长江三角洲地区高空云过程气溶胶——云相互作用的观测研究

气溶胶—云相互作用过程对于评估大气云和气溶胶的寿命及气候效应至关重要。目前关于气溶胶—云相互作用的研究主要以飞机航测、卫星反演和模式模拟为主,地基直接观测由于布置难度大、实验时间长、人力物力耗费等原因开展得较少。当前针对气溶胶—云相互作用机制的理解还比较低,亟需外场观测资料深入认识其过程。本研究以长江三角洲地区高山站点的云雾为背景,利用雾滴谱仪、地用逆流虚拟撞击器、混合凝聚核粒子计数器、扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪等仪器,研究了大明山顶(海拔1483 m)7月份多云雾期间云滴和气溶胶的特性,探讨了气溶胶对云形成和发展的影响以及云对气溶胶颗粒物的清除作用。云形成初期对气溶胶颗粒物的清除率约为20%~50%。研究显示水汽过饱和度越高且颗粒物粒径越大,清除率越高,这表明粒径较大的吸湿性颗粒物容易活化为云凝结核。对比同一云雾事件中气溶胶数浓度差异较大的三个阶段,我们发现较低的气溶胶数浓度有利于形成液态水含量高的浓云,此时云团由数量相对较少而粒径大的云滴组成,而大气颗粒物数量增多会使云雾变淡,此时的云团由大量细小的云滴组成。本研究分析了8μm以上云滴的云凝结核数量分布特征,发现大云滴的云凝结核几乎都是100 nm以上的颗粒物;随着气溶胶数浓度升高,8μm以上大云滴的数量减少,且大云滴云凝结核的平均直径变大。这些结果显示气溶胶数浓度升高会促使云滴的数量增多而等效直径变小,在水汽有限的自然环境中,气溶胶数浓度越高,颗粒物的临界活化直径越大。总之,我们发现大气气溶胶的数浓度—粒径分布特性影响着云滴的数量和粒径,云的形成和发展也对气溶胶颗粒物有较强的清除作用。

中国近海气溶胶光学特性与相对湿度相互关系研究

基于CALIPSO卫星数据和ERA5再分析数据,选取经度范围108°E~124°E、纬度范围18°N~41°N区域内的海洋区域(即中国近海海域),对其在2007―2016年内对流层气溶胶的光学特性与相对湿度之间的相互关系进行对比分析。结果表明:该海域内,气溶胶的532 nm后向散射系数和532 nm消光系数都随相对湿度的增大而增大,气溶胶的退偏振比随相对湿度的增大而减小。这可能是由于相对湿度增大导致气溶胶粒子的吸湿性和整体形态发生变化。同时,气溶胶各光学特性整体在夏季最低,在春季、秋季、冬季会随着相对湿度的增加于某处交替变化,这可能与不同季节内各种类气溶胶所占比例不同有关;气溶胶各光学特性在2014―2016年的值显著低于2007―2013年,这可能是中国的环保政策执行有力的结果。进一步划分中国近海海域之后进行分析,10年内,因海洋来源气溶胶所占比重按黄渤海、东海、南海依次增大,气溶胶各个光学特性的整体值按黄渤海、东海、南海依次减小;进一步对海域内划分高度层进行分析可知,在0~7 km范围内,高度越高,海洋来源气溶胶所占比重越小而陆地来源气溶胶所占比重越大,同时气溶胶退偏振比整体值不断增大。

近几十年青藏高原与华北地区地表太阳辐射变化特征及其影响因素的对比分析

地表太阳总辐射具有较大的时空变化特征,不同地区的影响因素也存在显著差异。本文利用1961—2016年青藏高原与华北地区的地表太阳总辐射资料,在进行严格的质量控制和均一化处理的基础上,深入分析了两个地区总辐射的年际变化趋势,同时结合云量和气溶胶光学厚度观测资料,探讨了两个地区总辐射变化的影响因素。结果表明:(1)1961—2016年青藏高原和华北地区总辐射总体呈下降趋势,但2008年后青藏高原西部和东部地区总辐射变化趋势相反,而华北地区站点总辐射均呈上升趋势。(2)青藏高原西部地区总辐射的下降主要受到云量变化的影响,而东部地区低云量和气溶胶的下降是总辐射上升的重要原因。(3)在2006—2016年,华北地区总辐射的变化受气溶胶的影响更加显著。

DB15/T2847—2023《云和气溶胶飞机探测规范》标准解读

云和气溶胶飞机探测与飞机人工增雨(雪)作业有一定差异。为规范云和气溶胶飞机探测业务,取得科学有效的观测数据,我们组织制定和发布了《云和气溶胶飞机探测规范》(DB15/T2847—2023)。文章在介绍《云和气溶胶飞机探测规范》编制思路的基础上,对编制过程和编写内容给出总体说明和解读,希望对该标准的理解和贯彻实施有所助益。

利用星载激光雷达资料研究东亚地区云垂直分布的统计特征

已有研究表明:云的垂直结构(简称CVS)是一个在卫星资料反演和气候模式预测中很重要的云特征。本文通过利用美国2006年刚发射的卫星CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Obser-vations)所负载的激光雷达Level2_05km的云数据,研究了东亚地区(18°N^53°N,74°E^144°E)云的垂直分布特征。结果表明:东亚地区多层云云量在夏季、秋季、冬季、春季分别为43.6%、29.6%、21.1%、33.3%,而多层云分布中双层云比例最大。云顶和云底高度除了随季节变化显著外,还有明显的区域特征。单层云、双层云以及三层云的云顶和云底高度的数据显示,三层云中最上层的云顶和云底最高,并始终高于两层云中最上层云的云顶和云底高度。平均云层厚度季节变化不明显,其值普遍在0.9~2km范围之间。而云层间距同样没有明显的季节和区域变化,其出现的概率随距离的增大而减小。其中,间距在0.35km的概率最大,占到将近50%。而间距在1.45km附近的概率大约为15%,高一点的可达到20%。

沙尘气溶胶影响新疆对流云降水的数值模拟研究

为研究沙尘气溶胶层对云和降水的影响,本文使用耦合了分档云微物理方案(SBM)的Weather Research and Forecast Forecasting model(WRF)高分辨率天气模式(WRF-SBM),模拟了2016年7月8日发生在新疆阿克苏地区的一次强对流天气过程,并分别讨论了处于不同高度的沙尘层对云动力、微物理和降水形成过程中的作用。结果表明:沙尘层处于对流层中低层时,沙尘气溶胶作为云凝结核(cloud condensation nuclei,CCN)对云微物理过程的影响比其处于中高层时更明显,沙尘气溶胶使得CCN增加,云滴数浓度增加,云滴有效半径减小,降水延迟;而沙尘层处于对流层中高层时,沙尘气溶胶作为冰核(ice nuclei,IN)对云微物理过程影响更明显,沙尘气溶胶使得IN浓度增加,冰晶数量增加,雪、霰、雹的凇附增长率增加,参与融化过程的冰相粒子增多,降雨率增大。本文仅讨论了发生在新疆的这次对流天气过程对处于不同高度的沙尘气溶胶层的可能响应,要全面认识沙尘气溶胶对不同类型云降水过程的影响,需要进行更多的、有观测资料约束的模拟研究。

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。

气溶胶辐射效应对河北山区一次对流云和降水过程的影响机理与阈值研究

本文利用新一代中尺度天气研究和预报模式WRFv4.3对2017年5月22日河北西南部一次对流云和降水进行模拟。本研究采用卫星观测的气溶胶消光系数垂直廓线,分析了气溶胶辐射效应对云和降水影响。通过模拟试验,本研究量化了气溶胶辐射效应对本次降水率影响的气溶胶含量阈值,探讨了伴随辐射加热产生的微物理过程的潜热加热和平流加热等联动机制,并分析了辐射效应对温湿变量和热动力条件的影响。研究结果发现:(1)气溶胶光学厚度(AOD)从0.1增大至1.5,气溶胶辐射效应对降水峰值的影响先增大再减小,在AOD为1.0时增大效果最显著,对累计降水的影响先减小再增大,在AOD为1.0时的抑制作用最弱;(2)气溶胶辐射效应导致的辐射加热率的改变伴随着潜热加热率和总平流加热率的显著变化,总加热率的变化主要由后二者决定;(3)气溶胶辐射效应增强了对流成熟阶段的垂直上升运动,有利于更强对流和降水发生。

北京地区对流层中上部云和气溶胶的激光雷达探测

介绍了近年来研制的一台多波长激光雷达及其探测对流层高云和气溶胶的实验 ,并依据探测结果重点分析了北京 2 0 0 0年 1月至 4月对流层上部云和气溶胶在 5 32nm波长的消光系数分布特征。结果表明 :从 6km至 1 1km的气溶胶光学厚度值在 0 0 1 5 2至0 0 2 84之间变化 ,均值为 0 0 1 92。从 6km至 1 1km的云光学厚度值在 0 0 1 4至 0 2 3之间变化。观测到的单层高云的厚度最大为 6km。 4月 6日 ,近年来最强的一次沙尘暴袭击北京。 4月 7日北京地区无可见云 ,激光雷达探测结果表明 ,从 4km至 1 0km高度范围内 ,存在一层厚度约为 6km的气溶胶粒子层 ,消光系数峰值处于 8km附近 ,比晴天无云时的消光系数值约大一个数量级。估计这是一层沙尘气溶胶 ,系由远距离输送至北京形成的。

高云和气溶胶辐射效应对边界层的影响

通过WRF(Weather Research and Forecasting)模式嵌套包含了高云和气溶胶辐射效应的大气边界层模式,结合激光雷达资料,进行数值模拟,定量分析高云和气溶胶辐射效应对城市边界层的影响。模式能很好地模拟出在高云和气溶胶辐射效应下城市边界层的特征。夜间,气溶胶在低层起到保温作用,高云使得保温作用得到加强,地表增温达1.5K。中高层,气溶胶降低所在气层温度,高云使得降温幅度减少,降温达0.2～0.7K。白天,高云和气溶胶减少到达地面的太阳短波辐射,导致低层温度降低,地表降温达1.3K。中高层,气溶胶加热所在的气层,高云使得这一增温幅度减少,在500m处增温最大,达0.85K。无论白天还是夜间,气溶胶的辐射效应都会抵消一部分形成山谷风的热力条件,使得中低层的风速减少,这种影响在白天显得尤为明显。高云的存在使得这种抵消得到少量的补偿。

合肥上空卷云和沙尘气溶胶退偏振比的激光雷达探测

研制了一台L30 0偏振激光雷达 ,用于卷云和沙尘气溶胶后向散射光退偏振比的探测研究。介绍了偏振激光雷达的探测原理 ,叙述了L30 0偏振激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法。初步的探测结果表明 ,合肥西郊上空高度在 1 0km左右的卷云的退偏振比在 0 4～ 0 5之间 ,沙尘气溶胶的退偏振比在 0 2～ 0 3范围内 ,但是剧烈沙尘暴的气溶胶的退偏振比可达到 0

兰州地区高云和气溶胶光学特性及其辐射效应

利用激光雷达探测分析了兰州上空的高云与气溶胶的光学参数,并用LOWTRAN7定量模拟出高云对气溶胶辐射特性的影响。结果表明,消光系数廓线与相对湿度廓线随高度的变化一致性较好,气溶胶层主要在2km以下,低层气溶胶和高云的消光系数和相对湿度较大。白天,高云的存在使云下气溶胶短波加热率减小。有云和无云时气溶胶加热率的差别在地表处最为明显,中午前后差别较大,最大为11:00的0.096K.h-1。夜间,高云的存在使云下气溶胶长波冷却率减小,在1000m以下有云和无云时气溶胶冷却率的差别小,在1000m以上差别大,最大差别出现在1500m处(02:00～04:00),为0.033K.h-1。

气温日较差研究进展:变化趋势及其影响因素

从日较差的变化趋势、影响因素以及人类活动对气候变化影响的指示3个方面对日较差的研究进行了总结和概括。观测数据以及气候模式模拟的结果表明,全球气温日较差在近半个多世纪以来呈下降趋势,而这种下降趋势不仅仅是自然变化的结果,还受到人类活动的影响。辐射、云量、气溶胶、下垫面的变化、水汽、降水以及航迹云等因素都能对日较差的变化造成影响。日较差的"周末效应"以及城市化过程中日较差的变化相对于平均气温的变化,能够更有效地指示人类活动对气候变化的影响。

近50年来鄂尔多斯地面太阳辐射的变化及与相关气象要素的联系

根据部分气象台站1961—2006年期间的观测资料,分析了鄂尔多斯高原地面太阳辐射的年变化和年际变化特征,也联系该地区云量、降雨日数、能见度、沙尘暴日数和相对湿度等相关气象要素的资料的变化,分析了该地区太阳辐射变化的可能原因以及这些变化对该地区太阳能资源利用的影响。结果表明:鄂尔多斯高原地面太阳辐射的年变化与该地区天文辐射的变化基本一致,夏季的云量对太阳辐射的削弱作用最强,春季的沙尘气溶胶和较多的中高云量使该地区散射辐射的比例明显增加,而直接辐射的比例明显减少;近46年鄂尔多斯高原的地面太阳辐射量和直射比均呈总体减少的趋势,但在1992年以后略微增加。因太阳辐射变化的原因十分复杂,进一步更深入的研究是需要的。

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。

东亚夏季气溶胶—云—降水分布特征及其相互影响的资料分析

东亚季风气候受到自然因素和人类活动的共同影响,而人类活动因子中气溶胶的作用尤为关键,采用诊断分析的手段研究东亚地区气溶胶的特征及其与云和降水的相互关系具有重要的科学意义.本文利用MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）气溶胶和云资料以及TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）降水数据,分析了东亚夏季气溶胶、云、降水的时空分布特征,研究了气溶胶与云和降水的相互关系.结果表明：中国四个典型地区（珠三角、长三角、四川盆地、京津唐）2001～2011年夏季（6～8月）平均气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth,AOD）变化范围为0.40～0.68,云光学厚度平均值为18.7～23.6,水云云滴有效粒子半径在20.2～25.6 μm,冰云有效粒子半径在12.9～15.3 μm,云水路径为222.2～243.8 g m^-2,降水强度平均值3.6～8.6 mm d^-1;珠三角气溶胶光学厚度有显著降低趋势,年倾向为-3.31％,四川盆地云滴有效粒子半径（冰云、水云）和云水路径年变化趋势为-0.42％、-0.49％和-1.26％,京津唐夏季降水量年增幅为3.24％.气溶胶光学厚度和云光学厚度呈正相关,相关系数最大为0.77;在相对湿度较低（30％～50％）情况下,气溶胶光学厚度与云滴有效粒子半径呈负相关;气溶胶光学厚度与云水路径呈正相关,相关系数最大为0.92;相对于低污染情况（AOD＜0.5）,高污染情况（AOD＞0.5）下出现大雨（＞10 mm d^-1）的频率增加了6.6％～19.1％,小雨（＜1 mmd^-1）的频率减少了0.72％～7.3％.在水汽含量较少的情况下,气溶胶的增加导致云滴有效粒子半径的减少;气溶胶增强了南方地区的对流性降水,抑制了北方地区层云降水.

珠江三角洲大气灰霾导致能见度下降问题研究

大气气溶胶的气候效应和环境效应研究是当今国际科技界的热门话题。近年来珠江三角洲地区的气溶胶污染日趋严重,一年四季长期稳定存在气溶胶云,重污染区偏于珠江口以西的珠江三角洲西侧。灰霾天气主要出现在10月至次年4月。大气灰霾导致能见度恶化。自20世纪80年代初开始,该地区的能见度急剧恶化,灰霾天气显著增加,其中有3次大的波动,分别代表与珠江三角洲经济发展相伴随的气溶胶污染、硫酸盐加气溶胶污染、光化学过程的细粒子加硫酸盐加气溶胶的复合污染时期。雾和轻雾造成的低能见度的长期变化趋势,没有由于人类活动影响或经济发展影响带来的趋势性变化,其波动主要反映了气候波动固有的年际和年代际变化。珠江三角洲能见度的恶化主要与细粒子关系比较大,PM10有一半月均值超过国家二级标准的日均值浓度限值(150μg/m3),而PM2.5月均值全部超过美国国家标准的日均值浓度限值(65μg/m3),尤其是10月至次年1月的月均值浓度几乎超过标准限值的1倍,细粒子浓度甚高。另外PM2.5占PM10的比重非常高(58%—77%),尤其是旱季比雨季更高。与15a前的资料相比较,细粒子在气溶胶中的比重有明显增加,因而在目前珠江三角洲的气溶胶污染中,主要是细粒子的污染。

现代大气物理学研究进展

简要论述现代大气物理学的主要研究内容与发展历史,重点介绍中国科学院大气物理研究所的科技工作者在云和辐射的相互作用、气溶胶的光学特性、气溶胶的辐射强迫、大气辐射传输、大气组分探测等方面的研究进展与成果,特别是创新性的研究成果。

气溶胶与云相互作用的研究进展

气溶胶和云在气候系统中扮演着重要角色,近年来随着人们对它们重要作用的深入认识,气溶胶与云的相互作用也逐渐成为气候研究的一个重要方向。对该领域的研究方法和近20年来国内外的相关研究做了全面回顾。飞机观测、卫星观测、以及观测和模式模拟相结合3种研究方法被主要应用于该项研究。大量观测和模拟都证明了气溶胶对辐射、云滴以及降水的影响;云凝结核作为气溶胶和云相互作用过程中的重要环节,近些年在观测技术上有了较大进展,对相关理论的研究也随着观测水平的进步有了较大发展。我国在该领域的研究也从单一的观测资料分析逐渐转向模式模拟、多种方法综合分析。最后结合国内外研究进展,对该领域未来的发展进行了展望。

气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展

气溶胶对云和降水的影响,对于气候系统、大气环境以及水循环至关重要。气溶胶粒子作为云凝结核和大气冰核影响云的微物理过程,进而影响雨、雪、雹和其他形式的降水。近年来,在理解气溶胶的化学成分,气溶胶微物理特性以及气溶胶作为云凝结核和大气冰核影响云降水等方面已取得重大进展。本文对于气溶胶的概念、来源以及气溶胶的直接和间接效应进行了简要概述,重点总结了国内外在气溶胶影响云和降水的机理研究方面的成果,回顾了近年来利用卫星、地面观测设备、机载探测设备等对气溶胶和云进行遥感观测和直接观测所获得的观测事实并讨论了其可能的物理机制,在总结前人研究成果的基础上对未来的研究方向进行了讨论。