封秋娟,李培仁,侯團結,申東東,劉偉,晉立軍

(1.山西省人工降雨防雹辦公室,山西 太原 030032;2.中國科學院 大氣物理研究所,北京 100029;3.中國氣象局 上海物資管理處,上海 200050)

山西春季一次層狀冷云的微物理結構特征

封秋娟1,李培仁1,侯團結2,申東東1,劉偉3,晉立軍1

(1.山西省人工降雨防雹辦公室,山西 太原 030032;2.中國科學院 大氣物理研究所,北京 100029;3.中國氣象局 上海物資管理處,上海 200050)

利用2009年3月11日機載DMT(droplet measurement technology)粒子測量系統(tǒng)獲取的山西層狀云探測資料,結合天氣、衛(wèi)星、雷達等,分析了降水性冷云的宏微觀結構特征。結果表明,降水云系由高層云和層積云組成,液態(tài)含水量變化范圍為0～0.42 g/m3。CDP(cloud droplet probe;云粒子探頭)和CIP(cloud imaging probe;云粒子圖像探頭)觀測到的粒子數濃度偏大,CDP探測到最大粒子數濃度為451.93 cm-3,CIP探測到最大粒子數濃度為162.78 L-1。本次探測適宜的人工增雨作業(yè)溫度區(qū)間為-11.4～-7 ℃、-4.4～0 ℃。高層云上部以冰晶的核化和凝華增長為主;高層云的中下部為冰雪晶活躍增長層;通過凝華、碰并機制高層云降落的冰雪晶粒子在層積云進一步長大。層狀云水平分布不均勻特性很明顯。統(tǒng)計云滴譜譜型分布發(fā)現,雙峰型、多峰型出現幾率較高,指數型主要出現在層積云的中部和頂部,出現單峰型時LWC(liquid water concentration;液態(tài)水含量)小于0.03 g/m3或大于0.1 g/m3。

層狀冷云;微物理結構特征;飛機探測

0 引言

層狀云系是一種主要的大范圍降水系統(tǒng),尤其是層狀冷云,是我國北方冬半年的主要降水源,也是為緩解北方春季干旱開展人工增雨的主要作業(yè)對象。不同地區(qū)的云和降水微物理特征因氣象和地形條件的差異會有所不同,因此對不同地區(qū)不同類型云系進行云微物理探測,更能有針對性地開展人工增雨作業(yè)。樊曙先(2000)對一次層狀云降水云系的探測資料進行了深入分析,給出了云和降水的宏微觀結構特征。金華等(2006)、彭亮等(2007)和李鐵林等(2010)利用PMS資料對河南層狀云降水的微物理結構特征進行了探測研究。李照榮等(2003)分析了蘭州地區(qū)秋季Cs-As-Ns和Ac-Sc結構層狀云溫度、云粒子濃度、粒子直徑、液態(tài)含水量及云粒子譜的垂直分布特征。黨娟等(2009)、于翡和姚展予(2009)對甘肅夏季層狀云微物理特征及積層混合云降水的實例做了個例分析和數值模擬分析。

通過分析同高度層粒子的譜型分布,Heymsfield(1975)研究了卷層云冰雪晶的增長機制。Field(2000)的研究表明,除凝華增長外,聚并過程對云內雙峰譜的形成有重要影響。輻枝狀冰雪晶的形成受凝華、聚并及破碎等過程的影響(Kajikawa and Heymsfield,1989;Lawson et al.,1993)。Heymsfield(2002)分析了熱帶降水性卷云和層狀云系內粒子形態(tài)和譜分布,其結論為改進微物理過程的譜型參數化方案提供了理論參考。

目前對于華北地區(qū)層狀云降水已開展了較多的研究(黃夢宇等,2005;楊文霞等,2005;張佃國等,2007,2010,2011;范燁等,2010;劉瑩瑩等,2012),山西2008年引進機載觀測儀器,專門針對山西層狀云系的微物理結構的研究較少。本文選取2009年3月11日山西春季一次層狀冷云的飛機探測資料,分析了云系的宏觀特征,結合粒子濃度、平均直徑、二維圖像、譜分布等詳細討論了冷云微物理量的垂直和水平分布,并統(tǒng)計了云中云滴譜譜型的分布,從微物理的角度了解本次層狀冷云降水的主要結構及降水機制。

1 觀測儀器和探測情況

使用的探測飛機是國產運-12飛機,飛機上安裝了機載DMT(droplet measurement technology)云物理探測系統(tǒng),包括5個探頭,分別為空氣狀況探頭ADP(air-data probe)(用于測量空氣溫度、濕度、相對濕度、飛行的風速、風向、飛行軌跡等)、云粒子探頭CDP(cloud droplet probe)(3～50 μm,bin1-bin12直徑間隔1 μm,bin13-bin30直徑間隔2 μm)、二維云粒子圖像探頭CIP(cloud imaging probe)(25～1 550 μm,bin1-bin62直徑間隔25 μm)、二維降水粒子圖像探頭PIP(precipitation imaging probe)(100～6 200 μm,bin1-bin62直徑間隔100 μm)、熱線液態(tài)水含量探頭,同時配備了高精度溫濕度探頭、北斗地空通訊系統(tǒng),主要提供飛行軌跡、飛行高度、航向以及溫濕度等信息。

圖1 2009年3月11日下降階段(19:19—20:04)的飛行軌跡Fig.1 The flight track during descending stage on 11 March 2009(19:19 BST—20:04 BST)

飛機18:29(北京時間,下同)從太原武宿機場起飛,起飛時本場小雨,起飛后一直爬升,18:40到達1 400 m高度,此過程以層積云為主,且分布不連續(xù),偶爾可見地面,19:19到達介休,并到達本次飛行最高高度6 023 m,隨后飛機以600 m為間隔開始下降,分別經過孝義(5 400 m,19:23)、平遙(4 200 m,19:29)、文水(3 600 m,19:35)和祁縣(3 000 m,19:48),20:04飛機落地,本場小雨,地面溫度4.3 ℃。整個飛行過程中,飛行區(qū)域降小到中雨。由于儀器故障上升過程中采集數據未能保存,因此主要分析下降過程(介休—太原)(19:19—20:04)采集的數據(圖1)。飛行宏觀記錄表明,探測期間是云系的持續(xù)發(fā)展時期,下降過程云系分為兩層結構,上層為高層云,高度約為3 000～6 000 m,下層為層積云,云頂高為2 200 m,云底高約為1 250 m,20:02到達0 ℃層,高度1 400 m左右,本次過程以冷云降水為主。

圖2 2009年3月11日500 hPa天氣形勢與衛(wèi)星云圖疊加(圓圈表示山西省位置) a.08:00;b.20:00Fig.2 Synoptic situation and satellite images on 11 March 2009 at 500 hPa(The circle denotes the position of Shanxi Province) a.08:00 BST;b.20:00 BST

2 宏觀特征分析

2.1 天氣概況

2009年3月11—12日,受槽前西南暖濕氣流和冷空氣的共同影響,山西全省出現降水天氣,中北部降小雨轉雨夾雪,中南部部分縣市降雨量達中雨,全省降雨量在0.3～13.7 mm之間,最大為曲沃,24 h降雨量13.7 mm。

由圖2a可知,3月11日08時山西處于云系的前部,北中部云體較高較厚,山西西北部首先出現陣性降水。3月11日20時(圖2b),500 hPa東亞大槽從俄羅斯北部喀拉海經貝加爾湖、蒙古伸至新疆地區(qū),巴爾喀什湖有一暖脊。河西走廊至四川西北部有一淺槽,山西全省處于槽前西南急流帶中,濕度較大。從云圖上看整個云系發(fā)展東移,山西處于逗點云系的南部,有中低云系覆蓋,北中部云塊較高,南部云塊較低。700 hPa東亞大槽的北支略向東移經貝加爾湖東部、蒙古東部地區(qū)至新疆,南支槽從內蒙中部經陜西至四川中部地區(qū),山西處于槽前偏南暖濕氣流之中,有水汽輸送,濕度很大。850 hPa巴爾喀什湖以東及新疆地區(qū)為一冷高壓,高壓控制著貝加爾湖以西及蒙古中西部地區(qū)。蒙古東部經陜西中部有一低槽,四川省東南部、重慶、貴州北中部有一低渦。山西仍處于槽前,濕度很大。3月11日20時地面圖上,冷高壓中心位于貝加爾湖以西。從云南省向東北伸出一倒低壓伸至黃河以南。在蒙古東部有一低壓中心,其向南伸出的冷鋒鋒線經內蒙中部至山西南部。根據系統(tǒng)發(fā)展和影響,3月11日18:29—20:04在山西中西部進行探測飛行。

2.2 雷達回波特征

3月11日16時降水回波首先移入山西西南部,開始自西向東進入山西省。多普勒雷達回波強度圖上飛行區(qū)域表現為典型的層狀云降水回波,回波強度介于15～30 dBz之間,移速較慢,PPI上的降水回波特征成片狀或分片狀,面積較大,表現為由中心向外層次清晰強度逐漸減弱,在弱回波區(qū)中央有一個強度較強的回波團,回波的空間梯度較小,回波邊緣破碎。19:22(圖3a)在太原附近有西南—東北走向的回波帶,19:46強回波面積增大,強度增強,并繼續(xù)向東北移動。3月12日凌晨回波移出觀測范圍。RHI上無融化帶,降水回波特征結構較均勻,RHI上強度由近至遠呈輻射狀遞減,頂部雖有起伏,但比較平整,無明顯的泡體,垂直厚度不大。

圖3 2009年3月11日太原站雷達(單位:dBz) a.19:22的PPI回波;b.19:46的PPI回波;c.20:03的PPI回波;d.19:27的RHI回波(方位角230.1°,沿太原到孝義剖面)Fig.3 Doppler radar PPI at (a)19:22 BST,(b)19:46 BST,(c)20:03 BST,and doppler rader (d)RHI at 19:27 BST (azimuth:230.1°,along the profile from Taiyuan to Xiaoyi) at Taiyuan station on 11 March 2009(units:dBz)

3 微物理結構特征

3.1 云微物理量的垂直分布

圖4為下降過程(介休—太原)溫度、CDP探測到粒子數濃度、液態(tài)過冷水、CIP探測到粒子數濃度、PIP探測到粒子數濃度隨高度的垂直分布,其中液態(tài)過冷水是由CDP探頭所測數據計算所得。CDP探頭在0 ℃層以下探測到的是云滴粒子,0 ℃層以上是冰晶和液滴的共存體,從圖4b中可以看出,層積云中CDP探測到粒子數濃度垂直分布不均勻,從云底開始隨高度迅速增加,達到102量級,1 500 m左右平飛時出現波動,最小粒子數濃度不到10 cm-3,隨后保持102量級到達2 000 m左右,2 000～2 138 m粒子數濃度小于100cm-3,層積云云頂CDP探測到粒子數濃度又增加,最大為211 cm-3。高層云出現分層,垂直分布不連續(xù),高層云的上部(4 500～6 000 m)CDP探測到粒子數濃度極小,為10-1cm-3量級,高層云的中下部(3 000～4 500 m)CDP粒子平均數濃度為79.58 cm-3,最大值為360.08 cm-3。高層云云底分布不均勻,3 000 m平飛時CDP粒子數濃度有2～3個量級的變化。比較圖4b、c,液態(tài)過冷水隨高度的垂直分布與粒子數濃度變化一致。

圖4d為CDP探測到粒子平均直徑的垂直分布,層狀云云粒子平均直徑在7 μm左右,并隨高度變化不大,說明層積云中主要是一些直徑較小的云滴。高層云云粒子直徑主要集中在3～26 μm,最大可達50 μm,高層云云粒子直徑比層積云大,反映出高層云的粒子有更好的增長。

圖4 2009年3月11日下降過程云微物理特征量垂直分布 a.溫度(℃);b.CDP粒子數濃度(cm-3);c.液態(tài)過冷水含量(g·cm-3);d.CDP粒子直徑(μm);e.CIP粒子數濃度(L-1);f.PIP粒子數濃度(L-1)Fig.4 Vertical distributions of cloud microphysical values on 11 March 2009 a.temperature(℃);b.the cloud particle number concentration by using CDP(cm-3);c.liquid water concentration(g·cm-3);d.Particle diameter by using CDP(μm);e.the cloud particle number concentration by using CIP(L-1);f.the cloud particle number concentration by using PIP(L-1)

CIP探頭可測量尺度在25～1 550 μm的大云滴、雨滴、冰雪晶、雪團等。圖4e層積云中CIP探測到粒子數濃度隨高度增加先增大后減小,高層云3 000～3 600 m冰雪晶數濃度變化不大,只是在3 632 m出現數濃度極大值162.78 L-1,3 600～4 100 m對應于高層云中的干層,粒子數濃度量級為100L-1,4 100～6 000 m冰雪晶數濃度隨高度先緩慢增加,在4 290 m達到最大,對應數濃度為122.60 L-1,然后又隨高度逐漸減小直到高層云云頂。

圖4f為PIP探測到的尺度在100～6 200 μm的雨滴和冰雪晶。粒子數濃度的量級為10-1～101L-1。在層積云中,粒子數濃度隨高度波動增加,2 190 m高度峰值達8.06 L-1。高層云中3 000～3 600 m高度粒子數濃度先增大后減小,極大值出現在3 463 m達22.99 L-1。3 600～4 100 m數濃度變化不大,最大為7.33 L-1。4 100～4 300 m出現一峰值為44.13 L-1,4 300 m以上數濃度迅速減小。

3.2 冷云粒子特征分布

自然云中降水的形成和增長過程,在多數情況下,冰晶起著重要作用,針對這些冰雪晶的數濃度、形狀、譜分布等的研究,可以加深對大氣中冰晶形成增長機制和降水形成機制的認識。本文定義直徑小于等于300 μm的粒子稱作為冰晶,直徑大于300 μm的稱作雪晶。根據CIP、PIP測量結果,考慮到儀器測量范圍,將CIP測量的bin1-bin12通道大小的粒子(直徑25～300 μm)稱為冰晶粒子,將PIP測量到的bin4-bin62通道大小粒子(直徑300～6 200 μm)稱為雪晶。

飛機探測冷云的高度范圍為1 400～6 023 m,溫度區(qū)間為0～-18.95 ℃。表1是對高層云、干層、層積云冷云部分微物理量的統(tǒng)計分析。液態(tài)含水量分布范圍為0～0.42 g/m3。層積云云滴數濃度明顯高于高層云。與北方其他地區(qū)層狀云的飛機探測結果比較(張佃國等,2011),此次探測云中CDP和CIP觀測到的粒子數濃度比較大,層積云云滴數濃度量級63.46%為102cm-3,高層云云滴數濃度量級35%為102cm-3。最大冰晶數濃度出現在高層云中為125.81 L-1,云內60.99%冰晶數濃度量級為101L-1,與Hobbs and Rangno(1985)在1981年夏天所觀測的最大冰晶粒子數濃度75 L-1相比,本次探測冰晶數濃度較大。在這次過程中高層云、層積云的雪晶數濃度分別占所有冰雪晶粒子數濃度的19.87%、15.36%。

根據CDP、CIP、PIP測得的云粒子和冰雪晶粒子隨溫度的分布,對降水云中粒子相態(tài)進行分類(表2)。表2給出了不同溫度區(qū)間內測到的平均過冷水量、最大過冷水量及最大過冷水量對應的溫度和相對于云的位置。層積云平均過冷水量和最大過冷水量均明顯高于高層云。-2.58 ℃處LWC(liquid water content,液態(tài)水含量)最大,為0.416 g/m3,是本次探測觀測到的最大過冷水,位于層積云的上部。高層云最大過冷水含量為0.143 g/m3。-4.4～0 ℃溫度區(qū)間的LWC比較豐富,基本都大于0.1 g/m3。如果以云中過冷水量作為人工增雨催化的技術指標,結合冷云催化劑的特性,則云中適宜催化作業(yè)的溫度在-11.4～-7 ℃、-4.4～0 ℃,位于高層云中下部和層積云中。

表12009年3月11日冷云粒子特征(0～-18.95℃)

Table 1 Particle characteristics of cold clouds on 11 March 2009(0—-18.95 ℃)

云層云滴數濃度/cm-3云滴直徑/μm液態(tài)水含量/(g·m-3)冰晶數濃度/L-1雪晶數濃度/L-1最大值最小值平均值最大值最小值平均值最大值最小值平均值最大值最小值平均值最大值最小值平均值高層云360.08064.8750.0007.540.1400.02125.81019.3115.5103.84干層4.3500.1750.0009.260.0012400.0182.230.4217.9921.382.465.51層積云451.930169.0850.0007.450.4200.06109.100.1930.738.062.414.72

表2降水云相態(tài)結構和不同溫度下的過冷水含量

Table 2 Precipitation cloud phases and liquid water content at different temperatures

觀測層序號及觀測時間觀測層溫度范圍/℃觀測層中相態(tài)組成平均過冷水含量/(g·m-3)最大過冷水含量/(g·m-3)最大過冷水含量對應溫度/℃相對于云的位置1(19:19:28—19:27:37)-17.5～-11.3冰雪晶和較少過冷云滴1.36×10-41.47×10-2-15.2高層云上部2(19:27:38—19:50:48)-11.26～-7.13冰雪晶和較多過冷云滴2.30×10-21.43×10-1-7.64高層云中下部3(19:50:49—19:57:01)-7.12～-4.45冰雪晶和極少過冷云滴1.34×10-31.01×10-2-6.2兩層云間干層4(19:57:02—20:02:06)-4.39～0冰雪晶和更多過冷云滴5.89×10-24.16×10-1-2.58層積云

3.3 冷云粒子尺度譜垂直分布和二維粒子圖象分析

從CIP探測到的粒子二維圖像資料(圖5)可以看出,晶體形狀有很大不同,包括空間枝狀、星狀、片狀和柱狀等。高層云上部(19:19:28—19:27:37,-17.5～-11.3 ℃,6 023～4 514 m),云粒子數濃度、云滴平均直徑、液態(tài)含水量為小值區(qū),圖6(19:19:41、19:22:02)為高層云上部粒子譜型,云滴譜不連續(xù),且譜型最窄,CIP的譜寬小于800 μm,呈多峰分布,此處以體積較小的片狀冰晶為主(圖5a、b),由于溫度低,以冰晶的核化和凝華增長為主,冰晶的凝華增長消耗過冷水,發(fā)生貝吉隆過程。

高層云的中下部(19:27:38—19:50:48,-11.26～-7.13 ℃,4 508～3 000 m)為冰雪晶粒子的增長層。圖6(19:29:09—19:49:01)為高層云中下部粒子譜,隨高度的降低云滴譜譜寬逐漸增大,譜型由指數型變?yōu)閱畏逍驮僮優(yōu)槎喾逍颓也贿B續(xù),峰值直徑從3 μm增大到6 μm,粒子數濃度的量級為103～10-2m-3·μm-1。CIP觀測到冰雪晶粒子譜呈多峰結構,隨高度降低譜寬略增大,譜寬最大為1 425 μm,在大粒子段數濃度起伏較大。在這一層有較多的過冷水存在,最大過冷水含量達0.143 g/m3。一方面水滴不斷蒸發(fā)水汽,水汽在冰面上凝華,冰晶長大,另一方面高層云的中下部出現空間枝狀冰晶(圖5e),此類冰晶有較強的淞附能力,冰胚形成后由于重力作用下落,在下落的過程中吸附過冷水在冰胚四周產生枝星型枝杈形成枝狀。隨著高度降低,溫度升高,出現針狀和粘連在一起的枝狀冰晶。19:38:51、19:49:01飛機觀測的發(fā)現有冰晶聚合體(圖5f、g),是枝狀冰晶在下落過程中吸附環(huán)境中的過冷水產生淞附,并相互碰撞合并形成的,其直徑較大,說明這些區(qū)域有較好的冰晶增長條件,具有引晶催化進行人工增雨的條件。

圖5h為兩層云之間的干層觀測到的粒子圖像(19:50:49—19:57:01,-7.12～-4.45 ℃,2 999～2 190 m),可以看到,冰晶粒子之間的粘連聚合現象減少,大尺度的聚合體不多,柱狀冰晶居多,圖6(19:55:37)為干層觀測到的粒子譜型,云滴譜窄且不連續(xù),存在大云滴,由于上方云層降落的大粒子,CIP觀測粒子譜在大滴段具有多峰分布且譜較寬,雪晶數濃度在2 349 m突增出現一峰值為33.98 L-1。

圖5 CIP所探測到的不同高度處的二維粒子圖像Fig.5 Two-dimensional particle images by using CIP on different levels

圖6 不同高度處的粒子譜分布 a,b.CDP所測譜型;c,d.CIP所測譜型Fig.6 The spectra distribution of particles on different levels a,b.size distributions of particles by using CDP;c,d.size distributions of particles by using CIP

比較圖6c、d發(fā)現CIP觀測到層積云大滴段粒子數濃度明顯高于高層云,從干層下落的冰雪晶粒子在層積云進一步長大,圖5i、j為層積云中粒子圖像(19:57:02—20:02:06,-4.39～0 ℃,2 184～1 400 m),可以看出有明顯的冰雪晶聚合體,該層是過冷水和冰晶粒子共存區(qū),可能發(fā)生冰相粒子的凝華過程。此外層積云存在冰雪晶的粘連現象,可能發(fā)生碰并增長形成較大的冰雪晶粒子。比較圖6(19:57:41、20:01:38)滴譜分布,層積云中部云滴譜譜寬明顯寬于層積云上部,CIP觀測到粒子譜同高層云中下部具有相似性,譜呈多峰結構且起伏大,譜寬最大為1 400 μm。

3.4 冷云微物理量的水平分布

圖7為3 600 m高度微物理特征量水平分布(19:31:36—19:37:12),溫度范圍為-8.74～-7.33 ℃,LWC的最大值為0.14 g/m3。水平飛行時,云滴濃度和云滴平均直徑存在明顯的起伏變化。云滴數濃度與云滴平均直徑成反相關變化,19:31:36—19:34:30云滴數濃度分布均勻,平均數濃度為219.86 cm-3,最大為360.08 cm-3,云滴平均直徑變化不大為7 μm左右;19:34:31—19:35:07、19:36:02—19:37:12云滴數濃度小于10 cm-3,云滴平均直徑起伏較大,最大為20 μm,最小為0 μm。

圖7 2009年3月11日3 600 m平飛階段微物理特征量分布 a.CDP;b.CIPFig.7 Horizontal distribution of cloud microphysical parameters at 3 600 meters on 11 March 2009 a.CDP;b.CIP

CIP探測到粒子水平分布起伏較大,粒子數濃度的最小值和最大值相差4個量級,粒子尺度也存在較大的起伏,最大平均直徑為1 509.87 μm,粒子數濃度和粒子平均直徑呈正相關關系,19:31:36—19:33:15 CIP探測到的粒子平均數濃度為6.99 L-1,19:33:16出現粒子數濃度躍遷現象,19:33:16—19:37:12粒子平均數濃度為71.10 L-1。比較平飛時CDP和CIP探測到的粒子數濃度和平均直徑的變化發(fā)現相關性不一致,主要原因可能是水平探測經歷了云不同發(fā)展階段。

圖8 云滴譜譜型分布 a.Ⅰ型云滴譜(指數型);b.Ⅱ型云滴譜(單峰型);c.Ⅲ型云滴譜(雙峰型第一類);d.Ⅲ型云滴譜(雙峰型第二類);e.Ⅳ型云滴譜(多峰型)Fig.8 Cloud droplets spectrum distribution a.Ⅰexponential distribution;b.Ⅱ single-peak distribution;c.Ⅲ two-peck distributio(the first category);d.Ⅲ two-peck distribution(the second category);e.Ⅳ multi-peak distribution

4 云滴譜譜型分布

將云中云滴譜按Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型四種譜型進行分類,圖8a—e分別給出了Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型的部分譜型,可見,Ⅲ型、Ⅳ型出現幾率較高。Ⅰ型的譜型為指數型,譜寬最窄,云滴數濃度隨云滴直徑增大單調下降,出現指數型的云內液態(tài)過冷水含量均為10-3量級,LWC較小,主要出現在層積云的中部和頂部。Ⅱ型為單峰型,峰值直徑在5～10 μm之間,出現該譜型時LWC小于0.03 g/m3或大于0.1 g/m3,LWC小于0.03 g/m3時,峰值直徑在5 μm左右,譜寬窄,LWC大于0.1 g/m3時,峰值直徑在10 μm左右,譜寬較寬。Ⅲ型的譜型為雙峰型,根據峰值出現的云滴直徑的不同又分為兩類,第一類(圖8c)第一峰值出現在3 μm處,第二峰值根據LWC的不同峰值差異很大,當LWC小于0.05 g/m3時,第二峰值出現在6 μm左右,當LWC大于0.3 g/m3時,第二峰值在11～12 μm之間。雙峰型第二類(圖8d),該譜型云滴數濃度基本都大于100 cm-3,第一峰值出現在6 μm處,第二峰值出現在9 μm處,峰值直徑及譜型的變化不明顯,不隨LWC的變化而變化。Ⅳ型為多峰型,譜寬最寬。第一、第二峰值出現在云滴直徑分別為3、6 μm處,第三峰值出現在9～11 μm之間,隨LWC的增大峰值直徑變大。

5 結論

1)受槽前西南暖濕氣流和冷空氣的共同影響,700 hPa南支有明顯的水汽輸送,地面受河西走廊到青藏高原東部冷鋒影響,山西出現一次明顯的層狀云降水天氣。雷達PPI回波面積較大,強度介于15～30 dBz之間,成片狀或分片狀。RHI上無融化帶,降水回波特征結構較均勻,高度為6 km左右。

2)探測區(qū)域降水云系由高層云和層積云組成,其中高層云垂直分布不連續(xù),云頂6 000 m,云底3 000 m,層積云高度為2 200～1 250 m,0 ℃層為1 400 m,以冷云降水為主。液態(tài)含水量變化范圍為0～0.42 g/m3。CDP、CIP和PIP觀測到的粒子數濃度偏大,最大數濃度分別為451.93 cm-3、162.78 L-1、44.13 L-1。

3)分析過冷水垂直分布發(fā)現,最大過冷水出現在層積云的上部為0.416 g/m3;本次探測適宜的人工增雨作業(yè)溫度區(qū)間為-11.4～-7 ℃、-4.4～0 ℃。

4)高層云上部顯示基本為體積較小的片狀冰晶,以冰晶的核化和凝華增長為主;高層云的中下部存在空間枝狀冰晶、冰晶聚合體及過冷水滴,為冰雪晶活躍增長層;兩層云之間的干層出現較多柱狀冰晶;層積云存在明顯的過冷水,高層云降落的冰雪晶粒子在層積云進一步長大。

5)層狀云水平分布不均勻特性很明顯。云滴數濃度、云滴平均直徑、CIP探測到粒子數濃度、直徑存在明顯的起伏變化。云滴數濃度與云滴平均直徑成反相關變化,由于水平探測穿越云不同部位,CDP和CIP探測到的粒子數濃度和平均直徑的變化相關性較差。

6)將云中云滴譜按Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型四種譜型進行分類,Ⅰ型的譜型為指數型,主要出現在層積云的中部和頂部;Ⅱ型為單峰型,峰值直徑在5～10 μm之間,出現該譜型時LWC小于0.03 g/m3或大于0.1 g/m3;Ⅲ型的譜型為雙峰型;Ⅳ型為多峰型,譜寬最寬。分析發(fā)現,Ⅲ型、Ⅳ型出現幾率較高。

黨娟,王廣河,劉衛(wèi)國.2009.甘肅省夏季層狀云微物理特征個例分析[J].氣象,35(1):24-36.

樊曙先.2000.層狀云微物理結構演變特征的個例研究[J].寧夏大學學報:自然科學版,21(2):180-182.

范燁,郭學良,張佃國,等.2010.北京及周邊地區(qū)2004年8、9月層積云結構及譜分析飛機探測研究[J].大氣科學,34(6):1187-1200.

黃夢宇,趙春生,周廣強,等.2005.華北地區(qū)層狀云微物理特性及氣溶膠對云的影響[J].南京氣象學院學報,28(3):361-368.

金華,王廣河,游來光,等.2006.河南春季一次層狀云降水云物理結構分析[J].氣象,52(10):3-10.

李鐵林,雷恒池,劉艷華,等.2010.河南春季一次層狀冷云的微物理結構特征分析[J].氣象,36(9):74-80.

李照榮,李榮慶,李寶梓.2003.蘭州地區(qū)秋季層狀云垂直微物理特征分析[J].高原氣象,22(6):583-589.

劉瑩瑩,牛生杰,封秋娟,等.2012.一次積層混合云的形成過程和微物理觀測[J].大氣科學學報,35(2):186-196.

彭亮,姚展予,戴進,等.2007.河南春季一次云降水過程的宏微觀物理特征分析[J].氣象,33(5):4-11.

楊文霞,牛生杰,魏俊國,等.2005.河北省層狀云降水系統(tǒng)微物理結構的飛機觀測研究[J].高原氣象,24(1):84-90.

于翡,姚展予.2009.一次積層混合云降水實例的數值模擬分析[J].氣象,35(12):3-11.

張佃國,郭學良,付丹紅,等.2007.2003年8—9月北京及周邊地區(qū)云系微物理飛機探測研究[J].大氣科學,31(4):597-610.

張佃國,樊明月,龔佃利,等.2010.一次降水性積層混合云系的微物理特征分析[J].大氣科學學報,33(4):497-503.

張佃國,姚展予,龔佃利,等.2011.環(huán)北京地區(qū)積層混合云微物理結構飛機聯(lián)合探測研究[J].大氣科學學報,34(1):109-121.

Field P R.2000.Bimodal ice spectra in frontal clouds[J].Quart J Roy Meteor Soc,126:379-392.

Heymsfield A J.1975.Cirrus uncinus generating cells and the evolution of cirriform clouds.Part Ⅰ:Aircraft observations of the growth of the ice phase[J].J Atmos Sci,32:799-808.

Heymsfield A J.2002.Observations and parameterizations of particle size distributions in deep tropical cirrus and stratiform precipitating clouds:Results from in situ observations in TRMM field campaigns[J].J Atmos Sci,59(24):3457-3491.

Hobbs P V,Rangno A L.1985.Ice particle concentrations in clouds[J].J Atmos Sci,42(23):2523-2549.

Kajikawa M,Heymsfield A J.1989.Aggregation of ice crystals in cirrus[J].J Atmos Sci,46:3108-3121.

Lawson R P,Stewart R E,Strapp J W,et al.1993.Aircraft observations of the origin and growth of very large snowflakes[J].Geophys Res Lett,20:53-56.

(責任編輯：張福穎)

MicrophysicalcharacteristicsofspringprecipitationcoldstratiformcloudsinShanxiProvince

FENG Qiu-juan1,LI Pei-ren1,HOU Tuan-jie2,SHEN Dong-dong1,LIU Wei3,JIN Li-jun1

(1.Weather Modification Office of Shanxi Province,Taiyuan 030032,China;2.Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;3.Shanghai Supply and Delivery Division,Shanghai 200050,China)

Based on the weather and data from meteorological satellites and radars,the macrophysical and microphysical characteristics of the stratiform cloud in Shanxi Province on 11 March 2009 were analyzed by using droplet measurement technology(DMT).The results showed that precipitation clouds were composed of altostratus and stratocumulus.Content of liquid water ranged from 0 to 0.42 g/m3.Particle concentrations observed by cloud droplet probe(CDP)and cloud imaging probe(CIP)were large,whose maximum values were 451.93 cm-3and 162.78 L-1respectively.Suitable temperature ranges for seeding were from-11.4 to-7 ℃ and from-4.4 to 0 ℃.The upper portion of altostratus was the nucleating and sublimation growth area.The mid and lower portions of altostratus was the active growth layer of ice crystals.Ice crystals from altostratus grew up by sublimation and coagulation in the stratocumulus.The spatial distribution of stratiform cloud microphysical parameters was uneven.The cloud droplet spectra were mainly of two-peak and multi-peak distributions.In the middle and top portions of stratocumulus,the spectra were exponential.When liquid water concentration(LWC) was less than 0.03 g/m3or larger than 0.1 g/m3,the spectra were unimodal.

cold stratiform clouds;microphysical property;aircraft observation

2012-11-03；改回日期2013-04-12

山西省青年科學研究基金(2011021034)；中國氣象局云霧物理環(huán)境重點開放實驗室開放科研課題(2009002)；公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201306065)；山西省氣象局一般課題(SXKYBRY20147825)

封秋娟，工程師，研究方向為云降水物理與人工影響天氣，fqj119818@163.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121103005.

1674-7097(2014)04-0449-10

P426.5

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121103005

封秋娟,李培仁,侯團結，等.2014.山西春季一次層狀冷云的微物理結構特征[J].大氣科學學報,37(4):449-458.

Feng Qiu-juan,Li Pei-ren,Hou Tuan-jie,et al.2014.Microphysical characteristics of spring precipitation cold stratiform clouds in Shanxi Province[J].Trans Atmos Sci,37(4):449-458.(in Chinese)