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。2022年北京冬奥会滑雪比赛将在海坨山区进行,充分了解海坨山冬季降雪云系的垂直结构和降雪形成机理,可以为北京山区人工增雪催化作业提供决策理论依据,这对提高山区降雪量、增加内陆河蓄水量具有重要意义。随着近年来大气探测技术和数值模式的发展,国内外学者对冬季降雪云系的发生发展机制有更加深入的认识,对降雪云体的宏、微观物理特征有了更丰富的理解,这为我们开展冬季降雪云观测和模拟研究提供了很好的研究基础。目前对北京地区的冬季降雪云系研究工作开展较少,针对北京延庆海坨山地区冬季降雪云系垂直动力、微物理结构的综合观测和数值模拟研究基本没有。经过质量控制之后的风廓线雷达、云雷达和微波辐射计的数据垂直精度高,可实现对降雪云系的连续观测。本文利用自动气象站、风廓线雷达、云雷达、微波辐射计、机载云粒子测量系统和雨滴谱仪等设备的综合观测数据,从多个方面获取北京海坨山区冬季降雪云系的宏微观物理特征,然后在模式验证合理的基础上,用数值模式分析降雪水成物分布及其微物理过程,进而分析降雪微物理参数及其变化规律,本文为了解北京山区冬季地形云降雪机制和人工增雪催化作业提供科学依据,也为今后降水天气过程的模拟与预报提供支持。主要获得以下结论:(1)造成北京海坨山区降雪过程的天气形势主要有低槽、低涡和回流天气,大部分海坨山降雪过程发生在西南风加强后,经地形抬升形成。降雪时观测站能见度迅速下降,而当西北风控制整个对流边界层后降雪停止。对近些年海坨山降雪个例统计发现,降雪维持的时间较长,降雪维持的时间较长,75%的降雪个例降雪时长都超过5小时,降雪时间5-10小时的占40%,>10小时的占35%;大部分海坨山降雪过程发生在夜间,最大降雪强度一般出现在降雪开始阶段(降雪开始的2-3小时内),占了65%。(2)利用云雷达对2017年3月23-24日海坨山一次典型降雪过程进行连续观测,利用逐库订正法对回波进行衰减订正,与天气雷达回波对比证明衰减订正有效,利用订正后的云雷达数据可获得降雪云体宏观结构的精细垂直结构特征和详细演变特征,降雪整体回波较弱,回波最大值<20dBZ,回波顶高<7km,强回波厚度<3km。地面降雪量大小与低层强回波区时刻呈正相关,低层强回波时刻对应降雪量大,降雪前存在明显的上升气流,谱宽值较大;降雪开始后,上升气流消失,谱宽整体值较小,且LDR值小,可能是因为此次降雪粒子较小,也可能是因为降雪粒子相态较单一,基本不存在混合相态。(3)风廓线雷达风场显示降雪发生发展时中低层为西南风,西南风大值区持续时间与地面观测降雪量大值时间相一致,西南风强时地面降雪量强,西南风消失后降雪停止,说明中低层西南风为降雪提供了有利的水汽条件。微波辐射计数据显示此次降雪液水含量较低,降雪冻结过程会消耗液水,降雪强度大的时刻与液水含量消耗大的时刻相对应。(4)飞机观测2017年3月23日中午在北京西北地区昌平、延庆一带的云系主要为层状云系,云系水平范围较大,持续时间较长。云中液水含量(LWC)和冰水含量(IWC)较低,较大尺度的冰雪晶粒子总浓度较低。飞机各高度粒子谱基本呈现类似Gamma分布,小尺度粒子云滴的数浓度值高,大尺度冰晶粒子数浓度值低,随着高度的降低,云水小粒子浓度逐渐减小,谱峰值对应的直径增大,这些可能是由粒子的并合作用所造成的。(5)与飞机观测的粒子谱分布相似,地面粒子谱仪观测到的降雪粒子谱近似Gamma分布趋势,小粒子数浓度高,直径D>4mm的降雪粒子很少,降雪粒子谱的峰值和变化趋势与降雪的强度有密切关系。此次降雪过程主要以D<1.5mm的较小尺寸的霰或小冰相粒子组成,最大谱宽<3mm,水汽供应和动力条件不足,冰晶仅靠凝华、聚合增长,发展不旺盛,基本没有大片雪花,其造成降雪的云类型偏向于层状云类型。(6)中尺度WRF模式能较好的模拟出降雪的基本特征,可用于对降雪的详细研究。粒子在云中分布的高度为:冰晶>雪>云水、霰>雨,各水成物的含量值为:雪>云水、霰>冰>雨,整个过程源项变化量:雪>云水>霰>冰晶>雨。海坨山的地形导致了气流的强迫抬升,增强了迎风坡的降雪,但此次降雪位于主要系统的边缘,过冷云水少,主要是由冰晶凝华和冰雪转化过程形成,凇附过程小,降雪整体发展不剧烈。