云粒子的破碎對積層混合云微物理參量測量的影響

黃敏松雷恒池

1中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

2南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044

3南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044

4 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

1 引言

積層混合云系是一種重要的降水系統(tǒng)，也是我國人工影響天氣作業(yè)的主要作業(yè)對象（黃美元等,1987;洪延超,1996）。它是由層狀云和鑲嵌在層狀云中的對流單體組成，這使得其降水形成過程要比一般的層狀云更為復(fù)雜，比如發(fā)生于其內(nèi)的微物理過程，尤其冰晶繁生過程還是強(qiáng)降水發(fā)生的先決條件（Hallett and Mossop,1974;Rangno and Hobbs,2005）。但是當(dāng)前在云分辨模式和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中積層混合云的表示具有顯著的不確定性，因?yàn)樵S多發(fā)生于其內(nèi)的過程還未得到充分的理解（Morrison et al.,2009）。因此，準(zhǔn)確獲取積層混合云系的云微物理結(jié)構(gòu)特征，有助于對該云系中云降水關(guān)鍵微物理的發(fā)生發(fā)展過程的了解。

飛機(jī)觀測是研究積層混合云結(jié)構(gòu)和降水機(jī)理的重要途徑。云中微物理過程，尤其是其冰晶粒子屬性及其變化過程主要利用機(jī)載云粒子測量儀器（Jiang et al.,2019），特別是云粒子成像儀器進(jìn)行測量。但現(xiàn)有研究表明機(jī)載云微物理測量過程中，云粒子進(jìn)入測量儀器的采樣區(qū)前，會(huì)因與測量儀器的探測臂發(fā)生機(jī)械碰撞，或者與儀器外殼產(chǎn)生的湍流和風(fēng)切變相互作用而破碎，云粒子破碎的結(jié)果使得小云粒子數(shù)偏多，而大云粒子數(shù)偏少，從而對云微物理參量的測量造成影響（Field et al.,2003,2006;Korolev and Isaac,2005;Korolev et al.,2011,2013a,2013b;Jackson et al.,2014;Jackson and McFarquhar,2014）。為了研究和減少云粒子破碎對云微物理參量測量的影響，F(xiàn)ield et al.（2006）分析了破碎的云粒子與自然云粒子一起組成的到達(dá)時(shí)間間隔分布，發(fā)現(xiàn)了該時(shí)間分布具有雙模態(tài)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)長時(shí)間模態(tài)表示的是真實(shí)的云內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而短時(shí)間模態(tài)則是由破碎的云粒子所致，對不同航次資料處理分析，他采用不同的時(shí)間閾值作為破碎粒子的識別方法。Korolev et al.（2013a）則對探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，經(jīng)飛行探測實(shí)驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)能有效地減少破碎粒子發(fā)生的概率，但無法完全消除。Jackson et al.（2014）和Jackson and McFarquhar（2014）則利用Field et al.（2006）所提出的破碎粒子濾除算法對粒子破碎及其云微物理參量測量影響進(jìn)行初步的量化分析。黃敏松等（2016,2017）對機(jī)載測量過程中破碎粒子問題進(jìn)行了分析，提出了適合于以運(yùn)-12飛機(jī)為機(jī)載平臺的破碎粒子識別閾值。

在我國云物理飛機(jī)探測的主要機(jī)型是中航哈飛的運(yùn)-12飛機(jī)（Zhao and Lei,2014a;Yang et al.,2017），近年來云微物理測量飛機(jī)上主要安裝的是美國粒子測量技術(shù)公司（Droplet Measurement Technology,DMT）所生產(chǎn)的云粒子成像儀（Cloud Imaging Probe,CIP）和降水粒子成像儀（Precipitation Imaging Probe,PIP）。作業(yè)探測的主要云型是積層混合云系（張佃國等,2011;朱士超和郭學(xué)良,2014;Zhao and Lei,2014b;秦彥碩等,2017）。積層混合云系內(nèi)由于嵌入式對流單體中液態(tài)水含量比周圍的層云高，且具有一定的上升氣流速度，因此可以產(chǎn)生更多的冰晶（Hobbs and Rangno,1990）。此外，在嵌入式對流單體下方降水量一般比周圍區(qū)域高（Hobbs and Locatelli,1978），因此準(zhǔn)確獲取該云系的云微物理結(jié)構(gòu)特征，可以更好地了解云系中云降水關(guān)鍵微物理的發(fā)生發(fā)展過程，從而可更好地開發(fā)空中云水資源，緩解我國干旱缺水的狀況。機(jī)載測量過程中的破碎粒子已經(jīng)影響到了云微物理參量數(shù)值的準(zhǔn)確性，盡管云粒子破碎對云微物理參量測量的影響已經(jīng)有相關(guān)的研究成果（Korolev et al.,2013b;Jackson et al.,2014;Jackson and McFarquhar,2014），但是對于在積層混合云系環(huán)境條件下的破碎云粒子對云微物理參量測量的影響并未得到充分的研究，尤其是在層云條件下和積云對流條件下云粒子破碎對云微物理參量測量的影響異同研究尚處于空白。影響云粒子這一非自然破碎的因素除了與云粒子的自身的大小、形狀等自身因素有關(guān)外，還與溫度、氣壓等環(huán)境因素和儀器與飛機(jī)的配置、空速、采樣時(shí)的飛機(jī)狀態(tài)等因素有關(guān)（Korolev et al.,2013b）。因此，研究以運(yùn)-12飛機(jī)為機(jī)載測量平臺的云粒子破碎識別及其對積層混合云的云微物理參量測量的影響，尤其是研究在層云條件下和積云對流條件下粒子破碎對云微物理參量測量的影響異同依然具有其重要的科學(xué)意義。但目前對于破碎的云粒子對以運(yùn)-12飛機(jī)為機(jī)載測量平臺的積層混合云云微物理參量測量的影響了解的還不是很多，因此很有必要對此進(jìn)行研究，以準(zhǔn)確獲取該云系關(guān)鍵微物理過程的特征。

基于此，本文首先對云粒子破碎后的粒子到達(dá)時(shí)間間隔模態(tài)進(jìn)行分析，針對實(shí)際云中不同部位粒子數(shù)濃度的差異性，提出了一個(gè)時(shí)變的到達(dá)時(shí)間間隔閾值方法以對測量過程中破碎的云粒子進(jìn)行識別，然后利用山西運(yùn)-12飛機(jī)在“環(huán)北京云觀測試驗(yàn)”期間的飛行探測數(shù)據(jù)，分析在層云條件下和積云對流條件下云粒子破碎對云微物理參量測量的影響。

2 數(shù)據(jù)與儀器

利用2009年4～5月“環(huán)北京云觀測試驗(yàn)”期間山西人影辦的運(yùn)-12飛機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來研究云粒子破碎對云微物理參量測量的影響。該試驗(yàn)是中國第一次利用三架飛機(jī)同時(shí)對云進(jìn)行聯(lián)合觀測的試驗(yàn)，但考慮到影響云粒子破碎的因素眾多，這里只選擇山西人影辦的運(yùn)-12飛機(jī)上CIP儀器所測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，以分析研究層云條件下和對流條件下云粒子破碎對云微物理參量測量影響的異同。試驗(yàn)期間有兩次鋒面系統(tǒng)過境，分別在4月18日和5月1日，主要云系以積層混合云為主。其中4月18日天氣是高空低槽和地面弱冷鋒共同影響下形成的鋒面降水過程，張家口氣象站觀測的24 h 降水量為6.7 mm；而5月1日的天氣是在西風(fēng)槽控制下的鋒面降水過程，整個(gè)觀測區(qū)內(nèi)24 h 降水量為6～10 mm（朱士超和郭學(xué)良,2014）。三架飛機(jī)分別在不同高度對云系進(jìn)行觀測，其中山西人影辦的運(yùn)-12飛機(jī)在兩次探測過程中均主要在4200 m 高度層飛行探測，兩次航測時(shí)探測區(qū)溫度范圍分別為-4～-5°C和-7.2～-11.6°C。

文獻(xiàn)（朱士超和郭學(xué)良,2014）在研究積層混合云內(nèi)冰晶粒子形狀分布和增長狀況特征時(shí)綜合利用飛機(jī)觀測到的相對濕度、液態(tài)水含量和溫度以及地面雷達(dá)回波的反射率等物理參量而對云中的層云區(qū)和積云區(qū)進(jìn)行了劃分，這里借鑒朱士超和郭學(xué)良（2014）的工作，擬選擇4月18日航測時(shí)段17:41～17:54（北京時(shí)，下同）和5月1日航測時(shí)段09:23～10:35這兩個(gè)時(shí)段內(nèi)的航測數(shù)據(jù)來進(jìn)行對比分析研究，其中4月18日所選時(shí)段內(nèi)屬于層云區(qū)有兩段，屬于對流云區(qū)有1段，5月1日所選時(shí)段內(nèi)屬于層云區(qū)有三段，屬于對流云區(qū)有三段，具體云區(qū)時(shí)段及其代號請參見表1，所選時(shí)段內(nèi)儀器所測粒子圖像如圖1所示，從圖中可知所選時(shí)段內(nèi)云相皆為冰相。所選時(shí)段的云中相對濕度、液態(tài)水含量和溫度以及地面雷達(dá)回波的反射率值請參見朱士超和郭學(xué)良（2014）中的圖9和圖11。

表1 所選時(shí)間內(nèi)所對應(yīng)的云區(qū)屬性Table1 Cloud type in the selected time

圖1 所選時(shí)段內(nèi)云粒子成像儀(CIP)所測云中粒子圖像：（a）S1；（b）C1；（c）S2；（d）S3；（e）C2；（f）S4；（g）C3；（h）S5；（i）C4。黑色方框內(nèi)為測量時(shí)所產(chǎn)生的破碎云粒子Fig.1 Cloud particle images measured by Cloud Imaging Probe(CIP)in the selected time(a)S1,(b)C1,(c)S2,(d)S3,(e)C2,(f)S4,(g)C3,(h)S5,(i)C4.The shattered particles produced during measurement are highlighted in the black box

3 云粒子破碎的識別方法

3.1 云粒子到達(dá)時(shí)間間隔

航測過程中，云粒子一旦進(jìn)入儀器采樣區(qū)而被采樣時(shí)，儀器就會(huì)自動(dòng)記錄下粒子進(jìn)入采樣區(qū)的時(shí)刻，即云粒子的到達(dá)時(shí)間。如果對前后兩個(gè)云粒子的到達(dá)時(shí)刻值作差，所得差值即稱為“云粒子到達(dá)時(shí)間間隔”(Inter-Arrival Time,IAT)。對某一航次或某段時(shí)間內(nèi)探測到的云粒子到達(dá)時(shí)間間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，則可獲得該時(shí)間段內(nèi)的云粒子到達(dá)時(shí)間間隔頻率分布狀況,對文中所選時(shí)段S1和C1的粒子到達(dá)時(shí)間間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所統(tǒng)計(jì)的粒子出現(xiàn)頻數(shù)隨到達(dá)時(shí)間間隔分布特征如圖2所示，從圖中可看出C1時(shí)段，即圖2b具有更加明顯的雙模態(tài)特征。如果該探測時(shí)段內(nèi)存在粒子破碎，則該時(shí)間間隔分布將具有明顯的雙模態(tài)特征。長短時(shí)間模態(tài)不同反映出它們之間物理學(xué)上差異。長時(shí)間模態(tài)是自然云粒子在云中動(dòng)力熱力作用下分布的結(jié)果，而短時(shí)間模態(tài)則是云粒子破碎所致（Field et al.,2003,2006）。因此，可通過分析這一雙模態(tài)特征獲取一個(gè)時(shí)間閾值來對破碎云粒子進(jìn)行識別和剔除。

3.2 時(shí)變閾值方法

實(shí)際云中不同部位云粒子濃度是不同的，云與云之間的濃度差異就更大了。但現(xiàn)有的工作要么是對一個(gè)航測過程進(jìn)行統(tǒng)一分析后采用一個(gè)統(tǒng)一的閾值來對破碎粒子進(jìn)行剔除（Field et al.,2003,2006），要么則是對某一機(jī)型的航測結(jié)果采用一個(gè)具有統(tǒng)計(jì)意義的閾值進(jìn)行剔除（黃敏松等,2016,2017）。而影響云粒子這一非自然破碎的因素除了與云粒子的自身的大小、形狀等自身因素有關(guān)外，還與溫度、氣壓等環(huán)境因素和空速、采樣時(shí)的飛機(jī)狀態(tài)等因素有關(guān)（Korolev et al.,2013b）。因此，破碎粒子識別需要考慮到云層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多變性和復(fù)雜性，這對閾值識別的時(shí)變性提出了要求。為此為研究積層混合云中層云條件下和嵌入式對流條件下云粒子破碎對云微物理參量測量的影響，本文提出了一個(gè)時(shí)變的閾值分析方法，具體步驟如下：（1）讀取待分析數(shù)據(jù)，獲取單粒子圖像幀信息以及該粒子圖像幀的到達(dá)時(shí)刻；（2）以10 s為一個(gè)間隔周期，對該周期內(nèi)滿足粒子數(shù)條件的粒子到達(dá)時(shí)間間隔閾值進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)；（3）利用多項(xiàng)式擬合方法對統(tǒng)計(jì)后的粒子到達(dá)時(shí)間間隔分布模態(tài)進(jìn)行擬合；（4）對擬合后的粒子到達(dá)時(shí)間間隔分布模態(tài)進(jìn)行破碎粒子分布模態(tài)的確定，如符合雙模態(tài)的分布特征，則以短模峰值的2倍為破碎粒子識別閾值；（5）利用確定出的到達(dá)時(shí)間間隔閾值對統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的破碎粒子進(jìn)行識別。

圖2 20090418航次兩個(gè)時(shí)段的粒子到達(dá)時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)：（a）S1；（b）C1Fig.2 Statistics of the cloud particleinter-arrival time in thetwo selected timesof the 20090418 flight:(a)S1;(b)C1

上述方法中通過對時(shí)間尺度和粒子數(shù)兩方面的約束，可以使得獲取的到達(dá)時(shí)間間隔閾值更具有統(tǒng)計(jì)的物理意義并符合云中實(shí)際的物理狀況。其中間隔周期選擇為10 s，粒子數(shù)條件為600，因?yàn)闄C(jī)載云粒子成像測量探頭所測數(shù)據(jù)的應(yīng)用上一般還需對測量的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的平均處理以獲取一個(gè)更長時(shí)間尺度上的代表值。從現(xiàn)有文獻(xiàn)上看，這個(gè)時(shí)間尺度可以是10 s，20 s或者60 s等，但最常見的是10 s，這個(gè)跟具體的研究情況有關(guān)。因此針對統(tǒng)計(jì)平均的需要，需要對統(tǒng)計(jì)平均的時(shí)間尺度上對破碎粒子進(jìn)行識別，否則統(tǒng)計(jì)的平均值將混雜著破碎粒子。事實(shí)上，如果時(shí)間間隔越短，也許會(huì)更有利于統(tǒng)計(jì)獲取的真值，但是這個(gè)涉及到統(tǒng)計(jì)量是否足夠以及整個(gè)程序的運(yùn)算時(shí)間問題，因此10 s是一個(gè)較優(yōu)的折衷選擇。粒子數(shù)條件的選擇是基于統(tǒng)計(jì)樣本量的需求，一般要在100個(gè)以上，樣本量越多越有利于統(tǒng)計(jì)獲取的真值，但綜合考慮到統(tǒng)計(jì)的時(shí)間尺度、儀器的采樣體積以及實(shí)際云中冰晶粒子數(shù)濃度等情況，這里將粒子數(shù)條件設(shè)定為600。

具體的擬合公式為

其中，fi表示的是輸出的擬合序列，x 表示輸入序列，a則表示多項(xiàng)式的系數(shù)，m表示擬合多項(xiàng)式的階數(shù)，這里選擇為5.

利用上述方法對文中所選的S1時(shí)段和C1時(shí)段進(jìn)行時(shí)變閾值的統(tǒng)計(jì)分析，可獲取相應(yīng)短周期內(nèi)的時(shí)間間隔閾值，這里給出所選S1 時(shí)段和C1時(shí)段的第一個(gè)短周期的統(tǒng)計(jì)和曲線擬合結(jié)果，如圖3所示，其中S1時(shí)段內(nèi)第一個(gè)短周期的時(shí)間間隔閾值是0.01 ms，而C1時(shí)段內(nèi)第一個(gè)短周期的時(shí)間間隔閾值是0.02 ms。

4 破碎粒子對云微物理參量測量的影響

云微物理參量是表征云微觀特征的參量，獲取準(zhǔn)確的云微物理參量信息是理解云降水物理發(fā)展過程的前提，因此研究云粒子破碎對云微物理參量測量的影響將非常有助于對云和降水發(fā)展變化過程的準(zhǔn)確理解。在研究破碎粒子對云微物理參量測量的影響前，需要對其它形式的偽粒子進(jìn)行剔除，這里采用黃敏松等（2017）一文所提方法對其它形式的偽粒子進(jìn)行剔除。計(jì)算中采樣體積的計(jì)算采用改進(jìn)的HP79方法，具體請參考文獻(xiàn)（黃敏松和雷恒池,2018）。

4.1 對云粒子譜的影響

云粒子譜是云降水粒子群體最基本的微物理屬性，用以表示一定體積內(nèi)不同尺度云粒子數(shù)量的多少。云降水粒子譜的演變體現(xiàn)了云與降水的發(fā)展變化過程，其計(jì)算公式如下：

其中， Pi表示第 i個(gè)尺度間隔內(nèi)云粒子的數(shù)濃度半徑分布函數(shù)， Ni為一個(gè)采樣周期內(nèi)測得的半徑在ri～ ri+Δr 之間的粒子數(shù)目，Vsamp為采樣體積。

為了表征破碎云粒子對云粒子譜參量的影響，這里引入一個(gè)新的函數(shù)：

圖3 （a）S1時(shí)段和（b）C1時(shí)段內(nèi)第一個(gè)短周期的到達(dá)時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)和曲線擬合結(jié)果Fig.3 Inter-arrival timestatisticsand curve fit result of thefirst short period in (a)S1 and (b)C1

其中， Ri表示第i個(gè)尺度間隔內(nèi)破碎云粒子剔除前后數(shù)濃度半徑分布比值函數(shù)， PNiA表示第 i個(gè)尺度間隔內(nèi)破碎云粒子剔除前云粒子數(shù)濃度半徑分布函數(shù)，PAi表示第 i個(gè)尺度間隔內(nèi)利用本文所提算法對破碎云粒子進(jìn)行識別剔除后的云粒子數(shù)濃度半徑分布函數(shù)，因此 PAi表示的是一個(gè)相對真實(shí)的云粒子譜值，通過公式（3）可以比較直接地定量獲取云粒子破碎對云粒子譜參量的影響。

此外，為了獲取更具有普遍性的影響值，對多個(gè)時(shí)段的粒子譜參量的影響值進(jìn)行平均，獲取破碎云粒子剔除前后數(shù)濃度半徑分布比值函數(shù)的平均值，具體計(jì)算公式如下：

其中， Rim表 示多個(gè)時(shí)段內(nèi)第i個(gè)尺度間隔內(nèi)破碎云粒子剔除前后數(shù)濃度半徑分布比值函數(shù)的平均值，N表示所選的云區(qū)時(shí)段數(shù)，通過公式（4）獲取的云粒子破碎對云粒子譜參量的影響更具有普遍的代表性。

利用公式（2）和公式（3），對所選層云區(qū)和對流云區(qū)航測時(shí)段的資料進(jìn)行處理，獲取相應(yīng)時(shí)段云區(qū)內(nèi)破碎云粒子剔除前后的云粒子譜分布特征和粒子數(shù)濃度半徑分布函數(shù)比值的分布情況，其中層云區(qū)的粒子數(shù)濃度半徑分布函數(shù)比值分布情況如圖4a 所示，對流云區(qū)的粒子數(shù)濃度半徑分布比值分布情況如圖4b所示。

從圖4a 中可看出破碎云粒子對層云區(qū)粒子譜的影響在300μm 以下粒徑段在所選的5個(gè)時(shí)段內(nèi)均存在，在500μm 以下粒徑段則主要存在于S3、S4和S5三個(gè)時(shí)段，但在1000μm 以上，破碎云粒子對5個(gè)時(shí)段的影響又變得明顯起來。值得注意的是，對于所選時(shí)段S3，破碎粒子對粒子譜的影響在全粒徑段均存在，其中在100μm 以下，破碎粒子可使粒子譜值最大增大10倍。從圖4b中可看出破碎粒子對對流云區(qū)粒子譜的影響在500μm 以下粒徑段在所選的4個(gè)時(shí)段內(nèi)均存在，事實(shí)上除了所選時(shí)段C1外，其它三個(gè)時(shí)段破碎粒子的影響在全粒徑段均存在，與層云區(qū)類似，在1000μm 以上，破碎云粒子的影響又變得明顯起來。此外，所選時(shí)段C4，破碎云粒子對整個(gè)粒徑段云粒子譜的影響特別嚴(yán)重，其中有三個(gè)粒徑段的影響值在10倍左右。

利用公式（3）獲取的破碎云粒子剔除前后對粒子譜分布影響的平均值如圖5所示，其中黑線表示層云區(qū)的平均值，虛線則表示對流云區(qū)的平均值，從圖5中可以看出破碎粒子對粒子譜的影響在層云區(qū)和對流云區(qū)的全粒徑段內(nèi)均存在，但主要存在于小粒徑端和大粒徑端；其中在小粒徑段300μm 以下，其影響均值在1.5倍以上，而大粒徑端在1200 μm以上，其影響均值在1.4倍以上；除了個(gè)別粒徑段，破碎粒子對對流云區(qū)粒子譜的影響均大于對層云區(qū)粒子譜的影響，就全粒徑段相對于對層云區(qū)粒子譜的影響平均而言，破碎粒子對對流云區(qū)粒子譜的影響要高出20%以上。

4.2 對粒子數(shù)濃度的影響

粒子數(shù)濃度表示的是單位體積內(nèi)的粒子總數(shù)。根據(jù)公式（5）進(jìn)行計(jì)算。其中 Nd為粒子數(shù)濃度，

圖4 不同云區(qū)時(shí)段破碎云粒子剔除前后粒子數(shù)濃度半徑分布函數(shù)比值分布：（a）層云區(qū)；（b）對流云區(qū)Fig.4 Ratio distribution of the cloud particle number concentration with diameter in different cloud types before and after the shattered rejection:(a)Stratus;(b)convective

圖5 破碎云粒子剔除前后粒子譜平均比值分布Fig.5 Ratio average distribution of the cloud particle spectrum distribution in different cloud types before and after the shattered rejection

計(jì)算過程中，以10 s為一個(gè)統(tǒng)計(jì)空間，獲取一個(gè)具有代表性的粒子數(shù)濃度值。此外，為了更加直觀的展示破碎云粒子對云粒子數(shù)濃度的影響，這里參照公式（3），引入一個(gè)新的函數(shù)：后的粒子數(shù)濃度值，該值也是一個(gè)相對真實(shí)的云粒子數(shù)濃度值。

利用公式（5）和公式（6）對所選云區(qū)時(shí)段的資料進(jìn)行計(jì)算，并對計(jì)算后的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這里主要是統(tǒng)計(jì)每一個(gè)時(shí)段所獲取的破碎云粒子剔除前后的粒子數(shù)濃度比值的最大值、最小值和平均值，對層云區(qū)和對流云區(qū)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后的結(jié)果分別如圖6a 和b所示。

從圖6a 可看出，就單個(gè)時(shí)次而言，破碎粒子對層云區(qū)粒子數(shù)濃度的影響最大值可達(dá)31.32倍，平均值中最大值則為7.6倍。對所選的5個(gè)層云區(qū)時(shí)段粒子數(shù)濃度影響的最大值和平均值分別進(jìn)行平均后可知，破碎云粒子對層云區(qū)粒子數(shù)濃度測量影響的最大值平均是15.31，而對整個(gè)層云區(qū)粒子數(shù)濃度影響的平均值是4.56。

從圖6b可看出，破碎粒子對對流云區(qū)粒子數(shù)濃度的影響中其最大影響值可達(dá)到79.93倍，平均值中最大值為12.13倍。對所選4個(gè)對流云云區(qū)時(shí)段粒子數(shù)濃度影響的最大值和平均值分別進(jìn)行平均后可知，破碎云粒子對對流云云區(qū)粒子數(shù)濃度測量影響的最大值平均是35.23，而對整個(gè)對流云區(qū)粒子數(shù)濃度影響的平均值是8.47。與層云區(qū)相比，破碎云粒子對對流云區(qū)的粒子數(shù)濃度影響更大，其影響程度就平均而言接近2倍的關(guān)系。

4.3 對冰水含量的影響

冰水含量的計(jì)算公式如下：

圖6 所選云區(qū)時(shí)段內(nèi)破碎粒子剔除前后的粒子數(shù)濃度比值（ R d）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果：（a）層云區(qū)；（b）對流云區(qū)Fig.6 Statistics ofthe cloud particle number concentration ratio(R d)in the selected cloud area before and after the shattered rejection:(a)Stratus;(b)convective

其中， L 表示探測飛行的距離， Sj則表示與粒徑相關(guān)的采樣面積，mj表示與粒徑相對應(yīng)的冰粒子質(zhì)量，可利用質(zhì)量—維數(shù)的關(guān)系方法進(jìn)行計(jì)算（Brown and Francis,1995），公式如下：

其中， mj是粒子質(zhì)量，單位是g， Dj是粒子粒徑，單位是μm，a=7.38×10-11，b=1.9。

同樣，為了更好地衡量破碎云粒子對冰水含量的影響，依然以10 s為間隔獲取一個(gè)具有統(tǒng)計(jì)意義的冰水含量值，并引入一個(gè)新的函數(shù)：

利用公式（7）、（8）和（9、）對所選時(shí)段的航測資料進(jìn)行計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這里依然只統(tǒng)計(jì)每一個(gè)時(shí)段所獲取的破碎云粒子剔除前后的冰水含量比值的最大值、最小值和平均值，不同云區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7a 和b所示。

從圖7a 可看出，破碎云粒子對層云區(qū)冰水含量測量的影響均不大，就單個(gè)時(shí)段而言，最大值僅為2.33倍，平均值中的最大值僅為1.76倍。對所選的5個(gè)層云區(qū)時(shí)段云冰水含量影響的最大值和平均值分別進(jìn)行平均后可知，破碎云粒子對層云區(qū)云冰水含量測量影響的最大值平均是1.9，而對整個(gè)層云區(qū)云冰水含量測量影響的平均值是1.34。

從圖7b可看出，破碎粒子對對流云區(qū)冰水含量測量的影響中其最大值為3.51倍，平均值中最大值為2.62倍。對所選4個(gè)對流云云區(qū)時(shí)段云冰水含量影響的最大值和平均值分別進(jìn)行平均后可知，破碎云粒子對對流云區(qū)云冰水含量測量影響的最大值平均是2.76，而對整個(gè)對流云區(qū)云冰水含量測量影響的平均值是1.74。與層云區(qū)相比，破碎云粒子對對流云區(qū)的云冰水含量測量影響稍微大點(diǎn)，其影響程度就平均值而言大約增加了30%。

5 總結(jié)和討論

圖7 所選云區(qū)時(shí)段內(nèi)破碎粒子剔除前后的冰水含量比值（R IWC）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果：（a）層云區(qū)；（b）對流云區(qū)Fig.7 Statisticsof theice water content ratio(R IWC)in the selected area beforeand after theshattered rejection:(a) Stratus;(b)convective

本文通過構(gòu)造一個(gè)新的云粒子破碎識別方法，研究了云粒子破碎對機(jī)載云粒子成像儀（CIP）在積層混合云系中測量的影響，尤其研究了該影響在層云區(qū)和對流云區(qū)域的異同，得到如下結(jié)論：（1）云粒子破碎可使云粒子的到達(dá)時(shí)間間隔分布具有明顯的雙模態(tài)特征。該雙模態(tài)特征可由多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，通過對時(shí)間長度和粒子數(shù)進(jìn)行限定，可以獲取云中不同區(qū)域云粒子破碎的識別閾值。由于實(shí)際測量的云環(huán)境是不斷變化的，因此該閾值是時(shí)變的。（2）破碎粒子對粒子譜影響在小粒徑端（500 μm以下）和大粒徑（1000μm 以上）兩端都存在，其中在層云區(qū)，破碎粒子在小粒徑端的主要影響位于300μm 以下，而在對流云區(qū)，主要影響的小粒徑段位于500μm 以下。就具體時(shí)段粒徑而言，破碎粒子對粒子譜的影響可在10倍以上。就整體平均而言，破碎粒子對對流云區(qū)粒子譜的影響要比對層云區(qū)的影響高出20%以上。（3）在粒子數(shù)濃度測量上，破碎粒子對整個(gè)層云區(qū)粒子數(shù)濃度影響的平均值是4.56倍，對整個(gè)對流云區(qū)粒子數(shù)濃度影響的平均值是8.47。與層云區(qū)相比，破碎云粒子對對流云區(qū)的粒子數(shù)濃度影響更大，其影響程度就平均而言接近2倍的關(guān)系。（4）在冰水含量測量上，破碎粒子對整個(gè)層云區(qū)云冰水含量測量影響的平均值是1.34倍，對整個(gè)對流云區(qū)云冰水含量測量影響的平均值是1.74倍。與層云區(qū)相比，破碎云粒子對對流云區(qū)的云冰水含量測量影響稍微大點(diǎn)，其影響程度就平均值而言大約增加了30%。（5）云粒子破碎對不同云區(qū)的同一個(gè)云微物理參量測量的影響不同，在對流云區(qū)的影響均大于在層云區(qū)的影響；在同一個(gè)云區(qū)，其對不同云微物理參量的測量影響也不同，其對粒子數(shù)濃度的影響要大于其對冰水含量的影響?？紤]到云粒子破碎對測量的影響，在運(yùn)用CIP儀器所測云微物理數(shù)據(jù)進(jìn)行云微物理研究前建議參考本文所提方法對破碎粒子進(jìn)行剔除，尤其在研究對流云區(qū)的冰晶繁生現(xiàn)象時(shí)。