山西中部一次积层混合云降水微物理特征研究

基于2011年5月9日山西中部地区一次积层混合云降水的机载探测和地面雨滴谱观测资料,分析了空中云系微物理参量的垂直分布、冰晶形态及演变和地面降水的微物理特征。结果表明：此次积层混合云为冷云结构,垂直分布不均匀,云中过冷水较为丰沛,对流泡的存在造成云内不同区域云水含量不均匀。云滴的凝华增长导致5.3 km处大云粒子和降水粒子数浓度明显增加。小云粒子谱分布以单峰型为主,峰值直径主要位于5～6 μm或9～10 μm,大云粒子谱分布呈多峰型,不同高度处变化较大。此次降水观测到的冰晶形态包括板状、针柱状、柱帽状、辐枝状和不规则形状,4.9 km处受聚合和淞附过程的共同影响,辐枝状和针柱状冰晶增多,在4.1 km处融化层附近淞附状冰晶明显增加。地面降水受到雨滴谱仪布设位置的影响,其微物理结构主要呈现为层状云降水的特征。     

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。      

改进阈值的冰晶粒子形状分类方法及其应用

基于历史航测数据,对Holroyd云粒子形状分类方法的阈值进行了改进,使得改进阈值后的Holroyd云粒子形状分类方法更适合机载云粒子成像仪（Cloud Imaging Probe, CIP）在我国华北地区所测冰晶粒子形状识别。将改进阈值后的方法应用于山西一次降水性层状云的飞机观测资料分析发现,此次降水性层云中无论在水平分布还是垂直分布上,出现频率在15%以上的冰晶粒子形状有4种,其中有3种较为固定,分别是霰、线形状和不规则状,另外一种形状则与具体的云内环境有关,垂直方向上不同温度区间内为枝状（?8～0°C）和微小状（?12～?8°C）,不同高度的水平方向上则是枝状（5200 m）、微小状（5500 m）和板状（5800 m）;云中冰晶粒子数浓度在水平和垂直方向上波动较大,最小值小于1 L?1,最大值则大于20 L?1,垂直方向上的最大值分别位于每层云中的下部;云中冰水含量值在水平方向和垂直方向上波动范围也很大,其在垂直方向上的云中最大值区域与冰晶粒子数浓度的最大值区域基本一致。     

一次层状云降水过程微物理机制的数值模拟研究

层状云由于在水平上较为均匀, 可以用一维模式来模拟其云微物理过程。因此, 本文使用一个包含详细微物理过程的一维层状云分档模式结合地面Doppler雷达、 PMS观测资料, 对2007年7月1日吉林省一次锋面抬升引起的层状云降水系统进行了模拟研究。计算结果详细地刻画了水滴、 霰、 雪花和冰晶粒子谱分布、 含水量在垂直高度上的分布与变化, 并定量分析了该例中冰晶层、 混合层和暖层中凝华、 凝结、 碰并等微物理过程对粒子谱型的影响, 以及冰晶层、 混合层和暖层对地面降水的贡献率。结果表明, 在该例中, 冰晶层对混合层的播撒以直径D＜300 μm的小冰晶粒子为主。从混合层播撒D＞100 μm的水滴粒子以及未完全融化的冰晶粒子对暖层中小云滴粒子的碰并收集作用较强, 同时, 一部分降水粒子在暖层内可通过随机碰并机制产生。三层云对降水的贡献分别为3.5%、 38.5%和58%。三层云中若缺少混合层, 地面降水仅为0.475 mm/h, 谱宽920 μm, 且雨滴粒子数浓度较高; 若无暖层, 降水时间滞后, 雨强增加缓慢, 地面降水达0.807 mm/h, 雨滴粒子谱宽达1500 μm; 无冰晶层时, 降水强度与三层俱全时的模拟结果基本一致, 降水及雨滴谱的改变非常微弱。     

基于多源资料的积层混合云降水微物理特征

基于地基云雷达、微雨雷达和天气雷达等遥测设备观测资料,结合挂载KPR云雷达和DMT粒子测量系统的飞机平台,详细分析了山东积层混合云降水过程的云降水微物理结构特征。结果表明,积层混合云降水过程呈现层状云和对流云降水特征。零度层以上,5～6 km高度层内,对流云降水多普勒速度和谱宽均大于层状云,说明对流云降水环境垂直气流、粒子尺度等均大于层状云。对流云降水,云雷达和微雨雷达时空剖面上出现由衰减造成的“V”字形缺口,云雷达衰减程度大于微雨雷达,且随高度增加,衰减越大。层状云降水,零度层亮带附近,雷达反射率因子跃增高度比多普勒速度高80 m,多普勒速度跃增高度又比谱宽高20 m。降水云系零度层附近降水机制复杂,粒子形态有辐枝冰晶聚合物、针状冰晶聚合物和云滴;0°C层以上,5～6 km处,对流云降水的多普勒速度和谱宽均大于层状云降水,即对流云降水环境垂直气流、粒子尺度范围等均大于层状云降水。     

华北积层混合云中冰晶形状、分布与增长过程的飞机探测研究

利用中国国家科技支撑计划重点项目环北京地区3架飞机联合云探测试验数据,分析了2009年4月18日和5月1日两次积层混合云中冰晶形状、分布与增长过程。结果表明：飞机在0—-16℃范围的云层内观测到的冰晶形状主要包括板状、针柱状、柱帽状、辐枝状和不规则状。云中低层的冰晶形状受云顶温度影响,云顶温度不同,冰晶形状不同,当云顶温度高于-8℃时,云中低层的冰晶以板状和针柱状为主;当云顶温度低于-13℃时,在云中低层可观测到辐枝状冰晶;当云顶温度低于-18℃时,在云中低层可观测到柱帽状冰晶。同时冰晶形态还受其所处云中位置的影响,在积层混合云中的嵌入对流区含有更多的凇附状冰晶;在融化层以上,冰晶的增长过程主要包括凝华、凇附和聚合过程,在垂直方向上,随着高度降低云中过冷水增多,冰晶的凇附增长也相应增强。积层混合云中的对流区和层云区粒子谱下落拓宽速率有明显差别,在4.8—4.2 km（-11.6—-8℃）高度层,对流区粒子谱拓宽速率为3 mm/km,而层云区为3.67 mm/km,层云中粒子拓宽增长的速率略高于对流区;而在4.2—3.6 km（-8—-5℃）高度层,对流区的粒子谱拓宽速率为6.67 mm/km,层云区为2.33 mm/km,对流区的粒子拓宽增长速率是层云区的近3倍,主要原因是对流区低层的过冷水含量较高。     

AgI焰剂对层状云催化的数值模拟

使用包含详细微物理过程的一维层状云全分档模式,并加入AgI焰剂催化方案,对2007年吉林省长春市一次层状云降水过程进行AgI播撒试验。分别选取云内过冷水含量峰值区(4000 m)、最大冰面过饱和度区(5000 m)和低温度区(5500 m)作为播撒试验区,播撒时间选择云体未充分发展阶段和充分发展阶段。结果显示,在同等播撒剂量下,地面降水对云内AgI播撒高度较为敏感。ST2方案模拟400 min后地面累计降水量增加10.4%。同等条件下,播撒时间越早,催化效果越佳。在充分发展的云体内播撒AgI焰剂,40 min后云内过冷水含水量减少70%以上,表明云内过冷水消耗量与地面雨强增加量之间具有良好的正相关性。4种播撒方案均显示,云内AgI主要靠凝华核化机制产生冰晶,而接触核化机制对AgI核化过程贡献较小。与未催化云体相比,催化后云内冰晶粒子总凝华速率增加明显。同时,地面雨强增加,最大雷达回波强度减小。地面水滴粒子谱分布显示,相比于未播撒时,各播撒方案均使直径400 μm左右的水滴粒子浓度增加1个数量级以上,而水滴粒子谱宽均略有下降,这表明AgI播撒后主要通过增加可降水粒子数量来影响地面降水强度和累计雨量,而对降水粒子谱型拓宽的贡献有限。     

基于飞机观测的美国落基山地区冬季混合相态层状云与夏季对流云的微物理特征

混合相态层状云与对流云的微物理特征有很大的差异性,但现阶段数值模式中并没有充分考虑两者的区别,这是导致云降水的模拟有较大不确定性的原因之一。为了加深对层状云与对流云的微物理特征差异的理解,并为模式的验证和参数化开发提供支撑,本文基于在中落基山地区进行的Ice in Clouds Experiment—Layer Clouds（ICE-L）项目和High Plain Cumulus（HiCu）项目的飞机观测资料,定量对比分析了该地区大陆性混合相态冬季较浅薄的层状云与较弱及中等强度的夏季对流云的微物理特征。其中,粒子图像和粒子谱通过2D-Cloud和2D-Precipitation探头得到,液态水含量通过热线式King探头测量得到,冰水含量基于粒子谱计算得到。主要结论有:（1）在?30°C～0°C的温度层范围内,夏季对流云内的液态水含量比冬季层状云高一个数量级,冰水含量高一到两个数量级,并且在对流云云顶附近观测到更多的过冷水。此外,夏季对流云中液态水含量在?20°C～0°C上随温度降低而升高,而冬季层状云则相反。夏季对流云中更活跃的冰晶生成和生长过程使得云内液态水质量分数小于层状云。（2）冬季层状云与夏季对流云内相态空间分布极不均匀。随着温度从0°C降低到?30°C,在冬季层状云中冰晶发生贝吉龙过程,云中的过冷水为主的区域向混合相态和冰相转化。而夏季对流云中相态结构更为复杂,体现了对流云中复杂的冰水相互作用。（3）在?30°C～0°C的温度范围内,夏季对流云的粒子谱宽度大于冬季层状云。随着温度的降低,冬季层状云与夏季对流云均存在粒子谱增宽的现象。（4）冬季层状云中,温度低于?20°C时冰晶主要为无规则状,在?20°C～?10°C观测到了辐枝状和无规则状冰晶,在?10°C以上观测到了柱状和无规则状冰晶,说明冰晶的生长主要为凝华增长和碰并增长。而夏季对流云以冻滴、霰粒子与不规则冰晶为主,说明主要为液滴冻结、淞附增长和碰并增长为主。（5）在夏季对流云较强的上升气流中存在较高的液态水含量,但垂直速度与云内冰水含量没有明显的相关性。     

成都地区雨滴谱特征

选取成都信息工程学院气象观测场LNM激光雨滴谱仪获得的2009—2011年175次降水过程的观测资料,依据产生降水云的性质进行统计分类,基于微物理特征参量讨论了成都地区积云、积层混合云以及层状云降水雨滴谱的总体特征,同时结合3个典型个例的微结构参量进行对比分析。结果表明:成都地区积云降水和积层混合云降水的雨滴谱比层状云宽且雨滴数密度比层状云多,特别是在大雨滴和甚小雨滴部分;4种反映雨滴谱特性的特征直径从大到小依次为积云降水、积层混合云降水、层状云降水;成都地区层状云降水的雨强主要来自于小雨滴,而积云降水和积层混合云降水的雨强主要来自于大雨滴;雨强取决于大雨滴的数量,小雨滴贡献率与雨强呈负相关,中数体积直径对雨强变化有一定指示作用。对成都地区雨滴谱特征的研究,有利于进一步了解该地区降水的微物理特性及成雨机制,为降水数值预报工作积累资料和经验。     

大气冰核浓度对对流云降水过程影响的数值模拟

在已有的三维对流云模式的基础上新植入了同质冻结和异质核化方案,结合一次山地雷暴个例,通过敏感性试验来探讨大气冰核浓度对对流云微物理过程和降水的影响。模拟结果表明:①冰核浓度的改变会对对流云的动力场及各水成物粒子产生明显作用。增加冰核浓度,冰相粒子的数浓度随之增加;同时,凝华过程中释放大量潜热导致云中上升气流增强。由于水汽含量一定,各水成物粒子"争夺"水汽,使得云滴、冰晶和霰的增长均受到抑制,难以成为较大尺寸的降水粒子。②冰核浓度的增加,"贝吉龙效应"导致云滴的尺度减小,削弱了云-雨转化过程。雨滴、云滴混合比的减小抑制了雨滴对云滴的收集。同时,小尺度的霰粒子削弱了霰融化为雨滴的物理过程,最终导致地面累积降雨量降低。     

光吸收对冰晶粒子散射相函数的影响

本文利用射线跟踪法对冰晶粒子散射、吸收进行了研究。从理论上对一些常见的近似处理方法进行了讨论，计算了长为300μm，半径为30μm的六棱柱状冰晶粒子在不同波段的光散射相函数以及在波长2.2μm时，五种不同大小冰晶粒子的单次散射反照率。结果表明，即使在有吸收情况下，Snell公式和Lambert公式仍是近似成立的，而吸收效应对散射相函数有明显影响。     

过冷云风洞中初始冰晶的初步研究

本着重研究了在过冷云风洞中，温度为－４—１６℃，含水量为１．４ｇｍ＾－３，爆泡后增长４５ｓ的初始冰晶的一些特性。结果表明：（１）初始冰晶质量在－４—１３℃有两个峰值，它们是－５．７℃时的１．８×１０＾－８与－１１．４℃时的６．３×１０＾－８ｇ，而在－８．４℃和－１３℃时出现的极小值分别为２×１０－９ｇ和５×１０＾－９ｇ。（２）初始冰晶的浓度值随着温度的降低出现三个递减的峰值，它们分别是－４．２℃     

SCATTERING PHASE MATRICES OF ICE CRYSTALS WITH HEXAGONAL PRISM AND TRIANGULAR PYRAMID FORM—A VECTOR RAY TRACING METHOD

The work presented previously by the authors(Cai and Liou,1982)has been extended in this paper.By making use of our improved model the calculations on scattering phase matrices of hexagonal prismice crystals(HPIC)have been conducted for monodisperse and polydisperse systems.Compared with themodel of Cai and Liou,the required computational quantity is decreased by about two orders of magni-tude and the errors of results are less for the new model.Meanwhile,the scattering phase matrices of triangularpyramid ice crystals(TPIC)are also computed in the paper,and the comparison between the scatterings of thetwo forms of ice crystals is performed.     

云室中两种检测冰晶方法的比较

通过实验比较了在云室中检测冰晶的两种方法－糖盘法和玻片法，结果表明玻璃片测到的冰晶数比糖盘高数倍，讨论了两种方法检测的上下限，优缺点及应用范围。     

冰晶增长对热量收支的影响

使用二维云分辨模式研究冰晶增长过程(云水到冰晶的冻结增长和通过水汽凝华冰晶到雪的增长)对热量收支的影响。采用4种冰晶增长参数化方案模拟了热带到中纬度地区的4个降水个例。研究发现:(1)高冰核浓度的ZENG方案和SHEN方案引起对流层中上层辐射加热增多,这与它们模拟的冰晶在对流层中上层增多有关。(2)高冰核浓度的ZENG方案导致模拟区域—平均的局地温度变化在对流层上层出现异常减小值,这与它在热带个例中导致垂直热量通量辐合减少和在中纬度个例中导致潜热加热减少有关。(3)尽管高冰核浓度的ZENG方案引起质量加权平均的辐射加热增多,但是它在热带个例中引起地表感热通量减少和在中纬度个例中引起潜热加热减少,最终导致4种参数化方案计算的模拟区域—质量加权平均的局地温度变化基本一致。     

冰晶繁生对雷暴云非感应起电影响的数值模拟

为了研究冰晶繁生在雷暴云发展过程中对非感应起电过程的影响,利用三维雷暴云模式在理想层结环境下,对雷暴云内各种水成物粒子、电荷以及电场分布情况进行数值模拟。模拟结果表明:在雷暴云发展和成熟阶段,有繁生过程参与的雷暴云中下部存在一个冰晶聚集区域,从而使得云内冰晶的数量较无繁生过程增大约1 5%～18%,且聚集的区域范围更大;同时,繁生过程的加入也使得霰粒子数量也比无繁生过程时增大约20%;霰冰非感应电荷转移的正区一般位于霰粒子浓度高值区附近,而负区位于冰晶和霰粒子浓度高值区相重合的区域;冰晶繁生过程通过影响雷暴云中冰晶和霰粒子浓度和分布位置,使得雷暴云非感应起电的强度和位置发生改变,导致云内起电过程提前约5～6 min。     

双频毫米波雷达反演云微物理参数的模拟研究北大核心

根据雷达探测的云回波雷达反射率因子和多普勒速度,利用两种独立的双频反演算法,估算了云微物理参数。利用离散偶极子近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)计算了云滴后向散射截面和衰减截面,根据模拟数据实验了三种频段组合的反演结果,探讨算法对滴谱参数、粒子形状的敏感性,比较两种方法反演水云和冰云的优劣。结果表明:双频比(Dual-Frequency Ratio,DFR)和多普勒速度差(Doppler Difference of Velocity,DDV)在水云中都可独立推导中值直径(D_(0)),但在高频波段,基于DFR的算法对雨、云水和水汽的衰减非常敏感,而基于DDV的方法受衰减的影响较小。鉴于高频波段衰减完全订正的困难性,水云的DDV反演方法比DFR更直接准确。对于冰云,DFR的技术相较于DDV的方法具有明显的优势,因为两频段处的DFR在冰云中的动态范围更大,而DDV的动态范围相对于系统和测量误差较小。     

Torrential rainfall responses to ice microphysical processes during pre-summer heavy rainfall over southern China

In this study,the effects of key ice microphysical processes on the pre-summer heavy rainfall over southern China during 3-8 June 2008 were investigated.A series of two-dimensional sensitivity cloud-resolving model simulations were forced with zonally uniform vertical velocity,zonal wind,horizontal temperature,and water vapor advection data from the National Centers for Environmental Prediction(NCEP)/Global Data Assimilation System(GDAS).The effects of key ice microphysical processes on the responses of rainfall to large-scale forcing were analyzed by comparing two sensitivity experiments with a control experiment.In one sensitivity experiment,ice crystal radius,associated with depositional growth of snow from cloud ice,was reduced from 100 μm in the control experiment to 50 μm,and in the other sensitivity experiment the efficiency of the growth of graupel from the accretion of snow was reduced to 50% from 100% in the control experiment.The results show that the domain-mean rainfall responses to these ice microphysical processes are stronger during the decay phase than during the onset and mature phases.During the decay phase,the increased mean rain rate resulting from the decrease in ice crystal radius is associated with the enhanced mean local atmospheric drying,the increased mean local hydrometeor loss,and the suppressed mean water vapor divergence.The increased mean rain rate caused by the reduction in accretion efficiency is related to the reduced mean water vapor divergence and the enhanced mean local hydrometeor loss.     

Impacts of Two Ice Parameterization Schemes on the Cloud Microphysical Processes and Precipitation of a Severe Storm in Northern China

A severe storm that occurred over Beijing in northern China on 23 June 2011 was simulated with two different ice crystal parameterization schemes(the DeMott scheme and Meyers scheme) by using the Regional Atmospheric Modeling System. Compared with the DeMott scheme, the simulation results with the Meyers scheme have the following characteristics:(1) Updrafts are stronger and more numerous;(2) The cloud is better organized and contains a greater peak of ice-phase hydrometeor mixing ratios;(3) Cloud water and hail mixing ratios increase while graupel mixing ratios decrease;(4) The surface precipitation is initially greater. However, at the end of the simulation, less precipitation is produced. In short, the differences between the two schemes are not obvious, but the De Mott scheme has a relatively more reasonable result.