基于CERES资料的中国西南地区云水含量和粒子有效半径分布及变化特征

利用NASA/CERES发布的2001～2015年云参数资料,选取高层云、雨层云、层积云的云水含量和云粒子有效半径,统计分析了西南地区云参数的时空分布特征和变化趋势。结果表明:从年均空间分布来看,西南地区液水和冰水含量均东部高于西部,海拔低的地区高于海拔高的地区;高层云和雨层云液相和冰相云粒子有效半径在川西高原最大。从数值大小来看,雨层云液水和冰水含量最多,分别介于90～230 g/m2和100～300 g/m2,层积云最少,分别介于0～80 g/m2和0～60 g/m2;冰相云粒子有效半径高于液相2～6 μm。从季节分布来看,雨层云液水和冰水含量秋季和冬季偏高,夏季和春季偏少,高层云和层积云季节差异较小;液相云粒子有效半径均夏季最大。从变化趋势来看,西南地区各地液水和冰水含量均呈减少趋势,液相和冰相云粒子有效半径有呈减少或增加趋势。     

天山山区水汽和云水含量的空间分布特征

利用欧洲数值预报中心(ECMWF)发布的第一代全球分辨率ERA-Interim再分析数据,分析了1979～2014年天山山区水汽含量和云水含量的空间分布特征。结果显示：(1)水汽含量的高值中心出现在伊犁河谷地区,中心值域在10—11kg m-2之间,低值区位于天山中部的巴音布鲁克附近,中心值域在5—6kg m-2之间;夏季水汽含量最丰富,在8—11kg m-2之间。(2)云液水含量的高值区出现在博格达山北坡,而云冰水含量的高值区在西天山海拔较高的托木尔峰地区,低值区均在伊犁河谷等海拔低的地区;夏季云液水含量、云冰水含量均呈减少趋势,云冰水含量较云液水减少的更为明显,下降速率为0.28kg kg-1/10a;(3)垂直分布上,云液水含量在600hpa左右的高空出现高值区,中心最大值为10kg kg-1;云冰水含量的高值区则出现在500hpa左右的高空,为11kg kg-1;在对流层大气中云冰水含量值远大于云液水,且云冰水发展的高度较云液水更高。     

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—2011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-27～17 dBz,集中在3～9 km;云粒子群随高度先增大后减小,在4 km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。      

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ERA-Interim资料的中国天山山区云水含量空间分布特征

利用欧洲数值预报中心(ECMWF)发布的第一代全球分辨率ERA-Interim再分析数据,分析了1979—2014年天山山区水汽含量和云水含量的空间分布特征。结果显示:(1)水汽含量的高值中心出现博罗科努山迎风坡,中心值域在10~11 mm之间,低值区位于天山中部的巴音布鲁克附近,中心值域在5~6 mm之间;夏季水汽含量最丰富,在8~11 mm之间。(2)云液水含量的高值区出现在博格达山北坡,而云冰水含量的高值区在西天山海拔较高的托木尔峰地区,低值区均在伊犁河谷等海拔低的地区;夏季云液水含量、云冰水含量均呈减少趋势,云冰水含量较云液水减少得更为明显,下降速率为0.28×10-3 g·kg~(-1)/10 a;(3)垂直分布上,云液水含量在600 h Pa左右的高空出现高值区,中心最大值为10×10~(-3) g·kg~(-1);云冰水含量的高值区则出现在500 h Pa左右的高空,为11×10~(-3) g·kg~(-1);在对流层大气中云冰水含量值远大于云液水,且云冰水发展的高度较云液水更高。     

台风眼壁及周围螺旋云带云属性垂直分布研究

选取2006—2010年间CloudSat监测到热带气旋中心的7个案例,利用CloudSat和其它A-Train卫星的反演数据,主要分析了台风眼壁及周围螺旋云带的云微物理属性的垂直分布并给出了初步的概念模型。结果表明,云中冰水分布在5 km以上高度。冰粒子等效半径随云高度增加呈减小趋势,大值区主要分布在5~10 km高度,7个热带气旋的最大值为171.7~226.6 μm;冰粒子数浓度随云高度增加呈增大趋势,大值区分布在13 km以上高度,7个热带气旋的最大值为550~2 148 个/l;冰水含量随云高度增加呈先增后减的趋势,大值区分布在8~15 km高度,7个热带气旋的最大值为986.0~4 009.0 mg/m3。云中液态水分布在0.5~9.0 km高度。液态水粒子等效半径大值区分布在3~9 km高度,7个热带气旋的最大值为19.1~29.4 μm;液态水粒子数浓度大值区分布在6 km以下高度,7个热带气旋的最大值为93~117 个/l;液态水含量大值区分布在5 km左右高度,7个热带气旋的最大值为659.0~2 029.0 mg/m3。台风或超强台风阶段,云体最大高度存在于台风眼壁,眼壁云高可达17~18 km;近地表降水率、冰水柱含量的高峰值大多存在于台风眼壁区域,其中眼壁区域的近地表降水率可超过20.0 mm/h,冰水柱含量可超过9.1 kg/m2。7个热带气旋的垂直降水率和液态水柱含量值分别小于11.3 mm/h和2.7 kg/m2。      

基于卫星资料的中国西部地区云垂直结构分析北大核心CSCD

利用2007年3月2008年2月CloudSat与CALIPSO卫星相结合的云分类产品2B-CLDCLASS-LIDAR数据,分析了中国西部及周边地区云的垂直结构特征。研究结果表明,各地区单层云出现频率均大于多层云,天山山脉、祁连山脉中西段多层云出现频率全年均大于周围地区;所有云的云顶和云底高度在不同高度的出现频率具有明显的区域和季节变化特征,且云顶高度的季节变化较云底高度显著;西北地区各云层高度的季节变化不明显,青藏高原(下称高原)地区各云层高度在冬、夏季反差较大;单层云的平均厚度超过2 km,2层云和3层云的厚度基本在1~2 km;云层间距以2层云最大,且高原地区云层间距季节变化较西北地区明显;高原南坡夏季冰云出现频率较多,其他地区冬、春季冰云出现较多,除高原南坡外,冬季冰云出现频率均在80%以上。     

基于卫星资料的中国西部地区云垂直结构分析

利用2007年3月2008年2月CloudSat与CALIPSO卫星相结合的云分类产品2B-CLDCLASS-LIDAR数据,分析了中国西部及周边地区云的垂直结构特征。研究结果表明,各地区单层云出现频率均大于多层云,天山山脉、祁连山脉中西段多层云出现频率全年均大于周围地区;所有云的云顶和云底高度在不同高度的出现频率具有明显的区域和季节变化特征,且云顶高度的季节变化较云底高度显著;西北地区各云层高度的季节变化不明显,青藏高原(下称高原)地区各云层高度在冬、夏季反差较大;单层云的平均厚度超过2 km,2层云和3层云的厚度基本在1~2 km;云层间距以2层云最大,且高原地区云层间距季节变化较西北地区明显;高原南坡夏季冰云出现频率较多,其他地区冬、春季冰云出现较多,除高原南坡外,冬季冰云出现频率均在80%以上。     

基于CloudSat资料对中国低纬度陆地区域卷云物理特征的研究

利用2008年9月—2016年8月的CloudSat卫星资料对发生在我国低纬度陆地区域(5°~36.5°N,78°~124°E)的卷云物理特征进行统计分析,并分别讨论东部沿海、中部、西部3个子区域的卷云物理特征的季节变化。结果表明:卷云的整层发生率西部地区整体低于中部与东部沿海地区。3个子区域整层发生率均在夏季最高、冬季最低。卷云的主要发生高度在5.04~18.71 km,垂直分布中卷云发生率的最大值出现在春季中部地区,为15.34%,高度为9.83 km。冰水路径最大值出现在夏季的东部沿海,液水路径最大值在秋季的西部地区。冰水含量、冰粒数浓度、冰粒有效半径的主要分布高度与卷云的发生高度一致,液水含量、液滴数浓度、液滴有效半径的主要分布高度在5.04~9.35 km。3个子区域卷云冰水含量、冰粒数浓度、冰粒有效半径垂直分布中大多集中在中上部;液水含量垂直分布主要集中在分布高度的中下部。四季卷云雷达反射率因子的最大值在-19.89~-16.78 dBZ,分布高度在7.19~10.55 km。     

机载微波辐射计测云中液态水含量(Ⅱ):反演方法

介绍了机载对空微波辐射计探测云中路径积分液态水含量(L)的辐射传输原理和反演方法;根据吉林省长春市的历史探空资料和典型的层状云液水垂直分布模式,得到该地区4～7月各月随高度而变化的反演公式系数的表达式,并给出了反演误差的数值模拟检验结果：在地面反演值对“真值”的统计相对偏差是15％～25％,在6km高度处为5％～10％,表明该方法已具有实用可接受的精度。此外,为减少由于回归样本中云液水廓线的“失真”给反演造成的误差,本文在对探空廓线作诊断建立云液水廓线时,引入了实际目测最低云底高的信息。数值模拟比较表明,该措施行之有效,使对流层中下层几乎所有高度上L反演值的精度提高了5％～20％,观测高度越低,精度提高的越多。     

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。     

毫米波云雷达冻雨 降雪微物理和动力特征分析

目前冬季冻雨和降雪垂直结构的精细化研究十分缺乏,为开展这方面的研究,对垂直指向Ka波段毫米波云雷达冬季在贵州威宁观测的功率谱数据进行反射率因子、速度谱宽参数的提取,且新颖地提取了可以反映粒子下落过程变化的偏度参数。通过反演空气垂直运动速度得到粒子的下落末速度,进而得到垂直方向上的平均粒子半径,随后分析了垂直方向上液态水含量和冰水含量的变化,并结合探空数据及各参数在垂直结构上的变化分析了下落过程中粒子的发展变化过程。分析结果表明:冻雨回波特征是片状不均匀结构,而降雪的丝缕状结构明显;冻雨和降雪过程初始形成的平均粒子半径分别在40和120μm附近;冻雨过程粒子从初始形成到迅速碰并形成大的粒子并开始下落大约要0.2 km左右;云顶高度较云中液态水含量、冰水含量的高度高0.1 km左右,高出范围内的云内含水量很小,各参数在垂直结构上的变化相一致。     

基于CloudSat卫星分析西太平洋台风云系的垂直结构及其微物理特征

基于2012—2014年CloudSat卫星数据,按照热带气旋强度分类的6个等级以及沿台风中心的径向距离,分析西太平洋台风云系的垂直结构及其微物理特征。研究表明:(1)不同强度的台风云系中均是单层云占主导,多层云中双层云出现比例最高;随着台风强度的增强,距离台风中心250km之内,单层云分布位置更加集中且垂直厚度较厚,而450km之外的单层云一直集中在7~15km,厚度较薄;随着台风强度的增强,距离台风中心250km之内的双层云中的底层云和顶层云均增厚且分布位置更加趋于集中,云间距变窄,而450km之外顶层云和底层云较薄,云间距一直较大。(2)台风云系中,深对流云、高层云、卷云与其他云类型相比,分布的垂直范围较广,出现频率较高,分布的位置会随着台风强度变化和沿台风中心径向距离的增加有明显的变化。(3)随着台风强度的增强,近台风中心5km以上的回波有明显增强,除此高值区外,发展较为成熟的台风,距台风中心450km之外也会出现多个明显的柱状回波高值区。(4)近台风中心液水含量的值和冰水含量的值随强度变化均有明显增加,但外围云系中也有分散的冰水含量高值中心但分布高度相对较低,在10km附近;液水粒子数浓度的高值区域与液水含量的高值区非常对应,而冰水含量的高值区位于冰粒子数浓度的高值区下方,表明小的冰粒子被较强的对流活动带到了高处,而大的冰粒子集中在云系较低处。     

基于CloudSat/CALIPSO卫星资料的青藏高原云辐射及降水的研究进展

青藏高原上空的云及其相关联的降水和辐射影响了高原上空非绝热加热的空间结构。2006年卫星发射升空的CloudSat/CALIPSO卫星提供了定量的、完整的云垂直结构信息。本文回顾了国内外基于该资料进行的青藏高原上云宏观和微观结构特征,云与降水相关性,云辐射效应以及模式中的云-辐射问题方面的研究。指出抬升的青藏高原上水汽较少,限制了高原上云的垂直高度,对云层厚度和层数有显著压缩作用。在云量及其季节变化上,单层云的相对贡献大于亚洲季风区的其他区域;夏季对流云比较浅薄,积云发生频率最高,云内滴谱较宽;降水云以积云和卷云为主,云对总降水的贡献随着云层数增多而减小,降水增强时高层冰粒子的密集度趋于紧密;夏季青藏高原地区云的净辐射效应在8 km高度存在一个厚度仅1 km左右但较强的辐射冷却层,而在其下（4~7 km高度之间）为强的辐射加热层。最后展望了未来需要进一步开展的研究。     

基于ERA-Interim的中国云水量时空分布和变化趋势

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的新一代全球分辨率ERA-Interim再分析数据,用九点平滑、一元线性回归法分析了1979-2016年中国云水量时空分布特征和变化趋势。结果表明:(1)中国云水含量和云液水含量大值区主要位于四川东部-湖南850～500 h Pa,量值达0. 015～0. 045 g·kg~(-1),这一分布与该地区层状云的富集有关。云冰水含量大值区主要位于中东部地区(27°N-35°N,97°E-110°E) 500～250 hPa,量值达0. 006～0. 025 g·kg~(-1)。三者小值区均位于西北地区西部。(2)中国多年平均整层云水量无明显线性趋势。春季云水量呈略减少,秋、冬季呈略增加趋势,夏季无明显趋势。云水量有明显年际变化,夏季年际变化远小于其他季节;干旱区、半干旱区整层云液态水含量的年际变化大于湿润区,云冰水含量相反。云水量空间变化呈西增东减趋势。(3)云水量大值区对应水汽输送辐合和低层上升运动,且对流层中低层水汽通量散度可在一定程度上表征云水含量。从而为认识和理解气候变化对中国水资源的影响提供一定依据。     

大陆性积云不同发展阶段宏观和微观物理特性的飞机观测研究

2014年7月3日,山西省人工降雨防雹办公室在该省忻州地区开展了国内首次大陆性积云飞机穿云探测。本文利用机载云物理探测资料,分析研究了不同发展阶段的积云宏、微观物理特性,主要结论有:（1）初生发展阶段的积云水平尺度约为8.2 km×5.5 km（经向×纬向,下同）,云厚约2 km;云中以小云粒子为主,云滴凝结增长;水平方向上,云液水含量（LWC）和粒子浓度（N_c）的最大值均位于云体中心位置;垂直方向上,云水分布相对均匀,但随着高度增加,云粒子浓度变小,粒子尺度增大;粒子谱符合伽马分布,峰值量级为102 cm-3 μm-1,谱宽在100 μm以下。（2）成熟阶段的积云水平尺度约为4.6 km×10 km,云厚约4 km;云内可以观测到积冰和雨线;小云粒子浓度随高度增加起伏变化,3600 m、4100 m和4900 m高度处存在峰值;大云粒子浓度随高度先增加后减小,最大值出现云底以上1.6 km高度,云底以上1.3 km高度附近有降水粒子形成;粒子谱呈多峰分布,暖区符合伽马分布,冷区为伽马分布和M-P分布相结合,且随着高度的增加拓宽,4400 m高度以下的谱宽小于200 μm。（3）消散阶段积云尺度约为11 km×5.6 km,云厚约2 km,云下有降水粒子存在。     

东亚地区云垂直结构的CloudSat卫星观测研究

本文利用卫星CloudSat同时结合了与其同轨道的卫星CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)2007至2009年3年的观测资料,将东亚地区划分为六个研究区域,着重研究了东亚地区云垂直分布的统计特征.结果表明:东亚地区不同高度的云量之和具有明显的季节变化趋势,夏季最大,春秋次之,冬季最小.海洋上空的单层云量最大值出现在冬季,而在陆地上空则出现在夏季.从云出现概率来看,东亚地区单层云出现的概率在春、夏、秋、冬季节依次为52.2%,48.1%,49.2%和51.9%,而多层(2层和2层以上)云出现的概率在春、夏、秋、冬季节分别为24.2%,31.0%,19.7%,15.8%.云出现的总概率和多层云出现的概率,在六个区域都呈现出夏季最大,冬季最小;对4个季节都呈现出东亚南部比东亚北部大,海洋上空比陆地上空大的特点,表明云出现的总概率的季节变化主要由多层云出现的概率的变化决定.东亚地区云系统中最高层云云顶的高度,在夏季最高,为15.9 km,在冬季最低,为8.2 km;在东亚南部和海洋上空较高,平均为15.1 km;在东亚北部较低,平均为12.1 km,且呈现东亚南北部之间差异较大的特点.东亚地区云系统的云层厚度基本位于1 km到3 km之间,且夏季大,冬季小;对同一季节,不同区域的云层厚度差别较小;当多层云系统中的云层数目增加时,云层的平均厚度减少,且较高层的云层平均厚度大于较低层的.云层间距的概率分布基本呈单峰分布,出现峰值范围的云层间距在1到3 km之间,各区域之间没有明显差别,季节变化也不大.本文的研究为在气候模式中精确描述云的垂直结构提供了有用的参数化依据.     

基于CloudSat观测资料对WRF模式的冷锋降水过程云参数模拟效果检验

基于WRF数值模式,采用Lin微物理方案,对中国南方地区一次冷锋降水过程进行模拟试验,并用CloudSat观测数据对模式模拟的云量、云液态水和云冰水含量的垂直分布特征进行检验。结果表明:模式模拟云量的垂直分布范围小于CloudSat观测到的分布范围,模拟的云量在低空往往出现缺失,模式可以较好地模拟出CloudSat探测到的深对流云的分布,但对零散分布的小尺度云团模拟效果较差;模式模拟的云液态水分布范围也小于CloudSat观测到的分布范围,云液态水含量值略低于CloudSat观测值,对CloudSat观测的云液态水含量值较低的区域,模式往往不能模拟出云液态水的存在;模式模拟的云冰水垂直分布特征与CloudSat观测结果较为一致,特别是对冰水含量大值中心的位置模拟效果较好,但模式模拟的云冰水含量值远低于CloudSat观测值。整体来看,模式对云冰水垂直分布的模拟效果优于对云液态水的模拟,但Lin微物理方案对云液态水和云冰水的模拟还需进一步改进与完善。     

东亚地区云微物理量分布特征的CloudSat卫星观测研究

本文利用2007~2010年整四年最新可利用的CloudSat卫星资料, 对东亚地区(15°~60°N, 70°~150°E)云的微物理量包括冰/液态水含量、冰/液态水路径、云滴数浓度和有效半径等的分布特征和季节变化进行了分析。本文将整个东亚地区划分为北方、南方、西北、青藏高原地区和东部海域五个子区域进行研究, 结果显示:东亚地区冰水路径值的范围基本在700 g m-2以下, 高值区分布在北纬40度以南区域, 在南方地区夏季的平均值最大, 为394.3 g m-2, 而在西北地区冬季的平均值最小, 为78.5 g m-2;而液态水路径的范围基本在600 g m-2以下, 冬季在东部海域的值最大, 达到300.8 g m-2, 夏季最大值为281.5 g m-2, 分布在南方地区上空。冰水含量的最高值为170 mg m-3, 发生在8 km附近, 南方地区夏季的值达到最大, 青藏高原地区的季节差异最大;而液态水含量在东亚地区的范围小于360 mg m-3, 垂直廓线从10 km向下基本呈现逐渐增大的趋势, 峰值位于1~2 km高度上。冰云云滴数浓度在东亚地区的范围在150 L-1以下, 水云云滴数浓度的值小于80 cm-3, 垂直廓线的峰值均在夏季最大。冰云有效半径在东亚地区的最大值为90 μm, 发生在5 km左右;水云有效半径在东亚地区的值分布在10 km以下, 最大值为10~12 μm, 基本位于1~2 km高度上。从概率分布函数来看, 东亚地区冰/水云云滴数浓度的分布呈现明显的双峰型, 其他量基本为单峰型。本文的结果可以为全球和区域气候模式在东亚地区对以上云微物理量的模拟提供一定的观测参考依据。     

淮河流域混合云频率、云高和含水量的毫米波云雷达资料分析

本文选用2007年1月—2010年2月的Cloud Sat卫星94 GHz探测资料(2B-GEOPROF)对淮河流域混合云出现频率、云高以及含水量分布规律进行了研究。研究结果表明:(1)混合云出现频率和云高具有显著的季节性变化特征,均表现为夏季值高、冬季低;(2)Cloud Sat 2B-CWC-RO反演产品在假设混合云冰水混合比与云内温度(-20~0℃)成线性关系条件下反演的液态水含量(LWP)与地面观测值相差较大,本文利用冰水混合比与云内温度成指数函数关系反演的LWP更接近地面观测值;(3)反演的LWP具有明显的季节分布特征,其季节平均值夏秋季高、春冬季低。混合云随着LWP值的增加,其对应的雷达反照率因子范围和出现的高度层越来越集中,混合云在对流层中下层的出现频率随LWP的增加而增多,出现频率高值区及其分布的高度层也具有明显的季节性特征,并与混合云零度层高度有密切关系。