液态云，混合云和冰云内的相对湿度外文翻译资料

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液态云，混合云和冰云内的相对湿度

Alexei Korolev; George A. Isaac

Sky Tech Research, Inc., Richmond Hill, Ontario, Canada; Cloud Physics and Severe Weather Research Division, Meteorological Service of Canada, Toronto, Ontario, Canada

摘要：根据在水云，混合云，冰云中的观测表明，实际状态下层状云与温度－45℃＜Ta＜－5℃的中尺度锋面系统是相联系的。数据是在国家研究理事会（NRC）通过康维尔－580部署仪器的帮助下收集的。在云空间中采样的长度大约是23times;103公里。在水云中的液水传感器是在假设云中的空气相对于水面是饱和的状态下被校准的。结果表明在100m的平均规模上混合云中的相对湿度是相对于温度从5℃至35℃的水面是接近饱和的状态。在冰云中，相对于冰面的相对湿度不是必须等于100％的，它可能低于或者高于相对于冰面的饱和度，但是一般来说它总是高于相对于水面的饱和度的。平均来说，冰云中的相对湿度随着温度的减小而增大。在40℃时，冰云中的相对湿度在处于冰面和水面的饱和度之间的。冰云中相对湿度的一种参数化方式被提出。我们发现冰云中的一大部分相对于冰面是不饱和的。并且云中相对于冰面不饱和部分的比例向着更高的温度而增加。

1. 介绍

水汽在它们的生命周期和降水形成的过程中起着一个至关重要的作用。关于水汽压和云的微物理特征之间关系的理解是云的理论和实际物理应用的关键问题之一。在中尺度和气候模式中，有关云中湿度的知识是非常重要的。在水云中，通常情况下水云内的水汽压被假定是相对于液水饱和的，而冰云中的水汽压相对于冰是饱和的。多年来，在云社区混合相云中的湿度一直是争论不休的。云中的水汽压（E_W）一般近似为相对于液水的饱和水汽压（E_WS）和相对于冰的饱和水汽压（E_IS）的加权平均值

(1)

式中f为加权因子，在水云中f＝1，在冰云中f＝0，在混合态云中0＜f＜1。在中尺度和全球循环模型中f的意义通常被规定为温度的函数或者云中液水含量（LWC）和云中冰水含量（IWC）。在一些数值方案中在混合态云中的水汽压被假定是相对于液水是饱和的，即f＝1。

Korolev和Mazin发展了一个理论框架表明了混合态云中的湿度接近于水面的饱和湿度，在冰云中它可以低于或者高于冰面的饱和水汽压，但是总是低于水面的饱和水汽压。

仅仅有几个作品是关于云内湿度观测的。大多数的测量是与对流层上部的卷云相关的。因此，由Ovarlez等人（2002）和Strom等人（2003）的观测表明在低于－40℃的卷云中相对于冰面的相对湿度可能从50%变化至150%。Fu和Hollars在第一个国际卫星云气候学(ISCCP)北极地区实验云实验(FIRE－ACE)项目中得到了北极云中湿度的测量结果。他们发现在混合态云中通过使用与液体分数相等的权重系数可以水汽压可以很好的被参数化f＝LWC/(LWC IWC)。

现在的工作都在从现场的观测中研究液水云，冰云和混合云中的相对湿度。第二部分和第三部分中介绍了用于测量和收集数据的仪器。第四部分介绍了一种湿度传感器现场校准的技术。在液水云，冰云和混合云中湿度测量的结果在第五，六，七部分中有介绍。

1. 仪器

云的微物理和热力学仪器都在国家研究委员会（NRC）的康维尔－580下部署。下面将会对这个研究中的探测器给出简单介绍。

1. 温度测量

空气的温度（T_a）有三种不同的探测仪：两种Rosemount的总空气的温度测量仪和一种逆流探测仪。其中Rosemount测温仪之一是被安装在机翼下的吊杆上，该吊杆定位于机翼前缘大约1m的位置。第二个Rosemount测温仪和逆流测温仪安装在机翼中间部分的下面。逆流测温仪和“翅膀”Rosemount传感器在温度 50°＞T＞－50℃的甲醇搅拌槽中被校准。在飞行过程中两种传感器之间的偏差不会超过0.5℃。相比较于其他的两种传感器来说，发展迅速的Rosemount传感器偏差大概为1.8℃。在数据的处理过程中这个偏差就会被消除。正如Williams和Marcotte（2000）所描述的那样，温度测量数据的处理和修正已经完成。在晴朗的天空中，每对传感器之间温度差的标准差通常不会超过0.08℃。在过冷液态云和混合云中，冰在逆流测温仪上形成，导致其改变了恢复因子，并最终使其测量能力退化。两种Rosemount传感器都进行过除冰，而且它们在过冷云中都不会结冰。在过冷水云中，任何一个Rosemount温度传感器都没有明显的加湿效果。这个观测与Lawson和Rod早期的研究是一致的，其建立了过冷云中增湿在Rosemount温度中具有微不足道的作用的理论。图1a，b展现了安装在臂架上和机翼上的两种Rosemount温度传感器之间的分布和时间系列之间的差异。尽管是一系列的液水云和冰云，在下降过程中温度也能被测量。在标准差为0.06℃时，各种不同条件下温度差的振幅不会超过0.2℃（图1）。温度差分布（图1a）表明在温度测量中的平均随机误差可以估计约为0.1℃。在前期研究的基础上，Rosemount传感器测量空气温度的绝对误差估计为0.5℃。安装在臂架上的Rosemount传感器被选作数据处理的主要仪器，因为相比机翼上的Rosemount传感器来说，它在测量中受无线电传输和其他导致零星尖峰的电磁噪声源的影响较小。

图1 （a）在锋面性雨层云下降时由两种Rosemount传感器测量得到的空气温度差异的分布。其他面板是由Nevvzorov探测器测量得到的（b）温度差T_boom－T_wing，（c）高度和Rosemount温度（T_boom和T_wing）和（d）LWC和IWC的时间序列。这些测量通过2003年11月19日在安大略南部联盟结冰研究项目中使用NRC康维尔－580来获得。

1. 水汽压测量

水蒸汽的浓度是由Licor HO₂分析仪来测量的。晴空条件下的工作原理基于潮湿空气连续通过一个采样断面和校准电池来测量红外辐射的吸收。该探测器安装在机身内，而且空气是通过一个2米长的管道注入样品池的。从机身外部，空气通过一个逆流入口被吸入，以阻止云微滴进入管道。如果云滴进入管道并且蒸发，那么绝对湿度就会增加。当重新回到外面的温度时，会人为地导致过饱和度高于标准的百分之几十。这样的观察没有给出确凿的证据确定云滴没有影响LICOR测量。据称LICOR台子绝对湿度的测量精度是1％，这相当于空气温度在－30℃＜T_a＜－5℃时Delta;T_d＝0.1℃时的露点精度。对于20mb的水汽压来说，Licor信号噪声的总振幅强度对应的露点温度为平均1s为Delta;T_d＝0.02℃。Licor探针的响应时间，包括通过管道的过渡，估计为0.2s。露点温度和霜点温度可以通过使用降压方程的绝对湿度来推导得出。来自Licor和空气温度测量的相对湿度计算的准确度在第四部分和第五部分中讨论。

1. 云水含量测量

LWC，IWC和冰水含量（IWC/TWC）可以从涅夫佐罗夫探针的探测中推导得出。这里TWC＝LWC＋IWC是总含水量。LWC和IWC的计算是根据科罗廖夫等人所述的方法得到。在许多的研究中，冰粒可以对LWC传感器做出响应。LWC传感器上冰的残余效应是因为在与冰粒子的碰撞过程中有少量的热量从LWC传感器上散发。残余效应可以残余系数为特征beta;＝W_liq^*/W_ice，而W_liq^*是对LWC传感器的冰水含量和冰粒子含量的响应。在实践中，参差系数通常被估计为beta;＝W_LWC/W_TWC；这里的W_LWC和W_TWC分别指的是通过LWC和TWC传感器测得的冰云中的含水量，可以推得LWC＝0。残差系数的值取决于冰粒子的大小，形状和密度，空气速度，空气，和传感器的温度，它可能会从0.01到0.5变化不等。大beta;是在雷暴顶部的小冰粒高浓度处的典型值。这项研究的意义在于在中纬度的锋面云系中，残差系数通常接近0.18。

1. 云粒子测量

用双粒子测量系统的前向散射光谱仪测量了云微滴的浓度和大小，操作尺度范围在3－47与5－95micro;m之间。为了减小液滴的潜在错误可以进行FSSP探针的定期维护和校准。在数据处理的过程中考虑了失效时间的损失和重合误差。FSSP数据用于计算液水云中云滴的积分半径；这里的N和r_w分别是在FSSP尺度范围内云滴的浓度和平均半径。在北威州的测量精度约为20%。

大型云粒子用二维成像光学阵列探头（OAPS）来测量：PMS OAP-2DC（25－800micro;m）；PMS OAP-2DP（200－6400micro;m）和SPEC股份有限公司，大容量光谱仪。所有的三种仪器都设置了双重阴影图像和其各自尺度范围内的浓度。二维成像探针的数据时间平均间隔为4s。这样的平均时间对于为粒子浓度和识别分析估计的图像提供一个统计学上重要的数字是足够的。

OAP数据用作基于粒子图像识别和浓度计算的冰云识别。在由天空技术研究中心开发的二维软件包的帮助下可以对二维数据进行分析。

1. 含液水云的检测

Rosemount结冰探测器（RICE）用来识别云中液态水的存在。可以重新计算LWC的RICE信号变化率（dV_R/dt）表现了杆面结冰率（dm/dt）的特点。RICE测量LWC的精度相对较低，几乎和30%差不多。然而，RICE对云中云滴的存在是相当敏感的，而对冰粒子的存在相对不太敏感。RICE的灵敏度由杆面的覆冰升华速率和绝热升温率来定义。在温度分别为T＝－10°C和T＝－20°C时，100m/s时的灵敏度阈值约为0.005g m^－3和0.002g m^－3。事实上，RICE的灵敏度阈值受到噪声的限制，该噪声与冰粒子间的电子和相互作用有关。Cober等人（2001）发现在晴朗的天空中RICE的噪声是|dV_R/dt|＜5mV s^－1。在冰云中的噪声水平要比晴空下的噪声水平高，是因为RICE杆与冰粒子的相互作用。图2b，2c，2d显示了当IWC超过1g m^－3时穿过沉淀细胞时测量得到的RICE信号，LWC和IWC。如图2a，2b所示，在冰云中波动已经达到10mV s^－1。该值被设定为云中液态水含量的阈值；即dV_R/dt＞10mV s^－1的云被认为是含有液水滴的，而dV_R/dt＜10mV s^－1的云被认为是含冰的。RICE的信号10mV s^－1相当于大约LWC为0.01g m^－3。

图2 RICE信号的变化速率分布。时间序列：（b）RICE信号和（c）RICE信号的变化速率。灰色表示的时间用作计算（a）中的dV_R/dt分布。虚线表示了识别含液水云区的阈值。（d）IWC由Nevzorov探测器，OAP-2DC,和HVPS测量，（e）LWC由Nevzorov探测器来测量。测量数据通过2004年2月3日在安大略南部的雨层云中使用NRC康维尔－580来获得的。

RICE的失效时间由冷却时间（Delta;t_c）引起的除冰加热（Delta;t_h＝4s）来组成。在冷却期间，RICE不能及时的对过冷水的存在进行响应，而甚至在无云的空气中dV_R/dt可能超过10mV s^－1。冷却时间取决于LWC，温度，压力和飞机速度。在本次研究收集的数据中，平均冷却时间约为Delta;t_c＝7s。在数据处理期间，失效时间Delta;t_h＋Delta;t_c被自动的排除在分析之外了。根据不同的条件，失效时间可能达到RICE测量周期的90%。在这些情况下，一大部分的数据会被排除在分析之外。为了避免这些损失，基于Nevzorow的LWC测量，一些扩展的液态云区域会手动的被包括在分析中。

在温度T＞－4℃时，由于限制降低了RICE

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