积层混合云结构和云微物理的数值模拟

对三维非静力中尺度模式ARPS的云微物理方案进行了改进,利用改进后的模式模拟了华北地区的积层混合云降水个例,通过对模拟结果的分析并结合实况资料研究了积层混合云的降水特征、云物理结构特征和微物理过程。结果表明,积层混合云降水分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,云系中微物理量在水平和垂直方向上分布都不均匀,积云中的垂直液态水积分含量大大高于层云中含量,此次降水冰相过程占主导地位,霰的融化是最主要的雨生成项。     

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。     

一次积层混合云飞机播云对云微物理过程影响效应的分析

人工增雨效果评估主要关注的是催化后云和降水过程是否产生了预期的变化,这首先表现在云和降水的宏微观过程有无明显变化,因此了解播云作业后的云微物理结构的变化是很必要的.2009年4月18日在河北张家口进行了一次飞机播云实验,本文采用飞机探测所取得的PMS资料,分析了播云对云微物理过程影响,并进行了云物理因子综合研究.结果表明:催化后播云高度上液态含水量大幅度降低,粒子平均直径由催化前20.4μm增大到23.9 μm;云中粒子谱结构也发生很大的变化,催化后冰晶减少,降水尺度粒子显著增加;而且在播云1小时后影响区地面累计降雨量达到最大.     

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。     

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。     

祁连山区一次非降水层状云的微物理结构探测分析

利用装载有粒子测量系统（PMS）的飞机对2007年8月15日甘肃省张掖市民乐县夏季非降水层状云进行了一次探测飞行,通过获取的资料分析了云层结构、云滴的垂直分布、液态含水量、谱特征等。结果表明：（1）此个例中云层结构明显,云中存在逆温层;（2）云中平均含水量为0．012g／m^3,含水层主要集中在4100～4200m与4700—5000m层之间;（3）此云系符合Bergeron提出的催化云一供水云相互作用导致降水的概念模型,可以在催化云中进行人工引晶来达到增加降水的目的。     

二维滞弹性非静力平衡云模式第一部分──低空风切变对云微物理过程的影响

本文对已有的二维时变的深对流型模式［1］进行了部分修改和补充，尤其对于云微物理过程参数化方案进行了一些改进，使原有的模式对暖云、雹云和雪云都具有一定的模拟能力。依据建立的模式．就低空风切变（单向无扭转）对对流的影响，尤其对云和降水形成过程的作用进行了对比试验。为此我们设计了五种风速垂直分布方案进行了对比分析。结果表明：低空风切变对对流的发生、发展有很大的影响，而且对云和降水的形成过程影响更大。     

华北地区气溶胶混合状态对暖云微物理特征的影响

在UWyo单组分气溶胶的绝热气块分档云模式基础上,发展了多种化学组分气溶胶的绝热气块分档云模式。利用2006年春季华北地区地面气溶胶分级采样的离子成分分析数据和同时段高空气溶胶、云微物理飞机观测资料,研究了气溶胶混合状态对暖云微物理特征的影响。模拟结果表明,华北地区气溶胶内部混合比外部混合有利于增加云凝结核数浓度、降低气块水汽最大饱和比、增加云滴数浓度。气溶胶的混合状态不同,形成的云滴谱的特征差异较大,主要体现在云滴谱的平均尺度和峰值的突出程度;云滴谱相对离散度在0.3附近变化,且随着云滴数浓度的增加,云滴谱相对离散度呈现减小的趋势。气溶胶混合状态能够影响暖云微物理特征,从而影响大气辐射和降水过程,在天气和气候变化的研究中应予以关注。     

祁连山夏季地形云结构和云微物理过程的模拟研究(Ⅰ): 模式云物理方案和地形云结构

对三维非静力中尺度模式ARPS的云降水微物理方案进行了改进, 利用改进后的ARPS模式模拟了祁连山地区夏季的两个地形云个例, 通过对各自模拟结果的对比分析并结合实况资料研究了夏季祁连山地区地形云的发展状况、动力场特征、降水特征以及云微物理结构特征.研究结果表明, 地形云的发展受地形影响很大, 地形的抬升促进了云和降水的发展, 地形的作用也改变了地面降水特征, 使云的宏、 微观物理结构发生较大变化.     

Aircraft Measurements of the Microphysical Properties of Stratiform Clouds with Embedded Convection

The presence of embedded convection in stratiform clouds strongly affects ice microphysical properties and precipitation formation. In situ aircraft measurements, including upward and downward spirals and horizontal penetrations, were performed within both embedded convective cells and stratiform regions of a mixedphase stratiform cloud system on 22 May 2017. Supercooled liquid water measurements, particle size distributions, and particle habits in different cloud regions were discussed with the intent of characterizing the riming process and determining how particle size distributions vary from convective to stratiform regions. Significant amounts of supercooled liquid water, with maxima up to 0.6 g m~(-3), were observed between -3℃ and-6℃ in the embedded convective cells while the peak liquid water content was generally less than 0.1 g m~(-3) in the stratiform regions.There are two distinct differences in particle size distributions between convective and stratiform regions.One difference is the significant shift toward larger particles from upper -15℃ to lower -10℃ in the convective region, with the maximum particle dimensions increasing from less than 6000 μm to over 1 cm. The particles larger than 1 cm at -10℃ are composed of dendrites and their aggregates. The other difference is the large concentrations of small particles(25–205 μm) at temperatures between -3℃ and-5℃ in the convective region, where rimed ice particles and needles coexist. Needle regions are observed from three of the five spirals, but only the cloud conditions within the convective region fit into the Hallett-Mossop criteria.     

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。     

华北一次积层混合云微物理和降水特征的数值模拟与飞机观测对比研究

为考察云数值模式中的云物理方案和对实例云物理和降水过程的模拟能力, 本文将中尺度数值模式(WRF)模拟的华北地区一次积层混合云的微物理结构特征、降水过程与国家科技支撑计划重点项目环北京地区三架飞机联合云探测实验数据以及雷达、地面降水观测数据进行了深入的比较和验证研究。结果表明:WRF 模式能够较好地模拟出此次积层混合云的云系演变、雷达回波和降水分布特征。对比结果是:(1)模式模拟的云中液态水浓度(LWC)与飞机观测值具有较好的一致性, 在3℃ 层, 飞机观测的LWC 最大值为0.8 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为0.78 g m-3, 两者接近;在－8℃ 层, 飞机观测LWC 最大值为1.5 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为1.1 g m-3, 模拟值偏小;在－5℃ 层以下, 模式能够准确模拟云中水凝物的垂直分布, 包括融化层的分布, 模拟的水凝物质量浓度与实测吻合。而对固态水, 在－6～－10℃, 由于模式中雪粒子凇附增长过程较大, 聚合过程发生的高度偏高, 导致模式模拟的固态水凝物质量浓度高于实测值, 说明模式在雪粒子增长过程的处理方面有待进一步改进。(2)在云粒子谱参数方面, 在－8℃ 层, 由于模拟的雪粒子质量浓度偏高, 所以模式计算的粒子谱的截距和斜率都小于飞机观测值, 模拟偏小;在－5℃ 层, 两者比较接近;在3℃ 层, 由于云中小粒子浓度逐渐减少, 所以模式计算的斜率接近观测值, 但是截距大于观测值, 说明模式降水粒子谱参数的描述方案有待改进, 模式中谱形参数μ 不应一直设置为0, 而是应该随着高度变化而变化。     

Microphysical Effects of Cloud Seeding in Supercooled Stratiform Clouds Observed from NOAA Satellite

Based on the satellite retrieval methodology, the spectral characteristics and cloud microphysical properties were analyzed that included brightness temperatures of Channels 4 and 5, and their brightness temperature difference (BTD), the particle effective radius of seeded cloud track caused by an operational cloud seeding and the microphysical effects of cloud seeding were revealed by the comparisons of their differences inside and outside the seeded track. The cloud track was actually a cloud channel reaching 1.5-km deep and 14-km wide lasting for more than 80 min. The effective radius of ambient clouds was 10-15μm, while that within the cloud track ranged from 15 to 26μm. The ambient clouds were composed of supercooled droplets, and the composition of the cloud within the seeding track was ice. With respect to the rather stable reflectance of two ambient sides around the track, the visible spectral reflectance in the cloud track varied at least 10%, and reached a maximum of 35%, the reflectance of 3.7μm in the seeded track relatively decreased at least 10%. As cloud seeding advanced, the width and depth were gradually increased. Simultaneously the cloud top temperature within the track became progressively warmer with respect to the ambient clouds, and the maximum temperature differences reached 4.2 and 3.9℃at the first seeding position for Channels 4 and 5. In addition, the BTD in the track also increased steadily to a maximum of 1.4℃, compared with 0.2-0.4℃of the ambient clouds. The evidence that the seeded cloud became thinner comes from the visible image showing a channel, the warming of the cloud tops, and the increase of BTD in the seeded track. The seeded cloud became thinner mainly because the cloud top descended and it lost water to precipitation throughout its depth. For this cloud seeding case, the glaciation became apparent at cloud tops about 22 min after seeding. The formation of a cloud track in the supercooled stratiform clouds was mainly because that the seeded cloud volume glaciated into ice hydrometeors that precipitated and so lowered cloud top height. A thin line of new water clouds formed in the middle of the seeded track between 38 and 63 min after seeding, probably as a result of rising motion induced by the released latent heat of freezing. These clouds disappeared in the earlier segments of the seeded track, which suggested that the maturation of the seeding track was associated with its narrowing and eventual dissipation due to expansion of the tops of the ambient clouds from the sides inward.     

Evaluation of the Predicted Particle Properties(P3) Microphysics Scheme in Simulations of Stratiform Clouds with Embedded Convection

To evaluate the ability of the Predicted Particle Properties(P3) scheme in the Weather Research and Forecasting(WRF) model, we simulated a stratiform rainfall event over northern China on 22 May 2017. WRF simulations with two P3versions, P3-nc and P3-2ice, were evaluated against rain gauge, radar, and aircraft observations. A series of sensitivity experiments were conducted with different collection efficiencies between ice and cloud droplets. The comparison of the precipitation evolution betwee...     

基于飞机观测的华北积层混合云降水微物理特征的数值模拟研究

基于2009年5月1日积层混合云降水2架飞机观测数据分析,使用中尺度模式WRFV3对此次过程积云区和层云区的微物理特征和转化过程进行数值模拟比较研究。飞机观测数据分析表明,此次积层混合云中的层云区和积云区冰粒子形状和形成过程有明显差别,层云区的粒子形状组成比较复杂,包含针状、柱状和辐枝状等,而积云区主要以辐枝状粒子为主,聚并、凇附过程明显。数值模式能较好地模拟出此次积层混合云降水过程的基本特征,包括回波分布、飞行路径上降水粒子的数浓度和液态水含量等。数值模拟结果表明,云水相对丰富、上升气流强的层云区凇附过程较强,产生的雪在低层融化为雨水,为后期高层形成的雪和霰提供丰富的液态水,能发展成对流较强的积云区,存在播种—供给机制。在积云区,水成物的比例从大到小依次为雪（51.9%）、霰（31.0%）和雨水（16.0%）;雪的主要源项包括淞附增长（56.8%）和凝华增长（40.1%）,霰的主要源项包括凇附增长（46.6%）、雨水碰并雪成霰（42.6%）和凝华增长（16.1%）,雨水的主要源项是霰（77.6%）和雪（22.4%）的融化。而相对云水较少、上升气流较弱的层云区将保持层云的状态,层云区水成物的比例从大到小依次为雪（90.4%）、雨水（6.1%）、冰晶（3.5%）;高层冰晶和雪通过凝华过程增长,雪在零度层下融化为弱的降水。     

一次层状云飞机播云试验的云微物理特征及响应分析

根据2005年3月21日在河南进行的层状云飞机播云试验的探测资料,对人工增雨催化前后层状云的宏微观物理量进行对比分析.结果表明,播云前在4200m高度平飞中观测到的小云粒子数浓度最大值为1.36×108个/m3,相应平均直径在5μm左右;小云粒子数浓度和云液态水含量在催化后均减小,播撒层下方变化较之播撒层变化更加显著;5000m高度小云粒子平均直径由催化前的17.32μm增加到催化后的18.07μm,平均直径明显增大,这些作业前后微观物理量的变化表明了人工催化层状云的物理响应.不同高度飞行具有相似的粒子谱分布.     

一次延安层状云微物理结构特征及降水机制研究

利用PMS资料对延安2003年9月17日降水性层状云各高度上的粒子特征量和粒子谱进行了分析研究,结果表明,降水性层状云宏微观垂直结构配置或云粒子主要特性可以分为5个层次。过冷水滴和冰晶共存层存在,冰晶快速增长,此层的存在可能是发生降水的关键;在0℃层以下,存在比较深厚的云滴浓度小、含水量较小的小云滴层,应是导致地面雨强较小的重要因素之一。     

Numerical Simulation of Effects of Cloud Top Temperatures and Generating Cells on Secondary Ice Production in Stratiform Clouds with a Detailed Microphysical Model

This paper outlines a one-dimensional,heightdependent bin model with detailed microphysical processes in which ice splinters are produced by a riming process.The model is then applied to simulate the shift of particle size distribution effected by the secondary ice production process within clouds with different generating cells and cloud top temperatures.The result of model simulations reveals the general effects of cloud updrafts on increasing ice particle concentration by extending the residence time of ice particles in clouds and providing sufficiently large supercooled water droplets.The rimesplintering mechanism is more effective in clouds with lower ice seeding rates than those with higher rates.Evolutions of hydrometeor size distribution triggered by the rime-splintering mechanism indicate that the interaction between large ice particles and supercooled water drops adds a "second maximum" to the primary ice spectra.