基于飞机观测的美国落基山地区冬季混合相态层状云与夏季对流云的微物理特征

作     者：范雯露 景晓琴 杨璟 周思雨 FAN Wenlu;JING Xiaoqin;YANG Jing;ZHOU Siyu

作者机构：南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/精细化区域地球模拟和信息中心/中国气象局气溶胶—云—降水重点开放试验室南京210044 

出 版 物：《大气科学》 (Chinese Journal of Atmospheric Sciences)

年 卷 期：2022年第46卷第5期

页      面：1113-1131页

核心收录：

学科分类：07[理学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 

基　　金：国家重点研发计划项目2019YFC0214604 国家自然科学基金项目42075068,42005064,41905124 江苏省自然科学基金项目BK20190778,BK20190777 

主　　题：混合相态层状云 混合相态对流云 微物理特征 飞机观测 

摘      要：混合相态层状云与对流云的微物理特征有很大的差异性,但现阶段数值模式中并没有充分考虑两者的区别,这是导致云降水的模拟有较大不确定性的原因之一。为了加深对层状云与对流云的微物理特征差异的理解,并为模式的验证和参数化开发提供支撑,本文基于在中落基山地区进行的Ice in Clouds Experiment—Layer Clouds(ICE-L)项目和High Plain Cumulus(HiCu)项目的飞机观测资料,定量对比分析了该地区大陆性混合相态冬季较浅薄的层状云与较弱及中等强度的夏季对流云的微物理特征。其中,粒子图像和粒子谱通过2D-Cloud和2D-Precipitation探头得到,液态水含量通过热线式King探头测量得到,冰水含量基于粒子谱计算得到。主要结论有:(1)在-30°C~0°C的温度层范围内,夏季对流云内的液态水含量比冬季层状云高一个数量级,冰水含量高一到两个数量级,并且在对流云云顶附近观测到更多的过冷水。此外,夏季对流云中液态水含量在-20°C~0°C上随温度降低而升高,而冬季层状云则相反。夏季对流云中更活跃的冰晶生成和生长过程使得云内液态水质量分数小于层状云。(2)冬季层状云与夏季对流云内相态空间分布极不均匀。随着温度从0°C降低到-30°C,在冬季层状云中冰晶发生贝吉龙过程,云中的过冷水为主的区域向混合相态和冰相转化。而夏季对流云中相态结构更为复杂,体现了对流云中复杂的冰水相互作用。(3)在-30°C~0°C的温度范围内,夏季对流云的粒子谱宽度大于冬季层状云。随着温度的降低,冬季层状云与夏季对流云均存在粒子谱增宽的现象。(4)冬季层状云中,温度低于-20°C时冰晶主要为无规则状,在-20°C~-10°C观测到了辐枝状和无规则状冰晶,在-10°C以上观测到了柱状和无规则状冰晶,说明冰晶的生长主要为凝华增长和碰并增长。而夏季对流云以冻滴、霰粒子与不规则冰晶为主,说明主要为液滴冻结、淞附增长和碰并增长为主。(5)在夏季对流云较强的上升气流中存在较高的液态水含量,但垂直速度与云内冰水含量没有明显的相关性。