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。

祁连山冷锋过程中积层混合云微物理特征飞机观测研究

利用高性能空中国王飞机搭载的DMT(Droplet Measurement Technologies)探测系统,分析2020年6月15—16日祁连山地区两次冷锋过程前后积层混合云的宏微观特征。结果表明:冷锋前CIP(Cloud Imaging Probe)粒子平均浓度在10~1~10~2 L^(-1),PIP(Precipitation Imaging Probe)粒子浓度在10~2 L^(-1);CIP粒子数浓度随高度逐渐上升,降水粒子在7 300 m时浓度达到峰值后下降;平均粒子谱拓宽速率为3.5 mm·km^(-1),随着高度的下降而降低。冷锋前存在对流泡区域,对流泡内粒子浓度均高出对流泡外,粒子谱拓宽速率高出层云一倍。冷锋后大CIP粒子粒子浓度为10~2 L^(-1),降水粒子浓度为10~0~10~2 L^(-1),粒子谱拓宽速率为1.5 mm·km^(-1),较冷锋前粒子谱拓宽速率小1.7倍。锋前后粒子均呈现多峰型;锋前积层混合云云中对流泡内外谱型一致,云顶处对流泡内外峰值粒径不同。锋前云粒子形状为聚合状、枝状、柱状和不规则状,以聚合状为主;云内冰晶以凇附和聚合增长为主;对流泡内外在粒子形态上没有明显差异。锋后粒子形状以不规则粒子为主,云粒子增长形式以聚合增长为主,并伴有上层云向下层播撒大云粒子的现象。

一次典型层积云的飞机观测结果及与卫星资料的对比分析

飞机探测可直接获取云的微观结构特征量,但只是一些线段;卫星遥感资料可大范围监测云环境,但不是直接获得云参量,需要反演。因而开展云的飞机观测结果与卫星资料的对比分析是必要的。对1999月6月4日华北平原上一次层积云过程两个架次的飞机微物理探测资料进行了详细分析,并将飞机盘旋上升和下降取得的5次云参数垂直探测结果作为辐射传输模式SBDART2.4的输入,采取正演的方式与GMS5/VISSR、NOAA15/AVHRR反射通道的资料进行了对比分析。飞机探测显示层积云云厚约1000 m,云粒子浓度最大值425 cm-3,含水量最大值0.2 g/m3。第1架次云粒子浓度、含水量、有效半径的平均值为225±75 cm-3、0.08±0.03 g/m3、7.2±1.6μm,第2架次云粒子浓度、含水量、有效半径的平均值为196±73 cm-3、0.04±0.02 g/m3、4.9±1.4μm。按500 m垂直分层后,云粒子有效半径平均值为6.1±1.7μm,主体云层(1000—1500 m)柱含水量平均值为29.5±17.5 g/m2。敏感性试验表明当有云存在时,云的光学厚度是影响可见光通道反照率的主要因子,利用飞机探测云参数计算的卫星观测反照率与实测值进行的对比分析表明,两者相对偏差为7%,无系统性偏差,说明利用飞机探测资料计算云辐射特征的可信性;同国际上同类观测对比分析表明:中国利用粒子测量系统的谱分布资料计算云的含水量结果是合理的。

一次积层混合云飞机播云对云微物理过程影响效应的分析

人工增雨效果评估主要关注的是催化后云和降水过程是否产生了预期的变化,这首先表现在云和降水的宏微观过程有无明显变化,因此了解播云作业后的云微物理结构的变化是很必要的。2009年4月18日在河北张家口进行了一次飞机播云实验,本文采用飞机探测所取得的PMS资料,分析了播云对云微物理过程影响,并进行了云物理因子综合研究。结果表明:催化后播云高度上液态含水量大幅度降低,粒子平均直径由催化前20.4μm增大到23.9μm;云中粒子谱结构也发生很大的变化,催化后冰晶减少,降水尺度粒子显著增加;而且在播云1小时后影响区地面累计降雨量达到最大。

基于飞机观测的华北积层混合云降水微物理特征的数值模拟研究

基于2009年5月1日积层混合云降水2架飞机观测数据分析,使用中尺度模式WRFV3对此次过程积云区和层云区的微物理特征和转化过程进行数值模拟比较研究。飞机观测数据分析表明,此次积层混合云中的层云区和积云区冰粒子形状和形成过程有明显差别,层云区的粒子形状组成比较复杂,包含针状、柱状和辐枝状等,而积云区主要以辐枝状粒子为主,聚并、凇附过程明显。数值模式能较好地模拟出此次积层混合云降水过程的基本特征,包括回波分布、飞行路径上降水粒子的数浓度和液态水含量等。数值模拟结果表明,云水相对丰富、上升气流强的层云区凇附过程较强,产生的雪在低层融化为雨水,为后期高层形成的雪和霰提供丰富的液态水,能发展成对流较强的积云区,存在播种—供给机制。在积云区,水成物的比例从大到小依次为雪(51.9%)、霰(31.0%)和雨水(16.0%);雪的主要源项包括淞附增长(56.8%)和凝华增长(40.1%),霰的主要源项包括凇附增长(46.6%)、雨水碰并雪成霰(42.6%)和凝华增长(16.1%),雨水的主要源项是霰(77.6%)和雪(22.4%)的融化。而相对云水较少、上升气流较弱的层云区将保持层云的状态,层云区水成物的比例从大到小依次为雪(90.4%)、雨水(6.1%)、冰晶(3.5%);高层冰晶和雪通过凝华过程增长,雪在零度层下融化为弱的降水。

祁连山一次地形云降水微物理特征飞机观测

祁连山是我国西北地区重要的生态屏障,地形云是祁连山主要降水云系,加强对祁连山云微物理过程的认识,对科学有效开展人工增雨作业、改善生态环境具有重要意义。利用2020年8月29日祁连山一次地形云降水过程的飞机观测数据,研究祁连山地区夏季云降水过程的微物理特征。此次降水过程云系呈明显的分层结构,云底高度为4000 m,整层含水量较丰富,云水大值区出现在4500~5300 m高度,与云滴高浓度区对应,云水含量主要由粒子直径为15~20μm的云滴粒子贡献。小云粒子和大云粒子平均浓度分别为7.54 cm^(-3)和0.86 cm^(-3),有效直径平均值分别为11.02μm和198.11μm,呈现出浓度小、直径大的特征。云系翻越祁连山过程中南北坡云微物理特征有明显变化,北坡(背风坡)粒子浓度、直径和液态水含量明显大于南坡(迎风坡)。祁连山地区不同高度小云粒子谱呈单峰型分布,Gamma分布可较好拟合直径小于50μm的云滴谱,直径大于50μm的云粒子谱更符合幂指数分布。凝华和聚并是冰相层冰雪晶的增长机制,混合层冰晶增长以贝吉龙过程为主,并伴有凇附和聚并生长。

云南省积层混合云微物理特征飞机观测

2017—2020年利用运-12和空中国王-E350飞机搭载的国产云粒子测量设备在云南开展了76架次积层混合云观测,数据分析表明:云南的云粒子数浓度远高于华北地区,云粒子(直径为2~50μm)数浓度平均值为339.7 cm^(-3),最大值为1067.6 cm^(-3),平均含水量为0.181 g·m^(-3),最大值为2.827 g·m^(-3),有效直径平均值为11.2μm,最大值为34.6μm。云粒子谱呈负指数双峰分布,主、次峰值分别出现在4μm和10μm处。云粒子数浓度、含水量和消光系数随高度呈明显分层特征,有效直径随高度变化不明显,反射率因子在3.4 km高度最大。暖云区200~1500μm范围的雨滴粒子平均含水量为0.183 g·m^(-3),最大值为4.247 g·m^(-3),200~6000μm范围的雨粒子平均含水量为0.406 g·m^(-3),最大值为8.917 g·m^(-3)。不同含水量条件下的云粒子谱宽不同,随着云中含水量增加,云粒子谱变宽。西南夏季风爆发后,暖云区的小云粒子增多,大云粒子减少,开展暖云区人工增雨作业有利于提高人工增雨效率。

基于多源资料的积层混合云降水微物理特征

基于地基云雷达、微雨雷达和天气雷达等遥测设备观测资料,结合挂载KPR云雷达和DMT粒子测量系统的飞机平台,详细分析了山东积层混合云降水过程的云降水微物理结构特征。结果表明,积层混合云降水过程呈现层状云和对流云降水特征。零度层以上,5~6 km高度层内,对流云降水多普勒速度和谱宽均大于层状云,说明对流云降水环境垂直气流、粒子尺度等均大于层状云。对流云降水,云雷达和微雨雷达时空剖面上出现由衰减造成的“V”字形缺口,云雷达衰减程度大于微雨雷达,且随高度增加,衰减越大。层状云降水,零度层亮带附近,雷达反射率因子跃增高度比多普勒速度高80 m,多普勒速度跃增高度又比谱宽高20 m。降水云系零度层附近降水机制复杂,粒子形态有辐枝冰晶聚合物、针状冰晶聚合物和云滴;0°C层以上,5~6 km处,对流云降水的多普勒速度和谱宽均大于层状云降水,即对流云降水环境垂直气流、粒子尺度范围等均大于层状云降水。

一次飞机严重积冰的天气条件和云微物理特征

利用2021年2月28日机载探测资料,结合欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料、陕西省延安站探空资料,分析飞机发生严重积冰的天气背景和云的宏微观结构特征。此次严重积冰天气是受高空槽、低空切变线、低空急流和地面冷锋共同影响的结果。ERA5再分析资料表明:过冷水大值区主要分布于锋区前部暖侧的700 hPa至600 hPa高度。探空资料表明:飞机探测区环境温度为-9~-3℃,温度露点差为0℃,具有发生严重积冰的温度和湿度条件。飞机遭遇严重积冰期间环境温度为-8~-5℃,云粒子探头观测的液态水含量平均为0.35 g·m^(-3),最大为0.7 g·m^(-3);总水含量仪观测的液态水含量平均为0.5 g·m^(-3),最大为0.85 g·m^(-3),有11 min大于0.45 g·m^(-3);云粒子中值体积直径平均为20.3μm,云粒子数浓度平均为149.3 cm^(-3);云粒子数浓度由低层到高层呈增大趋势,而云粒子中值体积直径变化趋势与之相反。计算表明:国王350飞机在穿云作业时,云中过冷水含量分别高于0.04 g·m^(-3),0.15 g·m^(-3)和0.45 g·m^(-3)时可能遭遇轻度积冰、中度积冰和严重积冰。

青藏高原夏季对流云微物理特征和降水形成机制

青藏高原对我国天气、气候和水循环过程有重要影响。利用第三次青藏高原大气科学试验(TIPEX-Ⅲ)2014年7月在那曲地区的飞机观测数据,研究青藏高原夏季对流云和降水的微物理特征及降水形成机制。飞机探测的云系主要为初生或发展阶段的冰水混合云,云滴数浓度低于平原、海洋地区1~2个量级,云内存在大量大云滴和雨滴,过冷水含量高。大粒子(D≥50μm)数浓度量级为10^(0)~10^(1) L^(-1),云内上升气流速度集中在1~4 m·s^(-1)。青藏高原云滴谱主要呈双峰型,云内冰相粒子多为密实、不透明的霰粒子,云内凇附过程显著。云内暖雨过程产生的大云滴和雨滴有利于冰相过程,尤其是凇附过程的产生,使得青藏高原云更易产生降水。此外,残留云系与对流云有着较为类似的微物理特征。

三江源区积层混合云微物理特征机载观测试验研究

利用在三江源区开展的飞机云物理探测试验数据,对2020年9月13日三江源泽库地区一次积层混合云宏微观物理特征及对流泡特征进行分析。结果表明:(1)积层混合云内温度在-23~-10℃之间,相对湿度为90%~100%,液态过冷水在0.04~0.70 g·m^(-3)之间;(2)对流泡内平均粒子数浓度高于周边层云10^(1)L^(-1),平均有效粒子半径更大,平均液态过冷水为0.28 g·m^(-3),高于层云约0.03 g·m^(-3),粒子数浓度与液态过冷水有较好的对应关系;(3)云粒子谱呈多峰型分布,峰值出现在50μm、400μm和1000μm,符合典型高云的分布特征;(4)积层混合云中粒子多为聚合状冰晶粒子,部分高度层存在少量六角板状和线状冰晶,云内以凇附增长和聚并增长机制为主,对流泡内存在凝华增长,云内降水机制符合“播撒-供给”机制。

A modeling study of aerosol effects on cloud radiative property and precipitation

A two-moment (mass and number) warm cloud scheme together with ground and aircraft measurements over Beijing is used in a regional model to study the effects of aerosols on cloud radiative property and precipitation.Using a prescribed tri-modal lognormal aerosol size distribution,the aerosol numbers are calculated from prognostic aerosol masses,for which advection,diffusion,and cloud drop activation/deactivation are considered.Specifically,the accumulation mode of a tri-lognormal aerosol size distribution is fitted to the aircraft measured values for a cold front case passed through northern China during June 25-26,2005.In the simulations,the warm cloud scheme simulates explicitly the cloud drops and subsequently affects the radiative heating and cooling,and circulations.Simulations with different initial conditions for being fitted with aircraft measurements,continental and maritime aerosol numbers were conducted.It is found that more aerosols result in more but smaller cloud drops and more cloud water,leading to an increase in albedo.The effects on rains are complex:smaller cloud drops have less efficient coagulation for raindrop to form (autoconversion),leading to fewer raindrop numbers and less rainwater;while more cloud water enhances the accretion for raindrop growth.Nevertheless,for the whole cloud system,the impact of increasing aerosols inhibits precipitation.