层积云与积云中的微物理特征及其影响因子

发布时间：2021-05-19 15:48所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

摘要：美国大气辐射观测项目组进行的浅薄低云的光学辐射观测项目(RACORO)对出现在美国南部大平原的低云开展了为期五个月的观测，得到了大量层积云和积云中的数据。为了探究在层积云和积云中的微物理特征，采用伽马分布、对数正态分布、威布尔分布对微物理量

　　摘要：美国大气辐射观测项目组进行的浅薄低云的光学辐射观测项目(RACORO)对出现在美国南部大平原的低云开展了为期五个月的观测，得到了大量层积云和积云中的数据。为了探究在层积云和积云中的微物理特征，采用伽马分布、对数正态分布、威布尔分布对微物理量的概率密度分布进行拟合，分析对比层积云和积云中微物理量的特征，并探讨两种云云滴谱离散度的影响因子。结果表明，以上三种概率分布函数对层积云和积云中的微物理量的概率密度分布拟合效果很好，绝大部分总体拟合度达到了0.80以上。综合看来，伽马分布对层积云内的微物理量拟合效果最好，对数正态分布对积云内的微物理量拟合效果最好。对比层积云与积云中微物理量的分布差异得到，在积云中云滴数浓度更高，而云滴的平均半径更小;积云含水量、标准差和离散度与层积云相当。在云滴谱离散度的影响因子方面，层积云和积云中离散度与云滴数浓度、垂直速度呈负相关关系，这是因为垂直速度越大，过饱和度越大，云滴浓度越大，离散度越小;垂直速度减小往往对应着夹卷增强和云滴蒸发，从而导致云滴浓度减小和离散度增大。

　　关键词：层积云;积云;微物理;飞机观测

　　引言

　　在地球气候系统中，云在辐射能量收支平衡与气候变化过程中起着重要的作用(傅云飞和冼桃，2017;傅云飞，2018)。按照云出现的高度、外形和组成的相态特征以及形成的物理过程，可以将云系分为层状云和积状云(盛裴轩等，2003)。对于这两类云的研究，李照荣等(2003)、杨文霞等(2005)、范烨等(2010)利用粒子探测系统探测了中国不同地区的层积云，得到了云滴粒子的垂直、水平和谱分布特征，分析了云的微物理特征;Lawson和Blyth(1998)利用飞机观测资料，研究了热带地区发生在积云中的云滴冻结和降水发展过程;刘莹莹(2012)利用多普勒雷达资料和飞机穿云观测资料，研究了西风槽影响下山西省一次积层混合云的形成过程和微物理结构。

　　由于不同云系在微物理结构和形成降水的机制上有很大差别且缺乏对比研究，给数值模式中相关的微物理过程的参数化带来了巨大的挑战。层积云与积云在微物理量的分布特征及其影响因素上也存在差异。层状云在水平结构上微物理量的分布特征均呈现出较大的均匀性(李铁林等，2003)。

　　李淑日(2001)指出层积云在水平结构上含水量与云滴数浓度之间有较好的相关性，高的粒子云滴数浓度往往对应高的含水量区。同时，小粒子对含水量的贡献大，以平均直径小于20μm的小云滴为主。但在垂直结构方面云粒子浓度、平均直径、含水量随着高度的分布差别很大，有研究发现在层状云中，大云粒子的数浓度随着高度的升高而增多(李照荣，2003);但是张正国(2018)在对广西层状云的研究中发现了相反的情况。

　　此外，Zhao(2019)发现在层云的垂直结构上，云滴有效半径和含水量的廓线较为规律，但云滴数浓度的廓线特征规律相对较弱。在积云的研究方面，Deng(2009)利用飞机资料总结了北京地区在不同类型的云中微物理参数:云滴数浓度、含水量、有效半径的数值，并提出了更加精确的有效半径参数化公式。范烨(2010)、Lu等(2012)、Yang(2019)研究发现积云云滴数浓度与垂直速度有关，垂直速度的增加会导致云滴数浓度的增加。云滴谱的变化可以显著改变降水强度(Zhouetal.，2005)。

　　Zhao等(2018)利用在河北地区的飞机穿云探测资料得到气溶胶浓度与云滴有效半径成反比的结论。在对积云的模式研究(肖辉，1988a，1989b)中发现，云滴谱会随着高度变宽，峰值半径加大，峰值浓度减小;此外，该研究还发现，若低层环境空气的相对湿度较小，将不利于积云的发展和云滴的展宽，大气温度直减率过大也不利于云滴谱拓宽和含水量的增加。

　　在前人研究的基础上，本文利用高分辨率的飞机穿云观测资料，采用多种概率密度函数对层积云和积云中的微物理量进行拟合，对比分析层积云和积云中微物理量的分布差异，讨论这些差异背后的物理机制，分析在层积云和积云中不同因子对云滴谱离散度的影响，以期为改进模式中层积云和积云微物理的参数化方案提供参考依据。

　　1资料来源与研究方法

　　1.1资料来源

　　所采用的资料来源于2009年1月22日—6月30日美国大气辐射观测项目组在美国南部大平原进行的浅薄低云的光学辐射观测项目(RACORO)，该项目利用跨学科遥控飞机研究中心(CIRPAS)的科研飞机(TwinOtter)对云、气溶胶、辐射和大气状态参数进行了综合观测(Vogelmannetal.，2012)。在为期五个月的观测期间，飞机共飞行59次，进行了260次观测。

　　在这期间大气由干冷状态逐渐变为了湿热状态，经历了从冬到夏的转换。层云、层积云和积云是观测期间出现的三种主要云状，其中层积云在项目开始时出现得较多，积云在5月初开始出现。定义含水量大于0.01g·m-3为飞机穿云的阈值。在飞机测量过程中，低层水汽充足且没有大范围的降水或者零下温度。

　　此外，在项目期间35%~70%的云厚度为200~500m之间，云底最低高度为450m，云顶最高高度为3km。云滴数浓度的中位数范围为150~700cm-3，云凝结核的中位数的范围为75~800cm-3。云滴谱由云、气溶胶和降水粒子谱仪(CAPS，美国DMT公司)中的云气溶胶粒子谱仪(CAS)探头获得，仪器的分辨率为10Hz，对应于5m的空间分辨率(飞机的平均速度是50m·s-1)。

　　尽管CAS可以探测到半径0.29~25.05μm的气溶胶与云滴并将粒径分为20档，但是本文仅使用0.89~25.01μm之间的数据，这里只分析云滴部分(从第10档到20档，档的平均半径大于1μm)。根据CAS探测到的云滴谱信息，可以计算得到云内的液态含水量、云滴数浓度、平均半径、体积平均半径、有效半径等微物理量。垂直速度的测量是通过5孔阵风探头获得的。本文分析的层积云资料为2月6日、2月8日、2月26日、4月19日、5月6日;积云资料为5月22—24日、6月11日、6月19日、6月23日、6月24日、6月26日。

　　一方面，在云的核心，由于受到夹卷的影响较弱，云接近绝热，由于小云滴的半径增长速度大于大云滴(WallaceandHobbs，2006;杨军等，2011;朱磊等，2020)，所以云滴谱窄，离散度小。同时，夹卷弱对应着垂直速度大(Luetal.，2016)，而垂直速度越大，过饱和度越大，所以数浓度越大(Luetal.，2012);夹卷弱表明干空气导致的稀释蒸发作用弱，这也是导致数浓度大的另一个原因。

　　另一方面，在云的边界，夹卷强，稀释蒸发导致云滴数浓度减小，而且不同云滴在干空气中的蒸发情况不同，有的云滴蒸发得多，有的蒸发得少，导致云滴谱拓宽，离散度增大(Luetal.，2020)。同时，夹卷强对应着垂直速度减小，过饱和度减小，云滴数浓度也相应较小。

　　4结果与讨论

　　利用2009年1月22日—6月30日的飞机穿云观测资料，对层积云和积云中的微物理量概率分布进行了拟合，分析了层积云和积云中的微物理量的分布特征差异及其背后的物理机制，进一步探究了两种云中云滴谱离散度的影响因子。主要结论如下：

　　(1)对层积云和积云中微物理量的概率密度分布拟合结果显示，伽马分布、威布尔分布、对数正态分布的拟合结果均表现良好。在层积云的微物理量拟合效果上，伽马分布对LWC、Nc、rm、rv四个微物理量的拟合效果最好，威布尔分布对re、σ、ε的拟合效果最好;在积云的拟合效果上，伽马分布对LWC、Nc的概率密度分布的总体拟合度最高，而对数正态分布对rm、rv、re、σ和ε拟合效果最好。

　　(2)层积云和积云中微物理量对比结果表明，层积云与积云中的液态含水量相当，但由于积云中的垂直速度更大，因此积云中的云滴数浓度明显高于层积云和较小的平均半径。两种云的标准差和离散度相当。

　　(3)在层积云和积云中云滴谱离散度与云滴数浓度、垂直速度总体上都呈现负相关关系，主要是因为夹卷作用在云体的不同部位强度不同。在云的中心部位由于受到夹卷作用弱，垂直速度大，云滴数浓度大，并且小云滴比大云滴的增长得快，因此离散度变小。

　　气象论文投稿刊物：《应用气象学报》是由中国气象科学研究院、国家气象中心、国家卫星气象中心、国家气候中心、国家气象信息中心、中国气象局气象探测中心联合主办的大气科学综合性学术刊物，创刊于1986年。

　　在云的边界夹卷作用强，由于云滴蒸发稀释和垂直速度小的原因，云滴数浓度变小，不同大小的云滴蒸发情况不同导致离散度变大。本研究仍存在不足之处，由于所采用的的飞机观测资料受到区域限制，因此得到的结论可能仅使用于观测地区。若想要得到更加具有普适性的结论，还应该采用其他地区的观测资料进行相关的研究。

　　参考文献：

　　陈文选,王俊,刘文.1999.一次冷涡过程降水的微物理机制分析[J].应用气象学报,10(2):190-198

　　范烨,郭学良,张佃国,等.2010.北京及周边地区2004年8、9月层积云结构及谱分析飞机探测研究[J].大气科学,34(6):1187-1200

　　傅云飞,冼桃.2017.副热带高压中心区域内云和降水气候特征研究回顾与展望[J].暴雨灾害,36(6):489-497

　　傅云飞.2018.云-降水遥感研究现状及夏季东亚云-降水研究思考[J].暴雨灾害,37(6):493-501

　　李淑日,王广河,刘卫国.2001.降水性层状云微物理结构个例分析[J].气象,27(11):17-21

　　李铁林,雷恒池,刘艳华,等.河南春季一次层状冷云的微物理结构特征分析[J].气象,2010,36(9):74-80

　　作者：张屹，陆春松，张胜龙，朱磊，高思楠

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