張佃國(guó),姚展予,龔佃利,樊明月

(1.山東省人工影響天氣辦公室,山東濟(jì)南250031;2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院中國(guó)氣象局云霧物理重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,北京100081)

0 引言

積層混合云是北方主要降水云系,是實(shí)施飛機(jī)人工增雨的主要云系,為了科學(xué)有效地實(shí)施飛機(jī)人工增雨,國(guó)內(nèi)外很多地區(qū)都進(jìn)行了飛機(jī)探測(cè)研究。國(guó)外Houze et al.(1979)研究了溫帶氣旋計(jì)劃中鋒面云中降水粒子尺度譜分布。Hobbs and Radke(1975)對(duì)美國(guó)溫帶氣旋云系和地形云進(jìn)行了探測(cè)試驗(yàn)。Grabowski et al.(1999)給出了蘇聯(lián)冬季層狀云的探測(cè)和人工影響試驗(yàn)等研究結(jié)果。在熱帶層狀云觀測(cè)中(Jeffrey et al.,2002),基本沒(méi)有探測(cè)到過(guò)冷水含量。我國(guó)在新疆(王謙等,1987)、寧夏(牛生杰等,1992)、山東(張連云和馮桂利,1997)、河南(李念童等,2001)、陜西(陳寶國(guó)等,2005)、甘肅(李照榮等,2003)、吉林(汪學(xué)林和劉健,1992;張景紅等,2004;劉健等,2005)、青海(蘇正軍等,2003a;2003b)、河北(楊文霞等,2005)、北京(范燁等,2007;張佃國(guó)等,2007,2010)利用裝載有PMS的飛機(jī)進(jìn)行了大量的云物理結(jié)構(gòu)觀測(cè)試驗(yàn),為我國(guó)在人工影響天氣、飛機(jī)積冰等方面的研究提供了云宏、微觀特征資料。這些研究基本采用單架飛機(jī)實(shí)施云微物理結(jié)構(gòu)探測(cè)所取得的資料,因?yàn)樵葡凳芏喾N氣象因素影響,云系垂直結(jié)構(gòu)在不同時(shí)間存在一定的差異,單架飛機(jī)分層探測(cè)云系垂直結(jié)構(gòu),需要較長(zhǎng)時(shí)間,因此,探測(cè)取得的云系內(nèi)微物理參數(shù)垂直分布一致性受到質(zhì)疑,云層微物理參數(shù)垂直比效果較差。為了克服云系在空間上的時(shí)變性,2009年春季在環(huán)北京地區(qū)針對(duì)積層混合云系在同一位置采用三架飛機(jī)聯(lián)合同時(shí)分層探測(cè)。采取三架飛機(jī)同時(shí)探測(cè),克服了云系在空間上的時(shí)變性,同時(shí)使用三架飛機(jī)從不同位置對(duì)云系進(jìn)行了垂直探測(cè),取得了4月18日和5月1日兩次較好的資料。

本文利用2009年4月18日和5月1日兩次過(guò)程在環(huán)北京地區(qū)取得的PMS等微物理資料,結(jié)合衛(wèi)星等宏觀資料,分析環(huán)北京地區(qū)的積層混合云系微物理結(jié)構(gòu)特征,擬為今后在北方地區(qū)實(shí)施飛機(jī)人工增雨提供可靠依據(jù)。

1 儀器介紹

由表1可見(jiàn),北京、山西和河北人影辦均使用PMS機(jī)載粒子測(cè)量系統(tǒng),分別裝載于“運(yùn)-12”和“夏延ⅢA”飛機(jī)兩翼下部,數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),可觀測(cè)大氣中直徑為0.6～6 200μm范圍內(nèi)的氣溶膠及云降水粒子。由表1可見(jiàn),一維云滴探頭量程下限稍有差異,北京CAS量程0.6～50 μm,山西CD P量程2～50μm,河北FSSP-100-ER量程2～47μm;二維云降水粒子探頭相同,云粒子探頭量程25～1 550μm,降水粒子探頭量程100～6 200μm。除了上述設(shè)備外,飛機(jī)上還裝載氣溶膠粒子探頭、宏觀探頭及熱線含水量?jī)x等設(shè)備。本文主要分析了云及降水粒子探頭所測(cè)資料。

表1 機(jī)載云微物理探測(cè)設(shè)備介簡(jiǎn)介T(mén)able 1 The introduce of airborne cloud m icrophysical m easured probes

2 宏觀資料分析

2.1 統(tǒng)計(jì)分析

2009年春季利用機(jī)型(山西、北京“運(yùn)-12”,河北“夏延ⅢA”)裝載PM S粒子測(cè)量系統(tǒng),采用水平、垂直飛行相結(jié)合的方式,針對(duì)環(huán)北京地區(qū)(主要在河北境內(nèi))積層混合降水云系微物理結(jié)構(gòu),在云系垂直方向上,實(shí)施雙機(jī)或三機(jī)聯(lián)合探測(cè)15架次,詳見(jiàn)表2。本文分析了4月18日降水云系前部、5月1日降水云系中部宏微物理結(jié)構(gòu)。

表2 環(huán)北京地區(qū)積層混合云微物理結(jié)構(gòu)探測(cè)資料統(tǒng)計(jì)Table 2 The statistical of stratocum ulus microphysical structure characteristics data around Beijing area

2.2 探測(cè)軌跡

圖1給出了4月18日、5月1日三機(jī)聯(lián)合云微物理探測(cè)飛行路線。由圖1a、b可見(jiàn),探測(cè)主要集中在河北西北部張北附近。圖1c顯示,4月18日河北飛機(jī)在石家莊機(jī)場(chǎng)起飛,17:10到達(dá)探測(cè)區(qū)(綠色方框內(nèi)),高度約為4 800m;山西飛機(jī)在大同機(jī)場(chǎng)起飛,17:10飛至探測(cè)區(qū)(紅色方框內(nèi)),探測(cè)高度為4 200m;北京飛機(jī)在石家莊機(jī)場(chǎng)起飛,17:35進(jìn)入探測(cè)區(qū)(藍(lán)色方框內(nèi)),高度為3 600m。圖1d顯示,5月1日河北飛機(jī)在石家莊機(jī)場(chǎng)起降,09:10到達(dá)4 800m探測(cè)區(qū)域內(nèi)(綠色框);山西飛機(jī)在大同機(jī)場(chǎng)起飛,09:12進(jìn)入4 200m探測(cè)區(qū)內(nèi)(紅色框)進(jìn)行探測(cè);北京飛機(jī)在張家口起降,09:20到達(dá)3 600m探測(cè)區(qū)域(藍(lán)色框)內(nèi)。

2.3 探空資料分析

圖2給出了機(jī)載探測(cè)溫濕度垂直分布與探空對(duì)比情況。由圖2a可見(jiàn),4月18日探測(cè)溫度和探空溫度趨勢(shì)相同,在2 000m以下存在逆溫層,1 500～2 800m和3 500～6 000m溫度層有所區(qū)別,低層探空溫度較大,高空探測(cè)溫度較大;探測(cè)濕度和探空濕度趨勢(shì)相同,差別不大,1 500m以下和3 500～5 500m差別較大,相對(duì)濕度范圍為20%～105%。由圖2b可知,5月1日探測(cè)溫度和探空溫度匹對(duì)較好,溫度隨高度遞減;相對(duì)濕度差較大,濕度范圍為20%～90%,探測(cè)溫度4 000m以下較小,最大只有40%,應(yīng)該是探測(cè)設(shè)備有問(wèn)題,探空比較合理,根據(jù)設(shè)備校正,機(jī)載探測(cè)溫度計(jì)存在5℃左右的誤差,可見(jiàn),機(jī)載探測(cè)溫度與探空存在一定的差別,4月18日0℃層約在3 800m,5月1日0℃層約在3 700m。

圖1 探測(cè)軌跡 a.4月18日飛行路線;b.5月1日飛行路線;c.4月18日垂直探測(cè)軌跡;d.5月1日垂直探測(cè)軌跡Fig.1 Flying route a.flying route on18April;b.flying route on1May;c.vertical detecting route on14A-pril;d.vertical detecting route on1May

圖2 機(jī)載探測(cè)溫濕度和探空資料對(duì)比 a.4月18日;b.5月1日Fig.2 The contrast of temperature and humidity measured by airborne probe and sounding a.18April;b.1May

2.4 衛(wèi)星資料分析

受高空西北氣流和低層切變影響,2009年4月18日和5月1日在河北省境內(nèi)出現(xiàn)一次降水過(guò)程,降水分布不均,4月18日降水中心在北京周?chē)?河北西部有一降水中心,最大為8mm,北部較小,約為5mm(圖3a)。5月1日(圖3b)降水過(guò)程主要集中在河北北部,存在兩個(gè)降水中心,西北部一個(gè)中心,最大降水量為6mm,西北部一個(gè)中心,最大降水量約為9mm。

圖4給出了4月18日和5月1日探測(cè)時(shí)段積層混合云黑體輻射溫度(TBB)演變過(guò)程。由4月18日?qǐng)D可見(jiàn),16時(shí)(圖4a),云體主要集中在河北的北部,存在兩個(gè)中心,一個(gè)集中在河北北部,另一個(gè)中心集中在山西境內(nèi),TBB均低于-50℃,探測(cè)區(qū)域在兩個(gè)中心的邊緣;17時(shí)(圖4b),兩個(gè)云團(tuán)中心有所減弱,并且合并為一個(gè)中心,在河北省西北部,TBB約為-40℃;18時(shí)(圖4c),云團(tuán)開(kāi)始由西北向東南移動(dòng),后面的強(qiáng)中心移至河北北部,TBB約為-50℃,探測(cè)區(qū)域內(nèi)TBB最大為-20℃;19時(shí)(圖4d),云團(tuán)開(kāi)始減弱,TBB最強(qiáng)減為-40℃,探測(cè)區(qū)域在減弱。5月1日?qǐng)D顯示,07時(shí)(圖4e),云團(tuán)分布不均勻,河北西南方向較強(qiáng),TBB最大約為-50℃,西北方向較弱,中心最大約為-30℃,探測(cè)區(qū)域在西北云團(tuán)內(nèi)部;08時(shí)(圖4f),云團(tuán)開(kāi)始向東南方向移動(dòng),探測(cè)區(qū)域北部和西部出現(xiàn)兩個(gè)中心,中心強(qiáng)度TBB均為-30℃;09時(shí)(圖4g),探測(cè)區(qū)域內(nèi)兩中心合并,有所加強(qiáng);10時(shí)(圖4h),云團(tuán)逐漸向東南移動(dòng),云團(tuán)基本移出探測(cè)區(qū)。

3 結(jié)果討論

3.1 降水性云系前部探測(cè)分析

圖5給出了2009年4月18日冷鋒云系前部三架飛機(jī)探測(cè)云微物理參數(shù)垂直分布,山西飛機(jī)探測(cè)(圖5a-c),河北飛機(jī)探測(cè)(圖5d-f),北京飛機(jī)探測(cè)(圖5g-i)。飛機(jī)分爬升和水平飛行相結(jié)合探測(cè),利用爬升過(guò)程取得的資料研究云系垂直結(jié)構(gòu),水平飛行探測(cè)資料研究水平結(jié)構(gòu)。圖5a、b、c給出了山西人影辦飛機(jī)從大同機(jī)場(chǎng)出發(fā)進(jìn)行的云系垂直探測(cè)情況,探測(cè)高度1 500～4 300m,溫度16.32～-4.6℃?？梢钥闯?CD P探測(cè)云粒子濃度和直徑垂直分布很不均勻,濃度量級(jí)最大為103cm-3,直徑主要集中在3～20μm,粒子濃度和直徑呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,在2 900m、3 500m和4 000m以上高度層出現(xiàn)粒子濃度和直徑最大值。C IP探測(cè)云內(nèi)大粒子數(shù)濃度隨高度呈增加趨勢(shì),峰值出現(xiàn)在4 250m,濃度量級(jí)最大為101cm-3,粒子尺度隨高度呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),3 000m以下以小于50μm粒子為主,3 000～4 000 m高度層開(kāi)始出現(xiàn)大粒子,主要集中在100～400 μm范圍內(nèi),零星出現(xiàn)更大粒子,最大可達(dá)1 050 μm,4 250m高度粒子最大,最大可達(dá)1 550μm。PIP探測(cè)云內(nèi)降水粒子可見(jiàn),3 000m以下降水粒子很少,降水粒子主要出現(xiàn)在3 000m以上高度層內(nèi),隨高度增加,最大為10-1cm-3,最大值出現(xiàn)在4 250 m高度層上,最大可達(dá)5 550μm。

圖3 降水分布(單位:mm) a.4月18日;b.5月1日Fig.3 The precipitation distribution(units:mm) a.18April;b.1M ay

圖4 2009年4月18日(a-d)和5月1日(e-h)積層混合云TBB演變(方框表示探測(cè)區(qū)域;單位:℃) a.16:00;b.17:00;c.18:00;d.19:00;e.07:00;f.08:00;g.09:00;h.10:00Fig.4 TBB evolution of stratocum ulus cloud on(a-d)1May and(e-h)18April,2009(the panes denote detecting areas;units:℃) a.16:00;b.17:00;c.18:00;d.19:00;e.07:00;f.08:00;g.09:00;h.10:00

圖5 2009年4月18日山西飛機(jī)(a.CD P;b.CIP;c.PIP)、河北飛機(jī)(d.FSSP-100-ER;e.OA PDGA-2;f.OAPDGB-2)、北京飛機(jī)(g.CAS;h.CIP;i.PIP)探測(cè)冷鋒云系前部三云微物理參數(shù)垂直分布Fig.5 V ertical distribution of microphysical parameters measured by(a-c)Shanxi aircraft,(d-f)Hebei aircraft and(g-i)Beijing aircraft in front of cold front on18April,2009 a.CD P;b.CIP;c.PIP;d.FSSP-100-ER;e.OA PDGA-2;f.OA PDGB-2;g.CAS;h.CIP;i.PIP

圖5d、e、f給出了河北人影辦飛機(jī)從石家莊機(jī)場(chǎng)起飛進(jìn)行的云系垂直探測(cè)情況,探測(cè)高度61～5 123m,溫度22.75～-7.54℃,根據(jù)宏觀觀測(cè),云系內(nèi)存在干層。FSSPER探測(cè)云粒子數(shù)濃度垂直分布不均勻,濃度量級(jí)最大103cm-3,在1 600 m、3 000～3 800m、4 700～5 100m高度層出現(xiàn)粒子數(shù)濃度最大值,最大值可達(dá)205.41cm-3,粒子尺度隨高度呈遞增趨勢(shì),4 400m以下云粒子集中在5～20μm范圍內(nèi),在4 700m以下云粒子尺度較大,FSSP-100-ER所測(cè)粒子尺度最大45.5μm;OA PDGA-2所測(cè)大云滴數(shù)濃度垂直分布情況,可見(jiàn),大粒子垂直分布不均勻,大云滴粒子數(shù)濃度在1 600m、3 300～3 800m、4 700～5 100m出現(xiàn)峰值區(qū),最大值可達(dá)0.045cm-3,粒子尺度低層較小,最大僅為50 μm,4 700～5 100m高度層內(nèi),粒子尺度較大,最大可達(dá)275μm。OAPDGB-2所測(cè)降水粒子垂直分布,可見(jiàn),1 300～5 100m高度層內(nèi)均出現(xiàn)降水粒子,4 700m以下數(shù)濃度分布較均勻,降水粒子尺度基本在20μm左右,在4 700～5 100m數(shù)濃度出現(xiàn)峰值,最大為0.116cm-3,粒子尺度最大為1 262μm。

圖5g、h、i給出了北京人影辦飛機(jī)從張家口機(jī)場(chǎng)起飛進(jìn)行的云系垂直探測(cè)情況,探測(cè)高度679～3 692m,溫度17.7～-2.3℃。CAS探測(cè)云粒子數(shù)濃度低層較小,高層較大,2 700m以下,分布較為均勻,2 700m以上,數(shù)濃度較大,數(shù)濃度最大為2 939.38cm-3,粒子尺度2 700m以下變化較小,基本在17μm以下,2 700m以上,粒子尺度變化較大,最大可達(dá)47.5μm。CIP探測(cè)大云滴粒子,可見(jiàn),大云滴粒子濃度2 700m以下分布較為均勻,2 700m以上,大云滴粒子出現(xiàn)粒子最大值,最大為3.52cm-3,大云滴尺度2 700m以下較小,都在50 μm以下,2 700m粒子尺度增大,最大為1 550μm。PIP探測(cè)資料顯示,2 400m以下,零星出現(xiàn)一些降水粒子,2 400m以上降水粒子增加,最大數(shù)濃度為3.53cm-3,降水粒子尺度最大為6 000μm。

圖6 2009年4月18日北京飛機(jī)(a.CAS;b.CIP;c.PIP)、山西飛機(jī)(d.CD P;e.CIP;f.PIP)、河北飛機(jī)(g.FSSP-100-ER;h.OA PDGA-2;i.OA PDGB-2)三分層探測(cè)云微物理參數(shù)水平分布Fig.6 Horizontal distribution of cloud microphysical parameters measured by(a-c)Beijing aircraft,(d-f)Shanxi aircraft and(gi)Hebei aircraft on18April,2009 a.CAS;b.CIP;c.PIP;d.CD P;e.CIP;f.PIP;g.FSSP-100-ER;h.OA PDGA-2;i.OAPDGB-2

圖6給出了2009年4月18日三架飛機(jī)分層同時(shí)探測(cè)云微物理參數(shù)水平分布,北京飛機(jī)3 600m高度層探測(cè),山西飛機(jī)4 200m高度層探測(cè),河北飛機(jī)4 800m高度層探測(cè)。取垂直方向上三架飛機(jī)同時(shí)探測(cè)3 600m、4 200m和4 800m高度層內(nèi)水平探測(cè)5m in數(shù)據(jù)分析云降水粒子水平分布特征。圖6a、b、c為北京人影辦飛機(jī)在3 600m高度層進(jìn)行水平探測(cè)小云滴分布情況,可以看出,CAS探測(cè)設(shè)備所測(cè)粒子數(shù)濃度和直徑呈反相關(guān)關(guān)系,云粒子數(shù)濃度前150s起伏較大,有3個(gè)量級(jí)的變化,后150s起伏較小,基本沒(méi)有量級(jí)的變化,粒子平均體積直徑相差很大,粒子平均體積直徑曲線起伏較大。CIP探測(cè)設(shè)備所測(cè)大云滴粒子數(shù)濃度和體積直徑呈正相關(guān)關(guān)系,數(shù)濃度曲線前150s起伏較大,有3個(gè)量級(jí)的變化,后150s較為平滑,粒子體積直徑起伏較大,在200～1 400μm范圍內(nèi)變化,PIP降水粒子探測(cè)所測(cè)粒子數(shù)濃度曲線較為平滑,粒子尺度起伏較大,從300～5 000μm均有。

圖6d、e、f上圖為河北人影辦在4 800m高度層探測(cè)云降水粒子的水平分布特征。FSSP-100-ER前150s云粒子數(shù)濃度和尺度分布較為均勻,數(shù)濃度沒(méi)有量級(jí)的變化,尺度基本維持在10μm以下,后150 s起伏較大,數(shù)濃度有4個(gè)量級(jí)的變化,粒子尺度與數(shù)濃度基本為負(fù)相關(guān)關(guān)系,尺度最大為45.5μm;OA PDGA-2探測(cè)大云滴數(shù)濃度水平分布有一定的起伏,數(shù)濃度最小值和最大值相差2個(gè)量級(jí)變化,粒子尺度較為均勻,基本在150～250μm范圍。OA PDGB-2探測(cè)降水粒子數(shù)濃度曲線存在一定的起伏,極值間相差3個(gè)量級(jí),粒子尺度和數(shù)濃度存在很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,尺度曲線起伏較大,在250～1 450 μm之間變化。

圖6g、h、i為山西人影辦在4 200m高度層探測(cè)云降水粒子的水平分布特征。CD P探測(cè)云粒子水平分布很不均勻,在100s和200～250s范圍內(nèi),出現(xiàn)云粒子數(shù)濃度躍遷現(xiàn)象,數(shù)濃度極值間相差4個(gè)量級(jí),粒子尺度曲線起伏較大,最大可達(dá)47μm;CIP探測(cè)大云滴粒子水平分布起伏較大,數(shù)濃度極值間相差3個(gè)量級(jí);粒子尺度存在較大的起伏,最大值為1 380μm,PIP探測(cè)降水粒子數(shù)濃度分布不均勻,有兩個(gè)量級(jí)變化。粒子尺度分布不均勻,最大為3 900μm。

圖7給出了2009年4月18日不同高度層三架飛機(jī)探測(cè)云降水粒子譜分布。云粒子譜(圖7a)三高度層譜型差異較大,峰值濃度相差不大,4 800m高度譜型為單峰譜,中間略有起伏,峰值在小滴端,4 200m高度譜型多峰分布,峰值在小滴端和50μm處,3 600m高度譜型為雙峰譜,峰值在小滴端。云降水粒子譜(圖7b)三高度層譜型差異不大,4 800 m高度譜型為單調(diào)遞減譜,峰值在小粒子端(≤100 μm),4 200m和3 600m高度譜型相似,為雙峰譜,峰值分別在≤100μm和230μm處。降水粒子譜(圖7c)三高度層譜型相似,都為單峰譜,峰值相差不大。

3.2 5月1日過(guò)程降水云系中部分析

圖8給出了2009年5月1日冷鋒云系中部三架飛機(jī)探測(cè)云微物理參數(shù)垂直分布。圖8a、b、c為山西人影辦飛機(jī)從大同機(jī)場(chǎng)出發(fā)進(jìn)行的云系垂直探測(cè)情況,探測(cè)高度1 032～4 792 m,溫度11.85～-16.15℃?？梢钥闯?CDP探測(cè)云粒子濃度和直徑垂直分布很不均勻,相差4個(gè)量級(jí),直徑主要集中在3～20μm,在4 000m以上高度層出現(xiàn)粒子濃度和直徑最大值,數(shù)濃度最大為177.81cm-3,粒子尺度增大,最大為49μm。CIP探測(cè)云內(nèi)大粒子數(shù)濃度隨高度呈增加趨勢(shì),峰值出現(xiàn)在4 000m以上,相差5個(gè)量級(jí),粒子尺度隨高度呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),4 000 m以下以小于50μm粒子為主,4 000m以上高度層出現(xiàn)大粒子,最大1 550μm。PIP探測(cè)云內(nèi)降水粒子可見(jiàn),3 000m以下降水粒子很少,降水粒子主要出現(xiàn)在1 000m以上高度層內(nèi),隨高度增加,數(shù)濃度相差5個(gè)量級(jí),最大值出現(xiàn)在4 250m高度層上,最大可達(dá)6 000μm。

圖8d、e、f為河北人影辦飛機(jī)5月1日從石家莊機(jī)場(chǎng)起飛進(jìn)行的云系垂直探測(cè)情況,探測(cè)高度范圍70～5 419m,溫度范圍21.22～-11.87℃。FSSP-100-ER探測(cè)云粒子數(shù)濃度垂直分布不均勻,云粒子數(shù)濃度最小值和最大值之間相差5個(gè)量級(jí),在4 700m高度層出現(xiàn)粒子數(shù)濃度最大值,最大值可達(dá)96.95cm-3,粒子尺度隨高度呈遞增趨勢(shì),4 700m以下云粒子集中在5～10μm范圍內(nèi),在4 700m以上云粒子尺度較大,最大為45.5μm;OA PDGA-2所測(cè)大云滴數(shù)濃度垂直分布情況:大粒子垂直分布不均勻,大云滴粒子數(shù)濃度在4 700～5 419m出現(xiàn)峰值區(qū),最大值可達(dá)3.956cm-3,極值間相差4個(gè)量級(jí),粒子尺度低層較小,最大僅為70 μm,4 700～5 419m高度層內(nèi),粒子尺度較大,最大可達(dá)320μm。OA PDGB-2所測(cè)降水粒子垂直分布,可見(jiàn),3 850m以上高度層內(nèi)均出現(xiàn)降水粒子,隨高度呈上升趨勢(shì),極值間相差4個(gè)量級(jí),降水粒子尺度最大為2 200μm左右,在4 700～5 149m數(shù)濃度出現(xiàn)峰值,最大為0.026cm-3,數(shù)濃度最大值和最小值相差4個(gè)量級(jí)。

圖8g、h、i為5月1日北京人影辦飛機(jī)從張家口機(jī)場(chǎng)起飛進(jìn)行的云系垂直探測(cè)情況,探測(cè)高度范圍695～4 922m,溫度范圍-17.1～13.74℃。CAS探測(cè)云粒子數(shù)濃度2 500m以下較小,2 500～3 000m高度層較大,數(shù)濃度最大為533.01cm-3,最大值和最小值相差4個(gè)量級(jí),粒子尺度2 500m以下變化較小,基本在17μm以下,2 500～3 600m以上,粒子尺度較大,以25～47μm為主,3 600～4 200m高度層以小于10μm為主,4 200～5 000m粒子尺度較大主要以30μm以上為主。C IP探測(cè)大云滴粒子,大云滴粒子濃度呈多峰分布,數(shù)濃度極值間相差7個(gè)量級(jí),在1 000m、3 500m和4 900m附近出現(xiàn)峰值,峰值最大為30.21cm-3,粒子尺度云層內(nèi)差別較大,2 500m以下700μm以下為主,2 500～3 700m以500～1 500μm為主,3 700～4 200m大粒子很少,4 200m以上出現(xiàn)較大粒子,最大可達(dá)1 500μm。PIP探測(cè)資料顯示,3 700m、4 300～5 000m以下降水粒子數(shù)濃度和尺度呈增加趨勢(shì),數(shù)濃度在3 700m高度出現(xiàn)最大值為0.037 cm-3,粒子尺度可達(dá)6 149μm,3 700～4 300m降降粒子較小,降水粒子數(shù)濃度最大值和最小值之間相差4個(gè)量級(jí)。

圖7 2009年4月18日不同高度層云降水粒子譜分布 a.云粒子譜;b.云和降水粒子譜;c.降水粒子譜Fig.7 Vertical spectrum s distribution on18April,2009 a.cloud particles;b.cloud and precipitation particles;c.precipitation particles

圖9給出了2009年5月1日三架飛機(jī)分層探測(cè)云微物理參數(shù)水平分布。圖9a、b、c為5月1日河北人影辦飛機(jī)在4 800m高度層進(jìn)行水平探測(cè)云粒子分布情況?？梢钥闯?FSSP-100-ER探測(cè)設(shè)備所測(cè)粒子數(shù)濃度和平均體積直徑呈反相關(guān)關(guān)系,水平分布很不均勻,極值間有5個(gè)量級(jí)的變化,云粒子數(shù)濃度前200s以前尤其明顯,后100s起伏較小,粒子數(shù)濃度驟降。OA PDGA-2探測(cè)設(shè)備所測(cè)大云滴粒子數(shù)濃度和體積曲線相對(duì)平滑,極值間有2個(gè)量級(jí)差別,粒子尺度基本在100～250μm變化。OA PDGB-2探測(cè)降水粒子探頭所測(cè)粒子數(shù)濃度曲線起伏較大,有3個(gè)量級(jí)變差別,粒子尺度起伏較大,從300～1 500μm均有。

圖9d、e、f為山西人影辦在4 200m高度層探測(cè)云降水粒子的水平分布特征。CD P探測(cè)云粒子水平分布不均勻,在0～170s和200～300s范圍內(nèi),云粒子數(shù)濃度分布較為均勻,基本上沒(méi)有量級(jí)上的差別,在170～200s云粒子數(shù)濃度陡將,極值間差3個(gè)量級(jí),粒子尺度突然增大,從10μm升至47μm。C IP探測(cè)大云滴粒子水平分布相對(duì)均勻,數(shù)濃度極值間相差2個(gè)量級(jí);粒子尺度存在較大的起伏,最大值為1 550μm,PIP探測(cè)降水粒子數(shù)濃度分布相對(duì)均,有2個(gè)量級(jí)變化。粒子尺度分布不均勻,最大為5 500μm。

圖10給出了2009年5月1日不同高度層三架飛機(jī)探測(cè)云降水粒子譜分布。云粒子譜(圖10a)三高度層譜型差異較大,4 800m高度譜型為單峰譜,峰值在小滴端,4 200m高度譜型為單峰譜,峰值在15μm處,3 600m高度譜型為雙峰譜,峰值分別在7、30μm處。云降水粒子譜(圖10b)三高度層譜型差異不大,4 800m高度譜型為單調(diào)遞減譜,峰值在小粒子端(≤100μm),4 200m和3 600m高度譜型相似,為雙峰譜,峰值分別在小于100μm和200 μm處。降水粒子譜(圖10c)三高度層譜型相似,都為單峰譜,峰值相差不大。

圖8 2009年5月1日山西飛機(jī)(a.CD P;b.CIP;c.PIP)、河北飛機(jī)(d.FSSP-100-ER;e.OA PDGA-2;f.OA PDGB-2)、北京飛機(jī)(g.CAS;h.CIP;i.PIP)探測(cè)冷鋒云系中部云微物理參數(shù)垂直分布Fig.8 V ertical distribution of cloud micro physical parameter measured by(a-c)Shanxi aircraft,(d-f)Hebei aircraft and(g-i)Beijing aircraft in the middle of cold front on1M ay,2009 a.CDP;b.CIP;c.PIP;d.FSSP-100-ER;e.OA PDGA-2;f.OA PDGB-2;g.CAS;h.CIP;i.PIP

4 結(jié)論

本文對(duì)2009年春季環(huán)北京地區(qū)2次冷鋒積層混合云系的飛機(jī)探測(cè)資料進(jìn)行了初步分析,結(jié)果總結(jié)如下:

1)根據(jù)云微物理資料分析并結(jié)合宏觀記錄可知,這兩次降水云系不僅垂直方向上分布不均勻,水平方向也存在較大差異,垂直方向上存在干層。

2)分析冷鋒云系前部探測(cè)資料(4月18日)表明,云內(nèi)部微物理參數(shù)空間分布不均勻,2 700m以上高度較大,垂直方向云粒子濃度和直徑呈正相關(guān)關(guān)系,極值間相差7個(gè)量級(jí),大滴粒子濃度相差7個(gè)量級(jí),降水粒子濃度相差6個(gè)量級(jí),水平方向云粒子濃度和直徑分布不均勻,呈反相關(guān)關(guān)系。

3)分析冷鋒云系中部探測(cè)資料(5月1日)可知,云微物理參數(shù)垂直分布不均勻,在2 500～3 600 m和4 000m以上高度層出現(xiàn)云粒子峰值,并且云粒子濃度和直徑呈反相關(guān)關(guān)系,云滴粒子濃度極值相差6個(gè)量級(jí),大滴粒子濃度相差7個(gè)量級(jí),降水粒子濃度相差5個(gè)量級(jí),水平方向云粒子分布不均勻,云粒子濃度和直徑呈反相關(guān)關(guān)系。

圖9 2009年5月1日北京飛機(jī)(a.CAS;b.CIP;c.PIP)、山西飛機(jī)(d.CD P;e.CIP;f.PIP)、河北飛機(jī)(g FSSP-100-ER;h OA PDGA-2;i OA PDGB-2)分層探測(cè)云微物理參數(shù)水平分布Fig.9 Horizontal distribution of cloud micro physical parameters measured by(a-c)Beijing aircraft,(d-f)Shanxi aircraft and(g-i)Hebei aircraft on1M ay,2009 a.CAS;b.CIP;c.PIP;d.CD P;e.CIP;f.PIP;g.FSSP-100-ER;h.OA PDGA-2;i.OA PDGB-2

4)冷鋒云系前部,云粒子譜在4 800m高度譜型為單峰譜,中間略有起伏,峰值在小滴端,4 200m高度譜型多峰分布,峰值在小滴端和50μm處,3 600m高度譜型為雙峰譜,峰值在小滴端。云降水粒子譜三高度層譜型差異不大,4 800m高度譜型為單調(diào)遞減譜,峰值在小粒子端(≤100μm),4 200m和3 600m高度譜型相似,為雙峰譜,峰值分別在≤100μm和230μm處。降水粒子譜三高度層譜型相似,都為單峰譜,峰值相差不大。

5)冷鋒云系中部,云粒子譜在三高度層譜型差異較大,4 800m高度譜型為單峰譜,峰值在小滴端,4 200m高度譜型為單峰譜,峰值在15μm處,3 600m高度譜型為雙峰譜,峰值分別在7μm和30 μm處。云降水粒子譜三高度層譜型差異不大,4 800m高度譜型為單調(diào)遞減譜,峰值在小粒子端(≤100μm),4 200m和3 600m高度譜型相似,為雙峰譜,峰值分別在≤100μm和200μm處。降水粒子譜三高度層譜型相似,都為單峰譜,峰值相差不大。

圖10 2009年5月1日不同高度層云降水粒子譜分布 a.云粒子譜;b.云和降水粒子譜;c.降水粒子譜Fig.10 Vertical spectrum s distribution on1M ay,2009 a.cloud particles;b.cloud and precipitation particles;c.precipitation particles

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