北京海坨山冬季降雪云系垂直动力结构及其微物理特征的综合观测与数值模拟研究

Winter snowfall plays an important role in water resources and ecological protection in Beijing, while systematic study aiming at winter snow structures in Beijing is rare, study in vertical dynamics and micro physical structure features in winter snow is more rare. Ski race of the 2022 winter Olympics will be organized in Beijing yanqing haituo mountain, this project plan to use vertical comprehensive science experiment data, including networking weather radar, wind profile radar, cloud radar, microwave radiometer, automatic station, L-band radiosonde and so on, combine with the mesoscale numerical model simulations, analyzing the typical vertical dynamics structure and micro physical features caused by it of winter snow in the winter Olympic Games area in haituo mountain, extracting vertical dynamics structure and micro physical process model of winter snow in haituo mountain. Based on the research results above, providing a scientific basis for winter orographic clouds artificial snow.

冬季降雪对北京水资源、生态保护具有重要作用，但过去针对北京冬季降雪云系的系统性研究较少，特别是冬季降雪云系的垂直动力结构、微物理过程的研究很少。2022年冬奥会滑雪比赛将在北京延庆海坨山地区进行，本项目计划依托针对此次冬奥会气象保障开展的综合科学试验，包括组网天气雷达、风廓线雷达、云雷达、微波辐射计、自动站、L波段探空仪等垂直综合观测设备，结合中尺度数值模式模拟，着重分析海坨山冬奥会比赛地区冬季降雪云系典型垂直动力结构及其引起的微物理变化特征，提炼海坨山地区降雪的垂直动力结构和微物理过程模型。基于以上研究结果，为冬季地形云人工增雪提供科学依据。

冬季降雪对北京水资源、生态保护具有重要作用，冬季山区降雪云系是云和降水物理学的重要研究对象之一，但过去针对北京冬季降雪云系的系统性研究较少，特别是冬季降雪云系的垂直动力结构、微物理过程的研究很少。2022年冬奥会滑雪比赛将在北京延庆海坨山地区进行，本项目依托针对此次冬奥会气象保障开展的综合科学试验，包括组网天气雷达、风廓线雷达、云雷达、微波辐射计、自动站、L波段探空仪等垂直综合观测设备，结合中尺度数值模式模拟，分析了海坨山冬奥会比赛地区冬季降雪云系典型垂直动力结构及其引起的微物理变化特征，获得了海坨山地区降雪的垂直动力结构和微物理过程模型。研究表明：（1）垂直观测数据结合中尺度模式可获得降雪的详细结构和宏观、微观物理信息， 揭示了一定动力条件下北京延庆海坨山地区降雪发生前、中、后期云的垂直演变特征，可用于降雪的深入研究。（2）水平风场显示，中高层较强暖湿气流在低层冷空气上爬升导致降雪形成，4～5 km 处的风切变有利于降雪的增强。（3）上升气流在冰云形成过程中起重要作用，北京海坨山降雪的上升气流为分米每秒量级，位于云系中上部，有助于水汽的输送、冰—雪自动转化和雪晶粒子之间的凝华与聚合，冰含量大值区与上升速度大值区一致，且冰晶数浓度中心对应着上升运动的顶部。（4）降雪过程主要由海坨山地形抬升运动导致，高层冰晶在下落过程中转化为雪，经过凝华、聚合增长，为降雪发展提供了有利条件。然而低层过冷云水含量不足，液态水含量和水汽密度小，降雪回波弱，回波顶高较低，雪花垂直下落速度小。地面降水量大值时刻与低层的强回波区时刻相对应。北京海坨山区降雪粒子谱分布范围较窄，主要以直径 1 mm 左右的小粒子为主，相态较单一，以干雪为主，基本不存在混合相态，降雪主要以凝华和聚并增长为主，二次冰晶过程较少。基于以上项目研究结果，获得了北京山区降雪的主要特征和形成机制，可以为临近预报和人工影响天气提供技术支撑，提高山区蓄水量，有利于重大活动保障，具有很高的经济和社会价值。