利用三架飛機(jī)聯(lián)合探測(cè)資料分析層積混合云催化物理效應(yīng)

王元　牛生杰　雷恒池

摘要利用2009年4月18日三架飛機(jī)聯(lián)合探測(cè)層積混合云資料，結(jié)合MICAPS再分析資料、雷達(dá)、衛(wèi)星及地面臺(tái)站資料等，在準(zhǔn)確區(qū)分自然云區(qū)與催化響應(yīng)區(qū)的基礎(chǔ)上，對(duì)這次降水性層積混合云的微結(jié)構(gòu)和催化物理響應(yīng)進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明：云上部（4 800 m層，距云頂1 700 m，距云底3 000 m）累積了云中大部分的過(guò)冷水，是云內(nèi)發(fā)展強(qiáng)盛區(qū)；云上部嵌入式積云區(qū)溫度低于周圍層云區(qū)2 ℃，積云區(qū)含水量分布不均，最大值為15 g/m3，標(biāo)準(zhǔn)差為04 g/m3，而層云區(qū)含水量最大值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為06 g/m3和015 g/m3，積云區(qū)和層云區(qū)的云滴譜峰值直徑分別為25 μm和15 μm，云滴數(shù)濃度的量級(jí)分別為102 cm-3和101 cm-3。對(duì)催化云而言，此次聯(lián)合探測(cè)在4 800 m層捕捉到嵌入式積云區(qū)的催化響應(yīng)，人工播撒AgI會(huì)促進(jìn)該層云的消散過(guò)程，催化后1 h內(nèi)云區(qū)占比由71%降至13%，云中液態(tài)含水量持續(xù)減少且趨于均勻分布，催化后10 min與20 min云中含水量的最大值分別為10 g/m3和15 g/m3，標(biāo)準(zhǔn)差為03 g/m3和015 g/m3，凇附與聚合增長(zhǎng)為主要冰相微物理過(guò)程，云滴譜先變窄，后因HM冰晶凇附繁生而拓寬；在云的中下層則受上層催化影響而產(chǎn)生旺盛云區(qū)，10 min內(nèi)該層云區(qū)范圍顯著擴(kuò)大，云滴及冰相粒子尺度均增加一倍，同時(shí)旺盛云區(qū)自上而下擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞三機(jī)聯(lián)合探測(cè)；層積混合云；云微結(jié)構(gòu)；催化物理響應(yīng)

云仍然是一個(gè)“黑匣子”，目前對(duì)它的認(rèn)識(shí)，在很大程度上還處于定性化認(rèn)識(shí)狀態(tài)，準(zhǔn)確的定量化描述仍然十分稀缺（郭學(xué)良等，2013）。層積混合云是我國(guó)北方主要降水云系，研究其微結(jié)構(gòu)及降水機(jī)制為有效實(shí)施人工增雨作業(yè)提供科學(xué)依據(jù)（牛生杰，2012）。

張佃國(guó)等（2007）和范燁等（2010）均分析北京及周邊地區(qū)層積混合云特征，得到云內(nèi)以直徑5～9 μm、200 μm和

400～1 000 μm的云和降水粒子為主，云中含水量基本處于01～02 g/m3范圍；Zhao and Lei（2014）分析河南地區(qū)層積混合云的飛機(jī)探測(cè)資料發(fā)現(xiàn)云滴與冰晶濃度存在反相關(guān)關(guān)系，并指出用gamma分布擬合云滴和冰晶譜的優(yōu)越性，平均決定系數(shù)達(dá)096；李艷偉等（2009a，2009b）深入研究我國(guó)西南山區(qū)層積混合云，發(fā)現(xiàn)對(duì)流云為周圍層狀云不斷輸送水汽和能量，促使云系不斷維持；王慧娟等（2010）及楊文霞等（2005）均發(fā)現(xiàn)飛機(jī)在降水性層積云中平飛探測(cè)時(shí)，會(huì)因水凝物粒子濃度及粒子譜的變化而發(fā)生云內(nèi)含水量的躍變；楊潔帆等（2010）用一維層狀云分檔模式模擬吉林省一次降水性層積云，發(fā)現(xiàn)三層云（冰晶層、過(guò)冷水層和暖層）對(duì)降水的貢獻(xiàn)分別為35%、385%和58%；Niu et al.（2009）對(duì)中國(guó)半干旱高原寧夏地區(qū)上空的降水性層積混合云進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)隨降水率的增加，層云區(qū)雨滴譜逐漸變窄而積云區(qū)雨滴譜會(huì)拓寬。熱帶降水計(jì)劃之一的夸賈林環(huán)礁島試驗(yàn)（KWAJEX）中發(fā)現(xiàn)（Yuter et al.，2005；Blossey et al.，2007），熱帶海洋降水系統(tǒng)均表現(xiàn)為層積混合云的降水特征，對(duì)流云區(qū)表現(xiàn)為低層輻合、高層輻散，而層云區(qū)是中層輻合、上層和下層輻散；Bukovcˇic' et al.（2015）使用二維雨量測(cè)量計(jì)（2DVD）數(shù)據(jù)，通過(guò)分析雨滴形狀、數(shù)濃度而區(qū)分層云區(qū)或積云區(qū)降水；Evans et al.（2010）曾指出嵌入式對(duì)流單體中液態(tài)水含量一般比周圍層云高一個(gè)量級(jí)，在一定上升速度條件下，可以產(chǎn)生更多冰晶，進(jìn)而增加云系20%～35%的降水量，并在地面形成雨核區(qū)。

為了對(duì)層積混合云系宏微觀結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行同時(shí)探測(cè)，2009年春季山西省人工影響天氣辦公室聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所對(duì)華北地區(qū)上空層積混合云系進(jìn)行六次多機(jī)聯(lián)合探測(cè)。張佃國(guó)等（2011）曾對(duì)此做過(guò)統(tǒng)計(jì)介紹，并初步分析4月18日個(gè)例的云微結(jié)構(gòu)，給出云內(nèi)水凝物濃度分布，以及云頂部、中間層及底部的滴譜特征；朱士超和郭學(xué)良（2014）分析了云中冰晶形狀、分布與增長(zhǎng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)冰晶形態(tài)受云中位置影響，嵌入式對(duì)流區(qū)冰晶多呈凇附狀；辛樂(lè)和姚展予（2011）使用云頂層（4 800 m）飛機(jī)探測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)催化后云水量降低一半且趨于平穩(wěn)分布，降水粒子由催化前126 L-1增加至211 L-1；蔡兆鑫等（2013）使用C波段雷達(dá)回波資料，通過(guò)作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)雨量變化率分析催化效果，得出此次雨量增幅為120%～180%；林磊和姚展予（2011）及朱士超和郭學(xué)良（2015）均用WRF模式進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，WRF模式可以較好地模擬此次云系的雷達(dá)回波和降水分布特征，且層積混合云不僅在層云區(qū)有“播撒—供給”機(jī)制，或在積云區(qū)有粒子群的循環(huán)增長(zhǎng)機(jī)制，而且可以發(fā)生層云與積云間的粒子群交換。

選擇2009年4月18日三機(jī)聯(lián)合探測(cè)資料研究層積混合云微結(jié)構(gòu)垂直分布及催化物理效應(yīng)，在層積混合云上部進(jìn)行碘化銀催化后，分析云上部、中部及下部因催化而產(chǎn)生的微物理效應(yīng)。

1資料及催化方法

探測(cè)試驗(yàn)是在河北張家口地區(qū)開(kāi)展的，三架飛機(jī)分別在不同高度對(duì)云系進(jìn)行探測(cè)，朱士超和郭學(xué)良（2014）詳細(xì)介紹了三架探測(cè)飛機(jī)所使用的主要儀器探頭，各探頭在探測(cè)作業(yè)前均進(jìn)行了系統(tǒng)標(biāo)定。KingLWC熱線含水量?jī)x負(fù)責(zé)云上部含水量的測(cè)量，云的中下部含水量采用云粒子探頭CDP（量程為2～50 μm）與云氣溶膠粒子探頭CAS（量程為06～50 μm）測(cè)得的云滴譜計(jì)算得出。0 ℃高度層之上的云中總含水量包含云水量與云冰量，KingLWC僅觀測(cè)云中液水含量，而FSSP（前向散射滴譜探頭，量程為2～47 μm）、CDP、CAS等滴譜探頭計(jì)算得到的含水量為該量程內(nèi)云水量與云冰量之和。

負(fù)責(zé)催化作業(yè)的夏延3625飛機(jī)搭載新型AgI末端燃燒器，汪曉濱等（2006）對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹，它是在BS1型機(jī)載碘化銀發(fā)生器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，解決了以往飛機(jī)播撒時(shí)播撒量不足的問(wèn)題。此次催化作業(yè)地點(diǎn)位于張家口西北側(cè)，作業(yè)時(shí)間為17：12至18：03（北京時(shí)間，下同），作業(yè)高度為4 800 m及5 100 m，位于云層的中上部，共有效使用五根碘化銀焰條，每根焰條的重量為1 080 g，AgI含量11 g，在-75 ℃溫度下，成核率可達(dá)1015 g-1。

AgI粒子可作為凝華核，在-6 ℃～-10 ℃條件下AgI發(fā)生凝華核化形成冰晶，云冰量增加，凇附、聚合及貝吉龍過(guò)程會(huì)使得云中液態(tài)含水量降低。對(duì)冷云播撒后液態(tài)含水量降低可作為判別催化響應(yīng)區(qū)域的一個(gè)指標(biāo)。

本文所采用的飛機(jī)入云判據(jù)是：直徑在2～50 μm段云粒子總濃度大于等于10 cm-3，或者直徑大于100 μm的粒子總數(shù)濃度大于等于10 L-1。

2云系發(fā)展及觀測(cè)概況

21云系發(fā)展

對(duì)探測(cè)當(dāng)日的天氣背景及云系宏觀特征已有詳細(xì)分析（張佃國(guó)等，2011；蔡兆鑫等，2013；朱士超和郭學(xué)良，2014，2015），衛(wèi)星云圖（圖1）顯示探測(cè)區(qū)云系受弱冷鋒過(guò)境影響呈東北—西南向帶狀分布，云系長(zhǎng)達(dá)300 km，寬約30 km，云系自西北向東南移動(dòng)；張家口站探空資料顯示大氣溫度層結(jié)遞減率為65 K/km，條件性不穩(wěn)定的大氣層結(jié)利于層云積化；雷達(dá)回波上表現(xiàn)為帶狀回波中鑲嵌有明顯的強(qiáng)回波區(qū)，最大回波強(qiáng)度約50 dBz，比周圍云區(qū)高10～20 dBz；張家口氣象站觀測(cè)測(cè)得當(dāng)日24 h降水量為67 mm。

利用相對(duì)濕度閾值法判斷云層結(jié)構(gòu)，以相對(duì)濕度84%～87%作為閾值判斷云層（周毓荃和歐建軍，2010）。當(dāng)溫度高于0 ℃，以水面飽和水汽壓計(jì)算相對(duì)濕度，當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，按照冰面飽和水汽壓計(jì)算相對(duì)濕度。如圖2所示，張家口站上空云系云頂高度維持在6 500 m，觀測(cè)云底高度隨時(shí)間逐漸降低，由14時(shí)的3 000 m，17時(shí)2 600 m至20時(shí)降至1 600 m，云體逐漸加厚。

22觀測(cè)概況

三架飛機(jī)于16：30至18：50時(shí)段內(nèi)在指定高度同時(shí)探測(cè)目標(biāo)云系，分別對(duì)2 700 m、3 600 m、4 200 m、4 800 m和5 100 m 5個(gè)高度層進(jìn)行了水平探測(cè)。由飛行軌跡（圖3）可見(jiàn)，此次三機(jī)聯(lián)合探測(cè)區(qū)域位于我國(guó)河北省西北部，中心位于（1145°E，41°N）；探測(cè)區(qū)域面積約為1°×1°，飛行軌跡詳見(jiàn)表1。

河北夏延3625飛機(jī)（Ⅰ號(hào)飛機(jī)）16：18從石家莊機(jī)場(chǎng)起飛，向北飛行，于16：32到達(dá)阜平（1142°E，388°N），隨后保持4 800 m飛行高度繼續(xù)向北飛行，于17：10到達(dá)探測(cè)區(qū)域（114°E，41°N）。17：12開(kāi)始播撒AgI焰劑，播撒和探測(cè)同時(shí)進(jìn)行，沿41°N曲折向東探測(cè)兩個(gè)來(lái)回后，17：46上升到5 100 m。18：03催化作業(yè)結(jié)束，18：11飛機(jī)下降返航。

北京3830飛機(jī)（Ⅱ號(hào)飛機(jī)）從張家口機(jī)場(chǎng)于16：58起飛，向北飛行于17：20爬升至3 600 m高度，17：30—17：50飛機(jī)在此高度層沿41°N緯線東西往返（1145～115°N）探測(cè)，于18：00開(kāi)始下降至2 700 m，并沿115°E經(jīng)線南北往返（408～415°N）探測(cè)，18：35返航。

大同機(jī)場(chǎng)起飛的3817飛機(jī)（Ⅲ號(hào)飛機(jī)）于17：10到達(dá)天鎮(zhèn)（1141°E，404°N），飛行高度4 200 m，在17：31到達(dá)探測(cè)區(qū)（115°E，41°N），隨后沿41°N向西航行，至18：16飛機(jī)沿41°N緯線在1144～115°E之間完成一次東西向往返探測(cè)，于18：17開(kāi)始返航。

3分析

31云體結(jié)構(gòu)演變

三機(jī)聯(lián)合探測(cè)時(shí)間從17：05至18：05，將15 min作為一個(gè)時(shí)次（圖3b中分別以藍(lán)、紅、綠、橙表示），采用整體剖面的方法分析云中含水量、云滴和降水大滴（來(lái)自PIP及2DGB2探頭，量程為100～6 200 μm）濃度垂直分布的演變。

由飛行軌跡（圖3b）可見(jiàn)，在云頂探測(cè)的Ⅰ號(hào)飛機(jī)第一時(shí)次（17：05—17：20）未回穿作業(yè)，探測(cè)自然層云區(qū)，中下層同為自然云；第二時(shí)次（17：20—17：35）Ⅰ號(hào)飛機(jī)人工播撒AgI后首次南北回穿探測(cè)，雖云滴數(shù)濃度存有明顯突增，但兩次南北飛行的東西間隔較遠(yuǎn)，且云中液態(tài)含水量增加，因而將其作為嵌入式積云區(qū)，而中下層則開(kāi)始受其播種影響，作為響應(yīng)前期；第三時(shí)次（17：35—17：50）Ⅰ號(hào)再次回穿探測(cè)，并在17：46爬升至5 100 m高度層，此次回穿在頂層探測(cè)到催化后的積云區(qū)，作為催化響應(yīng)中期；第四時(shí)次（17：50—18：05）再次回穿，但飛行高度位于5 100 m，作為后期檢驗(yàn)。

表2中冰晶值來(lái)自CIP探頭（Cloud Images Probe），其探測(cè)范圍為25～1 550 μm，包括冰晶和雪等稍大的冰相粒子。最小云區(qū)占比是指一段時(shí)間內(nèi)飛行探測(cè)路徑上入云總長(zhǎng)度與總路徑長(zhǎng)度之比，以表征云區(qū)水平覆蓋層度，而由于飛行過(guò)程中飛行員會(huì)主觀避繞強(qiáng)對(duì)流區(qū)，因而實(shí)測(cè)值應(yīng)為實(shí)際云區(qū)占比的最小值。由圖4及表2可見(jiàn)，層積混合云的主體在云的上部（4 800 m/5 100 m層），此處累積了云中大部分過(guò)冷水，云區(qū)平均占比為43%，遠(yuǎn)高于中層15%及下層20%。上層云滴數(shù)濃度小，量級(jí)為101 cm-3，中下層云滴數(shù)濃度量級(jí)均為102 cm-3；上層云滴尺度大，平均直徑達(dá)23 μm，中下層云滴的平均直徑分別為14 μm和6 μm；云滴數(shù)濃度與尺度變化呈反相關(guān)關(guān)系，隨高度降低云滴數(shù)濃度增加而云滴尺度減小。上層云中冰晶數(shù)濃度極高，量級(jí)達(dá)103 L-1，比中下層云中冰晶數(shù)濃度高出1～2個(gè)量級(jí)；而上層云中冰晶平均直徑為01 mm，小于中層04 mm及下層05 mm。值得注意的是，CIP探頭在小粒徑端（200 μm以下）由于濺落破碎而導(dǎo)致的觀測(cè)誤差極大，因而上層云的高冰晶數(shù)濃度是儀器測(cè)量誤差與人工播撒后新冰晶生成共同作用的結(jié)果。

通過(guò)云中含水量和含冰量公式計(jì)算云上層和中層在響應(yīng)前期（17：20—17：35）和中期（17：35—17：50）云水量和云冰量的轉(zhuǎn)化，其中計(jì)算云冰量時(shí)參考美國(guó)阿拉斯加地區(qū)混合態(tài)積層云（Mcfarquhar et al.，2007），在冰晶的直徑大于125 μm時(shí)，含冰量計(jì)算式的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a=107×10-10 g/μm17，b=17。計(jì)算發(fā)現(xiàn)：上層云水量減少021 g/m3，云冰量下降047 g/m3；中層云水量增加017 g/m3，云冰量增

加174 g/m3。上層水凝物減少總量（068 g/m3）僅為中層水凝物增量（191 g/m3）的36%。造成此現(xiàn)象可能有三點(diǎn)原因：其一，上層播撒人工冰核后，部分冰核消耗云水通過(guò)貝吉龍過(guò)程凝華增長(zhǎng)，余下冰核直接消耗云中水汽凝華增長(zhǎng)；其二，在4 800 m乃至5 100 m之上，還存有高云向下輸送冰晶，這同時(shí)可以解釋上層（4 800 m）自然云的高冰晶濃度；其三，上層掉落的冰晶在中間層（4 200～4 800 m）云中凇附及聚并增長(zhǎng)，消耗中間層云水而使中層云冰增加。

根據(jù)云微物理結(jié)構(gòu)的時(shí)間演變，將播種后云體各時(shí)期特征總結(jié)如下。

響應(yīng)前期（17：20—17：35），上層為嵌入式積云區(qū)，云體的最大含水量出現(xiàn)在該層為15 g/m3，與Carey et al.（2008）分析的中緯度混合態(tài)云的云中含水量峰值區(qū)位置相同，同為4 800 m高度層而處于云體的中上部；上層受人工播種影響而產(chǎn)生高濃度冰晶，中層受上層部分冰晶掉落的影響，云滴及冰晶數(shù)濃度均增加，冰晶尺寸顯著增長(zhǎng)，云區(qū)范圍擴(kuò)大；下層相比于中上層，表現(xiàn)為云滴數(shù)濃度大而尺度小，冰晶尺度達(dá)到最大。

中期（17：35—17：50），上層AgI冰核凝華形成的大量冰晶通過(guò)凇附及貝吉龍過(guò)程消耗該層過(guò)冷水，表現(xiàn)為云區(qū)范圍減小，云滴數(shù)濃度維持而尺度變小，冰晶聚合增大并發(fā)生掉落；中層是相對(duì)干層，掉落至該層的冰晶部分升華變小后繼續(xù)下落，部分碰凍該層云滴使得云滴數(shù)濃度減小而冰晶尺度增加；下層受到上層降水大滴的沖刷作用，云區(qū)范圍迅速縮小。

后期（17：50—18：05）：對(duì)5 100 m探測(cè)顯示該層云含水量較小，多為干區(qū)，仍存有較高濃度冰晶；中層冰晶大多掉落，且冰晶尺度減小一個(gè)量級(jí)；下層則表現(xiàn)為新生云區(qū)的發(fā)展，云區(qū)范圍擴(kuò)大，云滴數(shù)濃度維持且云滴尺度仍較小。

32上層云的催化響應(yīng)

飛機(jī)進(jìn)行催化后物理檢驗(yàn)時(shí)，由于環(huán)境風(fēng)場(chǎng)、冰晶增長(zhǎng)及下落、擴(kuò)散規(guī)律等因素的復(fù)雜性，探測(cè)區(qū)域不宜過(guò)大，時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則很難找到播云的擴(kuò)散區(qū)域（王以琳和雷恒池，2003）。同時(shí)為盡量避免自然云中粒子濃度及粒子譜特征空間變異性大這種“云內(nèi)不均勻性”的影響，本文選用3 min的飛行探測(cè)資料作為局部的研究對(duì)象（圖3b）。汪學(xué)林等（2001）曾對(duì)層狀云中對(duì)流熱泡的特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，指出層狀云中對(duì)流單體直徑一般在03～30 km。CD段為強(qiáng)盛的嵌入式積云區(qū)（圖5），飛機(jī)航速為328 km/h，則3 min飛行距離為11 km，若對(duì)流單體的水平剖面為圓形，飛機(jī)極可能未穿過(guò)積云區(qū)的圓心而只是經(jīng)過(guò)一條弦，則該對(duì)流單體直徑應(yīng)至少大于11 km（約013個(gè)經(jīng)度）。 EF段和GH段為CD段催化后的兩次回穿過(guò)程（圖3b），EF和 GH與CD段的東西間隔分別為01°與015°，時(shí)間間隔分別為10 min與20 min，當(dāng)考慮云體的移動(dòng)，從尺度上判定EF與GH均探測(cè)該嵌入式積云區(qū)。

根據(jù)飛行軌跡、高空風(fēng)向及云移動(dòng)方向選取上層云AB（17：16—17：19）、CD（17：23—17：26）、EF（17：33—17：36）及GH（17：43—17：46）四段云資料用以分析云內(nèi)區(qū)域演變（圖5）。其中，上層（4 800～5 100 m）云溫度區(qū)間在-6～-9.5 ℃，AB與CD段分別為層云和積云的自然云區(qū)，EF和GH為CD段（積云區(qū)）催化后的響應(yīng)區(qū)。

從圖5a可見(jiàn)，King探頭測(cè)得的云中液態(tài)水含量與FSSP計(jì)算得到的小粒徑段（2～47 μm）的云水加云冰量基本重合，且含水量CLWCKing的值略高，對(duì)二者進(jìn)行線性擬合得到：CLWCFssp=084CLWCKing+0003，這說(shuō)明上層過(guò)冷水集中于小粒徑段，由圖5c可見(jiàn)，多存在于2～25 μm段，而冰晶的尺度普遍較大（>50 μm），這與早期居麗玲等（2011）對(duì)該地混合態(tài)云的觀測(cè)結(jié)果一致。

對(duì)比層云區(qū)（AB）與積云區(qū)（CD）可見(jiàn)，嵌入式積云區(qū)的溫度明顯低于層云區(qū)，同一高度二者溫差達(dá)2 ℃，證明此時(shí)積云區(qū)以下沉運(yùn)動(dòng)為主，積云處于成熟或消散階段。積云區(qū)的云滴數(shù)濃度量級(jí)主要集中在102 cm-3，云滴譜存有雙峰，峰值直徑分別為2 μm和25 μm，云中液態(tài)水含量分布不均勻，標(biāo)準(zhǔn)差為04 g/m3，最大值為15 g/m3，與Hobbs et al.（1980）統(tǒng)計(jì)的蒙大拿州夏季嵌入式積云特點(diǎn)相似；層云區(qū)的云滴數(shù)濃度較小，量級(jí)為101 cm-3，云滴尺度分布離散，云滴譜存有雙峰且譜寬較寬，峰值直徑分別為2 μm和15 μm，云中液態(tài)水含量分布較均勻，標(biāo)準(zhǔn)差僅為015 g/m3，最大值為06 g/m3。

分析上層云區(qū)的催化響應(yīng)可以看出，催化后10 min（EF段）云中液水含量略有下降，峰值為10 g/m3，標(biāo)準(zhǔn)差為03 g/m3，云滴數(shù)濃度基本維持不變，云滴尺度減小，云滴譜明顯變窄，25～50 μm之間的云滴（液相、冰相）基本消失，這可能與較大云滴（25～50 μm）易被冰晶捕獲相關(guān)，同時(shí)云中溫度比CD時(shí)有近05℃的上升，這部分溫差可能與凝華放熱相關(guān)，或?yàn)樵苾?nèi)不均勻性所致；催化后20 min（GH段）云中液水含量繼續(xù)下降且趨于均勻分布，峰值為05 g/m3，標(biāo)準(zhǔn)差為015 g/m3，與AB段層云特征相似，此時(shí)FSSP探測(cè)到的直徑大于24 μm大云滴數(shù)量較多（數(shù)濃度為15 cm-3，約為此刻總云滴數(shù)濃度的12%），直徑小于123 μm的小云滴同時(shí)存在，且溫度為-8～-9 ℃，滿足HM結(jié)凇繁生機(jī)制條件（Hallett and Mossop，1974），因而產(chǎn)生較多小冰晶及冰屑（小于50 μm），王黎俊等（2013）觀測(cè)到類似結(jié)果，進(jìn)而導(dǎo)致CLWCFssp值大于CLWCKing，而FSSP不區(qū)分粒子相態(tài)，因而同時(shí)又拓寬了云滴譜，其次降水大滴的尺度與數(shù)濃度均有所增長(zhǎng)。

33中下層云的催化響應(yīng)

為進(jìn)一步探索混合云的垂直結(jié)構(gòu)，對(duì)混合云的中下層進(jìn)行聯(lián)合分析（圖6）。中下層的兩架探測(cè)飛機(jī)的飛行軌跡在17：40—17：50期間有很好的時(shí)空一致性，如圖3b所示，均為前5 min自東向西飛行（L1與L3），后5 min自西向東回穿（L2與L4）。

L1與L2時(shí)段對(duì)比（表3）可見(jiàn)，5 min內(nèi)4 200 m層該區(qū)域云區(qū)范圍顯著增加，云區(qū)直徑增加34倍，云中含水量由單峰變?yōu)殡p峰，云中平均含水量略有增加，云滴數(shù)濃度維持而直徑增加1倍，云內(nèi)冰晶顯著增長(zhǎng)，數(shù)濃度增加2倍且直徑增加1倍。L3與L4時(shí)段對(duì)比可見(jiàn)，3 600 m層該區(qū)域微物理結(jié)構(gòu)變化明顯，由原來(lái)的非云區(qū)衍生出較旺盛云區(qū)，表現(xiàn)為小云滴的爆發(fā)增長(zhǎng)，云滴數(shù)濃度突增，達(dá)到102 cm-3量級(jí)，同時(shí)出現(xiàn)較多冰晶粒子，同層云、冰粒子間相互作用不會(huì)導(dǎo)致這般由非云區(qū)至旺盛云區(qū)的突變，因而推測(cè)這是受到上層播撒催化后降水大滴掉落的影響，在一定的浮力條件下衍生而成。

對(duì)比L1與L3以及L2與L4發(fā)現(xiàn)，17：40至17：45時(shí)中層已經(jīng)出現(xiàn)較旺盛的云區(qū)，而下層在同一位置卻不曾探測(cè)到對(duì)應(yīng)區(qū)域；而在17：45至17：50時(shí)，中層旺盛云區(qū)得到加強(qiáng)且下層也探測(cè)到對(duì)應(yīng)云區(qū)。這表明，該旺盛云區(qū)并非像對(duì)流熱泡般從下至上發(fā)展，而是從上至下擴(kuò)展。Locatelli and Hobbs（1974）曾統(tǒng)計(jì)冰雪晶下落末速度與尺度的關(guān)系，朱士超和郭學(xué)良（2014）曾分析此次混合云的各層粒子形態(tài)，并指出4 200 m層冰晶主要是板狀和針柱狀冰晶，參考此結(jié)果，則中層等效直徑為1～2 mm的板狀及柱狀冰晶下落末速度約為1～15 m/s，降落至下層需要的時(shí)間約為6～10 min，而L1與L4中旺盛云區(qū)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔約為7 min，時(shí)間上的吻合可以佐證旺盛云區(qū)是自上而下擴(kuò)展的推斷。

4結(jié)論

2009年春季開(kāi)展的環(huán)北京地區(qū)多架飛機(jī)云觀測(cè)試驗(yàn)是中國(guó)首次多機(jī)聯(lián)合測(cè)云試驗(yàn)，三架飛機(jī)在云內(nèi)不同高度進(jìn)行同步探測(cè)，獲得了寶貴的云資料。本研究對(duì)4月18日探測(cè)到的層積混合云的微物理結(jié)構(gòu)及其催化響應(yīng)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

1）采用整體剖面的方法研究云微結(jié)構(gòu)及其演變，將聯(lián)合探測(cè)時(shí)段分為自然云區(qū)及催化響應(yīng)的前中后期，分析發(fā)現(xiàn)：云上部（4 800 m/5 100 m層）累積云中大部分過(guò)冷水，是云的主體；人工播撒AgI冰核促進(jìn)上層云消散，上層云區(qū)占比在1 h內(nèi)由催化前的71%減小至13%；隨高度降低，云滴數(shù)濃度增加而尺度減小，冰晶數(shù)濃度減小而尺度增加；AgI冰核凝華核化后通過(guò)凇附及貝吉龍過(guò)程消耗該層過(guò)冷水，冰晶聚合增大后掉落。

2）采用局部對(duì)比的方法補(bǔ)充分析云微結(jié)構(gòu)演變及催化響應(yīng)。對(duì)上層云（4 800 m）分析發(fā)現(xiàn)，過(guò)冷水集中于2～25 μm小粒徑段，而冰晶的尺度普遍較大（>50 μm）；對(duì)比層云與積云區(qū)發(fā)現(xiàn)，積云區(qū)溫度低于周圍層云區(qū)2 ℃，積云區(qū)云滴數(shù)濃度量級(jí)為102 cm-3，云滴譜峰值直徑為25 μm，云中液態(tài)水含量分布不均勻，最大值為15 g/m3，而層云區(qū)云滴數(shù)濃度量級(jí)為101 cm-3，峰值直徑為15 μm，云中液態(tài)水含量分布較均勻，最大值為06 g/m3；分析上層積云區(qū)的催化響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，催化后云中液態(tài)含水量持續(xù)下降且趨于均勻，催化10 min內(nèi)云滴譜變窄，20 min后滿足HM冰晶繁生條件，產(chǎn)生大量小冰晶，又拓寬云滴譜。對(duì)中（4 200 m）下（3 600 m）層聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)，受上層催化影響而產(chǎn)生旺盛云區(qū)，中層云區(qū)占比增大34倍，下層則衍生出新云區(qū)，微物理結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為冰晶數(shù)濃度的增加及云內(nèi)粒子尺度的增大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)旺盛云區(qū)自上至下擴(kuò)展，從兩層間的冰雪晶掉落的時(shí)間間隔上給出佐證。

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