J2云微物理特征-冷云微特征

.,J2云微物理特征-冷云微观特征,.,建议书目杨军等.云降水物理学.北京:气象出版社,2011.黄美元和徐华英.云和降水物理.北京:科学出版社,1999.,.,.,冷云的定义,目前有两种定义第一种：一块云如果铅直伸展到0层以上高度，这种云就称为冷云（见华莱士和霍布斯，2003）第二种：有冰相过程参与的云称为冷云。（黄美元和徐华英，1999）实际运用时，大多用第二种定义。本课程采用第二种,虽然个人建议取消暖云、冷云这两个概念，直接用水云、混合云、冰晶云这些概念。,.,为何研究冷云的微观特征？冰相对降水、辐射有重要影响。所以研究冷云的微观特征，有助于理解和改进天气和气候模式中的云微物理过程处理方案，从而提高降水数值预报的准确性，提高气候变化模拟研究结果的可信度。,.,在水质量一定的条件下，混合相云中的冰越多，则云通过反射太阳辐射对地面的冷却作用越弱。这是因为冰云的光学厚度比过冷水云的小。全球气候模拟结果表明，相比于通常所假定的-35的冰化温度，取0作为冰化温度时全球辐射平衡将改变17Wm-2。,冰相对辐射的影响,.,冷云的微观特征包括,冷云中的冰相粒子形状是怎样的呢?有多大?有多少?质量密度如何?落速如何?专业一点的说法是:微观特征主要关注-形状、尺度谱分布、尺度、数浓度、密度、下降末速度。,.,本章内容,形状尺度及尺度谱分布数浓度密度下降末速度。,.,ThesepicturesshowrealsnowcrystalsthatfelltoearthinNorthernOntario,Alaska,Vermont,theMichiganUpperPeninsula,andtheSierraNevadamountainsofCalifornia.TheywerecapturedbyKennethG.Libbrechtusingaspeciallydesignedsnowflakephotomicroscope.,雪晶图片欣赏,.,地面观测冰晶形状的代表人物,WilsonBentley,ThefirstsubstantialcollectionofsnowcrystalphotographswascreatedbyWilsonBentley(1865-1931).AVermontfarmer,Bentleymadesnowflakephotographyhislife-longpassion,eventuallycapturingsome5000imagesonold-stylephotographicplates.HiseffortseventuallycametotheattentionofW.J.HumphreysoftheU.S.WeatherBureau,whoworkedwithBentleytopublishnearly2000photographsin1931,justbeforeBentleysdeath1.Thepublicationofthisbook,entitledSnowCrystals,introducedtheworldtothebeauty,complexity,anddiversityofsnowcrystals.,.,UkichiroNakaya,中谷宇吉郎（NakayaUkichiro）(1900-1962)，日本物理学家。1931年开始雪花在显微镜下拍照、人工雪的研究。不久制成与天然雪具有同一结晶的人工雪。他将气温和水蒸汽的过饱和度画成图形，从而区分出各结晶形状的生成领域(见1941年他发表的论文雪的结晶与生长条件之关系)。,.,WilliamWergin,WilliamWerginhasdevelopedtechniquesfortakingsnowcrystalphotographsusinganelectronmicroscope,whichiscapableofexaminingveryfinedetailsintheirstructure.AnumberoftheseimagescanbeseenattheElectronMicroscopyUnitSnowPage.,.,KennethG.Libbrecht,/atomic/snowcrystals/,SnowcrystalswerecapturedbyKennethG.Libbrechtusingaspeciallydesignedsnowflakephotomicroscope.,.,冰相粒子的形状分类,1951年，国际冰雪委员会根据形态提出了固态降水物的国际分类，将冰雪晶分为片状、辐枝状、柱状、针状、空间辐枝状、帽柱状、不规则晶、霰、冰粒、冰雹10种,见B.Mason,inThePhysicsofClouds(OxfordUniversityPress,1971),.,冰相粒子的形状分类,NakayasClassification，,seeU.Nakaya,SnowCrystals:NaturalandArtificial(HarvardUniversityPress,1954).,PhysicistUkichiroNakaya(1900-1962)createdthefirstsystematicclassificationschemeforsnowflakes,inwhichhesubdividedfallingsnowinto41individualmorphologicaltypes,.,第三种分类,Nakaya拓展版ThemostcomplexclassificationschemeisanextensionofNakayastable,publishedbymeteorologistsC.MagonoandC.W.Leein1966.Thistableincludes80differentsnowcrystaltypes.seeC.MagonoandC.W.Lee,MeteorologicalClassificationofNaturalSnowCrystals,JournaloftheFacultyofScience,HokkaidoUniversity,1966.,.,冰的晶格基本形状,Ifyoulookcloselyatfallingsnow,youcanseeagreatmanydifferentcrystalshapes.但是,在地球大气温压范围内，冰的晶格基本形状是对称的六棱柱状，即有2个底面和6个侧面。为什么？水分子固态时，六角点格排列。,.,冰相粒子形状与生长环境,在冰晶的生长过程中，底面、侧面或棱边具有生长优势时将分别形成柱状、片状或辐枝状这三种最基本的冰晶形状。实际形状非常复杂，为研究方便进行了形状定义。随着环境温度、湿度的不同及其在生长过程中的变化，造成冰晶不同部位生长速率的差异，从而形成各种形状的冰雪晶。,.,形状与生长环境的实验室研究,早期研究温度高于-30度,利用对流云室或非对流扩散云室,冰晶在rabbitfurorfilamentsofplasticorglass上生长.发现habittransitionsthatoccurbetween0度and-18C(platestocolumnstoplates)首先取决于温度,其次才是过饱和度Nakaya(1954),Kobayashi(1957),andHallettandMason(1958),.,第二阶段,RottnerandVali(1974),Kumai(1982),andPruppacherandKlett(1997)利用不同的核化方法，研究了冰晶的生长。肯定了在0到-20C范围内的基本形状，但在更低温度时结果相当不同，通常与最初的研究结果以及外场观测结果不同。,.,第三阶段,BaileyandHallett（2002，2004）考虑了低温时气压的变化，认为气压影响水汽的扩散。Crystalsweregrownoncleanglassfilaments结果表明，manyoftheearlierresultswereheavilyinfluencedbythenucleationmethod,crystalconcentrationandsupersaturationcontrol(orlackof),.,.,.,为何是这样的？能给出微观解释吗？能被自然云中的观测结果证实吗？,.,云中观测研究-仪器,.,earlystudy,SlideImpactors撞击取样器,.,.,.,.,OtherImpactors,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,Results,.,.,.,.,.,.,.,本章内容,形状尺度及尺度谱分布数浓度密度下降末速度。,.,尺度的定义,.,.,.,尺度譜分布的定义,.,.,UmandMcFarquhar(2009),.,.,冰相粒子PSDs函数拟合,PSDs用gamma分布来拟合：未知量的物理意义：截距：斜率：形状因子,.,.,AndrewJ.Heymsfield,etal.ObservationsandParameterizationsofParticleSizeDistributionsinDeepTropicalCirrusandStratiformPrecipitatingClouds:ResultsfromInSituObservationsinTRMMFieldcampaigns.JAS,2002,.,本章内容,形状尺度及尺度谱分布数浓度密度下降末速度。,.,冰相粒子数浓度,.,本章内容,形状尺度及尺度谱分布数浓度密度下降末速度。,.,.,本章内容,形状尺度及尺度谱分布数浓度密度下降末速度,.,下落末速度,.,.,.,.,IceCrystalShape.Icecrystalhabits(shapes)andrelatedpropertiesaremarkedbysignificantuncertainty.Westbrooketal.2008,SuliaandHarrington2011,andseveralothersfoundthatthenonsphericityoficecrystalsduringdiffusionalgrowthmaysubstantiallyaffectice-liquidpartitioninginnumericalmodelsofmixed-phasestratocumulusclouds.Indeed,theshapeoficecrystalsstronglyinfluencestheirdiffusionalgrowthrates.Also,whenicecrystalsediments,theyaregime