六角柱冰晶的光散射函数的计算

六角柱冰晶是卷云中粒子的基本形态。本文着重讨论了利用作者已发展的模式,对有吸收的红外波段冰晶的散射矩阵的计算结果。对比了可见光的计算结果,也对比了长六角柱、扁六角柱以及球状、旋转椭球状冰晶的散射。发现吸收的影响主要造成冰晶的侧向和后侧向散射能量减小以及因折射和多次内反射引起的晕峰和“雨虹峰值”减弱。不同形状冰晶的散射函数虽然总的情况颇一致,但与六角柱冰晶相比,球状冰晶的侧向散射较弱,而椭球状冰晶则表现出后向和后侧向散射较弱。这些特征无疑地都将影响激光探测卷云和光传输过程。     

卷云数值模式和对流性卷云数值模拟

本文建立了两线面对称、滞弹、非静力平衡,包含有水汽、云水、云冰、雪晶和霰五种水元间各种微物理过程的卷云模式。运用该模式对卷云对流胞的典型环境作无切变和有4×10~(-3)s~(-1)的风切变两种情况模拟表明,风切变环境下的对流较弱,但最大上升气流仍达2.71m/s。无风切变环境下卷云对流易于向两边传播,而当存在强风切变作用时,对流向上风方传播。模拟卷云的宏、微观结构及其演变特点与国外飞机穿云、卫星和地面遥感等观测结果十分一致。模拟表明卷云对流的下沉气流及下落冰粒子的蒸发冷却激发出的新的上升气流是卷云多核心结构和对流卷云向层状卷云演变的重要机制;卷云中过饱和度对冰晶核化的依赖和抑制是卷云冰晶浓度远低于FLETCHER浓度的一个主要原因。     

水平取向对冰云辐射传输的影响

本文用分离坐标法求解辐射通过卷云的传输,该卷云由在水平面内随机取向的非球形冰晶所组成,即“二维卷云模式”。文中用零阶和二阶Legendre多项式的展开式来近似表示由于冰粒子水平取向所引起的散射参数随入射角的变化。散射相函数由解析的Henyey-Greenstein函数表示,其不对称因子也与入射天顶角有关。文中用这种模式计算了太阳短波以及地球红外热辐射通过卷云时的辐射通量传输性质以及方位平均强度的分布。将上述二维模式的计算结果与通常的三维模式(即假定冰粒子在三维空间随机分布)相比较,表明冰晶的优先取向对卷云的反照率有重要影响,两种模式的反照率可以相差8％。另一方面,对于红外辐射而言,两个模式的向上辐射强度有显著的差别,但是冰晶的取向状况对红外辐射通量影响较小。上述结果表明,冰晶的优势取向可能是决定卷云反照率的一个重要因子,同时它对于利用红外辐射探测卷云的组成和结构来说有重要的影响。     

基于CALIPSO卫星探测的2007—2018年西南地区平流层气溶胶的光学特性分析

基于CALIPSO卫星2007-2018年的三级平流层气溶胶廓线资料，本文分析西南地区平流层气溶胶的光学特性。结果表明：首先，在地理和季节上西南地区平流层气溶胶浓度较低。在夏季，西南地区平流层气溶胶光学厚度的均值出现最大值0.0007。其次，平流层气溶胶总衰减后向散射值的廓线分布随着高度的增加而减小，在10~11千米高度处出现最大值。这可能是由于对流层顶部和平流层底部之间气溶胶的相互交换。同时，平流层气溶胶总衰减后向散射值的纬向（北纬22.5°-32.5°）分布在七月出现均值最大值为0.0006×10-3 km-1sr-1，而径向分布（东经90°-110°）在一月出现最大值为0.0018×10-3 km-1sr-1。     

冰晶性质对卷云辐射特征影响的模拟研究

介绍了SBDART辐射模式和libRadtran程序包，并利用这两个模式模拟分析了当卷云内冰晶性质如有效半径、冰晶含量以及形状变化时，卷云反照率的变化。模拟分析表明，在相同条件下，不同形状冰晶构成的卷云反照率有所不同，同种冰晶构成的卷云在不同波长的反照率也不同。总的来说，不论是由何种形状冰晶构成的卷云，随着卷云内冰晶含量增大，有效半径减小，卷云反照率增大。这些工作将有助于增进对lib Radtran程序包和卷云性质的了解。     

六角形冰晶的94 GHz毫米波后向散射特性的模拟计算分析

利用离散偶极子近似法(DDA),研究了等效半径Re在0.8 mm范围内的柱状和片状冰晶在不同空间取向、温度和尺度比时,对94 GHz雷达发射的水平偏振波产生的后向散射,并讨论了等效雷达反射率因子Ze随粒子谱中值直径及冰水含量的变化。结果表明,温度对后向散射效率的影响较低,空间取向对后向散射效率的影响与粒子大小和形状有关。当雷达波垂直指向天顶,在冰晶粒子等效半径Re0.8 mm时,水平取向冰晶的后向散射效率比随机取向大,粒子越偏离球形,差别基本上越大;在同一取向时,粒子越偏离球形,后向散射效率基本上越大。在一定冰水含量下,取向、形状和冰晶谱的形状参数对Ze的影响和粒子谱中值直径有关;对于垂直指向的雷达,如果将六角形冰晶等效为等体积球形冰晶,当粒子较大(0.4 mmRe0.8 mm)时,其Ze将被低估。     

卷云中粒子的密度变化对可见光波段能量传输的影响

本文讨论了卷云冰晶粒子的密度随其尺度大小的变化。及其对折射指数的影响。对该变化所导致的粒子的光散射参数的变化进行了计算。采用Monte Carlo模式，根据观测到的冰晶粒子的数密度，使用不同的粒子密度分布，计算了卷云对0.55 μm波长的入射光的反射和透射率。结果表明，不同的粒子密度假设会导致一定的差别，但卷云中粒子的密度变化对可见光波段能量传输的影响非常小，可忽略不计。     

准后向散射对单点声雷达测量温度结构系数的影响

本文从湍流大气对声波散射方程出发,推导出静止大气和有水平运动两种情况下,有限接收面积上的平均准后向散射截面公式。从而分析了影响平均准后向散射截面的因子,同时还计算讨论了不同天线口径、风速和值的平均准后向散射截面。 计算结果表明:在一般情况下,边界层内用声雷达测得的温度结构系数[C_T~2(θ)]要比理论上纯后向温度结构系数[C_T~2(180°)]大些;C_T~2(θ)与C_T~2(180°)比值以及C_T~2(θ)随高度的变化都与天线口径、风速分布和m值等密切相关。因此对用不同声雷达在不同大气条件作对比测量,得到某些不一致的现象,可给予一定的解释。     

卷云对未来降水的指示性

卷云属于对流层中、高层的云,由冰晶组成。平均高度在6公里以上,盛夏较稀薄的卷云可达到10公里左右的高度。指示性卷云是500毫巴以上高空低值系统的前兆,它移来的方向就是未来影响系统侵入的方向。指示性卷云的预报时效比较长,一般在三天之内。有时伴随卷云出现晕,如果看到钩卷云出现在晕圈中,未来产生降水的可能性较大。 一、指示性卷云的云形特征 1.短尾钩卷云 这是一种云丝很细的钩卷云,尾巴短,移动快。仅有短尾钩卷云出现,未来48小时内只有小量降水。有时在它出现后会有更明显的指示性云相继出现     

对非球形冰晶94 GHz云雷达后向散射和衰减的研究

针对94 GHz毫米波云雷达的数据处理,基于离散偶极子近似法(DDA)计算了几种非球形冰晶的后向散射及衰减效率,探讨了不同冰云模型下冰云的雷达反射率因子(Z_e)和衰减系数(k)及冰水含量(IWC,记作W)的关系。结果表明:(1)形状对冰晶的散射及衰减效率与粒子大小有关。(2)在实际的冰云中,将六角形冰晶和椭圆冰晶看做同体积的球形粒子将低估其衰减和后向散射。将聚合物冰晶看做等体积球形,将高估其后向散射及衰减,子弹花冰晶的后向散射与同体积的球形相比有减小也有增大,但是衰减比同体积球形的小。(3)冰云模型对Z_e-k、Z_e-W关系具有较大影响,假设滴谱相同的条件下,得到了具体冰云模型下对应Z_e-k、Z_e-W关系的系数。这些探讨为我国W波段云雷达的数据处理提供了参考。     

高云与高层垂直速度关系的个例研究Ⅰ.观测事实

利用ISCCP D1、D2和ECMWF再分析资料,选取1998年1月和7月进行个例分析,得到以下结论:1)高云和垂直速度的关系密切.从月平均来看,南北半球的冬夏变化呈现出明显的不对称.热带1月份的云区和上升区集中在赤道以南,呈带状分布,其中南非及相邻的西印度洋、120°E～120°W的赤道太平洋、赤道与30°S之间的南美大陆为3个主要区域;7月份云区和上升区移至赤道以北,以块状分布为主,尤其是印度洋、西太平洋的热带地区、亚洲季风区和副热带高压中心的西部形成一个大范围的闭合块状区域.2)不同类型的高云在热带和热带外地区的云顶高度是不一样的:在热带地区,深对流云、卷层云和卷云的云顶高度在180 hPa和310hPa之间;在副热带和中高纬度的绝大部分地区,卷云的云顶高度在180 hPa和310 hPa之间,而卷层云、深对流云的则在310hPa到440 hPa之间.3)不同类型的高云与相应的垂直速度的逐日变化既十分密切又各有不同,其中深对流云和垂直速度、卷层云和深对流云的同步性较好,并且卷层云和卷云可以独立于深对流云而在局地产生,这与热带高云产生于深对流云的经典观点不同;此外,在热带地区呈现低频变化的特征,这表明在大气环流模式中改进高云的模拟能力可能会提高对大气低频振荡的模拟能力.     

基于CloudSat卫星资料的青岛地区云特征研究

利用2007—2010年CloudSat卫星资料,对青岛地区（35.583°～37.150°N,119.050°～121.000°E）云特征参量进行了统计分析。结果表明：单层云出现频率为39%左右,多层云主要以2层云为主,出现频率均为18%左右;月平均云量在64.1%～77.6%之间,从1月至12月呈递减趋势;卷云、高层云、高积云和层积云平均频率之和为86.5%,其他类型的云出现的频率均不高;云水路径在4、5月和8、9月较大,分别达到了200 g·m-2以上和350 g·m-2以上;云液态有效粒子半径在6～16 μm之间,春、夏、秋季高值区位于云体中部至上部;云冰晶有效粒子半径在20～120 μm之间,高值区位于云体中部至底部;青岛南部,即近海区域云有效粒子半径和云水含量大于北部。     

热带深对流云砧数值模拟及云凝结核数浓度对其影响的初步试验

利用中国科学院大气物理研究所发展的三维强风暴模式,对Egrett Microphysics Experiment with Radiation Lidar and Dynamics（EMERALD）试验期间的一次长寿命热带深对流个例进行对流产生、发展、消亡过程以及云砧的数值模拟,并与实测资料［包括C波段双线偏振雷达图像资料、机载云粒子成像仪（CPI）探测的云砧卷云微物理特性以及激光雷达探测的云砧宏观特性资料］进行了细致的对比,然后通过改变模式中最大云滴数浓度进行有关云凝结核数浓度影响云砧卷云冰晶含水量和数浓度的敏感性试验。模式较好地模拟出系统的一些重要宏观特征,如爆发性增长阶段、各高度雷达水平反射率因子的最大值、对流云主体移动方向、云砧底部和顶部高度。对云砧冰相粒子含水量、数浓度以及平均直径等微观特征的模拟结果与实测也比较接近。对于本文个例而言,异质核化为冰晶形成的最主要方式,其次为过冷云滴的均质核化。敏感性试验结果表明:当云凝结核数浓度增加时,爆发性增长阶段的垂直速度减小,使得对流云从中低层向高层的水物质输送量减少,从而使云砧卷云冰晶的数量减少。     

非球形冰晶粒子毫米波IWC-Z关系的研究

冰水含量在气候以及天气变化、人工影响天气等方面的研究中具有重要影响。毫米波雷达在探测卷云时由于气流运动等因素的影响使得电磁波照射体积内粒子自身发生旋转运动,这为精确计算粒子散射截面以及利用其散射特性反演云中冰水含量造成困难。首先给出六种常见的非球形冰晶粒子模型,利用HFSS软件讨论特定尺寸下非球形粒子及其等效球形粒子的辐射方向图差异,利用矩量法（针对非球形粒子）以及洛伦兹-米理论（针对球形粒子）计算并拟合上述冰晶粒子在静止、水平旋转以及随机旋转三种取向下最大尺寸与后向散射截面之间的双指数关系式,假定卷云冰晶粒子混合模型满足B-H模型,云粒子的谱分布服从NASA在2007年实测的指数分布,计算出实际的冰水含量,讨论了三种取向下非球形粒子及等体积球粒子群的雷达反射率因子Z,将其代入常用的IWC-Z关系式,结果表明利用雷达反射率因子反演冰水含量时必须考虑高空风产生的粒子取向问题,等效球理论方法得到的冰水含量比实际值偏小,该结论对于毫米波雷达精确反演卷云的微观物理参数具有重要意义。     

冬季北半球500hPa高度场变异的关键区

运用方差分析、相关分析、回归分析对1951～2001年500 hPa高度场资料进行分析,结果表明:冬季有三个区域(180°E～150°W,45～60°N;70～100°W,45～75°N;60～100°E,65～80°N)方差最大,是大气环流发生变异的关键区.各个关键区平均高度的变化和不同的大气环流遥相关型的相关关系不同,与同期500 hPa高度场之间的线性相关较密切,能代表同期500 hPa高度场约88%的变化,且在一定程度上能说明后期3～4月的500hPa大气环流的变化情况,对后期大气环流的演变具有一定的预报意义,但时间间隔越大,可预报性越差.     

西北太平洋地区大气臭氧柱总量的时空分布特征

文中使用欧洲中期天气预报中心臭氧柱总量资料分析了西北太平洋地区大气臭氧柱总量的时空分布特征,结果表明:低纬度地区是臭氧柱总量最低的地区,纬向分布明显,臭氧柱总量随着纬度向北极的增加而增大;夏季臭氧柱总量最大值出现在北半球高纬度约80°N的地区,最低值出现在热带地区;秋季臭氧柱总量最大值出现在55°N左右的地区;最小值出现在赤道地区。冬春季,臭氧柱总量的最低值均出现在热带地区,最高值出现在北半球约50°～60°N的高纬度地区。      

六棱柱和三棱锥冰晶的散射相矩阵——一种矢量射线追踪方法

本文发展了作者过去的工作(Cai-Liou),利用改进后的数值模式对六角柱冰晶(匀谱和非匀谱)的散射相矩阵进行了计算,所需计算量比Cai-Liou的约小二个量级,且本文的数值模式的结果误差较小。同时,对三棱锥冰晶的散射相矩阵,本文也进行了计算,并与六角冰晶的结果进行了比较。     

副热带高层冷涡对9005号台风路径北折的作用

一、概况 9005号(热带风暴)台风于6月18日14时在菲律宾以东洋面上生成后,一度向偏西方向移动,从19日开始稳定向西北方向移动,平均移向约为320°。22日晚台风移经巴士海峡时,路径发生明显转折,朝360°方向移动,前后折角达40°(见图1)。关于这次     

平流层准零风层统计特征及准两年周期振荡对其影响分析

根据形成机制的不同将平流层准零风层（Quasi-Zero Wind Layer,QZWL）划分为由平流层准两年周期振荡（Quasi-Biennial Oscillation,QBO）各高度处于不同位相形成的第一类QZWL和由于平流层低层经向温度梯度逆转而形成的第二类QZWL;利用ERA-40再分析资料分析了两类QZWL在不同季节中空间结构的变化规律,讨论了平流层QBO对两类QZWL年际变化产生的影响。研究结果表明：第一类QZWL集中出现在冬季赤道附近地区,第二类QZWL在夏季热带外地区和冬季20°N～40°N太平洋地区上空;QZWL夏季高度比冬季低约3 km,夏季QZWL出现高度比冬季稳定,约在50～70 hPa之间;由于受到QBO的直接影响,第一类QZWL出现的高度和纬度范围存在明显的年际变化,第二类QZWL受到QBO的影响主要体现在QBO西风位相年和东风位相年相比,冬季20°N～40°N范围内存在第二类QZWL的概率较高。     

冰云短波辐射特性参数化

该文对卷云和高层云分别构造了15种冰晶尺度分布，3种云高和云厚，总共30种冰水含量、90种冰水程长模式。对尺度小于与大于30 μm的冰晶粒子的单次散射特性分别用表面积等效冰球Mie理论和射线光学理论进行计算。采用delta-Eddington法计算了在4种不同地面反射率下冰云的多重散射辐射传输特性，提出了冰云辐射特性的参数化公式，指出参数化公式可以用于气候模式或大气环流模式。