Sensitivity of the Grid-point Atmospheric Model of IAP LASG(GAMILI.I.0)Climate Simulations to Cloud Droplet Effective Radius and Liquid Water Path

This paper documents a study to examine the sensitivity to cloud droplet effective radius and liquid water path and the alleviation the energy imbalance at the top of the atmosphere and at the surface in the latest version of the Grid-point Atmospheric Model of the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics （LASG）, Institute of Atmospheric Physics （IAP） （GAMIL1.1.0）. Considerable negative biases in all flux components, and thus an energy imbalance, are found in GAMIL1.1.0. In order to alleviate the energy imbalance, two modifications, namely an increase in cloud droplet effective radius and a decrease in cloud liquid water path, have been made to the cloud properties used in GAMIL. With the increased cloud droplet effective radius, the single scattering albedo of clouds is reduced, and thus the reflection of solar radiation into space by clouds is reduced and the net solar radiation flux at the top of the atmosphere is increased. With the reduced cloud optical depth, the net surface shortwave radiation flux is increased, causing a net warming over the land surface. This results in an increase in both sensible and latent heat fluxes over the land regions, which is largely balanced by the increased terrestrial radiation fluxes. Consequently, the energy balance at the top of atmosphere and at the surface is achieved with energy flux components consistent with available satellite observations.

Comparison of CloudSat Cloud Liquid Water Paths in Arctic Summer Using Ground-Based Microwave Radiometer

Arctic clouds strongly influence the regional radiation balance, temperature, melting of sea ice, and freezing of sea water.Despite their importance, there is a lack of systematic and reliable observations of Arctic clouds.The CloudSat satellite launched in 2006 with a 94 GHz Cloud Profiling Radar (CPR) may contribute to close this gap.Here we compare one of the key parameters, the cloud liquid water path (LWP) retrieved from CloudSat observations and from microwave radiometer (MWR) data taken during the ASCOS (Arctic Summer Cloud Ocean Study) cruise of the research vessel Oden from August to September 2008.Over the 45 days of the ASCOS cruise, collocations closer than 3 h and 100 km were found in only 9 d, and collocations closer than 1 h and 30 km in only 2 d.The poor correlations in the scatter plots of the two LWP retrievals can be explained by the patchiness of the cloud cover in these two days (August 5th and September 7th), as confirmed by coincident MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer) images.The averages of Oden-observed LWP values are systematically higher (40-70 g m-2) than the corresponding CloudSat observations (0-50 g m-2).These are cases of generally low LWP with presumably small droplets, and may be explained by the little sensitivity of the CPR to small droplets or by the surface clutter.

Liquid Water Path Retrieval Using the Lowest Frequency Channels of Fengyun-3C Microwave Radiation Imager(MWRI)

The Microwave Radiation Imager （MWRI） on board Chinese Fengyun-3 （FY-3） satellites provides measurements at 10.65, 18.7, 23.8, 36.5, and 89.0 GHz with both horizontal and vertical polarization channels. Brightness temperature measurements of those channels with their central frequencies higher than 19 GHz from satellite-based microwave imager radiometers had traditionally been used to retrieve cloud liquid water path （LWP） over ocean. The results show that the lowest frequency channels are the most appropriate for retrieving LWP when its values are large. Therefore, a modified LWP retrieval algorithm is developed for retrieving LWP of different magnitudes involving not only the high frequency channels but also the lowest frequency channels of FY-3 MWRI. The theoretical estimates of the LWP retrieval errors are between 0.11 and 0.06 mm for 10.65- and 18.7-GHz channels and between 0.02 and 0.04 mm for 36.5- and 89.0-GHz channels. It is also shown that the brightness temperature observations at 10.65 GHz can be utilized to better retrieve the LWP greater than 3 mm in the eyewall region of Super Typhoon Neoguri （2014）. The spiral structure of clouds within and around Typhoon Neoguri can be well captured by combining the LWP retrievals from different frequency channels.

Retrieval of Liquid Water Path Inside Nonprecipitating Clouds Using TMI Measurements

Quantitative estimates of liquid water path （LWP） in clouds using satellite measurements are critical to understanding of cloud properties and the assessment of global climate change. In this paper, the relationship between microwave brightness temperature （TB） and LWP in the nonprecipitating clouds is studied by using satellite microwave measurements from the TRMM Microwave Imager （TMI） onboard the Tropical Rainfall Measuring Mission （TRMM）, together with a radiative transfer model for microwave radiance calculations. Radiative transfer modeling shows that the sensitivity is higher at both 37.0- and 85.5-GHz horizontal polarization channels for the LWP retrievals. Also, the differences between the retrieved values responding to TBs of various channels and the theoretical values are displayed by the model. Based upon above simulations, with taking into account the factor of resolution and retrieval bias for a single,channel, a nonprecipitating cloud LWP in the summer subtropical marine environment retrieval algorithm is formulated by the combination of the two TMI horizontal polarization channels, 37.0 and 85.5 GHz. Moreover,by using TMI measurements （1Bll）, this algorithm is applied to retrieving respectively LWPs for clear sky, nonprecipitating clouds, and typhoon precipitating clouds. In the clear sky case, the LWP cl^anges from -1 to 1 g m-2, and its mean value is about 10^-5 g m^-2. It indicates that, using this combination retrieval algorithm, there are no obvious systemic deviations when the LWP is low enough. The LWP values varying from 0 to 1000 g m^-2 in nonprecipitating clouds are reasonable, and its distribution pattern is very similar to the detected results in the visible channel of Visible and Infrared Scanner （VIRS） on the TRMM. In typhoon precipitating clouds, there is much more proportion of high LWP in the mature phase than the early stage. When surface rainfall rate is lower than 5 mm h^-1, the LWP increases with increasing rainfall rate.

Comparison of Liquid Water Content Retrievals for Airborne Millimeter-Wave Radar with Different Particle Parameter Schemes

In the application of the physical iterative method to retrieve millimeter-wave radar liquid water content(LWC)and liquid water path(LWP),particle parameter scheme is the main factor affecting retrieval performance.In this paper,synchronous measurements of an airborne millimeter-wave radar and a hot-wire probe in stratus cloud are used to compare the LWC retrievals of the oceanic and continental particle parameter scheme with diameter less than 50μm and the particle parameter scheme with diameter less than 500μm and 1500μm(scheme 1,scheme 2,scheme 3,and scheme4,respectively).The results show that the particle parameter scheme needs to be selected according to the reflectivity factor when using the physical iterative method to retrieve the LWC and LWP.When the reflectivity factor is less than-30 d BZ,the retrieval error of scheme 1 is the minimum.When the reflectivity factor is greater than-30 d BZ,the retrieval error of scheme 4 is the minimum.Based on the reflectance factor value,the LWP retrievals of scheme 4 are closer to the measurements,the average relative bias is 5.2%,and the minimum relative bias is 4.4%.Compared with other schemes,scheme 4 seems to be more useful for the LWC and LWP retrieval of stratus cloud in China.

青藏高原东侧九龙夏季非降水云的观测特征

青藏高原东侧九龙地区是西南涡多发区,利用该地区新型探测设备开展云探测,有助于增强对西南涡多发区云特征的认识。利用2018—2019年6—8月九龙站地基微波辐射计资料,分析了该地区夏季非降水云的出现率、液态水路径及过冷水路径的观测特征。结果表明:九龙夏季非降水云出现率月均值在67%~82%之间,以低云和中云为主,高云较少;低云出现率表现为白天低、夜间高,而中云和高云则相反;云出现率的垂直分布表现为单峰形态,在约2km高度存在云出现率峰值8.1%;受大气热力层结日变化影响,云出现率的单峰垂直分布呈现日夜差异。另外,九龙夏季非降水云的液态水路径均值为0.433kg·m^(-2),其中低云、中云、高云的液态水路径均值分别为0.665、0.240、0.102kg·m^(-2);低云的液态水路径日变化特征与其出现率相似,而中云和高云的液态水路径日变化特征不明显。此外,九龙夏季非降水云中冷云的过冷水路径均值为0.154kg·m^(-2),其中低云、中云、高云的过冷水路径均值分别为0.065、0.166、0.102kg·m^(-2);总体上过冷水路径在液态水路径中的占比约为34.3%~38.8%,过冷水路径占比随云的高度而增大,这使得中云和高云的过冷水路径日变化与其液态水路径相似。与同纬度华中地区相比,九龙夏季非降水云具有明显不同的特征,这与两地之间的大气水汽特征差异密切相关。

长白山麓夏秋季气态和液态水分布特征

利用2019—2020年6—10月中国气象局吉林云物理野外科学试验基地MWP967KV型多通道微波辐射计、地面雨量计及L波段探空雷达资料,分析了长白山麓夏秋季大气中气态和液态水分布及其在降水前的演变特征。结果表明:微波辐射计反演数据与探空雷达数据具有较好的相关性,但反演值整体偏大。大气可降水量(PWV)和液态水路径(LWP)呈一峰一谷日变化特征,峰值出现在夜间而谷值出现在白天,有降水时峰值出现在01:00—03:00,谷值出现在11:00前后。受长白山地形和森林植被影响,PWV和LWP月平均最大值分别出现在8月和9月。PWV在降水前和降水中分布频率均呈现先升后降趋势,而降水前LWP在0.00~0.42 mm内频率占比最高;降水强度越强,PWV及LWP频率分布越集中,PWV大于45 mm、LWP大于4.20 mm出现强降水的可能性较大。降水开始前1 h内LWP和PWV均出现跃增,LWP跃增幅度更明显,该特征可作为降水临近预报、人工增雨作业条件分析的参考指标。

RegCM4.6两种积云参数化方案在东亚模拟结果的评估

新一代区域气候模式RegCM4.6引进了Mix积云参数化方案,可以将之前版本中的Emanuel和Grell方案结合在一起,以弥补单个参数化方案的不足。利用2016年MODIS(Moderate-resolution imaging spectroradiometer)数据对RegCM4.6中Mix和Emanuel积云参数化方案模拟的东亚云量(Cloud fraction,CF)、冰水柱含量(Ice water path,IWP)和液水柱含量(Liquid water path,LWP)进行初步评估,计算了相关系数(r)、平均绝对误差(Mean absolute error,MAE)、平均偏差(Mean bias error,MBE)和均方根误差(Root mean square error,RMSE),以便为相关研究选取积云参数化方案提供参考依据。结果表明:(1)模拟的CF的MBE大致以胡焕庸线为界,西北部为轻微高估,东南部通常为低估。2种方案在夏季的模拟效果最好,冬季最差。Mix方案的MAE、MBE和RMSE的绝对值在四季普遍小于Emanuel方案。(2)模式明显低估了东亚的IWP,除夏季外,2种方案模拟的IWP与MODIS的都呈显著负相关,表明模式难以准确模拟出云中冰晶相关的物理过程。(3)2种方案模拟的LWP在青藏高原和东部海域均为低估,在中国南部、中部和北部为高估,但Mix方案的偏差更接近于0。冬季,2种方案的评估参数相近,其他季节Mix方案的MAE、MBE和RMSE的绝对值均小于Emanuel方案,其中MAE相差21~39 g·m-2。因此,Mix方案更适用于在东亚进行云水资源方面的模拟研究。

藏东南墨脱地区云中过冷水的毫米波雷达观测

云中过冷水识别对于人工影响天气及预防飞机积冰具有重要意义,但过冷水的识别一直是气象探测中的难点,毫米波雷达是连续探测云结构和物理特征的有效工具。利用布设在藏东南水汽通道入口处墨脱地区的Ka波段毫米波云雷达基数据,结合微波辐射计温度资料,采用基于模糊逻辑法、阈值法进行过冷水识别,识别出的粒子相态包含冰、雪、过冷水及混合态。并利用同址的微波辐射计的液态水路径(liquid water paths,LWP)对墨脱云雷达观测的两个层积云过程的过冷水识别效果进行了分析和初步验证。结果表明:模糊逻辑法和阈值法识别的过冷水基本合理,但模糊逻辑法可以识别更多的过冷水,从定量分析来看,模糊逻辑法相对于阈值法识别的LWP更接近于微波辐射计。藏东南墨脱地区层积云中过冷水的微物理参数与其他地区较为一致,有效半径主要位于7~15μm,液态水含量(liquid water content,LWC)主要分布在0.01~0.3 g/m^(3),但墨脱地区过冷水的分布比其他地区更为丰富,往往云顶、云底及云中同时存在过冷水。

大气背景场对云中液态水反演结果影响

基于机载对空微波辐射计GVR讨论应用BP神经网络算法反演液态水路径时大气背景资料对反演结果的影响,为合理选择训练样本获取更准确的液态水观测数据提供依据,同时有利于了解反演算法的探测适用范围。文章选择多个历史探空资料,按照历史资料时间序列长度、季节和区域进行分类,建立不同类样本集训练BP神经网络获取反演方程,选择样本检验集模拟计算每类反演方程的反演精度,通过反演精度对比分析大气背景资料差异在反演云中液态水时造成的影响。结果表明训练样本的大气背景时空差异影响反演结果,在一定时间范围内增加历史资料序列长度可以减小大气背景差异对反演误差的影响,但当时间序列长度到达一定程度时,增加历史样本量将不再是提高反演精度的一种有效措施。季节分类可以减小大气背景差异对反演误差的影响,但在实际应用中,资料分类带来样本容量减小,对一定时间序列长度的历史资料,按照季节进行分类并不能有效提高垂直累积液态水的反演精度。

利用地基微波辐射计反演兰州地区液态云水路径和可降水量的初步研究

液态云水路径(liquid water path,LWP)和可降水量(precipitable water vapor,PWV)是描述天气和气候的两个重要物理量。目前,针对液态云水路径和可降水量的直接观测较少,特别是在我国干旱半干旱黄土高原地区,至今没有获得系统的观测值。本文利用兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)近两年的微波辐射仪观测资料,分析了黄土高原半干旱区液态云水路径和可降水量的变化特征。首先引入Liljegren et al.(2001)的反演方法并加以改进,计算得到适合黄土高原地区的反演参数,利用改进后的反演方法计算近两年的液态云水路径和可降水量。分析结果显示,与TP/WVP-3000型12通道微波辐射计的直接输出结果相比,本文反演结果与实际情况更加吻合。在SACOL代表的黄土高原地区,95%的云水路径值都在150g/m2以下,95%的可降水量值都在3cm以下。由于SACOL的降水受亚洲季风的影响,液态云水路径日均值冬季最小,秋季最大,其日变化规律显示半干旱区液态云水路径大体上呈双峰分布,峰值主要出现在日出和日落时分。卫星反演资料的年变化趋势与地基反演结果比较吻合。因此,运用卫星反演的液态云水路径来分析我国西北地区的空中云水资源是一种比较可信的手段。

FY-2C/D卫星微物理特性参数产品在地面降水分析中的应用

针对2007年7月14日和2008年8月16日发生在江淮地区的两次强降水天气过程,将FY-2C静止卫星的红外、近红外和可见光通道等多光谱数据反演得到的云液水路径产品与同时段地面观测的加密雨量资料进行对比,发现:云液水路径的大值区与强降水中心的位置基本一致,云液水路径的大小与地面雨量的大小呈现正相关关系。结果显示,卫星反演的云特征参数产品在地面降水分析方面具有可用性。

天山山区与塔克拉玛干沙漠云水资源的对比分析

采用NASA地球观测系统（EOS）“云与地球辐射能量系统（CERES）”2002年7月至2004年6月CERES SSF Aqua MODIS Edition 1B云资料，对天山山区和塔克拉玛干沙漠云水资源进行了研究。得到的结果不仅包括云量、云液态水柱含量，还包括云滴尺度，为无人区的人工增水作业和天气气候研究提供了基础数据。与以往的卫星观测云气候全球数据集相比，该资料具有更高的空间分辨率，且其观测仪器和云反演方法得到了进一步改善，因此其结果较以往更可信。研究结果表明，两地区云参量年变化规律不尽相同，在数值上有很大差别。除了动力条件和气候背景以外，这可能与沙尘气溶胶可以影响云的物理特性和生命期有关。由年变化来看，天山山区的月平均总云量为47％～72％，而塔克拉玛干沙漠为12％～50％；天山山区低云的月平均液态水柱含量为56．6～96．0g／cm^2，高云为30．5—59．8g／cm^2。而塔克拉玛干沙漠低云的月平均液态水柱含量为19．4～43．9g／cm^2，高云为9．3～59．0g／cm^2；天山山区的月平均云滴半径低云为12．6～16．0μm，高云为8．6-14．8μm。而塔克拉玛干沙漠地区低云云滴半径8．8～11．3μm，高云为6．1—11．1μm。

新疆山区低层云水资源时空分布特征

采用云与地球辐射能量系统(CERES)2003～2007年的CERESSSFAquaMODIS云资料,选取新疆阿尔泰山、天山和昆仑山三大山区,通过考察云量和云液态水柱含量分析了低层云水资源的多年空间分布和季节变化特征。结果表明,三大山区多年平均的云量年平均区域值在24.4%～27.5%之间,云液态水柱含量在51～56.3g/m2之间。三大山区低层云量和云液态水柱含量有明显的季节变化特征。综合云量和云水柱含量来看,春季是三大山区低层云量资源最丰富的季节,冬季是三大山区低层云中的含水量最丰富的季节。

基于CloudSat资料的青藏高原地区云微物理特征分析

青藏高原云物理特征的认识对高原天气和气候的研究有重要意义。利用2006年6月—20l1年4月的CloudSat卫星资料，分析了青藏高原地区云的总云水路径、液态水路径、冰水路径及雷达反射率的分布特征，并对高原与东亚降水云的垂直结构进行对比，得到如下结论：（1）总云水路径的大值区分布在高原西南坡、东南部及高原中部低值区分布在昆仑山脉、祁连山脉及其以北地区；暖季大于冷季；（2）高原南部及东部为液水路径大值区，以液相云为主；高原中部、北部及西部为冰水路径大值区，以冰相云为主；（3）雷达反射率的垂直分布主要介于-27-17dBz，集中在3～9km；云粒子群随高度先增大后减小，在4km高度的大小和浓度最大；暖季云高大于冷季，对流活动旺盛；（4）高原与东亚降水云的结构不同，季节变化也与东亚有差别。（5）雷达反射率在近地面层随纬度的增大减小，垂直方向的递减率是暖季小于冷季；（6）冷季的高原上与周边相比为丰水区，南坡的冰水路径与低层雷达反射率大值区对应，表明南坡阻挡作用促进云中冰粒子的形成。

新探测仪器资料在短时强降水过程中的应用

结合新一代多普勒天气雷达观测,利用德国RPG-HATPRO-G3型14通道并行地基微波辐射计观测的温度和液态水路径数据、THIES公司THIES CLIMA LNM型地面激光雨滴谱仪获取的地面雨强资料,综合分析了2015年8月3日济南短时强降水天气过程逆温层分布特征、液态水路径变化、雨滴谱特征分布及拟合分析。结果表明,由于受强对流降水过程中的潜热增温作用,大气中存在逆温层,且较强;液态水含量存在较强的短时积聚现象,降水前液态水含量路径起伏较大,跃增非常明显,伴随降水强度的减弱,液态水路径起伏减小;整个降水过程中,前期雨滴谱呈现双峰分布,强降水和后期降水为单峰谱,雨滴谱特征符合Gamma分布。

地基微波辐射计在遥测大气水汽特征及降水分析中的应用

利用山西太原的地基多通道微波辐射计资料,结合探空和自动站降水数据,研究不同天气背景下大气水汽总量(V)、积分液态水含量(L)和水汽密度(VD)的分布特征和演变规律,并探讨微波辐射计资料在降水分析中的应用。结果显示:1—6月V、L呈增大趋势,非降水日V、L相对较小,降水日,V和L明显增大;VD垂直廓线特征显示,1—6月VD均呈逐渐增大趋势,最大值出现在距地面500 m高度以内,降水日VD值明显大于非降水日,且VD随高度升高有减小趋势,降水天气背景下水汽主要在1~2 km高度范围内增大积聚,且高值区厚度较大;V的日变化曲线呈现2个峰值,分别出现在早晨(06—08时,北京时,下同)和夜间(22—23时),谷值一般出现在午后(12—16时);初夏季节降水前1 h,V、L通常会有明显增大,一般V>10 mm,L>0.3 mm,V、L的平均跃增量分别为7 mm和0.6 mm,V、L的迅速增大预示着测站上空水汽的迅速聚集,可作为降水可能发生的指示因子。

基于地基微波辐射计反演的济南地区水汽及云液态水特征

基于德国RPG公司研制的14通道地基微波辐射计(RPG-HATRPO-G3)反演的2014年10月至2015年9月济南地区的水汽和液态水产品,分析了济南地区水汽和云液态水不同季节的月变化、日变化特征及其在强对流天气与小雨天气中的变化趋势。结果表明:2014年10月至2015年9月济南地区柱大气积分水汽量(Integrated Water Vapour,IWV)具有明显的月变化特征,其变化趋势与多年(1981—2010年)月平均降水量相关性较好,IWV夏季最高、冬季最低,四季IWV均具有弱的日变化特征,四季IWV标准偏差按照夏季、秋季、春季、冬季的顺序递减。对于济南地区春季、夏季、秋季3个季节有云无雨和降水前后液态水路径(Liquid Water Path,LWP)的数据,春季LWP可用数据量最少,夏季LWP可用数据量最多;月LWP在0—200 g·m^(-2)范围内的数据占总数据的比例最多,LWP数值越大,其所占比例越小。月LWP大于1000 g·m^(-2)数据的比例随着夏季的临近和降水量的逐渐增加也呈增加的趋势。IWV和LWP在强对流过程发生前均明显增长,数值大于1000 g·m^(-2)的LWP数据比例为53.41%;而小雨天气发生前IWV呈波动上升的趋势,LWP仅在临近降水时才明显增大,LWP数值主要分布在0—200 g·m^(-2)之间,占总数据的比例为86.56%。

用Aqua/CERES反演的云参量估算西北区降水效率和人工增雨潜力

利用美国NASA Langley研究中心提供的云和地球辐射能量系统(CERES),单个卫星视场大气顶/地面通量和云(SSF)的Aqua卫星2002年7月至2004年6月的云水路径和冰水路径资料,分析中国西北地区降水效率和人工增雨潜力。选取天山、祁连山、南疆沙漠和东南部季风区4片有代表性的地域,按该资料的云分类,分别计算低层云和高层云区域月平均值,结合相应时期和地区的降水量,分析不同云层与月降水量的相关。结果表明,西部干旱区降水与高层云相关较好,而东南部季风区则与低层云相关好。整个西北区以低云的云水路径与降水量相关系数最高,平均R2=0.8459。定义月降水效率为月平均降水强度(mm/h)除以总的云水路径,结果表明,不论低层云或高层云的降水效率都是东南部季风区最大,祁连山区略大于天山区,南疆沙漠最小。其年变化低层云除南疆7月最高外,其余地区8月最高。高层云的降水效率东南部季风区8月最大,其余3片7月最高。取(LWP/IWP-C)×LWP作为人工降水最大可能增(减)雨的度量,则4片中祁连山区最大,其次是天山,东南部季风区最小,年平均为负值。人工增雨潜力的年变化表明,高层云的峰值A区和C区在8月,D区则在9月,其余峰值均出现在6或7月。本文重点研究天山、祁连山区地形云人工增雨潜力,为今后人工增雨(雪),开发山区云水资源提供科学依据。

测量云液水柱含量的一个设想

云液态水柱含量是一个重要的气象学和云雾物理参数。对于云液水柱含量测量已发展了多种技术,但由于云在时空上变化很大,目前地基、飞机以及卫星测量的全部资料,都不能满足数值天气预报、人工增雨及气候变化研究等方面的工作需要。作者提出一种测云水的新方法,即从卫星-地面的微波衰减来确定云水（斜）柱量,并研究了此方法中的测量通道选择及测量方式问题,进行了初步的误差分析研究。结果表明,此方法在现有技术条件下可行,云水的测量精度不难达到20％～30％的水平。与卫星被动微波遥感结合起来,可获得精度更高的云水全球分布资料。