华北层状冷云降水微物理特征及人工增雨可播性研究

利用DMT探测平台对2009年3月11日山西云降水观测外场试验区的一次云降水过程实施了综合探测,综合分析了此次云降水过程的宏微观物理特征。计算了云中过冷水含量距0℃层高度（1500m）的垂直分布：云中过冷水含量最大值出现在0℃层高度以上400 m处,其最大值为0.416 g·m^-3,之后随着距0℃层高度的增加,云中过冷水含量迅速减小,到0℃层高度以上600 m处基本为最低,之后直到云顶,云中过冷水含量维持低值。CDP探头探测的云中粒子浓度以及CIP探头探测的云中大粒子浓度应作为判别云中可播度的两项主要指标,CDP探测的粒子浓度不小于30个·cm^-3的云区才具有一定的可播度,其中CIP探测的大粒子浓度小于10个·cm^-3时,可确定为强可播区。云滴浓度随高度变化呈多峰分布,云中粒子谱型主要为双峰或多峰型。此探测过程中典型区域的粒子谱中均出现第二峰值的区段,分析表明只有当云粒子浓度不小于30个·cm^-3时,相应云区才具有一定的可播度。     

霰谱分布特征对强对流云高频微波亮温影响的模拟研究

利用WRF中尺度模式和MWRT微波辐射传输模式,对一次理想对流单体云降水过程进行模拟,研究了霰谱参数对强对流降水云高频微波辐射亮温的影响.结果表明:霰谱参数的改变对对流单体云中冰相水凝物质量浓度分布和高频微波亮温均有影响.减小(增大)霰密度参数会导致霰谱宽度增大(减小),从而导致霰的碰并效率提高(降低),霰空间最大质量...     

山西省2008—2010年64架次飞机云物理观测结果分析

利用山西省2008—2010年64架次云结构的飞机探测资料,结合地面观测和卫星数据统计分析了层状云系的宏微观特征。结果表明:降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,层状云要达到降水,云的厚度要达到近2000m;粒子尺度分布云粒子有效半径要达到10~14μm,降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0.03g/m3,中云含水量垂直方向上平均为0.05g/m3,;避光高层云-层积云、雨层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上500m附近,其最大值分别为0.61,0.42g/m3;透光高层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上300m附近,其值为0.28g/m3;云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20、30μm的粒子含水量较高,对云中液态水含量的贡献较大,降水粒子主要由20、30μm的粒子转化;降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显,也是分层的。高层主要是冰相粒子,是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在4个典型温度层的观测中,液态含水量、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同。     

2003年8～9月北京及周边地区云系微物理飞机探测研究

对2003年8～9月北京及周边地区4次飞机探测结果，特别对资料较完整的8月15日的层积云（Sc）和9月4日的层状云（St）系进行了较详细的分析。结果表明，FSSP－100测量的小云粒子（云滴、冰晶）最大浓度的变化范围从Sc云的120 cm-3到深厚高层云（As）的183 cm-3，平均直径7.22～16.05 μm。2D－GA2探头观测的冰粒子最大浓度变化范围从2.25×10-3 cm-3到3.29×10-1 cm-3。机载King热线液态水含量仪（King－LWC）的最大含水量变化范围为0.42～0.69 g/m3。St云垂直和水平分布不均匀特性很明显，高空（-10℃层以上）有较大的小云粒子浓度，达到120 cm-3以上，尺度也比较大，最大值为20 μm。云中液态水含量随高度缓慢减小，基本处于0.1～0.2 g/m3的范围。在-5.9～-8℃层，主要是柱状冰晶和少量结淞体，-8～-12℃层显示基本为结淞粒子，-20℃层左右表现出较多的枝状冰粒子。大冰粒子浓度基本在0.01～1 L-1左右。Sc云和St云的平均谱存在明显的差异。Sc云系的大粒子不同层的平均谱很相似，为单峰分布，谱宽达到1500 μm。越到云低层，云粒子浓度越低。St云系的大粒子不同层的谱分布差异比较大，云中在0～-8℃和-8～-12℃层，直径小于400 μm的粒子谱型基本相似，大于400 μm的大粒子谱分布差异较大，-8～-12℃层有明显的双峰分布特征，而0～-8℃呈现多峰特征，谱宽达到1300～1400 μm。     

山西省层状云飞机云物理观测试验结果分析

利用山西省2008年-2010年64架次云结构的粒子测量系统（DMT）探测资料,配合地面观测和卫星资料统计分析了层状云系的宏微观特征。发现：降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0．03g,m^3,中云含水量垂直方向上平均为0．05g／m30对比分析降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,降水性层状云云粒子有效半径要达到10μm-14μm。对云系不同温度层的微物理特征和云中水分按不同粒子尺度的分配特征进行了对比分析,结果表明：降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显,也是分层的。高层主要是冰相粒子,主要是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在四个典型温度层的观测中,LWC、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同。云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20μm、30μm的粒子含水量较高,对云中液态水含量的贡献较大,降水粒子主要由20μm、30μm的粒子转化。     

积层混合云结构特征及降水机理的个例模拟研究

积层混合云是我国一种重要的降水系统, 其降水既有对流云又有层状云特征。基于积层混合云的重要性, 本文利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model), 结合三维粒子运行增长模式对2012年5月29日北京地区的一次积层混合云降过程进行了模拟研究。模拟的降水与雷达回波与实测结果基本一致。在此基础上, 重点分析了混合云系中积状云与层状云各自的微物理结构特征与降水的发生机理等。结果表明:降水过程云内存在着明显的“播种—供给”机制, 层状云中“播种—供给”机制相对简单。而对流云区中由于降水粒子可以发生上下多次的循环增长, “播种—供给”机制可在云的上下层间双向进行, 云中粒子群可以增长得更大。在积层混合云中, 在低层, 层状云中已有的水凝物粒子进入内嵌的积云块中, 而在高层水成物粒子又从积云中落到层云中, 积层混合云系充分发挥了积云和层云各自的优势, 从而降水效率较高。     

华北地区春季一次层状云的微物理特征及可播性分析

利用2013年4月4日河北中部地区一次针对降水性层状云系催化作业的飞机探测资料,结合气象信息综合分析处理系统(简称Micaps)、卫星和加密雨量等观测资料,对该层状云的微物理特征及人工增雨作业条件进行了综合分析。结果表明,此次过程为典型降水性层状云,作业层中小云粒子平均浓度为147个/cm3,最大浓度为737个/cm3,平均直径4.29μm。云中含水量平均值为0.03 g·m-3,最大值为0.51 g·m-3,冰晶谱浓度最大值为1.12×10-3个/(cm3·μm1),适合播撒作业。作业影响区和对比区雨量变化表明,作业后3~4 h影响区雨量增加最为显著,为对比区雨量的1~3倍,可以认为作业有一定效果。此外,作业区和对比区的雨量比值和雷达反射率相关性远高于云黑体亮温。     

云南省积层混合云微物理特征飞机观测

2017-2020年利用运-12和空中国王-E350飞机搭载的国产云粒子测量设备在云南开展了 76架次积层混合云观测,数据分析表明:云南的云粒子数浓度远高于华北地区,云粒子(直径为2～50 μm)数浓度平均值为339.7 cm-3,最大值为1067.6 cm-3,平均含水量为0.181 g·m-3,最大值为2.827 ...     

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。     

山西夏季层积云降水微物理特征分析

利用Droplet Measurement Technology(DMT)资料,分析了山西2008年7月17日降水性层积云的云微物理结构,通过对云中粒子浓度、平均直径、二维图像以及谱型分布变化,并结合宏观记录特征,详细分析了飞机上升和下降阶段云系的垂直结构特征。结果表明,飞机上升阶段云系为高积云,下降阶段云系为高积云—层积云结构,云粒子探头(Cloud Droplet Probe,CDP)和云粒子图像探头(Cloud Imaging Probe,CIP)测得粒子浓度偏大,最大浓度分别为236cm-3和9.74cm-3。层积云云中微物理量水平分布特征具有明显的不均匀性。飞机上升阶段降水的雨滴主要是冰粒子融化形成的,冷云过程占主导地位,在0℃层附近存在明显的融化层亮带。飞机下降阶段降水机制为高积云冷云过程和层积云暖云过程相结合。     

Observations and Modeling of Ice Water Content in a Mixed-Phase Cloud System

The ice water content(IWC) distribution in a mixed-phase cloud system was investigated using Cloud-Sat data,aircraft measurements,and the Weather Research and Forecasting(WRF) model.Simulated precipitation and IWC were in general agreement with rain gauge,sat-ellite,and aircraft observations.The cloud case was char-acterized by a predominant cold layer and high IWC throughout the cloud-development and precipitation stages.The CloudSat-retrieved products suggested that the IWC was distributed from 4.0 to 8.0 km,with the maximum values(up to 0.5 g m-3) at 5.0-6.0 km at the earlymature stage of cloud development.High IWC(up to 0.8 g m-3) was also detected by airborne probes at 4.2 and 3.6 km at the late-mature stage.The WRF model simulation re-vealed that the predominant riming facilitated rapid ac-cumulation of high IWC at 3.0-6.0 km.     

与飞机观测资料对比评估WRF微物理方案集合的模拟能力

使用WRF模式中的Morrison,WSM6,SBM,P3四种微物理方案的集合,模拟中尺度对流系统降水过程.研究发现不同的微物理方案模拟的对流云区液态含水量,冰水含量的垂直分布各不相同,而模拟的层状云区液态含水量,冰水含量的垂直分布结果相似.总的来说与其他方案相比,Morrison方案和集合平均的结果最接近观测值.我们也注意到在一些区域,所有成员均高估了液态含水量2-8倍,这也导致了在这些区域集合平均值与观测相比仍然有很大的差距.     

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.     

一次飞机严重积冰的天气条件和云微物理特征

利用2021年2月28日机载探测资料, 结合欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料、陕西省延安站探空资料, 分析飞机发生严重积冰的天气背景和云的宏微观结构特征。此次严重积冰天气是受高空槽、低空切变线、低空急流和地面冷锋共同影响的结果。ERA5再分析资料表明:过冷水大值区主要分布于锋区前部暖侧的700 hPa至600 hPa高度。探空资料表明:飞机探测区环境温度为-9~-3℃, 温度露点差为0℃, 具有发生严重积冰的温度和湿度条件。飞机遭遇严重积冰期间环境温度为-8~-5℃, 云粒子探头观测的液态水含量平均为0.35 g·m-3, 最大为0.7 g·m-3;总水含量仪观测的液态水含量平均为0.5 g·m-3, 最大为0.85 g·m-3, 有11 min大于0.45 g·m-3;云粒子中值体积直径平均为20.3 μm, 云粒子数浓度平均为149.3 cm-3;云粒子数浓度由低层到高层呈增大趋势, 而云粒子中值体积直径变化趋势与之相反。计算表明:国王350飞机在穿云作业时, 云中过冷水含量分别高于0.04 g·m-3, 0.15 g·m-3和0.45 g·m-3时可能遭遇轻度积冰、中度积冰和严重积冰。     

基于飞机观测的华北积层混合云降水微物理特征的数值模拟研究

基于2009年5月1日积层混合云降水2架飞机观测数据分析,使用中尺度模式WRFV3对此次过程积云区和层云区的微物理特征和转化过程进行数值模拟比较研究。飞机观测数据分析表明,此次积层混合云中的层云区和积云区冰粒子形状和形成过程有明显差别,层云区的粒子形状组成比较复杂,包含针状、柱状和辐枝状等,而积云区主要以辐枝状粒子为主,聚并、凇附过程明显。数值模式能较好地模拟出此次积层混合云降水过程的基本特征,包括回波分布、飞行路径上降水粒子的数浓度和液态水含量等。数值模拟结果表明,云水相对丰富、上升气流强的层云区凇附过程较强,产生的雪在低层融化为雨水,为后期高层形成的雪和霰提供丰富的液态水,能发展成对流较强的积云区,存在播种—供给机制。在积云区,水成物的比例从大到小依次为雪（51.9%）、霰（31.0%）和雨水（16.0%）;雪的主要源项包括淞附增长（56.8%）和凝华增长（40.1%）,霰的主要源项包括凇附增长（46.6%）、雨水碰并雪成霰（42.6%）和凝华增长（16.1%）,雨水的主要源项是霰（77.6%）和雪（22.4%）的融化。而相对云水较少、上升气流较弱的层云区将保持层云的状态,层云区水成物的比例从大到小依次为雪（90.4%）、雨水（6.1%）、冰晶（3.5%）;高层冰晶和雪通过凝华过程增长,雪在零度层下融化为弱的降水。     

Evaluating the performance of a WRF microphysics ensemble through comparisons with aircraft observations: 与飞机观测资料对比评估WRF微物理方案集合的模拟能力

Aircraft observation data obtained in a mesoscale convective system are compared to Weather Research and Forecasting (WRF) model simulations using four microphysics schemes (Morrison, WSM6, P3, SBM) with different complexities. The main purpose of this paper is to assess the performance of the microphysics ensemble in terms of cloud microphysical properties. Results show that although the vertical distributions of liquid water content (LWC) and ice water content (IWC) simulated by the four members are quite different in the convective cloud region, they are relatively uniform in the stratiform cloud region. Overall, the results of the Morrison scheme are very similar to the ensemble average, and both of them are closer to the observations compared to the other schemes. Besides, the authors also note that all members still overpredict the LWC by a factor of 2–8 in some regions, resulting in large deviation between the observation and ensemble average.摘要使用 WRF 模式中的 Morrison,WSM6,SBM,P3 四种微物理方案的集合, 模拟中尺度对流系统降水过程.研究发现不同的微物理方案模拟的对流云区液态含水量,冰水含量的垂直分布各不相同, 而模拟的层状云区液态含水量, 冰水含量的垂直分布结果相似. 总的来说与其他方案相比, Morrison 方案和集合平均的结果最接近观测值.我们也注意到在一些区域, 所有成员均高估了液态含水量 2–8 倍, 这也导致了在这些区域集合平均值与观测相比仍然有很大的差距.     

一次积-层混合云系垂直结构和降水机制的飞机观测资料分析与数值模拟

积-层混合云是影响北京地区的重要降水云系,运用飞机探测资料结合中尺度数值模式WRF,对2014年9月23日发生在北京地区的一次积-层混合云系的垂直结构和降水机制进行了探测资料分析和数值模拟研究。通过分析云系的雷达回波演变,发现云中的对流泡没有出现爆发式增长,回波在垂直方向上增长不明显,此次过程属于积-层水平混合型云系降水。飞机探测资料分析显示,上、下午探测云系的液态水含量都不高（最大低于1 g/m3）;在云系不同高度,飞机探测到的冰晶形状主要有板状、针柱状、辐枝状和不规则状,由于云中过冷水含量相对较低,聚合冰晶的数量明显多于凇附冰晶,冰晶的聚合是云中粒子增长的主要过程。对模拟云系垂直微物理结构和降水粒子的源、汇项分析得到:高层,由凝华产生的冰晶和雪晶在过冷水含量较低的环境中不断聚并、长大并下落,云系中霰的含量很低,增大的冰晶和雪晶下落至0℃层附近融化是产生地面降水的主要机制。此外,融化层附近,雨滴捕获云滴不断长大并下降至地面也是地面降水的另一个重要来源。      

Application of aircraft observations over Beijing in cloud microphysical property retrievals from CloudSat

Cloud microphysical property retrievals from the active microwave instrument on a satellite require the cloud droplet size distribution obtained from aircraft observations as a priori data in the iteration procedure.The cloud lognormal size distributions derived from 12 flights over Beijing,China,in 2008-09 were characterized to evaluate and improve regional CloudSat cloud water content retrievals.We present the distribution parameters of stratiform cloud droplet （diameter ＜500 tm and ＜1500 μm） and discuss the effect of large particles on distribution parameter fitting.Based on three retrieval schemes with different lognormal size distribution parameters,the vertical distribution of cloud liquid and ice water content were derived and then compared with the aircraft observations.The results showed that the liquid water content （LWC） retrievals from large particle size distributions were more consistent with the vertical distribution of cloud water content profiles derived from in situ data on 25 September 2006.We then applied two schemes with different a priori data derived from flight data to CloudSat overpasses in northern China during April-October in 2008 and 2009.The CloudSat cloud water path （CWP） retrievals were compared with Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer （MODIS） liquid water path （LWP） data.The results indicated that considering a priori data including large particle size information can significantly improve the consistency between the CloudSat CWP and MODIS CWP.These results strongly suggest that it is necessary to consider particles with diameters greater than 50 tm in CloudSat LWC retrievals.     

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。