基于层积云飞机观测资料评估气溶胶间接效应

利用2009年4、5月美国浅薄低云观测项目(RACORO)的层积云飞机观测资料,使用两种方法对气溶胶间接效应进行了估算:根据云滴数浓度定义的值(AIE n)和根据有效半径定义的值(AIE s)。AIE n几乎都比AIE s大,尤其在中等含水量条件下。理论推导表明,AIE n与AIE s的偏差应与气溶胶对云滴谱离散度的影响有关,即离散度效应。当AIE n加上离散度效应后,数值与AIE s十分接近,证实了理论预期。离散度效应对气溶胶间接效应的贡献主要为抵消作用,这种抵消作用在中等含水量时最大,当含水量为0.24 g/m^(3)时达到37%左右。该研究成果增强了对气溶胶-云相互作用的理论认识,将有助于增强对模式和观测中气溶胶间接效应的准确评估。

基于多源卫星资料的中国地区云宏微观特征研究

利用2007—2016年国际卫星云气候计划(International Satellite Cloud Climatology Project,ISCCP)、云和地球辐射能量系统(Clouds and the Earth s Radiant Energy System,CERES)和中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)卫星反演云产品,对比分析了不同数据反演的中国地区云系结构的宏微观特征,并采用复合评价指标定量评估了不同数据之间时间和空间上的一致性。结果表明:三套卫星数据都能较好地反演出中国地区总云量呈南高北低、东高西低、夏高冬低的分布特征,但通过比较时间技巧(Temporal Skill,S_(T))及空间技巧(Spatial Skill,S_(S))复合评价指标及其各项分量发现,与MODIS相比,CERES与ISCCP数据反演的总云量时间序列演变特征明显更为一致,且其评分均有南方优于北方,夏季优于冬季的特征;进一步分析不同高度云量的S_(T)评分发现,CERES和ISCCP两套数据在南方地区的总云量差异主要来自于低云量的绝对偏差,而北方地区的偏差则同时存在于低云和中云;对比分析MODIS和CERES反演的云滴有效半径发现,高云对应的冰相云一致性较高,而中低云相对应的液相云的偏差则有夏季高于冬季的规律。针对夏季液相和冰相云滴粒径及概率密度分析则表明,相比CERES数据,MODIS对夏季液水和冰水粒子的有效半径在不同地区均有不同程度的高估,液(冰)水谱宽则更宽(窄)。

夹卷混合过程及其影响因子对云内过饱和度的影响

云内过饱和度是影响云宏微观物理特性的关键之一。利用显式混合气泡模式,首先研究了云滴周围过饱和度在夹卷混合过程中的演变特征,结果表明:过饱和度先因干空气作用减小,后因云滴蒸发作用增大,直到气块恢复饱和。随后分析了不同的热力、动力和微物理因子对过饱和度的减小幅度和饱和恢复快慢程度的影响。敏感性试验表明:减幅小、恢复快的因子是较大的卷入空气相对湿度和初始云滴数浓度;相对湿度越大,夹卷的影响越小;数浓度越大,云滴尺度越小,蒸发越快,对湿度的补充越强。减幅大、恢复慢的因子是较大的卷入空气比例;卷入空气越多,蒸发量越大。减幅大、恢复快的因子是较大的湍流动能耗散率;混合过程越快,云滴蒸发越快。研究结果有助于提升对夹卷混合过程和暖云降水理论的理解。

大陆性浓积云云滴谱离散度影响因子的飞机观测研究

利用2020年7月30日山西省人工增雨防雷技术中心在山西省忻州地区开展的大陆性浓积云飞机探测资料,分析了积云微物理参量、云滴谱离散度随时间和高度的变化以及云滴谱离散度的影响因子。结果表明,该大陆性浓积云云滴谱离散度随高度的增加先递增后递减,但变化范围较小。云滴谱离散度随数浓度、含水量增大而逐渐收敛,呈弱正相关关系;离散度与体积平均半径的相关性随体积平均半径的增大由正转负,与垂直速度呈现正相关关系。云中碰并过程对云滴谱离散度及其影响因子影响较大,建议未来云滴谱离散度的参数化增加对碰并过程的考虑。

云微物理参数化的改进及其对川藏铁路沿线降水的模拟优势

川藏铁路是我国铁路网的重要组成部分,该区域山洪、滑坡等地质灾害多发,而降水是诱发这些灾害的重要原因,因此该区域降水的准确模拟是至关重要的.本文改进了西南区域业务预报模式云微物理方案中不确定性较大的物理过程,包括云滴活化、云水自动转化、云雨碰并和混合蒸发过程.原方案中,不同大小的云水含量对应着相同的云滴浓度,与实际不符,造成云滴尺度过大,相关物理过程速率(比如云水自动转化率)过快,导致降水高估.新方案克服了云滴尺度过大的问题,云水自动转化和云雨碰并过程均与随机收集方程更为接近,云滴蒸发机制更符合云中实际物理过程.基于新旧方案,模拟了川藏铁路沿线2021年汛期的多次降水过程,利用地面观测和卫星反演资料,评估了模拟结果.新方案对云物理量的模拟变得更为合理,使原方案对液水路径和液滴半径的模拟偏差从2倍减少到1倍以内,并显著缓解了原方案对降水强度和范围的高估情况,降水的平均均方根误差减小22%.本文所得结果能够为提高模式在该区域预报降水和灾害防控能力提供科学参考.

海洋层积云中的云滴谱宽度及其影响因子

云滴谱宽度对模式中云的光学厚度的参数化、气溶胶间接效应的评估以及降水形成过程的研究至关重要。本文利用美国POST(Physics of Stratocumulus Top)项目2008年7月19日的飞机观测资料,分析了微物理量和云滴谱的垂直分布及微物理过程。结果表明,该云系云滴谱宽度在云底附近较大,这是由低层核化过程导致的;中层凝结增长过程使得云滴谱宽度随高度增加逐渐减小;云顶附近夹卷混合过程导致云滴谱宽度增大。绝热云中垂直速度的增大会促进云凝结核的活化使云滴数浓度增大,促进凝结增长使云滴尺度增大、云滴谱宽度减小,云滴谱宽度与云滴数浓度、云滴尺度呈现负相关关系;云洞中受夹卷混合过程影响,垂直速度减小,云滴蒸发,云滴数浓度和云滴尺度减小、云滴谱宽度增大,且该效应随绝热程度减小而增强。建议云滴谱宽度的参数化将垂直速度、云滴数浓度、云滴尺度和绝热程度等考虑在内。

云中夹卷混合过程的研究进展

夹卷混合过程表征了云和环境空气之间的相互作用,是云物理和动力过程中不确定性最大的过程之一。它影响着暖云降水形成过程,气溶胶间接效应的强度,云-气候之间的反馈等。本文总结了夹卷混合机制的含义和分类,云降水物理和光学性质的重要性,以及夹卷混合过程的定量描述和参数化。在此基础上,指出了夹卷混合过程研究的难点和未来的研究方向。

华南一次暖区暴雨的演变及云微物理机制模拟研究

利用WRF v4.0中尺度模式及0.25°×0.25°高分辨率的GDAS分析资料,对2017年6月15日发生在华南的一次典型暖区暴雨过程进行数值研究。多源观测资料对比分析表明,Thompson aerosol aware云微物理方案与YSU边界层方案组合合理再现了此次暴雨的演变过程。观测与模拟的强风速下传、低层风场切变及降水之间存在较好的对应关系,强的雷达反射率与水汽通量散度中心一致。在中尺度对流系统(MCS)发展和成熟阶段,冷池的出流抬升是新生对流的重要触发条件,地形的动力抬升作用并非主导。云微物理分析指出,由于华南上空充沛的水汽及过冷雨水,雪的最大来源项表现为水汽凝华成雪,而霰的最大来源项为过冷雨滴碰并冰晶、雪并冻结成霰。在零度层之下的1.5 km区域,冰相粒子的融化率可达暖雨过程(1×10^(-4)g/(kg·s))的2倍,暗示其在融化层对雨水形成的支配作用,而雪霰的重力沉降扮演了重要角色。此外,相变过程显著影响着大气的温度变化,当对流云底较低时,低层的水汽凝结将抵消雨水蒸发导致的冷却作用,减弱地面冷池的强度。

云微物理过程对黄山云滴谱离散度的影响

利用2008年4—7月、2009年5—8月和2011年5—9月黄山光明顶的云滴谱观测资料,对离散度和体积平均半径之间的关系进行了深入的分析和讨论。结果表明,随着体积平均半径的增大,离散度与体积平均半径之间的相关从正变成负,主要与活化、凝结、蒸发和去活化有关,与以往研究一致。在此基础上,进一步发现负相关比较弱,主要与碰并过程有关。当云雨自动转化阈值函数增大时,碰并增强,离散度与体积平均半径之间的相关性由负转正,且正相关性逐渐增强。碰并导致的正相关削弱了凝结和蒸发导致的负相关。此外,尽管云滴谱出现了双峰谱,但第一档强度(第一档浓度除以总的浓度)仍然可以很好地区分正负相关性。

层积云与积云中的微物理特征及其影响因子

美国大气辐射观测项目组进行的浅薄低云的光学辐射观测项目(RACORO)对出现在美国南部大平原的低云开展了为期五个月的观测,得到了大量层积云和积云中的数据。为了探究在层积云和积云中的微物理特征,采用伽马分布、对数正态分布、威布尔分布对微物理量的概率密度分布进行拟合,分析对比层积云和积云中微物理量的特征,并探讨两种云云滴谱离散度的影响因子。结果表明,以上三种概率分布函数对层积云和积云中的微物理量的概率密度分布拟合效果很好,绝大部分总体拟合度达到了0.80以上。综合看来,伽马分布对层积云内的微物理量拟合效果最好,对数正态分布对积云内的微物理量拟合效果最好。对比层积云与积云中微物理量的分布差异得到,在积云中云滴数浓度更高,而云滴的平均半径更小;积云含水量、标准差和离散度与层积云相当。在云滴谱离散度的影响因子方面,层积云和积云中离散度与云滴数浓度、垂直速度呈负相关关系,这是因为垂直速度越大,过饱和度越大,云滴浓度越大,离散度越小;垂直速度减小往往对应着夹卷增强和云滴蒸发,从而导致云滴浓度减小和离散度增大。

基于CloudSat-CALIPSO资料的北极云宏观特征及形成机制研究

基于CloudSat-CALIPSO(CloudSat-Cloud Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星反演资料以及ERA5(ECMWF Reanalysis v5)月平均再分析资料,分析了北极地区总云量及其出现频率最高的层积云(Sc)的时空分布特征,并且探讨了层积云形成的可能原因。分析结果表明:秋季是北极地区全年总云量最多的季节,且喀拉海—楚科奇海区域云量增加幅度较为明显,其中海气温差较大、表面潜热通量致使边界层上升运动较强且相对湿度大是该区域云形成和维持的主要因素。另外,北极地区分布着大量Sc,主要位于常年几乎无海冰覆盖的挪威海—巴伦支海区域。此区域的低层稳定度与Sc云量呈负相关,即低层稳定度越大,Sc云量越少,此现象与热带以及中纬度等地区不同。开阔的海洋表面通过地表—大气耦合、热量和湿度的湍流表面通量降低了低层稳定度,促进了层积云的形成,增加了层积云的覆盖。

基于雾微物理观测改进能见度诊断方案

为进一步提高雾中能见度的预报准确度,本文基于安徽黄山站2008年4~7月、2009年5~8月、2011年5~9月和湖北恩施山顶站2009年1~3月的雾微物理等观测资料,建立了新的雾中能见度诊断方案,并加以检验。首先,对已有的能见度诊断方案进行比较,验证了能见度方案同时包含数浓度和含水量的重要性。其次,在已有的方案中,能见度与微物理量之间函数关系式的系数往往取作常数,但研究发现这些系数与微物理量本身紧密相关。先利用黄山2008年一半的雾观测数据建立了拟合系数与数浓度之间的关系,改进了能见度的诊断方案。然后把黄山2008年另一半、2009、2011年和恩施2009年的数据作为独立数据,对改进后新方案进行验证,结果均表明新方案能更好地计算能见度。

三参数冰相云微物理方案在CIESM模式中的应用

由于云的时空尺度非常宽广,云微物理参数化方案一直是气候模式中的薄弱环节.本文借鉴中尺度模式云微物理方案从双参数向三参数扩展的思路方法,发展了联合地球系统模式(Community Integrated Earth System Model,CIESM)三参数冰相云微物理方案,弥补了默认双参数方案不能预报冰晶粒径分布谱形参数(μ)的不足,进而分析了双、三参数方案对气候模拟的影响.模拟结果表明,相较于双参数方案(μ为0),三参数方案预报得出的μ更为合理,其在垂直分布上整体呈现出“高层小低层大”的特点,高层的低值主要是由于冰晶核化以及较大的冰晶粒子沉降后粒子之间相互混合导致的,而低层的高值主要是由于冰晶粒子在沉降过程中的粒子分选机制导致的.与双、三参数方案中μ的差异相呼应,模式模拟的气候平均态出现明显差异,其中三参数方案模拟的总云云量、低云云量、中云云量和总降水相较于双参数方案更接近观测结果,高云云量的误差增大.其中总降水的改进主要是由于高云云量的增加,大气稳定度增加,对流性降水减少.此外,还调整了相关参数,以改善模式对辐射的模拟能力.总之,本文在全球气候模式中评估了双、三参数方案对于模拟气候平均态的不同影响,为气候模式中云微物理方案的发展改进提供了一定的参考意义.

山东一次PM2.5污染过程的模拟特征

利用Weather Research and Forecasting/Chemistry(WRF/Chem)空气质量模式模拟研究了山东地区2014年2月21~26日期间的中度细颗粒物(PM2.5)污染过程,并从模拟结果评估、分布及演变特征、与气象条件的关系等方面分析了PM2.5的模拟特征。模拟研究结果表明,山东PM2.5积聚期间多为弱的偏南风控制,消散阶段受西北风控制,当北京—天津—河北(京津冀)一带同时存在更为严重的PM2.5污染时,西北冷空气的平流输送使得山东部分地区的PM2.5浓度在完全削弱前又出现了一个高峰值。污染期间山东全省平均PM2.5的模拟浓度为125μg m^(-3),伴随着地面3.0 m/s的低风速、370 m低边界层高度和70%左右的相对湿度,其中PM2.5的模拟值受边界层高度的影响最大。整个污染期间全省平均PM2.5模拟值高于监测值10%左右,但是对于局部站点300μg m^(-3)及以上的观测峰值,模式模拟结果明显偏低。模拟效果的评估结果是:山东南部最好、然后是山东半岛,山东中部、西北部地区较差。

从夹卷的角度探讨雾不同阶段微物理量的变化机理

夹卷混合过程作为影响云雾的主要物理过程之一,对云雾的生命周期、云雾降水的形成过程、辐射传输过程和气溶胶间接效应等都有着重要影响。本文从微物理和动力两个方面探讨辐射雾中的夹卷混合机制,既促进对夹卷混合机制的理论认识,又从新的角度来讨论辐射雾的发展消亡过程。利用2006年和2007年冬季在南京进行的雾综合观测的资料,研究了9个个例中的夹卷混合机制。首先,针对2007年12月10~11日这一次辐射雾过程进行详细分析,探讨了不同阶段微物理量的变化和夹卷混合机制。结果表明:成熟阶段主要为极端非均匀夹卷混合机制,数浓度和含水量同时减小,体积平均半径却基本保持不变;快速消散阶段主要为均匀夹卷混合机制,各微物理量同时减小,互为正相关关系。除了微物理,本文也分析了夹卷混合机制的动力特征,计算了过渡尺度数,发现在成熟(快速消散)阶段,过渡尺度数小(大),有利于极端非均匀(均匀)夹卷混合机制的发生。其次,分析了其他8个个例中微物理量之间的相关关系,发现体积平均半径和含水量之间主要呈正相关关系,以均匀夹卷混合为主。所得结果有助于夹卷混合机制参数化方案的开发,同时为辐射雾的模拟预报提供参考。