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。     

云参数的两种地基雷达反演方法对比研究

云微物理参数是研究云物理过程和云辐射效应的基础。采用35 GHz的Ka波段毫米波云雷达的IQ数据,处理得到功率谱数据,进行了云微物理参数的反演,并且与云雷达和微波辐射计的联合反演方法进行了对比。个例研究表明:(1)层状云的云滴数浓度(N_0)典型值在80～100个/cm~3;有效半径R_e(Effective Radius)在15～25μm之间;液态水含量LWC(Liquid Water Content)在0.01～1 g·m~(-3)之间;(2)利用功率谱进行反演,可以消除空气运动的干扰,提高了反演结果的可靠性;(3)反演结果的对比分析表明,功率谱反演方法和联合反演方法有较好的一致性,两种方案都适用于水云微物理参数的反演。     

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。     

春季冷锋天气过程层状云微物理结构个例分析

利用PMS云粒子测量系统和GPS定位系统探测了2002年4月28日一次冷锋天气过程。用取得的资料分析了此次过程云滴、冰晶等云微物理量的水平、垂直分布,以及谱的特征,确定出最佳谱模拟参数,揭示了其中发生的微物理过程。从微观角度说明了甘肃春季冷锋天气过程层状云的一些特点。并讨论了云系的增雨潜力。     

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.     

云中湍流特征及其在云降水中的作用研究进展

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。     

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。

     

云在气候模式中参数化的普适幂律

云滴有效半径是气候模式中辐射参数化的一个云微物理量．在讨论现有处理方法的基础上,从基本概念出发,导出联系有效半径、含水量、总云滴数及湍流强度的普适幂律．该定律：（1）表明常用参数化公式的多样性源于人们选择数学模型的主观判断;（2）启示我们应该寻找有效半径与平均单位云滴含水量（含水量与总云滴数之比）之间的关系;（3）揭示出湍流在云参数化中的重要作用．通过本文的分析,建议人们要彻底了解人类活动对成云致雨（有意识人工影响天气）和全球变化的作用需研究“大气气溶胶─云激物理─湍流（动力）─辐射”系统．     

云滴谱的不确定性对中尺度降水的影响

云滴的谱分布通过改变云滴的有效半径影响辐射传输过程,改变大气的热力、动力状况,进而影响云的发展,因此云滴谱将影响云和辐射的相互作用,从而改变地面降水。利用包含详细云微物理方案的MM5V3中尺度模式对1998年6月8日华南暴雨和2002年7月22日长江暴雨进行了数值模拟,研究了中尺度模式中云滴谱的不确定性对地面降水的影响。模拟结果表明,云滴谱在中尺度地面降水中起着重要的作用,其不确定性对地面降水的范围影响很小,却能明显地改变降水强度,能显著地改变地面降水中心的降水量和中心位置,还可能改变降水的起止时间;云滴谱的不确定性能够引起最大超过10％的平均降水强度的改变,而且其差异在白天比夜间更明显。     

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。     

Ka/Ku双波段云雷达反演空气垂直运动速度和雨滴谱方法研究及初步应用

在Ka波段云雷达上升级改造建成的Ka/Ku（Ka和Ku波段波长分别为8.9 mm和2.2 cm）双波段云雷达2019年用于华南云降水垂直结构观测,以改进云内动力和微物理参数探测能力。为了利用该双波段云雷达研究华南降水微物理和动力结构,本文提出了基于双波段云雷达回波强度谱密度（S_Z）数据和最优估计技术的云内空气垂直运动速度（V_air）、雨滴谱（DSD）、含水量（LWC）、雨强（R）的反演方法（DWSZ）,雨区衰减的订正方法。利用2019年在广东龙门观测的一次降水过程数据,对比分析了云雷达反演的微物理参数与雨滴谱直接观测量,并检验了云雷达反演的低层空气垂直运动速度,利用反演结果分析了一次混合云过程的V_air与这些微物理参数的垂直结构和相互关系。结果表明:Ka/Ku双波段云雷达合理反演了微降水微物理和动力参数及其垂直分布,经过衰减订正的Ka和Ku波段回波强度偏差明显减小。该双波段云雷达数据可以用于分析0～30 dBZ回波强度的云降水垂直结构。本次过程为混合云降水,对流单体前部存在明显的上升气流,后部存在下沉气流;从平均垂直结构来看:V_air和粒子平均直径（D_m）在2 km高度层到达最大,粒子数密度（N_w）、LWC和R在2 km以下明显增强,粒子直径却减小,水汽凝结过程、雨滴碰并云滴是本次过程的主要机制。这一工作验证了Ka和Ku波段组合的双波段云雷达的可行性,为Ka/Ku波段云雷达技术的推广,单波段云雷达反演算法进一步改进,云降水精细结构分析等提供了基础。     

山西一次降雪云物理特征的飞机观测研究

液态水含量（Liquid Water Content,LWC）是重要的云参数,对了解云微物理过程以及在人工影响天气效果检验等方面有重要的指导意义。针对已有研究的反射率因子（Z）与LWC经验公式适用范围有限的问题,利用2018—2020年飞机观测资料,在验证中国首部机载云雷达（Ka-band Precipitation Radar,KPR）探测能力和数据可靠性的基础上,采用分档平均方案,建立了适用于降水性积层混合云的Z-LWC经验公式（ 相似文献   

Kinematics and Microphysical Characteristics of the First Intense Rainfall Convective Storm Observed by Jiangsu Polarimetric Radar Network

The polarimetric radar network in Jiangsu Province has just been operationalized since 2020. The first intense precipitation event observed by this polarimetric radar network and disdrometer occurred during August 28-29, 2020 and caused severe flooding and serious damage in eastern Jiangsu Province. The microphysics and kinetics for this heavy precipitation convective storm is diagnosed in this study, in order to promote the application of this polarimetric radar network. Drop size distribution(...     

Comparison of cloud properties between cloudsat retrievals and airplane measurements in mixed-phase cloud layers of weak convective and stratus clouds

Cloud microphysical properties including liquid and ice particle number concentration (NC), liquid water content (LWC), ice water content (IWC) and effective radius (RE) were retrieved from CloudSat data for a weakly convective and a widespread stratus cloud. Within the mixed-phase cloud layers, liquid-phase fractions needed to be assumed in the data retrieval process, and one existing linear (p1) and two exponential (p2 and p3) functions, which estimate the liquid-phase fraction as a function of subfreezing temperature (from -20°C to 0°C), were tested. The retrieved NC, LWC, IWC and RE using p1 were on average larger than airplane measurements in the same cloud layer. Function p2 performed better than p1 or p3 in retrieving the NCs of cloud droplets in the convective cloud, while function p1 performed better in the stratus cloud. Function p3 performed better in LWC estimation in both convective and stratus clouds. The REs of cloud droplets calculated using the retrieved cloud droplet NC and LWC were closer to the values of in situ observations than those retrieved directly using the p1 function. The retrieved NCs of ice particles in both convective and stratus clouds, on the assumption of liquid-phase fraction during the retrieval of liquid droplet NCs, were closer to those of airplane observations than on the assumption of function p1.     

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。     

毫米波云雷达功率谱密度数据的检验和 在弱降水滴谱反演中的应用研究

本文首先利用数值模拟的方法,分析了利用毫米波云雷达功率谱密度反演雨滴谱时,降水粒子米散射效应、空气湍流、空气上升速度等对雨滴谱和液态水含量等参数反演的影响;建立了功率谱密度处理及其直接反演雨滴谱、液态水含量、降水强度和空气上升速度的方法;并利用2012年7月在云南腾冲观测的二次弱降水数据,采用毫米波雷达和Ku波段微降水雷达观测的回波强度、径向速度垂直廓线以及780 m高度上的功率谱密度对比的方法,以及毫米波云雷达观测的780 m高度上功率谱密度、回波强度与地面雨滴谱计算得到的这些量的对比方法,分析了毫米波雷达数据的可靠性;并将780 m高度上毫米波雷达反演的雨滴谱与地面雨滴谱数据进行了对比,分析了毫米波雷达反演的雨滴谱的准确性;分析了毫米波雷达回波强度偏弱的原因,讨论了该高度以下降水对毫米波雷达衰减的影响。结果表明:空气湍流对弱降水微物理参数反演影响不大,而空气上升速度和米散射效应均对反演结果有一定影响;毫米波雷达观测到的径向速度和功率谱密度与微降水雷达比较一致,回波强度的垂直廓线的形状与微降水雷达也比较一致,但毫米波雷达观测的回波强度偏弱;与雨滴谱计算值相比,毫米波雷达观测的低层的回波强度也偏弱,天线上的积水是造成毫米波雷达回波强度变弱的主要原因。毫米波雷达观测的低层的功率谱密度与地面雨滴谱观测的数据形状比较一致,但有一定的位移。毫米波雷达反演的雨滴谱与地面观测的谱型和粒子大小也比较一致。这些结果初步验证了毫米波雷达观测的功率谱密度及其反演方法的可靠性。     

Precipitation Microphysical Processes in the Inner Rainband of Tropical Cyclone Kajiki (2019) over the South China Sea Revealed by Polarimetric Radar

Polarimetric radar and 2D video disdrometer observations provide new insights into the precipitation microphysical processes and characteristics in the inner rainband of tropical cyclone(TC)Kajiki(2019)in the South China Sea for the first time.The precipitation of Kajiki is dominated by high concentrations and small(<3 mm)raindrops,which contribute more than 98%to the total precipitation.The average mass-weighted mean diameter and logarithmic normalized intercept are 1.49 mm and 4.47,respectively,indicating a larger mean diameter and a lower concentration compared to the TCs making landfall in eastern China.The ice processes of the inner rainband are dramatically different among different stages.The riming process is dominant during the mature stage,while during the decay stage the aggregation process is dominant.The vertical profiles of the polarimetric radar variables together with ice and liquid water contents in the convective region indicate that the formation of precipitation is dominated by warm-rain processes.Large raindrops collect cloud droplets and other raindrops,causing reflectivity,differential reflectivity,and specific differential phase to increase with decreasing height.That is,accretion and coalescence play a critical role in the formation of heavy rainfall.The melting of different particles generated by the ice process has a great influence on the initial raindrop size distribution(DSD)to further affect the warm-rain processes.The DSD above heavy rain with the effect of graupel has a wider spectral width than the region without the effect of graupel.     

Aircraft Measurements of Cloud–Aerosol Interaction over East Inner Mongolia

To investigate the potential effects of aerosols on the microphysical properties of warm clouds, airborne observational data collected from 2009 to 2011 in Tongliao, Inner Mongolia, China, were statistically analyzed in this study. The results demonstrated that the vertical distribution of the aerosol number concentration(N_a) was similar to that of the clean rural continent. The average aerosol effective diameter(D_e) was maintained at approximately 0.4 μm at all levels. The data obtained during cloud penetrations showed that there was a progressive increase in the cloud droplet concentration(N_c) and liquid water content(LWC) from outside to inside the clouds, while the Nawas negatively related to the Ncand LWC at the same height. The fluctuation of the N_a, Ncand LWC during cloud penetration was more obvious under polluted conditions(Type 1) than under clean conditions(Type 2). Moreover, the wet scavenging of cloud droplets had a significant impact on the accumulation mode of aerosols, especially on particles with diameters less than 0.4 μm. The minimum wet scavenging coefficient within the cloud was close to 0.02 under Type 1 conditions, while it increased to 0.1 under Type 2 conditions,which proved that the cloud wet scavenging effect under Type 1 conditions was stronger than that under Type 2 conditions.Additionally, cloud droplet spectra under Type 1 conditions were narrower, and their horizontal distributions were more homogeneous than those under Type 2 conditions.     

东北冷涡天气系统的雨滴谱特征

为了对东北冷涡天气下的人工增雨作业和效果评估提供背景资料,采用GBPP-100型地面雨滴谱仪在辽宁对2002年7—8月和2003年7—8月几次冷涡降雨过程进行了观测。利用观测资料,分析了东北冷涡天气系统下层状云、积层混合云和积雨云降雨的微物理特征、各微物理参数随时间的变化以及各参量间的相关性。用Г分布函数拟合了这三类云降雨的平均雨滴谱,分析了Г分布函数中各拟合参数随时间的变化以及各拟合参数与雨滴各微物理参量间的相互关系。     

台风眼壁的云结构与降水形成机制分析

使用带有详细微物理过程的ARPS模式,对台风韦帕（Wipha）进行三重嵌套细网格模拟,利用模式结果,对台风眼壁强降水中心的云结构和降水形成机制进行分析,结果表明：冰相微物理过程是启动和形成台风眼壁暴雨的主要降水形成机制。在9000～14000 m高空,云水在很低的温度下经均质核化产生冰晶,或经非均质核化形成云冰;冰晶通过凝华增长（psfi,贝吉龙过程）、雨水收集云冰产生雪（praci）和冰晶粘附雨水成雪（piacr）过程生长为雪;霰产生主要包括4个过程：冰晶接触雨水使其成霰（piacr）、雪撞冻云水使其成霰（psacr）、雨水收集云冰转化成霰（praci）或雨水冻结为霰（pgfr）;霰粒子通过收集云冰干增长（dgaci）,霰撞冻云滴增长（dgacw）等过程生长;霰融化（pgmlt）和雪融化（psmlt）成雨水后再通过碰并云水等暖云生长过程,最后形成雨水。霰过程的强弱在雨水形成机制中很重要。（29.5°N、121.8°E）和（28.3°N、120.4°E）强降水中心冰晶转化率没有太大差别,但是（29.5°N、121.8°E）强降水中心上空冰晶通过贝吉龙过程快速成长为雪和霰,霰粒子增长过程远远强于（28.3°N、120.4°E）强降水中心,低空又有较高的云水转化率,使降水粒子在暖云中继续快速生长,冷暖云过程的有利配置使（29.5°N、121.8°E）出现较强雨水转化率。