination of observation and numerical simulation, we further understand the influence of Changbai Mountain topography on the precipitation and provide scientific basis and guidance for the operation of artificial precipitation enhancement and the search for potential areas for rain enhancement.

复杂地形对降水云系的影响历来受到高度重视，由地形作用产生的地形云也是最具有前景和可行的人工影响云系。目前，针对长白山地形作用产生的云系进行穿云观测研究有限，也缺少对降水形成的微物理机制的深入研究。本项目围绕长白山地形降水这一科学问题开展观测和模拟研究，主要把飞机外场观测、数值模式的改进、数值敏感性试验和地形动力作用及水汽集中机制分析等有机结合起来。通过长白山迎风坡降水云系的飞机观测，揭示长白山地区地形降水云系粒子谱分布和云物理结构特征；利用飞机的云物理观测，改进数值模式的云微物理参数化方案；通过敏感性试验，揭示长白山迎风坡的地形抬升和阻挡对降水云系的动力作用的机理；利用改进的数值模式，研究不同的地形结构和形状的地形强迫抬升和阻挡辐合对局地水汽集中的影响，揭示长白山迎风坡短期局地水汽集中的机制。通过观测和数值模拟的有机结合，深入认识和理解长白山地形对降水云系的影响，为人工增雨提供科学依据。

项目组在长白山麓靖宇县建设了600平方米外场观测基地，增加了云雷达、微雨雷达、微波辐射计、雨滴谱仪，大气重力波观测仪等，建立了观测方舱（配备TSI气溶胶、扫描电迁移颗粒物粒径谱仪和CCN凝结核计数器等）。在2018—2021年，每年5月—9月，4年共20个月开展野外观测试验；根据天气系统发生发展和移动特征，把长白山机场和长春机场作为起降点，设计了垂直结构飞行探测方案，采用追随云团方式，在同一云团内开展飞机地面立体探测试验2次；利用机载宽范围粒径谱仪对吉林省中西部（长春、四平、松原和白城）城市上空10 nm—10 μm 大气颗粒物数浓度谱进行观测,飞行12架次。对比分析了长白山麓和西部平原云凝结核（CCN）特征，研究了4—7月份长白山地形云的时空分布特征；开发了基于WRF模式的常规地面探空资料同化预报系统软件；开展了长白山地形影响下的强对流云降水与大气重力波相互作用研究，对东北冷涡暴雨过程进行了数值模拟研究。发表论文20篇，SCIE 7篇，实用新型专利和软著各1项。成果如下：.1、长白山地形降水后期的层状云，过冷水含量达0.4g/m3，比吉林省西部观测的层状云过冷水含量高1个量级。.2、长白山麓和西部平原 CCN浓度日变化明显，平均数浓度较接近，呈双峰或多峰值分布。4—8月以大陆型特征为主，当有较强降水时，表现为海洋型特征。.3、统计分析了4—7月份长白山地形云的云雷达回波特征，发现强回波区主要分布在2—8 km高度，具有明显的季节性，月际变化较大。.4、长白山麓降水前期大气中悬浮的超细颗粒物粒子浓度较高，20-100 nm的粒子浓度达9.4*104。大值出现在每日下午到20时。相比西南风向时，吹东南风时的颗粒物粒子浓度要高一些。.5、分析了长白山地形暴雨过程重力波特征，发现重力波对暴雨有触发作用，在暴雨发生前2—4 h，有周期约128 min重力波先兆活动，暴雨促进了96-256 min重力波的发展。对暴雨过程中波动能量传播进行分析，发现降水的大值区与EP通量散度的大值区有较好的对应。.6、开发了WRF模式常规地面探空资料同化预报系统软件，改善了模式初始场质量。申请到软件著作权1项。.7、利用WRF模式模拟长白山地形暴雨过程，发现水汽通量散度主要取决于辐合辐散，长白山地形的绕流和爬流对降水的水汽输送均有较大的贡献，绕流水汽通量作用更显著。