大陆性浅对流云宏微观结构的飞机观测研究

The macro and micro physical characteristics of convection cloud are of critical important for radiative properties of the clouds, and its variability is essential for understanding precipitation microphysics of convective cloud. Current analysis of convection clouds has mainly based on the ground or satellite based remote sensing method, the in-situ measurement of shallow convection clouds are rarely conducted in China. The properties of convection clouds was found to related to the land surface and aerosol types, the aim of this project was to measure the microphysical properties of convection clouds using a comprehensive aircraft in North China Plain (NCP). Vertical structure of fair-weather convection cloudss will be observed using Ka-band cloud radar (KPR) on the wing of the aircraft. Vertical profiles of microphysical properties (such as cloud number concentration, cloud size distribution, liquid water content, updraft velocity) of fair-weather cloud will be observed by the DMT probes on the aircraft. The results of this project will improve our understanding of the microphysical properties of cloud and precipitation, and also have important application for improving the simulation results of the model in evaluating the precipitation of cloud in summer.

对流云中云的宏微观物理特征不仅对云的辐射特性具有重要影响，而且与对流云降水的效率密切相关，目前针对中国大陆性浅对流云的飞机观测仍较为匮乏，缺少对流云初始阶段微物理特征量的观测资料。本项目拟通过设计合理飞行方案，利用我国首部机载Ka波段云雷达，结合全套的机载云粒子探头，对华北地区大陆性浅对流云进行穿飞观测，研究浅对流云的生命史、尺度、对流云内部的含水量、粒子浓度、粒子谱、上升速度等宏微观结构信息，以提高我们对对流云降水宏微观物理结构特征的认识，并为云参数化数值模式提供可靠依据。

对流云在陆地上空的云中约占 30%，能够将低层的动量、热量、水汽和污染物等垂直传输到自由大气。对流云的出现也是对流边界层内部结构中湍流改变的主要成因，其生成和发展对于气候、环境和辐射特性有重要影响。因此，研究对流云不同发展阶段的宏微观物理结构，包括对流云尺度、积云内部含水量、粒子谱等特性，对认识积云降水特征具有重要的科学意义。本项目以山西作为外场观测基地，利用飞机观测平台，开展大陆性浅对流云宏微观结构特征的观测，以及气溶胶-对流云相互作用。项目通过对2014-2020年开展的气溶胶、云凝结核以及对流云的飞机观测试验，获取到大量宝贵的观测数据，并对其进行深入分析，主要研究成果总结为以下五点：① 分析了黄土高原地区大陆性浅对流云不同发展阶段宏微观结构特征及粒子谱拟合参数，积云内部暖区部分可以用Gamma分布进行拟合；② 分析了黄土高原地区气溶胶垂直分布特征，并根据后向轨迹模式分析了气溶胶来源 ③ 首次利用飞机观测资料，分析了黄土高原地区浓积云内部过饱和度垂直分布特征，云内最大过饱和度约为0.7%，出现在云的中下部；分析了云底附近气溶胶-CCN-云滴相互转换关系以及积云内部气溶胶-云滴之间转换关系，为模式模拟提供依据；④ 分析了大陆性浓积云离散度分布特征，建立离散度与云滴数浓度、含水量和高度等关系；⑤ 分析了气溶胶间接效应。⑥ 给出KPR在积云中的应用分析。项目研究形成了对山西地区的大陆性浅对流云宏微观结构特征，气溶胶理化特性、气溶胶活化特性及气溶胶与云滴转化的客观认识，研究成果对区域大气物理和大气环境研究、天气和空气质量预报、气候预测分析、人工增雨作业设计以及气溶胶和云数值模拟提供实测数据和科学依据，同时为区域大气环境治理和防灾减灾提供科学参考。