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。     

云滴数浓度影响混合型层状云降水的数值模拟

使用耦合了Morrison双参数微物理方案的中尺度WRF模式V2．2,对2008年1月25-29日发生在我国南方的冰雪天气过程进行了数值试验。在模式准确再现了此次天气过程形势演变特点的基础上,对模式微物理方案中云滴数浓度影响累积降水量的情况进行了敏感性试验,发现云滴数浓度对降水量的影响是复杂和非线性的。对此次天气过程中的微物理量进行了详细的分析,并从各种水成物粒子的发展演变上,讨论了云滴数浓度的增加在暖云和冷云两种降水机制上对降水产生的不同影响。结果表明,云滴数浓度越大,云水混合比就越大,云滴的尺度越小。雨滴对不同云滴数浓度的响应与云滴的情况相反,随着云滴数浓度的增加,雨滴数浓度减小,雨水也减少,暖云降水过程受到了抑制;冰晶和雪晶的数浓度的演变过程没有明显变化,而冰晶和雪晶的混合比是相应增加的,冷云降水过程得到了一定程度的增强。从本文模拟的个例来看,设置不同云滴数浓度所得到的总累计降水量的差异在1％以内。总的来说,增加云滴数浓度,降水量会减少。从比例上来看,增加云滴数浓度对暖云降水过程的抑制作用比对冷云降水过程的增强作用更为显著,但是在本文模拟的个例中,冷云降水过程占主导地位,减少的降水和增加的降水的绝对值在同一个量级上并且数值相近,它们相互抵消后得到的结果是降水量变化的绝对值大大减小了,这解释了增加云滴数浓度后模拟的总累积降水量变化不明显的原因。     

河北一次层状云系降水的微物理机制数值模拟与分析

利用一维层状云模式,详细分析了2009年5月1日中国中东部地区一次层状云系的微物理结构和降水过程。结果表明：此次降水为层状云系降水,云系垂直结构符合顾震潮三层概念模型和“播种云-供给云”机制,其中第一层（上层：4.7-7.0 km）存在冰雪晶,雪主要通过冰晶自动转化和凝华增长。第二层（中层：2.6-4.6 km）有冰晶、雪、霰、云水、雨滴,此层贝吉龙过程作用明显。第三层（下层：1.3-2.5 km）主要粒子为云滴、雨滴、从上层融化的雪和霰,霰的融化对于雨滴的形成贡献最大。云体发展成熟时,各层之间存在一定的播种－供应关系,如第一层向第二层顶部播撒雪和冰晶,第二层向第三层顶部播撒霰和雪。     

CCN数浓度及参数化方案对一次层云降水过程影响的数值研究

利用中尺度WRF模式(V3.7),采用WDM6双参数微物理方案,对2014年7月26日12时—28日06时发生在华东地区的一次层状云降水天气进行数值模拟。通过改变模式中初始云凝结核(CCN)数浓度及参数化方案,进行敏感试验,对模拟结果进行对比分析。改变CCN数浓度的结果表明,CCN数浓度对降水的影响复杂、非线性,随着CCN数浓度的增大,降水量减小。云水、霰混合比始终增加,雨水混合比表现为先增加后减小再增加的趋势,冰晶混合比则与之相反,呈现先减小再增加再减小的趋势,雪晶混合比呈现先减小后增加的趋势;改变CCN参数化方案的结果表明,两者模拟降水落区有差别,三参数方案更接近实际;降水产生后,三参数方案的CCN浓度一直高于双参数方案,且数值变化不大;双参数方案的结果显示暖云降水加强,冷云降水略弱,三参数方案则显示暖云降水较弱,冷云降水较强。     

山西地区一次层状云降水过程的微观特征观测分析

针对山西省2010年5月27日一次层状云降水过程,利用机载DMT探头和Parsivel激光降水粒子谱仪进行探测试验,分析了云微物理特征,并对空中和地面雨滴谱进行比较。结果显示：空中云垂直和水平结构分布不均匀,CDP、CIP探测最大粒子浓度分别为165．20、1．08cm^（-3）。地面雨滴微物理量的平均值说明本次降水是典型的层状云降水,雨强主要由雨滴数密度决定,雨滴微物理参量随时间分布不均匀。建立地面雨强,与雷达反射率因子Z、雨水含量W、雨滴数浓度N、Gamma分布的谱参数眠、A的相关关系,Z-I、W-I,相关性很好,N-I、N_0-I、λ-I,相关性较差。地面平均雨滴谱较空中平均雨滴谱窄、谱型陡。结合粒子图像和雨滴特征量分析空中雨滴谱随高度的分布发现,本次降水是冷云和暖云降水共存。     

一次冷锋云系的宏微观物理特征分析

利用常规气象资料、自动站资料、卫星云图、CINRAD-SA多普勒天气雷达资料以及NCEP再分析资料,结合飞行探测数据,对影响2011年4月17日河北抚宁县森林大火的一次冷锋云系进行分析.结果表明:1)宏观分析,过程降水的水汽仅来自冷锋自身所携带的微弱水汽,水汽辐合值较小,不利降水;2)微观分析,冷锋层状云系在水平和垂直方向上存在较薄的过冷水云区,小粒子数浓度大于20 cm^-3的云区占一定比例.飞机催化作业后,雷达回波强度增强,CAS(云气溶胶粒子探头)探测的小粒子数浓度、云含水量及粒子平均直径均有明显变化,说明该次冷锋云系有一定的增雨潜力.     

河北省降水性层状云宏微观物理特征

利用2009年河北省春秋季17架次飞机宏观观测资料和相应的机载PMS云微物理探测数据,经过回放处理、筛选和计算,统计分析近年河北省降水性层状云物理特征。结果表明：河北省降水性层状云是以Ns、Sc、As为主的多层云系,且多伴随有干层结构。云底平均高度、过冷层厚度、0℃层高度分别为2002、1106 m和3811 m。微物理方面,云滴数浓度平均为54.6 cm^-3,平均直径为8.64 μm。云粒子浓度和尺度均比20世纪90年代各特征值有所减少。统计计算的降水性层状云中液态水含量为0.13 g·m^-3,远大于20世纪90年代的值。     

Model studies of the impact of chemical inhomogeneity on SO2 oxidation in warm stratiform clouds

A one-dimensional, time-dependent model of the physics and chemistry of a warm stratiform cloud is used to study the possible impact of chemical inhomogeneity among cloud and raindrops on the oxidation of SO₂ in clouds. The effects of chemical inhomogeneity are examined using two contrasting models: In Model 1 a bulk-solution parameterization is adopted which effectively treats all cloud and raindrops as if they are chemically homogeneous; in Model 2 we allow the cloud and raindrops to have a dichotomous distribution. The dichotomous distribution in Model 2 is simulated by assuming that the two groups of cloud droplets nucleate from two chemically distinct populations of condensation nuclei; one being acidic and the other being alkaline. While the two models yield essentially identical results when the ambient levels of H₂O₂ are greater than the ambient levels of SO₂, the rate of conversion of SO₂ to sulfuric acid and the amount of sulfate removed in the precipitation can be significantly enhanced in Model 2 over that of Model 1 under conditions of oxidant limitation (i.e., H₂O₂ < SO₂). This enhancement is critically dependent upon the fraction of alkaline nuclei assumed to be present in Model 2 and arises from the rapid increase in the aqueous-phase reaction between O₃+S_IV at high pH. Our results suggest that cloud models which adopt a bulk-solution parameterization for cloud droplet chemistry, may underestimate the amount of in-cloud SO₂ oxidation under oxidant-limited conditions.     

吉林一次降水层状云的结构和物理过程研究

利用机载粒子测量系统的探测结果,配合雷达及地面降水资料,结合一维层状云模式,通过对吉林2004年7月1日的一例降水性层状云系的宏微观物理结构和降水机制的定量化分析,对顾震潮三层模型有了进一步的认识.观测资料表明,该降水过程为典型的层状云降水,地面降水存在不均匀性,云系结构符合顾震潮三层概念模型,其中第1层为尺度很小的冰...     

东北地区一次积层混合云过程的数值模拟

积层混合云是中国主要的降水云型之一,它的动力和热力特征比单一的层状云或对流云都要复杂。利用NCEP的 1°×1°再分析资料,通过WRF模式对东北地区一次典型积层混合云过程进行数值模拟,通过对模拟结果分析并结合实际资料,从热力和动力方面研究了积层混合云的形成过程。结果表明：从稳定性上分析,此次过程属于潜在不稳定型,在积云初始生成时,对流有效位能并不大,假相当位温随着高度递减,有利于对流的发展;在积云嵌入大片层状云的过程中,水汽高低空辐合辐散场的变化起了决定性作用,热力作用为积层混合云过程提供了条件,动力因素起主要作用。     

2002年河南春季的一次层状云降水特征研究

对2002年4月4—5日发生在河南省的大范围春季层状云降水进行探空、雷达、卫星等综合加密观测,分析了锋面移动过程中的云系特征和降水特点。结果发现此次降水主要是700～500hPa大气位势不稳定( θse/ z<0)造成的,位势不稳定区与地面降水极值中心有较好的对应。另外,在位势不稳定层出现前后,高空250～200hPa均存在一个急流中心,而在位势不稳定层的上方或下方则会有风向切变与之对应。云层厚度小、云顶高度低、云系结构不均匀是此次降水云系的主要特点。700～500hPa之间的位势不稳定度小、水汽输送量小和云顶温度低是造成此次降水量小的主要原因。     

一次层状云系水分收支和降水机制的数值研究

对2002年10月18—20日河南省层状云系的水分收支和降水机制用MM5模式模拟的结果表明,河南省域以外的水物质主要通过西和南边界输送到区域内,19日降水主要时段总水物质通量在水平方向上为净流入。对河南省域水汽、水凝物和总水物质的水分平衡等式中各项的估算表明该区域水物质基本达到收支平衡。估算的河南省域总水物质降水效率、凝结率、凝华率和水凝物降水效率及水汽降水效率分别约33.1%、27.7%、13.1%、69.7%和31.1%,总水物质降水效率与水汽降水效率接近是由于参与的水物质总量中水汽占绝大部分。约58.2%以上的冰晶转化为雪,超过82.1%的雪融化,不到11.1%的雪转化为霰,霰粒子几乎完全融化。冰晶通过凝华过程增长。雪主要由冰晶转化产生,凝华增长率比撞冻增长率高得多。雨水由暖云和冷云过程产生和增长,雨水碰并云水量和冰粒子融化量对雨水的贡献相近,云雨自动转化量小。可见,在主要降水时段,降水是由冷云和暖云过程共同产生的。冰粒子凝华增长对雨水的贡献最大超过35%,撞冻增长的贡献最高不足12%,可见水汽对降水粒子增长重要。催化层、冰水混合层和液水层对降水的贡献分别约为15%—27%、45%—50%和23%—38%,表明此"催化-供给"云中冰粒子在冰水混合层的增长对降水的贡献相当大。     

降水性层状云系结构和降水过程的观测个例与模拟研究

2004年7月4～6日, 在我国东北地区有一次大范围的降雨过程。作者分析了此次层状云降雨的观测资料, 包括机载PMS资料、雷达资料以及地面雨强计资料等, 并用包含详细微物理过程的一维层状云模式进行了数值模拟, 用顾震潮的三层概念模型（把层状云垂直结构分为三层:第一层为冰晶层, 第二层为过冷水层, 第三层为暖水层）分析了云的结构及降水形成过程。结果表明, 这个模型基本反映了降水性层状云的结构和降水产生的物理过程。在第一层中, 冰晶的凝华增长很重要, 也存在冰晶的碰并过程。在第二层中, 冰晶和雪的增长主要是通过凝华过程, Bergeron过程作用很大, 但不同时刻Bergeron过程的作用程度不同。第三层中主要有云滴、雨滴和从第二层降落下来以后融化的雪和霰。云的第一层对第二层有播种作用, 冰晶层对降水的贡献为7%, 过冷水层对降水的贡献为54%, 暖水层对降水的贡献为39%, 降水的产生中冷云过程作用稍大, 但暖云过程也起重要作用。     

河南省层波状云系飞机人工增雨作业条件短期预测方法

对河南省春秋季降水以及云状特征的分析表明,河南省春秋季降水大多为层状云或波状云产生的稳定性降水,因而可采用对河南省分区分级进行降水预测的方法来确定适合飞机人工增雨的天气过程以及短期增雨区域。利用T213数值预报产品,运用逐步回归建立分区分级预报方程,并针对个别准确率较低的区域进行后处理。结果表明,用此方法对人工增雨作业进行指导是可行的。     

新一代数值预报系统GRAPES研究进展

基于GEAPES_Meso模式,分别利用Morrison方案和WDM6方案对2017年1月5—7日一次以层状云为占主导的云系中冷云过程进行模拟和对比分析,评估两种云微物理方案对本次冷云过程云微物理及云辐射过程演变的影响。结果表明：包含丰富暖云和冷云物理过程的Morrison双参数云微物理方案模拟效果优于WDM6方案。Morrison方案模拟的云水路径、云冰有效半径及云光学厚度均大于WDM6方案的模拟结果,而模拟云水有效半径小于WDM6的模拟结果。Morrison方案较WDM6方案对云水(云冰)有效半径、云光学厚度、云水路径及地表短波辐射的水平分布模拟结果更为准确。由于Morrison方案模拟云水有效半径大于WDM6方案,云冰有效半径小于WDM6方案,导致Morrison方案模拟的云水和雪混合比大于WDM6方案模拟结果,而雨水、云冰和霰的混合比则明显小于WDM6方案。相较于WDM6方案,Mor-rison方案模拟的地表短波辐射水平分布和量值一致性更接近于CERES卫星结果。两种方案中包含的不同微物理过程将影响潜热和感热过程,其中,Morrison方案模拟海平面温度和辐射通量小于WDM6方案,该差异在陆地区域更显著。

     

基于云雷达和降水雷达资料的一次典型暖云降水成因及粒子类型演变

针对2020年8月9日南京市一次典型对流性暖云降水过程,结合云雷达和双偏振降水雷达资料,研究了此次短时强降水的雷达回波特征和成因;基于雷达参量和模糊逻辑算法识别了水凝物粒子类型,并分析了降水过程中水凝物粒子的性质和演变.结果 表明:此次降水强度大、效率高,雷达观测的云体回波呈现低质心、强回波的热带型结构.正负速度对的出...     

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。     

The Vertical Transport of Air Pollutants by Convective Clouds. Part I: A Non-Reactive Cloud Transport Model

A convective cloud transport model, without chemical processes, is developed by joining a set of concentration conservative equations into a two-dimensional, slab-symmetric and fully elastic numerical cloud model, and a numerical experiment is completed to simulate the vertical transport of ground-borne, inert gaseous pollutant by deepthunderstorm. The simulation shows that deep convective storm can very effectively transport high concentrated pollutant gas from PBL upward to the upper troposphere in 30 to 40 minutes, where the pollutant spreads laterally outward with strong anvil outflow, forming an extensive high concentration area. Meanwhile, relatively low concentration areas are formed in PBL both below and beside the cloud, mainly caused by dynamic pumping effect and sub-cloud downdraft flow. About 80% of the pollutant gas transported to the upper troposphere is from the layer below 1.5 km AGL (above ground level).     

Wet deposition of radionuclides derived from the Chernobyl accident

Chernobyl radioactivity in precipitation was measured at Tsukuba, Japan, as were both surface-air concentrations and particle-size distributions of Chernobyl-released radionuclides. To understand the wet removal processes of the Chernobyl radionuclides, i.e.¹³⁷Cs,¹⁰³Ru, and⁹⁰Sr, wet deposition velocities were calculated. The wet deposition velocities of the Chernobyl radioactivity for individual rainfall events varied largely. The wet deposition velocity is given as the product of washout ratio and rainfall rate. Typically, it was found that the washout ratios of⁹⁰Sr are systematically larger than those of¹³⁷Cs. In order to explain this fact, we examined the relationship between the washout ratios and particle sizes of radionuclide-bearing aerosols. A positive correlation between corrected washout ratios and particle size was found with a particle diameter range from 0.35 to 1.2 µm. The result strongly suggests that the factors controlling the wet removal of the Chernobyl radioactivity for individual rainfall events are surface air concentration, particle size, and rainfall rate, rather than precipitation amount, which is in agreement with previous understandings. This suggests that high contamination areas of radioactivity are formed during heavy rainfall events with high rainfall rates in the case of tropospheric injection such as the Chernobyl accident.     

庐山层状云和对流云雨滴谱比较分析

本文从庐山近3 a的雨滴谱观测资料中选取数例层状云降水和对流云降水个例,通过对两类云降水的平均雨滴谱分析拟合、各微物理量演变以及速度谱的对比研究,得出以下结论:庐山对流云降水的平均雨滴谱很宽,有直径大于10 mm的大雨滴出现。Γ分布,对层状云降水拟合,较MP分布差,而对对流云降水拟合,较MP分布好。两类云降水的雨强变化都是由最大雨滴直径和粒子数浓度共同决定的,但对于对流云降水,最大雨滴直径的决定作用更为重要。雨滴直径较小时,两类云降水的实测速度大于经验公式值;而雨滴直径较大时,实测速度值分布在经验公式曲线两侧,但对流云降水的分布偏差要大于层状云降水。