沙尘气溶胶对云和降水影响的模拟研究

采用二维分档云模式,对比背景大气气溶胶分布,讨论了扬沙和沙尘暴天气条件下矿物气溶胶对云微物理结构、光学特性以及降水形成的影响.结果表明:扬沙和沙尘暴天气增加大气中大核和巨核的浓度,促进云中水汽的活化,使降水提前出现,暖云和冷云降水量均大幅增加,但可忽略巨核增加对云光学厚度和反照率的作用;当矿物沙尘粒子同时作为有效的云凝结核和冰核参与云的发展时,冰核浓度增加使水成物有效半径减小,抑制了暖云和冷云降水,云内存留的大量冰晶增强云的光学厚度和反照率.     

沙尘冰核对积云起电过程影响的初步数值模拟试验

非感应起电是指云中冰相粒子间通过相互碰撞而发生的电荷转移现象,尤其以冰晶与霰粒子的碰撞过程为主,被证实是云中电荷产生的主要方式之一。沙尘作为大气冰核的重要组成成分,为了研究沙尘冰核对云中非感应起电过程的影响,本文将两种不同的非感应起电参数化方案(Takahashi方案,以下简称TAK方案;Saunders and Peck 1998方案,以下简称SP98方案)耦合至一维半云和气溶胶分档云模式中。该模式能够显性地追踪每个水成物粒子中云凝结核和冰核的质量大小,模拟每个冰核的核化过程,以及每个冰粒子的碰撞过程,从而确定霰粒子的数浓度和每个冰相粒子的电荷密度。对不同初始沙尘浓度的非感应起电过程进行了敏感性试验,模式模拟结果表明:随着沙尘粒子数浓度的增多,云中冰晶粒子与霰粒子的数浓度都分别增加,初始起电现象发生的时间提前,空间电荷密度大小增加;SP98方案和TAK方案都能模拟出1981年7月19日的一次积云观测个例的偶极型垂直分布,但SP98方案更接近实况。     

沙尘气溶胶作为冰核对阿克苏地区一次多单体型强对流风暴降水及其微物理过程影响的数值模拟研究

将DeMott冰核浓度参数化方案引入到WRF中尺度数值模式中,模拟了新疆阿克苏地区一次多单体型强对流风暴,并对背景大气条件和沙尘条件下气溶胶作为冰核,对云中微物理结构和降水变化的影响进行了敏感性试验和对比分析,结果显示:在背景大气条件和沙尘条件下增加冰核浓度对降水中心强度影响较小,并且总体上看降水分布变化不大,但是降水局部的变化量较明显;不同背景条件下IN（Ice Nuclei）浓度的增加使得冰晶和雪的质量混合比和数浓度均有较大幅度的增加,其中雪的主要源项为凝华增长过程,而霰增长主要来源于冰相粒子碰并过冷云滴,并且在背景大气和沙尘条件下增加IN都使得霰的数浓度增加,尺度减少。     

矿物气溶胶远程传输过程中的吸收增温效应对云和降水的影响

通过对吸收性矿物气溶胶在远程传输过程中引起的大气增温效应以及大气中云凝结核(CCN)和冰核(IN)浓度增加的数值模拟,发现传输过程中沙尘最大浓度出现于云底和3 km高度处(T>-5℃)时,沙尘传输导致的大核和巨核(GCCN)浓度的增加,促进冷暖云降水,并在降水效率增加和增温产生的蒸发效应的共同作用下,云的光学厚度和反照率降低;当沙尘传输层位于温度低于-5℃的层结时,沙尘作为有效的大气冰核影响云和降水的发展,在这种情况下,冰核增多导致降水减少,并使云的光学厚度和反照率增加。总的来说,沙尘传输层中吸收性矿物气溶胶越多,高度越低、厚度越大,蒸发效应越强,云的形成和发展受到的抑制作用也越强。     

1995和1996年春季北京地区大气冰核浓度的观测与研究

利用毕格型混合云室于1995和1996-春季在北京西郊观测了4种温度条件下的大气冰核浓度.分析了冰核浓度逐日变化特点,与1963-的观测(方法相同)结果进行了对比分析.发现30 a来,冰核浓度平均约增加了15倍.根据严重污染天气条件下能见度与冰核浓度的相关分析,推测人类活动作为冰核源的权重,冰核浓度增加.分析发现大气中高活性冰核在大气中的滞留时间明显小于低活性冰核.结合冰核活性与粒子尺度的相关,分析推测了大气冰核浓度随高度递减的特点,推测高活性冰核随高度递减更快.分析中参考了世界各地的观测结果,并对不同观测方法观测的结果进行了分析对比,对其中一些地区差异和特点进行了探讨.冰晶浓度与云中气溶胶粒子浓度的相关分析表明,两者有较好的正相关关系.高冰晶浓度常对应有较窄的粒子谱和较小的浓度峰值直径.利用飞机观测的云中雪粒子浓度与冰粒子浓度资料分析结果表明两者有正相关;初步分析表明,大气冰核浓度除对冰云微结构和云中降水过程有重要影响外;还可能对云的辐射特征产生影响,从而影响大气气候过?＃     

大气冰核谱对雷暴云微物理过程及起电影响的数值模拟

利用已有的二维对流云模式,讨论了三种不同的冰核谱对雷暴云微物理、起电及电荷结构的影响。模拟结果表明:(1)不同的冰核谱环境对雷暴云中冰相粒子的含量及分布具有明显作用。冰核谱的垂直温区越大,产生的冰相粒子分布越广。在冰核浓度较大的个例中,冰晶和霰粒子的含量高,更多的小冰相粒子出现在海拔更高的区域;(2)高温区冰核的数量会对上升气流速度产生显著影响。高温区的冰核越多,冰相粒子在微物理发展过程中释放的潜热越多,上升气流强,对流发展越旺盛;(3)在低温区冰晶浓度高的谱环境个例中,雷暴云中的非感应起电率和感应起电率高,导致起电量增加。高温区冰核多的谱环境,大量冰晶和霰获得正电荷形成次正电荷区,电荷结构呈现三极性;而高温区冰核少的谱环境,参与起电的水成物粒子少,易形成偶极性电荷结构。     

细菌冰核研究的新进展

雨、雪、冰雹的形成与云中冰相的生成和发展有密切关系.而云中冰相的生成,在温度不太低时,是与"冰核"有关的.几十年来,大气物理学家对冰核成分和来源进行了许多研究,一般认为冰核主要来源于地面土壤微粒、矿物尘埃、工业烟尘、火山灰、流星尘埃及海水溅沫等.这些源地的冰核一般在-10℃以下活化.但温度高于-5℃的云中有时也观测到相当高的冰晶浓度,说明冰核的来源和性质实际上还不真正清楚.     

气溶胶对新疆冰雹形成物理过程影响的数值模拟研究

利用带有分档微物理方案的中尺度模式（WRF-SBM）模拟了一次新疆夏季的冰雹天气过程,并通过敏感性试验研究了气溶胶浓度变化对雹云微物理特征、降水过程及冰雹形成机制的影响。结果表明:初始气溶胶浓度越大,对流云发展越旺盛。雹云发展阶段,云中液水含量随气溶胶浓度增加而增多,冰水含量在中度污染时最多。冰雹的含量随气溶胶浓度的增加呈现先增加后减小的趋势,相较而言中度污染条件下,云滴尺度适当,过冷云水含量相对充足,更有利于液相水成物向冰粒子的转化,也更有利于冰雹的生长。冰雹最初几乎全部由冰晶碰冻过冷水生成,随后该过程迅速减弱,液滴冻结过程短暂地成为主要来源,但冰雹一旦形成,自身就会迅速收集过冷水开始生长,成为冰雹生长的主导过程。重度污染条件导致各种成雹过程推迟发生。气溶胶浓度增大导致地面液相累积降水增加,冰相累积降水先增加减少,并且气溶胶浓度适当增大可使降雹量及冰相降水中冰雹的比重增加,过量则会减小。在此基础上,本文提出最适合冰雹生长的“最优气溶胶浓度”,同时也是人工防雹工作中应重点关注的浓度。     

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.     

我国不同背景地区大气冰核浓度特征及参数化

为深入了解我国不同背景地区大气冰核浓度特征,本文通过在我国不同地区进行大气冰核及气溶胶的采样观测。研究发现：观测期间,黄山光明顶的冰核浓度数值均值为2.208 L^-1;南京地区的冰核浓度数值均值为7.16 L^-1;泰山山顶的冰核浓度数值均值为3.455 L^-1;泰山山底的冰核浓度数值均值为4.818 L^-1;新疆地区无沙尘天气冰核浓度数值均值为11.27 L^-1;新疆有沙尘天气冰核浓度数值均值为51.812 5 L^-1。研究给出了不同背景地区的大气冰核浓度的温度谱和湿度谱的分布。同时,研究发现,冰核数浓度与粒径大于0.5μm的气溶胶粒子数浓度的相关性较高,也就是气溶胶粒子中大颗粒所占比例越高,冰核数浓度越高。此外,还建立了基于活化温度、过饱和度以及大于0.5μm气溶胶粒子数浓度的冰核参数化方案,它们可以分别适用于沙漠地表,相对清洁的背景区域和人为污染较多的城市背景。     

江淮地区孤立对流云统计特征

孤立对流云是江淮地区重要的降水云系,通过分析江淮地区2013—2016年6—9月的多普勒天气雷达数据,统计得到664个对流云,其中孤立对流云196个,占江淮地区对流云发生频率的29.5%,7月和8月是江淮地区孤立对流云的高发期,6月相对较少,9月最少,同时12:00（北京时,下同）—18:00是孤立对流云的高发时段,05:00—07:00孤立对流云发生频率最低。针对2013年7月20日安徽定远出现的孤立对流云个例,综合分析多普勒天气雷达和C波段连续波雷达探测资料,发现此次暖区孤立对流云内部强反射率因子中心交替生成,导致内部反射率因子呈强弱交替出现的波状结构,沿着移动方向由弱到强,降水粒子下落速度与之对应,降水粒子最大落速出现在孤立对流云中下部的强反射率因子区域,速度超过10 m·s-1。     

2014年夏季青藏高原云和降水微物理特征的数值模拟研究

为了加强对青藏高原（高原）云和降水微物理特征的深入认识,采用高分辨率中尺度数值预报模式（WRF）,对第三次青藏高原大气科学试验2014年7月3-25日发生的6次不同强度云和降水过程进行了数值模拟分析。研究结果表明:（1）青藏高原夏季云和降水过程具有独特性。高原夏季对流的促发机制主要是午后高原加热造成的,云和降水具有明显的日变化。午夜后,对流性降水一般转化为层状云降水,具有明显的0℃层回波亮带,并且会产生强降水。大部分对流云云顶高度超过15 km（海拔高度）,最大上升气流速度为10-40 m/s。（2）6次云过程中均具有高过冷云水含量,主要分布在0—-20℃层,冰晶含量主要分布在-20℃层以上的区域,强盛的对流云中,可出现在-40℃层以上区域;雨水集中分布在融化层之下,说明其主要依赖降水性冰粒子的融化过程;雪和霰粒子含量高,分布范围广,说明云中冰相过程非常活跃。（3）高原夏季云中水凝物的转化过程和降水的形成机理具有明显特点。霰粒子的融化过程是地面雨水的主要来源,暖雨过程对降水的直接贡献很小,但通过暖雨过程形成的过冷雨滴的异质冻结过程对云中霰胚的形成十分重要。霰粒子的增长主要依靠凇附过程以及聚并雪晶的增长过程。      

山西省层状云飞机云物理观测试验结果分析

利用山西省2008年-2010年64架次云结构的粒子测量系统（DMT）探测资料,配合地面观测和卫星资料统计分析了层状云系的宏微观特征。发现：降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0．03g,m^3,中云含水量垂直方向上平均为0．05g／m30对比分析降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,降水性层状云云粒子有效半径要达到10μm-14μm。对云系不同温度层的微物理特征和云中水分按不同粒子尺度的分配特征进行了对比分析,结果表明：降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显,也是分层的。高层主要是冰相粒子,主要是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在四个典型温度层的观测中,LWC、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同。云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20μm、30μm的粒子含水量较高,对云中液态水含量的贡献较大,降水粒子主要由20μm、30μm的粒子转化。     

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。     

华北秋季一次低槽冷锋积层混合云宏微物理特征与催化响应分析

利用2013年10月13日机载粒子测量系统（PMS）在张家口涞源地区对积层混合云中上部进行的增雨探测数据,分析了云的垂直微物理结构、云区的可播性和作业前后液态云粒子、冰晶及降水粒子的微物理变化。结果表明,此次降水性积层混合云的垂直结构由冷、暖两层云配置,云层发展厚实,冷云区云粒子浓度平均为62 cm-3,液态水含量最大0.05 g/m3;2DC和2DP探测的冰晶及降水粒子平均浓度分别为1.9和2.2 L-1;暖云内云粒子数浓度集中在300 cm-3左右,液态水含量约0.1 g/m3。探测区域云粒子数浓度的水平分布不均匀。利用云内过冷水含量和冰晶浓度等参数判断,该降水性积层混合云的播撒作业层具有强可播性。对比作业前后云中粒子浓度及平均直径发现,云粒子在作业前时段内的平均浓度为31 cm-3,远高于作业后平均浓度（17.6 cm-3）;但平均直径变化不大。作业后冰晶粒子通过贝吉龙过程消耗过冷水长大,浓度由之前的0.86 L-1增至4.27 L-1,平均直径也增至550 μm。冰晶粒子逐渐长大形成降水,降水粒子浓度也相应有所升高,谱明显变宽。      

降水性层状云的微物理特征及人工增雨催化条件的研究

根据２７架次粒子测量系统的探测资料，综合分析了影响山东春，秋季降水云系的微特征，计算了探测层以上云中积分含水量，并依据综合分析结果对山东春，秋季降水性层状云的人工引晶剂量进行了探讨。     

基于CloudSat/CALIPSO资料的海陆上空中云的物理属性分析

利用CloudSat和CALIPSO卫星云产品数据分析了2007年1月至2010年12月中国华北(陆地A1)、日本海(近海A2)和太平洋地区(远海A3)的中云(高积云Ac和高层云As)分布特征.3个地区全年中云平均发生概率近1/3,As的发生概率高于Ac.As高度主要位于4～8 km,Ac则集中于高度3.5～5.5 km范围,中云垂直及水平尺度从陆地向深海逐步增加.位于对流层中部的中云其所处位置温度使冰晶和过冷水状态的液态水能够同时存在.统计结果表明As中冰态粒子含量占绝对多数,Ac中液态和冰态各占比例彼此相当.As与Ac中IER(冰晶有效粒子半径)分布与高度均呈负相关关系,IER谱分布主要范围为35～80 μm.As中LER(液水有效粒子半径)与高度呈正相关特征,但Ac中这一特征明显减弱,Ac及As中LER主要分布范围为5～15 μm.As及Ac中IWC及LWC谱分布比较分散,与高度之间的相关性亦不明显.     

积层混合云结构特征及降水机理的个例模拟研究

积层混合云是我国一种重要的降水系统, 其降水既有对流云又有层状云特征。基于积层混合云的重要性, 本文利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model), 结合三维粒子运行增长模式对2012年5月29日北京地区的一次积层混合云降过程进行了模拟研究。模拟的降水与雷达回波与实测结果基本一致。在此基础上, 重点分析了混合云系中积状云与层状云各自的微物理结构特征与降水的发生机理等。结果表明:降水过程云内存在着明显的“播种—供给”机制, 层状云中“播种—供给”机制相对简单。而对流云区中由于降水粒子可以发生上下多次的循环增长, “播种—供给”机制可在云的上下层间双向进行, 云中粒子群可以增长得更大。在积层混合云中, 在低层, 层状云中已有的水凝物粒子进入内嵌的积云块中, 而在高层水成物粒子又从积云中落到层云中, 积层混合云系充分发挥了积云和层云各自的优势, 从而降水效率较高。     

青藏高原那曲地区夏季一次对流云降水过程的云微物理及区域水分收支特征

第三次青藏高原科学试验针对高原夏季云和降水物理过程开展了大量观测研究,为进一步揭示高原云微物理结构、云中水分转化和区域水分收支特征,本文采用中尺度数值预报模式（WRF）并结合高原试验期间的各种观测资料,对那曲观测试验区2014年7月5~6日的一次较为典型的夏季对流云降水过程进行了数值模拟研究。结果表明WRF模式能够基本再现高原夏季对流云的发展演变过程以及降水的日变化特征。模拟结果显示高原夏季对流云中具有较高的过冷云水和霰粒子含量,冰相过程在高原云和降水的形成和发展中具有十分重要的作用,地面降水主要由霰粒子融化产生。暖雨过程对降水的直接贡献很小,但在霰胚形成中具有十分重要的作用。霰粒子胚胎的形成主要来源于冰晶与过冷雨滴的撞冻过程,雪粒子和过冷雨水的碰冻转化及过冷雨滴的均质冻结贡献相对较小。霰粒子的增长过程在12 km（-40℃）以上层主要依靠对冰晶、雪粒子的聚并收集过程,而在其下层的增长过程主要依赖对过冷云水的凇附增长,对雪粒子的聚并收集和凝华增长过程较小。高原那曲地区净水汽收支为正,日平均降水转化率可达20.75%,接近长江下游地区,高于华北、西北地区。该地区日降水再循环率为10.92%,说明局地蒸发的水汽对高原降水的水汽来源具有一定的贡献,但高原降水的90%仍然由外界输入的水汽转化形成。