一次基于飛機(jī)觀測(cè)的低槽冷鋒云系微物理結(jié)構(gòu)的綜合分析

彭沖,周毓荃,蔡兆鑫,蔡淼

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一次基于飛機(jī)觀測(cè)的低槽冷鋒云系微物理結(jié)構(gòu)的綜合分析

彭沖①②,周毓荃①③*,蔡兆鑫④,蔡淼③

① 南京信息工程大學(xué),江蘇 南京 210044;

② 河南省人工影響天氣中心,河南 鄭州 450003;

③ 中國氣象科學(xué)研究院,北京 100081;

④ 山西省人工降雨防雹辦公室,山西 太原 030032

2014-12-31收稿，2015-02-24接受

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201206025)

針對(duì)2012年9月25日山西一次低槽冷鋒層狀云,組織有設(shè)計(jì)的飛機(jī)觀測(cè),通過斜飛、螺旋、分層探測(cè)等方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)云微結(jié)構(gòu)的精細(xì)觀測(cè),同時(shí)結(jié)合衛(wèi)星、雷達(dá)、探空等資料進(jìn)行該云系的綜合分析。結(jié)果顯示:1)本系統(tǒng)為冷暖混合層狀云系,云中無明顯夾層,云系宏、微觀結(jié)構(gòu)均勻、穩(wěn)定,地面有明顯降水。2)冷云區(qū)多為固態(tài)冰相粒子,以凝華增長(zhǎng)為主,過冷水欠缺;小云粒子譜呈指數(shù)分布,大云粒子譜呈雙峰分布,降水粒子譜呈三峰分布;云中相同高度的不同位置上,粒子譜型、濃度基本一致。3)暖云區(qū)大云粒子和降水粒子的譜寬較冷云區(qū)變窄,譜型由多峰變?yōu)閱畏?。隨高度下降,降水粒子有效直徑變大、濃度變小,其垂直分布同雷達(dá)回波的垂直剖面相吻合。4)地面降水主要是由冰相粒子增長(zhǎng)造成,本次過程冰相粒子充分、過冷水缺乏,因此該層狀云引晶催化的潛力較小。

層狀云系

微物理結(jié)構(gòu)

過冷水

降水機(jī)制

作業(yè)條件

飛機(jī)觀測(cè)

層狀云系是我國北方人工增雨重要的作業(yè)對(duì)象,而北方以層狀冷云為主,按照人工增雨的原理,冷云中過冷水含量越高,可播撒增雨潛力越大;而云的微物理結(jié)構(gòu)、過冷水分布規(guī)律、降水機(jī)制等都是人工增雨條件判據(jù)和指標(biāo)建立的基礎(chǔ)。大量觀測(cè)事實(shí)和統(tǒng)計(jì)資料表明,云體微物理結(jié)構(gòu)必然受降水云系、云場(chǎng)的制約,利用衛(wèi)星、雷達(dá)、探空、天氣圖和飛機(jī)觀測(cè)是深入研究人工增雨技術(shù)的重要途徑(李大山,2002)。層狀云結(jié)構(gòu)和降水過程的關(guān)系比較復(fù)雜,不僅與云中冰晶濃度、云的厚度和過冷水含量有關(guān),也與暖層特征有關(guān),還與云內(nèi)微物理過程和動(dòng)力過程有關(guān)(Heymsfield,1977;Rangno and Hobbs,2001)。

圍繞云的結(jié)構(gòu)特征、過冷水分布和降水機(jī)制,國內(nèi)外學(xué)者通過開展綜合觀測(cè),得到許多關(guān)于過冷水監(jiān)測(cè)和分布規(guī)律的研究結(jié)果。游來光等(2002)從20世紀(jì)80年代初開始,針對(duì)我國北方地區(qū)大范圍降水性層狀云開展了探測(cè)研究,發(fā)現(xiàn)北方層狀云的過冷水量較少,不是處處都有,播撒云與供水云在垂直方向上通常是分離的云體,且往往與冷鋒鋒區(qū)相對(duì)應(yīng),說明兩者分別由不同的動(dòng)力學(xué)過程所產(chǎn)生。Rangno and Hobbs(2005)通過飛機(jī)、地基微波輻射計(jì)和雷達(dá)等,對(duì)美國溫帶氣旋云系和地形云進(jìn)行了探測(cè)試驗(yàn),提出FSSP-100探頭觀測(cè)到云中大于2 μm的粒子總濃度超過10 cm-3時(shí),可看作是云水區(qū)。趙仕雄等(2002)通過青海2 a的飛機(jī)資料分析系統(tǒng)性降水高層云的云滴濃度、含水量、粒子平均直徑、最大直徑隨高度的分布,提出云系垂直微結(jié)構(gòu)可劃分為4個(gè)不同發(fā)展層,在海拔約5 km高度上存在一活躍增長(zhǎng)層可能是高層云發(fā)生降水的一個(gè)重要特征層。陶樹旺等(2001)從播云條件提出,FSSP-100的粒子數(shù)濃度不小于20 cm-3時(shí),云區(qū)具有一定可播性;其中2D-C探頭的大粒子數(shù)濃度小于0.02 cm-3時(shí),可確定為強(qiáng)可播區(qū),否則為可播區(qū)。胡志晉(2001)提出了新的層狀云人工增雨機(jī)制,并提出了適合人工增雨的云層條件、監(jiān)測(cè)識(shí)別方法以及最佳催化部位、劑量等。石愛麗(2004)曾根據(jù)河南秋季幾次層狀云個(gè)例分析發(fā)現(xiàn),“播種云”一般在200～500 hPa,-10～40 ℃之間的高層云;“供給云”分布在500～900 hPa,零度層附近(-10～5 ℃之間)。

陳英英(2009)、趙姝慧和周毓荃(2009)、周毓荃和歐建軍(2010)、蔡淼等(2011)、周毓荃等(2011)曾利用加密探空、雷達(dá)和飛機(jī)等綜合觀測(cè)資料,結(jié)合衛(wèi)星和具有詳細(xì)微物理過程的中尺度數(shù)值模式,對(duì)層狀云系多尺度結(jié)構(gòu)和人工增雨的可播條件進(jìn)行研究,初步建立了包括動(dòng)力和微物理?xiàng)l件的河南典型天氣多尺度人工增雨概念模型。馮圓等(2005)根據(jù)河南一次冷鋒降水過程分析了鋒面前后云中粒子的不同特征,發(fā)現(xiàn)鋒前云粒子譜主要為單峰型,鋒面過境時(shí),譜型轉(zhuǎn)為雙峰或多峰。混合云及更高層的云譜型比層積云更復(fù)雜,粒子直徑比積云大很多,譜寬較寬。孫鴻娉等(2011)通過一次層狀冷云降水的飛機(jī)微物理探測(cè),對(duì)過冷水含量距0 ℃高度的垂直分布及云滴濃度隨高度的變化進(jìn)行了分析。

縱觀以上研究,我國北方層狀云系多為冷暖混合型。以前雖然也研究了云滴濃度、粒子有效直徑、液態(tài)含水量在垂直高度上的分布規(guī)律,但是同一高度不同位置之間的差異研究的不多。對(duì)于云粒子全譜的分析比較少,云的整體垂直結(jié)構(gòu)研究不足。本文將在前人基礎(chǔ)上,結(jié)合衛(wèi)星、雷達(dá)、探空、飛機(jī)等資料,對(duì)一次降水過程進(jìn)行全面分析,研究該類云系的宏微觀結(jié)構(gòu)特征,為該類云人工增雨作業(yè)條件的分析提供依據(jù)。

1　資料、儀器和分析工具

本文使用的觀測(cè)資料有:飛機(jī)云物理及天氣資料、FY-2E衛(wèi)星資料及反演云參數(shù)產(chǎn)品、C波段多普勒雷達(dá)資料、常規(guī)及加密探空資料、地面雨量資料等。

云物理觀測(cè)使用機(jī)載云粒子探測(cè)系統(tǒng)(Droplet Measurement Technologies,DMT),包括:小云粒子(Cloud Droplet Probe,CDP)探頭,探測(cè)范圍:2～50 μm,其中3～14 μm范圍的分辨率為1 μm,14～50 μm范圍的分辨率為2 μm;大云粒子圖像(Cloud Imaging Probe,CIP)探頭,探測(cè)范圍:25～1 550 μm,分辨率為25 μm;降水粒子圖像(Precipitation Imaging Probe,PIP)探頭,探測(cè)范圍:100～6 200 μm,分辨率為100 μm;熱線含水量?jī)x和GPS(Global Positioning System)定位系統(tǒng)等;同時(shí)利用國家人影中心開發(fā)的云降水精細(xì)分析和決策指揮系統(tǒng)(Cloud and Precipitation Precision Analysis System,CPAS),對(duì)衛(wèi)星、雷達(dá)、探空等觀測(cè)資料進(jìn)行綜合分析。

2　天氣過程和飛行概況

2.1天氣過程概況

2012年9月25日(北京時(shí)間,下同)一次天氣過程主要影響華北一帶(圖略)。該過程為典型的低槽、冷鋒層狀云系降水。高空500 hPa低壓槽線位于地面鋒線以后800 km左右。系統(tǒng)在25日11—18時(shí)影響太原附近,其中太原、忻州和婁煩地區(qū)為本次過程的關(guān)注區(qū)。

地面降水整體呈西北—東南走勢(shì),與高空低槽、地面冷鋒的走向基本一致。關(guān)注區(qū)25日08時(shí)以后開始下雨,每小時(shí)雨量不足1 mm,隨著地面冷鋒和700 hPa低槽的過境,雨量逐漸增大。14時(shí)地面鋒線移出山西并進(jìn)入河南,但700 hPa低壓槽線位于關(guān)注區(qū)上空,此時(shí)關(guān)注區(qū)雨量仍然較大。從12—15時(shí),關(guān)注區(qū)小時(shí)雨量在1.5～3.0 mm之間變化。16時(shí)以后,關(guān)注區(qū)雨量開始逐漸減弱。

2.2飛行觀測(cè)概況

為了解該次云系結(jié)構(gòu)特征、作業(yè)條件以及云參量的均勻性,組織本次有設(shè)計(jì)的飛機(jī)觀測(cè),通過斜飛、螺旋、分層探測(cè)等方式,實(shí)現(xiàn)細(xì)致觀測(cè)云區(qū)垂直結(jié)構(gòu)及不同云區(qū)相同高度上差異等目的。飛行時(shí)段為25日12:17—14:52,航線為太原—忻州—婁煩—忻州—婁煩—忻州—太原。具體探測(cè)過程的分段、位置及高度、溫度等參見圖1,其中斜飛上升探測(cè)階段(12:17—12:40);垂直盤旋探測(cè)階段(12:40—13:02);分層梯度探測(cè)階段(13:02—14:35);斜飛降落探測(cè)階段(14:35—14:52)。

3　云結(jié)構(gòu)及其演變特征

3.1衛(wèi)星云特征參量的演變

9月25日整個(gè)云系自西向東移動(dòng),10—14時(shí)云系移入關(guān)注區(qū),并不斷加強(qiáng),亮溫Tbb在-20～-50 ℃之間。14時(shí)以后,關(guān)注區(qū)云系開始衰減,Tbb在-30 ℃附近。在飛行探測(cè)的時(shí)段,關(guān)注區(qū)云系的Tbb在-40 ℃左右變化,整個(gè)云系東北區(qū)云頂較高,西南反之。圖2a、b分別給出了9月25日14時(shí)FY-2E衛(wèi)星亮溫Tbb和反演得出的云光學(xué)厚度,圖中紅色方框?yàn)轱w機(jī)探測(cè)關(guān)注區(qū)。25日10時(shí)左右,關(guān)注區(qū)云系光學(xué)厚度在18以上,個(gè)別地區(qū)24。從12—15時(shí)關(guān)注區(qū)的光學(xué)厚度分布均勻且穩(wěn)定保持在21左右,此時(shí)云頂高度穩(wěn)定保持在10 km以上,云頂溫度在-30～-50 ℃之間;15時(shí)以后,關(guān)注區(qū)云系逐漸減弱,光學(xué)厚度在14～20之間。可見,整體上該云系東北區(qū)的光學(xué)厚度小,西南反之。

圖2　2012年9月25日14時(shí)的FY-2E衛(wèi)星云圖(a)及反演的云光學(xué)厚度(b)Fig.2　(a)FY-2E satellite image and (b)optical thickness,at 1400 BST 25 September 2012

3.2云垂直結(jié)構(gòu)特征

為了解該云系的垂直結(jié)構(gòu),距離探測(cè)區(qū)50 km的太原探空站分別在2012年9月25日14時(shí)和18時(shí)進(jìn)行了加密探測(cè),利用周毓荃和歐建軍(2010)建立的探空云分析技術(shù),分別給出25日08時(shí)、14時(shí)、18時(shí)、20時(shí)云的垂直結(jié)構(gòu)演變(圖3)。

圖3　2012年9月25日太原站探空云的垂直結(jié)構(gòu)Fig.3　Cloud vertical structure based on sounding at Taiyuan on 25 September 2012

25日08時(shí)有多層云存在,在1 200～2 200 m、4 100～7 370 m和8～11 km之間有深厚的云,在2 200 m和4 100 m之間存在薄云。結(jié)合天氣系統(tǒng)和衛(wèi)星云圖,此時(shí)太原處于低槽冷鋒層狀云系前部;14時(shí),三層云已經(jīng)連為一體,在1～13 km之間的層狀云系發(fā)展旺盛。此時(shí)探空云頂溫度為-50 ℃左右,同時(shí)刻太原附近的衛(wèi)星云頂亮溫為-40～-50 ℃(圖1a),二者基本一致。對(duì)比14時(shí)飛機(jī)資料中溫度隨高度的變化曲線與同時(shí)的探空溫度,二者溫度變化趨勢(shì)一致,但飛機(jī)探頭測(cè)量溫度高于探空1.5 ℃;18時(shí),層狀云系有所減弱,云頂高度下降至8 500 m,云底保持在1 km位置;20時(shí),太原上空層狀云頂又抬升至11 km附近,云底仍然在1 km附近。0 ℃層高度在08時(shí)、14時(shí)、18時(shí)、20時(shí)的高度分別為:4 082 m,3 337 m,3 324 m,3 392 m?？傊?25日系統(tǒng)影響山西后,除08時(shí)以外,云體垂直結(jié)構(gòu)均勻,基本無夾層。

圖4　2012年9月25日14時(shí)太原雷達(dá)組合反射率(a;藍(lán)色折線為飛機(jī)飛行路線,紅色直線為剖線)及垂直剖面(b;剖線位置為圖4a中紅色直線)Fig.4　Taiyuan (a)radar reflectivity(blue line,flight path;red line,profile) and (b)vertical section[profile location is the red line in (a)],at 1400 BST 25 September 2012

3.3雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)特征

雷達(dá)回波自西北向東南方向移動(dòng),移速80 km·h-1。25日12時(shí),關(guān)注區(qū)域回波強(qiáng)度多在20～30 dBz左右;13時(shí),雷達(dá)回波增至35 dBz左右,回波均勻并繼續(xù)向東南移動(dòng);15時(shí)開始,回波逐漸減弱至20 dBz。整體來看雷達(dá)回波水平分布均勻、強(qiáng)度中等。圖4a給出14時(shí)的太原雷達(dá)回波,圖中疊加了飛行探測(cè)軌跡(藍(lán)線)。需要說明的是,太原雷達(dá)因受地物遮擋,回波出現(xiàn)局部觀測(cè)盲區(qū)(圖中的放射狀空檔)。

為進(jìn)一步分析雷達(dá)回波垂直結(jié)構(gòu)及演變特征,選擇平行于鋒線、槽線的方向,在飛行區(qū)域附近對(duì)不同時(shí)刻雷達(dá)回波做垂直剖面(14時(shí)的剖面見圖4b,其余圖略),其中剖線位置為圖4a中紅線,剖線長(zhǎng)130 km。通過剖面可見,雷達(dá)回波垂直結(jié)構(gòu)在相同高度上分布均勻,高回波區(qū)在20 dBz左右,局部較大回波有35 dBz,位于2 500～4 000 m左右;回波頂高在10 km左右,且回波強(qiáng)度隨時(shí)間變化不大。說明無論水平和垂直分布以及時(shí)間演變,該區(qū)域降水回波都顯示穩(wěn)定特性,且回波值在垂直高度上,從高向低均勻增長(zhǎng),垂直增長(zhǎng)率約為5 dBz·km-1。

為研究雷達(dá)回波與飛機(jī)降水粒子的關(guān)系,計(jì)算飛機(jī)飛行軌跡上的雷達(dá)回波值,并將實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。實(shí)測(cè)雷達(dá)回波值在20～40 dBz變化,而CIP和PIP計(jì)算出的回波強(qiáng)度均在50 dBz附近,比實(shí)測(cè)值偏大。

4　云降水微物理結(jié)構(gòu)

4.1云粒子特征分析

4.1.1云粒子隨時(shí)間的分布特征

為研究整個(gè)航線上云微物理參數(shù)分布變化特征,繪制飛行探測(cè)全程的CDP、CIP、PIP濃度及其有效直徑隨時(shí)間的變化(圖5)。

可以看出CDP在整個(gè)飛行過程中不均勻,出現(xiàn)4次較大值,粒子數(shù)濃度均大于10 cm-3,分別在標(biāo)號(hào)為1、3、10、11的4個(gè)時(shí)段內(nèi)。

根據(jù)Hobbs(2005)的觀點(diǎn):FSSP-100探頭探測(cè)出的云粒子總數(shù)濃度超過10 cm-3時(shí),看作是云水區(qū),對(duì)上述4個(gè)云水區(qū)的各項(xiàng)粒子參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)發(fā)現(xiàn):CDP濃度產(chǎn)生較大變化的區(qū)域,CIP濃度也比較大,而該區(qū)域內(nèi)PIP濃度沒有變化。相應(yīng)4個(gè)時(shí)段內(nèi)的各種粒子有效直徑均沒有太大變化。且上述4個(gè)云水區(qū)溫度都在0 ℃以上,因此整個(gè)云中幾乎沒有過冷水存在。根據(jù)陶樹旺等(2001)的研究,可以認(rèn)為本次探測(cè)區(qū)域不適合人工播撒冷云催化劑增雨催化。

圖5　小云粒子(CDP)、大云粒子(CIP)和降水粒子(PIP)參量隨時(shí)間分布Fig.5　CDP,CIP and PIP distributions with time

表12012年9月25日飛行探測(cè)過程中云粒子特征的參數(shù)統(tǒng)計(jì)

Table 1Particle parameter statistics for the cloud sectors during the flight on 25 September 2012

時(shí)間高度范圍/m瞬時(shí)溫度/℃平均/最大CDP粒子數(shù)濃度/cm-3平均/最大CDP粒子有效直徑/μm平均/最大CDP液態(tài)含水量/(g·m-3)平均/最大CIP粒子數(shù)濃度/cm-3平均/最大CIP粒子有效直徑/μm平均/最大PIP粒子數(shù)濃度/cm-3平均/最大PIP粒子有效直徑/(103μm)12：25—12：272350～2900772～520147×102/336×102102×10/410×10435×10-2/151×10-1627×10-2/322×10-1605×102/146×103933×10-4/193×10-3113/23613：00—13：093700～4200181～-103504×10/241×102122×10/383×10427×10-2/426×10-1360×10-1/221880×102/129×103353×10-3/719E?3237/33114：24—14：334200～4000-122～056392×10/180×102131×10/423×10319×10-2/320×10-1457×10-1/417889×102/117×103545×10-3/128×10-2193/26214：40—14：412700～2350559～713920×10/278×102728/216×10173×10-2/947×10-2332×10-2/165×10-1641×102/116×103572×10-4/102×10-3105/273

注：瞬時(shí)溫度對(duì)應(yīng)高度,溫度隨著高度升高而降低,如第一行5.20 ℃對(duì)應(yīng)2 900 m,7.72 ℃對(duì)應(yīng)2 350 m,下同.

4.1.2云粒子全譜特征分析

為進(jìn)一步研究整個(gè)飛行航線上粒子譜的峰值變化特征,描繪了云粒子全譜分布(圖6)。圖中縱坐標(biāo)為粒子直徑,CDP坐標(biāo)范圍4～50 μm,CIP坐標(biāo)范圍25～1 550 μm,PIP坐標(biāo)范圍100～6 200 μm;右側(cè)色標(biāo)表示相應(yīng)時(shí)間單位體積、單位粒子尺度間隔(1 μm)內(nèi)粒子的數(shù)目,單位:cm-3·μm-1(蔡兆鑫,2012)。圖中深藍(lán)色部分不排除是儀器噪音引起的干擾。

圖6　粒子全譜分布Fig.6　The full spectrum distribution of particles

由圖6可見,整個(gè)觀測(cè)過程中,有效粒子直徑大多集中在20 μm以下,尤其5 μm以下粒子最多;而前面提到的4個(gè)云水區(qū)內(nèi)(表2),粒子譜寬增加,直徑在30 μm以下,尤其10 μm以下粒子最多,譜型呈單峰分布;且對(duì)應(yīng)云水區(qū)內(nèi)CIP濃度也相對(duì)較高,但主要集中在40 μm以下,譜寬沒有太大變化,譜型以雙峰為主。

25日12:30—14:37期間,飛機(jī)主要在4 000 m及以上飛行,基本處于冷云區(qū)。此時(shí)段內(nèi)CIP分布范圍(25～1 550 μm)比暖云區(qū)粒子分布范圍(25～800 μm)廣,同時(shí)CIP譜型呈雙峰分布,其峰值分別在40 μm和300 μm附近,而暖區(qū)為單峰分布。PIP粒子直徑在冷區(qū)也明顯變寬,粒子譜呈3峰分布,峰值分別在150 μm、300 μm和1 000 μm附近,且1 000 μm附近的PIP濃度較高,而粒子落入暖區(qū)后變?yōu)閱畏濉?/p>

由此可見,冰相粒子降落至0 ℃層以后,開始融化;隨著粒子相態(tài)的變化,導(dǎo)致CIP譜和PIP譜的譜寬變窄,譜型均由多峰變?yōu)閱畏濉?/p>

4.2冷云區(qū)垂直盤旋探測(cè)

25日12:40—13:02在忻州進(jìn)行了22 min的垂直盤旋探測(cè),這段時(shí)間的探測(cè)基本在云區(qū)冷層(圖1),根據(jù)各探頭探測(cè)數(shù)據(jù)做出各類云粒子在垂直方向上的分布(圖7)?？梢?低層3 736～4 127 m之間,CDP濃度是一個(gè)大值區(qū)。其平均粒子數(shù)濃度為17.69 cm-3,平均粒子有效直徑為16.14 μm。4 270 m以上,粒子濃度變小,并一直保持在較小值,平均2.70 cm-3。此階段CDP有效直徑并無明顯變化。

3 767～4 318 m之間,CIP濃度較高,平均粒子數(shù)濃度3.60×10-2cm-3,平均粒子有效直徑為884.76 μm。4 318 m以上,CIP濃度驟降,然后隨高度呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)。自上而下,CIP的有效直徑并無明顯變化,有效直徑在830～990 μm。

圖7　忻州盤旋垂直探測(cè)階段云粒子的垂直分布a.CDP濃度;b.CDP有效直徑;c.CIP濃度;d.CIP有效直徑;e.PIP濃度;f.PIP有效直徑Fig.7　Vertical distribution of cloud particles during the hovering vertical detection in Xinzhou:(a)CDP concentration;(b)CDP effective diameter;(c)CIP concentration;(d)CIP effective diameter;(e)PIP concentration;(f)PIP effective diameter

隨高度下降,PIP濃度降低明顯,粒子有效直徑卻隨高度的下降而增長(zhǎng)。5 000 m以上,PIP有效直徑大多在1 400～2 200 μm。進(jìn)入暖區(qū)之后,由于相變,粒子直徑瞬間變小,但隨著降落過程的碰并作用又呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

總之,該層狀云中,0 ℃層(4 012 m)附近是CIP、CDP濃度的高值區(qū)。0 ℃層以上,CDP濃度明顯降低,并隨高度增加一直維持在低值,說明上層過冷水稀缺,同時(shí)CIP濃度也明顯降低。PIP濃度隨高度下降明顯變小,粒子有效直徑隨高度下降而增大。

4.3冷云區(qū)各高度分層探測(cè)

4.3.1各高度層的云降水粒子特征統(tǒng)計(jì)

在忻州、婁煩兩地往返飛行過程中,進(jìn)行了梯度爬升和下降探測(cè);并分別對(duì)5 000和5 600 m進(jìn)行了探測(cè)。各層數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2:

由表2可見,飛機(jī)在3段和10段為平均CDP濃度大于10 cm-3的云水區(qū),但所在高度為暖云區(qū),不會(huì)存在過冷水;4—9段位于冷云區(qū),但CDP數(shù)濃度普遍低于10 cm-3,且缺乏過冷水,而CIP數(shù)濃度在各高度層上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.02 cm-3,均不符合可播條件。結(jié)合整個(gè)梯度飛行過程,均顯示了該處云系過冷水缺乏,沒有可播條件。

4.3.2各高度層的各類粒子譜型

為分析各高度層上粒子譜的異同,8組平均粒子譜如圖8所示。圖8a—h分別對(duì)應(yīng)圖1中3—10段所在高度,其橫坐標(biāo)為粒子直徑范圍,單位:μm;縱坐標(biāo)為單位體積、單位粒子尺度間隔(1 μm)內(nèi)粒子的數(shù)目,單位:cm-3·μm-1。

由圖8可見,CDP和CIP之間、CIP和PIP之間,均有部分探頭檔位重合,而重合部分在譜型和量級(jí)上存在差異,CDP探頭檔位間距2 μm,CDP探頭檔位間距25 μm,PIP探頭檔位間距100 μm,這些也會(huì)對(duì)譜型造成影響,以后需結(jié)合更多數(shù)據(jù)進(jìn)行論證。

表22012年9月25日不同高度層上云降水粒子特征統(tǒng)計(jì)

Table 2Flight detection statistics on different level on 25 September 2012

時(shí)間階段高度/m平均溫度/℃平均/最大CDP粒子數(shù)濃度/cm-3平均/最大CDP粒子有效直徑/(10μm)平均/最大CDP液態(tài)含水量/(g·m-3)平均/最大CIP粒子數(shù)濃度/cm-3平均/最大CIP粒子有效直徑/μm平均/最大PIP粒子數(shù)濃度/cm-3平均/最大PIP粒子有效直徑/(103μm)13：02—13：0633750132745×10/241×102114/205632×10-2/426×10-1375×10-1/221861×102/106×103290×10-3/557×10-3248/33113：09—13：1344350-067161/163×10136/462710×10-4/675×10-3233×10-1/499×10-1914×102/111×103730×10-3/127×10-2197/28213：18—13：2255000-294102/433159/466847×10-4/511×10-3227×10-1/437×10-1924×102/111×103724×10-3/121×10-2176/23213：26—13：3265600-609068/396129/458586×10-4/722×10-3167×10-1/421×10-1908×102/116×103505×10-3/833×10-3175/23913：37—14：0976300-876081/965151/490780×10-4/993×10-3233×10-1/641×10-1896×102/113×103851×10-3/208×10-2156/24514：12—14：1585600-598059/238156/489865×10-4/707×10-3217×10-1/403×10-1880×102/107×103944×10-3/141×10-2143/20514：18—14：2295000-293105/567143/482715×10-4/629×10-3185×10-1/357×10-1892×102/109×103604×10-3/904×10-3183/24814：25—14：35104000008360×10/180×102126/458269×10-2/320×10-1393×10-1/417889×102/117×103560×10-3/128×10-2190/262

圖8　各階段各高度層各類粒子譜型分布(紅線、綠線、藍(lán)線分別代表CDP、CIP、PIP譜廓線)a.3段;b.4段;c.5段;d.6段;e.7段;f.8段;g.9段;h.10段Fig.8　Particle spectrum distribution during each phase and at each level(red,green and blue lines represent CDP,CIP and PIP spectrum profiles,respectively):(a)period 3;(b)period 4;(c)period 5;(d)period 6;(e)period 7;(f)period 8;(g)period 9;(h)period 10

根據(jù)CDP譜可看出(圖8),在0 ℃附近3 750 m和4 000 m兩個(gè)高度上,粒子譜呈單峰分布,峰值在13 μm左右;在4 000 m以上的冷云區(qū)各高度層,CDP譜形狀完全一致,均呈指數(shù)型分布,且譜寬比3 750 m和4 000 m兩層的窄,這和圖6中粒子譜的分布相一致。CIP譜均呈雙峰分布,峰值分別在30 μm和300 μm附近,且各層譜型基本沒有變化,可見CIP在整個(gè)0 ℃層以上空間處于穩(wěn)定狀態(tài)。PIP譜在不同高度層上存在略微的量級(jí)和譜型的差異。

表2中6段和8段為前后2次5 600 m的平飛探測(cè),5段和9段為前后2次5 000 m的平飛探測(cè)(圖1),對(duì)比可見,云中相同高度上粒子譜型基本一致,說明此類層狀云微物理結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定。

4.3.3各高度層的粒子頻率分布

由粒子在各高度層的頻率分布(即粒子出現(xiàn)的概率)可知(圖略),CDP濃度隨高度上升而減小。在3 750 m高度層上,CDP在33 cm-3左右的數(shù)濃度出現(xiàn)頻次最高?？傮w來說,CDP濃度隨高度上升而減小,尤其是從4 400 m開始突然降低一個(gè)量級(jí),暖區(qū)和冷區(qū)粒子濃度差別較大,這和忻州盤旋垂直探測(cè)(2段)結(jié)果相一致。由CDP有效直徑的分布來看,整個(gè)高度層結(jié),CDP有效直徑相對(duì)穩(wěn)定,主要集中在8～16 μm,但是隨著高度上升,CDP有效直徑更趨于集中,暖區(qū)粒子直徑略大于冷區(qū);冷區(qū)各高度層的粒子直徑頻率分布比較接近。

從CIP濃度的頻率分布來看,4 000 m高度層的CIP濃度比3 750 m濃度高,且濃度范圍更為集中。4 400 m以上,其濃度值又突然降低?？梢奀IP濃度在暖區(qū)達(dá)到極大值(2.21 cm-3),冷區(qū)數(shù)值迅速下降,但整個(gè)過程不存在數(shù)濃度小于0.02 cm-3的強(qiáng)可播條件。整個(gè)垂直高度上,CIP有效直徑非常穩(wěn)定。主要集中在900～1 000 μm。3 750 m高度存在少量有效直徑較小的粒子,是由暖區(qū)附近粒子碰撞破碎所致。

PIP濃度整體隨高度增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。尤其在3 750 m的頻率曲線與其他高度層有量級(jí)上的區(qū)別。PIP下落過程中由于凝結(jié)、凇附等原因逐漸增長(zhǎng),粒子直徑逐漸增加。3 750 m頻率曲線與其他高度層區(qū)別較為明顯,是由于PIP開始逐漸融化,出現(xiàn)融連、聚并現(xiàn)象導(dǎo)致雪團(tuán)增大,濃度減小。

結(jié)合冷云區(qū)的垂直盤旋探測(cè)和分層梯度探測(cè),可以看出,兩種探測(cè)分析得到的云微物理參數(shù)在垂直高度上的變化規(guī)律基本一致,即冷云區(qū)粒子圖像以冰晶為主,粒子形狀穩(wěn)定且含量較大;云中幾乎無過冷水,冰相粒子以凝結(jié)增長(zhǎng)為主;相同高度層上微物理參數(shù)分布均勻;0 ℃層附近云粒子濃度最大;云中低層降水主要由上層冰相粒子融化而形成;0 ℃附近聚并系數(shù)加大,雪團(tuán)增大,PIP濃度減小。

4.4暖云區(qū)斜飛探測(cè)

飛機(jī)在12:17—12:40期間斜飛上升,14:36—14:52從忻州斜飛下降(圖1),兩次探測(cè)過程中暖區(qū)的粒子參量如圖9、10,每組圖左列為斜飛上升標(biāo)號(hào)為1,右列為斜飛降落標(biāo)號(hào)為2,a—g分別是CDP、CIP、PIP濃度、有效直徑及液態(tài)含水量:

圖9　斜飛上升過程中各云粒子參數(shù)隨高度的分布　　a.CDP濃度;b.CDP有效直徑;c.CIP濃度;d.CIP有效直徑;e.PIP濃度;f.PIP有效直徑;g.液態(tài)含水量Fig.9　Particle parameter changes with height during takeoff:(a)CDP concentration;(b)CDP effective diameter;(c)CIP concentration;(d)CIP effective diameter;(e)PIP concentration;(f)PIP effective diameter;(g)liquid water content

圖10　斜飛降落過程中各云粒子參數(shù)隨高度的分布　　a.CDP濃度;b.CDP有效直徑;c.CIP濃度;d.CIP有效直徑;e.PIP濃度;f.PIP有效直徑;g.液態(tài)含水量Fig.10　Particle parameter changes with height during landing:(a)CDP concentration;(b)CDP effective diameter;(c)CIP concentration;(d)CIP effective diameter;(e)PIP concentration;(f)PIP effective diameter;(g)liquid water content

由圖9a、圖10a可知,斜飛上升和降落過程,CDP濃度均在2 500 m高度上出現(xiàn)大值區(qū),最大處均超過300 cm-3;粒子的分布在高度和量級(jí)上并無太大區(qū)別;3 750 m以上,前文已討論過,此處不再分析。CDP有效直徑在2 500 m以下主要集中在2～7 μm之間,2 500 m高度上略有增加,這和CDP濃度變化趨勢(shì)相一致。根據(jù)云粒子計(jì)算出的液態(tài)含水量LWC隨高度的變化可看出,LWC在垂直空間上出現(xiàn)過2個(gè)較大區(qū)域,一個(gè)在2 500 m高度層;另一個(gè)在4 000 m左右,但兩處均屬于暖云區(qū),分別在0℃高度層以下1 500 m附近和0 ℃層附近。

圖9c、圖10c可看出3 500 m以下的CIP濃度相對(duì)分散,濃度值小于4 000 m以上。 3 500 m以下的CIP有效直徑也相對(duì)分散,而4 000 m以上集中于800～1 100 μm。 PIP濃度在3 000 m以下穩(wěn)定保持在0.001 4 cm-3左右;3 500 m以上開始隨高度上升而增加。從斜飛上升和斜飛降落探測(cè)的對(duì)比發(fā)現(xiàn),雖然兩探測(cè)階段相隔2 h,但二者微物理參量的空間分布比較一致,說明暖區(qū)內(nèi)云微物理參量分布均勻穩(wěn)定。

5　結(jié)論與討論

2012年9月25日對(duì)一次影響山西的降水過程組織實(shí)施了多種飛行方式的探測(cè),結(jié)合衛(wèi)星、雷達(dá)、探空、雨量和天氣等資料的綜合分析,得到如下認(rèn)識(shí):

1)本次過程為低槽冷鋒層狀云系降水,地面雨量明顯;探測(cè)區(qū)域主要位于高空500、700 hPa低壓槽前和地面冷鋒之后。

2)云頂高度在10～13 km,云頂溫度在-40～-50 ℃,0 ℃層高度在4 000 m左右,云中無夾層,衛(wèi)星、雷達(dá)等云特征物理參量在空間和時(shí)間分布上都均勻少變,云系的水平和垂直等宏觀結(jié)構(gòu)都均勻穩(wěn)定。

3)冷區(qū)主要以固態(tài)冰相粒子為主,幾乎沒有過冷水;且各高度層的粒子形狀穩(wěn)定,以凝華增長(zhǎng)為主;CDP譜呈指數(shù)分布,CIP譜呈雙峰分布,PIP譜呈三峰分布;冷區(qū)相同高度的不同位置上,粒子譜型、濃度基本一致,各微物理參量分布均勻。

4)冰相粒子落入0 ℃層以下開始融化,由于粒子相態(tài)的轉(zhuǎn)變,暖區(qū)CIP和PIP的譜寬變窄,且二者譜型均由多峰變?yōu)閱畏?PIP主要集中在2 000 μm以下;CDP譜型在0 ℃附近也為單峰;暖區(qū)內(nèi)云粒子濃度和大小在相同高度上隨時(shí)間變化不大,表現(xiàn)均勻穩(wěn)定。

5)云系的CDP和CIP濃度在0 ℃層附近最大,0 ℃層以下1 500 m處出現(xiàn)另一高濃度區(qū);PIP濃度在6 300 m最大,但隨高度下降過程中凇附、碰并等云物理過程的發(fā)生,粒子濃度逐漸變小,而粒子有效直徑逐漸變大,這同雷達(dá)回波垂直剖面結(jié)構(gòu)相吻合。

6)綜合整個(gè)探測(cè)分析,云系在整個(gè)時(shí)段的微物理結(jié)構(gòu)均勻,過冷水欠缺,冷區(qū)冰相粒子主要由凝華增長(zhǎng)發(fā)展,落入暖區(qū)后融化為液態(tài),通過碰并增長(zhǎng)發(fā)展。該種云區(qū)人工引晶催化潛力小。

通過有設(shè)計(jì)的飛行探測(cè),對(duì)一次人工引晶催化潛力較小的低槽冷鋒過程進(jìn)行深入分析,為今后人工增雨作業(yè)指標(biāo)提供依據(jù)。但本次過程只代表一次個(gè)例,未來還需更多個(gè)例統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行更精細(xì)化的補(bǔ)充。

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A comprehensive set of aircraft-based aerial observations of the physical structure of a low trough cold front stratiform cloud was organized on 25 September 2012 in Shanxi Province.Combined with satellite and other data,the main results were as follows:

The system was a mixed system with no interlayer.The cloud physical structure was uniform and stable.Rainfall was obvious on the ground.The detection area was mainly ahead of the trough at 500 hPa and 700 hPa,and behind the cold front on the ground.The height of the cloud top was 10—13 km.The temperature of the cloud top is -40 to -50 ℃.The height of the 0 ℃ layer was 4 000 m.

The cloud physical parameters obtained from satellite and radar changed little along with space and time.In cold cloud region,there is hardly any supercooled water,but mainly ice-phase particles,which grow lager by condensation process.The spectrum of cloud droplet probe(in short,CDP,range from 2—50 μm) detection showed a exponential distribution.The spectrum of cloud image probe(in short,CIP,range from 25—1 550 μm) detection showed a bimodal distribution.The spectrum of precipitation image probe(in short,PIP,range from 100—6 200 μm) detection showed a trimodal distribution.The particle spectrum type and concentration was uniform in different positions at the same height in the cold zone.The distribution of the microphysical parameters was uniform in the cold zone.Ice particles fell into the 0 ℃ layer and began to melt,and then the particle phase state shifted.The spectral width of CIP and PIP turned narrow in the warm zone,and their spectrum type turned unimodal.PIP was concentrated under 2 000 μm.The CDP spectrum was unimodal near 0 ℃.The concentration of CDP and CIP was largest near the 0 ℃ layer,and another high concentration area of these parameters occurred around the height of 1 500 m.The max concentration of PIP appeared at 6 300 m,The concentration is fewer,while the effective diameter is bigger with the reduced height,which is caused by cloud physical processes,such as coagulation.The phenomenon is consistent with the vertical radar echo structure.Calculating the radar echo on the aircraft flight path revealed that CIP and PIP were larger than their measured values.The vertical growth rate of the radar echo values from high to low was approximately 5 dBz·km-1.

Based on the analysis,the microphysical structure of the cloud system was uniform and stable,and lacked supercooled water.In this kind of cloud,the potential for precipitation enhancement is small;rainfall on the ground is mainly caused by ice particles.This paper provides some evidence for the seeding index during precipitation enhancement operation.However,this is just a case study,and more statistics analysis should be supplement in the future.Additionally,the design of the flight path needs further consideration.

stratiform cloud system;microphysical structure;supercooled water;precipitation mechanism;operational conditions;aircraft observation

(責(zé)任編輯：孫寧)

A comprehensive analysis of the physical structure of a low trough cold front cloud system based on aerial observation

PENG Chong1,2,ZHOU Yuquan1,3,CAI Zhaoxin4,CAI Miao3

1NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2WeatherModificationCenterofHenanProvince,Zhengzhou450003,China;3ChineseAcademyofMeteorologicalScience,Beijing100081,China;4WeatherModificationOfficeofShanxiProvince,Taiyuan030032,China

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*聯(lián)系人，E-mail:zhouyq05@163.com