內(nèi)蒙古中部一次春季透雨過程的云微物理特征分析

許志麗，衣娜娜，畢立格，于水燕，張俊成

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)人工影響天氣中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)人工影響天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

引言

水資源短缺是影響我國北方地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，尤其是干旱半干旱地區(qū)［1］。近年來，隨著全球氣候變暖，干旱區(qū)面積加速擴(kuò)張，干旱發(fā)生頻率增多，水土流失、植被破壞及自然災(zāi)害頻發(fā)使得生態(tài)環(huán)境更加脆弱，因此生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)和可持續(xù)發(fā)展一直是科學(xué)研究的熱點(diǎn)［2］。開展人工增雨作業(yè)，有效開發(fā)空中云水資源，是維持生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、緩解水資源短缺的有效手段之一［3-4］。內(nèi)蒙古地區(qū)春旱發(fā)生頻繁，且對農(nóng)牧業(yè)發(fā)展危害較大，春季降水過程的多寡與春季干旱與否有著直接關(guān)系［5］，開展人工增雨作業(yè)增加春季降水對緩解該區(qū)域春旱有積極意義。大范圍的層狀冷云是我國北方春季降水的主要云體，也是為緩解北方春季干旱開展人工增雨的主要作業(yè)對象［6］。層狀云的宏微觀結(jié)構(gòu)及降水機(jī)制與人工增雨關(guān)系密切［7］，準(zhǔn)確認(rèn)識層狀云微物理特征具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。

飛機(jī)探測可直接實(shí)現(xiàn)大氣溫度、濕度、云中粒子相態(tài)的觀測，是認(rèn)識云物理過程的重要途徑之一。我國云降水物理飛機(jī)探測開始于20世紀(jì)60年代，近年來研究主要集中在數(shù)值模式云微物理過程驗(yàn)證［8-10］、衛(wèi)星及雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)檢驗(yàn)［11-12］、云微物理結(jié)構(gòu)和降水形成機(jī)制［13-18］等方面。研究發(fā)現(xiàn)，層狀云的微物理特征與云系所處天氣系統(tǒng)的區(qū)域以及云頂溫度、水汽含量、云層厚度等密切相關(guān)［19］，相比較而言，槽前暖鋒面云系中的過冷水較豐富，冰晶數(shù)濃度較低，而槽后冷鋒面云系中過冷水較少，冰晶數(shù)濃度較高。在層狀云中，當(dāng)云層較薄時，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；當(dāng)云層較厚時，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［20］。但云體發(fā)展復(fù)雜多變，其宏微觀結(jié)構(gòu)特征在不同地區(qū)、不同天氣系統(tǒng)影響下存在較明顯差異，內(nèi)蒙古地區(qū)目前開展的人工增雨作業(yè)中，對云體的催化還具有一定的盲目性［21］，因此有必要對云微物理結(jié)構(gòu)開展更多的研究。

內(nèi)蒙古自治區(qū)飛機(jī)人工增雨作業(yè)規(guī)模居全國之首，但飛機(jī)增雨作業(yè)易受到天氣條件、空域申請、航線設(shè)計等因素影響，不太容易把握作業(yè)時機(jī)和部位。2018年5月10日內(nèi)蒙古中部地區(qū)普降中雨，是典型的一次春季透雨過程，針對此次降水過程開展的人工增雨作業(yè)對促進(jìn)春耕、牧草的生長起到了非常積極的作用，且此次過程飛行作業(yè)中取得了較為理想的探測資料，本文根據(jù)此次降水過程中增雨飛機(jī)宏、微觀探測資料，分析層狀云微物理結(jié)構(gòu)并對適播性進(jìn)行初步探討，以期進(jìn)一步提高對云體的認(rèn)識，為本地科學(xué)開展人工增雨作業(yè)及改善生態(tài)環(huán)境提供一定的參考。

1 資料與方法

1.1 資料

所用資料為2018年5月10日DMT機(jī)載探測資料、探空資料等。執(zhí)行人工增雨作業(yè)的運(yùn)-12 B-3755飛機(jī)安裝了DMT機(jī)載粒子探測系統(tǒng)，包括：被動腔氣溶膠探頭（passive cavity aerosol spectrometer probe，PCASP）、云和氣溶膠探頭（cloud and aerosol spectrometer，CAS）、云粒子圖像探頭（cloud imaging probe，CIP）、熱線含水量儀（liquid water content sensor，LWC）、降水粒子圖像探頭（precipitation imaging probe，PIP）、飛機(jī)綜合氣象要素測量系統(tǒng)（aircraftintegrated meteorological measurement system，AIMMS-20）、云凝結(jié)核計數(shù)器（cloud condensation nuclei counter，CCN）、露點(diǎn)濕度計（dew point hygrometer）以及粒子分析和顯示系統(tǒng)。表1為所用探測系統(tǒng)DMT探頭的說明，該系統(tǒng)可以連續(xù)觀測記錄并實(shí)時顯示溫度、濕度、氣壓、飛行高度等宏觀資料以及粒子數(shù)濃度、粒子譜、粒子圖像、含水量等微物理量。

表1 探測系統(tǒng)DMT探頭的說明Tab.1 Description of DMT probe of detection system

1.2 方法

云粒子數(shù)濃度N、平均直徑D、液態(tài)水含量LWC的計算方法［22-23］如下：

式中：Di（μm）、N(Di)（個·cm-3·μm-1）分別為i通道中云粒子中值直徑和單位體積內(nèi)i通道粒子的數(shù)濃度；ΔDi為通道間隔；ρ=1 g·cm-3，為液態(tài)水密度；LWC（g·m-3）由CAS探頭觀測數(shù)據(jù)計算得到。

文中附圖涉及地圖基于內(nèi)蒙古自治區(qū)地圖院提供的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，審圖號為蒙S（2019）33號。

2 天氣實(shí)況和增雨作業(yè)情況

2.1 天氣實(shí)況

內(nèi)蒙古中部地區(qū)實(shí)施人工影響天氣作業(yè)最有利的降水影響系統(tǒng)是河套氣旋［24］。2018年5月10日內(nèi)蒙古中部地區(qū)受500 hPa高空槽與河套氣旋影響普降中雨（圖1），其中作業(yè)區(qū)（包頭市、呼和浩特市）13個自動氣象站中有11站24 h降水量超過10.0 mm，2站出現(xiàn)大雨，最大降水量31.4 mm出現(xiàn)在武川站。此次過程降水集中在5月10日08：00（北京時，下同）至11日08：00，是一次較為典型的春季透雨過程，表2列出了此次降水過程呼和浩特站大氣參數(shù)。

圖1 2018年5月10日08：00至11日08：00內(nèi)蒙古中部地區(qū)降水量（單位：mm）分布Fig.1 Spatial distribution of precipitation in central Inner Mongolia from 08：00 BST May 10 to 08：00 BST May 11，2018（Unit：mm）

表2 2018年5月10日降水過程呼和浩特站大氣參數(shù)Tab.2 Atmospheric parameters of Hohhot station during the precipitation process on May 10，2018

2.2 增雨作業(yè)情況

根據(jù)天氣系統(tǒng)及云系移動情況，5月10日下午，內(nèi)蒙古人工影響天氣中心開展了飛機(jī)人工增雨及空中探測作業(yè)，增雨作業(yè)時間為14：56—18：02，飛機(jī)從呼和浩特白塔機(jī)場起飛后即入云，爬高后飛土默特左旗、土默特右旗、托克托縣、清水河后從和林格爾縣飛回呼和浩特白塔機(jī)場。催化時間為15：36—17：25，飛行過程中有大范圍均勻密實(shí)雷達(dá)回波，回波強(qiáng)度以25 dBZ為主，最大回波強(qiáng)度為28 dBZ，無閃電等強(qiáng)天氣現(xiàn)象。云系自西向東移動，移速約40 km·h-1，0℃層高度為3.3 km，-5、-10℃層高度分別為4.3、5.0 km，高空風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)偏西南向，風(fēng)速6～8 m·s-1，飛行過程中飛機(jī)有輕度積冰，全程無顛簸。

圖2 2018年5月10日增雨作業(yè)飛機(jī)B-3755飛行軌跡Fig.2 Flight trajectory of B-3755 airplane on May 10，2018

圖2、圖3分別是增雨作業(yè)飛機(jī)飛行軌跡與機(jī)載GPS探測結(jié)果。圖3中坐標(biāo)原點(diǎn)為呼和浩特白塔機(jī)場，本場高度1151 m，地面溫度20.7℃；15：21飛機(jī)入云，云底高度2500 m，飛行最大高度4200 m，作業(yè)過程中溫度-3℃左右，相對濕度82%～87%；作業(yè)結(jié)束后，本場溫度12.7℃，相對濕度在95%以上。

圖3 2018年5月10日14：56—18：02增雨作業(yè)飛機(jī)B-3755機(jī)載GPS探測數(shù)據(jù)Fig.3 Airborne GPS detection data of B-3755 airplane from 14：56 BST to 18：02 BST on May 10 of 2018

3 結(jié)果與分析

3.1 云水含量分布特征

云水含量是開展人工增雨作業(yè)的重要參照指標(biāo)，本次飛行機(jī)載粒子探測系統(tǒng)共取得8214組（1 s一組）記錄，參考HOBBS［25］提出的將云中探測到的直徑大于2 μm的小云粒子數(shù)濃度超過10 cm-3作為云水區(qū)的判定標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計飛行作業(yè)過程中云水出現(xiàn)頻率，在8214組記錄中，8086組探測到云水，云水出現(xiàn)頻率為98.4%，其中液態(tài)水探測不為0的記錄為5295組，液態(tài)水出現(xiàn)頻率為65.5%，探測到溫度低于0℃的液態(tài)水記錄為5244組，過冷水（溫度低于0℃的液態(tài)水）出現(xiàn)頻率為99.04%。云中含水量平均為0.058 g·m-3，平均液態(tài)水含量為0.089 g·m-3，作業(yè)過程中云水含量豐富。

統(tǒng)計不同區(qū)間液態(tài)水含量分布發(fā)現(xiàn)，液態(tài)水含量大于0.002 g·m-3的頻率為63.53%，而液態(tài)水含量大于0.050 g·m-3的頻率僅21.22%，因此，液態(tài)水含量主要在0.002～0.050 g·m-3之間（表3）。經(jīng)統(tǒng)計，83.2%的過冷水含量大于0.01 g·m-3，32.7%的過冷水含量大于0.05 g·m-3，內(nèi)蒙古中部地區(qū)層狀云中過冷水含量主要在0.01～0.05 g·m-3之間，與河北地區(qū)（0.01～0.45 g·m-3）［26］、青海地區(qū)（平均0.05 g·m-3）［15］云中過冷水含量的飛機(jī)觀測結(jié)果相當(dāng)。

表3 液態(tài)水含量頻率分布Tab.3 Frequency distribution of liquid water content

3.2 粒子數(shù)濃度分布特征

統(tǒng)計粒子數(shù)濃度不同區(qū)間頻率分布，發(fā)現(xiàn)PIP降水粒子數(shù)濃度均小于5個·cm-3；CIP大云粒子數(shù)濃度大于5個·cm-3的頻率為23.16%，大于10個·cm-3的頻率為14.35%，平均粒子數(shù)濃度為4個·cm-3；CAS小云粒子數(shù)濃度大于5個·cm-3的頻率為66.53%，大于10個·cm-3的頻率為50.47%，大于20個·cm-3的頻率為29.47%，平均粒子數(shù)濃度為18個·cm-3，CAS粒子數(shù)濃度主要在5～20個·cm-3之間（圖4）?？傮w來看，降水粒子及云粒子數(shù)濃度均較小。

圖4 CIP與CAS粒子數(shù)濃度不同區(qū)間頻率分布Fig.4 Frequency distribution of CIP and CAS particle number concentration with different section

3.3 垂直分布特征

圖5 飛機(jī)上升（a）、下降（b）階段CAS小云粒子數(shù)濃度隨高度變化Fig.5 The variation of CAS cloud particle number concentration with altitude during the aircraft ascending（a）and descending（b）phase

圖6 2018年5月10日20：00呼和浩特站L波段探空圖Fig.6 The L-band radiosonde of Hohhot station at 20：00 BST on May 10，2018

飛機(jī)主要采取平飛“8字形”耕云方式開展增雨作業(yè)，從飛機(jī)上升、下降階段分析CAS小云粒子數(shù)濃度的垂直變化（圖5），發(fā)現(xiàn)CAS小云粒子數(shù)濃度的垂直分布極不均勻，且云系為冷暖混合云結(jié)構(gòu)，根據(jù)5月10日20：00呼和浩特站L波段探空（圖6）顯示，內(nèi)蒙古中部地區(qū)0℃層高度大約為3.1 km，因此3.0 km以上主要為冷云，3.0 km以下為暖云，云體發(fā)展深厚，云粒子數(shù)濃度變化較大。上升階段，CAS小云粒子數(shù)濃度隨高度有減小趨勢，而下降階段，CAS小云粒子數(shù)濃度隨高度下降略有減小。從整體作業(yè)過程來看，飛機(jī)在上升階段，小云粒子隨高度減小的趨勢變化與大氣中凝結(jié)核隨高度減小相一致，而在飛機(jī)下降階段，隨著降水發(fā)生，降水對下方有明顯的沖刷作用，雨粒子碰并云粒子的過程發(fā)生在下方，使得下方云粒子濃度略有減少，上方變化不大，上下趨同。

3.4 水平分布特征

圖7 2018年5月10日15：21—17：38飛機(jī)平飛時段云物理量隨時間變化Fig.7 Variation of cloud physical quantities at the plane level flight stage from 15：21 to 17：38 on May 10，2018

圖7為2018年5月10日飛機(jī)平飛時所取得的DMT探測的云物理量時間序列圖，其中PIP有效探測時間為15：21—16：03。可以看到云系水平分布不均勻，粒子數(shù)濃度存在明顯的高低值區(qū)，在4200 m高度平飛過程中，降水粒子數(shù)濃度較小，云粒子數(shù)濃度變化較大，觀測到的云粒子數(shù)濃度比降水粒子數(shù)濃度大2個量級，液態(tài)水含量在0.005～1.840 g·m-3之間，瞬時最大值（1.840 g·m-3）出現(xiàn)在16：10。計算16：00—17：00不同溫度段云中液態(tài)水含量LWC，-2～-1℃液態(tài)水含量均值為0.045 g·m-3，-3～-2℃為0.025 g·m-3。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CIP大云粒子數(shù)濃度大于等于20個·cm-3時，云粒子直徑在200～425 μm；CAS小云粒子數(shù)濃度大于等于20個·cm-3時，云粒子以直徑為3.5～11.5 μm的云滴為主，云粒子有效直徑平均為8.62 μm。

結(jié)合地面降水進(jìn)一步分析飛機(jī)平飛時段云微物理量特征，其中粒子中值體積直徑是指云滴尺度上液水含量分布的中值。16：00—17：00飛機(jī)位于托克托縣與清水河縣上空，統(tǒng)計地面出現(xiàn)降水時云粒子數(shù)濃度與液態(tài)水含量（表4），當(dāng)區(qū)域內(nèi)有降水出現(xiàn)時，對應(yīng)空中CIP大云粒子數(shù)濃度普遍較低，大多在10個·cm-3以下，CAS小云粒子數(shù)濃度大多在10個·cm-3以上，液態(tài)水含量大多在0.02 g·m-3以上，CIP大云粒子、CAS小云粒子平均中值體積直徑分別為420.29、10.96 μm。

3.5 液態(tài)水含量與CIP云粒子數(shù)濃度分布特征

從CIP云粒子數(shù)濃度、CIP云粒子中值體積直徑（MVD）與CIP計算含水量的散點(diǎn)圖分布（圖8）來看，CIP云粒子數(shù)濃度大于20個·cm-3時，LWC基本在2 g·cm-3以下，云粒子MVD主要在100～700 μm；當(dāng)CIP云粒子數(shù)濃度小于15個·cm-3時，LWC均大于2 g·cm-3，此時對應(yīng)的CIP大云粒子中值體積直徑均大于750 μm。CIP大云粒子數(shù)濃度反映云中冰晶濃度，即自然云中冰晶多少，此次降水過程中，飛機(jī)在4.2 km高度開展增雨探測任務(wù)，CIP探測的大云粒子數(shù)濃度總體較小，當(dāng)云中CIP大云粒子數(shù)濃度較小時，CIP計算含水量相對較大，此時CIP大云粒子的中值體積直徑較大，說明在層狀云中溫度較低區(qū)域，存在自然冰晶較小、過冷水相對較豐富區(qū)域，具有較好的引晶催化潛力。

表4 2018年5月10日16：00—17：00地面出現(xiàn)降水時云微物理量統(tǒng)計Tab.4 Statistics of cloud microphysical quantities at precipitation occurrence time on the ground from 16：00 BST to 17：00 BST on May 10，2018

3.6 云粒子譜分布特征

圖8 CIP計算含水量與CIP大云粒子數(shù)濃度（a）、CIP大云粒子中值體積直徑（b）散點(diǎn)分布Fig.8 Scatter distribution of CIP water content and CIP cloud particle number concentration（a），median volume diameter of CIP cloud particle（b）

云粒子譜的變化反映云中粒子增長過程及云的微物理特征。根據(jù)飛機(jī)觀測以及宏觀記錄表顯示，飛機(jī)于16：11飛到作業(yè)區(qū)，全程在云中作業(yè)，在作業(yè)區(qū)催化播散過程中機(jī)翼出現(xiàn)輕度積冰現(xiàn)象。因此選取飛機(jī)在作業(yè)區(qū)飛行時段（16：11—17：11）分析云粒子譜特征。從催化過程中平均粒子譜合成分布（圖9）可以看出，CAS小云粒子與CIP大云粒子譜型均表現(xiàn)為單峰型分布，且整體上呈現(xiàn)遞減趨勢，CAS小云粒子數(shù)濃度從100個·cm-3·μm-1下降到10-2個·cm-3·μm-1，CIP大云粒子數(shù)濃度從10-2個·cm-3·μm-1下降到10-5個·cm-3·μm-1，其中CAS小云粒子數(shù)濃度峰值區(qū)的粒子主要以直徑為0.645～1.065 μm的云滴為主，CIP大云粒子譜峰值區(qū)的粒子主要以直徑為250～375 μm的云滴為主。

圖9 作業(yè)區(qū)CAS與CIP平均云粒子譜分布Fig.9 Distribution of CAS and CIP average cloud particle spectrum in operation area

4 結(jié)論與討論

2018年5月10日受500 hPa高空槽與河套氣旋共同影響，內(nèi)蒙古中部地區(qū)形成穩(wěn)定性層狀云降水，降水過程中有成片均勻密實(shí)的雷達(dá)回波覆蓋中部地區(qū)，大部地區(qū)出現(xiàn)中雨天氣。本文利用該過程飛機(jī)宏、微觀探測資料，分析內(nèi)蒙古中部地區(qū)春季層狀云云微物理特征，得到以下結(jié)論：

（1）飛行作業(yè)過程中液態(tài)水出現(xiàn)頻率為65.9%，過冷水出現(xiàn)頻率為99.04%，云中含水量平均為0.058 g·m-3，液態(tài)水含量平均為0.089 g·m-3，過冷水含量為0.010～0.050 g·m-3，作業(yè)過程中云水含量豐富，降水粒子數(shù)濃度、云粒子數(shù)濃度均較小，且云系的垂直、水平分布均表現(xiàn)出明顯的不均勻性，云粒子譜型呈單峰分布，總體上呈現(xiàn)為遞減趨勢。

（2）飛機(jī)在層狀云中下部4200 m高度、溫度約-5℃平飛，當(dāng)CIP大云粒子濃度小于15個·cm-3時，CIP計算含水量均在2 g·cm-3以上，CIP大云粒子中值體積直徑均大于750 μm，說明在層狀云中溫度較低區(qū)域，存在自然冰晶較小、過冷水相對較豐富區(qū)域，具有較好的引晶催化潛力。

為進(jìn)一步提高對層狀云降水云系增雨催化潛力的認(rèn)識，利用陶樹旺等［21］研究的層狀云人工增雨可播度判別指標(biāo)，初步探討此次降水過程人工增雨作業(yè)可播度，計算發(fā)現(xiàn)人工增雨作業(yè)可播度為30%，即此次過程中30%云區(qū)可播。計算的可播云區(qū)在總云區(qū)占比較低，這可能與此次增雨過程中飛機(jī)在云體中下部位飛行探測，而云體中下部小云粒子普遍偏低，因此造成計算的云區(qū)可播度較低。此外在此次增雨作業(yè)過程中未開展垂直探測，對云微物理的垂直特征分析不足，有待后續(xù)進(jìn)一步開展探測工作。