山地对流云并合形成积层混合云的过程分析

本文利用贵阳市气象台2005和2006年5-9月的地面、高空观测和雷达资料等,分析了41次山地对流云并合形成积层混合云的降水过程.研究发现如果分散的多单体对流云若距离较近,则很可能出现大范围地跨接、合并,则有可能形成范围宽广的片状或带状云系,即积层混合云系.云系形成以后在移动的过程中,会将前方不断新生的对流单体合并,从而云系前缘强度增强,云系不断维持.整个系统的生命期往往较分散云团更长,并有可能会形成间歇性或连续性降水.本文分析了山地对流云并合形成积层混合云的一些具体特征.     

山西中部一次积层混合云降水微物理特征研究

基于2011年5月9日山西中部地区一次积层混合云降水的机载探测和地面雨滴谱观测资料,分析了空中云系微物理参量的垂直分布、冰晶形态及演变和地面降水的微物理特征。结果表明：此次积层混合云为冷云结构,垂直分布不均匀,云中过冷水较为丰沛,对流泡的存在造成云内不同区域云水含量不均匀。云滴的凝华增长导致5.3 km处大云粒子和降水粒子数浓度明显增加。小云粒子谱分布以单峰型为主,峰值直径主要位于5～6 μm或9～10 μm,大云粒子谱分布呈多峰型,不同高度处变化较大。此次降水观测到的冰晶形态包括板状、针柱状、柱帽状、辐枝状和不规则形状,4.9 km处受聚合和淞附过程的共同影响,辐枝状和针柱状冰晶增多,在4.1 km处融化层附近淞附状冰晶明显增加。地面降水受到雨滴谱仪布设位置的影响,其微物理结构主要呈现为层状云降水的特征。     

一维半地形积层混合云模式简介

本文介绍了地形积层混合云的一维半数值模式.该模式在垂直方向上分21层,模拟空间从地面到10600m高度.模式考虑了混合云中水汽、云滴、雨滴、冰晶、霰、雪等6种水质的16种微物理过程,利用卫星云图、常规探空等实测资料提供软件系统的初始启动信息.     

积层混合云结构和云微物理的数值模拟

对三维非静力中尺度模式ARPS的云微物理方案进行了改进,利用改进后的模式模拟了华北地区的积层混合云降水个例,通过对模拟结果的分析并结合实况资料研究了积层混合云的降水特征、云物理结构特征和微物理过程。结果表明,积层混合云降水分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,云系中微物理量在水平和垂直方向上分布都不均匀,积云中的垂直液态水积分含量大大高于层云中含量,此次降水冰相过程占主导地位,霰的融化是最主要的雨生成项。     

一维半地形积层混合云模式简介

本文介绍了地形积层混合云的一维半数值模式.该模式在垂直方向上分21层,模拟空间从地面到10600m高度.模式考虑了混合云中水汽、云滴、雨滴、冰晶、霰、雪等6种水质的16种微物理过程,利用卫星云图、常规探空等实测资料提供软件系统的初始启动信息.     

一次积层混合云降水实例的数值模拟分析

观测显示,积层混合云有自己独特的动力热力结构,降水过程也有自己的特点,但过去关于积层混合云的实例模拟工作较少.2007年9月28日在我国华北地区发生了一次积层混合云降水过程.利用WRF-ARW中尺度数值模式,对这一个例进行了实例模拟,并结合常规观测、卫星和雷达资料分析模拟结果,表明:此次积层混合云系是降水云系减弱,层状云发展形成的.在降水物理过程中,此次积层混合云不仅具有积云和层云形态混合的特征,还具有冷云过程和暖云过程共存的相态混合的特征;中层的大范围辐合和相应的较均匀上升气流场支撑着层状云,而在均匀上升气流场中的波动导致了对流云镶嵌其中;有迹象表明,条件对称不稳定是维持此次积层混合云发展的动力因子.     

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。     

一次积层混合云降水不同尺度结构的数值模拟

利用中尺度数值模式WRF-ARW（V3.2）对2009年4月18-19日发生在张家口地区的一次积层混合云降水进行了模拟,并结合观测资料从不同尺度对这次降水过程进行了对比分析.结果表明：700 hPa西风槽、850 hPa低涡是影响这次降水的主要天气系统,来自南方的暖湿空气和西北内蒙古低涡带来的水汽是这次降水的主要水汽来源,两股水汽在张家口附近低层出现了大尺度辐合,有利于该地区云系的发展、降水的形成;降水云系呈东北-西南向带状分布,带长约1 000 km,带宽300km,在大片的云带中分布着很多个小的高值中心,中心区域一般在几十千米;结合雷达回波可以看到在均匀的回波层中镶嵌着柱状对流回波,具有典型的积层混合云降水回波特征;沿着雷达回波做剖面,发现云中云水含量分布无论是水平方向还是垂直方向都是不均匀的,雨水的大值中心与上层的霰、雪的大值中心相对应,中心水平范围在1020 km.     

积层混合云结构特征及降水机理的个例模拟研究

积层混合云是我国一种重要的降水系统, 其降水既有对流云又有层状云特征。基于积层混合云的重要性, 本文利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model), 结合三维粒子运行增长模式对2012年5月29日北京地区的一次积层混合云降过程进行了模拟研究。模拟的降水与雷达回波与实测结果基本一致。在此基础上, 重点分析了混合云系中积状云与层状云各自的微物理结构特征与降水的发生机理等。结果表明:降水过程云内存在着明显的“播种—供给”机制, 层状云中“播种—供给”机制相对简单。而对流云区中由于降水粒子可以发生上下多次的循环增长, “播种—供给”机制可在云的上下层间双向进行, 云中粒子群可以增长得更大。在积层混合云中, 在低层, 层状云中已有的水凝物粒子进入内嵌的积云块中, 而在高层水成物粒子又从积云中落到层云中, 积层混合云系充分发挥了积云和层云各自的优势, 从而降水效率较高。     

一次山地积云并合扩展层化过程的数值模拟

因复杂地形下热力和动力抬升对近地面空气的扰动作用,贵州地区容易形成内部嵌有许多小对流单体的积层混合云.选取2005年5月29日发生在贵州省的一次积层混合云降水个例进行分析,并利用WRF模式模拟该云系的生成、发展过程.结果表明:积层混合云由积云并合扩展层化形成,其发展过程经历三个典型的并合阶段.云系的降水特点是降水范围很大,分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,降水量累计最大值可达60 mm,且强降水中心与云中小对流单体的位置对应;积层混合云形成过程中,地面产生强降水的最终原因是,云并合过程中释放的不稳定能量改变了云中的气流场和含水量场.     

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。     

一次对流云团合并的卫星等综合观测分析

利用FY2C卫星观测反演得到的云物理特征参数,结合雷达、微波辐射计和地面雨量等资料,综合分析了2008年7月17日中国安徽一次强降水过程的云合并特征。结果表明：对流云团发展合并是这次强降水发生的主要原因,同一区域内FY2C卫星反演的云光学厚度、雷达回波以及地面降水的分布演变具有较好的一致性,强降水落区与云光学厚度大值区以及雷达强回波区基本对应;对流云团中的液水分布不均匀,以团块状结构为主,对流云团合并时,常先有云体上部（云顶）的合并,一旦云中不均匀的液水合并,合并部位的云光学厚度迅速增加,地面微波辐射计观测的整层液水含量跃增,地面将会出现强降水;一般降水增强之前云顶抬升,光学厚度增大;若云顶高但光学厚度较小时,地面降水一般不明显,光学厚度与降水的关系更密切;对流云团合并初期,云底由小粒子组成,T-re图上表现为深厚的凝结增长区域,合并时整层云粒子的有效半径增长明显,粒子相态达到混合相态区和冻结层的温度不断升高。     

山西春季一次层状冷云的微物理结构特征

利用2009年3月11日机载DMT（droplet measurement technology）粒子测量系统获取的山西层状云探测资料,结合天气、卫星、雷达等,分析了降水性冷云的宏微观结构特征.结果表明,降水云系由高层云和层积云组成,液态含水量变化范围为0 0.42 g/m3.CDP（cloud droplet probe;云粒子探头）和CIP（cloud imaging probe;云粒子图像探头）观测到的粒子数浓度偏大,CDP探测到最大粒子数浓度为451.93 cm-3,CIP探测到最大粒子数浓度为162.78 L-1.本次探测适宜的人工增雨作业温度区间为-11.4-7℃、-4.40℃.高层云上部以冰晶的核化和凝华增长为主;高层云的中下部为冰雪晶活跃增长层;通过凝华、碰并机制高层云降落的冰雪晶粒子在层积云进一步长大.层状云水平分布不均匀特性很明显.统计云滴谱谱型分布发现,双峰型、多峰型出现几率较高,指数型主要出现在层积云的中部和顶部,出现单峰型时LWC（liquid water concentration;液态水含量）小于0.03 g/m3或大于0.1 g/m3.     

Estimating the PPH-bias for simulations of convective and stratiform clouds

The plane parallel homogeneous (PPH) approximation is known to generate systematic errors in the computation of reflectivity and transmissivity of a horizontally inhomogeneous cloud field. This PPH-bias is determined for two cloud fields, a stratocumulus and a shallow convective cloud scene, which have been simulated using a cloud resolving model. The independent column approximation has been applied as reference and a PPH analogue has been interpolated from the original cloud data. In order to correct for the bias the effective thickness approach (ETA) has been employed. For the two cloud simulations, the corresponding reduction factors have been determined.     

华北春季降水性层状云中冰相粒子形状分布

为了获取华北春季降水性层状云中冰相粒子形状分布及其在降水发展中的变化,利用机载云粒子成像仪(OAP-CIP)在三次层状云降水天气过程中所测粒子图像资料,分析了不同降水阶段不同温度区间内不同粒径范围下的冰相粒子形状分布特征,并研究了影响云中冰相粒子增长变化的关键微物理过程。结果表明：在降水发展早期,云中冰相粒子形状分布以霰和线形状为主,在500μm以上粒径统计中,这两者的出现频率分别在20%和40%以上;聚合状粒子除了在0～-4℃的温度区间内出现频率在10%～20%之间,其他温度区间内出现频率均在10%以下;云中粒子增长以凝华和凇附过程为主。在降水成熟阶段,霰和聚合状粒子是两种主要粒子形状,其出现频率在25%以上;线形状粒子在0～-4℃和-4～8℃温度区间内出现频率在10%～20%;板状粒子的出现频率在5%～15%;不规则状粒子在125μm粒径以上的粒子数统计中出现频率在10%以上,但其他粒径段则在10%以内且随统计粒径增大,其出现频率降低;云中粒子增长在凝华基础上以凇附和碰并聚合为主。     

Microphysical and radiative effects of ice clouds on diurnal variations of tropical convective and stratiform rainfall

Microphysical and radiative effects of ice clouds on diurnal variations of tropical convective and stratiform rainfall are examined with the equilibrium simulation data from three experiments conducted with a two-dimensional cloud resolving model with imposed temporally and zonally invariant winds and sea surface temperature and zero mean vertical velocity. The experiment without ice radiative effects is compared with the control experiment with ice microphysics (both the ice radiative and microphysical effects) to study effects of ice radiative effects on diurnal rainfall variations whereas it is compared with the experiment without ice microphysics to examine ice microphysical effects on the diurnal rainfall variations. The ice radiative processes mainly affect diurnal cycle of convective rainfall whereas the ice microphysical processes have important impacts on the diurnal cycles of both convective and stratiform rainfall. Turning off the ice radiative effects generally enhances convective rainfall during the morning and evening and suppresses convective rainfall in the afternoon whereas turning off the ice microphysical effects generally suppresses convective and stratiform rainfall during the morning and enhances convective and stratiform rainfall in the afternoon and evening. The ice radiative and microphysical effects on the diurnal cycle of surface rainfall are mainly associated with that of vapor condensation and deposition, which is controlled by air temperature through saturation specific humidity. The ice effects on the diurnal cycle of local temperature tendency are largely explained by that of latent heating since the diurnal cycle of radiation is insensitive to the ice effects.     

中国及周边海域对流云团的水平和垂直尺度

利用2007年1月-2010年12月CloudSat-CALIPSO二级云产品2B-CLDCLASS-LIDAR,统计中国及其周边海域对流云的发生频率,根据对流云发生频率的分布特征将中国及周边海域划分为青藏高原（TP）、东部陆地（EC）、南部海域（SO）和西北太平洋（WP）4个子区域,并研究了4个子区域积云团和深对流云团的水平尺度和垂直尺度。统计结果表明,海洋积云团的水平尺度约为2 km,陆地积云团的水平尺度约为1 km,海洋下垫面热力性质均匀,积云团尺度更大;陆地下垫面非均匀性强,积云团分布更为零散。深对流云团的水平尺度为10-50 km,东部陆地最大,约为45 km,西北太平洋最小,约为30 km。陆地深对流云团水平尺度较海洋上大,且多尺度特征显著,应该与深对流云发生的复杂天气背景有关。积云团的垂直尺度范围为0.24-2 km,4个区域无明显差异。垂直尺度海洋深对流云团大于陆地云团,其中在南部海域地区最大,约为15 km,青藏高原最小,约为10 km。与陆地云团相比,海洋深对流云团表现为水平尺度更小、垂直尺度更大的中尺度对流体特征。      

发生短时强降雨的对流云合并作用分析

利用静止气象卫星、新一代多普勒天气雷达、地面、wrf数值模拟和LAPS再分析资料,对2013年6月30日皖南山区一次短时强降雨过程中的对流云合并现象进行了观测和分析。综合观测显示,这是一次由三个强弱不同的对流云先后发生合并的过程;强弱不同或强度相当的两对流云合并后的新对流云系统短时间内强度是增强的。分析认为,山区夏季对流云合并发生在水平垂直风切变及垂直涡度增大的湿斜压不稳定增强的环境中;对流云合并过程中伴有中气旋、地形涡等中γ系统形成,中气旋与地形涡系统内的强烈垂直运动导致低层形成辐合的垂直环流是山区短时强降雨触发机制。