华北太行山东麓一次稳定性积层混合云飞机观测研究:对流云/对流泡和融化层结构特征

对云中微物理过程的研究是研究云降水形成过程和人工影响降水的重要基础,目前对积层混合云的对流区/对流泡中的微物理结构了解甚少。本文利用河北省“十三五”气象重点工程——云水资源开发利用工程的示范项目（2017～2019年）“太行山东麓人工增雨防雹作业技术试验”飞机和地面雷达观测数据,重点分析研究了2017年5月22日一次典型稳定性积层混合云对流泡和融化层的结构特征。研究结果表明,此次积层混合云高层存在高浓度大冰粒子,冰粒子下落过程中的增长在不同区域存在明显差异,在含有高过冷水含量的对流泡中,冰粒子增长主要是聚并和凇附增长,而在过冷水含量较低的云区以聚并增长为主。由于聚并增长形成的大冰粒子密度低,下落速度小,穿过0℃层时间更长,出现大量半融化的冰粒子,使融化现象更为明显。镶嵌在层状云中的对流泡一般处于0℃～-10℃（高度4～6 km）层之间,垂直和水平尺度约2 km,最大上升气流速度可达5 m s-1。对流泡内平均液态水含量是周围云区的2倍左右,小云粒子平均浓度比周围云区高一个量级,大粒子（直径800 μm以上）的浓度也更高。在具有较高过冷水含量的对流泡中降水形成符合“播撒—供给”机制,但在过冷水含量较低的区域并不符合这一机制。     

区域冷锋降水微物理机制研究

20世纪利用一维层状云模式对2002年4月4~5日河南省冷锋降水过程进行了模拟。数值模拟结果显示,此次冷锋降水属于冷云降水过程,冷锋前后云中主要以冰相粒子为主,云中水质粒自上而下的空间分布依次为冰晶、雪、云水、霰、雨水。冷锋前后,各种水质粒有着不同的含量及数密度,但形成水质粒的主要微物理过程都表现为:冰晶数密度的增加主要依靠核化、繁生,大部分雪主要靠凝华、撞冻过冷云水和冰晶增长,霰的质量增加主要靠撞冻雪、过冷云水和雪自动转化而来,大部分的雨水是由霰融化而来,因而此次冷锋降水机制表现为“水汽—雪—霰—雨水”。     

三江源地区秋季典型多层层状云系的飞机观测分析

利用三江源地区一次机载粒子测量系统PMS(Particle Measuring Systems)的分层垂直探测资料,系统研究了该地区秋季典型多层层状云系的微物理特性,结果表明:(1)云系由4层云层组成,Cs(卷层云)和上层As(高层云)为冰云,下层As和Sc(层积云)为过冷混合态云。下层As的云粒子浓度和过冷水含量最大,Sc的云粒子尺寸及谱宽最大,且具有较明显的地区特性;(2)Sc(下层As及对流泡)中中值直径在3.5～18.5 μm(3.5～ 21.5 μm)之间的云粒子为液相,中值直径大于21.5 μm(24.5 μm)的云粒子为冰相;(3)混合态云中高过冷水区与低过冷水区云的粒子谱分布差异明显,Sc高过冷水区有较明显的淞附增长现象;(4)Sc、下层As云底、对流泡顶高过冷水区的云滴有效半径依次增加。Sc高过冷水区的过冷水含量比率均值及标准差为69.9±19.4%,且与过冷水含量存在一定的关联性;下层As云底高过冷水区的过冷水含量比率无明显变化,其均值及标准差为89.2±8.1%;(5)混合态云各高度层FSSP(前向散射粒子谱探头)平均粒子谱均为单峰型伽玛分布,混合态云和冰云各高度层2DC(二维灰度云粒子探头)平均粒子谱基本上都为负指数型分布。     

基于WRF模式和CloudSat卫星资料对黄淮下游一次强对流天气过程的诊断分析和数值模拟

利用Cloud Sat卫星资料和WRF中尺度模式,结合NCEP再分析资料及FY2G静止气象卫星资料,研究了发生在黄淮地区的一次深对流天气过程,分析了此次过程的天气特征、动力结构,重点分析了该次强对流过程中各水成物的时空演变特征。结果表明:(1)黄淮下游地区处于副高西北边缘,温度高,湿度大,对流潜势好。在地面冷锋和低层切变线的抬升触发下,气流不断辐合上升,同时高层冷平流与低层暖湿空气为强对流的发展提供了热力不稳定条件;(2)使用静止卫星TBB产品可以很好的定位、追踪深对流系统,但单一的TBB产品无法分辨深对流云和较厚的高云。本文结合Cloud Sat卫星资料和TBB产品把剖面上的云分为3种:非对流云(NDC),一般深对流云(DC),深对流核(DCC);(3)深对流云核(DCC)位于对流系统南部边缘,在3种云中DCC中冰相粒子粒径大、数浓度多、冰水含量大,且其最大值区域都位于12 km高度附近,这一区域可能是对流云内冰晶凝华增长、凇附增长、聚并增长形成大冰相粒子的关键发生区;(4)耦合了NSSL双参方案的WRF模式对于本次过程体现了较好的模拟效果,并通过模拟再现了此次天气过程中水成物的分布特征,发现本次过程深对流云中存在过冷水累积带特征。冰核核化形成的冰晶通过碰并过程形成雪晶,霰又由雪晶碰撞冻结过冷水滴以及过冷雨滴冻结产生,之后不断增长转化形成冰雹,雹增长到足够大后降落,其中雪晶和过冷水累积带对霰(雹胚)及雹的产生及增长至关重要。     

青藏高原那曲地区夏季一次对流云降水过程的云微物理及区域水分收支特征

第三次青藏高原科学试验针对高原夏季云和降水物理过程开展了大量观测研究,为进一步揭示高原云微物理结构、云中水分转化和区域水分收支特征,本文采用中尺度数值预报模式（WRF）并结合高原试验期间的各种观测资料,对那曲观测试验区2014年7月5~6日的一次较为典型的夏季对流云降水过程进行了数值模拟研究。结果表明WRF模式能够基本再现高原夏季对流云的发展演变过程以及降水的日变化特征。模拟结果显示高原夏季对流云中具有较高的过冷云水和霰粒子含量,冰相过程在高原云和降水的形成和发展中具有十分重要的作用,地面降水主要由霰粒子融化产生。暖雨过程对降水的直接贡献很小,但在霰胚形成中具有十分重要的作用。霰粒子胚胎的形成主要来源于冰晶与过冷雨滴的撞冻过程,雪粒子和过冷雨水的碰冻转化及过冷雨滴的均质冻结贡献相对较小。霰粒子的增长过程在12 km（-40℃）以上层主要依靠对冰晶、雪粒子的聚并收集过程,而在其下层的增长过程主要依赖对过冷云水的凇附增长,对雪粒子的聚并收集和凝华增长过程较小。高原那曲地区净水汽收支为正,日平均降水转化率可达20.75%,接近长江下游地区,高于华北、西北地区。该地区日降水再循环率为10.92%,说明局地蒸发的水汽对高原降水的水汽来源具有一定的贡献,但高原降水的90%仍然由外界输入的水汽转化形成。     

山西春季层状云系数值模拟及与飞机探测对比

采用中国气象科学研究院 (CAMS) 中尺度云参数化模式对2010年4月20日山西省一次春季层状降水云系的宏微观结构,特别是垂直方向上的微物理结构进行了数值模拟和分析。利用携带云粒子探测设备的飞机对该次层状云系进行了两次云物理探测飞行,并将飞机探测所获取的数据和图像资料与数值模拟结果进行了对比研究。模拟结果显示:该次降水过程以层状冷云降水为主,云中过冷水含量丰富,云系存在明显的3层结构,地面降水主要来自于云中高层冰晶、雪、霰等冰相粒子的融化和低层云水的转化。数值模拟与飞机探测对比分析显示,高空温度、湿度和高度的配置两者基本一致,数值模拟不同高度的云粒子相态、垂直方向云水比含水量与飞机探测获取的云粒子图像和云液态水含量的垂直结构基本吻合,但数值模拟的云中各种水成物粒子出现的高度较飞机探测偏高。     

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。     

2014年夏季青藏高原云和降水微物理特征的数值模拟研究

为了加强对青藏高原（高原）云和降水微物理特征的深入认识,采用高分辨率中尺度数值预报模式（WRF）,对第三次青藏高原大气科学试验2014年7月3-25日发生的6次不同强度云和降水过程进行了数值模拟分析。研究结果表明:（1）青藏高原夏季云和降水过程具有独特性。高原夏季对流的促发机制主要是午后高原加热造成的,云和降水具有明显的日变化。午夜后,对流性降水一般转化为层状云降水,具有明显的0℃层回波亮带,并且会产生强降水。大部分对流云云顶高度超过15 km（海拔高度）,最大上升气流速度为10-40 m/s。（2）6次云过程中均具有高过冷云水含量,主要分布在0—-20℃层,冰晶含量主要分布在-20℃层以上的区域,强盛的对流云中,可出现在-40℃层以上区域;雨水集中分布在融化层之下,说明其主要依赖降水性冰粒子的融化过程;雪和霰粒子含量高,分布范围广,说明云中冰相过程非常活跃。（3）高原夏季云中水凝物的转化过程和降水的形成机理具有明显特点。霰粒子的融化过程是地面雨水的主要来源,暖雨过程对降水的直接贡献很小,但通过暖雨过程形成的过冷雨滴的异质冻结过程对云中霰胚的形成十分重要。霰粒子的增长主要依靠凇附过程以及聚并雪晶的增长过程。      

一次积-层混合云系垂直结构和降水机制的飞机观测资料分析与数值模拟

积-层混合云是影响北京地区的重要降水云系,运用飞机探测资料结合中尺度数值模式WRF,对2014年9月23日发生在北京地区的一次积-层混合云系的垂直结构和降水机制进行了探测资料分析和数值模拟研究。通过分析云系的雷达回波演变,发现云中的对流泡没有出现爆发式增长,回波在垂直方向上增长不明显,此次过程属于积-层水平混合型云系降水。飞机探测资料分析显示,上、下午探测云系的液态水含量都不高（最大低于1 g/m3）;在云系不同高度,飞机探测到的冰晶形状主要有板状、针柱状、辐枝状和不规则状,由于云中过冷水含量相对较低,聚合冰晶的数量明显多于凇附冰晶,冰晶的聚合是云中粒子增长的主要过程。对模拟云系垂直微物理结构和降水粒子的源、汇项分析得到:高层,由凝华产生的冰晶和雪晶在过冷水含量较低的环境中不断聚并、长大并下落,云系中霰的含量很低,增大的冰晶和雪晶下落至0℃层附近融化是产生地面降水的主要机制。此外,融化层附近,雨滴捕获云滴不断长大并下降至地面也是地面降水的另一个重要来源。      

Microphysical and radiative properties of mixed-phase altocumulus: A model evaluation of glaciation effects

Using a cloud model with explicit microphysics and radiation, we evaluate the microphysical changes in a supercooled liquid altocumulus cloud with increasing ice content, until glaciation occurs. The properties of the ice and water particle constituents are resolved independently, revealing the relative radiative contributions from the water phase source cloud versus the ice phase virga. Cloud contents are also converted to millimeter-wave radar reflectivities to shed light on the ability of such radars to study these ubiquitous clouds. The results show that the radiative and radar backscattering properties of mixed-phase clouds are dominated by the cloud droplets and ice crystals they contain, respectively.     

Impact of the Bergeron–Findeisen process on the release of aerosol particles during the evolution of cloud ice

The paper focuses on the redistribution of aerosol particles (APs) during the artificial nucleation and subsequent growth of ice crystals in a supercooled cloud. A significant number of the supercooled cloud droplets during icing periods (seeding agents: C₃H₈, CO₂) did not freeze as was presumed prior to the experiment but instead evaporated. The net mass flux of water vapour from the evaporating droplets to the nucleating ice crystals (Bergeron–Findeisen mechanism) led to the release of residual particles that simultaneously appeared in the interstitial phase. The strong decrease of the droplet residuals confirms the nucleation of ice particles on seeding germs without natural aerosol particles serving as ice nuclei. As the number of residual particles during the seedings did not drop to zero, other processes such as heterogeneous ice nucleation, spontaneous freezing, entrainment of supercooled droplets and diffusion to the created particle-free ice germs must have contributed to the experimental findings. During the icing periods, residual mass concentrations in the condensed phase dropped by a factor of 1.1–6.7, as compared to the unperturbed supercooled cloud. As the Bergeron–Findeisen process also occurs without artificial seeding in the atmosphere, this study demonstrated that the hydrometeors in mixed-phase clouds might be much cleaner than anticipated for the simple freezing process of supercooled droplets in tropospheric mid latitude clouds.     

Changes of cloud microphysical properties during the transition from supercooled to mixed-phase conditions during CIME

A ground-based seeding experiment using carbon dioxide and propane sprayed from pressurized bottles was carried out under supercooled cloud conditions on a small spatial and short time scale. Water vapor deposition on the artificially generated dry ice and propane ice germs as the main ice formation process (nucleation and growth) is consistent with the experimental results. After nucleation, diffusional growth of the ice particles, partly at the expense of evaporating small droplets, was identified during the mixing of the seeding line with the ambient supercooled cloud. Within the seeding plume, ice water contents up to 80% of the total condensed water are observed, although the size of the formed ice particles did not exceed 25 μm. From the changes of the ice and supercooled liquid phase with time under mixed-phase conditions, liquid water content (LWC) evaporation, ice water content (IWC) formation, and ice crystal growth rates are estimated, which are not affected by the artificial nucleation process. Thus, these rates are assessed to be applicable for a growing ice phase of small ice particles in a young mixed-phase cloud, where other growth mechanisms, like riming or aggregation, are negligible.     

A STUDY OF MICROWAVE RADIATION TRANSFER CHARACTERISTICS IN STRATIFIED PRECIPITATION CLOUDS BY COMBINING STRATIFIED CLOUD MODEL WITH MICROWAVE RADIATION TRANSFER MODEL

In this paper,the effect of precipitation particles on microwave radiation transfer characteristics in stratified clouds over the ocean is studied by combining stratified cloud model with microwave radiation transfer model.By comparing the calculated results with the true data,it is found that precipitation particle distribution and water shell around ice phase particle strongly affect the upwelling radiation.Therefore,the precipitation particle distribution and water shellaround ice phase particle must be considered when a calculating scheme is designed for retrieving precipitation in stratified clouds by the use of microwave radiation transfer model.     

北京及周边地区2004年8、9月层积云结构及谱分析飞机探测研究

2004年8～9月利用机载粒子测量系统 (Particle Measuring System, 简称PMS) 对我国北京及周边地区的三次锋面云系进行了探测, 本文分析了三次降水性层积云中各种粒子的垂直、水平和谱分布。结果表明, 三次降水云系基本是冷锋或者暖锋系统下形成的层积混合云系。云内以直径5～9 μm、200 μm和400～1000 μm的云和降水粒子为主。9月14日暖锋层积云系的粒子浓度最大, FSSP-100 (前向散射粒子谱探头)、 GA2(二维灰度云粒子图像探头)、 GB2(二维灰度降水粒子探头)分别探测的最大粒子浓度为318.97 cm-3、0.03 cm-3、0.0065 cm-3。8月12日和8月15日的冷锋层积云系有多个干层。GA2探测的平均浓度谱基本为单峰分布, 并找出了合适的拟合函数。冷锋层积云系的负温云层中存在着相同浓度量级的过冷云水和雨水、霰粒、柱状和针状冰晶, 过冷水含量可达到0.26 g/m3, 暖锋云系中则以霰粒、结淞粒子和冰雪晶聚合体为主, 也存在少量柱状、针状冰晶和过冷水滴。与我国北方地区13架次飞行探测结果比较, 北京及周边地区2003年8月15日、2004年8月12日和9月14日层积云0 ℃层以上的冰雪晶粒子直径最大, 浓度居中, 过冷水含量因云系结构不同而变化较大。     

山东省1989-2008年23架次飞机云微物理结构观测试验结果

利用山东省1989-2008年23架次秋季降水云系云结构的粒子测量系统(PMS)探测试验资料,分析了云中过冷水以及冰晶浓度的分布特征.结果表明,山东省降水云系中存在较为丰富的过冷水,最大可达0.36 g/m3,云中冰晶浓度最大可达12.8-406 L-1.对2006-2008年探测的云粒子浓度、直径及过冷水随温度变化特...     

基于MODIS产品的中国陆地冰云季节变化特征

利用2011年11月-2016年10月Terra卫星MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）3级大气产品数据（MOD08_M3）对中国陆地区域冰云发生概率、有效粒子半径、光学厚度和冰水路径的水平分布与季节变化进行分析。结果表明:冰云特性的水平分布和季节变化特征与东亚季风和强对流天气的发生存在一定联系。近5年冰云发生概率呈上升趋势,季节性变化规律明显,高值区出现在青藏高原东北部;冰云有效粒子水平分布呈现由西南向东北逐渐增加的趋势,总体季节性变化特点不明显,但在纬度较高地区出现随季节变化特征;冰云光学厚度与冰水路径水平分布和季节变化趋势大致相同,呈东南向西北递减趋势,总体季节性变化明显。     

对流云中冰相过程的三维数值模拟——Ⅱ:繁生过程作用

在可压缩三维冷云数值模式里对冰晶繁生过程进行了参数化,显式考虑了过冷滴冻结破裂和Hallett-Mossop两个繁生机制,并对冰晶浓度进行了订正。对暖底孤立积云的模拟实例表明繁生作用对对流系统宏观特征没有显著改变,地面总降水略有增加,最大雨强增大且时间提前。繁生过程的主要作用是改变了云的微物理结构特征,使云中冰化时间提早,冰化程度大大加强,引起云上部增暖并抬高云顶。在所考虑的两个繁生机制中,冻结破裂繁生机制是引起微物理结构发生变化的主要过程。还对各冰相微物理过程的相对作用进行了分析。     

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。      

河南省2002年秋季一次层状云降水过程的观测研究

在涡旋云系和低槽切变云系的先后影响下,2002年10月16-20日河南省产生了主要由层状云形成的小到中雨天气。中低层对流不稳定层结和偏东偏南暖湿气流为降水提供了有利条件。较厚的云体多为混合相结构,雷达回波普遍有明显亮带,过冷云区冰相粒子含量较过冷水高,暖云区云水含量偏低,雨水浓度基本随雨滴直径指数递减,较大雨滴对雨强的贡献大。推测总体降水机制可能为,冷云过程强于暖云过程,冰粒子凝华增长是其主要增长方式,冰粒子融化对地面降水有较大贡献。云系宏微观结构和降水特征都表明在层状云系不同部位存在不均匀性。     

一次副热带高压后部层状云降水中山区层状云宏微物理结构探测分析

利用2010年8月18日副热带高压后部层状云降水中山区层状云的飞机穿云观测资料,结合雷达、卫星云图及天气图等资料,详细分析了此次高后降水中山区层状云的宏观特征、微物理结构,并对降水形成机制进行初步探讨.结果表明:此个例由两层云构成,上层为冷云,下层主要为暖云;冷层粒子图像显示主要以板状为主,平板柱状、柱状和霰粒为辅,冰粒子的聚合体在整个冷层都有出现;降水形成机制为播种—喂养机制,冷云中观测到丛集和淞附现象,其中淞附现象主要发生在冷云的中下部靠近融化层附近.