暖云降水微观物理机制的統計理論

本文主要对暖云降水微观物理机制作了初步的实驗与理論分析,提出了云滴增长的随机过程理論以及暖云降水微观机制模式,結果表明,由于湍流所引起的起伏現象以及湍流碰并对降水的形成有极为重要的作用。     

海洋层积云中的云滴谱宽度及其影响因子

云滴谱宽度对模式中云的光学厚度的参数化、气溶胶间接效应的评估以及降水形成过程的研究至关重要。本文利用美国POST（Physics of Stratocumulus Top）项目2008年7月19日的飞机观测资料，分析了微物理量和云滴谱的垂直分布及微物理过程。结果表明，该云系云滴谱宽度在云底附近较大，这是由低层核化过程导致的；中层凝结增长过程使得云滴谱宽度随高度增加逐渐减小；云顶附近夹卷混合过程导致云滴谱宽度增大。绝热云中垂直速度的增大会促进云凝结核的活化使云滴数浓度增大，促进凝结增长使云滴尺度增大、云滴谱宽度减小，云滴谱宽度与云滴数浓度、云滴尺度呈现负相关关系；云洞中受夹卷混合过程影响，垂直速度减小，云滴蒸发，云滴数浓度和云滴尺度减小、云滴谱宽度增大，且该效应随绝热程度减小而增强。建议云滴谱宽度的参数化将垂直速度、云滴数浓度、云滴尺度和绝热程度等考虑在内。     

夹卷混合过程及其影响因子对云内过饱和度的影响

云内过饱和度是影响云宏微观物理特性的关键之一。利用显式混合气泡模式,首先研究了云滴周围过饱和度在夹卷混合过程中的演变特征,结果表明:过饱和度先因干空气作用减小,后因云滴蒸发作用增大,直到气块恢复饱和。随后分析了不同的热力、动力和微物理因子对过饱和度的减小幅度和饱和恢复快慢程度的影响。敏感性试验表明:减幅小、恢复快的因子是较大的卷入空气相对湿度和初始云滴数浓度;相对湿度越大,夹卷的影响越小;数浓度越大,云滴尺度越小,蒸发越快,对湿度的补充越强。减幅大、恢复慢的因子是较大的卷入空气比例;卷入空气越多,蒸发量越大。减幅大、恢复快的因子是较大的湍流动能耗散率;混合过程越快,云滴蒸发越快。研究结果有助于提升对夹卷混合过程和暖云降水理论的理解。     

广西秋季层状云微物理特征分析

利用2012年11—12月在广西进行的11架次飞机云物理探测资料对层状云宏微观物理结构特征进行研究,探讨层状云降水机制。结果表明:广西层状云微物理特征与我国其他地区的存在显著差异。层状云典型的微物理垂直结构为在云下层是由凝结作用生成云滴,随上升气流发展,云滴数浓度、平均直径和液态水含量随高度逐步增加,云滴谱拓宽,谱型向大尺度的方向扩展,至云中上层增大至最大值后随高度减小。冷暖混合云结构的高层云冷云部分的冰相粒子落入暖层后对其微物理结构产生影响,主要是使云滴谱展宽,CIP云滴平均直径垂直分布变幅增大,有利于暖层中碰并过程的启动和发展。层积云微物理水平分布呈现不连续跳跃式变化特征,存在对流泡结构,对流泡内各微物理量高于泡外,云滴谱型向大尺度移动,对流泡结构是层积云形成降水的重要机制。     

不可溶性气溶胶对边界层暖云滴谱离散度影响的模拟研究

基于一维分档MISTRA边界层云模式,模拟研究了内部混有不可溶核的硫酸铵气溶胶对边界层暖云微物理特征的影响。结果表明：边界层内湍流动能通量是影响暖云发展的重要因素。云中液态水含量、过饱和度以及云滴谱离散度均随云中的高度增加而增大。云滴谱标准差是影响云滴谱离散度变化的主要因子。在暖云发展阶段,不可溶性核会增加云中过饱和度,进而导致云滴谱分别向大尺度和小尺度端拓宽,云滴谱标准差增大,云滴谱离散度随时间增加而增大的程度增强;在暖云减弱阶段,不可溶核会造成云中大尺度端云滴数浓度减少,云滴谱变窄,标准差变小,云滴谱离散度逐渐减小的特征减弱。     

江西地区层状暖云微物理结构特征及云雨自动转化阈值函数的研究

本文利用机载云粒子探测设备对2014年11月6日至12月25日期间在江西地区探测获得的7次暖云飞行个例资料,详细分析降水云和非降水云的微物理结构特征。云雨自动转化阈值函数（T）是描述云内碰并强度的重要微物理参量。我们发现T值在云内分布呈现云底较小,随着云内高度的增加T值逐渐增大,并且在云中部和上部达到最大值;研究还发现降水云的T值在0.6以上的频率远大于非降水云,表明降水云中的碰并过程更强,云滴更易通过凝结和碰并过程形成雨滴,符合暖云降水机制。降水云中云滴谱相对离散度（ε）和云滴数浓度（N_c）的负相关程度较非降水云更为显著,随着T的增大,二者的负相关程度增强;相比于云滴平均半径（r_a）的变化,云滴谱标准差（σ）的变化主导ε–N_c负相关程度的增强。     

气溶胶浓度对暖云不同生长阶段物理特征影响的模拟研究

基于云微物理过程完善的TAU2D分档云模式, 模拟研究了用热泡扰动生成的暖云在不同气溶胶数浓度(Na)背景条件下各演变阶段云微物理量的变化特征。结果表明: 在暖云的发展过程中Na越高, 云滴尺度变小, 云滴间的碰并增长发动较晚, 云滴谱因碰并增长而实现的滴谱拓宽变弱, 云滴谱相对较窄, 云滴谱标准差较小, 因此云体发展越缓慢, 云体生命周期越长, 形成降水就越晚; 反之, 云滴尺度越大, 碰并增长发动越早, 云滴谱拓宽更明显, 云滴谱标准差越大, 云体生命周期相对更短, 降水开始时刻越早。高Na背景下, 碰并阶段云滴谱较凝结阶段更宽, 沉降阶段因云体下沉蒸发导致小尺度云滴减少, 使其滴谱较碰并阶段略有拓宽。在凝结阶段, 低气溶胶背景下云滴数浓度(N)和离散度(ε)间呈现正相关关系, 而高气溶胶背景下两者为负相关关系。在碰并阶段, N与ε的相关性关系为负相关, 且随着气溶胶数浓度的增加, 负相关程度降低。在沉降阶段, N和ε间为负相关关系。     

气溶胶核化清除的化学效应 II:动力学参数对云滴化学非均匀性的影响

运用已建立的气溶胶核化清除的物理化学模式，研究了云的动力学因子（如:气块上升速度、夹卷作用）对云滴化学非均匀性的影响。计算结果表明:较强烈的云发展（较大的气块上升速度）可加强由于气溶胶核化和云滴凝结增长造成的云滴化学的非均匀程度。夹卷作用抑制了云的发展，因而减弱了这种非均匀程度。夹卷作用同时也造成总体液态水中S(VI)、Ｈ+等浓度的增加，在Ｓｍａｘ附近可达１个量级。如果考虑气溶胶粒子的夹卷，则可使气块内云滴污染物浓度随云滴大小的变化更加复杂化，如:不仅云滴污染物浓度随云滴大小而变化，即使对于相同大小的云滴之间，其污染物浓度也可相差很大。     

积云中云滴群凝结增长的数值模拟

本文用一维非定常积云模式研究积云中云滴群的凝结增长。比较了几种盐核谱及不同湍流交换强度等情况下凝结形成的云滴谱特征。结果表明半径1.5—2.5微米的巨核在凝结过程形成大云滴中起主要作用,而较大的巨核对平衡态凝结谱影响不大,仅起到提早出现大云滴的作用。凝结核浓度过大不利于大云滴的形成,对半径 1.5—2.5微米的巨核浓度为 10~(-3)个/厘米~3比较有利。凝结平衡谱随湍流交换和夹卷作用的影响较大,在某些条件下可以模拟出双峰谱。     

华北地区气溶胶混合状态对暖云微物理特征的影响

在UWyo单组分气溶胶的绝热气块分档云模式基础上,发展了多种化学组分气溶胶的绝热气块分档云模式。利用2006年春季华北地区地面气溶胶分级采样的离子成分分析数据和同时段高空气溶胶、云微物理飞机观测资料,研究了气溶胶混合状态对暖云微物理特征的影响。模拟结果表明,华北地区气溶胶内部混合比外部混合有利于增加云凝结核数浓度、降低气块水汽最大饱和比、增加云滴数浓度。气溶胶的混合状态不同,形成的云滴谱的特征差异较大,主要体现在云滴谱的平均尺度和峰值的突出程度;云滴谱相对离散度在0.3附近变化,且随着云滴数浓度的增加,云滴谱相对离散度呈现减小的趋势。气溶胶混合状态能够影响暖云微物理特征,从而影响大气辐射和降水过程,在天气和气候变化的研究中应予以关注。     

云中湍流特征及其在云降水中的作用研究进展

大气湍流是一种无序的、非确定性的大气运动,它可提高云滴碰撞效率,加速云滴增长速度,在云和降水形成及发展过程中起着十分重要的作用。本文综述了国内外近60 a来云中湍流的研究进展,重点介绍了云宏微观结构特征及云中湍流对云滴碰并增长方面取得的研究成果,以期为进一步观测研究云动力学过程、完善湍流-云微物理相互作用理论及优化云参数化方案提供重要参考。     

人工影响暖云过程吸湿性催化研究

介绍了近年来吸湿性催化的一些最新理论、新催化剂研制和播撒方法的研究,并分析了近期4个不同地区吸湿性作业试验结果:南非和墨西哥试验试图引入吸湿性凝结核,增宽云滴谱,加速凝结过程;泰国和印度试验试图引入活跃的凝结核,跳跃性地开启碰并过程.两类试验均促进云滴早期发展,产生比自然状态下更多的降水.此外通过暖云催化试剂在云室中催化湿空气的试验,来初步评估吸湿性催化的效率.     

湍流对云滴谱增长的作用(摘译)

一、引言云中总有一定程度的湍流存在,然而究竟多大强度的湍流扰动对降水形成的微物理过程有影响,目前尚不清楚.研究湍流对处在发展初期的积云中碰并过程的作用是特别有趣的,有研究证实,湍流增强,则微滴增长.又有人认为,在海洋上弱的湍流可以引起云滴谱的明显展宽.其结果是,对于起伏的湍流速度场,不同尺度的云滴对应不同的     

气溶胶核化清除的化学效应──Ⅱ：动力学参数对云滴化学非均匀性的影响

运用已建立的气溶胶核化清除的物理化学模式，研究了云的动力学因子（如：气块上升速度、夹卷作用）对云滴化学非均匀性的影响。计算结果表明：较强烈的云发展（较大的气块上升速度）可加强由于气溶胶核化和云滴凝结增长造成的云滴化学的非均匀程度。夹卷作用抑制了云的发展，因而减弱了这种非均匀程度。夹卷作用同时也造成总体液态水中Ｓ（ＶＩ）、Ｈ＋等浓度的增加，在Ｓｍａｘ附近可达１个量级。如果考虑气溶胶粒子的夹卷，则可使气块内云滴污染物浓度随云滴大小的变化更加复杂化，如：不仅云滴污染物浓度随云滴大小而变化，即使对于相同大小的云滴之间，其污染物浓度也可相差很大。     

云中夹卷混合过程的研究进展

夹卷混合过程表征了云和环境空气之间的相互作用,是云物理和动力过程中不确定性最大的过程之一。它影响着暖云降水形成过程,气溶胶间接效应的强度,云-气候之间的反馈等。本文总结了夹卷混合机制的含义和分类,云降水物理和光学性质的重要性,以及夹卷混合过程的定量描述和参数化。在此基础上,指出了夹卷混合过程研究的难点和未来的研究方向。     

人工影响暖云过程吸湿性催化研究

介绍了近年来吸湿性催化的一些最新理论、新催化剂研制和播撒方法的研究,并分析了近期4个不同地区吸湿性作业试验结果：南非和墨西哥试验试图引入吸湿性凝结核,增宽云滴谱,加速凝结过程;泰国和印度试验试图引入活跃的凝结核,跳跃性地开启碰并过程。两类试验均促进云滴早期发展,产生比自然状态下更多的降水。此外通过暖云借化试剂在云室中催化湿空气的试验,来初步评估吸湿性催化的效率。     

三参数云微物理方案中气溶胶谱函数对云滴谱影响的数值模拟研究

观测和分档方案的数值模拟都证明气溶胶的谱分布特征对云滴谱的演变有直接影响继而作用于降水的发展。目前广泛使用的总体双参数云滴谱方案因为表征云滴谱的预报量不足,在凝结过程中云滴谱呈不正常的拓宽现象。因此在参数化方案中,气溶胶谱对云滴谱的影响未有明确结论。中科学院大气物理研究所(IAP)云降水物理与强风暴重点实验室(LACS)新研发的三参数方案(IAP-LACS)通过增加的预报量克服了云滴谱的拓宽问题,提高了云滴谱模拟的准确性。为了研究在参数化方案中气溶胶谱分布特征对云滴谱的影响,本文采用新方案进行WRF(Weather Research and Forecasting mode)大涡理想性试验,验证了新方案中气溶胶对数正态谱函数中数浓度、几何半径和标准差3个参量对云滴谱演变的影响。针对3个参量的敏感性试验表明新的气溶胶活化方案和三参数云滴凝结增长方案能够描述气溶胶谱对云滴谱演变的影响规律:气溶胶数浓度对云滴谱影响最显著,数浓度越高活化生成的云滴数量越多,云滴半径越小,云滴谱趋向窄谱,气溶胶数浓度低时,云滴数量少、半径大。较大的几何半径使气溶胶谱向大粒径移动,导致大云滴生成,标准差对云滴谱的影响最不显著。     

起伏条件下重力碰并造成的暖性薄云降水

本文中考虑了云中垂直气流的湍流起伏,来計算云滴的碰并增长.发現在这种上升气流有起伏的环境下,同样大小的云滴在云中可以长成不同大小的較大云滴,包括降水胚滴和降水微元(雨滴),从而对暖性薄云如何形成降水給出一个此較合理的解释。     

切变线降水系统微物理特征及隆水机制个例分析

利用机载云粒子探测系统(PMS).对2004年7月1日影响吉林省的一次切变线降水过程进行了探测飞行,利用所获取的宏微观资料对此次降水过程的微物理结构、降水机制进行综合分析.结果表明:此次切变线降水云系主要由高层云、雨层云、碎云构成,高层云和雨层云中间夹有1100m左右的无云区;3类云中平均云滴浓度、平均云滴直径各不相同;云水含量随高度分布不均匀,云的不同部位云水含量起伏较大;冰晶浓度平均为17.3个/L;此次探测的降水云系符合Bergeron提出的催化云一供水云相互作用导致降水的概念.根据云图及其他探测资料综合分析,冰晶主要产生于高层云上部或卷层云的冰晶播撒,供水云为高层云中下部和雨层云.     

一次西风槽过程过冷云水分布特征观测研究

过冷云水生消演变规律是云物理学和人工影响天气的重要研究领域。根据Hobbs 1974年提出的假定,利用飞机、卫星、雷达和雨量计等观测资料,对2012年9月21日河北一次西风槽天气过程进行观测研究,分析其过冷云水分布特征及演变规律。结果表明,槽前云系过冷水区宽厚并且过冷水含量较高,云滴浓度和均立方根直径较大并且均匀,冷云区厚而且没有分层,没有暖云配合;近槽云系中冷云区小粒子浓度降低但云滴直径增大,冷云区夹有干层,云系变厚出现暖云配合,冷暖云液态水含量较高,冷暖云区大粒子和降水粒子浓度和尺度增大,中尺度云团移动较快;槽后云系中云滴浓度最大,但云滴均立方根直径明显减小,过冷水区出现的高度下降、厚度很薄、过冷水含量较低,冷、暖云之间有干层,暖云对应的大粒子浓度和降水粒子浓度非常大,地面降水主要由暖云过程产生;云水(过冷水)含量峰值常出现在云内逆温层的上方;利用云粒子测量系统(PMS)资料分析过冷云水生消演变特征与卫星和雷达资料具有较高的一致性。