衡山云雾微结构起伏的初步观测试验

本文使用云滴连续取样方法实验研究了自然云雾的绝对总浓度和云滴谱谱形的起伏。观测发现,层积云的中、下部,云滴浓度有尺度为1—6米的起伏,起伏值的大小可达30—100％;云滴谱的谱形起伏也很显著,而且与浓度起伏有对应关系,在起伏尺度内,云滴谱在浓度小的地方小滴较多,而在浓度大的地方大滴较多。另外还看到,即使云滴浓度在较大范围内是均匀时,由于云滴的离散混乱分布,小体积内的滴谱也会有起伏,当滴数超过1000—2000个时,这种起伏才很小。     

三参数云微物理方案中气溶胶谱函数对云滴谱影响的数值模拟研究

观测和分档方案的数值模拟都证明气溶胶的谱分布特征对云滴谱的演变有直接影响继而作用于降水的发展。目前广泛使用的总体双参数云滴谱方案因为表征云滴谱的预报量不足,在凝结过程中云滴谱呈不正常的拓宽现象。因此在参数化方案中,气溶胶谱对云滴谱的影响未有明确结论。中科学院大气物理研究所(IAP)云降水物理与强风暴重点实验室(LACS)新研发的三参数方案(IAP-LACS)通过增加的预报量克服了云滴谱的拓宽问题,提高了云滴谱模拟的准确性。为了研究在参数化方案中气溶胶谱分布特征对云滴谱的影响,本文采用新方案进行WRF(Weather Research and Forecasting mode)大涡理想性试验,验证了新方案中气溶胶对数正态谱函数中数浓度、几何半径和标准差3个参量对云滴谱演变的影响。针对3个参量的敏感性试验表明新的气溶胶活化方案和三参数云滴凝结增长方案能够描述气溶胶谱对云滴谱演变的影响规律:气溶胶数浓度对云滴谱影响最显著,数浓度越高活化生成的云滴数量越多,云滴半径越小,云滴谱趋向窄谱,气溶胶数浓度低时,云滴数量少、半径大。较大的几何半径使气溶胶谱向大粒径移动,导致大云滴生成,标准差对云滴谱的影响最不显著。     

海洋层积云中的云滴谱宽度及其影响因子

云滴谱宽度对模式中云的光学厚度的参数化、气溶胶间接效应的评估以及降水形成过程的研究至关重要。本文利用美国POST（Physics of Stratocumulus Top）项目2008年7月19日的飞机观测资料，分析了微物理量和云滴谱的垂直分布及微物理过程。结果表明，该云系云滴谱宽度在云底附近较大，这是由低层核化过程导致的；中层凝结增长过程使得云滴谱宽度随高度增加逐渐减小；云顶附近夹卷混合过程导致云滴谱宽度增大。绝热云中垂直速度的增大会促进云凝结核的活化使云滴数浓度增大，促进凝结增长使云滴尺度增大、云滴谱宽度减小，云滴谱宽度与云滴数浓度、云滴尺度呈现负相关关系；云洞中受夹卷混合过程影响，垂直速度减小，云滴蒸发，云滴数浓度和云滴尺度减小、云滴谱宽度增大，且该效应随绝热程度减小而增强。建议云滴谱宽度的参数化将垂直速度、云滴数浓度、云滴尺度和绝热程度等考虑在内。     

不可溶性气溶胶对边界层暖云滴谱离散度影响的模拟研究

基于一维分档MISTRA边界层云模式,模拟研究了内部混有不可溶核的硫酸铵气溶胶对边界层暖云微物理特征的影响。结果表明：边界层内湍流动能通量是影响暖云发展的重要因素。云中液态水含量、过饱和度以及云滴谱离散度均随云中的高度增加而增大。云滴谱标准差是影响云滴谱离散度变化的主要因子。在暖云发展阶段,不可溶性核会增加云中过饱和度,进而导致云滴谱分别向大尺度和小尺度端拓宽,云滴谱标准差增大,云滴谱离散度随时间增加而增大的程度增强;在暖云减弱阶段,不可溶核会造成云中大尺度端云滴数浓度减少,云滴谱变窄,标准差变小,云滴谱离散度逐渐减小的特征减弱。     

沙尘气溶胶粒子表面变性对云滴形成过程的影响

利用1997年5月14日辽宁省气溶胶和云滴谱航测资料,讨论了沙尘气溶胶粒子表面变性产生的不溶性沙尘粒子外包可溶性硫酸铵层的混合气溶胶粒子作为凝结核的增长规律,计算了由混和核形成的云滴谱特征,并与纯硫酸铵盐核进行对比.结果表明:混和核上初期形成的云滴谱型比纯硫酸铵盐核上初期形成的云滴谱型要宽,更接近实际观测到的云滴谱分布.     

大陆性浓积云云滴谱离散度影响因子的飞机观测研究

利用2020年7月30日山西省人工增雨防雷技术中心在山西省忻州地区开展的大陆性浓积云飞机探测资料，分析了积云微物理参量、云滴谱离散度随时间和高度的变化以及云滴谱离散度的影响因子。结果表明，该大陆性浓积云云滴谱离散度随高度的增加先递增后递减，但变化范围较小。云滴谱离散度随数浓度、含水量增大而逐渐收敛，呈弱正相关关系；离散度与体积平均半径的相关性随体积平均半径的增大由正转负，与垂直速度呈现正相关关系。云中碰并过程对云滴谱离散度及其影响因子影响较大，建议未来云滴谱离散度的参数化增加对碰并过程的考虑。     

对熵原理得出的理论云滴谱方程的验证

一、问题的提出云滴谱分析是云物理学和人工降水研究的重要内容之一。过去较多地研究由碰并或破碎过程造成的云滴谱变化,而缺少对没有发生碰并前的云滴初始谱的理论研究。张学文同志首先把熵增加原理应用于碰并前的云滴谱研究中,推导出一个具有     

气溶胶浓度对暖云不同生长阶段物理特征影响的模拟研究

基于云微物理过程完善的TAU2D分档云模式, 模拟研究了用热泡扰动生成的暖云在不同气溶胶数浓度(Na)背景条件下各演变阶段云微物理量的变化特征。结果表明: 在暖云的发展过程中Na越高, 云滴尺度变小, 云滴间的碰并增长发动较晚, 云滴谱因碰并增长而实现的滴谱拓宽变弱, 云滴谱相对较窄, 云滴谱标准差较小, 因此云体发展越缓慢, 云体生命周期越长, 形成降水就越晚; 反之, 云滴尺度越大, 碰并增长发动越早, 云滴谱拓宽更明显, 云滴谱标准差越大, 云体生命周期相对更短, 降水开始时刻越早。高Na背景下, 碰并阶段云滴谱较凝结阶段更宽, 沉降阶段因云体下沉蒸发导致小尺度云滴减少, 使其滴谱较碰并阶段略有拓宽。在凝结阶段, 低气溶胶背景下云滴数浓度(N)和离散度(ε)间呈现正相关关系, 而高气溶胶背景下两者为负相关关系。在碰并阶段, N与ε的相关性关系为负相关, 且随着气溶胶数浓度的增加, 负相关程度降低。在沉降阶段, N和ε间为负相关关系。     

积云中去滴谱形成的数值模拟研究(一)——盐核谱和浓度的作用

本文利用一维非定常积云数值模式,详细地考虑云的微物理过程,模拟了积云发展前期云的宏微观结构,研究了盐核谱和浓度对积云中云滴谱形成的影响。结果表明,本模式模拟的云中上升气流和含水量等宏观特征与观测结果基本上一致,云滴谱分布和大云滴浓度以及它们随高度分布的特征等也与观测相符。在积云顶部附近还模拟出双峰云滴谱。结果还指出,大陆性积云云滴谱和海洋性积云云滴谱之间的差异,主要是由于两地空气中盐核总浓度不同所致,而不是由于巨核多少的缘故。     

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。     

积云中云滴谱形成的数值模拟研究(一)——盐核谱和浓度的作用

本文利用一维非定常积云数值模式,详细地考虑云的微物理过程,模拟了积云发展前期云的宏微观结构,研究了盐核谱和浓度对积云中云滴谱形成的影响。结果表明,本模式模拟的云中上升气流和含水量等宏观特征与观测结果基本上一致,云滴谱分布和大云滴浓度以及它们随高度分布的特征等也与观测相符。在积云顶部附近还模拟出双峰云滴谱。结果还指出,大陆性积云云滴谱和海洋性积云云滴谱之间的差异,主要是由于两地空气中盐核总浓度不同所致,而不是由于巨核多少的缘故。     

起伏条件下云雾的重力碰并生长

云雾中的气象要素和云雾物理量经常有着起伏,因此研究重力碰并在这种起伏条件下如何使云滴生长,从而形成滴谱,是很必要的。本文对云中小水滴浓度(或含水量)有起伏时的云雾滴生长进行了计算,得到了云滴的一种理论分布。由此可以看出,在起伏条件下,云滴生长是比较快的。在比较短的时间和比较薄的云中有可能形成相当大的云滴,即半径50μ乃至100μ以上的云滴。因此在均匀条件下,凝结生长和重力碰并增长中的所谓“生长障碍”区(云滴半径在20—30μ左右)也就不存在。     

从熵原理得出的稳定层云的云滴谱方程

通过对层云的云滴大小的分布观测,揭示了其滴谱常里单峰偏态分布。这种谱的经常出现,表明它是一种优势谱。它的稳定性,从统计物理角度看也表示云体处于一种平衡态,而平衡态则对应某种熵达到极大值。 本文指出的熵是云滴表面自由能所对应的熵。文中用熵极大原理导出了稳定层云的云滴谱方程(公式11),並且用资料证实了这一理论与事实相符。     

华北地区气溶胶混合状态对暖云微物理特征的影响

在UWyo单组分气溶胶的绝热气块分档云模式基础上,发展了多种化学组分气溶胶的绝热气块分档云模式。利用2006年春季华北地区地面气溶胶分级采样的离子成分分析数据和同时段高空气溶胶、云微物理飞机观测资料,研究了气溶胶混合状态对暖云微物理特征的影响。模拟结果表明,华北地区气溶胶内部混合比外部混合有利于增加云凝结核数浓度、降低气块水汽最大饱和比、增加云滴数浓度。气溶胶的混合状态不同,形成的云滴谱的特征差异较大,主要体现在云滴谱的平均尺度和峰值的突出程度;云滴谱相对离散度在0.3附近变化,且随着云滴数浓度的增加,云滴谱相对离散度呈现减小的趋势。气溶胶混合状态能够影响暖云微物理特征,从而影响大气辐射和降水过程,在天气和气候变化的研究中应予以关注。     

一次降水性积层混合云系的微物理特征分析

利用山东省2007年10月27日1架次机载粒子测量系统（Particles Measuring System,PMS）积层混合云探测资料,分析了云中粒子浓度和尺度、液态含水量,以及小云滴和大云滴谱的垂直分布特征,比较了催化前后云微物理特征的变化。结果表明,催化前,云层中小云滴谱型为单峰,谱宽随高度增加先变窄后变宽,大云滴谱型在云低层为单峰,中高层为双峰谱,谱宽随高度增加先变宽后变窄,并且没有探测到降水粒子。催化后,小云滴尺度在低层减小、高层增加,整层液态水含量减小;大云滴浓度增加,尺度增大,出现降水粒子,固态粒子类型增多。在3 700~4 000 m高度层内小于10μm粒子明显增加,说明凝结过程比较明显,并且10~27.5μm粒子开始出现,启动了云滴的碰并机制。小云滴谱变化较小,基本为单峰谱,但在较大云滴处谱型略有起伏,在3 000m和3 300m高度的谱宽增宽。大云滴粒子谱有较大的变化,低层变成双峰谱,谱宽最宽可达650μm,中高层为双峰或多峰,峰值从小值向较大值移动。2D-P探头在催化云高层探测到降水粒子,谱型呈单调下降形态,谱宽最大为600μm。     

云滴谱的不确定性对中尺度降水的影响

云滴的谱分布通过改变云滴的有效半径影响辐射传输过程,改变大气的热力、动力状况,进而影响云的发展,因此云滴谱将影响云和辐射的相互作用,从而改变地面降水。利用包含详细云微物理方案的MM5V3中尺度模式对1998年6月8日华南暴雨和2002年7月22日长江暴雨进行了数值模拟,研究了中尺度模式中云滴谱的不确定性对地面降水的影响。模拟结果表明,云滴谱在中尺度地面降水中起着重要的作用,其不确定性对地面降水的范围影响很小,却能明显地改变降水强度,能显著地改变地面降水中心的降水量和中心位置,还可能改变降水的起止时间;云滴谱的不确定性能够引起最大超过10％的平均降水强度的改变,而且其差异在白天比夜间更明显。     

一次层状云降水过程云粒子的特征分析

本文针对山西省2009年6月18日-19日的一次降水过程,利用Micaps系统天气图和机载DMT探测资料分析了这次降水的宏微观特征,并用Г分布拟合了云滴谱分布,结果接近云滴谱的实际分布。     

新安江流域上空云内外巨盐核的分布

1979—1980年6—7月份在新安江流域上空进行了云内外巨盐核的观测,得到:(1)大气中云内外的巨盐核浓度分布都与天气背景有关;(2)云内巨盐核浓度大于同高度上的云外巨盐核浓度,不同云内巨盐核浓度和谱型不一样;(3)云内巨盐核浓度要比小云滴少两个量级,因此巨盐核作为凝结核,对形成小云滴的贡献是很小的。     

云滴的表面自由能统计分布理论

云中不同大小的水滴各占多大权重的问题,是云物理学的重要问题.人们常把它称为云滴谱,并已有不少观测事实.但至今还没有一个理论或学说对它作出某种程度的理论解释. 本文从表面自由能角度分析云滴谱问题,并且利用统计物理思想得出一个理论结果.它给出了云滴的多少与其半径之间遵守一个定量关系.     

回流天气系统层状云的非均匀性

利用一次回流天气过程的PMS资料,从微物理结构上对回流天气系统层状云的不均匀性进行了分析,发现飞机在进入较强降水云带时,云物理量(液水含量、云滴浓度、云滴平均直径,温度)等会产生剧烈变化,表现为液水含量跃增、云滴浓度快速增大、云滴谱谱宽拓宽、温度下降等,在同一较强云带中,温度变化不大并且比周围低,较强降水云带冰晶含量丰富,自然催化较好。