熊婧媛 劉曉莉 王 靜 楚志剛

1 引 言

在大尺度天氣條件下，與鋒面系統(tǒng)相關(guān)的層狀云經(jīng)常出現(xiàn)在中國北方。這些云通常是多層混合相云，持續(xù)時間從幾個小時到2 d 不等（Hou，et al，2021）。研究發(fā)現(xiàn)，不同云頂溫度、云中不同位置（朱士超等，2014）以及層狀云中嵌入式對流核區(qū)（Hou，et al，2021）冰相粒子的微物理特性及降水的形成機制存在較大差異。在降水發(fā)展早期，云中冰相粒子以霰和線形為主，在降水成熟階段，冰相粒子以霰和聚合體為主（黃敏松等，2022）。指數(shù)分布能較好地擬合冰相粒子譜分布規(guī)律，且冪函數(shù)能較好地擬合兩個譜參數(shù)的關(guān)系（Zhao，et al，2014；封秋娟等，2021）。

近年來，中國對層狀云中冰相過程進行了大量觀測和數(shù)值研究，增強了對層狀冷云微結(jié)構(gòu)及降水機理的科學(xué)認識。多次飛機觀測結(jié)果表明，中國北方冬季降雪的形成機制主要是“凝華-聚并” （齊彥斌等，2007；封秋娟等，2021；馬新成等，2021）。衛(wèi)甜等（2022）利用WRF 模式模擬了一次東北地區(qū)嵌入對流過程，發(fā)現(xiàn)云系成熟階段冷云的“播撒-供給”機制和暖云降水機制均較活躍。何暉等（2015）研究發(fā)現(xiàn)層狀云中“播撒-供給”機制相對簡單，而對流云區(qū)由于降水粒子可以發(fā)生上下多次循環(huán)增長，“播撒-供給”機制可在云的上、下層間雙向進行，云中粒子群可以增長得更大。鄒倩等（2008）利用ARPS 模式對華北地區(qū)層積混合云降水個例進行研究，結(jié)果表明在那次降水過程中冰相過程占主導(dǎo)地位，降雨的最主要來源是霰的融化。朱士超等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，模式對雪粒子增長過程的處理以及降水粒子譜參數(shù)的描述還有待進一步改進。

研究表明，冰相粒子融化、聚并和破碎是層狀云降水系統(tǒng)的重要物理過程（Hu，et al，2021）。其中，0℃層以下冰粒子融化形成的融化層是層狀降水云的一個主要特征 （Heymsfield，et al，2021），冰雪晶的融化速率是決定融化層厚度和亮帶回波的一個重要因素，該過程對降水預(yù)報、水文應(yīng)用及氣候變化背景下的降雪分布研究有重要影響 （Rauscher，et al，2008；Ashfaq，et al，2013；Marty，et al，2017；Mote，et al，2018；Tamang，et al，2020）。高降水率可促進融化，改變溫度層結(jié)，導(dǎo)致融化層消失、降雪強度增大（Kain，et al，2000）。亓鵬等（2019）研究發(fā)現(xiàn)由于聚并增長形成的大冰粒子密度低、下落速度小，穿過0℃層時間更長，0℃層以下出現(xiàn)大量半融化的冰粒子，使融化現(xiàn)象更為明顯。

除冰粒子本身微物理特性會影響其融化速率（Oraltay，et al，1989）外，空氣溫度、相對濕度等氣象條件也會影響冰粒子融化的速率（Matsuo，et al，1981；Mitra，et al，1990）。Heymsfield 等（2002，2015）通過飛機觀測研究發(fā)現(xiàn)，在高相對濕度下，粒子譜斜率隨融化過程發(fā)展呈下降趨勢，降水粒子的最大粒徑持續(xù)增大。在相對較低的相對濕度下，氣溫達到2℃之前，雪晶粒子幾乎沒有融化。即使在低相對濕度的條件下，融化層降水粒子的最大粒徑也存在增大趨勢。其中，聚并是導(dǎo)致降水粒子最大粒徑增大的原因。

由于冰相過程復(fù)雜多變，且已有研究對中國層狀云融化層及以下粒子分布演變規(guī)律關(guān)注不多。文中通過分析2019 年8 月24 日河北省一次層狀云飛機觀測資料及粒子分檔數(shù)值模擬結(jié)果，探究中國北方層狀云宏微觀特征、云中冰粒子及融化層粒子群分布演變特征。希望通過本研究進一步豐富對中國北方層狀云微結(jié)構(gòu)的科學(xué)認識，為中國云降水模擬中云微物理參數(shù)化的改進提供參考，提高中國層狀云降水預(yù)報及冷云人工催化的準確性。

2 飛機觀測及機載儀器

2019 年8 月24 日，03 時19 分（世界時，下同）飛機從正定機場起飛后，在2400 m 高度飛往贊皇探測點，中途穿云，在贊皇、元氏進行垂直探測，0℃層在4760 m 左右，探測過程中觀測到雨線、水滴。之后在寧晉、趙縣探測點進行垂直探測，0℃層在4880 m 左右，06 時39 分飛機降落，探測歷時3 h 20 min。由于該次飛行空域受區(qū)域內(nèi)“贊皇”蒼巖山（1200 m 高度）安全飛行高度的限制，所以飛行高度限于2400—5300 m。根據(jù)資料中的高度和經(jīng)、緯度繪出其飛行軌跡，本次探測共有8 次垂直探測（V1—V8 段），5330 m 高度上有4 次水平探測（H1—H4 段）（圖1）。

圖1 飛機飛行路線和探測區(qū)域 （a.飛機飛行軌跡，b.飛機垂直探測區(qū)域，c.飛機飛行軌跡地理圖示） （其中V1、V3、V5、V7 為上升，V2、V4、V6、V8 為下降垂直探測，H1、H2、H3、H4 為水平探測）Fig. 1 Aircraft flight paths and detection areas （a. aircraft flight path；b. aircraft vertical detection area；c. geographic map of aircraft flight path） （V1，V3，V5，V7 are ascending detections，V2，V4，V6，V8 are descending vertical detections and H1，H2，H3，H4 are horizontal detections）

文中采用河北省人工影響天氣辦公室Kingair350ER 飛機的觀測數(shù)據(jù)，飛機上搭載由多個探頭組成的云物理探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括FCDP（The Fast Cloud Droplet Probe）、CDP（Cloud Droplet Probe）、CIP（Cloud Imaging Probe）、HVPS（The High Volume Precipitation Spectrometer）、2D-S 組合探頭以及機載氣象綜合測量系統(tǒng)AIMMS-20 等（劉思瑤等，2021），能夠?qū)崟r測量粒徑0.055—9075 μm 粒子的譜分布；給出25—19200 μm 粒徑粒子的二維圖像；并實時測量得到大氣溫度、氣壓、濕度、風速、風向和垂直風速等宏觀資料；對云中液態(tài)含水量、總含水量等也可以進行實時探測（表1）。

表1 粒子探測探頭及其參數(shù) （楊潔帆等，2021）Table 1 Particle probes and operational parameters （Yang，et al，2021）

3 數(shù)據(jù)處理及數(shù)值模擬方案

利用FCDP、CIP、HVPS 和總含水量傳感器探測資料分析云、降水粒子譜以及液水、冰水含量演變特征，結(jié)合HVPS 圖像和CPI 圖像分析負溫層及融化層粒子形狀的演變（在05 時06 分52 秒之后CPI 數(shù)據(jù)缺測，故H3、V8 段探測使用HVPS 粒子圖像）。在研究粒子譜分布演變規(guī)律的同時，利用負指數(shù)分布進行粒子譜分布擬合，研究粒子譜演變規(guī)律。

值得注意的是，為減小氣溶膠的影響，在分析FCDP 數(shù)濃度以及譜分布時需要剔除前兩檔數(shù)據(jù)（半徑小于4 μm）；為減少粒子破碎的影響，在使用CIP 數(shù)據(jù)時需剔除粒子直徑小于100 μm 的數(shù)據(jù)（楊潔帆等，2021）。

3.1 過飽和度計算

為了探究探測過程中空氣飽和（相對濕度）狀況及冰粒子可能的微物理增長機制，對云中相對于水面、冰面的過飽和度進行計算。

利用經(jīng)驗公式

計算得到水面飽和水汽壓（es）和冰面飽和水汽壓（ei），其中t為飛機實時探測的氣溫。再利用儀器觀測到的相對濕度以及公式

計算得到實際水汽壓（e）、水面過飽和度（Supersaturation of Water Surface， SSw）以及冰面過飽和度（Supersaturation of Ice Surface， SSi）。

3.2 模擬方案

本研究選用2021 年1 月15 日發(fā)布的WRF（Weather Research and Forecasting）4.2.2 版，以0.25°×0.25°的ERA5 逐 時 數(shù) 據(jù) 作 為 初 始 場，對2019 年8 月24 日云降水過程進行模擬。模擬采用三層嵌套（圖2），模擬區(qū)域中心坐標為（37.3°N，115°E），各層嵌套的參數(shù)如表2 所示。

表2 模式模擬參數(shù)Table 2 Model configuration

圖2 模式模擬區(qū)域 （d01 為第1 層模擬區(qū)域，d02 為第2 層模擬區(qū)域，d03 為第3 層模擬區(qū)域）Fig. 2 Model domains （d01 is the first layer simulation area，d02 is the second layer simulation area，and d03 is the third layer simulation area）

對于最內(nèi)層云結(jié)構(gòu)的模擬，選擇了HUJI 分檔云物理方案。HUJI 微物理方案基于尺度（數(shù)量）分布函數(shù)fi（x,m,t）（i=1 表示液滴（包含云滴和雨滴），2—4 表示冰晶，5 表示聚合體，6 表示霰，7 表示凍滴或雹，8 表示氣溶膠粒子）描述水凝物粒子分布，每個類型的粒子按分布函數(shù)分為33 檔。此外，HUJI微物理方案中的融化方案選用了Fan 等（2012）修改的融化方案。在該方案中，融化過程包括特征融化時間 τm，它取決于冰相粒子的特征半徑r。第i型水凝物粒子的粒徑分布特征在融化過程中呈指數(shù)遞減

式中，t為時間積分步長，fi（r,t）為水凝物粒子粒徑分布。此方案能描述出融化過程的主要影響，即大粒徑粒子的融化時間尺度更大，融化速度比小粒徑粒子慢（Khain，et al，2018）。

4 天氣形勢分析

受高空切變線的影響，2019 年8 月24 日河北省中、南部出現(xiàn)了一次降水天氣過程。從500 hPa天氣圖（圖3a）上可見，等溫線落后于等壓線，在河北省北部存在冷平流。700 hPa（圖3b）觀測區(qū)域存在切變線，同觀測區(qū)上空受一強切變線控制，同時溫度場配合風場，觀測區(qū)上空有冷空氣輸送。南部有西南風帶來的水汽輸送，為降水形成提供了良好的水汽條件。選用中國地面氣象站逐時觀測資料，計算得到觀測區(qū)域內(nèi)00—07 時累計降水量不小于12.5 mm，觀測區(qū)域處于降水中心外圍（圖4）。

圖3 2019 年8 月24 日00 時 （a） 500 hPa、（b） 700 hPa 氣壓場 （黑色實線，單位：hPa）、溫度場 （紅色實線，單位：℃）、風場（風羽） （棕色實線表示切變線，紅色框線為研究區(qū)域）Fig. 3 Pressure （black contour，unit：hPa），temperature （red contour，unit：℃），wind field （barb） at 00:00 UTC 24 August 2019（a. 500 hPa，b. 700 hPa；brown solid line represents the shear line；the red box represents the study area）

石家莊站SA 雷達波長10 cm，每6 min 完成一次體掃（亓鵬等，2019）。石家莊站天氣雷達探測表明，這是一次典型的層狀云降水過程，回波強度分布均勻，最大強度達到33.5 dBz，探測區(qū)域位于云系較強區(qū)外圍（圖5）。從水平探測階段雷達垂直回波剖面上可看到，回波頂高最大可達9 km，H3 段飛行探測云區(qū)發(fā)展強度弱于H2 階段（圖6—9）。從垂直探測階段雷達垂直剖面圖上可以看到在兩次垂直探測區(qū)域0℃層之下均有回波增強區(qū)域。

圖5 石家莊站雷達06 時24 分組合反射率 （單位：dBz；虛線為回波垂直剖面位置）Fig. 5 Composite radar reflectivity observed at Shijiazhuang radar station at 06:24 UTC （unit：dBz；the dashed line is the vertical profile position of the echo）

5 冰相粒子分布特征

5.1 冰相粒子的水平分布特征

H2 探測階段持續(xù)時間約為16 min（04 時30 分49 秒—04 時46 分38 秒）。H3 探測階段的時間持續(xù)約17 min（05 時19 分17 秒—05 時36 分35 秒）。兩次平飛探測中，HVPS 粒子譜分布以單峰型為主，在H2 段04 時37 分譜呈雙峰型分布。H2（04 時34分—04 時36 分）、H3 段（05 時24 分—05 時25 分20 秒）均觀測到液水含量較高但無冰相粒子的區(qū)域，說明該云系有一定的增雨潛力。冰粒子譜較寬區(qū)域多為上升氣流區(qū)（H2 段A、B、D、E、F 區(qū)，H3 段A、B、C、D、E 區(qū)），上升氣流的減弱及下沉氣流的出現(xiàn)對應(yīng)著冰粒子譜變窄或者冰粒子不存在的情況（圖7、9）。

圖7 第2 次水平探測 （H2） 飛機觀測資料組圖 （a. 垂直氣流速度 （藍色曲線）、氣溫 （橙色曲線，紅色直線值為0）；b. 水面過飽和度（SSw） 及冰面過飽和度 （SSi，紅色點線值為二者0 值）；c. FCDP 計算得到的液水含量 （Cal LWC）、總含水量傳感器探頭探測液水含量（New0LWC） 和總含水量 （New0TWC）；d. FCDP、CIP 和HVPS 粒子數(shù)濃度；e. FCDP 粒子譜 （單位：cm-3?μm-1；y 軸為粒子直徑，色階為粒子數(shù)濃度對數(shù)值）；f. 同圖e，但為CIP；g. 同圖e，但為HVPS） （A、B、D、E、F 對應(yīng)粒子譜寬區(qū)域，C 降水粒子譜變窄區(qū)域）Fig. 7 Observations during the second aircraft horizontal detection （H2） （a. vertical air velocity （the blue line） and temperature（the orange line） with time （the red straight line is 0）；b. supersaturation of water surface （SSw） and ice surface （SSi；the red dot line is 0 of two kinds of supersaturation）；c. calculated liquid water content from FCDP data （calculated LWC），Nevzorov probe detected liquid water content （New0LWC） and total water content （New0TWC）；d. particle number concentrations of FCDP，CIP and HVPS；e. particle spectrum of FCDP （unit：cm-3?μm-1；the y-axis is the particle diameter，and the color bar is the particle number concentration against the value）；f. same as Fig. e but for CIP；g. same as Fig. e but for HVPS） （A，B，D，E and F correspond to the broad region of particle spectrum，and C is the region where precipitation particle spectrum narrows）

從雷達回波上看，H2 段探測經(jīng)歷云區(qū)逐漸增強（圖6），H3 段探測經(jīng)歷云區(qū)先增強后減弱（圖8）。兩次水平探測中冰粒子譜較寬，云區(qū)多為有凇附增長的冰粒子聚合體（圖10、11）。過冷水含量越高，凇附程度越強（H2 段B 和D 區(qū)、H3 段A 區(qū)），且H3 段有霰粒子存在（圖11）。H2 段冰粒子增長區(qū)過冷水存在時間較短，有可能是因為冰相粒子通過貝吉龍過程或凇附增長導(dǎo)致過冷水消耗。在H2 段C 區(qū)，F(xiàn)CDP 探測到粒子數(shù)濃度上升且粒子譜變寬，此時云內(nèi)過飽和度降低，大粒子升華破碎，小粒子增多。H2 水平探測后期較長時段過飽和度較低，可能導(dǎo)致小粒徑冰粒子及過冷水的升華、蒸發(fā)消耗?？梢?，H2 水平探測后期所在云區(qū)冰相粒子可能通過冰粒子間碰連增長（H2 段E 區(qū)）。相對來說，H3 水平探測云區(qū)大部分區(qū)域過冷卻水滴與冰相粒子共存，但該區(qū)域云內(nèi)過飽和度不高，冰相粒子可能主要通過凇附或碰連過程增長。

圖8 第3 次水平探測 （H3） 雷達回波垂直剖面 （a. 05 時18 分，b. 05 時24 分，c. 05 時36 分；紅線和箭頭為飛行軌跡和方向）Fig. 8 Vertical cross section of radar echo of the third horizontal detection （H3） （a. at 05:18 UTC，b. at 05:24 UTC，c.at 05:36 UTC；red lines and arrow are the trajectory and direction of flight）

圖9 同圖7，但為第3 次水平探測 （H3） 飛機觀測資料組圖 （A、B、C、D、E 對應(yīng)粒子譜寬區(qū)域）Fig. 9 Same as Fig. 7 but for the third level probe （H3） aircraft observations （A，B，C，D and E correspond to the broad region of particle spectrum）

圖10 H2 段冰相粒子圖像 （A、B、D、E、F 對應(yīng)圖7 冰相粒子譜較寬區(qū)域，C 為降水粒子譜變窄區(qū)域）Fig. 10 Ice phase particles image of H2 （A， B， D， E and F correspond to the broad region of particle spectrum shown in Fig. 7，and C is the region where precipitation particle spectrum narrows）

圖11 H3 段冰相粒子圖像 （A、B、C、D、E 對應(yīng)圖9 粒子譜較寬區(qū)域）Fig. 11 Ice phase particles image of H3 （A，B，C，D and E correspond to the broad region of particle spectrum shown in Fig. 9）

從平均譜分布（圖12）來看，H2 段的冰相粒子數(shù)濃度與譜寬均大于H3 段。對比兩次水平探測過程發(fā)現(xiàn)， H2 段飛機探測云區(qū)多為上升氣流區(qū)，且上升氣流強度強于H3（圖13a、表3），相對濕度高于H3?？梢姡琀2 平飛探測云區(qū)冰相粒子具有更好的增長條件，冰相粒子譜更寬，大粒徑冰相粒子較多。從不同相對濕度云區(qū)冰相粒子平均譜來看，H2、H3 段云中 SSi＜0 云區(qū)的小粒子（直徑小于200 μm）濃度低于過飽和云區(qū)。而對于大粒子（直徑大于1500 μm）數(shù)濃度，H2 段不飽和區(qū)較高，H3 段過飽和區(qū)較高。進一步對比發(fā)現(xiàn)，H2 段不飽和區(qū)多為上升氣流區(qū)（圖7a），而H3 段不飽和區(qū)上升氣流強度較弱、下沉氣流區(qū)顯著增多（圖13a）。可見，過飽和度和垂直氣流對云內(nèi)冰相粒子的譜分布特征均有影響。

表3 各階段云內(nèi)微物理特征量的觀測結(jié)果統(tǒng)計Table 3 Characteristic quantities in the cloud at each stage

圖12 水平探測階段冰相粒子平均譜 （a. H2 與H3 的總平均譜，b. H2 與H3 相對于冰面不飽和與過飽和的粒子譜）Fig. 12 Average spectrum of ice phase particles in horizontal detection stage （a. the total mean spectrum of H2 and H3，b. the particles spectrum of unsaturated and supersaturated area of H2 and H3 relative to ice surface）

圖13 垂直氣流概率分布 （PDF） （a. 水平探測階段，b. 垂直探測階段）Fig. 13 Vertical airflow probability distribution （PDF）（a. horizontal detection stage，b. vertical detection stage）

5.2 云中及融化層微物理量垂直分布特征

5.2.1 微物理量垂直演變特征分析

V4 垂直探測（04 時46 分39 秒—05 時04 分59 秒）的探測高度為5291—2463 m（圖14），溫度范圍為-3—7.3℃，0℃層高度為4499—4496 m。通過水面過飽和度、含水量、云滴粒子數(shù)濃度以及粒子譜分布判斷，從0℃層到3650 m 云層較為連續(xù)，3650 m 之下云層間夾有干層。在V8 垂直探測（06 時07 分30 秒—06 時24 分38 秒）過程中（圖15），探測高度為5299—2504 m，溫度范圍為-2.3—7.3℃，0℃層高度在4708—4711 m。相對而言，V8 段垂直探測高相對濕度區(qū)（RH≥95%）較V4 少，且雷達回波較弱，下沉氣流更強（圖13b）。從0℃層到3850 m 云存在分層結(jié)構(gòu)，3850 m 之下相對濕度較低（RH＜95%）。從圖14 和15 中可以看出，0℃層以下降水粒子譜寬明顯小于負溫層，且0℃層之下雷達回波強于負溫層。雷達回波較強區(qū)域云內(nèi)粒子譜更寬且上升氣流更強。冰相降水粒子下落融化過程中粒子譜總體以單峰型為主，V4 段4300 m、3400 m、2850 m，V8 段4300 m、3900 m、3550 m呈雙峰型分布，且峰值直徑較大的區(qū)域?qū)?yīng)的粒子譜都相對較寬。從0℃層以下降水粒子譜演變特征來看，不同粒徑大小冰相粒子的融化速率存在差異。

圖14 色階第4 次垂直探測 （V4） 飛機觀測資料組圖 （a. 雷達回波垂直剖面 （色階，單位：dBz），b. 垂直氣流速度 （藍色實線，單位：m/s，）、氣溫 （黑色虛線，單位：℃，紅線值為0），c. 相對濕度 （紅線值為95%），d. FCDP 數(shù)據(jù)計算得到的液水含量 （Cal LWC）、總含水量傳感器探頭探測液水含量 （New0LWC） 和總含水量 （New0TWC） （單位：g/m3），e. FCDP、CIP 和HVPS 粒子數(shù)濃度，f. FCDP 粒子譜（單位：cm-3?μm-1；x 軸為粒子直徑，色階為粒子數(shù)濃度對數(shù)值），g. 同圖f，但為CIP 粒子譜和HVPS 粒子譜） （A、B、C、D 對應(yīng)于負溫層、0℃層以下云區(qū)、干層混合區(qū)、降水粒子譜變窄區(qū)）Fig. 14 Observations during the fourth aircraft vertical detection （V4） （a. radar reflectivity vertical profile （unit：dBz）；b. vertical velocity （the solid blue line，unit：m/s） and temperature （the dashed black line，unit：℃） with time （the red line is 0）；c. relative humidity（the red line is 95%）；d. calculated liquid water content FCDP data （calculated LWC），nevzorov probe detected liquid water content（New0LWC），nevzorov probe detected total water content （New0TWC）；e. particle number concentrations of FCDP，CIP and HVPS；f.particle spectrum of FCDP （unit：cm-3?μm-1；the x-axis is the particle diameter，and the color level is the particle number concentration against the value）；g. same as Fig. f but for CIP and HVPS）（A，B，C，and D correspond to negative temperature layer，cloud zone and mixed zone of dry-cloud layer below 0℃ layer，and precipitation particle spectrum narrowing zone）

圖15 同圖14，但為第8 次垂直探測 （V8） 飛機觀測資料組圖Fig. 15 Same as Fig. 14，but for the eighth Vertical Detection （V8） aircraft observations

5.2.2 融化層粒子演變特征分析

在V4 探測階段，從CPI 粒子圖像（圖16）上看，0℃層之上存在大粒徑冰粒子聚合體，聚合體存在凇附增長。V8 段探測中（圖17），0℃層之上的大粒徑冰粒子聚合體的出現(xiàn)頻次少于V4 段。在下落過程中，V4、V8 0℃層以下粒子都接近球形。

圖16 V4 段冰相粒子圖像 （A、B、C、D 對應(yīng)于圖14 負溫層、0℃層以下云區(qū)、干層云混合區(qū)、降水粒子譜變窄區(qū)）Fig. 16 Ice phase particles image of V4 （A，B，C，and D correspond to negative temperature layer，cloud zone and mixed zone of drycloud layer below 0℃ layer，and precipitation particle spectrum narrowing zone shown in Fig. 14）

圖17 V8 段冰相粒子圖像 （A、B、C、D 對應(yīng)于圖15 負溫層、0℃以下云區(qū)、干層云混合區(qū)、降水粒子譜變窄區(qū)）Fig. 17 Ice phase particles image of V8 （A，B，C，and D correspond to negative temperature layer，cloud zone and mixed zone of dry-cloud layer below 0℃ layer，and precipitation particle spectrum narrowing zone shown in Fig. 15）

兩次垂直探測過程中，隨著高度下降，溫度逐漸上升至0℃的過程中，HVPS 粒子譜均表現(xiàn)出變窄的趨勢。0℃層以下仍有邊緣不規(guī)則的粒子存在。當V4 段下落到2940—2545 m 時（期間溫度最高為7.3℃），CPI 及FCDP 粒子譜相繼增寬，粒子邊緣較為規(guī)則。

融化層中隨著高度下降，粒子譜譜寬呈現(xiàn)出起伏變化，對應(yīng)飛機盤旋穿過不同發(fā)展強度的云區(qū)。在冰相粒子下落過程中，云區(qū)冰相粒子譜譜寬減小更快，而干區(qū)較多的高度層粒子譜譜寬減小速率更慢。相對來說，V4 段高相對濕度區(qū)較多，V8 段低相對濕度低值區(qū)較多。V4 段0℃層之上的冰相粒子尺度總體大于V8 段的粒子，但粒子數(shù)濃度減小較快?？梢?，高相對濕度區(qū)中的粒子融化速率較低相對濕度區(qū)快。低相對濕度區(qū)中表面融化的粒子蒸發(fā)吸收潛熱，使環(huán)境溫度降低，減緩粒子融化速率 （Heymsfield，et al，2002，2015）。

根據(jù)云內(nèi)粒子特性及雷達回波，將兩個垂直階段劃分為負溫層、融化層連續(xù)云區(qū)、融化層干層云混合區(qū)以及降水粒子譜變窄區(qū)。其中，融化層連續(xù)云區(qū)與干層云混合區(qū)能較好地對應(yīng)高相對濕度區(qū)與低相對濕度區(qū)。V4 和V8 段HVPS 譜顯著變窄以及雷達回波減小區(qū)域分別為2631 m 和2774 m，該高度以下降水粒子譜明顯變窄的同時，粒子數(shù)濃度明顯降低。

從不同高度層降水粒子平均譜（圖18）看，負溫層冰相粒子譜較寬、數(shù)濃度較高，0℃層之下譜寬迅速減小。0℃層之下高相對濕度區(qū)與低相對濕度區(qū)粒子譜寬差距不大。與負溫層相比，融化層中直徑700 μm 以內(nèi)粒子濃度的減少幅度遠小于700 μm 以上的粒子，甚至在V8 段探測中融化層250—1500 μm粒徑的數(shù)濃度高于負溫層。可見，粒徑700 μm 以上的粒子融化速率快于粒徑小于700 μm 的粒子。V8 0℃層之下干云混合區(qū)粒子譜更寬，云區(qū)大粒子數(shù)濃度略高。降水粒子譜變窄之后，V4 段的粒子尺度較大。V4 段粒子融化速率快，粒子融化后密度變大，落速變大，同一高度層V4 段粒子譜較寬。

圖18 垂直探測階段粒子平均譜 （a. V4 段，b. V8 段；A、B、C、D 對應(yīng)于圖14、15 負溫層、0℃以下云區(qū)、干層云混合、降水粒子譜變窄區(qū)）Fig. 18 Average spectra of ice phase particles in vertical detection stage （a. V4，b. V8；A，B，C，and D correspond to negative temperature layer，cloud zone and mixed zone of dry-cloud layer below 0℃ layer，and precipitation particle spectrum narrowing zone shown in Fig. 14 and Fig. 15）

5.2.3 融化層粒子譜分布特征

對各階段的粒子譜數(shù)據(jù)以10 s 為時間間隔做平均，擬合粒子譜。根據(jù)Gunn 等（1958） 基于地面觀測提出的冰相粒子尺度譜分布符合負指數(shù)形式

式中，D為冰相粒子的直徑；N0和λ分別表示截距和斜率，取決于降水率。

與Heymsfield 等（2002，2015） 的研究結(jié)果不同，文中個例融化層粒子譜分布在0℃層以下斜率并未出現(xiàn)明顯的隨高度下降而減小的趨勢。0℃層以下粒子最大粒徑較負溫層有所減小。0℃層以下，粒子群下落過程中最大粒徑?jīng)]有呈現(xiàn)出顯著的減小趨勢，可能是因為相同粒徑的粒子在下落過程中因密度、形狀的不同融化速率存在差異。文中垂直探測的空氣溫度與Heymsfield 等 （2015） 的研究接近，最低溫度都高于-5℃，且都包含融化層粒子群的觀測資料，得到的譜分布特征也與Heymsfield等 （2015） 的結(jié)果相似。與其他負溫層探測溫度更低的研究結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，隨著負溫層溫度的降低，冰粒子特性可能與0℃附近云區(qū)存在顯著差異（表4）。

表4 粒子譜擬合參數(shù)對比Table 4 Comparison of particle spectrum fitting parameters

從各階段平均譜擬合結(jié)果上看，0℃層之上的N0與λ均小于0℃層之下，0℃層之下高相對濕度區(qū)和低相對濕度區(qū)的λ相近，高相對濕度區(qū)N0大于低相對濕度區(qū)。降水粒子譜變窄之后N0減小，λ增大（圖19、表5）。

表5 各階段平均譜擬合參數(shù)Table 5 Average spectrum fitting parameters at each stage

圖19 各階段平均譜擬合Fig. 19 Average spectral fitting at each stage

研究發(fā)現(xiàn)，0℃層之下N0與λ呈正相關(guān)，線性函數(shù)（λ=a×N0+b）能較好地擬合二者的關(guān)系（圖20）。對 于Dmax大 于1000 μm 的 冰 相 粒 子，譜 參 數(shù)λ與Dmax呈負相關(guān)（圖21a）。冪函數(shù)（Dmax=a×λb）能較好地擬合λ與Dmax的關(guān)系（圖21b）。

圖20 0℃層之下 N0與λ 數(shù)據(jù)及擬合結(jié)果Fig. 20 Data and fitting result of N0 and λ for the layer below 0℃ level

5.2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

HUJI 方案模擬結(jié)果中存在5500 m（V4 段）以及6000 m 高度（V8 段）上雪晶粒子混合比在達到最大值之后緩慢降低直到3000 m 左右混合比為0 的演變特征（圖22），與觀測資料較為一致?？梢姡琀UJI 分檔微物理方案對于融化層云微物理特征的垂直演變具有相對較好的模擬效果。從HUJI方案模擬得到的粒子譜分布（圖23）來看，V4 段雪晶出現(xiàn)的高度及數(shù)濃度均高于V8 階段，雪晶粒子濃度峰值區(qū)出現(xiàn)高度也更高。對應(yīng)于觀測資料中V4 段冰相粒子凇附程度更大，且0℃層以上降水粒子譜比V8 段寬，模擬結(jié)果較好再現(xiàn)了這一特征。從垂直分布上看，模擬結(jié)果云雨滴粒子出現(xiàn)高度低于雪晶，V4 段云雨滴粒子數(shù)濃度大于V8 段，且V4段云滴粒子數(shù)濃度峰值區(qū)范圍大于V8 段。從HUJI分檔方案模擬結(jié)果看，0℃層以下存在液相和冰相粒子共存的階段，說明觀測到的雙峰型譜可能包含未完全融化的冰相粒子和液滴。

圖22 數(shù)值模擬得到水凝物粒子的高度分布 （a. V4 段，b. V8 段）Fig. 22 Vertical distribution of hydrometeor particles obtained by numerical simulation （a. V4，b. V8）

圖23 數(shù)值模擬得到云雨滴粒子譜與雪晶粒子譜的高度分布 （a. V4 段云雨滴粒子譜分布，b. V8 段云雨滴粒子譜分布，c. V4 段雪晶粒子譜分布，d. V8 段雪晶粒子譜分布；單位：cm-3?μm-1；x 軸為粒子直徑，色階為粒子數(shù)濃度對數(shù)值）Fig. 23 Vertical distributions of cloud rain drop particle spectrum and snow grain particle spectrum obtained by numerical simulation （a. the distribution of cloud and rain droplet spectrum in V4 segment，b. the distribution of cloud and rain droplet spectrum in V8 segment，c. the distribution of snow particle spectrum in V4 segment，d. the distribution of snow particle spectrum in V8 segment；unit：cm-3?μm-1；the x-axis is the particle diameter，and the color level is the particle number concentration against the value）

對比V4 段和V8 段飛機觀測及HUJI 方案模擬得到的降水粒子平均譜發(fā)現(xiàn)（圖24），觀測時段內(nèi)粒子數(shù)濃度高于模式模擬結(jié)果。在V4 段，0℃層之上降水粒子數(shù)濃度大于0℃層之下，且隨著粒徑的增大二者差距增大。模擬結(jié)果中V4 段半徑為100—700 μm 的粒子數(shù)濃度0℃層之下高于0℃層之上。V8 段飛機觀測結(jié)果中0℃層之上和0℃層之下300—400 μm 粒子數(shù)濃度接近，其余粒徑范圍均是0℃層之上數(shù)濃度更高。V8 段模式模擬結(jié)果中小粒子（D＜160 μm）0℃層之上和0℃層之下數(shù)濃度接近，0℃層之下中等尺度粒子（160 μm ≤D＜1600 μm）數(shù)濃度較高。觀測結(jié)果和模擬結(jié)果均顯示V8 段0℃層之下的中等粒徑粒子數(shù)濃度較高。從兩次探測時段內(nèi)的HUJI 方案模擬結(jié)果來看，模擬得到的平均粒子譜分布截距參數(shù)與觀測結(jié)果接近，但模擬得到的粒子譜斜率參數(shù)大于觀測結(jié)果（圖25）。

圖24 飛機觀測和模式模擬降水粒子平均譜 （a. V4 段，b. V8 段）Fig. 24 Mean spectra of precipitation particles observed by aircraft and simulated by model （a. V4，b. V8）

圖25 觀測和模式模擬降水粒子平均譜擬合結(jié)果 （a. V4 段觀測粒子平均譜擬合，b. V8 段觀測粒子平均譜擬合，c. V4 段模擬粒子平均譜擬合，d. V8 段模擬粒子平均譜擬合）Fig. 25 Average spectral fitting results of precipitation particles in observations and model simulation （a. the average spectral fitting of observed particles in V4，b. the average spectral fitting of observed particles in V8，c. the average spectral fitting of simulated particles in V4，d. the average spectral fitting of simulated particles in V8）

6 結(jié) 論

本研究利用飛機觀測資料對河北省上空層狀云宏、微觀物理特征，云中冰粒子分布及融化層微物理特性進行分析，得出如下結(jié)論：

（1）兩次水平探測在過冷水含量、粒子數(shù)濃度、粒子譜寬等方面均存在明顯區(qū)別，水平方向上云系分布不均勻。不同云區(qū)冰粒子增長環(huán)境存在較大差異。H2 探測前期云中濕度滿足貝吉龍過程發(fā)生的條件，后期過飽和度較低，云區(qū)可能通過冰粒子間碰并增長形成大粒徑冰相粒子。H3 探測云區(qū)大部分區(qū)域均有過冷卻水滴與冰相粒子共存，但該區(qū)域相對濕度不高，冰相粒子可能主要通過凇附或碰連過程增長。不同云區(qū)冰粒子譜分布特征存在顯著差異。H2 探測云區(qū)上升氣流強度、上升氣流區(qū)及過飽和區(qū)存在的范圍大于H3，使得H2 階段云區(qū)冰相粒子具有更好的增長條件，冰相粒子譜更寬，大粒徑冰相粒子濃度較高。

（2）從粒子譜分布特征上能看到V4 段、V8 段融化層以下HVPS 譜存在明顯變窄的高度層。融化層高相對濕度區(qū)中的粒子融化速率較低相對濕度區(qū)快，低相對濕度區(qū)中表面融化的粒子蒸發(fā)吸收潛熱，使環(huán)境溫度降低，減緩粒子融化速率。融化層中不同粒徑大小冰相粒子的融化速率存在差異，0℃層之下中等粒徑粒子數(shù)濃度更高。

（3）研究發(fā)現(xiàn)負指數(shù)譜分布可以較好描述融化層粒子譜分布特征，且發(fā)現(xiàn)其譜參數(shù)與負溫層冰相粒子譜分布特征存在差異。0℃層之下高相對濕度區(qū)和低相對濕度區(qū)的斜率相近，高相對濕度區(qū)截距大于低相對濕度區(qū)。文中探測云區(qū)的溫度范圍與Heymsfield （2015） 的研究相近，粒子譜參數(shù)λ也較為相似。研究譜參數(shù)與粒子最大直徑（Dmax）的演變特征發(fā)現(xiàn)，N0與λ呈正相關(guān)關(guān)系，線性函數(shù)能較好地擬合二者之間的關(guān)系。對于Dmax大于1000 μm 的降水粒子，譜參數(shù)λ與Dmax呈負相關(guān)。冪函數(shù)能較好地擬合二者之間的關(guān)系。

（4）分析HUJI 分檔方案模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，云內(nèi)0℃層之下存在混合相態(tài)粒子。V4 階段雪晶粒子出現(xiàn)高度和數(shù)濃度都更高，且V4 段云雨滴粒子數(shù)濃度、粒子峰值區(qū)存在高度范圍更大，與觀測結(jié)果接近。對比觀測和模擬的降水粒子平均譜發(fā)現(xiàn)，觀測時段模式模擬的粒子數(shù)濃度低于觀測結(jié)果。模擬結(jié)果和觀測結(jié)果都發(fā)現(xiàn)0℃層之下中等粒徑粒子數(shù)濃度高于其他粒徑，但模式模擬出的濃度較高的中等粒徑粒子粒徑范圍更寬，數(shù)濃度比0℃層之上更高。模式模擬得到的平均降水粒子譜分布截距參數(shù)與觀測結(jié)果相似，但斜率大于觀測結(jié)果。

致 謝：本研究得到南京信息工程大學(xué)高性能計算中心的計算支持和幫助；并感謝國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”提供的支持。