不同边界层参数化方案对台风“利奇马”模拟的影响研究

基于中尺度数值模式WRF,对比分析了六种大气边界层物理过程参数化方案(BouLac、MYJ、UW、YSU、ACM2、SH)对台风“利奇马”模拟结果的影响。结果表明,不同边界层方案对“利奇马”路径的模拟结果影响较小,但对其强度和结构演变的模拟结果影响显著。其中,局地闭合方案UW方案模拟的结果最强,局地闭合方案BouLac次之,而局地闭合方案MYJ和三种非局地闭合方案YSU、ACM2和SH的模拟强度都较弱。这些方案中,BouLac模拟的海平面最低气压与实况最为接近。通过对比这些边界层方案的模拟结果发现,由于台风强度的差异受到热力和动力的共同影响,边界层方案如模拟得到的地表潜热通量和边界层中湍流扩散系数较大,将导致较大的径向风和低层辐合,从而模拟得到较强的台风强度;反之,则台风强度较弱。      

台风“莫拉菲”对不同边界层方案的敏感性数值模拟

利用WRF中尺度模式,在不同边界层方案下对2009年第6号台风"莫拉菲"登陆前后的主要过程进行了数值模拟,分析了边界层参数化方案对台风的大环境场、路径、强度和累积降水的影响。并通过对边界层过程中的感热通量和潜热通量进行分析,表明台风强度和累积降水主要是由水汽凝结潜热释放造成的。MRF方案为非局地K理论方案,YSU方案是新一代的MRF方案,增加了显式处理的夹卷层过程,而MYJ方案是Mellor-Yamada2.5级湍流闭合方案,主要是使用TKE闭合方法。模拟结果表明,YSU方案比MRF方案在模拟结果中有明显的改善,MYJ方案出现在模拟台风强度过强的情况。综合来说,YSU方案的模拟结果较好。     

边界层参数化方案对“莫兰蒂”台风（1614）登陆阶段影响的数值模拟研究

利用中尺度数值模式WRF v3.8中的YSU、MYJ、QNSE、ACM2、UW、GBM、Boulac七种不同边界层参数化方案,采用高分辨率（1.33 km）数值试验的方法研究了不同边界层方案对模拟台风“莫兰蒂”（1614）登陆减弱阶段的移动路径、强度、结构、降水量、近地层有关物理量场分布等方面的影响,结果表明:（1）“莫兰蒂”台风登陆减弱阶段,不同边界层方案对台风路径、强度、降水量模拟影响显著,24 h内模拟台风路径、最低气压、最大风速及24 h累积降水量极值的最大差异分别达80 km、11 hPa、27 m s?1及241 mm;（2）Boulac方案模拟台风路径与实况最为接近,GBM、YSU和MYJ方案分别次之,ACM2和UW方案再次之,而QNSE方案最差;UW和QNSE方案模拟的最低气压以及MYJ和QNSE方案模拟的最大风速与观测最为接近;不同边界层方案均模拟出台风登陆阶段最低气压逐渐升高以及其升高速率在台风登陆后大于登陆前的特征,这与实况一致,但台风登陆前各方案模拟最低气压升高速度均大于实况,而台风登陆后却又不及实况;（3）Boulac方案模拟的24 h降水分布、强降水落区、结构、强度和各量级降水TS评分均最优,MYJ方案次之;而QNSE、UW和ACM2方案雨带向西北方向推进过快,各量级降水TS评分均较差;（4）综合台风路径、强度和降水模拟,Boulac和MYJ方案相对最优,其中Boulac方案在台风路径和降水模拟上更优,而MYJ方案在台风强度模拟上更优;YSU和GBM方案次之,而QNSE、UW和ACM2方案相对较差;（5）不同边界层方案计算的近地层潜热通量、感热通量显著不同,进而影响台风路径、强度、降水量模拟存在显著差异。比较而言,QNSE方案潜热通量相对异常偏高,MYJ和Boulac方案量值适中,其余方案相对偏低;QNSE方案感热通量相对略偏高,MYJ方案适中,其他方案则相对显著偏低;（6）不同边界层方案模拟降水区边界层热、动力结构显著不同,其中Boulac方案具有较明显优势,尤其是对日间边界层结构的模拟。     

基于4D-VAR的动态非对称台风初值化方法试验研究

经典BDA台风初值化方案中台风模型为一个不能充分反映个别台风具体特征的轴对称海平面涡旋场,且在同化窗口内强迫发展着的台风向这个静止涡旋场适应。本文针对该特点,提出一种充分融合分析场信息和实况信息并考虑副高影响的非对称台风Bogus方法,利用PSU/NCAR的MM5模式及其伴随模式,通过四维变分同化(4D-VAR)技术,建立动态非对称BDA方案,对多个不同时次的Bogus资料进行同化。通过对夏季受副热带高压影响较大的6个台风的数值模拟试验对比发现,新方案的路径模拟普遍优于经典方案,且对于经典方案没能改善路径模拟的时段,新方法的模拟效果却能得以改进;新方法模拟的强度普遍弱于经典方案,但这种趋势使得新方法的中后期模拟强度较经典方案更接近于实况。另外,当实况中台风强度已大为减弱时,同化试验模拟的台风仍然保持很强的强度,造成气旋的过度发展,这种情况对BDA方案模拟效果的限制作用还需进一步研究。     

两种边界层方案对台风“Megi”路径的影响

以WRF为试验模式,对比分析2种边界层参数化方案(YSU、MYJ)对台风"Megi"路径的影响。结果显示,"Megi"路径对边界层方案的变化有一定的敏感性。相比于MYJ方案的模拟结果,YSU方案模拟的边界层垂直混合作用和水汽垂直输送较强,因此对流层高层的水物质含量高于MYJ方案中的结果。分布于台风周围的水物质在对流层高层会以砧云的形态扩散至副高区域,砧云在对流层高层凝结放热增温,在低层形成降水蒸发吸热降温,影响副高区域上下层的温度分布,导致副高强度减弱、位置东退,最终造成台风提前转向。     

AMSU-A资料在台风模拟中的循环同化研究

以WRF(V3. 7)中尺度模式及其三维变分同化系统(WRF-3Dvar)为平台,GFS(0. 5°×0. 5°)提供模式背景场,对AMSU-A微波辐射资料进行循环同化试验,研究台风数值模拟中AMSU-A资料的可用性及循环同化方法的可行性。以2014年第19号台风"黄蜂"为例,开展了控制试验和多组同化试验。同化试验主要包括循环同化常规观测资料和不同卫星测得的AMSU-A微波辐射资料。在对各试验初始场进行对比的基础上,比较了不同同化试验方案的模拟效果,结果表明:1) AMSU-A资料同化能有效地调整初始场,模拟的台风路径和强度都有一定的改善; 2)不同卫星探测的AMSU-A资料同化效果存在较大的差异,其中NOAA-15资料同化模拟台风"黄蜂"的路径和强度与实况最为接近; 3)循环同化是增加数值模式中资料使用量、改善台风模拟效果的有效方法。     

边界层参数化方案对南海秋季台风“莎莉嘉”(2016)模拟的影响

利用美国中尺度数值模式WRF,选取两个局地(QNSE、MYJ)闭合和两个非局地(YSU、ACM2)闭合的边界层参数化方案对台风“莎莉嘉”(2016)进行了4组模拟试验,结果表明,不同边界层方案对台风路径影响较小,但对台风强度和结构有明显的影响,就本个例研究而言,非局地闭合边界层方案明显优于局地闭合边界层方案。台风强度的差异是热力和动力共同作用的影响。局地闭合方案模拟的地表焓通量、水汽通量和动量通量更大,台风偏强;局地闭合方案模拟的边界层高度更高、边界层顶的夹卷过程更强、垂直混合更强、台风暖心结构更强,从而台风也更强。台风强度的差异和台风结构的变化密切相关。      

雷达资料在登陆台风“桑美”数值模拟中的应用

将国内多普勒天气雷达的反射率因子及径向风资料引入ARPS-3DVar同化系统进行同化,针对2006年登陆浙江苍南并造成严重影响的超强台风“桑美”,探讨多普勒雷达资料同化对台风模拟初始场和预报场的改进作用。结果表明:利用ARPS-3DVar同化雷达资料可以明显改善6 h同化窗口内的降水、风场和回波结构,并能提高模式对中尺度雨团位置、强度的模拟能力;雷达资料初始场同化后模拟的台风涡旋和台风眼结构与位置更加接近实况,各物理量空间分布结构更具有明显中尺度特征,从而改善了台风路径和降水的预报。但模拟过程中台风强度模拟偏弱,有待进一步改进。     

不同资料同化对登陆台风菲特(2013)短时预报的影响研究

为定量评估地面、探空、飞机报、卫星辐射亮温、雷达反射率及径向风等不同观测资料同化对台风预报性能的影响,本文以2013年严重影响我国的登陆台风菲特为例,利用WRF模式与GSI-3DVAR同化系统开展观测系统试验(OSE)研究,探讨了不同类型资料同化对"菲特"(2013)路径、强度、形势场和降水短时预报的相对贡献及可能影响机理。结果表明:(1)不同类型资料同化对模拟结果贡献程度有明显差别,其中探空、雷达反射率和飞机报对模拟结果有较大影响,分别"拒绝"这三种资料后模式模拟的高空各要素均方根误差分别上升约54.8%~62.0%、9.2%~16.5%和6.1%~6.4%。(2)对于不同的台风预报效果评估参数,各类资料的贡献率大小排序不同。对高空场和台风路径模拟影响较大的是探空和飞机报,对台风强度模拟影响较大的依次是雷达径向风、反射率、探空和飞机报,而对降水模拟影响较大的依次是雷达反射率、探空和飞机报。(3)各类资料对降水模拟的贡献率随时间变化不同。雷达反射率资料对降水的贡献随着模式积分时间明显下降,而飞机报、探空资料等对降水的贡献在模式积分3 h之后开始出现。(4)资料同化对降水模拟的改进与其对台风路径、水物质及强度模拟改进有关,因此影响高空场、台风路径和强度较大的雷达反射率、探空和飞机报资料,也是对降水模拟贡献较大的资料。     

多普勒雷达资料同化在福建地区暴雨过程中的模拟试验

利用中尺度模式WRFV3.5,对福建地区的一次暴雨过程进行了模式参数化方案模拟效果的敏感性试验,并同化了多普勒雷达资料进行了模拟研究。结果表明,WSM5微物理方案与BMJ积云对流方案的组合模拟大雨和暴雨量级降水的TS评分可达0.29,模拟效果优于其他各种组合。在此基础上,采用WRFV3.5三维变分系统,直接同化多普勒雷达资料,并和登陆台风的外围暴雨过程的控制试验比较,结果表明,仅同化反射率资料使得暴雨落区会向南调整,更接近于实况(TS评分提高了0.12),而仅同化径向风资料使得模拟的降水强度更趋近于实况(TS评分提高了0.13);同时同化反射率和径向风资料,使得暴雨落区及其强度的模拟最接近于实况(TS评分从0.12提高到0.28);敏感性试验的对比结果以时间间隔为3 h时模拟效果最优,6 h间隔次之。因此,合理同化雷达资料会显著改进福建登陆台风的降水模拟效果。     

The philosophy of the Chicago School of meteorology

Summary The effect of philosophical thought on scientific achievement is briefly discussed. Through a study of the types of problems investigated and the methods employed by the Chicago School of meteorology an attempt is made to isolate its philosophy. In the light of these results certain concepts favoured by the Chicago School such as energy transmission, horizontal mixing, and indirect circulations, are discussed.

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Zusammenfassung Die Auswirkung einer auf die Grundvorstellungen zurückgehenden Denkweise auf den wissenschaftlichen Fortschritt wird kurz diskutiert. Durch eine Untersuchung über die von der Chicagoer Meteorologenschule in Angriff genommenen Problemstellungen und über die von ihr angewandten Methoden wird der Versuch gemacht, ihre Grundanschauungen herauszuschälen. Im Lichte dieser Ergebnisse werden bestimmte, von der Chicago-Schule bevorzugt behandelte Begriffe wie Energieübertragung, horizontaler Austausch und indirekte Zirkulation diskutiert.

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Résumé Brève discussion d'une philosophie des notions fondamentales et de son influence sur le progrès scientifique. Par une étude de la problématique à laquelle s'applique l'école météorologique de Chicago et de ses méthodes, on tente de dégager ses fondements. A la lumière de ces résultats, certaines notions adoptées par l'école de Chicago telles que la transmission de l'énergie, l'échange turbulent horizontal et la circulation indirecte sont soumises à une discussion.

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Published by the permission of the Controller, Meteorological Service of Canada.     

Some observations of thep H of precipitation elements

Summary A year of observations ofp _H values of individual rain drops and snowflakes near Boston, Mass., showed acidic values ranging from 3 to 5.5 with a mean value of 4. There was no systematic relation betweenp _H and the duration of rainfall. Drizzle and light rain had the lowest values, heavy rain and solid precipitation had the highest. There is a tendency for smaller drops to have lower values ofp _H than the larger ones. Measurements of dew and frost showed also a range from 3 to 5.5 with a mean value of 4.3.

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Zusammenfassung Beobachtungen desp _H-Wertes von einzelnen Regentropfen und Schneeflocken während eines Jahres in der Nähe von Boston zeigten eine Schwankung zwischen 3 und 5,5 mit einem Mittelwert von 4. Eine systematische Beziehung zwischenp _H und Regendauer wurde nicht gefunden. Tropfen von Sprühregen und leichtem Regen hatten die niedrigsten Werte, während die höchsten Werte bei heftigen Schauern und gefrorenen Niederschlagsarten beobachtet wurden. Es besteht eine Neigung zu niedrigeremp _H bei kleinen Tröpfchen als bei großen Tropfen. Messungen an Tau und Reif ergaben ebenfalls Werte zwischen 3 und 5,5 mit einem Mittelwert von 4,3.

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Résumé Des observations des valeurs dup _H de différentes gouttes de pluie ou de flocons de neige, faites près de Boston pendant une année, indiquent une variation comprise entre 3 et 5.5 avec une moyenne de 4. L'auteur n'a pas trouvé de relation systématique entre lep _H et la durée des précipitations. Des gouttes de bruine et celles de légères chutes de pluie indiquaient les valeurs les plus basses, tandis que pendant de fortes averses et des précipitations sous forme solide on obtenait les valeurs les plus élevées. Il y a davantage une tendance à un petitp _H lorsque les gouttes sont petites que lorsqu'elles sont grandes. Les mesures faites sur des gouttes de rosée et sur du givre donnèrent également des valeurs comprises entre 3 et 5.5 avec une moyenne de 4.3.

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With 3 Figures.     

A meteorological study of Dry-fallout of radioactive debris

Summary A general expression is derived for the intensity of dryfallout based on time variations of beta-activity in surface air, due to worldwide tropospheric distribution of debris from nuclear testings. Model assumptions are outlined for the consideration of large-scale effects of horizontal divergence of air flow, and small-scale effects of eddy diffusion. The parameterization is based on the concept of geostrophic drag coefficients and atmospheric boundary layer theory. The model is completed by a two-parameter representation of tropospheric profiles of beta activity. Case studies of dry-fallout in 1962 and 1963 at three stations of the United States Public Health Service (USPHS) network are discussed. Dry-fallout rates per day are found to be approximately 10% of average wet-fallout rates of the same period. The average residence time of debris in the troposphere is estimated to be about 65 days if dry-fallout would be the only cleansing process.

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Zusammenfassung Für die Intensität von radioaktivem Ausfall wird eine allgemeine Formel abgeleitet. Sie beruht auf der beobachteten zeitlichen Veränderung der bodennahen Konzentration radioaktiver Beta-Teilchen, die als Abfallprodukte der Kernwaffenversuche weltweite Verteilung erfuhren. Das theoretische Modell zur Berechnung von Trockenausfall erfordert gewisse Annahmen zur Berücksichtigung von 1. großräumigen Effekten der horizontalen Divergenz der Luftströmung und 2. kleinräumigen Turbulenzeinflüssen. Diese Effekte werden durch Parameter der horizontalen Luftdruckverteilung berücksichtigt, die auf dem Konzept des geostrophischen Widerstandsbeiwertes und der atmosphärischen Grenzschichttheorie beruhen. Das Modell ist durch zwei weitere Parameter vervollständigt, welche das troposphärische Profil der Beta-Aktivität repräsentieren. Beispiele von Trockenausfall in den Jahren 1962 und 1963 werden für drei Stationen des Beobachtungsnetzes des United States Public Health Service diskutiert. Es ergab sich, daß Trockenausfall pro Tag etwa 10% des Ausfalles durch Niederschlag (pro Regentag) für den gleichen Zeitabschnitt ausmacht. Ferner wird abgeschätzt, daß die Verweilzeit der radioaktiven Teilchen in der Troposphäre im Durchschnitt 65 Tage beträgt, wenn Trockenausfall der alleinige Reinigungsprozeß ist.

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Résumé On développe ici une formule générale permettant le calcul de l'intensité des retombées radio-actives. Cette formule est fondée sur la variation de la concentration au voisinage du sol des particules radio-actives béta, disséminées dans l'atmosphère entière à la suite d'essais d'armes nucléaires. Le modèle théorique permettant de représenter la sédimentation en atmosphère sèche nécessite certaines suppositions afin de tenir compte d'une part des effets à grandes dimensions de la divergence horizontale des courants aériens et d'autre part des effets de la turbulence à petites dimensions. On tient compte de ces effets au moyen de paramètres de la répartition horizontale de la pression, paramètres basés sur le coefficient de la résistance géostrophique et sur la théorie des couches limites atmosphériques. Ce modèle est complété par deux paramètres supplémentaires qui représentent le profil troposphérique de l'activité béta. Comme exemple, on discute les quantités de retombées recueillies à trois stations du «United States Public Health Service» durant les années 1962 et 1963. Le résultat en est que la sédimentation à sec par jour représente environ le 10% des retombées entraînées par les précipitations durant la même période. On estime en outre que les particules se maintiennent en moyenne durant 65 jours dans la troposphère si la sédimentation se fait uniquement sans le concours de précipitations.

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With 2 Figures

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The research reported was supported, in part, by the National Science Foundation, Grant No. GP-444.     

UV-B辐射增强对不同品种花生结荚期生理特性日变化的影响

以3个花生品种（开农49号、64号和69号）为材料,通过大田模拟试验,研究UV-B辐射增强对花生结荚期叶片的净光合速率（P_n）、气孔导度（G_s）、胞间CO₂浓度（C_i）、蒸腾速率（T_r）和水分利用效率（E_wu）日变化的影响,为筛选高产、抗旱、抗UV-B辐射花生品种提供依据.UV-B辐射设2个水平即自然光（CK,1.5 kJ·m^-2）和UV-B增强20%（T,1.8 kJ·m^-2）.结果表明,UV-B辐射增强明显抑制花生的光合作用和蒸腾作用,与对照相比,UV-B增强条件下,开农49号、64号和69号P_n日均值分别降低19.4%、27.8%、24.7%;G_s日均值降低26.7%、42.9%、28.6%;C_i日均值降低27.2%、20.4%、23.1%;T_r日均值降低17.8%、23.3%、25.1%;E_wu日均值降低16.6%、23.2%、23.9%.UV-B辐射增强对3个品种生长都具有抑制效应,但品种间存在一定的敏感性差异,其中开农49号最不敏感,因此,开农49号在抗UV-B辐射方面比其他2个品种具有更大的优势.     

A new criterion of relative homogeneity of climatological series

Summary When investigating, as a random sample, a series of differences between rather relatively homogeneous series of annual temperatures at two places, about 70 miles distant from one another it can be shown that the frequency distribution of the differences can be approximated by a normal distribution.Conversely, a normal distribution of the elements of the series of differences can be taken as a new criterion for the relative homogeneity of two series of average temperatures. This conclusion is verified by the agreement between other criteria for relative homogeneity and the new one.

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Zusammenfassung Die Häufigkeitsverteilung der Differenzen zweier synchroner Reihen von Jahrestemperaturen wurde untersucht. Sie stammten von zwei zirka 110 km voneinander entfernten Orten in einem einheitlichen (kohärenten) Klimagebiet der Atlantischen Küste der Vereinigten Staaten. Die Häufigkeitsverteilung zeigt eine ausgesprochen negative Schiefe (Abb. 1). Kritische Durchsicht der Differenzenreihe, wie sieJ. v. Hann empfiehlt, zeigte außer einigen mehr oder minder vielleicht unbedeutenden Inhomogenitäten zwei Perioden, die durch scharfe (entgegengesetzte) Diskontinuitäten von der übrigen Reihe abgetrennt erschienen. Die aufgezeigten Sprünge ließen sich im nachhinein durch in der Stationsgeschichte angeführte Aufstellungsänderungen der Instrumente erklären. Die Ausschaltung dieser gestörten Perioden reduzierte die 100jährige auf eine 85jährige Differenzreihe. Die von der letzteren abgeleitete Häufigkeitsverteilung ließ sich in zureichender Weise (Abb. 2) durch eine Gaußsche Kurve approximieren.Die vom Autor zur Prüfung relativer Homogenität verwendeten Kriterien (Abbe, Helmert, Met. Z. S. 1925, p. 482) ergaben das Resultat: nichthomogen im Falle der 100jährigen, und annähernd homogen für die 85jährige Reihe. Dieses Resultat führte zu der Annahme, daß das Problem umkehrbar wäre: wenn die Differenzenreihe sich durch eine Gaußsche Kurve annähernd darstellen läßt, können die ursprünglichen Temperaturreihen als relativ homogen angesehen werden. Weitere mathematisch-statistische Untersuchungen in dieser Richtung wären zu begrüßen, besonders wenn auch Quotientenreihen (Niederschlag) einbezogen würden.

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Résumé En étudiant une série de différences dérivées des séries plus ou moins relativement homogènes de températures annuelles à deux endroits l'un de l'autre à peu près 110 kms comme exemple de hasard, on peut démontrer que la distribution de la fréquence des différences peut être approximée par une distribution normale.Au contraire, une distribution normale des éléments des séries de différences pourrait être considérée comme un nouveau critérium de la homogénéité relative de deux séries de la température moyenne. Cette conclusion est vérifiée par l'accordance avec d'autres critériums.De plus, une continuation des études de ces problèmes au moyen de méthodes statistiques est désirable, en particulier, si l'on peut faire usage aussi de séries de quotients (précipitation).

     

塔克拉玛干沙漠腹地区域性与局地性沙尘暴特征分析——以塔中为例

塔克拉玛干沙漠近几年来沙尘暴发生频率增加,强度增大,为了研究不同尺度沙尘暴的规律,利用2005-2014年塔克拉玛干沙漠腹地塔中及周边14个气象台站沙尘暴资料,给出塔克拉玛干沙漠腹地塔中区域性与局地性沙尘暴天气过程的定义,从区域性与局地性沙尘暴持续时间,能见度,类型,时间变化等特征进行分析。研究结果表明：(1)10塔中发生沙尘暴170d比沙漠南缘和北缘高,比肖塘少,其中区域性沙尘暴80d,局地性沙尘暴90d,天气过程区域性64次,局地性80次;(2)塔中区域性沙尘暴不论是持续时间还是能见度总体上比局地性沙尘暴持续时间长,能见度低;(3)区域与局地沙尘暴可以按主导风向分为5类,但各类沙尘暴在区域性与局地性沙尘暴中表现出季节分布;(4)区域性与局地性沙尘暴10a波动增长,区域性沙尘暴多发生在春季,局地性沙尘暴多发生在夏季,区域性沙尘暴年际和年内变差系数都小于局地沙尘暴,一日中区域性与沙尘暴白天多于夜晚。     

A theory of the formation of ice crystals

Summary As is known from laboratory experiments and investigations in the free atmosphere, ice crystal formation is initiated either at vapor saturation with respect to water or by crystallization of a droplet. Nuclei with special properties are needed. An explanation of their effectiveness can be given by application of the laws of oriented overgrowth (Epitaxy) between two crystals. Any host crystal having a plane with a geometrical pattern similar to, for instance, the base plane of the ice crystal, can orient an adsorbed layer of H₂O molecules already in the ice crystal pattern. The closer the fit between the two crystal planes, the greater the area of oriented H₂O molecules will be. By piling up other layers of H₂O molecules a very small ice crystal, called ice seed, is created which can grow in supercooled water. This crystal is so small that according to theThomson-Gibbs Law a high supersaturation would be needed to create it directly from vapor. Calculations of the effective temperature of mica, AgI and quartz as freezing nuclei are in fairly good agreement with the experiment. This theory permits an explanation of the observed thresholds of ice formation which occur at about –20°, –30°, –40° and –60°C. Occasionally capillary condensation of water molecules on a freezing nucleus will occur when the vapor is saturated with respect to ice but not with respect to water; this has frequently been erroneously ascribed to ice formation by a real sublimation nucleus.

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Zusammenfassung Nach Untersuchungen im Laboratorium und in der freien Atmosphäre entsteht Eis entweder aus Wasserdampf auf dem Umwege über vorherige Kondensation des dampfes oder unmittelbar aus der flüssigen Phase durch Kristallisation. Zur Einleitung des Kristallisationsprozesses sind Kerne (Gefrierkerne) mit besonderen Eigenschaften notwendig. Eine Erklärung ihrer Wirkungsweise wird durch Anwendung der Gesetze über das orientierte Aufwachsen eines Kristalls auf einem anderen gewonnen. Besteht zwischen einer Gitternetzebene irgendeines Kristalls und z. B. der Basisebene des Eiskristalles eine gewisse Ähnlichkeit, die sich nachRoyer hauptsächlich auf die geometrische Anordnung der Kristallbausteine in beiden Flächen bezieht, dann orientiert sich die erste auf der Kristallfläche adsorbierte Moleküllage des Gastkristalls in der für sie typischen Gitteranordnung. Eine weitere, wesentliche Bedingung ist sehr gute Benetzbarkeit des Wirtkristalls durch die Bausteine des Gastkristalls, ohne daß es jedoch zur Auflösung des Wirtkristalls kommen darf. Solche Benetzbarkeit zeigt z. B. eine frisch gespaltete Glimmerfläche. Auf der Oberfläche eines gewöhnlichen, nach seiner Struktur geeigneten Aerosolteilchens werden jedoch nur wenige solcher aktiver Stellen vorhanden sein. Je besser dann die geometrische Ähnlichkeit beider Kristallflächen ist, um so größer ist die Fläche des Gastkristalls, die orientiert werden kann.Diese erste orientierte Molekülschicht des Gastkristalls wirkt orientierend auf die Wassermoleküle der Umgebung oder die durch den Kondensationsprozeß angelagerten Moleküle; dadurch entsteht ein kleiner Eiskristall. Dieses Kriställchen wirkt bei einer bestimmten kritischen Temperatur als Kristallisationskeim für das gesamte Wasser. Die Beziehung zwischen seiner Größe und seiner Wirkungstemperatur kann berechnet werden nach einer vonJ. J. Thomson abgeleiteten Formel. Je größer es ist, um so näher am Gefrierpunkt wirkt es; trotzdem ist es aber noch so klein, daß nach dem Thomson-Gibbsschen Gesetz eine große Übersättigung notwendig wäre, um es direkt aus dem Dampf zu bilden. Durch Analyse der geometrischen Ähnlichkeit zwischen der Basisfläche eines Eiskristalls einerseits und der Spaltfläche von Glimmer, der Basisfläche von Silberiodid und der Basisfläche eines Quarzkristalls anderseits war es möglich, die Größe der Fläche zu berechnen, über die die adsorbierten Wassermoleküle in der Basisflächenstruktur von Eis orientiert werden können. Dadurch war die Größe des Eiskeimes gegeben, dessen kritische Wirkungstemperatur nachJ. J. Thomsons Formel berechnet werden konnte.Die so berechneten Werte stimmen gut mit den experimentell festgestellten Gefriertemperaturen von Wasser auf Glimmer, Silberiodid und Quarz überein. Versuche mit Glimmer deuten darauf hin, daß in der Nähe des Gefrierpunktes eine besonders gute Ableitung der Gefrierwärme erforderlich ist, um den Kristallisationsprozeß in Gang zu bringen. Die Theorie gestattet eine Erklärung der verschiedentlich beobachteten Temperaturschwellen der Eisbildung in den Intervallen –19 bis –24°C, –30 bis –35°C, –39 bis –42° C und –60 bis –65°C. — Kapillarkondensation, durch die an unlöslichen Kondensationskernen Kondensation schon bei 90% rel. Feuchte einsetzen kann, kann das Vorhandensein eines Sublimationskernes vortäuschen.

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Résumé D'après les recherches faites au laboratoire et dans l'atmosphère libre, la glace se forme soit à partir de la vapeur d'eau en passant par la condensation préalable, soit directement par cristallisation à partir de la phase liquide. Le processus de cristallisation exige la présence de noyaux de congélation aux propriétés particulières pour s'amorcer; l'action d'un noyau peut s'expliquer par les lois relatives à la croissance orientée d'un cristal sur un autre. S'il existe entre le réseau moléculaire d'un cristal quelconque et le plan de base d'un autre cristal une certaine ressemblance qui d'aprèsRoyer se rapporte essentiellement à la distribution géométrique des éléments cristallins des deux plans de contact, alors la première couche moléculaire du cristal secondaire qui est adsorbée sur une face du premier s'oriente suivant le réseau typique de celui-ci. Une autre condition importante est celle de la parfaite mouillabilité du cristal primitif vis-à-vis du nouveau cristal, sans toutefois que le premier risque de se dissoudre; une face fraîchement clivée de mica par exemple présente cette propriété. Mais la surface d'une particule d'aérosol de structure convenable ne présente que peu de «points actifs» de ce genre. Plus les deux surfaces cristallines mises en présence sont géométriquement semblables, plus la surface du cristal secondaire qui peut être orientée est grande.La première couche moléculaire orientée du cristal secondaire exerce un effet directeur sur les molécules d'eau du milieu ou sur les molécules déposées par le processus de condensation; ainsi naît un petit cristal de glace. A une température critique déterminée, ce dernier joue le rôle de germe de cristallisation pour toute l'eau disponible. La relation entre la grosseur de ce cristal et sa température efficace peut se calculer par une formule due àJ. J. Thomson. Plus le cristal est gros, plus il agit près du point de congélation; cependant il est encore si petit que d'après la loi deThomson-Gibbs il faut une grande sursaturation pour qu'il se forme directement à partir de la vapeur. Par l'analyse de la similitude géométrique entre la surface de base d'un cristal de glace d'une part et la surface de clivage de mica, la surface de base de iodure d'argent ou d'un cristal de quartz d'autre part, on pouvait calculer la grandeur des surfaces sur lesquelles les molécules d'eau adsorbées peuvent être orientées selon la structure de la surface de base de la glace. On obtenait ainsi la grosseur du germe de glace dont on pouvait calculer la température critique efficace d'après la formule deThomson.Ces valeurs calculées sont en bon accord avec les températures de congélation de l'eau sur mica, iodure d'argent et quartz déterminées expérimentalement. Des essais faits avec du mica semblent montrer qu'au voisinage du point de congélation la chaleur de congélation doit pouvoir s'écouler facilement pour mettre en train le processus de cristallisation. La théorie permet d'expliquer les seuils de température de la formation de la glace souvent observés dans les intervalles de –19° à –24°, –30° à –35°, –39° à –42° et de –60° à –65°C. La condensation capillaire par laquelle une condensation peut se produire sur des noyaux insolubles pour une humidité relative de 90% déjà est de nature à faire croire à la présence d'un noyau de sublimation.

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With 8 Figures.     

Statistical analysis of microphysical properties and the parameterization of effective radius of warm clouds in Beijing area

In this paper warm cloud microphysical parameters including cloud droplet number concentration (N_c), liquid water content (q_l) and effective radius (r_e) from 75 flights around the Beijing area during 2005 and 2006 are summarized. Average N_c (cm^− 3) for Cu, Sc, Ac, As and Ns are 376 ± 290, 257 ± 226, 147 ± 112, 60 ± 35 and 60 ± 84, respectively. Many records of high N_c above 1000 cm^− 3 are observed. The large standard deviations indicate a large variation of N_c and q_l in this region. The maxima of q_l reach 1.4 g m^− 3 in Cu and 1.0 g m^− 3 in Sc, respectively. Different parameterizations of effective radius are examined with the in-situ data in this area. There are different ways to obtain the prefactor representing the relationship between effective radius and mean volume radius. Significant systematic errors are found to be at the large sizes when the prefactor is expressed with relative dispersion under the Gamma Distribution. Fixed prefactor of 1, which was widely used, even produces much larger error. A prefactor of 1.22 is found to be better than the former two methods by fitting with the observed data. The effective radius is further parameterized as functions of mean volume radius, liquid water content and cloud droplet number concentration. We suggest that the effective radius can be parameterized as r_e,p ≈ 1.20r_v + 0.22–1.28/r_v², which is a practical and more accurate scheme without too much computation complexity.     

Further studies of the temperature dependence of the rate coefficients for the reactions of OH with a series of ethers under simulated atmospheric conditions

The following temperature-dependent rate coefficients (k/cm³ molecule^–1 s^–1) of the reactions of hydroxyl radicals with aliphatic ethers have been determined over the temperature range 247–373 K by a competitive flow technique: diethyl ether,k _OH=5.2×10^–12 exp[(262±150)/T]; methyln-butyl ether,k _OH=5.4×10^–12 exp[(309±150)/T]; ethyln-butyl ether,k _OH=7.3×10^–12 exp[(335±150)/T]; di-n-butyl ether,k _OH=5.5×10^–12 exp[(502±150)/T] and di-n-pentyl ether,k _OH=8.5×10^–12 exp[(417±150)/T]. The data have been measured relative to the rate coefficientk(OH + 2,3-dimethylbutane)=6.2×10^–12 cm³ molecule^–1 s^–1 independent of temperature.Previous discrepancies in the room-temperature rate coefficients for the OH reactions with ethyln-butyl ether and di-n-butyl ether, obtained in the flow and static experiments of Bennett and Kerr (J. Atmos. Chem. 8, 87–94, 1989;10, 29–38, 1990) compared with those of Wallingtonet al. (Int. J. Chem. Kinet. 20, 541–547, 1988;21, 993–1001, 1989) and of Nelsonet al. (Int. J. Chem. Kinet. 22, 1111–1126, 1990) have been resolved. The results are considered in relation to the available literature data and evaluated rate expressions are deduced where possible. The data are also discussed in terms of structure-activity relationships.     

Chemical characterization of water-soluble aerosols in different residential environments of semi aridregion of India

This paper deals with the atmospheric concentrations of PM₅ and PM_2.5 particulate matter and its water soluble constituents along with the size distribution of ions and spatial variation at three different residential environments in a semiarid region in India. Samples were collected from the indoors and outdoors of urban, rural and roadside sites of Agra during October 2007–March 2008. The mean concentrations of PM_2.5 indoors and outdoors were 178 μgm⁻³ and 195 μgm⁻³ while the mean concentrations of PM₅ indoors and outdoors were 231.8 μgm⁻³ and 265.2 μgm⁻³ respectively. Out of the total aerosol mass, water soluble constituents contributed an average of 80% (33% anions, 50% cations) in PM₅ and 70% (29% anions, 43% cations) in PM_2.5. The indoor–outdoor ratio of water soluble components suggested additional aerosol indoor sources at rural and roadside sites. Indoor–outdoor correlations were also determined which show poor relationships among concentrations of aerosol ions at all three sites. Univariate Pearson correlation coefficients among water soluble aerosols were determined to evaluate the relationship between aerosol ions in indoor and outdoor air.