江苏北部不同等级雾的微物理结构及个例分析

利用2015—2017年秋冬季在江苏北部观测到12次雾过程的雾滴谱数据及常规气象观测资料,统计分析了轻雾、大雾、浓雾、强浓雾和特强浓雾等级下的微物理特征量及雾滴谱分布,并通过一次雾过程的分析,探讨了不同雾等级下的主要微物理过程。结果表明:随着雾等级的提升,雾滴数浓度、含水量增长明显,而轻雾、大雾和浓雾的雾滴平均直径和最大直径差异不大,但当能见度小于200 m时,平均直径和最大直径显著增大;能见度下降时,平均数浓度谱和含水量谱的谱线上抬,从浓雾到强浓雾,粒径大于10 μm的大雾滴增长明显;雾滴数浓度主要由小雾滴控制,雾滴含水量受大雾滴影响;东海县郊平均的雾滴含水量与南京观测结果相差不大,但雾滴数浓度仅为南京的一半左右,平均直径大约是南京的2.3倍;个例分析中,能见度从1000 m下降到50 m,凝结核活化并凝结增长是主要微物理过程,但可凝结水汽是影响该过程效果的一个重要因子,可使雾滴数浓度和平均直径呈现不同的相关关系;能见度降到50 m以下时,碰并过程效果显著;日出后雾滴蒸发作用显现并逐步增强。      

2011~2013年中国冻雨、冻毛毛雨和冻雾的特征分析

研究冰冻天气的特征对于更好的认识冰冻天气,提高此类天气的预警预报能力,从而达到防灾减灾有重要意义。利用2011~2013年间中国民航机场的一小时或半小时一次的例行观测和特殊观测资料,分析了冻雨、冻毛毛雨和冻雾天气的时空分布、持续时间和气象条件等特征。研究结果表明:我国大部分地区均会发生冰冻天气。冻雨和冻毛毛雨的频发区与其持续时间较长区比较一致,而冻雾的少发区,其持续时间也可能较长。我国冰冻天气最容易在冬季(12~2月)发生,在1月出现的比例最高;在凌晨[00~07时(当地时间,下同)]出现频率相对较高,午后(13~14时)出现频率最低。一次冰冻天气的持续时间一般不超过2个小时。温度在-3~-1℃,露点温度在-4~-1℃,温度露点差在0~1℃时冰冻天气发生的频率最大。出现冰冻天气时的风向以东北风和北风为主,而平均风速在2~3.9 m s-1时冻雨和冻毛毛雨发生的频率最大。我国冻雨和冻毛毛雨发生时,同时常会有雾或轻雾;冻雾出现时,一般不会伴随其他天气。     

导线积冰的云雾特征观测研究

导线积冰在贵州山区是常见的气象灾害, 导线积冰增长率与气象云雾因子密切相关。研究选择贵州西部、北部、中部3个积冰区进行了专门外场观测, 观测项目有:云滴谱、含水量、气温、风向、风速、导线上积冰的长径、短径。观测分析表明:贵州云滴浓度、特征平均直径没有显著性地区差异; 云滴平均浓度140~312个/cm3, 云滴算术平均直径、均立方根直径、中值体积直径分别为7.5 μm, 11.3 μm和20 μm; 14 μm以上大云滴浓度平均占云滴总浓度的12.5%, 但对含水量的贡献高达78%, 大滴与导线碰撞效率高, 大滴是导线积冰的关键因子; 云雾含水量平均0.20 g/m3; 在0~-6 ℃之间, 含水量随温度的降低而降低; 南北向导线积冰比东西向的积冰多; 导线积冰增长率与含水量的大小成正比, 风速超过3 m/s时, 积冰增长率与风速有较明显的正比关系。     

2008年1月南方一次冰冻天气中冻雨区的层结和云物理特征

2008年1月中下旬, 我国南方经历了四次历史罕见的冰冻雨雪天气。本文针对2008年1月25~29日的一次典型冻雨天气过程, 在实测资料、NCEP再分析资料综合分析的基础上, 利用中国气象科学研究院 (CAMS) 中尺度云分辨模式对1月28日~29日的冻雨天气过程进行了数值模拟, 研究了冰冻天气形成的大气层结及云系冻雨区云的宏微观结构特征, 初步分析了冻雨形成的云微物理过程及云物理成因。结果表明, 深厚而稳定的逆温层和低空冷层的存在是大范围冻雨出现的直接原因。此次南方冰冻过程中, 湖南和贵州两地冻雨形成的云物理机理不同, 不同冻雨区上空为两种不同类型的云, 对应两种不同的云微物理结构和大气层结结构。湖南冻雨区云层较厚, 云顶温度较低, 属于混合相云, 云中高层存在丰富的冰相粒子 (雪的比含水量最大)。湖南冻雨在 "冷—暖—冷" 层结下, 通过 "冰相融化过程" 形成, 即在锋面之上的对流层中层水汽辐合中心内形成的雪, 从高空落入暖层, 雪融化形成雨, 再下落到冷层后, 形成过冷雨滴, 最后接触到温度低于 0℃的物体或降落到地面上, 迅速冻结形成冻雨。而贵州冻雨区云层较薄, 云顶温度较高, 属于暖云, 中高层基本无冰相粒子, 低层为云水和雨水 (云水的比含水量最大)。贵州冻雨是在 "暖—冷" 层结下通过 "过冷暖雨过程" 形成的。即水汽沿锋面抬升, 在对流层中低层的水汽辐合中心内, 经过冷却凝结成云滴, 通过碰并云滴增长的雨滴下落到低空冷层, 形成的过冷却雨滴直接冻结形成冻雨。     

长江中下游一次暴雪冻雨微物理过程模拟研究

根据NECP1°×1°客观再分析资料和常规观测资料,利用中尺度数值模式WRF对2008年1月25—29日长江中下游暴雪冻雨过程进行了数值模拟,结果表明：WRF模式可以很好地模拟出此次强降雪过程高低空环流形势演变特征以及降水带的分布。分析表明,中层西南急流对暖湿空气的输送以及低层冷空气的持续扩散为暴雪和冻雨的发生提供了很好的温度层结条件。云微物理过程特征分析表明,此次暴雪冻雨过程存在多种云系共同降水,中低空600—850 hpa强逆温层尤其是0 ℃层的存在使得雪、冰晶等冰相粒子融化形成过冷却水,是大范围冻雨形成的必要条件,同时也是区分大范围冻雨暴雪形成的重要条件。     

Sensitivity of freezing drizzle formation in stably stratified clouds to ice processes

Summary This study examines the impact of ice formation and growth processes on freezing drizzle formation in stably stratified clouds. In particular we investigate the reason why freezing drizzle is rarely observed in clouds with top temperatures less than –15°C. We also investigate the sensitivity of freezing drizzle formation to the Hallett Mossop secondary ice process (Hallet and Mossop, 1974). The evaluation is performed by simulating cloud formation over a two-dimensional idealized mountain using a detailed microphysical scheme. The height and width of the two-dimensional mountain were designed to produce an updraft pattern with extent and magnitude similar to documented freezing drizzle cases. The simulations show that: (i) drizzle formation is very sensitive to the ice crystal concentration, with a significant reduction in the area over which drizzle forms and the maximum drizzle water content as the cloud top temperature decreases below –10°C, and (ii) secondary ice crystal formation has a significant effect on drizzle formation at cloud top temperatures below –10°C.The above two factors are likely the main cause for the lack of freezing drizzle at cloud top temperatures less than –15°C. We also found that neglecting the depletion of ice forming nuclei resulted in considerable overestimation of the ice crystal concentration and suppression of drizzle, even for the –10°C case.     

NUMERICAL SIMULATION OF MICROPHYSICAL PROCESSES IN CUMULONIMBUS——PART Ⅰ:MICROPHYSICAL MODEL

A comprehensive parameterized model of microphysical processes in cumulonimbus clouds is presented.The transformation rates of the water contents and number concentrations of the cloud droplets,rain drops,ice crystals,graupels and hails are deduced on theoretical and experimental results for 26 kinds of micro-physical processes,which include condensation,deposition,evaporation,collection,ice nucleation,ice mul-tiplication,melting,freezing,and autoconversions of cloud to rain,ice to graupel and graupel to hail.     

我国冬季冻雨和冰粒天气的形成机制及预报着眼点

利用探空和地面观测资料,通过对2001年冬季至2010年冬季我国不同区域（分为4个区域：北方、江南、华南、西南）的冻雨和冰粒天气形成的物理过程进行分析发现：（1）除北方区域外,我国其他区域的冻雨主要以暖雨机制为主。北方区域的融化类冻雨比例也仅为39％,但纬度越高,出现融化类冻雨的几率高于上述比例。暖层出现是冻雨天气的重要特征,但暖层作用主要是输送水汽和维持锋面系统,以保证降水的发生和持续,低层及地面气温普遍低于0℃可能是最重要的原因。（2）我国冰粒天气的形成机制主要以融化机制为主。冰粒天气的云顶高度普遍高于冻雨天气。冰粒天气的暖层厚度和强度均小于冻雨天气,这主要是由于弱暖层只是部分融化冰晶和雪花,使其重新冻结成为可能。冰粒天气的700hPa风速值普遍小于冻雨天气,这一方面说明冰粒天气对水汽输送条件要低一些,另一方面也反映了冰粒天气暖层较弱的特点。（3）云顶高度、暖层强度和厚度、低层冷层温度露点差、700hPa风速以及地面气温是甄别冻雨和冰粒天气的特征量,但不同区域,这些特征量的有效性不一样。西南区域冻雨和冰粒天气的主要差别在地面气温,其他特征量或差别不明显,或代表性不足,只可以作为辅助判断的因子。     

一次南海海雾微物理结构个例分析

本文利用2010年3月22～23日广东省湛江市一次海雾过程的雾滴谱和能见度资料,分析了海雾的微物理特征及微物理参量(数浓度、液态含水量和平均直径)之间的相关性,并讨论了影响海雾的主要物理过程。结果表明:湛江地区海雾的平均雾滴谱符合Junge分布;在海雾发展和成熟阶段,雾滴谱拓宽过程以及数浓度与平均直径的正相关关系表明本次海雾过程主要以雾滴活化和凝结增长过程为主;湍流过程的参与使得雾滴混合均匀,雾滴平均直径向3.5 μm附近集中,趋向平均化。同时湍流使雾体内部和外部空气交流,外部空气的凝结核核化,数浓度升高,凝结增长造成小雾滴变大。     

2016年12月克拉玛依一次罕见冻雨天气过程分析

本文对2016年12月4-5日新疆克拉玛依市出现历史罕见的冻雨天气过程,通过实况观测资料的综合分析,并利用WRF区域模式进行数值模拟,分析冻雨形成的环流形势、风场、大气层结以及冻雨区云系。结果表明,大尺度环流形势为西风带上弱波动东移,配合中低层西南急流,以及冷暖气团交汇,为冻雨的形成提供了必要的天气尺度条件。本次冻雨的形成机制为融化机制,水汽输送层主要位于冰晶层,水汽受冰晶效应充分凝结后再在暖层融化,落入冷层迅速冷却为冰粒或过冷却雨滴。逆温层是冻雨发生的主要条件,并且随着逆温层减弱,降水物的相态也从冰粒转为过冷却水。本次冻雨过程与南方冻雨不同的是,克拉玛依上空在降水前期就存在强逆温,并且在冻雨发生前逆温层出现减弱再加强的变化。     

液态CO2人工引晶后云微物理和降水变化的观测分析

根据飞机探测仪器观测到的云中粒子微观结构，结合卫星、雷达和常规天气资料，分析了人工增雨作业前后云的宏、微观物理结构和降水变化。结果表明，作业后影响区云中的冰晶浓度、雨滴直径比对比区有明显增加，云中过冷水减少；对比区降水回波强度和强回波区面积变化不大，而影响区最大回波强度增大,强回波区的面积扩大，降水增加。这与影响区云中降水粒子增多、直径增大是一致的，这些结果说明了液态CO2催化层状云的物理响应。     

WRF模式对乌鲁木齐机场一次冻雾天气的数值预报对比试验分析

利用WRF模式和GFS资料对2016年11月28—29日乌鲁木齐机场一次冻雾天气过程进行预报,针对不同微物理过程、近地层、陆面过程、边界层等方案设计了13个预报方案组合,并将预报结果与观测资料进行对比分析发现,此次冻雾过程预报中,模式对陆面过程、近地层、边界层等参数化方案组合较为敏感,最优方案组合微物理过程为WDM6、近地层方案为QNSE,陆面过程方案为Noah,边界层方案QNSE。以最优的方案组合预报结果对此次冻雾进行分析,发现利用模式预报的环流形势、层结条件、温湿条件、混合条件等能够很好的判断出此次冻雾过程。就此个例而言,WRF模式预报的机场上空稳定层的变化,湿层结构、风场的水平和垂直结构等,对冻雾的生消以及冻雾过程中的能见度变化有一定的指示意义。     

两类双参数云微物理方案对夏季强降水事件模拟能力的对比研究

运用中尺度WRF模式,分别采用Morrison(MOR)和Milbrandt-Yau(MY)双参数化云微物理方案,对2010年7月20—21日辽宁省的一次强降水过程进行模拟,通过对比分析两个方案所对应的地表累积降水量、降水强度、云中微物理量的模拟结果,评估两个双参数方案对强降水事件的模拟能力及主要微物理过程的差异。结果表明,在对雨带和强降水中心的位置上,MOR方案的模拟能力优于MY方案,但MY方案对强降水中心强度模拟能力则优于MOR方案;两方案对强降水宏观特征的模拟差异在一定程度上体现了它们在微物理具体方案上的差异,相比MY方案而言,MOR方案模拟降水发展期的垂直水汽通量高,使得雪晶的凝华增长、碰连增长增强,从而导致MOR方案的冰晶含量低,雪晶含量高,通过雪晶的凇附作用形成的霰含量也比MY方案高,霰的凇附增长消耗了大量过冷水,使冷云中云滴(过冷水)含量减少; MOR方案模拟得到的600 hPa到地表的雨滴直径均为1 mm,与实际雨滴直径的观测值不符,需要未来进一步开展研究,对原方案进行优化。     

双参数微物理方案的冰相过程模拟及冰核数浓度的影响试验

利用耦合Morrison 2-mon(MOR)双参数微物理方案的中尺度天气研究与预报模式(WRF)中的单气柱模式,对热带暖池国际云试验(TWP-ICE)期间的个例进行数值模拟。通过与观测资料和云分辨率模式的模拟结果进行对比,检验MOR方案对热带对流云系的微物理特征的模拟能力。模拟结果显示:MOR方案能够较好地模拟出热带云系中液相和冰相水凝物的垂直分布以及随时间的演变特征。地表向下长波辐射和大气顶向外长波辐射的量级和时间演变趋势同观测也非常接近。对与冰晶和雪有关的云微物理特征分析之后发现:季风活跃期,冰晶主要的源汇项有凝华增长过程、沉降过程、冰晶向雪的自动转化以及冰晶被雪碰并的过程。由于冰晶主体位于温度低于―20℃的高空,因而它对雨水的形成主要是间接贡献。同时期雪的主要源汇项中,凝华增长和沉降过程占据着主导地位。雪的凝华过程消耗了大量的水汽,可能抑制了冰晶的增长。另外雪的融化过程非常强盛,是产生降水的重要因子。季风抑制期,冰相的微物理过程变得相对简单且整体削弱,以凝华升华和沉降过程为主。凝华凝冻核的数浓度(N_dep)的气溶胶敏感性试验表明:季风抑制期,高空的冰晶云的宏观和微观性质对凝华凝冻核数浓度的响应情况呈现显著的线性特征。冰晶的含量随着N_dep的增加而增加,反之降低。该时期微物理过程主要同冰晶有关,水分的分配较为简单,N_dep增加时,高空冰云中小冰晶粒子数目增多且云顶升高,使得大气顶部向外长波辐射(OLR)值减小,反之冰云主体中冰晶有效半径增加,高空的冰云更加透明,云顶更低,对 OLR值增加起促进作用。而季风活跃期,微物理过程复杂,冰晶云的宏微观特征对N_dep的响应表现出一定的不规律特征。     

The ice nucleating ability of pollen: Part III: New laboratory studies in immersion and contact freezing modes including more pollen types

Based on earlier experimental studies, the ice nucleating abilities of further pollen types were investigated in the immersion and contact freezing modes. The studies were carried out at the Mainz vertical wind tunnel with freely floating supercooled droplets down to − 28 °C. The pollen had diameters between 26 and 28 μm and correspondingly low sink velocities around 2.5 cm s^{− 1}. The radii of the studied drops were calculated from the recorded wind velocity and for both freezing modes the radii of the observed droplets varied between 315 and 380 μm. Immersion freezing experiments were conducted with pollen particles added to the droplets while in contact freezing experiments supercooled droplets were subjected to a burst of pollen particles. The median freezing temperatures found in the immersion freezing mode were: − 13.5 °C (alder), − 21.5 °C (lombardy poplar), − 21.0 °C (redtop grass) and − 19.8 °C (kentucky blue). The median freezing temperatures in the contact freezing mode were found as: − 12.6 °C (alder), − 17.9 °C (lombardy poplar), − 18.7 °C (redtop grass) and − 16.1 °C (kentucky blue). The results show that the ice nucleating ability of pollen is not restricted to single pollen types but seems to be a general pollen property.     

一次长白山夏季雾的宏微观特征

2021年夏季首次利用激光雾滴谱仪开展长白山主峰雾的观测研究。结合地面自动气象站、探空、葵花8号高分辨率卫星资料和ERA5再分析资料, 对2021年7月31日—8月1日长白山主峰出现的持续时间达19 h、最低能见度小于100 m的雾过程的宏微观特征分析表明:此次雾过程具有持续时间长、环境风速大、能见度低、有短暂消散, 且数浓度低、有效直径和液态水含量小等特征。雾滴有效直径平均值为5.7 μm, 数浓度平均值为246.4 cm-3, 液态水含量平均值为0.05 g·cm-3, 其微物理特征与海雾特征接近。雾过程开始为爬坡雾, 这是长白山主峰夏季典型的地形云雾, 随后由高空云层平流至长白山主峰而接地产生。在强浓雾的形成、发展和减弱阶段, 雾滴数浓度、液态水含量和有效直径的变化具有较好对应关系;在成熟阶段, 雾滴数浓度、液态水含量和有效直径变化的对应关系不明显。     

近几十年来冻雨时空分布特征分析

利用EC再分析资料和中国台站资料,本文分析了1978-2002年53次低温雨雪冰冻事件中的冻雨过程,确定了冻雨易发区域,并讨论了其强度变化特征.结果表明近几十年来冻雨强度呈现明显下降的趋势,且1990年是其强度变化的突变点.其次,比较了衡量冻雨强度变化的两种常用指标:冻雨发生的站次数及冻雨事件的持续时间,分析显示它们之间存在显著的相关,即两种方法衡量在冻雨强度方面是等效的.最后,通过对53次事件中的温度层结及环流形势进行合成分析和经验正交分解(EOF),揭示了逆温层不但是冻雨发生的必要条件,而且也是冻雨强度发展的调节器.     

Homogeneous freezing of single sulfuric and nitric acid solution drops levitated in an acoustic trap

The freezing temperatures of single supercooled drops of binary and ternary sulfuric and nitric acid solutions were measured while varying the acid concentration. An acoustic levitator was used which allows to freely suspend single solution drops in air without electrical charges thereby avoiding any electrical influences which may affect the freezing process. The drops of typically 500 µm in radius were monitored by a video camera during cooling cycles down to − 85 °C to simulate the upper tropospheric and stratospheric temperature range. The present data confirm that liquid solution droplets can be supercooled far below the equilibrium melting point by approximately 35 °C. They follow the general trend of the expected freezing temperatures for homogeneous ice nucleation.     

2008年初南方一次雨雪冰冻天气云微物理过程和逆温层结数值模拟

利用WRF中尺度数值模式对2008年1月26—29日中国南方一次雨雪过程进行数值模拟,并根据模拟结果对云微物理过程、逆温区和地面温度等环境条件进行了分析。结果表明:华南地区冻雨天气对应了两种云微物理结构:一种是由液水形成的降水元在下落过程中经过"暖—冷"层结形成冻雨,另一种是由冰晶、雪晶和液水形成的降水经过"冷—暖—冷"层结造成的。利用模式输出的层结、地面条件以及降水状况可以大致得到冻雨可能发生的范围。     

云中积冰过程微物理参量演变规律的数值模拟

利用耦合Thompson参数化物理方案的WRF（weather research and forecasting）中尺度数值模式,对发生在2008/2009年和2009/2010年冬季恩施雷达站处三次积冰过程的边界层特征和云雾微物理量进行了模拟,并与实测结果进行了对比分析.模拟结果较好地反映了恩施雷达站上空多逆温影响的温度层结特征;云水质量浓度和云雾滴中值体积直径的模拟值与观测值的平均绝对误差分别为10-2g·m-3和3.8μm;恩施雷达站上空存在一个质量浓度为0.3g ·m-3左右的高值中心,其逐渐下移接地,给积冰过程带来充足水汽,且此时通常也有降雨出现.