基于飞机观测的华北弱对流云降水微物理及凇附特征研究
文摘
科学
2024-10-16 11:30
江苏
冰粒子通过凇附增长,密度增加,下落末速度加快,使得降水通量增大,从而影响降水形成和降水强度。研究发现,由于不同的凇附效率,云中不同部位的凇附程度存在着显著差异。凇附效率受过冷水滴和冰晶特性、气象环境条件的共同影响。大量的观测研究和模式理论证实,由于冰粒子质量和尺度之间的关系十分复杂,凇附促使冰粒子质量增大的同时,粒子截面并不成比例增大。只有当冰粒子重度凇附的情况下,才能观测到冰粒子尺度增大。在上升气流较强的对流泡中这种现象更为显著,因为上升气流促使冰粒子和过冷水滴碰并的机率更大。过冷水滴的尺度对凇附过程的影响也有着十分重要的影响。
尽管关于凇附的认识取得了很大进步,但目前关于冰晶碰并效率对凇附过程影响的理解仍然存在很大不足。由于描述过冷水滴与冰晶复杂形状内在定量化关系的挑战性及原位观测的缺乏,凇附效率及其在降水过程中的作用的认识仍然有限。本研究利用2017年5月22日河北中南部地区一次积层混合云降水过程的飞机和雷达观测数据,揭示了冰粒子凇附增长过程中控制质量和尺度演变的潜在物理机制,重点研究了影响凇附效率的因素,分析评估了凇附过程对降水微物理特征的影响。图1. 两次飞机原位垂直螺旋(Spiral)观测时刻的Spiral1 1624 LST(a, b)和Spiral 2 1636 LST (c, d) 1636 LST石家庄0.5°仰角雷达反射率。黑色等值线(a,c)代表嵌在层状云中的对流泡,Spiral1和Spiral2(b,d)分别用蓝色实线代表。Spiral1 −5.4°C–4.0°C的总水含量TWC随高度逐渐增大,体积加权平均直径Dm垂直变化不明显;−4.0°C–0°C Dm随高度快速增大,TWC继续增加。飞机原位观测的粒子图像显示,−5.4°C–4.0°C冰粒子外形轮廓较清晰,尺度变化不明显;−4.0°C–0°C冰粒子外形轮廓逐渐模糊,结构变得密实,部分粒子圆度和尺度逐渐增大。这表明融化层上边界附近的凇附增长过程经历了两个阶段:第一阶段过冷水滴填充冰雪晶内部结构,使得冰雪晶的质量增加但尺度维持不变,第二阶段冰粒子在冰晶表面冻结增长,使得冰粒子尺度显著增大。飞机原位观测揭示凇附增长过程的两个关键阶段及其物理机制。图2. 飞机探测的微物理垂直廓线:(a).数浓度 Nt,(b).体积加权平均直径 Dm, (c). ERA5计算的环境温度, (d).总水含量, (e).液态水含量。图中的红、蓝色虚线分别代表Spiral1和Spiral2的0°C层等温线。Spiral1和Spiral2融化层上边界附近(−5~ 0 ℃)的霰粒子明显增多。飞机探测表明,对流泡附近融化层以上存在大量的过冷水滴(D > 50 μm),为冰粒子和过冷水滴的碰并提供了有力条件。云中较大尺度的过冷水滴在冰粒子凇附效率提升方面发挥着重要作用。
图3. Spiral1 (a) 和 Spiral2 (b)的 CDP探头测量的云滴数浓度(D < 13 μm, 13 < D < 24 μm, 24 < D < 48 μm)分别由红色、蓝色和绿色实线表示),2DS探头测量的球形液滴(50 < D < 200 μm)。对流泡附近云中垂直气流波动幅度较大,促进了冰粒子和过冷水滴的空间碰并机率,使得对流泡附近的冰粒子凇附活跃度增强,导致融化层上边界附近形成了大量的重度凇附状冰粒子和霰。图4. Spiral1(a)和Spiral2 (b)的冰晶与过冷水滴的碰并效率Eei、垂直气流波动幅度。
该研究成果《Airborne Investigation of Riming: Cloud and Precipitation Microphysics within a Weak Convective System in North China》发表在《Advances in Atmospheric Sciences》。论文第一作者为河北省人工影响天气中心胡向峰高工,通讯作者为南京大学黄浩博士和赵坤教授,主要合作者为北京大学赵传峰教授、中科院大气物理研究所杨洁帆研究员,中国气象局人工影响天气中心刘卫国、赵德龙正研、张荣副研究员和南京气象科技创新研究院的肖海霞副研究员,南京大学为论文通讯单位。本论文研究受国家自然科学基金(42025501)、河北省自然科学基金(D2024304015)、中央高校基本科研业务费专项资金(020714380217和Geox交叉项目020714380210)、中国气象局雷达气象重点开放实验室开放课题(2023LRM-B05)、河北省气象局科研开发项目(23ky08)和灾害天气国家重点实验室开放课题(2023LASW-A01)的联合资助。