华北春季降水性层状云中冰相粒子形状分布

为了获取华北春季降水性层状云中冰相粒子形状分布及其在降水发展中的变化,利用机载云粒子成像仪(OAP-CIP)在三次层状云降水天气过程中所测粒子图像资料,分析了不同降水阶段不同温度区间内不同粒径范围下的冰相粒子形状分布特征,并研究了影响云中冰相粒子增长变化的关键微物理过程。结果表明：在降水发展早期,云中冰相粒子形状分布以霰和线形状为主,在500μm以上粒径统计中,这两者的出现频率分别在20%和40%以上;聚合状粒子除了在0～-4℃的温度区间内出现频率在10%～20%之间,其他温度区间内出现频率均在10%以下;云中粒子增长以凝华和凇附过程为主。在降水成熟阶段,霰和聚合状粒子是两种主要粒子形状,其出现频率在25%以上;线形状粒子在0～-4℃和-4～8℃温度区间内出现频率在10%～20%;板状粒子的出现频率在5%～15%;不规则状粒子在125μm粒径以上的粒子数统计中出现频率在10%以上,但其他粒径段则在10%以内且随统计粒径增大,其出现频率降低;云中粒子增长在凝华基础上以凇附和碰并聚合为主。     

云南省积层混合云微物理特征飞机观测

2017—2020年利用运-12和空中国王-E350飞机搭载的国产云粒子测量设备在云南开展了76架次积层混合云观测, 数据分析表明:云南的云粒子数浓度远高于华北地区, 云粒子(直径为2~50 μm)数浓度平均值为339.7 cm-3, 最大值为1067.6 cm-3, 平均含水量为0.181 g·m-3, 最大值为2.827 g·m-3, 有效直径平均值为11.2 μm, 最大值为34.6 μm。云粒子谱呈负指数双峰分布, 主、次峰值分别出现在4 μm和10 μm处。云粒子数浓度、含水量和消光系数随高度呈明显分层特征, 有效直径随高度变化不明显, 反射率因子在3.4 km高度最大。暖云区200~1500 μm范围的雨滴粒子平均含水量为0.183 g·m-3, 最大值为4.247 g·m-3, 200~6000 μm范围的雨粒子平均含水量为0.406 g·m-3, 最大值为8.917 g·m-3。不同含水量条件下的云粒子谱宽不同, 随着云中含水量增加, 云粒子谱变宽。西南夏季风爆发后, 暖云区的小云粒子增多, 大云粒子减少, 开展暖云区人工增雨作业有利于提高人工增雨效率。     

一次飞机严重积冰的天气条件和云微物理特征

利用2021年2月28日机载探测资料, 结合欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料、陕西省延安站探空资料, 分析飞机发生严重积冰的天气背景和云的宏微观结构特征。此次严重积冰天气是受高空槽、低空切变线、低空急流和地面冷锋共同影响的结果。ERA5再分析资料表明:过冷水大值区主要分布于锋区前部暖侧的700 hPa至600 hPa高度。探空资料表明:飞机探测区环境温度为-9~-3℃, 温度露点差为0℃, 具有发生严重积冰的温度和湿度条件。飞机遭遇严重积冰期间环境温度为-8~-5℃, 云粒子探头观测的液态水含量平均为0.35 g·m-3, 最大为0.7 g·m-3;总水含量仪观测的液态水含量平均为0.5 g·m-3, 最大为0.85 g·m-3, 有11 min大于0.45 g·m-3;云粒子中值体积直径平均为20.3 μm, 云粒子数浓度平均为149.3 cm-3;云粒子数浓度由低层到高层呈增大趋势, 而云粒子中值体积直径变化趋势与之相反。计算表明:国王350飞机在穿云作业时, 云中过冷水含量分别高于0.04 g·m-3, 0.15 g·m-3和0.45 g·m-3时可能遭遇轻度积冰、中度积冰和严重积冰。     

机载云降水粒子成像仪的数据处理软件研发及其在云微物理研究的应用

云粒子成像仪(Cloud Imaging Probe,CIP)和降水粒子成像仪(Precipitation Ima-ging Probe,PIP)在云微物理和人工影响天气的观测研究中具有重要的作用.受限于仪器的成像测量原理,CIP和PIP所测云微物理数据质量因伪粒子的影响而降低,因此,急需一款能够对仪器所测数据进行订正...     

云微物理参数在飞机积冰分析和预报中的应用研究

对飞机积冰预报的现状进行了分析 ,介绍了积冰预报中云微物理参数的应用概况 ,并就积冰预报中云微物理参数的应用前景进行了分析和讨论。将模式模拟和卫星反演的微物理参数引入飞机积冰分析和预报 ,将进一步提高飞机积冰预报的准确性和合理性     

飞机积冰云微物理特征分析及监测技术研究

利用7个架次有积冰报告的飞机探测资料,对积冰云的微物理特征进行了分析,详细描述了云中相态组成、液水含量、中值体积直径和过冷大滴浓度特征。介绍了基于卫星、数值模式输出和地面观测资料的飞机积冰潜势监测技术,在与20个飞机探测积冰报告对比中,积冰监测可识别率为90%,并应用飞机积冰潜势监测技术具体分析了2010年10月26日的积冰个例。最后介绍了基于积冰潜势监测技术的飞机积冰监测系统,该系统能够支持水平分辨率为20 km、垂直分辨率为25 hPa、时间分辨率为1 h的飞机积冰潜势产品的运算和显示,该系统可为实际业务提供参考。     

一次冷锋过程的云微物理特征分析以及飞机积冰预报检验

利用NCEP GDAS/FNL资料分析了2013年2月19日黄淮至江南区域的一次冷锋过程的天气形势,结合MODIS卫星资料诊断云微物理特征,发现冷锋后的江淮大部至黄淮南部包括河南南部环流场配置和温度湿度条件好,云层较厚实且云内温度较低,云中含有足够的液态水,有利于生成积冰。接着采用IC指数法和Willam算法预报积冰概率和强度,用相近时次收到的航空器报告进行检验,发现Willam算法使用的MODIS卫星资料分辨率远高于IC指数法的常规气象资料数据,预报准确率也高于IC指数法。实际工作中同时使用两种方法,能给飞机积冰的预警服务提供可靠的判断依据。     

云粒子的破碎对积层混合云微物理参量测量的影响

由层状云和镶嵌在层状云中的对流单体组成的积层混合云系是一种重要的降水系统,为研究云粒子破碎对积层混合云系中对流较强区域和层云区域中的云微物理参量测量影响的差异,本文提出了一个时变阈值的破碎粒子识别方法,并利用该方法研究了破碎云粒子在层云区域与对流区域对云微物理参量测量影响的异同.经研究发现破碎粒子对粒子谱影响在小粒径端...     

山东半岛一次冷流暴雪过程的中尺度模拟与云微物理特征分析

本文以NCEP-FNL资料作为初始场和边界场,采用WRF中尺度模式对2010年12月29-30日发生在山东半岛的一次冷流暴雪过程进行数值模拟,并利用高时空分辨率模拟结果分析此次过程的中尺度特征和云微物理特征.模拟与分析结果表明,此次暴雪过程发生在较强的海气温差背景下,渤海海表对冷空气的增温增湿作用显著,通过湍流交换等作用向低层大气输送大量感热、潜热和水汽;水汽由渤海中部海域输送到山东半岛东北部地区,其上空水汽辐合层比较浅薄,集中在800 hPa以下,相对湿度饱和层和比湿高值维持的时间与强降雪时段一致;中尺度海岸锋的生消过程对冷流暴雪过程形成有着重要作用,水平方向上呈现为偏北风和偏西风的强辐合带,局地环流中的上升运动触发不稳定能量释放,直接决定暴雪的落区和强度,这是产生浅对流降雪的主要物理机制;云中水凝物粒子的高度在600 hPa以下,最大值出现在850～900 hPa之间与浅对流结构相对应;各水凝物粒子含量相差较大,以雪和霰最多.     

河南省人工增雨飞机云微物理探测设计

人工增雨是一项研究型业务,飞机外场作业、探测是它的重点,只有根据一定目的方案设计下才能体现探测、作业资料的研究价值。根据河南省人工增雨作业、探测分析研究的需要并结合行业专项飞机探测,探讨了5种云微物理探测目的及相应飞机探测设计:1典型锋面云系垂直剖面结构探测;2降水性层状云垂直结构探测;3人工增雨催化作业效果检验飞行探测;4云中过冷水探测;5催化剂在云中的扩散及其物理响应的探测。以2013年3月25日飞机人工增雨探测为例,探讨了飞行探测人工增雨的催化作业效果检验。     

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。     

"98.5"华南前汛期暴雨云微物理场数值模拟分析

为了进一步理解暴雨发生过程中云微物理场的演变和云微物理过程与动力、热力过程的相互作用,利用非静力中尺度数值模式MM5对1998年5月23~24日的华南暴雨过程进行了模拟,并详细分析了模拟结果。分析结果表明:利用混合冰相显式物理方案比其它方案模拟的降水更接近实际情况;云微物理场的模拟显示没有雪出现,这可能是华南降水云微物理的特点;每小时降水量有先减弱后又增强的趋势,暴雨过程中云的各微物理量的变化趋势与其一致;云的发展与良好的热力动力条件互相作用、共同加强,由南风带来的充足的水汽和热量为其发展提供前提条件,凝结潜热使上升运动向更高处伸展。     

液态CO2人工引晶后云微物理和降水变化的观测分析

根据飞机探测仪器观测到的云中粒子微观结构,结合卫星、雷达和常规天气资料,分析了人工增雨作业前后云的宏、微观物理结构和降水变化。结果表明,作业后影响区云中的冰晶浓度、雨滴直径比对比区有明显增加,云中过冷水减少;对比区降水回波强度和强回波区面积变化不大,而影响区最大回波强度增大,强回波区的面积扩大,降水增加。这与影响区云中降水粒子增多、直径增大是一致的,这些结果说明了液态CO2催化层状云的物理响应。     

用WRF模式中不同云微物理参数化方案对华南一次暴雨过程的数值模拟和性能分析

本文使用中尺度数值模式WRFV3.4中的8种不同云微物理过程参数化方案,模拟2010年5月6～7日华南一次暴雨事件,探讨不同云微物理方案对华南暴雨模拟的影响。结果表明:不同云微物理方案对不同量级降水模拟效果总体较好。WSM3方案对小到大雨和大暴雨的模拟效果最好,对暴雨的模拟最差;WDM5方案对暴雨模拟效果最好。结合TS评分和误差分析结果,整体效果最好的是WSM5方案,最差的是Lin方案。对于同一云微物理参数化方案,不同分辨率的降水模拟结果差异不大,但同一分辨率的不同云微物理参数化方案的降水结果差异较大,这说明云微物理过程比模式分辨率对暴雨模拟的影响更大。     

2007年秋季河北地区云微物理结构的飞机探测分析

利用2007年飞机探测资料,对河北地区云微物理结构进行了分析。结果表明,高层云底部云滴数大于中上部,随高度增加粒子直径增大。最大云中液态水含量为0.25g.m-3,底层平均云中液态水含量为0.025g.m-3。层积云中上部数浓度高于底部,云滴数浓度变化范围为10～80cm-3,云滴平均直径为7.56μm,总趋势随高度增加云滴直径先增大后减小。云滴谱变窄、双峰消失与含水量的起伏有一定的关系。综合增雨作业资料,发现有时预设的飞机作业高度并不是十分合理,在飞机性能条件允许的情况下,可以适当提高或降低作业高度,人工增雨的效果可能更好。鉴于作业层的温度,9月29日和13日可以考虑使用液氮或液态CO2等制冷剂进行催化。     

青藏高原那曲地区夏季一次对流云降水过程的云微物理及区域水分收支特征

第三次青藏高原科学试验针对高原夏季云和降水物理过程开展了大量观测研究,为进一步揭示高原云微物理结构、云中水分转化和区域水分收支特征,本文采用中尺度数值预报模式（WRF）并结合高原试验期间的各种观测资料,对那曲观测试验区2014年7月5~6日的一次较为典型的夏季对流云降水过程进行了数值模拟研究。结果表明WRF模式能够基本再现高原夏季对流云的发展演变过程以及降水的日变化特征。模拟结果显示高原夏季对流云中具有较高的过冷云水和霰粒子含量,冰相过程在高原云和降水的形成和发展中具有十分重要的作用,地面降水主要由霰粒子融化产生。暖雨过程对降水的直接贡献很小,但在霰胚形成中具有十分重要的作用。霰粒子胚胎的形成主要来源于冰晶与过冷雨滴的撞冻过程,雪粒子和过冷雨水的碰冻转化及过冷雨滴的均质冻结贡献相对较小。霰粒子的增长过程在12 km（-40℃）以上层主要依靠对冰晶、雪粒子的聚并收集过程,而在其下层的增长过程主要依赖对过冷云水的凇附增长,对雪粒子的聚并收集和凝华增长过程较小。高原那曲地区净水汽收支为正,日平均降水转化率可达20.75%,接近长江下游地区,高于华北、西北地区。该地区日降水再循环率为10.92%,说明局地蒸发的水汽对高原降水的水汽来源具有一定的贡献,但高原降水的90%仍然由外界输入的水汽转化形成。     

Parameterization and Explicit Modeling of Cloud Microphysics: Approaches,Challenges, and Future Directions

Cloud microphysical processes occur at the smallest end of scales among cloud-related processes and thus must be parameterized not only in large-scale global circulation models(GCMs) but also in various higher-resolution limited-area models such as cloud-resolving models(CRMs) and large-eddy simulation(LES) models. Instead of giving a comprehensive review of existing microphysical parameterizations that have been developed over the years, this study concentrates purposely on several topics that ...     

云微物理特性对云光学和云辐射性质的影响

根据辐射传输理论,计算了不同云滴谱分布时的云光学参数βe,ωo和g,考察了这些光学参数的变化对云的反射率、透过率和吸收率的影响,以及云滴谱分布和云水含量在垂直方向的不均匀对云整体辐射性质、云中辐射通量密度和加热率的影响。     

The Role of Initial Cloud Condensation Nuclei Concentration in Hail Using the WRF NSSL 2-moment Microphysics Scheme

The effects of the initial cloud condensation nuclei(CCN) concentrations(100–3000 mg~(-1)) on hail properties were investigated in an idealized non-severe hail storm experiment using the Weather Research and Forecasting(WRF) model, with the National Severe Storms Laboratory 2-moment microphysics scheme. The initial CCN concentration(CCNC) had obvious non-monotonic effects on the mixing ratio, number concentrations, and radius of hail, both in clouds and at the surface, with a CCNC threshold between 300 and 500 mg~(-1). An increasing CCNC is conducive(suppressive) to the amount of surface hail precipitation below(above) the CCNC threshold. The non-monotonic effects were due to both the thermodynamics and microphysics. Below the CCNC threshold, the mixing ratios of cloud droplets and ice crystals increased dramatically with the increasing CCNC, resulting in more latent heat released from condensation and frozen between 4 and 8 km and intensified updraft volume. The extent of the riming process, which is the primary process for hail production, increased dramatically. Above the CCNC threshold, the mixing ratio of cloud droplets and ice crystals increased continuously, but the maximum updraft volume was weakened because of reduced frozen latent heating at low level. The smaller ice crystals reduced the formation of hail and smaller clouds, with decreased rain water reducing riming efficiency so that graupel and hail also decreased with increasing CCNC, which is unfavorable for hail growth.     

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.