混合云系的冰水含量的观测与建模外文翻译资料

 2022-12-09 10:51:59

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混合云系的冰水含量的观测与建模

HOU Tuan-jie, LEI Heng-chi, HU Zhao-xia, and FENG Qiu-juan

摘要：混合云系中的冰水含量(IWC)分布通过云卫星数据，机载测量和天气的研究以及预报模型(WRF)来分析。模拟的降水以及IWC与雨量测量器，卫星数据以及航空观测的结果大体一致。云壳的特点是在云层的发展以及降水阶段有显著的冷层和高IWC。云卫星反馈的结果表明IWC分布于4.0-8.0 km，并且在云的形成的早熟阶段于5.0-6.0 km处达到峰值0.5 g m-3。高IWC（峰值达0.8 g m-3）同样也被空中的探测器在晚熟阶段的4.2 km和3.6 km处探测到。WRF模型模拟表明显著的淞化过程促进了高IWC于3.0-6.0 km处的迅速积累。

关键词：航空观测，冰水含量，WRF

  1. 引言

许多中国北方的降水云系都是包括卷云，高层云和层积云的多层混合云。对于这些云，冰水含量(IWC)是计算辐射转移和降水形成的重要参数。从航空数据中获得IWC有两种办法：一种是基于冷凝的气相水的就地测量（Hallar等，2004）；另一种是通过测量过的冰粒大小和图像进行计算（Mitchell等，1990；Heymsfield等，2007）。此外，通过云卫星取得的IWC数据也会也航空数据进行对比评估，并且与就地测量的数据达到高度的符合（Barker等，2008；Noh等，2011）。

虽然中国已经开展了许多关于层状云的微观粒子的航空观测，但是先前的研究大都只通过分析例子的结晶特性和浓度来研究冰粒增长模型（Hou等，2010），很少参考IWC。现阶段的研究目标是通过航空和云卫星的测量来描绘混合云系中在特定时间和阶段的IWC分布。由于受到观测次数的限制，天气研究预测模型模拟也被实施去展现IWC在不同降水阶段的垂向分布。

  1. 观测和建模
    1. 航空仪器和数据处理

两架装备了由多普勒测量科技公司(DMT)制造的微粒探测器的来自北京和山西气象局Y-12E飞行器被投入到航空观测当中。来自山西的飞行器装备了探测范围2-50 mu;m的云滴探测器(CDP)，探测范围25-1550 mu;m的2D卫星云图探测器(CIP)以及探测范围100-6200 mu;m的降水成像探测器(PIP)。来自北京的飞行器装备了包括探测范围为0.6-50 mu;m的云和气溶胶光谱仪以及与山西同规格的CIP和PIP的云，气溶胶以及降水光谱仪。

IWC基于Mitchell等人给出的高维关系式并利用CIP的粒子规模分布进行计算：

m=0.022D2.0，

其中m(mg)代表一个冰粒的质量，D(mm)是取值自0.2-7.7 mm的最大维度并且可用于不同结晶特性的淞化或未淞化的冰粒。Korolev和Isaac（2005）指出要考虑到分析航空数据时粒子的脱落影响因为脱落粒子的碎片在图像上可能有几百片。因此，虽然CIP的最小探测值是25 mu;m，但是只有200-1500 mu;m的范围才是计算IWC的有效范围。应该注意到估计仍然会有2倍的偏差（Fleishauer等，2002）。

2.2 云卫星观测

作为A系列的卫星之一，云卫星94 GHz的云剖面雷达(CPR)观测云层的垂直结构。自2006年六月以来，云卫星的观测数据一直在提供微观粒子层面的独一无二的结果并且这些观测数据也已经被基于其他观测结果进行评估了（Stephens等，2008；Protat等，2010）。标准数据结果2B-CWC-RO（结合了水含量的雷达观测）以及辅助数据结果ECMWF-AUX（基于中期气象预报欧洲中心的辅助数据）被用于此项研究中。

2.3 模型建立

我们使用的高级WRF研究(ARW, 3.0版本)模型源于国家环境预报中心的分辨率为1° times;1°的最终分析场。两个模型域由一个网格间距为12 km的水平的外域和一个网格间距为4 km的双向嵌套域组成。两个域中都使用了一个复杂的莫里森微观物理学方案。覆盖了部分中国东部的74times;74的外网状域在2009年产生了从0000 UTC 4月30号到0600 UTC 5月1号的30小时预报。76times;76的内域于当日12小时后即1200 UTC开始工作，并于同一时刻与外域结束工作。

  1. 结果
    1. 观测得到的冰水含量

从2009年4月30号0000 UTC到1800 UTC的云系发展阶段，通过雨量测量器测得18个小时只有最高0.7mm的累积雨量。根据当日0930 UTC到1200 UTC的航空观测（未予显示），直到飞行器上升到了6.0 km的高度才有一小部分云粒子被探测到，这表明云的形成过程直到高层卷云的出现才开始。自从当日的1800 UTC，有明显的降水被记录并且重要降水区域由张家口(ZJK)的西北部迁移到了张家口的崇礼(CL)的东南部。

为了阐明云系的形成以及云卫星和航空器的观测数据，图1展示了于2009年4月30号1800 UTC和5月1号0000 UTC由FY-2C卫星获取的红外(IR)图像，该图像是卫星和航空器的部分飞行轨迹。图1a表明在30号1800 UTC有两团降水云，一团主要在北纬40度（云A），另一团在南部（云B）。红点即云A的一部分代表了我们的目标区域。6小时后（图1b），云A移向了东北部，但是我们的目标区域仍然被同一云系所影响。

云卫星于当日1839:42 UTC到1842:53 UTC经过中国北部的北纬34.6度到46.1度及东经111.2度到115.9度的地区，这大约比图1a所示内容晚了40分钟。图1c展示了云卫星的部分地面轨迹，该轨迹是最接近飞行器航线的部分。对于我们来说去设计一个沿着云卫星轨道的飞行器航线并且还要同时接近这太难了。航空观测在云卫星经过7小时

图1 （a）是2009年4月30号1800 UTC的红外线FY-2C卫星图像；（b）是2009年5月1号0000 UTC的红外线FY-2C卫星图像；（c）的黑色线是卫星地面轨迹，红色线是北京飞行器的航线，蓝色线是山西飞行器的航线。SY=尚义，ZJK=张家口，CL=崇礼

后进行。北京飞行器（图1c）于2009年5月1号0130 UTC到0215 UTC在张家口和崇礼之间以4.5航节的速度在3.6 km处飞行。而山西飞行器（图1c）当时在4.2 km的高度飞行。到那时，LWC处于一个极低的水平，只有0.001 g m-3；并且4.8-6.0 km处的冰粒浓度低于5 L-1。因此，云卫星在云系形成的早熟阶段经过而飞行器在晚熟阶段经过。

图2展示了云卫星CPR探测的IWC的反射率的横剖面。在图2a中可以看到在云系的4.0-8.0 km处垂直分布了大量的IWC并且于5.0-6.0 km处达到了0.5 g m-3的峰值。在北纬41度的窄IWC区域的顶部达到了8.5 km的高度，这意味着在层状云中有对流单体的存在。除了在北纬41度附近的非常小的区域有LWC，其余地方都没有，这与大量的IWC形成了对比（图2b）。因此，该阶段的云系的特征就是有由冰粒子造成的大量的卷云和高层云。

图2 来自云卫星反馈的IWC（g m-3）的横截面（a）和LWC（g m-3）的横截面（云卫星Granule 15995在2009年4月30号1839:42 UTC到1842：53 UTC的部分数据）。黑色虚线表示ECMWF的摄氏维度。IWC=冰水含量，LWC=液态水含量，ECMWF=中期气象预报欧洲中心

图3展示了IWC和LWC在4.2 km处（-5℃～-6℃）和在3.6 km处（-3℃～-4℃）的波动性以及在5月1号水平飞行的飞行器的CIP size bin。图3中的这三个变量取了10秒的平均值以消除因小规模的云探测而带来的假波动性（Fleishauer等，2002）。可以看出IWC（图3a）在0130 UTC到0145 UTC时基本从0.2 g m-3到0.87 g m-3变动，并且在0145 UTC到0205 UTC下降到相对较低的值（0.1 g m-3-0.4 g m-3）。这些数据体现出逐渐向东南移动的云系。反之，LWC在4.2 km处的值极低（大都小于0.01 g m-3），且最大值只有0.12 g m-3。

与4.2 km处的情况类似，在3.6 km处IWC被测得在0130 UTC到0145 UTC间在0.3 g m-3-0.8 g m-3之间波动，并且之后逐渐降低到0.1 g m-3-0.3 g m-3之间。此高度的LWC略微高一些，但是依然小于0.05 g m-3。3.6 km处的LWC和IWC在0130 UTC到0205 UTC的共同降低和张家口-崇礼线的降水减弱是同步的。

图3c和图3d的每个大小的面元里是样本中的10秒平均粒子数；每个面元的相对比例而不是数值浓度表明了每个大小面元对于IWC的主要贡献。将IWC与CIP的各个面元相比表明IWC的总体下降也由每个面元通过8 到 14（200-350 mu;m）的粒子数减少体现。此外，更大的粒子（gt;350 mu;m）对于IWC的峰值有显著贡献。总之，卫星数据和飞行器数据都表明了在早熟和晚熟阶段的高IWC和低LWC值。

图3 IWC（黑）和LWC（蓝），（a）由4.2 km处的山西飞行器的CIP测量计算；（b）由3.6 km处的北京飞行器测量计算；响应CIP 大小面元8-40（200-100 mu;m）于（c）4.2 km处，（d）3.6 km处。

    1. 模型模拟得到的液态水和冰水含量

为了更好的理解IWC随着时间的演变，用WRF模型模拟了降雨情形。总的来说，WRF模型成功的模拟了主要的降水区域，并且在成熟阶段比消散阶段效果更好。从观测得和从模型得的尚义和张家口小时累计降水在图4展出。对于尚义（图4a），在1700 UTC到2200 UTC之间观测并且降水在1900 UTC达到峰值4.6 mm h-1。作为对比，模拟降水早于观测降水一小时并且峰值相同。对于张家口（图4b）模拟效果更好，模拟和实际降水的峰值都在2200 UTC出现。这一结果表明模拟降水大体上与观测降水相当，因而模型结果可以用来分析微观过程。

图4 在4月30号1500 UTC和5月1号0200 UTC的通过观测和模拟得到的两地降水率，（a）尚义（b）张家口

图5展示了张家口和尚义在选定时间的模拟IWC和模拟LWC的变化情况。在1700 UTC（图5a），IWC分布于整个冷层且最高达到了11.2 km处，同时在4.8 km处达到峰值0.12 g m-3。此时，LWC小于0.04 g m-3。随着云的发展，IWC和LWC在1900 UTC各自达到了最大值0.2 g m-3和0.32 g m-3（图5b）。到2100 UTC（图5c），IWC显著增加到了0.43 g m-3而LWC下降到小于0.12 g m-3。冰粒的增长在发展阶段主要随着5.0-8.0 km处的蒸发积累，这也是聚合和淞化的先决条件。随着蒸汽冷凝和冰粒形成的过程中LWC的增加，淞化过程在5 km以下处占主导地位且促进了IWC在成熟阶段的急速积累。

图5 模拟IWC和LWC随着高度的变化，尚义：（a）1700 UTC，（b）1900 UTC，（c）2100 UTC；张家口：（d）1800 UTC，(e)2100 UTC，（f）2200 UTC。

类似的IWC变化可以张家口的模拟结果中看到（图5d-图5f）。该结果中IWC的最大值0.16 g m-3在1800 UTC时达到。且IWC从2100 UT的0.44 g m-3迅速积累到2200 UTC的1.24 g m-3。与航空观测相比，模拟IWC结果处于云探针的观测范围内。然而，模拟的晚期阶段竟然在2300 UTC-0000 UTC出现

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