本底污染区域监测站降水化学的一些监测结果

根据世界气象组织倡议建立全球大气本底污染监测站网的我国浙江临安和北京古北口上甸子两个大气本底污染区域监测站,业已开展业务监测。降水化学是监测的内容之一,本文介绍监测的一些结果,并对其降水酸度及化学成分作了对比分析。     

华东地区大气本底污染的降水酸度及其化学组分的分析

本文对1984年6月—1986年12月期间监测到的大气本底污染资料中的降水部分进行了分析。结果表明,华东地区区域性大气本底污染日趋严重,降水酸度逐年增加,酸雨频率逐年增大。本文还分析了酸雨形成与风的关系。对比分析了梅雨和非梅雨、雷雨和非雷雨的降水酸度差异。对本区降水的化学组分分析表明,大气中氯离子对降水酸度的影响最大。     

郑州市酸雨变化特征及影响因素分析

通过对1992-2006年郑州酸雨观测站数据以及2001年4月-2006年12月郑州空气质量逐日数据进行统计分析,发现郑州市降水酸性呈现增强趋势,主要发生在秋、冬两个季节,频率在40%以上,冬季酸雨发生天数要多于秋季,降水酸度在秋末至12月较强。影响酸雨的主要因子为PM10、SO2与NO2浓度和降水量,PM10主要通过与酸性气体的化学反应来影响降水电导率K值,降水对大气中PM10的净化有较强的作用。连续性降水过程中降水pH值有减小趋势的占57.14%,主要在于降水对地面的湿润作用有效地阻止了来自地面的可溶性微粒进入大气中,不能足够吸收大气中酸性物质,致使酸性物质直接进入降水中造成降水持续酸化。     

一次碱性降水过程的个例分析

本文根据1983年4月28日至29日一次降水过程所监测的降水酸度资料,分析讨论了大气中颗粒物对降水酸度的影响,及碱性降水过程发生的天气条件。一、杭州市酸性降水概况杭州是长江以南地区经常发生酸雨的城市之一。从已测定的降水酸度结果表明:杭州一年四季任何时期都可以发生酸性降水,大部分酸性降水的pH值在4.1—5.1之间。pH     

地面降水诊断方程对降水过程的定量诊断

降水, 尤其是强降水 (暴雨), 对国家经济发展、 社会建设以及人民生活影响巨大, 然而由于同降水相关的物理过程非常复杂, 因此, 对降水的研究与预测十分困难。过去有关降水的研究大多关注水汽及水汽辐合 (输送) 的影响, 对与降水有关的水汽收支研究较多。Gao et al.(2005a) 率先将大气中水汽和云中水凝物 (云水、 雨水、 云冰、 雪及霰等) 的变化方程结合起来, 得到一个地面降水诊断方程, 从而可以将与降水有关的大气中水汽和云的演变过程在同一框架下定量地分析研究。本文利用一套21天长度的热带云分辨尺度模拟资料, 通过计算地面降水诊断方程中的局地水汽变化、 水汽辐合辐散率、 地面蒸发率以及云的变化率等各项, 分析了这些物理过程对降水的贡献, 指出局地水汽和云的变化率、 水汽辐合率, 地面蒸发率等均对地面降水有重要贡献。区域平均资料分析表明, 若水汽辐合与局地大气变干共存, 则产生强降水; 若存在水汽辐合但局地大气增湿或者存在水汽辐散但局地大气变干, 则引起中等强度降水; 若水汽辐散与局地大气增湿共存, 则造成弱降水。将降水划分成对流和层状降水进行分析发现, 对流降水率一般大于层状降水率, 水汽辐合是对流降水最主要的水汽源, 而局地大气变干则是层状降水最主要的水汽源。区域平均局地大气变干主要发生在降水性层状云区, 而最强的局地大气增湿则发生在对流云区和晴空区; 最强的局地云的消散发生在层状云区, 而最强的局地云的发展发生在对流云区。     

1991～2004年不同环流背景下南宁市降水化学成分变化特征的研究

利用1991～2004年广西南宁市降水化学成分资料，结合NCEP／NCAR再分析资料，分析了不同大气环流背景下南宁市降水化学成分的变化特征。结果表明，南宁市的酸雨属硫酸型，酸雨的形成与大气环流密切相关，影响南宁市酸雨的大气环流主要是高空槽锋面，其次是高压后部和热带气旋，受高空槽锋面特别是东路冷空气影响时，出现酸雨的频率最高，pH值最小，雨水中SO4^2-明显增多，热带气旋降水时，雨水酸度最轻，离子浓度甚至比高空槽锋面影响低2～3倍。     

云降水物理与人工影响天气研究进展(2008～2012年)

本文回顾和总结了近5年(2008～2012年)云降水物理与人工影响天气主要研究进展,并讨论了目前存在的主要问题和亟待解决的关键科学问题.内容涉及可分辨云数值模式及模拟研究、云降水的观测与遥感反演研究、气溶胶对云降水的影响及人工影响天气相关的数值模式、观测试验研究等.提高对云降水形成过程、时空结构与演变机理的深入认识,对揭示大气水循环、气候变化过程,提高天气精细化预报、大气云水资源开发利用及气象防灾减灾的能力,具有十分重要的作用.     

中国东部暖季对流云与层状云的比例及与降水的对应关系

基于1985~2011年逐时地面台站观测云资料,分析了对流云和层状云及其比例关系的时空演变特征,结合逐日融合降水资料研究了对流云、层状云与季风雨带的对应关系。结果表明,中国东部暖季（5~9月）对流云发生频率平均为15.4%,层状云为30.0%。对流云与层状云发生频率的比例在广东、广西、海南省东部和贵州省大部分地区大于1,其它地区均小于1。伴随季风雨带的北进南退,层状云发生频率和云量中心均与降水中心对应,且层状云云带与季风雨带位置吻合,随时间的演变趋势也相同,说明季风雨带主要由层状降水构成,对流云发生频率和云量大值中心则位于季风雨带南侧。对流云和层状云发生频率/云量的变化在华南地区和江淮流域呈显著负相关,云的类型主要由大气稳定度决定。对流云和层状云发生频率在华北地区呈显著正相关,水汽是形成云的决定因素。就降水频率而言,华南地区层状云降水和对流云降水各占一定的比例,而江淮流域和华北地区层状云降水频率更大。     

南京信息工程大学60年来在大气物理学领域的若干重要研究进展

着重对南京信息工程大学建校60年来在云雾理化特性及微结构、冰雹形成微物理机制、电线积冰机理、人工影响天气理论与实践、大气气溶胶的理化特性及其对云降水的影响、大气边界层物理以及雷电过程等大气物理学领域的几个主要方面所开展的科学研究工作做简要回顾。     

人工影响天气研究进展

1．人工影响天气关键技术及装备研发科技部“十一五”科技支撑项目“人工影响天气关键技术及装备研发”于2010年结束。项目瞄准环北京地区云降水结构和降水形成机理、大气水资源等问题进行研究,重点关注混合云和暖云的形成和人工增雨,新的催化播撒工具如无人驾驶飞机播撒。     

THE MICROPHYSICAL STRUCTURE OF SNOW CLOUDS AND THE GROWTH PROCESS OF SNOW PARTICLES IN WINTER IN XINJIANG

The microphysical structure of snow clouds and the growth process of snow crystals were observed by means of instrumented aircraft,weather radar,snow crystal observations etc.in Urumqi region during the winter of 1982.The analysis of three cases show that about 70% of snow mass growth is produced in the lower layer below 2000 m under the cold front,and that the concentration of ice crystals is as high as 60 L^-1 and the supercooled water is absent in lower clouds.We may infer that the deposition of ice crystals and the aggregation of snow crystals are important processes for the snow development.The microphysical structure of the snow band near the front aloft and its characteristics as a seeder cloud are also described in this paper.     

基于飞机真实轨迹的一次层状云催化的增雨效果及其作用机制的模拟研究

层状云降水效率通常较低,但却具有较高的云水资源开发潜力,是人工增雨作业的重要对象。随着中国南方地区生态改善、水库增蓄、抗旱等社会需求的增加,针对这些地区降水云系的人工增雨研究显得愈发重要。使用三维中尺度冷云催化模式,对2018年10月21日湖北省一次层状云飞机人工增雨作业过程进行了数值模拟研究,并将模拟结果与卫星、降水和机载云物理观测数据进行了对比。模式合理地模拟出了云和降水的主要宏、微观特征,观测和模拟结果均显示作业云区具有较好的冷云催化条件,在此基础上,按照实际作业中的飞机播撒轨迹,完整地模拟了此次催化作业过程。对数值模拟结果的分析表明:凝结冻结核化和凝华核化是碘化银催化剂的主要核化方式;90%以上碘化银粒子的局地活化比为0.01%—2%,平均活化比为0.07%—0.27%;云系降水是由冷云降水和暖云降水两种机制共同作用的结果,催化作业使两种降水机制均有增强,增雨效果明显;催化后4 h,整个评估区内的累计净增雨量为2.12×108 kg,局地增雨率为?51.1%—306.7%,区域平均增雨率为8.1%;催化作业也使部分地区出现减雨,主要是由于催化过程中的潜热释放引起过冷层动力场扰动,一部分云区的上升气流减弱,从而导致降水粒子的成长减弱,地面出现减雨;在过冷云区,碘化银核化使冰晶浓度升高,导致冰晶-雪、雪-霰的转化过程增强,雪、霰粒子总量增加,更多的雪、霰粒子从冷区落入暖区,在暖区上层产生更多的大雨滴,从而使暖区的云雨粒子碰并过程增强,最终地面降水增加,这是此次催化作业导致增雨的主要微物理链条。      

Impact of the Bergeron–Findeisen process on the release of aerosol particles during the evolution of cloud ice

The paper focuses on the redistribution of aerosol particles (APs) during the artificial nucleation and subsequent growth of ice crystals in a supercooled cloud. A significant number of the supercooled cloud droplets during icing periods (seeding agents: C₃H₈, CO₂) did not freeze as was presumed prior to the experiment but instead evaporated. The net mass flux of water vapour from the evaporating droplets to the nucleating ice crystals (Bergeron–Findeisen mechanism) led to the release of residual particles that simultaneously appeared in the interstitial phase. The strong decrease of the droplet residuals confirms the nucleation of ice particles on seeding germs without natural aerosol particles serving as ice nuclei. As the number of residual particles during the seedings did not drop to zero, other processes such as heterogeneous ice nucleation, spontaneous freezing, entrainment of supercooled droplets and diffusion to the created particle-free ice germs must have contributed to the experimental findings. During the icing periods, residual mass concentrations in the condensed phase dropped by a factor of 1.1–6.7, as compared to the unperturbed supercooled cloud. As the Bergeron–Findeisen process also occurs without artificial seeding in the atmosphere, this study demonstrated that the hydrometeors in mixed-phase clouds might be much cleaner than anticipated for the simple freezing process of supercooled droplets in tropospheric mid latitude clouds.     

毫米波测云雷达在降雪观测中的应用初步分析

本文利用毫米波云雷达联合称重式雨量计、气球探空和S波段天气雷达在北京对2015年11月三次降雪进行了观测,以2015年11月22~23日降雪过程为例,主要从降雪系统的宏观结构特征、微物理变化以及毫米波雷达在降雪探测中电磁波衰减情况、雪粒子含水量和地面降雪量估测几方面进行初步分析。结果表明:（1）毫米波云雷达具有高时空分辨率,能对降雪系统进行精细化探测,在降雪系统发展最旺盛的阶段能够通过反射率（Z）、退极化比（LDR）和径向速度（V）初步判断出云中是否含有过冷液滴;（2）降雪回波强度最大值能反映整层云系中含水量最大的区域,当最大值Z大于20 dBZ时,最大值的大小、最大值持续时间、最大值出现的高度与地面降水量成正相关,速度最大值表示云中粒子上升最大速度（速度为正时）或者粒子下落的最小速度（速度为负时）,主要分布在－0.5~2 m s?1,速度最小值表示粒子下落的最大速度,主要在－3~－1 m s?1;（3）随着高度增加反射率的垂直廓线会出现多个峰值,这是由于不同高度层风速分布不均造成的,降雪回波这种特点比降雨回波更明显;（4）对比Ka与S波段雷达反射率可知,两雷达反射率平均差值小于2.5 dBZ,Ka波段反射率略大S波段雷达反射率;（5）降雪量反演与地面降雪量仪数据对比,逐小时降雪量反演精度为20.38%,累计降雪量反演误差为6.58%,24小时累计降雪量绝对误差为1.9 mm,说明云雷达估算累计降雪量具有较高的可行性,能够很准确的反映地面实际降雪情况,当降雪系统发展旺盛时,雪粒子含水量分布在0.05~0.15 g m?3,在降雪初期或者降雪系统消散期,雪粒子含水量一般小于0.04 g m?3,能够很好地反映出整层降雪回波的雪粒子含水量。这些云雷达在降雪观测中的应用和初步分析结果可以更好的地了解降雪系统宏微观结构,为云模式的发展和人工影响天气中增雪潜力评估提供一些参考。     

Atmospheric observations of liquid water in cloud and of chemical species in aerosols and gases near the ground and in fallen snow at Svalbard, Arctic

Columnar observations of liquid water and of radar echo intensity in cloud were carried out, using a microwave radiometer and a vertically pointing radar respectively, in Ny-Ålesund, Svalbard. Chemical concentrations were also measured in aerosols, gases and snowfalls. Clouds with a large proportion of liquid water moved over the site after snow clouds, with a much lower liquid water content, had been present for about 16 h. The mass concentrations of most chemical species in snowfalls were lower from the first set of clouds than the second. The NO₃⁻ and SO₄²⁻ concentrations in gases and aerosols associated with the first set of clouds were higher than in the second set, but Cl⁻ concentration was less for the first set than the second.     

福建省古田试验区云系回波特征与人工增雨作业条件分析

利用2008—2012年4—6月古田试验区的新一代天气雷达、探空及地面雨量观测等资料,结合天气形势分析,研究古田试验区云系的回波特征与人工增雨作业条件,结果表明:影响古田试验区的主要天气系统分别为低涡切变、暖区辐合、高空槽和大陆高压。降水云系以积层混合云为主,其次为积状云。天气系统所对应的云系回波类型及降水情况有明显差异,积层混合云的结构有利降水;积层混合云大于25 d Bz的回波面积明显比积状云大,且平均回波顶高和最大回波顶高均比积状云低;积状云的垂直积分液态水含量明显比积层混合云大;积状云和积层混合云的负温层厚度超2 km;积层混合云的最大回波强度、大于25 d Bz的回波面积和负温层厚度与区域平均日雨量有着明显的对应关系。古田试验区积层混合云的作业指标为回波强度大于25 d Bz,大于25d Bz的回波面积S25 d Bz要大于400 km~2,回波顶高大于5.5 km,负温层厚度大于1.5km,垂直积分液态水含量大于1 kg/m~2。     

2008年1月南方一次冰冻天气中冻雨区的层结和云物理特征

2008年1月中下旬, 我国南方经历了四次历史罕见的冰冻雨雪天气。本文针对2008年1月25~29日的一次典型冻雨天气过程, 在实测资料、NCEP再分析资料综合分析的基础上, 利用中国气象科学研究院 (CAMS) 中尺度云分辨模式对1月28日~29日的冻雨天气过程进行了数值模拟, 研究了冰冻天气形成的大气层结及云系冻雨区云的宏微观结构特征, 初步分析了冻雨形成的云微物理过程及云物理成因。结果表明, 深厚而稳定的逆温层和低空冷层的存在是大范围冻雨出现的直接原因。此次南方冰冻过程中, 湖南和贵州两地冻雨形成的云物理机理不同, 不同冻雨区上空为两种不同类型的云, 对应两种不同的云微物理结构和大气层结结构。湖南冻雨区云层较厚, 云顶温度较低, 属于混合相云, 云中高层存在丰富的冰相粒子 (雪的比含水量最大)。湖南冻雨在 "冷—暖—冷" 层结下, 通过 "冰相融化过程" 形成, 即在锋面之上的对流层中层水汽辐合中心内形成的雪, 从高空落入暖层, 雪融化形成雨, 再下落到冷层后, 形成过冷雨滴, 最后接触到温度低于 0℃的物体或降落到地面上, 迅速冻结形成冻雨。而贵州冻雨区云层较薄, 云顶温度较高, 属于暖云, 中高层基本无冰相粒子, 低层为云水和雨水 (云水的比含水量最大)。贵州冻雨是在 "暖—冷" 层结下通过 "过冷暖雨过程" 形成的。即水汽沿锋面抬升, 在对流层中低层的水汽辐合中心内, 经过冷却凝结成云滴, 通过碰并云滴增长的雨滴下落到低空冷层, 形成的过冷却雨滴直接冻结形成冻雨。     

基于机载Ka波段云雷达和粒子测量系统同步观测的积层混合云对流泡特征

利用机载Ka波段云雷达（Airborne Ka-Band Precipitation Cloud Radar, KPR）和粒子测量系统（Droplet Measurement Technologies, DMT）,分析了2018年4月22日黄淮气旋背景系统下积层混合云中对流泡的动力和微物理特征。首先,对Ka波段云雷达观测的山东地区春季36个对流泡样本按照回波强度、水平尺度、回波顶高三个参量进行统计,结果表明平均回波强度为20～30 dBZ的对流泡占69%。对流泡水平尺度为15～30 km,占61%。对流泡最大回波顶高集中在6～8 km,比周边层云高2～4 km。之后,对4月22日积层混合云中的对流泡个例微物理参数进行统计,结果表明对流泡内部以上升气流为主,最大上升气流速度达到1.35 m s?1,平均上升气流速度为0.22 m s?1;对流泡内过冷水含量比较高,最大含水量为0.34 g m?3,平均含水量为0.15 g m?3。对流泡内冰晶数浓度是泡外的5.5倍,平均直径是泡外的1.7倍。结合云粒子图像探头,发现对流泡前沿和尾部冰粒子以柱状和辐枝状为主,而对流泡核心区域冰粒子以聚合体形式存在。冰粒子通过凇附过程和碰并过程增长,过冷水含量不足时冰粒子的凇附增长形成柱状粒子,含量充足时可迅速凇附成霰粒子。对流泡内降水形成的微物理机制不完全相同,主要依赖过冷水含量。当云中有充足的过冷水分布时,高层冰晶通过凇附增长形成霰粒子,通过融化层后形成降水;当云中缺少过冷水时,降水的形成主要通过水汽凝华过程形成冰雪晶,然后雪晶通过聚合过程实现增长。     

OBSERVATION ON CHEMICAL COMPOSITION OF SUPERCOOLED CLOUD AND SNOW

The rime ice samples of seven cold-cloud events,including the snow samples of two events,were col-lected at Huangshan Mountain Summit (1840m in elevation) in the January of 1986 and 1987.The resultsof analyses of the chemical composition of the rime ice and the falling snow for the events showed that thecloud water under the prevailing wind of SW,W and NW had a less pH than 5.6 while the snow and the localclouds had a larger pH than 7.0.SO_4~(2-) was the dominant ion that influenced the cold-cloud events.The ma-ximum value of pH and the minimum value of [SO_4~(2-)] appeared at the middle part of the cold-clouds.Compar-ed with the cold-cloud water,the snow had a characteristic of larger pH and lower ion concentrations.Thevariation of the ion concentrations in precipitation may be partially due to higher percentage of the solid pre-cipitation.     

A study of the microphysical processes in a numerically simulated heavy snowfall event in North China: the sensitivity of different snow intercept parameters

We performed a modeling study of the cloud processes in a heavy snowfall event occurring in North China on 20–22 December 2004. The nonhydrostatic Mesoscale Model (MM5) was used to carry out experiments with the Reisner-2 explicit microphysical parameterizations in four nested domains to test the sensitivity of simulated heavy snowfall to different snow intercept parameters. Results show that while the different intercept parameters do not significantly affect the accumulated snowfall amounts at the surface in either total amount or location, some microphysical characteristics of the modeled heavy snowfall event are impacted. The budget of cloud microphysics is analyzed to determine the dominant cloud processes. In the control experiment (CTL) with the snow intercept (N _os) specified as a function of temperature, the primary simulated hydrometeor is snow, and its mixing ratio is an order of magnitude larger than that of the other cloud species. Relative to CTL, the experiment with a fixed intercept (CON3E6) produced lower snow mixing ratios, more cloud water and graupel mixing ratios. Among the two experiments, while snowfall is slightly smaller in CON3E6, other processes like the rate of graupel fall, condensation and evaporation of cloud water, deposition and sublimation of graupel are all larger in CON3E6 than in CTL. Among CTL, CON3E6, and two more experiments (CON2E7: with a smaller fixed intercept; and NOSQS: N _os a function of snow mass mixing ratio), the budget shows that CON3E6 produces the smallest deposition and sublimation of snow, the largest deposition of cloud ice, and the largest conversion from cloud ice to snow.