我國云降水物理飛機(jī)觀測(cè)研究進(jìn)展

郭學(xué)良 付丹紅 郭 欣 方春剛

1)(中國科學(xué)院大氣物理研究所， 北京 100029)

2)(北京市人工影響天氣中心， 北京 100089)

3)(中國氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

引 言

云中粒子的微物理形成、增長和轉(zhuǎn)化過程與云粒子的相態(tài)、形態(tài)和譜分布密切相關(guān)，是揭示降水形成的重要物理過程。同時(shí)，云微物理過程在人工影響天氣、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式云物理過程參數(shù)化、大氣遙感信息反演、輻射效應(yīng)與氣候變化，以及大氣化學(xué)過程等方面均具有十分重要作用。飛機(jī)云物理觀測(cè)是目前獲取云中粒子原位探測(cè)信息的重要手段。

飛機(jī)探測(cè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣溫度、濕度等基本氣象要素的測(cè)量[1-2]，也可開展對(duì)云和降水物理過程的觀測(cè)。60多年來，我國在云降水物理飛機(jī)觀測(cè)方面開展了大量工作，對(duì)我國飛機(jī)探測(cè)試驗(yàn)活動(dòng)，包括飛機(jī)平臺(tái)類型、機(jī)載設(shè)備、探測(cè)試驗(yàn)情況等的詳細(xì)總結(jié)參見文獻(xiàn)[3-4]。對(duì)基于飛機(jī)觀測(cè)取得的云降水物理過程和形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)在一些綜述性論文[5-8]中也有涉及，但缺乏比較系統(tǒng)的總結(jié)。

我國云降水物理飛機(jī)觀測(cè)研究可劃分為兩個(gè)階段：第1階段是20世紀(jì)60—80年代初，在部分省份人工影響天氣飛機(jī)上安裝蘇制或仿制的云物理觀測(cè)設(shè)備，以及美國冰晶計(jì)數(shù)器、云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器、冰核計(jì)數(shù)器等設(shè)備，但由于這些早期儀器標(biāo)定困難、穩(wěn)定性差等原因，使用效果均不理想。部分飛機(jī)觀測(cè)主要采用人工取樣技術(shù)，如利用涂油或氧化鎂玻璃片的槍式采樣器、鋁箔板碰撞采樣器等，這種人工取樣技術(shù)通過在飛機(jī)上采樣后，借助實(shí)驗(yàn)室顯微鏡讀取云粒子數(shù)、尺度、圖像等數(shù)據(jù)信息[9-12]。我國早期開展的云降水物理飛機(jī)觀測(cè)技術(shù)與當(dāng)時(shí)國際上普遍采用的技術(shù)類似[13-14]。但這種飛機(jī)測(cè)量技術(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且測(cè)量精度不高，只能對(duì)直徑大于0.1 mm的降水性云粒子進(jìn)行采樣，可獲取降水粒子的譜分布和圖像信息。第2階段是20世紀(jì)80年代后，采用激光測(cè)量技術(shù)，以美國引進(jìn)的云粒子激光測(cè)量系統(tǒng)為主。

20世紀(jì)70年代，美國研制了機(jī)載云粒子測(cè)量系統(tǒng)(Particle Measuring System,PMS)，該觀測(cè)系統(tǒng)包括前向散射云粒子探頭FSSP-100(forward scattering spectrometer probe)，測(cè)量粒徑范圍為0.5～47 μm， 二維光陣云粒子探頭OAP-2D-C(two- dimensional optical array cloud probe)，測(cè)量粒徑范圍為25～800 μm和二維光陣降水粒子探頭OAP-2D-P(two-dimensional optical array precipitation probe)，測(cè)量粒徑范圍為200～6400 μm。

20世紀(jì)90年代，美國DMT(Droplet Measurement Technologies)公司改進(jìn)和研發(fā)了云粒子譜探頭CDP(cloud droplet probe),實(shí)現(xiàn)測(cè)量粒徑范圍為2～50 μm的云粒子，云粒子圖像探頭CIP(cloud imaging probe)，測(cè)量粒徑范圍為25～1550 μm(可選擇15～930 μm)的云和降水粒子的尺度和形狀，降水圖像探頭PIP(precipitation imaging probe)，可測(cè)量粒徑范圍為100～6200 μm降水粒子的尺度和形狀。另外還有機(jī)載氣溶膠探頭PCASP-100X(passive cavity aerosol spectrometer probe),測(cè)量粒徑范圍為0.1～3 μm的氣溶膠粒子譜分布。云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器CCN-100/200 (cloud condensation nuclei counter-100/200)，熱線液態(tài)含水量儀(hot-wire liquid water content)，測(cè)量范圍為0.05～3 g·m-3的云中液態(tài)水含量，以及黑碳、生物氣溶膠測(cè)量儀器和云降水粒子聯(lián)合探頭等。

1979年創(chuàng)建的美國SPEC公司(Stratton Park Engineering Company)，后期也研制了類似的云降水粒子測(cè)量儀器，包含云粒子圖像儀CPI(cloud particle imager)，二維立體光陣譜儀2D-S (stereo)，快速云滴探頭和快速前向散射譜探頭FCDP-100(fast CDP-100)和FFSSP-100(fast FSSP-100)，高采樣體積降水粒子譜儀HVPS(high volume precipitation spectrometer)，CPI組合云粒子成像儀3V-CPI(3-view CPI)等，形成了測(cè)量精度更高的云降水粒子機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)。美國密執(zhí)安技術(shù)大學(xué)物理系研發(fā)了全息云粒子測(cè)量儀器HOLODEC(holographic detector for clouds)[15]，可測(cè)量粒子尺度(等效直徑23～1000 μm)、三維狀態(tài)和二維冰粒子圖像，全息測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是采樣體積不依賴粒子尺度或空氣速度，可檢測(cè)破碎的粒子。

隨著我國對(duì)機(jī)載云降水測(cè)量儀器的應(yīng)用需求明顯增加，大量進(jìn)口儀器返廠維修周期長，儀器價(jià)格和維護(hù)成本出現(xiàn)快速增加情況，造成大規(guī)模業(yè)務(wù)應(yīng)用困難。為此，機(jī)載云降水物理儀器的國產(chǎn)化研制十分迫切。從2007年開始，國家先后啟動(dòng)了多個(gè)項(xiàng)目開展機(jī)載云降水物理觀測(cè)儀器的國產(chǎn)化研制，其中由中國氣象科學(xué)研究院牽頭的國家首批重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)——機(jī)載云降水粒子譜儀與成像儀研制于2011年啟動(dòng)，研制出包括云粒子譜儀(ZBT-CPS)、云粒子成像儀(ZBT-CPI)和降水粒子成像儀(ZBT-PPI)的機(jī)載云粒子測(cè)量系統(tǒng)，可分別測(cè)量粒徑范圍為2～50 μm的云粒子譜、25～1550 μm的云粒子圖像和譜分布及100～6200 μm的降水粒子圖像和譜分布。該套機(jī)載云降水粒子測(cè)量系統(tǒng)已在山西、吉林、云南和甘肅等省份實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用，并取得比較可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)[16]。最近也在我國第1個(gè)由翼龍-Ⅱ改裝的甘肅大型人工影響天氣無人機(jī)甘霖-Ⅰ上成功應(yīng)用。

機(jī)載云降水粒子激光測(cè)量系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，極大促進(jìn)了國際云降水物理的飛機(jī)觀測(cè)研究，取得云中粒子相態(tài)、譜分布和轉(zhuǎn)化的重要成果[17-21]。1981年我國從美國引進(jìn)了第1套機(jī)載PMS云粒子測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括FSSP-100，OAP-2D-C和OAP-2D-P，在北方降水性層狀云、層積混合云等方面開展了大量飛機(jī)觀測(cè)試驗(yàn)研究[3-4，22-26]。

到目前為止，我國已引進(jìn)20多套機(jī)載云降水測(cè)量系統(tǒng)，包括DMT公司、SPEC公司生產(chǎn)的氣溶膠、云凝結(jié)核、云和降水粒子譜儀和圖像儀等，及配套大氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于我國氣溶膠-云-降水物理過程觀測(cè)研究。在大氣氣溶膠及云凝結(jié)核分布與轉(zhuǎn)化[27-30]、北方層狀云及積層混合云微物理特征與降水形成機(jī)制[31-41]、北方降雪云系微物理特征與降雪形成機(jī)制[42-45]、對(duì)流云微物理特征觀測(cè)[46-49]、數(shù)值模式云物理過程驗(yàn)證[50-55]、飛機(jī)播撒效果檢驗(yàn)[56-60]、大氣遙感觀測(cè)信息驗(yàn)證[61-62]和飛機(jī)結(jié)冰研究[63-64]等方面取得大量科研成果，對(duì)于深入了解我國云降水物理過程形成機(jī)理，提高人工影響科技水平發(fā)揮了重要作用。另外，我國云降水物理飛機(jī)探測(cè)平臺(tái)也得到快速提升。早期主要依賴空軍和民航飛機(jī)，目前以運(yùn)-12、新舟-60、空中國王等民用飛機(jī)為主，特別是通過國家東北、西北等人工影響天氣工程建設(shè)，建設(shè)了多架裝載先進(jìn)探測(cè)設(shè)備的新舟-60、空中國王飛機(jī)，飛機(jī)探測(cè)平臺(tái)性能得到顯著提升。

盡管從20世紀(jì)60年代開始，我國就開展了飛機(jī)云微物理探測(cè)研究，并取得一系列重要成果，但針對(duì)我國云降水物理飛機(jī)觀測(cè)的進(jìn)展、取得的重要成果和存在問題等方面系統(tǒng)性總結(jié)很少。隨著云物理過程飛機(jī)觀測(cè)研究的不斷發(fā)展，在人工影響天氣科學(xué)作業(yè)設(shè)計(jì)、新型催化劑試驗(yàn)、臺(tái)風(fēng)等天氣探測(cè)等方面的應(yīng)用需求將顯著增加[65-68]，對(duì)定量降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)、遙感探測(cè)信息反演、環(huán)境和氣候變化等領(lǐng)域的重要性凸顯，對(duì)我國云降水物理飛機(jī)觀測(cè)現(xiàn)狀、取得成果及存在問題進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)十分必要，不僅有利于進(jìn)一步提高云物理飛機(jī)觀測(cè)水平，還有利于促進(jìn)相關(guān)學(xué)科和技術(shù)發(fā)展。

需要說明的是，本文主要基于國內(nèi)期刊報(bào)道，關(guān)注與云和降水相關(guān)的飛機(jī)觀測(cè)研究結(jié)果，并不側(cè)重云降水物理飛機(jī)觀測(cè)歷史。

1 飛機(jī)觀測(cè)技術(shù)進(jìn)展

我國飛機(jī)云降水物理觀測(cè)始于20世紀(jì)60年代。1980年以前用于人工影響天氣作業(yè)的飛機(jī)類型主要以租用空軍和民航飛機(jī)為主，如杜-2、里-2、安-2、伊爾-12、轟-5、殲教-5及C-47(美國DC-3飛機(jī)的軍用型)等，但由于當(dāng)時(shí)機(jī)載探測(cè)設(shè)備缺乏，搭載云物理探測(cè)儀器的飛機(jī)平臺(tái)較少，部分省份人工影響天氣飛機(jī)上安裝蘇制或仿制的云物理觀測(cè)設(shè)備，如蘇聯(lián)中央高空觀象臺(tái)A-27型含水量儀、地球物理觀象總臺(tái)的云滴譜儀，另外美國產(chǎn)冰晶計(jì)數(shù)器、云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器MEE-130、冰核計(jì)數(shù)器MEE-150也在一些飛機(jī)平臺(tái)上使用。但因這些早期儀器標(biāo)定、穩(wěn)定性差等原因，使用效果均不理想，盡管開展了大量觀測(cè)試驗(yàn)，但相關(guān)分析結(jié)果報(bào)道較少。大部分早期研究基于自制的手動(dòng)冰雪晶取樣器觀測(cè)的結(jié)果較多。另外，在此期間我國自行研制了三用滴譜儀、總含水量儀等云物理觀測(cè)設(shè)備，但主要用于高山云霧觀測(cè)。20世紀(jì)70年代末，也嘗試研制過一維激光光陣粒子譜探頭，但未能成功。

利用涂油或氧化鎂玻璃片的槍式采樣器、鋁箔碰撞采樣器等手工采樣和讀數(shù)的方法在我國早期的飛機(jī)觀測(cè)中應(yīng)用較多。鋁箔采樣器測(cè)量技術(shù)是在飛機(jī)側(cè)窗口處安裝取樣裝置，如1963年吉林層狀云飛機(jī)觀測(cè)中[9-10]，鋁箔取樣器為長80 cm、寬4 cm的長桿，桿的取樣端安裝長12 cm、寬5 cm的取樣板，取樣板上墊上微孔橡膠片，將鋁箔置于橡膠片上用金屬框固定，采樣時(shí)需將取樣板伸出飛機(jī)側(cè)窗口外25 cm 的云中。鋁箔有效采樣面積為4×10 cm2，取樣暴露時(shí)間約為5 s，如果飛機(jī)航速為80 m·s-1，取樣體積可以達(dá)到1.6 m3。取樣后，借助實(shí)驗(yàn)室顯微鏡可以獲得較為清晰的云粒子圖像數(shù)據(jù)，這與國外同期采用技術(shù)類似[13]。這種手工采樣技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑大于0.1 mm的降水性粒子進(jìn)行采樣，采樣后通過顯微鏡讀取粒子數(shù)、大小、圖像等信息，但這種測(cè)量方法十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且測(cè)量精度不高，只能獲取大的降水粒子尺度、濃度和圖像數(shù)據(jù)。

1980年后，部分省份的人工影響天氣飛機(jī)仍然搭載仿制的TPZ-2型含水量儀、TPM-1型云滴譜儀和手動(dòng)鋁箔取樣器等，有些省份的飛機(jī)開始改裝使用引進(jìn)的機(jī)載PMS云物理探測(cè)系統(tǒng)，搭載探測(cè)系統(tǒng)的飛機(jī)平臺(tái)類型開始增加。人工影響天氣飛機(jī)平臺(tái)由最初的伊爾-14、安-26、運(yùn)-12等飛機(jī)類型，擴(kuò)展到運(yùn)-7、運(yùn)-8、雙水獺(DHC-6)、夏延ⅢA(Cheyenne)、空中國王B-200，新舟-60、空中國王350ER等，后期的飛機(jī)裝載進(jìn)口云粒子測(cè)量系統(tǒng)的顯著增加。

機(jī)載云粒子激光測(cè)量技術(shù)從20世紀(jì)70年代應(yīng)用以來，從早期的PMS探測(cè)系統(tǒng)到DMT及SPEC探測(cè)系統(tǒng)，儀器的穩(wěn)定性、測(cè)量精度等性能得到較大幅度提高。激光云粒子測(cè)量儀器的原理對(duì)不同云粒子有所差異，激光云粒子譜儀是對(duì)2～50 μm的小云粒子譜分布的測(cè)量，基于云粒子對(duì)激光的前向米散射原理。根據(jù)米散射理論，不同大小的云粒子會(huì)造成散射功率不同。根據(jù)散射功率，光學(xué)系統(tǒng)景深內(nèi)的不同大小粒子的散射光將進(jìn)入探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中的不同通道計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值反映的是相應(yīng)大小云粒子數(shù)量。通過系統(tǒng)標(biāo)定和對(duì)比測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)云粒子譜的測(cè)量。

云粒子成像儀是采用云粒子移動(dòng)中對(duì)線型激光光束的切割遮擋原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)25～1550 μm直徑范圍內(nèi)云粒子譜分布和圖像的測(cè)量。降水粒子成像儀與云粒子成像儀的測(cè)量原理相同，主要區(qū)別在于成像放大倍數(shù)，粒子采樣區(qū)域長度也有一定增加。但自然界中冰粒子形狀非常復(fù)雜，通過激光陣探測(cè)器要完全識(shí)別出粒子形狀挑戰(zhàn)性大[69]。此外，激光云粒子測(cè)量系統(tǒng)還需配套大氣綜合參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括真空速、氣溫、氣壓、高度和全球定位系統(tǒng)(GPS)信息等參數(shù)的測(cè)量。

2 氣溶膠、云微物理特征及降水形成機(jī)制

2.1 華北氣溶膠分布及云凝結(jié)核轉(zhuǎn)化特征

氣溶膠是云形成的重要組成部分，是云凝結(jié)核和冰核主要來源。利用飛機(jī)開展氣溶膠、云凝結(jié)核和冰核的分布及轉(zhuǎn)化研究，對(duì)了解云和降水形成具有重要意義。由于缺乏觀測(cè)儀器，我國早期氣溶膠、云凝結(jié)核和冰核相關(guān)研究基本局限在地面觀測(cè)試驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，機(jī)載氣溶膠、云凝結(jié)核觀測(cè)儀器廣泛應(yīng)用后，這一工作才得以實(shí)現(xiàn)，但機(jī)載冰核觀測(cè)儀器至今沒有完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，相關(guān)飛機(jī)觀測(cè)研究很少，今后需要加強(qiáng)。

我國氣溶膠飛機(jī)觀測(cè)研究主要集中在華北地區(qū)[27-29],近年在南方地區(qū)也開展了一些觀測(cè)研究[30]。利用機(jī)載PMS-PCASP探頭觀測(cè)的2004年、2009年夏秋季華北地區(qū)氣溶膠濃度最大值量級(jí)為102～104cm-3，主要以細(xì)粒子為主，平均粒徑為0.21～0.31 μm；氣溶膠粒子譜呈單(多)峰分布，與高低空氣流來源及二次氣溶膠形成有關(guān)，高空西北或北方冷空氣會(huì)帶來較大的沙塵氣溶膠粒子；氣溶膠的垂直分布與大氣層結(jié)狀況密切相關(guān)，逆溫層對(duì)低層氣溶膠有明顯的累積效應(yīng)，高氣溶膠濃度基本分布在4500 m高度以下大氣層[27-28]。

對(duì)2005年、2006年和2009年春秋季華北地區(qū)云凝結(jié)核濃度和分布觀測(cè)表明，云凝結(jié)核分布與地面源地及高空氣流來源密切相關(guān)。污染的鄉(xiāng)村地區(qū)上空的云凝結(jié)核濃度，比清潔的鄉(xiāng)村地區(qū)高5倍以上，且云凝結(jié)核具有明顯的日變化特征，白天濃度上升明顯，夜間濃度下降，這種現(xiàn)象與污染氣體通過光化學(xué)過程形成二次氣溶膠有關(guān)。另外，在過飽和度為0.3%的情況下，大氣低層的氣溶膠轉(zhuǎn)化為云凝結(jié)核的比例較低，小于20%，這是由于受到局地或區(qū)域地面污染的影響, 形成的二次氣溶膠是細(xì)粒子, 核化為云凝結(jié)核時(shí)，所需過飽和度高, 因此從氣溶膠到云凝結(jié)核的轉(zhuǎn)化率低，而在4500 m高度以上的大氣層中轉(zhuǎn)化率高達(dá)50%，說明這種較大尺度氣溶膠粒子具有高可溶性，從而轉(zhuǎn)化為云凝結(jié)核的比率顯著提高[28-29]。

2.2 北方降雨層狀云和積層混合云微物理特征

我國北方降雨層狀云、積層混合云微物理特征飛機(jī)觀測(cè)研究在春季、夏季、秋季開展較多，但早期有關(guān)飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)道較少。由于觀測(cè)條件的限制，主要研究云中大粒子的濃度、尺度、形狀等特征。1963年4—6月在吉林省15次降水性層狀冷云的飛行中, 用鋁箔取樣器觀測(cè)了云中的冰晶(直徑小于300 μm)與雪晶(直徑大于300 μm)數(shù)據(jù)，揭示降水性層狀冷云中冰晶與雪晶的一些基本特征，如冰雪晶濃度的空間分布、形狀及溫度與濃度的關(guān)系；云中直徑為0. 1～0. 3 mm的冰晶平均濃度為26.2 L-1,直徑為1 mm雪晶的平均濃度為0.18 L-1；并發(fā)現(xiàn)云中冰晶與雪晶的平均濃度與云頂溫度密切相關(guān),云頂溫度愈低, 云中冰晶與雪晶的平均濃度愈大[9-10]。1988—1989年5—7月利用鋁箔取樣器對(duì)寧夏降水性層狀云特征開展大量比較系統(tǒng)的飛機(jī)觀測(cè)研究，揭示了春夏季西北層狀云中粒子濃度和尺度分布特征[12]。

機(jī)載PMS，DMT和SPEC激光探測(cè)儀器應(yīng)用以來，在華北等地區(qū)開展了大量飛機(jī)觀測(cè)試驗(yàn)研究，在云降水粒子濃度、尺度、形態(tài)和液態(tài)水含量，以及云微物理、動(dòng)力結(jié)構(gòu)和降水形成機(jī)制等方面取得了重要研究成果，極大提高了對(duì)我國北方層狀云和積層混合云微物理過程和降水形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)。相對(duì)而言，在華北地區(qū)開展的飛機(jī)觀測(cè)試驗(yàn)最多，在北方其他地區(qū)的飛機(jī)觀測(cè)較少。西北地區(qū)在青海、甘肅的飛機(jī)觀測(cè)相對(duì)較多。青海三江源地區(qū)秋季一次層狀云垂直結(jié)構(gòu)的PMS探測(cè)資料分析表明：云系具有復(fù)雜的垂直組成，高層由卷云和高層云的冰云組成，下層由高層云和層積云的混合相態(tài)云組成[35]。

高空西風(fēng)槽是華北降水性云系的重要影響天氣系統(tǒng)。對(duì)華北2003年、2004年夏秋季西風(fēng)槽層狀云、層積混合云的飛機(jī)探測(cè)表明：直徑為2～50 μm的云滴、冰晶粒子的最大濃度為120～320 cm-3，平均直徑為7～16 μm。 暖鋒云系中的云粒子濃度較高，達(dá)到320 cm-3；大云粒子和降水粒子(直徑為25～800 μm )的最大濃度為10-3～10-1cm-3；最大液態(tài)水含量為0.7 g·m-3。柱狀冰晶和少量結(jié)凇體分布在-8～-5.9℃層，結(jié)凇粒子主要在-12～-8℃ 層，枝狀冰粒子在-20℃層。大冰粒子濃度在0.01～1 L-1范圍；冷鋒層積云系中以霰粒、柱狀和針狀冰晶為主，并且存在多個(gè)干層, 過冷水含量為0.26 g·m-3。暖鋒云系中以霰粒、結(jié)凇冰粒子和冰雪晶聚合體為主[31-32]。

對(duì)華北2004年和2005年夏季飛機(jī)觀測(cè)的兩個(gè)層狀云個(gè)例的比較表明[33]：具有干層的2004年個(gè)例過冷水含量低于0.1 g·m-3，而2005年的個(gè)例過冷水含量可達(dá)到0.5 g·m-3。對(duì) 1989—2008年山東省23架次秋季降水云系云結(jié)構(gòu)的PMS探測(cè)數(shù)據(jù)分析表明：最大過冷水含量可達(dá)0.36 g·m-3，云中冰晶濃度最大可達(dá)12.8～406 L-1，云粒子譜分布為單峰型[34]。對(duì)河北秋季一次西風(fēng)槽降水云系的飛機(jī)觀測(cè)表明：西風(fēng)槽前云系過冷水含量較高，近槽云系冷云區(qū)有干層，槽后云系中過冷水含量較低，冷、暖云之間也有干層存在[36]。在穩(wěn)定性層狀云中過冷水含量很低。在深厚層狀云中過冷水含量較高，大量液滴的存在也說明冰-液相轉(zhuǎn)化不充分[41]。

對(duì)2009年春季環(huán)北京地區(qū)3架飛機(jī)聯(lián)合云探測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，積層混合云中溫度在-16～0℃區(qū)間的冰晶主要為板狀、針柱狀、柱帽狀、輻枝狀等[37-38]。云頂溫度高于-8℃時(shí)，云中低層的冰晶以板狀和針柱狀為主；云頂溫度低于-13℃時(shí)，云中低層有輻枝狀冰晶存在；云頂溫度低于-18℃時(shí)，云低層有柱帽狀冰晶存在。在嵌入對(duì)流區(qū)有比較多的凇附狀冰粒子。云中不同高度區(qū)因過冷水含量不同，造成云中粒子拓寬增長速率出現(xiàn)明顯差別。

針對(duì)華北春季積層混合云中的對(duì)流泡和融化層的飛機(jī)探測(cè)結(jié)果表明：高層高濃度大冰粒子在下落到對(duì)流泡中的增長主要是聚并和凇附增長，而在層云區(qū)主要為聚并增長[39]。聚并增長過程形成的冰粒子密度低、下落速度小，在0℃層時(shí)間更長，導(dǎo)致融化現(xiàn)象更為明顯。對(duì)流泡一般在-10～0℃溫度(高度為6 km到4 km)范圍內(nèi)，水平和垂直尺度約為2 km，最大上升氣流速度為5 m·s-1。泡內(nèi)平均液態(tài)水含量是周圍層云區(qū)的2倍左右，小云粒子平均濃度比周圍高1個(gè)量級(jí)。對(duì)流泡中的降水形成機(jī)制符合“播撒-供給”機(jī)制，但在過冷水含量低的層云區(qū)不符合“播撒-供給”機(jī)制。

利用機(jī)載Ka波段云雷達(dá)和DMT機(jī)載云粒子測(cè)量系統(tǒng)對(duì)山東春季一次積層混合云的協(xié)同觀測(cè)研究表明：對(duì)流泡中的冰晶濃度是層云區(qū)的5.5倍，平均直徑是層云區(qū)的1.7倍[40]。對(duì)流泡中的降水形成機(jī)制主要依賴過冷水含量。過冷水含量大時(shí)，冰粒子通過凇附增長形成霰；過冷水含量小時(shí)，冰粒子通過水汽凝華過程形成冰雪晶，然后通過聚合增長。

綜上所述，層狀云、積層混合云的微物理特征除與云頂溫度、水汽含量、云厚度等密切相關(guān)外，也與云系所處高空槽、低層冷暖鋒面云系的區(qū)域有關(guān)。一般而言，槽前暖鋒面云系中的過冷水更為豐富，冰晶濃度低，而槽后的冷鋒面云系過冷水較少，冰晶濃度高，且有干層存在。積層混合云中的對(duì)流泡區(qū)具有更高的過冷水含量，冰粒子凇附增長起重要作用，符合“播撒-供給”降水形成機(jī)制，而在層云區(qū)，當(dāng)云厚度較小時(shí)，過冷水含量很少，冰雪晶的凝華、聚并增長起主導(dǎo)作用，并不符合“播撒-供給”降水形成機(jī)制，而當(dāng)云厚度較大，過冷水含量較為豐富時(shí)，凝華、聚并和凇附增長起主導(dǎo)作用，基本符合“播撒-供給”降水形成機(jī)制。

2.3 北方冬季降雪云微物理結(jié)構(gòu)特征

利用安裝在伊爾-14飛機(jī)上的首套進(jìn)口PMS，冬季在新疆烏魯木齊地區(qū)開展了大量降雪過程的飛機(jī)觀測(cè)研究[3-4]。一些觀測(cè)個(gè)例表明：雪主要在2000 m高度以下的低層產(chǎn)生，云中無明顯過冷液態(tài)水，降雪產(chǎn)生的機(jī)制可能是凝華-聚并機(jī)制, 冰晶粒子圖像顯示存在明顯的聚并現(xiàn)象[22-25]。

2022年北京冬季奧運(yùn)會(huì)申辦成功以來，在北京及周邊地區(qū)開展了冬季降雪云系飛機(jī)觀測(cè)研究。對(duì)北京2015年1月和11月兩次山區(qū)降雪云的微物理結(jié)構(gòu)和降雪形成機(jī)制研究表明：當(dāng)水汽輸送強(qiáng)時(shí)，過冷水含量高，降雪形成以凝華和凇附為主，凝華過程占78%，凇附過程占20%，表現(xiàn)為雨夾雪天氣；當(dāng)水汽輸送弱時(shí)，降雪形成以凝華和聚并為主，凝華過程占88%～92%，聚并過程占2%～5%，表現(xiàn)為降雪天氣[42]。 對(duì)2017年3月北京海坨山地區(qū)的一次降雪過程的研究表明：此次降雪云低層過冷云水含量低，回波強(qiáng)度小于20 dBZ，回波頂高低于7 km，雪的下落速度小于2 m·s-1。降雪粒子譜分布以直徑1 mm為主，為干雪[43]。對(duì)2019年2月北京海坨山由低槽形成的降雪過程飛機(jī)觀測(cè)表明，冰雪晶的凝華和聚并增長是主要形成機(jī)制[44]。對(duì)2011年11月山西一次降雪特征分析表明：雷達(dá)回波強(qiáng)度為10～20 dBZ的層狀云回波，但鑲嵌了超過30 dBZ的強(qiáng)回波，直徑大于50 μm和200 μm的冰雪晶主要產(chǎn)生在降雪云上部，極大值出現(xiàn)在-9.3℃附近,高層主要為凝華增長[45]。

由此可見，我國北方冬季降雪過程的形成機(jī)制主要是凝華-聚并機(jī)制。只有在水汽非常充足、云較厚的情況下，云中存在過冷水，凇附增長過程才具有重要作用，該結(jié)果與華北的飛機(jī)觀測(cè)及早期新疆的飛機(jī)觀測(cè)結(jié)果基本一致。

2.4 南方暖性層積云結(jié)構(gòu)特征與降水形成機(jī)制

我國針對(duì)南方云和降水過程的飛機(jī)觀測(cè)研究普遍偏少，主要與南方大部分省份人工影響天氣業(yè)務(wù)部門多采用地面高炮、火箭和煙爐作業(yè)有關(guān)。近年，南方部分省份開始使用飛機(jī)作業(yè)，但相關(guān)的飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析仍然明顯不足。值得一提的是，早期我國開展了大量南方云物理觀測(cè)試驗(yàn)，但限于當(dāng)時(shí)的觀測(cè)試驗(yàn)條件，取得的一系列創(chuàng)新性研究成果主要集中在高山云降水物理觀測(cè)研究方面[3-4]。

國內(nèi)首次對(duì)暖性層積云結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性飛機(jī)觀測(cè)研究是1979—1986年6—7月在新安江流域開展的暖性層積云飛機(jī)觀測(cè)研究[11]，對(duì)暖云降水形成機(jī)制認(rèn)識(shí)和暖云人工增雨均具有重要意義。飛機(jī)觀測(cè)采用鋁箔取樣器，由于采樣條件所限，只能對(duì)大云滴(直徑在50 μm以上)進(jìn)行較好的觀測(cè)，飛機(jī)共穿云22塊，其中16塊為產(chǎn)生降雨層積云，云厚為1300～3850 m，6塊為不產(chǎn)生降雨層積云，云厚為500～2900 m。所觀測(cè)的層積云為梅雨期間的鋒面云系，且最高的云約4000 m，對(duì)應(yīng)的云頂溫度為5℃，說明均為暖云。觀測(cè)結(jié)果顯示大云滴數(shù)量對(duì)暖云降水十分重要：當(dāng)云厚小于2 km時(shí)，產(chǎn)生降雨的層積云中大云滴(直徑大于80 μm)的濃度可達(dá)到102m-3的頻率占94%，濃度達(dá)到103m-3的頻率占50%，而對(duì)應(yīng)的不產(chǎn)生降雨的層積云中大云滴濃度頻率僅為32%，濃度達(dá)到103m-3的頻率為零；對(duì)直徑大于200 μm雨滴濃度，產(chǎn)生降雨的層積云中頻率為63%，不產(chǎn)生降雨的僅為5%。當(dāng)云厚大于2 km時(shí)，有雨層積云和無雨層積云之間最大的區(qū)別是大云滴數(shù)量和大云滴在云中出現(xiàn)的頻率。

因此，層積混合云產(chǎn)生降雨的條件是云中數(shù)量大于102m-3的大云滴(直徑大于80 μm)出現(xiàn)頻率超過94%，即云中的絕大部分區(qū)域均出現(xiàn)大滴數(shù)濃度超過102m-3。另外，對(duì)沒有產(chǎn)生降雨的層積云，直徑最大的云滴出現(xiàn)在云頂部，而產(chǎn)生降雨的層積云，直徑最大的云滴出現(xiàn)在云的中上部。這一觀測(cè)事實(shí)說明，對(duì)于沒有產(chǎn)生降雨的暖云，最大上升氣流應(yīng)在云頂，這與熱帶地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)的邊界層云結(jié)構(gòu)非常類似。從云動(dòng)力學(xué)形成方面考慮，有降雨和無降雨的層積云的動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生機(jī)制應(yīng)不同，從而導(dǎo)致云微物理結(jié)構(gòu)特征出現(xiàn)顯著差異。因此，很有必要繼續(xù)對(duì)暖性層積混合云開展更加深入的觀測(cè)和數(shù)值模擬研究。

2.5 對(duì)流云微物理特征

由于對(duì)流云飛機(jī)觀測(cè)難度大，我國相關(guān)的飛機(jī)觀測(cè)試驗(yàn)較少。對(duì)2003年7月一次東北冷渦對(duì)流云帶的飛機(jī)觀測(cè)表明：過冷水含量最大可達(dá)3.3 g·m-3，云上部過冷水含量為2.0 g·m-3。對(duì)流云帶上部冰粒子濃度最大值為1062 L-1，在-6.8℃ 層處，這種特征對(duì)降水形成具有重要作用[46]。在第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)中，我國首次在青藏高原中部地區(qū)開展青藏高原對(duì)流云發(fā)展初期的飛機(jī)綜合觀測(cè)研究，取得了一些重要成果。如發(fā)現(xiàn)高原對(duì)流云內(nèi)過冷水含量豐富，云滴粒子具有尺度大、濃度小的特性,高原對(duì)流云中霰粒子濃度高，夏季對(duì)流云易產(chǎn)生降水等特征[47]。2014年夏季在山西開展的兩個(gè)非降水性淺積云飛機(jī)觀測(cè)個(gè)例表明：不同發(fā)展階段積云的云微物理特征不同，云粒子濃度為102～103，粒子直徑隨高度增加而增大，積云內(nèi)部存在云粒子水平分布不均勻情況[48-49]。

2.6 數(shù)值模式云微物理過程驗(yàn)證

飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)是檢驗(yàn)和改進(jìn)數(shù)值模式中的云物理過程的重要途徑。利用一次東北夏季層狀云飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)模擬的云垂直結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)表明[50]：第1層以冰晶凝華增長為主, 冰晶的碰并過程次之；第2層冰晶和雪增長是凝華過程, 貝吉隆過程具有重要作用；第3層是暖雨和融化過程。第1層對(duì)第2層有播種作用, 冰晶層對(duì)降水的貢獻(xiàn)為7%, 過冷水層對(duì)降水的貢獻(xiàn)為54%,暖水層對(duì)降水的貢獻(xiàn)為39%,冷暖云過程均在降水形成中具有重要作用。對(duì)層狀云雨滴分檔模式的檢驗(yàn)表明：從上到下各層對(duì)降水貢獻(xiàn)占比為3.5%，38.5%和58%[51]。利用2010年4月20日山西省一次春季層狀降水云系的飛機(jī)探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)中國氣象科學(xué)研究院中尺度云參數(shù)化模式進(jìn)行驗(yàn)證和對(duì)比，結(jié)果表明：數(shù)值模擬與飛機(jī)探測(cè)的高空溫度、濕度基本一致，模擬的不同高度云粒子相態(tài)、垂直方向云水比含水量與飛機(jī)探測(cè)獲取的云粒子圖像和云液態(tài)水含量的垂直結(jié)構(gòu)基本吻合，但數(shù)值模擬的云中各種水成物粒子出現(xiàn)的高度較飛機(jī)探測(cè)結(jié)果偏高[52]。

利用環(huán)北京3架飛機(jī)同時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)WRF(Weather Research and Forecasting)模式模擬的微物理結(jié)構(gòu)驗(yàn)證表明[53]：云中液態(tài)水含量模擬值與飛機(jī)觀測(cè)值較一致, 但在-6℃到-10℃層, 模擬的雪粒子凇附增長較大, 聚合發(fā)生的高度偏高, 使模擬的固態(tài)水凝物含量高于觀測(cè)值。另外，模式中粒子譜分布斜率與觀測(cè)接近, 但截距偏大, 模式中譜形參數(shù)應(yīng)隨高度變化。用同樣飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)WRF模擬的積層混合云微物理特征的比較表明[54]：積云區(qū)水成物的比例為雪占51.9%，霰占31.0%，雨占16.0%；層云區(qū)水成物的比例為雪占90.4%，雨占6.1%，冰晶占3.5%。將WRF模擬的北京秋季一次弱降水層積混合云與飛機(jī)觀測(cè)比較表明，冰雪晶的融化是地面降水形成的主要機(jī)制[55]。

綜上，飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)驗(yàn)證數(shù)值模式中的云物理過程具有重要意義，但目前的研究仍不夠深入，特別在通過飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)改進(jìn)模式物理過程和參數(shù)化方面亟待加強(qiáng)。

3 飛機(jī)播撒效果檢驗(yàn)、遙感觀測(cè)信息驗(yàn)證和飛機(jī)結(jié)冰研究

3.1 飛機(jī)播撒效果檢驗(yàn)

2000年春季在山東進(jìn)行了兩次飛機(jī)碘化銀播撒試驗(yàn),飛機(jī)觀測(cè)結(jié)果顯示：播撒碘化銀后約5 min,可觀測(cè)到過冷液態(tài)水減小、冰雪晶濃度增加和云粒子譜拓寬現(xiàn)象[56]。對(duì)2005年春季河南層狀云飛機(jī)播撒試驗(yàn)分析表明：播撒后云粒子數(shù)和液態(tài)水含量均出現(xiàn)減小現(xiàn)象，播撒層下方的變化更大，平均直徑增加明顯[57]。對(duì)2009年4月張家口一次飛機(jī)播云試驗(yàn)分析表明：播撒后液態(tài)含水量降低明顯，粒子平均直徑增大；播撒后冰晶出現(xiàn)減少現(xiàn)象，大粒子出現(xiàn)顯著增加情況[58]。

2013年10月13日張家口地區(qū)積層混合云飛機(jī)作業(yè)前后的微物理變化結(jié)果表明：云粒子在作業(yè)前時(shí)段內(nèi)的平均濃度為31 cm-3，高于作業(yè)后平均濃度17.6 cm-3；作業(yè)后冰晶粒子通過貝吉龍過程消耗過冷水長大，濃度由之前的0.86 L-1增至4.27 L-1，平均直徑增至550 μm；降水粒子濃度也相應(yīng)升高，譜明顯變寬[59]。針對(duì)2017年3月19日陜西飛機(jī)碘化銀增雨作業(yè)后衛(wèi)星和雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示的云跡線和地面雨滴譜儀觀測(cè)的雨強(qiáng)、雨滴數(shù)濃度、雨滴直徑的變化，通過建立增雨影響回波強(qiáng)度與地面雨強(qiáng)的擬合關(guān)系，定量研究了人工增雨的時(shí)空演變并對(duì)飛機(jī)播云效果進(jìn)行檢驗(yàn)[60]。

此外，依據(jù)飛機(jī)探測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際作業(yè)效果，人工影響天氣業(yè)務(wù)部門歸納出一些飛機(jī)作業(yè)指標(biāo)[65]，并建立了飛機(jī)作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[66]。

3.2 遙感觀測(cè)信息驗(yàn)證

衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感觀測(cè)信息的飛機(jī)觀測(cè)驗(yàn)證是一項(xiàng)非常重要的工作，對(duì)于改進(jìn)云遙感信息反演算法具有重要意義，但我國相關(guān)研究亟待加強(qiáng)。

1999月6月華北一次層積云飛機(jī)垂直探測(cè)結(jié)果輸入輻射傳輸模式SBDART2.4，用正演方式與GMS5/VISSR及NOAA15/AVHRR反射通道數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果表明：相對(duì)偏差為7%，沒有明顯系統(tǒng)性偏差，表明用飛機(jī)探測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算云輻射是可行的[61]。利用云雷達(dá)回波強(qiáng)度、粒子下落速度和速度譜寬數(shù)據(jù)反演液態(tài)水含量和滴譜參數(shù)，與飛機(jī)觀測(cè)對(duì)比結(jié)果表明，云雷達(dá)反演的微物理參數(shù)與飛機(jī)觀測(cè)具有一致性[62]。

3.3 飛機(jī)結(jié)冰研究

飛機(jī)探測(cè)的云微物理數(shù)據(jù)也可用于飛機(jī)積冰的研究和預(yù)報(bào)[63]。北京人工影響天氣辦公室基于2014—2017年積冰個(gè)例觀測(cè)數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù)，以氣溫、相對(duì)濕度、垂直速度和云量為參數(shù)建立積冰指數(shù)，使積冰事件的判別準(zhǔn)確率明顯提高[64]。

4 結(jié)論與討論

我國云降水物理飛機(jī)觀測(cè)研究取得如下主要進(jìn)展：

1) 我國飛機(jī)云降水物理觀測(cè)技術(shù)取得重要進(jìn)展。飛機(jī)觀測(cè)平臺(tái)經(jīng)歷了從蘇制、美制軍用飛機(jī)到國產(chǎn)運(yùn)-系列飛機(jī)、新舟-60和美國空中國王等不同階段。20世紀(jì)60年代機(jī)載觀測(cè)設(shè)備主要為蘇制或仿蘇機(jī)載儀器、美國MEE公司云凝結(jié)核、冰核計(jì)數(shù)器， 80年代初引進(jìn)第1代激光云粒子測(cè)量系統(tǒng)，目前普遍采用DMT,SPEC機(jī)載云粒子測(cè)量系統(tǒng)，在飛機(jī)平臺(tái)、機(jī)載測(cè)量技術(shù)和基于飛機(jī)觀測(cè)的云降水物理研究方面均取得顯著進(jìn)步。

2) 基于飛機(jī)觀測(cè)的云降水物理研究取得重要進(jìn)展。我國空中大氣氣溶膠分布及其云凝結(jié)核轉(zhuǎn)化過程與大氣層結(jié)、氣溶膠來源和二次氣溶膠形成過程關(guān)系密切。逆溫層對(duì)低層氣溶膠具有明顯的累積效應(yīng)，低層污染過程形成的二次氣溶膠向云凝結(jié)核的轉(zhuǎn)化率較低，而高空沙塵氣溶膠向云凝結(jié)核的轉(zhuǎn)化率較高；北方層狀云、積層混合云的微物理特征與云頂溫度、水汽含量、云厚度等密切相關(guān)，也與云系所處高空槽、低層冷暖鋒面云系的區(qū)域有關(guān)。積層混合云中的對(duì)流泡區(qū)具有更高的過冷水含量，冰粒子凇附增長起重要作用，符合“播撒-供給”降水形成機(jī)制，而在層云區(qū)，當(dāng)云厚度較小時(shí)，過冷水含量很少，冰雪晶的凝華、聚并增長起主導(dǎo)作用，并不符合“播撒-供給”降水形成機(jī)制，而當(dāng)云厚度較大，過冷水含量較為豐富，凝華、聚并和凇附增長起主導(dǎo)作用，基本符合“播撒-供給”降水形成機(jī)制；我國北方冬季降雪過程的形成機(jī)制主要是凝華-聚并機(jī)制。只有在水汽非常充足、云比較厚的情況下，云中存在過冷水含量，凇附增長過程才具有重要作用。

3) 在數(shù)值模式云物理過程驗(yàn)證、飛機(jī)播撒效果檢驗(yàn)和遙感觀測(cè)信息驗(yàn)證等方面也取得重要進(jìn)展。飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)驗(yàn)證數(shù)值模式中的云物理過程具有重要作用，但目前研究局限于觀測(cè)數(shù)據(jù)的直接比較，通過飛機(jī)觀測(cè)云微物理過程參數(shù)化改進(jìn)模式物理過程方面較薄弱。我國在對(duì)流云、南方暖云微物理過程飛機(jī)觀測(cè)試驗(yàn)，以及飛機(jī)人工影響天氣作業(yè)效果、遙感觀測(cè)信息的飛機(jī)觀測(cè)檢驗(yàn)等方面的應(yīng)用研究也亟待加強(qiáng)。

飛機(jī)觀測(cè)研究仍然是未來云降水物理研究十分重要的組成部分。飛機(jī)平臺(tái)會(huì)向更高性能有人或無人駕駛飛機(jī)平臺(tái)發(fā)展，特別是長航程、適宜復(fù)雜大氣環(huán)境和強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)飛行的無人機(jī)將會(huì)得到快速發(fā)展；機(jī)載儀器從目前單一的氣溶膠、云物理探測(cè)儀器向大氣動(dòng)力過程、大氣輻射、化學(xué)、生物、電過程等方面擴(kuò)展，特別是各種機(jī)載遙感儀器設(shè)備將快速發(fā)展。