文摘

本研究提出了机载测量冰粒子属性在三层状沉淀云在中国北方。通过使用水平观察选择海拔,冰水内容(IWC)的分布,粒子的习惯,和粒径谱参数进行调查。云病例表现为高IWC值由于嵌入式对流细胞的存在。液态水含量相当低的最大值小于0.3 g m⁻³和普通的值小于0.1 g m⁻³。大树枝状晶体的出现以及rim限制列和分支晶体表明冰播种从上面的云层高度以上(6公里)在很大程度上造成了高冰晶浓度和iwc数量。水平观察选择水平建议IWC的总的趋势减少温度只在云层的一部分,但不是整个冷层的多层层状云。指数和伽马函数是用来描述粒度谱参数。指数分布的斜率参数值的范围主要是在10³-10年⁴米⁻¹。相比之下,更加适合张成伽马分布的斜率值和色散之间的关系被发现和斜率值。

1。介绍

在冰或冰粒子混合相位云进行了调查在许多先前的研究[1- - - - - -3浓度),他们是复杂的,习惯,和相对增长模式,影响降水过程和辐射传输。此外,冰颗粒大小分布的研究是至关重要的为中尺度开发参数化和气候模型(4]。

机载云探测的广泛使用成为可能定量检查粒子属性通过测量云粒子尺寸和图片。Sekhon和Srivasta5)得出的结论是,雪花可以描述使用的尺寸分布指数关系。通过测量降水粒子的大小分布在额云,Houze jr . et al。6]还发现,粒子尺寸大于1.5毫米通常遵循一个指数大小分布。因为设计螺旋像样的飞行计划Lo和Passarelli Jr。7),它已得到了改善,用于研究的冰粒子光谱进化(8- - - - - -10]。赫穆斯菲尔德等人。11和领域等。12]给出了参数化估计雪大小分布的时刻,可以用于数值模型。伍兹et al。13]分组大小分布的雪粒子根据机载图像的习惯组成,大大改善了大小谱参数和温度之间的相关性。飞机观测cloud-resolving粒径谱是参数化的模型在1980年代在中国。案例研究的云粒子光谱在中国北部(层状云14,15近年来也一直在进行,但仍有很大的不确定性量化云微物理特性(16]。

除了上面的粒子信息,冰水内容(IWC)也是一个重要的参数来描述云微物理特性。有两种方法可以获得冰水从机载数据内容:一种方法是原位测量的基础上凝聚,气相水(17),另一种方法是通过计算从测量冰粒子尺寸和图片18- - - - - -20.]。没有直接IWC的空中观察测量,mass-dimensional关系冰粒子是非常有用的分析微观物理学的结构和粒子的增长模式。Fleishauer et al。21]调查IWC概要文件在6中层云使用mass-dimensional表达式从米切尔et al。18]。布朗和弗朗西斯(19]介绍了一种改进的方法来估计mass-dimensional IWC的关系。加拉格尔et al。22]讨论了微观物理学的热带砧卷流出地区的变化与国际捕鲸委员会计算从赫穆斯菲尔德等。23]。IWC的垂直剖面的观测混合相位的云也被研究过这样的方法捕鲸委员会估计(24,25]。

自混合相位层状云是重要的生产在中国北方降水,无数飞机观测进行了自1980年代以来(16,26,27]。然而,水平遍历一个云系统中在不同的海拔不经常发生。本研究的目的是调查IWC分布的特点和冰粒子大小频谱参数在指定高度利用飞机在2009年和2010年收集的数据。冰晶习惯在相应的海拔也提供进一步的了解粒子相比增长机制。

2。仪器和数据处理

2.1。仪表

两Y-12E飞机,从山西和北京天气部门,配备生产的云微物理探测液滴测量技术(DMT)被用来进行飞机观测。山西飞机检测与云滴探测器(CDP) 2-50的尺寸范围米,2 d云成像探针(CIP)尺寸范围为25 - 1550m,降水成像探针(PIP)尺寸范围为100 - 6200m。64年国际马铃薯中心有一个激光二极管阵列元素,但粒子跟踪结束二极管被拒绝。因此,62片组成一个粒子图像。此外,二极管阵列的单个元素必须70%掩蔽引发的数字电子技术接受粒子。北京飞机配备了云、气溶胶、和降水谱仪(帽),包括云和气溶胶谱仪(CAS)尺寸范围为0.6 -50m, CIP和种子大小范围的山西飞机。除了上面的探针,两架飞机也配备了云凝结核计数器(CCN)和lwc - 100,但数据从这些调查研究中没有考虑由于贫穷基线前观察。

2.2。IWC计算

云粒子观测使用成像探测的碎片数量破碎颗粒的图像可能达到几百,所以粉碎效果应该考虑在数据分析(28,29日]。场等。30.)发现,估计IWC可能高估了20 - 30%窄尺寸分布由于粉碎过程。他们证明了分散粒子可以通过考虑interarrival次过滤。大量的颗粒小于100米被发现在一些航班和那些小颗粒浓度并不包括在粒度分布(31日]。由于缺乏可靠的统计数据带来的负面影响飞机观测在中国,只有颗粒大于100米被认为是有效的捕鲸委员会和粒度参数计算研究。国际捕鲸委员会的评估是基于联合测量与颗粒小于1000米的CIP和粒子大于1000m的皮普。

冰水内容可以计算基于mass-dimensional赫穆斯菲尔德等人的关系。23)(H04): 在哪里(g)代表一个冰粒子的质量(cm)是最大的尺寸。这种方法非常适合生产,但它也被应用于更大的粒子。

能剧等。32]发现H04值一般小于60 - 80%和霍布斯右路放倒33)的值。米切尔的估计(18在2倍[]有差异21]。因为没有直接IWC测量可用在野外观察,我们不能得出哪种方法有最小的错误。考虑到H04方法是基于测量iwc,我们选择的评估H04关系。

2.3。LWC计算

向前散射光谱仪探测器(FSSP)可以检测小粒径分布的散射光。相比之下,CAS决定向前和向后散射光粒子大小。和CDP检测散射光四面八方当粒子经过激光。混合相位条件,滴谱测量了从FSSP被冰粒子和粉碎不可避免的污染。可贝尔et al。34]发现FSSP测量液滴光谱可以通过冰晶明显偏见的尺寸范围超过35岁m。进一步评估,可贝尔et al。35]证明了派生LWC同意其他探针和在错误的测量LWC期望从这样的比较。FSSP测量浓度和LWC同意内被发现34%,38%,分别。因此,从FSSP LWC估计还是用在先前的研究[21,24]。

与FSSP相比,改进的测量技术中使用CAS最小化观测不确定性(36),虽然破碎的冰晶仍然发生在CAS入口(37]。相比之下,CDP没有入口,不同于FSSP环探测器的光掩模,一般程度的粒子粉碎和下属产生低于FSSP [38]。LWC从CDP的估计偏差是浓度依赖性,它可能低至−80%39]。还应该指出的是,中科院和CDP难以区分小冰颗粒和液滴在观察。然而,小冰粒子的污染并没有显著的混合相位云,因为大多数冰晶迅速增长大于25米在不到一分钟40]。基于以上研究,这被认为是合理估计LWC从CAS和CDP探针。

3所示。飞行路径

8水平飞行穿越在冷层和两个上升与三个沉淀云在中国北方被选中。所有三个云病例多层云由主要高层云和层积云。相应的水平飞行信息列在表中1。

总共四个水平飞行腿2010年4月20日和21日期间进行,包括两个飞行腿在早上和下午两个腿。值得注意的是,两条腿2和3在1645年和1710年进行了中科云相同的情况下,除了他们在不同水平的水平。另外三个飞行目标地区的腿在2009年2010年观测地区的东北约350公里。同样,云腿5和6是一样的除了在不同水平的水平。腿5后,北京飞机升到更高的水平,进行一个短的水平观察4.9公里。云的情况下2009年4月18日,云是在初始化阶段,所以没有雨还表面上飞机的时间观察。这两个上升与第一个从3.7到5.8公里(−−1 11°C),另一个从3.7到6.2公里(−−1 12°C) 100420年云也被用于补充水平测量。

4所示。IWC的水平变化,LWC和粒子的习惯

LWC IWC的变化,100420年云粒子习惯案件检查在这一节中。相关的层状云2010年4月20日是一个上层槽和地面低压中心,从西南中国东部。少量或适量雨继续在2010年4月20日,停止了第二天的下午早些时候在山西省。额外的高冰地区雷达数据会更有帮助,但他们目前还不清楚。因此,云计算发展显示了从c波段多普勒雷达观测的最大射程150公里在太原(经度:112.6°;纬度:37.7°;美国手语:817.0米)。

图1显示了三个平面位置显示器(PPI)图像和一个范围高度指示器(开展)雷达图像观察到的四个选择倍(中国标准时间,春秋国旅= UTC + 8)。图1(一)表明,在1031 CST 4月20日,而弱散射回波地区太原观察,与一个相对较大的地区位于太原西南。在1000年和1200年春秋国旅,小雨2 h累积降雨量小于0.5毫米的观察在太原。

UTC时间1625年4月20日(图1 (b)),云更有组织性,一般20 - 30 dBZ反射率和最大值增加到35-41 dBZ。2 h累积降水在1600年和1800年春秋国旅增加到1 - 6毫米。1036年春秋国旅(图4月21日1 (c)),云已消散阶段,显示两个小分离反射率的地区只有15 - 20 dBZ的最大值。开展图像1704 CST 4月20日(图1 (d))表明价值观的典型雷达亮带大约30 dBZ高出地面约1.6公里,表明弱云内上升气流。上面的雷达信息表明,100420例在层状云降水的范围。

图2显示了IWC的时间序列和LWC由CIP和皮普在水平飞行腿1 2010年4月20日。数据平均超过10年代减少虚假的可变性。从图2,可以看出IWC高峰值的波动在0.35 g m⁻³相对较低的值小于0.05 g m⁻³,这表明云发展的空间不均匀性。相比之下,云内LWC也多种多样,包括最大值的0.23 g m⁻³1031 CST和极低的值小于0.01 g m⁻³在其他时间。IWC并不总是对应于LWC高,许多其他因素,这样的相对湿度,云的温度,和云动力学,也影响冰粒子的增长模式。相比之下,两个短的时间内,一个以高IWC和LWC在1031年和1035年春秋国旅和其他低IWC和LWC (< 0.01 g m⁻³)在1044年和1046年春秋国旅,被选择。粒子图像观察到这两个时期在图所示3。

第一期(图3(一个)),有针、列和无法辨认的小尺寸的晶体。值得注意的是,树突和树突聚集在这个地区占主导地位,许多聚集的大小比CIP的最大范围更大。Well-distinguished树突的分支及其组合的PIP表明聚合是占主导地位的增长模式在该地区(约2−−1°C)。根据过去的实验室研究,树突应该最常发生在15到−−10°C。然而,相当数量的树突粒子观察−10 0°C水平(41),表明下降的冰粒子从上面的层。因此,大型树突研究认为从较低的温度水平在以上6公里的高度。

对于其他地区在1044年和1046年春秋国旅(图观察3 (b)),粒子尺寸小得多,针,列和不规则的边缘晶体。这两个时期都是在环境温度约2−−1°C,更高的过度饱和对冰在空中在1031年和1035年春秋国旅被视为主要因素导致大型树突的快速增长。

估计IWC和LWC水平腿如图2和图34。IWC值在4.3公里(约3.5−°C,人物4(一))是相当高的,一般在1.0 - -3.0 g m⁻³和3.1 g m的最大值⁻³。LWC值在这个身高只有0.02 - -0.06 g m⁻³。IWC值较低(图3.7公里的水平4 (b))也表现出高值的1.1 - -4.2 g m⁻³。总的来说,LWC值在这个级别低得多,甚至有极低的值小于0.01 g m⁻³。

图5显示了冰粒子图像选择次腿2和3。图中可以看到5(一个)冰粒子主要是针,小空心柱,结合4.3公里约1653 CST的针。一些边缘晶体也在场。对于其他地区1700 - 1710年期间观察到春秋国旅,重要的观察淞化,包括分支等边缘粒子晶体,辐射板的组合,列,和非正规军。(图3.7公里的水平5 (b)),主要针也出席165209 CST,而限制列和分支晶体有明显淞化存在的其他地区。总的来说,相当数量的大型严重rim冰晶观察在4.3和3.7公里。限制列被认为形成列在更高的水平(25 -−−20°C)告吹planar-crystal地区(18 -−−12°C),这表明最初的列出现至少在7.5公里的高度。此外,水晶数量浓度在4.3和3.7公里超过50和100 L⁻¹分别是远远高于冰成核的值计算公式。因此,冰从上面播种云层造成高iwc的形成。

如数据所示3和5、针沿飞行轨迹的部分温度为主。这是在协议与以前的观测(41)发现针最常发生在温度0到−5°C之间。因此,许多检测针腿1 - 3形成最初的温度范围,后来增长主要通过扩散增长机制。

总的来说,云计算案例的特点是高IWC值在温度高于−5°C,震级从0.1到5 g m⁻³。相比之下,LWC值通常是相当低的高峰值小于0.3 g m⁻³和一个小震级为0.01 g m⁻³。大树枝状晶体的存在,限制列,和某种程度的底盘支晶体表明冰播种从上面的云层高度以上(6公里)在很大程度上造成了高冰晶浓度和iwc数量。

5。IWC随温度的垂直分布

iwc卷一般与降低温度降低;然而,他们相当分散,依赖于相对湿度,温度,垂直速度,和其它的粒子特征(42,43]。国际捕鲸委员会在单分层混合相位云最大化中期或低地区的云,而更高的IWC值可能发生在每个云的顶部层多层云(21]。显示IWC随温度的变化,人物6介绍了iwc和冰粒子浓度的8水平腿表中列出1。

根据图6(一),观察100420云腿2和3的情况下建议一般减少IWC的温度降低1−−4°C。090501年云的情况下,最大IWC值也减少了从约2.0 g m⁻³−3°C到0.1 g m的大小⁻³−8°C。比较IWC的腿5、6和7显示,尽管IWC下降到小于0.1 g m⁻³−8°C,更高的值介于0.2和0.8 g m⁻³更低−10°C仍然可以观察到,由于两个层次属于不同的云层。此外,主要低IWC的值小于0.25 g m⁻³也观察到各级由于云动力学的不同阶段。

冰粒子浓度(图6 (b))的小幅度变化1 L⁻¹重要的大值10²L⁻¹在下层−11°C。甚至伟大的多样性在同一水平飞行的腿。冰粒子浓度的10²L⁻¹在层状云也观察到中国北方由于嵌入式对流细胞的存在和冰乘法等过程(26]。霍布斯和Rangno44]发现冰粒子浓度高40 L⁻¹在一层积云层作为嵌入式云内部的对流。

因此,IWC值之间存在着显著的差异,在相同的温度下由于不同的云发展水平阶段。IWC的减少和增加的高度可以看到在一个云层在一个特定的阶段,但不是整个冷层多层云。

除了以上水平飞行,两个垂直配置文件也获得100420年云案例,其中包括从3.7上升到5.8公里在1057年和1122年春秋国旅和其他从3.7上升到6.2公里在1723年和1750年春秋国旅。IWC的概况,从CIP冰粒子浓度,和云滴浓度从CDP如图7。所有的值都是平均超过100在垂直。从图7(一),早上可以看出IWC值之间大多是0.1和0.6 g m⁻³,对应于一般的冰粒子的浓度10-40 L⁻¹(如图7 (b))。IWC高峰值−8°C与高冰粒子浓度高达64 L⁻¹。到了下午,各级IWC值通常显著增加到0.8 g m⁻³最多的水平。在那个阶段,冰粒子浓度也增加到超过30 L⁻¹甚至151 L⁻¹−5.5°C。

整个IWC概要文件在这两个阶段显示IWC和温度之间的相关性很小,所以IWC并不总是与降低温度和减少与更多的云动态产生不同的冰粒子浓度。云滴浓度在两阶段有极低的值,0.1厘米的大小⁻³除了27厘米的一个峰值⁻³−9.1°C。

为了更清楚地显示了冰粒子特征,图8介绍了2 d图像从CIP中这两个垂直上升。应该注意的是,除了大粒子如图8,大量的小非正规军也存在于两个阶段。在第一次上升(图8(一个)),大粒子主要是六角板之间的第9和−−11°C水平和rim树突−9°C以下的水平。到第二个上升(图8 (b)),粒子不仅规模变得更大,但在习惯也改变了很多。许多严重rim限制列,各级graupel-like雪,板块出现。此外,总量封顶列和盘子也发生。基于粒子fall-speed测量和霍布斯右路放倒33),人口rim树突,500 - 1000米直径,认为下跌速度2.2到2.8米的年代⁻¹。相比之下,graupel-like雪块类型相同的直径应该下降速度在3.3到4.0米之间⁻¹和人口rim列有更高的速度10米左右的年代⁻¹。层状云一般的上升气流的大小0.1年代⁻¹。因此,限制列和graupel-like雪第二提升被认为有较高的净速度比第一个上升,这导致更高的捕鲸委员会在不同温度水平。

6。粒度分布和光谱参数

冰颗粒大小分布在云在中国北方已经安装在先前的研究一个指数形式14]。然而,在1980年代获得的数据使用OAP-2D-C和OAP-2D-P。新仪器的使用在我们的飞机更好提供粒度测量信息。指数和伽马函数被用于研究参数化冰颗粒大小分布。描述了伽马分布的方程 在哪里,,拦截、色散和斜率参数派生。当γ适合成为一个指数函数:

粒径分布是高度可变的云从一个地区到另一个人物9首先显示的平均粒径分布不同的腿。尺寸分布在图9(一个)包括粒子低于1000米国际马铃薯中心和检测到的1000年到6200年检测到的皮普。可以看出,测量两探针重叠在1000年很好m和大多数粒子都小于20001000年粒子大于500 m。m(绘制对数坐标轴)浓度降低线性尺寸(标注在线性轴),表明以上这些大小粒径分布指数的形状。相比之下,对颗粒小于500到1000m,线性下降并不明显当绘制对数坐标轴。平均颗粒浓度测量的CDP期间腿3,4,6绘制在图9 (b),对不同飞行腿之间存在着显著的差异。CDP数据没有结合CIP测量有两个原因。一方面,北京飞机配备了中科院,CDP。另一方面,粒子尺寸范围25 - 100米从CIP检测是不习惯在这项研究中,所以没有重叠50 (CDP)的最大大小本和100年m。

图10显示了与和与点为各种水平的腿。每个数据点对应于一个CIP和皮普的总和大小分布平均10岁以上。的指数(图10 ()),的值通常的大小10⁷到10⁹米⁻⁴和值超过了一个数量级。数据集群分成两组,包括腿2,3,5,6,7高和更低的值,以及腿1,4,8较低和相对高值。的变化表明,冰颗粒在腿2,3,5,6,7在规模更大、更集中,在协议的发生许多rim和聚合粒子。相比之下,值(图10 (b))也集中在10³米⁻¹但跨越到两个数量级。

块与对各种腿如图11。的值−3和4之间,包括明显的波动。的关系类似于赫穆斯菲尔德(4)之间的和安装,价值观不同的积极的价值观在小的负值。然而,由于显著变化粒度分布,很难找到一个准确的关系和。从指数和伽马函数,比较适合12提出了相关系数()与。0.6和0.9之间的相关系数主要是指数和伽马分布,还包括一些分散的较低的值。的平均指数适合所有值为0.68。类似地,γ值为0.66。因此,两个函数有类似的精确度在合适的粒度分布。

此外,块粒度谱参数与云温度和IWC也检查了,但是没有准确的关系被发现。猜测的数据只有在很小的温度范围0−5°C从三个云案例是不够的。为了更好地符合粒度分布和其他相关属性,仍需要更多高质量的数据。

7所示。讨论和结论

本研究提出了冰粒子的测量属性从水平观察飞行腿在选择海拔以及提升腿三层状云情况下沉淀。IWC的分布,粒子的习惯,和粒径谱参数检查。

IWC分布首先通过比较分析IWC LWC,粒子云案例从100420年水平的观察习惯。空间不均匀性在层状云IWC很常见。高IWC值不同震级从0.1到5 g m⁻³发现−5°C以下的水平,而LWCs小于0.3 g m⁻³。针和空心列主要沿飞行轨迹,表明扩散生长机制是重要的生产相对较小的冰晶。同时,大型树突聚集的发生和rim粒子如限制列,支水晶,和其他地区建议graupel-like雪冰播种从上面层6 - 7公里左右。那些大边缘粒子也观察到在两个上升,相对较高的速度下降导致高iwc的出现在较低的水平。

此外,高IWC也归因于云动力学。这是猜测,嵌入式对流细胞导致如此高的IWC的生成(超过0.5 g m⁻³),因为分散的对流区域的反射率45 dBZ 090501例和小约40 dBZ反射率地区100420例观察。通过检查世界各地层云,瑞恩(45)发现更深层次的层状云一般冻结成冰的嵌入式的对流;然而,远离区域嵌入对流云中含水量小。

层状沉淀云在中国北方通常是多层云卷云,高层云和层积云。垂直变化的捕鲸委员会建议的总体下降趋势IWC最大值降低温度只在云层的一部分,如超过4.0 g m的最大值⁻³−1°C减少到3.0 g m⁻³在100420年−4°C和最大2.1 g m⁻³−3.5°C减少到小于0.1 g m⁻³在090501例−8.5°C。然而,相对较低的IWC的值小于0.25 g m⁻³也观察到在整个冷层。

总的来说,价值观的之间的不同主要是10⁷和10¹⁰米⁻⁴和值一般在10的范围³-10年⁴米⁻¹从指数分布。相比之下,两个和为伽马分布跨越更多。进一步计算相关系数表明,这两个函数的相似程度的准确性。通过分析77年的斜率和截距参数水平飞行腿、森林等。13)发现的值在三订单的大小和变化值张成不到一个完整的数量级。赫穆斯菲尔德等人。11发现之间的单调关系和在使用指数曲线符合粒度分布热带云层。小样本大小在这项研究中不允许我们进行进一步调查粒径谱参数和温度之间的关系,但最初的分析还是有用的展示在中国北方层状云的整体特征。

只有三个云例检查在这项研究。获得云微物理参数的统计特征,更大的样本量是必要的。未来的工作分析观测数据中的错误和调查等关键参数影响聚合和其他微观物理学的过程也应进行。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家基础研究计划(973计划,批准号2013 cb430105),中国科学院的战略重点研究项目(XDA05100300),中国国家自然科学基金(批准号41105095),中国科学院知识创新项目(批准号kzcx2 - ew - 203)。