改进的Holroyd云粒子形状识别方法及其应用

云降水粒子形状是影响云微物理过程的重要因素,准确的云粒子形状信息是诸多云微物理参量计算的前提。为获取机载云粒子成像仪(CIP)所测云粒子的形状信息,文中提出了一种改进的Holroyd云粒子形状识别方法,即先对云粒子形状进行预分类,然后针对预分类后的完整粒子和可识别的部分状粒子,分别选出合适的参数及其阈值再进行具体的分类,最终可将云粒子分为微小状、线形状、聚合状、霰、球形、板状、不规则和枝状。利用实测数据对原始的Holroyd方法和改进的Holroyd方法进行识别效果对比验证。结果表明改进的Holroyd方法在云粒子形状识别的准确度方面比原Holroyd方法有较大的提高。将所提方法应用于太原地区一次降水性层状云的云微物理飞机观测资料以分析不同的降水阶段云中冰晶粒子的形状分布、增长机制、冰晶粒子数浓度以及冰水含量的垂直分布特征,所获取的云中冰晶粒子属性表明新提出方法有助于云微物理分析。     

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。     

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。      

2008年北京一次春季层状云探测分析

利用云和降水探测设备（DMT-PMS）对一次层状云降水过程进行了探测。分析发现CAS（云及气溶胶粒子探头）在该弱降水云中测得的云粒子平均浓度大于FSSP在其他地区层状云中所测平均值,CIP（二维云粒子图像探头）与2D-C及2D-GA2所测冰晶粒子平均浓度接近,PIP（二维降水粒子探头）与2D-P所测降水粒子平均浓度相当。观测发现云区雪晶浓度与冰晶浓度呈正相关关系,在冰晶浓度〈10^4个／m^3时,雪晶、冰晶浓度之比与冰晶浓度为负相关关系;在冰晶浓度〉10^4个/m^3的时刻,雪晶、冰晶浓度之比不因冰晶浓度变化而变化。温度为-10～-12℃的云区云水条件丰富,有较多的冰晶在该层孕育;降水粒子在温度-7～-10℃的云区生长。温度为-5～-7℃的云区云水不丰富,降水粒子蒸发变小;温度为-4～-5℃的云区仅有少量的降水粒子。     

二维粒子形状分类技术在云微物理特征分析中的应用

本文介绍了一种针对飞机粒子探测系统中云二维图像探头开发的二维粒子形状分类技术。该技术利用粒子形状几何参数特征把云粒子分为8种类型,分别为微小状、线形状、聚合状、霰状、球状、六角形状、不规则状和枝状。同时结合冰水质量关系,给出了探头液水含量和冰水含量的计算方法。最后应用该技术对2006年4月6日一次飞机探测获取的数据进行了云微物理结构分析,聚合状、霰状、六角形状、不规则状的总出现频率为78%,其中霰状粒子的出现频率随着温度的降低而增加。非降水云中的液水含量、液滴粒子浓度、冰晶浓度明显小于降水云,非降水云中液水含量的平均值为0.01 g m-3,冰水含量的平均值0.007 g m-3,冰晶粒子浓度的平均值为11.9 L-1。     

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。     

山西一次降雪云物理特征的飞机观测研究

通过飞机直接进入降雪云进行探测,并配合MICPAS（气象信息综合分析处理系统）、雷达和卫星等资料,对2011年11月29日山西一次降雪云宏、微观结构特征进行分析。研究发现:本次降雪过程的雷达回波以10～20 dBZ大片层状云回波为主,镶嵌了超过30 dBZ的块状强回波,雷达径向速度零线呈较强的“S”型弯曲,出现“牛眼”结构,从低层到高层有较强的风垂直切变。液态水含量主要位于3.2 km以下,最大值为0.0697 g m?3,N₅₀（粒子直径大于50 μm的冰雪晶数浓度）、N₂₀₀（粒子直径大于200 μm的冰雪晶数浓度）和冰水含量主要产生于层积混合降雪云的上部,极大值出现在?9.3°C附近,分别为188.4 L?1、33.5 L?1和0.121 g m?3。?14.4°C～?19.7°C冰晶图像以针状、柱状和不规则状为主,以冰晶的凝华增长为主。?9.3°C附近冰雪晶图像以辐枝状、不规则状为主,辐枝状冰晶的聚并碰撞和折裂繁生可能是造成此处冰雪晶高浓度的主要原因。利用指数形式能较好地拟合冰雪晶谱分布,谱拟合参数可以用幂函数N_os=1.021λ1.684表示（其中,N_os、λ分别表示截距和斜率,N_os越大表示小粒子数浓度越大,λ越大表示小粒子数浓度占总粒子数浓度比例越高）,相关系数R2为0.86。3.2 km以下存在三次逆温,逆温层的出现使云微物理特征量和拟合参数N_os减小,抑制了云内凇附增长和凝华增长,导致本次观测谱拟合参数N_os、λ随温度的变化规律与以往的观测不一致,逆温强度越大抑制作用越大。     

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。     

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。     

太行山东麓层状云微物理特征的飞机观测研究

本文利用“太行山东麓人工增雨防雹作业技术试验”的飞机和地面雷达观测数据,重点研究分析了2018年5月21日一次典型西风槽天气系统影响下的层状云微物理特征。结果表明,?5°C层的过冷水含量低于0.05 g m?3,冰粒子数浓度量级101～102 L?1。冰粒子数浓度高值区主要以针状和柱状冰晶为主。这可能低层是Hallett-Mossop机制和其他冰晶繁生机制共同作用下所产生的冰晶碎片在冰面过饱和条件下凝华增长所形成的。冰粒子数浓度低值区的冰晶形状基本以片状或枝状为主。?5°C层的冰雪晶增长主要以凝华和聚并增长为主,凇附过程很弱。零度层附近云水含量峰值区的液态水占比达到70%以上。云水含量峰值区的粒子主要以直径10～50 μm的云滴为主,伴随着少量聚合状冰晶。零度层其他区域的过冷水含量维持在0.05 g m?3左右,冰晶形态主要以聚合状、凇附状及霰粒子为主。液水层则主要以球形液滴及半融化状态的冰粒子为主。垂直探测表明:零度层以上的冰雪晶数浓度呈现随高度递增的趋势。在发展稳定的层状云内,混合层的过冷水含量很低,冰粒子主要通过凝华和聚并过程增长,云体冰晶化程度较高。而在发展较为旺盛的层状云区里过冷水含量也较高,大量液滴的存在也表明混合层冰-液相之间的转化不充分。不同温度层的粒子谱显示,冷水含量高值区的冰粒子平均浓度比过冷水低值区高,但平均直径比过冷水低值区小。     

Observational Evidence of High Ice Concentration in a Shallow Convective Cloud Embedded in Stratiform Cloud over North China

In this study we observed the microphysical properties, including the vertical and horizontal distributions of ice particles,liquid water content and ice habit, in different regions of a slightly supercooled stratiform cloud. Using aircraft instrument and radar data, the cloud top temperature was recorded as higher than -15℃, behind a cold front, on 9 September 2015 in North China. During the flight sampling, the high ice number concentration area was located in the supercooled part of a shallow convective cloud embedded in a stratiform cloud, where the ambient temperature was around -3℃. In this area,the maximum number concentrations of particles with diameter greater than 100 μm and 500 μm(N_(100) and N_(500)) exceeded 300 L~(-1) and 30 L~(-1), respectively, and were related to large supercooled water droplets with diameter greater than 24 μm derived from cloud–aerosol spectrometer probe measurements. The ice particles types in this region were predominantly columnar, needle, graupel, and some freezing drops, suggesting that the occurrence of high ice number concentrations was likely related to the Hallett–Mossop mechanism, although many other ice multiplication processes cannot be totally ruled out.The maximum ice number concentration obtained during the first penetration was around two to three orders of magnitude larger than that predicted by the Demott and Fletcher schemes when assuming the cloud top temperature was around-15℃.During the second penetration conducted within the stratiform cloud, N_(100) and N_(500) decreased by a factor of five to ten, and the presence of columnar and needle-like crystals became very rare.     

DMT机载云粒子图像形状识别及其应用

利用机载云粒子探测设备入云进行观测是目前获取云粒子微物理特征最直接有效的手段。国内已有多家单位引进美国DMT（Droplet Measurement Technologies）公司的云粒子图像探头CIP（cloud imaging probe）。由于其配套软件不能输出逐个粒子的详细信息,在很大程度上限制了对云粒子图像探测数据的深入挖掘和分析。基于解析粒子图像原始数据,对粒子图像数据进行质量控制,并根据粒子形状几何特征将粒子形状分为8类（微小、线状、聚合状、霰状、球状、板状、枝状和不规则状）。利用2018年12月—2019年3月河南省3次冬季航测获取的灰度CIP探测数据,分析云粒子形状及各形状粒子面积的统计特征,并对比基于不同形状粒子的质量-尺度关系与将所有粒子视作球形液滴计算所得的粒子水凝物含量,发现后者超过前者约1个量级。     

山西夏季层积云降水微物理特征分析

利用Droplet Measurement Technology(DMT)资料,分析了山西2008年7月17日降水性层积云的云微物理结构,通过对云中粒子浓度、平均直径、二维图像以及谱型分布变化,并结合宏观记录特征,详细分析了飞机上升和下降阶段云系的垂直结构特征。结果表明,飞机上升阶段云系为高积云,下降阶段云系为高积云—层积云结构,云粒子探头(Cloud Droplet Probe,CDP)和云粒子图像探头(Cloud Imaging Probe,CIP)测得粒子浓度偏大,最大浓度分别为236cm-3和9.74cm-3。层积云云中微物理量水平分布特征具有明显的不均匀性。飞机上升阶段降水的雨滴主要是冰粒子融化形成的,冷云过程占主导地位,在0℃层附近存在明显的融化层亮带。飞机下降阶段降水机制为高积云冷云过程和层积云暖云过程相结合。     

山西夏季层积云降水微物理特征分析

利用Droplet Measureinent TeehnologY（DMT）资料,分析了山西2008年7月17日降水性层积云的云微物理结构,通过对云中粒子浓度、直径、二维图像以及谱型分布变化,并结合宏观记录特征,详细分析了飞机上升和下降阶段云系的垂直结构特征。结果表明：飞机上升阶段云系为高积云,飞机下降阶段云系为高积云一层积云结构,Cloud Droplet Probe（CDP）和Cloud Imaging Probe（CIP）测得粒子浓度偏大,最大浓度分别为236em。和9．74cm^-3。层积云云中微物理量水平分布特征具有明显的不均匀性。上升阶段降水的雨滴主要是冰粒子融化形成的,冷云过程占主导地位,在0℃层附近存在明显的融化层亮带。下降阶段降水机制为高积云冷云过程和层积云暖云过程相结合。     

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。     

山西省层状云飞机云物理观测试验结果分析

利用山西省2008年-2010年64架次云结构的粒子测量系统（DMT）探测资料,配合地面观测和卫星资料统计分析了层状云系的宏微观特征。发现：降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0．03g,m^3,中云含水量垂直方向上平均为0．05g／m30对比分析降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,降水性层状云云粒子有效半径要达到10μm-14μm。对云系不同温度层的微物理特征和云中水分按不同粒子尺度的分配特征进行了对比分析,结果表明：降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显,也是分层的。高层主要是冰相粒子,主要是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在四个典型温度层的观测中,LWC、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同。云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20μm、30μm的粒子含水量较高,对云中液态水含量的贡献较大,降水粒子主要由20μm、30μm的粒子转化。     

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.