江西地区层状暖云微物理结构特征及云雨自动转化阈值函数的研究

本文利用机载云粒子探测设备对2014年11月6日至12月25日期间在江西地区探测获得的7次暖云飞行个例资料,详细分析降水云和非降水云的微物理结构特征。云雨自动转化阈值函数（T）是描述云内碰并强度的重要微物理参量。我们发现T值在云内分布呈现云底较小,随着云内高度的增加T值逐渐增大,并且在云中部和上部达到最大值;研究还发现降水云的T值在0.6以上的频率远大于非降水云,表明降水云中的碰并过程更强,云滴更易通过凝结和碰并过程形成雨滴,符合暖云降水机制。降水云中云滴谱相对离散度（ε）和云滴数浓度（N_c）的负相关程度较非降水云更为显著,随着T的增大,二者的负相关程度增强;相比于云滴平均半径（r_a）的变化,云滴谱标准差（σ）的变化主导ε–N_c负相关程度的增强。     

大陆性积云不同发展阶段宏观和微观物理特性的飞机观测研究

2014年7月3日,山西省人工降雨防雹办公室在该省忻州地区开展了国内首次大陆性积云飞机穿云探测。本文利用机载云物理探测资料,分析研究了不同发展阶段的积云宏、微观物理特性,主要结论有:（1）初生发展阶段的积云水平尺度约为8.2 km×5.5 km（经向×纬向,下同）,云厚约2 km;云中以小云粒子为主,云滴凝结增长;水平方向上,云液水含量（LWC）和粒子浓度（N_c）的最大值均位于云体中心位置;垂直方向上,云水分布相对均匀,但随着高度增加,云粒子浓度变小,粒子尺度增大;粒子谱符合伽马分布,峰值量级为102 cm-3 μm-1,谱宽在100 μm以下。（2）成熟阶段的积云水平尺度约为4.6 km×10 km,云厚约4 km;云内可以观测到积冰和雨线;小云粒子浓度随高度增加起伏变化,3600 m、4100 m和4900 m高度处存在峰值;大云粒子浓度随高度先增加后减小,最大值出现云底以上1.6 km高度,云底以上1.3 km高度附近有降水粒子形成;粒子谱呈多峰分布,暖区符合伽马分布,冷区为伽马分布和M-P分布相结合,且随着高度的增加拓宽,4400 m高度以下的谱宽小于200 μm。（3）消散阶段积云尺度约为11 km×5.6 km,云厚约2 km,云下有降水粒子存在。     

华北中部夏季气溶胶和云分布特征

气溶胶与云的垂直分布特征是气溶胶间接气候效应关注的重点。基于2018年7—8月华北中部6架次飞机观测数据,研究气溶胶和云滴的垂直和水平分布特征。结果表明:华北中部780~5687 m高度内气溶胶数浓度( N_a )平均值为821.36 cm-3,最大量级可达到104 cm-3,云中气溶胶数浓度(N_acc)占总颗粒浓度的80%以上,表明细颗粒占大多数,气溶胶粒子算术平均直径( D_m )平均值为0.12~0.52 μm;大气层结对气溶胶垂直分布影响较大,逆温阻挡气溶胶垂直输送,高空(高度2000 m以上) D_m 的垂直分布受到相对湿度影响较大; N_a 和 D_m 在垂直方向波动较大,水平方向波动较小;低层云中云滴数浓度(N_c)较大、液态水含量(L)较小,而中层和高层云中N_c较小、L较大,N_c和云滴有效半径(R_e)的概率密度函数均为双峰型分布,L的概率密度函数为单峰型分布;气溶胶数浓度谱基本呈现多峰型分布,而云滴数浓度谱多呈现单峰型分布。     

华北地区一次气溶胶与浅积云微物理特性的飞机观测研究

2014年8月15日,山西省人工降雨防雹办公室在山西忻州开展了气溶胶和浅积云的飞机观测,本文利用机载云物理资料,详细分析了华北地区气溶胶、云凝结核（CCN）和浅积云微物理特性及其相互影响。主要结论有:（1）此次过程的边界层高度约为3600 m,不同层结情况下,0.1～3 μm尺度范围内的气溶胶粒子浓度N_a、有效直径D_a和CCN数浓度的垂直廓线明显不同,近地面N_a可达2500 cm?3。（2）CCN的主要来源为积聚模态、爱根模态或者核模态的气溶胶颗粒,0.2%过饱和度下,气溶胶活化率（AR）在各高度层的结果变化不大;0.4%过饱和度下,AR随着高度增加而降低。（3）后向轨迹模式分析表明,2 km以下的气溶胶主要来自于当地城市排放,由细颗粒污染物组成;2 km以上的气溶胶主要来源于中国西北和蒙古地区的沙漠,由亚微米沙尘组成,溶解度相对较低,可作为潜在的冰核。（4）本文细致分析了两块相邻浅积云（Cu-1和Cu-2）的云物理特性。Cu-1云底高度约4500 m,云厚约600 m,云体松散,夹卷较多;云中液态含水量（LWC）基本保持在0.5 g m?3,云粒子浓度N_c平均值为278.3 cm?3,云滴有效直径D_c整体在15 μm以内;毛毛雨滴粒子浓度最大值为0.002 cm?3,云中几乎无降水粒子;粒子谱宽随着高度增加而增大,主要集中在30 μm以内。Cu-2云底高度约3900 m,云厚约1200 m,云体密实;云中过冷水丰沛,LWC有多个超过1 g m?3的区域,云顶附近出现冰晶,云中粒子从凝结增长状态直接进入到混合相态;积云内部粒子水平分布不均,同一高度N_c相差较大,最大可达1240 cm?3。D_c随着高度增加而增大;粒子谱宽随着高度增加而拓展,最大可达1100 μm,谱型由单峰向多峰转变;降水粒子和冰晶图像大多为霰粒子、针状和板状。     

一次降水性积层混合云系的微物理特征分析

利用山东省2007年10月27日1架次机载粒子测量系统（Particles Measuring System,PMS）积层混合云探测资料,分析了云中粒子浓度和尺度、液态含水量,以及小云滴和大云滴谱的垂直分布特征,比较了催化前后云微物理特征的变化。结果表明,催化前,云层中小云滴谱型为单峰,谱宽随高度增加先变窄后变宽,大云滴谱型在云低层为单峰,中高层为双峰谱,谱宽随高度增加先变宽后变窄,并且没有探测到降水粒子。催化后,小云滴尺度在低层减小、高层增加,整层液态水含量减小;大云滴浓度增加,尺度增大,出现降水粒子,固态粒子类型增多。在3 700~4 000 m高度层内小于10μm粒子明显增加,说明凝结过程比较明显,并且10~27.5μm粒子开始出现,启动了云滴的碰并机制。小云滴谱变化较小,基本为单峰谱,但在较大云滴处谱型略有起伏,在3 000m和3 300m高度的谱宽增宽。大云滴粒子谱有较大的变化,低层变成双峰谱,谱宽最宽可达650μm,中高层为双峰或多峰,峰值从小值向较大值移动。2D-P探头在催化云高层探测到降水粒子,谱型呈单调下降形态,谱宽最大为600μm。     

气溶胶浓度对暖云不同生长阶段物理特征影响的模拟研究

基于云微物理过程完善的TAU2D分档云模式, 模拟研究了用热泡扰动生成的暖云在不同气溶胶数浓度(Na)背景条件下各演变阶段云微物理量的变化特征。结果表明: 在暖云的发展过程中Na越高, 云滴尺度变小, 云滴间的碰并增长发动较晚, 云滴谱因碰并增长而实现的滴谱拓宽变弱, 云滴谱相对较窄, 云滴谱标准差较小, 因此云体发展越缓慢, 云体生命周期越长, 形成降水就越晚; 反之, 云滴尺度越大, 碰并增长发动越早, 云滴谱拓宽更明显, 云滴谱标准差越大, 云体生命周期相对更短, 降水开始时刻越早。高Na背景下, 碰并阶段云滴谱较凝结阶段更宽, 沉降阶段因云体下沉蒸发导致小尺度云滴减少, 使其滴谱较碰并阶段略有拓宽。在凝结阶段, 低气溶胶背景下云滴数浓度(N)和离散度(ε)间呈现正相关关系, 而高气溶胶背景下两者为负相关关系。在碰并阶段, N与ε的相关性关系为负相关, 且随着气溶胶数浓度的增加, 负相关程度降低。在沉降阶段, N和ε间为负相关关系。     

海洋层积云中的云滴谱宽度及其影响因子

云滴谱宽度对模式中云的光学厚度的参数化、气溶胶间接效应的评估以及降水形成过程的研究至关重要。本文利用美国POST（Physics of Stratocumulus Top）项目2008年7月19日的飞机观测资料，分析了微物理量和云滴谱的垂直分布及微物理过程。结果表明，该云系云滴谱宽度在云底附近较大，这是由低层核化过程导致的；中层凝结增长过程使得云滴谱宽度随高度增加逐渐减小；云顶附近夹卷混合过程导致云滴谱宽度增大。绝热云中垂直速度的增大会促进云凝结核的活化使云滴数浓度增大，促进凝结增长使云滴尺度增大、云滴谱宽度减小，云滴谱宽度与云滴数浓度、云滴尺度呈现负相关关系；云洞中受夹卷混合过程影响，垂直速度减小，云滴蒸发，云滴数浓度和云滴尺度减小、云滴谱宽度增大，且该效应随绝热程度减小而增强。建议云滴谱宽度的参数化将垂直速度、云滴数浓度、云滴尺度和绝热程度等考虑在内。     

利用三架飞机联合探测资料分析层积混合云催化物理效应

利用2009年4月18日三架飞机联合探测层积混合云资料,结合MICAPS再分析资料、雷达、卫星及地面台站资料等,在准确区分自然云区与催化响应区的基础上,对这次降水性层积混合云的微结构和催化物理响应进行了深入研究。结果表明:云上部(4 800 m层,距云顶1 700 m,距云底3 000 m)累积了云中大部分的过冷水,是云内发展强盛区;云上部嵌入式积云区温度低于周围层云区2℃,积云区含水量分布不均,最大值为1.5 g/m~3,标准差为0.4 g/m~3,而层云区含水量最大值和标准差分别为0.6 g/m~3和0.15 g/m~3,积云区和层云区的云滴谱峰值直径分别为25μm和15μm,云滴数浓度的量级分别为102cm-3和101cm-3。对催化云而言,此次联合探测在4 800 m层捕捉到嵌入式积云区的催化响应,人工播撒Ag I会促进该层云的消散过程,催化后1 h内云区占比由71%降至13%,云中液态含水量持续减少且趋于均匀分布,催化后10 min与20 min云中含水量的最大值分别为1.0 g/m~3和1.5 g/m~3,标准差为0.3 g/m~3和0.15 g/m~3,凇附与聚合增长为主要冰相微物理过程,云滴谱先变窄,后因H-M冰晶凇附繁生而拓宽;在云的中下层则受上层催化影响而产生旺盛云区,10 min内该层云区范围显著扩大,云滴及冰相粒子尺度均增加一倍,同时旺盛云区自上而下扩展。     

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.     

Ka/Ku双波段云雷达反演空气垂直运动速度和雨滴谱方法研究及初步应用

在Ka波段云雷达上升级改造建成的Ka/Ku（Ka和Ku波段波长分别为8.9 mm和2.2 cm）双波段云雷达2019年用于华南云降水垂直结构观测,以改进云内动力和微物理参数探测能力。为了利用该双波段云雷达研究华南降水微物理和动力结构,本文提出了基于双波段云雷达回波强度谱密度（S_Z）数据和最优估计技术的云内空气垂直运动速度（V_air）、雨滴谱（DSD）、含水量（LWC）、雨强（R）的反演方法（DWSZ）,雨区衰减的订正方法。利用2019年在广东龙门观测的一次降水过程数据,对比分析了云雷达反演的微物理参数与雨滴谱直接观测量,并检验了云雷达反演的低层空气垂直运动速度,利用反演结果分析了一次混合云过程的V_air与这些微物理参数的垂直结构和相互关系。结果表明:Ka/Ku双波段云雷达合理反演了微降水微物理和动力参数及其垂直分布,经过衰减订正的Ka和Ku波段回波强度偏差明显减小。该双波段云雷达数据可以用于分析0～30 dBZ回波强度的云降水垂直结构。本次过程为混合云降水,对流单体前部存在明显的上升气流,后部存在下沉气流;从平均垂直结构来看:V_air和粒子平均直径（D_m）在2 km高度层到达最大,粒子数密度（N_w）、LWC和R在2 km以下明显增强,粒子直径却减小,水汽凝结过程、雨滴碰并云滴是本次过程的主要机制。这一工作验证了Ka和Ku波段组合的双波段云雷达的可行性,为Ka/Ku波段云雷达技术的推广,单波段云雷达反演算法进一步改进,云降水精细结构分析等提供了基础。     

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。     

利用毫米波云雷达数据反演层云微物理参数和云内湍流耗散率

利用地基毫米波雷达进行云参数及云内湍流特性的探测和反演。根据云雷达回波的功率谱数据,反演出大气垂直运动速度和云微物理参数,得到云内湍流耗散率ε的大小和分布情况,并进一步研究和分析了云内空气垂直运动与云微物理参数、反射率因子、多普勒速度、速度谱宽变化的关系,更好地了解云的演变情况。对2016年8月8日四川稻城的一次层状云过程的探测和反演表明：1）粒子有效半径随着上升气流的增强而增大,由于碰并聚合的作用,粒子数浓度也呈现相应减小的趋势。2）云内湍流耗散率ε在云底、云顶较大,云内较小,量级在10^-8~10^-2 m²·s^-3,多普勒速度能谱验证了假设雷达探测湍涡的尺度在惯性副区的合理性。3）随着上升气流的增强,云粒子的下沉运动相应减小,速度谱宽相应增大。     

基于飞机观测资料的降水粒子反射率因子阈值分析

降水粒子对云的生消和演化有非常重要的影响。毫米波雷达适合观测非降水云和弱降水云。利用毫米波雷达数据判断云内降水粒子生成与否有很高的实用价值。本文利用飞机观测的云滴谱数据计算云的反射率因子。将其与雷达探测值进行比对,发现两者有较好的一致性。因此利用滴谱计算的降水粒子反射率因子阈值可以作为雷达判断降水粒子生成的指标。通过分析滴谱计算云滴和降水粒子的反射率因子的概率密度函数可以得到用于区分云滴和降水粒子的反射率因子阈值。通常,云滴的反射率因子不超过-5dBz,降水粒子的反射率因子高于-20dBz,-15~-12dBz可作为判断降水粒子出现的阈值。     

基于航测的云底气溶胶活化率与过饱和度估算

2016年11月13日在北京地区上空存在持续稳定的层状云天气背景下,利用飞机开展气溶胶粒径谱、化学组成、云滴谱等参量的垂直观测,研究该个例云底气溶胶的活化能力。结果表明:探测期间北京地区为轻度污染天气,地面气溶胶浓度(0.11~3 μm)达到4600 cm-3。云层高度为800~1200 m,云底气溶胶数浓度相对于近地面大幅度降低,有效粒径显著增大(0.3~0.6 μm)。同时,近地面气溶胶中疏水性的一次有机气溶胶贡献显著,而云底气溶胶中一次有机气溶胶的贡献大幅降低,无机组分和二次有机气溶胶的贡献明显增大,造成吸湿性参数κ由0.25(地面)增大至0.32(云底)。云中气溶胶和云滴的谱分布衔接较好,且两者的数浓度之和与云底气溶胶浓度一致,可分别代表未活化和已活化的粒子。基于云底气溶胶粒径谱和吸湿性参数计算得到不同过饱和比下云凝结核的活化率,通过与云中观测结果对比,反推得到云底过饱和度约为0.048%。     

不可溶性气溶胶对边界层暖云滴谱离散度影响的模拟研究

基于一维分档MISTRA边界层云模式,模拟研究了内部混有不可溶核的硫酸铵气溶胶对边界层暖云微物理特征的影响。结果表明：边界层内湍流动能通量是影响暖云发展的重要因素。云中液态水含量、过饱和度以及云滴谱离散度均随云中的高度增加而增大。云滴谱标准差是影响云滴谱离散度变化的主要因子。在暖云发展阶段,不可溶性核会增加云中过饱和度,进而导致云滴谱分别向大尺度和小尺度端拓宽,云滴谱标准差增大,云滴谱离散度随时间增加而增大的程度增强;在暖云减弱阶段,不可溶核会造成云中大尺度端云滴数浓度减少,云滴谱变窄,标准差变小,云滴谱离散度逐渐减小的特征减弱。     

云参数的两种地基雷达反演方法对比研究

云微物理参数是研究云物理过程和云辐射效应的基础。采用35 GHz的Ka波段毫米波云雷达的IQ数据,处理得到功率谱数据,进行了云微物理参数的反演,并且与云雷达和微波辐射计的联合反演方法进行了对比。个例研究表明:(1)层状云的云滴数浓度(N_0)典型值在80～100个/cm~3;有效半径R_e(Effective Radius)在15～25μm之间;液态水含量LWC(Liquid Water Content)在0.01～1 g·m~(-3)之间;(2)利用功率谱进行反演,可以消除空气运动的干扰,提高了反演结果的可靠性;(3)反演结果的对比分析表明,功率谱反演方法和联合反演方法有较好的一致性,两种方案都适用于水云微物理参数的反演。     

一次西风槽过程过冷云水分布特征观测研究

过冷云水生消演变规律是云物理学和人工影响天气的重要研究领域。根据Hobbs 1974年提出的假定,利用飞机、卫星、雷达和雨量计等观测资料,对2012年9月21日河北一次西风槽天气过程进行观测研究,分析其过冷云水分布特征及演变规律。结果表明,槽前云系过冷水区宽厚并且过冷水含量较高,云滴浓度和均立方根直径较大并且均匀,冷云区厚而且没有分层,没有暖云配合;近槽云系中冷云区小粒子浓度降低但云滴直径增大,冷云区夹有干层,云系变厚出现暖云配合,冷暖云液态水含量较高,冷暖云区大粒子和降水粒子浓度和尺度增大,中尺度云团移动较快;槽后云系中云滴浓度最大,但云滴均立方根直径明显减小,过冷水区出现的高度下降、厚度很薄、过冷水含量较低,冷、暖云之间有干层,暖云对应的大粒子浓度和降水粒子浓度非常大,地面降水主要由暖云过程产生;云水(过冷水)含量峰值常出现在云内逆温层的上方;利用云粒子测量系统(PMS)资料分析过冷云水生消演变特征与卫星和雷达资料具有较高的一致性。     

降水条件下的云雷达与微波辐射计反演液态水含量对比分析

为了发展云雷达与微波辐射计联合反演液态水含量的方法, 利用2019年4—9月中国气象科学研究院在广东龙门开展的综合观测试验中的双波段云雷达和微波辐射计数据, 首先检验了在降水条件下微波辐射计天顶观测和斜路径观测两种探测模式反演温度(T)、相对湿度(RH)、液态水含量(LWC)和液态水路径(LWP)的合理性, 然后分析了两种探测设备反演LWC和LWP的差别。得到以下结论: (1)微波辐射计在斜路径观测模式下反演的产品受降水影响较小, 其反演结果明显优于天顶观测模式; (2)两种探测设备反演的LWP相关性较好且随时间变化较为一致, 但云雷达反演LWP与平均回波强度有明显相关, 随着雷达回波强度的增大, 云雷达与微波辐射计反演的LWP之比越大; (3)两种探测设备反演的LWC相关性较差且存在明显偏差, 在不考虑融化层的情况下单波段云雷达反演LWC与微波辐射计随高度变化趋势相近, 双波段云雷达反演LWC与微波辐射计反演结果在1 km及其以上区间存在明显差异。      

2005年北京消云试验微物理检验

利用机载PMS(Particle Measurement System)粒子探测系统获得的云微观特征和宏观观测分析了2005年北京消云试验的效果。比较2005年9月12日上午消云作业前后云滴数浓度、粒子有效直径和云滴谱分布的变化发现,在暖云中播撒吸湿性高浓度粒子群能够产生一定的消云效果。作业后云微物理结构的垂直分布发生较大变化,云滴数浓度和粒子有效直径均变小,并且在作业高度下方出现一个干层;吸湿性物质促使云滴发生碰并过程,使得大云滴消失小云滴变少;作业半小时后垂直方向影响范围小于900m。此外,在9月13日下午的消云试验中观测到消云作业产生的一条明显云沟。     

山西省层状云微物理结构探测分析

针对山西省2009年6月18～19日的一次降水过程,利用机载DMT探测资料、Micaps常规天气资料和卫星云图等资料分析了这次降水的宏微观特征.结果表明:这次降水是锋面云系产生的,18日山西省处于冷锋锋前,19日为冷锋锋后;锋前云底较低,云层较厚,有夹层存在,云中上升气流很强,云滴数浓度最大为280 cm3、平均直径最大为15 μm、含水量最大值为0.35 g/m3,云滴谱呈双峰或多锋型;锋后云底较高,云层较薄,云滴数浓度最大值为170 cm-3、平均直径最大为10 μm、含水量最大值为0.05 g/m3,云滴谱呈双峰或多锋型;层状云在垂直方向和水平方向均存在不均匀性;垂直方向含水量变化与云滴尺度变化较为一致,水平方向含水量增加主要因为大云滴数密度的增加;T分布拟合云滴谱结果接近实际分布.