Spectral dispersion of cloud droplet size distributions and radar threshold reflectivity for drizzle

From first principles, we find that the radar threshold reflectivity between nonprecipitating clouds and precipitating clouds is strongly related to not only the cloud droplet number concentration but also the spectral dispersion of cloud droplet size distributions. The further investigation indicates that the threshold value is an increasing function of spectral dispersion and cloud droplet number concentration. These results may improve our understanding of the cloud-precipitation interaction and the aerosol indirect effect.

珠三角城市环境对对流降水影响的模拟研究

采用具有2km分辨率的中尺度气象模式WRF及其耦合的单层城市冠层模式,以及Thompson云微物理方案,针对广州市附近发生的一次对流风暴过程,模拟研究了城市环境包括城市地表性质变化、城市空气污染可能引起的云粒子浓度增大现象对对流降水发展的影响问题。结果表明城市地表引起的热岛和干岛效应,可造成城市边界层高度升高,有利于城区附近辐合流场形成和不稳定能量增大。模拟结果显示,城市地表作用可在广州市南北各形成一个对流有效位能CAPE增大的辐合区,模拟对流降水回波起始发展于这些具有高不稳定能量的辐合区,并与观测雷达回波特征相一致,反映出城市地表对对流的起始发展及其发生位置有更直接作用。对流发展起来后,敏感试验反映出高云粒子浓度(污染)情形中有更多降水形成,降水增多可达20%以上。诊断分析发现降水增多与对流云中有更多雨水及过冷却云水形成有关系。增多的云水雨水通过相应的由于潜热释放增加引起的强上升运动被传送到较高层次,引起云中冻结过程及液态水和冰相物质之间的相互作用增强,从而导致更多冰相物质形成、降落地面降水增多。

山西省层状云微物理结构探测分析

针对山西省2009年6月18～19日的一次降水过程,利用机载DMT探测资料、Micaps常规天气资料和卫星云图等资料分析了这次降水的宏微观特征。结果表明:这次降水是锋面云系产生的,18日山西省处于冷锋锋前,19日为冷锋锋后;锋前云底较低,云层较厚,有夹层存在,云中上升气流很强,云滴数浓度最大为280cm-3、平均直径最大为15μm、含水量最大值为0.35g/m3,云滴谱呈双峰或多锋型;锋后云底较高,云层较薄,云滴数浓度最大值为170cm-3、平均直径最大为10μm、含水量最大值为0.05g/m3,云滴谱呈双峰或多锋型;层状云在垂直方向和水平方向均存在不均匀性;垂直方向含水量变化与云滴尺度变化较为一致,水平方向含水量增加主要因为大云滴数密度的增加;Γ分布拟合云滴谱结果接近实际分布。

云滴数浓度影响混合型层状云降水的数值模拟

使用耦合了Morrison双参数微物理方案的中尺度WRF模式V2.2,对2008年1月25—29日发生在我国南方的冰雪天气过程进行了数值试验。在模式准确再现了此次天气过程形势演变特点的基础上,对模式微物理方案中云滴数浓度影响累积降水量的情况进行了敏感性试验,发现云滴数浓度对降水量的影响是复杂和非线性的。对此次天气过程中的微物理量进行了详细的分析,并从各种水成物粒子的发展演变上,讨论了云滴数浓度的增加在暖云和冷云两种降水机制上对降水产生的不同影响。结果表明,云滴数浓度越大,云水混合比就越大,云滴的尺度越小。雨滴对不同云滴数浓度的响应与云滴的情况相反,随着云滴数浓度的增加,雨滴数浓度减小,雨水也减少,暖云降水过程受到了抑制;冰晶和雪晶的数浓度的演变过程没有明显变化,而冰晶和雪晶的混合比是相应增加的,冷云降水过程得到了一定程度的增强。从本文模拟的个例来看,设置不同云滴数浓度所得到的总累计降水量的差异在1%以内。总的来说,增加云滴数浓度,降水量会减少。从比例上来看,增加云滴数浓度对暖云降水过程的抑制作用比对冷云降水过程的增强作用更为显著,但是在本文模拟的个例中,冷云降水过程占主导地位,减少的降水和增加的降水的绝对值在同一个量级上并且数值相近,它们相互抵消后得到的结果是降水量变化的绝对值大大减小了,这解释了增加云滴数浓度后模拟的总累积降水量变化不明显的原因。

重庆地区一次雷暴云电过程及其对初始云滴数浓度响应的数值模拟

采用耦合了Saunders和Takahashi两种非感应起电参数化方案的RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模式,对重庆地区一次雷暴过程进行模拟,对比分析了两种起电参数化方案下,电荷开始分离时和雷暴云发展到成熟阶段时的水成物粒子的分布、所带电荷密度以及雷暴云的电荷结构分布。模拟结果表明,在Saunders起电参数化方案下,雷暴云的电荷结构从起电到放电都呈现偶极性特征,而在Takahashi参数化方案下,雷暴云的电荷结构则由反偶极性发展成正偶极性。为研究CCN(cloud condensation nuclei)对雷暴云的影响,本文进行了两组敏感性试验,随着云滴初始数浓度增加,雷暴云的电荷结构没有发生极性翻转,但雷暴云中电荷量增加,电荷分布区域变大,有利于闪电发生。在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,电荷量变小。通过分析微物理量场和微物理过程发现,随着云滴初始数浓度增加,冰相粒子质量混合比增加,在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,霰粒子质量混合比减小。验证了CCN的变化能影响云的微物理过程,从而影响雷暴云的电荷分布以及闪电的发生,尤其是冰相物质的变化显著影响了雷暴云的起电过程。

广西秋季层状云微物理特征分析

利用2012年11—12月在广西进行的11架次飞机云物理探测资料对层状云宏微观物理结构特征进行研究,探讨层状云降水机制。结果表明:广西层状云微物理特征与我国其他地区的存在显著差异。层状云典型的微物理垂直结构为在云下层是由凝结作用生成云滴,随上升气流发展,云滴数浓度、平均直径和液态水含量随高度逐步增加,云滴谱拓宽,谱型向大尺度的方向扩展,至云中上层增大至最大值后随高度减小。冷暖混合云结构的高层云冷云部分的冰相粒子落入暖层后对其微物理结构产生影响,主要是使云滴谱展宽,CIP云滴平均直径垂直分布变幅增大,有利于暖层中碰并过程的启动和发展。层积云微物理水平分布呈现不连续跳跃式变化特征,存在对流泡结构,对流泡内各微物理量高于泡外,云滴谱型向大尺度移动,对流泡结构是层积云形成降水的重要机制。

不同云滴数浓度参数化方案对硝酸盐气溶胶第一间接效应影响的比较研究

在区域气候化学模式系统(RegCCMS)中,分别采用Hegg、Hansen、Ghan、Jones等4种云滴数浓度参数化方案,模拟研究了2003年10月硝酸盐气溶胶的浓度分布和第一间接气候效应,并对不同方案进行比较。结果表明,不同方案模拟的硝酸盐气溶胶分布大体上一致,主要集中在河南、山东、河北、四川等地,地面浓度最大值达18μg/m3。Hegg、Hansen、Ghan、Jones等4种云滴数浓度参数化方案计算得到的由硝酸盐气溶胶所造成的第一间接辐射强迫全国平均值分别为-1.48、-2.05、-1.61和-1.40 W/m2。4种方案模拟的硝酸盐气溶胶间接效应都表现为近地面气温下降,降水减少,其中Hansen方案的间接效应最强,Ghan、Hegg方案次之,Jones方案最弱。

西北地区气溶胶垂直分布及其对云微物理影响的飞机观测个例研究

气溶胶分布及其影响云微物理过程对地气系统的辐射平衡及区域乃至全球水循环产生复杂影响,也是气溶胶间接效应关注的热点和重点。利用2021年9月3日在西北地区开展的气溶胶和云的飞机观测个例资料,分析了气溶胶垂直分布及气溶胶与CCN、云滴浓度的关系。结果表明:(1)气溶胶数浓度垂直变化为四层,各层间气溶胶数浓度、有效直径、尺度谱分布均存在明显不同,大气逆温层结对气溶胶垂直分布有重要影响;近地层气溶胶数浓度可达8183.2 cm^(-3)。(2)垂直方向上CCN与气溶胶数浓度之间有较好的线性正相关性。气溶胶活化比率(CCN/Na)较低,低于0.5,气溶胶尺度越大、浓度越低越容易活化成为CCN。(3)对空中CCN的活化谱进行拟合表明西北地区属于清洁大陆型核谱。(4)同高度云内气溶胶数浓度与云滴数浓度和LWC之间有很强的负相关性,相比云外,云内气溶胶浓度明显降低,气溶胶谱增宽,云滴数浓度和LWC均增加,有效直径增大,云侧边界受夹卷混合过程和云滴未过饱和蒸发的影响导致气溶胶数浓度增加和有效直径增大。(5)云下气溶胶与云滴数浓度之间为线性正相关关系,气溶胶转化为云滴的比率为35%;过饱和度0.6%条件下,云下CCN与云滴数浓度之间为线性正相关关系,CCN转化为云滴的比率为38%。

一次层状云降水过程云粒子的特征分析

本文针对山西省2009年6月18日-19日的一次降水过程，利用Micaps系统天气图和机载DMT探测资料分析了这次降水的宏微观特征，并用Г分布拟合了云滴谱分布，结果接近云滴谱的实际分布。

基于数字全息干涉术的云微物理参数同步测量方法

云微物理参数对气候变化、天气预测、人工影响天气、飞行安全等领域具有重要的影响.目前,基于光散射、碰撞和成像理论的云微物理参数测量方法存在反演过程需要对云滴谱和粒子特性进行假设、撞击过程会破坏粒子特征、无法获得云粒子三维特征等瓶颈问题.本文提出了基于干涉理论,结合光信息处理、景深压缩与融合全息图的灰度梯度方差技术的同轴数字全息干涉术测量方法,可为云滴谱、云粒子直径、数浓度精细同步探测提供z轴定位精度为0.01 mm、系统分辨率为2μm的技术手段.实验中,以超声波雾化器产生的中值直径为3.9μm的液滴粒子作为液相云粒子的模拟,测量结果与实际相符.该方法可为研究云中液态水含量,及夹卷、凝结、碰撞和时空演化规律提供有效的支持,对粒子的动力学研究具有借鉴意义,并为我国陆基及机载测云应用提供了一套可行的系统解决方案.

华北中部夏季气溶胶垂直分布及其与云凝结核和云滴转化关系的飞机观测研究

气溶胶的时空分布及其核化成云的转化过程是云降水物理研究的重点,也是气候变化中气溶胶间接效应关注的热点问题。利用2013~2014年期间在华北中部山西地区开展的9架次夏季晴天和积云天气情况下的气溶胶、云凝结核(CCN)及云滴数浓度观测资料,分析研究了气溶胶的垂直分布、谱分布、来源特征及其与云凝结核、云滴数浓度的转化关系。研究结果表明,大气边界层逆温层结对气溶胶、CCN垂直分布有重要影响,不同天气条件下气溶胶谱型在低层差异较大而高层基本一致;垂直方向上CCN数浓度与气溶胶数浓度有较好的相关性,过饱和度0.3%条件下CCN比率(云凝结核/凝结核)与气溶胶有效直径呈线性关系;积云云下气溶胶与云滴的线性拟合方程为y=1.3x-616.3,拟合相关系数为0.96,气溶胶转化为云滴的比率可达到47%。在过饱和度0.3%条件下,云下CCN与云滴的线性拟合方程为y=1.6x-473.8,拟合相关系数也为0.96,CCN转化为云滴的比率可达到69%。

中国北方典型地区不同类型云微物理特征分析

对2009—2011年内蒙古通辽地区41架次穿云飞行探测结果进行统计分析,探讨中国北方典型地区的各类型云的微观特征。结果表明:该地区不同云型的平均云滴粒子数浓度N_(c)按大小排序为:层积云Sc>积云Cu>高层云As>雨层云Ns>高积云Ac。降水性云(Ns,As和Sc)的N_(c)值一般跨度范围较大,且累计概率的减小幅度较为平缓。降水性云(Sc,Ns和As)的平均液态含水量LWC比非降水云(Ac和Cu)要大,As和Ns的LWC多介于0.01~0.3g·m^(-3)之间。不同云型的平均直径D_(m)特征与有效直径D_(e)类似,有较大N_(c)的云类,一般云滴尺度小,平均D_(e)的大小顺序是Ns>As>Ac>Cu>Sc。高云和中云(Ac,As和Ns)的D_(e)和D_(m)普遍比低云(Sc和Cu)大,降水性云中与非降水性云中相比具有较多的大云滴。此外,各类云滴谱的相对离散度在N_(c)较小时分布较为分散,随着N_(c)的增加,相对离散度收敛到0.3~0.6,最终各类云相对离散度都收敛到0.4附近。