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山西春季层状云系数值模拟及与飞机探测对比

李军霞 李培仁 陶玥 史月琴 晋立军

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山西春季层状云系数值模拟及与飞机探测对比

    通信作者: 李军霞, ljx22258@126.com
  • 资助项目: 国家自然科学基金项目 (40905059),公益性行业 (气象) 科研专项 (GYHY201306065,GYHY201206025),中国气象局小型业务项目 (1220200108)

Numerical Simulation and Flight Observation of Stratiform Precipitation Clouds in Spring of Shanxi Province

    Corresponding author: Li Junxia, ljx22258@126.com
  • 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。
  • 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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出版历程
  • 收稿日期:  2013-04-24
  • 修回日期:  2013-07-02
  • 刊出日期:  2014-01-31

山西春季层状云系数值模拟及与飞机探测对比

  • 1. 南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室,南京 210044
  • 2. 山西省人工降雨防雹办公室,太原 030002
  • 3. 中国气象科学研究院,北京 100081
  • 通信作者: 李军霞, ljx22258@126.com
资助项目: 国家自然科学基金项目 (40905059),公益性行业 (气象) 科研专项 (GYHY201306065,GYHY201206025),中国气象局小型业务项目 (1220200108)

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。

English Abstract

    • 作为云降水物理研究的重点,在降水云系的宏微观结构以及云中微物理过程等方面国内外许多专家进行了大量研究。顾震潮[1]在20世纪60年代提出了层状云降水粒子形成的概念模型:层状云云顶温度低于-20~-5℃时,层状云上部会生成冰晶,如果云底温度在0℃以上,那么冰晶在下降过程中要经过3层或3个阶段。该模型将层状云的垂直结构分成3层:冰晶层、过冷水层和暖水层。利用数值模式对降水云系进行研究,是分析云系宏微观结构的一种重要方法。胡志晋[2]结合数值模拟研究, 探讨了层状云降水的机理和人工增雨的可能性。洪延超等[3]用一维层状云模式研究了一次冷锋云系中的“催化供给”云的微物理结构, 分析了降水形成过程。史月琴等[4]利用中国气象科学研究院 (CAMS) 中尺度云分辨模式, 结合实测地面降水量、卫星和雷达资料,对发生在2004年3月31日—4月1日的华南春季冷锋降水过程进行了模拟分析。孙晶等[5]通过CAMS复杂云微物理方案与GRAPES模式耦合的数值试验果表明:CAMS方案能够模拟出与实测相接近的雨带分布特征,并且对降水演变的模拟结果与其他方案比较一致, 各相态粒子量级和分布合理;个例分析结果显示出CAMS方案对降水和水成物的分布能够合理描述。因此,数值模式的应用在研究云和降水的微物理特征以及人工影响天气等方面发挥了巨大作用[6-18]

      目前,各类云参数化模式生成的云物理量产品主要有温度场、风场、高度场、水汽场和各种云中水成物粒子的水平和垂直分布状况,而机载云物理探测仪器取得的资料为温度、湿度、高度、航速以及各类云雨粒子的尺度、图像和浓度分布状况,两者可以直接进行对比的物理参量很少。同时飞机探测受空域、气象条件等制约,不能随时随地飞行取样,所以将二者直接进行对比非常困难。因此,将数值模拟结果和机载实测数据进行对比来验证两者之间的真实性,此类研究目前还较少。本文选取了2010年4月20日在山西省人工影响天气试验区上空利用携带云粒子探测系统 (DMT) 的飞机进行的两次云物理探测飞行所获取数据与图像资料,选取同时段同位置的数值模拟结果,针对一些两者皆有的物理量,如温度、湿度和高度的配置、不同高度上各种水成物粒子的相态、云粒子浓度、云液态水含量等进行对比分析。这是首次尝试进行机载探测数据和数值模拟的对比分析,试图从一个全新的角度对数值模拟结果进行验证。在数值模拟与观测对比分析的基础上总结出此次春季层状云降水的宏微观结构特征。

    • 2010年4月19—20日,受高空低槽切变与地面弱冷锋的共同影响,山西省出现了一次大范围的层状云降水过程,全省均有不同程度的降水,全省大部分地区降小雨,部分地区中雨,局部大雨,北部局部、中南部大部共77个县 (市) 降中雨,其余县 (市) 降小雨,较强的降水出现在山西省的中部和南部地区。从4月20日山西省多普勒天气雷达回波拼图来看,降水回波面积大且分布均匀,回波强度为15~30 dBZ,回波维持时间较长。回波强度垂直剖面图中 (图略),回波均匀,顶部平整,有比较明显的回波亮带,零度层亮带高度约为3 km,回波顶高约为6 km,为典型的层状云降水回波。

    • 数值模拟采用中国气象科学研究院 (CAMS) 中尺度云分辨模式,初始场为T213预报场资料,模式中心经纬度为38°N,110°E,选取该模式第2层预报范围产品,预报范围为33°~42°N,105°~118°E,东西向格点数为91,南北向格点数为91,垂直分层为20层,水平格距为10 km。模式采用中国气象科学研究院CAMS显式云物理方案和Grell对流参数化方案,边界层方案采用Blackdar方案,辐射方案采用云辐射方案,该模式已在山西省业务化运行3年。考虑到检验模式的可靠性,对模式产品中关于云系的模拟与卫星云图进了长时间序列的对比,发现模式模拟结果与卫星云图在云系范围、移动和生命史方面具有很好的一致性。此外,还对2009—2011年3年的降水预报结果进行了TS评分,TS评分结果显示:对于小雨和中雨预报,该模式预报的TS评分较高,特别是在春夏季降水相对较多的月份,TS评分可达0.6以上,预报效率可达0.9以上。通过对该模式的评分检验,认为该模式具有较高的模拟可靠性。

    • 积分云水含量为某底面积的垂直柱体中的总云水含水量,常用来表征云体内含水量的多少。图 1为2010年4月20日09:00(北京时,下同) 和20:00垂直积分云水分布 (白圈内为当日飞机探测范围,下同)。由图 1可见,20日08:00—20:00,云系自西南移入山西省并且向东北方向移动,山西省大部分地区特别是中南部有大范围云系覆盖,积分云水含量为0.1~2 mm。

      图  1  2010年4月20日09:00(a) 和20:00(b) 垂直积分云水分布

      Figure 1.  Vertical integrated water distribution at 0900 BT (a) and 2000 BT (b) on 20 April 2010

      图 2为2010年4月20日09:00和20:00 500 hPa云水分布图。从雷达回波及飞行探测来看,4月20日零度层约为3000 m高度。由图 2等温线可以看出,图 2云水区温度为-20~-15℃,因此, 500 hPa的云水分布可以看作为高空过冷水的分布状态。从图 2过冷水分布状态来看,4月20日09:00(图 2a) 山西中南部地区上空已经出现过冷云水并逐渐丰富,至20:00(图 2b) 山西省中南部有大范围过冷水覆盖,过冷水含量多集中于0.1~0.4 g·kg-1,部分区域可达0.7 g·kg-1

      图  2  2010年4月20日09:00(a) 和20:00(b)500 hPa云水分布 (阴影)

      Figure 2.  500 hPa cloud water distribution (shaded) at 0900 BT (a) and 2000 BT (b) on 20 April 2010

      图 3为500 hPa高度冰晶数浓度分布图,由500 hPa冰晶数浓度分布图来看,该高度层云内含有一定数量的冰晶,冰晶数浓度相对较少。

      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)

      Figure 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

      综合本次降水云系的垂直积分云水含量分布 (图 1)、云中过冷水分布 (图 2) 和冰晶数浓度分布 (图 3) 情况可以看出,在山西省中南部地区 (图 1图 2中白圈所示区域,该区域为当日飞机探测的范围) 高空过冷水丰富,并有一定数量的冰晶,这为开展飞机云物理探测和人工增雨提供了较好的条件。

    • 根据2010年4月20日山西省上空层状云系分布情况和当日飞机探测区域,选择汾阳 (37.15°N, 111.47°E) 和文水 (37.26°N, 112.14°E) 两个站 (飞机垂直探测位置),模拟绘制了单站上空云系中各种水成物粒子比含水量垂直分布图,用以分析各种水成物粒子在云系的不同高度的分布状态。图 4为2010年4月20日汾阳站上空12:00,15:00,16:00,18:00各水成物粒子的垂直分布图。

      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

      Figure 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 4可以看到,汾阳上空2010年4月20日12:00(图 4a) 云内少量的冰晶出现在350 hPa以上的高空,最大值约为0.03 g·kg-1。大量云水主要分布在300~650 hPa高度,以过冷云水为主。云水分布不连续,有两个峰值,分别出现在550 hPa和400 hPa附近,峰值含量为0.07 g·kg-1和0.05 g·kg-1。且4个时次云内雪含量非常高,深厚的雪层从700 hPa一直延伸到高空,说明云内冷云过程很强。雪分布连续,有一个峰值,峰值大约位于350~500 hPa,峰值约为0.2~0.3 g·kg-1。12:00(图 4a) 和18:00(图 4d) 云水均呈双峰分布,峰值存在范围基本对应于高含量的雪;而15:00(图 4b) 和16:00 (图 4c) 云水含量的峰值区高度明显低于雪的峰值区。400 hPa高度以下,霰的含量明显增大,特别是15:00(图 4b) 和16:00(图 4c) 霰的峰值含量很高,峰值出现在600~700 hPa之间,峰值达到了0.25 g·kg-1以上,呈单峰分布;850 hPa霰含量减少至最低。雨水出现在700 hPa高度以下,且雨水的含量向下逐渐增大,特别是15:00(图 4b) 和16:00(图 4c) 雨水含量非常大,说明此时段的降水相对较强。

      图 5为2010年4月20日文水站上空12:00,15:00,17:00,21:00各水成物粒子的垂直分布图。

      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

      Figure 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 5可以看到, 文水站上空云内大量的云水主要分布在650 hPa高度以上,大部分为过冷云水。云水分布连续,2010年4月20日15:00(图 5b) 呈双峰分布,说明云中过冷水分布存在不均匀性。云水含量峰值位于400~600 hPa之间,最大值为0.1 g·kg-1。雪含量高且深厚, 表明云内冷云过程很强。雪分布连续,有1个峰值位于350~500 hPa之间,峰值最大达到0.4 g·kg-1。4月20日12:00(图 5b),15:00(图 5a) 雪的峰值所在高度与过冷云水的峰值区高度对应很好。冰晶主要分布在350 hPa以上的高空。大量的雪经高层降落的冰晶转化生成后,淞附过冷水增长,并不断向霰转化。4月20日15:00(图 5b) 后,霰的含量自400 hPa高度开始出现并随着高度降低而逐渐增大。特别是21:00(图 5d) 霰含量丰富,最大值接近0.25 g·kg-1。雨水仍出现在700 hPa高度以下,并且雨水含量随时间向下逐渐增大。

      从两站雨水、云水及各种冰相粒子含水量的垂直结构分析,本次层状降水云系可大致分为3层,第1层为分布在350 hPa高度以上冰晶和雪晶;第2层为深厚的云水、雪、霰,主要分布约在600 hPa高度以上,厚度均达到4000 m以上;第3层为暖区的雨水,主要分布在650 hPa以下。从两个站高空雪和云水的垂直分布看,云水高值区对应于高含量的雪,雪通过淞附大量过冷云水得以迅速增长;而雪在下降过程中部分融化为过冷云水,又使过冷云水含量有所增大。霰来自于冰晶和雪的转化,并通过撞冻过冷云水进一步长大。雨水主要来自于高空冰晶、雪、霰等冰相粒子的融化和部分云水的转化。

    • 2010年4月20日装备云粒子探测设备以及高精度温湿度仪的增雨飞机在山西省人工增雨试验区上空进行了两次云物理探测飞行。第1次飞行时间为2010年4月20日10:11—12:00,4月20日10:11飞机从太原武宿机场起飞,首先在3600 m高度云中平飞,采用折线飞行从交城到汾阳以东20 km,然后穿云爬升至约5900 m (文水站附近) 探测,11:22云顶平飞,随后从云中盘旋下降。第2次飞行时间为4月20日15:25—18:30。飞机首先在3600 m平飞,17:19起在汾阳附近以600 m为间隔盘旋上升至6000 m,然后下降返回。

    • 空中观测平台是国产运-12飞机,安装了ZZW-1型总温测量仪和GWS-1湿度测量仪,用于测量大气温度和湿度,该套仪器的测量范围为-40~+120℃,精度为±(0.5+0.005|t|)℃,飞行速度范围为0~0.8 Ma;响应时间不大于2 s。该飞机安装有美国DMT (Droplet Measurement Technologies) 公司生产的机载云物理探测系统,包括二维云粒子探头 (CDP,探测范围为3~50 μm)、二维云粒子图像探头 (CIP, 探测范围为25 μm~1.5 mm),降水粒子图像探测系统 (PIP, 探测范围为100~6200 μm),本文主要选取CDP测得的云粒子数浓度和云液水含量、CIP和PIP两个图像探头所取得的粒子图像资料进行对比分析。

    • 第1次飞行,飞机在3600 m高度附近飞行时段温度约为-3℃,零度层位于3200 m高度附近;5000 m高度以上,温度降至-8℃以下;5520 m高度,温度为-9.2℃;当飞行高度达到最高点5870 m,温度降至-10℃以下。整个飞行过程中,湿度条件一直较好,飞行在3600 m高度附近时,相对湿度超过80%,当飞行高度在4000 m以上时,由于冰雪状粒子的增多,湿度有所下降,飞行高度达到顶点时,温度达到最低值,湿度也下降至70%左右,飞机返航时随着飞行高度的逐渐降低,温度不断升高,湿度也逐渐增大。

      第2次飞行,飞机在上升阶段温度逐渐降低,飞行高度为3200 m时进入零度层;在3600 m高度开始平飞,此段航程温度约为-2.5℃;4000 m高度时温度约为-4℃;5000 m高度以上,温度降至-8℃以下;6000 m高度时温度为-11.4℃;当飞行高度达到最高点6217 m,温度降至-11.7℃。整个飞行过程中,湿度条件一直较好,相对湿度为80%~97%,当飞行高度在4000 m以上时,由于冰雪状粒子的增多,湿度略有下降。表 1为两次探测飞行中模式产品和飞机探测数据中温度和高度的对应情况统计结果,可以看出两者吻合比较好。

      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
    • 采用CIP和PIP两个探头所取得的粒子图像资料进行对比分析。图 6a为CIP探测到的飞机上升阶段的云粒子图像。由图 6a可以看到,2200 m云中粒子多为圆形和椭圆形的液态云滴,还有少量不规则的霰状粒子。因本次过程为冷云降水过程,10:00—12:00 2200 m已经接近零度层,所以云中存在少量霰粒或冰晶粒子。3660 m高度 (零度层以上) 云中粒子为柱状和一些不规则形状固态粒子,5206 m高度 (约为-8℃) 云中粒子为枝状和雪花状粒子,5785 m高度 (-10℃) 云中粒子已经多为冰晶状粒子。

      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)

      Figure 6.  Cloud particle images of CIP (a) and raindrop particle images of PIP (b) during the first flight on 20 April 2010

      图 6b为同时段PIP探测到的雨滴粒子图像。可以看到,近地面787 m高度已经有降水粒子存在;1100 m高度 (10℃左右) 存在圆形和椭圆形的小雨滴 (由于近地面污染物较多,镜头清洁度受影响,致使液滴粒子图像不清晰),同时存在一些不规则形状粒子,为少量的雪、霰等冰相粒子;3640 m高度 (-3℃左右) 几乎全部为枝状和辐射状不规则的冰雪态粒子;5510 m高度 (约-9℃) 粒子以冰晶为主,还有少量雪状粒子存在;5860 m高度 (-10℃) 以冰晶状粒子为主。

      第1次飞行是由汾阳偏东从3600 m高度附近开始爬升至约5900 m,并在文水站附近开始盘旋下降,选择当日汾阳站11:00和文水站12:00垂直方向上云中各种水成物粒子的数值模拟结果与机载探测的粒子图像进行对比。由图 7模拟结果看,当时地面已有降水,降水均出现在约3100 m以下,以液态降水为主,同时有少量的霰状粒子存在,说明有部分冰相粒子参与了降水;3100 m高度以上,雪状粒子开始逐渐增多,在450~500 hPa (5600 m左右) 达到峰值,其上雪状粒子逐渐减少,并且与大量雪状粒子共存的还有一些云水,云水分布不均匀;少量的冰晶出现在6000 m以上。

      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

      Figure 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为第1次飞行时段内云中液态水含量 (CDP-LWC) 与云粒子数浓度的垂直分布。与图 7中云水的垂直分布状态进行对比可以大致看出,图 8中云粒子含水量与云粒子数浓度在垂直方向上有两个大值区,分别位于5000 m与6000 m之间以及3000 m与4000 m之间。由图 7来看,云水比含水量也存在两个大值区,分别位于6000~7000 m以及4000~5000 m,模拟的两个大值区较飞机探测的大值区位置略偏高。

      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)

      Figure 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 9a为CIP探测到的二维云粒子图像。由图 9a可以看到,2713 m高度云中粒子多为椭圆形的液态大云滴,3670 m高度 (零度层以上) 云中粒子多为柱状和一些不规则形状粒子,4300 m高度 (约-4.5℃) 云中粒子为雪片状或不规则形状粒子,6200 m高度 (-11.7℃) 云中粒子已经多为冰晶状和雪状粒子。

      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)

      Figure 9.  Cloud particle images of CIP (a) and raindrop particle images of PIP (b) during the second flight on 20 April 2010

      图 9b为同时段内PIP探测到的雨滴粒子图像。由图 9b可以看到,近地面 (787 m和2200 m) 已经有降水,探测到的降水粒子为圆形液滴;3000 m (0℃层附近) 高度同时共存圆形和椭圆形的小雨滴以及一些不规则状粒子,可以考虑为少量的雪、霰等粒子;3660 m (-2℃左右) 高度几乎全部为枝状和辐射状不规则的冰雪态粒子;4200 m (约-4.5℃) 高度粒子以冰晶为主,还有少量雪状粒子存在;6209 m (-11℃以下) 高度全部为冰晶或雪晶。

      2010年4月20日的第2次飞行首先在3600 m高度平飞,从汾阳站西部开始在3600 m高度盘旋上升至6210 m,然后下降返航。因此选择当日第2次飞行时段内汾阳站16:00,17:00垂直方向上云中各种水成物粒子的数值模拟结果与机载探测的粒子图像做对比 (图 10)。由图 10可以看到,该飞行时段内地面一直有降水,降水出现在700 hPa (约3000 m) 以下,以液态降水为主,同时有少量的霰存在,在3000 m以上有雪态粒子存在,说明有部分冰相粒子参与了降水,且700 hPa高度以上,雪状粒子开始逐渐增多,少量冰晶出现在450 hPa (6000 m高度) 以上。

      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

      Figure 10.  Simulated vertical distribution of hydrometeors over Fenyang Station at 1600 BT (a) and 1700 BT (b) on 20 April 2010

      对比数值模拟结果和飞机探测取得的粒子图像,地面降水均为液态雨滴,3000 m高度 (零度层左右) 开始出现液滴和少量不规则的固态粒子共存的状态,3600 m高度以上基本以枝状和雪状粒子为主,飞机探测的冰晶从4000 m高度以上开始出现并随高度逐渐增多 (图 9),数值模拟的冰晶是从6000 m高度开始出现并随高度逐渐增多 (图 10)。数值模拟结果与飞机探测结果相比,数值模拟结果和两次飞行飞机探测取得的粒子图像,两者对应较好,不同高度粒子相态均比较吻合,但各种水成物粒子分布的垂直高度模拟结果较实测略偏高。

      图 11为第2次飞行时段内云中液态水含量 (CDP-LWC) 与云粒子数浓度的垂直分布。同样与图 10云水的垂直分布状态进行对比。可以看出,图 11中云粒子含水量在垂直方向上有两个大值区,分别位于5000 m和1000 m高度左右,云粒子数浓度在垂直方向上有3个大值区,分别位于5000 m,2000 m和1000 m高度附近。由图 10可知,云水比含水量也存在两个大值区,分别位于4940 m和1950 m高度附近。对比来看,数值模拟结果中最大峰值位置与飞机探测吻合,低空的云水比含水量大值区较飞机探测的云粒子数浓度大值区和液态水含量大值区位置偏高。

      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)

      Figure 11.  Vertical distribution of the CDP-LWC (a) and the number concentration of cloud particles (b) during the second flight on 20 April 2010

      应该指出的是,本次探测飞行所用飞机最大升限为6000 m,且飞行探测与数值模拟时段并不能完全吻合。机载云粒子探测仪CDP所探测到的是云中3~50 μm的各种云粒子,其含水量通过数浓度换算得到,其定义和单位与数值模拟的各种水成物粒子的比含水量 (包括云水的比含水量) 不同,并不能直接定量地进行对比。因此,本文只做定性对比。

    • 1) 2010年4月20日的降水过程以层状冷云降水为主,云中过冷水含量丰富,过冷区均位于3000 m度以上,云中有较强的垂直上升气流,上升速度大的区域冰雪晶含量较大。过冷层的温度为-40~0℃,过冷云水的比含水量均在0.1 g·kg-1以上,最大值可达0.7 g·kg-1

      2) 从两个单站云中各种水成物粒子的垂直分布分析, 本次层状降水云系为3层结构:第1层为分布在350 hPa高度以上冰晶和雪晶;第2层为深厚的云水、雪、霰,主要分布在600 hPa高度以上,厚度约为4000 m;第3层为暖区的雨水,分布在650 hPa以下。大量的地面降水主要来自于高空冰晶、雪、霰等冰相粒子的融化,也有一部分降水也来自于云水的转化。

      3) 飞行机载温度、湿度探头探测与数值模拟的温度和高度的数据进行对比,两者吻合较好;机载云粒子探测仪器探测到的不同相态的粒子图像与数值模拟结果对比结果显示,在垂直方向上粒子相态和图像基本吻合;飞机探测的云粒子数浓度以及云液水含量的垂直分布与数值模拟垂直方向上云水比含水量分布对比,状态基本吻合。

      4) 模拟冰晶出现的高度明显高于飞机探测结果,且模拟的空中云水比含水量大值区较飞机探测的云粒子数浓度大值区和液态水含量大值区位置偏高。

      今后在探测空域允许的情况下,可进一步利用数值预报产品预报结果,选择数值预报产品中云物理量分布较好的某些测站,在与预报相同的时段和相同的高度设计开展有目的的飞行探测,获取更为丰富的探测资料,从各种水成物粒子比质量、数浓度等方面进行对比研究,以期从一个全新的角度找到更深的切入点开展对数值模式的对比订正。

参考文献 (18)

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