华北地区气溶胶混合状态对暖云微物理特征的影响

在UWyo单组分气溶胶的绝热气块分档云模式基础上,发展了多种化学组分气溶胶的绝热气块分档云模式。利用2006年春季华北地区地面气溶胶分级采样的离子成分分析数据和同时段高空气溶胶、云微物理飞机观测资料,研究了气溶胶混合状态对暖云微物理特征的影响。模拟结果表明,华北地区气溶胶内部混合比外部混合有利于增加云凝结核数浓度、降低气块水汽最大饱和比、增加云滴数浓度。气溶胶的混合状态不同,形成的云滴谱的特征差异较大,主要体现在云滴谱的平均尺度和峰值的突出程度;云滴谱相对离散度在0.3附近变化,且随着云滴数浓度的增加,云滴谱相对离散度呈现减小的趋势。气溶胶混合状态能够影响暖云微物理特征,从而影响大气辐射和降水过程,在天气和气候变化的研究中应予以关注。     

1960年以来东亚季风区云-降水微物理的直接观测研究

云-降水的直接观测结果是云微物理参数化的重要依据。自1960年以来,处于东亚季风影响下的中国实施了大量对云-降水微物理参数的观测和研究,旨在加深对云-降水微物理过程的认识,从而改进数值模式中云微物理参数化方案和指导人工影响天气作业。云-降水微物理参数包括气溶胶、冰核、云滴、雨滴、冰晶、雪晶、冰雹等粒子浓度和谱分布,以及云滴、雨滴含水量等。中国已有云-降水微物理参数的成果可归纳为:(1)通常云-降水微物理粒子浓度变化较大,但总体变化有一定的范围;(2)采用Γ函数拟合云滴谱更接近实际谱,但不同拟合谱参数差异较大;(3)可用指数函数和Γ函数来拟合层状云降水雨滴谱,Γ函数拟合积云和层积混合云降水雨滴谱精度更高;(4)中国冰核浓度较高,冰核浓度随温度的降低近似成指数变化;(5)冰晶谱、雪晶谱、冰雹谱通常采用指数函数来描述;(6)通常使用荣格(Junge)和Γ函数来分段描述气溶胶粒子谱拟合误差更小。由于云-降水过程及其反馈作用描述不准确是数值模式预报结果不确定性的最大因素,中国正在不断地推进云降水的微物理观测研究,以期进一步加深对东亚季风区云-降水微物理特征的认识,从而为模式中微物理参数化方案的改进提供观测依据和科学指导。基于数值预报模式中云微物理过程参数化发展的需要,总结了中国1960年以来云-降水微物理直接观测的研究成果,可为东亚地区云-降水微物理研究及其模式参数化方案的改进提供观测依据。此外,针对云微物理参化发展的需求,结合过去已有的大量观测提出了几点建议,为今后云-降水物理综合性观测方案的设计提供参考。     

广西南宁冬季层状暖云微物理特征的飞机观测分析

利用运十二飞机在2012年冬季广西南宁地区开展的12架次层状暖云微物理探测资料进行分析,统计和观测结果表明,层状暖云垂直方向分层显著。存在逆温是典型宏观特征,降水云基本都为多层逆温,逆温位置主要出现在云顶附近。云滴平均浓度为652±607个/cm3;无降水云比降水云云滴平均浓度略大,分别为678±348个/cm3和615±363个/cm3。平均液水含量为1.03±0.73 g/m3,其中降水云远大于无降水云,分别为1.3±0.9 g/m3和0.88±0.6 g/m3。平均有效直径为18.2±5.6 μm,降水云略大于无降水云,分别为19.4±5.0 μm和17.3±6.0 μm。垂直分布上,云滴数浓度在接近地面的下层云中最大,峰值区主要出现在云底,且随高度一般呈现递减趋势。云滴谱分布显示在6.5 μm出现次峰值。降水云中大云滴主要出现在接近地面的下层云中,而无降水云中几乎没有观测到大云滴。      

地基微波辐射计探测空中水个例分析

为了解层状云降水天气过程中水汽、液水含量的变化 ,在西安地区利用双波长地基微波辐射计进行空中水汽、液态水的连续探测。通过对 2 0 0 3 - 0 9- 1 7的层状云降水天气过程跟踪探测 ,分析得到空中水汽、液水含量的变化特征 :在降水开始前 5 h,水汽、液水含量出现低值段     

辽宁层状云微物理结构的水平变化特征

根据1997年在辽宁利用机载粒子测量系统(PMS)获取的探测资料,探讨了层状云中云滴谱、粒子数浓度在水平方向上的分布变化,并分析了温度、粒子含水量在水平方向上的变化特征。研究表明:云滴数浓度和云滴半径在水平方向上存在着较强的起伏性变化;层状云中温度在水平方向上总体变化不大;云中的云滴谱结构在水平方向上的起伏较大,存在3种变化规律;云中含水量在水平方向上的变化大,且与粒子数浓度存在正相关。     

辽宁层状云微物理结构的水平变化特征

根据1997年在辽宁利用机载粒子测量系统（PMS）获取的探测资料,探讨了层状云中云滴谱、粒子数浓度在水平方向上的分布变化,并分析了温度、粒子含水量在水平方向上的变化特征。研究表明：云滴数浓度和云滴半径在水平方向上存在着较强的起伏性变化;层状云中温度在水平方向上总体变化不大;云中的云滴谱结构在水平方向上的起伏较大,存在3种变化规律;云中含水量在水平方向上的变化大,且与粒子数浓度存在正相关。     

广西秋季层状云微物理特征分析

利用2012年11—12月在广西进行的11架次飞机云物理探测资料对层状云宏微观物理结构特征进行研究,探讨层状云降水机制。结果表明:广西层状云微物理特征与我国其他地区的存在显著差异。层状云典型的微物理垂直结构为在云下层是由凝结作用生成云滴,随上升气流发展,云滴数浓度、平均直径和液态水含量随高度逐步增加,云滴谱拓宽,谱型向大尺度的方向扩展,至云中上层增大至最大值后随高度减小。冷暖混合云结构的高层云冷云部分的冰相粒子落入暖层后对其微物理结构产生影响,主要是使云滴谱展宽,CIP云滴平均直径垂直分布变幅增大,有利于暖层中碰并过程的启动和发展。层积云微物理水平分布呈现不连续跳跃式变化特征,存在对流泡结构,对流泡内各微物理量高于泡外,云滴谱型向大尺度移动,对流泡结构是层积云形成降水的重要机制。     

兰州地区秋季层状云垂直微物理特征分析

利用PMS云粒子测量仪器和机载温湿仪测得的2001年9、10月份在兰州中川机场上空的5次天气过程的层状云垂直探测资料,分析了秋季Cs-As-Ns和Ac-Sc结构层状云温度,云粒子浓度、粒子直径、液态含水量及云粒子谱的垂直分布特征,用N阶Γ函数对云粒子谱分布进行了拟合,选出最优化拟合参数,并指出逆温层相对于温度0℃层的位置和逆温强弱对云滴的微物理特征的分布和降水形成有显著的影响。     

一次降水性积层混合云系的微物理特征分析

利用山东省2007年10月27日1架次机载粒子测量系统（Particles Measuring System,PMS）积层混合云探测资料,分析了云中粒子浓度和尺度、液态含水量,以及小云滴和大云滴谱的垂直分布特征,比较了催化前后云微物理特征的变化。结果表明,催化前,云层中小云滴谱型为单峰,谱宽随高度增加先变窄后变宽,大云滴谱型在云低层为单峰,中高层为双峰谱,谱宽随高度增加先变宽后变窄,并且没有探测到降水粒子。催化后,小云滴尺度在低层减小、高层增加,整层液态水含量减小;大云滴浓度增加,尺度增大,出现降水粒子,固态粒子类型增多。在3 700~4 000 m高度层内小于10μm粒子明显增加,说明凝结过程比较明显,并且10~27.5μm粒子开始出现,启动了云滴的碰并机制。小云滴谱变化较小,基本为单峰谱,但在较大云滴处谱型略有起伏,在3 000m和3 300m高度的谱宽增宽。大云滴粒子谱有较大的变化,低层变成双峰谱,谱宽最宽可达650μm,中高层为双峰或多峰,峰值从小值向较大值移动。2D-P探头在催化云高层探测到降水粒子,谱型呈单调下降形态,谱宽最大为600μm。     

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。     

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。     

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。      

山西省2008—2010年64架次飞机云物理观测结果分析

利用山西省2008—2010年64架次云结构的飞机探测资料,结合地面观测和卫星数据统计分析了层状云系的宏微观特征。结果表明: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,层状云要达到降水,云的厚度要达到近2000m;粒子尺度分布云粒子有效半径要达到10~14μm,降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0.03g/m3,中云含水量垂直方向上平均为0.05g/m3,;避光高层云-层积云、雨层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上500m附近,其最大值分别为0.61,0.42g/m3;透光高层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上300m附近,其值为0.28g/m3;云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20、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20、30μm的粒子转化;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,是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在4个典型温度层的观测中,液态含水量、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同。     

2007年秋季河北地区云微物理结构的飞机探测分析

利用2007年飞机探测资料,对河北地区云微物理结构进行了分析。结果表明,高层云底部云滴数大于中上部,随高度增加粒子直径增大。最大云中液态水含量为0.25g.m-3,底层平均云中液态水含量为0.025g.m-3。层积云中上部数浓度高于底部,云滴数浓度变化范围为10～80cm-3,云滴平均直径为7.56μm,总趋势随高度增加云滴直径先增大后减小。云滴谱变窄、双峰消失与含水量的起伏有一定的关系。综合增雨作业资料,发现有时预设的飞机作业高度并不是十分合理,在飞机性能条件允许的情况下,可以适当提高或降低作业高度,人工增雨的效果可能更好。鉴于作业层的温度,9月29日和13日可以考虑使用液氮或液态CO2等制冷剂进行催化。     

华北中部夏季气溶胶和云分布特征

气溶胶与云的垂直分布特征是气溶胶间接气候效应关注的重点。基于2018年7—8月华北中部6架次飞机观测数据,研究气溶胶和云滴的垂直和水平分布特征。结果表明:华北中部780~5687 m高度内气溶胶数浓度( N_a )平均值为821.36 cm-3,最大量级可达到104 cm-3,云中气溶胶数浓度(N_acc)占总颗粒浓度的80%以上,表明细颗粒占大多数,气溶胶粒子算术平均直径( D_m )平均值为0.12~0.52 μm;大气层结对气溶胶垂直分布影响较大,逆温阻挡气溶胶垂直输送,高空(高度2000 m以上) D_m 的垂直分布受到相对湿度影响较大; N_a 和 D_m 在垂直方向波动较大,水平方向波动较小;低层云中云滴数浓度(N_c)较大、液态水含量(L)较小,而中层和高层云中N_c较小、L较大,N_c和云滴有效半径(R_e)的概率密度函数均为双峰型分布,L的概率密度函数为单峰型分布;气溶胶数浓度谱基本呈现多峰型分布,而云滴数浓度谱多呈现单峰型分布。     

In situ observations of snow particle size distributions over a cold frontal rainband within an extratropical cyclone

Cloud microphysical properties of a mixed phase cloud generated by a typical extratropical cyclone in the Tongliao area, Inner Mongolia on 3 May 2014, are analyzed primarily using in situ flight observation data. This study is mainly focused on ice crystal concentration, supercooled cloud water content, and vertical distributions of fit parameters of snow particle size distributions (PSDs). The results showed several discrepancies of microphysical properties obtained during two penetrations. During penetration within precipitating cloud, the maximum ice particle concentration, liquid water content, and ice water content were increased by a factor of 2-3 compared with their counterpart obtained during penetration of a nonprecipitating cloud. The heavy rimed and irregular ice crystals obtained by 2D imagery probe as well as vertical distributions of fitting parameters within precipitating cloud show that the ice particles grow during falling via riming and aggregation process, whereas the lightly rimed and pristine ice particles as well as fitting parameters within non-precipitating cloud indicate the domination of sublimation process. During the two cloud penetrations, the PSDs were generally better represented by gamma distributions than the exponential form in terms of the determining coefficient (R²). The correlations between parameters of exponential /gamma form within two penetrations showed no obvious differences compared with previous studies.     

吉林省一次层状云降水宏微观特征的观测研究

利用长春2004年7月5日一次降水过程的飞机观测资料,结合天气图、卫星云图及雷达回波等资料,综合分析了本次热带气旋影响下降水过程中云系的宏微观特征.研究表明,降水性层状云微观垂直结构配置可以分为4个发展层:云顶附近是核化和凝华增长区;-4～-7 ℃为云滴和冰粒子活跃增长层;0～-4 ℃为固态粒子聚合及云滴蒸发层;0 ℃层以下是雨滴碰并增长和云滴凝结增长区.2D-P观测的粒子的平均直径、最大直径、峰值直径的峰值集中在融化层附近,与融化层回波亮带对应.用同一种形式的密度分布函数N(r)=mrfexp(-ar br2-cr3)来拟合暖层小云滴、大云滴和雨滴的谱分布,拟合结果与观测的谱分布吻合较好,拟合出的平均直径、均方根直径、数浓度以及含水量与观测值也较接近,相对误差小.     

一次西风槽过程过冷云水分布特征观测研究

过冷云水生消演变规律是云物理学和人工影响天气的重要研究领域。根据Hobbs 1974年提出的假定,利用飞机、卫星、雷达和雨量计等观测资料,对2012年9月21日河北一次西风槽天气过程进行观测研究,分析其过冷云水分布特征及演变规律。结果表明,槽前云系过冷水区宽厚并且过冷水含量较高,云滴浓度和均立方根直径较大并且均匀,冷云区厚而且没有分层,没有暖云配合;近槽云系中冷云区小粒子浓度降低但云滴直径增大,冷云区夹有干层,云系变厚出现暖云配合,冷暖云液态水含量较高,冷暖云区大粒子和降水粒子浓度和尺度增大,中尺度云团移动较快;槽后云系中云滴浓度最大,但云滴均立方根直径明显减小,过冷水区出现的高度下降、厚度很薄、过冷水含量较低,冷、暖云之间有干层,暖云对应的大粒子浓度和降水粒子浓度非常大,地面降水主要由暖云过程产生;云水(过冷水)含量峰值常出现在云内逆温层的上方;利用云粒子测量系统(PMS)资料分析过冷云水生消演变特征与卫星和雷达资料具有较高的一致性。     

机载热线含水量仪探测数据校验方法

机载含水量仪是目前云中液态水含量唯一的探测仪器,其准确性直接影响人工增雨作业条件判别。基于2015年和2017年四川盆地南部开展的10架次飞机云物理探测试验,考察机载热线含水量仪LWC-100探测数据发现存在异常极大值、负值数量多等问题。通过分析DMT（Droplet Measurement Technologies）公司云粒子探头（cloud droplet probe,CDP）、云粒子图像探头（cloud imaging probe,CIP）、降水粒子图像探头（precipitation imaging probe,PIP）数据,提出对入云前的干功率进行重新计算的3种方法:方法1以CDP探头的不同粒子尺度分档为标准,不低于某一档尺度的粒子数浓度大于0记为入云;方法2以CDP的数浓度大于10 cm-3为入云判定条件;方法3以CDP,CIP,PIP 3种探头探测的粒子数浓度同时大于0记为入云。结果显示:3种方法均有效纠正液态水含量不为0的情况,负值数量也较探测数据明显减少。方法1以不小于5 μm的粒子数浓度大于0记为入云,校验计算得到的液态水含量以负值数量和大小作为评价依据较方法2和方法3更优。     

云南省积层混合云微物理特征飞机观测

2017-2020年利用运-12和空中国王-E350飞机搭载的国产云粒子测量设备在云南开展了 76架次积层混合云观测,数据分析表明:云南的云粒子数浓度远高于华北地区,云粒子(直径为2～50 μm)数浓度平均值为339.7 cm-3,最大值为1067.6 cm-3,平均含水量为0.181 g·m-3,最大值为2.827 ...