中國北方典型地區(qū)不同類型云微物理特征分析

呂玉環(huán) 雷恒池 魏蕾

(1 天津市武清區(qū)氣象局，天津 301700; 2 中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水與強風(fēng)暴實驗室，北京 100029;3 北京市人工影響天氣辦公室，北京 100089)

引言

云覆蓋地球上約60%的表面，通過吸收和反射太陽輻射和地球輻射，從而影響地球系統(tǒng)的輻射平衡。在液態(tài)含水量不變的情況下，高濃度的氣溶膠提供了大量的云凝結(jié)核(CCN，Cloud Condensation Nuclei)，會導(dǎo)致云滴數(shù)濃度的增加并使云滴尺度變小[1]。進一步加深對氣溶膠和云的相互作用的理解，需要深入了解云的微物理特性，包括云滴粒子數(shù)濃度、粒子有效半徑、液態(tài)含水量及粒子平均半徑等。

不同類型云的宏微觀物理結(jié)構(gòu)特征千差萬別，與產(chǎn)生該云的天氣系統(tǒng)、地域及所處云系不同的發(fā)展階段等密切相關(guān)，因此，為深入了解一個地區(qū)的云系物理結(jié)構(gòu)，就需要對該地區(qū)的各種云系開展深入的探測研究。飛機探測可直接獲取云的宏微觀結(jié)構(gòu)，且時間、空間分辨率都比較高，所以利用機載粒子測量系統(tǒng)對云系微物理參量進行探測，是目前研究云微物理特征的重要手段。因受到大氣環(huán)流、人為排放和云過程等因素的影響，導(dǎo)致不同地區(qū)、不同時期的云的微物理參數(shù)差異很大。Miles等[2]收集了已有文獻中的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)海洋性層狀云粒子濃度平均為74 個·cm-3，含水量平均為0.18 g·m-3，平均有效直徑為19.2 μm，大陸性層狀云的探測結(jié)果分別為288 cm-3、0.19 g·m-3、10.8 μm。Prabha等[3]在研究深對流云飛機觀測中比較了季風(fēng)前部及季風(fēng)內(nèi)濃積云的云參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在云底以上2000 m處有效半徑可相差一倍，且水平方向上云水含量的起伏遠(yuǎn)大于有效半徑的起伏，南美亞馬遜地區(qū)也有類似的測量結(jié)果(Fraud等[4])，云滴譜分布在污染的季風(fēng)前云中明顯要比較清潔的季風(fēng)性云中要窄，在各個高度層都存在較多的小于10 μm的小粒子。魏蕾等[5]對東北地區(qū)一次處于消散期的降水性層狀云飛機探測發(fā)現(xiàn)，雨層云(Ns)云底約在1000 m左右，云頂不超過4000 m，小粒子在每個高度層上都占主要部分，0.61～2 μm的小粒子濃度可達100 個·cm-3，云內(nèi)含水量較少，極大值也不足0.01 g·m-3。

國內(nèi)近幾十年來，在湖北[6]、廣西[7]、甘肅[8]、青海[9]、山東[10]、山西[11]、河北[12-13]、河南[14]、遼寧[15]、吉林[16-17]、北京[18]等地利用機載粒子探測系統(tǒng)進行了大量云物理結(jié)構(gòu)的探測試驗，提供了大量云的宏、微觀特征資料。但是，云系的發(fā)生、發(fā)展受到多種的因素影響，云系的垂直結(jié)構(gòu)和微物理特征在不同時間也存在一定的差異，利用單次個例飛行探測所取得的微物理參數(shù)特征結(jié)果與該地區(qū)統(tǒng)計特征的一致性存在質(zhì)疑。因此，要得到具有客觀性和可比性的結(jié)果，就需要對該地區(qū)云物理結(jié)構(gòu)特征和參數(shù)含量進行綜合統(tǒng)計分析。

本文利用內(nèi)蒙古通遼地區(qū)2009—2011年每年的5—9月飛機觀測資料，前期已經(jīng)對該地區(qū)氣溶膠分布特征進行的相關(guān)分析[19]，可以看出內(nèi)蒙古通遼地區(qū)相對華北及北京周邊等重污染地區(qū)是相對清潔的，在前期研究的基礎(chǔ)上，本文重點分析這樣一個中國北方典型地區(qū)的各類型云微觀特征量(數(shù)濃度、平均直徑、液態(tài)水含量、云滴尺度分布等)以及它們的時空變化，并與歷史及同期華北地區(qū)相關(guān)的觀測數(shù)據(jù)進行對比，目的在于了解各類型云的粒子濃度、含水量等微物理特征，為雷達、衛(wèi)星等遙測和北方地區(qū)飛機人工增雨作業(yè)提供必要的觀測依據(jù)。

1 觀測概況

1.1 觀測地點

通遼市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部，東臨吉林省，南接遼寧省，地處松遼平原西端，科爾沁草原腹地，是我國東北地區(qū)和華北地區(qū)交匯處(圖1)，是中國北方典型區(qū)域，屬我國干旱半干旱地區(qū)。地勢呈馬鞍形，南部為遼西山地邊緣的淺山、黃土丘陵區(qū)，北部為大興安嶺南麓余脈的石質(zhì)山地丘陵，周邊地區(qū)下墊面主要為沙地和沙丘。該區(qū)域?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，處在西風(fēng)帶與副熱帶氣流交匯處，其降水系統(tǒng)受周圍地形、大(中)尺度天氣系統(tǒng)的影響很大，該區(qū)域易受到東北冷渦的控制，此外，西風(fēng)帶的冷鋒、氣旋、低渦、副熱帶高壓西部的切變和熱帶系統(tǒng)等都可能影響該地區(qū)。

圖1 內(nèi)蒙古通遼位置

1.2 觀測儀器

本文觀測使用的儀器是美國DMT(Droplet Measurement Technologies)公司生產(chǎn)的新一代氣溶膠、云和降水探測設(shè)備。氣溶膠粒子探頭PCASP-SPP200(Passive Cavity Aerosol Spectrometer Probe，Signal Processing Package)能夠測量不同粒徑大小的氣溶膠粒子，測量范圍為0.1～3.00 μm，該探頭的測量范圍是0.1～3.00 μm，總共分為30個間隔不完全相同的測量通道，最小分辨率為0.01 μm。云及氣溶膠粒子探頭CAS(Cloud and Aerosol Spectrometer)既可以測量云滴也可以測量粗粒子氣溶膠，總量程為0.35～50 μm，測量通道分為30個不完全相同的間隔，最小分辨率為0.07 μm。云凝結(jié)核計數(shù)器CCN(Cloud Condensation Nuclei)用以測量不同過飽和度對應(yīng)的活化粒子數(shù)。此外還有AIMMES-20 (Aircraft Integrated Meteorological Measurement System)常規(guī)氣象探頭，可以探測溫度、濕度、氣壓、GPS(Global Positioning System)以及真空速，同時該探頭還能夠測量三維風(fēng)速。

2009—2011年每年5月到9月，利用內(nèi)蒙古通遼市氣象局人工影響天氣辦公室的Y-12飛機搭載上述儀器對該地區(qū)實施飛機探測，共進行了41架次有設(shè)計的飛行探測，獲得了大量珍貴探測資料。

2 數(shù)據(jù)處理方法

由于飛機不能穿過強對流云，文中提及的積云主要指淡積云，水平尺度一般在幾百米，少數(shù)能達到1～2 km，垂直尺度接近水平尺度。另外，由于飛行觀測主要夏秋季進行，飛行海拔高度一般為1～4 km，因此所測云體主要為暖云。云型的判斷依據(jù)飛行日志中的記錄及地面航站樓無線電探空儀相關(guān)資料。

云數(shù)據(jù)選取CAS探頭測量的3～50 μm云粒子資料。粒子探頭所探測到的數(shù)據(jù)為各個直徑范圍內(nèi)的粒子個數(shù)，因此需要進行換算為常用的量。按照如下方法對云滴數(shù)濃度、平均直徑、有效直徑、液態(tài)含水量、云滴譜標(biāo)準(zhǔn)差和云滴譜相對離散度進行統(tǒng)計計算：

數(shù)濃度：Ni=ni/V，單位為個·cm-3;

總數(shù)濃度：Ntot=∑Ni，單位為個·cm-3;

平均直徑：Dm=∑niDi/∑ni，單位為μm;

云滴譜標(biāo)準(zhǔn)差：

σ=(∑ni(Di-Dm)2/∑ni)1/2,單位為μm;

云滴譜相對離散度：ε=σ/Dm。

其中,ni是第i檔觀測到的粒子數(shù)，V(Sample Volum)為采樣體積，Ni(個·cm-3)表示單位體積內(nèi)第i通道的數(shù)濃度，Di(μm)是第i通道的幾何平均直徑，ρw= 1 g·cm-3是液態(tài)水的密度。

3 云微物理特征的統(tǒng)計分析

在2009—2011年通遼地區(qū)的41架次飛機觀測數(shù)據(jù)中，觀測的各類型云主要為云的暖區(qū)。各類型云數(shù)據(jù)記錄共有42754個，其中積云(Cu)，層積云(Sc)，高積云(Ac)，高層云(As)和雨層云(Ns)的記錄分別為1538、3016、10774、14267、13159個。表1給出了各類云型中云粒子微物理參數(shù)的統(tǒng)計分析，包括云滴粒子數(shù)濃度Nc、液態(tài)含水量LWC 、云滴有效直徑De、云滴平均直徑Dm的最大值(Max)、平均值(Mean)、中值(Median)和標(biāo)準(zhǔn)差(Std)。圖2給出了各類型云中的平均溫度和平均相對濕度的垂直分布廓線。

圖2 2009—2011年內(nèi)蒙古通遼地區(qū)飛機觀測的不同類型云中平均溫度(a)和平均相對濕度(b)的垂直廓線

表1 2009—2011年內(nèi)蒙古通遼地區(qū)41架次飛機觀測中不同類型云中微物理參數(shù)的統(tǒng)計值

為了解不同時間云中微物理參數(shù)差異，選取5月和9月的積云(Cu)觀測數(shù)據(jù)進行對比，統(tǒng)計結(jié)果見表2，可以看出，通遼地區(qū)9月積云中云滴粒子數(shù)濃度、液態(tài)含水量、云滴有效直徑、云滴平均直徑均比5月的觀測值要大，此外，本文對的國內(nèi)早期一些已發(fā)表的北方地區(qū)云微物理觀測特征進行了總結(jié)(表3)。

表2 2009—2011年內(nèi)蒙古通遼地區(qū)5月和9月飛機觀測云微物理參數(shù)的統(tǒng)計值

表3 中國部分北方地區(qū)飛機觀測云物理觀測參數(shù)統(tǒng)計值

3.1 云滴數(shù)濃度的統(tǒng)計分析

如表1所示，最大云滴數(shù)濃度Nc的大小順序為：As>Sc>Cu>Ns>Ac。各類型云中云滴數(shù)濃度最大值均比同期華北地區(qū)觀測值(Deng等[25])要大一些。其中Sc和Cu的Nc最大值分別為1715.6和1695.8 個·cm-3，大于同期華北地區(qū)PMS觀測值1244和1164 個·cm-3。兩地均表現(xiàn)為Sc的最大值比Cu的最大值要大，可能是觀測中的Cu幾乎都是發(fā)展較弱的淡積云，沒有得到濃積云和積雨云的資料。國內(nèi)早期PMS觀測(表3所示)得到的云滴數(shù)濃度值都較低，可能是云觀測儀器和方法不同等原因，也可能是得到的云觀測樣本量的差異。

平均Nc(個·cm-3)的大小順序是:Sc(454.55±397.39)>Cu(142.3±163.12)>As(134.73±205.49)>Ns(125.11±147.23)>Ac(101.28±118.76)。Sc的平均Nc比國內(nèi)早期北方地區(qū)觀測(10個·cm-3量級)要高很多(表3)，這個結(jié)果與Miles等[2]搜集的資料較接近。非降水云(Cu和Ac)的平均Nc比同期(Deng等[25])北京地區(qū)觀測值偏小，而降水性云(Sc、As和Ns)的平均Nc則偏大。

圖3給出了不同類型云中Nc的累積概率密度分布情況。X軸表示Nc，由于Nc的變化范圍比較大且主要都累積在小值部分，為了更加詳盡的描述數(shù)據(jù)的特性，對X軸采用對數(shù)坐標(biāo)。從圖3中可以看出，Sc云的Nc變化范圍大于其他云型，一半數(shù)據(jù)大于350個·cm-3，且70%的Nc大于190個· cm-3。其次，As和Cu累計概率分布比較相似，均有50%的數(shù)據(jù)大于135個·cm-3，但Cu在小值部分?jǐn)?shù)據(jù)比較多，As大值部分范圍略大，As云的最大Nc可達到3500個·cm-3，并且43%的Nc大于187個·cm-3。對于Ns云有43%的數(shù)據(jù)大于130個·cm-3。另外，當(dāng)Nc介于70～250個·cm-3時，Ac和Cu的Nc累計概率都急劇減小，說明Ac和Cu的Nc絕大部分都是小于250 cm-3。從圖3中可以看出，對于某種特定的云來說，云滴數(shù)濃度是很不均勻的，變化范圍很大。而降水性云(Ns，As，Sc)比非降水性云(Cu，Ac)的Nc值跨度范圍大，且累計概率的減小幅度較為平緩。

圖3 2009—2011年通遼地區(qū)飛機觀測的不同類型云中云滴數(shù)濃度(Nc)的累積概率密度分布

3.2 液態(tài)含水量的統(tǒng)計分析

不同類型云中液態(tài)含水量LWC統(tǒng)計結(jié)果顯示(表1)，LWC最大值的大小順序為：Ns>As>Sc>Ac>Cu。與同期華北地區(qū)(Deng等[25])觀測值相比，積狀云(Cu、Sc和Ac)的LWC最大值偏小，而層狀云(As和Ns)的LWC最大值(0.417和0.567 g·m-3)偏大。Cu云最大LWC在統(tǒng)計的各類云中最小(0.106 g·m-3)，可能是由于本次觀測中的Cu是一些小積云和淡積云，發(fā)展都較弱，上升氣流較弱，使得LWC較小，而且在飛行過程也沒有飛到云的中心，云的邊緣的夾卷亂流作用較強，會使得外圍干空氣進入云區(qū)，從而降低云滴數(shù)濃度和液態(tài)水含量。

平均LWC(g·m-3)的大小順序是：Sc(0.052±0.066)>Ns(0.035±0.048)>As(0.026±0.029)>Ac(0.016±0.019)>Cu(0.015±0.016)。最大值出現(xiàn)在Sc中(0.052 g·m-3)，與同期(Deng等[25])華北地區(qū)觀測值(0.058 g·m-3)相當(dāng)，也與早期國內(nèi)的一些觀測結(jié)果(表3)一致，都在0.01～0.06 g·m-3范圍內(nèi)。但Miles等[2]搜集資料中的Sc的平均LWC在不同地區(qū)差異很大，從0.005～0.7 g·m-3，有很多地區(qū)都比本文的觀測結(jié)果要大。Cu平均LWC也只有0.015 g·m-3，與同期華北地區(qū)(Deng等[25])PMS觀測結(jié)果相當(dāng)，可能是觀測中的Cu幾乎都是發(fā)展較弱的淡積云。對Sc，Ns和As這樣的降水性云，它們的LWC要比Ac和Cu這樣的非降水云要大。對于各類云的LWC的中值都比相應(yīng)的平均LWC要小，這說明高值數(shù)據(jù)對LWC的平均值影響較大。

圖4為不同類型云中液態(tài)含水量的累積概率密度分布。X軸表示LWC，并采用對數(shù)坐標(biāo)。從圖4中可以看出，降水性云(As, Ns和Sc)的LWC比非降水性云(Cu和Ac)的變化范圍更寬，且LWC大值所占比例更大。降水云中有大約65%的LWC數(shù)據(jù)都大于0.023 g·m-3，而非降水云大概只有25%。其中，Sc云的LWC變化范圍最寬，大約75%的數(shù)據(jù)都大于0.01 g·m-3。Ac和Cu的LWC累計概率分布最為相似，當(dāng)LWC介于0.0075～0.04 g·m-3時，它們的LWC累計概率迅速減小，這表明Ac和Cu的LWC絕大部分都小于0.04 g·m-3。對于As和Ns，當(dāng)LWC小于0.01 g·m-3的累計概率幾乎為0.75，而LWC大于0.3 g·m-3的累計概率幾乎為0，這說明通遼地區(qū)的層狀云As和Ns大多數(shù)的LWC是介于0.01～0.3 g·m-3，與早期北方地區(qū)(表3)和Miles等[2]整理的層狀云觀測結(jié)果一致。

圖4 2009—2011年通遼地區(qū)飛機觀測的不同類型云中液態(tài)水含量(LWC)的累計概率密度分布

3.3 云滴尺度的統(tǒng)計分析

不同類型云的有效直徑De和平均直徑Dm的統(tǒng)計結(jié)果如表1所示?？梢钥吹?，平均De的大小順序是Ns>As>Ac>Cu >Sc，不同云的平均Dm特征與De類似。較高的云(Ac和As，Ns)普遍比低層云(Sc和Cu)的De和Dm要大，最大De和Dm分別為38.059 μm和14.541 μm，平均De和Dm與早期國內(nèi)(表3)的層狀云觀測結(jié)果一致，都在3～20 μm范圍內(nèi)。在所有類型的云中，Sc的Nc是最大的，而Sc的平均De和Dm是最小的，僅有6.904±3.392 μm和4.652±1.23 μm。有較大Nc的云類，一般云滴尺度小，這與(Deng等[25])所得結(jié)論一致。對Sc和Cu平均Dm幾乎一致，都接近4.7 μm，與Miles等[2]搜集總結(jié)的Sc的Dm在3～13.4 μm的范圍內(nèi)一致。

圖5為De和Dm的概率密度分布圖。可以看出，不同類型云中De和Dm概率密度的分布形式差別很大。對于De的概率分布，Cu和As的最大峰值概率集中在5 μm，Sc，Ac和Ns的最大峰值概率集中在8 μm附近。除了Sc和Ac以外，其他云均在23 μm左右還有一個小峰。對于Dm的概率分布，Sc有明顯的雙峰分布，分別集中在3.5 μm和5 μm 附近。而層云(As和Ns)除了在4.5 μm附近的最大峰值，在9 μm附近的次峰值也比積云(Cu，Sc和Ac)要大，這說明降水性層云與非降水性云相比，含有較多的大云滴，有利于降水的形成。

圖5 2009—2011年通遼地區(qū)飛機觀測的不同類型云中云滴有效直徑(De)(a)和云滴平均直徑(Dm)(b)的概率密度分布

3.4 云滴譜相對離散度的統(tǒng)計分析

對各類型云滴譜的相對離散度隨云滴數(shù)濃度Nc的變化進行分析，選取10000個以上記錄數(shù)的云型Ac，As和Ns，所得結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出各類云在Nc較小時，相對離散度比較分散。隨著Nc的增加，相對離散度逐漸收斂到0.3～0.6的范圍，在高Nc下，各類云相對離散度都最終收斂到0.4附近，這與Zhao等[26]的觀測結(jié)果基本一致，他們研究發(fā)現(xiàn)在高Nc時相對離散度逐漸收斂到0.3～0.5的范圍。例如對于Ac，當(dāng)Nc在趨于50個·cm-3時，相對離散度在0.2～0.8間變化，當(dāng)Nc在200個·cm-3時，相對離散度收斂到0.3～0.5，當(dāng)Nc在400個·cm-3附近時，收斂到0.4左右。從通遼的觀測數(shù)據(jù)可以看到，雖然各類云均表現(xiàn)為最終收斂到0.3～0.5，但同時也表現(xiàn)出不同類型的云的相對離散度收斂速度不一樣，大小順序是Ac>As>Ns，而這正與3類云的平均有效直徑De的大小順序相反，因此我們認(rèn)為云滴尺度相對大的云，云滴譜相對離散度有更小的收斂速度。

圖6 2009—2011年內(nèi)蒙古通遼地區(qū)飛機觀測的Ac(a), As(b), Ns(c)中云滴譜相對離散度隨云滴數(shù)濃度(Nc)的變化

4 結(jié)論與討論

通過對2009—2011年通遼地區(qū)飛機探測結(jié)果的綜合統(tǒng)計分析，得到了該地區(qū)不同類型云的微物理特征。

(1)平均云滴數(shù)濃度Nc大小為：Sc>Cu>As>Ns>Ac。Sc的平均Nc比國內(nèi)早期北方地區(qū)觀測值要高很多，與Miles等[2]搜集的資料較接近。非降水云(Cu和Ac)的平均Nc比同期北京地區(qū)(Deng等[25])觀測值偏小，而降水性云(Sc、As和Ns)偏大。降水性云與非降水性云相比，Nc值一般跨度范圍較大，且累計概率的減小幅度較為平緩。

(2)積狀云(Cu、Sc和Ac)的最大LWC值比同期華北地區(qū)觀測值小很多，而層狀云(As和Ns)的最大LWC值要大。平均LWC大小為：Sc>Ns>As>Ac>Cu。降水性云(Sc，Ns和As)平均LWC比非降水云(Ac和Cu)要大，層狀云As和Ns大多數(shù)的LWC介于0.01～0.3 g·m-3。

(3)不同類型云的平均直徑Dm特征與有效直徑De類似，有較大Nc的云類，一般云滴尺度小。平均De(μm)的大小順序是Ns>As>Ac>Cu>Sc。高云和中云(Ac和As，Ns)普遍比低云(Sc和Cu)的De和Dm要大，平均De在6.9～13.8 μm范圍內(nèi)。降水性層云(As和Ns)與非降水性云(Cu, Sc和Ac)相比，有較多的大云滴，有利于降水的形成。

(4)各類型云在云滴數(shù)濃度Nc小的時候，相對離散度比較分散，隨著Nc的增加，相對離散度逐漸收斂到0.3～0.6的范圍，在高Nc下，各類云相對離散度都最終收斂到0.4附近。不同類型的云的相對離散度收斂速度不一樣，大小順序是Ac>As>Ns，而這正與3類云平均De的大小順序相反。

綜上所述，通遼地區(qū)與北京及其周邊高污染地區(qū)(Deng等[25])云統(tǒng)計特征量的差異不大，可能存在以下幾點原因：①氣溶膠化學(xué)組分的差異，北京地區(qū)氣溶膠可能包含大量難于活化的人為有機氣溶膠。②緯度的差異導(dǎo)致兩地云底溫度不同，宏觀參量的差異導(dǎo)致微物理參量的差異。③天氣系統(tǒng)的影響，很可能一部分觀測的云位于西風(fēng)槽的槽前，受槽前西南氣流的引導(dǎo)，氣溶膠從華北高污染地區(qū)輸送到通遼地區(qū)，導(dǎo)致兩地云參數(shù)的差異變小。④儀器的誤差和人為因素。

本文只是概述性的描述通遼地區(qū)不同類型云的大致特征，通遼地區(qū)不同天氣條件下氣溶膠和云的相互作用還有待深入分析。