加入水汽—温室效应后的Sellers模式

本文以Sellers(1969)模式为基础,加入水汽——温室效应的正反馈机制,计算地球上纬向年平均温度的稳定分布和进行一系列的敏感性试验。与Sellers的计算结果相比较后发现,加入水汽温室效应以后,全球平均温度提高了2.1℃。此外还分别考虑了太阳常数,反照率、大气减弱系数以及人类活动对气候的影响。结果指出:如果太阳辐射减少了1％,则相应的各纬圈年平均温度会减少1～2℃。当太阳常数减少到3％时才会触发极冰——反射率——温度的正反馈机制,而导致新的冰川期的形成,同时还发现加入水汽——温室效应正反馈机制以后,会使极冰——反射率——温室的正反馈机制有所收敛,并且可预测人类活动的影响能导致全球气候变暖。     

具有热力-动力耦合的二维能量平衡气候模式

本文设计了一个热力—动力耦合的理论模式,所得到温度场和运动场的平均气候状态基本上与实况接近.分析表明,温度场和速度场是相互制约的,温度分布在纬向上的不均匀形成了垂直经圈环流,此种流场又把赤道的热量往极地输送,其结果与没有运动场耦合的情况相比,可使赤道温度降低而极地温度升高. 研究模式气候对太阳常数变化的敏感性后指出,要使冰界线从现在的72°N南移到冰河期的50°N,太阳常数要减小15％左右.这在考虑或不考虑流场耦合的模式中都是差不多的.     

用等效球Mie理论计算冰云光学特性的一种新方法

对由六角形冰晶粒子组成的冰云的１４种冰晶尺度分布,分别用等效球Ｍｉｅ理论和射线光学理论计算了它们在从可见光到近红外谱区的１７个波长上的散射特性参量。并利用由等效球Ｍｉｅ理论获得的散射参数及冰晶尺度分布特征参量ｒｅ（有效半径）建立了冰云光学特性的参数化公式。这些参数化公式的最大相对误差小于５％。     

二维能量平衡模式中极冰对气候的影响——参数敏感性分析(二)

本文应用一个非定常的二维能量平衡气候模式,用数值解方法研究了极冰-温度-反照率的反馈对气候的影响问题。计算表明,定常解是确实存在的。与国外一维模式的结果不同,对应于观测的太阳常数,只能得到唯一的现在气候解。若出现小冰河期(即冰界在50°N左右),则太阳常数要比现在的值减小17％左右。同时发现各种参数值即使改变±20％,这种冰界纬度对太阳常数的变化也不敏感。这表明,现代气候对于太阳常数的变化,是处于相当稳定的状态,而气候状态对参数的依赖性,以热量的垂直湍流交换系数和对辐射的吸收系数为最重要。这也说明了能量的垂直输送过程在决定气候状态中是起重要作用的,而这恰好是国外一维能量平衡模式所没有考虑的过程,因而必然会得到不同的结论。     

冰云短波辐射特性参数化

该文对卷云和高层云分别构造了15种冰晶尺度分布，3种云高和云厚，总共30种冰水含量、90种冰水程长模式。对尺度小于与大于30 μm的冰晶粒子的单次散射特性分别用表面积等效冰球Mie理论和射线光学理论进行计算。采用delta-Eddington法计算了在4种不同地面反射率下冰云的多重散射辐射传输特性，提出了冰云辐射特性的参数化公式，指出参数化公式可以用于气候模式或大气环流模式。     

定量计算渤海海冰参数的遥感方法

利用NOAA及FY-1卫星监测渤海海冰的亮度温度、反照率及其与海水的差异建立了冰、水识别判据,并根据海冰反照率与冰厚的关系,对海冰进行分类。在解决了混合象元内含冰信息提取的基础上,计算了海冰覆盖度和面积等参数。     

冰—水球形粒子在太阳短波段的吸收与衰减

根据Mie理论以及Aden和Kerker的理论,分别计算了纯水、纯冰和冰—水分层同心球在可见光和近红外波段的吸收、散射与衰减截面。结果表明,对于同样尺度大小的粒子,表面融化冰球或冰外壳包水球的单次散射特征值与纯冰纯水球的相比在整个太阳辐射短波段都相差不大,这是因为在此波段范围内冰和水的复折射指数的实部和虚部都很接近。此结果基本排除了0℃层附近表面融化冰晶粒子在太阳波段可能产生强吸收带,从而可以解释（部分的）云吸收异常现象这一想法。另一方面,在整层云吸收计算中,相对水含量可能较小但尺度较大的冰晶粒子的吸收是     

基于过程判别的雨雾凇导线覆冰气象模式

利用2011年1月—2013年3月在贵州开展导线覆冰自动观测试验获取的观测资料,分析了覆冰过程演变及其气象条件变化特征,提出一次完整的导线覆冰过程包括覆冰开始、增长、维持、减弱、消融5个阶段,并得到覆冰过程的气象条件判别指标;基于导线覆冰理论模型的改进并结合气象条件判别,建立了基于过程判别的雨雾凇导线覆冰气象模式,应用该模式对观测获取的多个导线覆冰过程进行数值模拟检验。结果表明:模式能够模拟自然环境下覆冰的增长,并能够正确模拟出覆冰的减弱、消融,模拟过程覆冰质量变化的最大相对误差小于20%。该模式具有较完整的理论基础和计算方案,主要以常规气象观测要素为输入,能够计算输出覆冰全过程逐小时覆冰质量、覆冰厚度及覆冰密度变化,具有较大的应用前景。     

一种浸润冻结机制冰核测量装置（FINDA）的搭建与应用

为了定量评估降水（雨、雪、雹等）和大气中冰核浓度,搭建了一种新型的离线式冰核测量装置（FINDA）用于检测浸润冻结机制的冰核。对多通道测温元件进行了改装和校准,并利用红外热成像仪动态校准了冷台水平温差,开发了自动化软件实现对测量过程的控制和数据分析。通过超纯水冻结实验、雪水及大气样品中冰核检验评估了FINDA的测量性能。结果表明,FINDA温度测量偏差随温度降低而线性增大,?25℃时误差为±0.75℃;超纯水初始冻结温度平均为?21.27±1.45℃,中值冻结温度（T₅₀）平均为?25.65±0.64℃;对同一降雪融水样品中冰核浓度温度谱检测,FINDA与其他冻滴设备测量结果基本一致,同冰核浓度下温度偏差小于3℃;大气样品中冰核?20℃时比在线连续流量扩散云室测量值略高,与国际上其他学者的结论一致。FINDA能够有效获得0—?25℃每隔0.25℃的冰核浓度谱,超纯水和试验操作引入的冰核对测量结果影响很小。设备的广泛应用可帮助深入了解大气冰核在混合云降水中的作用,为预报和云模式的本地化改进及对云降水理论研究提供重要的实验数据和理论基础。      

扁旋转椭球状冰水混合粒子对偏振雷达波的散射

本文借助于旋转椭球矢量波函数和平均场的理论,得到了非均匀扁旋转椭球粒子对偏振电磁波散射的准解析解,并利用所得理论公式给出了雷达气象上极为重要的在平行和垂直入射条件下,非均匀扁旋转椭球状海绵冰粒对雷达波的后向散射截面数值计算结果。在计算中认为海绵冰粒分二层,内核为纯冰扁旋转椭球,外层由冰水混合构成。     

京津冀地区夏季降水冰云和非降水冰云云特征对比分析

利用2013～2016年的Aqua MODIS卫星和CloudSat卫星的二级产品资料,对发生在京津冀地区夏季的降水冰云和非降水冰云进行了统计。基于此,对比分析了两类冰云的云类型,研究了二者在云特征参数、云层数及垂直结构上的差异,并且探究了二者在不同通道下云特征参数的相对大小。结果表明:1）京津冀地区的降水冰云以深对流云和雨层云为主,分别占48.63%和34.65%,而非降水冰云以高层云和卷云为主,分别占55.62%和31.58%。2）降水冰云和非降水冰云的平均云顶温度、云顶高度、光学厚度、积分云水总量、有效粒子半径分别为230.99 K、10.90 km、53.26、937.98 g/m2、31.45m和236.17 K、10.10 km、12.81、209.00 g/m2、27.54 μm。3）降水冰云以单层云为主,占80.39%,双层云占18.75%;而非降水冰云仍以单层云为主,占85.35%,双层云则占14.38%,比降水冰云低。4）相较于非降水冰云,降水冰云中卷云和高积云云体位置较高,而高层云和深对流云位置较低。5）随高度变化,降水冰云冰水含量是双峰结构,而非降水冰云是单峰结构;二者的粒子数浓度则差异不大;非降水冰云的粒子有效半径在5～7.5 km随高度变化不大,而降水冰云则随高度减小。6）降水冰云的积分云水总量、光学厚度和粒子有效半径>≥模态[、、分别代表该云特征参数在1.6、2.1、3.7 μm通道中的数值,当n=1, 2, 3时,分别代表光学厚度（b₁）、积分云水总量（b₂）、有效半径这三种（b₃）]的比例都高于非降水冰云,而二者在云参数≥≥模态的比例则有差异。     

Satellite remote sensing of the optical depth and mean crystal size of thin cirrus and contrails

Summary Crystal size and optical depth of optically thin cirrus clouds and contrails over the North Sea and Adriatic Sea on the 18^th of October 1989 are retrieved by comparison of NOAA AVHRR/2 brightness temperatures of channel 4 (9.97 µm–11.56 µm) and channel 5 (11.075 µm–12.76 µm) with one dimensional radiative transfer calculations. Measured brightness temperatures in all three infrared channels and their differences show higher values for contrails than for cirrus. The radiative properties of young contrails are consistent only, if smaller crystal size than those given for natural cirrus are adopted for the calculations. However, there is a continuous transition in radiative parameters between clouds classified as natural cirrus or contrails. For the test areas ice clouds are classified with respect to optical depth and mean crystal size. Finally infrared fluxes and heating rates in the spectral range 4 µm–40 µm are calculated for an atmosphere with a 500 m thick contrail or cirrus uncinus. At given ice content a far stronger atmospheric warming is found for a contrail with relatively small ice crystals: up to 80 K/day at cloud base for an ice content of 0.05 gm^–3 compared to 10 K/day for a cirrus uncinus with large crystals.With 11 Figures     

基于MODIS产品的中国陆地冰云季节变化特征

利用2011年11月-2016年10月Terra卫星MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）3级大气产品数据（MOD08_M3）对中国陆地区域冰云发生概率、有效粒子半径、光学厚度和冰水路径的水平分布与季节变化进行分析。结果表明:冰云特性的水平分布和季节变化特征与东亚季风和强对流天气的发生存在一定联系。近5年冰云发生概率呈上升趋势,季节性变化规律明显,高值区出现在青藏高原东北部;冰云有效粒子水平分布呈现由西南向东北逐渐增加的趋势,总体季节性变化特点不明显,但在纬度较高地区出现随季节变化特征;冰云光学厚度与冰水路径水平分布和季节变化趋势大致相同,呈东南向西北递减趋势,总体季节性变化明显。     

基于飞机观测的美国落基山地区冬季混合相态层状云与夏季对流云的微物理特征

混合相态层状云与对流云的微物理特征有很大的差异性,但现阶段数值模式中并没有充分考虑两者的区别,这是导致云降水的模拟有较大不确定性的原因之一。为了加深对层状云与对流云的微物理特征差异的理解,并为模式的验证和参数化开发提供支撑,本文基于在中落基山地区进行的Ice in Clouds Experiment—Layer Clouds（ICE-L）项目和High Plain Cumulus（HiCu）项目的飞机观测资料,定量对比分析了该地区大陆性混合相态冬季较浅薄的层状云与较弱及中等强度的夏季对流云的微物理特征。其中,粒子图像和粒子谱通过2D-Cloud和2D-Precipitation探头得到,液态水含量通过热线式King探头测量得到,冰水含量基于粒子谱计算得到。主要结论有:（1）在?30°C～0°C的温度层范围内,夏季对流云内的液态水含量比冬季层状云高一个数量级,冰水含量高一到两个数量级,并且在对流云云顶附近观测到更多的过冷水。此外,夏季对流云中液态水含量在?20°C～0°C上随温度降低而升高,而冬季层状云则相反。夏季对流云中更活跃的冰晶生成和生长过程使得云内液态水质量分数小于层状云。（2）冬季层状云与夏季对流云内相态空间分布极不均匀。随着温度从0°C降低到?30°C,在冬季层状云中冰晶发生贝吉龙过程,云中的过冷水为主的区域向混合相态和冰相转化。而夏季对流云中相态结构更为复杂,体现了对流云中复杂的冰水相互作用。（3）在?30°C～0°C的温度范围内,夏季对流云的粒子谱宽度大于冬季层状云。随着温度的降低,冬季层状云与夏季对流云均存在粒子谱增宽的现象。（4）冬季层状云中,温度低于?20°C时冰晶主要为无规则状,在?20°C～?10°C观测到了辐枝状和无规则状冰晶,在?10°C以上观测到了柱状和无规则状冰晶,说明冰晶的生长主要为凝华增长和碰并增长。而夏季对流云以冻滴、霰粒子与不规则冰晶为主,说明主要为液滴冻结、淞附增长和碰并增长为主。（5）在夏季对流云较强的上升气流中存在较高的液态水含量,但垂直速度与云内冰水含量没有明显的相关性。     

On the growth of nitric and sulfuric acid aerosol particles under stratospheric conditions

We present a theory for the formation of frozen aerosol particles in the Antarctic stratosphere, the coldest region of the Earth's stratosphere. The theory is applied specifically to the formation of polar stratospheric clouds. We suggest that the condensed ices are composed primarily of nitric acid and water with small admixtures of other compounds such as H₂SO₄ and HCl in solid solution. Our assumed particle formation mechanism is in agreement with the magnitude and seasonal behavior of the optical extinctions observed in the winter polar stratosphere. Physical chemistry and thermodynamic considerations suggest that at temperatures between about 200 and 185 K, stratospheric particulates are composed primarily of frozen nitric acid solutions with a composition near that of the trihydrate. Available data suggest the particles are amorphous solid solutions and not in the crystalline hydrate form. At lower temperatures (i.e., below the forst point of pure water) cirrus-like ice clouds can form.     

Numerical Simulation of Effects of Cloud Top Temperatures and Generating Cells on Secondary Ice Production in Stratiform Clouds with a Detailed Microphysical Model

This paper outlines a one-dimensional,heightdependent bin model with detailed microphysical processes in which ice splinters are produced by a riming process.The model is then applied to simulate the shift of particle size distribution effected by the secondary ice production process within clouds with different generating cells and cloud top temperatures.The result of model simulations reveals the general effects of cloud updrafts on increasing ice particle concentration by extending the residence time of ice particles in clouds and providing sufficiently large supercooled water droplets.The rimesplintering mechanism is more effective in clouds with lower ice seeding rates than those with higher rates.Evolutions of hydrometeor size distribution triggered by the rime-splintering mechanism indicate that the interaction between large ice particles and supercooled water drops adds a "second maximum" to the primary ice spectra.     

基于Himawari-8气象卫星的东亚夏季冰云云顶特征分布

利用Advanced Himawari Imager (AHI)/Himawari-8(HW8)云产品分析2017年夏季东亚地区不同下垫面条件对冰云云顶特征的影响,针对不同下垫面条件选择了9个研究区域。结果表明,冰云最常出现在青藏高原和南亚季风区。冰云的发生频率存在南北递减的趋势,并在日本附近有高值中心。冰云云顶的垂直分布高度依赖于纬度,此外还有地形和海陆热力差异的作用。青藏高原和南亚季风区冰云最常发生在6~9 km和6~15 km;冰云云顶温度在南北之间存在明显差异,不同高度的冰云形成方式也存在不同;青藏高原和南亚季风区的冰云光学厚度较高,且冰云光学厚度与发生频率呈正相关。在冰云云顶属性垂直分布中,中国东部冰云发生频率相对于其他区域较低,冰云粒子半径表现出随高度增加先增大后减小的趋势,海洋上的平均冰云粒子半径相对于其他研究区域最大;在中国西部地区,冰云光学厚度存在双峰结构,而其他相对平坦的区域只有一个单峰。     

Impact of clouds on the surface radiation balance of the Arctic Ocean

Summary The relationship between clouds and the surface radiative fluxes over the Arctic Ocean are explored by conducting a series of modelling experiments using a one-dimensional thermodynamic sea ice model. The sensitivity of radiative flux to perturbations in cloud fraction and cloud optical depth are determined. These experiments illustrate the substantial effect that clouds have on the state of the sea ice and on the surface radiative fluxes. The effect of clouds on the net flux of radiation at the surface is very complex over the Arctic Ocean particularly due to the presence of the underlying sea ice. Owing to changes in surface albedo and temperature associated with changing cloud properties, there is a strong non-linearity between cloud properties and surface radiative fluxes. The model results are evaluated in three different contexts: 1) the sensitivity of the arctic surface radiation balance to uncertainties in cloud properties; 2) the impact of interannual variability in cloud characteristics on surface radiation fluxes and sea ice surface characteristics; and 3) the impact of climate change and the resulting changes in cloud properties on the surface radiation fluxes and sea ice characteristics.With 11 Figures     

利用MODIS数据反演多层云光学厚度和有效粒子半径

利用卫星资料反演云微物理参数不仅有助于对天气变化的监测和预报,而且对人工影响天气的研究十分有益.目前卫星反演云微物理参数的算法一般是假设视场中只有一层云,但是实际环境中多层云出现很频繁.文中研究了多层云的光学厚度和有效粒子半径微物理参数的反演算法,主要针对薄的冰云覆盖在低层水云的多层云情形.算法利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)吸收通道和非吸收通道同时进行反演,在此基础上利用SBDART辐射传输模式模拟冰云覆盖在低层水云上的多层云对云微物理参数反演的影响,模拟表明反演时将多层云作为单层云处理会使反演结果产生较大误差.为此,文中提出了云光学厚度和有效粒子半径反演算法中要考虑多层云的因素,并设计了一套云光学厚度和有效粒子半径反演方案.该方案使用SBDART辐射传输模式建立不同观测几何条件、下垫面类型、大气环境等条件下以光学厚度和有效粒子半径为函数变量的多层云、水云和冰云辐射查找表.经过云检测、云相态识别和多层云检测后,在该查找表的基础上,对MODIS通道1和通道7的数据采用最小方差拟合法反演光学厚度、有效粒子半径.利用该方案对2006年7月12日TERRA卫星MODIS数据进行反演试验,反演结果与NASA发布的MOD06产品中云的光学厚度和有效粒子半径的结果较一致,表明方案具有合理性.     

A study of vertical cloud structure of the Indian summer monsoon using CloudSat data

Precise specification of the vertical distribution of cloud optical properties is important to reduce the uncertainty in quantifying the radiative impacts of clouds. The new global observations of vertical profiles of clouds from the CloudSat mission provide opportunities to describe cloud structures and to improve parameterization of clouds in the weather and climate prediction models. In this study, four years (2007–2010) of observations of vertical structure of clouds from the CloudSat cloud profiling radar have been used to document the mean vertical structure of clouds associated with the Indian summer monsoon (ISM) and its intra-seasonal variability. Active and break monsoon spells associated with the intra-seasonal variability of ISM have been identified by an objective criterion. For the present analysis, we considered CloudSat derived column integrated cloud liquid and ice water, and vertically profiles of cloud liquid and ice water content. Over the South Asian monsoon region, deep convective clouds with large vertical extent (up to 14 km) and large values of cloud water and ice content are observed over the north Bay of Bengal. Deep clouds with large ice water content are also observed over north Arabian Sea and adjoining northwest India, along the west coast of India and the south equatorial Indian Ocean. The active monsoon spells are characterized by enhanced deep convection over the Bay of Bengal, west coast of India and northeast Arabian Sea and suppressed convection over the equatorial Indian Ocean. Over the Bay of Bengal, cloud liquid water content and ice water content is enhanced by ~90 and ~200 % respectively during the active spells. An interesting feature associated with the active spell is the vertical tilting structure of positive CLWC and CIWC anomalies over the Arabian Sea and the Bay of Bengal, which suggests a pre-conditioning process for the northward propagation of the boreal summer intra-seasonal variability. It is also observed that during the break spells, clouds are not completely suppressed over central India. Instead, clouds with smaller vertical extent (3–5 km) are observed due to the presence of a heat low type of circulation. The present results will be useful for validating the vertical structure of clouds in weather and climate prediction models.