多光谱卫星图像的一种模糊聚类方法

基于二维光谱特征空间，用模糊C均值(FCM)聚类方法，对多光谱静止卫星(GMS-5)图像进行了云分类试验，得到了比较合理的分类结果。该方法利用不同光谱通道的卫星云图光谱特征构造出一个二维光谱特征空问，对云图在特征空间上的光谱特征点进行FCM聚类，然后与已知云类样本的特征进行比较，确定出各聚类域的类属，进而得到二维光谱空间的云分类图，实况接收的云图可通过查验特征像素点在分类图中的落区位置来实现云的分类。     

南京气溶胶光学特性地基观测研究

利用2013年南京地区CE318太阳光度计地基观测反演资料,分析了气溶胶光学特性的变化特征,并根据图解法对该地区气溶胶类型分布特征进行研究。结果表明:南京地区气溶胶光学厚度(AOD)月平均的最大值出现在1月(0.97±0.49),最小值出现在7月(0.53±0.37),全年均值为0.71±0.42。除了3月受沙尘事件影响外,ngstr9m波长指数(α)在全年其余月份值均高于0.8,最大值出现在8月和12月(1.24±0.17);AOD季节平均值在冬季(0.85±0.47)和春季(0.72±0.45)略高于夏季(0.63±0.40)和秋季(0.62±0.36)。α季节平均值特征表现为冬季(1.18±0.16)夏季(1.15±0.32)秋季(1.05±0.33)春季(0.86±0.21);AOD的日变化呈现早晚高,白天比较稳定的特征,冬季呈现出单峰变化特征,峰值出现在13∶00(1.05±0.64);工业型和城市型复合污染导致细粒子污染占比较高,全年AOD和α频率分布呈现明显的单峰分布特征,峰值中心分别位于0.53和1.2,对应最大频率分别为21%和16%;根据α和δα函数图解法得到南京地区AOD高值区(0.7)主要集中在细模态粒子增长部分(1.0α1.4,δα0,η~70%),粒径范围在0.10~0.15μm之间。     

利用三架飞机联合探测资料分析层积混合云催化物理效应

利用2009年4月18日三架飞机联合探测层积混合云资料,结合MICAPS再分析资料、雷达、卫星及地面台站资料等,在准确区分自然云区与催化响应区的基础上,对这次降水性层积混合云的微结构和催化物理响应进行了深入研究。结果表明:云上部(4 800 m层,距云顶1 700 m,距云底3 000 m)累积了云中大部分的过冷水,是云内发展强盛区;云上部嵌入式积云区温度低于周围层云区2℃,积云区含水量分布不均,最大值为1.5 g/m~3,标准差为0.4 g/m~3,而层云区含水量最大值和标准差分别为0.6 g/m~3和0.15 g/m~3,积云区和层云区的云滴谱峰值直径分别为25μm和15μm,云滴数浓度的量级分别为102cm-3和101cm-3。对催化云而言,此次联合探测在4 800 m层捕捉到嵌入式积云区的催化响应,人工播撒Ag I会促进该层云的消散过程,催化后1 h内云区占比由71%降至13%,云中液态含水量持续减少且趋于均匀分布,催化后10 min与20 min云中含水量的最大值分别为1.0 g/m~3和1.5 g/m~3,标准差为0.3 g/m~3和0.15 g/m~3,凇附与聚合增长为主要冰相微物理过程,云滴谱先变窄,后因H-M冰晶凇附繁生而拓宽;在云的中下层则受上层催化影响而产生旺盛云区,10 min内该层云区范围显著扩大,云滴及冰相粒子尺度均增加一倍,同时旺盛云区自上而下扩展。     

冻滴微物理过程的分档数值模拟试验研究

霰和冻滴是深对流降水的主要来源。由于二者密度差异造成的不同下落末速度必然会导致云微物理过程的变化以及降水时空分布的改变。我们在以色列特拉维夫大学二维轴对称对流云全分档模式的基础上,将水成物粒子从34档增加到40档,修改了霰和雪的密度,加入冻滴分档处理的微物理过程,发展了一个包括液滴、冰晶、雪、霰和冻滴更为详细的云微物理分档模式。利用改进后的模式模拟了一次理想的强对流天气过程,分析了改进模式与原模式模拟的云微物理量场以及水成物粒子的时空分布特征,模拟结果表明:（1）由于冻滴的产生,较大的下落末速度导致在云内-3℃至-8℃较早地出现了冻滴,并造成了大量的冰晶繁生。（2）冻滴形成前期,液态水中心区域位于垂直上升速度大值中心上方,形成液态水累积区;冻滴形成期,液态水累积区位于0℃层以上,雨滴冻结生成冻滴,霰与半径大于100 μm的液滴碰并生成冻滴;冻滴增长期,在垂直上升气流的支撑下,冻滴碰并过冷水增长,导致冻滴含量增大,液态水含量减小。因此,改进模式能较好的模拟冻滴的形成过程,可以将该分档处理的微物理方案耦合到三维WRF（Weather Research and Forecasting model）模式中,更深入地研究强雷暴风切变在冰雹生成过程中的作用。     

近地层辐射过程与雾微结构的相互作用特征

利用2006-2009年南京郊区（32°12’N,118°42’E,25ma．s．1）冬季雾综合观测资料,分析了近地层辐射特征与雾微物理结构的相互作用。结果表明,净辐射通量密度介于-50～＋25W·m12时,雾层中雾滴数浓度逐渐增加,且雾滴半径越小,雾滴数密度增大越显著。近地层辐射冷却或弱增温,有利于雾滴活化和凝结增长。地面辐射增温较强时,雾滴数浓度和不同尺度雾滴数密度均减少,且雾滴半径越小,雾滴数密度减小得越快。太阳短波反射率的变化主要受雾滴数浓度、平均半径和液态含水量的影响。雾过程中,雾滴数浓度和液态含水量每增大100cm-3和0．001g·m-1。引起的太阳短波反照率的增量分别为5．29×10-3和1．18×10-4。     

沙尘冰核对积云起电过程影响的初步数值模拟试验

非感应起电是指云中冰相粒子间通过相互碰撞而发生的电荷转移现象,尤其以冰晶与霰粒子的碰撞过程为主,被证实是云中电荷产生的主要方式之一。沙尘作为大气冰核的重要组成成分,为了研究沙尘冰核对云中非感应起电过程的影响,本文将两种不同的非感应起电参数化方案(Takahashi方案,以下简称TAK方案;Saunders and Peck 1998方案,以下简称SP98方案)耦合至一维半云和气溶胶分档云模式中。该模式能够显性地追踪每个水成物粒子中云凝结核和冰核的质量大小,模拟每个冰核的核化过程,以及每个冰粒子的碰撞过程,从而确定霰粒子的数浓度和每个冰相粒子的电荷密度。对不同初始沙尘浓度的非感应起电过程进行了敏感性试验,模式模拟结果表明:随着沙尘粒子数浓度的增多,云中冰晶粒子与霰粒子的数浓度都分别增加,初始起电现象发生的时间提前,空间电荷密度大小增加;SP98方案和TAK方案都能模拟出1981年7月19日的一次积云观测个例的偶极型垂直分布,但SP98方案更接近实况。     

2007年夏季我国西北地区云凝结核的观测研究

利用连续气流纵向热梯度云凝结核仪对我国西北地区2007年夏季空中和地面的云凝结核(CCN)进行观测研究,并对观测结果进行了对比分析。飞机观测资料表明,西北地区的CCN主要来源于地面,近地层浓度较高,CCN浓度随高度增加而减少。污染城市上空的CCN比一般地区上空浓度高,浓度随高度变化趋势相同;地面观测结果显示,CCN具有明显的日变化,与人类活动、气象因子和下垫面相关;污染地区和清洁地区的CCN浓度在相同过饱和度下差异很大,在低过饱和度下浓度相差可达一个量级。根据关系式N=CSk拟合得到的地面CCN活化谱参数,银川地区的C值明显较大(2200),k值较高(约0.7),表明银川地区具有大陆性特征;而祁连山地区C值较低(2200)、k值较高(约0.77),属清洁型大陆性特征。     

南京冬季一次雾过程宏微观结构的突变特征及成因分析

2006年冬, 利用系留气球探测系统、雾滴谱仪、能见度仪等仪器在南京北郊进行了雾的综合观测。本文选取2006年12月14日的一次浓雾过程, 利用边界层廓线、雾滴谱、能见度以及NCEP再分析资料, 深入研究雾顶和地面雾浓度的突变特征 (爆发性增强和迅速减弱过程) 及其成因。结果表明: 雾顶的爆发性发展是湍流促使水汽向上输送、 在上层逆温下累积并伴随大幅降温引起的; 地面雾浓度爆发性增强时, 近地层冷平流降温导致饱和水汽压减小, 同时上层系统性的下沉增温引起逆温增强, 水汽得以累积; 雾顶的迅速下降过程中, 雾顶部湍流发展, 同时下沉运动引起了气层增温、 雾体双层结构和低空急流的出现; 地面雾的迅速减弱是太阳辐射和动量下传共同作用的结果; 下沉运动对雾生消的作用具有双重性; 雾的双层结构出现在雾顶大幅下降过程中, 并加快了雾顶的下降速度, 这与以往研究中双层结构促使雾顶爆发性发展有很大差异。     

50年来中国沙尘暴的多时间尺度变化特征

采用中国强沙尘暴序列及其支撑数据集,对1958—2007年中国沙尘暴的时间序列进行小波分析,揭示了中国沙尘暴多时间尺度的复杂结构和总体变化趋势,给出不同时间尺度下沙尘暴变化的突变点,并对未来变化趋势进行了展望。结果表明：中国沙尘暴呈明显振荡式减少趋势,距平值在1985-1986年出现转折;50a中沙尘暴变化呈现从多到少的振荡形式,其减少趋势的振荡变化主要受6—8a和2～3a尺度变化的叠加影响,6～8a尺度变化出现了4次突变;1966、1985和2001年沙尘暴出现较强的变化是多时间尺度叠加的结果。2008年后的10～15a中,沙尘暴总体减少趋势将减缓,其平均值在1958-2007年平均值和1983-2007年平均值之间,2011年前后可能出现一个接近2001和2002年平均情况的峰值,随后仍和缓减少。     

贺兰山地区沙尘气溶胶瞬时谱分析及拟合

利用APS-3310A型激光空气动力学粒子谱仪，1998年4、5月和1999年4月在贺兰山附近的巴音浩特、盐池、银川等地采集了具有代表性的背景大气、浮尘、扬沙、沙尘暴天气条件下沙尘粒子谱分布资料。对粒子瞬时谱的统计分析发现：不同的沙尘天气过程中，气溶胶的瞬时浓度存在很大差别。扬沙、沙尘暴天气过程中，气溶胶浓度变化较大；浮尘天气过程中，气溶胶浓度变化较小。沙尘现象越强，粗粒子（d〉2．5μm）越多，各粒径段浓度变化越明显。不同过程，粗细粒子对粒子表面积浓度贡献程度不一。沙尘气溶胶粒子谱型为单峰结构，对粒子的瞬时谱进行了谱型拟合，其具有对数正态分布函数的特征。