張 元, 范思睿, 劉曉璐, 王維佳, 王 欽, 耿 蔚

(1.四川省人工影響天氣辦公室,四川 成都 610072;2.中國民航飛行學(xué)院廣漢分院,四川 廣漢 618307;3.四川省氣象災(zāi)害防御中心,四川 成都 610072)

0 引言

由于天氣系統(tǒng)、地形的不同,以及受熱力和動力條件的共同作用,云的宏微觀結(jié)構(gòu)存在多變性和復(fù)雜性。目前通過地面觀測、雷達(dá)和衛(wèi)星等常規(guī)觀測手段,已獲得了大量云降水宏觀特征的研究成果。 飛機(jī)觀測是探測云微物理結(jié)構(gòu)和特征的主要手段,為提高人工播云催化的效果和成功率以及對云微物理特征有更詳細(xì)的了解,20 世紀(jì)80 年代開始,中國許多學(xué)者利用飛機(jī)探測資料對云、降水微物理結(jié)構(gòu)特征、降水形成機(jī)制及可播性進(jìn)行研究[1-6],郭學(xué)良等[7]對中國云降水物理飛機(jī)觀測研究進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié),發(fā)現(xiàn)積層混合云中對流泡區(qū)含有更多的過冷水,淞附增長起重要作用,符合“播撒供給”降水的形成機(jī)制,中國北方冬季降雪過程的形成機(jī)制主要是凝華聚并機(jī)制。 陶樹旺等[8]研究給出了利用PMS 觀測資料確定人工增雨可播度的指標(biāo)。在對云的宏微觀物理特征及云結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上,部分學(xué)者越來越關(guān)注播云催化前后所產(chǎn)生的物理效應(yīng)并取得了一定的進(jìn)展[9]。 周德平等[10]通過對1995 年遼寧省一次個(gè)例催化前后分析,發(fā)現(xiàn)播云后云中各粒子譜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,云滴譜小滴端明顯下降,大值端上升,作業(yè)層下部數(shù)密度明顯減少。 辛樂等[11]對河北一次飛機(jī)播云過程進(jìn)行分析,認(rèn)為播云后液水含量明顯降低,冰晶減少,降水粒子明顯增加。 近年來,部分研究利用飛機(jī)觀測數(shù)據(jù)與其他觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。趙增亮[12]將典型的層積云的飛機(jī)探測結(jié)果與衛(wèi)星資料對比分析,認(rèn)為中國利用粒子測量系統(tǒng)的譜分布資料計(jì)算云的含水量結(jié)果是合理的。 李冬楠等[13]利用飛機(jī)探測資料及多種常規(guī)氣象數(shù)據(jù),分析了一次東北冷渦的云宏微觀特征。 封秋娟等[14]針對山西省2010年5 月27 日一次層狀云降水過程,分析了云微物理特征,并對空中和地面雨滴譜進(jìn)行比較。 蔡兆鑫等[15]利用飛機(jī)觀測和播云資料,結(jié)合衛(wèi)星雷達(dá)等觀測資料,發(fā)現(xiàn)云的可播性與雷達(dá)回波有一定的對應(yīng)關(guān)系。 王維佳等[16]分析了四川盆地云系的物理特征和降水機(jī)制,但由于探測手段的限制,對四川地區(qū)云宏微物理特征的研究依舊不足。 本文針對2019 年12 月18 日在四川盆地東北部上空開展的一次外場試驗(yàn),結(jié)合衛(wèi)星等氣象數(shù)據(jù),分析了四川盆地層狀降水云消散期的云微物理特征。 進(jìn)一步認(rèn)識盆地不同發(fā)展階段的降水云系結(jié)構(gòu),為今后的人工增雨作業(yè)提供一定的參考。

1 天氣形勢及飛行概況

2019 年12 月17 日晚至18 日上午,500 hPa高空圖顯示,在中高緯度,從烏拉爾山到東北亞地區(qū)為兩槽一脊的形勢,四川地區(qū)為短波槽控制,槽后伴隨有強(qiáng)冷平流。 700 hPa與500 hPa一致,整個(gè)華北地區(qū)為偏北氣流,冷平流明顯,長江以南地區(qū)為強(qiáng)勁的西南氣流控制,暖平流明顯。 偏北風(fēng)與西南風(fēng)形成的東西向冷式切變自陜西向四川伸展,盆地內(nèi)表現(xiàn)為輻合形勢,配合相對濕度在90%以上。 850 hPa等溫線密集區(qū)已位于四川以北,在盆地內(nèi)有強(qiáng)烈的氣旋式輻合,在地面有冷鋒配合(圖略)。 本次天氣過程是在鋒面氣旋影響下引起盆地大范圍降水,在飛機(jī)探測時(shí)段,降水云系主體已處于消散期,對應(yīng)地面仍有少量降水。

利用2019 年12 月18 日在四川盆地東北部上空開展的一次外場試驗(yàn)資料,探測飛機(jī)采用的是新舟B-3726 飛機(jī),飛機(jī)搭載的是DMT 粒子測量系統(tǒng),使用的探頭有云粒子探頭(CDP),主要測量2 ～50 μm的小云粒子、二維冰晶粒子探頭(CIP),主要測量25 ～1550 μm的大云粒子及冰雪晶粒子、二維降水粒子探頭(PIP),主要測量100 ～6200 μm的云和降水粒子以飛機(jī)綜合氣象要素測量系統(tǒng)探頭(AIMMS20),測量溫度、氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、飛行經(jīng)緯度、飛行高度等。

飛機(jī)10:00 從廣漢機(jī)場起飛,地面溫度8.2 ℃,探測的最高高度4840 m,溫度-15.2 ℃,起飛后飛機(jī)持續(xù)爬升,10:40 飛至德陽市上空,高度升至4550 m左右后開始平飛,途經(jīng)遂寧、南充、廣安,11:47 到達(dá)州上空升至4830 m左右,繼續(xù)平飛,到達(dá)達(dá)州宣漢縣后以又字形飛行,經(jīng)廣安岳池、廣安縣,巴中南江縣,遂寧射洪縣,南充縣,到廣元旺蒼縣,13:48 到廣元劍閣縣開始下降,并返回廣漢。 飛機(jī)航線見圖1。 整個(gè)飛機(jī)過程中云層均為穩(wěn)定性層狀云系,空氣濕度大,0 ℃層在1936 m,此次降水過程為冷云降水。 圖2 為探測溫度和高度隨時(shí)間的變化曲線。

圖1 2019 年12 月18 日飛行軌跡圖

圖2 飛行過程溫度和高度變化

2 FY-4A 衛(wèi)星資料分析

本文使用Rosenfeld 等[17]的衛(wèi)星反演方法,根據(jù)RGB 合成顏色判斷云類型,并根據(jù)Re隨T的變化曲線,即T-Re圖,用于分析云中垂直結(jié)構(gòu)。 其中T為衛(wèi)星反演的云頂溫度,Re為反演的云頂有效粒子半徑[18]。 圖3 為2019 年12 月18 日10 時(shí)FY-4A衛(wèi)星RGB 合成圖及對應(yīng)區(qū)域的T-Re廓線圖,觀測區(qū)域大部分地區(qū)有云系覆蓋,主體為粉紅色云(1 區(qū))和黃色(2 區(qū)) 云區(qū), 1 區(qū)云頂溫度-6 ℃ ～ -19 ℃,Re6 ～37.4 μm,根據(jù)Re和T的大小此區(qū)域?yàn)樵频屋^大或冰晶數(shù)量較充分的冷云區(qū),可有效啟動碰并增長和進(jìn)行冰水轉(zhuǎn)化過程[18],此云區(qū)所在的達(dá)州和廣安等地區(qū)域自動站已監(jiān)測到降水,部分站點(diǎn)小時(shí)雨量超過1 mm,說明1 區(qū)與地面降水有較好的對應(yīng)關(guān)系;2 區(qū)云區(qū)主要為淡黃色和淡粉色,云頂溫度為-7 ℃ ～-16 ℃,Re大部分在5 ～10 μm,最大達(dá)18.7 μm,與區(qū)域1 相比,云頂溫度和Re均小很多,淡黃色和淡粉色云區(qū)主要為過冷水區(qū),云滴有效半徑較小,云粒子主要是通過凝結(jié)增長,-dRe/dT值較小,說明水汽和液水條件不是很好,區(qū)域2 云區(qū)對應(yīng)的南充、巴中等地地面降水較少。

圖3 2019 年12 月18 日10:00 FY4 衛(wèi)星GRB 合成圖和T-Re 分布圖(紅色框?yàn)門-Re 圖所選云區(qū))

3 云微物理量隨高度的變化特征

利用飛機(jī)爬升階段的探測資料研究云系的垂直結(jié)構(gòu)。 圖4 給出了CDP、CIP、PIP 3 個(gè)探頭觀測到粒子數(shù)濃度及粒子直徑的垂直分布,探測高度范圍為426 ～4838 m。 由圖4(a)看見,CDP 探測到小云粒子濃度在0.035 ～338.318 個(gè)/cm3,粒子直徑范圍2.5 ～49 μm,3000 ～4800 m高度云滴數(shù)濃度較大,在2000 m高度以下有云滴密集區(qū),云滴濃度范圍在10 個(gè)/cm3左右。4200 m以下粒子直徑變化小,基本在10 μm 以下,4200 m以上粒子尺度分布在0 ～50 μm,CIP 探測到粒子濃度為4.17×10-5～ 18. 203 個(gè)/cm3,粒子直徑為25.32 ～1547.18 μm,2500 ～3500 m粒子數(shù)濃度量級分布在10-4～102個(gè)/cm3,粒子尺度范圍主要集中在200 μm左右,在4550 m及4830 m高度左右粒子數(shù)濃度量級變化大部分在10-4～10 個(gè)/cm3,粒子尺度跨度較大。 PIP 探測的粒子濃度范圍為3.28×10-6～0.408個(gè)/cm3,粒子直徑為104.23 ～5525.68 μm,顯示2500 ～3500 m粒子數(shù)濃度量級分布在10-6～10-2個(gè)/cm3,粒子直徑基本小于500 μm,在4550 m及4830 m左右粒子數(shù)濃度量級為10-6～10-2個(gè)/cm3,粒子尺度跨度也較大,可以看到隨著高度增加,粒子濃度及粒子直徑范圍均變大。張正國等[3]研究的廣西秋季層狀云典型的微物理垂直結(jié)構(gòu)特征為云下層云滴數(shù)濃度、平均直徑和液態(tài)水含量隨高度逐步增加,由于逆(等)溫層、上升氣流減弱、湍流等因素影響,云中上層云微物理量達(dá)最大值后隨高度減小。 本文研究結(jié)果與其較為一致,但由于飛機(jī)是在爬升階段做的垂直探測,過程水平距離比較大,獲得的垂直探測數(shù)據(jù)并不在垂直線上,因此垂直探測數(shù)據(jù)代表性不是特別理想。

圖4 云微物理量垂直分布

圖5 為不同高度探測到的二維粒子圖像。 在2741 m和3044 m高度上,溫度-5 ℃左右時(shí),測到的粒子大多為球狀粒子,說明粒子主要為過冷水滴或小冰晶粒子,這個(gè)高度上,過冷水滴不斷蒸發(fā),冰晶不斷凝華增大,貝吉龍過程活躍,促進(jìn)過冷水向冰晶轉(zhuǎn)化。 在4568 m、4831 m均測到的是冰晶粒子,主要是枝狀冰晶和寬枝冰晶,溫度在-12 ℃～ -15 ℃,粒子形態(tài)清晰,隨著高度增加,冰晶越大,主要以凝華增長為主。

圖5 不同高度的二維粒子圖像

4 云微物理量隨時(shí)間的變化特征

圖6 給出了整個(gè)探測時(shí)段內(nèi)云微物理參量隨時(shí)間的變化。 包括LWC、CDP 探測的云中粒子數(shù)濃度、有效粒子直徑;CIP 探測的云中大粒子數(shù)濃度,有效粒子直徑;以及PIP 測得的云中降水粒子數(shù)濃度和有效直徑。 LWC 平均值為0.012 g/m3, 最大值為0.453 g/m3,含水量較大,但分布不均勻,呈現(xiàn)多峰分布,有很大一部分沒有探測到過冷水。 主要中間存在的干層容易造成云滴或雨滴的蒸發(fā),不利于降水的形成。 整個(gè)探測時(shí)段內(nèi)均有測到小云粒子,大多在2～49 μm。 10:35-10:38、11:04-11:18、12:04-12:08、12:17-12:22這幾個(gè)時(shí)間段小云粒子濃度和直徑均有明顯增加,CDP-N 與LWC 有比較好的對應(yīng),入云時(shí)起伏變化比較明顯,整個(gè)探測時(shí)段內(nèi)小云粒子有效直徑大多在10 μm以內(nèi),在LWC 大值區(qū)均有明顯增加,此時(shí)處在云中含水量豐富,有利于小云粒子通過凝結(jié)增長及碰并機(jī)制等長大,促進(jìn)降水產(chǎn)生。 CIP 探測到粒子水平分布起伏較大,數(shù)濃度極值間相差3 個(gè)量級,粒子尺度存在較大的起伏,最大值為1547 μm,在10:35-10:38、11:04-12:08、12:17-12:22、12:45-12:48這幾個(gè)時(shí)間段均有探測到比較多的大云粒子,CIP-N 和CIP-ED 有比較好的對應(yīng);PIP 探測到的降水粒子數(shù)濃度分布不均勻,有3 個(gè)量級變化。 粒子尺度分布不均勻,在10:35-10:38、11:04-12:08、12:17-12:22、12:45-12:48 這幾個(gè)時(shí)間段均有探測到較多的粒子。

圖6 云微物理量水平分布

孫鴻娉等[9]利用DMT 探測系統(tǒng)的CDP 探頭探測云中粒子濃度和CIP 探頭探測的云中大粒子濃度作為判別云中可播度的兩項(xiàng)主要指標(biāo),CDP 探測的粒子濃度不小于30 個(gè)/cm3的云區(qū)才具有一定的可播度,其中CIP 探測的大粒子濃度小于10 個(gè)/cm3,確定為強(qiáng)可播區(qū),否則為可播區(qū)。 本文采用該判別方法,對該次過程云的可播性進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)CDP 探測的小云粒子濃度(N1)不小于30 個(gè)/cm3的區(qū)域很少,其中CIP 探測到大云粒子濃度(N2)小于10 個(gè)/cm3的云區(qū)占很大的比例,根據(jù)可播性條件,整個(gè)觀測過程中云中存在有利于人工增雨的“可播區(qū)”,在云中“可播區(qū)”呈不連續(xù)分布,A 為強(qiáng)可播區(qū),B 為可播區(qū),C 為不可播區(qū)(圖6),本次飛行的可播區(qū)基本在-10 ℃～-15 ℃,符合播云溫度窗范圍,對應(yīng)高度在4500 ～4840 m。

5 云粒子譜特征

根據(jù)圖7 的分析結(jié)果,分別繪制11:16:50 -11:17:52(時(shí)段1,高度4569 ～4571 m)、12:06:16-12:08:00(時(shí)段2,高度4830 ～4831 m)以及12:18:46-12:22:11(時(shí)段3,高度4832 ～4836 m)3 個(gè)不同可播區(qū)的典型時(shí)段的粒子總譜(2 ～6200 μm)(圖8)。 其中橫坐標(biāo)為粒子直徑,單位為μm,縱坐標(biāo)為dN/dD,單位為(cm-3μm-1)。 從粒子尺度譜分布特征可以看到,粒子濃度與直徑一般呈反相關(guān),粒子越大,濃度越小,3 個(gè)平飛時(shí)段的粒子譜均呈現(xiàn)出多峰分布,小云粒子的主峰值對應(yīng)的粒子直徑均為7.5 μm,小云粒子譜濃度最大值為75 個(gè)/(cm-3·μm-1),時(shí)段1、2 的第二峰值直徑是13.5 μm,時(shí)段3 的第二峰值直徑是4.5 μm。 時(shí)段1 的小云粒子譜譜寬最小,時(shí)段2 的小云粒子譜寬最大,為46.5 μm;大云粒子的峰值直徑均出現(xiàn)在小粒子端的50 μm,時(shí)段1 譜寬最小,時(shí)段3 的譜寬最大,為1500 μm,大于100 μm的大云粒子濃度值接近,數(shù)量級在10-6～10-4個(gè)/(cm-3·μm-1);降水粒子譜的峰值直徑也均出現(xiàn)在粒子端的200 μm,同樣時(shí)段1 譜寬最小,時(shí)段3 譜寬最大,為5500 μm,降水粒子尺度較大,但降水粒子濃度比較小。

圖7 整個(gè)飛機(jī)探測過程中N1(藍(lán)色)和N2(紅色)隨時(shí)間的分布

圖8 平飛階段典型時(shí)段云粒子總譜

在這3 個(gè)平飛階段,冰晶濃度均不超過10 個(gè),濃度只有10-3個(gè)/cm3量級,而云滴濃度超過30 個(gè)/cm3,最大為75.599個(gè)/cm3,表明云中過冷水豐富,此時(shí)引入適量的人工冰核,有可能使其轉(zhuǎn)化為降水,因此這幾個(gè)階段均具有較大的人工增雨潛力。

6 結(jié)論

本文利用四川省2019 年12 月18 日一次層狀云降水過程的飛機(jī)探測資料,研究四川盆地冬季降水云的微物理量隨高度和時(shí)間的變化特征,討論云中可播性,并分析典型時(shí)刻云粒子譜特征,結(jié)論如下:

(1)飛機(jī)探測區(qū)域和時(shí)段主要位于高空500 hPa、700 hPa低壓槽前和地面冷鋒之后,整個(gè)飛機(jī)過程為短波槽天氣系統(tǒng)影響的穩(wěn)定性層狀云系,此次降水過程為冷云降水,在飛機(jī)探測時(shí)段,降水云系主體已處于消散期,探測區(qū)域大部分地區(qū)有云系覆蓋,云體分布不均,云頂溫度為-6 ℃～ -19 ℃,云頂以小云滴為主,-dRe/dT值較小,說明水汽和液水條件不是很好,對應(yīng)地面降水較小。

(2)根據(jù)飛機(jī)機(jī)載DMT 系統(tǒng)探測分析,發(fā)現(xiàn)空中云垂直和水平結(jié)構(gòu)分布不均勻,CDP、CIP、PIP 探測粒子濃度范圍分別為0.035 ～338.318 個(gè)/cm3、4.17×10-5～18.203 個(gè)/cm3、3.28×10-6～0.408 個(gè)/cm3,粒子直徑范圍分別為2.50～49 μm、25.32 ～1547.18 μm、104.23 ～5525.68 μm。 隨著高度增加,粒子濃度及粒子直徑范圍均變大,CDP 探測的粒子濃度與LWC 有比較好的對應(yīng),小云粒子有效直徑在LWC 大值區(qū)均有明顯增加,此時(shí)云區(qū)含水量豐富,有利于小云粒子通過凝結(jié)增長及碰并機(jī)制等長大,促進(jìn)降水產(chǎn)生。 根據(jù)二維云粒子圖像,2700 ～3000 m左右以過冷水滴及小冰晶粒子為主,4500 ～4800 m高層為枝狀冰晶和寬枝冰晶粒子。

(3)利用CDP 探頭探測云中粒子濃度和CIP 探頭探測的云中大粒子濃度作為判別云中可播度的兩項(xiàng)主要指標(biāo),分析本次降水云系消散階段云中存在有利于人工增雨的“可播區(qū)”,云中“可播區(qū)”呈不連續(xù)分布,本次飛行的可播區(qū)在-10 ℃～ -15 ℃,符合播云溫度窗范圍,對應(yīng)高度在4500 ～4840 m。 此外還分析了典型時(shí)刻云粒子譜特征,發(fā)現(xiàn)云粒子譜均呈多峰分布,總體上云粒子越大,其濃度越小。

由于空域等原因,本次飛機(jī)探測時(shí)段處于降水云系消散期,且沒有進(jìn)行垂直分層探測,因此得到的飛機(jī)觀測資料有限,各種觀測資料之間的時(shí)空匹配也需要進(jìn)一步提高,故只能在此基礎(chǔ)提出一些試探性的結(jié)論。以后應(yīng)做更多的有針對性的飛行探測,更進(jìn)一步了解云微物理結(jié)構(gòu)特征及降水機(jī)制。