冬季云和降水的特点在北京北部山区

文摘

很少有研究报道冬季云和降水的特点坨山脉北部的北京2022年冬季奥运会将在那里举行。本文概述了综合数据集,包括表面测量、遥感和飞机测量,研究山区云和降水特征。分析结果表明:(1)高层槽和涡是主要的天气系统在所有12例。(2)只在夜间降水发生的58%,只有8%的降雪发生只在白天,但在表面逆槽降雪12例(4)坚持从晚上调到白天达到20小时;降雪持续至少3小时降雪的83%,在50%的情况下,5 - 10小时,超过10个小时,33%的风暴。在67%的情况下,最大降雪发生在最初的1 - 2小时。(3)12例,83%的地形云达到严、增加西南大风之后,导致能见度低于100米。(4)在降雪,主导风向西南。开始的降雪和西南风力的增加。根据降雪维护与相应加强西南风力和消散西南风力的后退。 Whenever the snowfall stopped, the northwest wind was strong at all heights. (5) The first peak value of integral liquid water appeared in the early stage of snow, and we also observed integral liquid water increases with orographic cloud uplift, presenting potentially favorable seeding opportunities in 10 cases. (6) The primary crystal habits collected at Yan Jiaping during steady snowfall were rimed and aggregated planar dendrites.

1。介绍

2022年冬季奥运会将在北京北部的坨山举行。以确保一个成功的冬季奥运会,自然积雪是一个必需的气象条件。气候统计数据显示中国北方降雪的减少(1]。人工影响天气坨山脉地区冬季积雪增加被认为是。人工影响天气的成功在这个地区需要一个清晰的知识自然云和降水可以提高当地的降雪。

利用科学的人工影响天气技术的成功增加降水在山区是非常依赖于理解降水过程。自1940年代以来,表面、遥感、测量和飞机已经使用在美国西部的山脉研究云和降水特征(2- - - - - -5]。在1980年代,中国开始机载和地面观测研究冬季降水过程在山田在中国西部的新疆维吾尔自治区(6- - - - - -9]。这些研究表明山区之间的显著差异,强调了需要学习和理解不同地区冬季山区云系统的特征。最近的创新观察进展机载云雷达和激光雷达和地面移动雷达使用原位测量[10]。这样的测量技术可以提高我们的理解自然降水的关键特性。

以前的观测的冬季云和降水很少坨山(11]。在2016年和2022年之间地形降水和集成播云试验(最好)将由北京市人工影响天气办公室(BWMO)坨山脉北部的北京来确定(1)冬季云和降水的自然条件,(2)在本地区人工增雨潜力的评价,(3)集成的影响播种(通过飞机和地面)的云层和降水坨山。本研究主要是集中在第一个目标和第二个目标的一部分。

BWMO第一观察项目坨山冬季开始的2016/17。这些实验的目的是描述的自然结构冬云系统和评估潜在的降雪增加。本文是基于收集的数据在降雪的12例。使用表面自然云和降水特征进行了研究,遥感、航空测量。Ludlam [12)提出了一个概念模型的播种山云增强降雪利用过冷液体水(SLW)。研究表明,冬季地形云是适合播种降雪增加(13]。为了评估降水增加的潜力,飞机和地面仪器如辐射计(14- - - - - -16)测量持续的过冷液体水(SLW)地形云。摘要辐射计和机载测量是用来检查过冷水的特征字段。以下部分比较两个案例研究,说明降雪的物理结构和时间演化系统在早期阶段,稳定的时期,降雪的结束。一个案例分析了粒子物理学的雪云。固体降水粒子的习惯在地面上的上下文中研究了降雪。

2。数据和方法

2.1。研究网站

坨山(图1),这一部分的燕山脉位于北京市区西北约90公里,从西北到东南逐渐运行。山顶(2241米,高度高于平均海平面)是平的,10公里长,500米宽。气象自动站建于2014年。实地测量在2014 - 2015年的冬天显示平均每风暴在冬季降雪是0.37毫米小坨山的顶部附近(2018米),约0.63毫米在山坡上常Chonggou(1316米)。大约0.80毫米的底部附近的山在Xi Dazhuangke(928米)。

机场是坨东南64公里的山脉,和航班限制该地区超过最低航路高度2900米。燕Jiaping (YJP),位于“115°44′N, 40°31′E, 1344,“房屋综合观测系统,这是西南约6公里坨山的山脊。

2.2。表面测量

以下仪器可以在冬季的2016/17:气象自动站6要素(温度、湿度、气压、风速、风向,和降水指标)在小坨,Er坨(1805米),Chang Chonggou, Xi Dazhuangke气象自动站和5要素(温度、湿度、气压、风速、风向)在歌山(756米)。来自中国的自动雨量计类型HYA-APG华芸公司。灵敏度为0.1毫米,最大测量误差为±0.4毫米。北京气象服务信息中心(BMS)校准降水数据(包括气象自动站数据)。探空站在关Xiangtai(54511)北京市区附近,位于坨山脉东南90公里。调查期间降雪天气可以提供背景信息坨山区域的环境条件。

YJP有fm - 100滴谱仪(来自美国DMT Inc .)、降水雨滴测量器,可见性传感器,节目类型混合云室(5 L),和便携式six-element(温度、湿度、气压、风速、风向、太阳总辐射)自动气象站。没有自动雨量计,中国标准雨量计是用来测量降水、积雪深度数据时收集的游标卡尺在雨量计。实验发现,中国标准地面雨量计抓住73%的相对真实的降雪(17]。接头尺寸和下降速度分布的粒子与粒子大小和速度测量(PARSIVEL)降水雨滴测量器18]。同时,习惯霜和聚合特点YJP降雪的显微摄影捕捉到在7.6厘米×2.6厘米幻灯片。测量大约5到30秒收集整个风暴。

2.3。仪器上的飞机

飞机测量中列出本文在案例1。Kingair350云提供的数据是研究飞机BWMO提供的。本报告中使用的主要仪器包括一个快速云滴探针(FCDP), 3 v-cpi,飞机综合气象计量系统(Aimms-20)。

FCDP,规范公司开发的措施通过探测粒子的光量分散到光学孔径在通过激光粒子相互作用。FCDP包括fssp - 300光学与针孔限制景深(19]。FCDP 20等距的箱子,可以从2-50大小颗粒μ米3的一项决议μm。这份报告的LWC FCDP计算的结果。

3 v-cpi探针,由规范公司,结合了云粒子成像仪(CPI)和2 d立体探头(2 d - s)到一个单独的工具。2 d - s是一个机载仪器,测量尺寸,形状和颗粒的浓度由两个代表性的激光阵列(20.]。2 d - s V频道运营10 - 1280μ米(10μm分辨率)。2 d - s H通道在50 - 6400μ米(50μm分辨率)。云粒子成像(CPI)引发的2 d - s将图像粒子在1024×1024像素的电荷耦合装置(CCD)。从10 CPI捕捉影像的粒子μ米2毫米(21]。

调查每年校准测量赛季前和仪器维护之前和之后的每一个航班。

研究飞机,飞机空调- 350,获得的数据在冬季案例1。

2.4。遥感和其他测量

日期从风速剖面雷达(Airda - 3000,从中国Airda公司),35-channel微波辐射计,8毫米波长云雷达在YJP收集。提供的风速剖面雷达信息标准高度的风速和风向。风速剖面雷达的检测频率为1290 MHz,和风速和风向的检测精度≤1.5 m / s,≤10°。辐射仪监测的时空演化云中液态水。云雷达监控云回波特性和回波高度,并引入了钟等。22]。互补对称脉冲技术在8毫米波长云雷达用于弱回声强度云。

宽脉冲弱回声强度检测中表现良好,但它错过信息高度较低的云。低水平的窄脉冲用于补充云,但有限的检测能力。在图的差距6显示情况与弱回波强度较低的高度。天气数据和卫星数据来自中国气象局(CMA)和怀俄明大学的(UW)。百时美施贵宝提供气象自动站数据分析。Magono和李(23)晶体的分类也使用。

2.5。案例信息

冬季12降雪病例收集的2016/17(表1)。天气条件分析了根据天气地图在0800或2000(当地时间)在降雪,在YJP收集和降雪特征。频繁的飞机不安全的飞行条件有限测量12例1,和天气条件相似情况1和情况9和11。案例1飞机结果因此用作补充到云信息在这些情况下。

12个降雪病例发生在三种天气环境。气候统计数据表明主要的降雪天气系统低槽,低涡、回流(24]。下一节说明了降水过程中三个典型案例。槽的病例包括两个例子风暴(2017年2月21日,2016年1月16日)和低涡降雪(2017年1月7日)。在下一节中,比较两个案例研究,说明降雪的物理结构和时间演化系统在早期阶段,稳定的时期,和结束。一个案例分析了粒子物理学的雪云。固体降水粒子的习惯在地面上的上下文中研究了降雪。

3所示。结果与讨论

3.1。一些降雪的一般特征

表1展示了主要的天气系统在高空低槽和低涡与辐合区,倒槽或东风返回当前在地上。经常出现中度或大雪与低槽或涡和倒槽或东风返回当前同时发生。弱者槽生产小雪在地上没有积雪的山区。图2显示了500 hPa高度,分析温度场,听起来关Xiangtai(54511) 2017年1月7日和卫星图像(9例)和2017年2月21日(11例)。卫星图像捕获的最大降雪,以防9和11例。云系统,以防11比9,更深入、更广泛分布和云系统在这两种情况下从西南向东北坨山。在降雪,水蒸气在北京支持西南气流在低水平。坨山的平均海拔高于1500米(约850 hPa)。关的测深Xiangtai(54511)显示了含水饱和度分布从850 hPa - 450 hPa 11,而空气饱和仅从850 hPa - 550 hPa在9。在情况下11西南风力比9,含水饱和度对应区域。结果的最大降雪11十倍大于案件9尤其是在山的前面(图3)。降水的分布率在不同海拔下通常低顶点(9例)和低槽条件(11)坨山表明两种典型天气条件影响降水率。

表1列出了降雪时间、持续时间、最大降雪时间、最大降雪强度,以及是否地形云爬到YJP在各种情况下。92%(12例)的降水时间连续(除了6)。日出是北京冬天大约0700。日落时间是大约1700。因此,晚上是指1700 - 0700,白天是0700 - 0700。12例,58%的降水发生只在夜间(1700 - 0700),只有8%的降雪发生只在白天(0700 - 1700)。此外,34%的降雪持续从夜晚到白天。下表面逆槽,降雪12例(4)与最大持续时间从夜晚到白天20小时。降雪维持在83%的情况下超过3小时。持续5 - 10小时降水病例的50%和33%的暴风雨雪10多个小时。最大的降雪在早期阶段(降雪开始后1 - 2小时内)在67%的情况下。 The maximum snowfall intensity was 3.5 mm/h with an average 0.8 mm/h.

载人YJP的观察结果显示,83%的地形云在12例,导致能见度低于100米,爬的YJP沿着东南和西南谷在降水和返回到谷或降雪停止后消失。某些情况下,(2017年3月23日,2016年11月10日,2017年2月21日)显示重复运动的地形云去车站,在谷中徘徊。

云种散播的表面温度是至关重要的地面播洒至发电机坨山脉。Xi Dazhuangke的海拔约928米。播种的地面发电机发生在海拔900 - 1000米。表面温度是一个主要指标是否有效的地面播种。它缺乏温度传感器附近的发电机。地面温度统计在Xi Dazhuangke降雪显示平均地面温度低于0°C和平均表面温度在11月,12月,1月,2月和3月是−2.4°C,−4.9°C,−7.1°C,−6.8°C,分别和−1.3°C。2022年冬季奥运会将在2月份举行的温度可能会适用于地面云种散播。2022年冬季残奥会将于今年3月,和表面温度不会更好的条件。

3.2。降雪进化的特点

3.2.1之上。早期的降雪

降雪之前,云通常分层坨山脉的高水平。云的反射率是−5 dBZ (±5 dBZ) 9 (0300 - 0500)。11(0700 - 0900),云的反射率是不同的,从0到5 dBZ最大回波强度与相应的温度接近8公里−45°C。在地表地形云爬山脉YJP但不移动。与西南风在低水平和地形攀升至YJP(图4),降雪从YJP开始。

微波辐射计观测表明,在雪的形成阶段,积分液态水(ILW)逐渐增加,达到第一个峰值约0.15毫米的情况下9和11日与水含量的分布(LWC)从1344到大约4.5公里(图5),这表明更多的SLW的降雪。因此可以影响机载云雪增强,所以任何降雪的形成阶段为机载云种散播的可能是一个有利的机会。

的主要固体降水粒子收集在YJP平面树突,盘子,子弹和不规则的粒子没有rim和骨料(数字7 (d),7 (e),7 (f),7 (g))。霰粒子(图7 (h)在初冬)然而常见(5例),冬季(12例),年底载人观察显示地形云长期坚持在YJP降雪。冰和霜似乎吸积是显而易见的地面观测仪器(没有显示)。

3.2.2。稳定的降雪

稳定期间的降雪,广域云系统明显坨山,成为连续和深度。图6表明,云低槽的深度(11,0600 - 1300)是厚的比低涡(9,1000 - 1900)。云顶高度以防11近7公里(平均回波强度)与相应的温度低于−40°C,而它与相应的温度小于4.5公里只有−25°C,以防9。降雪前增加后者的10倍。云反射率在9例表现出小变化与低反射率10 dBZ附近,但在案例11云反射率达到25 dBZ。这再次表明,两个典型天气条件影响云结构从而影响的雪在地上。

风从气象自动站观测Xi Dazhuangke和Chang Chonggou坨山面前,展示了来自东南风在降雪(图占主导地位8例1为例)。风分析器雷达(图4)显示的最大高度的分布下的西南风低涡(例9)逐渐增加从2.3公里到4.4公里,地形云的时候爬上YJP持续时间(2小时)。然而,从表面到约6.0公里的气流坨山低槽(11例)下不断由西南风力、控制和地形云反复搬到车站。此外,西南风的强度和高度高于9,和相应的降雪也显著提高。这表明西南风力扮演重要的角色在降雪和地形云的形成。

降雪和降雨率似乎西南风速的函数。暴风雨持续ILW和LWC逐渐减少(图5)。应该注意的是,在高海拔LWC降雪的稳定时期,但当地形云爬上YJP,微波辐射计观测表明,ILW再次出现subpeak(0.12毫米/小时),和LWC概要图5显示了LWC的分布主要是低于2.3公里。因此,地形云有潜力的地面(总高度0.9 - -1.0公里)雪增大。地形云的发生可能是一个良好的时间进行播云地面的方法。

根据能见度表数据(未显示),能见度一般低于100米(部分低于50米)时,地形云爬上YJP。地形云顶是超过1344,2022年冬季奥林匹克运动会的比赛场地坨山1.3公里和2.2公里之间。地形云限制赛车轨道上的可见性,和低能见度可以是一个严重的安全关注运动员和裁判,和低能见度由于雾或雪可能会延迟或推迟事件与冬季奥运会(25]。因此,地形云降雪将影响冬季奥运会期间,应该监视。

图7显示例子YJP固体降水粒子的收集。降水粒子通常rim和聚合树突,但边缘板、板、霰和不规则的粒子也会发生。

3.2.3。降雪的结束

随着西南风力减弱,雪的9(1400 - 1600)和案件11(2000 - 2100)达到耗散的阶段,和降水率急剧下降(图4)。SLW不断消耗,削弱了(图5)。板、列限制列,不规则的粒子没有rim和骨料是常见的YJP(数字7 (e),7 (f),7(我)晶体),很可能没有遇到液态水这表明较低的SLW在云计算和云种散播没有潜力的降雪(26]。

作为整个层是由来自西北的风,雪停了。来自西北的风强劲,吹雪。在100%的12例,强风降雪后发生。1988年,大风影响操作在卡尔加里冬季奥运会(25]。风也可能对2022年冬季奥运会产生巨大影响。

3.3。粒子物理学的雪云

2016年1月16日,一个倾斜槽系统通过坨山区。案例1中的高空天气系统是类似于11,但地面系统不同。在例1和例9,地面天气形势疲软的倒槽,但低压控制表面情况,以防11。红外卫星(图中未显示)表明一个云带从西北到东南逐渐扩大,覆盖坨山。在1800年至0100年之间,一个上层冷空气带穿过坨山,风切变发生在850 hPa在这段时间。降雪开始约为1900,到2400年结束,和最大积雪时间2000(数据8 (b)和8 (c))。

空调- 350飞机上面的云粒子物理学特性测量坨山区2016年1月16日。飞机来回飞从西北到东南8种不同海拔地区,6800米,5700米,5100米,4500米,4000米,3500米,3200米,2900米,坨山区(图8(一个))。飞机进一步穿透云层从西到东坨山。云顶大约是5800米。飞行时间从1938年到2037年。从数据我们可以看到8(一个)和8 (b)云渗透时间对应最大的降雪在地上。基于有限的飞行测量,雪云的微物理结构的分析和讨论如下:

3.3.1。冰粒子形状雪云

冰粒子形状被2 ds调查。上方的云(4000 - 5700),冰粒子相对较小。主恒星水晶,水晶是列,不规则的晶体,小霰,盘子。中间的层云(3500米),冰晶的大小更大比上云。冰晶形状类似于上部。在云的下部(3200米和2900米)大的冰晶大小。恒星晶体,晶体形状板列,不规则冰晶、霰。冰冻还发现在云滴,所以是rim和执着晶体。晶体形状的云一样地观察。

3.3.2。冰和水含量的浓度

云计算的水含量FCDP探针的飞机。冰浓度是衡量2 ds-h通道(50μm分辨率)。图9显示了水含量和冰浓度在不同高度,以及表面高程低于飞机。云顶的高度是5800米。

在中低水含量的云层小于上层。云中的水含量低于5100米小于0.05 g / m³。在5700米,水含量显著增加,达到0.2 g / m³与多个峰值的0.1 - -0.2 g / m³。这表明,在稳定阶段的雪云,水含量是消费。因此,对于案例1、飞机播种仍有潜在的云的顶部附近。

更多的冰晶体存在顶部附近的比在较低的层云。冰晶浓度低于4000米是30 ~ 150 # / L。它小于50 # 4000米~ 5100米/ L。然而,在上层,冰浓度可能达到450 # / L。该地区云的云顶附近发现一个主要来源的冰晶云。

4所示。结论

介绍了冬季云和降水的性质和属性坨山推断从地面和机载观测超过2016 - 2017年的冬天。的主要特征概括如下。

(1)槽的主要天气系统和低涡在高海拔与辐合区、倒槽或东风返回当前在地上。中度或大雪通常发生在低槽或涡和倒槽或东风返回当前同时发生。

(2)晚上降雪只发生在58%的情况下,和下雪只在白天在8%的情况下。具有逆槽表面天气12例(4),下雪从夜晚到白天的最大持续时间20小时。在83%的情况下,下雪了超过3小时。在50%的情况下,降水持续5到10个小时。和10多个小时的降雪持续时间发生在33%的风暴。最大的降雪在早期(1 - 2小时内降雪开始后)在67%的情况下。

(3)地形云的83% 12例导致能见度低于100米,经常爬YJP沿着山谷的东南和西南期间降水(小雪除外)并返回到山谷的降雪后停了下来。某些情况下显示地形云重复运动到车站,在谷中徘徊。

(4)的持续时间和强度的雪似乎强烈西南气流的函数。

(5)SLW更大的降雪,机载雪和云有潜力提高,所以雪的形成阶段为机载云种散播的可能是一个有利的机会。地形云到达YJP时,他们有更多的SLW和地面积雪增加的潜力。地形云的发生可能是一个有利时机,开展地面云种散播。

(6)持续降雪期间,主晶体习惯收集在YJP rim和聚合平面树突,所观察到的类似的飞机云水平较低。主要固体降水粒子收集在YJP早期阶段和结束时的降雪平面树突,板,和不规则颗粒没有被rim和聚合。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者想表达谢意大丁教授和Mengyu黄先生有价值的讨论关于冬季云和降水的观测坨山;杨高,魏先生,平先生,范先生王,九江盛先生和Xuebin先生张,参与飞机观测;飞阳先生,Xincan贾女士,邢女士,严女士杨鑫郭女士和先生本,参与地面观测;和刘(Wu先生和Jianyong天气形势分析。这项工作是由北京市自然科学基金(批准号8172023和8172023),北京气象服务的科技项目(批准号BMBKJ201506001),中国国家自然科学基金(批准号下的国家自然科学基金委)41775138,北京市科学技术委员会(批准号D171100000717001),中国国家自然科学基金(批准号下的国家自然科学基金委)41675138。

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