基于CloudSat卫星资料分析青藏高原东部夏季云的垂直结构

本文利用CloudSat卫星资料,对青藏高原东部2006-2010年6-8月云垂直结构的空间分布进行分析,结果表明：（1）夏季青藏高原东部云发展可达到平流层,且高原东部云在5km以下以水云存在,5-10km以液相和固相共存的混态存在,在垂直高度10km以上以冰云存在。由于CloudSat卫星资料云相的反演问题,可能会造成水云和混态云的发展上限偏低,冰云的发展下限抬升。（2）研究区整层水汽输送和云水平均路径空间分布存在一定的差异性,云水含量纬向分布表现为在26.5°-30.5°N附近存在一个明显的峰值区,经向分布表现为95°E以西云水含量低于以东。（3）研究区以单云层为主,尤其在青藏高原主体。单云层平均云层厚度4182 m,云顶高度、云厚限于水汽的输送,表现为由南向北波动下降。多层云发生频率在27°N以北明显减少,说明强烈的对流运动更容易激发多层云的产生。

基于CloudSat/CALIPSO资料的我国北方2个区域云垂直分布差异研究

选用2008年1月—2014年10月的Cloud Sat/CALIPSO卫星资料,对中国北方两个4°×4°区域云垂直结构及其微物理参量进行了对比研究,区域1(114~118°E,37.5~41.5°N)和区域2(110°E^114°E,37.5~41.5°N)纬度相同经度不同。结果表明:1)区域1(E1)和区域2(E2)暖云层、混合云层和冷云层的云出现概率(Cloud Occurrence Probability,COP)差别较大。E1暖云层COP春季最大,E2则在夏、秋季达到较大值;E1混合层COP最大值出现在冬季,E2则出现在春季;2个区域冷云层COP均在春季达到最大。2)2个区域的COP高值区厚度有明显的季节性差异,E1的COP高值主要出现在夏、冬季,E2则主要出现在春、夏季。E1秋、冬季云体雷达回波最大值强于E2,但春、夏季弱于区域1。3)E2在春、秋季的液水含量、冰水含量、云滴有效半径均高于E1。

Aircraft Observations of Liquid and Ice in Midlatitude Mixed-Phase Clouds

ABSTRACT This paper reports airborne measurements of midlatitude altostratus clouds observed over Zhengzhou, Henan Province, China on 3 March 2007. The case demonstrates mixed-phase conditions at altitudes from 3200 to 4600 m （0°C to -7.6°C）, with liquid water content ranging from 0.01 to 0.09 g m-3. In the observed mixed-phase cloud, liquid water content exhibited a bimodal distribution, whereas the maximum ice particle concentration was located in the middle part of the cloud. The liquid and ice particle data showed significant horizontal variability on the scale of a few hundred meters. The cloud droplet concentration varied greatly over the horizontal sampling area. There was an inverse relationship between the cloud droplet concentration and ice particle concentration. A gamma distribution provided the best description of the cloud droplet spectra. The liquid droplet distributions were found to increase in both size and concentration with altitude. It was inferred from the profile of the spectra parameters that the cloud droplet sizes tend to form a quasi-monodisperse distribution. Ice particle spectra in the cloud were fitted well by an exponential distribution. Finally, a remarkable power law relationship was found between the slope （λ） and intercept （No） parameters of the exponential size distribution.

基于CloudSat资料的洋面非降水暖云空间分布及云内液相水含量垂直结构

利用CloudSat卫星搭载的云廓线雷达(cloud profiling radar,CPR)2007~2009年三年的观测资料,针对洋面非降水暖云有效廓线样本,分别对积云(Cu)、层云(St)、层积云(Sc)和高积云(Ac)等四类云型,分析了其在全球尺度的水平分布特征,并在此基础上特别考察了非降水暖云液相水含量(liquid water content,LWC)的垂直变化特性.研究发现,洋面非降水暖云中四类云型的样本占比从高至低依次为层积云76.46%、层云12.48%、积云7.45%、高积云3.61%,层积云在非降水暖云的总覆盖面积中占据主导作用.在样本量全球标准化后,四类云型的空间分布形式存在较大差异,层积云与层云主要集中于北美和南美大陆西侧近岸海域,积云与高积云则广泛分布于太平洋、大西洋和印度洋的洋面上,且高值位于大洋中部.尽管四类云型的生消机制和宏观形态存在很大差异,但不同云型LWC呈现出较为相似的垂直结构.对经几何厚度标准化后的LWC廓线进行比较,发现在四类典型非降水暖云中,由云底到云顶LWC一致呈现为先增后减的规律.云体中下部向上近似线性递增的结构基本反映了LWC的准绝热增长特性,而云体上部及云顶附近的向上递减结构明确反映了云顶普遍受到上空干空气侵入混合的强烈影响,由此导致了自云顶向下逐层衰减的云水蒸发.以云高和云厚两个参数分类的廓线统计结果还显示,LWC垂直结构受到云顶高度和云层几何厚度的影响.云层几何厚度增大时,LWC由云底到云中的递增结构会变厚,由云中到云顶的递减结构会变薄.几何厚度相同但云顶高度不同的云层,其LWC含量也有所不同,这表明对于特定云型,在生成及发展过程中,不同阶段所对应的LWC廓线结构也存在差异.

一次基于飞机观测的河北中南部降雪云系微物理结构的对比分析

2017年2月21日河北省出现一次低槽降雪天气系统,河北省人工影响天气办公室在系统槽前部位层状云系中开展飞机云微物理探测作业,通过对邢台、赵县两地云微物理垂直结构的精细化探测分析,发现本次过程云系为层状冷云。邢台、赵县两地云系均存在明显的逆温层,在逆温层及其下方出现过冷水,邢台过冷水较为丰富,含量达0.19 g/m^(3),在过冷水丰富层(高度为4561~5059 m,温度为-11~-8℃)下方可见结凇冰晶,直径有所增大,浓度没有出现明显增加;赵县云系过冷水含量达0.074 g/m^(3),与邢台相比偏低,冰晶在过冷水层(高度3308~3949 m,温度-10.3~-8.7℃)以凇附、粘连增长为主,与邢台相比冰晶聚合体偏多,粒子直径和浓度均偏大。本次探测过程,邢台云内过冷水含量丰富,具有人工增雪作业的条件;赵县云内过冷水含量偏低,人工增雪条件差。

中国地区夏季6～8月云水含量的垂直分布特征

基于观测资料的夏季云水含量时空分布情况对于数值天气预报、气候预测以及人工影响天气试验都十分重要。本文利用CloudSat卫星资料,分析了2006～2008年中国地区夏季月平均云水含量的垂直和区域变化特征。结果显示,青藏高原地形以及东亚夏季风对月平均云含水量分布具有明显影响。中国中部纬度上对流层中层的月平均液态水含量比南部及北部的量值大。各月平均云液水含量垂直廓线存在两个不同高度上的峰值区,原因可能主要是受大尺度参数的控制,以及受到青藏高原和东亚季风环流的影响。平均冰水含量纬向垂直分布的高值区主要在对流层中上部。本文中所揭示的云水含量特征为天气和气候模式改进、人工影响天气及云—辐射相互作用提供了重要的基础信息。

基于主动卫星遥感研究西北地区云层垂直结构特征及其对人工增雨的影响

利用2007年1月至2008年12月CLOUDSAT和CALIPSO卫星主动遥感资料分析了我国西北3个典型区域不同云类型的宏观及微观的垂直结构特征。结果表明:黄土高原、祁连山和天山地区的年均总云分数分别为62.8%,65.2%和73.4%;3个区域的积状云在夏秋季节发展旺盛,而层状云在冬春季节占主导地位。云层垂直方向的概率密度分布具有显著的区域和季节变化特征,其峰值位于2～6 km之间。各个区域云液态水含量自云底向上有明显的递减趋势,夏季天山和祁连山地区低层具有丰富的云水资源,峰值分别达0.47 mg/m3、0.38 mg/m3。各个区域的云液态水含量峰值以冬季最小,夏季最大。对应的液态云有效粒子半径平均值位于8～16μm之间。降水云的有效粒子半径随高度上升具有明显的递减趋势,而非降水云则存在较弱的增加趋势。这种云层垂直方向上的结构变化对降水有直接影响,是评估人工增雨潜力的重要依据。

利用3 mm云雷达资料分析混合相云垂直结构及过冷水分布

利用3 mm波云雷达以及加密探空等观测资料,分析了2008年11月6-8日安徽寿县先后两次冷锋过境产生的锋面混合相云垂直结构及过冷水分布。结果表明,本次锋面混合相云存在"播撒-供给"的垂直结构;锋面混合相云存在回波强度、多普勒速度和速度谱宽三条亮带,并且速度谱宽亮带高度低于多普勒速度亮带高度,多普勒速度亮带高度低于回波亮带高度;在水平结构不均匀的云场中,下落粒子群存在"筛选作用";本次过程锋面混合相云存在一定过冷水,云层中过冷水的垂直分布是不连续的,其分布的温度范围比较广。

石家庄地区一次秋季冷锋云系垂直微物理结构的观测研究

利用2008年10月4～5日石家庄一次降水性层状云系的飞机探测资料,结合实时天气、卫星、雷达等资料,分析了降水过程的天气背景条件、降水初期云中的液态含水量、云粒子平均直径和粒子谱等要素的垂直分布与变化特征,以及云系的垂直微物理结构。结合云中冰雪晶二维粒子图像的增长和地面降水特征,初步探讨了该层状云系降水形成的物理机制。结果表明,此次降水为北方秋季典型的较稳定性冷锋降水过程,云系由高层卷云、中层高层云、低层层积云组成,垂直结构特征明显;云系微物理要素的垂直分布结构与粒子增长过程符合顾震潮先生的三层模型的冷云降水形成机制。

基于侧限压缩下非饱和黄土结构特性试验研究

为研究原状黄土结构性随竖向荷载、含水率、吸力的变化规律,进行了非饱和黄土的侧限压缩试验,定量分析了原状黄土联结结构性参数M1与摩擦结构性参数M2,以及黄土的结构性参数Mp的变化规律。试验结果表明:黄土结构性参数Mp与竖向荷载p的关系曲线分为3个阶段;在同一吸力作用下结构性参数Mp与含水率w呈S型曲线;结构性参数Mp与吸力s的变化规律与竖向荷载p有关,当p小于400kPa时呈指数函数分布,当p大于400kPa时呈线性函数分布;天然原状黄土在自重应力作用下Mp-s曲线呈指数函数分布。

祁连山区一次非降水层状云的微物理结构探测分析

利用装载有粒子测量系统(PMS)的飞机对2007年8月15日甘肃省张掖市民乐县夏季非降水层状云进行了一次探测飞行,通过获取的资料分析了云层结构、云滴的垂直分布、液态含水量、谱特征等。结果表明:(1)此个例中云层结构明显,云中存在逆温层;(2)云中平均含水量为0.012g/m3,含水层主要集中在4100～4200m与4700～5000m层之间;(3)此云系符合Bergeron提出的催化云—供水云相互作用导致降水的概念模型,可以在催化云中进行人工引晶来达到增加降水的目的。

冰川下垫面对夏季云结构和云水含量的影响--以祁连山区疏勒南山为例

云水含量和云结构参量是天气预报、高山区水循环过程分析的基础。基于2012-2015年夏季CloudSat卫星遥感资料的2B-CLDCLASS、2B-GEOPROF和2B-GEOPROF-LIDAR,结合中国第二次冰川编目数据及气象资料,对祁连山地区疏勒南山冰川区与非冰川区云水含量和云类型特征进行分析。结果表明:(1)云水含量的垂直分布受下垫面和云类型的影响,主要表现为有冰川覆盖的高山上空降水云类型以深对流云为主,无冰川覆盖的高山上空降水云类型以雨层云为主。(2)疏勒南山地区高含水量主要分布在5 km以下的中低层云中,且冰川区气流垂直运动较非冰川区活跃。(3)疏勒南山冰川区云水含量平均值为0.07 g·m^-3,非冰川区云水含量平均值为0.17 g·m^-3,云水的空间变化在一定程度上能够反映降水和水汽的分布状况。

多普勒雷达资料在飞机增雨作业中的应用研究

利用滨州 714SDN雷达体积扫描资料、济南探空和机载PMS微物理探测资料 ,按降水冷云云层分布特点 ,选择不同Z M关系计算降水条件下各特定层垂直积分含水量 ;结合天气资料及雷达速度场分布特征 ,分析降水云层演变特征及人工增雨播云条件 。

三门峡黄土湿陷特性及其与结构强度的关系

针对黄土湿陷性对大型输电线路塔基稳定产生不良影响的问题,对河南三门峡地区原状黄土开展了基本物理特性及湿陷性试验,获取了其湿陷系数与湿陷等级,分析了竖向压力和初始含水率对黄土湿陷性的影响规律,着重从结构强度的角度解释了黄土湿陷特性。结果表明:竖向压力与湿陷系数之间并非只是简单的单调增函数关系,而存在湿陷增强区间和湿陷减弱区间;塑限(18. 6%)是黄土湿陷性强弱的分界点,当初始含水率小于塑限时,湿陷性较强,而当初始含水率接近或者大于塑限时,则湿陷性减弱;初始含水率与湿陷系数之间也并非只是简单的单调减函数关系,而在结构强度为200 k Pa时(含水率为10%)附近出现明显的转折。

基于FY2G卫星的宁夏空中云水资源特征研究

为了提高宁夏空中云水资源开发利用效率,利用2017-2019年FY2G卫星反演产品、自动站降水资料及微波辐射计反演产品,分析宁夏不同地区云微观特性的时空变化特征,研究液水含量的降水效率及云水资源开发潜力。结果表明:(1)剔除不合理数据后,FY2G卫星反演结果与微波辐射计反演结果相关性较好,反演产品基本上能够代表宁夏云水资源特征;(2)宁夏云中过冷层厚度大约在1.65~2km,液态水含量在0.02~0.5mm,云光学厚度的均值在3~7,云粒子有效半径在3~8μm;(3)宁夏云液态水降水效率为53.9%,人工增雨的潜力为46.1%,云液态水降水效率在夏季、秋季、春季、冬季依次降低。

一次飞机积冰条件下的云粒子结构分析

为了研究飞机积冰的一般规律，增强飞行安全保障能力，利用2003年9月19日甘肃省人工增雨飞机空中观测资料和机载PMS粒子探测系统采集数据，分析了出现飞机积冰的气象条件和云层微物理结构。PMS探测到云层中云粒子浓度在0．05-5．91个/cm3，均值为0．93个／cm3；云中含水量均值为0．0043g／m3，最大值为0．0233g／m3；在6200米以上，云中粒子浓度、含水量以及平均浓度直径都较大。分析结果表明：飞机出现较强积冰时的温度低于-5℃；积冰出现在粒子总浓度和含水量较大区域，且雨滴浓度和平均直径的增大对积冰的出现具有重要作用；大粒子对发生积冰贡献值较大。

中国华北地区云垂直结构及云水含量卫星遥感研究

利用2007年1月至2010年12月Cloud Sat卫星资料,对中国华北地区云垂直结构和云水含量的垂直分布特征进行分析。结果表明:中国华北地区垂直方向上云量峰值及各高度云量总和有明显的季节变化特征,夏季最大,春秋次之,冬季最小。华北地区单层云出现频率高于多层云,多层云中以二层云为主。各云层平均高度和平均厚度分析显示,三层云上层高度最高,三层云下层高度最低;单层云平均厚度及其季节变化幅度明显大于多层云。云水含量的垂直分布分析表明,云液态水含量最大值位于对流层低层(1.0 km左右),云冰水含量最大值位于对流层中上层(4.0—7.5 km)。云液态水含量和云冰水含量有明显的季节变化特征,夏季最大,春秋季次之,冬季最小。夏季探测到的云液态水含量上限在9.0 km附近,云冰水含量上限在16.0 km附近。

吉林省一次降水性层状云消散期的微观结构特征

利用2012年6月29日的通辽和白城飞机联合探测资料(包括DMT和PMS)及雷达资料,对吉林省一次层状云降水消散期微观物理结构特征进行分析研究。结果表明:该天气过程是在东北锋面气旋影响下发展起来的,给东北地区带来大范围降水,属于吉林地区春季常见的降水性层状云系As-Ac-Ns云型。Ns云底约在1000m左右,云顶不超过4000m,Ns云层较厚,在该云系发展过程中雨层云下伴有碎雨云。结合DMT和PMS,小粒子在每个高度层上都占主要部分,0.61~2μm的小粒子浓度可达100cm-3,直径大于2μm的粒子谱型基本都是单调递减型;云内含水量较少,极大值也不足0.01g·m-3;粒子有效直径随高度变化呈多峰分布,粒子有效直径与粒子浓度在0℃层以下范围内,大的粒子有效直径对应小的粒子浓度,随着高度的升高粒子有效直径呈递减趋势。

卫星遥感多通道微波比辐射率植被指数(EDVI)在不同类型植被区的特点分析研究

地表微波比辐射率植被指数(emissivity difference vegetation index,EDVI)可以很好地指示地表植被含水量,并且可以应用于有云情况和浓密植被区域.以往的研究仅限于使用19GHz和37GHz微波信号,仅能反映植被某单层的含水情况,而Aqua卫星的Advanced Microwave Radiometer-Earth Observing System(AMSR-E)微波辐射计观测可为植被含水量遥感提供更多的通道选择.本研究利用多源卫星遥感产品,包括AMSR-E亮温、Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)云参数和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的再分析资料等,反演了东亚及东南亚地区6.925、10.65、18.7、36.5GHz垂直极化微波通道的陆地表微波比辐射率,并以此建立了三组多通道微波比辐射率植被指数EDVI(6v,37v)、EDVI(10v,37v)和EDVI(18v,37v),研究了该三组EDVI指数在森林和农田两类植被类型区的特点.结果表明,在森林区域,EDVI(6v,37v)和EDVI(10v,37v)普遍大于EDVI(18v,37v),这很可能是由于前两者对于浓密植被的穿透更深,能反映更多的植被含水量,而EDVI(18v,37v)的穿透性相对较弱,主要反映冠层顶部、相对浅薄植被层的植被含水量.综合利用这三组EDVI指数之间的差异,在高大浓密植被区域,可以实现对植被含水量在上、中、下三层的垂直分布的估计.对于低矮植被,其垂直结构不丰富,此三者的差异不明显.

西北地区云和降水微物理特征个例分析

为了提高人工催化的效果和成功率，准确地选择催化作业时机和最佳作业部位，利用装有粒子测量系统（PMS）的飞机对2001年5月28日中国西北地区春季层状云系进行了探测飞行。将所取得的微物理资料结合卫星云图、天气实况等资料进行了分析，发现：（1）该地区过冷水分布的温度区间较大，这为人工增雨提供了有利条件。（2）在该个例中：粒子平均直径主要在10～20μm之间；平均粒子浓度为18．3个·cm^-3；平均含水量为0．036g·m^-3，与新疆、河北、山东等省的含水量值相当。（3）二维图像分析表明，聚并和凝华过程是冰晶增长的主要过程。