沙尘气溶胶对云和降水影响的模拟研究

采用二维分档云模式,对比背景大气气溶胶分布,讨论了扬沙和沙尘暴天气条件下矿物气溶胶对云微物理结构、光学特性以及降水形成的影响.结果表明:扬沙和沙尘暴天气增加大气中大核和巨核的浓度,促进云中水汽的活化,使降水提前出现,暖云和冷云降水量均大幅增加,但可忽略巨核增加对云光学厚度和反照率的作用;当矿物沙尘粒子同时作为有效的云凝结核和冰核参与云的发展时,冰核浓度增加使水成物有效半径减小,抑制了暖云和冷云降水,云内存留的大量冰晶增强云的光学厚度和反照率.     

甘肃省夏季层状云微物理特征个例分析

对2004年6月12日甘肃河西地区一次降水性层状云的云物理飞机探测结果进行了分析,通过对云中粒子的浓度、直径、二维图像以及谱型变化地研究,并结合宏观观测记录,详细分析了云系的垂直和水平微物理特征.观测资料分析表明:此次云系为Ac-Sc结构,上层Ac云为纯冷云,下层Sc云为纯暖云,两层云之间存在较厚的干层.云中微物理量的垂直和水平变化均具有明显的不均匀性,整个探测过程中,FSSP-100所测云粒子的浓度和平均直径变化范围分别为0.1～-232.6cm-3和3.5～45.5μm,OAP-2D-GA2所测云粒子浓度及平均直径变化范围分别为0.01～116.7cm-3和32.2～995.7μm.粒子二维图像表明,上层高积云中冰相粒子的凇附、粘连现象普遍,说明云中存在较多的过冷水.图像及谱型分析表明,6000m以上某些区域有冰晶高浓度区存在,大量冰晶的成长消耗了云中过冷水,不利于大云粒子的形成和成长;这次降水雨滴主要由纯暖性Sc云中暖云成雨过程形成,冷云过程只在Sc云顶附近有一定作用,本次降水主要机制为下层层积云中的暖云过程.     

山西夏季层积云降水微物理特征分析

利用Droplet Measurement Technology(DMT)资料,分析了山西2008年7月17日降水性层积云的云微物理结构,通过对云中粒子浓度、平均直径、二维图像以及谱型分布变化,并结合宏观记录特征,详细分析了飞机上升和下降阶段云系的垂直结构特征。结果表明,飞机上升阶段云系为高积云,下降阶段云系为高积云—层积云结构,云粒子探头(Cloud Droplet Probe,CDP)和云粒子图像探头(Cloud Imaging Probe,CIP)测得粒子浓度偏大,最大浓度分别为236cm-3和9.74cm-3。层积云云中微物理量水平分布特征具有明显的不均匀性。飞机上升阶段降水的雨滴主要是冰粒子融化形成的,冷云过程占主导地位,在0℃层附近存在明显的融化层亮带。飞机下降阶段降水机制为高积云冷云过程和层积云暖云过程相结合。     

南方夏旱期积云含水量和降水效率的云模式估算

在胡志晋二维对流云模式的物理框架上增加了对整块积云的含水量、地面降水量、降水效率的估算部分.改进后的模式模拟了福建夏旱期37 个降水个例,并估算出南方夏旱期冷云、混合云和暖云的含水量、地面降水、降水效率,其结果与湖南积云的实测值较接近.分析了含水量在关键时段的主要分布情况,为研究南方夏旱期积云的人工影响方法提供物理依据.     

南方夏早期积云含水量和降水效率的云模式估算

在胡志晋二维对流云模式的物理框架上增加了对整块积云的含水量、地面降水量、降水效率的估算部分。改进后的模式模拟了福建夏早期37个降水个例，并估算出南方夏早期冷云、混合云和暖云的含水量、地面降水、降水效率，其结果与湖南积云的实测值较接近。分析了含水量在关键时段的主要分布情况，为研究南方夏早期积云的人工影响方法提供物理依据。     

河北省一次降水云系云物理结构的飞机探测研究

利用机载粒子测量系统资料、天气雷达和Ka波段云雷达资料,分析了2017年5月22日河北省一次低槽冷锋降水过程积层混合云的微物理结构。结果表明:降水云系出现在低槽槽前西南气流中,积层混合云为大范围的层状云系中镶嵌大量对流云核结构,0℃层高度位于3577—4004m,随降水过程发展0℃层高度降低,嵌入的对流加强将抬升云顶高度。云内粒子浓度随云内对流的发生和加强而提高,云粒子浓度从1.8×10^5L^-1上升至5.0×10^5L^-1;云内过冷水含量大幅提高,从0.05g·m^-3上升至0.60g·m^-3,冷云中上层过冷水含量可长时间维持在0.20g·m^-3,中上层过冷水占比达60%。对流发生和加强可提高冰晶粒子增长速度,弱对流区冷云低层出现冰晶粒子浓度爆发增长区,强对流区冷云中上层成为冰晶粒子浓度快速增长区;最大降水粒子直径从8000μm增长至10000μm以上,直径在10000μm以上降水粒子谱分布区域从云底向中上层拓展。     

一次东北冷涡过程的宏微观物理特征分析

利用2019年5月20日机载DMT和SPEC粒子测量系统获取的飞机云微物理探测资料,结合高空、地面、卫星云图产品等常规气象数据,分析了东北冷涡在发展成熟期的云宏微观结构特征。结果表明:飞机探测区域为冷性层积混合云,云水充沛。云粒子探头(CDP)和二维云粒子图像探头(CIP)探测到的最大粒子数浓度分别为362.10cm~(-3)、191.08L~(-1),液态含水量变化范围为0～0.88g/m~3;CDP粒子谱呈指数型下降,谱宽较窄;CIP粒子谱呈双峰结构。云粒子图像探测仪CPI表明,层积云上部主要为冰雪晶粒子,以冰晶的核化和凝华增长为主;中上部粒子主要为小冰晶形态,也有冰晶聚合体和枝状冰晶;中下部是过冷水和冰晶粒子的共存区,过冷水较为丰富。     

山西夏季层积云降水微物理特征分析

利用Droplet Measureinent TeehnologY（DMT）资料,分析了山西2008年7月17日降水性层积云的云微物理结构,通过对云中粒子浓度、直径、二维图像以及谱型分布变化,并结合宏观记录特征,详细分析了飞机上升和下降阶段云系的垂直结构特征。结果表明：飞机上升阶段云系为高积云,飞机下降阶段云系为高积云一层积云结构,Cloud Droplet Probe（CDP）和Cloud Imaging Probe（CIP）测得粒子浓度偏大,最大浓度分别为236em。和9．74cm^-3。层积云云中微物理量水平分布特征具有明显的不均匀性。上升阶段降水的雨滴主要是冰粒子融化形成的,冷云过程占主导地位,在0℃层附近存在明显的融化层亮带。下降阶段降水机制为高积云冷云过程和层积云暖云过程相结合。     

2008年北京一次春季层状云探测分析

利用云和降水探测设备（DMT-PMS）对一次层状云降水过程进行了探测。分析发现CAS（云及气溶胶粒子探头）在该弱降水云中测得的云粒子平均浓度大于FSSP在其他地区层状云中所测平均值,CIP（二维云粒子图像探头）与2D-C及2D-GA2所测冰晶粒子平均浓度接近,PIP（二维降水粒子探头）与2D-P所测降水粒子平均浓度相当。观测发现云区雪晶浓度与冰晶浓度呈正相关关系,在冰晶浓度〈10^4个／m^3时,雪晶、冰晶浓度之比与冰晶浓度为负相关关系;在冰晶浓度〉10^4个/m^3的时刻,雪晶、冰晶浓度之比不因冰晶浓度变化而变化。温度为-10～-12℃的云区云水条件丰富,有较多的冰晶在该层孕育;降水粒子在温度-7～-10℃的云区生长。温度为-5～-7℃的云区云水不丰富,降水粒子蒸发变小;温度为-4～-5℃的云区仅有少量的降水粒子。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 I: 观测分析

利用机载云粒子测量系统等仪器对2003年7月8日冷涡云系的积层混合云探测的资料,分析冷涡云系中的微物理结构、微物理过程和降水形成机制.结果表明:在4km以上高度,2-DC粒子浓度随高度快速增加,而粒子平均直径逐渐减小,粒子在下落过程中获得了增长.积层混合云中对流云在垂直方向上出现明显的分层的微物理结构:4.6km以上高度只存在针状冰晶;4.5～3.5 km高度,存在过冷水和冰相粒子.过冷水含量较高,冰相粒子除针状冰晶外,还有少量冰雪晶聚合体或霰粒子,其中在紧靠0℃层之上的3.5km高度,主要存在冰雪晶聚合体或霰粒子.在紧靠0℃层之下,粒子为椭球形,还有一些未完全融化的冰晶,再降低200 m高度,粒子完全是球形,这里完全是雨滴.降水粒子主要是雨水.云系液态水含量十分丰富,过冷水含量最大值可达3.3 g/m3,云体上部也达到2.0 g/m3.云垂直方向上微物理结构分析表明,云中冰晶除了通过冰核核化形成外,可能还存在冰晶的繁生过程.冰晶产生后通过聚并进一步长大,撞冻过冷水也是冰雪晶增长的方式之一.在云的暖区降水粒子为雨滴,其中至少有一部分是由冰相粒子(冰晶聚合体或霰粒子)融化形成.因此冷云过程参与了降水形成过程.     

一次华北暴雨的云物理特征及霰雹分类对云和降水影响的数值研究

利用中尺度模式ARPS模拟了2005年7月22日一次典型华北暴雨过程的云物理特征,对比分析了高密度大冰雹下落末速度增大时对云和降水的发展演变、云系宏微观结构、垂直风场以及云系的宏观热力场的影响.结果表明,产生这次暴雨的中尺度对流系统经历了对流云团发展、加强及合并过程,其高层为冰晶、雪,中层为霰/雹、过冷云水,低层主要是雨水;霰/雹形成和融化的冷云过程对雨水的形成起重要作用.高密度大冰雹下落末速度增大时:(1)对暴雨区降水量、云的分布、厚度和含水量有较明显的影响;(2)可以引起云中高含水量区合并,累积含水量减小,含水量中心位置发生变化;(3)云系有提前进入消散阶段的趋势;(4)对云中霰/雹和雨滴的垂直分布范围及其含水量极大值影响显著,霰/雹含水量区向下延伸约1 km,雨滴含水量最大值高度也随之降低.同时霰/雹含水量减小,而雨滴含水量增加;(5)上升气流的发展受到抑制,云顶高度降低,云中含水量减小,伴随微物理过程的相变潜热也随之减小.     

一次延安层状云微物理结构特征及降水机制研究

利用PMS资料对延安2003年9月17日降水性层状云各高度上的粒子特征量和粒子谱进行了分析研究,结果表明,降水性层状云宏微观垂直结构配置或云粒子主要特性可以分为5个层次。过冷水滴和冰晶共存层存在,冰晶快速增长,此层的存在可能是发生降水的关键;在0℃层以下,存在比较深厚的云滴浓度小、含水量较小的小云滴层,应是导致地面雨强较小的重要因素之一。     

层状冷云人工增雨可播性实时识别技术研究

该文综合分析了4次层状冷云人工增雨过程的雷达回波、粒子测量系统(PMS)探测资料，以及GPS定位资料，提出应以PMS的FSSP-100探头探测的云中粒子浓度以及2D-C探头探测的云中大粒子浓度作为判别云中可播性的主要技术参量，并发展了层状冷云飞机人工增雨实时监测指挥技术。FSSP-100探测的粒子浓度不小于20/cm3的云区才具有一定的可播性。其中2D-C探测的大粒子浓度小于20/L时，可确定为强可播区，否则为可播区。     

冰晶繁生对雷暴云非感应起电影响的数值模拟

为了研究冰晶繁生在雷暴云发展过程中对非感应起电过程的影响,利用三维雷暴云模式在理想层结环境下,对雷暴云内各种水成物粒子、电荷以及电场分布情况进行数值模拟。模拟结果表明:在雷暴云发展和成熟阶段,有繁生过程参与的雷暴云中下部存在一个冰晶聚集区域,从而使得云内冰晶的数量较无繁生过程增大约1 5%～18%,且聚集的区域范围更大;同时,繁生过程的加入也使得霰粒子数量也比无繁生过程时增大约20%;霰冰非感应电荷转移的正区一般位于霰粒子浓度高值区附近,而负区位于冰晶和霰粒子浓度高值区相重合的区域;冰晶繁生过程通过影响雷暴云中冰晶和霰粒子浓度和分布位置,使得雷暴云非感应起电的强度和位置发生改变,导致云内起电过程提前约5～6 min。     

一次冬季层状云的人工催化效果响应分析

2018年1月22日在邢台市区倒槽天气系统在低空形成的层状云中利用空中国王飞机搭载的粒子测量系统对水云进行催化作业探测资料,通过催化前后不同尺度的云粒子微物理变化和卫星监测结果,研究人工催化后效果响应,人工催化后目标云效果响应是降水量增加与催化作业之间证据链的重要一环,为增水效果分析提供坚实基础。结果表明,冬季冷云发展过程中,当云凝结核较为同一、且云被限制在某一层内,形成浅薄云层时,云粒子均质增长形成直径为4～6μm过冷水滴组成的水云,最大含水量为0.2 g·m~(-3);催化作业后,人工冰核消耗丰富的过冷水迅速增长形成冰晶及冰晶聚合体,催化使云粒子浓度200 cm~(-3)迅速降到15 cm~(-3),100～1000μm冰晶和雪晶浓度增长到150 L~(-1),1000μm以上降水粒子浓度增长到70 L~(-1),出现直径达6000μm雪花,表明催化促进降雪形成;催化影响区形成无云或少云云区,葵花8卫星云图上沿催化轨迹呈现为深色云带,表明此次催化作业效果显著。     

云的基础知识讲座——云的宏观特征

云的宏观特征是把云作为一个整体来看的许多特征,如云的外貌、生命史,云内的温度、湿度、含水量和气流分布等。而云中水滴的大小、分布等特征则属于云的微观特征。在云雾研究中一般将云按形状和形成系统分为积状云(或称对流云,简称积云,包括积云、积雨云、卷积云、卷云)和层状云(包括高层云、层云、雨层云和卷层云,高积云和层积云也归于这一类)两大类;或按云中的相态分成冰云、水云和混合云;或按云中的温度分为暖云(高于0℃)和冷云(低于O℃)。这一讲将对积状云和层状云的一些主要宏观特征作些     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 II: 数值模拟

在利用卫星、雷达和机载PMS(粒子测量系统)等观测资料对2003年7月8日东北冷涡积层混合云系的降水形成机制分析的基础上,将观测分析与数值模拟研究相结合,用中尺度数值模式对积层混合云系做数值模拟,并结合观测资料进一步分析了积层混合云系的微物理结构、粒子形成过程和降水形成机制,获得如下结果:(1)混合云中对流云具有分层的微物理结构.冰晶含水量最大值出现的高度最高,其次由高到低的排序是雪、云水、霰和雨;雨水主要出现在云的暖区;各种粒子中以雨水含水量最高,其次是霰.对流云体生命期较长,微物理结构基本稳定.(2)粒子形成增长过程有差异.冰晶通过凝华过程增长.雪主要来源于冰晶,产生后主要通过撞冻、收集冰晶和凝华过程增长,其中撞冻过冷云水增长对雪质量贡献最大,其产生率极大值高度与过冷云水相当.丰富的过冷云水,给雪的撞冻增长提供了有利条件.在高、中和低层雪的形成有着不同的机制,高层雪收集冰晶长大后,下落到低层又以雪撞冻过冷云水的结淞增长为主要过程.霰主要由雨滴冻结和雪的转化产生,过冷雨滴与冰晶接触冻结成霰;过冷雨滴收集雪,雪随着雨滴的冻结而转化成霰.因此霰的产生与过冷雨滴关系极大.霰主要撞冻云水、收集雪和冰晶增长,其中撞冻是霰的重要增长过程.雨水主要由霰的融化形成,降水主要是由冷云过程产生的.在过冷层,霰撞冻增长占优势.云上部的冰晶和雪对云的中部具有播撒作用,过冷层中存在丰富的过冷水,对冰相粒子的撞冻增长有利.对云水消耗的分析表明,雨滴对云滴的收集、霰和雪对云水的撞冻增长是消耗云水的主要过程.(3)从各种粒子的形成和增长过程可以看出,大部分雨水由霰融化形成,暖云过程贡献要小得多.可见,降水主要是由冷云过程产生的,这与观测分析的结果一致.     

华北秋季一次低槽冷锋积层混合云宏微物理特征与催化响应分析

利用2013年10月13日机载粒子测量系统（PMS）在张家口涞源地区对积层混合云中上部进行的增雨探测数据,分析了云的垂直微物理结构、云区的可播性和作业前后液态云粒子、冰晶及降水粒子的微物理变化。结果表明,此次降水性积层混合云的垂直结构由冷、暖两层云配置,云层发展厚实,冷云区云粒子浓度平均为62 cm-3,液态水含量最大0.05 g/m3;2DC和2DP探测的冰晶及降水粒子平均浓度分别为1.9和2.2 L-1;暖云内云粒子数浓度集中在300 cm-3左右,液态水含量约0.1 g/m3。探测区域云粒子数浓度的水平分布不均匀。利用云内过冷水含量和冰晶浓度等参数判断,该降水性积层混合云的播撒作业层具有强可播性。对比作业前后云中粒子浓度及平均直径发现,云粒子在作业前时段内的平均浓度为31 cm-3,远高于作业后平均浓度（17.6 cm-3）;但平均直径变化不大。作业后冰晶粒子通过贝吉龙过程消耗过冷水长大,浓度由之前的0.86 L-1增至4.27 L-1,平均直径也增至550 μm。冰晶粒子逐渐长大形成降水,降水粒子浓度也相应有所升高,谱明显变宽。      

南方暴雨区内积云降水微物理过程的数值模拟

本文在给定云内上升气流速度和温度垂直分布的情况下,通过数值模拟计算了南方暴雨区内降水性积云微结构的变化情况,并讨论了云内上升气流速度、低空水汽条件以及高空冰晶数密度对降水的影响。结果表明,上升气流速度和低空水汽条件对积云降水的影响是比较明显的。      

华北地区一次气溶胶与浅积云微物理特性的飞机观测研究

2014年8月15日,山西省人工降雨防雹办公室在山西忻州开展了气溶胶和浅积云的飞机观测,本文利用机载云物理资料,详细分析了华北地区气溶胶、云凝结核（CCN）和浅积云微物理特性及其相互影响。主要结论有:（1）此次过程的边界层高度约为3600 m,不同层结情况下,0.1～3 μm尺度范围内的气溶胶粒子浓度N_a、有效直径D_a和CCN数浓度的垂直廓线明显不同,近地面N_a可达2500 cm?3。（2）CCN的主要来源为积聚模态、爱根模态或者核模态的气溶胶颗粒,0.2%过饱和度下,气溶胶活化率（AR）在各高度层的结果变化不大;0.4%过饱和度下,AR随着高度增加而降低。（3）后向轨迹模式分析表明,2 km以下的气溶胶主要来自于当地城市排放,由细颗粒污染物组成;2 km以上的气溶胶主要来源于中国西北和蒙古地区的沙漠,由亚微米沙尘组成,溶解度相对较低,可作为潜在的冰核。（4）本文细致分析了两块相邻浅积云（Cu-1和Cu-2）的云物理特性。Cu-1云底高度约4500 m,云厚约600 m,云体松散,夹卷较多;云中液态含水量（LWC）基本保持在0.5 g m?3,云粒子浓度N_c平均值为278.3 cm?3,云滴有效直径D_c整体在15 μm以内;毛毛雨滴粒子浓度最大值为0.002 cm?3,云中几乎无降水粒子;粒子谱宽随着高度增加而增大,主要集中在30 μm以内。Cu-2云底高度约3900 m,云厚约1200 m,云体密实;云中过冷水丰沛,LWC有多个超过1 g m?3的区域,云顶附近出现冰晶,云中粒子从凝结增长状态直接进入到混合相态;积云内部粒子水平分布不均,同一高度N_c相差较大,最大可达1240 cm?3。D_c随着高度增加而增大;粒子谱宽随着高度增加而拓展,最大可达1100 μm,谱型由单峰向多峰转变;降水粒子和冰晶图像大多为霰粒子、针状和板状。