基于機載粒子探測系統(tǒng)的中國層狀云的微物理特征

基于機載粒子探測系統(tǒng)的中國層狀云的微物理特征

近年來，由于人類活動產(chǎn)生的氣溶膠對氣候的輻射強度已成為一個話題。這也是科學(xué)家研究和預(yù)測地球環(huán)境變化的一個重要問題。由于氣溶膠時空分布的不確定及粒子的物理、化學(xué)特性的多變性,加上觀測資料的缺乏,使得大氣氣溶膠成為當今氣候變化與預(yù)測研究中一個既重要又難以估計的不確定因子。氣溶膠間接強迫主要有2個方面:(1)增加氣溶膠可以增加云滴凝結(jié)核(CCN),在水汽含量一定的情況下將會使云滴的數(shù)目增多而半徑減小,通過有效半徑的變化影響云的輻射特性從而改變輻射收支;(2)在沒有冰核的暖云中,氣溶膠的增加使云滴變小,云滴增長變得困難,不利于產(chǎn)生降水,因此CCN的增加抑制了降水,使云的生命時間延長而最終影響整個輻射平衡。氣溶膠粒子、CCN、云滴譜及云的光學(xué)特征之間關(guān)系的復(fù)雜性和不確定性,使氣溶膠間接輻射強迫的研究存在很大的困難。云微物理特性和氣溶膠對云的影響在其中起著關(guān)鍵的作用,對它們的研究可以幫助確定氣溶膠的輻射強迫以及氣候效應(yīng)。機載粒子探測系統(tǒng)PMS的云觀測資料分析是研究云微物理特征和大氣氣溶膠與云相互作用的重要手段。通過飛機觀測能夠直接得到云的微觀特征量(數(shù)濃度、平均直徑、液態(tài)含水量、云滴尺度分布等)以及它們的時間和空間變化。該資料可研究云的微物理特征,也能夠為雷達和衛(wèi)星等遙測提供必要的直接觀測依據(jù),同時可以為數(shù)值模式服務(wù)。因此PMS資料具有廣泛的應(yīng)用價值。目前利用航測資料已進行了許多氣溶膠—云相互作用的研究,King和Ferek等在對船航跡的觀測研究中發(fā)現(xiàn)了氣溶膠間接效應(yīng):受到船航跡影響的層積云通常含有較多的云滴,云滴直徑小且沒有降水粒子。在不同的外場實驗中都觀測到了氣溶膠的間接作用,例如FIRE、ASTEX、INDOEX、RACE等。O’Dowd等分析了北大西洋和東太平洋云下氣溶膠和云滴數(shù)濃度之間的關(guān)系,得到了云滴數(shù)和氣溶膠濃度的關(guān)系式Nc=197(1-exp(-6.13×10-3Na))。這些外場觀測大多數(shù)是在海洋上進行的,主要是海洋性層積云。國內(nèi)20世紀80年代初引進了美國的PMS探測系統(tǒng),對于云的飛機探測廣泛開展起來,廖飛佳等利用北疆1983年11月22日一次冷鋒降水后期寬雪帶獲得的飛機觀測資料,根據(jù)雪帶中的降雪粒子隨高度的濃度分布和尺度分布,分析了雪帶的微物理結(jié)構(gòu)特征和降水增長過程;張連云等、蘇正軍等分別分析了山東省和青海省層狀云的云及降水的微物理特征;李淑日等對河南省一次降水層狀云系進行了飛機探測,利用取得的微物理資料,配合同期的天氣、衛(wèi)星、雷達等資料對云的微物理特征進行了分析。國內(nèi)PMS資料的獲得與分析研究主要是與人工影響天氣作業(yè)相結(jié)合,對資料的分析重點是過冷水滴、冰晶等與降水相關(guān)的微物理量,但是進行氣溶膠間接作用的研究很少。本文利用飛機探測資料分析了20世紀90年代初華北地區(qū)層云微物理特征及其變化,為氣溶膠與云的相互作用研究提供一定的觀測事實,同時探討了云下氣溶膠對云滴數(shù)濃度的影響。1asasp-100氣溶膠研1990年9、10月以及1991年4月,河北省人工影響天氣辦公室(簡稱人影辦)在進行飛機人工增雨作業(yè)時利用機載PMS對層狀云進行了12次探測,得到了河北省層狀降水云的微物理資料,部分航次中還包含氣溶膠數(shù)濃度資料。PMS由ASASP-300、FSSP-100、2D-C、2D-P探頭及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(2D-64)組成,其中ASASP-300為地面探頭,其他3個為機載探頭,部分航次還帶有ASASP-100機載探頭。FSSP-100探頭為前向散射滴譜測量儀,用于云滴的濃度和尺度觀測、云含水量估算等,其測量范圍為0.5～47μm,分為4個量程(2～47μm、2～32μm、1～16μm、0.5～8μm)且每段分為15個等間隔檔。ASASP-100帶活性腔散射滴譜測量儀用來測量大氣中直徑為0.12～3.12μm的氣溶膠粒子。1991年4月的航測主要是春季回流型降水層狀云,其在垂直方向上有2層主體云,即鋒面上的As(蔽光高層云)和鋒面下的Sc(蔽光層積云),降水即將形成時,近地層還有Fc存在。Sc云底高度小于2km,降水性Sc云厚大于2km。1990年9、10月的航測云狀主要是As系列云(包括Ns、AsFn、Asop云),云底高度大約1.6km,云厚大于2km。關(guān)于云區(qū)的定義有不同的方法,Yum等采用粒子總數(shù)濃度大于1cm-3為閾值確定云區(qū);Hobbs提出,當利用FSSP-100探頭觀測到云中大于2μm的粒子總濃度超過10cm-3時,看作是云水區(qū)。本文在處理云資料時只采用了FSSP-100探頭在量程2～47μm、2～32μm時獲得的數(shù)據(jù),并且以含水量大于10-4g·m-3且粒子總數(shù)濃度大于10cm-3為閾值確定云區(qū)。2層云的微觀特征2.1云內(nèi)微觀特征分析各次航測的所有資料,每次觀測都會出現(xiàn)200cm-3以上的數(shù)濃度極大值,最大可達838cm-3;12次觀測的最大平均直徑和最大有效直徑分別為22.7μm和31.7μm;最大液態(tài)含水量達到2.7g·m-3。統(tǒng)計平均的云內(nèi)微觀特征量,包括云滴數(shù)濃度Nc(cm-3)、液態(tài)含水量CLW(g·m-3)、有效直徑De(μm)和平均直徑Md(μm),能夠反映所觀測云系的總體情況。對每次航測的采樣進行平均,得到層狀云云滴特征(表1)。由表1可見,12次飛行的云滴數(shù)濃度均值在20～150cm-3范圍內(nèi)變化,平均均值為79cm-3;液態(tài)含水量在0.007～0.130g·m-3范圍內(nèi),平均0.03g·m-3;粒子尺度的變化則相對較小,其平均直徑均值在4.8～17.0μm之間,基本上在7μm上下;有效直徑在6.8～24.3μm范圍內(nèi),平均值大約11μm。對比平均值和標準偏差可以發(fā)現(xiàn)不同航次云的微觀特征量有很大的差異。2.2云滴直徑和直徑分布表2給出了近20a中國北方層狀云的飛機探測情況,其觀測的云型大多數(shù)是Sc和As構(gòu)成的混合云系。綜合分析這些觀測發(fā)現(xiàn),液態(tài)含水量、平均數(shù)濃度等的變化趨勢不甚明顯,春季云滴數(shù)濃度觀測值普遍較小。云滴數(shù)濃度在20世紀90年代初較大(趙仕雄等采用手槍式滴譜儀);在同一地區(qū)低云Sc的云滴數(shù)比中云As大。在含水量方面,1999年觀測的平均值為0.035g·m-3,1995—1997年為0.05g·m-3,1991年為0.001～0.08g·m-3,在數(shù)值上是隨著時間略微增大,但趨勢不明顯;Sc云滴平均直徑較小。7個秋季觀測資料的云滴含水量、平均直徑整體上比春季小;秋季的云滴相對均勻,其變化范圍比春季小。雖然飛機航測不能對層狀云進行連續(xù)的大量的觀測,但對這些觀測資料的分析仍能夠大致了解我國華北地區(qū)春、秋季層狀云各特征值:云滴數(shù)濃度10～200cm-3,含水量0.01～0.1g·m-3,平均直徑7～15μm。國外對層狀云的觀測實驗,如FIRE、ASTEX、INDOEX、RACE等,對云滴的觀測也使用了PMS`。在FIRE中對海洋層狀云觀測得到云滴數(shù)濃度為41cm-3、平均直徑為15μm、液態(tài)含水量為0.106g·m-3;在ASTEX中分別對海洋層狀云和大陸層狀云進行了觀測,海洋層狀云云滴數(shù)濃度為86cm-3、平均直徑為11.9μm、液態(tài)含水量為0.126g·m-3;大陸層狀云云滴數(shù)濃度為183cm-3、平均直徑為8μm、液態(tài)含水量為0.098g·m-3。20世紀90年代初河北的航測結(jié)果與國內(nèi)外的一些飛機觀測結(jié)果在數(shù)值上是相當?shù)摹?.3云底至云底的數(shù)濃度變化飛機在爬升和下降過程中進行的測量可以得到云微物理量的垂直結(jié)構(gòu)。飛機飛行高度一般在海拔5000m以下,選取不同時段的觀測資料以分析云微物理特性的垂直分布。圖1顯示了云滴數(shù)濃度垂直分布。圖1a的云底高度約1700m,云滴數(shù)濃度在云底附近達300cm-3,呈現(xiàn)出隨高度下降的趨勢。圖1b也反映出相似的規(guī)律。孫玉穩(wěn)等指出,此次觀測中Sc在1700～2200m之間,其上為As,至3600m;在Sc云底附近最大數(shù)濃度接近250cm-3,到2200m附近降到不足100cm-3;As從云底到云頂數(shù)濃度由接近200cm-3減到不足50cm-3。而圖1c顯示的一次秋季觀測的數(shù)濃度沒有明顯變化。圖2a包含2個云系的液態(tài)含水量垂直分布,1500～2200m為Fn(雨層云),之上為As。As含水量隨高度增加。圖2b、c中液態(tài)含水量隨高度增加都沒有明顯的變化,圖2b還反映出該次航測不同云的含水量沒有明顯差異。圖3是云滴平均直徑垂直分布。圖3a中的As部分的平均直徑在云體的下部明顯隨高度增大,而上部變化不大;圖3b的航測中,Sc和As2個云系的平均直徑都呈現(xiàn)出隨高度明顯增加的趨勢,在高層云As中平均尺度從2200m附近的4μm左右增加到3600m附近大于10μm?？偟膩碚f,無論是云滴數(shù)濃度、液態(tài)含水量,還是平均直徑,春季云體有比較明顯的垂直變化,而秋季垂直變化與春季相比較小。3氣溶膠對云的影響3.1云下氣溶膠數(shù)濃度部分航次利用ASASP-100探頭獲得了氣溶膠的數(shù)濃度。氣溶膠可以作為云凝結(jié)核(CCN)而影響云滴的形成,了解云下氣溶膠與云內(nèi)云滴數(shù)濃度之間的關(guān)系,有助于研究氣溶膠與云的相互作用,可為氣溶膠與云參數(shù)化方案提供一定的觀測基礎(chǔ)。選取1991年4月11日9時的觀測資料對云下氣溶膠數(shù)濃度垂直分布進行分析。根據(jù)宏觀資料可知云底高度為1700m,云下的氣溶膠數(shù)濃度變化如圖4所示。1000m以下數(shù)濃度變化較小,約4.5×104cm-3,其上至云底氣溶膠數(shù)濃度隨高度變化從約4.2×104cm-3減少到3.0×104cm-3。根據(jù)飛行路徑和采樣數(shù)量,本文取云底以下500m范圍內(nèi)的氣溶膠數(shù)濃度均值代表云下氣溶膠,得到8個個例的云下氣溶膠數(shù)濃度特征(表3)。選取的8個例子中1990年秋季和1991年春季各有4個。由表3可見,秋季云下氣溶膠的數(shù)濃度和平均直徑都小于春季,春季氣溶膠粒子較大,平均直徑為0.25μm,數(shù)濃度在3.0×104cm-3附近;秋季平均直徑為0.16μm,數(shù)濃度平均為2.37×104cm-3。3.2氣溶膠對云滴的影響云滴的數(shù)濃度同氣溶膠之間的關(guān)系由于CCN活化的復(fù)雜性而變得不確定。假設(shè)觀測時的氣溶膠與云滴生成時基本一致,則可通過相關(guān)分析來研究氣溶膠與云滴兩者之間的關(guān)系,可以幫助了解氣溶膠影響云滴形成的微物理過程。圖5為云下氣溶膠數(shù)濃度與云滴數(shù)濃度之間的關(guān)系,二者之間相關(guān)達到0.8131且通過了顯著性水平為0.05的t檢驗,說明云下氣溶膠數(shù)濃度同云滴數(shù)濃度之間存在著正相關(guān)關(guān)系,云滴數(shù)濃度隨氣溶膠數(shù)濃度的增加而增加。由于兩者之間的關(guān)系存在著許多不確定因素,因而還需要更多的觀測資料進行更加深入的研究,得到能夠廣泛應(yīng)用于大氣數(shù)值模式的氣溶膠與云滴數(shù)濃度關(guān)系的參數(shù)化方案。3.3氣溶膠粒子群的尺度云滴的多少不僅僅由氣溶膠數(shù)濃度決定,還與氣溶膠粒子的尺度、化學(xué)組分、上升速度以及過飽和度有關(guān)。氣溶膠粒子中的一部分可以作為CCN活化,其活化量受到上升速度、過飽和度、CCN的尺度以及CCN的化學(xué)性質(zhì)影響。過去在大量測量的基礎(chǔ)上提出了關(guān)于被活化的CCN濃度的經(jīng)驗公式Nccn(ΔS)=cΔSb,其中ΔS為過飽和度,常數(shù)c相應(yīng)于過飽和度為1%時的粒子濃度,氣溶膠粒子群尺度或化學(xué)成分的信息隱含在參數(shù)c和b之中。由于氣溶膠尺度分布或化學(xué)成分的時空不確定性,使得參數(shù)的值也隨時空出現(xiàn)極大的變化。因此,研究氣溶膠—云滴的相互關(guān)系需要研究氣溶膠—CCN—云滴之間的關(guān)系,CCN的觀測與研究對于氣溶膠與云滴的關(guān)系至關(guān)重要。4云特征和云下氣溶膠分布在1990年9、10月和1991年4月河北省人工影響天氣飛機增雨作業(yè)期間,利用機載粒子探測系統(tǒng)PMS進行了云及降水的微物理特征探測。本文利用這些資料分析了這段時間的云微觀特征及垂直分布,初步探討了氣溶膠對云的影響。(1)華北地區(qū)層狀云的基本微物理特征云滴數(shù)濃度為79.2cm-3、液態(tài)含水量為0.03g·m-3、有效直徑為11μm。(2)我國北部地區(qū)春秋季層狀云各微觀特征大致為:云滴數(shù)濃度10～200cm-3,含水量0.01～0.1