太行山东麓一次低槽冷锋降水云系云物理结构和作业条件的飞机观测研究

2017年5月22日河北省出现一次低槽冷锋降水过程,河北省人工影响天气办公室利用机载粒子测量系统在太行山东麓区域对积层混合云进行了5次垂直探测。依据这些飞机探测资料结合石家庄天气雷达和邢台皇寺观测站的Ka波段云雷达资料分析了积层混合云的微物理结构和增雨作业条件。结果表明,降水云系出现在低槽槽前西南气流中,积层混合云由冷、暖云组成,云厚大于5 km,暖云厚度大于2 km,冷云厚度大于3 km,0℃层高度位于3577～4004 m,云底温度为15. 4℃,云顶温度为-17℃。云内出现最强雷达回波达45 d BZ的对流雨核,人工增雨作业应在雷达回波强度不超过40d BZ,且4000 m以上雷达回波强度不超过30 d BZ积层混合云区实施增雨作业。嵌入对流核的积层混合云中,5000 m以上冷云中上层过冷水含量达0. 2 g·m-3,比稳定的层状云中过冷水含量提高2～4倍;丰富的过冷水从雨核发展初期维持到雨核发展盛期,且该高度层是冰晶重要增长区,温度在-15～-5℃之间,适合催化作业。     

一次基于飞机探测的降雪云系微物理特征研究

利用一架搭载云和降水粒子探头的国王350飞机对2020年1月5日邢台皇寺上空降雪云系的微物理特征进行探测和分析。结果表明：飞机探测时段处于系统发展初期阶段，同一位置垂直上升阶段和垂直下降阶段云微物理特征差距较大；云体结构不均匀，表现为云粒子在垂直高度上呈多层分布，中间有夹层。4 300～3 100 m高度层的过冷水含量最丰富，峰值达0.3 g/m³，对应温度约-9℃。过冷水丰富区出现在逆温层上方，该层最适合开展碘化银增雪作业。     

一次低槽冷锋层状云系结构和过冷水分布特征的模拟研究

本文利用耦合了CAMS云微物理方案的WRF中尺度模式的模拟结果结合飞机、卫星、雷达、地面雨量等观测资料,对2012年9月25日山西一次低槽弱冷锋降水层状云系的宏微观结构和过冷水分布特征进行分析,试图研究低槽冷锋层状云系结构特征及过冷水形成的宏微观条件,为人工增雨作业提供依据。模拟的天气形势、降水、云顶温度、雷达回波、水成物的演变与实测基本一致。结果表明：此次降水过程的系统为低槽弱冷锋,且锋面后倾,位于锋前的云系前部为高层冷云,云顶温度-40℃左右,以冰相粒子组成,没有降水;锋区云系变成高层冷暖混合云,冷区以少量过冷水和大量冰相粒子组成,地面降水最大;处于锋后的云系后部为高层冷云,云顶温度-30℃左右,不存在过冷水,以较少冰相粒子组成,地面降水较弱。过冷水主要分布在锋面前方低于-5℃层,高度偏低、含量偏少,过冷水一方面因垂直上升速度供应水汽维持,另一方面因冰相粒子的凝华而消耗。过冷水层及其下部上升运动较弱、而其上部上升运动较强,不利于在过冷区长时间维持大量液态水,反而促使冰相粒子发展旺盛,此处水汽相对水面不饱和、相对冰面饱和,大量冰相粒子消耗水汽,不利于过冷水的存在,导致云场仅存在少量过冷水。本次过程中,冰核浓度的增大仅增大冰晶浓度,对雪霰含量及-5~0℃的过冷水几乎没有影响。     

河北省冬季低槽冷锋层状云结构特征和可播性分析

2018年1月6日河北省出现一次低槽冷锋天气系统,利用两次云粒子垂直探测资料分析层状云结构特征和演化规律,探讨冬季低槽冷锋系统层状云催化条件和催化时机。结果表明：天气系统初期西南风风速中心发生在6500 m高空时,风速随高度呈不连续分布,层状云云顶温度为-29.2℃,中低云层稀薄;3000 m以上云层粒子基本被冰化,云内过冷水含量小于0.05 g·m^-3,固态含水量为0.1 g·m^-3左右,3000 m以下云层有大量自然冰晶,过冷水低于0.15 g·m^-3,不具备催化条件。700—3000 m高度层西南风加强,云内过冷水含量普遍大于0.1 g·m^-3;2200 m风速中心风速达16 m·s^-1,该高度最大液态水含量达0.38 g·m^-3,冰晶浓度为6 L^-1,温度为-9℃,适宜催化。低槽冷锋天气系统层状云结构特征和催化条件受槽前西南风强弱和风速中心高度影响,天气系统初期层状云云顶过高、温度过低时,层状云为不可播云。随槽线东移,风速中心高度降低,3000 m以下西南风加强,层状云转变为可播云。     

太行山东麓层状云微物理特征的飞机观测研究

本文利用“太行山东麓人工增雨防雹作业技术试验”的飞机和地面雷达观测数据,重点研究分析了2018年5月21日一次典型西风槽天气系统影响下的层状云微物理特征。结果表明,?5°C层的过冷水含量低于0.05 g m?3,冰粒子数浓度量级101～102 L?1。冰粒子数浓度高值区主要以针状和柱状冰晶为主。这可能低层是Hallett-Mossop机制和其他冰晶繁生机制共同作用下所产生的冰晶碎片在冰面过饱和条件下凝华增长所形成的。冰粒子数浓度低值区的冰晶形状基本以片状或枝状为主。?5°C层的冰雪晶增长主要以凝华和聚并增长为主,凇附过程很弱。零度层附近云水含量峰值区的液态水占比达到70%以上。云水含量峰值区的粒子主要以直径10～50 μm的云滴为主,伴随着少量聚合状冰晶。零度层其他区域的过冷水含量维持在0.05 g m?3左右,冰晶形态主要以聚合状、凇附状及霰粒子为主。液水层则主要以球形液滴及半融化状态的冰粒子为主。垂直探测表明:零度层以上的冰雪晶数浓度呈现随高度递增的趋势。在发展稳定的层状云内,混合层的过冷水含量很低,冰粒子主要通过凝华和聚并过程增长,云体冰晶化程度较高。而在发展较为旺盛的层状云区里过冷水含量也较高,大量液滴的存在也表明混合层冰-液相之间的转化不充分。不同温度层的粒子谱显示,冷水含量高值区的冰粒子平均浓度比过冷水低值区高,但平均直径比过冷水低值区小。     

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...     

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。     

利用毫米波测云雷达反演层状云中过冷水

毫米波测云雷达已成为研究云内微物理参数的有效工具,利用其从混合相云中识别出过冷水,对人工影响天气及预防飞机积冰具有重要意义,对我国毫米波雷达的数据处理也具有借鉴作用。本文利用英国的35 GHz、94 GHz测云雷达,结合激光雷达和探空资料,采用阈值法,反演分析了层状云中的过冷水。结果表明:(1)毫米波雷达联合激光雷达可以识别层状云中的过冷水,其结果与微波辐射计测量的液态水路径或毫米波雷达的双峰谱相符合;(2)利用多普勒速度的双峰谱可以反演混合相云中的过冷水含量、冰晶含水量。混合相云的雷达反射率因子主要取决于冰晶,根据雷达反射率因子反演会低估云内液态水含量;(3)本次层状云降水的亮带以上含有较多过冷水,此处35 GHz的雷达回波强度随冰晶的增大而减弱,且冰晶的含水量主导了总液态水含量。     

一次西风槽过程过冷云水分布特征观测研究

过冷云水生消演变规律是云物理学和人工影响天气的重要研究领域。根据Hobbs 1974年提出的假定,利用飞机、卫星、雷达和雨量计等观测资料,对2012年9月21日河北一次西风槽天气过程进行观测研究,分析其过冷云水分布特征及演变规律。结果表明,槽前云系过冷水区宽厚并且过冷水含量较高,云滴浓度和均立方根直径较大并且均匀,冷云区厚而且没有分层,没有暖云配合;近槽云系中冷云区小粒子浓度降低但云滴直径增大,冷云区夹有干层,云系变厚出现暖云配合,冷暖云液态水含量较高,冷暖云区大粒子和降水粒子浓度和尺度增大,中尺度云团移动较快;槽后云系中云滴浓度最大,但云滴均立方根直径明显减小,过冷水区出现的高度下降、厚度很薄、过冷水含量较低,冷、暖云之间有干层,暖云对应的大粒子浓度和降水粒子浓度非常大,地面降水主要由暖云过程产生;云水(过冷水)含量峰值常出现在云内逆温层的上方;利用云粒子测量系统(PMS)资料分析过冷云水生消演变特征与卫星和雷达资料具有较高的一致性。     

一次对流云团过程结构特征的观测和模拟研究

为了解2015年8月22日发生在北京东部的一次对流云团的生消演变过程及微物理特征,使用耦合了CAMS云微物理方案的WRF中尺度云分辨模式对此次过程进行数值模拟。由于研究的对流云团尺度较小,对时空分辨率要求较高,把LAPS(Local Analysis and Prediction System)局地分析和预报系统同化多源观测资料后输出的高分辨率的中尺度分析场作为模式的初始场。将模拟结果与FY-2F卫星、北京SA波段多普勒天气雷达、地面雨量站等观测资料进行对比分析。同时,研究了对流云团中的微物理含量分布,深入分析此次过程的降水机制。结果表明:模式能够较好地模拟出对流云团在生成、发展、成熟和消散的四个不同阶段的演变规律,整个对流云系的发展持续4 h左右,对北京有直接影响的对流单体的生命时长在1 h左右;模拟的自然云云带分布和演变规律、小尺度云团的尺度、位置、形状和垂直结构都与观测资料有较好的一致性;模式也能模拟出降水落区和量级及强中心的位置。此次对流云过程主要为冷暖混合云系结构,云中过冷水丰沛,降水机制以冷云降水为主,暖区供水云对降水的发展有促进作用,霰融化为雨滴是主要的成雨过程。     

Evaluating the Impacts of Cloud Microphysical and Overlap Parameters on Simulated Clouds in Global Climate Models

The improvement of the accuracy of simulated cloud-related variables, such as the cloud fraction, in global climate models (GCMs) is still a challenging problem in climate modeling. In this study, the influence of cloud microphysics schemes (one-moment versus two-moment schemes) and cloud overlap methods (observation-based versus a fixed vertical decorrelation length) on the simulated cloud fraction was assessed in the BCC_AGCM2.0_CUACE/Aero. Compared with the fixed decorrelation length method, the observation-based approach produced a significantly improved cloud fraction both globally and for four representative regions. The utilization of a two-moment cloud microphysics scheme, on the other hand, notably improved the simulated cloud fraction compared with the one-moment scheme; specifically, the relative bias in the global mean total cloud fraction decreased by 42.9%–84.8%. Furthermore, the total cloud fraction bias decreased by 6.6% in the boreal winter (DJF) and 1.64% in the boreal summer (JJA). Cloud radiative forcing globally and in the four regions improved by 0.3%?1.2% and 0.2%?2.0%, respectively. Thus, our results showed that the interaction between clouds and climate through microphysical and radiation processes is a key contributor to simulation uncertainty.     

云和辐射 （I）:云气候学和云的辐射作用

本文介绍与气候变化研究有密切关系的云的辐射作用的有关工作。这一部分从云微物理特性和云粒子光学性质入手，介绍了水云、冰云的太阳和红外辐射特性的理论和实测工作以及云的不均匀性对云辐射特性的影响。此外，还介绍了云气候学及云对辐射收支影响方面的工作。     

Observational Diagnosis of Cloud Phase in the Winter Antarctic Atmosphere for Parameterizations in Climate Models

The cloud phase composition of cold clouds in the Antarctic atmosphere is explored using data from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) and Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP) instruments for the period 2000--2006. We used the averaged fraction of liquid-phase clouds out of the total cloud amount at the cloud tops since the value is comparable in the two measurements. MODIS data for the winter months (June, July, and August) reveal liquid cloud fraction out of the total cloud amount significantly decreases with decreasing cloud-top temperature below 0oC. In addition, the CALIOP vertical profiles show that below the ice clouds, low-lying liquid clouds are distributed over ～20% of the area. With increasing latitude, the liquid cloud fraction decreases as a function of the local temperature. The MODIS-observed relation between the cloud-top liquid fraction and cloud-top temperature is then applied to evaluate the cloud phase parameterization in climate models, in which condensed cloud water is repartitioned between liquid water and ice on the basis of the grid point temperature. It is found that models assuming overly high cut-offs (》-40oC) for the separation of ice clouds from mixed-phase clouds may significantly underestimate the liquid cloud fraction in the winter Antarctic atmosphere. Correction of the bias in the liquid cloud fraction would serve to reduce the large uncertainty in cloud radiative effects.     

宁夏三类降水云的时空分布及环流特征分析

利用宁夏24个测站1971—2000年常规地面观测中云状、总云量、低云量、天气现象、降水量等资料,对宁夏30年中层状云、对流云及混合云降水的时空变化特征进行了分析。同时,利用NCEP/NCAR(1971—2000年)全球再分析资料,对宁夏三类降水云的环流特征进行了诊断分析。结果表明:30年中层状云降水次数明显多于对流云和混合云降水次数,是宁夏降水的主要类型,而混合云降水是宁夏大雨以上降水的主要类型;宁夏南部地区以层状云降水为主,北部地区对流云和混合云降水次数相对较多;三类降水云的月、年际和年代际变化特征及所对应的环流背景和影响系统具有明显的差异。     

对流云增雨作业效果回波对比分析

人工催化对流云的效果检验是一个非常复杂的科学难题，它受当前科研水平、仪器装备水平、研究对象复杂性等多方面的制约。该文通过运用加密雷达资料对一次对流云催化作业个例的效果进行分析，采用目标云和对比云比较分析的方法，探讨了根据雷达回波各种参数的变化来判断催化作业效果的途径。结果表明，目标云在降水、生命期特征、回波垂直特征参数变化等方面都表现出与对比云明显的差异，从而推断本次作业达到了增加降雨的效果。     

基于CloudSat资料的东北地区降水云及非降水云垂直结构特征对比分析

利用2007—2010年CloudSat和CALIPSO卫星资料,首先通过大量个例分析并结合地面逐小时降水量观测资料验证CloudSat卫星识别降水云指标的合理性。在此基础上,统计分析了东北地区(39°~53°N、119°~135°E)的云垂直结构参数,着重分析了降水云系和非降水云系的垂直结构差异和季节差异。结果表明:东北地区云量廓线呈双峰分布特征,有明显的昼夜及季节差异。东北地区以单层云为主,降水也主要产生于这类云系,是东北地区人工增雨作业的主要对象。单层降水云以低云、冷云、冰云或混合云为主,主要云类别是雨层云。双层降水云以高低云或中低云配置为主,且都为冷云;高层以冰云为主,主要类型是卷云和高层云;低层以混合云或冰云为主,主要类型是雨层云、层积云、积云。降水云系与非降水云系存在显著的垂直结构差异,双层云的降水由低层产生。云底高度较低、云体较厚且夹层厚度更薄的云易产生降水。同时,降水云云底温度更高,分布呈现出季节差异。     

Calculating the Climatology and Anomalies of Surface Cloud Radiative Effect Using Cloud Property Histograms and Cloud Radiative Kernels

Cloud radiative kernels (CRK) built with radiative transfer models have been widely used to analyze the cloud radiative effect on top of atmosphere (TOA) fluxes, and it is expected that the CRKs would also be useful in the analyses of surface radiative fluxes, which determines the regional surface temperature change and variability. In this study, CRKs at the surface and TOA were built using the Rapid Radiative Transfer Model (RRTM). Longwave cloud radiative effect (CRE) at the surface is primarily driven by cloud base properties, while TOA CRE is primarily decided by cloud top properties. For this reason, the standard version of surface CRK is a function of latitude, longitude, month, cloud optical thickness (τ) and cloud base pressure (CBP), and the TOA CRK is a function of latitude, longitude, month, τ and cloud top pressure (CTP). Considering that the cloud property histograms provided by climate models are functions of CTP instead of CBP at present, the surface CRKs on CBP-τ histograms were converted to CTP-τ fields using the statistical relationship between CTP, CBP and τ obtained from collocated CloudSat and MODIS observations. For both climate model outputs and satellites observations, the climatology of surface CRE and cloud-induced surface radiative anomalies calculated with the surface CRKs and cloud property histograms are well correlated with those calculated from surface radiative fluxes. The cloud-induced surface radiative anomalies reproduced by surface CRKs and MODIS cloud property histograms are not affected by spurious trends that appear in Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) surface irradiances products.     

地形云人工增雨条件卫星探测反演个例分析

选取2007年6月21日陕西白于山区地形云降水过程,用极轨卫星资料反演高空间分辨率的云微物理特征.对云降水物理结构分析表明:(1)山前云区(迎风坡)云顶亮温(T)为-31℃,粒子有效半径(Re)为9μm,含有丰富过冷水,缺乏冰晶;(2)T=-20℃的低云在有高云参与的情况下,产生了较多的降水;(3)山前云区面积约400...     

中国地区云光学厚度和云滴有效半径变化趋势

利用ISCCP最新的D2云气候资料集和MODIS云的资料,给出中国地区云的光学厚度和云滴有效半径的分布特征;分别对季节平均和年平均时间序列进行线性趋势分析,并进行了显著性检验。结果表明：夏季云的光学厚度和有效半径的变化趋势最显著。结合云量变化情况,可发现云滴有效半径的变化对云光学厚度的影响可能在夏季最大,也就是说,气溶胶的间接气候效应可能在夏季最强;云量、云光学厚度和云滴有效半径的变化也表明长江以南地区和青藏高原地区可能是气溶胶间接气候效应比较显著的地区。中国地区冰云光学厚度与有效直径的相关具有很强的区域特征,说明冰云的微物理机制比水云更复杂。