一次冷涡过程降水的微物理机制分析

美国大气辐射观测项目组进行的浅薄低云的光学辐射观测项目（RACORO）对出现在美国南部大平原的低云开展了为期五个月的观测,得到了大量层积云和积云中的数据。为了探究在层积云和积云中的微物理特征,采用伽马分布、对数正态分布、威布尔分布对微物理量的概率密度分布进行拟合,分析对比层积云和积云中微物理量的特征,并探讨两种云云滴谱离散度的影响因子。结果表明,以上三种概率分布函数对层积云和积云中的微物理量的概率密度分布拟合效果很好,绝大部分总体拟合度达到了0.80以上。综合看来,伽马分布对层积云内的微物理量拟合效果最好,对数正态分布对积云内的微物理量拟合效果最好。对比层积云与积云中微物理量的分布差异得到,在积云中云滴数浓度更高,而云滴的平均半径更小;积云含水量、标准差和离散度与层积云相当。在云滴谱离散度的影响因子方面,层积云和积云中离散度与云滴数浓度、垂直速度呈负相关关系,这是因为垂直速度越大,过饱和度越大,云滴浓度越大,离散度越小;垂直速度减小往往对应着夹卷增强和云滴蒸发,从而导致云滴浓度减小和离散度增大。

     

On the parameterization of precipitation in warm clouds

The Sundqvist parameterization for warm rain production by autoconversion processes as the function of cloud liquid water mixing ratio m is tested by defining a realistic ‘driving’ profile m(z) for a maritime low, warm stratocumulus cloud, and comparing with various recent observations. The results show that the parameterization is acceptable, especially after tuning its rain collection constant C₁. It is somewhat sensitive to the vertical resolution of the host model, though. Extending the calculations by considering typical cloud and raindrop size spectra, extra variables such as drizzle amounts and droplet effective radii (forced by the bulk Sundqvist rain rates) could be estimated by numerical integration. Also, these seem to agree fairly well with the available observations.     

Characterization of cloud microphysical properties in different cloud types over East Asia based on CloudSat/CALIPSO satellite products

利用CloudSat/CALIPSO卫星资料,本文揭示了东亚三个代表性区域的云微物理属性,为评估和改进模式云微物理过程提供重要的观测基础.研究的云微物理量包括云水/冰质量,数浓度和有效半径.研究表明:暖云中云水质量和数浓度随高度增加而减小,有效半径处于8-14μm范围.对于冰云,云冰质量和有效半径随高度增加而减小,而数浓度在垂直方向上变化不大.此外,云微物理属性在不同云型之间存在显著差异:积云的云水质量和数浓度最大,而卷云的云水质量和数浓度最小.从三个区域的对比结果来看,相比于华东和西北太平洋地区,青藏高原地区暖云的云水质量和数浓度较小,而冰云的则较大.     

Simulation of marine stratocumulus: effect of precipitation parameterization and sensitivity to droplet number concentration

Marine stratocumulus observations show a large variability in cloud droplet number concentration (CDNC) related to variability in aerosol concentration. Changes in CDNC modify the cloud reflectivity, but also affect cloud water content, cloud lifetime, and cloudiness, through changes in precipitation. In mesoscale models and general circulation models (GCMs), precipitation mechanisms are parameterized. Here we examine how the precipitation parameterization can affect the simulated cloud. Simulations are carried out with the one-dimensional version of the hydrostatic primitive equation model MAR (Modéle Atmosphérique Régional) developed at the Université catholique de Louvain. It includes a E- turbulence closure, a wide-band formulation of the radiative transfer, and a parameterized microphysics including prognostic equations for water vapour, cloud droplets and rain drops concentrations. In a first step, the model is used to simulate a horizontally homogeneous stratocumulus deck observed during the Atlantic Stratocumulus Transition Experiment (ASTEX) on the night of 12–13 June 1992. The observations show that the model is able to realistically reproduce the vertical structure of the cloud-topped boundary layer. In a second step, several precipitation parameterizations commonly used in mesoscale models and GCMs are tested. It is found that most parameterizations tend to overestimate the precipitation, which results in an underestimation of the vertically integrated liquid water content. Afterwards, using those parameterizations that are sensitive to CDNC, several simulations are performed to estimate the effect of CDNC variations on the simulated cloud. Based upon the simulation results, we argue that currently used parameterizations do not enable assessment of such a sensitivity.     

东亚地区云微物理量分布特征的CloudSat卫星观测研究

本文利用2007~2010年整四年最新可利用的CloudSat卫星资料, 对东亚地区(15°~60°N, 70°~150°E)云的微物理量包括冰/液态水含量、冰/液态水路径、云滴数浓度和有效半径等的分布特征和季节变化进行了分析。本文将整个东亚地区划分为北方、南方、西北、青藏高原地区和东部海域五个子区域进行研究, 结果显示:东亚地区冰水路径值的范围基本在700 g m-2以下, 高值区分布在北纬40度以南区域, 在南方地区夏季的平均值最大, 为394.3 g m-2, 而在西北地区冬季的平均值最小, 为78.5 g m-2;而液态水路径的范围基本在600 g m-2以下, 冬季在东部海域的值最大, 达到300.8 g m-2, 夏季最大值为281.5 g m-2, 分布在南方地区上空。冰水含量的最高值为170 mg m-3, 发生在8 km附近, 南方地区夏季的值达到最大, 青藏高原地区的季节差异最大;而液态水含量在东亚地区的范围小于360 mg m-3, 垂直廓线从10 km向下基本呈现逐渐增大的趋势, 峰值位于1~2 km高度上。冰云云滴数浓度在东亚地区的范围在150 L-1以下, 水云云滴数浓度的值小于80 cm-3, 垂直廓线的峰值均在夏季最大。冰云有效半径在东亚地区的最大值为90 μm, 发生在5 km左右;水云有效半径在东亚地区的值分布在10 km以下, 最大值为10~12 μm, 基本位于1~2 km高度上。从概率分布函数来看, 东亚地区冰/水云云滴数浓度的分布呈现明显的双峰型, 其他量基本为单峰型。本文的结果可以为全球和区域气候模式在东亚地区对以上云微物理量的模拟提供一定的观测参考依据。     

2014年夏季青藏高原云和降水微物理特征的数值模拟研究

为了加强对青藏高原（高原）云和降水微物理特征的深入认识,采用高分辨率中尺度数值预报模式（WRF）,对第三次青藏高原大气科学试验2014年7月3-25日发生的6次不同强度云和降水过程进行了数值模拟分析。研究结果表明:（1）青藏高原夏季云和降水过程具有独特性。高原夏季对流的促发机制主要是午后高原加热造成的,云和降水具有明显的日变化。午夜后,对流性降水一般转化为层状云降水,具有明显的0℃层回波亮带,并且会产生强降水。大部分对流云云顶高度超过15 km（海拔高度）,最大上升气流速度为10-40 m/s。（2）6次云过程中均具有高过冷云水含量,主要分布在0—-20℃层,冰晶含量主要分布在-20℃层以上的区域,强盛的对流云中,可出现在-40℃层以上区域;雨水集中分布在融化层之下,说明其主要依赖降水性冰粒子的融化过程;雪和霰粒子含量高,分布范围广,说明云中冰相过程非常活跃。（3）高原夏季云中水凝物的转化过程和降水的形成机理具有明显特点。霰粒子的融化过程是地面雨水的主要来源,暖雨过程对降水的直接贡献很小,但通过暖雨过程形成的过冷雨滴的异质冻结过程对云中霰胚的形成十分重要。霰粒子的增长主要依靠凇附过程以及聚并雪晶的增长过程。      

一次飑线过程的云微物理参数化方案数值试验及其成因分析

利用WRF模式6种适合高分辨率且包含多种固态水成物粒子的云微物理参数化方案,分别对2012年5月16日江苏北部一次飑线过程进行数值试验,结果表明:LIN方案模拟的飑线回波反射率、强降水TS评分、结构和强度等均要优于其余5种微物理参数化方案。分析不同参数化试验结果中不同水成物粒子占比随时间的变化特征,并针对LIN方案采取敏感性试验和水成物转化微物理过程分析指出,在此次飑线过程中的各水成物粒子中,霰/雹粒子占比最大,是降水过程中最重要的粒子;地面降水直接来源是雨水,雨水主要来源于中层霰/雹粒子的融化,小部分来源于云水的自动转化;中层霰/雹粒子最主要来源是通过雨霰转化过程中的雨水撞冻冰雹微物理过程,其次是霰撞冻云水的微物理过程,而冰相物质雪晶和云冰的碰并、撞冻和自动转化过程微乎其微。     

Approximation formulas for the microphysical properties of saline droplets

Microphysical theory has proven essential for explaining sea spray's role in transferring heat and moisture across the air–sea interface. But large-scale models of air–sea interaction, among other applications, cannot afford full microphysical modules for computing spray droplet evolution and, thus, how rapidly these droplets exchange heat and moisture with their environment. Fortunately, because the temperature and radius of saline droplets evolve almost exponentially when properly scaled, it is possible to approximate a droplet's evolution with just four microphysical endpoints: its equilibrium temperature, T_eq; the e-folding time to reach that temperature, τ_T; its equilibrium radius, r_eq; and the e-folding time to reach that radius, τ_r.Starting with microphysical theory, this paper derives quick approximation formulas for these microphysical quantities. These approximations are capable of treating saline droplets with initial radii between 0.5 and 500 μm that evolve under the following ambient conditions: initial droplet temperatures and air temperatures between 0 and 40 °C, ambient relative humidities between 75% and 99.5%, and initial droplet salinities between 1 and 40 psu.Estimating T_eq, τ_T, and τ_r requires only one-step calculations; finding r_eq is done recursively using Newton's method. The approximations for T_eq and τ_T are quite good when compared to similar quantities derived from a full microphysical model; T_eq is accurate to within 0.02 °C, and τ_T is typically accurate to within 5%. The estimate for equilibrium radius r_eq is also usually within 5% of the radius simulated with the full microphysical model. Finally, the estimate of radius e-folding time τ_r is accurate to within about 10% for typical oceanic conditions.     

黄山地区春夏季气溶胶离子组分及其对云微物理特征的影响

利用2009年5-8月在华东地区高山——黄山顶取得的气溶胶和云微物理参数观测资料以及同期气溶胶离子成分数据,结合多种化学组分气溶胶绝热气块分档云模式,研究了黄山地区多化学组分气溶胶对云凝结核和云微物理特征的影响.气团轨迹和气溶胶离子成分的分析结果表明,3种气团影响着黄山地区气溶胶的化学组分,即北方大陆气团气溶胶富含CaCO3,局地污染气团气溶胶以可水溶性无机盐((NH4)2SO4、NH4 NO3)为主,而变性混合海洋性气团气溶胶中NaCl较多.数值模拟结果显示,在气溶胶谱一定时,不同天气形势下黄山气溶胶的化学组分的差异会对云微物理特征产生不同的影响.同一上升速度下实际多组分气溶胶模拟的云滴数浓度大于纯硫酸铵,主要体现在云滴谱第1个峰值3.3 μm之前;气块上升速度低于0.7 m/s时,含有较多不可水溶物质的混合气溶胶对云滴数浓度的影响较大;上升速度大于0.7 m/s时,气块中可凝结水增多,海盐对云滴数浓度增加的效果更显著.多组分气溶胶模拟云滴谱较纯硫酸铵窄,其中,北方气团方案造成云滴谱变窄的程度高于混合气团方案;而模拟的云滴数目增多,造成云滴有效半径减小,云光学厚度和反照率增加,将会对暖云降水及辐射效应产生不同的影响.     

微物理过程参数化方案对辽宁一次暴雪的数值模拟差异分析

利用WRFv3.9.1中尺度数值模式,采用Lin、WSM6、Thompson、WDM6四种微物理过程参数化方案对2007年3月4日辽宁特大暴雪过程进行了数值模拟研究。使用61个国家级气象站降水观测资料,评估了模式对此次降水过程的模拟能力,对比分析了不同微物理过程参数化方案模拟降雪过程中相态变化和水成物空间分布的差异。结果表明:4种微物理过程参数化方案均能模拟出与CloudSat卫星反演反射率分布相接近的结果,其中Thompson方案模拟的回波顶更高,向北伸展的范围也更大,其他3种方案回波顶高均在8 km附近。4种方案对降水落区的模拟略有差异,整体来看WSM6方案对本次降水的极值中心位置,以及不同降水量级的TS评分整体都优于其他3种参数化方案。降水相态模拟与观测的对比分析发现,WSM6、Lin和WDM6三种方案均能够模拟出雨雪分界线不断南压的过程且雨雪分界线位置准确,而Thompson方案对辽宁南部地区雨转雪时间模拟偏晚。从云微物理特征上看,4种方案均能模拟出大气低层存在的雨水粒子,其中WDM6方案模拟的雨水含量明显较其他3种方案更多,Thompson方案模拟出更多的雪粒子和最少的霰粒子,Lin方案霰粒子南北范围广、伸展高度高,WSM6和WDM6两种方案模拟出较少的霰粒子,这两种方案模拟的云冰高度也更低,正是各种水成物空间分布的差异决定了不同微物理过程参数化方案对降水量和降水相态模拟的差异。      

利用NOAA卫星的AVHRR资料试分析云和雾顶部粒子的尺度特征

该文利用NOAA卫星的AVHRR资料的通道3（3.55～3.93 μm）数据中所包含的太阳反射光信息,分析了云和雾中粒子的大小分布状况。把分析结果与地面观测资料相对比,发现具有CH3反射率小值的云中大粒子区与降水区间存在一定的关系,CH3反射率大值区与大雾覆盖区之间具有良好对应性。     

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。     

2014年青藏高原云和降水多种雷达综合观测试验及云特征初步分析结果

加密外场试验可提供云降水物理过程新的数据。2014年7月1日—8月31日,第3次青藏高原大气科学试验项目组在那曲开展了水汽、云和降水的综合观测,使用了中国最先进的Ka波段毫米波云雷达、Ku波段微降水雷达、C波段连续波雷达和激光雷达,并配以微波辐射计、雨滴谱仪等设备,获取了高时空分辨率的云和降水宏微观垂直结构特征数据;利用C波段双线偏振雷达与新一代天气雷达配对,进行双多普勒雷达观测,获取青藏高原对流云三维风场和降水粒子相态的结构和演变数据。文中简单介绍了本次试验的情况,并利用这次观测的云雷达数据对那曲地区夏季云的云顶和云底高度、云厚、云量、云层数等特征的日变化进行了初步统计分析,对不同类型云的宏观特征进行了讨论。结果表明:本次外场试验首次成功获取到了多种雷达的云观测数据。那曲地区夏季云主要集中在6 km(距地面高度,下同)以上和4 km以下;总云量、高云的云顶、云量和云厚等云的统计参数有明显的日变化,10时(北京时)为云发展最弱的时段,20时云发展最为旺盛;初生的积云和层云常常出现在3 km高度上,这一高度上常常存在明显的上升气流;深对流系统高度可达16.5 km,同时存在上升气流和下沉气流,对流中可能存在过冷水。这些数据和初步结果为进一步开展高原云和降水机理、云和降水物理过程参数化方案研究及卫星反演结果的订正提供了基础。     

东北地区嵌入对流过程的数值模拟分析

利用常规气象观测资料、NCEP FNL再分析资料以及中尺度WRF模式的数值模拟结果,对2010年7月1日发生在辽宁地区的一次嵌入对流云的形成、演变过程进行了分析,并对云中微物理特征进行了诊断。结果表明：WRF模式较理想地模拟出了此次对流过程。嵌入对流云是在大气上层分布有成片的层状云,低层有零星的对流泡生成的情况下,随着低层对流泡的不断发展壮大,当其伸展至层云的高度时镶嵌其中而成;嵌入的对流体在随层状云东移的过程中反复进行着并合、分裂过程,而且分裂过程中出现明显的右移性对流体的选择性加强;云系中不仅存在云水直接转化为雨水的暖云降水机制,也存在有播撒—供应的冷云降水机制,且成熟阶段冷、暖云降水机制均较为活跃;物理量场上,低层辐合高层辐散的强度在发展阶段最强,最有利云系的发展。     

中国东部大陆和邻近海域暖云特性时空分布及其与气象条件的关系

基于2003~2016年MODIS/Aqua（MODerate resolution Imaging Spectroradiometer）云产品资料（MYD08_D3）,分析了中国东部大陆及其邻近海域云量（CF）、云滴有效半径（CER）、和液水路径（LWP）的空间分布以及季节变化,并结合同期ERA-Interim再分析资料的850 hPa垂直速度（ω_850hPa）、低对流层稳定度（LTS）、以及MODIS/Aqua水汽产品中的大气可降水量（PWV）资料,分析了云宏微观物理量与动力、热力及水汽条件之间的关系。从空间分布来看,夏季由日本海至中南半岛存在一个东北西南走向的云量高值区,覆盖我国东部地区,冬季云量高值区位于我国南方地区和东部海域上空;云滴有效半径冬、夏分布类似,均为由东南洋面至西北内陆递减;夏季液水路径分布较为均一,冬季空间差异很大,30°N是明显的高低值分界线,这与冬季水汽的分布密切相关。陆地和海洋上云量均呈冬高夏低的变化趋势,陆地大于海洋,而云滴有效半径和液水路径则为夏高冬低,海洋大于陆地。总体来说,云量与PWV和LTS均表现为正相关、与ω_850hPa呈负相关,表明低层的上升运动有利于水汽向上输送、凝结形成云,但稳定的大气层结又会阻碍云进一步向上发展,使其被限制在底层空间,由于本文的研究对象为暖云,多为中低云,因而云量较高;云滴有效半径和液水路径均与LTS、ω_850hPa表现为负相关,但是对PWV的变化不是很敏感,表明水汽并不是影响云滴尺度和液水路径的主导因素,其主要受动力、热力抬升作用的影响;以上关系在不同区域、不同季节的表现存在一定差异。     

不可溶性气溶胶对边界层暖云滴谱离散度影响的模拟研究

基于一维分档MISTRA边界层云模式,模拟研究了内部混有不可溶核的硫酸铵气溶胶对边界层暖云微物理特征的影响。结果表明：边界层内湍流动能通量是影响暖云发展的重要因素。云中液态水含量、过饱和度以及云滴谱离散度均随云中的高度增加而增大。云滴谱标准差是影响云滴谱离散度变化的主要因子。在暖云发展阶段,不可溶性核会增加云中过饱和度,进而导致云滴谱分别向大尺度和小尺度端拓宽,云滴谱标准差增大,云滴谱离散度随时间增加而增大的程度增强;在暖云减弱阶段,不可溶核会造成云中大尺度端云滴数浓度减少,云滴谱变窄,标准差变小,云滴谱离散度逐渐减小的特征减弱。     

北京及周边地区2003年夏秋季气溶胶和云滴分布特征

对2003年夏秋季利用机载PMS在北京及周边地区进行的不同天气状况下6次气溶胶粒子探测资料进行了分析.结果表明,北京及周边地区气溶胶粒子的分布,在不同天气背景时有较大差别.粒子平均浓度的最大值为3.46×102cm-3,最大粒子浓度为5.26×103cm-3,相差一个量级;粒子平均最大直径为1.392μm,最大直径为2.75μm.粒子平均浓度的最小值为25.7cm-3.在有雾的天气条件下,气溶胶粒子浓度在近地层基本随高度的增加而减小,粒子尺度变化较为复杂.在阴雨天气情况下,气溶胶粒子浓度和尺度都有增加的现象.另外,逆温层底存在明显的气溶胶粒子累积.0℃层以下气溶胶粒子呈单峰分布,0℃层以上气溶胶出现双峰结构.小云粒子一直是多峰结构,峰值直径分别在3.5μm、12.5μm、23.5μm处.     

不同云微物理方案对“7.21”特大暴雨模拟的对比试验

利用中尺度数值模式WRF v3.5.1中的17种不同云微物理过程参数化方案,对2012年7月21—22日北京特大暴雨过程进行了对比试验。模拟结果表明:不同云微物理方案对不同量级降水的模拟效果各有优势。NSSL 1-momlfo方案对中雨和大暴雨两个等级降水的模拟效果最好,降水中心值最接近实况;Eta(Ferrier)和Kessler方案分别对大雨和暴雨等级降水的模拟效果最好。总体上,能够较好地模拟出本次特大暴雨过程的方案依次为:NSSL 1-mom、NSSL 1-momlfo和Milbrandt 2-mom方案,而WDM6方案的模拟效果最差。云中水成物演变特征表明,模拟较好的方案中液态水、云冰和霰的含量较多,且随时间演变与地面降水强度的变化相一致。另外,模拟较好的方案中冰相粒子多,过冷水的范围大、含量高,有利于各相态粒子相互转化,促进冰相过程发展,致使降水量增多。     

北京泥石流暴雨基本特征

本文分析了北京地区泥石流暴雨的时空分布特征,并指出,泥石流暴雨主要是盛夏经向环流背景下的华北暴雨过程;局地大气有明显潜在不稳定,降水强度达60mm/h以上;泥石流暴雨落区是位于地面中尺度能量锋区、能量锋锋生和强水汽辐合的重叠区域.     

Retrieving microphysical properties and air motion of cirrus clouds based on the doppler moments method using cloud radar

Radar parameters including radar reflectivity,Doppler velocity,and Doppler spectrum width were obtained from Doppler spectrum moments.The Doppler spectrum moment is the convolution of both the particle spectrum and the mean air vertical motion.Unlike strong precipitation,the motion of particles in cirrus clouds is quite close to the air motion around them.In this study,a method of Doppler moments was developed and used to retrieve cirrus cloud microphysical properties such as the mean air vertical velocity,mass-weighted diameter,effective particle size,and ice content.Ice content values were retrieved using both the Doppler spectrum method and classic Z-IWC(radar reflectivity-ice water content) relationships;however,the former is a more reasonable method.