论文总字数：17610字

目 录

1 引言 1

2 资料 2

2.1 资料来源 2

2.2 飞机飞行轨迹 2

3 云微物理特征分析 4

3.1 微物理量随时间的变化 4

3.2 微物理量之间的相关性及夹卷混合机制 7

3.3 云滴谱随时间的演变 10

4 结论 12

参考文献 13

致谢 15

1 引言

云微物理结构是影响云降水过程非常重要的因素之一。云能调节地气系统的水分循环和辐射能量的平衡，通过反射和吸收短波辐射，吸收和发射长波辐射影响地气系统的辐射收支。云特性的任何细微变化都有可能对全球气候系统产生重大的影响，而气候系统的变化也会影响云的特性。最新的ISCCP（International Satellite Cloud Climatology Project）-D2卫星的观测资料表明，全球平均总云量达67%。云量的细微变化都可能通过云和辐射之间的相互作用导致气候系统的变化^[1~3]。

层积云存在于地球上的大部分地区，在大范围的空间尺度上表现出不同的结构特点，平均每年覆盖大约1/5的地球表面（23%的海洋表面和12%的陆地表面），使之成为覆盖地区的主要控制云类^[4]。尤其是在海洋地区，层积云持久覆盖海洋上的大范围区域，它们的辐射特性在调节下垫面温度上发挥着非常重要的作用。层积云的这种作用在东部亚热带海洋上非常显著，因此开展关于层积云的研究有利于成功模拟热带或全球气候系统的实际情况。

国内外很多地区都已经利用PMS粒子探测系统，对云微物理结构进行了飞机观测研究。从20世纪70年代开始，国外开始利用PMS系统进行探测实验，Hobbs and Radke^[5]对美国的温带气旋云系以及地形云进行了飞机观测实验。Houze et al^[6]得到了温带气旋计划中锋面云降水粒子的尺度谱分布。在热带层状云的观测中^[7]，聚合是较深层状砧部地区的主要生成机制，这些云中基本无法探测到过冷水含量。Andre´Tremblay et al^[8]利用飞机观测资料改进了混合云模式。

我国从20世纪80年代初期开始引进这一套PMS粒子探测系统，对云微物理结构进行观测。王谦等^[9]和廖飞佳等^[10]对北疆地区冬季层积云的宏微观结构以及结构演变过程进行了研究。封秋娟等^[11]利用Droplet Measurement Technology（DMT）资料，分析山西降水性层积云的云微物理结构，详细分析了飞机上升和下降阶段云系的垂直结构特征。张佃国等^[12]分析比较了山东省观测资料催化前后云滴谱型和谱宽的变化。王黎俊等^[13]分析秋季三江源地区的一次层积云飞机人工增雨催化实验前后液态云粒子和冰晶浓度变化，以及云粒子谱的演变，得出在过冷水含量越高的地区，催化效果越明显。陈文选等^[14]对黄淮气旋降水性层状云中的微物理特征、云中微物理量的分布和降水时段进行分析，为人工增雨潜力区的选择提供了理论依据。牛生杰等^[15]和樊曙先等^[16]在人工增雨作业的同时，利用PMS分析了宁夏地区的降水云系，给出了云和降水的宏微观结构演变特征。范烨等^[17]和张佃国等^[18]利用环北京地区的积层混合云微物理结构特征的观测资料，结合卫星等观测资料分析得到积层混合云微物理结构在空间上的分布特征。

夹卷是不断有环境空气由侧向卷入云层并与之混合的过程，是层积云中重要的微物理过程之一，也是云参数化过程中的难点之一。基于大量的分析可以得出，数浓度和体积平均半径的关系可以用来判断夹卷混合过程的类型。在过去的很多研究中，广泛地运用该独特性对夹卷混合机制进行判断^[19~21]。夹卷混合机制中，均匀夹卷混合机制的体积平均半径和数浓度呈正相关，极端非均匀夹卷混合机制中云滴数浓度减小而尺度不变，极端非均匀夹卷混合机制中数浓度减小而体积平均半径增加。Lu et al^[22]提出了一个区分暖云中夹卷混合过程和碰并过程，并建立二者之间联系的方法。层积云动力学过程中一个重要的未被完全解决的问题就是如何计算夹卷率。Lu et al^[23]利用夹卷混合过程对积云微物理参数的影响，开发了一个估计积云中夹卷率的新方法，其不确定性小于传统方法，是夹卷过程研究中的一大突破。

层积云的厚度只有几百米，由一个混合的物理过程产生，因此参数化存在困难。在海洋大气系统的耦合模型中，由层积云的预测偏低引起的底层海温(SSTs)偏高会导致气候模拟时产生严重偏移^[24~25]。目前，层积云预测的偏差是气候模拟中的主要困难，这种预测的偏差增加了全球变暖预测的不确定性^[26]。对装载PMS的飞机进行云物理观测实验得到的数据资料进行分析，更好地理解层积云的微物理变化特征，为人工影响天气和飞机积冰方面的研究提供更多的理论资料，为改进云微物理参数化方案打下基础。

2 资料

此次观测使用的飞机是北达科他州大学的塞斯纳系列研究型飞机，飞机上安装了机载PMS粒子测量系统，该系统中的前向散射滴谱仪（FSSP-100）和光振探测器（1D-C）分别用于观测云滴和雨滴的尺度谱分布。前向散射滴谱仪（FSSP-100）将云粒子分成15档，每档的中心直径为5.3-59.8 μm，仅含有粒子尺度和数浓度的资料，称为一维资料；光振探测器（1D-C）将雨粒子分为30档，每档的中心直径为24.1-600 μm，不仅能记录粒子个数，还能够记录粒子尺度和二维图像，并对其相态、降水粒子形态等进行区分，称为二维资料。每一种仪器的测量结果都需要通过标准程序进行校正。飞机上还搭载了由Stratton Park工程公司生产的云粒子成像仪（CPI），结合云粒子的图像和温度可以分析得到云的相态；Rosemount Model 102, Rosemount Model 1201F1和EGamp;G Model 137探头可以分别观测气温、气压和露点温度。相对湿度则可以通过露点温度、气温和气压等计算得到。本次试验中所有数据采样时间的间隔均为1s。

2.1 资料来源

观测资料来自2000年3月1日-26日美国南部大平原观测站密集观测期内的飞机观测，此次观测的目的在于得到中纬度云特性以此来评估云模式和反演算法。密集观测时期共包含了12个飞机观测过程，为了保证选取的资料有意义且具有代表性，选取的平飞过程的长度至少为12 km，且至少具有15个云滴谱样本。本文将选择3月17日这一个个例的PMS探测资料对层积云微物理特征以及夹卷混合机制进行具体分析。该个例为降水云，为减少碰并对微物理过程分析时的影响，只研究没有受到降水影响的水平平飞过程。

2.2 飞机飞行轨迹

图1给出了3月17日进行云微物理探测的飞行路线。从图中可以看出，探测主要集中在俄克拉荷马州境内。17:15:50从美国南部大平原观测站出发，17:27:50飞至探测区，探测高度为883 m，位于36.9°N, 97.2°W的位置。全程共计3小时14分钟，沿途经过拉蒙特（36.7°N, 97.5°W）和布莱克维尔（36.8°N, 97.4°W）等地。20:29:50飞至256 m，位于36.4°N、97.1°W的位置，数据记录结束。

图1 飞行路线示意图

图2给出了飞机在飞行过程中的高度变化。从图中可以看出有11个平飞过程，本文将选取其中两个平飞的过程进行分析。选取的第一个平飞的过程是：18:12:37-18:14:17，共计40 s，平均飞行高度为1460 m；选取的第二个平飞的过程是：20:19:00-20:26:26，共计506 s，平均飞行高度为860.5 m。3月17日的飞行探测中，飞机最大高度可达6726 m，云内最低温度-25°C。在整个探测过程中，云内温度随高度的递减率为0.5/100 m。有少量降水，云顶之上空气的温度为-5°C，相对湿度为61.6%，水汽混合比为2.5 g/kg。

图2 飞行高度随时间的变化

3 云微物理特征分析

云微物理量的探测和研究非常重要，它不仅为气候模式提供初始场，也为模式的改进提供更准确的基础参数。层积云内部微物理结构的观测分析是了解层积云动力学过程的重要手段。云粒子数浓度、粒子尺度、云滴液态含水量等微物理量都是描述云微物理特性的重要参数。本文中各微物理量的计算方法如下：

数浓度：

平均半径：

含水量：

体积平均半径：

最大直径：

标准差：

离散度：

3.1 微物理量随时间的变化

图3是层积云探测过程中两次平飞过程中数浓度、液态含水量、平均半径、体积平均半径、最大直径、标准差和离散度这七个微物理量随时间的变化曲线，结合宏观观测资料，对微物理量变化特征进行分析。

此次飞机观测过程中，两次平飞过程的云粒子数浓度大约相差一个量级，变化范围差异很大，第二次平飞经过的云层可能含有较多的云凝结核。第一次平飞过程中数浓度的最大值为89.4 cm^-3，最小值为10.4 cm^-3，平均云滴粒子数浓度约55.3 cm^-3；第二次平飞过程中云滴数浓度的最大值为4.61×10² cm^-3，最小值为88.1×10² cm^-3，平均云滴粒子数浓度约1.86×10² cm^-3。第一次平飞过程探测的数浓度曲线存在一定的起伏，明显看出两端数浓度小，中间数浓度大，可能是因为中间时刻飞机经过云的中心位置。第二次平飞过程探测的数浓度曲线较为均匀，有少数波动。两次平飞过程的数浓度基本在10-150 cm^-3的范围内。

层积云云滴的平均半径较高积云为大，约为6-10 μm。由于这类云的厚度有限，上升气流缓慢，经过的路程短，所以层积云中的水汽凝结有限，产生的降水强度小。如果云滴平均半径超过10-12.5 μm，云内可能有水滴下降，碰并其他水滴增大，形成毛毛雨。观测当天，有少量降水，图3(b)中第一次平飞过程的平均半径随时间有微微增大的趋势，说明在选取的第一次平飞过程之后可能会产生微量降水。而第二次平飞过程中的平均半径随时间变化较不均匀，有较大起伏。第一次平飞过程中，平均半径的平均值为7.84 μm；第二次平飞过程中的平均值为7.19 μm，两者差异不大。因为第二次平飞时的高度比第一次要低，所以云滴的尺度与第一次相比也较小。云粒子的浓度较高时，云滴的尺度反而变小。

与第一次相比，第二次平飞过程中的液态含水量较高，两次平飞过程中所探测到的液态含水量基本处于同一量级。第一次平飞过程中中间时段的液态含水量和第二次相差不大，但两端的液态含水量存在起伏，有较大差异。第一次平飞过程中，液态含水量的最大值为2.08×10^-1 g m^-3，最小值为2.13×10^-2 g m^-3，平均液态含水量为1.41×10^-1 g m^-3；第二次平飞过程中，液态含水量的最大值为7.03×10^-1 g m^-3，最小值为1.43×10^-1 g m^-3，平均液态含水量为3.5×10^-1 g m^-3。两次平飞过程中，云层中的液态含水量出现极值的高度和图(a)中数浓度出现极值的高度相对应。从图3(a)和图3(c)可以看出，第二次平飞过程中的液态含水量和数浓度较第一次平飞过程明显偏大，这可能是因为第二次平飞过程更接近云的中心位置，夹卷气流对云层内部的稀释作用小。

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