层积云覆盖的海洋边界层云详细微物理过程的数值模拟

文中建立了一个含显式分档的云微物理模式和辐射传输模式的一维 3阶湍流闭合模式 ,该模式可用于研究海洋边界层云中气溶胶和云的相互作用过程 ,同时提出了一种新的动力模式和微物理模式耦合方法 ,该方法可使动力模式中液态水相关项可以直接由微物理模式变量计算得到。作为模式的初步应用模拟了 2 0 0 1年APEX/ACE Asia在西太平洋上所观测到的一个个例。模拟结果和观测资料比较表明该模式基本上模拟出层积云覆盖的海洋边界层的基本结构     

层积云覆盖的边界层数值模拟研究(Ⅰ):数值模式的建立

层积云是一种在湍流作用下形成的边界层云,在这种边界层中,层积云顶即边界层顶,云层和非云层耦合在一起,为了加深对这种层积云覆盖的边界层的理解,许多作者已经做了大量的野外观测和数值试验研究,然而在数值模拟研究中存在湍流和云物理模式相互脱节的现象,针对这种缺陷,本文在湍流控制方程组中引入云滴控制方程,发展了一个新的用于研究海区层积云覆盖的边界层的数值模式,所建模式具有如下特点：（1）实现了云物理模式与湍流模式的相互耦合;（2）实现了云滴分档凝结模式和三阶湍流闭合边界层模式相互耦合,利用所建模式对大涡模拟对比试验所采用的个例进行了数值模拟,数值模拟结果表明,该边界层模式能较合理地模拟海区层积云覆盖的边界层微湍流结构和云微物理过程。     

The effect of aerosol representation on cloud microphysical properties in Northeast Asia

This study performed a three-dimensional regional-scale simulation of aerosol and cloud fields using a meso-scale non-hydrostatic model with a bin-based cloud microphysics. The representation of aerosols in the model has been improved to account for more realistic multi-modal size distribution and multiple chemical compositions. Two case studies for shallow stratocumulus over Northeast Asia in March 2005 were conducted with different aerosol conditions to evaluate model performance. Improved condensation nuclei (CN) and cloud condensation nuclei (CCN) are attributable to the newly constructed aerosol size distribution. The simulated results of cloud microphysical properties (cloud droplet effective radius, liquid water path, and optical thickness) with improved CN/CCN number are close to the retrievals from satellite-based observation. The effects of aerosol on the microphysical properties of shallow stratocumulus are investigated by model simulation, in terms of columnar aerosol number concentration. Enhanced aerosol number concentration results in increased liquid water path in humid case, but invariant liquid water path in dry case primarily due to precipitation occurrence. The changes of cloud microphysical properties are more predominant for small aerosol burden than for large aerosol burden with the retarded changes in cloud mass and size due to inactive condensation and collision-coalescence processes. Quantitative evaluation of sensitivity factor between aerosol and cloud microphysical properties indicates a strong aerosol-cloud interaction in Northeast Asian region.     

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%。     

重庆地区一次雷暴云电过程及其对初始云滴数浓度响应的数值模拟

采用耦合了Saunders和Takahashi两种非感应起电参数化方案的RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模式,对重庆地区一次雷暴过程进行模拟,对比分析了两种起电参数化方案下,电荷开始分离时和雷暴云发展到成熟阶段时的水成物粒子的分布、所带电荷密度以及雷暴云的电荷结构分布。模拟结果表明,在Saunders起电参数化方案下,雷暴云的电荷结构从起电到放电都呈现偶极性特征,而在Takahashi参数化方案下,雷暴云的电荷结构则由反偶极性发展成正偶极性。为研究CCN(cloud condensation nuclei)对雷暴云的影响,本文进行了两组敏感性试验,随着云滴初始数浓度增加,雷暴云的电荷结构没有发生极性翻转,但雷暴云中电荷量增加,电荷分布区域变大,有利于闪电发生。在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,电荷量变小。通过分析微物理量场和微物理过程发现,随着云滴初始数浓度增加,冰相粒子质量混合比增加,在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,霰粒子质量混合比减小。验证了CCN的变化能影响云的微物理过程,从而影响雷暴云的电荷分布以及闪电的发生,尤其是冰相物质的变化显著影响了雷暴云的起电过程。     

Comparison of Aerosol Effects on Simulated Spring and Summer Hailstorm Clouds

Numerical simulations are carried out to investigate the effect of cloud condensation nuclei(CCN) concentrations on microphysical processes and precipitation characteristics of hailstorms. Two hailstorm cases are simulated, a spring case and a summer case, in a semiarid region of northern China, with the Regional Atmospheric Modeling System. The results are used to investigate the differences and similarities of the CCN effects between spring and summer hailstorms. The similarities are:(1) The total hydrometeor mixing ratio decreases, while the total ice-phase mixing ratio enhances, with increasing CCN concentration;(2) Enhancement of the CCN concentration results in the production of a greater amount of small-sized hydrometeor particles, but a lessening of large-sized hydrometeor particles;(3) As the CCN concentration increases, the supercooled cloud water and rainwater make a lesser contribution to hail, while the ice-phase hydrometeors take on active roles in the growth of hail;(4) When the CCN concentration increases, the amount of total precipitation lessens,while the role played by liquid-phase rainfall in the amount of total precipitation reduces, relatively, compared to that of icephase precipitation. The differences between the two storms include:(1) An increase in the CCN concentration tends to reduce pristine ice mixing ratios in the spring case but enhance them in the summer case;(2) Ice-phase hydrometeor particles contribute more to hail growth in the spring case, while liquid water contributes more in the summer case;(3) An increase in the CCN concentration has different effects on surface hail precipitation in different seasons.     

云凝结核浓度对南京地区一次冰雹云过程影响的数值研究

采用WRF模式与包含了云凝结核(Cloud Condensation Nuclei,CCN)浓度和霰雹密度预报的NSSL(National Severe Storm Laboratory,国家强风暴实验室)微物理方案,模拟不同CCN初始浓度条件下南京地区的一次冰雹云过程,分析不同CCN初始浓度影响下冰雹云过程的宏微观演变特征,以及对流发展不同阶段的水凝物粒子及流场、温度场的垂直分布特征。研究发现:1)较大的CCN初始浓度虽然抑制了前期对流降水,但对后期对流降水的产生有促进作用;2)CCN初始浓度的增加使得模拟雷达回波的强回波区域(大于40 dBz)缩小,中等强度区域(小于40 dBz)扩张。3)CCN初始浓度增大不利于对流发展初期云雨自动转化过程的发生,但是促进了冰晶与雪的产生,使得冰雹含量峰值出现的时间推迟。4)CCN浓度增大抑制了雨水产生,间接使得霰粒子更倾向于干增长,平均密度更小;5)较大的CCN浓度促使冰雹云单体的发展时间增长。     

积层混合云结构和云微物理的数值模拟

对三维非静力中尺度模式ARPS的云微物理方案进行了改进,利用改进后的模式模拟了华北地区的积层混合云降水个例,通过对模拟结果的分析并结合实况资料研究了积层混合云的降水特征、云物理结构特征和微物理过程。结果表明,积层混合云降水分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,云系中微物理量在水平和垂直方向上分布都不均匀,积云中的垂直液态水积分含量大大高于层云中含量,此次降水冰相过程占主导地位,霰的融化是最主要的雨生成项。     

云凝结核浓度对WRF模式模拟飑线降水的影响：不同云微物理参数化方案的对比研究

采用WRF模式模拟一次影响中国广东省的飑线过程, 分别选取Morrison、 Thompson07、 Thompson09和WDM6云微物理方案实施了四组试验, 每组试验包括不同云凝结核（CCN）浓度的三次模拟, 称为 “低浓度”、 “中浓度” 和 “高浓度”, 将模拟区域划分为深对流、 浅对流和层云区域, 对比分析四组试验中CCN浓度变化对模拟的总降水量、 不同区域降水率和不同区域面积的影响, 进一步分析了云微物理过程、 动力环流强度等受CCN浓度变化的影响。发现: （1） 由于不同云微物理过程与CCN浓度有着直接或间接的联系、 不同云微物理过程之间存在复杂的关联、 云微物理过程与动力环流之间发生非线性耦合, 采用不同的云微物理方案导致模拟的CCN—降雨影响既有相似、 也有差异; （2）模拟的CCN—降水影响在采用Thompson09和Thompson07方案时更显著, 采用WDM6方案时最小; （3）四组模拟试验均出现CCN浓度增加延迟降水产生、 初期降水减弱的情况, 在模拟后期降水量也随着CCN浓度增加而减小, 而飑线成熟阶段CCN—降水影响更加复杂。     

液态CO2人工引晶后云微物理和降水变化的观测分析

根据飞机探测仪器观测到的云中粒子微观结构，结合卫星、雷达和常规天气资料，分析了人工增雨作业前后云的宏、微观物理结构和降水变化。结果表明，作业后影响区云中的冰晶浓度、雨滴直径比对比区有明显增加，云中过冷水减少；对比区降水回波强度和强回波区面积变化不大，而影响区最大回波强度增大,强回波区的面积扩大，降水增加。这与影响区云中降水粒子增多、直径增大是一致的，这些结果说明了液态CO2催化层状云的物理响应。     

Optical properties of a vertically inhomogeneous mid-latitude mid-level mixed-phase altocumulus in the infrared region

A vertically inhomogeneous mid-latitude mixed-phase altocumulus cloud was observed around 17:26 UTC on Oct. 14, 2001 during the 9th Cloud Layer Experiment (CLEX9). In this study the microphysical and optical properties of this cloud are investigated on the basis of in-situ observed vertical profiles of particle size and habit distributions. Two cloud models, assuming that the cloud properties were vertically homogeneous and inhomogeneous, are adopted to derive the bulk optical and radiative properties of this cloud. The observed microphysical properties are combined with the theoretical solutions to the scattering and absorption properties of individual cloud particles to determine the bulk optical properties at various heights within the cloud layer. The single-scattering properties of spherical liquid water droplets and nonspherical ice crystals are obtained from the Lorenz–Mie theory and an existing database, respectively. The bulk microphysical and optical properties associated with the inhomogeneous model depend strongly on the height above the cloud-base whereas the dependence is smoothed out in the case of the homogeneous model. Furthermore, the transfer of infrared radiation is simulated in conjunction with the two cloud models. It is shown that the brightness temperatures at the top of the atmosphere in the case of the homogeneous model can be 1.5% (3.8 K) higher than their counterpart associated with the inhomogeneous cloud model. This result demonstrates that the effect of the vertical inhomogeneity of a mixed-phase cloud on its radiative properties is not negligible.     

Numerical Simulation of Macro- and Micro-structures of Intense Convective Clouds with a Spectral Bin Microphysics Model

By use of a three-dimensional compressible non-hydrostatic convective cloud model with detailed microphysics featuring spectral bins of cloud condensation nuclei (CCN), liquid droplets, ice crystals, snow and graupel particles, the spatial and temporal distributions of hydrometeors in a supercell observed by the (Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study) STEPS triple-radar network are simulated and analyzed. The bin model is also employed to study the effect of CCN concentration on the evolution characteristics of the supercell. It is found that the CCN concentration not only affects the concentration and spectral distribution of water droplets, but also influences the characteristics of ice crystals and graupel particles. With a larger number of CCN, more water droplets and ice crystals are produced and the growth of graupel is restrained. With a small quantity of CCN the production of large size water droplets are promoted by initially small concentrations of water droplets and ice crystals, leading to earlier formation of small size graupel and restraining the recycling growth of graupel, and thus inhibiting the formation of large size graupel (or small size hail). It can be concluded that both the macroscopic airflow and microphysical processes influence the formation and growth of large size graupel (or small size hail). In regions with heavy pollution, a high concentration of CCN may restrain the formation of graupel and hail, and in extremely clean regions, excessively low concentrations of CCN may also limit the formation of large size graupel (hail).     

海盐气溶胶和硫酸盐气溶胶在云微物理过程中的作用

利用大气气溶胶和云分档模式研究海盐气溶胶和硫酸盐气溶胶在云微物理过程中的作用, 计算结果表明:云中液态水含量随高度的分布并不随海盐、硫酸盐的数目以及云团上升速度的变化而变化; 随着云滴数目的增加, 云滴的有效半径会减小; 硫酸盐对云滴数目影响起主导作用, 海盐在水汽相对充足情况下增加了云滴数目, 在水汽相对不足的情况下减少了云滴数目; 硫酸盐粒子浓度特别强的情况下 (人类活动污染比较严重时), 如果水汽相对不足, 云滴数目会明显小于硫酸盐粒子浓度; 而海盐粒子的存在, 加剧了水汽的供应不足, 从而可以在很大程度上进一步降低云滴数目。也就是说, 在有些情况下, 如果不考虑海盐气溶胶的作用, 硫酸盐气溶胶对云特性的影响会被过高估计。     

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。      

层状云微物理参数反演及其辐射效应的个例研究

利用毫米波云雷达、微波辐射计联合反演方法,对2015年11月11日安徽寿县的一次层状云过程的云参数进行了反演,将所得云参数加入到SBDART辐射传输模式中,进行辐射通量计算,并将计算的地面辐射通量与观测的地面辐射通量进行了对比分析。研究表明:1)利用毫米波雷达和微波辐射计数据联合反演的云参数比较可靠;2)利用SBDART模式并结合反演的云参数,可以准确实时地计算地面及其他高度层的长短波辐射通量;3)在反演的云参数中,光学厚度对地面各种辐射通量的影响是最大的,云层的光学厚度越大,到达地面的太阳短波辐射越小,地面反射短波辐射也越小。另外云底温度越高,云体向下发射的红外长波辐射越大。地面向上的长波辐射是地面温度的普朗克函数,随地面温度而变;4)云对地面的短波辐射强迫为负值,对地面有降温的作用。云对地面的长波辐射强迫是一个正值,对地面有一个增温的作用;5)云对地面的净辐射强迫随时间变化很大,它的正负与太阳高度角和云参数有关。     

广西秋季层状云微物理特征分析

利用2012年11—12月在广西进行的11架次飞机云物理探测资料对层状云宏微观物理结构特征进行研究,探讨层状云降水机制。结果表明:广西层状云微物理特征与我国其他地区的存在显著差异。层状云典型的微物理垂直结构为在云下层是由凝结作用生成云滴,随上升气流发展,云滴数浓度、平均直径和液态水含量随高度逐步增加,云滴谱拓宽,谱型向大尺度的方向扩展,至云中上层增大至最大值后随高度减小。冷暖混合云结构的高层云冷云部分的冰相粒子落入暖层后对其微物理结构产生影响,主要是使云滴谱展宽,CIP云滴平均直径垂直分布变幅增大,有利于暖层中碰并过程的启动和发展。层积云微物理水平分布呈现不连续跳跃式变化特征,存在对流泡结构,对流泡内各微物理量高于泡外,云滴谱型向大尺度移动,对流泡结构是层积云形成降水的重要机制。     

CCN数浓度及参数化方案对一次层云降水过程影响的数值研究

利用中尺度WRF模式(V3.7),采用WDM6双参数微物理方案,对2014年7月26日12时—28日06时发生在华东地区的一次层状云降水天气进行数值模拟。通过改变模式中初始云凝结核(CCN)数浓度及参数化方案,进行敏感试验,对模拟结果进行对比分析。改变CCN数浓度的结果表明,CCN数浓度对降水的影响复杂、非线性,随着CCN数浓度的增大,降水量减小。云水、霰混合比始终增加,雨水混合比表现为先增加后减小再增加的趋势,冰晶混合比则与之相反,呈现先减小再增加再减小的趋势,雪晶混合比呈现先减小后增加的趋势;改变CCN参数化方案的结果表明,两者模拟降水落区有差别,三参数方案更接近实际;降水产生后,三参数方案的CCN浓度一直高于双参数方案,且数值变化不大;双参数方案的结果显示暖云降水加强,冷云降水略弱,三参数方案则显示暖云降水较弱,冷云降水较强。     

初始云滴浓度（CCN）对对流性降水作用的数值试验

本文利用一个二维滞弹性非静力平衡云模式[1],选择三个典型个例,就初始云滴浓度（CCN）对对流性暖雨和冷雨过程的效应进行了数值试验。模拟结果表明：初始CCN对对流性降水影响较大。对暖雨过程而言,随着初始CCN的增大,地面累积降水量减弱;对冷雨过程而言,增大初始CCN,可削弱对流强度,减少地面累积降雹量,延缓液态水到达地面的时间,但最终增强了地面累积液态降水量。并且分析了初始CCN导致暖雨和冷雨过程这种差别的原因。     

华北地区层状云微物理特性及气溶胶对云的影响

利用机载粒子探测系统(PMS,ParticleMeasurementSystem)对1990年9、10月和1991年4月的春秋两季层状云进行了云及降水的微物理特征探测,分析了云微观特征和垂直分布,初步探讨了气溶胶对云的影响。结果表明,华北地区层状云的基本特征为云滴数浓度79.2cm-3、液态含水量0.03g.m-3、有效直径11μm并有垂直差异;云下气溶胶数浓度与云滴数浓度两者之间存在正相关关系,但其定量关系还有待于进一步研究。     

Differentiating natural and anthropogenic cloud condensation nuclei in the California coastal zone

Aerosol samples were collected and cloud condensation nuclei (CCN) concentrations at five supersaturations were measured along and off the central California coast within the cloud-topped, marine boundary layer from aircraft flights during August 2007. Receptor modelling has been applied to estimate the natural versus anthropogenic source contribution of cloud condensation nuclei in this region, a region of climatically important marine stratocumulus. The results suggest that anthropogenic CCN accounted for about 50% of the CCN active at 0.3% supersaturation in this region during the measurement period.