内蒙古中部地区一次典型层状云的云微物理结构特征分析

文章利用机载云粒子探测设备对2020年9月13日在内蒙古地区探测获得的一次云飞行个例资料,通过分析云内微物理结构特征发现飞机在爬升阶段和下降阶段云滴数浓度(N_c)和液水含量(LWC)存在明显的起伏,说明云系在垂直方向不均匀,同时发现云内的N_c与LWC的变化趋势较为一致,云滴有效半径(ED)最大值出现在4000～5000 m高度附近,显示在该高度区间为云滴尺度增长的主要部位;分析云滴谱发现,小粒子段谱线高于大粒子段,是由于云内主要为凝结增长过程,小云滴的增长速度远快于大云滴;同时由于云内上升气流作用,在3500 m以上存在LWC和ED随高度逐渐增大的趋势且存在峰值,因此云滴谱显示高层尺度较大的云滴多于低层;并且通过对云滴谱离散度(ε)的计算,讨论ε与N_c的关系发现,在N_c较高时ε出现整体收敛,并且随着LWC的增大,ε与N_c的负相关关系逐渐明显。     

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。     

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。     

大陆性积云不同发展阶段宏观和微观物理特性的飞机观测研究

2014年7月3日,山西省人工降雨防雹办公室在该省忻州地区开展了国内首次大陆性积云飞机穿云探测。本文利用机载云物理探测资料,分析研究了不同发展阶段的积云宏、微观物理特性,主要结论有:（1）初生发展阶段的积云水平尺度约为8.2 km×5.5 km（经向×纬向,下同）,云厚约2 km;云中以小云粒子为主,云滴凝结增长;水平方向上,云液水含量（LWC）和粒子浓度（N_c）的最大值均位于云体中心位置;垂直方向上,云水分布相对均匀,但随着高度增加,云粒子浓度变小,粒子尺度增大;粒子谱符合伽马分布,峰值量级为102 cm-3 μm-1,谱宽在100 μm以下。（2）成熟阶段的积云水平尺度约为4.6 km×10 km,云厚约4 km;云内可以观测到积冰和雨线;小云粒子浓度随高度增加起伏变化,3600 m、4100 m和4900 m高度处存在峰值;大云粒子浓度随高度先增加后减小,最大值出现云底以上1.6 km高度,云底以上1.3 km高度附近有降水粒子形成;粒子谱呈多峰分布,暖区符合伽马分布,冷区为伽马分布和M-P分布相结合,且随着高度的增加拓宽,4400 m高度以下的谱宽小于200 μm。（3）消散阶段积云尺度约为11 km×5.6 km,云厚约2 km,云下有降水粒子存在。     

Ka/Ku双波段云雷达反演空气垂直运动速度和雨滴谱方法研究及初步应用

在Ka波段云雷达上升级改造建成的Ka/Ku（Ka和Ku波段波长分别为8.9 mm和2.2 cm）双波段云雷达2019年用于华南云降水垂直结构观测,以改进云内动力和微物理参数探测能力。为了利用该双波段云雷达研究华南降水微物理和动力结构,本文提出了基于双波段云雷达回波强度谱密度（S_Z）数据和最优估计技术的云内空气垂直运动速度（V_air）、雨滴谱（DSD）、含水量（LWC）、雨强（R）的反演方法（DWSZ）,雨区衰减的订正方法。利用2019年在广东龙门观测的一次降水过程数据,对比分析了云雷达反演的微物理参数与雨滴谱直接观测量,并检验了云雷达反演的低层空气垂直运动速度,利用反演结果分析了一次混合云过程的V_air与这些微物理参数的垂直结构和相互关系。结果表明:Ka/Ku双波段云雷达合理反演了微降水微物理和动力参数及其垂直分布,经过衰减订正的Ka和Ku波段回波强度偏差明显减小。该双波段云雷达数据可以用于分析0～30 dBZ回波强度的云降水垂直结构。本次过程为混合云降水,对流单体前部存在明显的上升气流,后部存在下沉气流;从平均垂直结构来看:V_air和粒子平均直径（D_m）在2 km高度层到达最大,粒子数密度（N_w）、LWC和R在2 km以下明显增强,粒子直径却减小,水汽凝结过程、雨滴碰并云滴是本次过程的主要机制。这一工作验证了Ka和Ku波段组合的双波段云雷达的可行性,为Ka/Ku波段云雷达技术的推广,单波段云雷达反演算法进一步改进,云降水精细结构分析等提供了基础。     

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。     

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。     

广西南宁冬季层状暖云微物理特征的飞机观测分析

利用运十二飞机在2012年冬季广西南宁地区开展的12架次层状暖云微物理探测资料进行分析,统计和观测结果表明,层状暖云垂直方向分层显著。存在逆温是典型宏观特征,降水云基本都为多层逆温,逆温位置主要出现在云顶附近。云滴平均浓度为652±607个/cm3;无降水云比降水云云滴平均浓度略大,分别为678±348个/cm3和615±363个/cm3。平均液水含量为1.03±0.73 g/m3,其中降水云远大于无降水云,分别为1.3±0.9 g/m3和0.88±0.6 g/m3。平均有效直径为18.2±5.6 μm,降水云略大于无降水云,分别为19.4±5.0 μm和17.3±6.0 μm。垂直分布上,云滴数浓度在接近地面的下层云中最大,峰值区主要出现在云底,且随高度一般呈现递减趋势。云滴谱分布显示在6.5 μm出现次峰值。降水云中大云滴主要出现在接近地面的下层云中,而无降水云中几乎没有观测到大云滴。      

一次秋季暖云微物理结构探测试验

针对2008年10月24日四川盆地上空未形成降水的低层暖云,利用夏延ⅢA飞机搭载的PMS系列探头进行了探测试验,分析了云的微物理结构.分析结果表明:云体构成以小云滴为主,大云滴浓度较低,降水粒子很少.云中小云滴的液态含水量、数浓度、直径在水平方向上分布不均.小云滴的液态含水量和小云滴的体积平均直径正相关.相对云上部,云...     

华北地区一次气溶胶与浅积云微物理特性的飞机观测研究

2014年8月15日,山西省人工降雨防雹办公室在山西忻州开展了气溶胶和浅积云的飞机观测,本文利用机载云物理资料,详细分析了华北地区气溶胶、云凝结核（CCN）和浅积云微物理特性及其相互影响。主要结论有:（1）此次过程的边界层高度约为3600 m,不同层结情况下,0.1～3 μm尺度范围内的气溶胶粒子浓度N_a、有效直径D_a和CCN数浓度的垂直廓线明显不同,近地面N_a可达2500 cm?3。（2）CCN的主要来源为积聚模态、爱根模态或者核模态的气溶胶颗粒,0.2%过饱和度下,气溶胶活化率（AR）在各高度层的结果变化不大;0.4%过饱和度下,AR随着高度增加而降低。（3）后向轨迹模式分析表明,2 km以下的气溶胶主要来自于当地城市排放,由细颗粒污染物组成;2 km以上的气溶胶主要来源于中国西北和蒙古地区的沙漠,由亚微米沙尘组成,溶解度相对较低,可作为潜在的冰核。（4）本文细致分析了两块相邻浅积云（Cu-1和Cu-2）的云物理特性。Cu-1云底高度约4500 m,云厚约600 m,云体松散,夹卷较多;云中液态含水量（LWC）基本保持在0.5 g m?3,云粒子浓度N_c平均值为278.3 cm?3,云滴有效直径D_c整体在15 μm以内;毛毛雨滴粒子浓度最大值为0.002 cm?3,云中几乎无降水粒子;粒子谱宽随着高度增加而增大,主要集中在30 μm以内。Cu-2云底高度约3900 m,云厚约1200 m,云体密实;云中过冷水丰沛,LWC有多个超过1 g m?3的区域,云顶附近出现冰晶,云中粒子从凝结增长状态直接进入到混合相态;积云内部粒子水平分布不均,同一高度N_c相差较大,最大可达1240 cm?3。D_c随着高度增加而增大;粒子谱宽随着高度增加而拓展,最大可达1100 μm,谱型由单峰向多峰转变;降水粒子和冰晶图像大多为霰粒子、针状和板状。     

京津冀地区夏季降水冰云和非降水冰云云特征对比分析

利用2013～2016年的Aqua MODIS卫星和CloudSat卫星的二级产品资料,对发生在京津冀地区夏季的降水冰云和非降水冰云进行了统计。基于此,对比分析了两类冰云的云类型,研究了二者在云特征参数、云层数及垂直结构上的差异,并且探究了二者在不同通道下云特征参数的相对大小。结果表明:1）京津冀地区的降水冰云以深对流云和雨层云为主,分别占48.63%和34.65%,而非降水冰云以高层云和卷云为主,分别占55.62%和31.58%。2）降水冰云和非降水冰云的平均云顶温度、云顶高度、光学厚度、积分云水总量、有效粒子半径分别为230.99 K、10.90 km、53.26、937.98 g/m2、31.45m和236.17 K、10.10 km、12.81、209.00 g/m2、27.54 μm。3）降水冰云以单层云为主,占80.39%,双层云占18.75%;而非降水冰云仍以单层云为主,占85.35%,双层云则占14.38%,比降水冰云低。4）相较于非降水冰云,降水冰云中卷云和高积云云体位置较高,而高层云和深对流云位置较低。5）随高度变化,降水冰云冰水含量是双峰结构,而非降水冰云是单峰结构;二者的粒子数浓度则差异不大;非降水冰云的粒子有效半径在5～7.5 km随高度变化不大,而降水冰云则随高度减小。6）降水冰云的积分云水总量、光学厚度和粒子有效半径>≥模态[、、分别代表该云特征参数在1.6、2.1、3.7 μm通道中的数值,当n=1, 2, 3时,分别代表光学厚度（b₁）、积分云水总量（b₂）、有效半径这三种（b₃）]的比例都高于非降水冰云,而二者在云参数≥≥模态的比例则有差异。     

The Microphysical Characteristics of Wintertime Cold Clouds in North China

The microphysical characteristics of wintertime cold clouds in North China were investigated from 22 aircraft observation flights from 2014 to 2017, 2020, and 2021. The clouds were generated by mesoscale weather systems with little orographic component. Over the mixed-phase temperature range (–40°C to 0°C), the average fraction of liquid, mixed-phase, and ice cloud was 4.9%, 23.3%, and 71.8%, respectively, and the probability distribution of ice mass fraction was a half-U-shape, suggesting that ice cloud was the primary cloud type. The wintertime mixed-phase clouds in North China were characterized by large cloud droplet number concentration, small liquid water content (LWC), and small effective diameter of cloud droplets. The main reason for larger cloud droplet number concentration and smaller effective diameter of cloud droplets was the heavy pollution in winter in North China, while for smaller LWC was the lower temperature during flights and the difference in air mass type. With the temperature increasing, cloud droplet number concentration, LWC, and the size of ice particles increased, but ice number concentration and effective diameter of cloud droplets decreased, similar to other mid-latitude regions, indicating the similarity in the temperature dependence of cloud properties of mixed-phase clouds. The variation of the cloud properties and ice habit at different temperatures indicated the operation of the aggregation and riming processes, which were commonly present in the wintertime mixed-phase clouds. This study fills a gap in the aircraft observation of wintertime cold clouds in North China.     

华北中部夏季气溶胶和云分布特征

气溶胶与云的垂直分布特征是气溶胶间接气候效应关注的重点。基于2018年7—8月华北中部6架次飞机观测数据,研究气溶胶和云滴的垂直和水平分布特征。结果表明:华北中部780~5687 m高度内气溶胶数浓度( N_a )平均值为821.36 cm-3,最大量级可达到104 cm-3,云中气溶胶数浓度(N_acc)占总颗粒浓度的80%以上,表明细颗粒占大多数,气溶胶粒子算术平均直径( D_m )平均值为0.12~0.52 μm;大气层结对气溶胶垂直分布影响较大,逆温阻挡气溶胶垂直输送,高空(高度2000 m以上) D_m 的垂直分布受到相对湿度影响较大; N_a 和 D_m 在垂直方向波动较大,水平方向波动较小;低层云中云滴数浓度(N_c)较大、液态水含量(L)较小,而中层和高层云中N_c较小、L较大,N_c和云滴有效半径(R_e)的概率密度函数均为双峰型分布,L的概率密度函数为单峰型分布;气溶胶数浓度谱基本呈现多峰型分布,而云滴数浓度谱多呈现单峰型分布。     

有云泡结构的对流云中降水形成的研究

观测事实表明,对流云中分布着许多不同大小的云泡,本文根据这一事实讨论有云泡结构的对流云中降水粒子形成的问题。我们考虑在云泡中的含水量和垂直气流均比云泡外的云中的值大,因此这是一个含水量和垂直气流同时起伏条件下滴在云中随机生长的模式。 根据滴在云中碰併增长的公式,我们推得一个重要的关系:即对于任何滴同样的半径增量,通过云泡所需移动的距离要比在云泡外的云中所需移动的距离少,而这个距离的差值仅与云泡的特性有关,与滴的初始大小无关,因此滴在云中经过若干云泡的生长就由一个排列问题转变为组合问题,这就便于我们讨论摘随机穿过若干云泡的生长。 计算结果表明,有云泡结构的云中,比较薄的云就可以形成较大的水滴或冰雹,或者说降低了形成降水对云厚的要求。本文还计算了云泡特征量对降水形成的影响。     

二维粒子形状分类技术在云微物理特征分析中的应用

本文介绍了一种针对飞机粒子探测系统中云二维图像探头开发的二维粒子形状分类技术。该技术利用粒子形状几何参数特征把云粒子分为8种类型,分别为微小状、线形状、聚合状、霰状、球状、六角形状、不规则状和枝状。同时结合冰水质量关系,给出了探头液水含量和冰水含量的计算方法。最后应用该技术对2006年4月6日一次飞机探测获取的数据进行了云微物理结构分析,聚合状、霰状、六角形状、不规则状的总出现频率为78%,其中霰状粒子的出现频率随着温度的降低而增加。非降水云中的液水含量、液滴粒子浓度、冰晶浓度明显小于降水云,非降水云中液水含量的平均值为0.01 g m-3,冰水含量的平均值0.007 g m-3,冰晶粒子浓度的平均值为11.9 L-1。     

Retrieval of Liquid Water Path Inside Nonprecipitating Clouds Using TMI Measurements

Quantitative estimates of liquid water path （LWP） in clouds using satellite measurements are critical to understanding of cloud properties and the assessment of global climate change. In this paper, the relationship between microwave brightness temperature （TB） and LWP in the nonprecipitating clouds is studied by using satellite microwave measurements from the TRMM Microwave Imager （TMI） onboard the Tropical Rainfall Measuring Mission （TRMM）, together with a radiative transfer model for microwave radiance calculations. Radiative transfer modeling shows that the sensitivity is higher at both 37.0- and 85.5-GHz horizontal polarization channels for the LWP retrievals. Also, the differences between the retrieved values responding to TBs of various channels and the theoretical values are displayed by the model. Based upon above simulations, with taking into account the factor of resolution and retrieval bias for a single,channel, a nonprecipitating cloud LWP in the summer subtropical marine environment retrieval algorithm is formulated by the combination of the two TMI horizontal polarization channels, 37.0 and 85.5 GHz. Moreover,by using TMI measurements （1Bll）, this algorithm is applied to retrieving respectively LWPs for clear sky, nonprecipitating clouds, and typhoon precipitating clouds. In the clear sky case, the LWP cl~anges from -1 to 1 g m-2, and its mean value is about 10^-5 g m^-2. It indicates that, using this combination retrieval algorithm, there are no obvious systemic deviations when the LWP is low enough. The LWP values varying from 0 to 1000 g m^-2 in nonprecipitating clouds are reasonable, and its distribution pattern is very similar to the detected results in the visible channel of Visible and Infrared Scanner （VIRS） on the TRMM. In typhoon precipitating clouds, there is much more proportion of high LWP in the mature phase than the early stage. When surface rainfall rate is lower than 5 mm h^-1, the LWP increases with increasing rainfall rate.     

Adiabatic predictions and observations of cloud droplet spectral broadness

The evolution of cloud droplet size spectra is calculated using an adiabatic condensational growth model. Broadness (e.g., standard deviation of diameter) of cloud droplet spectra in adiabatic cloud parcels was determined to be critically dependent on cloud supersaturation. Although droplet spectra become narrower as growth continues, the rate of narrowing is slower when cloud supersaturation is lower. This actually leads to broader droplet spectra for more continental clouds or for weaker updrafts because both of these conditions are associated with lower cloud supersaturations. More continental type clouds, which have higher concentrations of smaller droplets, were indeed found to have larger dispersions (standard deviation of diameter/mean diameter of cloud droplets). Some of these results were consistent with observations, but the larger dispersions that were much more commonly observed for continental compared to maritime clouds were due almost exclusively to smaller droplets rather than broader droplet distributions. Contrary to the model calculations, typical observations show that cleaner clouds usually have broader droplet spectra. The gaps in magnitude between theory and observations of broadness are significant in all clouds. When cloud parcels that had ascended under different updraft conditions were compared at a constant cloud altitude, parcels with lower updrafts were predicted to have broader droplet spectra with larger mean diameters. This trend of apparent spectral broadening was consistent with observations for some near-adiabatic cloud parcels.     

南海中尺度大气海浪耦合模式及其对该区一次强台风过程的模拟研究

利用中尺度大气模式MM5(V3)和第3代海浪模式WWATCH建立考虑大气-海浪相互作用的风浪耦合模式.在耦合模式中引入考虑波浪影响的海表粗糙度参数化方案,大气模式分量提供海面10 m风场驱动海浪模式分量运行,并利用海浪模式分量反馈的波龄参数计算海表粗糙度.利用耦合模式模拟南海的一次台风过程,通过3组对比试验,检验耦合模式对台风过程的模拟效果并研究大气-海浪相互作用对台风过程的影响.结果表明:耦合模式能够较好地模拟南海的台风过程,与非耦合大气模式相比,其模拟的台风强度略有增强,路径变化不大;耦合模式对台风过程中海表热通量及降水影响显著,在台风充分发展过程中,耦合模式模拟的海表热通量增强,台风螺旋雨带上尤其是台风路径的右侧,耦合模式模拟的降水强于非耦合模式;耦合模式较好地模拟了台风过程海浪场的分布和演变,与非耦合模式相比,其模拟的海浪场增强,与实际更为接近;考虑了海表粗糙度对波浪的依赖关系后,海浪场同时影响海表的动力过程和热力过程,从本次个例看,在台风发展初期,海浪对海表动力作用影响显著,其反馈作用使台风系统减弱,但在台风充分发展后,耦合系统中海表热通量增加,热力作用显著增强,海浪的反馈作用有利于台风系统的发展和维持.