台风眼壁及周围螺旋云带云属性垂直分布研究

选取2006—2010年间CloudSat监测到热带气旋中心的7个案例,利用CloudSat和其它A-Train卫星的反演数据,主要分析了台风眼壁及周围螺旋云带的云微物理属性的垂直分布并给出了初步的概念模型。结果表明,云中冰水分布在5 km以上高度。冰粒子等效半径随云高度增加呈减小趋势,大值区主要分布在5~10 km高度,7个热带气旋的最大值为171.7~226.6 μm;冰粒子数浓度随云高度增加呈增大趋势,大值区分布在13 km以上高度,7个热带气旋的最大值为550~2 148 个/l;冰水含量随云高度增加呈先增后减的趋势,大值区分布在8~15 km高度,7个热带气旋的最大值为986.0~4 009.0 mg/m3。云中液态水分布在0.5~9.0 km高度。液态水粒子等效半径大值区分布在3~9 km高度,7个热带气旋的最大值为19.1~29.4 μm;液态水粒子数浓度大值区分布在6 km以下高度,7个热带气旋的最大值为93~117 个/l;液态水含量大值区分布在5 km左右高度,7个热带气旋的最大值为659.0~2 029.0 mg/m3。台风或超强台风阶段,云体最大高度存在于台风眼壁,眼壁云高可达17~18 km;近地表降水率、冰水柱含量的高峰值大多存在于台风眼壁区域,其中眼壁区域的近地表降水率可超过20.0 mm/h,冰水柱含量可超过9.1 kg/m2。7个热带气旋的垂直降水率和液态水柱含量值分别小于11.3 mm/h和2.7 kg/m2。      

基于GPM卫星降水产品对1808号超强台风“玛利亚”降水结构的分析

利用GPM卫星探测两个时次的资料,以1808号超强台风"玛利亚"为研究对象,分析了台风降水率、降水类型及台风高度水平分布,降水率垂直廓线变化特征,以及降水率三维结构分布特征。得出以下主要结论:两个时刻"玛利亚"均处在超强台风级,A时刻台风眼区为深厚对流区,B时刻眼区对流有所减弱,但是有强螺旋雨带出现。A、B时刻的降水率最大值与风暴顶高度并非一一对应,还与降水云系中微物理过程有关。GMI低频18.7 GHz探测的水粒子含量的大值区与强降水率对应较好,高频183.31±3 GHz探测的冰粒子信号与风暴顶高度分布一致。不同降水率对应的垂直廓线表明,降水率在5 km高度出现急剧变化,这是由于在该高度上雨滴碰并增长或者蒸发减小。从A时刻到B时刻,云墙区大于10 mm·h~(-1)的云墙半径内缩,B时刻眼壁与螺旋雨带之间存在着弱降水区及无降水区。     

大西洋上四个爆发性气旋的云微物理参量垂直分布特征分析

利用 CloudSat卫星数据处理中心（Cloudsat Data Processing Center,CloudSat DPC）提供的CloudSat卫星数据、欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）提供的ERA5再分析资料和美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）提供的 Aqua卫星可见光云图,对冬春季发生在大西洋上四个爆发性气旋个例的云微物理参量垂直分布特征进行了分析。结果表明：爆发性气旋中心云系多为层积云或积云,中心外围云系以雨层云为主,雨层云外部往往伴随着相似高度的高层云,气旋冷锋云带内以雨层云、高层云和高积云为主,冰粒子出现的最低高度与0℃等温线高度几乎重合;冰粒子有效半径随高度的增加而减小,而冰粒子数浓度随高度増加而増大;冰水含量大值区主要位于雨层云中部;液态水主要分布在高层云和层积云底部,冬季爆发性气旋个例内的液态水含量大于春季。     

基于CloudSat资料的青藏高原地区云微物理特征分析

青藏高原云物理特征的认识对高原天气和气候的研究有重要意义。利用2006年6月—2011年4月的CloudSat卫星资料,分析了青藏高原地区云的总云水路径、液态水路径、冰水路径及雷达反射率的分布特征,并对高原与东亚降水云的垂直结构进行对比,得到如下结论:(1) 总云水路径的大值区分布在高原西南坡、东南部及高原中部低值区分布在昆仑山脉、祁连山脉及其以北地区;暖季大于冷季;(2) 高原南部及东部为液水路径大值区,以液相云为主;高原中部、北部及西部为冰水路径大值区,以冰相云为主;(3) 雷达反射率的垂直分布主要介于-27～17 dBz,集中在3～9 km;云粒子群随高度先增大后减小,在4 km高度的大小和浓度最大;暖季云高大于冷季,对流活动旺盛;(4) 高原与东亚降水云的结构不同,季节变化也与东亚有差别。(5) 雷达反射率在近地面层随纬度的增大减小,垂直方向的递减率是暖季小于冷季;(6) 冷季的高原上与周边相比为丰水区,南坡的冰水路径与低层雷达反射率大值区对应,表明南坡阻挡作用促进云中冰粒子的形成。      

利用多种卫星研究台风“艾云尼”宏微观结构特征

利用FY-2C静止卫星、TRMM卫星和Cloudsat卫星分析了台风"艾云尼"的发展演变过程以及台风眼区、外围雨带降水和云的宏、微观结构特征。结果表明,台风发展的不同阶段、不同位置及台风降水的垂直廓线具有不同特征,台风降水云系的5 km高度存在不连续的亮带结构并且亮带以上云系发展较为旺盛,台风云系中的冰水含量和冰粒子数浓度等微观物理参量分布特征对分析台风降水具有一定的帮助。多个卫星的共同观测可以为深入研究台风内部结构、发展演变及降水提供重要的观测实事。     

基于CloudSat卫星资料分析东太平洋台风的云、降水和热力结构特征

利用2006～2010年的CloudSat热带气旋过境数据集资料,依据风速大小划分为不同演变阶段,对各阶段内东太平洋台风的云、降水和热力结构进行综合分析。结果表明:雷达反射率在5 km高度上下的分布截然相反,沿径向回波强度和顶高不断减小。各类云沿径向和垂直方向的分布差异较大,而深对流云的垂直尺度和发生概率始终较大。有效粒子半径、分布宽度参数和冰水含量随高度减小而粒子数浓度却增大,沿径向各冰云参数以及降雨率都不断减小。各阶段降雨率总体上夏季大于秋季,沿纬向各季节在不同阶段的分布各异。内核区降雨率近似服从指数分布且对暖的海面温度SST较为敏感,其与雷达反射率的散点分布集中在三个区域内。内核区5～10 km高度存在暖核结构,其下方恰好对应湿心区,而10 km以上相对湿度距平较大值区对应台风顶部的卷云罩。各阶段4.5 km以上为对流性稳定层结而该高度以下的层结特性各异,此外假相当位温沿径向不断减小。     

应用CloudSat和Aqua卫星监测的暴雪过程中云的宏微观物理属性

采用CloudSat卫星资料2B-CLDCLASS及2B-CWC-RVOD数据集和Aqua卫星资料的CERES Aqua MODIS Edition 3A数据集,针对2010年12月2-4日北疆地区一次暴雪过程分析了云的类型分布、冰粒子等效半径、低层云等效高度等宏微观物理属性的垂直分布及空间分布情况。结果表明,此次暴雪过程中,云层分布在12km以下,云中冰粒子等效半径和冰水含量均随云层高度增加而减少,冰粒子数浓度在垂直高度上呈单峰分布,高值分布在云层中部5.5km处。北疆地区暴雪前和暴雪后基本为低层云云量小于40%的低值区,暴雪时则为大于60%的高值区,云等效高度暴雪前和暴雪后大多为小于6km值域区,暴雪时为大于6km的高值区。     

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。     

基于CloudSat卫星分析西太平洋台风云系的垂直结构及其微物理特征

基于2012—2014年CloudSat卫星数据,按照热带气旋强度分类的6个等级以及沿台风中心的径向距离,分析西太平洋台风云系的垂直结构及其微物理特征。研究表明:(1)不同强度的台风云系中均是单层云占主导,多层云中双层云出现比例最高;随着台风强度的增强,距离台风中心250km之内,单层云分布位置更加集中且垂直厚度较厚,而450km之外的单层云一直集中在7~15km,厚度较薄;随着台风强度的增强,距离台风中心250km之内的双层云中的底层云和顶层云均增厚且分布位置更加趋于集中,云间距变窄,而450km之外顶层云和底层云较薄,云间距一直较大。(2)台风云系中,深对流云、高层云、卷云与其他云类型相比,分布的垂直范围较广,出现频率较高,分布的位置会随着台风强度变化和沿台风中心径向距离的增加有明显的变化。(3)随着台风强度的增强,近台风中心5km以上的回波有明显增强,除此高值区外,发展较为成熟的台风,距台风中心450km之外也会出现多个明显的柱状回波高值区。(4)近台风中心液水含量的值和冰水含量的值随强度变化均有明显增加,但外围云系中也有分散的冰水含量高值中心但分布高度相对较低,在10km附近;液水粒子数浓度的高值区域与液水含量的高值区非常对应,而冰水含量的高值区位于冰粒子数浓度的高值区下方,表明小的冰粒子被较强的对流活动带到了高处,而大的冰粒子集中在云系较低处。     

利用TRMM卫星资料分析"桑美"台风云系特征

利用TRMM卫星测雨雷达、微波成像仪探测结果,结合天气图、FY-2c卫星云图、南昌多普勒雷达图,对"桑美"台风活动的大气环流、不同阶段云系特点,以及云中冰、水结构进行了分析.结果表明,"桑美"云系在洋面时有清晰的台风眼和云墙结构,螺旋云带范围较大,在云墙和螺旋云带处存在较强降水;临近登陆时螺旋云带和降水范围明显减小,但云墙处分布大量冰粒子和水粒子,云墙处对流极其强烈,中心区域强降水云系更为紧密;登陆后云墙结构消散,强度减弱."桑美"登陆后降水水平范围明显减小,且中心处的降水强度也要小于在洋面时,台风云顶高度明显小于在洋面时."桑美"登陆后在江西境内的对流降水样本比例和降水贡献率都远高于在洋面上,其中10～20 mm/h对流性降水贡献率达46.7%,导致江西局部产生大暴雨.     

热带测雨卫星综合探测结果之"云娜"台风降水云与非降水云特征

为了解降水云与非降水云相应的微波信号、云水、雨水及潜热特征,文中利用热带测雨卫星搭载的测雨雷达、微波成像仪及红外辐射计探测的匹配融合结果,就2004年8月“云娜”台风进行了个例分析研究。结果表明:“云娜”台风过程中深厚降水云占79%,中云和低云降水仅分别占10.6%和10.4%;非降水低云所占比例最大(45.5%),高云其次(34.1%)。降水云中大粒子居多,非降水云粒子有效半径分布宽。深厚降水云中冰、水含量成正比;中等厚度降水云中的冰含量相对稳定,但液态水含量变化大;深厚和中等厚度非降水云中的冰、水含量皆成反比。对降水率、气柱潜热、气柱云水和云冰沿台风径向分布的分析结果发现,台风生成前的低压中心附近降水率和气柱总潜热比随后时次均大,表明降水释放潜热对“云娜”台风的形成起到了非常重要的作用;在台风形成后,降水率和气柱总潜热自台风云墙向外减小;随着台风的成熟,降水率和气柱总潜热沿台风径向分布趋于稳定。潜热廓线分析表明,深厚降水云潜热释放在对流层中上部(3 km以上),最大潜热高度约4.5 km。对降水云和非降水云的冰、水含量平均垂直廓线分析表明,深厚和中等厚度的降水云中水粒子含量具有相似的平均廓线,最大值(约0.03 g/m3)位于4—5 km高度,降水低云中的水粒子含量最大值(约0.07 g/m3)位于4 km高度;对于非降水云,3种不同高度的潜热廓线、水和冰粒子含量廓线相似,反映了TRMM反演算法对这些参数的反演仍存在缺陷。     

基于星载云雷达资料的东亚大陆云垂直结构特征分析

利用近5年(2006年6月—2011年4月)的Cloudsat卫星资料分析了东亚大陆云垂直结构特征。结果表明:(1)降水(文中可降水是根据观测到的可降水粒子信息计算到达地面的降水,并不是指地面观测到的实际降水)云和非降水云的雷达反射率(回波)垂直分布存在一定差异,除降水云反射率通常接地外,降水云主要集中在8 km以下,反射率通常为-20—15dBz,非降水云主要集中在4—12 km,反射率为-28—0 dBz;降水云雷达反射率频数大值中心在2 4 km,对应的雷达反射率为0—10 dBz,而非降水云出现在8—10 km,且对应的雷达反射率为-26—-24 dBz;(2)从雷达反射率廓线来看,降水云中雷达反射率随高度的变化先增强后减弱,而非降水云几乎不变;(3)液态降水云、固态降水云和毛毛雨降水云反射率的垂直分布明显不同;(4)液态降水云自11至7 km雷达反射率迅速增强,表明此高度是粒子快速增长的优势空间;(5)固态降水云中-15℃温度频数分布与雷达反射率频数大值中心有很好的对应关系,表明在-15℃附近的条件下冰相粒子凝华-碰冻是粒子增长的优势过程;(6)云的垂直结构随着季节变更而变化,降水云春季、夏季和秋季的雷达反射率垂直分布变化不明显,而冬季主要在低层;固态降水云的垂直分布频数大值中心从春季至冬季呈"双-单"中心交替变化,且与云中-15℃频数分布变化一致;非降水云雷达反射率垂直分布没有明显的季节变化;(7)深对流云和雨层云是形成降水粒子的主要云型。     

台风螺旋雨带云结构和降水形成机制研究

应用数值模式结果,选择台风登陆后两个不同时次螺旋雨带中两个强降水中心,对台风螺旋雨带的云结构和降水形成机制进行诊断分析.结果发现螺旋雨带云结构和降水形成机制有如下特点:在9～13 km高空范围内冰晶的非均质核化非常活跃,冰晶转化率高于台风眼壁暴雨数倍,但是冰晶通过贝吉龙过程生长为雪、雪通过凝华增长生长为霰的过程相对台风眼壁很弱,螺旋雨带雨水形成微物理机制以霰粒子融化成雨水(pgmlt)为主,冰相粒子转化率大值区位于垂直上升气流大值区,8 km高度霰收集雪(dgacs)干增长是最主要的冰相粒子生长过程,与北方层状云比较,螺旋雨带暴雨冷云中的凝华过程和撞冻过程非常活跃.螺旋雨带云水凝结过程呈双峰型,位于7～8 km高度冷云区的云水凝结峰值较大,暖云区0.5～1.5 km高度云水凝结峰值次之.     

基于多源数据的“利奇马”台风大气环流、云及降水特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料、FY-4A静止卫星资料对“利奇马”生命过程的大气环流特征、云宏观特征进行了分析。针对“利奇马”超强台风期间的一次降水过程,利用GPM卫星的双频降水雷达(Dual-frequency Precipitation Radar,DPR)资料对其进行了宏微观特征分析。结果表明:在“利奇马”生命过程中,西太平洋副热带高压、40°N以北的高空槽脊、(35°N,80°E)的高压以及“罗莎”台风对“利奇马”的发展、移动均产生了重要的影响;其云系分布先后表现为螺旋状、逗点状、中心对称结构以及不规则形状,其南北两侧的云区范围、云顶高度也不断变化;在“利奇马”超强台风期间的一次降水过程中,近地表降水率大致呈环状分布,降水粒子浓度以及降水粒子半径的南北分布与东西分布相差较大,除了云墙降水为对流降水外,其他部分的降水以层云降水为主,层云降水对应的雨顶高度在4.5~12 km,主要集中在5.5~10 km;对流降水对应的雨顶高度在1~12 km,主要集中在2~5 km和6~11 km。     

一次基于飞机观测的低槽冷锋云系微物理结构的综合分析

针对2012年9月25日山西一次低槽冷锋层状云,组织有设计的飞机观测,通过斜飞、螺旋、分层探测等方式,实现对云微结构的精细观测,同时结合卫星、雷达、探空等资料进行该云系的综合分析。结果显示:1)本系统为冷暖混合层状云系,云中无明显夹层,云系宏、微观结构均匀、稳定,地面有明显降水。2)冷云区多为固态冰相粒子,以凝华增长为主,过冷水欠缺;小云粒子谱呈指数分布,大云粒子谱呈双峰分布,降水粒子谱呈三峰分布;云中相同高度的不同位置上,粒子谱型、浓度基本一致。3)暖云区大云粒子和降水粒子的谱宽较冷云区变窄,谱型由多峰变为单峰。随高度下降,降水粒子有效直径变大、浓度变小,其垂直分布同雷达回波的垂直剖面相吻合。4)地面降水主要是由冰相粒子增长造成,本次过程冰相粒子充分、过冷水缺乏,因此该层状云引晶催化的潜力较小。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 I: 观测分析

利用机载云粒子测量系统等仪器对2003年7月8日冷涡云系的积层混合云探测的资料,分析冷涡云系中的微物理结构、微物理过程和降水形成机制.结果表明:在4km以上高度,2-DC粒子浓度随高度快速增加,而粒子平均直径逐渐减小,粒子在下落过程中获得了增长.积层混合云中对流云在垂直方向上出现明显的分层的微物理结构:4.6km以上高度只存在针状冰晶;4.5～3.5 km高度,存在过冷水和冰相粒子.过冷水含量较高,冰相粒子除针状冰晶外,还有少量冰雪晶聚合体或霰粒子,其中在紧靠0℃层之上的3.5km高度,主要存在冰雪晶聚合体或霰粒子.在紧靠0℃层之下,粒子为椭球形,还有一些未完全融化的冰晶,再降低200 m高度,粒子完全是球形,这里完全是雨滴.降水粒子主要是雨水.云系液态水含量十分丰富,过冷水含量最大值可达3.3 g/m3,云体上部也达到2.0 g/m3.云垂直方向上微物理结构分析表明,云中冰晶除了通过冰核核化形成外,可能还存在冰晶的繁生过程.冰晶产生后通过聚并进一步长大,撞冻过冷水也是冰雪晶增长的方式之一.在云的暖区降水粒子为雨滴,其中至少有一部分是由冰相粒子(冰晶聚合体或霰粒子)融化形成.因此冷云过程参与了降水形成过程.     

云特征参数与降水相关性的研究

利用FY2C卫星和探空反演得到的云结构特征参数,结合地面降水,研究了云顶高度、光学厚度、云粒子有效半径和云厚度等云结构参数与降水的关系,并分类研究了层状云和对流云在不同降水强度情况下,云参数的频数分布规律及其与降水的关系。结果表明：通常云厚大于5km、云底较低、云粒子有效半径较大时,地面易出现降水,若云顶高于10km、云光学厚度大于20且云中无夹层或夹层稀薄时,地面雨强多大于1mm/h;对于层状云降水,当云光学厚度大于17时,地面出现降水的概率较大,随光学厚度值增加,地面雨强呈增大趋势;对于对流云降水,云顶高度和光学厚度相关性较好,云光学厚度大于17且云顶高于7km时,地面出现降水的概率较大,当光学厚度大于20时,地面雨强明显增大;层状云和对流云的降水概率均随云顶高度和光学厚度的增加而增大,降水概率与云光学厚度的相关性更为密切,光学厚度小于10的云很难产生降水,而云光学厚度大于20时,层状云和对流云的降水概率都会显著增加;综合云体的高度、厚度和云光学厚度等云参量的组合特征,对分析判断地面降水落区和降水强度更加有效。     

9914号台风降水云系雨强的三维结构初探

利用TRMM卫星的测雨雷达资料，研究了9914号台风降水云系在3个不同时次雨强的水平和垂直结构。结果表明：3个时次层状云降水在像素数量上及对总降水量的贡献上均比对流性降水大；3个时次层状云降水和对流性降水的平均雨强均随台风强度加强有较大的增幅；对流性降水与层状云降水的雨强的垂直廓线有明显的差别，但两类降水廓线本身在3个时次差别不大。对流性降水廓线按斜率不同大致分为3段，雨强均随高度减小，5～6km高度段减速最快。层状云降水廓线大致分为4段，在4．5km高度附近出现明显的亮带结构。     

高原涡与西南涡相互作用引发暴雨过程及云系特征分析

使用中国新一代FY-4A卫星、GPM卫星的降水雷达等多源观测数据,选择两次高原涡与西南涡相互作用的暴雨个例,分析了两涡作用下盆地中尺度降水云系的空间结构特征。结果表明:西南涡与高原涡耦合作用下产生中尺度对流复合体MCC云系,短时强降水主要发生在MCC发展至成熟阶段,强降水区的云顶亮温值低于-60℃,云顶高度在12 km左右;西南涡与高原涡相互作用时,云顶亮温低值区的中心位置和强度与同时刻强降水特征很好对应;降水云体中对流性降水粒子的反射率因子在低层快速增长,层云性降水粒子的反射率因子强度增长的区域为零度亮带层附近;对流性降水雨强远大于层云,其粒子半径也大于层云降水,而对流性降水粒子的浓度高于或等于后者;层云对总降水量的贡献大于对流云,且层云降水量表现出大小均匀的粒子积聚的结果;对流性降水率垂直分布柱状明显且有云墙,层云性降水率垂直分布呈不规则柱状且没有显著的云墙,降水率均随海拔高度的升高而减小,5 km以下对流层对总降水量的贡献最大。     

用PR资料分析热带气旋卡特里娜降水特征

利用TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) 卫星降水雷达 (Precipitation Radar,PR) 资料对2005年8月发生在墨西哥湾的热带气旋卡特里娜 (Katrina) 初生、发展和变性3个阶段的层状云和对流云的近地面降水和降水垂直廓线进行分析。结果表明:在热带气旋的整个生命期,对流性降水个数约是层状云降水个数的四分之一;随着气旋的发展,对流性和层状云降水的平均强度逐渐增强, 在登陆前有所减弱,登陆后对流性降水和总平均降水均增强,层状云降水稍有减弱;大部分降水廓线都随高度升高均呈现先略增大 (到4 km高度)、再减小的趋势,在6~7 km处由于冻结层的存在使得降水达到最小值。