辽宁层状云微物理结构的水平变化特征

根据1997年在辽宁利用机载粒子测量系统（PMS）获取的探测资料,探讨了层状云中云滴谱、粒子数浓度在水平方向上的分布变化,并分析了温度、粒子含水量在水平方向上的变化特征。研究表明：云滴数浓度和云滴半径在水平方向上存在着较强的起伏性变化;层状云中温度在水平方向上总体变化不大;云中的云滴谱结构在水平方向上的起伏较大,存在3种变化规律;云中含水量在水平方向上的变化大,且与粒子数浓度存在正相关。     

奥运开幕日北京周边云系宏微观结构飞行探测研究

利用2008年8月8日下午机载PMS资料,详细分析了当天北京周边地区云系的宏微观结构。结果表明:北京周边的水汽、热力和动力条件都十分适合局地对流发展;层积云发展初期以小云滴为主,云顶对流泡较多,云水含量较大;高积云中小云滴粒子数浓度、有效直径和过冷水含量在水平方向上分布不均,过冷水含量主要由较大尺度云滴贡献;云内冰雪晶粒子主要对云中较大尺度过冷云滴产生了消耗;云中存在冰雪晶聚合体和较多冰晶粒子、霰粒子以及过冷云滴;云中不同部位其粒子浓度和组成有较大差异。     

山西省层状云微物理结构探测分析

针对山西省2009年6月18～19日的一次降水过程,利用机载DMT探测资料、Micaps常规天气资料和卫星云图等资料分析了这次降水的宏微观特征.结果表明:这次降水是锋面云系产生的,18日山西省处于冷锋锋前,19日为冷锋锋后;锋前云底较低,云层较厚,有夹层存在,云中上升气流很强,云滴数浓度最大为280 cm3、平均直径最大为15 μm、含水量最大值为0.35 g/m3,云滴谱呈双峰或多锋型;锋后云底较高,云层较薄,云滴数浓度最大值为170 cm-3、平均直径最大为10 μm、含水量最大值为0.05 g/m3,云滴谱呈双峰或多锋型;层状云在垂直方向和水平方向均存在不均匀性;垂直方向含水量变化与云滴尺度变化较为一致,水平方向含水量增加主要因为大云滴数密度的增加;T分布拟合云滴谱结果接近实际分布.     

吉林地区一次积层混合云宏微观结构特征观测分析

根据吉林100个加密中尺度地面雨量观测系统、雷达和飞机PMS获得的综合观测资料对2005年6月20日一次积层混合云天气系统进行了分析,结果表明:一是本次东北气旋的发展是由来自贝加尔湖的正涡度平流与东北地区高有效位能的叠加形成的;此次过程的雨量时空分布很不均匀,存在很多小尺度雨量中心,与雷达强回波中心相一致。二是通过飞机PMS探测发现,云滴的平均数浓度与过去我省层状云探测结果接近,但冰晶和雪晶的数浓度明显高于过去的探测结果。三是在云的中上部冷层,云中液态含水量和FSSP-100探测的云滴数浓度有较好的正相关,说明云中液水含量主要由过冷液态云滴浓度决定;云中液态含水量与冰晶浓度呈反相关,表明云中微物理过程是冰水转化过程。四是云中微物理量在水平和垂直方向都存在一定的起伏变化,具有明显的空间分布不均匀性。     

辽宁地区大气气溶胶粒子的垂直分布特征

详细分析了１９９６、１９９７年春末夏初在辽宁省进行的大气气深胶飞机观测的０～５ｋｍ气深胶粒子数深度和尺度谱分布的垂直、水平变化,初步讨论了它们与温度和相对温度的关系。结果表明,混合层顶上下粒子数深度具有不同的垂直分布特征;粒子谱受不同形成机制影响,表现为多峰分布;水平方向上气溶胶粒子数浓度存在显著变化;温度层结和相对温度对气溶胶粒子的浓度和谱分布有明显影响。     

华东地区夏季云微物理结构的飞机观测分析

利用飞机搭载云粒子探头对2014年8月12-28日华东地区云的空间分布特征进行了探测,分析了云的垂直结构和水平分布特征,结合同时探测的气溶胶数据,探讨了云与气溶胶的相互作用关系。探测结果表明,安徽地区层状云云滴平均数浓度在24~297 cm^-3,液态含水量在0.04~0.13 g·m^-3,云滴数浓度随云底高度升高而减小,云滴粒径则随云底升高而增大。层积云(Sc)和雨层云(Ns)的云滴数浓度在云底最高,随高度上升浓度下降,液态含水量在云中部最高,云顶和云底处较低,高层云(As)云滴数浓度和液态含水量峰值均出现在云中上部。云的水平分布不均匀,云粒子双峰分布区域对应液态含水量高值区。Ns对气溶胶清除作用明显,清除方式以活化清除为主、碰并清除为辅。     

一次降水性积层混合云系的微物理特征分析

利用山东省2007年10月27日1架次机载粒子测量系统（Particles Measuring System,PMS）积层混合云探测资料,分析了云中粒子浓度和尺度、液态含水量,以及小云滴和大云滴谱的垂直分布特征,比较了催化前后云微物理特征的变化。结果表明,催化前,云层中小云滴谱型为单峰,谱宽随高度增加先变窄后变宽,大云滴谱型在云低层为单峰,中高层为双峰谱,谱宽随高度增加先变宽后变窄,并且没有探测到降水粒子。催化后,小云滴尺度在低层减小、高层增加,整层液态水含量减小;大云滴浓度增加,尺度增大,出现降水粒子,固态粒子类型增多。在3 700~4 000 m高度层内小于10μm粒子明显增加,说明凝结过程比较明显,并且10~27.5μm粒子开始出现,启动了云滴的碰并机制。小云滴谱变化较小,基本为单峰谱,但在较大云滴处谱型略有起伏,在3 000m和3 300m高度的谱宽增宽。大云滴粒子谱有较大的变化,低层变成双峰谱,谱宽最宽可达650μm,中高层为双峰或多峰,峰值从小值向较大值移动。2D-P探头在催化云高层探测到降水粒子,谱型呈单调下降形态,谱宽最大为600μm。     

起伏条件下云雾的重力碰并生长

云雾中的气象要素和云雾物理量经常有着起伏,因此研究重力碰并在这种起伏条件下如何使云滴生长,从而形成滴谱,是很必要的。本文对云中小水滴浓度(或含水量)有起伏时的云雾滴生长进行了计算,得到了云滴的一种理论分布。由此可以看出,在起伏条件下,云滴生长是比较快的。在比较短的时间和比较薄的云中有可能形成相当大的云滴,即半径50μ乃至100μ以上的云滴。因此在均匀条件下,凝结生长和重力碰并增长中的所谓“生长障碍”区(云滴半径在20—30μ左右)也就不存在。     

河北秋季气溶胶粒子垂直分布的飞机探测分析

根据2013年10月13、14日共4个架次机载气溶胶探测资料及宏观天气资料,分析了飞机爬升阶段河北地区气溶胶数浓度、平均直径在降水前后的垂直变化特征,研究了不同高度的粒子谱特征,并且尝试对一次典型层状云过程中云内、云底的气溶胶粒子谱进行了拟合。结果表明:1)降水前和降水过程中粒子平均浓度变化不大,降水结束后,粒子浓度显著减小。2)气溶胶粒子浓度、平均直径受云和逆温的影响十分明显。存在逆温时,逆温层附近气溶胶粒子浓度显著增大,粒子浓度曲线与逆温层温度曲线一致;无逆温层时,粒子数浓度随高度呈负指数递减。低空的气溶胶粒子大小受逆温层影响较小,高空的粒子大小变化幅度较大,且多呈单峰或多峰分布。3)对爬升阶段每500 m进行平均,得到不同高度的粒子谱基本呈单峰或双峰分布,单峰分布峰值在细粒子端,双峰分布则在粗、细粒子端各有一峰值。4)此次观测得到的层状云内气溶胶粒子数浓度曲线用负指数函数拟合效果更好,层状云云底和云中拟合谱中参数λ变化可以忽略,参数A值变化较大。     

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...     

伊宁春季层状云和混合云降水的雨滴谱统计特征分析

利用设在伊宁的激光雨滴谱仪获取的2013年4月的降水资料,对层状云和混合云降水粒子谱的微物理参量平均值和Gamma函数拟合结果以及Z-I关系进行对比分析。计算结果表明,伊宁地区春季降水的微物理参量普遍偏小,小滴对降水浓度的贡献达到92%以上,即降水主要以小滴为主。层状云降水的雨强、雨滴数浓度、雨滴的各类微物理特征参量的平均值均大于混合云降水。函数拟合结果表明,混合云降水的雨滴谱宽大于层状云降水的雨滴谱宽,层状云和混合云降水的雨滴谱都比较符合Gamma分布,在小滴段Gamma分布对实际谱都有一定的低估,在大于1 mm的粒径段,拟合结果有一定的偏差。还讨论了雨滴大小因子Λ和形状因子μ之间的关系以及Z-I关系,Λ-μ关系与粒子尺度有关,根据拟合的二项式得到层状云降水粒子的平均直径大于混合云降水的平均直径。     

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。     

三江源隆宝高寒湿地不同云系降水雨滴谱特征

利用2019年5～10月布设于三江源地区隆宝高寒湿地的激光雨滴谱仪观测资料,分析高原山区夏秋季层状云降水和对流云降水雨滴微物理特征、平均雨滴谱分布、下落速度及Z-R关系.结果表明:三江源隆宝地区夏秋季对流云降水和层状云降水的雨滴微物理特征具有一定程度的相似性,对流云降水雨滴微物理参量略大于层状云降水;层状云降水和对流云...     

Two-moment bulk stratiform cloud microphysics in the grid-point atmospheric model of IAP LASG (GAMIL)

A two-moment bulk stratiform microphysics scheme, including recently developed physically-based droplet activation/ice nucleation parameterizations has been implemented into the Grid-point Atmospheric Model of IAP LASG (GAMIL) as an effort to enhance the model’s capability to simulate aerosol indirect effects. Unlike the previous one-moment cloud microphysics scheme, the new scheme produces a reasonable representation of cloud particle size and number concentration. This scheme captures the observed spatial variations in cloud droplet number concentrations. Simulated ice crystal number concentrations in cirrus clouds qualitatively agree with in situ observations. The longwave and shortwave cloud forcings are in better agreement with observations. Sensitivity tests show that the column cloud droplet number concentrations calculated from two different droplet activation parameterizations are similar. However, ice crystal number concentration in mixed-phased clouds is sensitive to different heterogeneous ice nucleation formulations. The simulation with high ice crystal number concentration in mixed-phase clouds has less liquid water path and weaker cloud forcing. Furthermore, ice crystal number concentration in cirrus clouds is sensitive to different ice nucleation parameterizations. Sensitivity tests also suggest that the impact of pre-existing ice crystals on homogeneous freezing in old clouds should be taken into account.     

基于航测的云底气溶胶活化率与过饱和度估算

2016年11月13日在北京地区上空存在持续稳定的层状云天气背景下,利用飞机开展气溶胶粒径谱、化学组成、云滴谱等参量的垂直观测,研究该个例云底气溶胶的活化能力。结果表明:探测期间北京地区为轻度污染天气,地面气溶胶浓度(0.11~3 μm)达到4600 cm-3。云层高度为800~1200 m,云底气溶胶数浓度相对于近地面大幅度降低,有效粒径显著增大(0.3~0.6 μm)。同时,近地面气溶胶中疏水性的一次有机气溶胶贡献显著,而云底气溶胶中一次有机气溶胶的贡献大幅降低,无机组分和二次有机气溶胶的贡献明显增大,造成吸湿性参数κ由0.25(地面)增大至0.32(云底)。云中气溶胶和云滴的谱分布衔接较好,且两者的数浓度之和与云底气溶胶浓度一致,可分别代表未活化和已活化的粒子。基于云底气溶胶粒径谱和吸湿性参数计算得到不同过饱和比下云凝结核的活化率,通过与云中观测结果对比,反推得到云底过饱和度约为0.048%。     

三参数云微物理方案中气溶胶谱函数对云滴谱影响的数值模拟研究

观测和分档方案的数值模拟都证明气溶胶的谱分布特征对云滴谱的演变有直接影响继而作用于降水的发展。目前广泛使用的总体双参数云滴谱方案因为表征云滴谱的预报量不足,在凝结过程中云滴谱呈不正常的拓宽现象。因此在参数化方案中,气溶胶谱对云滴谱的影响未有明确结论。中科学院大气物理研究所(IAP)云降水物理与强风暴重点实验室(LACS)新研发的三参数方案(IAP-LACS)通过增加的预报量克服了云滴谱的拓宽问题,提高了云滴谱模拟的准确性。为了研究在参数化方案中气溶胶谱分布特征对云滴谱的影响,本文采用新方案进行WRF(Weather Research and Forecasting mode)大涡理想性试验,验证了新方案中气溶胶对数正态谱函数中数浓度、几何半径和标准差3个参量对云滴谱演变的影响。针对3个参量的敏感性试验表明新的气溶胶活化方案和三参数云滴凝结增长方案能够描述气溶胶谱对云滴谱演变的影响规律:气溶胶数浓度对云滴谱影响最显著,数浓度越高活化生成的云滴数量越多,云滴半径越小,云滴谱趋向窄谱,气溶胶数浓度低时,云滴数量少、半径大。较大的几何半径使气溶胶谱向大粒径移动,导致大云滴生成,标准差对云滴谱的影响最不显著。     

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。     

云粒子的破碎对积层混合云微物理参量测量的影响

由层状云和镶嵌在层状云中的对流单体组成的积层混合云系是一种重要的降水系统,为研究云粒子破碎对积层混合云系中对流较强区域和层云区域中的云微物理参量测量影响的差异,本文提出了一个时变阈值的破碎粒子识别方法,并利用该方法研究了破碎云粒子在层云区域与对流区域对云微物理参量测量影响的异同。经研究发现破碎粒子对粒子谱影响在小粒径端（500 μm以下）和大粒径（1000 μm以上）两端都存在,其中在层云区,破碎粒子在小粒径端的主要影响位于300 μm以下,而在对流云区,主要影响的小粒径段位于500 μm以下。就整体平均而言,破碎粒子对对流云区粒子谱的影响要比对层云区的影响高出20%以上。在粒子数浓度测量上,破碎粒子对整个层云区粒子数浓度影响的平均值是4.56倍,对整个对流云区粒子数浓度影响的平均值是8.47。与层云区相比,破碎云粒子对对流云区的粒子数浓度影响更大,其影响程度就平均而言接近2倍的关系。在冰水含量测量上,破碎粒子对整个层云区冰水含量测量影响的平均值是1.34倍,对整个对流云区冰水含量测量影响的平均值是1.74倍。与层云区相比,破碎云粒子对对流云区的冰水含量测量影响大约增加了30%。     

Microphysical characteristics of precipitating cumulus cloud based on airborne Ka-band cloud radar and droplet measurements

在积云中,大多数云粒子的直径在7到10微米之间,而在层云中,大多数云粒子的直径不超过2微米.云滴有效半径与云中行星边界层(PBL)及PBL上层的气溶胶数浓度(Na)呈负相关.在1500米以上的高液态水含量区域,云滴浓度(Nc)变化不大,Na含量降低.高雷达反射率对应于大的FCDP云粒子浓度和小的气溶胶粒子浓度.积云中的...     

一次基于风廓线雷达观测的北京夏季降水的垂直观测研究

本文利用风廓线雷达数据反演了降水云体的大气垂直速度、雨滴下落末速度等云动力特征和云水混合比、雨水混合比等云微物理参数,并结合天气雷达、探空、自动站、雨滴谱仪和微波辐射计等数据对2020年5月7～8日发生在北京市海淀区的一次夏季降水过程进行垂直综合观测.结果表明:垂直探测仪器观测及其反演的数据可以获得降水云体的详细动力参...