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行业专项成果综述-山区人工防雹关键技术及业务应用的研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2020/12/21 10:19:15   标签:   浏览次数:1344

项目编号GYHY201306047

研究周期2013年1月-2016年12月

国拨经费305元(293.2万元

项目负责人】王旭

项目骨干成员】王旭,王洪庆,马禹,银燕,王昀,郭学良,李斌,张焱,陈胜,蒋惠,王玉,陈倩,王式功,庄一洲,杨炳华,尚可政,王雨,吴琼,陈赛男,徐文霞,朱士超,马士剑,郑博华,荆海亮,孙志于,廖飞佳,邴阳

项目承担单位新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室

项目协作单位】北京大学,新疆维吾尔自治区气候中心,中国气象科学研究院,新疆维吾尔自治区信息中心

主要研究成果

利用三维冰雹分档强对流云数值模式,对天山南北坡发生的3次典型冰雹天气形成的云微物理过程和催化过程的数值模拟表明,天山南北坡的冰雹天气产生机制不完全相同。天山南坡的冰雹云中存在过冷雨滴的累积带,冰雹的形成是过冷雨滴直接冻结形成,短时间内就可以形成大冰雹。而天山北坡的冰雹形成主要通过雪的形成后,再形成冰雹,过冷雨滴的累积带比较弱,形成的冰雹尺度一般较小。对天山南坡的防雹作业,需要在短时间内,在过冷雨滴形成时段大量播撒碘化银可起到有效的减雹作用(图1)。而天山北坡的冰雹云作业,需要的剂量和时间要求低于南坡的冰雹云作业。依据数值模拟结果建立了天山南、北坡的防雹作业指标。

采用多种统计分析方法,结合农业经济数据,对新疆人工防雹作业效果进行了对比分析,分析发现新疆人工防雹效果显著,阿克苏地区人工防雹效果更显著。1996年阿克苏地区开展科学防雹作业后冰雹灾害明显减少,年均雹灾面积减少1.5万公顷,年均减少雹灾损失2.8亿元。基于冰雹云雷达回波顶高、强中心回波强度、40dBZ回波顶高这3个物理参数,结合受灾面积数据,构建了计算人工防雹效率的数学模型。采用昭苏盆地和五家渠垦区防雹作业数据,基于该数学模型的计算表明,火箭和高炮的防雹效率分别为75%39%,火箭防雹效率明显高于高炮。

新疆天山南坡大气冰核和沙尘气溶胶的外场观测和数值模拟的结果表明:①20145月在阿克苏地区库车县开展了不同天气背景下大气冰核和大气气溶胶浓度的采样观测,分析发现观测期间受到沙尘天气的影响冰核浓度比平时高出一到两个量级,并且冰核浓度变化与粒径大于0.5μm的气溶胶粗颗粒浓度有很好的相关性(图2),根据实地观测资料得到了冰核浓度与气溶胶粒子浓度以及冰核实验时的温度、过饱和度之间的参数化公式,为数值模式中初始冰晶浓度提供参数化依据。②将DeMott等(2010)提出的异质冰相核化参数化方案成功引入WRF模式,在考虑沙尘气溶胶浓度变化的情景下,通过数值模式研究了气溶胶粒子作为冰核时对新疆强对流云降水及微物理过程的影响。研究发现在背景大气条件和沙尘条件下,冰核浓度增加对降水中心强度影响较小,但降水分布有较明显变化。同时,在背景和沙尘条件下增加冰核都使得云滴质量混合比和数浓度均有小幅度增加。随着对流云的发展,雨滴主要的源项由雨滴碰并云滴转为霰的融化。在背景大气条件和沙尘条件下,冰核浓度的增加使得冰晶和雪的质量混合比和数浓度有较大的增加。

“基于卫星观测资料的强对流云监测预警”的研究初期主要使用了MTSAT-1/2R卫星数据,后续陆续使用了日本HMW8(葵花8)和中国FY-4A卫星观测资料进行了前期方法的扩充试验(增加若干IR指标,时空分辨率提高),取得的主要研究成果包括以下2个方面。(1)长时间序列卫星观测资料的统计分析,获得多IR观测指标在对流发展过程中的数值变化关系,为联合多IR指标实现强对流云的监测预警提供基础性的理论支撑。通过统计获得的数值关系模型(二维频次直方图),获得了若干有科学应用价值的结果,包括:两个长波红外通道的亮温差指标BTD12.3-11.2在发展对流云中的指示作用,单IR通道云顶亮温(BT10.8)在强对流云判识中的区域局限性,云对流发展模型,基于云观测的对流层顶高度估算。(2)联合使用卫星多IR指标实现垂直快速发展对流云的监测预警(图3)。包括:基于多项式展开的光流法快速反演像素级的大气运动矢量AMV(云导风CMV和水汽风WMV),基于AMV追踪计算对流云顶的亮温时间变化率,联合使用水汽通道亮温差BTD6.2-7.0和窗区通道亮温差BTD12 .3-11.2以及二氧化碳通道云顶亮温BT13.3实现垂直快速发展对流云的监测和预警,还可用于云顶垂直发展速度的估算以及初生对流的判识。

 

成果应用情况

《新疆人工影响天气业务系统》建立了功能强大的数据库,通过现代化通信、计算机网络、数据库技术,利用相关算法,实现了天气监测、数值预报、人影指导产品、人影信息服务、人影业务管理信息的实时整合发布。《新疆强对流天气预警系统》实现的功能包括2部分内容,一是利用新疆14个探空站141720时探空数据和EC伪探空数据计算对流参数,根据设定的阈值自动预警和闪烁提示;二是基于云数值模式计算输出各个探空站强对流天气流场及含水量预警产品,呈现每个探空站点三维强对流云数值模式不同高度上的流场结构及其含水量,通过低层明显强辐合、中层对称的气旋和反气旋双涡旋流型进一步识别冰雹云体系,结合探空站物理参量进一步提示预警。《阿克苏地区和奎玛流域冰雹潜势预报系统》实现的功能包括:阿克苏地区和奎玛流域冰雹背景数据库,阿克苏地区和奎玛流域冰雹天气系统自动识别子系统,阿克苏地区和奎玛流域冰雹物理量诊断子系统,基于数值预报产品释用的阿克苏地区和奎玛流域冰雹动力—统计预报子系统,阿克苏地区和奎玛流域符合业务流程的自动化冰雹潜势预报结果的可视化显示子系统。《阿克苏地区和奎玛流域冰雹潜势预报系统》的输出产品为未来24小时阿克苏地区和奎玛流域不同县域冰雹的分型预报、相似预报、综合预报产品。

在新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室的11楼业务平台,《新疆人工影响天气业务系统》于20162018年进行了业务试验运行,《新疆强对流天气预警系统》于20182019年进行了业务试验运行,通过WEB方式,新疆14个地州86个县市的人工影响天气单位(包括气象系统和县农业局)均能访问这2个业务系统,取得2个业务系统生成的各类产品。在新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室的11楼业务平台,《阿克苏地区和奎玛流域冰雹潜势预报系统》于20172019年进行了业务试验运行,新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室所属的业务中心值班人员,每日参考《阿克苏地区和奎玛流域冰雹潜势预报系统》给出的雷暴(冰雹)预报结果,制作新疆人工防雹重点区域阿克苏地区和奎玛流域的冰雹预报指导产品。

  利用近13年的雷达资料和冰雹灾害灾情数据,统计分析了天山山脉两侧冰雹云源地、移动路径和强度变化,研究成果通过新疆“十二五”(20112015)、“十三五”(20162020)人影工程建设,优化了山区高炮、火箭作业布局。项目建立的天山山脉两侧冰雹云降雹前30分钟和降雹前18分钟雹云预警指标,在新疆人工防雹作业指挥中得到应用,并发挥了重要作用。通过项目研究还搭建起两个气象数据应用(定量分析)基础平台,它们分别是:(1)基于雷达资料的对流风暴识别、追踪和预警系统RADStorm;(2)基于卫星资料的强对流云识别、追踪、预警和统计分析系统SATCloud。这两个系统(平台)的部分模块已经在强对流天气的教学和科研中发挥了重要作用。另外,这两个平台目前仍在继续发展、完善和应用扩展。


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