Simulation of the influence of aerosol particle characteristics on clouds and precipitation with LM-SPECS: Model description and first results

The novel model system LM-SPECS is presented combining a spectral bin microphysics scheme and the three-dimensional Lokalmodell (LM, today called COSMO) of the German Weather Service (“Deutscher Wetterdienst”). The model is designed to investigate in detail the interaction of atmospheric aerosol particles, clouds and precipitation. The microphysics scheme includes a combined spectrum of wetted aerosols, cloud droplets and rain drops. As a first application of the model, sensitivity studies on an artificial deep convective cloud were done. The results produced by LM-SPECS are satisfying. The studies show, e.g., that a diminished initial particle number leads to larger cloud droplets and thus to a higher efficiency of coalescence. This results in a larger amount of precipitation. Furthermore, studies on mixed phase clouds show the influence of varying ice nuclei, such as bacteria, kaolinite and soot, on cloud properties. Here, a more effective freezing leads to an increased number of ice particles with smaller radii. The results point to the importance of a detailed knowledge of the underlying microphysical processes in order to understand the formation of clouds and precipitation more accurately. Though to date the model was applied to artificial cases only, the use of the mesoscale weather model allows for more complex realistic cases which are subject to further studies.     

中国东部及邻近海域暖季降水系统的闪电、雷达反射率和微波特征

利用热带测雨卫星的测雨雷达、闪电成像仪和微波辐射计8个暖季的轨道观测资料,研究了中国东部及邻近海域不同类型降水系统的地理分布规律和日变化特征及其闪电活动、雷达回波顶高和微波亮温的特征,并进一步分析了闪电与雷达回波顶高、微波亮温和冰相降水含景之间的关系.结果表明,两个地区的降水系统绝大部分都是无冰散射系统(占85%以上),非中尺度冰散射系统占10%左右,中尺度冰散射系统仅占约1.5%.中国大陆东部降水系统的日变化特征明显,而东海地区日变化幅度很小.中国大陆东部和东海地区分别约有93%和97%的降水系统没有闪电记录,并且前者闪电发生概率高于后者.中尺度冰散射雷暴不但闪电频数最高,而且贡献了总闪电的一半以上.随着降水类型强度的增强,20 dBz最大高度明显增高,最小85 GHz和37 GHz极化修正亮温则逐渐降低.对于同样的20 dBz最大高度和最小85 GHz极化修正亮温,中国大陆东部降水系统发生闪电的概率均高于东海地区.降水系统尺度上的闪电频数与最小85 GHz极化修正亮温的关系在稳定性和相关性方面要好于其与20 dBz最大高度的关系,而闪电频数与7-11 km的总冰相降水含量之间的相关性又比其与最小85 GHz极化修正亮温有了较大的提高.进一步研究表明,单体尺度上的闪电频数和7-11 km总冰相降水含量之间也表现出了非常密切的关系,在两个研究地区的相关系数都超过了0.7.     

WRF-WSM3微物理方案在青藏高原地区暴雪模拟中的改进及试验

通过青藏高原一次暴雪过程的模拟试验,对WRF模式中的WSM3微物理方案中的降水模拟偏差原因进行了分析,并根据观测试验结果,提出了改进WSM3微物理方案中冰核浓度的2种计算方案。通过调整温度和冰核浓度之间的关系,检验了冰核浓度Pigen过程对降水的影响。结果显示,WSM3方案对青藏高原地区的冰核浓度估计过高;当考虑了冰面过饱和度随温度区间的变化后,计算的冰核浓度可以改进降水的模拟效果;但通过温度的变化和冰面过饱和度二者的调整,降水模拟的效果并不明显。冰核浓度对温度变化的敏感存在着一个范围,冰面过饱和度和温度区间的大小存在一定关系。通过另外2个个例和敏感性试验的研究结果表明,对于温度较高的固态降水,冰核浓度的变化对降水模拟的改进不显著。     

1995和1996年春季北京地区大气冰核浓度的观测与研究

利用毕格型混合云室于1995和1996-春季在北京西郊观测了4种温度条件下的大气冰核浓度.分析了冰核浓度逐日变化特点,与1963-的观测(方法相同)结果进行了对比分析.发现30 a来,冰核浓度平均约增加了15倍.根据严重污染天气条件下能见度与冰核浓度的相关分析,推测人类活动作为冰核源的权重,冰核浓度增加.分析发现大气中高活性冰核在大气中的滞留时间明显小于低活性冰核.结合冰核活性与粒子尺度的相关,分析推测了大气冰核浓度随高度递减的特点,推测高活性冰核随高度递减更快.分析中参考了世界各地的观测结果,并对不同观测方法观测的结果进行了分析对比,对其中一些地区差异和特点进行了探讨.冰晶浓度与云中气溶胶粒子浓度的相关分析表明,两者有较好的正相关关系.高冰晶浓度常对应有较窄的粒子谱和较小的浓度峰值直径.利用飞机观测的云中雪粒子浓度与冰粒子浓度资料分析结果表明两者有正相关;初步分析表明,大气冰核浓度除对冰云微结构和云中降水过程有重要影响外;还可能对云的辐射特征产生影响,从而影响大气气候过?＃     

改进阈值的冰晶粒子形状分类方法及其应用

基于历史航测数据,对Holroyd云粒子形状分类方法的阈值进行了改进,使得改进阈值后的Holroyd云粒子形状分类方法更适合机载云粒子成像仪（Cloud Imaging Probe, CIP）在我国华北地区所测冰晶粒子形状识别。将改进阈值后的方法应用于山西一次降水性层状云的飞机观测资料分析发现,此次降水性层云中无论在水平分布还是垂直分布上,出现频率在15%以上的冰晶粒子形状有4种,其中有3种较为固定,分别是霰、线形状和不规则状,另外一种形状则与具体的云内环境有关,垂直方向上不同温度区间内为枝状（?8～0°C）和微小状（?12～?8°C）,不同高度的水平方向上则是枝状（5200 m）、微小状（5500 m）和板状（5800 m）;云中冰晶粒子数浓度在水平和垂直方向上波动较大,最小值小于1 L?1,最大值则大于20 L?1,垂直方向上的最大值分别位于每层云中的下部;云中冰水含量值在水平方向和垂直方向上波动范围也很大,其在垂直方向上的云中最大值区域与冰晶粒子数浓度的最大值区域基本一致。     

Analysis of ice water path retrieval errors over tropical ocean

Retrieval of multi-layered cloud properties, especially ice water path (IWP), is one of the most perplexing problems in satellite cloud remote sensing. This paper develops a method for improving the IWP retrievals for ice-over-water overlapped cloud systems using Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) Microwave Imager (TMI) and Visible and Infrared Scanner (VIRS) data. A combined microwave, visible and infrared algorithm is used to identify overlapped clouds and estimate IWP separately from liquid water path. The retrieval error of IWP is then evaluated by comparing the IWP to that retrieved from single-layer ice clouds surrounding the observed overlapping systems. The major IWP retrieval errors of overlapped clouds are primarily controlled by the errors in estimating the visible optical depth. Optical depths are overestimated by about 10–40% due to the influence of the underlying cloud. For the ice-over-warm-water cloud systems (cloud water temperature Tw > 273 K), the globally averaged IWP retrieval error is about 10%. This cloud type accounts for about 15% of all high-cloud overlapping cases. Ice-over-super-cooled water clouds are the predominant overlapped cloud system, accounting for 55% of the cases. Their global averaged error is 17.2%. The largest IWP retrieval error results when ice clouds occur over extremely super-cooled water clouds (Tw 6 255 K). Overall, roughly 33% of the VIRS IWP retrievals are overestimated due to the effects of the liquid water clouds beneath the cirrus clouds. To improve the accuracy of the IWP retrievals, correction models are developed and applied to all three types of overlapped clouds. The preliminary results indicate that the correction models reduce part of the retrieval error.     

中国气候变化的研究

总结了近10余年对中国气候变化的研究,重点对不同时间尺度的气温变化进行了分析.讨论了大暖期千年尺度气候振荡,中世纪暖期、小冰期及现代气候变暖等问题.     

青海达日—久治地区巴颜喀拉盆地研究进展

建立了测区三叠系巴颜喀拉山群地层格架,恢复了盆地充填序列和大地构造背景,系统总结了盆地基本层序类型,分析了盆地沉积旋回和海平面变化规律; 新发现深水风暴岩沉积; 取得了较老的锆石年龄数据,认为巴颜喀拉盆地存在硬基底; 发现三条大型韧脆性剪切带,探讨了区域隆升历史; 进行了大比例尺南水北调西线工程环境地质研究。      

中低纬度MIS 3b(54～44 ka BP)冷期与冰川前进

MIS3b冷期在古里雅冰芯记录表现为54～44kaBP比现代温度低5℃的冷期,与MIS3c(早期)和MIS3a(晚期)温度高出现代3℃和4℃情况迥然相反,而和以23ka的岁差周期(precessional cycle)所导致的日射变化一致,在65°N～60°S间有重大作用.初步检阅现代有测年资料的末次冰期冰川前进文献,发现MIS3b冷期导致的山地冰川前进分布在亚洲、欧洲、北美洲、南美洲、大洋洲12个地区23个地点.当时降水较多与冷期降温抑制消融相结合,使冰川伸展范围都超过气候严寒而干燥的MIS2期内通常所说25～15kaBP末次冰盛期(LGM)的冰川规模.若干种新的测年方法包括改进的光释光(OSL)法、红外释光(IRSC)法、宇宙成因³He、¹⁰Be、²⁶Al和³⁶Al测年、U系法、连同原应用的¹⁴C法、热释光(TL)法、ESR法和径迹法(fissiontrackmethod)有助于末次冰期多次冰川前进时间的确定,但某些数据也存在不确定性.虽然古里雅冰芯记录明确了MIS3b冷期的重要性,但我国西部山区对该期冰川前进的定年研究还很少,亟应加强工作,以弥补不足。     

东亚地区小冰期气候的模拟

本文使用ECHO-G全球气候模式对1550～1850年的小冰期气候进行了300个模式年的模拟,着重分析了东亚地区小冰期的温度变化特征,并与目前所得到的小冰期气候重建结果进行了对比。结果表明,在考虑了太阳辐射、火山活动、CO2和CH4等主要气候影响驱动因子的条件下,较好地模拟出了东亚地区的小冰期气候特征,并与其它手段的气候重建结果相吻合,显示太阳活动和火山活动是小冰期气候形成的主要原因。