从实验室，AIRS II等观测研究确认大气冰晶的综合规律图表外文翻译资料

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从实验室，AIRS II等观测研究确认大气冰晶的综合规律图表

MATTHEW P. BAILEY AND JOHN HALLETT

Desert Research Institute, Reno, Nevada

摘要

最近的实验室实验和原本的观测已经达成了关于在大气层中冰晶规律的一致大范围认同。这些研究得出结论：冰晶在-20℃增长为板状，至-40℃时，大量大气科学杂志和论文的图表认为没有形成柱状冰晶。这些图表基本来源于几十年前实验室研究，具有固定的规律倾向，或者来源于实验室和固有地面观测的结合，这些观测通常不是以积雨云内部温度（低于-20℃）变化与降水量的修正为目标而进行的。更多的实验和现场研究已经得到一个与传统规律图像不同的，但一致的关于大气冰晶的变化图表。这些较新的结果可以得到一个大气冰晶变化规律的描述：一个与温度和冰面过饱和度（0℃—-70℃）有关的函数，一个不规则和残缺晶体组成的描述。在AIRS II（the Second Alliance Icing Research Study）期间的CPI和别处的观测证实了这个综合的变化规律描述，并且从这些结果中获得了一个新型规律图表。

1、引言

从2004年开始，通过实验室研究（Bailey和Hallett 2002,2004,以下简称为BH02和BH04）和非冲击式云粒子图像Spec.Inc.CPI(Lawson等.1998)进行场地观测，发表了一个大气冰晶变化的综合图像。该图像已被AIRS II期间和少数使用CPI（Korolev等.1999,2000;Baker和Lawson 2006，以下BL06;Lawson等.2006a,b,以下LB06a和LB06b）的额外场地观测期间的观测结果确认。当大气科学期刊读者可能意识到这些进展时，大多数研究领域之外的，错误的冰晶变化规律描述在网上被发现，并且大多数大气方面的论文被修改（除了Wallace和Hobbs 2006），此行为误导了那些刚进入学科领域，对学科感兴趣或者需要精确规律信息的新人。

一次70年冰晶研究的回顾在描述冰晶形状与温度和冰面过饱和度函数图像方面发现了令人困惑的谜团。该图像是由实验室研究，原有观测数据以及两者结合得到的。这包括了各个实验室结果的结合，这些图表在教科书，例如Pruppacher和Klett(1997)，以及地面的降雪量的区域观测(Magono和Lee 1966)的结果中看到，如图1所示。虽然几乎所有的规律图像都符合冰晶在0℃到-18℃的变化，但是这些图像在更低的温度条件下不一致。飞机在云内的冰晶观测仍然提供了-20℃以下温度条件下，尤其是与实验室研究和地面观测不同的冰晶形成规律图表。

在现有的冰晶规律图表中存在两个与冰晶形状有关的重要误解是正常情况。第一个误解是从-20℃开始对柱状冰晶的命名问题。这个错误的概念是将一个有偏见的实验室观测结果(BH02)和地面场地以及云内观测结合的结果，该错误的原因是没有对沉降过程中的变化规律进行修正，同时这些修正需要对比其它温度条件下的变化规律。该错误导致了一些对振荡性变化现象的错误判断，从片状(0℃—-4℃)到柱状(-4℃—-8℃)，再到片状(-8℃—-22℃)，最后返回柱状(Tasymp;-22℃)，这个误解仍在继续出现(e.g.,Hashino和Tripoli 2007)。

图1：来自Pruppacher和Klett（1997）以及Magono和Lee（1966）的规律图。

第二个错误是过度强调对称的形状。从审美角度吸引人并且能够提供对于图片来说引人注目的主题时，真相却是大多数冰晶都是随着温度变化有缺陷和不规则的形状，并且在-20℃条件下大多数都是多晶体形状。许多形状很不规则以至于在过去的研究里被误认为是聚合体。在与雪花有关的教科书里，Bentley和Humphries(1931)记载对称的雪花和树枝状的晶体是极少的，仅有很少不规则分枝的树枝状晶体，然而该晶体在具有压倒性的数量，任何一个人在下雪天拿放大镜就可以观察到。Tape(1994)在他的关于南极洲光环状晶体观测的书中记载道，甚至在可以产生光环状晶体的，相对稳定的增长环境中，很大一部分有粗糙表面的冰晶都是有缺陷的。真相就是冰晶在自然中是一种无序的晶体并且具有各种复杂的形状，并且拥有一个与温度，过饱和度以及气压有关的函数。虽然冰晶很少呈现出规律图表中描述的的正六边形，但是具有自己的形状体现并且存在较高的复杂度，所以必须修改冰晶反映的特征和包含冰晶形状规律，温度和冰面饱和度的新函数了。

2、AIRS II和其它领域研究

早期的实验室研究时间在现代飞行器观测冰晶之前，现代飞行器运用的是2DC的复制以及成像探针。有一个例外是由H.K.Weickmann(Weickmann 1945;aufm Kampe et al.1951)在德国二战时期乘坐开放式座舱飞过层云和卷云。对于大气科学领域，很不幸的是当人们更加重视Nakaya(1954),Kobayashi(1957,1961)以及其他人的工作时，Weickmann的许多工作的被忽略了，这些同时进行的工作在BH02里面被实验的人工产品曲解了。Weickmann的区域观测以及后来的实验室研究(aufm Kampe et al.1951)都说明在接近-20℃以及更低温度的情况下冰晶主要为板状和类板状，由多变的中空和实心的混合柱状（棱柱）组成，该情况与现有规律图表指定的柱状增长规律相反，虽然Weickmann在当时将混合冰晶误认为聚合物。

使用复制器的飞行器的原位观察受到以下事实的困扰：除了更坚固的固体晶体如板状，柱状和紧凑多晶体之外，许多收集的晶体在冲击时破碎。2DC图像具有差的分辨率;因此，规律识别通常是模糊的或不正确的。在像素化2DC图像中，例如，长而窄的板状多晶体，例如，在-20℃和-40℃（BH04）之间生长的“涡卷状”和“矛头状”（与侧面相关），可能被误认为柱状或子弹状。即使有这些限制，现场观测规律通常也会很快很明显地与温度低于-20℃的云实验室结果大不相同，从而对低温下实验室冰晶研究的相关性产生怀疑。

2002年，为了研究大陆，海洋和北极层状云和积云，Korolev和Isaac（加拿大环境）收集了成千上万的CPI图像[例如，the First International Satellite Cloud Climatology Project（ISCCP）Regional Experiment Arctic Cloud Experiment（FIRE ACE），AIRS和the Canadian Freezing Drizzle Experiment（CFDE III）]。在此之前，已经根据较新的实验室生长研究（BH02; BH04）建立图2所示的规律。CPI图像显示，有时在-20℃和-40℃之间，板状玫瑰花结，柱状物和混合玫瑰状结构（子弹和片状组成）出现在板状多晶体（例如侧面，交叉板状，板组合状等）在其他时间观察到大致相同的温度范围主要的板状习性。在没有成核偏压（BH02）的情况下，已知冰晶增长规律首先是温度的函数，冰过饱和起次要作用，其影响随着相对湿度的增加而增加。因此，在相同温度下柱状和板状形式的变化看起来是矛盾的。然而，当飞行日志记录与水晶图像进行比较时，出现了新的问题。当云顶温度高于大约-40℃℃时，类柱状多晶体占主导地位分布，此外，几乎没有或没有上部分覆盖卷云。当云顶温度低于-40℃℃时或当存在覆盖卷云时，观察到柱状和片状多晶的混合物，包括子弹和混合玫瑰花状结构。这些观察结果与BH04的实验室习惯结果一致，并进一步表明覆盖卷云柱状形式的源出现在-20℃和-40℃℃之间的板状生长方式中。

2003年秋季，作者参加了在五大湖进行的AIRS II，使用NCAR C-130和一些其他飞机。该研究的目的是获得具有大量液态水含量的混合相云的气象和云微物理测量数据，这些数据被用来研究飞机结冰规律。在飞行期间，飞行器遇到温度从0℃到-35℃的混合相云，以及温度低至约-50℃的较冷云。因此，该项目在广泛的条件下提供了观察冰晶习惯的良好机会，可以与BH04中的实验室结果进行比较。

该项目部署的仪器包括粒子成像仪，包括CPI，以及沙漠研究所（DRI）提供的大型和标准格式云仪。船上还有一个双波段激光雷达，两个FSSP，逆流虚拟冲击器（CVI）和云凝结核（CCN）计数器。DRI提供的其他仪器包括一个大的和小的“T-Probe”（Hallett和Vidaurre 2006），用类似于Nevzorov探针的方式测量总含水量（TWC）和液态水含量（LWC），但是具有明显不同的探针几何形状以及冲击装置的收集效率。最近的研究已经显示了许多关于这些仪器的测量受到仪器表面上的粒子破碎的影响的问题，其讨论可以在Korolev和Isaac（2005）和Isaac(2006)等中找到。

图2：从-20℃到-70℃之间增长的冰晶体的实验室观测结果（BH04）绘制的规律图以及所选晶体与冰面过饱和度和气压组成的函数的线性生长速率的实例。“护套”是空心柱或子弹。

在一个特定的任务里（2003年12月1日），C-130几次通过休伦湖上方的积云顶部，云顶温度接近-37℃。在这些云砧中低至-35℃的温度下遇到过冷的液滴的短暂产生。图3展示了在穿过这些云中的某个时刻获得的激光雷达数据和CPI图像的样本，在2035 UTC附近的激光雷达图的右侧可见。因为冰晶变化规律首先是温度的函数，可以看出，所观察到的一些晶体已经从它们可能成核的区域在上升气流中行进了很长的路程。例如，右下方较大的六角星形板状冰晶的部分边缘，通常在高于-20℃的温度下有成核的习性。如图2所示，除了少量的短柱，厚板和不同复杂性的骨架板，观察到的大多数规律是在实验室中在-20℃和-40℃左右水面饱和附近通常观察到的复杂板状多晶体。虽然没有进行详细的频率分析，观察到的规律分布与其他人在类似条件下观察到的分布一致（Korolev等人，1999,2000;BL06;LB06a，b）。

虽然图3中的一些复杂板状组成包含柱状部分（“混合玫瑰状”），但是有几个玫瑰状（在中心下方）可能是真正的子弹玫瑰状; 然而，部分组成似乎是板状，也有可能是混合玫瑰状。在可见范围，云顶上方的天空是清楚的，而激光雷达数据显示没有明显的后向散射，这将表明存在上层覆盖卷云，这可能是这些云内柱状冰晶的组成来源（从高度6 -7公里可能存在可见卷积云）。这些观察基本上证实了该假设，即真实的子弹玫瑰状和柱状形态，一般来说，虽然短柱在约-20℃和-40℃之间的整个片状区域低频率出现（BH 4），但在高于约-40℃的温度下不可能在实验室中成核。

图3 ：在AIRS II期间，从位于休伦湖-37℃的对流云砧的顶部收集的CPI图像。 图像对应于在穿透上图右侧指示的云时获得的激光雷达测量数据。当时没有可见的覆盖卷云，尽管激光雷达数据可能表明在6-7公里高度存在可见的卷云。图中晶体是为了说明规律，并且这些晶体不在相同的尺度。

在晴朗的天空，高湿度空气侵入后，在1000到4500米的高度，这些结果也被Kajikawa等人（1980）在北极地面的降雪观测以及Ohtake和Inoue（1980）在南极的大量观测所证实。当探空仪显示上部空气温度在-22℃和-28℃之间时，主要观察到薄板状。在-30℃和-45℃之间，除了观察到子弹状和柱状之外的复杂侧平面晶体，还在-40℃和-55℃之间通常观察到子弹玫瑰状冰晶。

最近报道了在波浪云，卷云和北极云中观察到的冰晶体在BL06和LB06a,b中的类似结果。在这些案例中，他们发现，当云顶温度不低于-40℃时，很少观察到真正的子弹玫瑰状冰晶;在较高的温度下，95％的玫瑰状结晶不是真正的子弹玫瑰状，含有侧面和其他复杂的增长结构。在AIRS II中观察到的类似晶体的实例如图4所示。然而，他们注意到，在空气或云温度高于-40℃（波浪云中为-36℃，南极地面收集的冰晶为-33℃）的罕见情况下观察到真正的子弹玫瑰状，没有明显的覆盖卷云。在实验室中，子弹玫瑰状冰晶通常在恰好或者刚好低于-40℃的温度下成核，并且在冰面和水面饱和度中间的冰饱和度，通常在-40℃至-45℃下相对于冰为约25％（BH04）的温度下成核。因此，虽然当云顶或空气温度高于但接近-40℃时，辅助条件下可见的卷云“种子”晶体不能作为柱状形式的部分来源，但是-40℃主要是从板状到柱状或不同于BH04的情况下特定成核模式的转变，在高于-40℃的罕见场合下出现真正子弹玫瑰状。

值得注意的是，例如在LB06a中，在低于-37℃的温度下很少观察到过冷的液态水。在-20℃冷冻的大多数液滴本质上是多晶的，并且从多晶冰习惯频率的原位观察，该趋势随着温度的降低而增加， 在没有液态水的情况下，多晶的子弹玫瑰状结构和混合玫瑰花状结构在低于-40℃的温度下继续占主导地位。 因此，多晶体形态在低于-20℃的大多数条件下占主导地位；然而，它们呈现出它们生长的特定规律特征，即板状与柱状。 还应该注意的是，在BL06和LB06a，b中，通用术语“玫瑰状”包括子弹玫瑰状，混合玫瑰状和具有玫瑰形状的板状多晶，因此子弹玫瑰状通常不应用于在温度-40℃以上模拟晶体。

图4：在AIRS II期间在-30℃观察的混合增长玫瑰状和侧向平面状。

3、新式规律图像

图5显示了温度-1℃到-50℃，从实验室结果和从AIRS II中获得的（复杂多晶体状的图解词汇表和其过饱和度的关系讨论可以在BH04中找到）CPI图像的新规律图。这种新的规律图保留了对高于-18℃的温度，即从板状（0℃至-4℃）至柱状（-4℃至-8℃）至板状（-8℃至-22℃）。图5中低温下的晶体取自-50℃数据，并且代表了在低至-61℃的温度下和在实验室（BH04）中由LB06a观察确认的结果。图中左侧的-70℃的规律结果与

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