石家庄地区气溶胶和CCN垂直廓线的飞机观测分析

利用2010年春夏之交石家庄地区11架次的气溶胶和云凝结核(CCN)飞机同步观测资料,对比分析该地区云天和晴天气溶胶粒子的垂直廓线、不同高度气溶胶数谱特征,以及CCN的垂直分布、活化特性等。结果表明:云天气溶胶数浓度均值为1 553.28 cm~(-3),有效直径均值为0.52μm,比晴天数浓度(883.82 cm~(-3))大76%,有效直径(0.37μm)大41%。云天气溶胶数浓度呈指数型递减分布,有效半径在2 500 m以下随高度变化不明显,2 500 m以上随高度逐渐增大。晴天气溶胶数浓度在800～1 500 m内有累积,有效半径随高度没有明显的变化趋势。不同高度上气溶胶谱型基本一致,云天和晴天在气溶胶小尺度端(0.3μm)谱分布是连续的,在0.3μm处数谱均明显下降。云天和晴天CCN数浓度均随高度增大而减小,且各个高度层上云天CCN数浓度均大于晴天。云天CCN活化比率随高度变化不明显,晴天CCN活化比率随高度增大。气溶胶粒子尺度与CCN活化比率之间呈线性正相关。     

祁连山一次地形云降水微物理特征飞机观测

祁连山是我国西北地区重要的生态屏障,地形云是祁连山主要降水云系,加强对祁连山云微物理过程的认识,对科学有效开展人工增雨作业、改善生态环境具有重要意义。利用2020年8月29日祁连山一次地形云降水过程的飞机观测数据,研究祁连山地区夏季云降水过程的微物理特征。此次降水过程云系呈明显的分层结构,云底高度为4000 m,整层含水量较丰富,云水大值区出现在4500~5300 m高度,与云滴高浓度区对应,云水含量主要由粒子直径为15~20 μm的云滴粒子贡献。小云粒子和大云粒子平均浓度分别为7.54 cm-3和0.86 cm-3,有效直径平均值分别为11.02 μm和198.11 μm,呈现出浓度小、直径大的特征。云系翻越祁连山过程中南北坡云微物理特征有明显变化,北坡（背风坡）粒子浓度、直径和液态水含量明显大于南坡（迎风坡）。祁连山地区不同高度小云粒子谱呈单峰型分布,Gamma分布可较好拟合直径小于50 μm的云滴谱,直径大于50 μm的云粒子谱更符合幂指数分布。凝华和聚并是冰相层冰雪晶的增长机制,混合层冰晶增长以贝吉龙过程为主,并伴有凇附和聚并生长。     

我国云降水物理飞机观测研究进展

飞机观测是云中粒子相态、分布和转化特征的重要探测技术。我国云降水物理飞机观测开始于20世纪60年代,经过60多年的发展,在飞机平台、机载测量技术、云微物理结构和降水形成机制认识等方面均取得了长足进步。发现积层混合云中对流泡区具有更高的过冷水含量,凇附增长起重要作用,符合“播撒-供给”降水形成机制,而在层云区,当云厚度较小时,过冷水含量很少,冰雪晶的凝华、聚并增长起主导作用,并不符合“播撒-供给”降水形成机制,而当云厚度较大时,过冷水含量较为丰富,凝华、聚并和凇附增长起主导作用,基本符合“播撒-供给”降水形成机制;我国北方冬季降雪过程的形成机制主要是凝华-聚并机制,只有在水汽非常充足、云较厚的情况下,凇附增长过程才具有重要作用。近年虽然在人工影响天气播撒效应、数值模式云物理过程验证、卫星及雷达遥感数据检验、对流云结构观测等方面也取得了一些进展,但仍较薄弱,亟待加强。     

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。     

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。...     

山西一次降雪云物理特征的飞机观测研究

层状云中冰粒子、融化层及以下粒子微物理特性演变规律的科学认识对于中国云降水参数化、降水预报及人工影响天气研究具有重要意义。利用2019年8月24日河北省一次层状云飞机观测资料,分析云中负温层、融化层及以下粒子群微物理特性的演变。研究表明,云中负温层冰相粒子以聚合体为主,部分区域存在霰粒子。云中冰相粒子通过凇附、碰连和贝吉龙过程增长。相对来说,上升气流较强及相对湿度较高云区的冰相粒子数浓度较高、粒子谱较宽。融化层中,中等大小粒子数浓度存在增大趋势,说明融化层中不同粒径冰相粒子的融化速率存在差异。研究发现,高相对湿度区（RH≥95%）粒子融化速率较低相对湿度区（RH＜95%）快,低相对湿度区中表面融化的粒子蒸发吸收潜热,使环境温度降低,减缓粒子融化速率。融化层高相对湿度区降水粒子谱分布的截距大于低相对湿度区,斜率与低相对湿度区接近。融化层降水粒子负指数谱分布的截距与斜率均大于负温层,0℃层高度以下HVPS探测到的粒子谱分布参数相似文献   

河北冬季一次冷锋降雪云系微物理演变特征综合观测分析研究

利用河北省中南部地区皇寺国家观测站布设的毫米波云雷达、微雨雷达结合飞机等联合观测数据，对2019年2 月14日河北中南部地区一次冷锋降雪云系微物理演变特征进行分析，探讨雷达回波与冰雪晶粒子微结构的关系，以便更好地认识该地区自然降雪的宏微观结构特征。研究结果表明：降雪初生阶段表现为双层云结构，中云云顶高约4100 m，云底高约3600 m，低云云顶高约3100 m，云底高约200 m，中间存在一干层，3000 m以下高度粒子增长以凇附过程为主。降雪发展阶段上下两层云相接，雷达回波强度较强的时段地面降水量也较大，该时段降雪过程主要以凝华〖CD*2〗聚并增长为主。降雪后期回波强度最大值减小，云顶高降低，3000 m以下高度范围内回波强度、多普勒速度、谱宽随高度降低呈增大趋势；飞机观测结果显示，降雪消散阶段逆温层底部由于水云云层较薄，催化潜力较小,冰雪晶粒子主要位于云的中上部，随着高度降低，冰雪晶粒子在下落过程中增大，与雷达观测结果一致，毫米波云雷达和微雨雷达反射率因子随高度变化与降水粒子有效粒径之间相关系数分别为0.89和0.83, 雷达反射率因子主要受冰雪晶等大尺度粒子主导。     

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。     

一次华北冷涡降水的云物理飞机探测特征

分析了１９９９年５月１７￣１８日,由华北冷涡与长江中、下游切变线系统在山东境内交汇形成的一次较强的降水过程。对这闪天气过程进行限收音机连续观测和人工增雨作业。此类降水是山东傻子春季降水系统中的主要过程,具有一定的代表性。作业高度为４１５０￣４５００ｍ,是层状 中上层。云中含水量较小,最大值为０．０３５ｇ／ｍ＾３。云粒子浓度最大值为２５０个／ｃｍ＾３,云粒子走私、浓度空间分布等存在不均匀特性。其降水     

华北中部夏季气溶胶垂直分布及其与云凝结核和云滴转化关系的飞机观测研究

气溶胶的时空分布及其核化成云的转化过程是云降水物理研究的重点,也是气候变化中气溶胶间接效应关注的热点问题。利用2013～2014年期间在华北中部山西地区开展的9架次夏季晴天和积云天气情况下的气溶胶、云凝结核（CCN）及云滴数浓度观测资料,分析研究了气溶胶的垂直分布、谱分布、来源特征及其与云凝结核、云滴数浓度的转化关系。研究结果表明,大气边界层逆温层结对气溶胶、CCN垂直分布有重要影响,不同天气条件下气溶胶谱型在低层差异较大而高层基本一致;垂直方向上CCN数浓度与气溶胶数浓度有较好的相关性,过饱和度0.3%条件下CCN比率（云凝结核/凝结核）与气溶胶有效直径呈线性关系;积云云下气溶胶与云滴的线性拟合方程为y=1.3x?616.3,拟合相关系数为0.96,气溶胶转化为云滴的比率可达到47%。在过饱和度0.3%条件下,云下CCN与云滴的线性拟合方程为y=1.6x?473.8,拟合相关系数也为0.96,CCN转化为云滴的比率可达到69%。     

大陆性浓积云云滴谱离散度影响因子的飞机观测研究

利用2020年7月30日山西省人工增雨防雷技术中心在山西省忻州地区开展的大陆性浓积云飞机探测资料,分析了积云微物理参量、云滴谱离散度随时间和高度的变化以及云滴谱离散度的影响因子。结果表明,该大陆性浓积云云滴谱离散度随高度的增加先递增后递减,但变化范围较小。云滴谱离散度随数浓度、含水量增大而逐渐收敛,呈弱正相关关系;离散度与体积平均半径的相关性随体积平均半径的增大由正转负,与垂直速度呈现正相关关系。云中碰并过程对云滴谱离散度及其影响因子影响较大,建议未来云滴谱离散度的参数化增加对碰并过程的考虑。     

祁连山冷锋过程中积层混合云微物理特征飞机观测研究

利用高性能空中国王飞机搭载的DMT(Droplet Measurement Technologies)探测系统,分析2020年6月15—16日祁连山地区两次冷锋过程前后积层混合云的宏微观特征。结果表明:冷锋前CIP(Cloud Imaging Probe)粒子平均浓度在10¹~10²L^-1,PIP(Precipitation Imaging Probe)粒子浓度在10² L^-1;CIP粒子数浓度随高度逐渐上升,降水粒子在7 300 m时浓度达到峰值后下降;平均粒子谱拓宽速率为3.5 mm·km^-1,随着高度的下降而降低。冷锋前存在对流泡区域,对流泡内粒子浓度均高出对流泡外,粒子谱拓宽速率高出层云一倍。冷锋后大CIP粒子粒子浓度为10² L^-1,降水粒子浓度为10⁰~10² L^-1,粒子谱拓宽速率为1.5 mm·km^-1,较冷锋前粒子谱拓宽速率小1.7倍。锋前后粒子均呈现多峰型;锋前积层混合云云中对流泡内外谱型一致,云顶处对流泡内外峰值粒径不同。锋前云粒子形状为聚合状、枝状、柱状和不规则状,以聚合状为主;云内冰晶以凇附和聚合增长为主;对流泡内外在粒子形态上没有明显差异。锋后粒子形状以不规则粒子为主,云粒子增长形式以聚合增长为主,并伴有上层云向下层播撒大云粒子的现象。     

不同云滴数浓度参数化方案对硝酸盐气溶胶 第一间接效应影响的比较研究

在区域气候化学模式系统（RegCCMS）中,分别采用Hegg、Hansen、Ghan、Jones等4种云滴数浓度参数化方案,模拟研究了2003年10月硝酸盐气溶胶的浓度分布和第一间接气候效应,并对不同方案进行比较。结果表明,不同方案模拟的硝酸盐气溶胶分布大体上一致,主要集中在河南、山东、河北、四川等地,地面浓度最大值达18 μg/m3。Hegg、Hansen、Ghan、Jones等 4种云滴数浓度参数化方案计算得到的由硝酸盐气溶胶所造成的第一间接辐射强迫全国平均值分别为-148、-205、-161和-140 W/m2。4种方案模拟的硝酸盐气溶胶间接效应都表现为近地面气温下降,降水减少,其中Hansen方案的间接效应最强,Ghan、Hegg方案次之,Jones方案最弱。     

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。     

EC-thin资料在低槽冷锋类降水过程人工增雨潜力区识别中的应用

选取8次冀中南地区低槽冷锋类降水过程,基于实况资料、微波辐射计资料、毫米波测云仪资料,利用EC-thin模式资料,分析研究EC-thin资料在人工增雨潜力区识别中的应用。结果表明：低槽冷锋类降水过程的共同特征为中高层30°—50°N、100°—120°E低槽东移,地面冷锋以西北路径或偏西路径南下影响冀中南地区;无论平原还是山区,低云量、气柱总含水量、大气可降水量、850 hPa比湿总体上呈现随降雨量增大而增大的趋势;当冀中南地区受低槽冷锋类天气系统影响时,在平原地区,当低云量、气柱总含水量、大气可降水量、850 hPa比湿预报平均值分别为6成、31 kg·m^-2、37 kg·m^-2、6 g·kg^-1以上时可进行人工增雨作业;在山区,当低云量、气柱总含水量、大气可降水量、850 hPa比湿预报平均值分别为5成、21 kg·m^-2、29 kg·m^-2、4 g·kg^-1以上时可进行人工增雨作业;此外最佳人工增雨阶段为各物理量值达到最大并开始减小阶段。     

Aircraft Measurements of Cloud–Aerosol Interaction over East Inner Mongolia

To investigate the potential effects of aerosols on the microphysical properties of warm clouds, airborne observational data collected from 2009 to 2011 in Tongliao, Inner Mongolia, China, were statistically analyzed in this study. The results demonstrated that the vertical distribution of the aerosol number concentration(N_a) was similar to that of the clean rural continent. The average aerosol effective diameter(D_e) was maintained at approximately 0.4 μm at all levels. The data obtained during cloud penetrations showed that there was a progressive increase in the cloud droplet concentration(N_c) and liquid water content(LWC) from outside to inside the clouds, while the Nawas negatively related to the Ncand LWC at the same height. The fluctuation of the N_a, Ncand LWC during cloud penetration was more obvious under polluted conditions(Type 1) than under clean conditions(Type 2). Moreover, the wet scavenging of cloud droplets had a significant impact on the accumulation mode of aerosols, especially on particles with diameters less than 0.4 μm. The minimum wet scavenging coefficient within the cloud was close to 0.02 under Type 1 conditions, while it increased to 0.1 under Type 2 conditions,which proved that the cloud wet scavenging effect under Type 1 conditions was stronger than that under Type 2 conditions.Additionally, cloud droplet spectra under Type 1 conditions were narrower, and their horizontal distributions were more homogeneous than those under Type 2 conditions.     

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.     

云滴数浓度影响混合型层状云降水的数值模拟

使用耦合了Morrison双参数微物理方案的中尺度WRF模式V2．2,对2008年1月25-29日发生在我国南方的冰雪天气过程进行了数值试验。在模式准确再现了此次天气过程形势演变特点的基础上,对模式微物理方案中云滴数浓度影响累积降水量的情况进行了敏感性试验,发现云滴数浓度对降水量的影响是复杂和非线性的。对此次天气过程中的微物理量进行了详细的分析,并从各种水成物粒子的发展演变上,讨论了云滴数浓度的增加在暖云和冷云两种降水机制上对降水产生的不同影响。结果表明,云滴数浓度越大,云水混合比就越大,云滴的尺度越小。雨滴对不同云滴数浓度的响应与云滴的情况相反,随着云滴数浓度的增加,雨滴数浓度减小,雨水也减少,暖云降水过程受到了抑制;冰晶和雪晶的数浓度的演变过程没有明显变化,而冰晶和雪晶的混合比是相应增加的,冷云降水过程得到了一定程度的增强。从本文模拟的个例来看,设置不同云滴数浓度所得到的总累计降水量的差异在1％以内。总的来说,增加云滴数浓度,降水量会减少。从比例上来看,增加云滴数浓度对暖云降水过程的抑制作用比对冷云降水过程的增强作用更为显著,但是在本文模拟的个例中,冷云降水过程占主导地位,减少的降水和增加的降水的绝对值在同一个量级上并且数值相近,它们相互抵消后得到的结果是降水量变化的绝对值大大减小了,这解释了增加云滴数浓度后模拟的总累积降水量变化不明显的原因。