飑线型降水云微波辐射特性的数值研究

本文将三维云的微物理模式的输出作为三维辐射传输模式的输入，对降水云的微波上行辐射率同地球物理参数间的关系进行了初步研究。在侧边界条件不对称的情况下，如果不考虑实际存在的云间相互辐射作用而模拟降水云的上行辐射率时，模拟出的亮温在低频段将低估卫星上测到的亮温值；在高频段则依降水云上层含冰量的大小而异，即在降水云上层含冰量小的区域，将低估星上测到的亮温，且低估的幅度较低频通道的大，而在降水云上层含冰量大的区域，可能高估星上测到的亮温，但高估的幅度较小。     

对流性降水云微波辐射特性

结合MM5模式和三维微波辐射传输模式, 对2003年7月9日宜昌地区一次典型的中尺度降水中心的对流性降水云微波辐射特性进行研究。结果表明:MM5模式模拟的降水量和落区与实况一致,模拟的水凝物廓线也与TMI反演值接近,85.5 GHz通道辐射亮温与TMI实测情况相近。85.5 GHz通道亮温与地面雨强相关性很弱, 受云中云冰和雪花的散射降温作用显著, 由于其他粒子的综合作用以及斜角观测造成的位置偏移, 霰粒子对该通道亮温散射作用不明显。19.35 GHz通道亮温随雨强增加先升温后降温; 与霰粒子含量表现出明显的负相关关系。37.0 GHz通道亮温随雨强的增加而降温, 雨强大于20 mm/h后达到饱和, 主要受雨水降温作用影响。倾斜观测比天顶垂直观测产生更低的亮温低值中心, 且频率越高, 低值中心的偏移越严重。     

冰雹云降水过程中微波亮温的变化特征

通过冰雹云模式模拟的一次冰雹云降水过程中降水粒子廓线和微波辐射传输模式结合,分析了冰雹云发展的不同阶段的微物理含量垂直结构变化及其对微波亮温的影响,得到以下几点结论:1)如果微波通道受到降水粒子散射和辐射的共同作用,如降水云早期的85 GHz亮温,成熟期的19 GHz亮温及消散期的37 GHz亮温,由于辐射和散射信息互相抵消,致使亮温随雨强的变化较复杂,这些通道亮温和雨强的相关性明显降低,不宜被用来反演地面雨强。2)根据19 GHz亮温随地面雨强或冰相粒子柱含量的改变,可以大致确定降雨云的不同阶段:在发展阶段,主要是降雨层以上的冰相粒子,尤其霰粒影响19 GHz亮温,致使其亮温与冰相粒子柱含量具有较好的负相关,而与地面雨强相关性较差;在成熟阶段,主要受雨水上层逐渐增加的辐射和冰相粒子散射共同作用,使得19GHz亮温与地面雨强和冰相粒子柱含量的相关性都不太好;在消散阶段,19 GHz亮温主要受较强的雨水辐射影响,与地面雨强和冰相粒子柱含量均有着较高的正相关。3)37 GHz是相对比较稳定的通道,其亮温与地面雨强有较好的线性关系,尤其与冰相粒子柱含量相关性更好,因此是反演地面雨强和冰相粒子柱含量的最佳通道。85 GHz亮温对降雨云体的中高层结构较为敏感,使得其亮温随地面雨强增加而降低的变化比较离散,不如37 GHz的集中。     

用云和辐射传输模式研究对流性降水云微物理及辐射特性

利用中国气象科学研究院的三维对流云模式模拟了 1 998年发生在我国武汉地区的特大暴雨过程中的对流云。在模拟云的成熟阶段 ,模拟结果和地面最大降水量实况及热带测雨卫星TRMM (TropicalRainfallMeasureMission)的降水雷达PR(Pre cipitationRadar)的零度层高度和降水粒子达到的高度较接近。将该云物理模式的输出结果输入到Liu的三维辐射模式的输入场 ,模拟了以TRMM的微波成像仪TMI(TRMMMicrowaveImager)的扫描角为入射角 ,频率为 85 5GHz和 37 0GHz的星载微波辐射仪接受到的亮温 ,模拟的结果表明云中各微物理量的分布对上行微波辐射的影响较大。     

利用多模传输理论求解块状云的辐射特征

实际云层在水平与垂直方向都是不均匀的,但为了便于计算,绝大多数关于云辐射的理论模式,都采用平面平行模式.到目前为止,解决三维空间辐射传输问题的方法仍然不多.一般采用统计方法和二流近似法,但这两种方法分别在计算机时和计算精度上受到限制.作者在三维多模传输理论与辐射传输计算程序软件包--DISORT的基础上,发展出计算三维孤立云块多次散射过程的一套程序(MM-DISORT),并由此初步探讨了云块的三维立体结构对云的短波吸收的影响.     

云凝结核浓度对不同弗罗德数下形成的地形云和降水的影响

云凝结核(CCN)对云和降水的影响除与其物理化学性质密切相关外,还受到气象条件的影响,但此类研究较少。文中基于WRF中尺度数值模式,引入了表征大气层流速、层结稳定度和地形关系的湿弗罗德(Fw)数,研究揭示了CCN浓度的变化对不同Fw下形成的地形云和降水的影响。研究表明,当Fw≤1,接近临界流时,地形阻挡起主要作用,地形抬升和重力波作用主要发生在迎风坡一侧,主要形成层状云和向上游传播的浅对流波状云,降水主要发生在靠近山顶的迎风坡一侧。在此种情况下,CCN浓度升高对地形云和降水影响较小,当CCN浓度由100 cm~(-3)增至1000 cm~(-3)时,云滴含水量增大,但雨水含量减小,说明云粒子向降水粒子的转化效率降低,CCN浓度升高抑制了暖雨过程。但在云发展后期,云滴被上升气流带至高层形成过冷云滴,与雪粒子发生碰并形成霰粒子,使冰相物理过程有所增强。CCN浓度升高可导致20 h累积降水量减少10—15 mm,约减小7%—8%;当Fw1时,CCN浓度升高会导致20 h地形云累积降水量减小超过50%,最大达到96%,导致地形云几乎不产生降水,而且降水量峰值位置向山顶后移动5—10 km。研究表明,降水显著减小的原因不仅与CCN浓度升高有关,过山气流产生的背风坡焚风效应也起了非常重要的作用。由于CCN浓度升高形成了大量云滴粒子,使雨滴形成效率显著降低,不能形成降雨的大量云滴被强过山气流快速带至下游背风坡区,由于背风坡下坡气流的绝热加热形成的焚风效应很显著,导致云滴和雨滴快速蒸发,使降水显著减小。这一结果可以解释在落基山脉、以色列及中国华山发现的地形降水减小30%—50%的现象,说明气象环境条件在气溶胶影响降水中起重要作用,污染气溶胶与背风坡焚风效应产生的叠加效应可造成地形云降水显著减小。     

三维辐射传输模式分析非均匀云对天空辐射场影响

为了解非均匀分立云体分布状况下的天空辐射场与无云晴空辐射场的差异, 本文借助一个三维辐射传输数值模式SHDOM模拟了离散云块分布条件下的天空辐射场分布, 重点分析不同云况分布情况下“非云”大气的辐射分布特征, 并将该区域与无云晴空大气辐射场的相同区域进行了比对。工作主要从辐亮度以及450 nm/650 nm的辐射比两参数入手进行讨论。研究发现, 相对无云晴空大气, 云的存在会对周围“非云”大气散射辐射产生影响, 影响程度与云量、云及气溶胶光学厚度等参数相关。数值模拟结果表明, 在云量不太大的条件下, 无云视场空间的大部分辐射值与无云晴空相比变化很小, 集中在±2％之间。这一结果表明, 已有的一维均匀大气辐射传输模式运算结果所得云与非云相元的判据基本适用于非均匀分布的有云大气。另一方面, 模拟结果表明我们也完全可以利用非均匀有云大气中的无云视场观测结果进行大气气溶胶等晴空大气光学特征的探测研究。     

一个海气耦合模式模拟的云辐射过程

利用NCC/IAP T63海气耦合模式进行了20 a积分,详细分析了模式对云量及其辐射影响的模拟能力。结果表明,模式能够模拟出云量分布的基本特征,但同ISCCP卫星观测资料及ERA再分析资料相比还存在较大的差距,总体表现为模拟的云量偏小,尤其是海洋上部分地区出现了异常的低值区。通过对云量方案的改进,明显改善了两大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上空低云的模拟。但模式对热带印度洋到西太平洋地区云量的模拟仍然存在明显的偏差,这主要是由于模式对该地区强对流云模拟能力差,造成该地区高云模拟存在较大的误差。对辐射及其云辐射强迫的分析表明,模式对长波及其云辐射强迫的模拟要明显好于短波。短波辐射模拟的偏差主要是由于短波云辐射强迫模拟过小、耦合模式对积雪和海冰模拟较差、以及未考虑气溶胶的影响等原因共同引起的;而长波辐射模拟的差距主要是云量以及下垫面温度模拟不足造成的。相应于云量方案的改进,两大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上辐射(尤其是短波辐射)的模拟有了明显的改善,这也明显改进了这些地区的净辐射模拟。     

对流性降水云辐射特性研究

结合MM5模式和三维微波辐射传输模式,对2002年7月22～23日发生在湖北宜昌附近一次中尺度强降水过程中的强降水中心的对流性降水云的微波辐射特性进行了模拟,模拟结果表明：MM5模式可以较好地模拟此次降水过程;云中各微物理量的含量和分布对上行微波辐射亮温有重要影响;就物理方法而言,选用适当的云廓线,是利用微波信息反演降水的关键。     

不同辐射传输方案对中尺度降水影响的对比分析

在MM5非静力稳定中尺度气象模式中引进了建立在δ-4流近似和相关-k分布基础上的对云水、雨水、冰晶和霰的辐射特性进行详细描述的辐射传输方案。新建立的辐射传输方案和MM5中原有的辐射传输方案在华南暴雨中的模拟结果相互比较,并与天气实况的对比表明：辐射在中尺度暴雨中起着重要的作用;辐射传输方案对云辐射特性描述的准确程度对于地面降水影响是明显的;不同的辐射传输方案对地面降水的影响存在较大的差异,并且这些差异在白天比在夜间明显;辐射传输过程对地面降水影响的差异主要表现在降水中心上,而对降水的地理分布改变很小;相对而言,不同的辐射传输方案之间对短波描述的差异对地面降水的影响明显,而对长波描述差异的影响不大;新辐射传输方案能够在一定程度上改进MM5对中尺度降水的模拟能力。     

云内大粒子对闪电活动影响的个例模拟

利用三维云起电放电模式, 通过对2008年9月6日北京地区一次雷暴过程的模拟, 研究了云内雨滴、冰晶、霰和雹4种粒子对云内闪电活动的直接影响。对比几种主要冰相粒子比质量浓度的分布变化与模拟闪电开始发生高度的关系, 并分析几种冰相粒子所带电量变化率的时空变化特征后发现:霰和冰晶是对云内闪电发生作用最为重要的两种粒子; 雹粒子对闪电发生作用有限; 雨滴则对于主电荷区附近闪电发生没有直接影响。模拟结果表明:在实际观测中出现的雷达强回波达到某个高度之上可以预警闪电发生的现象, 主要是由于霰粒子在一定高度之上与冰晶之间发生强烈的电荷分离, 从而使云内电场迅速增强, 并最终引发闪电而导致的。