青藏高原、东亚季风区、西北太平洋地区云系结构及相联加热机制的对比分析

应用7年(2006年5月18日—2013年5月18日)的CloudSat卫星观测资料,对比分析了青藏高原、东亚季风区、西北太平洋地区云发生频率的特征,并利用欧洲中心再分析资料,计算了三个地区的视热源、视水汽汇Q₁、Q₂,分析探讨了三个地区与云发生频率相联系的加热机制。结果表明:青藏高原、东亚季风区、西北太平洋地区云的发生频率分别为35%、22%、27%,其中:青藏高原和东亚季风区的低云频率最大,中云次之;西北太平洋地区的高云和低云的频率大,分别为19%和16%。具体云型来看,青藏高原多高层云、雨层云;东亚季风区多高层云和卷云,夏季深对流云频率增大明显;西北太平洋地区多卷云、深对流云和高层云。三个地区视水汽汇Q₂的垂直分布特征及季节变化与云发生频率对应较好,青藏高原的低云(雨层云)、中云(高层云)形成过程中,凝结释放潜热,加热大气;东亚季风区低云(深对流云)、中云(高层云)对加热大气贡献大;西北太平洋地区大气的主要加热机制是深对流云形成过程中凝结释放潜热以及湿静能涡旋垂直输送。      

亚洲两个季风区大气季节内振荡的比较分析

本文利用ECMWF逐日再分析资料(1961～2000年),主要从结构和水平传播包括经向传播和纬向传播方面对南海和南亚两个季风区的30～60天振荡进行了比较分析.研究结果发现,两个季风区的大气季节内振荡都存在明显的年际变化,但并没有出现同相或反相的变化关系.两个季风区ISO在结构上既有相似的地方也有不同点,在垂直结构上都...     

基于CloudSat卫星观测资料的辽宁省不同天气系统影响下云系垂直结构特征

为区分不同天气系统影响下云垂直结构的差异,从而为人工增雨作业提供参考,对2004—2014年辽宁省进行人工增雨作业期间,500、850 hPa以及地面的天气形势进行了统计,利用CloudSat卫星观测资料对筛选的出现频率≥2次·a~(-1)的系统配置下的云垂直结构进行分析,并研究了典型系统影响下的作业云系垂直结构特征。根据系统配置差异,2004—2014年间影响辽宁省的共有225次过程,可划分为17种配置类型,其中典型天气系统四种,分别为西风槽—切变线—冷锋(CF型)、西风槽—低涡—蒙古气旋(MCW型)、西风槽—低涡—南方气旋(SC型)和低涡—低涡—蒙古气旋型(MCV型)。对四种典型天气系统影响下的云垂直结构分析发现,不同天气系统影响下云层均以单层云为主。SC影响下的云层发展较为旺盛,云底较低而云顶较高,云层深厚。MCW影响下的云层云底高度较高,云层较薄。不同天气系统影响下的云夹层厚度大多(50%)在1 km以下,而且随着云层数目增加,低于1 km的云夹层所占的比例增加。将云底高度≤2 km且云厚≥2 km视为作业云系,发现有云条件下,SC型符合条件的作业云系最多(59.7%),而MCW型影响下最少(14.5%)。作业云系以单层低冷云为主,单层低冷云的云底高度低于1 km且云顶高度可达7 km以上,作业云系的云夹层厚度对降水云催化效果影响较小。     

CO_2浓度增加背景下季风区大气辐射加热响应的差异（英文）

大气CO_2浓度增加,大气辐射平衡调整,将影响到大气的辐射加热,对季风环流的产生影响.CMIP6结果显示,大气CO_2浓度增加,可减弱季风区主雨季对流层高,低层的辐射加热,加强对流层中层的辐射加热.各季风区加热响应的峰值层次不同:亚洲季风区平均层次最高(500-775 hPa),北非,南美,澳洲季风区次之 (550-600 hPa),北美(600hPa)和南非季风区(600-775 hPa)较低.各季风区水云的垂直分布及其长波辐射效应的变化是形成峰值层次差异的主因.     

用Aqua/CERES反演的云参量估算西北区降水效率和人工增雨潜力

利用美国NASA Langley研究中心提供的云和地球辐射能量系统(CERES),单个卫星视场大气顶/地面通量和云(SSF)的Aqua卫星2002年7月至2004年6月的云水路径和冰水路径资料,分析中国西北地区降水效率和人工增雨潜力。选取天山、祁连山、南疆沙漠和东南部季风区4片有代表性的地域,按该资料的云分类,分别计算低层云和高层云区域月平均值,结合相应时期和地区的降水量,分析不同云层与月降水量的相关。结果表明,西部干旱区降水与高层云相关较好,而东南部季风区则与低层云相关好。整个西北区以低云的云水路径与降水量相关系数最高,平均R2=0.8459。定义月降水效率为月平均降水强度(mm/h)除以总的云水路径,结果表明,不论低层云或高层云的降水效率都是东南部季风区最大,祁连山区略大于天山区,南疆沙漠最小。其年变化低层云除南疆7月最高外,其余地区8月最高。高层云的降水效率东南部季风区8月最大,其余3片7月最高。取(LWP/IWP-C)×LWP作为人工降水最大可能增(减)雨的度量,则4片中祁连山区最大,其次是天山,东南部季风区最小,年平均为负值。人工增雨潜力的年变化表明,高层云的峰值A区和C区在8月,D区则在9月,其余峰值均出现在6或7月。本文重点研究天山、祁连山区地形云人工增雨潜力,为今后人工增雨(雪),开发山区云水资源提供科学依据。     

大气环流的正斜压流型特征与季风类型

利用 NCEP/NCAR的 1 982～ 1 994年全球 1 2层等压面上的风场资料 ,计算了大气流场的正压分量 (即质量加权垂直平均 )和斜压分量 (即各层实际风与正压分量的差值 ) ,分析了全球冬夏季正斜压流场的分布特征 ,并从地面风场的正斜压流型角度对全球季风进行了分类。指出 :斜压流场和正压流场的季节变化都可以产生冬夏季盛行风向的反转 ,因而都能够产生季风。斜压流场反映了大气中不均匀加热 (主要是海陆热力差异 )所驱动的热力环流 ,而正压流场则主要代表动力作用所产生的环流 ,这对认识季风的性质很有意义。进一步分析表明 :亚洲热带地区、非洲、南美等典型季风区属斜压流型季风区 ,南、北半球太平洋中部的副热带地区也为季风区 ,但属正压流型季风区 ,而东亚副热带地区则属正斜压流型共同组成的混合流型季风区。     

由非季风区向季风区过渡过程中大气边界层结构的变化分析

利用中国西北中部具有代表性的非季风区、夏季风影响过渡区和季风区的7个高空站的2013年夏季晴天07时、13时、19时（北京时）的大气边界层资料,通过分析大气边界层位温、比湿、风速的垂直结构,发现大气边界层结构及厚度在不同区域的分布特征:稳定边界层厚度、残余层顶高度和对流边界层厚度从非季风区、夏季风影响过渡区至季风区出现阶梯性大幅降低,从非季风区至夏季风影响过渡区,以及从夏季风影响过渡区至季风区,对流边界层厚度降幅依次为25.6%和81.8%,稳定边界层厚度降幅依次为58.3%和41.8%;在稳定边界层条件下,可观察到低空急流的存在,非季风区低空急流出现高度明显高于夏季风影响过渡区和季风区,且非季风区的低空急流风速也明显大于夏季风影响过渡区和季风区。通过分析与大气边界层发展最为密切的陆面热力因素在不同气候区的分布,净辐射值、日地-气温差最大值以及感热通量值在非季风区大于夏季风影响过渡区和季风区,从陆面热力过程为非季风区大气边界层厚度大于夏季风影响过渡区和季风区提供了理论依据。     

夏季亚洲季风区对流层向平流层输送的源区、路径及其时间尺度的模拟研究

基于NCEP/NCAR分析资料和拉格朗日轨迹输送模式FLEXPART, 通过气块轨迹计算, 对2005年夏季亚洲季风区对流层向平流层输送 (Troposphere to Stratosphere Transport, 简称TST) 的近地层源区、 输送路径及其时间尺度问题进行了一些初步探讨。结果表明: (1) 夏季亚洲季风区TST两个主要的边界层源区, 一个是热带西太平洋地区; 另一个是青藏高原南部、 孟加拉湾以及印度半岛中北部等地区, 上述两个区域与夏季强对流的分布相一致。在对流层顶高度附近 (约16 km高度), 两个近地层源区的垂直输送贡献相当。但进一步分析发现, 穿越对流层顶高度的质量输送只有约10％能够进入20～22 km高度的平流层中, 且主要源于以青藏高原南侧为代表的南亚季风区 (约贡献75%), 这进一步强调了青藏高原及其周边区域在全球TST过程中的重要地位。 (2) 轨迹分析显示, 夏季亚洲季风区对流层进入平流层的 “入口区” 主要在 (25°N～35°N, 90°E～110°E) 区域的青藏高原及其周边区域。TST路径受对流层上层南亚高压闭合环流、 北半球副热带西风急流和赤道东风急流的共同控制。 (3) 亚洲季风区TST两个主要的过程, 一个是和夏季湿对流抬升直接联系的快速输送过程, 它可以使近地层大气在1～2天内输送到平流层中, 贡献了整个TST的10%～30%; 另一个是大气辐射加热所致的大尺度垂直输送, 该输送是一个相对的慢过程, 时间尺度一般为5～30天。此结果意味着, 源于地表的短生命周期的大气污染物可通过光化学反应过程对该区域平流层臭氧及其他大气痕量成分平衡产生重要影响。     

气候变化背景下陆地季风与非季风区极端降水特征对比

利用月平均地表气候要素数据集(CRUTS 4.02)的逐月降水和逐月日平均气温资料,采用线性趋势分析、滑动平均和相关分析等方法,研究了 1901-2017年气候变化背景下全球陆地季风区与非季风区的极端降水特征.结果表明:我国所处的亚洲季风区的极端降水频率分布较为稳定,仅在变暖减缓时段出现大范围小值区;非季风区在急剧加速...     

1983年亚洲夏季风爆发过程的诊断研究

本文利用1983年5～6月ECMRWF资料,从1983年亚洲夏季风爆发过程的诊断分析中,就印度季风和南海季风的相对独立性和互相联系性作了探讨。结果表明,印度季风区和南海季风区具有独立的季节变化中心;印度季风和南海季风在季风爆发的时间上、季风爆发的物理机制上、季风爆发过程中风、温湿场的相互关系上均有明显差异;季风爆发后两个子季风区的季风环流的演变逐步趋向同步,维持季风及季风区温湿场的物理过程也趋向一致,平均垂直运动在联系两个子季风中起了重要作用。     

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。     

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。     

Seasonal variation and physical properties of the cloud system over southeastern China derived from CloudSat products

Based on the National Centers for Environmental Prediction(NCEP) and Climate Prediction Center(CPC) Merged Analysis of Precipitation(CMAP) data and Cloud Sat products, the seasonal variations of the cloud properties, vertical occurrence frequency, and ice water content of clouds over southeastern China were investigated in this study. In the Cloud Sat data, a significant alternation in high or low cloud patterns was observed from winter to summer over southeastern China. It was found that the East Asian Summer Monsoon(EASM) circulation and its transport of moisture leads to a conditional instability, which benefits the local upward motion in summer, and thereby results in an increased amount of high cloud. The deep convective cloud centers were found to coincide well with the northward march of the EASM, while cirrus lagged slightly behind the convection center and coincided well with the outflow and meridional wind divergence of the EASM. Analysis of the radiative heating rates revealed that both the plentiful summer moisture and higher clouds are effective in destabilizing the atmosphere. Moreover, clouds heat the mid-troposphere and the cloud radiative heating is balanced by adiabatic cooling through upward motion, which causes meridional wind by the Sverdrup balance. The cloud heating–forced circulation was observed to coincide well with the EASM circulation, serving as a positive effect on EASM circulation.     

CloudSat卫星及其在天气和云观测分析中的应用

介绍了2006年4月28日成功发射的第1颗以对云层特性进行全球主动遥感测量CloudSat卫星的观测仪器、工作参数、运行方式、数据产品及“A—Train”卫星群等基本概况。CloudSat卫星主要有效载荷是94GHz（3mm波）云雷达,它可以“切开”云层,获得许多有关云的最新气象数据,主要数据产品包括了云的宏观物理参量和微观物理参量。介绍了CloudSat卫星已获得的典型天气和云的初期观测结果：从首次观测的云三维图片,可以清楚地看到南极洲上空风暴云的垂直剖面结构特征;从首张获得降雪云的垂直剖面图像可以得到降雪云层的发展状态以及结构特点;使用CloudSat统计数据可分析全球水凝物的分布特征。将TRMM卫星上的测雨雷达与CloudSat卫星上的云雷达联合观测研究,可以获得从薄云到浓厚云及降水的精细垂直结构特征。通过下载的CloudSat观测资料,对我国典型台风和层状云系等两类不同天气条件下云的宏微观结构特征等进行了初步分析,可以看到台风眼区附近云系的垂直结构随台风发展不同阶段的演变;从层状云系的垂直剖面可以清楚地发现云层的内部分层结构及不同相态的垂直分布特征等。     

山西春季层状云系数值模拟及与飞机探测对比

采用中国气象科学研究院 (CAMS) 中尺度云参数化模式对2010年4月20日山西省一次春季层状降水云系的宏微观结构,特别是垂直方向上的微物理结构进行了数值模拟和分析。利用携带云粒子探测设备的飞机对该次层状云系进行了两次云物理探测飞行,并将飞机探测所获取的数据和图像资料与数值模拟结果进行了对比研究。模拟结果显示:该次降水过程以层状冷云降水为主,云中过冷水含量丰富,云系存在明显的3层结构,地面降水主要来自于云中高层冰晶、雪、霰等冰相粒子的融化和低层云水的转化。数值模拟与飞机探测对比分析显示,高空温度、湿度和高度的配置两者基本一致,数值模拟不同高度的云粒子相态、垂直方向云水比含水量与飞机探测获取的云粒子图像和云液态水含量的垂直结构基本吻合,但数值模拟的云中各种水成物粒子出现的高度较飞机探测偏高。     

一次有利于人工增雨作业的锋面降水过程分析

使用常规天气资料、卫星云图和雷达回波资料分析１９９９年６月１３～１４日内蒙古一次锋面降水天气过程的天气条件、卫星云图和雷达回波的特征,对锋面降水云系的分布进行讨论,为人工增雨飞行播撒作业提供科学依据。     

基于地面雨滴谱资料分析层状云和对流云降水的特征

根据由声雨滴谱仪器测量得到的雨滴谱资料,结合降水云的结构来将降水云系划分成为对流云降水云系和层状云降水云系.分析这两种降水云系中的稳定雨滴谱特征,包括雨滴谱的各种特征直径(平均直径Dm、众数直径Dd、平均体积直径Dv、优势直径Dp、中数直径Dna和中数体积直径Dn)、峰值结构和Z-R关系等.通过对这些量的分析,进一步分析划分降水云系的判据.     

The Significant Role of Radiosonde-measured Cloud-base Height in the Estimation of Cloud Radiative Forcing

The satellite-based quantification of cloud radiative forcing remains poorly understood, due largely to the limitation or uncertainties in characterizing cloud-base height (CBH). Here, we use the CBH data from radiosonde measurements over China in combination with the collocated cloud-top height (CTH) and cloud properties from MODIS/Aqua to quantify the impact of CBH on shortwave cloud radiative forcing (SWCRF). The climatological mean SWCRF at the surface (SWCRF_SUR), at the top of the atmosphere (SWCRF_TOA), and in the atmosphere (SWCRF_ATM) are estimated to be ?97.14, ?84.35, and 12.79 W m^?2, respectively for the summers spanning 2010 to 2018 over China. To illustrate the role of the cloud base, we assume four scenarios according to vertical profile patterns of cloud optical depth (COD). Using the CTH and cloud properties from MODIS alone results in large uncertainties for the estimation of SWCRF_ATM, compared with those under scenarios that consider the CBH. Furthermore, the biases of the CERES estimation of SWCRF_ATM tend to increase in the presence of thick clouds with low CBH. Additionally, the discrepancy of SWCRF_ATM relative to that calculated without consideration of CBH varies according to the vertical profile of COD. When a uniform COD vertical profile is assumed, the largest SWCRF discrepancies occur during the early morning or late afternoon. By comparison, the two-point COD vertical distribution assumption has the largest uncertainties occurring at noon when the solar irradiation peaks. These findings justify the urgent need to consider the cloud vertical structures when calculating the SWCRF which is otherwise neglected.     

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。     

华东地区夏季云微物理结构的飞机观测分析

利用飞机搭载云粒子探头对2014年8月12-28日华东地区云的空间分布特征进行了探测,分析了云的垂直结构和水平分布特征,结合同时探测的气溶胶数据,探讨了云与气溶胶的相互作用关系。探测结果表明,安徽地区层状云云滴平均数浓度在24~297 cm^-3,液态含水量在0.04~0.13 g·m^-3,云滴数浓度随云底高度升高而减小,云滴粒径则随云底升高而增大。层积云(Sc)和雨层云(Ns)的云滴数浓度在云底最高,随高度上升浓度下降,液态含水量在云中部最高,云顶和云底处较低,高层云(As)云滴数浓度和液态含水量峰值均出现在云中上部。云的水平分布不均匀,云粒子双峰分布区域对应液态含水量高值区。Ns对气溶胶清除作用明显,清除方式以活化清除为主、碰并清除为辅。