王黎俊 銀燕 李侖格 汪曉濱 李富剛

1南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京210044

2青海省人工影響天氣辦公室，西寧810001

3青海省氣象局，西寧810001

4中國氣象科學研究院人工影響天氣中心，北京100081

1 引言

三江源自然保護區(qū)位于青藏高原腹地，因長江、黃河及瀾滄江發(fā)源于此而得名，海拔 3450～6621 m，是國際學術界矚目的研究氣候和生態(tài)環(huán)境變化的敏感區(qū)和脆弱帶（李林等，2006；楊建平等，2007）。近幾十年來，三江源地區(qū)呈現(xiàn)出氣溫升高（李林等，2006；楊建平等，2007）、降水量減少（唐紅玉等，2007）、土地沙漠化和荒漠化面積持續(xù)增加的趨勢（胡光印等，2011，2012）。為增加該地區(qū)的降水量、緩解黃河上游來水量不足及改善生態(tài)環(huán)境，青海省氣象部門自 1997年開始在三江源地區(qū)開展了人工增雨試驗。

高空冷槽給青藏高原帶來的冷空氣活動是造成三江源東部地區(qū)秋季降水的主要天氣系統(tǒng)（章新平和姚檀棟，1995）。隨之產生的冷鋒云系及層積云（Sc）、高層云（As）等層狀云在該地區(qū)出現(xiàn)頻率較高（趙仕雄等，2003），是實施飛機人工增雨作業(yè)試驗的主要目標云。為進一步提高對該地區(qū)云系微物理特征的認識和開展人工增雨試驗研究，2003年9～10月，由多部門聯(lián)合，在三江源地區(qū)首次進行了較大規(guī)模的綜合外場觀測試驗。通過較為嚴謹?shù)脑囼烇w行設計，以兩架安裝有機載云粒子測量系統(tǒng)（Particle Measuring System，簡稱PMS）和人工催化播撒設備的探測作業(yè)飛機對層狀云進行了多架次的探測及作業(yè)飛行。但由于天氣及飛行安全條件的限制，僅有2003年10月11日取得了較為理想的觀測資料。

對于云微物理參數(shù)的測量，PMS系統(tǒng)的測量結果是最精確的（Miles et al., 2000）。在有關鋒面云系及冷云的觀測研究中，美國的溫帶氣旋計劃對中緯度氣旋云系做了系統(tǒng)探測，Hobbs et al.（1980）研究了云系不同部位降水的生長機制，提出了在鋒面降水過程中伴隨的六種形式的降水雨帶，Herzegh and Hobbs（1980）發(fā)現(xiàn)暖鋒雨帶的“播種—供給”機制可以提高降水效率。近些年，F(xiàn)leishauer et al.（2002）分析了美國大平原地區(qū)第5次分層云綜合觀測試驗 CLEX–5（the fifth of the Complex Layered–Cloud Experiments）中中層混合云的微物理結構，結果表明云中存在著復雜的熱力、動力結構。Korolev et al.（2003）對加拿大鋒面層狀云系進行了綜合研究，發(fā)現(xiàn)過冷層中冰水含量和液水含量都隨溫度的降低而減小。Field et al.（2004）綜合飛機觀測和地面雷達觀測區(qū)分云中的過冷水和冰晶。McFarquhar et al.（2007）在美國北極混合態(tài)云試驗M–PACE (Mixed–Phase Arctic Cloud Experiment)的研究結果表明，阿拉斯加地區(qū)秋季混合云中液態(tài)云滴的增長機制主要為凝結增長。Lawson and Zuidema（2009）在第一次國際層狀云氣候研究項目北極云試驗 FIRE–ACE (the First International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) Regional Experiment–Arctic Clouds Experiment) 的研究中發(fā)現(xiàn)，北極夏季混合云中過冷層上部云粒子的譜分布基本一致。

國內在20世紀80年代引進PMS系統(tǒng)后，主要用于云微物理結構的探測和人工增雨試驗等方面的研究。早期主要開展了“北方層狀云人工降水試驗研究”（李大山等, 2002；郭學良, 2010），證實了我國北方降水的微物理機制基本符合播種云與供水云相互作用的總體概念（姚展予，2006）。近些年來，國內陸續(xù)引進了多套改進的PMS系統(tǒng)，在一些北方省份進行了飛機觀測研究。在層狀云的觀測中，楊文霞等（2005）發(fā)現(xiàn)河北春季層狀云降水系統(tǒng)存在不均勻性，有較強降水云帶存在。王揚鋒等（2007）將延安地區(qū)一次降水性層狀云的垂直結構劃分為5個層次，指出混合相態(tài)層中冰晶的快速增長是發(fā)生降水的關鍵。張佃國等（2007）對北京及周邊地區(qū)層狀云系的分析表明，垂直和水平分布不均勻特性明顯，直徑小于400 μm的云粒子譜型基本相似，而大于 400 μm 的云粒子譜分布在－8°C層上、下分別為雙峰和多峰型分布。張佃國等（2011）對山東秋季降水云系多年資料的分析結果認為，云系中存在較為豐富的過冷水，且云粒子譜為負指數(shù)型。寧夏（樊曙先，2000）、青海東北部（李侖格和德力格爾，2001；蘇正軍等，2003）、甘肅（李照榮等，2003）等地對云的微物理特征也進行了飛機觀測研究。以上研究為人工增雨作業(yè)提供了有力的科學依據(jù)，同時可發(fā)現(xiàn)在不同的天氣系統(tǒng)和不同地區(qū)的地形條件下，云系的宏、微觀結構和降水形成過程存在著多變性和復雜性。

根據(jù)云系的宏觀特征進行有針對性的航線設計，對云系中那些有代表性的部位或層次做細致的觀測十分重要（游來光，1994）。由于飛機觀測受到多方面的限制，國內類似探測的個例及研究工作尚不多見（王揚鋒等，2007；張佃國等，2011）。2003年10月11日的飛機觀測中，以“分層巡回垂直探測法”進行了較為細致的 PMS探測。對于首次三江源地區(qū)飛機觀測的分析研究，首先，我們關心的是與中國北方其他地區(qū)相同或類似云系的在垂直、水平微物理結構特征方面的差異；其次，云中液態(tài)過冷水含量是極為重要的大氣物理參數(shù)，在人工影響天氣領域特別受關注（雷恒池等，2008）。區(qū)分混合云中的液態(tài)水和冰相粒子，同時對預測降水系統(tǒng)的演變、數(shù)值模式的參數(shù)化、大氣輻射影響等方面都有重要意義（Field et al., 2004）。游來光（1994）曾指出：PMS系統(tǒng)任一探頭所測粒子都可能包含有多種模態(tài)的粒子群，根據(jù)二維圖像資料可從粒子的形態(tài)上判別粒子的相態(tài)，但粒子的尺度一般要大于150～200 μm，且利用一維前向散射探頭觀測的粒子譜在鑒別粒子相態(tài)上還帶有很大的不確定性，需結合其他信息做綜合判斷，因此對大量的尺度較小的粒子的相態(tài)鑒別至今尚未完全解決。國內在這方面的研究一直較為缺乏；最后，云內各種水成物的粒子譜是微物理過程綜合作用的產物，包含了大量云粒子轉化、增長和降水產生的相關信息（楊潔帆等，2010）。通過對云系不同高度層及云層云粒子譜的分析，將有利于了解云粒子增長的微物理機制，為人工增雨作業(yè)條件的判斷提供依據(jù)。

基于以上三方面的目的，本文利用2003年10月11日的PMS觀測資料，對三江源地區(qū)這一典型天氣系統(tǒng)所產生的多層層狀云系，進行微物理特性的分析研究。

2 儀器誤差處理、計算方法和云的界定

2.1 PMS觀測儀器及其誤差處理

2003年的首次飛機觀測試驗采用了中國氣象科學研究院2002年從美國引進的一套新的PMS系統(tǒng)。該系統(tǒng)（劉衛(wèi)國等，2003）的探頭分別安裝在夏延飛機（Cheyenne–ⅢA）兩側的機翼下部，各探頭在觀測試驗前都進行了系統(tǒng)的標定。2003年 10月 11日探測飛行中所使用的主要儀器為前向散射粒子譜探頭 FSSP–100（簡稱 FSSP）、二維灰度云粒子探頭 OAP–2D–GA2及熱線液態(tài)含水量儀King–LWC–5（簡稱King）。各探測儀器采樣頻率為1 s?1。因云中未出現(xiàn)降水粒子，二維灰度降水粒子探頭OAP–2D–GB2未觀測到有效數(shù)據(jù)。

FSSP用于測量尺度較小的云粒子，分四個量程，每個量程內又等分為15個測量通道。此次觀測采用直徑測量范圍為2.0～47.0 μm的量程，分辨率為 3 μm，F(xiàn)SSP 中值直徑Di=3.5～45.5 μm （i=1, …,15）；OAP–2D–GA2 是原 OAP–2D–C（量程為 25～800 μm）的擴展型號（仍簡稱為2DC），用于測量云及降水粒子并可獲取二維圖像資料，測量的粒子直徑范圍為25～1550 μm，分為62個測量通道，分辨率為25 μm，2DC中值直徑Dj=30.12～1550 μm（j=1, …, 62）；King探頭用于實測云中液態(tài)水含量LWC（Liquid Water Content）（記為 LWCKing），正常測量范圍為 0～5 g m?3，相對誤差為±15%（King et al., 1985）。探測飛行時對King探頭進行晴空下的校準是獲取精確液態(tài)水含量實測值的重要操作規(guī)程（Feind et al., 2000；王柏忠等, 2004）。

對于FSSP和2DC等一維前向散射、二維光陣探頭，其誤差來自兩方面：粒子尺寸的測量誤差和粒子計數(shù)的誤差（趙增亮等，2010）。Coelho et al.（2005）的研究表明新型 FSSP在粒子濃度小于500 cm-3的情況下粒子直徑誤差可控制在 3%～7%。因此，本文對FSSP的誤差未予以考慮。另外，Gardiner and Haslett（1985）和 Field et al.（2003）都在觀測中發(fā)現(xiàn)因大冰晶粒子與FSSP探頭的碰撞破碎，會人為造成小冰晶濃度較大，使FSSP在冰云中的探測能力受到一定的影響。此次在高層的冰云中觀測時，F(xiàn)SSP幾乎未觀測到云粒子。因此，該因素對本文FSSP的觀測資料未造成影響。

Korolev et al.（1998）曾研究過與本文同類型號二維光陣探頭 OAP–2D–gray的測量精度，發(fā)現(xiàn)該探頭對于較小粒子（直徑小于100 μm）有尺寸高估或低估和濃度計數(shù)漏測的現(xiàn)象，尤其是對直徑25 μm（最小分辨率）粒子的漏測比例達70%。Baumgardner and Korolev（1997）和 Strapp et al.（2001）的研究也表明 2DC在較小粒子段（直徑小于 125 μm）的定量化濃度有一定的誤差。因2DC第1測量通道（Dj=30.12 μm）的理論測量范圍（25～42.5 μm）與 FSSP第 9～14測量通道（Di= 27.5, …,42.5 μm）的測量范圍有所重疊。而本次觀測中，在6250 m高度層以上，F(xiàn)SSP未能觀測到云粒子，但2DC探頭Dj=30.12 μm的測量通道內觀測到了較大濃度的云粒子，且該濃度量級足夠使FSSP出現(xiàn)響應。所以，本文認為2DC探頭在Dj=30.12 μm通道內低估粒子尺寸的可能性更大?；?2DC上述缺陷的考慮，并參照文獻（McFarquhar and Cober, 2004；McFarquhar et al., 2007）的資料處理方法，本文在FSSP有觀測資料時，將 2DC的第 1通道資料舍棄，即取Dj≥54.88 μm以上通道數(shù)據(jù)進行處理。而當FSSP已觀測不到數(shù)據(jù)而2DC有資料，或與其他地區(qū)2DC觀測值做比較時，將含2DC第1通道資料的同時列出，以作參考。另外，McFarquhar et al.（2007）提到2DC對直徑1300 μm以上的粒子濃度的測量存在著一定的不確定性。本次探測未觀測到直徑大于1300 μm以上的云粒子，該因素對本文2DC的資料未造成影響。

相對于其他機載液態(tài)含水量實測儀器，King探頭能提供更精確的實測值（Feind et al., 2000）。Isaac（1991）在加拿大所做的King探頭與FSSP的對比觀測結果表明，在FSSP所測直徑量程內都為液態(tài)水的情況下，兩者的LWC時變曲線幾乎完全重合。在美國龍卷風起源檢驗試驗 VORTEX（the Verification of the Origin of Tornadoes Experiment）的研究中，F(xiàn)eind et al.（2000）在對流性風暴的觀測中發(fā)現(xiàn)，King探頭對部分冰晶粒子產生響應，從而會高估云中實際的液態(tài)水含量。但 McFarquhar et al.（2007）的研究表明，對于主要由過冷水組成的混合相態(tài)云中，這種影響很微小。近期的風洞實驗測試結果（Strapp，2003）表明，King探頭在粒子直徑 50 μm 以下與風洞含水量一致，但在直徑50～200 μm 范圍內的測量值只是其實際值的70%～45%。本文分析結果表明三江源地區(qū)直徑50 μm以上的云粒子為冰晶粒子（詳見5.1.2、5.2.2節(jié)），所以該因素對本文King探頭的觀測不造成影響。

2.2 微物理量計算及云的界定

本文按國內慣用法將總數(shù)濃度N（total number concentration）和平均直徑Dm（mean diameter）簡稱為濃度和直徑，用N1和Dm1表示FSSP所測的濃度和直徑，用N2和Dm2表示2DC所測的濃度和直徑，用N2(＞50)和Dm2(＞50)表示 2DC 所測粒徑D＞50 μm 以上（即Dj≥54.88 μm，舍棄了Dj=30.12 μm 的資料）粒子的濃度和直徑。

對于FSSP，按如下方法進行計算（Miles et al.,2000）：

其中，N1單位為cm?3，Dm1單位為μm。Di為FSSP第i測量通道的中值直徑（單位：μm）；ΔDi為每測量通道間隔，ΔDi=3 μm；n(Di) 為第i測量通道的粒子數(shù)濃度分布函數(shù)（單位：cm?3μm?1），i=1, …, 15，即n=15；ρl為液態(tài)水密度（單位：g cm?3）；LWCFSSP為由FSSP計算所得的液態(tài)含水量（單位：g cm?3），即將FSSP量程內所觀測到的云粒子假定為球形液滴。

對于 2DC 濃度N2（單位：L?1）和直徑Dm2（單位：μm），類同式（1）和（2）處理。其粒子數(shù)濃度分布函數(shù)n(Dj) 位為 L?1μm?1，j=1, …, 62。在第17～62測量通道ΔDj=25 μm，在1～16測量通道ΔDj≈25 μm。當取濃度N（＞50）及平均直徑Dm(＞50)時，即取j=2, …, 62。

云滴是在一定的過飽和條件下經(jīng)過凝結核化產生凝結增長而形成的水滴（游來光，1994）。云滴有效半徑rew(effective radius of water droplets)的表達式（Martin et al., 1994；McFarquhar and Heymsfield, 1996, 1998；Miles et al., 2000）為：

冰相含水量IWC（Ice Water Content）可以用PMS各探頭所測冰相粒子的數(shù)濃度分布函數(shù)及中值直徑間接計算（游來光等, 1989；Brown and Francis, 1995；Mitchell, 1996；Heymsfield et al.,2002；McFarquhar et al., 2007），

其中，a、b分別為經(jīng)驗回歸系數(shù)。

云的界定即為判定是否進入云區(qū)的閾值。本文根據(jù)飛機宏觀觀測的實際情況和云粒子瞬時譜分布，并參照同季節(jié)甘肅中北部地區(qū)云系干層的觀測結果（李照榮等，2003）及相關文獻結果（Cober et al., 2001; McFarquhar and Cober, 2004），在混合相態(tài)云中以LWCFSSP大于10?4g m?3為閾值，在冰云中以N2大于0.1 L?1為閾值。

3 探測飛行概況及云系宏觀結構特征

3.1 探測飛行概況

2003年10月11～13日，受東移冷空氣與西南暖濕氣流的共同作用，三江源東部地區(qū)出現(xiàn)了連日陰雨天氣。10月11日08:00（北京時，下同）500 hPa高空形勢圖表明該地區(qū)處于槽前的西南暖濕氣流中，水汽供應條件較好。試驗區(qū)內只有河南（34°44′N，101°36′E；3500 m）、澤庫（35°2′N，101°28′E；3663 m）兩站。河南站08:00地面觀測云狀為蔽光層積云（Scop），并在上午出現(xiàn)了零星降水，14:00的云狀為透光層積云（Sctra）；澤庫站14:00云狀為蔽光高層云（Asop）。

10月11日下午飛行探測的云系為典型的冷鋒降水云系。14:47探測飛機從西寧機場起飛，到達試驗區(qū)上空后，在河南站西北約20 km、澤庫站西南約25 km的上空實施分層巡回垂直探測飛行。圖1給出了垂直探測飛行時全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) GPS（Globe Positioning System）測量的航跡。15:33飛機爬升至海拔高度（H）7800 m，在完成第一層平飛探測后，盤旋下降至始航點開始第二層的平飛探測，到折返點后盤旋垂直下降至第三層始航點，繼續(xù)開始第三層的平飛探測，重復上述分層垂直探測直至安全高度5200 m層。飛機共平飛探測6層，每層高度間距約500 m，每層平飛探測距離約40 km，探測飛行共耗時約1 h。隨后飛機爬升高度實施作業(yè)試驗后返航。

圖1 分層巡回垂直探測飛行的GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）航跡圖Fig.1 The GPS (Globe Positioning System) flight track of vertical sounding in layered itineracy flight

垂直探測及作業(yè)試驗飛行結束約40 min后，河南站開始出現(xiàn)降水，降水時段為17:40～18:27，降水量為 1.6 mm。20:00河南站云狀轉為鬃積雨云（Cbcap），并在20:00至次日凌晨出現(xiàn)降水（霰、雪），降水量為5.1 mm（積雪深度1.0 cm）。臨近的澤庫站20:00時云狀也轉為Cbcap，并出現(xiàn)間歇性降水，降水量為2.2 mm。

3.2 云系宏觀結構特征

飛行宏觀觀測記錄表明：該云系的垂直配置為卷層云—高層云—層積云（Cs–As–Sc），共分4層，中間明顯存在3層干層。在7800 m高度處有一稀薄的Cs，目測估計厚約100～200 m，外形呈絲縷狀。7300～6800 m和6250～5700 m高度范圍內分別有兩層As，中間有約500 m的干層。上層As云體松散，呈絮霧狀，而下層 As范圍較大，但主云體很?。ê窦s200 m），云體中時有對流泡高高聳立，高度達 200～300 m。在下層 As云底部時飛機顛簸，且前窗及機翼有積冰出現(xiàn)，表明云中有不穩(wěn)定氣流影響并有豐富的液態(tài)過冷水存在。約 5400 m高度層以下為大范圍的 Sc云團。平飛期間分別穿越了2個Sc云團，云團云體較為密實，但云團之間間隙明顯，通過云隙隱約可見地面，目測估計Sc云底在約5000 m處，Sc厚約400 m。云團內溫度比云隙間溫度低1.3～2.0°C，飛機前窗仍有積冰。

表1列出了各層平飛探測時的時間段、云層位置、高度層及溫度。由表1可見，位于云系最底部的 Sc中溫度變化幅度較大，其他各層內的溫度波動幅度均未超過1.5°C。圖2為溫度隨海拔高度的變化廓線。由圖2可見，整個云系在0°C層以上，沒有明顯的逆溫出現(xiàn)。這有利于底層云層間水汽的輸送和冰相粒子的進一步循環(huán)長大，有利于云層的匯合及云系的進一步發(fā)展。溫度變化線性擬合的判定系數(shù)R2=0.98，滿足顯著性水平α=0.01的檢驗，表明溫度與高度線性相關性顯著，各高度層基本上可以代表相應的溫度層。5200～7800 m 的平均溫度梯度=－ΔT/ΔH=(0.64°C)/(100 m)。

4 云微物理量的垂直分布特征分析

4.1 云粒子濃度、直徑和含水量的垂直分布

圖3給出了云系垂直結構示意圖和分層巡回垂直探測時 FSSP、2DC（D＞50 μm）、King探頭觀測值隨高度（溫度）的分布圖。表2、表3分別列出了各高度層云中FSSP和King探頭、2DC探頭觀測值的統(tǒng)計特征值（統(tǒng)計時間段見表1）。

由圖3可見，F(xiàn)SSP在Cs和上層As中幾乎未觀測到云粒子（圖 3b1–b3），表明這兩層云中已基本沒有直徑小于47 μm的云粒子存在；King探頭也未觀測到液態(tài)過冷水（圖3c）。上層As中，2DC觀測的云粒子（D＞50 μm）基本連續(xù)垂直分布；下層 As中，因其云頂實際上為云中發(fā)展起來的對流泡頂，盤旋下降期間繞飛對流泡，所以下降直至進入主體云層期間FSSP、2DC及King探頭均未觀測到有效資料。

由圖3b1、b2、b3和c，并結合表2可見，在對流泡頂FSSP 觀測到有濃度較高而直徑較小的云粒子存在，但 LWCFSSP和 LWCKing均有較大值出現(xiàn)；下層As云底有高濃度的云粒子廣泛分布，Dm1基本覆蓋了 FSSP量程，LWCFSSP和 LWCKing也出現(xiàn)較大值；Sc中下部Dm1也基本覆蓋了 FSSP量程，但N1、LWCFSSP及 LWCKing明顯小于下層 As底部。由各平飛層的統(tǒng)計值（表2）可見，N1的平均值及其最大值N1_max、LWCFSSP的平均值及其最大值LWCFSSP_max、LWCKing的平均值及其最大值 LWCKing_max在下層 As云底最大，而Dm1的平均值在下層As云底中最小。在5900～5700 m、5400～5200 m 兩次的云中下降觀測中，LWCFSSP值與LWCKing的垂直分布存在一定的差異。比較明顯的是進入Sc（約5400 m）后，隨著高度降低，N1增大，Dm1由30 μm開始減小，LWCFSSP值有所減小，但LWCKing值卻有所增大，趨勢相反，且明顯小于LWCFSSP。表明LWCKing可能只有FSSP量程內一定直徑范圍內的云粒子濃度決定，這在本文第5節(jié)中以大量的水平觀測資料做進一步分析和驗證。

表1 分層平飛探測時間段、云層位置、海拔高度和溫度Table 1 The time, cloud-layer location, altitude, and temperature during layered flight detection

表2 FSSP和King探頭在各平飛高度層觀測的云微物理量統(tǒng)計表Table 2 The statistics on the observations from the FSSP and the King probe at each level

表3 2DC探頭在各平飛高度層觀測的云微物理量統(tǒng)計表Table 3 The statistics on the observations from the 2DC probe at each level

圖2 分層巡回垂直探測時的溫度T隨海拔高度H的變化Fig.2 The change of temperature (T) with altitude (H) for vertical sounding in layered itineracy flight

由圖3d1和d2可見，在Cs和上層As中2DC（D＞50 μm）觀測到有濃度較高而直徑較小的粒子存在，且在上層 As云頂至云底之間有直徑較小的云粒子連續(xù)垂直分布。盤旋下降進入下層 As主云體后，有直徑較小、濃度較低的云粒子連續(xù)分布。進入 Sc后，濃度有所減小，但直徑明顯增大。比較2DC（D＞50 μm）在各層的統(tǒng)計值（表3）可見，N2(＞50)的平均值從最頂端的Cs由上而下依次遞減，在 Sc為最低值，約為 Cs的一半。N2(＞50)的最大值N2(＞50)_max無明顯變化趨勢。而Dm2(＞50)的平均值依次遞增，并在 Sc中迅速增大，躍增至216.4 μm，為 Cs的 2.3 倍，且Dm2(＞50)的最大值Dm2(＞50)_max達 1038.3 μm，即位于云系最底層的 Sc中云粒子尺寸及譜寬最大。N2、Dm2與N2(＞50)、Dm2(＞50)差異很大，但與、與的垂直變化趨勢一致。

圖3 分層巡回垂直探測飛行時的（a）云系垂直結構示意圖和（b1–b3、c、d1–d3）云微物理量隨海拔高度的垂直分布：（b1–b3）FSSP濃度N1、直徑 Dm1和液態(tài)含水量 LWCFSSP；（c）King 探頭實測液態(tài)含水量 LWCKing；（d1, d2）2DC（D＞50 μm）濃度 N2（＞50）和直徑 Dm2（＞50）Fig.3 (a) The sketch map for the vertical structure and (b1–b3, c, d1–d3)vertical distribution of cloud microphysical quantity with altitude variation by layered vertical probe during flight: (b1–b3) The FSSP (Forward Scattering Spectrometer Probe) concentration (N1), diameters (Dm1), and liquid water content(LWCFSSP); (c) King probe measured liquid water content (LWCKing); (d1, d2) the 2DC (Two–Dimensional Cloud Probe) (D＞50 μm) concentration (N2(＞50))and diameters (N2(＞50))

表4 中國北方冷鋒層狀云系過冷層中As和Sc微物理量統(tǒng)計值的比較表Table 4 The comparison of the microphysical quantities in the supercooled water layer between As (altostratus) and Sc(stratocumulus) in the typical cold front stratiform clouds over northern China

4.2 As和Sc與中國北方其他地區(qū)觀測結果的比較

黃夢宇等（2005）對中國北方多年來不同地區(qū)層狀云系中FSSP所測的平均濃度和含水量進行了比較，發(fā)現(xiàn)平均濃度、含水量的變化趨勢不甚明顯。范燁等（2010）對中國北方9個架次冷鋒層積云系中的 2DC觀測值進行了比較，發(fā)現(xiàn)各架次數(shù)據(jù)的差異最大有2個量級。云的微物理參量隨著不同地區(qū)、季節(jié)、天氣系統(tǒng)、云型、云中不同部位、不同發(fā)展階段以及大氣層結等情況變化復雜。本文將下層As及Sc中FSSP和2DC的觀測值，與中國北方其他地區(qū)冷鋒云系中同樣位于過冷層中的、相同或類似云型的探測結果做一比較，由表4列出。

三江源地區(qū)是一個特殊的天氣地帶，水汽充沛，降水頻繁（趙仕雄等，2003）。由表4可見，該地區(qū)As和Sc的FSSP所測平均濃度明顯高于甘肅、寧夏及青海東北部等典型內陸地區(qū)的層狀云系，但低于山東等沿海地區(qū)，與北京、河北等地較為接近。較北方大部分地區(qū)偏高。As的除比 2003年北京觀測結果明顯較小外，較其他地區(qū)偏高。2DC云粒子平均濃度與甘肅較為接近，較其他地區(qū)偏小，但Sc中Dm2_max明顯高于北方其他地區(qū)，表明 Sc云粒子譜寬較寬，具有較為明顯的地區(qū)特征。

5 云粒子水平分布特征分析及液態(tài)過冷水的判別

5.1 Sc

5.1.1 Sc云微物理量水平分布的基本特征

圖4給出了16:19:10～16:28:17在Sc中下部平飛時 FSSP和 2DC觀測的粒子濃度、直徑、瞬時譜、LWCFSSP、二維粒子圖像及 King探頭觀測值LWCKing。

由圖4a可見，首先，2個Sc云團（1～187 s、422～547 s）中 FSSP所測云粒子濃度N1和直徑Dm1的水平分布均差異較大。濃度在高值區(qū)與低值區(qū)相差3～4個量級，N1最大值可達200 cm?3以上。Dm1在FSSP的量程內均有分布。其次，F(xiàn)SSP觀測的濃度對數(shù)值與直徑有著明顯的反相關性，高濃度區(qū)對應高LWCFSSP區(qū)（圖4a、b）。在2個云團內，當N1在10～50 cm?3以上時，Dm1總是分別集中在6～9 μm、6～11 μm范圍內，與之相對應，在圖4b中有明顯的高LWCFSSP區(qū)出現(xiàn)（G1–G7區(qū)）。而當N1小于1 cm?3時，Dm1分布比較分散，且Dm1值較大，在圖4b中基本上沒有高過冷水區(qū)出現(xiàn)。顯然，在FSSP所測的較大云粒子濃度比較小云粒子的濃度要小3個量級以上的情況下，含水量LWCFSSP主要是由云粒子濃度決定。云隙間（188～421 s）只有零散的云粒子存在，N1基本上在0.1 cm-3以下，LWCFSSP小于 5×10?4g m-3。

圖4 Sc中下部的（a）FSSP 濃度 N1和直徑 Dm1、（b）LWCFSSP和 LWCKing、（c）FSSP 瞬時譜(單位：lg (cm?3 μm?1))、（d）2DC（D＞50 μm）濃度N2(＞50)和直徑 Dm2(＞50)、（e）2DC（D＞50 μm）瞬時譜（單位：lg (L?1 μm?1)）隨時間的變化；（f1～f9）不同時刻的 2DC 粒子圖像：（f1）第 3 s；（f2）第 84 s；（f3）第 109 s；（f4）第 127 s；（f5）第 465 s；（f6）第 507 s；（f7）第 514 s；（f8）第 521 s；（f9）第 545 s。初始時刻為 16:19:10Fig.4 The time variations of the middle–lower level Sc (stratocumulus): (a) The FSSP concentration (N1) and diameter (Dm1); (b) LWCFSSP and LWCKing; (c)the FSSP instantaneous spectrum (lg (cm?3 μm?1)); (d) the 2DC (D＞50 μm) concentration (N2(＞50)) and the diameter (Dm2(＞50)); (e) the 2DC (D＞50 μm)instantaneous spectrum (lg (L?1 μm?1)).(f1–f9) 2DC particle images at times 3, 84, 109, 127, 465, 507, 514, 521, and 545 second.The initial time is 1619:10 BT (Beijing time)

由圖4d可見，2個Sc云團內2DC觀測的云粒子濃度N2(＞50)沒有特別明顯的高、低值區(qū)，N2(＞50)主要集中在 0.1～10 L-1范圍內。Dm2(＞50)分布也較為松散，主要集中在54.88～300 μm范圍內，最大直徑在1000 μm以上。云隙間有濃度較高的、直徑小于約200 μm以下的云粒子零散存在。

相對于FSSP、2DC所測的云粒子濃度和直徑，其瞬時譜（圖 4c、e）能更全面的提供云粒子在各測量通道內的分布及實時變化信息。綜合云粒子瞬時譜、2DC圖像、濃度及直徑的變化，進一步分析云粒子的相態(tài)和高過冷水區(qū)的微物理特性。

5.1.2 Sc云粒子相態(tài)的判定

（1）Sc云2DC量程內云粒子相態(tài)的判別

對于可辨別的 2DC圖像的分類，Korolev and Sussman（2000）將2DC圖像的形狀按尺度大小分為4大類：球形、不規(guī)則形、針狀（含柱狀冰晶）、枝狀。張佃國等（2007）將可能由冰晶或雪晶淞附過冷水產生的較大尺度非球形粒子稱為冰雪晶結淞體。范燁等（2010）將可能由冰晶與雪晶之間碰并形成的、形狀不規(guī)則的較大尺度冰相粒子稱為冰雪晶聚合體。

McFarquhar and Heymsfield（1996）利用2DC圖像的灰度投影面積比AR（Area Ratio）來判定粒徑D＞125 μm云粒子的相態(tài)，并提出一指標：液態(tài)云粒子的AR＞0.8。有關檢驗也表明以AR來判定D＞125 μm 云粒子相態(tài)的可信度達 93%以上（McFarquhar et al., 2007）。而對于 53 μm＜D＜125 μm的云粒子，McFarquhar et al.（2007）在美國M–PACE試驗的研究中提出在降水中不出現(xiàn)毛毛雨的情況下，可以以 2DC圖像是否為非球形來判定云粒子是否為冰晶。

由Sc中下部2DC圖像資料（圖4f1–f9）可見，D＞125 μm的云粒子為不規(guī)則形冰晶、柱狀冰晶、枝狀冰晶及冰雪晶聚合體和冰雪晶結淞體等。由McFarquhar et al.（2007）提出的判斷方法再考察53 μm＜D＜125 μm范圍內的粒子形狀，未發(fā)現(xiàn)球形粒子存在，由此可判定該尺度范圍內的云粒子為冰晶。同時，由2DC瞬時譜（圖4 e）可見在Dj≥54.88 μm測量通道云粒子基本上為不連續(xù)分布。所以，可認為Sc中下部2DC量程內D＞50 μm （Dj≥54.88 μm）的云粒子相態(tài)為冰相。

（2）Sc云FSSP量程內云粒子相態(tài)的判斷

國內，游來光（1994）曾利用譜線的相似性推測新疆冬季降雪性冰云中直徑大于5 μm的為冰晶粒子。國外，近些年的混合云綜合外場觀測研究中，首先利用羅斯曼積冰探測儀RICE（Rosemount Icing Detector）（Cober et al., 2001; Korolev et al.,2003; McFarquhar and Cober, 2004; McFarquhar et al., 2007）或綜合地面雷達觀測（Field et al., 2004;Lawson and Zuidema, 2009）來確定0°C層以上云的相態(tài)（液態(tài)過冷水云、冰水混合態(tài)云、冰云），然后再根據(jù)各相態(tài)云中FSSP譜分布的差異來總體說明FSSP量程內云粒子的相態(tài)（液相、冰相）。

Cober et al.（2001）在第一次和第三次加拿大凍雨試驗（the First and Third Canadian Freezing Drizzle Experiments，CFDE I and III）的觀測研究中發(fā)現(xiàn)混合態(tài)云中冰晶粒子的平均體積直徑大于 30 μm，Korolev et al.(2003) 對加拿大鋒面層狀云系的觀測研究表明液態(tài)過冷水云中的平均體積直徑為10～12 μm，冰云中的在20～35 μm之間變動，而Field et al.（2004）發(fā)現(xiàn)英國混合態(tài)云和冰云中的平均體積直徑都大于30 μm?？梢姴煌貐^(qū)及云系中云粒子的相態(tài)差異較大。

在液態(tài)云和冰水混合態(tài)云中，對液態(tài)水含量LWC的最佳測量值是King探頭的觀測值 (McFarquhar et al., 2007)。液態(tài)含水量LWCFSSP是由公式（3）計算所得，僅當FSSP量程內都為液態(tài)云粒子時適用。即在云內0°C層以上，如果FSSP量程內有冰晶存在，則LWCFSSP會高估云內實際液態(tài)過冷水含量。如果FSSP量程內都為液態(tài)云粒子，且超出其觀測范圍的云粒子（如2DC量程內）中有過冷水存在，則LWCFSSP只能代表部分的云液態(tài)過冷水含量。因此，在實際云的觀測中，LWCFSSP與LWCKing必然存在一定的差異。齊彥斌等（2007）對東北冷渦對流云帶0°C層以上的垂直觀測中發(fā)現(xiàn)，LWCKing與LWCFSSP的測量結果有較好的對應關系。其資料顯示，飛機下降時云帶頂部的 LWCFSSP明顯大于LWCKing，而其他時段 LWCFSSP小于 LWCKing。對于 FSSP量程內的云粒子，本文綜合 FSSP瞬時譜、LWCFSSP與LWCKing的差異來考察其相態(tài)。

由圖4b可見，在Sc的2個云團中LWCFSSP與LWCKing變化趨勢基本相同，但在高 LWCFSSP區(qū)（G1–G7）LWCFSSP與 LWCKing數(shù)值差異明顯，且差異程度各有不同。其中，在G5和G6區(qū)，LWCFSSP與 LWCKing很接近。由 FSSP瞬時譜（圖 4c）可見該時段內僅有3.5 μm≤Di≤18.5 μm的粒子連續(xù)分布，Di≥21.5 μm以上沒有云粒子存在。由圖4d、e可見該時段內2DC量程內沒有云粒子存在（即使對2DC量程內D＞50 μm云粒子相態(tài)判斷有誤，該時段內超出FSSP量程外也不可能有液態(tài)過冷水存在）。在 G3和 G4區(qū)，F(xiàn)SSP量程內不僅有 3.5 μm≤Di≤18.5 μm的粒子連續(xù)分布，而且Di≥21.5 μm以上有粒子零散存在（圖4c）。2DC量程內基本沒有云粒子存在（圖4d、e），LWCFSSP大于LWCKing（圖4b）。在G2區(qū)，F(xiàn)SSP量程內云粒子的分布情況與G3、G4區(qū)類似（圖4c），但2DC量程內有云粒子存在（圖4d、e），然而LWCFSSP仍大于LWCKing（圖4b）。在G1區(qū)，F(xiàn)SSP量程內有較高濃度的云粒子不連續(xù)分布（圖 4c），但 LWCFSSP遠遠大于LWCKing，且LWCKing明顯小于G2區(qū)。比較G1區(qū)與G2區(qū)的FSSP瞬時譜，可發(fā)現(xiàn)G1區(qū)Di=9.5、12.5、15.5 μm等3個測量通道內的數(shù)濃度分布函數(shù)n（Di）明顯小于 G2區(qū)，這可能是 LWCKing明顯小于 G2區(qū)的原因。在G7區(qū)，F(xiàn)SSP量程內大量有Di≥21.5 μm 以上的、n（Di）較高的云粒子不連續(xù)分布，LWCFSSP＞LWCKing，但其 3.5 μm≤Di≤18.5 μm 段內n（Di）明顯大于其他高LWCFSSP區(qū)（圖4c），相應該區(qū) LWCKing明顯較大（圖 4b）。由此推測，在Sc中下部液態(tài)過冷水可能主要分布在Di=3.5～18.5 μm范圍內。由公式（3）計算FSSP在Di=3.5～18.5 μm測量通道內的含水量（以LWCFSSP(3.5～18.5)表示），并與LWCKing相比較，以進一步檢驗二者在該云層內的關聯(lián)性。

圖 5給出了 2個云團內 LWCFSSP(3.5～18.5)與LWCKing的線性相關圖。其判定系數(shù)R2=0.95。通過顯著性水平α=0.05檢驗，LWCFSSP(3.5～18.5)與LWCKing有顯著的線性相關性。其線性擬合線斜率接近于1，且 LWCFSSP(3.5～18.5)值絕大部分在 LWCKing±15%（儀器誤差）范圍內，由此表明 LWCFSSP(3.5～18.5)與LWCKing有顯著的對稱相關性。

以上分析表明，在Sc中下部，F(xiàn)SSP量程內3.5 μm≤Di≤18.5 μm 的云粒子為液態(tài)過冷水，21.5 μm≤Di≤45.5 μm的云粒子基本上為冰晶。本文將FSSP量程內的過冷液滴稱為云滴，將大于云滴尺度的冰晶粒子稱為云晶。

5.1.3 Sc高過冷水區(qū)和低過冷水區(qū)的云粒子譜分布特征

Hobbs將FSSP觀測到的云中大于2 μm的粒子總濃度超過10 cm?3時看作是云水區(qū)（游來光，1994；黃夢宇等，2005）。5.1.1節(jié)分析中也發(fā)現(xiàn)N1超過10 cm?3以上時有高過冷水區(qū)出現(xiàn)（圖 4a、b），本文結合本地區(qū)混合態(tài)云中FSSP濃度、瞬時譜和過冷水含量的變化特點，將LWCFSSP≥10?2g m?3的區(qū)域稱為高過冷水區(qū)，將 10?2g m?3＞LWCFSSP＞10?4g m?3的云區(qū)稱為低過冷水區(qū)。由圖4c、d可見，2個 Sc云團中，G1–G7高過冷水區(qū)與其他區(qū)域的FSSP、2DC瞬時譜也有明顯的差異。圖6給出了2個 Sc云團中高過冷水區(qū)和低過冷水區(qū)的 FSSP、2DC（D＞50 μm）平均粒子譜。由圖6a可見，高過冷水區(qū)與低過冷水區(qū)的FSSP平均譜分布有明顯的區(qū)別。首先，云粒子數(shù)濃度分布函數(shù)n（Di）差異很大。在Di=3.5～18.5 μm，高過冷水區(qū)要高于低冷水區(qū)1～4個數(shù)量級，在Di=21.5～45.5 μm，相差1個數(shù)量級；其次，高過冷水區(qū)譜型基本上為單峰型伽瑪（Γ）分布，而低過冷水區(qū)譜形扁平，即在整個FSSP量程范圍內粒子濃度沒有明顯變化；最后，在3.5 μm≤Di≤18.5 μm范圍內高過冷水區(qū)與低過冷水區(qū)譜變化趨勢相反，而在 21.5 μm≤Di≤45.5 μm范圍內譜型相同，都在24.5 μm處有一不明顯的躍升。由圖6b可見，在50～150 μm間，高、低過冷水含量區(qū)的數(shù)濃度分布函數(shù)n(Dj) 基本沒有差別，在 150 μm～約 800 μm 間差異較大，850 μm以上有較高n(Dj)的大粒子在高過冷水區(qū)出現(xiàn)。

綜合前述分析可表明：（1）FSSP譜型是由液態(tài)過冷云滴（3.5 μm≤Di≤18.5 μm）和固態(tài)冰相云晶（Di≥21.5 μm）共存造成的。由于冰相過飽和度高于液相，在相同水汽條件下，冰相云晶比液態(tài)云滴更容易長大。在高過冷水區(qū)，冰晶在增長過程中勢必消耗液態(tài)過冷水，而小的液態(tài)云滴比較大的液態(tài)云滴更容易蒸發(fā)，小的冰晶比較大的冰晶更容易凝華長大。因此在FSS粒子譜中的較大液態(tài)云滴處出現(xiàn)了峰值，并在較小云晶處可能出現(xiàn)躍升或峰值。而在低過冷水區(qū)，可能水汽條件較差（低于冰面飽和水汽壓），云滴和云晶都不能長大，從而未造成明顯的濃度差異。（2）高過冷水區(qū)有較明顯的冰晶碰并液態(tài)過冷水增長（即淞附增長）的現(xiàn)象。在高過冷水區(qū)，較大的冰晶粒子越容易碰并一定尺度范圍內的過冷液滴而迅速長大，從而使原尺寸范圍內的云粒子濃度會有所減小，并出現(xiàn)更大尺寸的冰相粒子或冰雪晶結淞體。首先，由圖4中的2DC圖像可以明顯看到，高過冷水區(qū)峰值附近有尺寸很大的冰雪晶聚合體和冰雪晶結淞體（圖4f2、f6、f7和f8），而低過冷水區(qū)為尺寸明顯很小的不規(guī)則形、柱狀或短柱狀冰晶及較小的枝狀冰晶（圖4f1、f3、f4、f5和f9）。這也是高過冷水區(qū)出現(xiàn)850 μm以上大粒子（圖6b）的原因。其次，由圖4d中可見，在高過冷水區(qū) 2DC量程內的云粒子濃度有所減?。℅7區(qū)尤為明顯），同時，由2DC瞬時譜（圖4e）可見，在高過冷水區(qū)較大中值直徑粒子的n(Dj) 明顯增加，而較小中值直徑粒子的n(Dj) 有所減小。碰并的同時會有碰撞破碎及自身破碎存在，這可能是造成圖6b中150 μm～約800 μm段高、低過冷水區(qū)n(Dj) 相互差異較大的原因。

圖6 Sc中下部高過冷水區(qū)和低過冷水區(qū)的（a）FSSP、（b）2DC（D＞50 μm）平均粒子譜分布Fig.6 The distribution of mean particle spectrum in the high and low content of supercooled water for the middle–lower level of Sc (a) FSSP; (b) 2DC (D＞50 μm)

5.1.4 Sc高過冷水區(qū)云滴有效半徑和估算過冷水含量比率

根據(jù) 5.1.2的分析結果，取 3.5 μm≤Di≤18.5 μm范圍內（i=1, …,n；n=6）的FSSP資料，由公式（3）計算云滴有效半徑。Sc中下層高過冷水區(qū)云滴有 效半徑rew在3.4～6.0 μm間，其平均值和標準差σ 為=4.5±0.6 μm。

過冷水含量比率fl（fraction of liquid water）為混合態(tài)云中過冷水含量 LWC占總含水量 TWC（Total Water Content）的比率，即fl=LWC/TWC（McFarquhar et al., 2007）。國外數(shù)值模式研究結果（Smith, 1990; Moss and Johnson, 1994; Bower et al.,1996）和飛機觀測結果（Boudala et al., 2004）都表明fl與溫度及總含水量 TWC有密切的關聯(lián)性。McFarquhar et al.（2007）在美國M-PACE試驗的觀測中發(fā)現(xiàn)層積云中fl隨高度的升高而增大。

因國內飛機探測設備中未裝備Nevzorov TWC（Cober et al., 2001; Korolev et al., 2003; Boudala et al., 2004; Field et al., 2004; McFarquhar and Cober,2004）、回流取樣器 CVI（Counterflow Virtual Impactor）（Twohy et al., 2003）等總含水量TWC的直接測量設備，本文以 PMS各探頭的觀測資料間接計算 TWC。TWC可以表示為過冷水含量 LWC和冰相含水量IWC之和。LWC可以用King探頭測量值來表示（McFarquhar et al., 2007）。以公式（5）計算IWC。由5.1.2及5.1.3的分析發(fā)現(xiàn)三江源地區(qū)秋季層積云的微物理特征與美國阿拉斯加地區(qū)秋季低層混合態(tài)層積云（McFarquhar et al.,2007）較為接近，但McFarquhar et al.,（2007）提出的經(jīng)驗回歸系數(shù)a=1.07×10?10g μm?1.7、b=1.7 僅適用于D＞125 μm（Dj≥129.12 μm；j=5, …,m；m=62）以上的冰晶粒子。而對于53 μm＜D＜125 μm（54.88 μm≤Dj≤104.38 μm；j=2, … ,4）范圍內的非球形冰晶粒子，本文采用與本文譜分布較為接近的、游來光等（1989）在新疆冬季層狀云中取得的經(jīng)驗回歸系數(shù)：a=0.04、b=3（未進行單位換算）。對于D＜53 μm以下的冰晶粒子及云滴的含水量，本文以LWCFSSP近似代替（顯然LWCFSSP會對該粒徑范圍內的實際含水量有所高估）。估算fl的表達式可表示為：

其中，n(Dj) 單位為 L?1μm?1，Dj單位為 μm，IWC單位為 g m?3。

由5.1.2的分析可知，2個Sc云團中G5、G6等兩個純液態(tài)過冷水區(qū)的fl顯然為1，而G1、G2、G3、G4、G7等5個由冰、水混合相態(tài)組成的高過冷水區(qū)，水平分布尺度不一，且LWCKing值也有較大差異。為便于比較，將平飛穿越的起始—終止的時間及LWCKing進行標準化處理，即：

其中，ta、tb分別為穿越各高過冷水區(qū)的起始、終止的時間（單位：s），LWCKinga、LWCKingb為各高過冷水區(qū)LWCKing的最小值和最大值。進行標準化處理后，tn、LWCKingn的最大值為1，最小值為0。

圖7給出了Sc中混合態(tài)高過冷水區(qū)標準化處理后的fl、LWCKingn及其變化趨勢擬合線。fl和LWCKingn的5項多項式擬合（最優(yōu)顯著性擬合）曲線的變化趨勢基本一致，表明在 Sc中高過冷水區(qū)fl與LWCKing存在一定的關聯(lián)性。Sc中高過冷水區(qū)fl最小值為29.2%，平均值及標準差為69.9±19.4%。

5.2 下層As

5.2.1 下層As云微物理量水平分布的基本特征

圖 8給出了 16:11:01～16:14:00、16:02:06～16:03:24分別在As底部和頂部平飛時FSSP、2DC探頭觀測的粒子濃度、直徑、瞬時譜、LWCFSSP和King探頭觀測值LWCKing。

圖7 Sc中混合態(tài)高過冷水區(qū)過冷水含量比率fl、標準化含水量LWCKingn隨標準化時間tn的變化Fig.7 The changes of the fraction of liquid water content ( fl ) and standardized liquid water content (LWCKing) with standardized time (tn) in the mixed state high supercooled water area of Sc

圖8 下層 As底部的（a1）FSSP 濃度 N1和直徑 Dm1、（b1）LWCFSSP和 LWCKing、（c1）FSSP 瞬時譜、（d1）2DC（D＞50 μm）濃度 N2（＞50）和直徑Dm2（＞50）、（e1）2DC（D＞50 μm）瞬時譜隨時間的變化; (a2)–(e2) 同 (a1)–(e1), 但為對流泡頂Fig.8 The time variations at the bottom of lower As (altostratus): (a1) The FSSP concentration (N1) and diameter (Dm1); (b1) LWCFSSP and LWCKing;(c1) the FSSP instantaneous spectrum; (d1) the 2DC (D＞50 μm) concentration (N2(＞50)) and the diameter (Dm2(＞50)); (e1) the 2DC (D＞50 μm) instantaneous spectrum.(a2)–(e2 ) Same as (a1)–(e1), but for the top of the convective bubble

穿越 As底部時的飛行宏觀觀測記錄顯示，約16:11飛機顛簸并出現(xiàn)積冰，約16:12:20后云層變稀薄，隱約可見下方Sc，約16:13后能見度轉好，基本出云。由圖8a1可見，在As底部云區(qū)內FSSP濃度在高值區(qū)與低值區(qū)相差 4～5個量級，最大值可達300 cm-3以上，在FSSP的整個量程內云粒子廣泛分布。FSSP觀測的濃度對數(shù)值與云粒子直徑Dm1也存在著明顯的反相關性，且 FSSP高濃區(qū)對應高含水量（LWCFSSP及LWCKing）區(qū)（圖8b1）。當FSSP觀測云滴濃度N1在約100 cm?3以上時，直徑Dm1集中在6～9.5 μm范圍內，與之相對應，在圖8b1中有明顯的高含水量區(qū)出現(xiàn)（G1和G2）；在G1和G2兩個高含水量區(qū)中間，有N1變化較大（10-3～60 cm-3），但其Dm1與高含水量區(qū)的Dm1較為接近的云區(qū)存在，LWCFSSP在10-4～0.02 g m-3間；在G1和G2區(qū)兩側是低濃度（N1＜0.1 cm?3）較大Dm1（＞18 μm）的稀疏云區(qū)，LWCFSSP小于0.01g m-3；基本出云后，F(xiàn)SSP已觀測不到云粒子，但2DC量程內（圖8d1、e1）仍有大量較高濃度的云粒子存在。2DC觀測的云粒子濃度在該高度層沒有明顯的高、低值區(qū)，N2(＞50)分布在0.3～22 L-1范圍內，云粒子直徑Dm2(＞50)較為松散的分布在54.88～350 μm范圍內。

As頂部為隆起的對流泡頂。平飛穿越As中對流泡頂后即出云，無明顯低含水區(qū)。由圖 8a2、b2可見，F(xiàn)SSP觀測的濃度在大于10 cm?3時就出現(xiàn)了較為明顯的高含水量區(qū)（G3和 G4），云滴Dm1僅在8.2～12.2 μm之間。云區(qū)基本上為高含水量區(qū)。G3區(qū)和G4區(qū)中間及約16:03飛出對流泡后，F(xiàn)SSP已觀測不到云粒子，但 2DC仍觀測到有較高濃度的云粒子存在（圖 8d2、e2）。N2(＞50)在該層也沒有明顯的高、低值區(qū)，分布在0.5～23.6 L-1范圍內，Dm2(＞50)在 54.88～175 μm 范圍內。

5.2.2 下層As云粒子相態(tài)的判定

由圖8d1和圖8d2可見，在As底部和對流泡頂?shù)?DC（D＞50 μm）的粒子瞬時譜幾乎沒有連續(xù)分布的情況。As底部D＞125 μm的云粒子的2DC圖像基本為不規(guī)則形冰晶（圖略），而在對流泡頂已基本上看不到大粒子圖像。As底部和對流泡頂53 μm＜D＜125 μm范圍內的粒子形狀為非球形。由此表明As底部和對流泡頂2DC量程內Dj≥54.88 μm的云粒子相態(tài)為冰相。

由圖8b1、b2可見，在As底部和對流泡頂?shù)腖WCFSSP與 LWCKing變化趨勢基本相同。其中，在G2高含水量區(qū)，LWCKing與LWCFSSP基本接近。由其FSSP瞬時譜（圖8c1）可見，該時段內僅有3.5 μm≤Di≤21.5 μm 的粒子連續(xù)分布，Di≥24.5 μm 以上沒有云粒子存在。在G1高含冷水區(qū)，F(xiàn)SSP量程內不僅有3.5 μm≤Di≤21.5 μm的粒子連續(xù)分布，而且有較高濃度的Di≥24.5 μm 粒子不連續(xù)分布（圖8c1）。其LWCFSSP大于LWCKing，且明顯大于G2區(qū)的LWCFSSP，但其LWCKing峰值與G2區(qū)峰值相近。在對流泡頂，F(xiàn)SSP量程內已沒有Di≥24.5 μm以上的粒子，在高含水量區(qū)（G3和G4）有3.5 μm≤Di≤21.5 μm 的粒子連續(xù)分布（圖 8c2），且LWCFSSP與LWCKing數(shù)值極為接近（圖8b2）。由此推測，As底部和對流泡頂?shù)囊簯B(tài)過冷水在Di=3.5～21.5 μm 范圍內。計算 As底部和對流泡頂?shù)腖WCFSSP(3.5～21.5)，并進一步分析與 LWCKing的對稱線性相關關系。

圖 9給出了 LWCFSSP(3.5～21.5)、LWCKing在這兩層主要云區(qū)的線性相關圖。由圖 9a、b可見，LWCFSSP(3.5～21.5)與 LWCKing有極顯著的相關性（判定系數(shù)R2分別為 0.96，0.97，通過顯著性水平α=0.01的檢驗），且線性擬合線斜率均接近于 1，LWCFSSP(3.5～21.5)幾乎在 LWCKing±15%范圍內。由此可表明，5700 m層和6250 m層內的過冷水均存在于Di=3.5～21.5 μm粒徑范圍內。

5.2.3 下層As云底高過冷水區(qū)和低過冷水區(qū)的云粒子譜分布特征

圖10給出了下層As底部高過冷水區(qū)（圖8G1、G2區(qū)）和低過冷水區(qū)（圖8G1、G2區(qū)兩側10-2g m?3＞LWCFSSP＞10-4g m-3的云區(qū)）的FSSP、2DC（D＞50 μm）平均粒子譜。由圖10a可見，與Sc中下部類似，高過冷水區(qū)與低過冷水區(qū)的FSSP粒子譜有著明顯的區(qū)別。二者n(Di) 差別很大，在 3.5～21.5 μm內，相差3～4個數(shù)量級，而在24.5～45.5 μm，相差1～2個數(shù)量級。高過冷水區(qū)譜型基本上為單峰型伽瑪分布，峰值在Di=9.5 μm處。低過冷水區(qū)譜形扁平，沒有明顯的峰值，在Di=21.5出現(xiàn)極小值。在3.5～21.5 μm內高過冷水區(qū)與低過冷水區(qū)譜變化趨勢基本相反，而在24.5～45.5 μm譜型沒有明顯差別。由圖10b可見，高過冷水區(qū)與低過冷水區(qū)的2DC粒子平均譜分布不連續(xù)，譜型基本為負指數(shù)型，且二者沒有明顯的差別。由此表明，與Sc中下部類似，該層FSSP譜型是由液態(tài)過冷云滴（3.5 μm≤Di≤21.5 μm）和固態(tài)冰相云晶（Di≥24.5 μm）共存造成的。但與Sc中下部不同，在高過冷水區(qū)沒有明顯的淞附增長現(xiàn)象存在。

圖9 （a）As底部、（b）對流泡頂?shù)腖WCFSSP(3.5～21.5)與LWCKing線性相關散點圖Fig.9 The scatter diagram of linear correlation between LWCFSSP(3.5～21.5) and LWCKing at the bottom of As and the top of convective bubble

5.2.4 下層 As高過冷水區(qū)云滴有效半徑和過冷水含量比率

根據(jù) 5.2.2 的分析結果，取 3.5 μm≤Di≤21.5 μm范圍內（i=1, …,n；n=7）的FSSP資料計算云滴有效半徑。下層 As底部高過冷水區(qū)的云滴有效半徑rew在4.8～5.8 μm范圍內，平均值及標準差為=5.4±0.2 μm。在對流泡頂高過冷水區(qū)rew在5.6～7.2 μm之間，=6.6±0.4 μm。

類同5.1.4，將下層As底部兩個高過冷水區(qū)觀測起始—終止時間和LWCKing進行標準化處理。圖11給出了下層As底部高過冷水區(qū)fl和LWCKingn隨tn的分布。由圖11可見，fl在高過冷水區(qū)沒有明顯的變化。fl和LWCKingn的5項多項式擬合（最優(yōu)顯著性擬合）變化趨勢均不明顯（均未通過α=0.1的顯著性檢驗），fl與LWCKingn也無關聯(lián)性。As底部高過冷水區(qū)fl最小值為72.3%，平均值及標準差為89.2±8.1%。在6250 m層的對流泡頂部，高過冷水區(qū)fl近似等于1。

5.3 上層As和Cs

圖12給出了在上層As云底、云頂部和Cs的2DC所測云粒子濃度、直徑及瞬時譜隨時間變化圖。2DC觀測值資料含Dj=30.12 μm通道資料。由圖12a1、a2、a3可見，2DC在上層As云頂、云底和 Cs中都觀測到有高濃度的云粒子存在，粒子濃度都沒有明顯的高、低值區(qū)。位于云系最高層的Cs中的云粒子濃度N2明顯大于上層As，但其粒子直徑Dm2幾乎都在 30 μm 左右，表明 Cs中主要以Dj=30.12 μm的云粒子為主。由圖12b1、b2、b3可見，2DC瞬時譜分布比較均勻，沒有明顯的密集分布區(qū)。

圖10 下層As底部高過冷水區(qū)和低過冷水區(qū)的（a）FSSP、（b）2DC（D＞50 μm）平均粒子譜分布Fig.10 The distribution of mean particle spectrum in the high and low content of supercooled water for the lower level of Sc: (a) FSSP; (b) 2DC (D＞50 μm)

圖11 下層As底部高過冷水區(qū)fl和LWCKingn隨tn變化Fig.11 fl and LWCKingn variation with tn for the high content of water for the lower level of As

King探頭在上層As和Cs內都沒有探測到液態(tài)水，且2DC瞬時譜在中值直徑Dj≥54.88 μm以上都存在明顯的不連續(xù)現(xiàn)象，由此推斷上層As和Cs為冰云。以公式（6）中的經(jīng)驗回歸系數(shù)計算D＞50 μm以上冰相云粒子冰水含量 IWC（＞50），則上層As云底、云頂和Cs中的IWC最大值分別為0.008 g m-3、0.011 g m-3、0.017 g m-3，其平均值均超過0.001 g m-3。如果不考慮誤差，計算2DC整個量程內的IWC，則其最大值基本沒有變化，但其平均值增大1個量級。

6 云系平均粒子譜分布特征和云粒子增長機制的探討

此次分層垂直探測時段為云系的發(fā)展階段。云系只有冰晶層和過冷混合層組成。圖 13給出了云系各高度層的FSSP和2DC平均譜分布。

圖12 上層 As底部的（a1）2DC 濃度 N2和直徑 Dm2、（b1）2DC 瞬時譜（單位：lg（L?1 μm?1））隨時間的變化；（a2）、（b2）同（a1）、（b1），但為上層 As頂部；（a3）、（b3）同（a1）、（b1），但為 Cs中Fig.12 The time variations at the bottom of the upper As: (a1) The 2DC concentration (N2) and the diameter (Dm2); (b1) the 2DC instantaneous spectrum(lg(L?1 μm?1)).(a2), (b2) Same as (a1), (b1), but for the top of of the upper As.(a3), (b3) Same as (a1), (b1), but for the Cs (cirrostratus)

圖13 云系各高度層平均云粒子譜分布：（a）Cs和上層As的2DC觀測；（b1）下層As和Sc的FSSP觀測；（b2）下層As和Sc的2DC觀測Fig.13 The mean spectrum distribution of cloud particles at different height: (a) 2DC observation of Cs and the upper level of As; (b1) FSSP observation of lower level of As and Sc; (b2) 2DC observation of lower level of As and Sc

在云系的冰晶層，即 Cs和上層 As等兩層冰云中，由圖 13a可見，2DC粒子平均譜均為負指數(shù)型分布，且譜分布相近，譜寬隨著高度降低而變窄。在 30.12 μm≤Dj＜100 μm的較小粒徑段，譜線基本上重合在一起，譜分布相同；在 100 μm＜Dj＜ 275 μm粒徑段，n(Dj) 隨著高度的降低而有所減??；Cs和上層As云頂都有直徑大于300 μm以上的云粒子（雪晶）零散分布。降水性層狀云系的數(shù)值模擬研究結果（胡朝霞等，2007）表明，冰晶層中冰晶主要以凝華增長為主，也存在冰晶的碰并增長，產生一小部分雪晶。Cs、上層 As等兩層冰云中，有較高濃度的冰晶及雪晶粒子，其平均譜分布未出現(xiàn)明顯起伏或峰值，且其瞬時譜在整層分布均勻（圖12b1、b2、b3），但未出現(xiàn)400 μm以上的大冰相粒子。由此推測，靠凝華增長和冰晶的碰并增長可能很難產生超過400 μm以上的大冰相粒子。

在云系的過冷混合層，即下層As和Sc等兩層冰水混合態(tài)云中，因各層高、低含水量區(qū)FSSP和2DC云粒子濃度的不同差異，F(xiàn)SSP平均譜分布基本上反映了高過冷水區(qū)的云粒子譜特征，而2DC平均譜分布則反映了整層的平均情況。由圖 13b1可見，F(xiàn)SSP平均譜分布的譜型均為單峰型Γ分布。其中對流泡頂譜寬較窄（3.5 μm≤Di≤21.5 μm），下層As云底和 Sc 在 21.5 μm＜Di≤45.5 μm 處無明顯峰值。與山東（張佃國等，2011）、北京（張佃國等，2007）等地區(qū)冷鋒鋒面云系、延安（王揚鋒等，2007）層狀云系、吉林（齊彥斌等，2007）對流云帶等混合態(tài)云中觀測的譜型有著明顯的差異，后者為均負指數(shù)型分布。這些地區(qū)FSSP量程內所觀測到的云粒子均為液態(tài)過冷水。由圖13b2可見，2DC平均譜分布的譜型也基本上為負指數(shù)型。在30.12 μm≤Dj＜150 μm處譜線基本重合；200 μm以上的云粒子隨著高度層的降低而出現(xiàn)，且n(Dj) 增大；400 μm以上的云粒子只有在最底層的Sc中出現(xiàn)，且起伏明顯。

由云系最底層的Sc到下層As云底（中間約有200～300 m 的干層），F(xiàn)SSP譜峰值右移且上行（圖13b1）。峰值直徑由6.5 μm增大至9.5 μm，其峰值左側Di=3.5～6.5 μm處n(Di) 基本接近，峰值右側的 9.5 μm≤Di≤18.5 μm 處n(Di)變大、21.5 μm≤Di≤45.5 μm 處n(Di) 減小。2DC 譜在 200 μm以上的n(Dj) 及尺度明顯減小（圖13b2）。表明As云底液態(tài)云滴（3.5 μm≤Di≤21.5 μm）的尺度和濃度都比 Sc大，而固態(tài)云晶和冰雪晶的濃度較小。這是云系中液態(tài)水含量最大值出現(xiàn)在 As云底的原因，也是As云底高過冷水區(qū)的fl和rew較Sc大的原因?？梢哉f明，由于云型不同，且下層 As中有對流活動，較強的上升氣流不僅有利于較大云滴的形成，使云滴譜拓寬，而且有利于云滴濃度的增大。

在下層 As中，從云底到對流泡頂，隨著高度的增加FSSP譜峰值右移，但峰值下行（圖13b1）。峰值直徑由9.5 μm增大至12.5 μm，兩譜線交叉點左側（3.5 μm≤Di≤12.5 μm）n(Di) 減小，右側（15.5 μm≤Di≤21.5 μm）n(Di)增大。表明液態(tài)云滴（3.5 μm ≤Di≤21.5 μm）的濃度雖然總體無明顯變化，但直徑平均值有所增大。這是對流泡頂高過冷水區(qū)的rew較云底有所增大的原因。

層狀云系的數(shù)值模擬研究（胡朝霞等，2007；趙震和雷恒池，2008）和對流云模擬研究結果（劉曉莉和牛生杰，2009）都表明，在過冷混合層中冰晶主要以凝華增長和碰并云滴增長（淞附增長）為主。這種凝華增長機制可以在下層As和Sc的高過冷水區(qū)譜分布的譜型中得到解釋。而在最接近外部空氣的下層 As對流泡頂，云區(qū)內、外都有大量中值直徑小于200 μm以下的冰晶粒子存在，且2DC瞬時譜分布無明顯差異（圖8e2）；在下層As底部也有類似現(xiàn)象，只是中值直徑小于400 μm以下（圖8e1）。因此，一方面說明這種凝華增長機制所需的水汽不僅來自云內的冰水轉化，而且還來自于外來水汽的補充，是下層 As中的上升氣流促進了外來水汽的輸送。另一方面說明下層 As中冰晶粒子與液態(tài)云滴的碰并增長（淞附增長）并不明顯，其增長可能僅限于冰晶粒子相互之間的碰并增長。這種碰并增長也使混合態(tài)云內很難有400 μm以上的大粒子出現(xiàn)，這與云系冰云中的情況也是一致的。過冷水含量及厚度是降水能否產生的關鍵參量（胡朝霞等，2007）。盡管下層 As中液態(tài)過冷水含量較高，且云滴濃度較大，但云層主體厚度較?。s200 m），這可能是淞附增長未能出現(xiàn)的原因。

在 Sc中，云團與云隙之間、高過冷水區(qū)與低過冷水區(qū)之間的2DC粒子瞬時譜分布差異明顯，且局部高液態(tài)過冷水區(qū)無冰晶粒子存在（圖4中G5、G6區(qū)）。在該層高過冷水區(qū)有比較明顯的淞附增長現(xiàn)象，并產生了1200 μm以上的大粒子。淞附增長是 Sc中產生大冰相粒子的主要機制。在局部純液態(tài)過冷水區(qū)，凝結增長是云滴增長的唯一機制，也表明位于云系最底層的Sc中可能水汽條件最好。

7 結語

通過分析一次飛機分層垂直探測三江源地區(qū)秋季典型多層層狀云系（Cs–As–Sc）的PMS資料，得出如下結論：

（1）云系分為4層，云層之間均有干層存在，云層均較薄。整個云系在0°C層以上，無逆溫。其中，Cs和上層As為冰云，下層As和Sc為冰水共存的混合態(tài)云，過冷水含量較豐富。下層 As中有對流泡存在。云粒子濃度和過冷水含量在下層 As底部最大。粒徑D＞50 μm 云粒子的濃度平均值由最頂層的 Cs向下依次遞減，直徑平均值依次遞增，云粒子尺寸及譜寬在最底層的 Sc As中，冰晶的增長可能僅限于凝華增長和冰晶之間的碰并增長，這種增長機制可能很難產生超過400 μm的大冰相粒子。下層As中，冰晶凝華增長所需的水汽不僅來自云內的冰水轉化，而且還來自于上升氣流輸送的外來水汽的補充，較強的上升氣流有利于云滴譜寬拓寬、濃度增大。

（2）根據(jù)2DC圖像和灰度投影資料判定了混合態(tài)云中2DC量程內粒徑D＞50 μm云粒子的相態(tài)。綜合 FSSP云粒子瞬時譜、FSSP所測一定尺度云粒子含水量值與 King探頭過冷水含量實測值的對稱相關性，區(qū)分了混合態(tài)云中FSSP量程內云粒子的相態(tài)。結果認為：Sc中中值直徑Di=3.5～18.5 μm之間的云粒子為液態(tài)云滴，Di≥21.5 μm以上的為冰相粒子；下層 As云底和對流泡頂Di=3.5～21.5 μm為液態(tài)云滴，Di≥24.5 μm以上的為冰相粒子。

（3）混合態(tài)云中，F(xiàn)SSP所測的云粒子濃度對數(shù)值與直徑有著明顯的反相關性，高濃度區(qū)對應高含水量區(qū)。高過冷水區(qū)和低過冷水區(qū)的云粒子譜分布差異明顯。Sc高過冷水區(qū)存在比較明顯的淞附增長現(xiàn)象。

（4）Sc中局部高過冷水區(qū)無冰相粒子存在，在Sc的混合相高過冷水區(qū)，過冷水含量比率fl的平均值及標準差為 69.9±19.4%，最小值為 29.2%，且fl與過冷水含量存在一定的關聯(lián)性；在下層As云底的高過冷水區(qū)，fl沒有明顯的變化，平均值及標準差為 89.2±8.1%，最小值為 72.3%。Sc、下層 As云底、對流泡頂高過冷水區(qū)云滴有效半徑rew依次有所增大，其平均值及標準差分別為4.5±0.6 μm、5.4±0.2 μm、6.6±0.4 μm。

（5）混合態(tài)云各高度層FSSP平均粒子譜分布的譜型均為單峰型伽瑪分布，混合態(tài)云和冰云2DC平均粒子譜基本上為負指數(shù)型分布。在冰云和下層As中最大。與中國北方其他地區(qū)類似云層的比較結果表明，As和Sc的云粒子濃度均偏大，As的液態(tài)含水量計算值LWCFSSP偏高，Sc云粒子譜寬偏寬，具有較為明顯的地區(qū)特征。

本文的觀測分析結論是初步的，且云系處于發(fā)展階段，對該地區(qū)典型層狀云系微物理特性的研究，仍需做更多的個例分析。

致謝 南京信息工程大學大氣物理學院陳愛軍副教授、劉曉莉副教授、周生輝博士和肖輝博士為本文提供了幫助，特此致謝。

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