1961—2010年北京地区降水变化特征

采用15个常规气象站1961-2010年逐日降水数据资料,分析了北京地区降水量、降水日数和降水强度的变化趋势,包括年和各季节的总降水量和降水日数,不同降水级别降水量、降水日数和降水强度变化趋势的时空特征。结果表明：在近50年内,北京地区平均年降水量和年降水日数、年降水强度均呈下降趋势;各季节中,夏季的降水量呈明显下降趋势,春季降水日数略有增加,夏季略有减少;降水强度在春季增大和夏季减小趋势明显;小雨雨量变化不明显,中雨雨量呈增加趋势,大雨和暴雨雨量呈明显降低趋势;小雨降雨日数略呈减小趋势,中雨降水日数呈显著增加趋势,大雨和暴雨降水日数呈较明显降低趋势;小雨降水强度略呈上升趋势,而大雨和暴雨的降水强度呈明显的降低趋势。     

中国北方沙尘气溶胶对云和降水影响的数值模拟研究

已有的研究表明中国北方千旱半干旱地区是对流层沙尘气溶胶的主要来源之一,对当地乃至全球气候都有重要的意义.利用数值模拟研究方法探讨不同干燥程度的大气背景环境下,沙尘气溶胶数浓度对混合云形成和发展的可能影响,并采用析因试验讨论了主次影响因素.结果表明:沙尘气溶胶的增加导致降水减少、延长了云在空中存在的时间,改变了云的空间结构和微观结构.析因分析表明干旱半干旱气候背景条件下,混合云的累计降水量对沙尘气溶胶数浓度变化的敏感性要高于对大气环境湿度的敏感性;沙尘气溶胶数浓度增加导致云累计降水量的减少;沙尘气溶胶数浓度和大气环境湿度对云的累计降水量的影响是复杂的,研究结果可以用于指导降水预报业务.     

东北地区夏季不同等级降水变化特征及小雨雨量减少成因分析

利用1961～2017年我国东北地区96个站点逐日降水、相对湿度和气温等资料,运用趋势分析、Mann-Kendall突变检验等方法,分析了东北地区夏季小雨、中雨、大雨、暴雨的气候变化特征,并对东北地区小雨量减少进行了成因分析,得出主要结论如下:东北地区夏季总降水量与各量级降水频率和贡献率均呈显著的正相关,总降水量的多寡受大雨频率及贡献率的影响最为显著。小雨量和中雨量的减少是导致东北地区夏季总降水量减少的主要原因,暴雨量受暴雨贡献率增加影响呈增加趋势。小雨量和小雨贡献率在1993年前后出现了年代际突变,小雨贡献率的突变是造成小雨量年代际突变的内在因素。东北地区总降水量呈减少趋势的站点有72个;小雨量呈减少趋势的站点有85个,显著减少的站点数达到25个;中雨量呈减少趋势的站点有70个,显著减少的站点只有9个;大雨量呈增加与减少趋势的站点数相当;而暴雨量呈增加趋势的站点数大于减少的站点数。从云形成机制角度出发,分别讨论大气水汽、温度、气溶胶浓度变化对东北地区小雨量减少的影响。结果表明,在全球变暖背景下东北地区气温增加和气溶胶浓度增加是导致该地区小雨量减少的主要原因。     

气溶胶对北京中尺度对流系统影响的数值试验

利用可分辨云模式(WRF),模拟研究了不同气溶胶浓度对北京地区2001年8月23日一次产生强降水和冰雹的对流天气的影响。结果表明,气溶胶浓度的增加不利于对流云的发展,导致地面降水减小,但是对降水结构没有明显影响。气溶胶浓度增加导致云中水成物数浓度和质量浓度均发生变化,其中云水、冰晶和雪含量增加,而雨水、霰和雹含量减小。从云微物理学分析发现,气溶胶浓度减小有利于高层云的形成,云滴有效半径随着气溶胶浓度增加而减小。     

北京地区的非酸性降水和气溶胶

本文计算了降水与大气CO_2和SO_2处于平衡态时,干净地区和污染地区的降水酸度。结果是,中纬度干净地区降水的pH值在5以下。在气溶胶浓度较高的北京地区,由于气溶胶中的氯化物和CaO与降水中的酸性物质反应,降水的pH值增加。降水pH值与云中液态水含量、降水量以及气溶胶中Cl和Ca的浓度有关。用这种机制可以解释在SO_2和气溶胶浓度都很高的北京地区所观测到的非酸性降水。     

东莞1957—2011年降水和灰霾的长期变化趋势

利用东莞1957—2011年降水、能见度、相对湿度等地面观测资料,分析了东莞降水和灰霾的长期变化趋势,并探讨了气溶胶对降水长期变化趋势的影响。结果显示:东莞的降水量和不同等级降水日数均呈现明显的年际变化特征;年降水量在1990年后呈增加趋势,2007年开始呈逐渐下降趋势;痕量、微量和小雨降水日从1980年代中期后呈缓慢下降趋势,大雨、暴雨和大暴雨日数则没有明显的变化趋势;东莞的灰霾变化历经3个阶段,分别是1980年—1980年代中期、1990年代初—2000年和2000—2011年。气溶胶浓度的不断增加使降水日数减少,但对强降水的降水频率和降水强度有促进作用。      

贵州不同等级降水日数气候特征及其与降水量的关系

利用1963 2011年贵州81个测站逐日降水资料,分析了近49年贵州不同等级降水日数的气候特征,探讨了不同等级降水日数在降水变化中的作用。结果表明,随着降水等级的上升,对应该等级的雨日迅速减少;贵州总雨日及小雨日呈西多东少的分布,而中雨日、大雨日及暴雨日则呈南多北少分布;近49年贵州总雨日、小雨日、中雨日、大雨日整体上都呈减少趋势,而暴雨日却呈一定的增加趋势;小雨日与总雨日都是在20世纪80年代初期之后逐步减少,21世纪初期之后降幅更加明显,而中雨日在20世纪60 80年代初多波动,在21世纪初后迅速下降,大雨日和暴雨日均经历了两次较明显的波动;随着降水等级的上升,雨日与降水量的相关系数迅速增大,小雨日与降水量的相关性最差,暴雨日与降水量的相关性最好;降水偏多年各个等级的降水日数明显偏多,小雨日、中雨日及大雨日变化较为显著,暴雨日变化不显著,降水偏少年各个等级雨日则明显减少,中雨日变化最为显著,其次为大雨日、暴雨日,小雨日变化不显著,因此,贵州地区总降水量增加主要是由于小雨日、中雨日、大雨日的增加引起的,降水量减少则主要是由于中雨日、大雨日及暴雨日的减少引起的,比较各个等级的降水日数,无论是在降水偏多年还是偏少年,中雨日和大雨日的变化都较显著。     

人为气溶胶对地形云降水的影响:以黄山地区为例

选取黄山站为高山站,周围黄山区、绩溪、黄山市三个低海拔高度站为对比站,比较高山站与对比站1960—2009年降水量差值,即地形影响因子R0的变化趋势,以及同期能见度的变化,分析了人为气溶胶对黄山地形云降水的可能影响。结果表明,1960—1979年能见度下降,气溶胶含量增大,R0升高;1980—1989年,能见度升高,气溶胶含量有下降趋势,不同对比站R0变化趋势不同;1990—2009年,能见度下降,气溶胶含量升高,R0显著下降。气溶胶对降水的影响作用与背景气溶胶浓度有关,背景气溶胶浓度较低时,增加气溶胶浓度可促进降水;背景气溶胶浓度较高时,增加气溶胶含量对降水抑制作用显著,对应的能见度阈值为10km。当气溶胶对降水起抑制作用时,抑制作用与风速成反比,与风频和各风向平均降水量呈显著正相关。     

云凝结核浓度对北京一次降水过程影响的数值模拟

利用WRF v3.6.1模式,采用Thompson云微物理参数化方案对北京奥运会期间的一次降水过程进行了模拟,通过3组数值试验对比分析了高、中、低云凝结核浓度对降水的影响。数值试验结果显示:(1)在云凝结核浓度较低的情况下,云凝结核浓度增加使24 h累积降水量增加,且增加的幅度相对较低;在云凝结浓度较高的情况下,云凝结核浓度增加使24 h累积降水量减少,且减少的幅度相对较高。(2)从地面雨强分布来看,不同的云凝结核浓度对暴雨、大雨、中雨、小雨的影响均体现在降水强度上,对降水位相的影响不显著。(3)云凝结核浓度的变化对低云量的影响与其对降水的影响相一致,故低云量是影响降水的一个重要因素。     

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.     

利用GRAPES模式研究气溶胶对云和降水过程的影响

在GRAPES中尺度模式的双参数微物理方案中加入了气溶胶活化参数化过程,实现了对云滴数浓度的预报。选取不同季节两个降水过程进行模拟,并分别开展了不同气溶胶背景下的两个试验进行对比分析,研究气溶胶对云和降水可能的影响。结果表明:气溶胶浓度增加后,因为活化产生了更多尺度较小的云滴,抑制了云雨的自动转化,使大气中滞留了更多的云水,暖云降水减小;另一方面,云水的增加会使冰相粒子,尤其是雪和霰通过碰并云水等过程而增大,最后融化成雨增加冷云降水,同时冰相粒子增加会释放更多的潜热,促进上升气流的发展,进一步增加冷云降水。气溶胶对降水的影响存在空间不一致性,暖云较厚的地方暖雨过程受到的抑制明显,使地面降水减小,冷云厚度相对较厚时,冷云降水的增加会大于暖云降水的抑制,使地面降水增加。同时由于在云降水发展的不同阶段冷暖云的变化,气溶胶对降水的影响也存在着时间不一致性。     

Investigation of aerosol indirect effects on simulated flash-flood heavy rainfall over Korea

This study investigates aerosol indirect effects on the development of heavy rainfall near Seoul, South Korea, on 12 July 2006, focusing on precipitation amount. The impact of the aerosol concentration on simulated precipitation is evaluated by varying the initial cloud condensation nuclei (CCN) number concentration in the Weather Research and Forecasting (WRF) Double-Moment 6-class (WDM6) microphysics scheme. The simulations are performed under clean, semi-polluted, and polluted conditions. Detailed analysis of the physical processes that are responsible for surface precipitation, including moisture and cloud microphysical budgets shows enhanced ice-phase processes to be the primary driver of increased surface precipitation under the semi-polluted condition. Under the polluted condition, suppressed auto-conversion and the enhanced evaporation of rain cause surface precipitation to decrease. To investigate the role of environmental conditions on precipitation response under different aerosol number concentrations, a set of sensitivity experiments are conducted with a 5?% decrease in relative humidity at the initial time, relative to the base simulations. Results show ice-phase processes having small sensitivity to CCN number concentration, compared with the base simulations. Surface precipitation responds differently to CCN number concentration under the lower humidity initial condition, being greatest under the clean condition, followed by the semi-polluted and polluted conditions.     

对流云对大气气溶胶和相对湿度变化响应的数值模拟

利用二维面对称分档云模式研究了气溶胶颗粒物浓度和尺度谱分布对混合相对流云微物理过程和降水的影响, 并重点讨论了气溶胶效应随环境相对湿度的变化。结果表明, 在初始热力和动力条件相同的情况下, 相对清洁的海洋性云在发展和成熟阶段能更有效地产生雨滴、 冰晶和霰粒, 形成更强的雷达反射率。随着气溶胶浓度增加, 比如在本文模拟的污染大陆性云中, 气溶胶粒子数浓度的增加限制云滴增长, 不利于降水粒子的形成。模拟结果也发现, 环境相对湿度对气溶胶效应有显著影响, 即当地面相对湿度从50%增大到70%时, 所模拟的云从浅对流泡发展为深对流云; 气溶胶对云微物理特性和降水的影响在干空气中较小, 但在湿空气中表现非常显著, 这与前人结果一致。随着相对湿度的增加, 冰相粒子出现的时间提前, 增长加快, 云砧范围扩大, 但相对来说, 降水起始时间对相对湿度的变化比气溶胶更敏感。     

气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展

气溶胶对云和降水的影响,对于气候系统、大气环境以及水循环至关重要。气溶胶粒子作为云凝结核和大气冰核影响云的微物理过程,进而影响雨、雪、雹和其他形式的降水。近年来,在理解气溶胶的化学成分,气溶胶微物理特性以及气溶胶作为云凝结核和大气冰核影响云降水等方面已取得重大进展。本文对于气溶胶的概念、来源以及气溶胶的直接和间接效应进行了简要概述,重点总结了国内外在气溶胶影响云和降水的机理研究方面的成果,回顾了近年来利用卫星、地面观测设备、机载探测设备等对气溶胶和云进行遥感观测和直接观测所获得的观测事实并讨论了其可能的物理机制,在总结前人研究成果的基础上对未来的研究方向进行了讨论。     

Impacts of aerosol chemical composition on microphysics and precipitation in deep convection

Aerosols affect precipitation by modifying cloud properties such as cloud droplet number concentration (CDNC). Aerosol effects on CDNC depend on aerosol properties such as number concentration, size spectrum, and chemical composition. This study focuses on the effects of aerosol chemical composition on CDNC and, thereby, precipitation in a mesoscale cloud ensemble (MCE) driven by deep convective clouds. The MCE was observed during the 1997 department of energy's Atmospheric Radiation Measurement (ARM) summer experiment. Double-moment microphysics with explicit nucleation parameterization, able to take into account those three properties of aerosols, is used to investigate the effects of aerosol chemical composition on CDNC and precipitation. The effects of aerosol chemical compositions are investigated for both soluble and insoluble substances in aerosol particles. The effects of soluble substances are examined by varying mass fractions of two representative soluble components of aerosols in the continental air mass: sulfate and organics. The increase in organics with decreasing sulfate lowers critical supersaturation (S_c) and leads to higher CDNC. Higher CDNC results in smaller autoconversion of cloud liquid to rain. This provides more abundant cloud liquid as a source of evaporative cooling, leading to more intense downdrafts, low-level convergence, and updrafts. The resultant stronger updrafts produce more condensation and thus precipitation, as compared to the case of 100% sulfate aerosols. The conventional assumption of sulfate aerosol as a surrogate for the whole aerosol mass can be inapplicable for the case with the strong sources of organics. The less precipitation is simulated when an insoluble substance replaces organics as compared to when it replaces sulfate. When the effects of organics on the surface tension of droplet and solution term in the Köhler curve are deactivated by the insoluble substance, S_c is raised more than when the effects of sulfate on the solution term are deactivated by the insoluble substance. This leads to lower CDNC and, thus, larger autoconversion of cloud liquid to rain, providing less abundant cloud liquid as a source of evaporative cooling. The resultant less evaporative cooling produces less intense downdrafts, weaker low-level convergence, updrafts, condensation and, thereby, less precipitation in the case where organics is replaced by the insoluble substance than in the case where sulfate is replaced by the insoluble substance. The variation of precipitation caused by the change in the mass fraction between the soluble and insoluble substances is larger than that caused by the change in the mass fraction between the soluble substances.     

一次秋季冷锋降水过程气溶胶与云粒子分布的飞机观测

利用机载PMS（Particle Measuring Systems）测量系统,对2008年10月4—5日石家庄地区一次冷锋降水云系的3次气溶胶和云粒子探测资料进行了分析。结果表明,冷锋过境降水前后,气溶胶粒子分布差异较大。降水发生前,气溶胶粒子平均数浓度约为103cm-3,平均直径为0.95μm;气溶胶主要集中于3000m高度以下的对流层低层,云内气溶胶数浓度明显减少。降水发生后,气溶胶粒子平均数浓度约为102cm-3,比降水前约小1个量级,平均直径为1.28μm;气溶胶主要集中于1200m以下的近地面层,其数浓度随高度增加而降低。气溶胶粒子浓度在低层云区内水平变化较小,而在无云区和云下近地层水平起伏较大。云粒子平均浓度比气溶胶小1～2个量级。气溶胶粒子平均谱主要呈双峰型,而云粒子谱主要为单峰型。     

高原东部春季降水云层的微物理特征分析

利用人工增雨飞机和机载PMS粒子探测系统，对高原东部地区春季人工增雨主要降水云层的微物理结构进行大量探测研究。根据1995年和1997年共15架次的飞行探测资料，分析研究了高原东部低层大气气溶胶微粒的分布特征及其与大气层结的关系，着重分析了高原东部春季降水云层的云粒子、降水粒子以及冰晶、过冷水的一些初步分布特征。     

Aerosol-Cloud-Precipitation Interactions in WRF Model: Sensitivity to Autoconversion Parameterization

Cloud-to-rain autoconversion process is an important player in aerosol loading, cloud morphology, and precipitation variations because it can modulate cloud microphysical characteristics depending on the participation of aerosols, and affects the spatio-temporal distribution and total amount of precipitation. By applying the Kessler, the Khairoutdinov-Kogan(KK), and the Dispersion autoconversion parameterization schemes in a set of sensitivity experiments, the indirect effects of aerosols on clouds and precipitation are investigated for a deep convective cloud system in Beijing under various aerosol concentration backgrounds from 50 to 10000 cm-3. Numerical experiments show that aerosol-induced precipitation change is strongly dependent on autoconversion parameterization schemes. For the Kessler scheme, the average cumulative precipitation is enhanced slightly with increasing aerosols, whereas surface precipitation is reduced significantly with increasing aerosols for the KK scheme. Moreover, precipitation varies non-monotonically for the Dispersion scheme, increasing with aerosols at lower concentrations and decreasing at higher concentrations.These different trends of aerosol-induced precipitation change are mainly ascribed to differences in rain water content under these three autoconversion parameterization schemes. Therefore, this study suggests that accurate parameterization of cloud microphysical processes, particularly the cloud-to-rain autoconversion process, is needed for improving the scientific understanding of aerosol-cloud-precipitation interactions.     

巨核对暖云降水影响的模拟研究

利用耦合了新的暖云参数化方案的中尺度模式(MM5),研究了暖云降水中巨核的作用.在这个暖云方案里,先假定一个三模态的气溶胶正态对数分布,然后考虑对流、扩散、云滴和雨滴的核化(非核化)过程,再由气溶胶质量的预报量显式地计算出气溶胶的数浓度.选择了华北地区2005年6月25～26日的一次弱冷锋过程,并以此研究了巨核对云和降...     

云滴数浓度影响混合型层状云降水的数值模拟

使用耦合了Morrison双参数微物理方案的中尺度WRF模式V2．2,对2008年1月25-29日发生在我国南方的冰雪天气过程进行了数值试验。在模式准确再现了此次天气过程形势演变特点的基础上,对模式微物理方案中云滴数浓度影响累积降水量的情况进行了敏感性试验,发现云滴数浓度对降水量的影响是复杂和非线性的。对此次天气过程中的微物理量进行了详细的分析,并从各种水成物粒子的发展演变上,讨论了云滴数浓度的增加在暖云和冷云两种降水机制上对降水产生的不同影响。结果表明,云滴数浓度越大,云水混合比就越大,云滴的尺度越小。雨滴对不同云滴数浓度的响应与云滴的情况相反,随着云滴数浓度的增加,雨滴数浓度减小,雨水也减少,暖云降水过程受到了抑制;冰晶和雪晶的数浓度的演变过程没有明显变化,而冰晶和雪晶的混合比是相应增加的,冷云降水过程得到了一定程度的增强。从本文模拟的个例来看,设置不同云滴数浓度所得到的总累计降水量的差异在1％以内。总的来说,增加云滴数浓度,降水量会减少。从比例上来看,增加云滴数浓度对暖云降水过程的抑制作用比对冷云降水过程的增强作用更为显著,但是在本文模拟的个例中,冷云降水过程占主导地位,减少的降水和增加的降水的绝对值在同一个量级上并且数值相近,它们相互抵消后得到的结果是降水量变化的绝对值大大减小了,这解释了增加云滴数浓度后模拟的总累积降水量变化不明显的原因。