冰云毫米波散射特性研究进展

重点介绍了和散射特性有关的冰晶形状模型、冰晶粒子谱分布及冰晶复折射指数的研究进展,总结了非球形冰晶散射特性的计算方法以及冰晶毫米波散射特性在国内外的研究进展情况,对目前研究中存在的一些问题及发展趋势进行了初步探讨。     

光吸收对冰晶粒子散射相函数的影响

本文利用射线跟踪法对冰晶粒子散射、吸收进行了研究。从理论上对一些常见的近似处理方法进行了讨论，计算了长为300μm，半径为30μm的六棱柱状冰晶粒子在不同波段的光散射相函数以及在波长2.2μm时，五种不同大小冰晶粒子的单次散射反照率。结果表明，即使在有吸收情况下，Snell公式和Lambert公式仍是近似成立的，而吸收效应对散射相函数有明显影响。     

用等效球Mie理论计算冰云光学特性的一种新方法

对由六角形冰晶粒子组成的冰云的１４种冰晶尺度分布,分别用等效球Ｍｉｅ理论和射线光学理论计算了它们在从可见光到近红外谱区的１７个波长上的散射特性参量。并利用由等效球Ｍｉｅ理论获得的散射参数及冰晶尺度分布特征参量ｒｅ（有效半径）建立了冰云光学特性的参数化公式。这些参数化公式的最大相对误差小于５％。     

气溶胶粒径区间对其消光、后向散射及消光后向散射比影响的数值分析

我们利用Junge谱对多道光电粒子计数器的测量谱进行了模拟,根据光散射的米氏理论,考察了气溶胶小粒子对其消光、后向散射及消光后向散射比的影响情况,对估计由实测谱及折射指数计算以上三个参量所带来的误差具有一定参考价值.     

六角柱冰晶的光散射函数的计算

六角柱冰晶是卷云中粒子的基本形态。本文着重讨论了利用作者已发展的模式,对有吸收的红外波段冰晶的散射矩阵的计算结果。对比了可见光的计算结果,也对比了长六角柱、扁六角柱以及球状、旋转椭球状冰晶的散射。发现吸收的影响主要造成冰晶的侧向和后侧向散射能量减小以及因折射和多次内反射引起的晕峰和“雨虹峰值”减弱。不同形状冰晶的散射函数虽然总的情况颇一致,但与六角柱冰晶相比,球状冰晶的侧向散射较弱,而椭球状冰晶则表现出后向和后侧向散射较弱。这些特征无疑地都将影响激光探测卷云和光传输过程。     

天空辐射计观测2006年春季北京地区气溶胶光学特性的研究

利用2006年3～5月天空辐射计观测数据反演得到北京地区春季大气气溶胶光学性质参数,包括大气气溶胶光学厚度(0.5μm)、Angstrm指数、单次散射反射比和粒子谱分布特征。结果表明:北京地区春季气溶胶平均光学厚度0.67,Angstrm指数0.54,单次散射比0.88,粒子吸收性质较弱,粒子谱呈双峰形,以粗粒子为主,粗、细模态粒子粒径分别集中在0.17μm和7.7μm左右。相比2004年此次观测期间气溶胶粒径较大,粒子体积浓度较高,散射作用在其消光特性中的比重略有下降。光学厚度日变化呈单峰型,日间单次散射比随时间逐渐递减,Angstrm指数在上午递减趋势明显,午后变得稳定。对同时观测的天空辐射计与CE-318不同波长光学厚度结果进行比较,结果显示两者得到的光学厚度相关性很好,各波长小时平均结果的相对误差小于7%。     

六棱柱和三棱锥冰晶的散射相矩阵——一种矢量射线追踪方法

本文发展了作者过去的工作(Cai-Liou),利用改进后的数值模式对六角柱冰晶(匀谱和非匀谱)的散射相矩阵进行了计算,所需计算量比Cai-Liou的约小二个量级,且本文的数值模式的结果误差较小。同时,对三棱锥冰晶的散射相矩阵,本文也进行了计算,并与六角冰晶的结果进行了比较。     

冰—水球形粒子在太阳短波段的吸收与衰减

根据Mie理论以及Aden和Kerker的理论,分别计算了纯水、纯冰和冰—水分层同心球在可见光和近红外波段的吸收、散射与衰减截面。结果表明,对于同样尺度大小的粒子,表面融化冰球或冰外壳包水球的单次散射特征值与纯冰纯水球的相比在整个太阳辐射短波段都相差不大,这是因为在此波段范围内冰和水的复折射指数的实部和虚部都很接近。此结果基本排除了0℃层附近表面融化冰晶粒子在太阳波段可能产生强吸收带,从而可以解释（部分的）云吸收异常现象这一想法。另一方面,在整层云吸收计算中,相对水含量可能较小但尺度较大的冰晶粒子的吸收是     

黄土高原半干旱区沙尘气溶胶光学和微物理特性

利用2006-2012年兰州大学半干旱气候与环境观测站太阳光度计资料,采用严格判断方法确定出沙尘气溶胶数据,分析沙尘气溶胶的光学和微物理特性。结果表明,沙尘气溶胶光学厚度最大值(2.80)出现在春季,主要分布在0.3~0.8,日均值0.63。ngstrm波长指数与光学厚度位相相反,春季最小(0.002),秋季最大(0.525),主要分布在0.2~0.4,日均值0.27。沙尘多为大粒径气溶胶,粒子谱粗模态占主导。总粒子和粗模态粒子体积浓度变化很大,与光学厚度年变化一致,在4月达到最大。有效半径与复折射指数实部变化一致,春、冬季较大,夏、秋季较小。单次散射反照率冬、春小,夏、秋较大,最小值出现在2月,与复折射指数虚部反位相。     

卷云中粒子的密度变化对可见光波段能量传输的影响

本文讨论了卷云冰晶粒子的密度随其尺度大小的变化。及其对折射指数的影响。对该变化所导致的粒子的光散射参数的变化进行了计算。采用Monte Carlo模式，根据观测到的冰晶粒子的数密度，使用不同的粒子密度分布，计算了卷云对0.55 μm波长的入射光的反射和透射率。结果表明，不同的粒子密度假设会导致一定的差别，但卷云中粒子的密度变化对可见光波段能量传输的影响非常小，可忽略不计。     

典型非球形冰晶粒子的凝华增长数值模拟试验

在凝华增长过程中,冰晶的形状随着温度和湿度的改变而改变,准确模拟冰晶粒子的演变对于提高云模式的模拟能力起着非常重要的作用。在现有的云模式中,冰晶形状通常假设为球形,而在实际大气中,冰晶形状十分复杂。本研究中,我们根据冰晶凝华增长理论模型建立了一个单个冰晶粒子增长模型,模拟了温度分别为-1℃~-30℃时,单个典型非球形冰晶粒子的凝华增长过程。与风洞观测数据相对比,该模型能够抓住单个冰晶粒子的轴长,质量以及纵横比随温度和湿度的变化过程。我们进一步将该理论增长模型应用到群粒子的凝华增长过程的模拟。我们釆用欧拉二维正定平流输送法(MPDATA)模拟了典型非球形冰晶群粒子的凝华增长,并对比分析了在不同纵横比分辨率下的模拟效果以及温度变化对冰晶形状的影响,结果表明运用该数值方法可以合理地模拟出群粒子在凝华增长过程中纵横比的演变。与目前采用的拉格朗日-欧拉混合平流算法比较,该算法能够耦合到欧拉动力框架下的分档云模式中去,这对我们研究冰晶粒子形状对云微物理过程和动力过程的影响,以及它们对冰粒子凝华增长的反馈作用具有非常重要的科学意义。     

冰云短波辐射特性参数化

该文对卷云和高层云分别构造了15种冰晶尺度分布，3种云高和云厚，总共30种冰水含量、90种冰水程长模式。对尺度小于与大于30 μm的冰晶粒子的单次散射特性分别用表面积等效冰球Mie理论和射线光学理论进行计算。采用delta-Eddington法计算了在4种不同地面反射率下冰云的多重散射辐射传输特性，提出了冰云辐射特性的参数化公式，指出参数化公式可以用于气候模式或大气环流模式。     

On the radiative properties of ice clouds: Light scattering,remote sensing,and radiation parameterization

Presented is a review of the radiative properties of ice clouds from three perspectives: light scattering simulations, remote sensing applications, and broadband radiation parameterizations appropriate for numerical models. On the subject of light scattering simulations, several classical computational approaches are reviewed, including the conventional geometric-optics method and its improved forms, the finite-difference time domain technique, the pseudo-spectral time domain technique, the discrete dipole approximation method, and the T-matrix method, with specific applications to the computation of the singlescattering properties of individual ice crystals. The strengths and weaknesses associated with each approach are discussed.With reference to remote sensing, operational retrieval algorithms are reviewed for retrieving cloud optical depth and effective particle size based on solar or thermal infrared(IR) bands. To illustrate the performance of the current solar- and IR-based retrievals, two case studies are presented based on spaceborne observations. The need for a more realistic ice cloud optical model to obtain spectrally consistent retrievals is demonstrated. Furthermore, to complement ice cloud property studies based on passive radiometric measurements, the advantage of incorporating lidar and/or polarimetric measurements is discussed.The performance of ice cloud models based on the use of different ice habits to represent ice particles is illustrated by comparing model results with satellite observations. A summary is provided of a number of parameterization schemes for ice cloud radiative properties that were developed for application to broadband radiative transfer submodels within general circulation models(GCMs). The availability of the single-scattering properties of complex ice habits has led to more accurate radiation parameterizations. In conclusion, the importance of using nonspherical ice particle models in GCM simulations for climate studies is proven.     

SCATTERING PHASE MATRICES OF ICE CRYSTALS WITH HEXAGONAL PRISM AND TRIANGULAR PYRAMID FORM—A VECTOR RAY TRACING METHOD

The work presented previously by the authors(Cai and Liou,1982)has been extended in this paper.By making use of our improved model the calculations on scattering phase matrices of hexagonal prismice crystals(HPIC)have been conducted for monodisperse and polydisperse systems.Compared with themodel of Cai and Liou,the required computational quantity is decreased by about two orders of magni-tude and the errors of results are less for the new model.Meanwhile,the scattering phase matrices of triangularpyramid ice crystals(TPIC)are also computed in the paper,and the comparison between the scatterings of thetwo forms of ice crystals is performed.     

Ice microphysics and climatic temperature feedback

The potential effects of ice microphysics involving ice crystal size distribution and ice water path (IWP) on climatic temperature perturbations are investigated by using a one-dimensional radiative-turbulent climate model. We define a mean effective size, denoting the width of ice crystals weighted by the geometric cross section area, to represent ice crystal size distribution. Based on aircraft measurements, both the mean effective size and IWP are related to temperature and may be parameterized as functions of temperature. The radiative properties of cirrus clouds are further parameterized in terms of these two basic cloud physics parameters. Using CO₂ doubling as the radiative forcing, feedbacks among temperature, the mean effective size and IWP, and the radiative properties of clouds are analyzed from the model results. We show that overall, a positive feedback associated with ice microphysics and the coupled radiative transfer is produced by temperature increase.     

冰晶性质对卷云辐射特征影响的模拟研究

介绍了SBDART辐射模式和libRadtran程序包，并利用这两个模式模拟分析了当卷云内冰晶性质如有效半径、冰晶含量以及形状变化时，卷云反照率的变化。模拟分析表明，在相同条件下，不同形状冰晶构成的卷云反照率有所不同，同种冰晶构成的卷云在不同波长的反照率也不同。总的来说，不论是由何种形状冰晶构成的卷云，随着卷云内冰晶含量增大，有效半径减小，卷云反照率增大。这些工作将有助于增进对lib Radtran程序包和卷云性质的了解。     

三维对流云催化数值模式人工冰晶参数化方案的改进与个例模拟试验

在中国科学院大气物理研究所的三维全弹性对流风暴云催化数值模式(简称为IAP-CSM3D)的基础上,对模式中催化部分的参数化方案进行了改进,推导出人工冰晶与其它粒子之间相互作用的微物理过程的参数化方程。改进后的模式将催化产生的人工冰晶单独作为预报量进行处理,把人工冰晶与自然冰晶区分开,且考虑的人工冰晶谱型为双参数粒子谱,使模式更符合实际。利用改进后的模式模拟了2005年7月8日发生在辽宁省朝阳市的一次冰雹云天气过程,着重分析了催化云人工冰晶的微物理过程、空间分布和谱型,以及对冰相降水粒子的贡献。数值试验表明,自然雹云模拟结果与观测事实相吻合,说明改进后的模式对冰雹云具有较可靠的模拟能力。模拟分析表明,冻滴是该例自然雹云冰雹胚胎的主要来源,对该冰雹云进行AgI催化可明显地减少降雹量,特别是在云中冰雹形成初期进行催化防雹效果最好,既可产生最大的防雹作业效果又不至于过度减少降雨量。催化减雹的主要原因是催化显著地减少了云中冻滴向冰雹胚胎的转化总量。进一步研究发现,人工冰晶在云的不同阶段对各种冰相降水粒子的贡献是不同的。人工冰晶对雪花总质量的贡献较小,对霰总质量的贡献有所增大,而对冻滴总质量的贡献较大。模拟的冰晶粒子谱可较好地反映出人工冰晶谱型较窄,浓度较大,尺度较小的特征。