山西夏季层积云降水微物理特征分析

利用Droplet Measurement Technology(DMT)资料,分析了山西2008年7月17日降水性层积云的云微物理结构,通过对云中粒子浓度、平均直径、二维图像以及谱型分布变化,并结合宏观记录特征,详细分析了飞机上升和下降阶段云系的垂直结构特征。结果表明,飞机上升阶段云系为高积云,下降阶段云系为高积云—层积云结构,云粒子探头(Cloud Droplet Probe,CDP)和云粒子图像探头(Cloud Imaging Probe,CIP)测得粒子浓度偏大,最大浓度分别为236cm-3和9.74cm-3。层积云云中微物理量水平分布特征具有明显的不均匀性。飞机上升阶段降水的雨滴主要是冰粒子融化形成的,冷云过程占主导地位,在0℃层附近存在明显的融化层亮带。飞机下降阶段降水机制为高积云冷云过程和层积云暖云过程相结合。     

甘肃省夏季层状云微物理特征个例分析

对2004年6月12日甘肃河西地区一次降水性层状云的云物理飞机探测结果进行了分析,通过对云中粒子的浓度、直径、二维图像以及谱型变化地研究,并结合宏观观测记录,详细分析了云系的垂直和水平微物理特征.观测资料分析表明:此次云系为Ac-Sc结构,上层Ac云为纯冷云,下层Sc云为纯暖云,两层云之间存在较厚的干层.云中微物理量的垂直和水平变化均具有明显的不均匀性,整个探测过程中,FSSP-100所测云粒子的浓度和平均直径变化范围分别为0.1～-232.6cm-3和3.5～45.5μm,OAP-2D-GA2所测云粒子浓度及平均直径变化范围分别为0.01～116.7cm-3和32.2～995.7μm.粒子二维图像表明,上层高积云中冰相粒子的凇附、粘连现象普遍,说明云中存在较多的过冷水.图像及谱型分析表明,6000m以上某些区域有冰晶高浓度区存在,大量冰晶的成长消耗了云中过冷水,不利于大云粒子的形成和成长;这次降水雨滴主要由纯暖性Sc云中暖云成雨过程形成,冷云过程只在Sc云顶附近有一定作用,本次降水主要机制为下层层积云中的暖云过程.     

一次降水性层积云系的微物理特征分析

利用飞机云微物理探测资料,对2004年6月29日甘肃省东南部地区一次层积云(Sc)降水云系的微物理结构特征进行了详细的分析。飞机探测表明,此次云系主要分为两层,上层是纯冷性高积云(Ac),下层是层积云,观测分析主要针对Sc云。对不同高度层及Sc云顶附近的云粒子探测数据的分析结果表明,Sc云中云粒子的垂直及水平特征具有明显的不均匀性;Sc云区下层粒子特征参量起伏变化大,上层起伏变化小;云中含水量和大粒子浓度随高度升高有递增趋势。同一高度云区的粒子特征参量存在差别,表明即使在云区同一高度,不同水平区域的粒子形成和增长条件也有差异。Sc云中含水量较大,暖区最大液水含量达0.34 g·m-3。Sc云底有较强的逆温层存在,对云底附近的微物理结构特征造成一定影响,使得较小的云滴在逆温层顶附近和逆温层下部累积,含水量增大,但对较大尺度的液滴影响不明显。Sc云中不同高度处普遍存在暖雨过程,以Sc中部最为活跃;云顶附近冰相粒子的存在对云中暖云过程具有增强作用,对降水有利。     

一次积-层混合云系垂直结构和降水机制的飞机观测资料分析与数值模拟

积-层混合云是影响北京地区的重要降水云系,运用飞机探测资料结合中尺度数值模式WRF,对2014年9月23日发生在北京地区的一次积-层混合云系的垂直结构和降水机制进行了探测资料分析和数值模拟研究。通过分析云系的雷达回波演变,发现云中的对流泡没有出现爆发式增长,回波在垂直方向上增长不明显,此次过程属于积-层水平混合型云系降水。飞机探测资料分析显示,上、下午探测云系的液态水含量都不高（最大低于1 g/m3）;在云系不同高度,飞机探测到的冰晶形状主要有板状、针柱状、辐枝状和不规则状,由于云中过冷水含量相对较低,聚合冰晶的数量明显多于凇附冰晶,冰晶的聚合是云中粒子增长的主要过程。对模拟云系垂直微物理结构和降水粒子的源、汇项分析得到:高层,由凝华产生的冰晶和雪晶在过冷水含量较低的环境中不断聚并、长大并下落,云系中霰的含量很低,增大的冰晶和雪晶下落至0℃层附近融化是产生地面降水的主要机制。此外,融化层附近,雨滴捕获云滴不断长大并下降至地面也是地面降水的另一个重要来源。      

山西春季层状云系数值模拟及与飞机探测对比

采用中国气象科学研究院 (CAMS) 中尺度云参数化模式对2010年4月20日山西省一次春季层状降水云系的宏微观结构,特别是垂直方向上的微物理结构进行了数值模拟和分析。利用携带云粒子探测设备的飞机对该次层状云系进行了两次云物理探测飞行,并将飞机探测所获取的数据和图像资料与数值模拟结果进行了对比研究。模拟结果显示:该次降水过程以层状冷云降水为主,云中过冷水含量丰富,云系存在明显的3层结构,地面降水主要来自于云中高层冰晶、雪、霰等冰相粒子的融化和低层云水的转化。数值模拟与飞机探测对比分析显示,高空温度、湿度和高度的配置两者基本一致,数值模拟不同高度的云粒子相态、垂直方向云水比含水量与飞机探测获取的云粒子图像和云液态水含量的垂直结构基本吻合,但数值模拟的云中各种水成物粒子出现的高度较飞机探测偏高。     

基于飞机观测的华北积层混合云降水微物理特征的数值模拟研究

基于2009年5月1日积层混合云降水2架飞机观测数据分析,使用中尺度模式WRFV3对此次过程积云区和层云区的微物理特征和转化过程进行数值模拟比较研究。飞机观测数据分析表明,此次积层混合云中的层云区和积云区冰粒子形状和形成过程有明显差别,层云区的粒子形状组成比较复杂,包含针状、柱状和辐枝状等,而积云区主要以辐枝状粒子为主,聚并、凇附过程明显。数值模式能较好地模拟出此次积层混合云降水过程的基本特征,包括回波分布、飞行路径上降水粒子的数浓度和液态水含量等。数值模拟结果表明,云水相对丰富、上升气流强的层云区凇附过程较强,产生的雪在低层融化为雨水,为后期高层形成的雪和霰提供丰富的液态水,能发展成对流较强的积云区,存在播种—供给机制。在积云区,水成物的比例从大到小依次为雪（51.9%）、霰（31.0%）和雨水（16.0%）;雪的主要源项包括淞附增长（56.8%）和凝华增长（40.1%）,霰的主要源项包括凇附增长（46.6%）、雨水碰并雪成霰（42.6%）和凝华增长（16.1%）,雨水的主要源项是霰（77.6%）和雪（22.4%）的融化。而相对云水较少、上升气流较弱的层云区将保持层云的状态,层云区水成物的比例从大到小依次为雪（90.4%）、雨水（6.1%）、冰晶（3.5%）;高层冰晶和雪通过凝华过程增长,雪在零度层下融化为弱的降水。     

河南省2002年秋季一次层状云降水过程的观测研究

在涡旋云系和低槽切变云系的先后影响下,2002年10月16-20日河南省产生了主要由层状云形成的小到中雨天气。中低层对流不稳定层结和偏东偏南暖湿气流为降水提供了有利条件。较厚的云体多为混合相结构,雷达回波普遍有明显亮带,过冷云区冰相粒子含量较过冷水高,暖云区云水含量偏低,雨水浓度基本随雨滴直径指数递减,较大雨滴对雨强的贡献大。推测总体降水机制可能为,冷云过程强于暖云过程,冰粒子凝华增长是其主要增长方式,冰粒子融化对地面降水有较大贡献。云系宏微观结构和降水特征都表明在层状云系不同部位存在不均匀性。     

河南春季一次云降水过程的宏微观物理特征分析

云降水的宏微观物理特征的观测和研究,有助于建立典型的云降水多尺度结构模型,为确定科学的人工增雨催化方案提供重要依据。借助于雷达、卫星等多种遥感探测手段,结合飞机的云中观测,对2004年3月31日河南云降水观测外场试验区（31.5-35°N,111-114°E）的一次云降水过程实施了综合探测,综合分析了此次云降水过程的宏微观物理特征。此次云降水系统属于比较典型的低槽、冷锋活动所造成的一次小至中雨过程。根据GOES卫星云图和天气图可以看出,沿锋面云系的后部,有一槽线,它对试验区的降水起主要作用,地面冷锋位于云带的前沿。雷达PPI回波显示为一条窄而长的回波带,宽度较窄,强度不大;RHI显示回波高度不高,回波云顶高度平均在5-6km左右,除存在一些20-30dBz的回波团外,回波强度比较均匀,回波中存在明显的0℃层亮带。这次降水为锋上高积云（Ac）和其下部液水较为丰沛的层积云（Sc）结合而成,在Ac云的4340m（-4.8℃）和3670m（0℃）液态水含量出现高值,分别为0.072g/m^3和0.086g/m^3,在Sc云中的0℃附近液态水含量出现高值。降水形成前,云中粒子谱型主要为单峰型,粒子直径大部分在5-10μm之间变化,大粒子浓度很低,不到0.1个/cm^3,且呈不连续分布,随着云中微物理过程的发展和降水的形成,粒子谱型逐渐转为双峰或多峰型,粒子浓度明显增高,粒子直径逐渐增大。     

石家庄地区一次秋季冷锋云系垂直微物理结构的观测研究

利用2008年10月4～5日石家庄一次降水性层状云系的飞机探测资料,结合实时天气、卫星、雷达等资料,分析了降水过程的天气背景条件、降水初期云中的液态含水量、云粒子平均直径和粒子谱等要素的垂直分布与变化特征,以及云系的垂直微物理结构。结合云中冰雪晶二维粒子图像的增长和地面降水特征,初步探讨了该层状云系降水形成的物理机制。...     

四川盆地降水云系飞机云物理观测个例分析

利用2008年10月26日晚至27日凌晨成都上空连续两架次飞机穿云观测资料,分析了探测云系的云物理特征和降水机制,以期了解四川盆地降水形成的云物理过程。结果表明：探测云系为上冷下暖的混合云系,云系深厚,云顶温度在-10℃左右,0℃层较高。云系中暖层厚,约3200 m;过冷层较薄,约1800 m。在过冷层中,从云顶往下,大云粒子谱和降水粒子谱明显拓宽。在暖层中,降水粒子的浓度和尺度减小。冰晶和过冷水的存在使得冷云过程得以发动,配合暖层中的暖云过程,降水现象得以实现。而过冷水不够充沛,形成的降水粒子不多,同时暖层中液态水含量少,供水不充分,使得地面降水强度不大,形成了小雨。     

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。      

山西春季一次层状冷云的微物理结构特征

利用2009年3月11日机载DMT（droplet measurement technology）粒子测量系统获取的山西层状云探测资料,结合天气、卫星、雷达等,分析了降水性冷云的宏微观结构特征.结果表明,降水云系由高层云和层积云组成,液态含水量变化范围为0 0.42 g/m3.CDP（cloud droplet probe;云粒子探头）和CIP（cloud imaging probe;云粒子图像探头）观测到的粒子数浓度偏大,CDP探测到最大粒子数浓度为451.93 cm-3,CIP探测到最大粒子数浓度为162.78 L-1.本次探测适宜的人工增雨作业温度区间为-11.4-7℃、-4.40℃.高层云上部以冰晶的核化和凝华增长为主;高层云的中下部为冰雪晶活跃增长层;通过凝华、碰并机制高层云降落的冰雪晶粒子在层积云进一步长大.层状云水平分布不均匀特性很明显.统计云滴谱谱型分布发现,双峰型、多峰型出现几率较高,指数型主要出现在层积云的中部和顶部,出现单峰型时LWC（liquid water concentration;液态水含量）小于0.03 g/m3或大于0.1 g/m3.     

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。     

Microphysical and chemical characteristics of cloud droplet residuals and interstitial particles in continental stratocumulus clouds

During June and July 2003 the Sources and Origins of Atmospheric Cloud Droplets experiment (SOACED) was carried out on a mountain-top site in central Sweden. The main objective of the experiment was to characterise the microphysical and chemical properties of cloud droplet residuals and interstitial aerosol particles in continental clouds and to understand the processes controlling cloud properties at this location.Interstitial and residual aerosol size distributions, cloud liquid water content and species- and size-resolved aerosol mass concentrations are the main variables employed to address questions pertaining to the cloud droplet number concentration and scavenging efficiency during a stratocumulus cloud event observed on July 28, 2003. In this cloud event, about 56% of the aerosol mass was associated with organic species, whilst SO₄ accounted for 23% and NH₄ for 14%. NO₃ and Cl made up about 7% of the total mass.The partitioning of the aerosol particles between cloud droplets and interstitial air has been studied in terms of their microphysical properties. The scavenging efficiency, defined as the fraction of particles activated into cloud elements compared to the total amount of particles, was investigated as a function of size. The scavenging efficiency curves displayed different shapes during the cloud event, from an S-shaped curve, with low scavenging efficiency in the Aitken mode and larger scavenging efficiency in the accumulation mode, to more unusual shapes where Aitken-mode particles were either solely activated or activated in addition to accumulation-mode particles.This study suggests that alterations of the aerosol chemical composition occurred during the measurement period, changing the hygroscopic nature of the CCN and decreasing their activation diameter. It is also hypothesized that entrainment of drier air aloft may have introduced inhomogeneities in the supersaturation field and modified the S-shaped scavenging curves.     

Microphysical and chemical characteristics of cloud droplet residuals and interstitial particles in continental stratocumulus clouds

During June and July 2003 the Sources and Origins of Atmospheric Cloud Droplets experiment (SOACED) was carried out on a mountain-top site in central Sweden. The main objective of the experiment was to characterise the microphysical and chemical properties of cloud droplet residuals and interstitial aerosol particles in continental clouds and to understand the processes controlling cloud properties at this location.Interstitial and residual aerosol size distributions, cloud liquid water content and species- and size-resolved aerosol mass concentrations are the main variables employed to address questions pertaining to the cloud droplet number concentration and scavenging efficiency during a stratocumulus cloud event observed on July 28, 2003. In this cloud event, about 56% of the aerosol mass was associated with organic species, whilst SO₄ accounted for 23% and NH₄ for 14%. NO₃ and Cl made up about 7% of the total mass.The partitioning of the aerosol particles between cloud droplets and interstitial air has been studied in terms of their microphysical properties. The scavenging efficiency, defined as the fraction of particles activated into cloud elements compared to the total amount of particles, was investigated as a function of size. The scavenging efficiency curves displayed different shapes during the cloud event, from an S-shaped curve, with low scavenging efficiency in the Aitken mode and larger scavenging efficiency in the accumulation mode, to more unusual shapes where Aitken-mode particles were either solely activated or activated in addition to accumulation-mode particles.This study suggests that alterations of the aerosol chemical composition occurred during the measurement period, changing the hygroscopic nature of the CCN and decreasing their activation diameter. It is also hypothesized that entrainment of drier air aloft may have introduced inhomogeneities in the supersaturation field and modified the S-shaped scavenging curves.     

Microphysics of clouds at Kleiner Feldberg

During a field measuring campaign at Kleiner Feldberg (Taunus) in 1990, microphysical characteristics of clouds have been measured by Forward Scattering Spectrometer Probes (FSSP). The aim was to study the influence of aerosol and meteorological factors on droplet size and number. The results are: More mass in the accumulation size range of the aerosol leads to more droplets in stratocumulus clouds and to higher soluble masses in droplets of stratus clouds. However, the aerosol distribution was coarser in the stratus clouds compared to the stratocumulus clouds. Within the first 200 m from cloud base, the droplets grow while their number decreases. The growth results in a stable size of about 14 µm diameter over a large distance from cloud base in many stratocumulus clouds. Two types of mixing processes were observed: processes with reductions in the number of droplets (inhomogeneous mixing) and with reductions in the size of the droplets (homogeneous mixing).     

层积云覆盖的海洋边界层云详细微物理过程的数值模拟

文中建立了一个含显式分档的云微物理模式和辐射传输模式的一维 3阶湍流闭合模式 ,该模式可用于研究海洋边界层云中气溶胶和云的相互作用过程 ,同时提出了一种新的动力模式和微物理模式耦合方法 ,该方法可使动力模式中液态水相关项可以直接由微物理模式变量计算得到。作为模式的初步应用模拟了 2 0 0 1年APEX/ACE Asia在西太平洋上所观测到的一个个例。模拟结果和观测资料比较表明该模式基本上模拟出层积云覆盖的海洋边界层的基本结构     

积层混合云结构和云微物理的数值模拟

对三维非静力中尺度模式ARPS的云微物理方案进行了改进,利用改进后的模式模拟了华北地区的积层混合云降水个例,通过对模拟结果的分析并结合实况资料研究了积层混合云的降水特征、云物理结构特征和微物理过程。结果表明,积层混合云降水分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,云系中微物理量在水平和垂直方向上分布都不均匀,积云中的垂直液态水积分含量大大高于层云中含量,此次降水冰相过程占主导地位,霰的融化是最主要的雨生成项。     

The effect of aerosol representation on cloud microphysical properties in Northeast Asia

This study performed a three-dimensional regional-scale simulation of aerosol and cloud fields using a meso-scale non-hydrostatic model with a bin-based cloud microphysics. The representation of aerosols in the model has been improved to account for more realistic multi-modal size distribution and multiple chemical compositions. Two case studies for shallow stratocumulus over Northeast Asia in March 2005 were conducted with different aerosol conditions to evaluate model performance. Improved condensation nuclei (CN) and cloud condensation nuclei (CCN) are attributable to the newly constructed aerosol size distribution. The simulated results of cloud microphysical properties (cloud droplet effective radius, liquid water path, and optical thickness) with improved CN/CCN number are close to the retrievals from satellite-based observation. The effects of aerosol on the microphysical properties of shallow stratocumulus are investigated by model simulation, in terms of columnar aerosol number concentration. Enhanced aerosol number concentration results in increased liquid water path in humid case, but invariant liquid water path in dry case primarily due to precipitation occurrence. The changes of cloud microphysical properties are more predominant for small aerosol burden than for large aerosol burden with the retarded changes in cloud mass and size due to inactive condensation and collision-coalescence processes. Quantitative evaluation of sensitivity factor between aerosol and cloud microphysical properties indicates a strong aerosol-cloud interaction in Northeast Asian region.