有关用于云物理研究方法

飞机研究

大气科学中心利用并为几种不同的飞机提供仪器，这些仪器适用于表征冰和液态云，并且还是一个大型多飞机项目的牵头机构。

机载研究可以描述地面平台不容易现场研究的云类型，例如高空卷云和对流风暴系统。此外，机载研究能够探测云系统的不同层次，并绘制其特性如何随特殊程度变化。机载平台还可以提供云层上方和下方或孤立对流系统周围的空气特征。机载测量通常与地面测量结合使用，以便在研究大型系统时将详细的地面测量置于上下文中。

该中心的大部分机载云工作都是基于英国自然环境研究委员会的机载大气测量设施（FAAM）BAes 146飞机。这架飞机是一架四引擎支线喷气式客机，最近完全改装用于大气研究（最初是146系列的原型），并被英国大学和气象局使用。大气科学中心提供了一套云微物理和气溶胶仪器，供我们自己和该平台上的其他项目使用。提供的云仪器包括云粒子成像仪 （CPI）、机载液滴分析仪 （ADA）、SPEC 2D 灰度探头 （2DS）、云液滴探头 （CDP） 和 DMT 云气溶胶和降水光谱仪 （CAPS）。有关所提供工具的更多详细信息，请参见此处。除了我们自己的仪器外，该设施还可以使用各种其他仪器，包括云微物理、气溶胶、痕量气体和辐射。

在这架飞机上进行的云实验包括：研究英国主要城市地区低层层状云及其与污染的相互作用;英国各地的高空卷云研究;处于早期发展阶段的对流系统，着眼于从液相到冰相的转变。这些项目表征了这些云的云微物理特性，以及云中、云上和云下的气溶胶特性。有关使用 146 进行的项目的更多信息，请访问 FAAM 网站 此处，我们的项目页面上更详细地介绍了一些示例。

除了使用FAAM飞机进行测量外，大气科学中心还在其他飞机上安装了云物理仪器，用于特定项目。这些飞机包括Airborne Research Australia Egrett飞机（如上图所示）和NERC ARSF Dornier飞机。地面研究中使用的许多云物理仪器也适用于机载平台。

使用多个飞机研究来同时探测不同层次的云，或在研究云属性的同时探测流入和流出区域。此外，遥感仪器可以在一架飞机上飞行，而现场测量则在另一架飞机上进行。也可以结合地面原位或遥感地点进行测量。

该中心参与并领导了多个飞机项目，研究锋面系统形成的卷云，以及深热带对流流出的卷云。在EMERALD项目期间，该中心的云微物理仪器被安装在澳大利亚机载研究（ARA）Egrett高空飞机上，而去偏振云激光雷达则在ARA King Air上飞行。白鹭在原地飞行，而空中国王则直接飞到下方，远程测量云的特性，并帮助将原位测量置于上下文中。此外，现场信息还验证了从激光雷达数据中检索云属性。在ACTIVE项目期间，Egrett再次与一套云仪器一起使用，另外还有气相和气溶胶仪器（其中一些由中心提供）。在这项实验中，NERC机载遥感设施（ARSF）的Dorner 228飞机在低空使用，以测量正在研究的大型对流系统的流入区域的气体和气溶胶特性。作为 SCOUT-O3 和 TWP-ICE 项目的一部分，该项目是与地面雷达站点、多个气象气球发射以及来自欧洲和美国其他机构的飞机一起进行的。

除了在专用研究飞机上进行测量外，该中心还参与了开发可在商用货运和客机上飞行的仪器的项目。虽然这些飞机避开了某些类型的云层，但在起飞和着陆时穿过云层的剖面相对常见，就像在高空穿过薄卷云一样。在商业车队上安装此类软件包提供了一种非常经济高效的方法，可以在很长一段时间内在全球各个地点进行测量。这种类型的工作需要能够自主运行的仪器，维护间隔相对较长，这与研究飞机不同，在研究飞机上，飞机上经常有操作员，或者最坏的情况是，仪器可以根据需要在每次飞行之间进行检查和维护。此外，在商业航班上运行的仪表必须满足普通飞机设备所承受的所有苛刻的安全要求。

地面研究

长期以来，地面云研究一直被用于对云特性进行详细的原位测量，大气科学中心几乎从该小组开始就参与了这些测量。世界各地的山顶和山顶遗址已被用于研究温暖、混合相云和冰川云的特性，以及这些特性如何取决于进入云的气溶胶种群的特性。其中一些研究还可以研究云处理对气溶胶种群的影响。这些研究可分为三个主要活动：多地点地形山盖云实验（暖云）;单点实验研究暖云;研究混合相云和冰川云的单点实验。

多站点地面云实验

传统上，基于地面的云研究是通过多个地点实验完成的，涉及至少三个地点，一个在上风，一个在下风，一个在山顶。在上风和下风地点，对气溶胶和气相特性进行了详细测量。特别是气溶胶尺寸分布、吸湿性和化学成分，以及 SO2、NOx、H 2 O2、NH4、CO 和 O3 等气体的浓度。在山顶现场，测量是云的特性，如液滴尺寸分布、总液态水含量和云滴化学成分，作为液滴大小的函数。此外，使用间隙入口（仅允许低于一定尺寸（通常为2.5μm）的颗粒进入）对未进入云相的气溶胶和气体的特性进行

单点实验

使用单个山顶站点可以满足多站点地形云项目的许多目标。此外，这些项目更适合研究更大规模的层和锋面云，当它们形成的水平被测量站点拦截时。在这些情况下，上风和下风地点可能不太能代表云中存在的气溶胶。在这些项目中，除了云测量外，还使用各种气溶胶入口对间隙气溶胶（未被清除到云滴中的气溶胶）、总气溶胶（液滴残差和间隙）和液滴残差进行采样。这些不同的入口类型使用惯性分离来选择接受的颗粒类型。间隙入口使用撞击器将较大的颗粒撞击到表面上，因此只允许较小的颗粒通过。残余物使用逆流虚拟撞击器（CVI）进行采样。在这里，液滴被加速通过风洞;在风洞内有一个中央喷嘴，其中有一个逆流。只有具有足够大动量的液滴才能通过逆流进入采样系统。然后这些液滴被蒸发，留下残留的气溶胶。总进样口只需对所有颗粒进行采样，并使用加热管蒸发液滴，以便对残留颗粒和间隙颗粒进行采样。这些分离云和气溶胶颗粒的技术可以分析形成云滴的颗粒类型，并对现场的气溶胶进行完整的表征。

冰表征实验

在低于0°C的温度下，云可能由冰晶、水滴或两者的混合物组成，云粒子的相位取决于温度，也取决于云的形成方式及其历史。存在的冰晶的形状（或习性）也表明了自形成以来所经历的条件，因为不同的习性已被证明在不同的温度和过饱和度下生长。与暖云相比，冰云和混合相云的人们知之甚少，但在地球气候中发挥着同样重要的作用。了解气溶胶对冰云的影响尤为重要，目前对此的理解远不如对暖云的理解。云中的冰粒可能由许多过程形成，例如均质冻结、浸没成核、接触成核和各种冰倍增过程。目前正在对气溶胶在这些过程中的作用进行大量研究，以及哪些类型的气溶胶将充当冰核以及它们这样做的效率。云中冰粒的不同习性和大小分布对于决定其辐射特性非常重要。为了在全球气候模型中正确表示冰云，必须充分了解其特性如何取决于气溶胶特性的变化

在高海拔山顶地点进行地面实验在冰云研究中发挥着重要作用。在这些实验中，部署了一套云仪器来测量液滴和冰晶。区分两者尤为重要，但在小尺寸下，这很难实现。测量液滴粒径分布、液态水含量，并记录冰晶图像。对这些图像进行分析，以获得冰颗粒浓度作为大小和颗粒习性以及冰水含量的函数。此外，还使用各种方法收集冰晶，以便通过光学和电子显微镜等技术进行分析。该站点存在的气溶胶通过多个入口进行采样，其方式类似于暖云中的单个站点实验。在一些实验中，使用了特殊版本的逆流虚拟撞击器，它能够仅选择和蒸发冰晶，因此可以研究这些晶体中存在的气溶胶颗粒。

大气科学中心在瑞士阿尔卑斯山的少女峰高山研究站参加了许多此类实验。在早春，这里的气温通常在-25至-5摄氏度之间，该地点经历了一系列清洁和相对污染的条件，以及偶尔的沙漠沙尘事件。最重要的是，这个网站在很大一部分时间里都在云中。这使得它成为在一系列混合相和完全冰川条件下进行此类研究的绝佳地点。此外，该站点有良好的通道，以及允许进行实验的适当基础设施。

实验室研究

虽然在大气中可以很容易地研究许多云的性质和过程，但在大多数情况下，不可能控制或改变这些云形成的条件，或者测试云对孤立变化的给定参数的响应。此外，对于航向分辨率的飞机测量，或者像地面测量一样，仅限于少数位置时，可能很难对详细过程进行研究。通过在受控条件下加湿或冷却（或两者兼而有之）空气，可以形成云。或者，可以通过在过饱和条件下添加原子核来形成云，或者以类似于大气中实际发生的方式进行绝热膨胀。在实验室条件下，可以仔细控制关键的云参数，如过饱和度、温度、云核的数量和化学成分。实验也可以重复多次，单个参数或多个参数的组合有微小的变化。因此，允许评估云对特定更改的响应。

仪器开发和测试

为了从地面站点或机载平台上的测量中得出科学有效的结论，必须了解所用仪器的特性和局限性。

在地面站点测量云颗粒并非易事。在大气中发现的云滴和冰晶的直径从几微米（人类头发直径的百分之几）到几毫米不等，对于降水颗粒来说，直径更大——在极端情况下，已经观察到了几厘米宽的冰雹。此外，还需要仪器来区分液体和固体颗粒，并提供有关固体颗粒形状的信息。他们还必须在不改变要测量的颗粒的情况下做到这一点，并且不优先对任何特定类型或大小的颗粒进行采样。它们还必须能够在非常寒冷、潮湿甚至炎热的条件下生存并继续运行。对于在机载平台上运行的仪器，它们必须能够应对待测颗粒相对于仪器以每小时数百英里的速度行进的事实，并且在飞行的起飞和着陆阶段能够承受高达100°C的快速温度变化。

理想情况下，一台仪器将能够提供整个颗粒尺寸范围内所需的所有信息。然而，在实践中这是不可能的，并且采用了许多技术来获取有关不同类型粒子的信息。通常，不改变或选择性采样颗粒的理想也不能完全满足，因此详细了解每种仪器的响应至关重要。

大气科学中心没有大量参与云探测器的设计和制造。但是，我们一直与提供我们使用的仪器的制造商合作，并与我们使用的其他仪器以及其他人使用的仪器进行了详细的评估和相互比较。我们还参与开发软件来记录来自这些仪器的数据，并处理收集的数据。

例如，前向散射光谱仪探头 （FSSP） 是测量 2-47um 尺寸范围内液滴的最广泛使用的仪器之一。自 1980 年代以来，该仪器已被广泛使用，并已进行了彻底的表征，许多出版物详细介绍了其性能和局限性，并指定了应应用于其报告的数据的更正。最近，液滴测量技术公司（DMT）对探头的电子设备进行了升级，最近还开发了微型版本——云滴探头（CDP）（也由DMT制造）。该中心是首批购买升级电子设备的团体之一，并在我们的腔室设施和地面山顶站对新系统与传统系统进行了相互比较。我们还研究了该仪器在高液滴浓度（远高于仪器设计）下的反应，并将其尺寸与该中心和其他研究小组使用的其他技术进行了比较。此外，还对地面吸气系统如何受到环境风速的影响进行了风洞研究。

我们的CDP（也是最早生产的CDP之一）已经与其他仪器一起在机载平台上进行了广泛的试验，包括ARSF Dornier和FAAM 146，以及AIDA的实验室实验[链接]。

另一个例子是我们与SPEC INC制造的Cloud Droplet Imager（CPI）的合作。该仪器对尺寸范围为10-1000μm的冰晶进行成像，晶体尺寸和形状来自对这些图像的分析。然而，确定用于确定每单位体积空气的准确颗粒浓度的确切样品体积一直很困难，并且从离焦图像中确定颗粒大小也存在问题。

为了解决这些问题，我们进行了一系列实验室研究，将NIST可溯源校准颗粒放置在仪器成像平面的精确位置，与焦平面的距离不同，使用能够重复定位到探头样品体积中任何位置3μm以内的10D定位器。通过仪器扫描许多已知尺寸的颗粒，并重复几种不同尺寸的球形颗粒，测量仪器的景深和样品体积，以及失焦颗粒的尺寸校正。这些测量结果允许开发一种算法，以应用于记录的数据，以计算绝对浓度，并校正失焦图像的大小。

来自多个云粒子仪器的组合粒度分布。发现来自CPI的完全校正数据与重叠区域内其他工具的数据相匹配。这没有对 CPI 数据应用任何任意比例因子。

与赫特福郡大学的约瑟夫·乌拉诺夫斯基博士一起进行了额外的实验，使用人造冰晶绘制了非球形颗粒的CPI性能。这很重要，因为探头旨在测量冰晶而不是云滴。这些实验的结果也包含在处理算法中。已经发现，处理后的CPI数据与其他仪器的数据具有很好的对比性，这些仪器也测量了这些仪器重叠区域的云中的颗粒大小和浓度。