祁连山北坡沙尘天气气溶胶特征的飞机观测

了解沙尘天气下气溶胶的垂直分布特征对于进一步认识气溶胶-云相互作用及其天气、气候效应至关重要。基于2023年9月6日沙尘天气下的飞机观测数据,分析祁连山北坡沙尘气溶胶的垂直分布特征。结果表明:此次沙尘天气是在高空锋区及地面冷高压的共同作用下形成。受沙尘天气影响,气溶胶粒径谱宽增宽;气溶胶数浓度较背景可上升约2~3倍,且气溶胶数浓度大值区呈悬垂状态分布,粒子数浓度大值层位于4000~4500 m和3000~4000 m高度;对沙尘气溶胶数浓度贡献最大的细粒子和粗粒子粒径分别为1.2~1.8μm和6.5~16.6μm,且气溶胶数浓度的增大在粗粒子段更为明显。气溶胶来源及输送层、以及气象要素垂直分布演变在气溶胶垂直分布及谱分布中发挥了重要作用。

基于飞机观测的华北降水云系上升气流区微结构研究

上升气流是成云致雨的基本条件之一。本文利用河北省2017年5月一次层积混合云的机载云物理探测系统测量资料,研究了云中上升气流速度分布,云微结构特征以及二者的相关性。结果表明:云中上升气流速度随高度呈抛物线型分布,云底部较小(0.75±0.52 m s^(−1)),云中部最大(3.64±2 m s^(−1)),云顶部最小(0.32±0.29 m s^(−1));发现随高度增加,云中上升气流区内冰粒子形状依次以片状、针状、柱状为主;暖云上升气流区中,上升气流速度与液态含水量正相关,相关系数为0.61;强垂直气流条件下云滴数浓度、最大云滴尺度大于弱垂直气流相应的数值,强垂直气流云粒子谱更符合Г函数分布。

青藏高原东北部祁连山一次降水层状云微物理特征的飞机观测研究

位于青藏高原东北部的祁连山是石羊河、黑河和疏勒河等多条重要河流的发源地,云微物理特征对于了解该区域大气降水形成过程具有重要作用,但关于祁连山地形云的飞机观测研究很少。本文利用青海省人工影响天气办公室空中国王-350飞机观测数据,分析研究了祁连山2020年8月16日的一次降水层状云的微物理特征。研究表明:祁连山地区此次降水层状云的形成,与偏南气流由低海拔河湟谷地区向高海拔山区运动过程中受地形强迫抬升过程密切相关,云中过冷液态水含量最大值为1.13 g m-3。低海拔山区和高海拔山区的云物理特征有明显差别,低海拔山区由于水汽相对丰富,地形抬升形成的过冷液态水含量较高。山区不同高度粒子形成机制存在显著差异:5600 m(-5.1℃)层过冷液态水含量较高,冰粒子主要通过凝华、聚并生长,也存在弱凇附过程;6560 m(-9.9℃)层存在大量聚合状冰粒子,粒子谱拓宽明显,凝华和聚并过程起主导作用;7850 m(-17.0℃)层基本为冰粒子,存在大量枝状冰粒子聚合体,说明冰粒子以凝华和聚并生长为主。

沙尘暴天气下云的飞机观测研究

沙尘暴天气下云的飞机观测极其缺乏,为了研究亚洲中蒙地区沙尘气溶胶对云的影响,利用北京地区云的综合外场观测试验数据,分析2009年4月24日由蒙古气旋和冷锋造成的强沙尘暴天气下云的观测个例,对比分析沙尘云和清洁云垂直观测。结果表明:从亚洲中蒙地区输送的沙尘气溶胶是华北区域重要的冰核来源,可被垂直输送至云顶以上3200 m高度,并通过改变冰晶形成过程影响云顶温度(-6~-3℃)较高的积云性层积云微物理结构。在相同温度下,沙尘云中冰晶平均数浓度较清洁云增加近10倍,液态水含量减少约1倍,云中形成大量小冰晶粒子,凇附过程受到抑制,降水粒子平均数浓度较清洁云中明显减少10倍以上,无论云滴、冰雪晶还是降水粒子谱宽均较清洁云明显变窄,并最终减弱降水,对华北区域的天气和气候产生重要影响。

三江源地区秋季典型多层层状云系的飞机观测分析

利用三江源地区一次机载粒子测量系统PMS(Particle Measuring Systems)的分层垂直探测资料,系统研究了该地区秋季典型多层层状云系的微物理特性,结果表明:(1)云系由4层云层组成,Cs(卷层云)和上层As(高层云)为冰云,下层As和Sc(层积云)为过冷混合态云。下层As的云粒子浓度和过冷水含量最大,Sc的云粒子尺寸及谱宽最大,且具有较明显的地区特性;(2)Sc(下层As及对流泡)中中值直径在3.5～18.5μm(3.5～21.5μm)之间的云粒子为液相,中值直径大于21.5μm(24.5μm)的云粒子为冰相;(3)混合态云中高过冷水区与低过冷水区云的粒子谱分布差异明显,Sc高过冷水区有较明显的淞附增长现象;(4)Sc、下层As云底、对流泡顶高过冷水区的云滴有效半径依次增加。Sc高过冷水区的过冷水含量比率均值及标准差为69.9±19.4%,且与过冷水含量存在一定的关联性;下层As云底高过冷水区的过冷水含量比率无明显变化,其均值及标准差为89.2±8.1%;(5)混合态云各高度层FSSP(前向散射粒子谱探头)平均粒子谱均为单峰型伽玛分布,混合态云和冰云各高度层2DC(二维灰度云粒子探头)平均粒子谱基本上都为负指数型分布。

山西夏季气溶胶空间分布飞机观测研究

以搭载了多种气溶胶观测仪器的飞机为观测平台,在2013年夏季首次对山西中部地区霾日及晴空大气气溶胶空间分布特性进行了观测,得到气溶胶粒子数浓度和尺度的垂直分布廓线以及不同高度气溶胶粒子谱分布特征.研究发现,山西夏季非降水天气条件下气溶胶粒子以核模态和积聚模态的细粒子为主,粗粒子很少.霾日气溶胶数浓度是晴空的2∽3倍,主要是核模态的小粒子;气溶胶粒子数浓度随着高度逐渐减小,低空存在气溶胶累积区,逆温层的存在是导致气溶胶累积区形成的主要原因;气溶胶粒子尺度随高度增加,大粒子主要分布在2500m以上的高空;不同高度上的气溶胶粒子谱均呈双峰或三峰分布,谱型基本一致,从近地面到5000m高空,气溶胶粒子谱随高度的增加略有展宽.观测区域气团后向轨迹模拟结果显示,4000m以上高空气溶胶粒子主要是从中国西北地区远距离输送而来,3000m以下气溶胶粒子则主要来源于近地面排放.

河北省层状云降水系统微物理结构的飞机观测研究

对4架次飞行个例的PMS资料进行综合分析, 发现河北省春季层状云降水系统存在不均匀性, 表现之一为较强降水云带。1991年5月25日的个例在飞机上升和下降过程中两次在 2000 m左右探测到较强的云内逆温, 逆温层顶下方存在云水含量的峰值。对 1992 年 6 月 20 日两次个例的冷云的冰晶尺度、冰水含量(IWC)、冰晶浓度和液水含量(LWC)的垂直分布进行了分析。对两次个例的云中可播性进行判别, 发现潜力区占云区的1/2左右, 有时存在大片强可播区。

华北地区一次气溶胶与浅积云微物理特性的飞机观测研究

2014年8月15日,山西省人工降雨防雹办公室在山西忻州开展了气溶胶和浅积云的飞机观测,本文利用机载云物理资料,详细分析了华北地区气溶胶、云凝结核(CCN)和浅积云微物理特性及其相互影响。主要结论有:(1)此次过程的边界层高度约为3600 m,不同层结情况下,0.1~3μm尺度范围内的气溶胶粒子浓度N_(a)、有效直径D_(a)和CCN数浓度的垂直廓线明显不同,近地面Na可达2500 cm^(-3)。(2)CCN的主要来源为积聚模态、爱根模态或者核模态的气溶胶颗粒,0.2%过饱和度下,气溶胶活化率(AR)在各高度层的结果变化不大;0.4%过饱和度下,AR随着高度增加而降低。(3)后向轨迹模式分析表明,2 km以下的气溶胶主要来自于当地城市排放,由细颗粒污染物组成;2 km以上的气溶胶主要来源于中国西北和蒙古地区的沙漠,由亚微米沙尘组成,溶解度相对较低,可作为潜在的冰核。(4)本文细致分析了两块相邻浅积云(Cu-1和Cu-2)的云物理特性。Cu-1云底高度约4500 m,云厚约600 m,云体松散,夹卷较多;云中液态含水量(LWC)基本保持在0.5 g m^(-3),云粒子浓度Nc平均值为278.3 cm^(-3),云滴有效直径D_(c)整体在15μm以内;毛毛雨滴粒子浓度最大值为0.002 cm^(-3),云中几乎无降水粒子;粒子谱宽随着高度增加而增大,主要集中在30μm以内。Cu-2云底高度约3900 m,云厚约1200 m,云体密实;云中过冷水丰沛,LWC有多个超过1 g m^(-3)的区域,云顶附近出现冰晶,云中粒子从凝结增长状态直接进入到混合相态;积云内部粒子水平分布不均,同一高度N_(c)相差较大,最大可达1240 cm^(-3)。D_(c)随着高度增加而增大;粒子谱宽随着高度增加而拓展,最大可达1100μm,谱型由单峰向多峰转变;降水粒子和冰晶图像大多为霰粒子、针状和板状。

一次基于飞机观测的低槽冷锋云系微物理结构的综合分析

针对2012年9月25日山西一次低槽冷锋层状云,组织有设计的飞机观测,通过斜飞、螺旋、分层探测等方式,实现对云微结构的精细观测,同时结合卫星、雷达、探空等资料进行该云系的综合分析。结果显示:1)本系统为冷暖混合层状云系,云中无明显夹层,云系宏、微观结构均匀、稳定,地面有明显降水。2)冷云区多为固态冰相粒子,以凝华增长为主,过冷水欠缺;小云粒子谱呈指数分布,大云粒子谱呈双峰分布,降水粒子谱呈三峰分布;云中相同高度的不同位置上,粒子谱型、浓度基本一致。3)暖云区大云粒子和降水粒子的谱宽较冷云区变窄,谱型由多峰变为单峰。随高度下降,降水粒子有效直径变大、浓度变小,其垂直分布同雷达回波的垂直剖面相吻合。4)地面降水主要是由冰相粒子增长造成,本次过程冰相粒子充分、过冷水缺乏,因此该层状云引晶催化的潜力较小。

云雷达反演层状云微物理参数及其与飞机观测数据的对比

首先根据滴谱假设分析了层状云降水回波强度、径向速度和速度谱宽与降水微物理参数的关系,检验了云雷达探测数据的可用性;然后在忽略空气上升速度和湍流对雷达观测的速度谱宽影响前提下,利用测云雷达观测的回波强度、粒子下落速度和速度谱宽数据进行了液态水含量和滴谱参数的反演试验,并与飞机观测的滴谱进行了对比分析。结果表明,8 mm雷达观测得到的3个量与雨滴谱分析得到的关系比较接近;层状云粒子尺度、数密度和含水量从云顶到云的回波强中心有明显的变化,粒子尺度的增加是回波强度增加的重要原因。毫米波雷达反演得到的降水微物理参数和飞机观测数据具有可比性。

一次积-层混合云系垂直结构和降水机制的飞机观测资料分析与数值模拟

积-层混合云是影响北京地区的重要降水云系,运用飞机探测资料结合中尺度数值模式WRF,对2014年9月23日发生在北京地区的一次积-层混合云系的垂直结构和降水机制进行了探测资料分析和数值模拟研究。通过分析云系的雷达回波演变,发现云中的对流泡没有出现爆发式增长,回波在垂直方向上增长不明显,此次过程属于积-层水平混合型云系降水。飞机探测资料分析显示,上、下午探测云系的液态水含量都不高(最大低于1 g/m^3);在云系不同高度,飞机探测到的冰晶形状主要有板状、针柱状、辐枝状和不规则状,由于云中过冷水含量相对较低,聚合冰晶的数量明显多于凇附冰晶,冰晶的聚合是云中粒子增长的主要过程。对模拟云系垂直微物理结构和降水粒子的源、汇项分析得到:高层,由凝华产生的冰晶和雪晶在过冷水含量较低的环境中不断聚并、长大并下落,云系中霰的含量很低,增大的冰晶和雪晶下落至0℃层附近融化是产生地面降水的主要机制。此外,融化层附近,雨滴捕获云滴不断长大并下降至地面也是地面降水的另一个重要来源。

春末中国西北沙漠地区沙尘气溶胶物理特性的飞机观测

将APS-3310型激光空气动力学气溶胶粒子谱仪安装在飞机上, 于1999年春末对中国西北沙漠地区上空气溶胶进行探测.结果表明: 沙漠地区上空沙尘气溶胶粒子数浓度一般为1～10个*cm-3, 平均直径为1.6～4.6 μm, 最大直径为13.0～28.0 μm;TSP质量浓度为0.01～0.08 mg*m-3, PM2.5和PM10分别占TSP的3.6%～13.8%和50.3%～88.1%.高空沙尘气溶胶数浓度与下垫面状况密切相关, 沙漠地表上空的粒子数浓度高于植被覆盖较好的地区;当在沙漠地区上空飞行轨迹为上升、平飞、下降时, 沙尘气溶胶粒子谱呈现出由单峰偏态, 双峰, 正态到单峰偏态等形式的演变.

北京地区沙尘天气气溶胶飞机观测特征

利用3次沙尘天气期间的气溶胶飞机观测资料,分析了北京地区在3种沙尘天气下气溶胶垂直分布特征。结果显示：逆温层的存在对扬沙个例的垂直分布有影响。数密度谱的分布基本呈单调递减,但边界层内扬沙、浮尘和沙尘暴个例都在0.13-0.3μm间存在峰值,而扬沙个例在0.8μm,浮尘个例在6.5μm以及沙尘暴个例在2.8和6.5μm处出现次峰值。沙尘中细粒子的有效直径是人为源气溶胶粒子的4到10倍。浮尘天气整个粒子谱宽从近地面层开始随高度先增大后减小,到3000m达到最大,这与高空输送有关;扬沙个例沙尘粒子谱分布显示近地面层大于50μm段粒子谱无论数浓度还是谱宽都明显高于浮尘和沙尘暴个例,这与扬沙是局地大风扬尘引起有关;沙尘暴个例谱宽在接近云底达到最大,说明大粒子已经被携带到一定高度,与蒙古气旋云系的上升运动有关。

北京冬季重污染过程黑碳气溶胶的飞机观测

利用空中国王飞机平台搭载单颗粒黑碳光度计(SP2)针对北京2016年12月冬季一次污染过程进行了连续观测,阐述了污染发生、发展和消散过程中的黑碳(BC)气溶胶质量浓度、粒径分布和混合状态的变化特征.结果表明,此次污染过程是以PM_(2.5)污染为主的霾污染过程,最大值为432μg/m^(3).NO_(2)、SO_(2)和CO等气态污染物浓度经过3次污染积累阶段,为PM_(2.5)最终爆发增长提供了物质基础.静稳的大气条件为PM_(2.5)爆发增长提供了动力条件.污染发展过程中BC气溶胶先在地面累积增加,然后向高空传输;清除过程则是高空先被移除,低层缓慢降低.污染发展过程中北京地区黑碳气溶胶在边界层(PBL)浓度变化为先升高后减小,平均浓度为3.45μg/m^(3),质量中值直径(MMD)范围在190~220nm.随着污染过程的发展,气溶胶迅速老化,PBL内的BC老化比例在一天内可从27%增加到了51%,老化过程使得PM_(2.5)质量浓度爆发增长.污染过程中BC在边界层的垂直演变导致大气加热率发生变化,有利于逆温的维持和发展,加剧了污染物过程.

一次秋季冷锋降水过程气溶胶与云粒子分布的飞机观测

利用机载PMS(Particle Measuring Systems)测量系统,对2008年10月4—5日石家庄地区一次冷锋降水云系的3次气溶胶和云粒子探测资料进行了分析。结果表明,冷锋过境降水前后,气溶胶粒子分布差异较大。降水发生前,气溶胶粒子平均数浓度约为103cm-3,平均直径为0.95μm;气溶胶主要集中于3000m高度以下的对流层低层,云内气溶胶数浓度明显减少。降水发生后,气溶胶粒子平均数浓度约为102cm-3,比降水前约小1个量级,平均直径为1.28μm;气溶胶主要集中于1200m以下的近地面层,其数浓度随高度增加而降低。气溶胶粒子浓度在低层云区内水平变化较小,而在无云区和云下近地层水平起伏较大。云粒子平均浓度比气溶胶小1～2个量级。气溶胶粒子平均谱主要呈双峰型,而云粒子谱主要为单峰型。

青藏高原中东部气溶胶特征的飞机观测

利用2011年和2013年夏秋季在青藏高原中东部开展的11架次气溶胶特征飞机观测数据,分析气溶胶数浓度、数谱及核化相关特征。结果表明:受天气系统、地形和地表影响,观测区内气溶胶数浓度(N_(a))和体积直径(D_(v))的垂直和水平分布差异较大,N_(a)呈西北高、东南低,D_(v)低层大、高层小,局地中高层有沙尘。格尔木盛行东风时,云降水对低层气溶胶有清除作用,N_(a)和D_(v)明显降低,6.2 km高度和7.2~7.4 km高度的中高空受高原大风或对流影响形成沙尘;盛行西风时,低层D_(v)以0.5~0.8μm为主,随高度升高和风速增大N_(a)升高,D_(v)变幅较小,6.2 km高度也有沙尘;不同天气系统影响下6.5 km高度以上均输入亚微米颗粒,N_(a)达5×10^(3)cm^(-3),8.0 km高度盛行东风时比西风时N_(a)更高,D_(v)更小,谱垂直分布也有以上特征,整层输入以偏北或偏西路径为主。不同过饱和度测量云凝结核数浓度(N_(ccn))表明,除格尔木6.0 km高度以下核化率(N_(ccn)/N_(a))在21%~47%外,其他观测区平均核化率介于1%~16%,6.0~8.5 km高度的核化率总体偏低;当N_(a)增加时核化率明显下降,且过饱和度1%~2%,-15~-5℃层或粒径1~3μm时的核化率相对偏高。

我国飞机观测气象资料概况及质量分析

为全面了解我国飞机观测气象资料的时空分布特征和质量状况,该文介绍了AMDAR(Aircraft MeteorologicalData Relay)计划的发展及我国通过AMDAR计划实施获取的飞机观测气象资料(又称AMDAR资料)的时空分布特征,分析了起飞和降落阶段飞机观测所获廓线资料的可用性,并分别对全球AMDAR资料和我国AMDAR资料进行极值检查、空间位置检验和时间一致性检验,对我国AMDAR资料错误率的月值变化和垂直分布特征进行了分析。结果表明:我国三分之二的AMDAR资料集中在飞机的起飞和降落阶段,并主要集中在我国中东部地区;利用我国AMDAR资料制作的廓线垂直分辨率大部分高于10 hPa。我国AMDAR资料的气温错误率低于全球水平,但风速错误率高于全球水平,错误资料主要集中在近地面层。从2008年开始,我国AMDAR资料的质量状况较往年有了明显改善,风速错误率一直维持在1.3%以下,气温错误率维持在0.2%以下。总体来说,我国AMDAR资料已成为我国高空气象观测资料的重要组成部分,资料质量稳定,具有较高的应用价值。

华北一次积层混合云微物理和降水特征的数值模拟与飞机观测对比研究

为考察云数值模式中的云物理方案和对实例云物理和降水过程的模拟能力,本文将中尺度数值模式(WRF)模拟的华北地区一次积层混合云的微物理结构特征、降水过程与国家科技支撑计划重点项目环北京地区三架飞机联合云探测实验数据以及雷达、地面降水观测数据进行了深入的比较和验证研究。结果表明:WRF模式能够较好地模拟出此次积层混合云的云系演变、雷达回波和降水分布特征。对比结果是:(1)模式模拟的云中液态水浓度(LWC)与飞机观测值具有较好的一致性,在3°C层,飞机观测的LWC最大值为0.8 g m-3,模拟的飞机路径上的LWC最大值为0.78 g m-3,两者接近;在-8°C层,飞机观测LWC最大值为1.5 g m-3,模拟的飞机路径上的LWC最大值为1.1 g m-3,模拟值偏小;在-5°C层以下,模式能够准确模拟云中水凝物的垂直分布,包括融化层的分布,模拟的水凝物质量浓度与实测吻合。而对固态水,在-6^-10°C,由于模式中雪粒子凇附增长过程较大,聚合过程发生的高度偏高,导致模式模拟的固态水凝物质量浓度高于实测值,说明模式在雪粒子增长过程的处理方面有待进一步改进。(2)在云粒子谱参数方面,在-8°C层,由于模拟的雪粒子质量浓度偏高,所以模式计算的粒子谱的截距和斜率都小于飞机观测值,模拟偏小;在-5°C层,两者比较接近;在3°C层,由于云中小粒子浓度逐渐减少,所以模式计算的斜率接近观测值,但是截距大于观测值,说明模式降水粒子谱参数的描述方案有待改进,模式中谱形参数μ不应一直设置为0,而是应该随着高度变化而变化。

山西夏季气溶胶散射特征的飞机观测研究

利用3个架次的积分浊度仪和PCASP-100X(Passive Cavity Aerosol Spectrometer Probe)机载观测资料,分析了2013年山西夏季空中有云、无云和少云3种不同条件下气溶胶散射系数的分布特征,讨论了气溶胶散射系数垂直变化与气溶胶数浓度、气象条件的关系,并结合HYSPLIT(Hybrid of Single Particle Lagrangian IntegratedTrajectory model)后向轨迹模型研究气溶胶的运动轨迹和可能的污染来源。结果表明:山西夏季空中气溶胶总散射系数变化范围为0~499 Mm^-1,晴空气溶胶数浓度和总散射系数明显大于有云和少云时。气溶胶总散射系数一般随高度的增加而递减。造成气溶胶总散射系数、数浓度偏高的原因有下垫面污染源多、风速小、相对湿度高以及逆温层的存在。550nm波段气溶胶后向散射比大于0.1,粒径0.1~0.5μm的气溶胶粒子对散射影响最大,说明山西空中细粒子污染比较严重。气溶胶总散射系数与数浓度有一定的相关性。引起气溶胶总散射系数、数浓度较高的气团传输路径主要为西南路径,局地排放的气溶胶大于远距离传输的气溶胶对散射系数的贡献。

我国云降水物理飞机观测研究进展

飞机观测是云中粒子相态、分布和转化特征的重要探测技术。我国云降水物理飞机观测开始于20世纪60年代,经过60多年的发展,在飞机平台、机载测量技术、云微物理结构和降水形成机制认识等方面均取得了长足进步。发现积层混合云中对流泡区具有更高的过冷水含量,凇附增长起重要作用,符合“播撒-供给”降水形成机制,而在层云区,当云厚度较小时,过冷水含量很少,冰雪晶的凝华、聚并增长起主导作用,并不符合“播撒-供给”降水形成机制,而当云厚度较大时,过冷水含量较为丰富,凝华、聚并和凇附增长起主导作用,基本符合“播撒-供给”降水形成机制;我国北方冬季降雪过程的形成机制主要是凝华-聚并机制,只有在水汽非常充足、云较厚的情况下,凇附增长过程才具有重要作用。近年虽然在人工影响天气播撒效应、数值模式云物理过程验证、卫星及雷达遥感数据检验、对流云结构观测等方面也取得了一些进展,但仍较薄弱,亟待加强。