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。     

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。     

低温弱光对设施番茄苗期营养物质和干物质分配的影响

本试验以PAR （光合有效辐射）800 μmol·m^-2·s^-1，温度25℃为对照（CK），设置6个处理[L1T1（PAR 200 μmol·m^-2·s^-1，4℃）、L1T2（PAR 200 μmol·m^-2·s^-1，6℃）、L1T3（PAR 200 μmol·m^-2·s^-1，8℃）、L2T1（PAR 400 μmol·m^-2·s^-1，4℃）、L2T2（PAR 400 μmol·m^-2·s^-1，6℃）和L2T3（PAR 400 μmol·m^-2·s^-1，8℃）]，分别处理6、12、24、48和72 h，以研究低温弱光双重胁迫对番茄苗期干物质分配以及不同器官的可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸含量的影响.结果表明：低温弱光双重胁迫使地下部分干物质分配比例减小，而对地上部分干物质分配比例无显著影响，地下部分的干物质分配比例随时间的变化与地上部分相反；低温弱光胁迫显著降低了番茄茎和叶片的可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸的含量；根的可溶性糖含量随胁迫时间的变化趋势与地上部分不一致，但根、茎、叶片的可溶性糖含量均以L2T3处理72 h含量最高，分别为94.88、77.09和41.62 mg·g^-1；根的可溶性蛋白含量随胁迫时间的变化趋势与地上部分不一致，茎和叶片的可溶性蛋白含量均以L2T3处理12 h最高，以L1T1处理72 h最低；不同器官的游离氨基酸含量随胁迫时间的变化趋势与可溶性蛋白相反；弱光对番茄干物质和营养物质含量的影响小于低温.研究证实苗期番茄在低温弱光胁迫前期，干物质和营养物质先向地上部分分配，胁迫24 h后则更多地向根系积累.     

芜湖市一次引发严重内涝暴雨过程的水汽输送特征

基于自动气象观测站降水数据、中国降水数据集、ERA5再分析资料及NCEP/NCAR再分析数据,使用水汽收支分析、HYSPLIT后向轨迹追踪和水汽输送贡献率等方法对2022年6月5日凌晨芜湖市一次引发严重内涝暴雨过程的水汽输送特征进行了分析。结果表明:此次暴雨过程出现在200 hPa分流区和850 hPa低空急流左前方,500 hPa冷空气在低空急流出口北侧不断激发对流云团,形成强降水。高层辐散和低层辐合增强了水汽的水平辐合和垂直输送,西南低空急流持续加强,将水汽不断输送至暴雨区,为暴雨的出现提供了必要的水汽条件,使芜湖市在强降水发生前水汽充沛,湿层深厚且持续增湿。暴雨出现时大气可降水量、850 hPa比湿、水汽通量和水汽通量散度分别达到71.0 kg·m^-2、16.0 g·kg^-1、15.0 g·hPa^-1·cm^-1·s^-1和-3.0×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1。850 hPa水汽通量散度的变化与暴雨的出现和强度变化有较好的对应关系,雨强最强时段可达-8.0×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1。水汽收支和追踪分析结果显示:水汽流入主要发生在对流层低层的西边界和南边界,暴雨发生前流入层深厚,有向上的水汽垂直输送。整层水汽流入量约为56.0×10⁷ t·h^-1,主要流入高度为850～700 hPa,单层流入量最大可达9.0×10⁷ t·h^-1,水汽主要源自孟加拉湾和南海,其水汽通道轨迹占比为32.0％,水汽输送贡献率达55.4％。暴雨出现时水汽流入层降低,流入量减少,水汽垂直输送减弱,总水汽净流入集中在850 hPa,净流入量为1.0×10⁷ t·h^-1左右,水汽主要源自南海,其水汽通道轨迹占比为46.0％,水汽输送贡献率达60.3％。     

2014—2019年北京和南京地区PM2.5和臭氧质量浓度相关性研究

自2014年以来,中国细颗粒物（PM_2.5）浓度大幅度下降,但臭氧（O₃）浓度逐年缓慢上升,厘清PM_2.5和O₃（P-O）相关性尤为关键.在本研究中,2014—2019年北京和南京PM_2.5年均质量浓度下降幅度分别为-6.86和-6.15 μg·m^-3·a^-1;而日最大8小时平均O₃质量浓度（MDA8 O₃）年均增长幅度为1.50和1.75 μg·m^-3·a^-1.研究期间,北京地区MDA8 O₃质量浓度小于100 μg·m^-3,P-O呈负相关;而当质量浓度大于100 μg·m^-3时,P-O为正相关.通过Pearson相关系数研究P-O两者相关性.在两个城市每月相关性分析中,在每日时间尺度5—9月为强的正相关;而小时时间尺度11月至次年2月趋于负相关.在北京,P-O每月和季节相关性变化大于南京.在日变化中,夏季在16时为强的正相关,春秋两季在13—17时为弱的正相关,而在春、秋和冬季8时,却为强的负相关.     

云微物理过程对台风数值模拟的影响

将中国气象科学研究院（CAMS）混合双参数云微物理方案用于中尺度天气模式WRF,开展了对2013年超强台风天兔（1319）的模拟,通过与台风最佳路径、强度及热带降雨测量卫星（TRMM）资料对比,分析CAMS云微物理方案在模拟台风中的适用性及云微物理过程对模拟台风天兔的影响机制。设计了3组敏感性试验:修改雪粒子质量和落速系数（EXP1）,采用海洋性云滴参数（EXP2）,同时修改雪粒子质量和落速系数并采用海洋性云滴参数（EXP3）。结果表明:EXP1和EXP3由于霰碰并雪速率的增加及减小的雪下落通量,导致雪含量显著降低,同时也减少了整体冰相物的含量;EXP2和EXP3模拟的台风眼区对流有效位能快速减小,再现了前期台风的快速增强过程,路径偏差也最小;各试验模拟的小时降水率总体偏强,EXP3的降水空间分布与实况更接近,明显降低雪粒子含量,并一定程度上改善模拟的台风路径、强度及降水分布等。该结果不但可为改进适用于台风的云微物理参数化方案提供思路,也可加深云微物理过程对台风影响的认识。     

云在气候模式中参数化的普适幂律

云滴有效半径是气候模式中辐射参数化的一个云微物理量．在讨论现有处理方法的基础上,从基本概念出发,导出联系有效半径、含水量、总云滴数及湍流强度的普适幂律．该定律：（1）表明常用参数化公式的多样性源于人们选择数学模型的主观判断;（2）启示我们应该寻找有效半径与平均单位云滴含水量（含水量与总云滴数之比）之间的关系;（3）揭示出湍流在云参数化中的重要作用．通过本文的分析,建议人们要彻底了解人类活动对成云致雨（有意识人工影响天气）和全球变化的作用需研究“大气气溶胶─云激物理─湍流（动力）─辐射”系统．     

云微物理参数的地基探测反演研究综述

云相态、云滴谱分布和云液态水含量作为重要的云微物理参数,对气候变化、天气变化、人工影响天气和飞行安全等很多方面都有着重要的影响。云微物理参数的研究已是国际气象学研究领域中的热点之一,而在国内这方面的研究较少。简要论述了地基方法在云微物理学研究的优越性,扼要总结了国内外地基探测技术的发展现状,重点概括了云相态、云滴谱和云液态水3个参数的地基反演算法,并予以评价,展望了未来发展趋势,为国内云微物理研究提供了参考与借鉴。     

IPCC AR6对地球气候系统中反馈机制的新认识

气候反馈反映了气候系统内部对外界干扰的适应过程,在很大程度上影响对未来气候变化的预估。本文对政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6）中有关气候反馈的内容进行了梳理。相比第五次评估报告（AR5）,AR6对云反馈的认识有了较大提高,尤其是副热带海洋上空低云的反馈。AR6认为在高信度上云反馈参数为正值,即对气候变化起到一种放大效应。不过,云反馈的不确定范围在所有反馈机制中依然是最大的。除了普朗克反馈外,其他反馈机制（包括水汽、温度直减率、地表反照率、云、生物地球物理和非CO₂生物地球化学反馈）均在正值区间或零附近,总体上对气候变化起到放大效应。AR6对总的气候反馈的估计值为-1.16 W·m^-2·℃^-1,5%～95%的置信区间为[-1.81,-0.51] W·m^-2·℃^-1。随着气候平均态的增暖,气候反馈参数很可能会更靠近正值。     

一次积层混合云的形成过程和微物理观测

利用2009年5月8日多普勒雷达资料和飞机穿云观测资料,综合分析了西风槽影响下山西省一次积层混合云的形成过程和微物理结构。结果表明,此次飞机探测到的积层混合云是由对流单体多次并合形成的带状对流云团减弱后形成的,云中嵌有明显的对流泡,最大强度为45～50dBZ,最大垂直尺度在6km左右。CDP(cloud droplet probe,前向散射粒子谱探头)、CIP(cloud ima-ging probe,二维灰度云粒子探头)、PIP(precipitation imaging probe,二维灰度降水粒子探头)测量的平均数浓度变化范围分别是132.4～220.2cm^-3、1.54×10^-1～6.28×100cm^-3、9.09×10^-4～7.34×10^-3cm^-3。二维图像表明,冷层中的固态粒子主要是形状不规则的霰粒子,说明过冷水供应充足;在-7℃左右观测到柱状聚合体和凇附程度不同的冰雪晶粒子,表明柱状冰晶通过凝华形成后,碰并和凇附是其增长为霰粒子的重要机制。不同高度的CDP平均谱(2～50μm)存在一定的差异,因低层水汽凝结作用较强,2～18μm的云粒子数浓度基本随高度的增加而降低;因暖层中碰并效率低和冷层中小冰晶浓度随高度增加,24～35μm粒子数浓度随高度增加而增大。CIP平均谱(25～1550μm),除4100m为双峰谱外,其他高度均为单峰谱。PIP平均谱(100～6200μm),4450m高度处的粒子谱宽和数浓度最大,3200～4000μm之间出现大值区域,表明对流单体及周边区域为较大固态降水粒子的形成提供了良好的环境。     

Comparison of cloud properties between cloudsat retrievals and airplane measurements in mixed-phase cloud layers of weak convective and stratus clouds

Cloud microphysical properties including liquid and ice particle number concentration (NC), liquid water content (LWC), ice water content (IWC) and effective radius (RE) were retrieved from CloudSat data for a weakly convective and a widespread stratus cloud. Within the mixed-phase cloud layers, liquid-phase fractions needed to be assumed in the data retrieval process, and one existing linear (p1) and two exponential (p2 and p3) functions, which estimate the liquid-phase fraction as a function of subfreezing temperature (from -20°C to 0°C), were tested. The retrieved NC, LWC, IWC and RE using p1 were on average larger than airplane measurements in the same cloud layer. Function p2 performed better than p1 or p3 in retrieving the NCs of cloud droplets in the convective cloud, while function p1 performed better in the stratus cloud. Function p3 performed better in LWC estimation in both convective and stratus clouds. The REs of cloud droplets calculated using the retrieved cloud droplet NC and LWC were closer to the values of in situ observations than those retrieved directly using the p1 function. The retrieved NCs of ice particles in both convective and stratus clouds, on the assumption of liquid-phase fraction during the retrieval of liquid droplet NCs, were closer to those of airplane observations than on the assumption of function p1.     

Microphysical characteristics of precipitating cumulus cloud based on airborne Ka-band cloud radar and droplet measurements

在积云中,大多数云粒子的直径在7到10微米之间,而在层云中,大多数云粒子的直径不超过2微米.云滴有效半径与云中行星边界层(PBL)及PBL上层的气溶胶数浓度(Na)呈负相关.在1500米以上的高液态水含量区域,云滴浓度(Nc)变化不大,Na含量降低.高雷达反射率对应于大的FCDP云粒子浓度和小的气溶胶粒子浓度.积云中的...     

Statistical analysis of microphysical properties and the parameterization of effective radius of warm clouds in Beijing area

In this paper warm cloud microphysical parameters including cloud droplet number concentration (N_c), liquid water content (q_l) and effective radius (r_e) from 75 flights around the Beijing area during 2005 and 2006 are summarized. Average N_c (cm^− 3) for Cu, Sc, Ac, As and Ns are 376 ± 290, 257 ± 226, 147 ± 112, 60 ± 35 and 60 ± 84, respectively. Many records of high N_c above 1000 cm^− 3 are observed. The large standard deviations indicate a large variation of N_c and q_l in this region. The maxima of q_l reach 1.4 g m^− 3 in Cu and 1.0 g m^− 3 in Sc, respectively. Different parameterizations of effective radius are examined with the in-situ data in this area. There are different ways to obtain the prefactor representing the relationship between effective radius and mean volume radius. Significant systematic errors are found to be at the large sizes when the prefactor is expressed with relative dispersion under the Gamma Distribution. Fixed prefactor of 1, which was widely used, even produces much larger error. A prefactor of 1.22 is found to be better than the former two methods by fitting with the observed data. The effective radius is further parameterized as functions of mean volume radius, liquid water content and cloud droplet number concentration. We suggest that the effective radius can be parameterized as r_e,p ≈ 1.20r_v + 0.22–1.28/r_v², which is a practical and more accurate scheme without too much computation complexity.     

Microphysical and optical features of polluted cooling tower clouds

In November 1993 an airborne field study was performed in order to investigate the microphysical and radiative properties of cooling tower water clouds initiated by water vapour emissions and polluted by the exhaust from coal-fired power plants. The number-median diameter of the droplet size distributions of these artificial clouds was in the range of 13 μm. The concentration of smaller droplets (diameters d_D < 10 μm) increased with height and horizontal distance from the cooling towers. Close to the cooling towers, bimodal spectra were found with a second mode at 19 μm. The liquid water content (LWC) ranged between 2 and 5 g/m³ and effective droplet radii (R_e) between 6 and 9 μm were measured. LWC and R_e decreased with altitude, whereas the droplet concentration (N_D) remained approximately constant (about 2000 cm⁻³ ). An enrichment of interstitial aerosol particles with particle diameters (d_p) smaller 0.2 μm compared to the power plant plume in the vicinity of the clouds was observed. Particle activation for d_m > 0.3 μm. was evident, especially in cooling tower clouds further apart and separated from their sources. Furthermore, radiation measurements were performed, which revealed differences in the vertical profiles of downwelling solar and UV radiation flux densities inside the clouds.The effective droplet radius R_e was parameterized in terms of LWC and N_D using equations known from literature. The close agreement between measured and parameterized Re indicates a similar coupling of R_e, LWC and N_D as in natural clouds.By means of Mie calculations, volume scattering coefficients and asymmetry factors are derived for both the cloud droplets and the aerosol particles. For the cloud droplets, the optical parameters were described by parameterizations from the literature. The results show, that the link between radiative and microphysical properties of natural clouds is not changed by the extreme pollution of the artificial clouds.     

华北地区层状云微物理特性及气溶胶对云的影响

利用机载粒子探测系统(PMS,ParticleMeasurementSystem)对1990年9、10月和1991年4月的春秋两季层状云进行了云及降水的微物理特征探测,分析了云微观特征和垂直分布,初步探讨了气溶胶对云的影响。结果表明,华北地区层状云的基本特征为云滴数浓度79.2cm-3、液态含水量0.03g.m-3、有效直径11μm并有垂直差异;云下气溶胶数浓度与云滴数浓度两者之间存在正相关关系,但其定量关系还有待于进一步研究。     

成都地区雨滴谱特征

选取成都信息工程学院气象观测场LNM激光雨滴谱仪获得的2009—2011年175次降水过程的观测资料,依据产生降水云的性质进行统计分类,基于微物理特征参量讨论了成都地区积云、积层混合云以及层状云降水雨滴谱的总体特征,同时结合3个典型个例的微结构参量进行对比分析。结果表明:成都地区积云降水和积层混合云降水的雨滴谱比层状云宽且雨滴数密度比层状云多,特别是在大雨滴和甚小雨滴部分;4种反映雨滴谱特性的特征直径从大到小依次为积云降水、积层混合云降水、层状云降水;成都地区层状云降水的雨强主要来自于小雨滴,而积云降水和积层混合云降水的雨强主要来自于大雨滴;雨强取决于大雨滴的数量,小雨滴贡献率与雨强呈负相关,中数体积直径对雨强变化有一定指示作用。对成都地区雨滴谱特征的研究,有利于进一步了解该地区降水的微物理特性及成雨机制,为降水数值预报工作积累资料和经验。     

层状云微物理参数反演及其辐射效应的个例研究

利用毫米波云雷达、微波辐射计联合反演方法,对2015年11月11日安徽寿县的一次层状云过程的云参数进行了反演,将所得云参数加入到SBDART辐射传输模式中,进行辐射通量计算,并将计算的地面辐射通量与观测的地面辐射通量进行了对比分析。研究表明:1)利用毫米波雷达和微波辐射计数据联合反演的云参数比较可靠;2)利用SBDART模式并结合反演的云参数,可以准确实时地计算地面及其他高度层的长短波辐射通量;3)在反演的云参数中,光学厚度对地面各种辐射通量的影响是最大的,云层的光学厚度越大,到达地面的太阳短波辐射越小,地面反射短波辐射也越小。另外云底温度越高,云体向下发射的红外长波辐射越大。地面向上的长波辐射是地面温度的普朗克函数,随地面温度而变;4)云对地面的短波辐射强迫为负值,对地面有降温的作用。云对地面的长波辐射强迫是一个正值,对地面有一个增温的作用;5)云对地面的净辐射强迫随时间变化很大,它的正负与太阳高度角和云参数有关。     

利用TRMM卫星资料对人工增雨云系模式云微观场预报能力的检验

文中利用TRMM卫星测雨雷达探测反演的云水、雨水、云冰和降冰4种云参数产品及实况降水资料,对比检验该人工增雨云系业务模式对云微观场和地面降水场的预报能力.结果表明,人工增雨云系模式系统对降水的预报能力要略优于现行业务运行的GRAPES模式;人工增雨云系模式系统能较好地预报云系系统云物理微观量的垂直结构特征,模式预报的微观场与卫星监测吻合较好;在播撒窗区的水平分布上,模式预报的各水凝物分布形势和强中心位置与卫星监测一致,其大小也接近监测值;人工增雨云系模式能较好地预报云的微观场和天气形势场,可作为云系人工增雨条件决策的重要参考依据.     

Microphysics of clouds at Kleiner Feldberg

During a field measuring campaign at Kleiner Feldberg (Taunus) in 1990, microphysical characteristics of clouds have been measured by Forward Scattering Spectrometer Probes (FSSP). The aim was to study the influence of aerosol and meteorological factors on droplet size and number. The results are: More mass in the accumulation size range of the aerosol leads to more droplets in stratocumulus clouds and to higher soluble masses in droplets of stratus clouds. However, the aerosol distribution was coarser in the stratus clouds compared to the stratocumulus clouds. Within the first 200 m from cloud base, the droplets grow while their number decreases. The growth results in a stable size of about 14 µm diameter over a large distance from cloud base in many stratocumulus clouds. Two types of mixing processes were observed: processes with reductions in the number of droplets (inhomogeneous mixing) and with reductions in the size of the droplets (homogeneous mixing).     

降水性层状云结构及微物理量相关性分析

利用飞机、雷达、卫星观测资料,对2014年5月1日08时—2日08时河北省一次降水性层状云结构特征进行综合观测分析。结果表明本次过程降水云大致分为3层:4 200~2 850 m为冷暖云结构,2 162~2 174 m为十几米厚的纯暖云,近地面层121~265 m有粒子浓度较低(量级为101cm-3)的暖云。降水开始前存在较明显的催化云—供给云结构,降水开始后高层对低层有催化作用。人工增雨潜力区主要位于3 100~4 000 m,对应的雷达回波强度为20~30 d Bz,且雷达回波强度垂直梯度明显变小。对不同高度的云微物理量进行相关性分析,结果表明,云底的液态水含量和云滴浓度与气溶胶浓度具有较强的负相关,过冷水含量与云滴浓度相关性达到0.434,云凝结核浓度在冷云中与温度相关性较强,相关系数达到0.717。