青藏高原夏季對(duì)流云微物理特征和降水形成機(jī)制

常 祎 郭學(xué)良 唐 潔3) 盧廣獻(xiàn) 亓 鵬4)

1)(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)

2)(中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所， 北京 100029)

3)(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警預(yù)評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 210044)

4)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

引 言

青藏高原(簡(jiǎn)稱高原)位于我國(guó)西南部，平均海拔超過(guò)4000 m，覆蓋面積超過(guò)2×105km2，是全球最大的高原，被稱為“世界屋脊”、“第三極”[1]。高原上以冰川、凍土、湖泊、河流等形式儲(chǔ)存大量水資源，是亞洲眾多主要河流的發(fā)源地，通過(guò)“亞洲水塔”這一陸地-海洋-大氣水分循環(huán)過(guò)程影響亞洲乃至全球的氣候和水循環(huán)過(guò)程[2-6]。一直以來(lái)，由于自然環(huán)境惡劣，觀測(cè)站點(diǎn)稀疏，人們對(duì)高原上的云降水物理過(guò)程缺乏足夠認(rèn)識(shí)。與此同時(shí)，人類對(duì)于高原環(huán)境的影響也較小，因此高原也是研究大氣過(guò)程，尤其是對(duì)流云降水過(guò)程的天然試驗(yàn)場(chǎng)。

夏季青藏高原云降水過(guò)程最顯著的特征是對(duì)流云和降水過(guò)程非常活躍。由于海拔較高、空氣稀薄，強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射使高原在夏季成為一個(gè)高聳入對(duì)流層中部的巨大熱源，為夏季高原上的對(duì)流活動(dòng)提供重要的熱力條件[7-10]，配合高原特殊的大氣層結(jié)[10-11]和來(lái)自熱帶洋面的水汽輸送[3,12]，使得對(duì)流在夏季頻繁發(fā)生。另一方面，由于海拔較高，水汽供應(yīng)不足，且缺少大尺度天氣系統(tǒng)形成的大范圍動(dòng)力抬升，因此高原夏季對(duì)流雖然發(fā)生頻率高，但強(qiáng)度弱[9-10,13-17]。高原對(duì)流活動(dòng)另一個(gè)顯著特征是受局地?zé)崃τ绊懙娜兆兓^(guò)程，高原對(duì)流活動(dòng)通常上午開(kāi)始發(fā)展，午后迅速增強(qiáng)并形成降水，傍晚達(dá)到最強(qiáng)降水，降水持續(xù)至午夜并向?qū)訝钤平邓D(zhuǎn)化，從午夜一直到清晨，云系和降水逐漸消散[14,18-21]。高原上的中尺度對(duì)流系統(tǒng)在一定條件下會(huì)向東移出高原，從而對(duì)下游地區(qū)造成影響[10,22-25]。

特殊的熱力、動(dòng)力條件使高原上對(duì)流云與低海拔地區(qū)差異顯著。強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射使高原在白天具有深厚的邊界層，因此高原上對(duì)流云云底更高[9-10]，夏季風(fēng)爆發(fā)后，對(duì)流云云頂高度顯著升高并超過(guò)16 km(海拔高度，下同)，甚至超過(guò)20 km[14,18,26-28]。第二次青藏高原科學(xué)試驗(yàn)期間，那曲地區(qū)的對(duì)流單體通常為水平尺度小、垂直厚度高的柱狀單體，這些單體在一定條件下可以突破上層“暖蓋”，形成“爆米花”的云結(jié)構(gòu)[10]。Fu等[29]利用TRMM衛(wèi)星觀測(cè)資料研究表明：高原對(duì)流單體降水呈“塔”狀結(jié)構(gòu)，降水系統(tǒng)由孤立、零散的云團(tuán)構(gòu)成，而這些云團(tuán)垂直剖面呈“饅頭”狀，且呈現(xiàn)出擠壓狀態(tài)[21]，CloudSat/CALIPSO衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究也表明高原上的深對(duì)流系統(tǒng)云頂組織更為緊密[30]。

由于缺乏直接觀測(cè)，相關(guān)研究只能利用地面觀測(cè)、遙感和數(shù)值模式對(duì)高原云降水的微物理過(guò)程和降水形成機(jī)制進(jìn)行分析研究。地面雨滴譜數(shù)據(jù)可以用于云降水過(guò)程中的微物理特征研究，高原地區(qū)的雨滴譜分布與降水類型、強(qiáng)度、密切相關(guān)，且由于空氣密度低、更易發(fā)生雨滴破碎，進(jìn)而影響滴譜的分布[31-32]，高原雨滴譜隨降水強(qiáng)度增加而拓寬，相比于層狀云降水滴譜，對(duì)流性降水雨滴譜在白天有更大的等效直徑和更小的截?cái)郲33]，Γ分布更適合描述高原雨滴譜分布[18,31]。利用衛(wèi)星遙感資料可以獲得高原云系內(nèi)部的微物理特征，傅云飛等[34]利用TRMM衛(wèi)星資料發(fā)現(xiàn)高原強(qiáng)對(duì)流云系內(nèi)大云滴/雨滴在下落過(guò)程中的碰并過(guò)程會(huì)增大地面的降水率；利用CloudSat/CALIPSO衛(wèi)星資料，汪會(huì)等[35]發(fā)現(xiàn)高原的云滴譜較寬；李典等[36]利用CloudSat資料研究發(fā)現(xiàn)高原地區(qū)云內(nèi)可降冰粒子濃度較高且集中在近地面；同樣利用CloudSat資料，陳玲等[37]發(fā)現(xiàn)高原地區(qū)的降水多為冷云降水，冰相粒子的有效粒徑大于四川盆地及過(guò)渡區(qū)，粒徑差異較大、滴譜較寬，因此更容易產(chǎn)生降水。數(shù)值模式是研究云微物理過(guò)程和降水形成機(jī)制的有效手段，唐潔等[38-39]利用WRF模式研究第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)(TIPEX-Ⅲ)期間對(duì)流云降水過(guò)程的微物理特征和降水形成機(jī)制，結(jié)果表明：夏季高原對(duì)流云中過(guò)冷水和霰粒子豐富，冰相過(guò)程活躍，霰粒子的融化過(guò)程對(duì)降水有重要貢獻(xiàn)，暖雨過(guò)程貢獻(xiàn)較小，高層對(duì)流云內(nèi)冰晶主要通過(guò)聚并過(guò)程增長(zhǎng)，下層主要為凇附過(guò)程。

近年隨著外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)的開(kāi)展和新型遙感設(shè)備的使用，雖然對(duì)青藏高原云微物理特征有了一定的認(rèn)識(shí)，但由于缺乏飛機(jī)觀測(cè)等直接探測(cè)手段，相關(guān)遙感資料尤其是衛(wèi)星觀測(cè)資料在高原上的應(yīng)用和數(shù)值模式對(duì)高原大氣過(guò)程的模擬仍存在很大不確定性[38-43]。為了進(jìn)一步加深對(duì)高原夏季對(duì)流云物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)，在第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)(TIPEX-Ⅲ)期間[44]，2014年夏季在那曲地區(qū)開(kāi)展飛機(jī)云物理觀測(cè)研究，獲取了寶貴的飛機(jī)穿云探測(cè)資料，為研究高原夏季初始對(duì)流云的微物理特征和降水形成機(jī)制提供重要依據(jù)。本文主要利用2014年7月TIPEX-Ⅲ 期間的飛機(jī)觀測(cè)資料，探討高原夏季對(duì)流云的微物理特征和降水形成機(jī)制。

1 儀器、數(shù)據(jù)與方法

1.1 觀測(cè)區(qū)域及設(shè)備

2014年7—8月，TIPEX-Ⅲ在那曲地區(qū)(圖1)開(kāi)展外場(chǎng)觀測(cè)。飛機(jī)觀測(cè)區(qū)域位于唐古拉山脈與念青唐古拉山脈之間，地勢(shì)較為平坦，該地區(qū)夏季對(duì)流十分活躍[18-19,45]，因此具有較好代表性。除飛機(jī)觀測(cè)外，那曲城內(nèi)設(shè)有兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別位于那曲氣象局(31.5°N，92.1°E)和那曲中信大酒店(31.3°N，92.0°E)，那曲氣象局觀測(cè)點(diǎn)架設(shè)有Ka波段毫米波云雷達(dá)和雨滴譜儀各1部，那曲中信大酒店觀測(cè)點(diǎn)架設(shè)有C波段連續(xù)波雷達(dá)和雨滴譜儀各1部，其中兩部雷達(dá)的主要性能參數(shù)可以參考文獻(xiàn)[18，44]。兩部雨滴譜儀傳感器型號(hào)為OTT公司的Parsivel，可以測(cè)量32個(gè)粒徑檔位、32個(gè)速度檔位共1024檔的降水粒子，該設(shè)備在本文中主要用于判定降水情況，其詳細(xì)的參數(shù)可以參考文獻(xiàn)[18，33]。

圖1 2014年夏季TIPEX-Ⅲ期間那曲地區(qū)外場(chǎng)觀測(cè)概況(紅色方框區(qū)域?yàn)橹饕w機(jī)觀測(cè)區(qū)域，×和+分別為那曲氣象局和那曲中信大酒店觀測(cè)點(diǎn))

外場(chǎng)觀測(cè)期間，針對(duì)云降水的微物理特征和降水形成機(jī)制，還進(jìn)行飛機(jī)穿云探測(cè)。此次飛機(jī)探測(cè)采用北京市人工影響天氣辦公室的King Air 350ER飛機(jī)，飛機(jī)搭載的設(shè)備為SPEC公司(http:∥www.specinc.com)的機(jī)載探測(cè)系統(tǒng)，該探測(cè)系統(tǒng)主要包含以下探測(cè)設(shè)備(系統(tǒng))：機(jī)載氣象探測(cè)系統(tǒng)(AIMMS-20)、熱線含水量?jī)x(Nevzorov)、二維灰度粒子譜儀(2D-S)、快速云滴粒子譜探頭(FCDP)、降水粒子譜儀(HVPS)、三維視場(chǎng)云粒子成像儀(3V-CPI)，各探測(cè)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[44]。該探測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于云微物理過(guò)程的探測(cè)與研究中[46-47]，具有良好的性能和較高的分辨率。

1.2 資料與方法

本文利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的ERA-Interim再分析資料(https:∥apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=pl/)對(duì)觀測(cè)個(gè)例進(jìn)行天氣分析，該資料的時(shí)間分辨率為6 h，空間分辨率為0.125°，垂直方向從1000～1 hPa共37層，本文主要分析位勢(shì)高度、位勢(shì)渦度和水平風(fēng)場(chǎng)的特征。

飛機(jī)觀測(cè)期間的云系特征由那曲氣象局C波段氣象業(yè)務(wù)雷達(dá)資料(http:∥data.cma.cn)給出。由于飛機(jī)探測(cè)主要在上午進(jìn)行，探測(cè)的云系強(qiáng)度較弱，有的云系通過(guò)天氣雷達(dá)無(wú)法精確探測(cè)，為了更準(zhǔn)確地了解觀測(cè)期間云系特征，本文還利用FY-2E氣象衛(wèi)星資料(http:∥satellite.nsmc.org.cn)，其時(shí)間分辨率為0.5 h或1 h，空間分辨率在可見(jiàn)光波段為1 km×1 km。

此外，本文還用到那曲氣象局地面交換站那曲站的氣候降水資料，作為地面雨滴譜觀測(cè)的補(bǔ)充，其時(shí)間分辨率為1 h。

由于高原大氣條件復(fù)雜，飛機(jī)在飛行過(guò)程中多次遭遇積冰，因此飛機(jī)觀測(cè)期間存在較多資料缺測(cè)，尤其是飛機(jī)穿云時(shí)的溫度，缺測(cè)的溫度主要通過(guò)TIPEX-Ⅲ期間的加密探空數(shù)據(jù)確定。一般而言，在飛機(jī)觀測(cè)研究中，小云粒子(直徑D<50 μm)探頭探測(cè)到的粒子數(shù)濃度大于 104L-1作為入云的判據(jù)[48-50]，但由于高原特殊的自然環(huán)境，高原上的云系在探測(cè)過(guò)程中云滴數(shù)濃度較低，因此在本文的統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，一般將濃度高于103L-1的觀測(cè)樣本計(jì)入統(tǒng)計(jì)。

2 天氣背景及探測(cè)云系特征

2014年TIPEX-Ⅲ觀測(cè)期間，飛機(jī)觀測(cè)主要在7月，從7月1—24日共進(jìn)行12次飛行探測(cè)，獲得6個(gè)有效個(gè)例，分別為7月3日、10日、13日、20日、21日和24日。由于飛機(jī)從青海格爾木機(jī)場(chǎng)起飛，距離觀測(cè)區(qū)域較遠(yuǎn)，且高海拔地區(qū)飛機(jī)起降條件較為嚴(yán)格，因此飛機(jī)在目標(biāo)探測(cè)區(qū)域的觀測(cè)時(shí)段主要集中在09:00—13:00(北京時(shí)，下同)之間，高原夏季對(duì)流活動(dòng)通常有明顯的日變化特征，飛機(jī)觀測(cè)時(shí)段的云系通常為處于初生、發(fā)展過(guò)程中的對(duì)流云系或夜間降水的殘留云系[18,27]。此外，24日的飛行個(gè)例中3V-CPI探頭積冰嚴(yán)重，粒子圖像無(wú)法識(shí)別。

表1為6個(gè)飛行個(gè)例飛機(jī)探測(cè)的基本情況。夏季高原主要受短波槽、低渦、切變線等中尺度天氣系統(tǒng)影響。6個(gè)個(gè)例中，2014年7月3日飛機(jī)觀測(cè)區(qū)域位于短波槽前脊內(nèi)，云系主要為初生對(duì)流云；10日主要受切變線影響，云系在上午迅速發(fā)展，云系為處于發(fā)展階段的對(duì)流云；13日在那曲西南方向存在一高原低渦，受其影響，13日高原南部地區(qū)有系統(tǒng)性的云系發(fā)展，探測(cè)云系為處于發(fā)展階段的對(duì)流云；20日高原中西部主要受短波槽影響，根據(jù)雷達(dá)和衛(wèi)星觀測(cè)，飛機(jī)觀測(cè)時(shí)段為夜間云系消散和新生對(duì)流云系發(fā)展的間歇，主要為殘留云系；21日高原中西部的短波槽發(fā)展為低渦，但與20日類似，飛機(jī)觀測(cè)時(shí)段仍然處于夜間降水云系消散和新生對(duì)流云云系發(fā)展的間歇，探測(cè)對(duì)象主要為殘留云系；24日高原中北部被反氣旋控制，那曲西南有一切變線，那曲位于兩個(gè)系統(tǒng)的過(guò)渡地帶，飛機(jī)觀測(cè)區(qū)域位于切變線影響下系統(tǒng)云系的邊緣，探測(cè)云主要為處于發(fā)展階段的對(duì)流云。

由表1可以看到，TIPEX-Ⅲ期間飛機(jī)穿云探測(cè)的高度主要集中在5500 ～ 9000 m高度，溫度均低于0℃，按云型主要分為初生、發(fā)展階段的對(duì)流云和夜間降水的殘留云系，從相態(tài)看，觀測(cè)的結(jié)果多為冰水混合云系。

表1 2014年TIPEX-Ⅲ期間6次飛機(jī)觀測(cè)個(gè)例的飛行高度、溫度和探測(cè)云類型

3 云微物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

表2為對(duì)TIPEX-Ⅲ飛機(jī)觀測(cè)期間所有觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。觀測(cè)期間高原夏季云系小云粒子(D<50 μm)的最大和平均數(shù)濃度分別為1.1×105L-1和(9±10)×103L-1，數(shù)量級(jí)一般為104L-1，最大數(shù)濃度出現(xiàn)在7月10日處于發(fā)展階段的對(duì)流云中，溫度為-2.5 ℃，此時(shí)云內(nèi)主要為液態(tài)過(guò)冷云滴。大云粒子的最大和平均數(shù)濃度分別為28.82 L-1和(7±19)×10-1L-1，數(shù)量級(jí)一般在100～101L-1，最大數(shù)濃度在7月13日的對(duì)流云中，溫度為-12.9 ℃，此時(shí)云內(nèi)存在活躍的冰化過(guò)程，大云粒子主要為霰粒子和大云滴(雨滴)。觀測(cè)期間最大液態(tài)水含量(LWC)為0.25 g·m-3，且都為過(guò)冷水，最大總含水量(TWC)為1.33 g·m-3，LWC和TWC的數(shù)量級(jí)均為10-1～100g·m-3。由于觀測(cè)時(shí)段集中在上午，對(duì)流云處于初生、發(fā)展階段，因此并未觀測(cè)到較強(qiáng)的上升氣流，探測(cè)期間垂直上升速度(V)最大為4.3 m·s-1，一般為1～4 m·s-1。

表2 TIPEX-Ⅲ飛機(jī)觀測(cè)期間小云粒子(D<50 μm)數(shù)濃度、大云粒子(D≥50 μm)數(shù)濃度、LWC和TWC及V的最大值、最小值和數(shù)量級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

青藏高原夏季云微物理特征與其他平原、海洋地區(qū)有顯著區(qū)別。首先，高原夏季云系的云滴和大粒子數(shù)濃度要遠(yuǎn)低于其他地區(qū)的對(duì)流云系[46,51-52]，在同樣的上升速度范圍內(nèi)，Lawson等[46]在熱帶地區(qū)洋面觀測(cè)到的云滴數(shù)濃度很多超過(guò)100 cm-3，比本文的觀測(cè)結(jié)果高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，而在大陸性對(duì)流云的觀測(cè)中，對(duì)流云云滴的數(shù)濃度更高[53-54]，對(duì)比我國(guó)華北和西北地區(qū)的云系，高原夏季對(duì)流云的云滴數(shù)濃度仍偏低[50,55-59]，這與高原清潔的大氣環(huán)境密切相關(guān)。另一方面，高原對(duì)流云內(nèi)的上升速度低于其他地區(qū)的對(duì)流云[46]，對(duì)流相對(duì)偏弱，而過(guò)冷水含量相對(duì)豐富，因此高原的云內(nèi)必定存在更多大云滴和雨滴，這也得到觀測(cè)資料的證實(shí)。

4 云微物理特征和降水形成機(jī)制

4.1 對(duì)流云

由表1可以看到，此次觀測(cè)試驗(yàn)期間飛機(jī)共探測(cè)到4個(gè)對(duì)流云個(gè)例，由于2014年7月24日對(duì)流云個(gè)例積冰嚴(yán)重，因此本節(jié)僅討論7月3日、10日和13日3個(gè)對(duì)流云個(gè)例。 對(duì)流云個(gè)例中，7月3日為初始對(duì)流云，7月10日和13日均為發(fā)展過(guò)程中的對(duì)流云，其中7月10日主要為過(guò)冷云，7月13日為冰水混合云系。

4.1.1 7月3日初始對(duì)流云

圖2為7月3日飛機(jī)探測(cè)結(jié)果。7月3日飛機(jī)探測(cè)高度在5740 m，溫度為-1.1 ℃，探測(cè)時(shí)段C波段業(yè)務(wù)雷達(dá)無(wú)明顯回波，C波段連續(xù)波雷達(dá)和Ka波段毫米波云雷達(dá)的回波十分微弱，探測(cè)對(duì)象為初始對(duì)流云。對(duì)流云的最大LWC基本低于0.1 g·m-3，最大TWC低于0.15 g·m-3，高原初始對(duì)流云的含水量低于我國(guó)北方地區(qū)的層積混合云[56,59]，與一些海洋對(duì)流云云底的含水量接近[46]，但遠(yuǎn)低于云內(nèi)部[46,60]。N(D)為對(duì)應(yīng)粒子直徑D上的數(shù)濃度。

初始對(duì)流云內(nèi)最大云粒子數(shù)濃度約為2×104L-1，由圖2b可以看到，云內(nèi)的滴譜寬度一般不超過(guò)30 μm，呈雙峰分布，兩個(gè)峰值分別在2.1 μm和21.1 μm，雙峰型的滴譜與我國(guó)北方層狀云滴譜和高原北部三江源地區(qū)存在顯著區(qū)別[56,58]，與一些海洋性對(duì)流云類似[61]，且在對(duì)流云的邊緣經(jīng)常存在一些單峰型的滴譜，峰值在10.7 μm。

圖2 2014年7月3日初始對(duì)流云探測(cè)

另一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是，盡管7月3日個(gè)例仍然處于對(duì)流云發(fā)展的初始階段，但已有冰相粒子產(chǎn)生，這表明由于高原對(duì)流云發(fā)展的層結(jié)溫度較低，冰相過(guò)程在最開(kāi)始階段已存在，有利于形成降水。

4.1.2 7月10日過(guò)冷對(duì)流云

與7月3日初始對(duì)流云不同，衛(wèi)星云圖、C波段連續(xù)波雷達(dá)和Ka波段毫米波云雷達(dá)均顯示7月10日的云系明顯偏強(qiáng)，結(jié)合3V-CPI圖像，10日的對(duì)流云基本為過(guò)冷云，并未發(fā)現(xiàn)冰相粒子。理論上講，冰面飽和水汽壓小于水面飽和水汽壓，因此在濕潤(rùn)的環(huán)境中，冰晶容易形成。但飛機(jī)探測(cè)具有較大不確定性，可能并未觀測(cè)到。

圖3為7月10日的飛機(jī)探測(cè)結(jié)果。由圖3可以看出，相比于7月3日，7月10日的探測(cè)結(jié)果云滴數(shù)濃度和LWC更高、滴譜更寬，7月10日最大云滴數(shù)濃度、最大LWC和最大上升速度分別為1.1 ×105L-1，0.20 g·m-3和3.7 m·s-1。絕大多數(shù)云滴譜呈雙峰分布，其中一部分滴譜與7月3日峰值相同，但由于10日的對(duì)流云正處于發(fā)展階段，上升速度較強(qiáng)導(dǎo)致更多的云凝結(jié)核被活化，過(guò)冷水含量也更高，因此雙峰型的滴譜在小粒子方向有向更小峰值、在大粒子方向存在向更大峰值擴(kuò)展的趨勢(shì)。整體而言，10日的粒子譜寬度比3日的探測(cè)結(jié)果更寬。

圖3 2014年7月10日發(fā)展對(duì)流云探測(cè) (a)飛機(jī)探測(cè)高度和溫度，(b)液態(tài)水含量，(c)HVPS探測(cè)的大云粒子數(shù)濃度，(d)FCDP探測(cè)的小云粒子數(shù)濃度，(e)圖3d對(duì)應(yīng)時(shí)刻的云滴譜分布

7月10日個(gè)例的顯著特征是云內(nèi)存在大云滴和小雨滴，且隨著上升速度的增大和液態(tài)水含量的增加，云滴譜存在明顯的由穩(wěn)定型滴譜向不穩(wěn)定型滴譜的變化趨勢(shì)[62]，表明云系正處于迅速發(fā)展階段。由該個(gè)例可以看到，高原對(duì)流云另一個(gè)顯著特征是大云滴和雨滴出現(xiàn)較早，表明高原對(duì)流云在發(fā)展過(guò)程中暖云過(guò)程活躍，這些大云滴和雨滴在高原上以過(guò)冷水形式存在，而過(guò)冷大云滴和雨滴對(duì)于冰相過(guò)程發(fā)展和降水形成至關(guān)重要[46]，這也是高原對(duì)流云易形成降水的另一個(gè)重要因素。

4.1.3 7月13日混合對(duì)流云

圖4和圖5為7月13日對(duì)流云個(gè)例的飛機(jī)探測(cè)結(jié)果，從圖4a可以看出，7月13日飛機(jī)主要在大約6300 m(-2.4 ℃)、6600 m(-4.3 ℃)和7800 m(-13.0 ℃)3個(gè)高度層探測(cè)。由探測(cè)結(jié)果可以看到，當(dāng)日云系為冰水混合對(duì)流云系。3個(gè)高度層的最大LWC和TWC分別為0.15 g·m-3和0.24 g·m-3，0.20 g·m-3和0.43 g·m-3，0.15 g·m-3和0.45 g·m-3，相比于高層(7800 m)，低層的最大上升速度明顯偏高(大于3 m·s-1)。

圖4 2014年7月13日發(fā)展對(duì)流云探測(cè)

續(xù)圖4

圖5 2014年7月13日飛機(jī)觀測(cè)不同高度的粒子圖像

低層(-2.4℃和-4.3℃)最顯著的特征是存在大量大云滴和小雨滴，尤其在-2.4℃的大量雨滴，表明高原對(duì)流云中暖云碰并過(guò)程在溫度相對(duì)較高的過(guò)冷層十分活躍，這與7月10日的觀測(cè)結(jié)果相同。-4.3℃層存在一個(gè)高TWC區(qū)域，由3V-CPI圖像可以看到，該區(qū)域內(nèi)存在一些高度凇附的大云粒子，有活躍的凇附過(guò)程發(fā)展，這表明高原地區(qū)對(duì)流云內(nèi)一旦存在初始冰粒子，在過(guò)冷水相對(duì)豐富的地區(qū)可以迅速通過(guò)凇附過(guò)程增長(zhǎng)，并形成降水。

結(jié)合FCDP探頭探測(cè)的小云粒子濃度和較高LWC值可以看到，高層(-13.0℃)仍然存在較為豐沛的過(guò)冷水，但與低層不同的是，由于溫度更低，該層存在很多單體冰晶粒子和不規(guī)則的小冰晶粒子，表明隨著溫度降低，冰化作用開(kāi)始對(duì)冰相粒子的形成產(chǎn)生較為明顯的作用。在10:00前的探測(cè)結(jié)果中，大的冰相粒子較少，而TWC與LWC有些時(shí)刻的差異仍然較大，存在大量冰水，這表明高層存在活躍的冰化過(guò)程。隨著云體進(jìn)一步發(fā)展，10:00后對(duì)流云中過(guò)冷水被消耗，云內(nèi)大粒子濃度明顯升高(圖4c)，由對(duì)應(yīng)粒子圖像(圖5)看，此時(shí)云內(nèi)不僅存在大量的單體冰晶粒子，破碎的雨滴(大云滴)、霰和冰晶聚合體同時(shí)存在，這表明云內(nèi)正在進(jìn)行迅速的冰化過(guò)程，所有冰相粒子均呈現(xiàn)密實(shí)不透光的特征，這與該高度層存在豐富的過(guò)冷水有關(guān)，過(guò)冷水中的大云滴和雨滴對(duì)于整個(gè)云體內(nèi)迅速冰化以及后續(xù)的凇附過(guò)程至關(guān)重要[46,63]。

4.1.4 對(duì)流云降水形成機(jī)制

以上3個(gè)個(gè)例表明：即使處于初生階段的對(duì)流云，高原云內(nèi)的云滴譜也呈雙峰型分布，這是由于高原較為清潔的空氣環(huán)境使高原云滴數(shù)濃度偏低，而偏低的云滴數(shù)濃度在一定水汽條件下更容易通過(guò)凝結(jié)增長(zhǎng)引發(fā)碰并過(guò)程，使得滴譜呈雙峰型分布，因而更易產(chǎn)生降水尺度粒子。圖6為3個(gè)對(duì)流云個(gè)例中典型云滴譜分布情況，7月3日和10日的滴譜較為類似，但由于10日上升速度更大，更多的云凝結(jié)核被活化，因此云滴譜的峰值向小粒子端偏移，且濃度更高。隨著對(duì)流的進(jìn)一步發(fā)展，由于碰并作用云滴譜不斷拓寬(圖6中7月13日紫色滴譜)，且消耗更多直徑為10～20 μm的云滴，形成降水尺度。當(dāng)對(duì)流發(fā)展至降水階段，云滴譜呈現(xiàn)多峰分布(圖6中7月13日綠色滴譜)，云內(nèi)活躍的冰相過(guò)程迅速消耗過(guò)冷水，滴譜趨于扁平且不連續(xù)。

圖6 2014年7月3日、10日、13日FCDP探頭探測(cè)到的典型對(duì)流云滴譜分布(圖中所選滴譜均位于云內(nèi)過(guò)冷水區(qū))

總體看，高原對(duì)流云在初生、發(fā)展階段主要為單體對(duì)流云系，且云體大部分都在0℃層以上發(fā)展，云系為過(guò)冷云或混合云。相對(duì)比于其他地區(qū)的對(duì)流云系，高原對(duì)流云有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：一是高原對(duì)流云通常在溫度低于0℃的條件下生成和發(fā)展，因此冰相過(guò)程更為活躍；二是高原對(duì)流云云滴數(shù)濃度低，但存在較多的大云滴和雨滴，這對(duì)于暖雨過(guò)程和冰相過(guò)程均有重要的促進(jìn)作用。

4.2 殘留云系

觀測(cè)期間共有兩個(gè)殘留云系的探測(cè)個(gè)例，分別為7月20日和21日，其中7月20日為冰云，7月21日為混合云。7月20日和21日C波段連續(xù)波雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果如圖7，圖8為7月21日個(gè)例的飛機(jī)探測(cè)結(jié)果。

圖7 2014年TIPEX-Ⅲ期間殘留云系C波段連續(xù)波雷達(dá)反射率因子隨時(shí)間變化(圖中紅色線為飛機(jī)飛行高度隨時(shí)間變化)

圖8 2014年7月21日飛機(jī)探測(cè)結(jié)果

續(xù)圖8

由圖7可以看到，7月20日殘留云系為卷云，云頂高度在13000 m左右。飛機(jī)探測(cè)高度在8900 m(-16.9 ℃)，探測(cè)云系基本不存在過(guò)冷水(LWC)，并且總含水量低于0.1 g·m-3，云內(nèi)最大粒子數(shù)濃度為21.7 L-1，粒子直徑基本小于400 μm，云內(nèi)冰粒子情況與7月13日類似，但不存在過(guò)冷水，因此很可能是發(fā)展強(qiáng)盛對(duì)流云消散后在高層的殘留云系。根據(jù)3C-CPI的探測(cè)結(jié)果，云內(nèi)冰相粒子主要由六角板狀、子彈狀、玫瑰簇狀和不規(guī)則冰晶構(gòu)成，粒子基本呈密實(shí)不透光狀態(tài)，這與其他的飛機(jī)觀測(cè)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合[47,64-65]。

與7月20日不同，7月21日的殘留云系呈層狀云分布，但云內(nèi)仍有著柱狀的單體結(jié)構(gòu)，并且存在一定量的過(guò)冷水，飛機(jī)探測(cè)的云可以分為冰云和混合云兩部分。在冰云部分，大粒子譜的分布與20日接近，但總水含量稍高(最大值超過(guò)0.1 g·m-3)，粒子譜的峰值也較20日偏高，但大云粒子的濃度稍低(最大濃度小于15 L-1)，冰粒子圖像與20日類似，但存在直徑更大的粒子。在混合云區(qū)，由于海拔高、溫度低，液態(tài)水的含量相對(duì)較低(最大值小于0.05 g·m-3)，滴譜較寬，但仍呈雙峰型分布，為降水過(guò)程結(jié)束后的滴譜，過(guò)冷水的存在使得混合云區(qū)的冰粒子存在一定程度的凇附和聚并現(xiàn)象，但由于過(guò)冷水含量較少，凇附過(guò)程并不顯著。

總體看，雖然本研究的兩個(gè)殘留云系以卷云和層狀云的形式，但仍保留對(duì)流云的一些特征，在層狀云系中存在柱狀單體，云內(nèi)冰粒子大部分仍然為密實(shí)不透光的霰粒子，在存在過(guò)冷水的區(qū)域云滴譜仍為雙峰型分布。

5 結(jié)論與討論

本文利用第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)(TIPEX-Ⅲ)期間的飛機(jī)探測(cè)數(shù)據(jù)，研究高原中部那曲地區(qū)夏季對(duì)流云及其降水的微物理特征和降水形成機(jī)制，主要結(jié)論如下：

1) TIPEX-Ⅲ觀測(cè)試驗(yàn)期間飛機(jī)探測(cè)云系主要為初生、發(fā)展階段的對(duì)流云以及殘留云系，云體溫度均低于0℃，因此大部分為混合云，存在過(guò)冷云和冰云。

2) 高原夏季對(duì)流云的平均云滴數(shù)濃度為(9±10)×103L-1，數(shù)量級(jí)為104L-1，比其他地區(qū)低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；大云粒子最大濃度為28.82 L-1，數(shù)量級(jí)為100～101L-1；過(guò)冷水和總水含量數(shù)量級(jí)在100～101g·m-3；云內(nèi)上升速度集中在1～4 m·s-1。高原云滴譜主要呈雙峰分布，但峰值隨對(duì)流發(fā)展的不同階段有所不同，對(duì)流云內(nèi)過(guò)冷水豐富，大云滴和雨滴濃度較高，冰粒子多為密實(shí)、不透光的霰粒子，云內(nèi)凇附過(guò)程明顯。

3) 由于對(duì)流云基本在0℃層以上發(fā)展，因此冰相過(guò)程出現(xiàn)較早；清潔的大氣環(huán)境使高原云滴數(shù)濃度較低，云滴更容易通過(guò)凝結(jié)長(zhǎng)大觸發(fā)碰并增長(zhǎng)，進(jìn)而觸發(fā)暖雨過(guò)程形成大云滴和雨滴，而過(guò)冷大云滴和雨滴有利于冰相過(guò)程的發(fā)展；綜合作用下高原對(duì)流云內(nèi)凇附過(guò)程顯著，更易形成降水。對(duì)流云在初生階段就存在冰相粒子，云體進(jìn)一步發(fā)展后，通過(guò)暖云過(guò)程形成的大云滴和雨滴會(huì)促進(jìn)冰相過(guò)程的發(fā)展，冰相過(guò)程產(chǎn)生的冰粒子通過(guò)活躍的凇附迅速增長(zhǎng)形成降水。

4) 高原上的殘留云系仍保留對(duì)流云的一些特征，云內(nèi)冰相粒子與對(duì)流云中的類似但更干，多為密實(shí)不透明冰粒子，一些溫度較低的云內(nèi)仍然存在過(guò)冷水，且云滴譜為雙峰型?？傮w看，殘留云系由之前的對(duì)流云系發(fā)展而來(lái)，是對(duì)流云的消散階段。

本研究加深了對(duì)高原對(duì)流云和降水特征的了解，但仍然存在一定局限性。由于TIEPX-Ⅲ觀測(cè)試驗(yàn)期間飛機(jī)的起降機(jī)場(chǎng)位于格爾木，距離觀測(cè)區(qū)域較遠(yuǎn)，無(wú)法對(duì)那曲地區(qū)的云系進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)。與此同時(shí)，受高原起降條件影響，飛機(jī)觀測(cè)只能在上午進(jìn)行，無(wú)法獲取其他時(shí)段的觀測(cè)資料。此次飛機(jī)探測(cè)期間也并未攜帶氣溶膠/云凝結(jié)核等相關(guān)探測(cè)設(shè)備，無(wú)法獲得云凝結(jié)核/冰核等微物理參數(shù)的直接探測(cè)結(jié)果。