我国北方层状云冰相微物理过程及其对降水的影响研究

以冷层为主的混合相层状云系是我国北方地区开展人工增雨作业的主要云系，深入研究冷性层状云系的冰相微物理过程有助于提高对我国北方层状云系降水机理的认识，对于指导人工增雨作业、合理开发空中水资源具有重要的科学和现实意义。本研究拟结合飞机探测、Cloudsat卫星遥感和WRF中尺度数值模拟，研究我国北方层状云冰相粒子的浓度、谱型和增长机制等微物理特征；结合卫星观测的冰晶浓度和冰水含量，采用WRF模式定量分析冰晶层的播种作用对混合层冰相粒子微物理过程以及降水的影响；结合飞机探测资料，研究冰相粒子的形态变化与云滴浓度及凇附、聚并等增长过程的相关性；分析冰雪晶谱型在不同降水阶段的变化规律，改进WRF云微物理模块中冰雪晶的谱型参数化方案；通过数值敏感性试验对比分析不同降水阶段的主要冰相微物理过程，揭示冰雪晶的谱型变化对层状云冰相微物理过程和降水的影响规律。

层状云系是我国北方地区重要的降水云系，深入研究其冰相微物理过程可以为科学开展人工增雨作业提供理论指导，同时对合理开发空中水资源有着重要的现实意义。本项目综合考虑飞机、地面和CloudSat卫星观测，利用华北地区层状云系机载云粒子探测数据和中尺度WRF模式，详细分析了冰相粒子在不同降水阶段的形态、谱型和冰水含量分布等宏微观物理特征、云系在不同降水阶段的冰相微物理过程、冰晶层和冰水混合层的播种-供应关系及其对降水的影响，在此基础上发表科研论文4篇（SCI论文2篇），顺利完成了预定研究内容。.飞机探测和卫星反演结果表明，由于对流泡的存在，我国部分降水性层状云系存在明显的高冰水含量区；对不同温度层的水平探测结果表明，云内部分层次内冰水含量随温度的降低呈递减趋势。但对含有多层结构的云系而言，其变化要复杂得多。对典型淞附状粒子及其聚合体形成温度和降落末速的分析发现，6 km高度以上冰雪晶的播种作用对中低层高冰晶浓度和冰水含量值有重要影响。.对不同温度层冰雪晶平均谱型的研究表明，对于直径为500-1000 µm以上的大粒子，主要为指数分布；而对该尺度范围以下的小粒子，分布形态较复杂。本项目分别采用M-P指数和Г函数对冰雪晶谱型参数进行了拟合，并拟合了偏差-斜率关系式。利用Г函数拟合得到的斜率数值范围比指数函数要大得多。采用这两种函数拟合时相关系数均主要为0.6-0.9并同时存在一些零散的低值，因此其对谱型表达的准确度相近。.数值模拟结果表明，北方层状云系主要冰相微物理过程为：云系发展阶段，高层冰雪晶以凝华增长为主，此后随云水的不断凝结，冰相粒子增长方式转变为以中低层的淞附增长为主，造成冰水含量在降水成熟阶段的快速累积。由于冰晶层厚度的不同导致其对地面降水的贡献存在差异，但该层冰雪晶的凝华增长及进一步对冰水混合层的播种作用不可忽视。.本项目研究过程中所利用的CloudSat卫星观测信息和从云粒子探测仪器计算冰水含量的方法对今后研究混合相云系冰水含量具有重要的参考价值；对冰相粒子谱型参数和相关系数的研究结果可对云微物理探测提供理论参考；同时对冰晶层播种-供应关系的研究对于指导当前人工增雨作业具有一定意义。