利用FY-2C卫星数据反演云辐射特性

本文利用FY-2C静止卫星提供的可见光、中红外和热红外观测数据, 开展了水云光学厚度、粒子有效半径和云顶温度的云参数遥感探测理论和反演方法研究。基于FY-2C可见光、中红外(3.75 μm)与热红外(11 μm)通道辐射率对云光学厚度、 云滴有效半径、云顶温度辐射参数的敏感性分析, 提出三通道同时反演云的光学厚度、云滴有效半径及云顶温度的迭代方案; 通过个例分析进行了云参数反演试验, 并将结果与MODIS的云反演产品进行了对比, 最后对反演误差进行了分析。主要结论如下:(1) 个例反演得到的云参数与各通道探测数据有着较好的对应关系, 迭代计算标准偏差在允许的计算精度范围内(<0.89%), 反演结果具有合理性; (2) 通过与MODIS云反演产品的对比可以看到, 两者云光学厚度、云滴有效半径的均值和直方图分布都非常一致, 而MODIS的云顶温度比FY-2C反演值要高, 考虑到FY-2C的 11 μm通道测量的辐射值与MODIS相比偏小, 因此认为我们的反演方法与MODIS方法的精度是相当的。     

一次秋季暖云微物理结构探测试验

针对2008年10月24日四川盆地上空未形成降水的低层暖云,利用夏延ⅢA飞机搭载的PMS系列探头进行了探测试验,分析了云的微物理结构.分析结果表明:云体构成以小云滴为主,大云滴浓度较低,降水粒子很少.云中小云滴的液态含水量、数浓度、直径在水平方向上分布不均.小云滴的液态含水量和小云滴的体积平均直径正相关.相对云上部,云...     

基于MODIS的春、夏季中国近海气溶胶对于云参数的影响差异研究

通过分析中国近海MODIS数据中气溶胶参数与云参数的相互关系,讨论了该区域气溶胶的间接效应及其对于云的可能影响.结果表明,在中国近海,气溶胶具有明显的间接效应,而且由于气溶胶种类和水汽的季节变化,使得气溶胶的间接作用具有很强的时间变化特征.在夏季,由于人为气溶胶占主导,它作为有效的云凝结核,使得气溶胶光学厚度（AOT）分别与云凝结核数（CCN）有正相关、与云滴有效半径（CER）有负相关性、与云光学厚度（COT）也存在着正相关,气溶胶的间接效应明显;在春季,由于沙尘气溶胶盛行,同时沙尘并不是很好的云凝结核,使得气溶胶光学厚度（AOT）分别与云凝结核数（CCN）的正相关减弱、与云滴有效半径（CER）则由夏季的负相关变为正相关、与云光学厚度（COT）存在弱的负相关,气溶胶的间接效应不明显.     

巨盐核对云滴活化影响的数值模拟研究

利用包含云凝结核(CCN)与巨核(GCCN)的核化,云滴凝结和碰并增长的分档气块模式模拟研究了不同的CCN数浓度、上升气流速度、CCN中值半径以及云底温度等情况下GCCN对CCN活化的影响,结果表明,在水汽供应相对充足的情况下GCCN对云滴活化数浓度的影响并不明显;而当水汽供应相对不充足时,增加GCCN至1 cm-3的量级以上可以有效减少CCN的活化数浓度.在水汽供应不充分且其他条件相同的情况下,增大CCN的平均直径或是增加云底温度都可以使GCCN对云滴活化的抑制作用增强.对比分析不同的GCCN数浓度对清洁大气和污染大气云底以上300 m高度处粒子谱型的影响可以看出,在水汽供应不充分的条件下加入GCCN,初始时刻CCN的数浓度对GCCN产生的大云滴数目及云滴谱宽的影响较小.在水汽供应相对充足的情况下,GCCN对CCN活化基本没有抑制作用,但此时在高过饱和度峰值下生成的大量小云滴争食水汽,反而导致云滴群凝结增长速度小于水汽供应相对不充足的情况,此时加入的GCCN可以先活化形成大云滴.     

不同水汽条件下气溶胶对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

为全面了解水汽在气溶胶影响雷暴云电过程中的作用,本研究在已有的二维雷暴云起、放电模式基础上,通过改变相对湿度和气溶胶初始浓度(文中气溶胶浓度均指气溶胶数浓度)进行敏感性数值模拟试验.结果表明:(1)随着气溶胶浓度升高,雷暴云产生更多的小云滴,降水过程受到抑制.而当水汽含量升高时,云滴数浓度的增长速度更快,雨滴数浓度升高...     

不同积云微物理特征的卫星反演分析

利用NOAA卫星多光谱资料反演了云滴有效半径,采用多信息组合的RGB彩色显示方法,分析了云顶微物理特征;运用Rosenfeld的卫星微物理反演分析方法,根据云中物理过程与T-re分布关系,着重分析了不同积云的云物理过程和微物理特征.结果表明:中高纬内陆地区积云底层一般具有较深厚的凝结增长带和较小的云滴有效半径,晶化增长起始温度较低,具有典型的大陆性云物理特征;低纬度海岛与近海地区积云与大陆性积云相比,底层云滴有效半径普遍较大,碰并作用较强,晶化增长起始温度较高,具有大陆性到海洋性过渡的云物理特征;海洋上空积云底层的云滴有效半径最大,晶化增长起始温度高,降水带较深厚,具有海洋性云物理特征.     

利用NOAA-AVHRR观测数据反演云辐射特性的一种迭代方法

在可见光谱区 ,云的反射函数主要依赖于云的光学厚度 ;在近红外和中红外光谱区 ,云的反射函数主要依赖于云滴有效半径。根据上述原理 ,我们开发了一个利用NOAA AVHRR观测资料同时反演云的光学厚度和云滴有效半径的迭代方案。将该方案用于分析中国东海上空冬季层积云的辐射特性 ,取得了较为合理的结果。     

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。     

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。     

海洋层积云中的云滴谱宽度及其影响因子

云滴谱宽度对模式中云的光学厚度的参数化、气溶胶间接效应的评估以及降水形成过程的研究至关重要。本文利用美国POST（Physics of Stratocumulus Top）项目2008年7月19日的飞机观测资料，分析了微物理量和云滴谱的垂直分布及微物理过程。结果表明，该云系云滴谱宽度在云底附近较大，这是由低层核化过程导致的；中层凝结增长过程使得云滴谱宽度随高度增加逐渐减小；云顶附近夹卷混合过程导致云滴谱宽度增大。绝热云中垂直速度的增大会促进云凝结核的活化使云滴数浓度增大，促进凝结增长使云滴尺度增大、云滴谱宽度减小，云滴谱宽度与云滴数浓度、云滴尺度呈现负相关关系；云洞中受夹卷混合过程影响，垂直速度减小，云滴蒸发，云滴数浓度和云滴尺度减小、云滴谱宽度增大，且该效应随绝热程度减小而增强。建议云滴谱宽度的参数化将垂直速度、云滴数浓度、云滴尺度和绝热程度等考虑在内。     

华北中部夏季气溶胶垂直分布及其与云凝结核和云滴转化关系的飞机观测研究

气溶胶的时空分布及其核化成云的转化过程是云降水物理研究的重点,也是气候变化中气溶胶间接效应关注的热点问题。利用2013～2014年期间在华北中部山西地区开展的9架次夏季晴天和积云天气情况下的气溶胶、云凝结核（CCN）及云滴数浓度观测资料,分析研究了气溶胶的垂直分布、谱分布、来源特征及其与云凝结核、云滴数浓度的转化关系。研究结果表明,大气边界层逆温层结对气溶胶、CCN垂直分布有重要影响,不同天气条件下气溶胶谱型在低层差异较大而高层基本一致;垂直方向上CCN数浓度与气溶胶数浓度有较好的相关性,过饱和度0.3%条件下CCN比率（云凝结核/凝结核）与气溶胶有效直径呈线性关系;积云云下气溶胶与云滴的线性拟合方程为y=1.3x?616.3,拟合相关系数为0.96,气溶胶转化为云滴的比率可达到47%。在过饱和度0.3%条件下,云下CCN与云滴的线性拟合方程为y=1.6x?473.8,拟合相关系数也为0.96,CCN转化为云滴的比率可达到69%。     

毫米波雷达测云个例研究

云参数是影响降水和大气辐射过程的重要因子,但对云参数的遥感探测存在许多困难。利用35GHz的毫米波雷达进行云探测,并进行云参数反演研究,反演了云水含量、冰水含量和云滴有效直径的垂直廓线,得到了6类云况的垂直分布。结果表明：1）不同类型的云具有不同的云参数分布;2）在低于-15dBz的非降水云情况下,反演的云水含量及云滴有效直径较可靠;3）雷达探测的线性退偏振比因子,可以用于判别云中的过冷却水和冰晶,有助于更好了解云的宏微观特征。     

2015年10月29日弱降雨前后的层状云微物理参数反演和分析

利用Ka波段毫米波云雷达和微波辐射计资料对2015年10月29日安徽寿县的一次弱降雨过程的云参数进行了反演,所采用的反演方案是单参数法和双参数法。论文先介绍了单参数和双参数反演方法,然后反演了降雨前后的云微物理参数,对比分析表明：（1）降水发生前云滴数浓度较大,典型值1 000个·cm^-3左右,有效半径小于4.5 μm;（2）降雨后,云滴数浓度显著减小,典型值在500个·cm^-3左右,但有效半径略增大了1~1.5 μm;（3）云中含水量的变化不明显,降雨后略增大,增加量在0.1 g·m^-3以内; （4）降水发生前,云微物理参数随高度的起伏较大,降水后的廓线比较平缓,显示出降雨后的云层动力特性更稳定。     

华北地区层状云微物理特性及气溶胶对云的影响

利用机载粒子探测系统(PMS,ParticleMeasurementSystem)对1990年9、10月和1991年4月的春秋两季层状云进行了云及降水的微物理特征探测,分析了云微观特征和垂直分布,初步探讨了气溶胶对云的影响。结果表明,华北地区层状云的基本特征为云滴数浓度79.2cm-3、液态含水量0.03g.m-3、有效直径11μm并有垂直差异;云下气溶胶数浓度与云滴数浓度两者之间存在正相关关系,但其定量关系还有待于进一步研究。     

海盐气溶胶和硫酸盐气溶胶在云微物理过程中的作用

利用大气气溶胶和云分档模式研究海盐气溶胶和硫酸盐气溶胶在云微物理过程中的作用, 计算结果表明:云中液态水含量随高度的分布并不随海盐、硫酸盐的数目以及云团上升速度的变化而变化; 随着云滴数目的增加, 云滴的有效半径会减小; 硫酸盐对云滴数目影响起主导作用, 海盐在水汽相对充足情况下增加了云滴数目, 在水汽相对不足的情况下减少了云滴数目; 硫酸盐粒子浓度特别强的情况下 (人类活动污染比较严重时), 如果水汽相对不足, 云滴数目会明显小于硫酸盐粒子浓度; 而海盐粒子的存在, 加剧了水汽的供应不足, 从而可以在很大程度上进一步降低云滴数目。也就是说, 在有些情况下, 如果不考虑海盐气溶胶的作用, 硫酸盐气溶胶对云特性的影响会被过高估计。     

Microphysical characteristics of precipitating cumulus cloud based on airborne Ka-band cloud radar and droplet measurements

在积云中,大多数云粒子的直径在7到10微米之间,而在层云中,大多数云粒子的直径不超过2微米.云滴有效半径与云中行星边界层(PBL)及PBL上层的气溶胶数浓度(Na)呈负相关.在1500米以上的高液态水含量区域,云滴浓度(Nc)变化不大,Na含量降低.高雷达反射率对应于大的FCDP云粒子浓度和小的气溶胶粒子浓度.积云中的...     

夏季硫酸盐和黑碳气溶胶对中国云特性的影响

利用WRF-Chem（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry）模式研究2006年8月1日—9月1日中国区域硫酸盐和黑碳气溶胶对云特性的影响。模式验证利用了卫星和地面观测的气象要素、化学物质浓度、气溶胶光学特性和云微物理特性。模式性能评估表明该模式能较好地抓住气象要素（温度、降水、相对湿度和风速）的量级和空间分布特征。通过与地面观测和MODIS卫星数据对比发现,尽管模式模拟还存在偏差,但还是能较好模拟出气溶胶物种的地表浓度、气溶胶光学厚度（AOD）、云光学厚度（COD）、云量（CLDF）、云顶云滴有效半径（CER）和云水路径（LWP）。通过两个敏感性试验（分别增加二氧化硫和黑碳排放量至控制试验排放的3倍）与控制试验的对比发现硫酸盐比黑碳更易成为云凝结核,在中国东部云顶云滴数浓度和其它云特性参数对二氧化硫排放增加的响应均从北向南呈递增,这与地面湿度分布有关。云滴有效半径对硫酸盐气溶胶的响应符合气溶胶第一间接效应的定义,即硫酸盐气溶胶增多,云滴数浓度增加,云滴有效半径减少,但是对黑碳气溶胶的响应在各区域不尽相同。还发现黑碳对云量的影响远大于硫酸盐,主要原因是由于黑碳气溶胶直接辐射效应（对太阳光的吸收）导致的云的“燃烧”作用。      

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.     

2005年北京消云试验微物理检验

利用机载PMS(Particle Measurement System)粒子探测系统获得的云微观特征和宏观观测分析了2005年北京消云试验的效果。比较2005年9月12日上午消云作业前后云滴数浓度、粒子有效直径和云滴谱分布的变化发现,在暖云中播撒吸湿性高浓度粒子群能够产生一定的消云效果。作业后云微物理结构的垂直分布发生较大变化,云滴数浓度和粒子有效直径均变小,并且在作业高度下方出现一个干层;吸湿性物质促使云滴发生碰并过程,使得大云滴消失小云滴变少;作业半小时后垂直方向影响范围小于900m。此外,在9月13日下午的消云试验中观测到消云作业产生的一条明显云沟。     

吉林地区一次积层混合云宏微观结构特征观测分析

根据吉林100个加密中尺度地面雨量观测系统、雷达和飞机PMS获得的综合观测资料对2005年6月20日一次积层混合云天气系统进行了分析,结果表明:一是本次东北气旋的发展是由来自贝加尔湖的正涡度平流与东北地区高有效位能的叠加形成的;此次过程的雨量时空分布很不均匀,存在很多小尺度雨量中心,与雷达强回波中心相一致。二是通过飞机PMS探测发现,云滴的平均数浓度与过去我省层状云探测结果接近,但冰晶和雪晶的数浓度明显高于过去的探测结果。三是在云的中上部冷层,云中液态含水量和FSSP-100探测的云滴数浓度有较好的正相关,说明云中液水含量主要由过冷液态云滴浓度决定;云中液态含水量与冰晶浓度呈反相关,表明云中微物理过程是冰水转化过程。四是云中微物理量在水平和垂直方向都存在一定的起伏变化,具有明显的空间分布不均匀性。