​JGR-Atmospheres | 淞附对雪微物理特征变化的影响

JGR-Atmospheres | 淞附对雪微物理特征变化的影响

龙年开春，我国北方多个地区再次迎来暴雪，甚至出现“雷打雪”现象，时值春运返程高峰，人们出行再度深受影响，高铁晚点，高速封堵，航班延误等屡见不鲜。其中也存在一些科学问题，如不同地区雪花的形态有无差异？雪花形态受何影响等，因此，针对雪花的微物理特征观测必不可少。

早在唐代，诗仙李白就对雪花的形状进行过“观测”。如：“燕山雪花大如席，片片吹落轩辕台” ，“地白风色寒，雪花大如手”。“大如席”，“大如手”有些夸张色彩，但也体现了雪花“大”的特点。雪花的形状和温度、湿度等因素相关，一般而言，在中国北方空气干冷，雪花较大，状如鹅毛，积雪比较蓬松，含水量较低；而南方水汽更为充沛，雪花通常较小，积雪更为紧实，含水量较高。

当雪花和过冷水发生碰撞时（淞附），其形态会发生变化，然而如何定量描述雪花微物理特性，比如形状、下落速度等随淞附程度的变化一直是一个待解决的难题，也是模式中最为复杂和描述最为不确定性的问题之一。中国是受降雪灾害影响严重的国家之一，然而针对降雪微物理属性的实况观测研究还比较匮乏，这制约了对降雪的数值模拟和预报能力的提高。基于此，国防科技大学张云教授团队基于近地面二维视频雨滴谱仪（2DVD）和称重雨量计以及自动气象站的联合观测定量研究了淞附对雪花微物理特性的影响。

淞附会改变雪花的密度，直接影响地面降雪的质量。在强对流降水中，强烈的上升运动为零度层上方带来大量的过冷水，冰晶的淞附增长在强对流降水过程中尤为显著。冰晶的增长以及冰晶粒子间的碰并效率等和其形状密切相关，然而目前数值模式中微物理参数化方案对淞附增长过程中冰晶粒子的形态变化还缺乏准确的描述，大量假设给微物理参数化方案带来很大的不确定性。

图1给出了2DVD观测的同一雪花在正交的两个平面上的形状，结合2DVD对粒子下落速度和称重雨量计的观测，团队定量研究了淞附过程中雪花形状的变化。研究采用淞附质量比（淞附质量/粒子总质量）来定量衡量淞附程度。

图1，由郑鹤鹏提供▼

图1 二维视频雨滴谱仪（two-dimension video disdrometer, 2DVD）观测的雪花形状。左图和右图分别是两个相机在正交的方向上观测的同一雪花的形状。

淞附过程中，冰相粒子由于碰并过冷水，其密度和下落速度会随之改变。在图2中可以看出，在相同的直径范围内，冰相粒子的密度和下落速度均随淞附的增强有增大的趋势。文中在密度和下落速度的描述公式中同时考虑了淞附程度(the rime mass fraction，FR)的影响，结果表明FR可以很好地描述冰相粒子密度和下落速度的变化。因此，在微物理参数化方案中，考虑淞附对冰相粒子密度以及落速的影响更符合实际冰相粒子的微物理属性在淞附过程中的演化规律，比如WRF的P3和SBU_YLIN方案，但其描述的地区适用性有待进一步的评估。

图2，由郑鹤鹏提供▼

图2：不同淞附条件下，冰相粒子的密度和下落速度随体积中值直径和最大直径的变化。

在计算冰相粒子的后向散射截面时，由于其形状的复杂性，为了计算方便，常假设其为椭球形，已有的研究多假设轴比在0.6左右，但本研究基于近地面约120万个冰相粒子的统计结果表明，轴比中值约为0.49（图3a-c）。此外，冰相粒子的轴比随最大直径的变化和雨滴（雨滴轴比随直径增大而明显减小）有明显差异，图3d-f的结果表明，在相同淞附条件下，冰相粒子轴比随最大直径变化较小。

图3，由郑鹤鹏提供▼

图3：(a-c): 2DVD观测的冰相粒子轴比分布；(d-f):不同淞附程度下，冰相粒子轴比随最大直径的变化；(h-j): 冰相粒子轴比随淞附程度的变化

冰相粒子形态随淞附的增强会逐渐发生变化。Heymsfield (1982)和Moisseev et al. (2017)建立了相应的概念模型：即在淞附初始阶段，过冷水主要以填充冰相粒子为主，粒子形态变化较小；当淞附程度增强到一定程度后，过冷水逐渐附着在冰相粒子外围，使得冰相粒子趋于球形。Li et al. (2018)基于双偏振雷达的反演结果也验证了这一模型。本研究基于近地面2DVD逐粒子的实况观测进一步证实这一模型的合理性（图3h-j）。但如何将观测的结果应用于模式的微物理参数化方案值得进一步的研究。

上述研究已发表于《Journal of Geophysical Research - Atmospheres》。

原文链接：

Zhang, Y., Zheng, H., Zhang, L., Huang, Y., Liu, X., & Wu, Z. (2021). Assessing the effect of riming on snow microphysics: The first observational study in East China. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 126(7), e2020JD033763. https://doi.org/10.1029/2020JD033763IF: 4.4 Q2

声明：欢迎转载、转发。气象学家公众号转载信息旨在传播交流，其内容由作者负责，不代表本号观点。文中部分图片来源于网络，如涉及内容、版权和其他问题，请联系小编处理。