冰云粒子微物理属性在一次强降雨过程中的垂直分布

采用美国宇航局NASA的Cloud Sat卫星资料2B-CWC-RVOD和2B-CLDCLASS,并结合CERES Aqua MODIS Edition 3A资料,分析了一次降水过程中云类型和云中冰粒子微物理属性的垂直分布特征,探讨其与降雨量大小的关系。结果表明:冰云分布在2~11 km,越小的云参量值的出现频率越大。冰粒子有效半径在垂直高度上的分布存在明显的分层现象,且随着高度的升高呈变小的趋势。半径150μm的粒子集中在2~4 km;半径在100~150μm的粒子85.6%分布在2~6km;而半径50μm的粒子在整个云层均有分布,且分布比例随云层的升高而增大。冰水含量在垂直高度上呈近似正态分布,高值分布在云层中部6~7 km,且正在降雨地区云的冰水含量和柱含量值比非降雨区大。冰粒子数浓度随云层高度的上升呈增大的趋势。     

基于 MODIS 和 CloudSat 的京津冀降水冰云季节分布特征

利用 2008 年 9 月~2016 年 8 月 Aqua MODIS 和 CloudSat 卫星数据，筛选出京津冀地区的降水 冰云，同时将其分为 4 个区域讨论，得到关于该地区降水冰云 4 个季节的分布特征，为该地区的人 工影响天气提供依据。结果表明：京津冀整个地区的降水冰云在夏季的发生率都较高，且发生率 有上升的趋势。从整个地区看来，京津冀地区的降水冰云的云顶高度在冬季最低、夏季最高，云顶 温度的最小值在冬季最高、夏季最低；京津冀地区的降水冰云在春夏秋 3 季均以单层云为主，而在 冬季则以双层云为主；京津冀地区的降水冰云的类型按春夏秋冬分别为 7 种、7 种、6 种和 5 种，且在 夏季该地区的降水冰云以深对流云为主（占 48.3%），而其他季节以雨层云为主；京津冀地区降水冰 云微物理量（包括冰水含量、粒子数浓度、粒子有效半径）主要分布高度分别为 0~13.5 km（春季）、 3.5~17.0 km（夏季）、1.0~14.0 km（秋季）、0~11.0 km（冬季）。冰水含量、粒子有效半径和粒子数浓度 的分布高度和最大值均在夏季最高，但粒子有效半径在秋季最低，冰水含量和粒子数浓度在冬季 最低。这 3 种微物理量随高度的分布特征夏季在京津冀各分区较为一致，都呈单峰结构，在其他季 节差异较大。     

层状云微物理属性垂直分布的季节变化——以新疆地区为例

利用CloudSat卫星资料2B-CLDCLASS和2B-CWC-RVOD数据集,分别揭示了层云与层积云的云粒子等效半径、数浓度及含水量等微物理属性的垂直分布特征及其季节变化规律。结果表明：层云所在的云层高度比层积云高,特别是春季,层云可以延伸到11.0 km处,而层积云云层所在高度最高出现在夏季,最高延伸到8.5 km处。层云中的冰水分布在1.0~11.0 km,液态水分布在0~9.0 km,而层积云的冰水和液态水均分布在0~9.0 km。层云与层积云的冰粒子等效半径、水云粒子数浓度、液态水含量呈现随云层高度的增加而减小的趋势,冰粒子数浓度随云层高度增加呈增大趋势,冰水含量呈峰值分布,峰值出现在6~10 km范围内。各季节层积云粒子等效半径、粒子数浓度及水含量的最大值均大于层云的对应值,从这方面看,层积云更适合作人工增水对象。     

基于卫星资料的气溶胶对冰云影响及分布特征分析

通过利用2010年1月—2016年12月CALIOP(the Cloud-aerosol lidar with orthogonal polariz?ation)冰云和气溶胶3级月平均产品和MODIS(Moderate-resolution imaging spectroradiometer)大气3级日平均产品研究气溶胶和冰云空间分布特征及气溶胶对冰云的影响。结果表明:纬度与冰云的分布密切相关,在热带附近的高空区域冰云样本数存在极大值区,随着纬度增加,冰云样本数的最大值和大值区所处的高度也在逐渐减小,且南北半球存在差异;气溶胶在地面附近以赤道为对称的低纬度地区存在极大值,北半球气溶胶能发展到5 km左右,而南半球在3 km左右;气溶胶与冰云随时间变化趋势较为一致,冰水含量和冰云粒子半径随时间变化存在相反的关系,气溶胶与冰水含量和冰云粒子半径的变化在时间上没有较好对应;清洁区域由于海盐粒子作用表现出较大的气溶胶光学厚度,但这不影响清洁区具有较小的冰云光学厚度;气溶胶促进了0℃~-10℃和-20℃~-40℃之间的冰云形成;随着温度降低,云中冰水含量减小,冰云粒子半径增大,在污染区域,冰水含量相对于清洁区域更小,冰云粒子半径也小于清洁区域。     

天山山脉强降水云宏微观物理属性的空间分布特征北大核心CSCD

天山山脉是新疆重要的水源地,分析这一区域降水云的宏观和微观物理属性的垂直和水平分布,对于科学高效地开展人工增水作业具有重要意义。利用CloudSat和Aqua卫星资料对天山山脉3次强降水过程云高、云厚、冰粒子等效半径和直径(IER、IED)、水粒子等效半径(LER)、冰水含量(IWC)、液态水含量(LWC)、冰水路径(IWP)、液态水路径(LWP)的分析表明:(1)天山山脉强降水云分布在0.9~9.4 km范围内,天山东、西部云底偏低、云体偏厚,而中部云底偏高、云体偏薄。降水云占有率天山中部、东部分别为5%,西部为15.6%。(2)天山山脉强降水云IER以0~60μm为主,LER以0~5μm为主,IWC和LWC集中在0~50 mg·m^(-3),强降水云从低层到高层这些微物理量的低值段占优势,天山山脉西部、中部这些微物理量的低值段随高度呈单峰分布,西部和中部峰值分别出现在云层下部和中上部;天山山脉东部这些微物理量的低值段随高度呈双峰分布,极大值出现在云层下部和上部。(3)天山南脉、天山西部强降水云的IED较小,而天山中部、东部较大;天山中部云的LER较大,天山东部、西部、天山南脉较小;IWP从大到小依次排序为中部、东部、西部、天山南脉;天山中部云的LWP略大于天山西部和东部,天山南脉最小。     

天山山脉强降水云宏微观物理属性的空间分布特征

天山山脉是新疆重要的水源地,分析这一区域降水云的宏观和微观物理属性的垂直和水平分布,对于科学高效地开展人工增水作业具有重要意义。利用CloudSat和Aqua卫星资料对天山山脉3次强降水过程云高、云厚、冰粒子等效半径和直径(IER、IED)、水粒子等效半径(LER)、冰水含量(IWC)、液态水含量(LWC)、冰水路径(IWP)、液态水路径(LWP)的分析表明:(1)天山山脉强降水云分布在0.9~9.4 km范围内,天山东、西部云底偏低、云体偏厚,而中部云底偏高、云体偏薄。降水云占有率天山中部、东部分别为5%,西部为15.6%。(2)天山山脉强降水云IER以0~60μm为主,LER以0~5μm为主,IWC和LWC集中在0~50 mg·m~(-3),强降水云从低层到高层这些微物理量的低值段占优势,天山山脉西部、中部这些微物理量的低值段随高度呈单峰分布,西部和中部峰值分别出现在云层下部和中上部;天山山脉东部这些微物理量的低值段随高度呈双峰分布,极大值出现在云层下部和上部。(3)天山南脉、天山西部强降水云的IED较小,而天山中部、东部较大;天山中部云的LER较大,天山东部、西部、天山南脉较小;IWP从大到小依次排序为中部、东部、西部、天山南脉;天山中部云的LWP略大于天山西部和东部,天山南脉最小。     

基于CloudSat资料分析北疆强降雪天气的云结构特征

利用NASA发布的2008—2015年CloudSat卫星的2B-CWC-RO、2B-CLDCLASS、2C-SNOW-PROFILE和地面气象站的观测资料，对北疆沿天山及其周边区域内21次强降雪天气降雪前和降雪期间卫星过境时云宏微观特征进行了对比分析。本文将研究区域分为了北疆沿天山西部和中部地区，分析结果表明：（1）降雪前和降雪期间的云类型以层云、积云、高层云和深对流云为主。（2）降雪前冰粒子等效半径均值分布在58.65~67.29 μm之间，冰粒子数浓度的均值在41.2~76.5 L-1之间，冰水含量的均值在25.4~135.1 mg·m^-3之间，雪水含量均值在28.0~88.0 mg·m^-3之间，降雪强度均值在0.08~0.36 mm·h^-1之间。（3）降雪前冰粒子等效半径、冰粒子数浓度、冰水含量、雪水含量和降雪强度均值分别比降雪期间大2.9 %、6.2 %、34.4 %、36.4 %和18.7 %，且高值区主要集中在北疆沿天山西部地区。     

新疆层云和层积云冰粒子属性的季节变化

利用CloudSat 卫星资料,选取冰粒子的等效半径（IER）、数浓度（INC）、含水量（IWC）,统计分析了层云、层积云微物理量的垂直分布和季节变化。层云/层积云小粒子（0～50 μm）、中等粒子（50～80 μm）、大粒子（≥80 μm）出现频率分别为18.7%/16.3%、77.6%/62.6%、3.7%/21.2%。在IER 垂直分布上,层云小、中等粒子在云层中部出现较多,层积云小粒子在云层上部出现较多,中等、大粒子在云层中部出现较多。层云/层积云INC低值段（0～50 L^-1）、中值段（50～100 L^-1）、高值段（≥100 L^-1）出现频率分别为90.1%/76.5%、9.6%/19.5%、0.3%/4.1%。在INC垂直分布上,层云低、中值段在云层中部出现较多,层积云低、中值段分别在云层中部、上部出现较多。层云/层积云IWC低值段（0～50 mg·m^-3）、中值段（50～100 mg·m^-3）、高值段（≥100 mg·m^-3）出现频率分别为96.7%/82.8%、3.2%/13.4%、0.1%/3.7%。在IWC垂直分布上,层云低值段在云层中部出现较多,层积云低、中值段分别在云层中部、上部出现较多。     

基于FY3A资料的天山山区暴雨云相态分析

利用2009-2011年基本地面气象站降水资料和FY3A/VIRR资料,对暴雨云团在可见光、近红外、红外通道变化特征进行分析,采用多通道多阈值方法,进行云相态判识,识别密实冰云、薄卷云、多层云、低层水云。利用此判识方法对发生在新疆天山及沿天山一带的两次暴雨天气过程云相态特征进行分析,并结合地面降水资料分析了云顶粒子为冰相态的云对地面产生降水的贡献,结果表明:利用FY3A/VIRR的1通道、4通道、5通道、6通道、10通道的资料可以有效地识别出云顶粒子的相态,当亮温值233 k,云顶粒子为冰相态云在0.65μm和1.6μm两个波段具有较大反差,当对流发展旺盛,云层较厚时,两者之间的差值达到4倍左右;通过对暴雨个例的分析,产生暴雨的区域与冰相态的云区较吻合,验证了判识阈值选取的合理性,这为天山山区暴雨监测提供了辅助的手段。     

基于CALIPSO卫星产品的中国区域异质核化冰云比例差异

利用 2012 年 1 月 ~ 2015 年 12 月 CALIPSO 冰云 3 级月平均产品（CAL_LID_L3_Ice_ Cloud） 对中国区域异质核化冰云比例进行分析，研究冰云的比例分布与季节变化特征，探究中国区域冰 云分布情况和影响冰云分布的因素。结果表明：中国南北部冰云的比例差异与地面 2 m 温度、地表 长波净辐射通量和来自地面的冰核有关。-40 ~ 0 ℃之间的冰云比例水平分布，中国大陆北部比中 国大陆南部高约 30%，季节性变化规律明显，冬季南北差异大，夏季南北差异小；云箱温度在-30 ~ 10 ℃之间的冰云，中国大陆北部比例比大陆南部平均高出约 5%，春季、秋季、冬季北部冰云比例 均高于南部，夏季温度在-8 ℃以下，南部的冰云比例超过了北部的冰云比例；在对流层（10 km 以 下），冰云比例分布中国大陆北部比南部高，南北部之间冰云比例差异在 6 km 左右显示出峰值，约 50%，四季冰云比例随高度增加均呈现增大的趋势，且北部冰云比例均高于南部。     

基于CERES的宁夏空中云水资源特征及其增雨潜力研究

利用2009-2014年NASA地球观测系统(EOS)云与地球辐射能量系统(CERES)云资料和气象站降水资料,对宁夏北部引黄灌区、中部干旱带及南部山区3个具有不同地形、地貌、气候特征的地区云水资源及增雨潜力特征进行了对比研究。结果表明:宁夏地区大气可降水量在空间分布上呈现从东南向西北方向递减,从季节变化看表现出随夏秋春冬依次递减的特征。在东亚季风和贺兰山地形的共同影响下,全年总云量和低云量在南部山区最大,北部川区最小。云光学厚度与水云粒子半径及冰云等效直径呈显著的负相关关系,其中中部干旱带相关关系最强是开展人工增雨效果最显著的地区。随着全年四季天气气候变化,宁夏人工增雨主要潜力区会逐渐由春季的贺兰山沿山、中部干旱带地区,移动到夏季的银川以南同心以北和固原西南部地区,秋季缩减到海原、西吉一带。     

Case study on microphysical properties of boundary layer mixed-phase cloud observed at Ny-Ålesund,Svalbard: Observed cloud microphysics and calculated optical properties on 9 June 2011

Cloud radiation interactions are important in the global climate system. However, an understanding of mixed-phase boundary layer clouds in the Arctic remains poor. During May–June 2011, ground-based in situ measurements were made at Zeppelin Station, operated by the Norwegian Polar Institute (altitude 474 m) in Ny-Ålesund (78.9°N, 11.9°E), Svalbard. The instruments used comprised a Cloud, Aerosol and Precipitation Spectrometer (CAPS), and a Cloud Particle Microscope imager. The CAPS incorporated a Cloud and Aerosol Spectrometer and Cloud Imaging Probe (CIP). During the observation period, clouds associated with cyclonic disturbances and those associated with outbreaks of westerly cold air masses from the sea were observed. Atmospheric temperature during all measurements ranged from 0 to −5 °C. In every case, columns were the major type of ice particle measured by the CAPS–CIP. Cloud microphysical properties were observed continuously on 9 June 2011. Size spectra, liquid/ice water content, and particle effective size changed depending on progress stages. Based on the observed microphysics, optical properties were calculated and investigated. Optical properties were determined mainly by those of liquid water particles, even during periods when the relative contribution of ice particles to total water content was at the maximum. It was confirmed that the wavelength region of 1.6 and 2.2 μm can be used in remote sensing. This study shows that it is possible to measure detailed changes of cloud properties in the Arctic region by using instruments installed at a ground-based mountain station.     

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。     

Glaciation of a mixed-phase boundary layer cloud at a coastal arctic site as depicted in continuous lidar measurements

The dynamic seeding and glaciation of a mixed-phase cloud by ice crystals injected from above at Ny Ålesund, Svalbard, Norway is described using continuous lidar measurements and thermodynamic data. Glaciation of this cloud was caused by ice crystal growth and sedimentation due to the preferential differences in saturation vapor pressure over ice versus liquid water and riming. The lidar data suggest that precipitation reached the ground for nearly 4 h as a result. The symbiosis between ice and liquid water hydrometeor presence in the polar troposphere is unique. Thermal perturbations and airmass fluctuations influence microphysical cloud characteristics and radiative balance, which makes the otherwise pristine region sensitive to lower-latitude anthropogenic and biogenic influences and a focal point for observing indirect effects and their influence on climate change. The development of lidar technologies capable of continuous and autonomous measurements is yielding important datasets to study unique atmospheric phenomena.     

甘肃一次副高内部极端强降水可预报性思考

传统认为副高内部下沉运动，抑制对流运动的发生，但是甘肃河东隔几年就会出现一次副高内部的强降水过程，而全球业务模式对此类强降水预报能力较弱，导致副高内部的强降水天气预报难度很大。利用多种常规和非常规观测资料，对2016年8月22日甘肃副高内部的一次极端强降水过程进行分析，以期发现一些可用预报指标，结果表明：青藏高压东北部辐散区和近地面层的中尺度辐合线的叠置，有利于形成强烈的上升运动，是强降水发生的天气背景条件。环境场极高的水汽含量，异常厚的暖云层，和小的垂直风切变有利于形成极大的降水效率，是强降水的增强条件。通过对各种中尺度观测资料的分析，发现一些对强降水预报预警有指示作用的因子：（1） 对流云团冷云盖中心区域运动前方逐时云顶亮温（TBB）梯度最大处对应地面降水最强降水。（2） 闪电总次数峰值后1~2 h，且闪电带变的很有组织时，对应地面最强降水时段。（3） 造成强降水的对流单体的雷达回波表现出低质心暖云降水的特征。（4） 在组合反射率（CR）、垂直液态水含量（VIL）最大值出现后30~40 min，最强雨强出现。