积云中微物理量的飞机观测研究

论文总字数：19353字

目 录

中文摘要 1

英文摘要 2

引言 3

1数据和仪器说明 5

2结果与分析 8

2.1积云内各微物理量垂直分布 8

2.2积云内各微物理量水平分布 9

2.2.1飞机平飞过程积云内各微物理量与垂直上升速度的关系 9

2.2.2飞机平飞过程中积云内各微物理量时间演变特征 12

3结论与讨论 14

参考文献 16

致谢 18

积云微物理特征的飞机观测研究

陈俊

，China

Abstract：This paper analyses the microphysical characteristics of non-drizzling cumuli over the Southern Great Plains site US in June 26, 2009 obtained during the RACORO field campaign. The results show that the particle radius on the bottom layer of cumulus is smaller than that on the upper layer, and the liquid water content (LWC) increases with height, the maximum content of liquid water occurred on the upper layer of cumulus. When the plane flying in a horizontal line, the data exhibit a positive correlation between vertical velocity and the concentration number of cloud particles, which is similar to the relationship between the vertical velocity of the air and the LWC. The figures also show a negative correlation between the vertical velocity and the standard deviation, relative dispersion (the ratio of standard deviation to mean radius). The spectral width and peak diameter of the cloud particle spectrum do not change with time, spectral type is unimodal, the spectral width is about 10 μm, the greatest concentration number of cloud particles decreases with time after increases with the time to the maximum value. The relationships between the cloud microphysical characteristics are complex, such as the variation in the liquid water content is directly related to fluctuations of the concentration number of cloud particles and vertical velocity, the particle radius is mainly related to the concentration number of cloud particles under certain LWC and so on. As is shown in this paper we can see, the complex relationships may be responsible for the cloud microphysical structure changes.

Key words：cumulus; microphysical characteristics; aircraft observation引 言

当前，云在全球变暖、天气预报以及人工影响天气等热门研究中具有重要的研究意义^[1,2]。由于云形成和发展过程的复杂性和不易观测性，云微物理特征变化的模糊性是目前阻碍云数值模拟中云精确参数化以及云在全球变暖中的具体作用等相关研究发展的重要原因。

随着现代科学技术的迅速发展，有关云的主动观测和被动遥感观测技术也在不断进步和发展，其中卫星云图、雷达回波、微波辐射计、毫米波雷达、机载观测等对云的观测技术都得到了长足的发展，尤其在地基雷达探测（云雷达、偏振雷达等）、机载探测和卫星遥感探测方面取得了明显进步^[2]。众多研究组织也相继开展了许多有关卫星遥感反演云微物理参数的研究工作，如云粒子有效半径、云光学厚度等；在卫星Mereosat-8被气象组织成功发射后，Kazuaki Kawamoto^[3]根据该卫星中3.9 μm通道的观测数据，研究了能够计算出较小云滴粒子的有效半径反演算法。周蔬荃等^[4]运用我国的FY-2C/D卫星观测资料，基于卫星反演算法，融合其他多种观测资料，整合总结了多种反演云微物理参数的算法。当前，测云雷达主要被应用于计算云内粒子半径和云水含量的大小；早在20世纪50年代毫米波测云雷达就已开始被研制，它所探测得到的云结构更为准确和精细;在观测非降水云方面，毫米波雷达较激光雷达也具有更为明显的优势^[5-7]。目前，PMS粒子测量系统是能够对云内粒子进行全方位观测的机载专用设备，该系统是可直接利用飞机进行云物理观测和人工影响天气作业条件识别的重要技术。PMS系统早在1970-1979年期间就已被国际上的相关研究组织所应用，在此之后，该系统才逐渐被应用到我国的一些观测计划当中^[8]。

目前，国内外已开展众多有关积云微物理特征的观测研究。积云中，淡积云云滴比较小，算术平均半径为5 μm，谱型呈非对称单峰型；浓积云云滴最大，由于云内空气上升运动的作用，底部的单峰型谱型在中部会被拓宽，云滴谱将会出现多峰型。积雨云相对其他积云云滴谱较宽，其谱型多为双峰和多峰型。刘贵华等^[9]利用东北夏季一次NOAA-16极轨卫星多光谱资料，对大陆性、过渡性以及海洋性积云微物理特征分别进行了分析，研究表明，大陆性积云云底云滴有效半径较小，其尺度主要在5-15 μm之间；近海地区形成的积云，云底云滴有效半径相对较大，约为12 μm，云内粒子碰并作用较强，晶化增长起始温度在-15-20℃之间；海洋上空形成的积云云底的云滴有效半径最大，约为22 μm。肖辉等^[10]的研究表明，大陆性积云和海洋性积云云滴谱谱宽都随高度变宽，峰值半径随高度增大，峰值浓度随高度减小，但在云顶附近云滴谱将变窄，并出现双峰结构；其中大陆性积云云顶附近云滴谱两个峰值半径分别为 4 μm和10 μm，海洋性积云两个峰值半径分别为4 μm和15 μm。另外，云滴谱谱宽还受云内上升气流速度和液态水含量大小的影响，具体表现为当云内上升气流速度增大或液态含水量增加时，云滴谱谱宽也会有所增大。

积云降水对全球的水分收支具有重要影响，积云约提供了全球四分之三的雨水，汛期中如暴雨、雷暴、冰雹等众多灾害性天气都与积云的发生发展有关^[9]。积云的观测研究也一直备受相关学者们的关注。陈小敏^[11]对祁连山夏季积云云系发生发展的研究表明，在积云发展初期云内云水分布不均匀，多为冰、水混合层，云内各相态没有明显的分层现象；积云发展阶段，上升运动较强，在350-450 hPa高度上云液态水含量丰富，比含水量可超过0.7 g/kg，云中各相态粒子共存，并均匀混合分布在云中各层；积云消亡阶段，上升运动减弱，云水分布在250-400 hPa高度上，比含水量减少为0.05-0.3 g/kg，冰晶和雪的分布范围扩大，向霰的转化也增多，过冷雨水明显减少，由于霰的融化作用，雨水主要集中在0℃层以下。积云一般有两种降水过程，一是积云中部的水汽凝结之后会产生云水或冰晶，由冰晶转化形成的雪会进一步转化为霰，霰融化后产生降水的过程；二是云中的云水直接在云底降落或云中过冷雨水在上升过程中冻结转化为霰，霰融化后形成雨水的过程^[11]。当积云内水汽充足、空气对流作用旺盛时，会产生具有一定危害性的冰雹云。随着对流作用的不断发展，冰雹云内的云水和雨水也会有所发展，并都为先减后增的变化趋势。随着冰雹云的发展，云内过冷云滴的冻结和核化作用会形成冰晶，冰晶的数浓度也将一直处于增加趋势；随后，云内高层的冰晶会转化为雪团^[12]。

积云的辐射效应已被证明在气候变化研究方面具有最大的不确定性^[13]，云系内降水的形成过程和云的辐射效应都与云的微物理特征有关。云滴大小对降水形成具有最直接的影响，云滴下落速度和碰并速率很大程度上都取决于云滴大小，而在一定含水量下，云粒子大小主要由相应的云粒子数浓度决定^[14]，液态水含量的变化也将直接影响云粒子数浓度的变化^[15]。云系内云滴数浓度大小主要取决于云凝结核的有效性，由于气溶胶空间分布的差异性，云系内云滴数浓度也具有很大的空间变异性。也已有观测表明，云下积累模式的气溶胶和云滴数浓度变化具有很好的一致性，从大陆近岸到离岸1500公里都有所降低^[16,17]。气溶胶作为云凝结核，可直接改变云中云滴数浓度和云滴半径的大小，一般污染区中的云和薄云有更高的液滴数浓度以及相对较小的液滴半径^[17]。液滴数浓度的大小对上升气流的强度、垂直速度的大小变化也很敏感^[14]，随着垂直速度的增加，液滴数浓度也会有所增加^[18,19]。不同大气背景条件下所形成的中层混合相云，由于不同环境中地形、温度和大气成分的不同，所产生的云的宏微观特征也会有所不同，如海洋性层积云和积云与大陆性层积云和积云、浅层对流云和深层对流云的微物理结构就存在明显的差异，干净环境中形成的云系相对于污染区形成的云系云滴浓度低，初始液滴谱也较宽^[9,10,20]。

积云作为重要的云降水研究对象，不仅影响着人工影响天气作业的发展，在气候和环境方面也有着重要的研究价值^[1,14,15,21]。本文拟根据ROCORO一次积云微物理飞机观测资料，分析美国2009年06月26日一次非降水积云微物理特征。本文将主要从积云中各微物理量（粒子数浓度、平均半径、液态水含量、体积平均半径、半径离散度、半径标准差、最大直径）的概率密度分布、垂直分布、水平分布等方面，对这次积云内各微物理量垂直和水平变化特征进行综合分析，并进一步明确积云内各微物理量之间的相互关系，如飞机平飞过程中，气流垂直上升速度与积云内液态水含量和粒子数浓度之间的直接关系，以及积云内粒子数浓度、含水量和粒子大小之间的间接关系等，并与国内外已有的相关研究结果进行对比，以期进一步了解积云内各微物理量的变化特征和相互影响的规律，为后续积云微物理特征观测、模拟与分析等研究提供一些参考。

1. 数据和仪器说明

本文所用数据来源于ROCARO的观测结果，ROCORO中一个跨学科遥控飞机研究中心（CIRPAS）曾用飞机对云、气溶胶、辐射以及大气状态参数进行了综合测量^[22]。此次观测历时5个月（2009年1月22日至6月30日），共用了59个航班收集了260小时的数据来研究大陆边界层云及其环境，其中有29个航班对云进行了采样。飞机在云层多个层次上飞行时云的液滴尺寸分布由云和气溶胶光谱仪测量，可探测粒子半径为0.29-20 μm，采样频率为10 HZ。只有当粒子仓平均半径大于1 μm的粒子才被用来计算云滴数浓度（Nc）和液态水含量（LWC）。云成像探针（CIP）可测量的半径范围为7.5–782 mm，测定频率为1 Hz。风的垂直速度由装在飞机上的五孔探针测得。有关测量云微物理参数的仪器见表1。

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