一次降水性積層混合云系的微物理特征分析

張佃國(guó),樊明月,龔佃利,張洪生

(山東省人工影響天氣辦公室,山東濟(jì)南 250031)

0 引言

對(duì)積層混合云中微物理結(jié)構(gòu)的研究,一直是人工影響天氣工作者所關(guān)注的重要內(nèi)容。20世紀(jì)80年代初期以來(lái),我國(guó)開(kāi)始使用PMS(Particle Measuring System)系統(tǒng),對(duì)云微物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行飛行探測(cè),王謙等[1]對(duì)新疆積層混合云作了探測(cè)研究。樊曙先[2]利用一次降水云飛行探測(cè)資料,分析了云中液態(tài)水含量的變化。楊文霞等[3]利用河北省積層混合云飛機(jī)探測(cè)資料,研究了云中的播撒潛力區(qū)以及云的可播性判別。李照榮等[4]研究甘肅省秋季冰雪晶粒子特征分布后發(fā)現(xiàn),在一定的云水條件下,積層混合云有較大的增雨催化潛力。陳萬(wàn)奎和馬培民[5]、陳萬(wàn)奎和游來(lái)光[6]、廖飛等[7]利用PMS對(duì)四川、新疆積層混合云進(jìn)行了探測(cè)研究。張連云和馮桂利[8]、蘇正軍等[9]分別討論了山東省和青海省積層混合云及降水的微物理特征。王楊峰等[10]研究了延安暖層云水凝物粒子的譜分布,發(fā)現(xiàn)暖層水凝物粒子的譜分布可以用一種形式的分布密度函數(shù)來(lái)表示。黃夢(mèng)宇和趙春生[11]2005年對(duì)華北積層混合云微物理特性作了研究,認(rèn)為云下氣溶膠濃度與云滴數(shù)濃度兩者之間存在正相關(guān)關(guān)系。

國(guó)外早在20世紀(jì)70年代開(kāi)始利用PMS作觀測(cè)試驗(yàn),Hobbs和Radke[12]對(duì)美國(guó)溫帶氣旋云系和地形云進(jìn)行了探測(cè)試驗(yàn)。Houze等[13]給出了溫帶氣旋計(jì)劃中鋒面云降水粒子尺度譜分布。Lo和Passarelli[14]研究了美國(guó)冬季風(fēng)暴降水粒子尺度譜分布。Gorden等[15]分析了加利福尼亞雨帶降水粒子尺度譜分布。Grabowski和Moncrieff[16]對(duì)前蘇聯(lián)冬季積層混合云探測(cè)和人工影響試驗(yàn)等進(jìn)行了研究。Korolev[17]從PMS的FSSP-100探頭獲取的資料分析得出,在云中粒子譜普遍呈雙峰分布。這些試驗(yàn)利用PMS觀測(cè)云中冰晶、雪粒子濃度和尺度分布,并通過(guò)計(jì)算得到這些粒子的含水量,對(duì)了解云結(jié)構(gòu)特征、進(jìn)行云粒子譜分布的參數(shù)化研究起到了較好作用。

可以看出,國(guó)內(nèi)外對(duì)降水云系結(jié)構(gòu)和微物理結(jié)構(gòu)的研究比較成熟,但對(duì)催化作業(yè)前后微物理結(jié)構(gòu)的特征變化的研究還比較少,本文擬利用2007年10月27日一次降水過(guò)程的飛機(jī)探測(cè)資料,分析一次降水性積層混合云微物理結(jié)構(gòu),以揭示云微物理特征的垂直變化以及催化作業(yè)后出現(xiàn)的一些特征。

1 宏觀分析

1.1 天氣形勢(shì)

在東北冷渦和西南渦的共同影響下,山東省西南500 hPa上空出現(xiàn)一高空槽,西面有一小氣旋型渦旋。700 hPa和850 hPa高度上有一弱的切變線配合,在其共同影響下,2007年10月27日山東西部地區(qū)出現(xiàn)了一次明顯的降水過(guò)程。圖1給出了飛機(jī)飛行時(shí)段內(nèi)濟(jì)南雷達(dá)回波演變情況,紅色方框?yàn)榇呋鳂I(yè)區(qū),白色箭頭為風(fēng)向。從雷達(dá)回波(圖1a、b)上可以看出,催化作業(yè)時(shí)回波強(qiáng)度分布不均勻,作業(yè)區(qū)內(nèi)回波強(qiáng)度最強(qiáng)可達(dá)25 dBZ,催化45 min后,發(fā)現(xiàn)作業(yè)區(qū)內(nèi)回波強(qiáng)度有所增強(qiáng),最大回波可達(dá)30 dBZ,1 h后雷達(dá)回波(圖1c)范圍加大,山東西面的回波連成一片,回波強(qiáng)度仍然是維持在30 dBZ左右,作業(yè)區(qū)域內(nèi)回波比較均勻,面積逐漸擴(kuò)大,云體由NW向SE移動(dòng),處于發(fā)展階段。

1.2 飛行軌跡

圖2給出了2007年10月27日飛機(jī)飛行探測(cè)區(qū)域和軌跡,飛機(jī)14:05(北京時(shí),下同)從濟(jì)南遙墻機(jī)場(chǎng)起飛,本場(chǎng)天氣陰,地面沒(méi)有降水,地面溫度為19.3℃。飛機(jī)起飛后先爬升到安全高度(2 900 m)進(jìn)行水平飛行,于14:26到達(dá)高唐南飛行作業(yè)探測(cè)區(qū),高度為4 100 m,溫度為-7.3℃。在作業(yè)區(qū)先進(jìn)行線狀(圖2b兩紅點(diǎn)之間4 100 m高度)AgI播撒作業(yè),然后進(jìn)行每300 m為一個(gè)高度層的水平探測(cè)飛行,以3 800m·min-1左右速率進(jìn)行水平飛行,飛行約6min找“轉(zhuǎn)彎點(diǎn)”作盤(pán)旋垂直下降,下降速度為220 m·min-1左右,轉(zhuǎn)彎半徑約2 km,盤(pán)旋下降300 m到第2個(gè)高度層(約需要2 min),水平飛行約6 min,過(guò)“轉(zhuǎn)彎點(diǎn)”繼續(xù)做盤(pán)旋下降到第3個(gè)高度層,然后重復(fù)以上的過(guò)程到2 400 m,由于空軍管制的限制,未能飛行至云底,下降過(guò)程水平飛行5層,用時(shí)約45 min。在進(jìn)行完最后一層水平飛行后,以轉(zhuǎn)彎半徑2 km,螺旋上升的方式進(jìn)行垂直探測(cè),飛至4 100 m,用時(shí)約15 min,水平飛行,然后至機(jī)場(chǎng)降落,落地時(shí)間為17:12,整個(gè)過(guò)程共計(jì)3 h 14 min。

圖1 2007年10月27日14:54(a)、15:54(b)和16:54(c)作業(yè)時(shí)的濟(jì)南雷達(dá)回波圖Fig.1 Jinan radar echo maps in seeding operation at(a)14:54 BST,(b)15:58 BST,and(c)16:54 BST 27 October 2007

圖2 2007年10月27日飛行區(qū)域(a)和空間飛行軌跡(b)Fig.2 The maps of(a)flight area and(b)spatial flight line on October 27,2007

2 結(jié)果分析

2.1 云微觀結(jié)構(gòu)

圖3給出了小云滴(FSSP-100)、大云滴(2D-C)濃度和對(duì)應(yīng)尺度以及含水量的垂直分布。由于探測(cè)時(shí)間不長(zhǎng),數(shù)據(jù)采樣有限,故采用原始數(shù)據(jù)。從圖3可看到,在4 100 m和3 700 m中間FSSP-100、2D-C及King測(cè)量?jī)x都沒(méi)有數(shù)據(jù),主要是因?yàn)樵谙陆颠^(guò)程中,計(jì)算機(jī)死機(jī)重新啟動(dòng)的原因。根據(jù)FSSP-100探測(cè)資料可以看出,0℃層(圖4d中溫度廓線)高度約為2 900 m,4 100 m基本上接近云頂高度。小云滴濃度垂直分布不均勻(圖3a),垂直方向上粒子濃度呈現(xiàn)多峰現(xiàn)象,峰值分別在2 700、3 100、3 400、4 100 m高度附近,峰值最大值可達(dá)8.66×102cm-3,對(duì)應(yīng)的粒子尺度(圖3b)和液態(tài)含水量(圖3c)也出現(xiàn)相應(yīng)的多峰變化,峰值直徑最大可達(dá)30 μm,含水量峰值最大為0.12g/m3(2 700m)。從2D-C探測(cè)資料(圖3d、e)看,圖形呈線性變化,主要是采樣點(diǎn)少的原因,在2 400～2 800m高度層內(nèi)大云滴濃度較小只有0.5L-1,直徑基本上小于100 μm,在2 800～4 000m高度層內(nèi)圖形呈線性變化,主要是中間沒(méi)有采樣點(diǎn),也就是說(shuō)沒(méi)有出現(xiàn)較大云滴,在4 100m出現(xiàn)大云滴粒子濃度峰值,可達(dá)2.5L-1,對(duì)應(yīng)的粒子尺度增大,最大可達(dá)140μm,說(shuō)明云層垂直發(fā)展不均勻,高層發(fā)展較旺盛,存在較多的大粒子,4 000m以下云層發(fā)展較弱,主要以小粒子為主,大粒子較少,沒(méi)有出現(xiàn)降水粒子。

圖3 小云滴(FSSP-100)、大云滴(2D-C)濃度和對(duì)應(yīng)尺度及含水量隨高度的變化 a.小云滴濃度;b.小云滴尺度;c.過(guò)冷水含量;d.大云滴濃度;e.大云滴尺度Fig.3 V ertical distributions of concentration and diam eter of sm all cloud droplets(from FSSP-100),large cloud droplets(2D-C),and supercooled w ater content a.concentration of sm all cloud droplets;b.diam eter of sm all cloud droplets;c.supercooled w ater content;d.concentration of large cloud droplets;e.diam eter of large droplets

圖4給出了催化作業(yè)45m in后小云滴(FSSP-100)、大云滴(2D-C)、降水粒子(2D-P)濃度及對(duì)應(yīng)尺度和含水量的垂直分布。從FSSP-100探測(cè)資料(圖4a、b)看,與催化前相比,在3 700～4 000m高度層內(nèi)小于10μm粒子明顯增加,說(shuō)明凝結(jié)過(guò)程比較明顯,且10～27.5μm粒子開(kāi)始出現(xiàn),說(shuō)明啟動(dòng)了云滴的碰并機(jī)制,同時(shí)出現(xiàn)了較大液態(tài)水含量(圖4c),云層沒(méi)有干層,從2 400～4 100m高度層內(nèi)可以看出,粒子尺度有所變化,而低層粒子尺度有所減小,高層粒子尺度增加,并在4 100m出現(xiàn)了峰值,最大可達(dá)45μm左右,液態(tài)水含量減少,最大值由原來(lái)的0.13g/m3變化為0.1g/m3,估計(jì)是播撒A gI的結(jié)果,液體水暫時(shí)被A gI粒子爭(zhēng)食掉,此問(wèn)題還需進(jìn)一步分析證實(shí)。從2D-C資料(圖4e、f)發(fā)現(xiàn),與播撒前相比,大云滴濃度最大值由原來(lái)的3.0 L-1增大為10L-1,粒子尺度最大值由原來(lái)的160 μm增加到300μm。在4 000m至4 100m的高度層內(nèi)2D-P開(kāi)始探測(cè)到降水粒子(圖4g、h),濃度最大可達(dá)3.5L-1,尺度最大約為580μm。

圖4 小云滴(FSSP-100)、大云滴(2D-C)、降水滴(2D-P)濃度和對(duì)應(yīng)尺度及含水量隨高度分布 a.小云滴濃度;b.小云滴尺度;c.過(guò)冷水含量;d.溫度垂直廓線;e.大云滴濃度;f.大云滴尺度;g.降水滴濃度;h.降水滴尺度Fig.4 V ertical distributions of concentration and diam eter of sm all cloud droplets(from FSSP-100),large cloud droplets(2DC)and precipitation droplets(from2D-P),and vertical distribution of supercooled water content a.concentration of sm all cloud droplets;b.diam eter of sm all cloud droplets;c.supercooled w ater content;d.vertical profile of temperature;e.concentration of large cloud droplets;f.diam eter of large cloud droplets;g.concentration of precipitation droplets;h.diam eter of precipitation droplets

2.2 粒子尺度分析

圖5給出了催化作業(yè)時(shí)和催化作業(yè)45m in后2D-C、2D-P不同尺度粒子濃度隨高度的分布。2DC探測(cè)資料中Nsum1C為粒子尺度大于50μm的總濃度,Nsum2C為粒子尺度大于50μm而小于300μm的總濃度,Nsum3C為大于300μm粒子總濃度;在2D-P探測(cè)資料中,Nsum1P為粒子尺度大于400μm的總濃度。對(duì)比分析前后探測(cè)資料可明顯看出,Nsum3C代表的粒子濃度隨高度增加而增加。催化前探測(cè)最低高度至4 100m的粒子濃度主要集中在小于300μm粒子段。催化45m in后最低高度至2 800m(接近0℃層)出現(xiàn)了大于300μm粒子,2 800m至3 800m零星出現(xiàn)了300μm以上的粒子,3 800～4 100m云層內(nèi)出現(xiàn)粒子濃度峰值且300μm以上的粒子濃度有明顯增加趨勢(shì);此外,2D-P探頭也開(kāi)始探測(cè)到降水粒子,可以看出大粒子濃度增加非常快。

2.3 催化作業(yè)前后二維粒子圖像分析

圖5 催化前(a)和催化后(b)不同尺度粒子濃度隨高度的分布Fig.5 The vertical distribution of concentrations of different diam eter particles(a)before and(b)after seeding

圖6 催化前后云和降水粒子垂直分布(大云粒子取自2DC;降水粒子取自2D-P)Fig.6 The vertical distribution of cloud and precipitation droplets before and after seeding(large cloud droplets from2D-C;precipitation droplets from2D-P)

圖6給出了大云粒子(2D-C)、降水粒子(2DP)垂直分布?？梢钥闯?在4 100m(-7.8℃)催化前出現(xiàn)較小的冰晶,尺度小于100μm的占91.3%,小于200μm而大于100μm的占8.64%,200μm以上的粒子基本沒(méi)有。2 700m(0.6℃)冰晶融化層中,出現(xiàn)較大邊緣融化的霰和柱狀冰晶,說(shuō)明0℃以上存在較大冰晶。2 400m(2.8℃)云中,冰晶基本融化,可以推斷此云層冰晶融化層在0～2.8℃之間溫度層中。從4 100m(-7.8℃)云頂飛至2 400m(2.8℃)高度,探測(cè)時(shí)間約45m in;然后螺旋上升探測(cè),在2 400m(2.2℃)開(kāi)始出現(xiàn)較大融化邊緣的霰和冰晶,說(shuō)明上層已經(jīng)出現(xiàn)較大冰晶,以至于下落到此層還沒(méi)有完全融化,影響了融化層的厚度,溫度有所降低,可能是冰晶融化所至。2 800m(-0.1℃)高度層以小粒子為主,小于100 μm的占83.9%,大于100μm而小于300μm的占16.04%,大冰晶比催化前有所增加。3 000m(-1.4℃)高度層中,大冰晶粒子所占比例明顯增加,出現(xiàn)了大于500μm的粒子。統(tǒng)計(jì)顯示,小于100μm的冰晶占51.6%,大于100μm而小于550 μm的占48.3%。3 700m(-5.6℃)高度中,冰晶粒子發(fā)生較大的變化,出現(xiàn)了較多類型的冰晶粒子,如冰晶淞附體、菱形冰晶、長(zhǎng)方形冰晶和霰,其他類型的冰晶尺度也有所增大,小于100μm的冰晶占14.54%,大于100μm而小于400μm的占85.45%,且開(kāi)始出現(xiàn)降水粒子。4 100m(-6.2℃)高度中,出現(xiàn)了霰、冰晶撞凍體、長(zhǎng)方形淞附冰晶、針狀冰晶和六角形冰晶等粒子,小于100μm的粒子占4.25%,大于100μm而小于400μm的占95.47%,降水粒子尺度最大可達(dá)800μm。

綜上所述,催化后,從2 400m至4 100m高度層中,粒子濃度隨高度的變化明顯,小于100μm的粒子比例逐漸減小,大于100μm的比例逐漸增大。從二維粒子圖像上看出,在冰晶融化層附近,出現(xiàn)融化的邊沿光滑的霰、柱狀冰晶復(fù)合體、柱狀冰晶體,邊緣雖然融化,但冰晶的骨架基本上沒(méi)有發(fā)生變化,融化霰粒子的尺度范圍為250～400μm,最大尺度可達(dá)550μm。在云的上部4 100m(-8℃

2.4 不同高度譜分布

圖7給出了探測(cè)云層內(nèi)不同高度層中小云滴譜(FSSP-100)、大云滴譜(2D-C)的分布。從FSSP-100探測(cè)資料(圖7a)可看出,播撒時(shí)探測(cè)降水云中小云滴譜型基本為單峰譜,但在較大粒子處譜型略有起伏,不同高度上譜寬有些差異,在2 400m至2 700m的云中較寬,在3 000m至3 300m的變窄,主要是云垂直發(fā)展不均勻所造成的,在3 300m以上又出現(xiàn)譜寬增寬的現(xiàn)象,從宏觀記錄中可以看出,飛機(jī)出現(xiàn)中度顛簸現(xiàn)象,說(shuō)明此處云層發(fā)展較強(qiáng)。從2D-C資料(圖7b)看,大云滴譜與小云滴譜有較明顯的差別,冰晶融化層內(nèi)大云滴譜在2 400m至2 600m為單峰譜,譜寬較窄為250μm,大云滴譜隨著高度的增加,在2 700m出現(xiàn)了雙峰譜,譜寬變寬,最大可達(dá)為500 μm,主要是由融化邊緣的霰粒子造成的。在4 100m仍為雙峰譜,但譜寬變窄,主要是此處接近云頂。從二維粒子圖像上看,主要是100μm以下的小冰晶粒子,其中也有少量的柱狀冰晶聚合體和柱狀的小冰晶粒子。

圖8給出了播撒45m in后不同高度層小云滴(FSSP-100)、大云滴(2D-C)、降水粒子(2D-P)譜分布。與圖7相比,小云滴譜變化較小,在3 000m和3 300m高度的譜寬增寬,不同高度層譜型沒(méi)有多大變化,基本為單峰譜,但在較大云滴處譜型略有起伏,不同高度層的粒子濃度值有2個(gè)量級(jí)的變化。與圖7相比,較大云滴粒子譜有較大的變化,在2 400m高度處譜型變成雙峰譜,譜寬最寬可達(dá)650μm,2 400m以上為雙峰或多峰,峰值從小值向較大值移動(dòng)。2D-P探頭在3 800m至4 100m云層探測(cè)到降水粒子,譜型呈單調(diào)下降形態(tài),譜寬最大為600μm。

圖7 催化前不同高度層中云滴譜分布 a.小云滴(FSSP-100);b.大云滴(2D-C)Fig.7 The cloud droplets spectrum distribution before seeding a.sm all clouds droplets(from FSSP-100);b.large clouds droplets(from2D-C)

圖8 催化后不同高度層中云雨滴譜分布 a.小云滴(FSSP-100);b.大云滴(2D-C);c.降水粒子(2D-P)Fig.8 The cloud and rain droplets spectrum distribution after seeding a.sm all cloud droplets(from FSSP-100);b.large cloud droplets(from2D-C);c.precipitation particles(from2D-P)

3 結(jié)論

(1)催化后,低層小云滴尺度減小,高層小云滴尺度增加,液態(tài)水含量減小,大云滴濃度減小,尺度增大,出現(xiàn)降水粒子,在3 700～4 000m高度層內(nèi)小于10μm粒子明顯增加,說(shuō)明凝結(jié)過(guò)程比較明顯,且10～27.5 μm粒子開(kāi)始出現(xiàn),啟動(dòng)了云滴的碰并機(jī)制。

(2)催化后,大粒子濃度增加,尺度增加,固態(tài)粒子類型增多。

(3)催化前,該探測(cè)云層中小云滴譜型為單峰譜,譜寬隨高度的增加先變窄后變寬;催化后,小云滴譜變化較小,基本為單峰譜,但在較大云滴處譜型略有起伏,在3 000m和3 300m高度的譜寬增寬。

(4)催化前,大云滴譜型在云低層為單峰譜,中高層為雙峰譜,譜寬隨高度增加先變寬后變窄;催化后,大云滴粒子譜有較大的變化,低層變成雙峰譜,譜寬最寬可達(dá)650μm,中高層為雙峰或多峰,峰值從小值向較大值移動(dòng)。2D-P探頭在催化云高層探測(cè)到降水粒子,譜型呈單調(diào)下降形態(tài),譜寬最大為600μm。這些現(xiàn)象的出現(xiàn)是否與播撒作業(yè)有關(guān)還需要進(jìn)一步研究。

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