大陆性积云不同发展阶段宏观和微观物理特性的飞机观测研究

2014年7月3日,山西省人工降雨防雹办公室在该省忻州地区开展了国内首次大陆性积云飞机穿云探测。本文利用机载云物理探测资料,分析研究了不同发展阶段的积云宏、微观物理特性,主要结论有:（1）初生发展阶段的积云水平尺度约为8.2 km×5.5 km（经向×纬向,下同）,云厚约2 km;云中以小云粒子为主,云滴凝结增长;水平方向上,云液水含量（LWC）和粒子浓度（N_c）的最大值均位于云体中心位置;垂直方向上,云水分布相对均匀,但随着高度增加,云粒子浓度变小,粒子尺度增大;粒子谱符合伽马分布,峰值量级为102 cm-3 μm-1,谱宽在100 μm以下。（2）成熟阶段的积云水平尺度约为4.6 km×10 km,云厚约4 km;云内可以观测到积冰和雨线;小云粒子浓度随高度增加起伏变化,3600 m、4100 m和4900 m高度处存在峰值;大云粒子浓度随高度先增加后减小,最大值出现云底以上1.6 km高度,云底以上1.3 km高度附近有降水粒子形成;粒子谱呈多峰分布,暖区符合伽马分布,冷区为伽马分布和M-P分布相结合,且随着高度的增加拓宽,4400 m高度以下的谱宽小于200 μm。（3）消散阶段积云尺度约为11 km×5.6 km,云厚约2 km,云下有降水粒子存在。     

华北中部夏季气溶胶和云分布特征

气溶胶与云的垂直分布特征是气溶胶间接气候效应关注的重点。基于2018年7—8月华北中部6架次飞机观测数据,研究气溶胶和云滴的垂直和水平分布特征。结果表明:华北中部780~5687 m高度内气溶胶数浓度( N_a )平均值为821.36 cm-3,最大量级可达到104 cm-3,云中气溶胶数浓度(N_acc)占总颗粒浓度的80%以上,表明细颗粒占大多数,气溶胶粒子算术平均直径( D_m )平均值为0.12~0.52 μm;大气层结对气溶胶垂直分布影响较大,逆温阻挡气溶胶垂直输送,高空(高度2000 m以上) D_m 的垂直分布受到相对湿度影响较大; N_a 和 D_m 在垂直方向波动较大,水平方向波动较小;低层云中云滴数浓度(N_c)较大、液态水含量(L)较小,而中层和高层云中N_c较小、L较大,N_c和云滴有效半径(R_e)的概率密度函数均为双峰型分布,L的概率密度函数为单峰型分布;气溶胶数浓度谱基本呈现多峰型分布,而云滴数浓度谱多呈现单峰型分布。     

青藏高原中东部气溶胶特征的飞机观测

利用2011年和2013年夏秋季在青藏高原中东部开展的11架次气溶胶特征飞机观测数据,分析气溶胶数浓度、数谱及核化相关特征。结果表明:受天气系统、地形和地表影响,观测区内气溶胶数浓度（N_a）和体积直径（D_v）的垂直和水平分布差异较大,N_a呈西北高、东南低,D_v低层大、高层小,局地中高层有沙尘。格尔木盛行东风时,云降水对低层气溶胶有清除作用,N_a和D_v明显降低,6.2 km高度和7.2~7.4 km高度的中高空受高原大风或对流影响形成沙尘;盛行西风时,低层D_v以0.5~0.8 μm为主,随高度升高和风速增大N_a升高,D_v变幅较小,6.2 km高度也有沙尘;不同天气系统影响下6.5 km高度以上均输入亚微米颗粒,N_a达5×103 cm-3,8.0 km高度盛行东风时比西风时N_a更高,D_v更小,谱垂直分布也有以上特征,整层输入以偏北或偏西路径为主。不同过饱和度测量云凝结核数浓度（N_ccn）表明,除格尔木6.0 km高度以下核化率（N_ccn/N_a）在21%~47%外,其他观测区平均核化率介于1%~16%,6.0~8.5 km高度的核化率总体偏低;当N_a增加时核化率明显下降,且过饱和度1%~2%,-15~-5℃层或粒径1~3 μm时的核化率相对偏高。     

内蒙古中部地区一次典型层状云的云微物理结构特征分析

文章利用机载云粒子探测设备对2020年9月13日在内蒙古地区探测获得的一次云飞行个例资料,通过分析云内微物理结构特征发现飞机在爬升阶段和下降阶段云滴数浓度(N_c)和液水含量(LWC)存在明显的起伏,说明云系在垂直方向不均匀,同时发现云内的N_c与LWC的变化趋势较为一致,云滴有效半径(ED)最大值出现在4000～5000 m高度附近,显示在该高度区间为云滴尺度增长的主要部位;分析云滴谱发现,小粒子段谱线高于大粒子段,是由于云内主要为凝结增长过程,小云滴的增长速度远快于大云滴;同时由于云内上升气流作用,在3500 m以上存在LWC和ED随高度逐渐增大的趋势且存在峰值,因此云滴谱显示高层尺度较大的云滴多于低层;并且通过对云滴谱离散度(ε)的计算,讨论ε与N_c的关系发现,在N_c较高时ε出现整体收敛,并且随着LWC的增大,ε与N_c的负相关关系逐渐明显。     

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。     

基于航测的云底气溶胶活化率与过饱和度估算

2016年11月13日在北京地区上空存在持续稳定的层状云天气背景下,利用飞机开展气溶胶粒径谱、化学组成、云滴谱等参量的垂直观测,研究该个例云底气溶胶的活化能力。结果表明:探测期间北京地区为轻度污染天气,地面气溶胶浓度(0.11~3 μm)达到4600 cm-3。云层高度为800~1200 m,云底气溶胶数浓度相对于近地面大幅度降低,有效粒径显著增大(0.3~0.6 μm)。同时,近地面气溶胶中疏水性的一次有机气溶胶贡献显著,而云底气溶胶中一次有机气溶胶的贡献大幅降低,无机组分和二次有机气溶胶的贡献明显增大,造成吸湿性参数κ由0.25(地面)增大至0.32(云底)。云中气溶胶和云滴的谱分布衔接较好,且两者的数浓度之和与云底气溶胶浓度一致,可分别代表未活化和已活化的粒子。基于云底气溶胶粒径谱和吸湿性参数计算得到不同过饱和比下云凝结核的活化率,通过与云中观测结果对比,反推得到云底过饱和度约为0.048%。     

云降水物理与人工影响天气研究进展

<正>1云雾物理观测与数值模拟研究1.1环北京春季大气气溶胶分布、来源及其与CCN转化关系的飞机探测利用2009年春季开展的"环北京云观测试验"观测的气溶胶和云凝结核（CCN）数据,研究了试验期间大气气溶胶的分布、来源特征及其与CCN的转化关系。结果表明,高浓度气溶胶基本分布在4500 m以下的区域,量级可以达到10³ cm^-3。4500m以上气溶胶呈显著下降趋势,量级仅为10 cm^-3;气溶胶平均直径在0.16⁰.19μm之间。4500m以下气溶胶平均粒子谱呈双（多）峰分布,而在4500m以上基     

华北中部夏季气溶胶垂直分布及其与云凝结核和云滴转化关系的飞机观测研究

气溶胶的时空分布及其核化成云的转化过程是云降水物理研究的重点,也是气候变化中气溶胶间接效应关注的热点问题。利用2013～2014年期间在华北中部山西地区开展的9架次夏季晴天和积云天气情况下的气溶胶、云凝结核（CCN）及云滴数浓度观测资料,分析研究了气溶胶的垂直分布、谱分布、来源特征及其与云凝结核、云滴数浓度的转化关系。研究结果表明,大气边界层逆温层结对气溶胶、CCN垂直分布有重要影响,不同天气条件下气溶胶谱型在低层差异较大而高层基本一致;垂直方向上CCN数浓度与气溶胶数浓度有较好的相关性,过饱和度0.3%条件下CCN比率（云凝结核/凝结核）与气溶胶有效直径呈线性关系;积云云下气溶胶与云滴的线性拟合方程为y=1.3x?616.3,拟合相关系数为0.96,气溶胶转化为云滴的比率可达到47%。在过饱和度0.3%条件下,云下CCN与云滴的线性拟合方程为y=1.6x?473.8,拟合相关系数也为0.96,CCN转化为云滴的比率可达到69%。     

珠江三角洲地区大气气溶胶特征的飞机观测分析

利用2010年11月6日在珠江三角洲的佛山、江门等地区上空进行的一次飞机探测数据,初步分析气溶胶粒子的垂直和水平分布特征。结果表明,气溶胶粒子在不同的高度有较大的差异,自下而上存在着累积层、递减层和增加层,在1 033 m以下的大气边界层存在气溶胶粒子的累积,气溶胶粒子最小浓度为1 151.15/cm3,高度1 033 m;最大浓度为7 307.38/cm3,高度627 m;平均浓度5 775.63/cm3,平均直径0.212 μm,最大直径0.219 μm,最小直径0.189 μm。在1 033 m以上,气溶胶粒子浓度随高度增加而递减,但在逆温层附近气溶胶粒子的浓度出现了随高度增加而增加的现象。在江门鹤山上空3 800 m的高度层平飞时段,气溶胶粒子数浓度平均为19.74/cm3,变化范围1.97～53.65/cm3。对不同高度粒子谱分析表明,其谱型为多峰型,且高度越高,谱宽越窄,大粒子基本集中在1 000 m高度以下。      

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。     

Aircraft Measurements of Cloud–Aerosol Interaction over East Inner Mongolia

To investigate the potential effects of aerosols on the microphysical properties of warm clouds, airborne observational data collected from 2009 to 2011 in Tongliao, Inner Mongolia, China, were statistically analyzed in this study. The results demonstrated that the vertical distribution of the aerosol number concentration(N_a) was similar to that of the clean rural continent. The average aerosol effective diameter(D_e) was maintained at approximately 0.4 μm at all levels. The data obtained during cloud penetrations showed that there was a progressive increase in the cloud droplet concentration(N_c) and liquid water content(LWC) from outside to inside the clouds, while the Nawas negatively related to the Ncand LWC at the same height. The fluctuation of the N_a, Ncand LWC during cloud penetration was more obvious under polluted conditions(Type 1) than under clean conditions(Type 2). Moreover, the wet scavenging of cloud droplets had a significant impact on the accumulation mode of aerosols, especially on particles with diameters less than 0.4 μm. The minimum wet scavenging coefficient within the cloud was close to 0.02 under Type 1 conditions, while it increased to 0.1 under Type 2 conditions,which proved that the cloud wet scavenging effect under Type 1 conditions was stronger than that under Type 2 conditions.Additionally, cloud droplet spectra under Type 1 conditions were narrower, and their horizontal distributions were more homogeneous than those under Type 2 conditions.     

河北省层状云降水系统微物理结构的飞机观测研究

对4架次飞行个例的PMS资料进行综合分析,发现河北省春季层状云降水系统存在不均匀性,表现之一为较强降水云带。1991年5月25日的个例在飞机上升和下降过程中两次在2000m左右探测到较强的云内逆温,逆温层顶下方存在云水含量的峰值。对1992年6月20日两次个例的冷云的冰晶尺度、冰水含量(IWC)、冰晶浓度和液水含量(IWC)的垂直分布进行了分析。对两次个例的云中可播性进行判别,发现潜力区占云区的1／2左右,有时存在大片强可播区。     

我国云降水物理飞机观测研究进展

飞机观测是云中粒子相态、分布和转化特征的重要探测技术。我国云降水物理飞机观测开始于20世纪60年代,经过60多年的发展,在飞机平台、机载测量技术、云微物理结构和降水形成机制认识等方面均取得了长足进步。发现积层混合云中对流泡区具有更高的过冷水含量,凇附增长起重要作用,符合“播撒-供给”降水形成机制,而在层云区,当云厚度较小时,过冷水含量很少,冰雪晶的凝华、聚并增长起主导作用,并不符合“播撒-供给”降水形成机制,而当云厚度较大时,过冷水含量较为丰富,凝华、聚并和凇附增长起主导作用,基本符合“播撒-供给”降水形成机制;我国北方冬季降雪过程的形成机制主要是凝华-聚并机制,只有在水汽非常充足、云较厚的情况下,凇附增长过程才具有重要作用。近年虽然在人工影响天气播撒效应、数值模式云物理过程验证、卫星及雷达遥感数据检验、对流云结构观测等方面也取得了一些进展,但仍较薄弱,亟待加强。