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Numerical Simulation and Flight Observation of Stratiform Precipitation Clouds in Spring of Shanxi Province
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摘要: 采用中国气象科学研究院 (CAMS) 中尺度云参数化模式对2010年4月20日山西省一次春季层状降水云系的宏微观结构，特别是垂直方向上的微物理结构进行了数值模拟和分析。利用携带云粒子探测设备的飞机对该次层状云系进行了两次云物理探测飞行，并将飞机探测所获取的数据和图像资料与数值模拟结果进行了对比研究。模拟结果显示：该次降水过程以层状冷云降水为主，云中过冷水含量丰富，云系存在明显的3层结构，地面降水主要来自于云中高层冰晶、雪、霰等冰相粒子的融化和低层云水的转化。数值模拟与飞机探测对比分析显示，高空温度、湿度和高度的配置两者基本一致，数值模拟不同高度的云粒子相态、垂直方向云水比含水量与飞机探测获取的云粒子图像和云液态水含量的垂直结构基本吻合，但数值模拟的云中各种水成物粒子出现的高度较飞机探测偏高。Abstract: The CAMS meso-scale cloud model is introduced and operationally applied since 2009 in Shanxi Province. The macro and micro structure of stratiform precipitation clouds, especially the vertical micro-physical structure are simulated and analyzed for a spring stratiform precipitation process in Shanxi Province on 20 April 2010 using the model. Two cloud physical detection flights are carried out by using weather modification plane with equipments of droplet measurement technologies (DMT) in the same place during the same period of the day. The data and images from flight detection and results of numerical simulation are compared and studied. Simulation results show that the precipitation process mainly comes from cold stratiform cloud. The cloud contains a lot of supercooled water, and the thickness of the rich supercooled water layer is about 4000 meters. The temperature of the supercooled layer is about 0 to-40℃, and the ratio content of the supercooled cloud water is about 0.1—0.7 g·kg-1 with some ice crystals distributed unevenly. The structures of stratus precipitation cloud can be roughly divided into three layers. The first layer (upper layer) is mainly composed of ice crystals; snow, sleet and supercooled cloud water are mixed in the second layer (middle layer); and the third layer (lower layer) is mainly of liquid raindrops. The vertical distribution and the transformation of different hydrometers in different stages of the precipitation are analyzed. The precipitation mainly comes from the melting of the ice phase particles such as ice crystals, snow, sleet and the transformation of liquid cloud droplets. Comparison of the numerical simulation results and the plane observation shows that the temperature and altitude relationship are in good agreement. The simulated vertical structure of the different cloud particles phase and the vertical distribution of the cloud liquid water ratio content are nearly the same as the vertical distribution of different cloud particles images and the cloud liquid water content of the flight detection. The difference is that the simulated height where various hydrometeors appears is higher than the actual flight detection.
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图 1 2010年4月20日09:00(a) 和20:00(b) 垂直积分云水分布
Fig. 1 Vertical integrated water distribution at 0900 BT (a) and 2000 BT (b) on 20 April 2010
图 2 2010年4月20日09:00(a) 和20:00(b)500 hPa云水分布 (阴影)
(红色等值线代表温度，单位：℃)
Fig. 2 500 hPa cloud water distribution (shaded) at 0900 BT (a) and 2000 BT (b) on 20 April 2010
(red isoline denotes temperature, unit:℃)
图 3 2010年4月20日09:00(a), 12:00(b), 20:00(c)500 hPa冰晶数浓度分布 (阴影)
(红色等值线代表温度，单位：℃)
Fig. 3 The number concentration distribution (shaded) of 500 hPa ice crystals at 0900 BT (a), 1200 BT (b) and 2000 BT (c) on 20 April 2010
(red isoline denotes temperature, unit:℃)
图 4 2010年4月20日12:00(a), 15:00(b), 16:00(c), 18:00(d) 山西省汾阳站上空水成物粒子分布
Fig. 4 Vertical distribution of hydrometeors over Fenyang Station of Shanxi Province at 1200 BT (a), 1500 BT (b), 1600 BT (c), 1800 BT (d) on 20 April 2010
图 5 2010年4月20日12:00(a), 15:00(b), 17:00(c), 21:00(d) 文水站上空各种水成物粒子分布
Fig. 5 Vertical distribution of hydrometeors of Wenshui Station at 1200 BT (a), 1500 BT (b), 1700 BT (c), 2100 BT (d) on 20 April 2010
图 6 2010年4月20日第1次飞行机载CIP探测到的云粒子图像 (a) 和机载PIP探测到的降水粒子图像 (b)
Fig. 6 Cloud particle images of CIP (a) and raindrop particle images of PIP (b) during the first flight on 20 April 2010
图 7 2010年4月20日11：00汾阳站上空 (a) 与12：00文水站上空 (b) 的各种水成物粒子分布模拟结果
Fig. 7 Simulated vertical distribution of the hydrometeors at 1100 BT over Fenyang Station (a) and 1200 BT over Wenshui Station (b) on 20 April 2010
图 8 2010年4月20日第1次飞行时段内云中液态水含量 (a) 与云粒子数浓度的垂直分布 (b)
Fig. 8 Vertical distribution of the CDP-LWC (a) and the number concentration of cloud particles (b) during the first flight on 20 April 2010
图 9 2010年4月20日第2次飞行机载CIP探测到的云粒子图像 (a) 和PIP探测到的降水粒子图像 (b)
Fig. 9 Cloud particle images of CIP (a) and raindrop particle images of PIP (b) during the second flight on 20 April 2010
图 10 2010年4月20日16：00(a) 和17：00(b) 汾阳站上空各种水成物粒子分布模拟结果
Fig. 10 Simulated vertical distribution of hydrometeors over Fenyang Station at 1600 BT (a) and 1700 BT (b) on 20 April 2010
图 11 2010年4月20日第2次飞行时段内云中液态水含量 (a) 与云粒子数浓度的垂直分布 (b)
Fig. 11 Vertical distribution of the CDP-LWC (a) and the number concentration of cloud particles (b) during the second flight on 20 April 2010
表 1 2010年4月20日两次飞行飞机探测与数值模拟温度、高度对照表
Table 1 The temperature and height contrast references of the two-flight detections and numerical simulation on 20 April 2010
层次 第1次 第2次 飞机探测 数值模拟 飞机探测 数值模拟 0℃层 3075~3102 m 3100 m附近 2981~3130 m 3100 m附近 -5℃层 4234~4337 m 4300 m附近 4503~4565 m 4500 m附近 -10℃层 5600~5633 m 5600 m附近 5750~5782 m 5600 m附近 
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