三参数冰相云微物理方案的构建及在单柱大气模式中的应用

云微物理的参数化对天气及气候的准确模拟至关重要,其中云粒子谱分布特征通过改变云演化发展和云辐射效应,必然进一步影响气候模拟.目前广泛使用的双参数云微物理方案,无法预报云粒子谱分布的谱形参数,阻碍了气候模式对云物理过程的准确描述.鉴于此,本文在单柱大气模式SCAM5.3(Single Column Atmosphere Model,Version 5.3)中增加雷达反射率因子的预报方程,构建了三参数冰相云微物理方案,实现了冰晶粒子谱分布谱形参数的预报.利用该模式,模拟了大气辐射观测计划在1997年夏季实施的为期29 d的观测个例(ARM97),分析了双、三参数方案对云量和辐射的模拟差异.结果表明:首先,三参数方案预报的冰晶粒子谱的谱形参数主要集中在0～4,峰值在2左右,至少有85%的μ都大于默认的0.其次,与双参数方案相比,三参数方案对云量的模拟更接近观测;利用辐射通量密度的观测值进行评估,发现无论是短波还是长波辐射通量密度,三参数方案的误差都比双参数方案小.最后,揭示了三参数方案对云量和辐射模拟效果的改进机理:主要是因为三参数方案减弱了冰晶到雪的自动转化过程,增强了冰晶凝华增长过程,从...     

一片云的重量

一一” 一片云的重量就是云中所包含水滴(或者冰晶)的重量。水滴的含\、1 量因云的类型而异。积云的含水量为每立方米0.2～l克;高积云的含水 l 量为每立方米0.2～0.5克;层云或层积云的含水量为每立方米0.1~0.5 l 克;两层云的含水量每立方米可达15克。例如,一片1平方米的积云, l 不是特别大,如果按每立方米平均含水量为0.2克计算,其重量为200 1 吨。这时,有人可能要问:为什么一个如此重的云团仍然能悬在空中, f 不会落到地上来呢?这主要是由于上升气流的作用。因为云中的小水 I 滴的直径为0.01毫米,它向地面自然下落的速度是每秒0.5厘米。这…     

星载Ku,Ka和W三频雷达探测云雨三维结构模拟仿真

对星载Ku, Ka和W波段微波雷达联合观测中纬度陆地气旋、热带台风和热带洋面气旋个例中云和降水的三维结构进行了模拟仿真.首先利用Weather Research and Forecasting(WRF)云模式模拟了个例中各种水凝物的时空分布,并利用Aqua卫星MODIS观测结果直接检验了中纬度陆地气旋个例模拟结果;然后将模拟结果作为输入,利用星载雷达模拟器计算了相应的雷达回波反射率因子,并利用CloudsSat卫星的W波段云雷达CPR实测信号对之进行了验证;随后利用该模拟数据研究了不同粒子雷达回波反射率的特点.最后假设Ku,Ka和W波段雷达的灵敏度分别为15, 5和-35 dBZ,定量研究了这3个波段在探测云顶高度、云底高度上的优缺点和误差大小.模拟结果证实随着频率的增高,水凝物粒子的雷达回波反射率因子减小.非降水云水和云冰粒子回波明显弱于降水和降雪粒子,一般很难被Ku和Ka波段星载雷达观测到.研究发现W波段雷达对云顶的探测误差一般很小(不到30 m),而Ku,Ka雷达对云顶的探测误差可达数千米.对云底探测而言,W波段雷达可以有效穿透低层液态水含量低的天气系统,但对强降水天气系统云底探测误差较大;Ka波段雷达在台风眼壁云墙附近的强降水区也会出现较大探测误差;而Ku波段雷达云底的探测误差都较小.     

积云参数化方案的发展和改进及其在季节气候预测模式中的应用

在研究英国气象局的Gregory积云参数化方案特征的基础上, 根据我国区域降水的特点, 发展和改进了Gregory积云参数化方案. 首先, 在总体云群模式中, 直接考虑了低层大尺度辐合对积云对流的影响, 即在云模式中, 加入了有组织的卷入和卷出; 其次, 调整了积云对流初始的质量通并考虑了过冷水存在对饱和水汽压的影响; 最后, 调整了向下拖曳气流的强度. 在改进Gregory积云参数化方案后, 对我国近年来典型年份的夏季降水进行了预报实验, 结果表明: 发展和改进后的Gregory方案能较好地模拟出我国的降水形势, 取得了较好的预报效果.     

“雪弹子”是怎么形成的?

<正>冰雹俗称"雪弹子",是从积雨云中降落下来的小冰球。而能够产生小冰球的积雨云叫冰雹云。最初的冰雹云和下雷雨的积雨云一样,是由水滴、雪花、冰晶混合组成的。一旦遇到较强的上升气流,气流就会把冰雹云底部的水滴、雪花、冰晶混合物送到云的中上部,形成过冷水滴。之后,过冷水滴又再次跟冰晶、雪花碰撞在一起或者自然冻结,形成冰雹"胚胎"。此时的"胚胎"表面已经形成了一层最原始的不透明冰。不过,当上升气流减小,"胚胎"表面的一部分     

环北京春季大气气溶胶分布、来源及其与CCN转化关系的飞机探测

利用2009年春季开展的"环北京云观测试验"(Beijing cloud experiment,BCE)观测的气溶胶和云凝结核(CCN)数据,研究了试验期间大气气溶胶的分布、来源特征及其与云凝结核(CCN)的转化关系.结果表明,高浓度气溶胶基本分布在4500 m以下的区域,量级可以达到103个/cm3.4500 m以上气溶胶呈显著下降趋势,仅为101个/cm3的量级;气溶胶平均直径在0.16~0.19μm之间.4500 m以下气溶胶平均粒子谱呈双(多)峰分布,而在4500 m以上基本为单峰分布.受气溶胶的来源特性差异的影响,在0.3%的过饱和度下,4500 m以下气溶胶转化为CCN比例不到20%,但在4500 m以上可高达近50%.气团移动轨迹显示,4500 m以上的大气高层均受到来自沙尘等较大尺度粒子的影响,飞机观测的高CCN浓度说明这种较大尺度气溶胶粒子可溶性较大.而4500 m以下的低层,由于受到局地或区域地面污染的影响,气溶胶的尺度较小,核化为CCN的过饱和度要求较高,因此气溶胶到CCN的转化率低.本文建立了气溶胶浓度和CCN浓度的拟合关系.     

非受限条件下二维冰的形成及生长机制

受限和界面水/冰在自然界中无处不在,在岩石断裂、摩擦和纳米流体等领域发挥着重要作用.纳米级高度受限的环境可以破坏水中氢键网络,从而增加二维水/冰的可能多晶型物的数量.然而近期许多研究揭示了在不需要纳米级限制的情况下也可以形成二维冰的可能性,比如在石墨烯、Pt(111)表面、Ru(0001)衬底和Au(111)表面上都观察到二维双层六角冰(bilayer hexagonal ice, BHI)的生长.本文综述了非受限条件下,二维冰形成和生长的理论研究进展,着重阐述表面浸润性以及表面结构对二维冰形成所起的关键作用.在非受限条件下, BHI冰岛锯齿形边缘通过集体桥接机制生长.相比之下,扶椅形边缘的生长涉及局部播种和边缘重构.在应用方面,这种BHI的存在可以决定冰晶在亲水表面的取向,进而控制冰晶在表面的生长模式.     

砧状积雨云发展的一个动力学分析

对流云当它发展成熟时,云顶经常出现砧状而成为砧状积雨云。目前有观测表明,砧状积雨云可以是暖云。本文将对砧状结构出现的机制作一个动力学的分析。在轴对称圆柱座标中,积云动力学方程组可以近似地写成下面的无因次形式:     

图行天下

羽毛云 该图片摄于2000年2月6日日落时分的以色列杰瑞谷。照片中部美丽的卷云看起来就像是飘在傍晚天空中的羽毛。卷云有时被称作“羽毛云’或”马尾云”,通常由六角形的冰晶构成,距地面高度一般在6000多米。注意太阳两边的幻日,它因卷云而变得模糊。     

云的非均匀性对双向反射率的影响

应用SHDOM模式对选自供国际比对的I3RC PhaseⅡ的积云场与层积云场计算了其0.67及2.13 μm的天底方向的双向反射率, 探讨了云的非均匀性对双向反射率(BRDF)的影响. 数值模拟结果表明, 随着太阳天顶角的增大, 积云场有约6%的格点的0.67 μm的BRDF值出现>1的异常值. 进一步分析表明, BRDF值异常聚集出现于云顶的局地低谷. 这些区域既可以受到太阳的直射, 也可以接收到邻近较高的云的散射辐射, 从而造成该区域的散射辐射增强. 这说明云的非均匀性有可能造成卫星的观测值出现与平面平行辐射传输理论不相符的状况, 提示高分辨率的卫星资料的像素点的辐射值可能会因云非均匀性的影响而被增强, 对应用其反演的产品要有清醒的认识. 中高纬度地区的优势太阳天顶角均较大, 云非均匀性对于这些区域的反演结果的影响更大.     

低温冰晶表面臭氧耗损速率

南极上空春季臭氧耗损很显著,形成“臭氧洞”.大气臭氧气相反应过程不能阐述臭氧洞的产生现象,低温下气相反应,无力解释臭氧的快速损耗.Solomon,Rowland等提出大气中非均相反应可能对臭氧的破坏起重要作用.发生非均相反应需要有颗粒物存在,极地上空平流层云的形成提供产生非均相反应的条件.在南极上空冬季和春季有三种类型的极地平流层云,Ⅰ型颗粒物是由三水合硝酸(NAT)组成,形成温度约为197K;Ⅱ型颗粒物主要成分是水,在约187K形成;Ⅲ型平流层云由珠母云组成.在这些颗粒物上发生的非均相反应将使非活性的储库化合物转化为活性氯,由此导致臭氧急剧下降并产生高浓度的C10.因此研究在冰晶上的非均相反应是大气臭氧耗损过程研究的热点课题。 臭氧在冰晶表面的耗损有两种方式:(1)在冰晶表面发生化学反应,破坏臭氧;(2)臭氧在冰晶表面发生吸附作用.当冰晶蒸发后,臭氧又能释放出来.本工作试图测定臭氧在冰晶上的耗损速率,以后再逐步研究所发生的化学过程和吸附过程。     

淡积云中夹卷混合机制的参数化及二次混合的影响

<正>夹卷混合过程影响着低云中降水的形成、气溶胶间接效应的评估、低云和气候之间的反馈以及雷达遥感云水含量的准确度.淡积云中夹卷混合过程的参数化对改进大尺度模式中云的参数化方案是至关重要的,但目前仍处于起步阶段.本文利用淡积云的飞机观测结果,对夹卷混合过程的参数化进行探索,并利用显式混合气泡模式(EMPM)进行数值模拟研究.2009年1月22日至6月30日,美国大气辐射观测项目组在美国南部大     

SACOL站冰云微物理特性的反演

冰云是全球分布范围最广的云类型之一,对地气系统的辐射收支有重要作用.本文利用兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)Ka波段毫米波云雷达(KAZR)2013年8月至2014年7月的观测数据,结合微脉冲激光雷达(MPL)观测数据,分别使用传统经验算法、考虑温度订正的反演算法和KAZR-MPL联合反演算法,反演了冰云的冰水含量和有效粒径两个微物理量,形成了云微物理量的反演数据产品.在此基础上对SACOL站上空云微观特性进行了统计分析,并进一步结合Fu-Liou辐射传输模式,模拟了冰云在大气层顶处对长短波辐射通量的影响,与CERES卫星观测的辐射通量值进行比较,用以评估不同冰云微物理量的差异对辐射所造成的影响.结果发现:SACOL站冰云主要出现在2～14 km的范围内,在7 km处出现频率最高,达到13.02%; 3种云微物理方法反演的冰水含量相差不大,均呈现单峰型分布,概率密度最大处的冰水含量集中在10~(-3)g/m~3左右,而有效粒径的谱分布呈现出较大差异, KAZR-MPL反演算法模拟的冰晶粒径普遍偏大,也正是由于这种差异,造成了对大气层顶的短波辐射通量模拟的偏差.而各种算法对于大气层顶出射的长波辐射模拟效果远好于对短波的模拟,平均误差为5.04%,相关系数均大于0.6,而模拟效果较差的部分,主要存在于光学厚度较薄的个例当中.     

利用KAZR云雷达对SACOL站云宏观特性的研究

云是气候系统中最为重要的因子之一,对地气系统的辐射收支有显著影响.然而由于云在气候模式中的表征和反馈作用不能很好地被描述,因而也是造成气候预测存在较大不确定性的重要因子.兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)于2013年7月引进了Ka-Band Zenith Radar(KAZR),在西北干旱区进行云的长期连续观测.本文利用云雷达观测数据,首先实现了目前ARM用于云检测的业务算法.在此基础上对2014年SACOL站上空云宏观特性进行统计,初步分析了云底、云顶和云厚的分布变化,结果表明:云底在1.5和5.5 km处出现频率最高,云顶发生频率在2.5和8.5 km处达到峰值;67%的云层厚度分布在2 km以内;月平均总云量的发生频率为44%~76%,低云、中云和高云的发生频率分别为13%,30%和34%;单层云、双层云和三层云占到云总数的98%,其中夏秋季节多层云发生频率较高;各个季节不同类型的云都具有一定的日变化特征;通过KAZR与Cloud Sat和CALIPSO卫星的观测比对,结果表明Cloud Sat对厚云的穿透性好,但无法探测到反射率因子低于?30 d BZ的弱云,CALIPSO对弱云最敏感,但信号受云滴粒子衰减较快,对于厚度较大的云探测的云底高度偏高.     

我国重酸雨地区云水化学观测研究

云化学是环境科学和大气化学的重要组成部分,云水化学的观测研究愈来愈受到重视.本文介绍我国重酸雨地区云水化学观测结果及讨论.云水取样以飞机作为采样平台,采样器为自制被动棒槽式取样仪,采样方法如文献.观测对象主要是降水性层状云,取样高度一般为1～4km. 1 云水酸度 各地区云水酸度观测结果如表1.(1)各地云水酸度变化范围较大,都在1个pH单位以上,有的竟达3.5个pH单位;平均值差异却不大,除1985年重庆之外,相差不到1个pH单位(3.86～4.86);(2)我国重酸雨地区自1988年以后云水已普遍酸化,(?)<4.9.有的地区年际变化较大,如重庆地区由1985年的(?)=6.15酸化到1989年的(?)=4.56.     

宇宙起源的新假说——线绳理论

几年前,当粒子物理学家把他们的统一场论用到“大爆炸”假说上时,引出了一些对宇宙早期模式相当奇怪的见解。有些物理学家推测,“大爆炸”造成了许许多多的磁单极子,至今它们可能仍在宇宙中游荡;有些物理学家则依靠大量的微黑洞来解释“大爆炸”后的状态;也有一些物理学家大谈由夸克和胶子构成的“宇宙汤”;另有一些物理学家惊呼,我们的宇宙可能只是一个单泡,它被包容在更加巨大的、处于无限变化的其他宇宙泡中。现在又出现了一种新假说:宇宙中有许多“线绳”。“线绳理论”的创始人之一是图夫茨大学的亚历克斯·维莱金。据他的解释,“大爆炸”产生的力可     

快速融冰背景下北冰洋夏季表层海水CO_2分压的变异假设

近几年来,夏季北冰洋融冰出现明显加快的态势.融冰过程引起了表层海水CO_2浓度的变化,在2008年中国国家北极科学考察(CHINARE)航次通过深入到88°N的北冰洋中心区的170°W断面观测,发现表层海水中CO_2在冰覆盖下,融冰区和融冰后开阔水域等不同状况下出现了明显的变异性.针对所观测到的表层海水二氧化碳分压(pCO_2)变异性现象,我们提出了北冰洋快速融冰情景下的表层海水pCO_2变异的"低-低-高"假设,即海冰覆盖下的海水是"低"p CO_2,刚融冰的海水是"低"pCO_2,而融冰后的开阔海水会出现"高"pCO_2.出现这种"低-低-高"pCO_2变异现象是由不同驱动过程引起的.冰覆盖下海水低pCO_2,控制因素可能是水体受到不同水团的混合过程、温度变化、冰-水CO_2交换和生物冰藻微吸收CO_2过程控制,其主要诱因还需要进一步探索;现场观测表明刚融冰时海水的低pCO_2主控因素可能是生物的CO_2吸收,以及CaCO3溶解共同作用;而融冰后开阔海水的高CO_2已被论证为由于大气中CO_2快速进入海水和水体增温引起的.     

澳大利亚科学家发现"抗冻基因"

澳大利亚科学家最近发现了一种“抗冻基因”,这种基因使南极地带的草在-30℃的条件下仍可以存活。科学家们说,这种基因可以避免霜冻给农作物造成高达数百万美元的经济损失。维多利亚州拉特罗布大学的研究人员说,这种基因是在成功移植到南极半岛的名为南极发草的一种盐草中发现的。研究人员确认了这种新型基因蛋白,其结合力是普通基因蛋白的两倍,可以阻止冰晶的扩大,避免冰晶造成的损害。科学家们将这“抑制冰再结晶基因”导入澳大利亚的一种本土植物体内,于是这种植物也具备了防冻特性。目前,研究人员已经弄清楚了这种基因的防冻原理,因此可…     

洁白的雪花飞满天

又到了雪花飘飘的季节。亲爱的朋友，当你在欣赏那漫天飞舞的雪花时，可曾问过，雪花是如何形成的，雪花的结构又是怎样的呢？在显微镜下，可以发现雪花实际上是由许许多多的冰晶构成的。当气温降低时，大气层中的水分如果遇到尘埃，就会凝结成冰晶。因此，冰晶实际上是穿着冰外套的尘埃。凝结成冰晶后，由于密度变大．冰晶落向地面。在下落的过程中，原先零散的冰晶聚集在一起，这样就形成了雪花。分析表明，每片雪花实际上是由2到200个冰晶构成的。很久以来，冰晶的形状就是人们感兴趣的研究内容。最早系统地进行这方面研究的当属美国的本…     

磁云边界层中等离子体波的Wind飞船观测

根据Wind飞船上工作频率在4~256 kHz的热噪声接收器(TNR)的等离子体波和相关太阳风与磁场的观测资料, 我们分析了60余个磁云边界层样本中的等离子体波活动, 首次发现磁云边界层(BL)中常常存在不同于邻近太阳风(SW)和磁云体(MC)中的、丰富多姿的等离子体波活动. 它的一些基本特征是: 在电子等离子体频率(f_pe)附近的朗缪尔波增强是磁云边界层中最占优势的一种波活动, 约占总样本数的75%; 朗缪尔波和频率f < f_pe的离子声波活动都增强的事件, 约占所研究样本的60%; 也在一些边界层中于热噪声接收器整个频段内观测到一种宽频带的等离子体波活动增强现象, 约占研究样本的30%, 这在研究样本中的邻近太阳风和磁云体中没有观测到; 此外, 分析还揭示, 电子与质子温度比T_e/T_p≤1时还常能在磁云边界层中观测到离子声波增强活动, 传统的等离子体理论遇到了解释上的困难. 文中的新结果进一步说明磁云边界层是一种重要的动力学结构, 它将对了解磁云边界层物理提供重要的诊断, 也为发展空间等离子体波理论开拓新的空间.