楊文霞 胡朝霞 董曉波 鄧育鵬

摘要利用飛機(jī)、雷達(dá)、衛(wèi)星觀測(cè)資料，對(duì)2014年5月1日08時(shí)—2日08時(shí)河北省一次降水性層狀云結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行綜合觀測(cè)分析。結(jié)果表明本次過程降水云大致分為3層：4 200～2 850 m為冷暖云結(jié)構(gòu)，2 162～2 174 m為十幾米厚的純暖云，近地面層121～265 m有粒子濃度較低（量級(jí)為101cm-3）的暖云。降水開始前存在較明顯的催化云—供給云結(jié)構(gòu)，降水開始后高層對(duì)低層有催化作用。人工增雨潛力區(qū)主要位于3 100～4 000 m，對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波強(qiáng)度為20～30 dBz，且雷達(dá)回波強(qiáng)度垂直梯度明顯變小。對(duì)不同高度的云微物理量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，云底的液態(tài)水含量和云滴濃度與氣溶膠濃度具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，過冷水含量與云滴濃度相關(guān)性達(dá)到0434，云凝結(jié)核濃度在冷云中與溫度相關(guān)性較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0717。

關(guān)鍵詞降水性層狀云；微物理結(jié)構(gòu)；相關(guān)性

云結(jié)構(gòu)是研究討論云中降水物理過程的基礎(chǔ)，是云產(chǎn)生降水與否的基本條件，外場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)是云物理學(xué)和人工影響天氣的重要組成部分（游來光，1991）。層狀云系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，垂直方向上變化起伏小，降水機(jī)制非常復(fù)雜，觀測(cè)研究層狀云的水物質(zhì)對(duì)中國北方地區(qū)開展人工增雨作業(yè)至關(guān)重要（王秀娟等，2014）。1950 年，Bergeron（1950）提出“播種云—供應(yīng)云”機(jī)制，播種云一般是卷層云，供應(yīng)云一般是濃密的層狀云，當(dāng)供應(yīng)云受到冰雪晶粒子的播種后，云內(nèi)通過云水碰凍、云冰碰連和雪晶的轉(zhuǎn)化使降水強(qiáng)度明顯增加。中國北方的層狀云系觀測(cè)研究始于20世紀(jì)60年代，顧震潮（1980）在20世紀(jì)60年代提出層狀云系降水粒子形成概念模型，模型突出了層狀云系降水的特點(diǎn)，較完整地闡明播種云與供應(yīng)云之間的關(guān)系。近年來國內(nèi)、外開展了一系列層狀云結(jié)構(gòu)的觀測(cè)研究，牛生杰等（1992，1995）對(duì)寧夏降水性層狀云的微結(jié)構(gòu)和水凝物粒子譜分布進(jìn)行了觀測(cè)研究，Hobbs and Rangno（1998）認(rèn)為云的相態(tài)更多的和云發(fā)展的階段而不是溫度相關(guān)。 Korolev et al.（2003）發(fā)現(xiàn)加拿大鋒面層狀云系過冷云水含量隨溫度降低而減小。Andrew et al.（2012）利用5個(gè)月260 h的飛機(jī)資料分析了大范圍連續(xù)性邊界層云的微物理特征以及氣溶膠對(duì)氣候影響研究。Yum et al.（2015）研究層積云的微物理結(jié)構(gòu)與夾卷和混合機(jī)制的關(guān)系，我國許多學(xué)者對(duì)北方不同區(qū)域降水性層狀云的微物理結(jié)構(gòu)和降水機(jī)制進(jìn)行過大量觀測(cè)研究（楊文霞等，2005；胡朝霞等，2007；范燁等，2010；侯團(tuán)結(jié)等，2011；張佃國等，2011；洪延超，2012；彭沖等，2016）。近年來隨著觀測(cè)資料同化技術(shù)的提高，對(duì)人工增雨降水機(jī)制和效果檢驗(yàn)的觀測(cè)研究發(fā)展較快，蔡兆鑫等（2013）觀測(cè)到同一塊云催化前、后的物理變化和地面降水增加。楊文霞等（2014）對(duì)河北一次西風(fēng)槽過程的過冷水分布特征進(jìn)行了觀測(cè)研究。孫晶等（2015）通過數(shù)值試驗(yàn)提出了人工增雨模式物理量識(shí)別指標(biāo)。王元等（2017）利用三架飛機(jī)聯(lián)合探測(cè)資料分析層積混合云催化物理效應(yīng)，在4 800 m層捕捉到嵌入式積云區(qū)的催化響應(yīng)，人工播撒AgI會(huì)促進(jìn)該層云的消散過程，催化后1 h內(nèi)云區(qū)占比由71%降至13%，云中液態(tài)含水量持續(xù)減少且趨于均勻分布，淞附與聚合增長(zhǎng)為主要冰相微物理過程，云滴譜先變窄，后因HM冰晶淞附繁生而拓寬，在云的中下層則受上層催化影響而產(chǎn)生旺盛云區(qū)，10 min 內(nèi)該層云區(qū)范圍顯著擴(kuò)大，云滴及冰相粒子尺度均增加一倍，同時(shí)旺盛云區(qū)自上而下擴(kuò)展。這些研究成果對(duì)云物理學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。但是針對(duì)典型降水性層狀云的觀測(cè)研究仍然需要不斷深入，有價(jià)值的觀測(cè)資料仍然較難獲得，通過對(duì)大量典型降水性層狀云個(gè)例的分析，能提高對(duì)降水云結(jié)構(gòu)和降水機(jī)理的規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。

2014年5月1日08時(shí)—2日08時(shí)，河北省受高空后傾槽—地面冷鋒天氣過程影響，被大范圍層狀云覆蓋，自西北向東南出現(xiàn)降水，5月1日15：32—18：26（北京時(shí)間，下同）在冀西北地區(qū)實(shí)施增雨探測(cè)飛行一架次，探測(cè)飛機(jī)為夏延ШA型，機(jī)上攜帶PMS系列儀器（每年在中國科學(xué)院進(jìn)行標(biāo)定），包括FSSP探頭（量程：2～47 μm）、二維光陣灰度云粒子探頭（簡(jiǎn)稱2DC，量程：25～1 550 μm）和二維光陣灰度降水粒子探頭（簡(jiǎn)稱2DP，量程：150～9 300 μm），氣溶膠探頭（簡(jiǎn)稱PASCA，量程：01～3 μm）和云凝結(jié)核探頭（簡(jiǎn)稱CCN，量程：07～10 μm）。本文采用Hobbs（1974）的判據(jù)，當(dāng)FSSP 儀測(cè)到粒子濃度大于10/cm3時(shí)判斷為入云區(qū)，結(jié)合衛(wèi)星、雷達(dá)等資料對(duì)本次降水性層狀云的結(jié)構(gòu)特征和微物理量相關(guān)性進(jìn)行分析。

1天氣過程與飛行設(shè)計(jì)

如圖1所示，2014年5月1日08時(shí)500 hPa在河套西部有一南北向的高空槽，同時(shí)在河套中部700 hPa有相應(yīng)的高空槽與之配合，從天氣系統(tǒng)的位置分析為后傾形式，此時(shí)河北省受高壓脊控制；到1日20時(shí)500 hPa高空槽快速東移到山西的西部，與之相配合的700 hPa高空槽北部已經(jīng)進(jìn)入河北省的西北部，同時(shí)兩層系統(tǒng)都存在明顯的高空急流，600 hPa以下水汽條件較好。從地面系統(tǒng)分析，1日08時(shí)在內(nèi)蒙古中部到陜西北部的鋒面自西北向東南方向移動(dòng)，給河北省帶來降水，到2日08時(shí)，高空和地面天氣系統(tǒng)已經(jīng)東移到河北省的東部地區(qū)，大部分地區(qū)降水停止。圖2為本次過程層狀云衛(wèi)星圖像，云層不均勻，包含云團(tuán)和云帶，張家口上空云帶處于發(fā)展中。

河北西北部從1日下午16：30左右開始出現(xiàn)降水，到20時(shí)，西北部降水開始減弱為零星降水，從1日20時(shí)張家口的探空資料（圖略）可見，500 hPa有急流，600 hPa以下水汽條件較好，但500 hPa至600 hPa已經(jīng)出現(xiàn)干層。國家站的資料顯示（圖略），本次降水過程在張家口普遍為2 mm以下的小雨，只在康保出現(xiàn)中雪。

2014年5月1日15：32—18：26河北省人影辦在冀西北地區(qū)實(shí)施增雨探測(cè)飛行一架次，飛行探測(cè)區(qū)域位于張家口市、張北縣、萬全縣、懷安縣和蔚縣一帶（圖3），飛行時(shí)間較長(zhǎng)，非常可惜的是，本次個(gè)例15：32—15：56長(zhǎng)達(dá)24 min的記錄丟失，即丟失了飛機(jī)上升階段的所有信息，飛機(jī)升高到4 620 m附近后，對(duì)4 600～3 000 m冷云層做了垂直探測(cè)，之后在4 000 m附近做了長(zhǎng)時(shí)間的平飛。

17：59飛機(jī)返回到保定市曲陽縣上空后開始盤旋下降，對(duì)4 200 m以下云層進(jìn)行了濃厚的垂直探測(cè)，平飛過程中進(jìn)行了人工催化（催化時(shí)間為16：24—18：00）。配合天氣系統(tǒng)分析，本次飛行時(shí)機(jī)掌握非常好，飛機(jī)于15：32由石家莊機(jī)場(chǎng)起飛，到達(dá)張家口地區(qū)后，探測(cè)和催化區(qū)恰好位于700 hPa槽線近槽附近（500 hPa槽線后傾），17：00左右張家口地區(qū)開始降水，地面普降小雨，飛機(jī)迎著槽線移動(dòng)方向邊返航邊播撒，播撒時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一個(gè)半小時(shí)，播撒高度為4 200 m高度附近，催化時(shí)云內(nèi)溫度為-6～-71 ℃。

2云的垂直結(jié)構(gòu)特征

21高層冷云探測(cè)

2014年5月1日16：13—16：17飛機(jī)在張家口市宣化區(qū)和陽原縣上空自4 530 m高空垂直下降至3 293 m，對(duì)3 300～4 000 m高層冷云（-09～-8 ℃）進(jìn)行垂直探測(cè)，其垂直結(jié)構(gòu)如圖4所示。

探測(cè)結(jié)果表明，3 300～4 000 m高層冷云厚近700 m（-09～-8 ℃），3 800～3 954 m存在154 m厚的干層；云滴數(shù)濃度較高，平均值為1375 cm-3，峰值（801 cm-3）位于3 621 m處；冷云區(qū)含水量非常豐富，平均值為0017 g/m3，過冷水（簡(jiǎn)稱IWC）的峰值（013 g/m3）發(fā)生高度與云滴濃度峰值基本對(duì)應(yīng)，3 600～3 700 m存在一個(gè)2 ℃的較強(qiáng)逆溫層，LWC峰值位于該逆溫層的層頂；云滴均立方根直徑平均值為467 μm，在3 400 m和3 300 m高度附近存在兩個(gè)20 μm以上的大值區(qū)。

大粒子濃度和均立方根直徑大值區(qū)位于冷云頂部3 680～3 800 m，并且3 900 m高度同時(shí)出現(xiàn)降水粒子濃度的峰值，為32 L-1，3 300～3 600 m高度降水粒子濃度較大，降水粒子均立方根直徑表現(xiàn)為隨高度下降不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大值為1 300 μm。

氣溶膠從地面至3 600 m高度為減少趨勢(shì)，3 600～3 800 m為增長(zhǎng)趨勢(shì)，數(shù)濃度峰值達(dá)到15×109 m-3，之后隨高度增加總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，氣溶膠濃度的低值高度與云滴濃度和過冷水含量的峰值發(fā)生高度相一致；CCN濃度從地面至3 400 m高度快速衰減，3 400～3 700 m為增長(zhǎng)趨勢(shì)，3 700 m后整體表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，但是在3 900 m出現(xiàn)1 300 m-3的峰值，與降水粒子濃度峰值出現(xiàn)的高度相一致。

此時(shí)探測(cè)區(qū)域位于700 hPa高空槽線附近，云層處于降水前期，冷云中“催化云—供給云”結(jié)構(gòu)已經(jīng)建立，可以認(rèn)為3 680～3 800 m為催化云，3 300～3 600 m為供給云，催化云中具有冰晶含量（2DC粒子）高，過冷水被快速消耗，存在明顯貝吉龍過程等特征，催化云中冰晶粒子下降進(jìn)入過冷水含量豐富的供給云后，降水粒子隨高度下降尺度快速增長(zhǎng)。

16：30左右張家口地區(qū)地面普降小雨，飛機(jī)在張北、萬全、蔚縣一帶進(jìn)行催化作業(yè)，17：59飛機(jī)返回到保定市唐縣上空后開始盤旋下降，對(duì)4 200 m以下云層進(jìn)行了深厚垂直探測(cè)。

22返航下降階段垂直探測(cè)結(jié)構(gòu)

17：59飛機(jī)回到保定市唐縣上空后開始盤旋下降，對(duì)4 200 m以下云層進(jìn)行了垂直探測(cè)，對(duì)17：59—18：29（4 220～124 m）云的垂直結(jié)構(gòu)（圖5）進(jìn)行分析，由于本次過程石家莊市多普勒雷達(dá)故障，僅獲得張家口和北京市雷達(dá)資料（圖3b）。

圖5顯示，下降階段探測(cè)到的層分為3層，4 200～2 850 m為冷暖云結(jié)構(gòu)，云底的確定考慮了Hobbs（1974）的判據(jù)，并結(jié)合云滴濃度與氣溶膠濃度反相位關(guān)系最大值出現(xiàn)的高度，認(rèn)為云底位于2 850 m附近，零度層位于3 100 m附近，暖云厚約450 m，以5 dBz雷達(dá)回波頂高代替冷云頂高，則冷云厚約為2 000～5 000 m。冷暖云中云滴數(shù)濃度平均值為2290 cm-3，干層消失。過冷水含量平均值0046 g/m3，最大值0247 g/m3位于3 546 m（-228 ℃）。云滴的均立方根直徑平均值為1218 μm，云滴均立方根直徑最大值位于零度層附近，相比第一次垂直探測(cè)時(shí)都得到顯著增長(zhǎng)。2 162～2 174 m有一層十幾米厚的暖云，近地面層121～265 m有粒子濃度較低（10 cm-3）的暖云，暖云中5～10 μm小云滴含量較高。

大粒子數(shù)濃度兩個(gè)峰值分別位于3 861 m（95 155 L-1）和3 052 m（21 388 L-1），均立方根直徑兩個(gè)峰值分別位于4 215 m（4678 μm）和3 051 m（3359 μm）。降水粒子濃度的兩個(gè)峰值分別位于4 214 m（1664 L-1）和3 612 m（2730 L-1），均立方根直徑的三個(gè)峰值分別位于4 219 m（1 2315 μm）、3 603 m（1 269 μm）和3 437 m（596 μm），表明冷云增長(zhǎng)過程很強(qiáng)，4 215 m高度附近貝吉龍過程較強(qiáng)烈，相應(yīng)的過冷云水消耗較大，含量較低。

CCN的兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在2 334 m（3 778 m-3）和1 837 m（3 989 m-3），與2 162～2 174 m薄暖云對(duì)應(yīng)的CCN濃度較高，例如2 169 m（3 520 m-3），與近地面層265～121 m暖云相對(duì)應(yīng)的CCN濃度也較高，位于1 000～2500 m-3，CCN在暖云的凝結(jié)過程中起著重要作用。氣溶膠的最大峰值位于1 855 m（448×109 m-3），與CCN濃度的最大值出現(xiàn)高度相一致，氣溶膠粒子濃度的變化趨勢(shì)與CCN較一致。本次過程中氣溶膠粒子均立方根直徑較大，位于25 μm附近。

綜上所述冷云中大粒子濃度峰值出現(xiàn)在3 800 m附近，3 800～3 400 m大粒子濃度不斷降低的同時(shí)降水粒子（2DP）得到快速增長(zhǎng)，可以觀測(cè)到降水開始后高層云對(duì)低層云具有催化作用。3 100～3 800 m冷云區(qū)過冷水含量豐富，冰晶含量較低，是人工增雨潛力較大區(qū)域，此區(qū)域的雷達(dá)回波為20～30 dBz，并且垂直方向梯度明顯變?。▓D3b），飛機(jī)觀測(cè)結(jié)果與雷達(dá)回波強(qiáng)度垂直結(jié)構(gòu)一致。

3云的微物理量相關(guān)性

為進(jìn)一步分析云微物理過程的相互作用和相互影響，選取云凝結(jié)核濃度、溫度、液態(tài)水含量和云滴濃度，對(duì)上述4種云微物理量在云底、零度層附近和海拔4 200 m的冷云進(jìn)行相關(guān)性分析。云底選取下降階段2 900～2 800 m資料，零度層附近選取下降階段平飛記錄較長(zhǎng)的3 026～3 060 m資料，選取進(jìn)入下降階段前5 min內(nèi)海拔4 200 m冷云平飛資料進(jìn)行分析，相關(guān)性分析軟件使用“統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案”軟件（Statistical Product and Service Solutions，簡(jiǎn)稱SPSS），對(duì)7組云微物理量在不同高度的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

云凝結(jié)核濃度和氣溶膠濃度在云底和冷云為負(fù)相關(guān)，在零度層附近為正相關(guān)，二者相關(guān)性較低，整體變化為0105～0166。液態(tài)水含量和云滴濃度在暖云里的相關(guān)系數(shù)較大，在冷云內(nèi)相關(guān)系數(shù)明顯降低，整體變化為0434～0965。液態(tài)水含量和氣溶膠濃度在暖云內(nèi)為負(fù)相關(guān)，在云底相關(guān)性最強(qiáng)，在冷云內(nèi)為正相關(guān)，整體變化為0082～0859。云滴濃度和氣溶膠濃度在暖云內(nèi)為負(fù)相關(guān)，在云底相關(guān)性最強(qiáng)，在冷云內(nèi)為正相關(guān)，整體變化為0181～0863。液態(tài)水含量和溫度在云底和冷云內(nèi)為負(fù)相關(guān)，在零度層附近為正相關(guān)，并且相關(guān)性較強(qiáng)，整體變化為0181～0419。云凝結(jié)核濃度和溫度的相關(guān)性隨高度增加而增加，在暖云內(nèi)為負(fù)相關(guān)，在冷云內(nèi)相關(guān)性較強(qiáng)達(dá)到0717，整體變化為0398～0717。云凝結(jié)核濃度和液態(tài)水含量為負(fù)相關(guān)，隨著云層高度增加相關(guān)性有所加強(qiáng)，整體變化為0095～0007。

綜上所述，云底的液態(tài)水含量和云滴濃度與氣溶膠濃度具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，過冷水含量與云滴濃度相關(guān)性達(dá)到0434，云凝結(jié)核濃度在冷云中與溫度相關(guān)性較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0717。

4結(jié)論與討論

1）700 hPa高空槽線附近的冷云處于降水前期，已經(jīng)建立“催化云—供給云”結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為3 680～3 800 m為催化云，3 300～3 600 m為供給云，降水粒子尺度隨高度下降持續(xù)增長(zhǎng)。

2）降水后云大致分為3層：4 200～2 850 m為冷暖云結(jié)構(gòu)，2 162～2 174 m為十幾米厚的純暖云，近地面層121～265 m有粒子濃度較低（cm-3）的暖云，云內(nèi)各項(xiàng)微物理指標(biāo)明顯加強(qiáng)，干層消失，降水開始后高層對(duì)低層有催化作用。

3）人工增雨潛力區(qū)主要位于3 100～4 000 m云內(nèi)，該區(qū)間LWC含量高，大粒子少，對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波強(qiáng)度為25～30 dBz，且雷達(dá)回波強(qiáng)度垂直梯度明顯變小。

4）孫晶等（2015）參考以往研究成果，認(rèn)為應(yīng)從如下幾個(gè)方面考慮增雨作業(yè)條件：云降水處于發(fā)展或持續(xù)階段、云底較低、出現(xiàn)“催化—供給”等冷、暖云配置適宜結(jié)構(gòu)，一般地面出現(xiàn)降水或微弱的降水，即降水機(jī)制已經(jīng)建立。此時(shí)，當(dāng)云中符合有上升運(yùn)動(dòng)、有過冷水并且冰晶濃度較低時(shí)，具有增雨條件。本次過程槽線附近的層狀云符合上述增雨條件，潛力區(qū)水平分布較寬。

5）對(duì)不同高度的云微物理量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明：云底的液態(tài)水含量和云滴濃度與氣溶膠濃度具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)；冷云中過冷水含量與云滴濃度相關(guān)性達(dá)到0434；云凝結(jié)核濃度在冷云中與溫度相關(guān)性較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0717。

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