液态水含量和冰晶浓度对闪电频数影响的数值模拟研究

假定在软雹和冰晶碰撞的非感应起电机制为主要的起电机制成立的条件下，数值模拟研究了国际上公认的Fletcher和H—M冰晶产生机制以及云中的液态水含量对雷暴云放电过程（区分了云闪和地闪）的影响。结果表明，随着气压和温度的变化，在两种冰晶产生机制假定下，冰晶浓度分布有很大差异，这直接导致了雷暴云内电活动的差异。液态水含量的增加将使得首次放电时间延迟，同时将引起放电位置的下降和闪电频数的减少。     

冰晶繁生对雷暴云非感应起电影响的数值模拟

为了研究冰晶繁生在雷暴云发展过程中对非感应起电过程的影响,利用三维雷暴云模式在理想层结环境下,对雷暴云内各种水成物粒子、电荷以及电场分布情况进行数值模拟。模拟结果表明:在雷暴云发展和成熟阶段,有繁生过程参与的雷暴云中下部存在一个冰晶聚集区域,从而使得云内冰晶的数量较无繁生过程增大约1 5%～18%,且聚集的区域范围更大;同时,繁生过程的加入也使得霰粒子数量也比无繁生过程时增大约20%;霰冰非感应电荷转移的正区一般位于霰粒子浓度高值区附近,而负区位于冰晶和霰粒子浓度高值区相重合的区域;冰晶繁生过程通过影响雷暴云中冰晶和霰粒子浓度和分布位置,使得雷暴云非感应起电的强度和位置发生改变,导致云内起电过程提前约5～6 min。     

层状云中冰晶繁生过程对降水影响的数值模拟

在层状云雨滴分档模式中加入冰晶繁生过程,研究繁生过程对层状云微物理结构及降水过程的影响。结果表明:模式云发展到190 min时,冰晶繁生过程发生,繁生层内的冰粒子浓度由10-3L-1增加到7.3 L-1,随后迅速减少,250 min后趋近于无繁生的情况;繁生层及其下方的云水含量较繁生前相同时刻减少约0.05-0.2 g.m-3;190 min,2 400-4 800 m高度层内的水汽含量急剧减少0.1-1.0 g.m-3;190-230 min,2 400-5 000 m高度层的冰水含量较考虑繁生过程之前增加0.1-0.6 g.m-3,240-250 min,2 400-4 000 m高度层内的冰水含量较繁生前相同时刻减少了0.1-0.3 g.m-3。加入繁生过程之后,雨强极大值增加1.8 mm.h-1(6.6%)。由此得出结论:(1)繁生过程发生后,云中瞬时冰晶浓度增加,繁生层下方的云水含量减少,冰水含量先增加后减少,水汽含量减少;(2)繁生过程使得雨强极大值增大。     

不同形状冰晶权重假定对冰云光学和辐射特性的影响

在BCC_RAD辐射传输模式和包含多形状冰晶粒子的冰云光学性质参数化方案的基础上,详细分析了不同冰晶粒子权重选取对冰云光学和辐射特性的影响。结果显示,不同形状冰晶粒子权重的选取对长波带平均消光系数、单次散射比、不对称因子和短波带平均不对称因子均有较大的影响。冰晶粒子权重选取对长波辐射通量有很大影响:对长波向下辐射通量,权重选择不同可在云底处造成高达10.50 W/m2的差别;对长波向上辐射通量,权重选择不同可在云顶处造成高达15.05 W/m2的差别。冰晶粒子权重选择对短波辐射通量也存在较大影响:对短波向下辐射通量,权重选择不同可在云底处造成高达12.48 W/m2的差别;对短波向上辐射通量,权重选择不同可在云顶处造成高达10.23 W/m2的差别。冰晶粒子权重选择对长波加热率影响较大,在云顶处和云底处分别可达1.31和-2.06 K/d。研究表明,不同形状冰晶粒子权重的选取对冰云光学性质和辐射计算均有较大的影响,在长波区间尤其明显。      

冰晶核化对雷暴云闪电行为影响的数值模拟研究

为了探讨冰晶核化对雷暴云闪电行为的影响,通过已有的三维对流云起、放电模式探讨对比了3种冰晶核化方案,分别为原模式中的经验公式YS方案及与气溶胶相关的DE方案和LP方案。研究表明冰晶核化方案对雷暴云内冰晶微物理发展特征、起电及放电过程均有一定影响。模拟结果显示:(1)考虑了气溶胶的两种新参数化方案中冰晶粒子在高温区(高于-13.8℃)出现,在雷暴云发展过程中DE方案和LP方案冰晶的垂直分布均大于YS方案。(2)DE方案和LP方案中高温区出现的冰晶所带电荷极性有明显的反转现象,导致雷暴云电荷结构产生差异;雷暴云发展旺盛时刻DE方案和LP方案出现三级性电荷结构,而YS方案在整个雷暴云过程都是偶极性,并且DE方案和LP方案中电荷空间分布区域更加广泛。(3)不同核化方案下雷暴云放电特征存在差异,YS方案在偶极性电荷结构背景下没有负地闪产生,而DE方案和LP方案中次正电荷区的存在促进了负地闪的发生,并且负先导出现在较低的高度范围内;DE方案和LP方案中电荷量级较大,因此云闪发生频次以及正、负先导传播次数增加明显。     

基于迁移学习方法的山东冷云冰晶特征分布研究

为分析冷云中冰晶的分布特征,揭示冰晶增长演变机制,根据冰晶形状和尺度特征分为8类并进行标注,同时标注1类隔断栏进行数据质量控制,将9类标签图像整合并建立图像集,利用迁移学习VGGNet16方法进行识别训练,经训练模型分类准确率达98%。将模型应用到秋季冷云冰晶特征研究中,选取3次积层混合云和3次层状云降水过程,分析冰晶形状在不同温度区间的占比及冰晶谱变化特征,结果表明,温度通过影响冰晶基面与棱面的比值来决定冰晶初始形状分布,相同温度区间积层混合云内球状冰晶和线型冰晶占比高于层状云,低于-12℃后各类冰晶占比相对固定;积层混合云内线型冰晶直径集中在300~800 μm,冰晶谱呈多峰分布,聚合体直径大于600 μm,冰晶谱首尾两端浓度相当,球状冰晶直径集中在120～300 μm,冰晶谱呈单调下降趋势。     

光吸收对冰晶粒子散射相函数的影响

本文利用射线跟踪法对冰晶粒子散射、吸收进行了研究。从理论上对一些常见的近似处理方法进行了讨论，计算了长为300μm，半径为30μm的六棱柱状冰晶粒子在不同波段的光散射相函数以及在波长2.2μm时，五种不同大小冰晶粒子的单次散射反照率。结果表明，即使在有吸收情况下，Snell公式和Lambert公式仍是近似成立的，而吸收效应对散射相函数有明显影响。     

冰晶增长对热量收支的影响

使用二维云分辨模式研究冰晶增长过程(云水到冰晶的冻结增长和通过水汽凝华冰晶到雪的增长)对热量收支的影响。采用4种冰晶增长参数化方案模拟了热带到中纬度地区的4个降水个例。研究发现:(1)高冰核浓度的ZENG方案和SHEN方案引起对流层中上层辐射加热增多,这与它们模拟的冰晶在对流层中上层增多有关。(2)高冰核浓度的ZENG方案导致模拟区域—平均的局地温度变化在对流层上层出现异常减小值,这与它在热带个例中导致垂直热量通量辐合减少和在中纬度个例中导致潜热加热减少有关。(3)尽管高冰核浓度的ZENG方案引起质量加权平均的辐射加热增多,但是它在热带个例中引起地表感热通量减少和在中纬度个例中引起潜热加热减少,最终导致4种参数化方案计算的模拟区域—质量加权平均的局地温度变化基本一致。     

冰晶核化对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟研究

本文在已有的二维对流云模式中采用了一种与气溶胶有关的冰晶核化方案替代原有的冰晶核化经验公式, 并选取个例, 分别就两种方案进行了模拟对比试验。模拟结果表明:(1)新方案所得冰晶比含水量主要分布在-0.1~-7.6℃温区之间, 高于原方案所得的-50.1~-24.2℃温区;在整个雷暴云的发展过程中新方案冰晶的分布高度、温度区间以及最大浓度值均大于原方案。(2)在新方案中, 温度相对较高的过冷区产生大量冰晶, 其争食云中水汽抑制了云滴、雨滴的增长。此外, 与原方案相比, 霰增长受雨滴大幅减小的影响进一步得到限制, 导致生成的霰小于原方案, 且空间分布具有较大区别。(3)两方案在雷暴云初期形成的电荷结构不同;在发展旺盛与消散阶段新方案中电荷空间分布区域和电荷量均大于原方案, 此外, 在不同时刻主正电荷区和主负电荷区的中心高度存在差异。本文对云微物理过程及起电的分析为后继探讨气溶胶与雷暴云起放电过程、电荷结构之间的相互关系提供了有利条件。     

双波段大气向下红外辐射云遥感数值模拟

为了将卫星多通道遥感技术应用到地基测云红外遥感中,利用SBDART(平面平行辐射传输模式)模式对双波段(10.3～11.3μm,11.5～12.5μm)大气向下红外辐射进行计算。分析了双波段辐射亮温差的特点,讨论了不同能见度、不同天空状况对两通道亮温差的影响,同时将利用实际测量的亮温差值所判断出来的天空状况与实际天空状况进行了对比。结果表明,在能见度较好时天顶方向辐射率变化比天边方向明显;在高能见度时一定天顶角范围内,可以利用不同天空状况亮温差不同的特点对云进行识别。     

云微物理特性对云光学和云辐射性质的影响

根据辐射传输理论,计算了不同云滴谱分布时的云光学参数βe,ωo和g,考察了这些光学参数的变化对云的反射率、透过率和吸收率的影响,以及云滴谱分布和云水含量在垂直方向的不均匀对云整体辐射性质、云中辐射通量密度和加热率的影响。     

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。     

Stratospheric Ozone-induced Cloud Radiative Effects on Antarctic Sea Ice

Recent studies demonstrate that the Antarctic Ozone Hole has important influences on Antarctic sea ice. While most of these works have focused on effects associated with atmospheric and oceanic dynamic processes caused by stratospheric ozone changes, here we show that stratospheric ozone-induced cloud radiative effects also play important roles in causing changes in Antarctic sea ice. Our simulations demonstrate that the recovery of the Antarctic Ozone Hole causes decreases in clouds over Southe...     

硫酸盐和烟尘气溶胶辐射特性及辐射强迫的模拟估算

利用已有的硫酸盐和烟尘气溶胶折射指数资料，精确计算了这两种气溶胶从太阳短波到红外谱段的辐射特性。然后，在LLNL化学输送模式(CTM)模拟的硫酸盐和烟尘气溶胶资料及改进的气溶胶参数化基础上，在国内首次用GCM估算了这两种气溶胶引起的全球辐射强迫。结果表明:(1)西欧是全球最大的硫酸盐辐射强迫中心，最大值出现在夏季，达-5.0W/m2；(2)烟尘强迫的最大中心出现在夏季的南美和非洲中南部，为4.0W/m2；(3)南半球大陆人为气溶胶的强迫不容忽视；(4)某些地区人为气溶胶的强迫在量值上可与CO2等温室气体引起的强迫相比拟。     

黑碳-硫酸盐混合气溶胶的辐射特性分析

利用Mie散射理论、外混合模型、均匀球模型和分层球模型,分析考察了黑碳和硫酸盐的混合气溶胶粒子在内外混合状态下的辐射特性和混合方式、容积含量和粒径对辐射特性的影响。结果表明,单次散射反照率和吸收效率因子对黑碳含量和混合方式很敏感,非对称因子和散射效率因子对两者的变化较敏感,消光系数(消光效率因子)对两者的变化不敏感。均匀混合的吸收最大,壳-核模型次之,外混合的吸收最小。壳-核模型中黑碳为核的分层球模型的吸收大于黑碳为壳的分层球模型。小粒子的辐射特性对粒径的变化很敏感,大粒子的辐射特性对粒径的变化不是很敏感。     

Grid-cell Aerosol Direct Shortwave Radiative Forcing Calculated Using the SBDART Model with MODIS and AERONET Observations:An Application in Winter and Summer in Eastern China

Taking winter and summer in eastern China as an example application, a grid-cell method of aerosol direct radiative forcing(ADRF) calculation is examined using the Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer(SBDART) model with inputs from MODIS and AERONET observations and reanalysis data. Results show that there are significant seasonal and regional differences in climatological mean aerosol optical parameters and ADRF. Higher aerosol optical depth(AOD)occurs in summer and two prominent high aerosol loading centers are observed. Higher single scattering albedo(SSA) in summer is likely associated with the weak absorbing secondary aerosols. SSA is higher in North China during summer but higher in South China during winter. Aerosols induce negative forcing at the top of the atmosphere(TOA) and surface during both winter and summer, which may be responsible for the decrease in temperature and the increase in relative humidity.Values of ADRF at the surface are four times stronger than those at the TOA. Both AOD and ADRF present strong interannual variations; however, their amplitudes are larger in summer. Moreover, patterns and trends of ADRF do not always correspond well to those of AOD. Differences in the spatial distributions of ADRF between strong and weak monsoon years are captured effectively. Generally, the present results justify that to calculate grid-cell ADRF at a large scale using the SBDART model with observational aerosol optical properties and reanalysis data is an effective approach.     

西北地区气溶胶光学特性及辐射影响

利用SACOL（兰州大学半干旱气候与环境观测站）2006~2012年AERONET（全球气溶胶自动监测网）level 2.0和太阳短波辐射计资料,分析了中国西北地区气溶胶的光学特性与辐射影响。利用辐射传输模式SBDART（平面平行大气辐射传输模式）检验TOA（大气层顶）处辐射强迫为正的原因。BOA（地表）、TOA、Atmosphere（大气）的辐射强迫年均值分别是-59.43 W m-2、-17.03 W m-2、42.40 W m-2,AOD（光学厚度,550 nm）年均值0.37,α（波段的波长指数,440~675 nm）年均值0.91,变化趋势与AOD位相相反,当AOD为0.3~2.2时,α很小（0.0~0.2）,表明粒子尺度很大。SSA（单次散射反照率,675 nm）年均值0.93,g（不对称因子,675 nm）年均值0.68,复折射指数（675 nm）实部年均值1.48,虚部0.007。复折射指数实部的年变化趋势与AOD一致,虚部与AOD反位相,所以西北地区多为粗模态散射性气溶胶。气溶胶对大气的加热率最大值出现在0~2 km,随高度递减。冬、夏半年在地表加热率分别是2.6 K d-1和0.6 K d-1;季节变化中,冬季、秋季、春季和夏季,在地表的加热率依次是2.5 K d-1、1.4 K d-1、1.2 K d-1和0.2 K d-1,主要因为秋季气溶胶的吸收性大于春季。地表反照率和SSA对TOA正辐射强迫贡献率分别是22.5%和77.5%。     

利用激光雷达观测兰州沙尘气溶胶辐射特性

利用微脉冲激光雷达CE370-2与太阳光度计CE-318, 在兰州观测分析了2007年3月27~29日扬沙过程沙尘气溶胶辐射特性, 并利用HYSPLIT-4模式分析了沙尘过程气溶胶粒子的后向轨迹。分析表明, 此沙尘过程气溶胶粒子的传输路径主要有两条： 一条起源于青海西北经西宁抵兰州, 另一条起源于塔克拉玛干沙漠经河西走廊抵兰州; 沙尘气溶胶主要集中于离地1.5 km高度层内; 沙尘气溶胶消光系数随高度先增加, 到0.2 km左右高度达到最大, 然后急剧减小。沙尘气溶胶光学厚度的时间演变呈双峰型, 最高峰出现在28日12:00, 次高峰在27日22:00。验证表明由CE370-2得到的气溶胶光学厚度与CE-318得到的很接近; 雷达观测资料的处理方法可以较好地反演气溶胶消光系数和光学厚度。     

硫酸盐气溶胶辐射强迫的数值模拟研究

利用IAP/LASG GOALS 4.0海气耦合模式,"显式"考虑了硫酸盐气溶胶的直接作用,并且引入德国马普气象研究所的三维浓度分布资料,模拟计算了硫酸盐气溶胶的辐射强迫.主要结果为:全球气溶胶年平均的辐射强迫为-0.29 W m-2,在IPCC TAR给定的范围内,空间分布上具有明显的地域性,几个大值地区分别为东亚、西欧和北美,它们的中心值均超过-1.5 W m-2,南美、澳大利亚以及非洲南部的辐射强迫介于-0.2～-0.4 W m-2之间,而海洋和偏远的大陆地区,则基本上不受人为硫酸盐气溶胶的影响;计算的东亚地区硫酸盐气溶胶的平均辐射强迫为-0.75 W m-2,约为全球平均的2.5倍,为北半球平均的1.6倍.文中还讨论了全球硫酸盐气溶胶对温室气体辐射强迫的减缓作用.