山西層狀云降水微物理結構特征的觀測研究

封秋娟++李培仁+楊+俊梅++申東東++李義宇++孫鴻娉

摘 要：利用2012-04-23—24常規(guī)天氣、衛(wèi)星云圖、天氣雷達和兩架次DMT探測資料研究影響山西的一次典型冷鋒層狀云降水云系的結構特征。研究表明，高空槽和地面冷鋒是導致降水發(fā)生的主要影響因素。PPI回波呈西南-東北走向的帶狀云系分布，回波強度集中在20～35 dBz。冷鋒過境前后，云中微物理量要素變化差異較大。鋒前云系云粒子譜呈多峰型分布，并且隨著高度的增加，譜寬也會由寬變窄，鋒前云系比鋒區(qū)云系譜的變化更復雜。

關鍵詞：層狀云；微物理結構；鋒區(qū)云系譜；降水云系

中圖分類號：P426.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.036

在不同的天氣系統(tǒng)和地形條件下，層狀云系的宏觀、微觀結構和降水物理過程具有多變性和復雜性，所以，在開展人工影響天氣的工作時，要重點研究各類天氣系統(tǒng)在不同地理條件下的云雨規(guī)律。2008年，山西省人工降雨防雹辦公室利用引進的美國粒子測量技術（DMT）在山西進行云降水觀測外場試驗，深入研究了人工增雨的氣象條件和增雨技術等內容，并對山西省降水云系的宏觀和微觀物理特征、云結構、降水機制、云物理概念模型、催化條件綜合判別、作業(yè)技術等進行了比較系統(tǒng)的研究，取得了一定的成果。因為飛機飛行會受復雜氣象條件的制約，所以，山西省飛機人工增雨作業(yè)的目標云系主要是相對比較穩(wěn)定的層狀云系。此次目標云系是山西地區(qū)的主要降水云系。為了提高人工催化的效果和成功率，必須詳細了解層狀云的微物理結構，更好地選擇作業(yè)時機和最佳作業(yè)部位。本文利用機載粒子測量系統(tǒng)探測2012-04-23—24山西省一次降水性層狀云系，并結合MICAPS、雷達和衛(wèi)星等資料分析層狀云系的宏觀和微觀特征，討論了云帶的水平和垂直結構特征。

1 資料來源和分析方法

此次探測使用運-12飛機，機載美國DMT云物理探測系統(tǒng)，包括空氣狀況探頭ADP（Air-Data Probe）（用于測量溫度、濕度、相對濕度、空氣的靜態(tài)氣壓和動態(tài)氣壓、風速、風向、GPS軌跡等）、云粒子探頭CDP（Cloud Droplet Probe）、云粒子圖像探頭CIP（Cloud Imaging Probe）、降水粒子圖像探頭PIP（Precipitation Imaging Probe）和空速管等，它們的主要參數(shù)詳見表1.這些探頭分別安裝在飛機兩側機翼的下方。飛機上安裝的其他探測儀器還包括溫、濕度探頭和北斗地空通訊系統(tǒng)，它們主要提供的是飛行軌跡、飛行高度、航向、溫度和濕度等信息。

2 天氣系統(tǒng)、衛(wèi)星云圖、雷達回波特征

2.1 天氣系統(tǒng)分析

2012-04-23T08：00，500 hPa歐亞中高緯度環(huán)流為兩槽兩脊型，溫度槽落后于高度槽，山西受槽前弱脊的控制，在貝加爾湖至新疆一帶有一橫槽，河套西南部到四川東部存在高原槽；20：00，橫槽略向東移，南部高原槽東移，山西受槽前西南氣流的影響。2012-04-24—25，隨著橫槽轉豎和西風槽東移，再加上貝加爾湖冷渦不斷有冷空氣分裂南下，地面氣壓梯度不斷增大。700 hPa南北向切變線位于河套以西，切變線以東有風速

≥12 m/s的大風帶，2014-04-24T20：00，切變線東移至山陜交界處，當切變線移過山西省，山西轉為由西北風控制。850 hPa東北西南向的切變位于內蒙古到甘肅一帶，山西受偏南風控制，濕度大值區(qū)（（T-Td）≤4 ℃）位于河套內；2012-04-23T20：00，切變線東移南壓到山西北部，河套內新形成一條切變線；2012-04-24T08：00，山西省北部轉為西北氣流控制，河套內切變東移至長治晉城一帶，影響山西南部地區(qū)。在地面圖上，山西省處于地面倒槽前部。2012-04-23T11：00，地面倒槽東移發(fā)展，17：00，倒槽維持，并在內部新生成一個低壓，20：00，倒槽控制山西，高空不斷有冷空氣南下，冷空氣在河套西部不斷聚集。2012-04-24T08：00，一直控制山西的倒槽東移出山西，同時，地面冷鋒東移到山西西部。受冷鋒過境和鋒后氣壓梯度力的影響，山西出現(xiàn)了大風天氣。受高低空形勢的共同影響，山西降水過程從2012-04-23夜間開始到2012-04-24T17：00基本結束，大部分地區(qū)降小雨，部分地區(qū)有中到大雨，局部有暴雨。

2.2 衛(wèi)星云圖分析

如圖1所示，紅外衛(wèi)星云圖的云帶走向與高空槽線的走向一致，云系連續(xù)密稠，由多層云組成，云帶邊帶比較光滑。從2012-04-23T23：30—2012-04-24T06：30，隨著地面倒槽東移發(fā)展，云帶變寬，向冷區(qū)凸起，色調變淡，中高云變多，云帶分布在山西的中北部。2012-04-24T10：30，山西受地面冷鋒控制，全省分布均勻的片狀云系，基本為層狀云，云系的后邊界不光滑，色調變暗。15：30，云系逐漸移出太原。

2.3 雷達回波特征

如圖2所示，從華北雷達回波拼圖上可以看出，2012-04-23T19：00，大范圍云系在陜西和內蒙交界處，呈西南-東北條狀走向分布，并逐漸向東發(fā)展，云系回波不均勻，最強回波中心為45～50 dBz。21：00，回波移入山西西北部，同時，在陜西延安、西安一帶生成了不均勻塊狀強回波。23：00，山西西部形成南北向的強回波帶，強回波帶東移，并且范圍不斷擴大。2012-04-24T03：00，回波帶進入山西太原境內，03：00—11：00，山西中部地區(qū)覆蓋大范圍穩(wěn)定的層狀云降水回波，回波強度主要集中在25～35 dBz，山西中部普遍降小到中雨。08：27—09：43，飛機在太原、靈石上空穿云飛行。11：00回波逐漸東移，14：00移出太原，14：00—16：00，太原以南分布著均勻的層狀云回波，回波強度主要集中在20～30 dBz，13：19—15：52，在山西東部地區(qū)盂縣、陽泉、和順等地進行探測飛行。

4 結論

選取2012-04-23—24山西出現(xiàn)的一次典型冷鋒層狀云降水云系進行觀測。研究表明，此次典型層狀云系降水為系統(tǒng)性降水，高空槽和地面冷鋒是引發(fā)降水的主要因素。衛(wèi)星云圖上有與高空槽線走向一致的云帶，云帶連續(xù)密稠，由多層云組成，云帶邊帶比較光滑。雷達PPI回波圖上顯示了西南-東北走向的帶狀云系分布情況，回波強度主要集中在20～35 dBz。

冷鋒過境前后，云中微物理量要素變化差異較大。鋒前云系平均云滴濃度比鋒區(qū)云系大一個量級。冷鋒過境后，冰晶濃度減小，冰晶直徑增加，而雪晶濃度和雪晶平均直徑都在增加。在同一高度層上，云滴濃度、云滴直徑和云水含量的起伏比較大。這說明，云系水平分布不均，粒子濃度和含水量突起處可能是層狀云中嵌有較弱的對流泡所致。鋒前云系云粒子譜呈多峰型分布，并且隨著高度的增加，譜寬也由寬變窄。鋒區(qū)云系Sc云譜型呈單峰分布，As云譜型在云底部分布不連續(xù)，譜會隨高度的增加而拓寬，在云頂部呈雙峰型分布。鋒前云系比鋒區(qū)云系譜的變化復雜，這可能與鋒前云系發(fā)展旺盛、高層有卷云有關。

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〔編輯：白潔〕