美国南部大平原地区积云垂直风速的统计特征及其云微物理效应

论文总字数：15470字

目 录

1.引言 1

2.观测数据及处理 3

3.积云垂直运动及其相关数据分析 3

3.1积云垂直运动的统计特征 3

3.2积云微物理量与云垂直上升速度的时间演变 5

3.3积云微物理量与云垂直上升速度的拟合分析 8

3.4积云垂直上升运动对云滴谱的影响 10

4.结论 11

5.讨论 12

参考文献 13

致谢 14

美国南部大平原地区积云垂直风速的统计特征

及其云微物理效应

袁月

，China

Abstract：In this study, we summary the changes of the microphysical characteristics with time and the statistical characteristics of vertical velocity in cumulus. The statistical characteristics of vertical velocity show that updraft occupies the dominant position in cloud. But downdraft still occupies a certain proportion, and this may be associated with the compensating downdrafts which are at the edge of the cloud. In addition, we analyze the correlation between vertical velocity and microphysical parameters, and the results show that with the increase of vertical velocity, cloud droplet number concentration increases, while relative dispersion reduces. The relationship between relative dispersion and cloud droplet number concentration is negative. But some previous studies show that an increasing aerosol loading often leads to an increase in cloud droplet number concentration and relative dispersion. This shows that vertical velocity affects the influence of aerosol on microphysical characteristics. In addition, the enhancement of vertical velocity causes some impacts on cloud droplet spectrum. The enhancement of vertical velocity in cumulus can increase the peak radius, cloud droplet number concentration and spectral width to some extent. Moreover, cloud droplet spectrum converts from the type of three peaks to one peak in the process of the enhancement of vertical velocity.

Key words：cloud microphysics；vertical motion；relative dispersion；cloud droplet number concentration

1.引言

云是由大气中的水汽以及水汽凝结形成的水滴、冰晶、雪晶等和空气共同构成的统一聚合体。云由水汽凝结形成，而水汽的凝结往往又是对大气动力过程的响应，它是大气运动与水循环共同作用而成的可见结果，这些运动过程包括大范围的垂直运动、对流和混合等。

对于某一特定的云个体，云的特征参量变化很大，而且云的外在形态与结构充满多样性，人们无法利用单一的方式将其简单分类，于是出现了多种对云的类别区分，这些类别划分都是以某些特定的因素为依据进行的。比如根据从地面所看到的云的形态对云进行分类，这种分类方式最早是由英国的药剂师Luke Howard在1803年提出的。他把云按形态分为四类：1）积云：垂直方向发展的云；2）层云：水平方向伸展的云；3）卷云：纤维、丝缕状的云；4）雨云：发展深厚的降水云。此种简单的分类方式在目前是较为常用的。完整的国际分类中包括了更多的云类，其划分依据更加多元、细致。本文所要讨论的云类为积云，它在人工降水作业以及天气预报工作中意义重大。本文将结合来自各国学者的研究资料建立数据模型，对积云进行物理因素的分析，从达到对积云有更深的了解的研究目的。一般来说，云中气流的分布随发展阶段的不同而不同。在云刚刚开始形成的时候，云内是有组织的的上升气流，其速度在垂直方向上的分量平均一般是每秒种上升几米。锋面性积云内垂直上升速度比较快，记录的速度有的时候甚至能达到20-30 m·s^-1 ，一般来说，垂直速度的最大值在云的中部附近出现。在速度的垂直分量达到最大的高度的下方，速度的垂直分量与高度的关系是：每当高度增加垂直速度便会减小。在云刚刚发展的时候，垂直速度达到最大的位置可能比我们上面所说的位置稍微低一些。而随着积云发展过程的不断继续，这个位置会逐渐向上偏移，直到到达上文所述的位置。

大气风廓线仪是当前气象业务较为常用的用来获取大气风廓线的仪器，它的原理是利用湍流引起的大气层结指数变化及其引起的不同的电磁波散射效应，对所能获取的、经过相关探测的、能够反映空气运动的多普勒信号进行处理。除此之外，大气风廓线仪还可以与其他探测系统综合使用以获取更多的探测信息，比如，将其与电声探测系统结合使用可以探测到大气温度廓线的数据。一些学者利用大气风廓线仪进行了相关研究^[1]。通过整理这些研究成果，我们可以获取到以下信息：在没有降水现象产生的情况下，下沉气流在垂直方向上，占据了距离地面5000m以下的空间。但是只要出现了云我们就可以认为有上升气流出现，因为云的产生必然伴随着上升气流的存在。除此之外，上升气流的位置会因为不同的云而存在一些差别，比如上升气流在淡积云、碎积云与浓积云三种云之间的位置以及量级是有差异的：淡积云与碎积云在1500-4000m的位置上几乎没有对流出现，垂直方向上的速度很小，大约在1-2m·s^-1 左右，垂直运动很弱。浓积云的上升速度随着高度的增加急剧增加，在1000m以下浓积云垂直速度分量要远远弱于淡积云和碎积云,但是随着高度继续增加至3500 m，浓积云的上升运动会和这两种云差不多，随着高度的继续增加，其上升运动会增加至后者的2-6倍。这说明，云中对流发展的高度是不同的，而且上升速度跟云的种类是有着很大的相关性的，上升气流在云中的位置和量级也有所不同，这一些都将会影响到云微物理特征。

当前的微物理特征相关研究常常与气溶胶结合在一起，学者们在气溶胶间接影响领域已经有了较为深入的研究。气溶胶浓度的增加将导致云凝结核（CCN）的激活和云滴数浓度（N）的增加，这种机制叫做数浓度效应机制。当大气气溶胶含量增加时，单个气溶胶粒子所能够凝结水蒸气的量变少，进而降低形成雨滴、云滴的效率^[2]。类似的，研究表明当云中含有一定量的液态水时，云滴数浓度的增加将会使得云滴有效半径减少，从而导致云反照率的提高^[3]。云凝结核效应能够使云滴数浓度升高，气溶胶浓度的增加会影响云滴谱分布的特征^[4]，还会影响到云内相对离散度（相对离散度是云滴谱的标准差与平均半径的比值，波动范围为0.1-0.4）^[5][6]。然而，气溶胶分散效应还存在有一些争论：相对离散度与气溶胶含量之间存在着怎样的关系。一些学者认为相对离散度与气溶胶含量之间存在正相关关系^[7][8]，但也有其他学者的报告表明二者之间存在弱相关或负相关关系^[9][10]。产生这些不同甚至对立的研究结论的原因是气溶胶含量的改变常与其他因素有关，其中一个重要的动力因素便是云中气流的垂直运动。

由于积云中的垂直上升运动将会对云微物理量产生一定影响，并且垂直运动在理论上会同时影响云滴浓度、相对离散度还有一些其他云微物理量。比如一些学者认为垂直上升速度、云滴数浓度与相对离散度之间存在一定关系，即随着垂直上升速度的增强云滴数浓度增加而离散度在减小^[11]，且这种关系可以用幂律函数来表示。此外还有其他国家的一些学者进行了相关研究。日本学者利用垂直矿井进行的生成云、雨的模拟实验表明：上升运动作为促进云凝结生成的条件之一，与含水量之间存在一定关系。且是近乎线性的相关关系。空气中气溶胶粒子含量的不同会导致云中含水量的最大值的不同^[12]。

垂直运动在影响云微物理量的同时还会对云滴谱造成一定影响。在云的微观特征方面，云滴谱的分布密度函数曲线具有一定特点：小尺度云滴和大尺度云滴较少，而中尺度云滴较多，并且在大尺度云滴方向有长尾巴。在相应理论分析和比较的应用中，常用数学函数的形式对云滴谱的分布曲线进行拟合。一般我们会对实际观测到的云滴谱分布采用纯数学拟合，该种形式的曲线可转化为线性的相关关系。一般理论认为淡积云中的云滴比较小，算术平均半径约为5微米，最大滴半径约为25微米，滴谱曲线为非对称单峰型，且峰位于半径为7-8微米处。浓积云云底处的云滴谱较窄，与淡积云的云滴谱相似；中部和上部的云滴要大一些；在云底为单峰型，中部出现双峰和多峰型。积雨云中云滴谱更宽，谱型则频繁出现双峰和多峰型。衡山曾测得云底和中部最大滴半径分别为30与65微米。一些学者的海洋云与污染云相关研究表明，因为污染云的云滴更小所以污染云中的离散度较大，且相对离散度随高度的变化并不明显^[12]，值得注意的是两种云的云滴谱是相似的且差异不大。此外，云滴谱谱宽是影响云辐射特性的重要参数，云内辐射过程取决于云的微物理特性，特别是（太阳）短波辐射。

本文通过统计观测数据，总结垂直速度的统计特征，分析积云垂直上升速度与云滴谱之间的关系，详细研究了平原地区积云中垂直风速的统计特征及其云微物理效应。其中，对积云的垂直速度和微观特征的分析，将有助于增强我们对云物理的理论认识，同时也将促进对气溶胶-云相互作用的研究。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：15470字

相关图片展示：