祁連山一次地形云降水微物理特征飛機(jī)觀測(cè)

程 鵬 羅 漢 常 祎 甘澤文 張豐偉 劉維成 陳 祺 冒立鑫

1)(甘肅省蘭州市氣象局， 蘭州 730020)

2)(甘肅省人工影響天氣辦公室， 蘭州 730020)

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

4)(四川省人工影響天氣辦公室， 成都 610072) 5)(蘭州中心氣象臺(tái)， 蘭州 730020)

6)(甘肅省張掖市民樂(lè)縣氣象局， 張掖 734500)

引 言

降水是云微物理過(guò)程、云動(dòng)力學(xué)過(guò)程等因素綜合作用的結(jié)果。云的微物理結(jié)構(gòu)演變過(guò)程是降水相關(guān)研究的基礎(chǔ)。早在20世紀(jì)60年代的研究[1-2]就發(fā)現(xiàn)地形冷云催化后云中冰核濃度上升、冰粒子特性改變、催化作業(yè)影響區(qū)降雪率上升等特征，從而開(kāi)始地形云微物理結(jié)構(gòu)特征研究，其后的研究者也得到相似結(jié)果[3-5]。近年大氣探測(cè)裝備和技術(shù)水平顯著提高，云的微物理特征和降水機(jī)制研究在國(guó)際、國(guó)內(nèi)取得很大進(jìn)展，美國(guó)先后在西部地區(qū)開(kāi)展多個(gè)地形云試驗(yàn)(如 SNOWIE，SCPP，WWMPP，ASCII)，觀測(cè)研究云微物理結(jié)構(gòu)和播撒催化對(duì)云和降水的影響，對(duì)地形云微物理結(jié)構(gòu)及降水機(jī)制有了深入認(rèn)識(shí)[6-9]。通過(guò)多種手段分析驗(yàn)證云微物理特征和降水機(jī)制是云降水研究的關(guān)鍵[10-12]。

飛機(jī)觀測(cè)是研究云結(jié)構(gòu)和降水機(jī)理的重要途徑[13-14]。相比其他探測(cè)方式，飛機(jī)觀測(cè)能直接有效地展示云微物理結(jié)構(gòu)及演變過(guò)程[15]。機(jī)載粒子探測(cè)設(shè)備和其他探測(cè)手段的發(fā)展應(yīng)用極大促進(jìn)了對(duì)云微物理結(jié)構(gòu)和降水形成機(jī)制的探測(cè)和認(rèn)識(shí)[16-17]。自20世紀(jì)80年代國(guó)內(nèi)引進(jìn)機(jī)載粒子探測(cè)系統(tǒng)，持續(xù)開(kāi)展了基于飛機(jī)觀測(cè)的云微物理研究[18]，如對(duì)北京及周邊地區(qū)層云機(jī)載探測(cè)數(shù)據(jù)分析表明：冷鋒云系和暖鋒云系中冰晶粒子的結(jié)構(gòu)明顯不同[19]；楊潔帆等[20]對(duì)太行山一次西風(fēng)槽降水過(guò)程的飛機(jī)觀測(cè)研究表明：層狀云中混合層的過(guò)冷水含量低，冰粒子的增長(zhǎng)過(guò)程為凝華和聚并增長(zhǎng)；三江源地區(qū)的云微物理特性研究表明[21-22]：在高過(guò)冷水含量區(qū)，冰相含水量隨著液態(tài)云粒子濃度降低而增大，催化效應(yīng)與過(guò)冷水含量高低有明顯關(guān)系；積層混合云中5000 m以上冷云中上層是冰晶的重要增長(zhǎng)區(qū)，適合催化作業(yè)[23]；適宜山西冷云人工增雨作業(yè)的溫度區(qū)間為-11.4～-7℃和-4.4～0℃[24]；李照榮等[25]、龐朝云等[26]利用飛機(jī)探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)甘肅層狀云的微物理特征和催化作業(yè)指標(biāo)進(jìn)行分析討論，結(jié)果表明：不同天氣系統(tǒng)背景下云粒子結(jié)構(gòu)分布不均勻,云滴濃度和譜型分布上差異大，且產(chǎn)生這些差異的原因目前尚不清楚。

祁連山地區(qū)的地形條件有利于水汽受阻抬升凝結(jié)，形成地形云。地形云產(chǎn)生的降水占該地區(qū)降水量比例較大，也是人工增雨的重要對(duì)象[27]。對(duì)祁連山云宏微觀結(jié)構(gòu)特征和降水機(jī)制進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：地形云受不同氣流和坡度等因素影響存在較大差異[28]；祁連山的地形抬升作用促進(jìn)冰相微物理過(guò)程的增強(qiáng)，使云的宏微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，地面降水特征發(fā)生改變[29]；在不同發(fā)展階段云和降水的微物理結(jié)構(gòu)受地形作用影響呈現(xiàn)不同特征[30]；祁連山夏季大氣水汽含量最高，含水層主要集中在4100～4200 m與4700～5000 m高度，具有較大開(kāi)發(fā)潛力[31-34]。以上研究對(duì)祁連山云宏微觀結(jié)構(gòu)及其降水機(jī)制有了一定認(rèn)識(shí)，但因飛機(jī)觀測(cè)研究應(yīng)用不足，對(duì)祁連山云內(nèi)部的過(guò)冷水含量、云滴和冰晶相態(tài)分布等重要微物理參量的認(rèn)識(shí)十分有限。依托國(guó)家西北人工影響天氣工程建成的祁連山地形云外場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)和第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項(xiàng)目，2020年8月29日開(kāi)展了1次祁連山地形云飛機(jī)探測(cè)，這也是首次開(kāi)展的祁連山南北坡的穿山探測(cè)。本研究利用此次飛機(jī)探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)云粒子濃度、云水含量、譜分布等進(jìn)行詳細(xì)討論，總結(jié)夏季降水的微物理特征，加強(qiáng)對(duì)祁連山云微物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)，對(duì)科學(xué)有效地開(kāi)展人工增雨作業(yè)、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

1 飛機(jī)探測(cè)與分析方法

1.1 探測(cè)設(shè)備及分析方法

2020年8月29日的飛機(jī)探測(cè)使用空中國(guó)王增雨飛機(jī)，機(jī)上裝備美國(guó)DMT(Droplet Measurement Technologies)公司生產(chǎn)的云粒子探測(cè)系統(tǒng)，該套設(shè)備能實(shí)時(shí)測(cè)量大氣中尺度范圍為0.54～6200 μm的各種粒子的譜分布，并給出尺度為25～6200 μm的粒子二維圖像。采樣探頭包括云和氣溶膠探頭(CAS)、云粒子圖像探頭(CIP)、降水粒子圖像探頭(PIP)和熱線(xiàn)含水量?jī)x(LWC-100)；飛機(jī)上還安裝了飛機(jī)綜合氣象要素測(cè)量系統(tǒng)(AIMMS-20)，主要提供飛行軌跡、飛行高度以及溫度、濕度等信息。本文將CAS觀測(cè)的粒子稱(chēng)為小云粒子，CIP觀測(cè)的粒子稱(chēng)為大云粒子，PIP觀測(cè)的粒子稱(chēng)為降雨粒子；參考以往研究，將CAS濃度大于10 cm-3且液態(tài)水含量(L)大于0.001 g·m-3作為飛入云的判定指標(biāo)[35]。CAS濃度越大代表水汽含量越高，在分析過(guò)程中，CAS的數(shù)據(jù)剔除了粒徑小于3.5 μm的觀測(cè)值，以提高判斷入云的標(biāo)準(zhǔn)；參考相關(guān)研究[35]，CIP和PIP剔除第1檔探測(cè)值。

1.2 探測(cè)飛行概況

祁連山位于青藏高原東北邊緣，呈西北—東南走向，東西長(zhǎng)800 km，南北寬200～400 km，地勢(shì)由東南向西北逐漸升高，海拔高度(以下簡(jiǎn)稱(chēng)高度)為3000～6000 m，地形高程變化較大，地形復(fù)雜。此次飛行探測(cè)區(qū)域位于祁連山中東部。圖1為飛機(jī)探測(cè)期間的飛行軌跡，可以看到，飛機(jī)在祁連山東段(門(mén)源—永昌)和中段(祁連—民樂(lè))均進(jìn)行了穿山探測(cè)。8月29日10:16(北京時(shí)，下同)飛機(jī)從青海西寧起飛，飛行航線(xiàn)是西寧—門(mén)源—永昌—民樂(lè)—祁連—西寧。飛機(jī)在3500～7200 m高度之間采用盤(pán)旋上升、下降和平飛的方式進(jìn)行探測(cè)。10:40—11:30在門(mén)源開(kāi)展垂直探測(cè)，探測(cè)高度為2800～7200 m，溫度范圍為6℃到-10.5℃，0℃層高度為5000 m。隨后飛機(jī)以7200 m的飛行高度穿越祁連山到達(dá)祁連山北坡永昌，11:52—12:12在永昌進(jìn)行垂直探測(cè)，探測(cè)高度為6200～7200 m，溫度范圍為-5.3℃到-10.7℃；隨后飛機(jī)以6200 m的高度平飛前往民樂(lè)，12:30飛機(jī)在民樂(lè)進(jìn)行垂直探測(cè)；13:00—14:06飛機(jī)穿越祁連山至南坡祁連，并在祁連—民樂(lè)之間完成5次往返探測(cè)，探測(cè)高度在6200～7200 m。14:06飛機(jī)結(jié)束探測(cè)返回西寧并于14:46 降落。飛機(jī)宏觀觀測(cè)記錄表明：云系的垂直結(jié)構(gòu)為多層，云頂高度約為7200 m，飛機(jī)飛行探測(cè)期間溫度在-9℃以下，有輕度結(jié)冰并伴有輕微顛簸。

圖1 2020年8月29日飛機(jī)探測(cè)軌跡(填色為海拔高度)

2 結(jié)果與分析

2.1 天氣系統(tǒng)和探測(cè)云系

2020年8月29日祁連山地區(qū)出現(xiàn)了一次較大范圍的降水過(guò)程，降水從28日夜間開(kāi)始，降水空間分布不均，祁連山中西部以小雨為主，較強(qiáng)的降水位于祁連山東部，門(mén)源站、祁連站、永昌站、民樂(lè)站24 h 降水量分別為10.6，0.0，2.9，4.2 mm。2020年8月29日08:00 500 hPa等壓面形勢(shì)圖上，亞歐中高緯度為寬廣的低壓區(qū)，位于蒙古西部地區(qū)的高空低槽不斷分裂冷空氣東移南壓影響祁連山地區(qū)。青藏高原有高原槽發(fā)展，此時(shí)祁連山中東部處于高原槽前部，槽后有較強(qiáng)冷空氣入侵，槽前受西南暖濕氣流影響，高原槽前西南風(fēng)不斷增強(qiáng)，這種天氣形勢(shì)為祁連山較為典型的西南氣流型降水環(huán)流。700 hPa形勢(shì)圖上，西南暖濕氣流沿青藏高原邊坡向南伸展，不斷將水汽向祁連山中東部輸送并形成明顯的水汽輻合帶。地面圖上祁連山中部位于地面冷鋒后部，觀測(cè)區(qū)受地面輻合線(xiàn)、冷鋒等系統(tǒng)影響。冷鋒后部為西北風(fēng)，冷鋒前部為東南風(fēng)，形成強(qiáng)輻合上升區(qū)。受祁連山地形抬升影響，氣流在翻山過(guò)程中明顯加強(qiáng)，上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，低層暖濕空氣被抬升形成地形云降水云系。高原槽、冷鋒和地面輻合線(xiàn)是此次降水的主要影響系統(tǒng)，降水類(lèi)型為祁連山區(qū)西南氣流型的地形云降水。

西寧站、張掖站08:00的探空曲線(xiàn)顯示，兩站500 hPa溫度露點(diǎn)差不高于1℃，700 hPa比濕分別為10.63 g·kg-1和5.61 g·kg-1，對(duì)流有效位能分別為10.2 J·kg-1和39 J·kg-1，對(duì)流抑制有效位能為0.2 J·kg-1和1.54 J·kg-1，表明大氣層結(jié)處于弱不穩(wěn)定狀態(tài)，中低層濕層深厚，易受天氣系統(tǒng)及地形強(qiáng)迫抬升形成弱對(duì)流區(qū)。衛(wèi)星云圖顯示飛機(jī)探測(cè)區(qū)域處在云系的后部(圖略)，黑體亮溫不高于-40℃，受副熱帶高壓阻擋，云系移動(dòng)緩慢。

2.2 地形云雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)特征

張掖站C波段多普勒天氣雷達(dá)回波顯示，降水回波面積大，分布較為密實(shí)，反射率因子為15～40 dBZ，局部有較強(qiáng)回波，反射率因子達(dá)到40 dBZ，回波頂高為3～10.6 km。反射率因子垂直剖面的時(shí)間變化顯示回波強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)(圖2)，00:00—07:00回波發(fā)展較為穩(wěn)定；07:00—10:00云系進(jìn)一步發(fā)展，回波增強(qiáng)，回波頂高達(dá)到8.5 km，反射率因子達(dá)到30 dBZ，從民樂(lè)站的地面逐小時(shí)降水量可知，地面降水量增強(qiáng)，最大小時(shí)降水量達(dá)到1.5 mm；10:00 以后雷達(dá)回波減弱，在飛機(jī)探測(cè)期間(13:00—14:00)，回波進(jìn)一步減弱。

圖2 2020年8月29日張掖站C波段多普勒天氣雷達(dá)在38°21′N(xiāo)，100°37′E的反射率因子隨時(shí)間變化

2.3 云的微物理特征

2.3.1 不同高度云微物理量分布特征

5)數(shù)據(jù)全面共享：系統(tǒng)遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，可與其他系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)及狀態(tài)，也可為其他系統(tǒng)提供所需要的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，提供實(shí)時(shí)防誤閉鎖服務(wù)，并能夠與其他系統(tǒng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息的全面共享。

此次個(gè)例中小云粒子、大云粒子和降水粒子濃度的平均值分別為7.54 cm-3，0.86 cm-3和0.0016 cm-3，有效直徑平均值分別為11.02 μm，198.11 μm和485.6 μm，與西北地區(qū)其他地方相比[25,36]，呈現(xiàn)出云粒子濃度小、直徑大的特征。圖3給出2020年8月29日11:10—11:13飛機(jī)在6200 m高度附近探測(cè)的粒子濃度、直徑、瞬時(shí)譜和液態(tài)水(L)變化特征。溫度(T)為-6.2～-5℃，L為0.7～0.9 g·m-3(圖3a)，L水平分布不均，11:30出現(xiàn)峰值，與三江源、甘肅中部、寧夏等地的飛機(jī)探測(cè)結(jié)果相比，此次過(guò)程中過(guò)冷水含量非常高。云滴數(shù)濃度(N)和直徑(D)水平分布差異明顯(圖3b)，高值區(qū)與低值區(qū)的云滴數(shù)濃度相差2個(gè)量級(jí)，DCAS分布為10～20 μm，DCAS和NCAS平均值分別為14.7 μm和19.4 cm-3，大部分時(shí)段云滴數(shù)濃度和直徑呈反相關(guān)分布特征。當(dāng)NCAS>101 cm-3時(shí)，DCAS主要集中在15 μm附近；當(dāng)NCAS<101 cm-3時(shí)，粒徑值較分散。不同L區(qū)云滴瞬時(shí)譜分布差異明顯，L高值區(qū)與NCAS高值區(qū)對(duì)應(yīng)，0.8 g·m-3以上L高值區(qū)對(duì)應(yīng)瞬時(shí)譜高值區(qū)集中在15～20 μm，說(shuō)明L主要由15～20 μm的云粒子濃度貢獻(xiàn)(圖3c)。CIP所測(cè)大云粒子濃度和直徑在平飛探測(cè)過(guò)程存在明顯的高、低值區(qū)，濃度相差2～3個(gè)量級(jí)(圖3d)，NCIP最大值超過(guò)1 cm-3，粒子濃度與直徑呈明顯的反相關(guān)，NCIP高值區(qū)對(duì)應(yīng)瞬時(shí)譜高值區(qū)集中在100～175 μm(圖3e)。NPIP在10-5～10-2之間變化，DPIP維持在200～600 μm(圖3f)。L峰值(溫度為-5.8℃)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的CAS云滴濃度處在高值區(qū)，云滴譜寬則明顯拓展(圖3c)，直徑為15～20 μm，表明小云粒子對(duì)過(guò)冷水貢獻(xiàn)較大；而對(duì)應(yīng)時(shí)刻的CIP粒子濃度則出現(xiàn)躍增，粒子譜出現(xiàn)高濃度的小尺度冰晶，可能是云內(nèi)的部分云滴凍結(jié)所致；之后L下降，雨滴和冰晶濃度下降，冰晶粒子直徑增加，對(duì)應(yīng)的PIP濃度和直徑均明顯增加。由對(duì)應(yīng)時(shí)刻的CIP粒子圖像可以看到(圖略)，高濃度區(qū)存在大量霰和冰雪晶聚合體，可能是冰晶通過(guò)凝華增長(zhǎng)后，過(guò)冷水被迅速消耗，造成降水粒子增大、譜寬拓寬。

圖3 2020年8月29日6200 m高度云微物理量水平分布特征

圖4為2020年8月29日11:56—11:59飛機(jī)在6800 m高度探測(cè)的粒子濃度、直徑、瞬時(shí)譜和液態(tài)水變化特征。溫度為-9.5～-8.5℃，L為0.65～0.84 g·m-3(圖4a)。云滴分布特征與6200 m探測(cè)高度的接近，DCAS分布在10～30 μm，DCAS和NCAS平均值分別為16.7 μm，17.6 cm-3，云滴濃度平均值較6200 m高度有所增加而云滴直徑平均值減小。與6200 m探測(cè)高度不同的是，L高值區(qū)與DCAS大值區(qū)對(duì)應(yīng)，云滴尺度在L高值區(qū)較大，對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)譜云滴尺度集中在20～30 μm之間，說(shuō)明L主要由直徑為20～30 μm的云粒子濃度貢獻(xiàn)(圖4c)。NCIP分布在10-3～101cm-3，DCIP分布在50～1000 μm之間，DCIP明顯較6200 m探測(cè)高度偏大。NCIP高值區(qū)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)譜高值區(qū)集中在50～175 μm，說(shuō)明高濃度區(qū)主要由直徑為50～175 μm的粒子貢獻(xiàn)(圖4e)。該高度層主要以冰粒子的聚合體和單枝狀、交叉星枝狀的雪晶為主，還有少量不規(guī)則形狀的冰粒子存在，具有凇附增長(zhǎng)過(guò)程特征。NPIP和DPIP變化起伏較大，與6200 m探測(cè)高度相比，粒子濃度和直徑明顯增大，NPIP在10-4～10-2之間，DPIP維持在200～3000 μm(圖4f)。

圖4 2020年8月29日6800 m高度云微物理量水平分布特征

2.3.2 云微物理量的垂直變化特征

圖5為祁連山南側(cè)門(mén)源站的垂直探測(cè)結(jié)果。探測(cè)高度為2200～7000 m，溫度對(duì)應(yīng)為7到-10℃，探測(cè)時(shí)間為10:16—10:42，0℃層在5000 m高度左右，溫度隨高度增加而遞減(圖5a)。整層含水量較豐富，L為0.65～1.1 g·m-3，存在3個(gè)云水豐富區(qū)(液態(tài)水)，分別位于6900 m附近的過(guò)冷層(冰相層)、0℃層附近(混合層)和云下部4600 m高度附近的暖云區(qū)(暖層)，其中云水大值區(qū)出現(xiàn)在4500～5300 m高度，根據(jù)圖6所示，可能是高層降落的冰晶經(jīng)過(guò)融化導(dǎo)致含水量出現(xiàn)極值；在5400 m高度以上存在過(guò)冷水，大值區(qū)出現(xiàn)在6900 m高度，過(guò)冷水含量最大值達(dá)到0.98 g·m-3，遠(yuǎn)高于同季節(jié)其他地區(qū)，表明祁連山夏季云中過(guò)冷水含量豐富。由圖5a可知，0℃層在5000 m高度附近，0℃層上300 m至下500 m的云滴粒子直徑集中在15 μm且濃度很高(圖5b)，說(shuō)明云層厚度在1000 m以上，云底為暖云而云頂為冷云；5300～6700 m高度間的云滴直徑集中在28 μm ，接近0℃層附近的兩倍；4500 m高度以下，云滴粒子譜寬較大，云滴直徑為15～35 μm且分布均勻。4500～5300 m高度，CIP探測(cè)的粒子濃度較大，粒徑明顯分散，PIP的探測(cè)呈現(xiàn)出濃度減小、粒子直徑增加的特征。

圖5中云滴濃度與直徑呈明顯反相關(guān)，4500 m高度(溫度為2.1℃)以下，云滴粒徑較為分散，CIP圖像(圖6)可以看到，云中水凝物以液態(tài)水滴為主；該高度以上，云滴粒子濃度隨高度先增加后減小，粒子直徑先減小后增加，云滴濃度大值區(qū)出現(xiàn)在0℃冷暖云混合區(qū)。在0℃層到6300 m高度(溫度為0℃到-4.8℃)，隨高度上升冰晶濃度和直徑基本穩(wěn)定，冰晶直徑集中在800～900 μm，降水粒子濃度則明顯增大，在6200 m高度出現(xiàn)峰值，降水粒子直徑則先增大后降低，粒子直徑分布在2000 μm附近。CIP圖像顯示(圖6)粒子形態(tài)為霰、冰晶聚合體和近似球形的液滴粒子，該高度的云滴濃度減少而冰粒子濃度增加，L隨高度也明顯減小，該高度過(guò)冷液態(tài)水滴與冰相粒子共存，云內(nèi)的冰晶粒子通過(guò)凝華增長(zhǎng)消耗過(guò)冷水使冰晶增長(zhǎng)，數(shù)濃度明顯增大，為典型的貝吉龍過(guò)程，并伴有冰晶的凇附和聚并生長(zhǎng)過(guò)程。

圖5 2020年8月29日10:16—10:42祁連山南側(cè)門(mén)源站探測(cè)的云微物理量垂直分布

在6300 m高度以上(溫度為-9.3～-4.9℃)，云滴濃度先減小后增加，粒子直徑增大，冰晶濃度在6900 m高度出現(xiàn)峰值，根據(jù)CIP圖像(圖6)，云中基本為冰相粒子，雪晶和冰晶間的粘并特征明顯。垂直探測(cè)結(jié)果表明：此次祁連山降水過(guò)程，云的垂直結(jié)構(gòu)三層特征明顯，符合層狀云降水結(jié)構(gòu)特征[37]，云底高度為4000 m，0℃層高度為5000 m，冰相層出現(xiàn)在6300 m高度以上，混合層為5000～6300 高度，5000 m高度以下為暖層。由CIP圖像(圖6)可以看到，0℃層以上有冰晶存在，形態(tài)多為柱狀、枝星狀和輻枝狀，尺度隨高度降低逐漸增大，主要是因?yàn)榱Ｗ酉侣渚酆吓矢皆龃螅?℃層以下融化為球狀大云滴或雨滴。冰相層的冰雪晶的增長(zhǎng)機(jī)制為凝華和聚并增長(zhǎng)，隨高度降低，在混合層出現(xiàn)過(guò)冷水峰值，由于過(guò)冷水充沛，冰晶的凇附增長(zhǎng)有所增強(qiáng)，探測(cè)到大量冰雪晶及少量霰粒子，因此，混合層冰晶增長(zhǎng)以貝吉龍過(guò)程為主，并伴有凇附和聚并生長(zhǎng)。

圖6 2020年8月29日飛機(jī)探測(cè)的CIP粒子圖像

2.3.3 祁連山南北坡云微物理量的變化特征

此次探測(cè)飛行為祁連山首次南北坡的穿山探測(cè)，翻山后的氣流受地形抬升影響，其云微物理特征勢(shì)必發(fā)生變化。為進(jìn)一步了解這種變化特征，挑選飛機(jī)在祁連山南北坡平飛和垂直探測(cè)期間的微物理量進(jìn)行分析。圖7為飛機(jī)穿越祁連山探測(cè)過(guò)程中的航跡和小云粒子、大云粒子濃度及有效直徑的特征。由圖7可以看到，背風(fēng)坡(祁連山北側(cè))的小云粒子和大云粒子濃度、有效直徑均大于迎風(fēng)坡(祁連山南側(cè))；在穿山的平飛中，大云粒子濃度明顯下降，大云粒子有效直徑先增加后減小。表1給出祁連山南北坡平飛探測(cè)過(guò)程中云微物理量的統(tǒng)計(jì)值，其中11:20—11:30為祁連山南坡探測(cè)結(jié)果，11:52—12:12 為祁連山北坡探測(cè)結(jié)果。由表1中可以看到，祁連山南北坡云微物理特征差異較大，小云粒子、大云粒子和降水粒子的濃度及有效直徑在云系翻山后均明顯增加，背風(fēng)坡要大于迎風(fēng)坡，L也是北坡略大于南坡。

圖7 2020年8月29日飛機(jī)穿越祁連山探測(cè)過(guò)程中云粒子微物理特征(圓圈軌跡表示飛機(jī)探測(cè)軌跡，圓圈顏色代表粒子數(shù)濃度值，圓圈大小代表粒子有效直徑(D，單位：102 μm)，黑色線(xiàn)條為祁連山地形)

表1 2020年8月29日飛行探測(cè)過(guò)程中云粒子特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.4 不同高度云粒子譜分布特征及擬合曲線(xiàn)

通過(guò)云粒子譜的分析能加深對(duì)降水物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)[38]，不同類(lèi)型的云在滴譜特征上差異明顯，同一云體各處云滴譜也有差異[39]。為了研究此次降水過(guò)程的云粒子譜分布特征，分別利用Gamma分布、Γ分布(D≤50 μm)和冪指數(shù)分布、不考慮粒子形變的M-P分布(D>50 μm)對(duì)不同高度、不同粒子直徑的云粒子譜進(jìn)行擬合[39-40]。圖8為過(guò)冷水區(qū)不同高度云粒子譜分布和擬合曲線(xiàn)，選取5600 m，6200 m，6600 m高度處的平均粒子譜進(jìn)行比較。由圖8a可見(jiàn)，不同高度云滴譜型基本相似，均為單峰型，譜寬較寬，可達(dá)50 μm；6600 m高度峰值分別出現(xiàn)在12.5 μm處，5600 m高度和6200 m高度峰值出現(xiàn)在20 μm處，峰值處對(duì)應(yīng)的粒子濃度量級(jí)為101～102cm-3·μm-1，6200 m高度峰值濃度最小。不同粒徑段云粒子譜分布不同，在7.9～25 μm粒徑段，5600 m高度濃度最大，6200 m高度濃度最小，6600 m高度濃度居中；在25～50 μm粒徑段，粒子濃度隨高度增加而明顯減小。在本研究中，對(duì)于小云粒子的擬合，Gamma分布擬合效果優(yōu)于Γ分布擬合。由圖8c可見(jiàn)，不同高度大云粒子譜分布符合負(fù)冪指數(shù)單調(diào)遞減規(guī)律，譜寬較寬，可達(dá)1500 μm，說(shuō)明云中有較大云粒子出現(xiàn)，并向降水粒子發(fā)展；不同高度云粒子譜峰值均出現(xiàn)在50 μm處，當(dāng)D≤1000 μm，粒子濃度隨高度減小，而在譜末端(1000 μm以上)，6200 m高度的粒子濃度明顯增加。對(duì)于大云粒子的譜擬合，冪指數(shù)分布的擬合結(jié)果更優(yōu)。

圖8 不同高度云粒子譜分布(散點(diǎn))及擬合曲線(xiàn)

表2和表3為不同高度小云粒子和大云粒子數(shù)濃度的擬合結(jié)果，CAS粒子數(shù)濃度的Gamma分布擬合結(jié)果中，N0量級(jí)很小但變化幅度不大，μ集中在8～10.5，決定系數(shù)超過(guò)0.932(達(dá)到0.05顯著性水平)；CIP粒子數(shù)濃度的冪指數(shù)分布擬合結(jié)果中，N0量級(jí)比較大，平均值為8353.33，Λ集中在1～1.7，決定系數(shù)超過(guò)0.891(達(dá)到0.05顯著性水平)，說(shuō)明兩者間的擬合曲線(xiàn)形狀較為相近。當(dāng)云滴直徑D≤50 μm時(shí)，明顯看到Gamma分布擬合效果優(yōu)于Γ分布擬合效果；當(dāng)云粒子直徑D>50 μm 時(shí)的粒子譜呈單調(diào)遞減分布，實(shí)際擬合過(guò)程可以看到，冪指數(shù)分布的擬合明顯優(yōu)于不考慮粒子形變的M-P分布擬合。

表2 不同高度小云粒子數(shù)濃度譜擬合結(jié)果

表3 不同高度大云粒子數(shù)濃度譜擬合結(jié)果

圖9為不同過(guò)冷水含量區(qū)間CAS和CIP平均粒子譜分布，以0.7 g·m-3為臨界值對(duì)云區(qū)的粒子譜進(jìn)行比較。不同過(guò)冷水含量區(qū)間云滴譜型分布均為單峰型，在高過(guò)冷水區(qū)，云滴濃度更高。由圖9a可見(jiàn)，當(dāng)L不低于0.7 g·m-3時(shí)，峰值出現(xiàn)在20 μm 處，峰值濃度量級(jí)達(dá)到102cm-3·μm-1；當(dāng)L低于0.7 g·m-3時(shí)，峰值出現(xiàn)在12.5 μm處，峰值濃度量級(jí)接近10 cm-3·μm-1。由圖9b可見(jiàn)，冰晶粒子譜分布符合負(fù)冪指數(shù)的單調(diào)遞減規(guī)律，粒子譜濃度從101cm-3·μm-1下降到10-3cm-3·μm-1，峰值出現(xiàn)在50 μm處，高過(guò)冷水含量區(qū)間，粒子譜寬更寬，冰晶粒子濃度也更高。與圖9a相比，圖9b中高過(guò)冷水區(qū)冰晶粒子譜寬更寬，譜寬達(dá)到1050 μm；粒徑在550 μm 以上，L低于0.7 g·m-3時(shí)無(wú)降水粒子出現(xiàn)。

圖9 不同過(guò)冷水含量區(qū)間CAS(a)和CIP(b)平均粒子譜分布

3 結(jié)論與討論

利用2020年8月29日祁連山首次穿山探測(cè)的飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)此次降水過(guò)程的影響系統(tǒng)、云微物理特征、降水機(jī)制進(jìn)行分析。分析發(fā)現(xiàn)，云系在翻山后出現(xiàn)粒子濃度、有效直徑和液態(tài)水含量均增大的特征，祁連山地區(qū)云水含量豐富。主要結(jié)論如下：

1) 液態(tài)水含量為0.65～1.1 g·m-3，存在3個(gè)云水豐富區(qū)，分別位于云下部4600 m高度附近的暖云區(qū)、0℃層附近和6900 m高度附近的過(guò)冷層。云水大值區(qū)出現(xiàn)在4500～5300 m高度，與CAS高濃度區(qū)對(duì)應(yīng)，云水含水量主要由直徑為15～20 μm 的小粒子貢獻(xiàn)。

2) 小云粒子、大云粒子和降水粒子濃度平均值分別為7.54 cm-3，0.86 cm-3和0.0016 cm-3，有效直徑平均值分別為11.02 μm，198.11 μm和485.6 μm。云粒子濃度和直徑水平分布差異明顯，云粒子濃度在高值區(qū)和低值區(qū)相差2～3個(gè)量級(jí)，小云粒子和大云粒子濃度分別主要由直徑為10～30 μm和直徑為50～250 μm的云粒子濃度決定，云滴高濃度區(qū)與高含水量區(qū)對(duì)應(yīng)。

3) 云系呈明顯的分層結(jié)構(gòu)，云底在4000 m高度附近。云滴濃度隨高度先增大后減小，直徑先減小后增加，云滴濃度大值區(qū)出現(xiàn)在0℃層；降水粒子濃度和直徑隨高度增大的特征較為明顯。CIP粒子圖像顯示，0℃層以上冰晶形態(tài)多為枝星狀，尺度隨高度降低逐漸增大，0℃層以下為球狀大云滴或雨滴。冰相層的冰雪晶增長(zhǎng)機(jī)制為凝華和聚并增長(zhǎng)，混合層冰晶增長(zhǎng)主要以貝吉龍過(guò)程為主，并伴有凇附和聚并生長(zhǎng)。

4) 祁連山南北坡的穿山探測(cè)表明，云系翻山前后云微物理特征變化明顯,背風(fēng)坡粒子平均濃度、平均有效直徑和液態(tài)水含量大于迎風(fēng)坡。

5) 不同高度層云滴粒子譜均為單峰型，譜寬可達(dá)50 μm，不同高度峰值分別出現(xiàn)在12.5 μm和20 μm 處；云滴直徑在25 μm以下，云滴粒子濃度在低層比高層大，在25～50 μm粒子直徑段，粒子濃度隨高度減小特征更明顯。不同高度大云粒子譜為負(fù)冪指數(shù)型，譜寬可達(dá)1500 μm。Gamma分布可較好擬合直徑小于50 μm的云滴譜，直徑大于50 μm 的云粒子譜更符合冪指數(shù)分布。

與以往祁連山飛機(jī)探測(cè)結(jié)果相比，云體的垂直結(jié)構(gòu)特征和云滴的垂直分布特征較為一致[33]，但與西北地區(qū)其他研究結(jié)果[25,36]相比，此次過(guò)程存在云粒子濃度小、直徑大、云粒子譜寬偏寬等特征。由于祁連山飛機(jī)探測(cè)個(gè)例較少，應(yīng)在探測(cè)條件允許情況下廣泛開(kāi)展飛機(jī)探測(cè)，以加強(qiáng)對(duì)祁連山區(qū)地形云系微物理特征、降水機(jī)制和適播性認(rèn)識(shí)。