河北省冬季低槽冷鋒層狀云結(jié)構(gòu)特征和可播性分析

劉偉 孫玉穩(wěn) 謝祥永 孫嘯申 趙志軍 黃毅

(1.石家莊市氣象局，河北 石家莊 050081； 2.中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050021； 4.河北省人工影響天氣辦公室，河北 石家莊 050021； 5.邯鄲市氣象局，河北 邯鄲 056000)

引言

由于氣候條件變化，各種水資源的時(shí)空分布不均。華北地區(qū)水資源匱乏，尤其是冬季降水少，極易出現(xiàn)干旱，人工影響天氣作為多源開發(fā)水資源的重要手段之一，對(duì)擴(kuò)大水資源具有重要意義。層狀云是華北冬季降水的主要云系，也是人工影響天氣作業(yè)的主要對(duì)象。人工影響天氣的關(guān)鍵在于把握催化作業(yè)時(shí)機(jī)和最佳作業(yè)部位，為了能更加科學(xué)有效地作業(yè)，有必要對(duì)層狀云的宏微觀結(jié)構(gòu)以及層狀云催化后的微物理響應(yīng)進(jìn)行精細(xì)化研究。

近年來(lái)，國(guó)際廣泛應(yīng)用高時(shí)空分辨率的機(jī)載粒子探測(cè)設(shè)備對(duì)層狀云的微物理特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)過冷云層中隨著溫度的降低，冰水含量和液水含量都減?。欢緦訝钤拼呋?，云內(nèi)過冷水被轉(zhuǎn)化為冰晶、雪團(tuán)或雪晶和霰粒子，加速降雪粒子形成。利用碘化銀催化，降雪量明顯增加[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)層狀云系的微物理研究亦頗多，孫玉穩(wěn)等[2-3]指出可以利用云內(nèi)粒子直徑范圍判斷云的適播性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在催化和探測(cè)部位為槽前上升氣流云層和回流云層中，小云粒子豐富，適合催化作業(yè)。王黎俊等[4]指出層狀云中值直徑在不同范圍內(nèi)云粒子相態(tài)是不同的，過冷水含量越高，催化效應(yīng)越明顯。余興等[5]發(fā)現(xiàn)云中催化劑水平輸送1 h的平均值達(dá)到65 km；催化劑擴(kuò)散速度1 h平均為0.82 m·s-1；秦彥碩等[6]發(fā)現(xiàn)作業(yè)后3—4 h影響區(qū)雨量增加最為顯著，為對(duì)比區(qū)雨量的1—3倍。還有應(yīng)用多種方法[7-10]對(duì)人工增雨作業(yè)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，表明催化后增雨效果明顯。

上述研究主要集中在兩個(gè)方向：一是催化條件分析；二是催化效果驗(yàn)證。但是河北省低槽冷鋒天氣系統(tǒng)層狀云結(jié)構(gòu)特征和播散條件具有鮮明的地域特征，研究該云系不同發(fā)展階段結(jié)構(gòu)特征和播散條件是把握作業(yè)時(shí)機(jī)的重要一環(huán)，也是提高人工增雨作業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。本文利用2018年1月6日河北省低槽冷鋒天氣系統(tǒng)，飛機(jī)在層狀云中催化作業(yè)和探測(cè)的案例，分析層狀云結(jié)構(gòu)特征和適播條件以及層狀云演變規(guī)律，探討低槽冷鋒云系的作業(yè)時(shí)機(jī)。

1 資料與方法

高性能飛機(jī)King-air 350 HW搭載有多種云微物理測(cè)量探頭，包括AIMMS-20機(jī)載氣象探測(cè)系統(tǒng)；Nevzorov熱線式含水量?jī)x(可以實(shí)測(cè)云內(nèi)液態(tài)含水量和冰水含量)；LWC-300液態(tài)含水量?jī)x；濕度露點(diǎn)儀和GPS定位等；粒子探測(cè)系統(tǒng)包括DMT公司云滴數(shù)濃度譜型測(cè)量探頭CDP，測(cè)量粒子直徑范圍為2—50 μm，共分為30個(gè)通道，前12個(gè)通道的間隔為1 μm，后面18個(gè)通道間隔為2 μm；傳統(tǒng)線陣類降水粒子二維成像探頭CIP，主要用于探測(cè)冰雪晶粒子和大云滴，測(cè)量粒子直徑范圍為25—1550 μm；SPEC公司高采樣體積粒子成像探頭HVPS-3，測(cè)量粒徑范圍為150—19200 μm，分辨率為150 μm；3V-CPI探頭是由2D-S探頭和PDS所組成的高清粒子成像探頭，可對(duì)粒子進(jìn)行高分辨率的影像探測(cè)，測(cè)量云中的水滴以及冰晶粒子的大小、形狀和含量，探測(cè)范圍為10—2000 μm，分辨率為2.3 μm(表1)。

表1 機(jī)載云微物理探測(cè)系統(tǒng)及主要參數(shù)Table 1 Airborne cloud microphysics detection system and main parameters

為更清楚的了解各探頭測(cè)量的不同通道粒子數(shù)濃度催化前后的微物理響應(yīng)和粒子譜變化，各種微物理參量均采用每秒探頭觀測(cè)的數(shù)據(jù)組進(jìn)行分析。

根據(jù)層狀云中云粒子分布規(guī)律和數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)判斷CDP探頭觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)時(shí)間需要大于5 s，否則作為野點(diǎn)剔除。CIP探頭和HVPS-3探頭測(cè)量粒子濃度異常偏大，與其前后濃度變化無(wú)法解釋其物理意義，該組數(shù)據(jù)作為野點(diǎn)剔除。利用CIP觀測(cè)數(shù)據(jù)分析冰晶或冰晶聚合體濃度時(shí)，為降低直徑小于100 μm粒子的影響，選取直徑在100—1000 μm的粒子；HVPS-3探頭觀測(cè)數(shù)據(jù)用于分析降水粒子時(shí)，只選取直徑在1000—19200 μm粒子濃度數(shù)據(jù)[12]。

2 結(jié)果分析

2.1 天氣形勢(shì)分析

河北省邢臺(tái)地區(qū)降雪過程開始前(2018年1月5日08:00至6日08:00北京時(shí)，下同)亞歐中緯度地區(qū)以緯向環(huán)流為主，蒙古國(guó)西部至天山附近有東西向橫槽，槽底有冷空氣配合短波槽東移(圖略)。6日20:00(圖1a)500 hPa高空?qǐng)D上短波槽東移至中國(guó)河套地區(qū)，并有所加強(qiáng)，700 hPa高空?qǐng)D上與短波槽對(duì)應(yīng)，在山西省中部存在南北向切變線，河北南部處于偏南氣流之中，風(fēng)速增大至10 m·s-1，850 hPa上河北南部也由偏北氣流逐漸轉(zhuǎn)為偏南氣流，中低層相對(duì)濕度明顯增大。圖1b中，地面圖上蒙古國(guó)西部有一個(gè)冷高壓，中心強(qiáng)度超過1044 hPa，高壓前部有一條冷鋒與短波槽相對(duì)應(yīng)，冷鋒向東南方向移動(dòng)，逐漸影響河北南部地區(qū)，為這次降雪過程提供了動(dòng)力條件。

6日晚間系統(tǒng)開始影響河北南部地區(qū)(圖1)。7日08:00，高空槽與地面冷鋒均移出河北省，降雪基本結(jié)束。邢臺(tái)地區(qū)處于華北腹地太行山東麓，冬季干燥，該天氣系統(tǒng)顯示鋒面云較稀薄。槽前西南氣流輸送水汽在降水中起關(guān)鍵作用，鋒面上西南風(fēng)大小和風(fēng)速中心高度與低槽強(qiáng)度和槽線位置有關(guān)，當(dāng)槽線移至河套時(shí)開始影響邢臺(tái)山區(qū)，天氣系統(tǒng)初始槽前西南風(fēng)中心位置較高，隨槽線東移，邢臺(tái)地區(qū)西南風(fēng)中心高度下降，槽線過境后，降水過程結(jié)束。

高度場(chǎng)單位為gpm圖1 2018年1月6日20:00 500 hPa高空形勢(shì)圖(a)和地面氣壓場(chǎng)及風(fēng)場(chǎng)圖(b)Fig.1 The diagrams of synoptic patterns at 500 hPa (a) and ground pressure and wind fields (b) at 20:00 on January 6,2018

2.2 飛機(jī)探測(cè)概況

結(jié)合機(jī)上宏觀記錄和圖2a可以看出，2018年1月6日16:20飛機(jī)從河北省正定機(jī)場(chǎng)起飛爬升至5050 m平飛到河北中南部的邢臺(tái)地區(qū)。17:27—17:51在邢臺(tái)市區(qū)從653—6863 m做第一次垂直結(jié)構(gòu)觀測(cè)，17:51—19:43以300 m間隔在不同高度層沿邊長(zhǎng)10 km正方形軌跡平飛1圈下降，考慮到密集的分層垂直催化作業(yè)可能會(huì)破壞自然云結(jié)構(gòu)，因此17:51—19:43飛機(jī)傾斜飛行對(duì)催化后的云體進(jìn)行第二次垂直探測(cè)。飛機(jī)于20:16降落到正定機(jī)場(chǎng)。機(jī)上宏觀觀測(cè)記錄顯示，飛機(jī)在邢臺(tái)市區(qū)第一次對(duì)云垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)獲取到云頂高6800 m，云底高為1138 m，云底溫度為-2 ℃，云頂溫度為-29.5 ℃。圖2b可以更清晰展現(xiàn)飛機(jī)在邢臺(tái)市區(qū)對(duì)云的垂直探測(cè)和催化情況。

紅色實(shí)線代表對(duì)云垂直結(jié)構(gòu)的探測(cè)軌跡，黑色實(shí)線代表邊長(zhǎng)10 km的正方形分層催化軌跡，藍(lán)色實(shí)線代表飛機(jī)第二次斜穿云垂直探測(cè)軌跡。圖2 2018年1月6日起飛至降落時(shí)段(a)及邢臺(tái)區(qū)域作業(yè)探測(cè)時(shí)段(b)飛行航線Fig.2 The trajectory of the flight route from takeoff to landing (a) and during aircraft detection period in the Xingtai area (b) on January 6,2018

2.3 云結(jié)構(gòu)和適播性分析

2.3.1 第一次垂直探測(cè)資料分析

為分析低槽冷鋒系統(tǒng)層狀云結(jié)構(gòu)特征和演變規(guī)律，利用飛機(jī)在邢臺(tái)市上空第一次垂直探測(cè)(時(shí)間17:27—17:51，高度為653—6863 m)獲取的資料，給出云微物理量隨高度變化圖。從圖3a溫度垂直廓線看出云內(nèi)溫度為-2～-29.5 ℃，云系均由冷云組成，3210 m以下存在明顯的逆溫層，溫度從-11 ℃升至-8.9 ℃，平均溫度梯度為0.39 ℃/100 m。該層逆溫顯然與3194 m偏南風(fēng)中心有關(guān)，綜合氣象測(cè)量系統(tǒng)AIMMS-20顯示風(fēng)速中心最大風(fēng)速達(dá)20.6 m·s-1；云內(nèi)逆溫層將云分為上下兩層，分界高度在逆溫層下方即3000 m。

紅線表示Nevzorov熱線式儀器實(shí)測(cè)液水含量，單位為g·m-3；綠線表示Nevzorov熱線式儀器實(shí)測(cè)固態(tài)含水量，單位為g·m-3；藍(lán)線表示LWC-300熱線式儀器實(shí)測(cè)液水含量，單位為g·m-3；黑線表示溫度，單位為℃；粉紅線表示CDP探頭實(shí)測(cè)粒子數(shù)濃度，單位L-1；綠色點(diǎn)線表示CDP探頭實(shí)測(cè)粒子平均直徑，單位μm；紫紅色線表示相對(duì)濕度圖3 2018年1月6日邢臺(tái)市區(qū)上空對(duì)比區(qū)溫度、實(shí)測(cè)液水含量、實(shí)測(cè)固態(tài)水含量(a)和小云粒子濃度、平均直徑、相對(duì)濕度(b)垂直變化Fig.3 The vertical variations of temperature,measured liquid water content,measured solid water content (a)，concentration of CDP,average diameter,relative humidity (b) in the contrast area over Xingtai urban areaon January 6,2018

從圖3b顯示，在653—6800 m云層內(nèi)CDP濃度呈不連續(xù)分布，在3500 m和6600 m出現(xiàn)云粒子濃度達(dá)70 cm-3的高值區(qū)；云粒子直徑與粒子數(shù)濃度呈正相關(guān)性，小云粒子平均直徑小于15 μm，整個(gè)區(qū)域內(nèi)相對(duì)濕度在80%—94%。圖4顯示，CIP探測(cè)到的4160 m以上粒子數(shù)濃度隨高度增加變化幅度不大，出現(xiàn)了5個(gè)濃度大值區(qū)，粒子數(shù)濃度最大值在18—23 L-1。HVPS探頭顯示，最大粒子直徑在6000 μm，且3300 m以下的粒子濃度和直徑明顯高于上層。云內(nèi)最大液態(tài)含水量為0.15 g·m-3；3000 m以上，液態(tài)含水量在0.05—0.15 g·m-3。653—6800 m云層內(nèi)固態(tài)含水量均在0.05—0.15 g·m-3之間，最大值在3200 m附近，為0.20 g·m-3。機(jī)載氣象探頭實(shí)測(cè)風(fēng)顯示，6500 m出現(xiàn)西南風(fēng)，極值風(fēng)速22.3 m·s-1。小云粒子出現(xiàn)在西南風(fēng)中心上方，3200 m附近含水量與下層風(fēng)速中心有較好對(duì)應(yīng)關(guān)系，但6500 m風(fēng)速中心對(duì)應(yīng)含水量極值出現(xiàn)在5800 m高度上，5800 m附近有較高濃度的降水粒子，說(shuō)明6500 m有明顯的降水粒子沉降。

黑線表示CIP探頭實(shí)測(cè)粒子數(shù)濃度，單位為L(zhǎng)-1；粉紅線表示CIP探頭實(shí)測(cè)粒子平均直徑，單位為μm；藍(lán)線表示HVPS探頭實(shí)測(cè)粒子數(shù)濃度，單位為L(zhǎng)-1；紫紅線表示HVPS探頭實(shí)測(cè)粒子平均直徑，單位為μm圖4 2018年1月6日邢臺(tái)市區(qū)上空對(duì)比區(qū)大云粒子濃度和粒子譜(a)以及降水粒子濃度和粒子譜(b)垂直變化Fig.4 The vertical variations of concentration of CIP and particle spectrum (a)，concentration of HVPS and particle spectrum(b) in the contrast area over Xingtai urban area on January 6,2018

對(duì)照機(jī)載CPI探頭實(shí)測(cè)的云粒子圖片顯示(圖7)，冰晶粒子分布于各個(gè)高度層，只有3567—3725 m高度(溫度-9.1～-9.6 ℃)仍有較多過冷水滴，6568—6674 m溫度為-27.4～-28.1 ℃，云滴皆成為形狀不規(guī)則的粒子。3000 m以上云層被冰化，其中大部分云層固態(tài)粒子含水量是過冷水含量的1—5倍；3000 m以下以過冷水存在的小云粒子被自然冰晶不斷消耗，過冷水含量低于0.15 g·m-3，云內(nèi)過冷水含量較低，不滿足人工催化條件。說(shuō)明低槽冷鋒系統(tǒng)云結(jié)構(gòu)受鋒面上西南風(fēng)中心高度和風(fēng)速大小影響，當(dāng)風(fēng)速中心高度在6500 m(溫度-26 ℃)附近時(shí)，上層云自然為下層云提供冰晶，不需要通過飛機(jī)開展人工催化作業(yè)。

2.3.2 第二次垂直探測(cè)資料分析

為分析低槽冷鋒系統(tǒng)層狀云演變規(guī)律，利用飛機(jī)在邢臺(tái)市上空第二次傾斜垂直探測(cè)(時(shí)間19:43—19:50，高度為653—4160 m)獲取的資料，給出云微物理量隨高度變化圖。圖5b顯示CDP濃度呈連續(xù)性分布，從上向下，小云粒子濃度逐漸增大，800 m出現(xiàn)濃度最大值，在700—3500 m以下形成密實(shí)云層。從圖5a溫度垂直廓線看出1500—4200 m云內(nèi)溫度為-9～-12 ℃，700—1500 m溫度為-2～-10 ℃。云內(nèi)液態(tài)水含量分三層，分別為4200—3100 m、3100—1500 m和1500—700 m，三個(gè)過冷水含量峰值分別為0.23 g·m-3、0.38 g·m-3和0.18 g·m-3，分別出現(xiàn)在4000 m、2200 m和1000 m。1700—4200 m云內(nèi)固態(tài)水含量在0.05—0.13 g·m-3，1700 m以下云內(nèi)觀測(cè)固態(tài)水含量近似為零。從CIP濃度看(圖6)，大部分層狀云內(nèi)CIP濃度在4 L-1左右，僅在2000—3000 m高度層CIP濃度超過8 L-1，2800 m處出現(xiàn)最大值14 L-1。第二次探測(cè)時(shí)層狀云主要集中在4200 m以下中低層，機(jī)上宏觀記錄顯示，4200 m以上可見到太陽(yáng)，說(shuō)明4200 m以上云層稀薄或無(wú)高云。

紅線表示Nevzorov熱線式儀器實(shí)測(cè)液水含量，單位為g·m-3；綠線表示Nevzorov熱線式儀器實(shí)測(cè)固態(tài)含水量，單位為g·m-3；藍(lán)線表示LWC-300熱線式儀器實(shí)測(cè)液水含量，單位為g·m-3；黑線表示溫度，單位為℃圖5 2018年1月6日邢臺(tái)市區(qū)上空影響區(qū)溫度、實(shí)測(cè)液水含量、實(shí)測(cè)固態(tài)水含量(a)和小云粒子濃度、平均直徑、相對(duì)濕度(b)垂直變化Fig.5 The vertical variations of temperature,measured liquid water content and measured solid water content (a)，concentration of CDP,average diameter,relative humidity (b) in the influence area over Xingtai urban area on January 6,2018

黑線表示CIP探頭實(shí)測(cè)粒子數(shù)濃度，單位為L(zhǎng)-1；粉紅線表示CIP探頭實(shí)測(cè)粒子平均直徑，單位為μm；藍(lán)線表示HVPS探頭實(shí)測(cè)粒子數(shù)濃度，單位為L(zhǎng)-1；紫紅線表示HVPS探頭實(shí)測(cè)粒子平均直徑，單位為μm圖6 2018年1月6日邢臺(tái)市區(qū)上空影響區(qū)大云粒子濃度和粒子譜(a)以及降水粒子濃度和粒子譜(b)垂直變化Fig.6 The vertical variations of concentration of CIP and particle spectrum (a),concentration of HVPS and particle spectrum (b) in the influence area over Xingtai urban area on January 6,2018

機(jī)載CPI探頭實(shí)測(cè)的云粒子圖片顯示(圖7)，云內(nèi)存在大量云滴，出現(xiàn)輻枝狀冰晶粒子，說(shuō)明此時(shí)云內(nèi)水汽豐富。由圖5可知，1500—3100 m云層過冷水最為豐富，其中2200 m過冷水含量達(dá)0.38 g·m-3，此高度溫度為-9 ℃，冰晶濃度為6 L-1，滿足催化條件。從機(jī)載氣象探頭實(shí)測(cè)風(fēng)可知，在700—3000 m東南風(fēng)加強(qiáng)，2200 m出現(xiàn)西南風(fēng)中心，最大風(fēng)速達(dá)16 m·s-1，中低層西南風(fēng)加強(qiáng)促進(jìn)了中低云層發(fā)展。

圖7 2018年1月6日邢臺(tái)市區(qū)上空對(duì)比區(qū)云中不同高度區(qū)間1138-1981 m高度 (a)，1988—2781 m高度 (b)，2785—3455 m高度逆溫層內(nèi) (c)，3729—4050 m高度 (d)，4053—4230 m高度逆溫層內(nèi) (e)，3567—3725 m高度云粒子濃度大于10 cm-3逆溫層中(f)，6568—6674 m高度云粒子濃度大于10 cm-3(g)觀測(cè)到的粒子圖片F(xiàn)ig.7 The images of particles observed at the heights of 1138-1981 m (a),1988-2781 m (b),2785-3455 m (c),3729-4050 m (d),4053-4230 m (e),3567-3725 m (f),6568-6674 m (g) where cloud particle concentration was greater than 10 cm-3 in the inversion layer in the contrast area over Xingtai urban area on January 6,2018

通過比較兩次探測(cè)結(jié)果分析得到，低槽冷鋒初始鋒面上西南風(fēng)隨高度變化不連續(xù)，且風(fēng)速中心出現(xiàn)在6500 m高空，造成中上云層被冰化，下層云過冷水含量低。2 h后，中下層西南風(fēng)加強(qiáng)，尤其是2200 m出現(xiàn)西南風(fēng)中心，而6500 m以上西南風(fēng)減弱，使云頂下移。低槽冷鋒在發(fā)展過程中隨西南風(fēng)中心下移，中低層西南風(fēng)加強(qiáng)是層狀云演變?yōu)榭刹ピ频那疤帷?/p>

3 結(jié)論

(1)邢臺(tái)地區(qū)冬季干燥，鋒面云稀薄，槽前西南氣流輸送水汽在降水中起關(guān)鍵作用。鋒面上西南風(fēng)大小和風(fēng)速中心高度與低槽強(qiáng)度和槽線位置有關(guān)，當(dāng)槽線6日20:00移至河套前，低槽開始影響邢臺(tái)地區(qū)，槽前西南風(fēng)中心位置較高；隨槽線移近，西南風(fēng)中心高度下降；7日08:00槽線過境后，降水過程結(jié)束。

(2)低槽冷鋒系統(tǒng)初期由于風(fēng)速中心在6500 m高空，云頂溫度為-29.2 ℃。3000 m以上云層基本被冰化，云內(nèi)過冷水含量小于0.05 g·m-3，其中大部分云層固態(tài)粒子含水量是過冷水含量的1—3倍；3000 m以下以過冷水存在的小云粒子被自然下落的冰晶不斷消耗，過冷水含量低于0.15 g·m-3，云內(nèi)過冷水含量較低不滿足人工催化條件。

(3)隨著層狀云的發(fā)展，中下層云過冷水含量增加，其中2200 m過冷水含量達(dá)0.38 g·m-3，此高度溫度為-9 ℃，冰晶濃度為6 L-1，滿足催化條件。

(4)云層中下部700—3000 m西南風(fēng)加強(qiáng)，尤其是2200 m出現(xiàn)西南風(fēng)中心，最大風(fēng)速達(dá)16 m·s-1，促進(jìn)了中低云層發(fā)展。低槽冷鋒在發(fā)展過程中隨西南風(fēng)中心下移，中低層西南風(fēng)加強(qiáng)是層狀云演變?yōu)榭刹ピ频那疤帷?/p>