中纬度大陆性冰雹云上部云砧区域冰相粒子聚合的实例外文翻译资料

 2022-12-09 10:13:58

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中纬度大陆性冰雹云上部云砧区域冰相粒子聚合的实例

J.M.Stith1，L.M.Avallone2,*，A.Bansemer1，B.Basarab3，S.W.Dorsi4，B.Fuchs3，R.P.Lawson5，D.c.Rogers1，S.Rutledge3，and D.W.Toohey6

1. 国家大气研究中心

2. 科罗拉多大学波尔得分校大气和空间物理实验室

3. 美国科罗拉多州立大学

4. 美国科罗拉多大学环境科学协作研究所和NOAA地球系统研究实验室

5.SPEC公司

6. 科罗拉多大学波尔得分校大气和海洋科学学院

*目前在国家科学基金

摘要：本文研究了美国中西部地区冰雹云云砧中冰相粒子聚合的出现、形态及天气条件。在“2012年深对流云和化学实验”期间，利用粒子成像探头和含水量仪器，研究了冰相粒子聚合的存在。冰相粒子之间的连锁反应之前鲜有报道，人们假设是由于云中电场的作用使之发生聚合，并且利用九个云砧的实例加以证明，表明了这是中纬度地区云砧的共同特征。冰相粒子的高度聚合发生在典型云砧的上部和边界区域，只能通过小冰晶粒子和大冰晶粒子的分布来解释大量的固态水含量值。多普勒雷达的分析结果证实了云砧母体具有强烈的（gt;15ms-1）上升气流。这些特征与之前热带海洋性的云砧的探测形成对比，表明两者冰相粒子聚合的频率不同。

1 引言

冰雹云是对流层上层和平流层下层中冰相粒子的一个重要来源，但是我们仅仅知道这些冰相粒子的形成及不同地区和不同类型的冰雹云的性质不同。不同类型冰相粒子的起源、生命史、辐射性质以及化学组成都是相当不同的，但是我们对冰雹云上部区域的冰晶类型没有一个完整的概述。最近，Gayet等人利用SPEC生产的云粒子成像仪（CPI）和其他工具对西欧地区的一次强对流云进行了观测，描述了冻滴通过聚合形成小冰晶的过程。这些冻滴聚合的CPI图像与Lawson等人第一次在Colorado观测到的冻滴聚合的CPI图像是一样的。与传统的OAP仪器不同，在这些研究中使用CPI图像是有意义的，因为这种仪器具有足够的分辨率（2.3mu;m）和256个灰度来定义冻滴。因此，可以用CPI图像来检查聚合的形态。之前，人们报道过几个不同地区的冰雹云中的链式聚合，并认为这是由于电场的作用引起的。在热带及低纬度地区大多数聚合反应是由小的冰晶组成，而不是由冻滴组成。相比之下，此地区高空的CPI参量并不适用于Gayet等人（2012）和Lawson等人（2003）观测到的强的大陆性冰雹云的冻滴聚合反应。因此，我们并不清楚如何发现这些冻滴的聚合反应，并且应该更加深入的理解发生冻滴聚合反应的天气形势。

Lawson等人（2003）利用三个通道观测了Colorado地区的温度在-47℃左右的云砧，通过分析了得到的8600个CPI图像，发现2-3 %为链式聚合，4-6 %为成对聚合，25-32 %为其他的聚合方式。他们没有把冻滴的链式聚合反应与其他的链式聚合反应分开，但是得到的图像显示出冻滴聚合方式占据多数。他们也对Kwajalein附近的温度在-5——-60℃的三个热带海洋云砧的16600个CPI图像做了相似的分析，其中没有链式聚合，0.1-2.3 %为成对聚合，0.4-1.4 %为其他的聚合方式。尽管Kwajalein地区成对聚合的比例比Colorado地区的低且此过程没有Colorado地区的重要，但是一些冻滴的聚合发生在Kwajalein地区。与Lawson等人在Kwajalein地区发现的链式聚合相比，Stith等人在Kwajalein地区和Braziliande地区的热带对流系统的CPI图像中发现了相同的链式聚合反应类型。因此，需要对形成不同类型风暴的聚合粒子和前体物形成一个完整的概述。

本文依据于2012年深对流云与化学实验（DC3）在US观测到的中纬度大陆性雷暴云云砧上部的冻滴聚合和冻滴链式聚合，结果表明在这些冰雹云中此聚合方式是常见的，且与冻滴共同支配上部云砧的粒子类型。这些冻滴聚合形成的粒子是由链式聚合、成对聚合、准球形聚合等方式形成的，我们把这些方式统称为冻滴聚合（FDAs）。在描述完实验工具之后，我们分析了Colorado东部地区上部云砧区域两个FDA实例，然后我们提出了一种识别与我们观测到的FDA相似的冰雹云砧的方法。

2仪器和实验工具

本文实验数据是DC3期间在2012年晚春及初夏时期采集的。DC3的目的是调查中纬度大陆性深对流云在对流层上层云的化学性质及组成。本实验利用了多重飞机实验数据，包括国家科学基金（NSF）、大气探测中心（NCAR）的G-V飞机、NASA的DC-8、DLR的多普勒雷达等地基观测资料。利用这些工具来研究对流云的动力特征和他们的化学组成，例如由闪电、对流输送和其他化学物质的转换造成的含量的变化。在Colorado东北部、Texas西部至Oklahoma中部、Alabama北部来获取实验数据，这样可以依据不同类型的冰雹云来获取样本。因为DC3项目的焦点是研究闪电所产生的，几乎选取的所有冰雹云都有一定程度的闪电活动，所以这些云中有电荷分离过程。我们打算在实验的下一个阶段研究DC3的闪电映像阵数据是否可以用来解释这些冰雹云中FDAs的发生。本文飞机数据来源于NSF/NCAR G-V，因为它是DC3期间唯一可以携带CPI的飞机，但是未来我们打算使用DC3期间更大的数据集（包括3V-CPI探头中2D-S的一部分）。

G-V 研究手册中有G-V的性能和仪器标准，在http://www.eol.ucar.edu/content/

nsfncar-gv-investigator-handbook.中可以查阅到。标准的测量参数包括位置、温度、气压、风场（利用惯性导航风探头获取）、以及光学吸收湿度仪器。下文中相对湿度数据来自于VCSEL湿度计，此仪器参见于Zondlo et al.(2012)。

本文使用的另外一个仪器包括PMS公司改进的OAP-2DC，该仪器采用高速的电子技术和64位25分辨率的二极管阵列在G-V取样速度下来遮蔽粒子。为了减少这个领域里的不确定性，我们只关注与遮蔽了两个到三个二极管的粒子。对OAP数据进行处理可以拟合出粒子图像周围的圆形粒子，使此圆形粒子的直径作为该粒子的直径，可以应用此方法确定球形粒子，并且这些圆形粒子可以适用于那些1.6mm数组图像的一部分，这使得粒子达到3.2mm大小。

粒子的破碎是影响冰晶粒子测量参数的一个主要问题，尤其是大的粒子出现的时候。由于探头表面对粒子的机械撞击和探头外壳气流造成的空气动力学压力，造成了粒子的破碎。利用两种方法来减少由于破碎对OAP-2DC数据的影响。首先，在DC3期间利用反破碎方法。这些楔形的方法与Korolev提出的“k方法”相似，但比其简单。将DC3期间的方法与标准的2DC方法相比的结果表明在减少破碎方面两者都是有效的。本文使用修正软件来修正破碎的影响，Field概述了这种程序。两种方法的结合降低了破碎物所造成的影响。Korolev表明，即使使用所有方法，可能也不会完全知道破碎所造成的残余效应。即使一些破碎的粒子对整个OAP-2DC的浓度、粒子总量/质量浓度等粒子分布造成一定的影响，这种影响也是很小的。

本文使用一个云粒子探头（简称CDP，由DMT公司生产）。CDP是一种开放式的后向散射仪器，利用此仪器对采集到的直径在2-50的云粒子进行优化和校准。FSSP是一种与之类似的封闭式仪器，用此测量卷云中的冰晶总量，但是对大的非球形粒子的反应是不确定的并且由于大的冰晶粒子对FSSP保护罩的敲击作用造成的潜在的破碎影响也是重要的。因为CDP没有保护罩，破碎影响比FSSP要小。我们对决定了冰云（Rosemount冰探头没有探测到过冷水）中大规模的聚合的CDP所做的测试表明由于破碎造成的浓度是0.1。CDP是一种用来校准和优化球形粒子的工具，如果冰晶是球形或者其粒子尺度在仪器的观测范围内，CDP能够很好的采集小的冰晶。然而，这种仪器的采样体积较小，采集大多数冰云时需要较长的时间。就这一点，本文的数据与此不同，因为在这些砧状云中球形冻滴的浓度很高，与其他类型的云相比，这使得CDP数据更加有效。

本研究应用了SPEC 3V-CPI联合云粒子探头。这是一个用SPEC 2D-S OAP 仪器的128个光电二极管阵列来替换这两个光电二极管CPI的触发器的相对较新为了克服CPI的局限性的仪器。更多信息在http://www.specinc.com/3v-cpi-combo上提供。尽管CPI的部分仪器保留了CPI的早期版本的分辨率，但是SPEC 2D-S OAP使用了在水平和垂直分辨率（为取样领域提供二维试图）为10mu;m的两个光电二极管阵列。

使用科罗拉多大学的第二个版本的封闭路径激光湿度计（CLH-2）测量云中总的冷凝水。CLH-2使用可调谐二极管激光吸收光谱来测量由环境产生的水蒸气、冰的升华和蒸发的液体，该仪器是通过subisokinetic入口增加几个数量级来增强的。云中凝结水是由背景水汽测量减去信号和基于详细的计算流体动力学的计算的修正粒子增强的方法所决定的。CLH-2来自科罗拉多大学的封闭路径激光湿度计(CLH)，该仪器研究了数百小时飞机资料，包括NSF / NCAR G-V、C- 130和美国宇航局的DC - 8和WB-57F。Davis描述了这种测量技术，此技术在CLH和CLH-2中很常见。CLH-2在DC3期间首次在飞机中应用，并且CLH-2目前与其他冷凝水进行相互比对来测量评估的不确定性的因素，这是测量不确定性的最大来源。测量冰含水量(IWC)只是弱依赖于DC3期间高海拔和高风速条件下的粒子的大小。专门为G-V抽样条件下的CLH-2做了未公开的计算流体动力学计算，结果表明球面半径大于25mu;m且凝结水密度在附近的粒子的吸收效率是惯性增强率(比空气速度)的4 - 6%。图4为Davis展示的对于CLH-1仪器的相似的结果。在DC3期间的采样条件下，我们估计粒度分布的影响小于测量IWC的2%，尽管如此，稍后讨论，吸收效率可能会高估了粒子明显的非球形和脆弱的影响，比如观察中的一些长链聚合物。

本文中大多数飞行样本来自于主对流冰雹云细胞中在主轴不同高度与距离的云砧区域。

3 两例冰雹云上部云砧区域的观察与测量

3.1冰雹云的概述

本文测量了2012年6月6日发生在Colorado东部地区的冰雹云上部云砧区域的值，在CHILL雷达站附近。两个暴风雨（北部的风暴和南部的风暴）相隔约70公里，有着相似的大小和强度，雷达布网描绘了（图1）21:40时刻（所有时间是UTC）的风暴结构，大约在如下描述的31分钟前采样。雷达回波高度在15km以上（图1；所有高度均在海平面高度之上，MSL）。图2展示了取样开始之前冰雹云南部区域的云砧。图3展示了G-V通过云砧区域的飞行轨迹，同时也展示了布网雷达和GOES在22:15时的可视图像。图1和图3展现了在此期间云砧的发展。图4提供了高度、温度、从CDP和2DC仪器获得的冰量以及相对于冰面的相对湿度（用VCSEL测量的相对湿度）。

路径1表现出了云砧爬坡的部分，此云砧开始于北部终止于南部。在这个位置，云砧是大约0.6公里厚，覆盖11.7至12.3公里的高度（minus;56minus;60 ℃，如图4所示）。在12km高度和-54℃下，进行了一个通过云砧的西北走向的重复路径，此路径采样得到的信息与主细胞更加接近。最后，路径2采集了与南部云砧相同高度的北部云砧的信息（图3和图4）。接着对云砧上部区域进行了采集，对云砧采集的高度是在稍低的高度（10.8-11.1km，-47—-50℃），此高度更接近于云砧且更能反映出云砧的核心。

图1 为新一代雷达布网在21:40时刻的数据。此时G-V在紧邻的发展中的云砧区域飞行，主要是在晴空区域。低层展示了距离CHILL 55km位置处的雷达截面的图像。虽然飞机没有遇到上层图形那么明显的云，但是低层雷达截面图像提供了飞机飞行轨迹的投影。Pawnee 和CHILL雷达站点信息在参考文献中有所提及。

图2 取样开始之前22:10:56冰雹云南部区域的云砧

图3 2013年6月6日冰雹云云砧区域北部和南部采样时G-V的轨迹和新一代雷达布网图

图4 上面的图为海拔（红色）和温度（蓝色），中间的图为CDP（红色）和2DC（蓝色）所对应的浓度，下面的图为冰面相对湿度

3.2 CPI图像和OAP仪器所显示的冰晶形态

我们所关注的CPI的概述反映了冻滴、由冻滴组成的不同长度的链式反应和更全面的FDAs的独一无二的特征。图5（主要是冻滴，和偶然

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