副热带高压中心区域内云和降水气候特征研究回顾与展望

夹卷混合过程表征了云和环境空气之间的相互作用,是云物理和动力过程中不确定性最大的过程之一。它影响着暖云降水形成过程,气溶胶间接效应的强度,云-气候之间的反馈等。本文总结了夹卷混合机制的含义和分类,云降水物理和光学性质的重要性,以及夹卷混合过程的定量描述和参数化。在此基础上,指出了夹卷混合过程研究的难点和未来的研究方向。

     

大陆性浓积云云滴谱离散度影响因子的飞机观测研究

利用2020年7月30日山西省人工增雨防雷技术中心在山西省忻州地区开展的大陆性浓积云飞机探测资料,分析了积云微物理参量、云滴谱离散度随时间和高度的变化以及云滴谱离散度的影响因子。结果表明,该大陆性浓积云云滴谱离散度随高度的增加先递增后递减,但变化范围较小。云滴谱离散度随数浓度、含水量增大而逐渐收敛,呈弱正相关关系;离散度与体积平均半径的相关性随体积平均半径的增大由正转负,与垂直速度呈现正相关关系。云中碰并过程对云滴谱离散度及其影响因子影响较大,建议未来云滴谱离散度的参数化增加对碰并过程的考虑。     

云微物理过程对黄山云滴谱离散度的影响

利用2008年4—7月、2009年5—8月和2011年5—9月黄山光明顶的云滴谱观测资料,对离散度和体积平均半径之间的关系进行了深入的分析和讨论。结果表明,随着体积平均半径的增大,离散度与体积平均半径之间的相关从正变成负,主要与活化、凝结、蒸发和去活化有关,与以往研究一致。在此基础上,进一步发现负相关比较弱,主要与碰并过程有关。当云雨自动转化阈值函数增大时,碰并增强,离散度与体积平均半径之间的相关性由负转正,且正相关性逐渐增强。碰并导致的正相关削弱了凝结和蒸发导致的负相关。此外,尽管云滴谱出现了双峰谱,但第一档强度(第一档浓度除以总的浓度)仍然可以很好地区分正负相关性。     

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).     

基于70 m3膨胀云室的暖云滴谱试验研究

为开展云降水微物理过程机理和机制室内试验研究,设计建造北京气溶胶与云相互作用云室（Beijing aerosol and cloud interaction chamber,BACIC）,搭建完整的气溶胶、云滴谱及常规气象要素测量系统,并于2019—2021年开展暖云试验。结果表明：BACIC能够模拟大气绝热膨胀成云过程,结果符合云微物理基本原理,云雾环境维持时间为5~10 min,达到开展相关科学问题研究的基本要求。利用环境气溶胶开展膨胀试验,测量显示气溶胶数浓度为10000 cm-3和2500 cm-3环境下,成云云滴数浓度分别为2500 cm-3和200~400 cm-3,云滴平均直径分别为8 μm和15~25 μm;上升速度为14.3 m·s-1和2.09 m·s-1时,气溶胶成云活化率分别为42%和17%;气溶胶成云活化率的敏感区域位于气溶胶数浓度小于5000 cm-3的区域;可定量化分析上升速度、气溶胶数浓度与云滴谱特征的相关关系。不同吸湿特性材料的暖云膨胀试验显示：污染背景下开展亚微米级别吸湿性催化剂播撒会导致云滴谱变窄,表明人工消减暖云或雾应采用大粒径催化剂。     

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。     

气溶胶核化清除的化学效应──Ⅱ：动力学参数对云滴化学非均匀性的影响

运用已建立的气溶胶核化清除的物理化学模式,研究了云的动力学因子（如：气块上升速度、夹卷作用）对云滴化学非均匀性的影响。计算结果表明：较强烈的云发展（较大的气块上升速度）可加强由于气溶胶核化和云滴凝结增长造成的云滴化学的非均匀程度。夹卷作用抑制了云的发展,因而减弱了这种非均匀程度。夹卷作用同时也造成总体液态水中Ｓ（ＶＩ）、Ｈ＋等浓度的增加,在Ｓｍａｘ附近可达１个量级。如果考虑气溶胶粒子的夹卷,则可使气块内云滴污染物浓度随云滴大小的变化更加复杂化,如：不仅云滴污染物浓度随云滴大小而变化,即使对于相同大小的云滴之间,其污染物浓度也可相差很大。     

夹卷混合过程及其影响因子对云内过饱和度的影响

云内过饱和度是影响云宏微观物理特性的关键之一。利用显式混合气泡模式,首先研究了云滴周围过饱和度在夹卷混合过程中的演变特征,结果表明:过饱和度先因干空气作用减小,后因云滴蒸发作用增大,直到气块恢复饱和。随后分析了不同的热力、动力和微物理因子对过饱和度的减小幅度和饱和恢复快慢程度的影响。敏感性试验表明:减幅小、恢复快的因子是较大的卷入空气相对湿度和初始云滴数浓度;相对湿度越大,夹卷的影响越小;数浓度越大,云滴尺度越小,蒸发越快,对湿度的补充越强。减幅大、恢复慢的因子是较大的卷入空气比例;卷入空气越多,蒸发量越大。减幅大、恢复快的因子是较大的湍流动能耗散率;混合过程越快,云滴蒸发越快。研究结果有助于提升对夹卷混合过程和暖云降水理论的理解。     

多普勒天气雷达谱宽数据监测机场湍流强度的可行性初探

大气湍流是一种无序的、非确定性的大气运动,它可提高云滴碰撞效率,加速云滴增长速度,在云和降水形成及发展过程中起着十分重要的作用。本文综述了国内外近60 a来云中湍流的研究进展,重点介绍了云宏微观结构特征及云中湍流对云滴碰并增长方面取得的研究成果,以期为进一步观测研究云动力学过程、完善湍流-云微物理相互作用理论及优化云参数化方案提供重要参考。

     

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。     

不同天气系统层状云微物理特征个例分析

利用PMS粒子测量系统和机载温湿仪观测获取的吉林省2007年5月15日高空槽和5月28日冷涡天气下降水云垂直探测资料,对比分析了两次不同天气系统下形成降水过程中云系的宏微观结构特征。结果发现,高空槽影响下的As云中云滴数浓度最大值比冷涡影响的As-Sc云系高一倍;液态水含量方面,高空槽系统下As云中在0℃附近取得最大值,冷涡系统下As-Sc云系中,最大值出现在上层As云中-4.8℃左右处。高空槽系统影响下的As云中,FSSP-100、2D-C和2D-P探测到的粒子数浓度、含水量和平均直径随高度呈不均匀性分布;而冷涡影响的As-Sc云中,FSSP-100测得As云中粒子平均直径远大于Sc,2D-C和2D-P探测到的上层As云中粒子浓度和液态含水量分布相对均匀,而下层Sc中粒子浓度、液态含水量值和平均直径都很小,这是由于云层之间存在干层,使As云中的部分大云滴和雨滴在下降过程中迅速蒸发,不利于降水形成。不同高度层FSSP-100测得的粒子平均谱分布均差异较大。对云中可播性进行研究,结果发现高空槽影响的As云中可播区均为强可播区,冷涡系统影响的As-Sc云中可播区的1/2为强可播区。     

哈尔滨地区层状云降水微物理特征

利用GBPP－100型地面雨滴谱仪在哈尔滨地区所获得的春夏季降水雨滴谱资料,分析了哈尔滨地区层状云降水的雨滴谱分布、微物理参量及其起伏特征。     

基于CloudSat与CALIPSO联合观测研究全球云分布特征

利用2007—2010年CloudSat和CALIPSO资料,统计分析了全球云出现频率以及云量的水平和垂直分布,并与单独CloudSat资料得到的结果进行对比,讨论了CALIPSO观测到的云的空间分布特性。结果表明：全球平均总云量约0.69,云量高值区主要集中在南半球60°S附近西风带、北太平洋风暴路径带,其次是赤道辐合带（InTertropical Convergence Zone,简称ITCZ）,而云量低值区集中在北非沙漠地区及印度洋北部等地。CloudSat/CALIPSO资料与CERES等多种云观测资料获得的总云量分布都基本一致,但CloudSat/CALIPSO资料联合使用能更好地反应云的垂直结构。将联合观测的统计结果与仅使用CloudSat资料统计的云量分布结果对比,可以发现,CALIPSO在陆地上方可以观测到更多云雷达探测不到的高空冰云,且随着温度的降低,观测优势越来越明显;同时还可以观测到一些海洋上层云光学厚度较薄且未形成降水的暖云以及粒径较小的过冷水云。CALIPSO观测到的云顶粒子半径较小但数浓度较大的冰云主要分布在ITCZ、南半球60°S附近西风带和北太平洋风暴路径带地区,云量最大为0.31,占该温度下冰云总量的28％以上;而这些未形成降水的暖云主要是在10~20℃温度范围内南北美洲和南非西海岸地区,云量最大可达到0.4,占该温度下暖云总量的50％以上;过冷水云则主要是在-10℃~0℃温度范围内的南半球60°S附近西风带,云量也增加了0.1以上,约占混合云的15％。     

Numerical Simulation of the Influence of Drop Size Distribution Shape on Cloud and Precipitation

At present,parameterization methods to describe cloud and precipitation processes are widely used in cloud and mesoscale models,but with different drop size distributions.When precipitation formation mechanism,weather modification technique,and mechanism of hail suppression with seeding are studied by using these models,a question that needs to be addressed is：what is the influence of different drop size distributions and related parameters on cloud and precipitation？In this paper,by using a three-dimensional hail cloud numerical model developed by the Institutes of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences, we performed numerical experiments with varied drop size distribution parameters for two hail storms,and analyzed the influence of shape parameters（ar,ai,and ag）of raindrops,ice crystal,and graupel size distributions on rainfall,hail amount,and microphysical processes in clouds.The results show that the variation of ar has no effect on precipitation formation on the whole,but affects directly the production rates for the physical processes related to raindrop.The ag variation has a less obvious effect on rainfall amount,but has a significant effect on hail amount,hailfall rate,and rainfall intensity.It impacts noticeably on the generation rate of the number and mass of ice crystal,graupel,and hail,and also to various degrees on all the microphysical processes in clouds.The ag variation also influences the growing process of the hydrometeors.The effects of the ai variation on part of the generation and growing processes of all the hydrometeors are significant,and even dramatic,such as the collection process of cloud water to rain through melting ice crystal（T CLcir）.However,for clouds located in different geographic regions,the variation of ai has different effects on precipitation,which reflects the complexity of the impact of drop size distribution on cloud and precipitation.At last,some issues about the application of cloud models are also discussed.     

一次飞机播撒吸湿性焰剂试验的微物理探测浅析

2011年夏季,北京市人工影响天气办公室组织了吸湿性焰剂的飞机播撒试验,选取八达岭长城西北的淡积云作为催化对象.试验期间,使用装备了云探测设备的运12飞机进行播撒及云微物理探测.在6月1日的试验中,运用差异化策略分别对不同的淡积云实施了催化,探测发现云中出现了符合暖云增雨概念模型的微物理反应.随后在晴空区实施了烟羽探测试验,通过在吸湿性焰剂烟羽区的穿刺飞行,获得了正在扩散的吸湿性焰剂的粒子谱,了解了播撒后扩散区的微物理特征.