三江源區(qū)積層混合云微物理特征機(jī)載觀測試驗(yàn)研究

韓輝邦， 張玉欣， 郭世鈺， 唐文婷

（1.青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，青海 西寧 810000；2.青海省人工影響天氣辦公室，青海 西寧 810000；3.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810000）

積層混合云由層狀云和嵌入其中的對流云組成，生命期較長，是我國北方主要降水云系，也是實(shí)施飛機(jī)人工增雨的主要目標(biāo)云系［1-5］。自20世紀(jì)70年代起，國內(nèi)外先后開展了一系列針對積層混合云系的飛機(jī)探測研究［6-8］。Evans 等［9］研究發(fā)現(xiàn)，嵌入層狀云中的對流單體液態(tài)含水量更高，上升速度更強(qiáng)，能夠產(chǎn)生更多的冰晶；范燁等［4］研究北京地區(qū)積層混合云結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，大粒子分布較均勻，小粒子在對流區(qū)內(nèi)外差距較大，對流區(qū)內(nèi)濃度大尺度?。粡埖鑷龋?0］研究環(huán)北京地區(qū)積層混合云微物理結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)，云粒子譜在高層為單峰譜，底層為雙峰譜，降水粒子在不同高度均為單峰譜；朱士超等［5］研究發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)積層混合云中觀測的液水含量呈不均勻分布，最大值可達(dá)1.5 g·m-3；王元等［11］分析河北地區(qū)積層混合云飛機(jī)探測資料發(fā)現(xiàn)，嵌入式積云區(qū)溫度低于周圍層云區(qū)，含水量分布不均且大于層云區(qū)；亓鵬等［12］研究華北太行山東麓積層混合云中對流泡和融化層結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)，在含有高過冷水含量的對流泡中，冰粒子增長主要是聚并和凇附增長，而在過冷水含量較低的云區(qū)以聚并增長為主；劉香娥等［13］研究北京地區(qū)積層混合云垂直結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，云中冰晶形狀主要有板狀、針柱狀、輻枝狀和不規(guī)則狀，冰晶的聚合是云中粒子增長的主要過程；高茜等［14］研究發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)積層混合云中層云區(qū)和積云區(qū)冰粒子形狀和形成過程有明顯差別，層云區(qū)的粒子形狀組成比較復(fù)雜，包含針狀、柱狀和輻枝狀等，而積云區(qū)主要以輻枝狀粒子為主，聚并、凇附過程明顯。

三江源地處青藏高原腹地，是長江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地，是我國淡水資源的重要補(bǔ)給地，同時(shí)也是亞洲、北半球乃至全球氣候變化的敏感區(qū)和重要啟動區(qū)［15-17］。受地理位置和氣候特征等影響，高原地區(qū)云系結(jié)構(gòu)及物理特征與平原地區(qū)有很大差異。目前，國內(nèi)已有學(xué)者開展了一些針對高原云物理特征的相關(guān)研究，徐祥德等［18］認(rèn)為，青藏高原中小尺度對流泡較多，并對應(yīng)著窄長的上沖熱泡；傅云飛等［19］利用TRMM 衛(wèi)星資料研究發(fā)現(xiàn)，高原降水云團(tuán)多呈零散塊狀的水平分布，降水存在塔狀分布特征；常祎等［20］研究青藏高原夏季對流云發(fā)現(xiàn)，受高原加熱效應(yīng)影響，對流云在11:00發(fā)展，17:00—18:00達(dá)到最強(qiáng)；王黎俊等［21］研究三江源秋季層積云增雨催化試驗(yàn)的微物理響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，云粒子中值直徑集中在3.5～18.5 μm，直徑21.5～45.5 μm的云粒子基本為冰晶。但受觀測手段等因素限制，三江源地區(qū)云物理相關(guān)研究較少，因此，開展三江源及青藏高原地區(qū)云物理及云降水特征研究，將有助于掌握該地區(qū)降水形成演變規(guī)律，對提升高原山區(qū)空中云水資源開發(fā)利用率、提高天氣預(yù)報(bào)和人工影響天氣水平具有重要意義，同時(shí)也可為保護(hù)高寒濕地生態(tài)環(huán)境及水源涵養(yǎng)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。本研究利用“第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究”項(xiàng)目在三江源區(qū)開展的飛機(jī)云物理探測試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對2020年9月13日三江源澤庫地區(qū)一次積層混合云宏微觀物理特征進(jìn)行研究，揭示該地區(qū)積層混合云系的微物理結(jié)構(gòu)和降水形成機(jī)制，為科學(xué)有效開展人工增雨作業(yè)提供支撐。

1 儀器和資料

1.1 飛機(jī)探測資料

探測平臺為空中國王350飛機(jī)搭載的云物理探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：（1）飛機(jī)綜合氣象要素測量系統(tǒng)AIMMS（Aircraft Integrated Meteorological Measurement System），用于測量溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和飛行軌跡等；（2）云粒子圖像探頭CIP（Cloud Imaging Probe），測量范圍25～1550 μm，共分62檔，分辨率為25 μm，用于探測冰晶和大云滴，并輸出二維圖像，本文將CIP探測的云粒子簡稱為CIP粒子；（3）熱線含水量儀LWC（Hotwire Liquid Water Content），測量范圍0.01～3.00 g·m-3，用于探測云中液態(tài)含水量。探測儀器經(jīng)國內(nèi)專業(yè)機(jī)構(gòu)定期標(biāo)定，每次飛行前定時(shí)維護(hù)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)值質(zhì)量可靠。

為減少儀器帶來的誤差，參考Field 等［22］處理方法，剔除CIP 數(shù)據(jù)第一檔觀測值，同時(shí)，由于CIP 原始數(shù)據(jù)為圖像數(shù)據(jù)，利用美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）開發(fā)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)SODA (The System for OAP Data Analysis)對二維圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。粒子圖像校正使用Shattering Correction 方法，該方法基于粒子到達(dá)時(shí)間進(jìn)行粒子破碎校正，詳見文獻(xiàn)［22］。探測飛行時(shí)對LWC進(jìn)行晴空無云標(biāo)定，以保證獲取精確的云內(nèi)液態(tài)含水量。

1.2 飛行概況

1.2.1 研究區(qū)概況 研究區(qū)青海省黃南藏族自治州澤庫縣（101°28′14″E，35°02′19″N）位于三江源東部黃河上游第一彎處，海拔3662 m，為高原大陸性季風(fēng)氣候，屬高原亞寒帶濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫-0.7 ℃，年平均降水量548 mm且分布不均，是黃河上游地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)地和產(chǎn)流區(qū)。研究區(qū)水汽資源豐富，20世紀(jì)90年代在該地區(qū)開展過一些人工增雨科學(xué)試驗(yàn)，取得了初步的研究成果［23-26］。歷年氣象觀測資料表明，三江源地區(qū)降水云系主要為蔽光高層云，受高原復(fù)雜地形影響，系統(tǒng)前期常伴隨出現(xiàn)地形積云，形成積層混合云降水，并由中小尺度天氣引發(fā)形成強(qiáng)對流云性降水。此外，原屬于穩(wěn)定性降水的層積云，卻經(jīng)常演化為積云，并伴隨蔽光高層云和地形積云出現(xiàn)，形成較大的降水［27］。因此，積層混合云是三江源地區(qū)主要降水云系，也是開展人工增雨作業(yè)的主要目標(biāo)云系。本研究所選飛機(jī)探測云系為三江源區(qū)典型降水天氣系統(tǒng)積層混合云，具有一定的典型性。研究區(qū)地形及實(shí)際飛行航跡見圖1。

1.2.2 天氣背景 由圖2 可知，9 月12—13 日，由西亞大槽分離的高原槽沿35°N東移，結(jié)合北部東移南壓的北槽，在青藏高原東部形成大范圍降水。在13日高原槽逐漸移出，探測時(shí)500 hPa 高空為低壓槽后，風(fēng)向?yàn)槠黠L(fēng)。云系主要位于觀測區(qū)以東，觀測區(qū)在飛機(jī)觀測時(shí)由不均勻的混合云系覆蓋。

圖2 2020年09月13日08:00 天氣背景Fig.2 Weather background at 08:00 on 13 September 2020

1.2.3 飛行概況 飛機(jī)飛行時(shí)間為2020 年9 月13日08:53—11:29（北京時(shí)，下同），總飛行時(shí)間2 h 13 min。探測時(shí)間為09:40—10:30，探測區(qū)域云系為積層混合云，探測高度7850～6600 m，共平飛探測5 層（7850 m、7500 m、7200 m、6900 m、6600 m），總探測時(shí)長50 min，獲取2161 個(gè)樣本數(shù)據(jù)，本次飛行線路及探測航線見圖3。

圖3 飛行航跡（a）和探測軌跡（b）Fig.3 Flight path trajectory(a)and detection trajectory(b)

2 積層混合云分布特征

2.1 云宏微觀物理量時(shí)間演變特征

圖4 為探測時(shí)段內(nèi)溫度（T）、高度（Altitude）、相對濕度（RH）和液態(tài)含水量（LWC）隨時(shí)間變化圖，探測時(shí)間內(nèi)T位于-23～-10 ℃之間，RH在90%～100%，LWC在0.04～0.70 g·m-3之間。T和LWC隨高度降低逐漸升高。RH 在7850～6900 m 相對穩(wěn)定在100%，在7200 m和6900 m飛機(jī)下降階段波動較大，原因可能是下降過程中飛機(jī)速度和傾斜角度超過AIMMS測量量程所帶來的誤差。RH在6600 m平飛探測階段變化較為劇烈，在90%～97%之間，對流泡中LWC明顯高于其他區(qū)域。

圖4 探測階段中T、高度、RH和LWC隨時(shí)間變化Fig.4 Temperature(T),altitude,relative humidity(RH)and liquid supercooled water(LWC)over time in the detection phase

2.2 云垂直分布特征

圖5a、圖5b分別給出了飛機(jī)垂直探測階段平均云粒子濃度（CIP）、LWC、T 和云粒子在各粒徑的濃度譜。T 變化較均勻且隨高度下降而升高，在6900 m 時(shí)存在明顯的逆溫現(xiàn)象。LWC 隨高度下降而升高，下層減少趨勢較為明顯。云粒子譜在7200～6900 m之間存在明顯的高值區(qū)域，主要原因?yàn)榇藭r(shí)段內(nèi)飛機(jī)探測處于對流泡中，而其他下降階段處于層云中，這也是導(dǎo)致LWC 和T 在7200～6900 m 高度上差異明顯的原因。云粒子濃度在101～102L-1左右，飛行高度在7200～6900 m時(shí)，云粒子直徑集中在500 μm以下，高度低于6900 m時(shí)，云中可見較大粒子，粒子直徑集中在500～900 μm之間。

圖5 探測階段平均云粒子濃度、LWC、溫度（a）和云粒子濃度譜（b）垂直特征Fig.5 Vertical characteristics of the average cloud concentration,LWC,T(a)and cloud particle concentration spectrum(b)during the detection phase

2.3 云中對流泡分布特征

圖6 給出了不同飛行高度上LWC、RH、云粒子數(shù)濃度（ND）、有效粒子半徑（ED）和云粒子（D）在不同粒徑下的濃度譜分布。圖6a為7850 m高度，實(shí)際探測位置為云頂且云頂不均勻，探測區(qū)域存在高于周圍云體的突出部分。積層混合云云中對流泡位置Cu1和Cu2段除RH外，其他各項(xiàng)物理量值均有明顯變化，LWC與云粒子數(shù)濃度峰值均有較好的對應(yīng)關(guān)系，Cu1 和Cu2 內(nèi)平均LWC 為0.07 g·m-3，高出周圍0.01 g·m-3，云粒子數(shù)濃度在Cu1 和Cu2 內(nèi)為138.41 L-1左右，周圍云粒子數(shù)濃度在17.14 L-1左右，相差達(dá)8倍。對流泡內(nèi)平均有效粒子半徑為422.36 μm，周圍云中為258.87 μm，相差近2倍。

圖6b 為7500 m 高度，此時(shí)段僅探測到一段對流泡，Cu3 中平均LWC 為0.12 g·m-3，周圍層云中平均LWC為0.11 g·m-3，低于對流泡約0.01 g·m-3；對流泡中云粒子數(shù)濃度為208.94 L-1，周圍層云為20.71 L-1，對流泡中云粒子數(shù)濃度高出周圍層云約10 倍，同時(shí)，對流泡中平均有效粒子半徑大于周圍層云約169.37 μm。

圖6c 為7200 m 探測時(shí)段，Cu4 中平均LWC 為0.24 g·m-3，周圍層云中LWC為0.17 g·m-3，對流泡中LWC 高出周圍層云約0.07 g·m-3。對流泡中云粒子數(shù)濃度為139.20 L-1，周圍層云為36.95 L-1，高出近4倍。平均有效粒子半徑為232.24 μm。另外，此時(shí)段層云中云粒子數(shù)濃度較低，但在10:07 后LWC 出現(xiàn)波動，但未出現(xiàn)如Cu1、Cu2和Cu3中LWC和云粒子數(shù)濃度較周圍有明顯變化的情況，因此認(rèn)為7200 m處為層狀云。

圖6d 為6900 m 探測階段，此時(shí)段探測中并沒有探測到對流泡，上文提到在7200～6900 m 下降階段中穿過對流泡對應(yīng)位置在Cu1～Cu4 下部，6900 m高度上探測飛機(jī)未到達(dá)該位置。在6900 m高度，云中LWC 為0.28 g·m-3左右，平均云粒子數(shù)濃度為51.86 L-1，平均粒子有效半徑為123.45 μm。

圖6e為6600 m探測時(shí)段，此時(shí)段在相同位置觀測到了Cu5和Cu6，該層RH在90%～96%之間，在對流泡區(qū)域RH與LWC呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢。對流泡中平均LWC 為0.53 g·m-3，高于周圍層云0.03 g·m-3。對流泡中平均云粒子數(shù)濃度為63.10 L-1，平均粒子有效半徑為310.47 μm。周圍層云中平均云粒子數(shù)濃度為50.11 L-1，平均粒子有效半徑為244.17 μm，均小于對流泡。

圖6 平飛探測階段不同高度處LWC和RH、ND和ED瞬時(shí)譜分布Fig.6 Transient spectral distribution of LWC and RH,ND and ED at the different altitude of level flight detection stage

不同高度下對流泡和周圍層云中云微物理量均值如表1 所示。本次探測中，云頂T 為-23 ℃，觀測區(qū)內(nèi)T 范圍在-23～-9 ℃之間，對流泡內(nèi)LWC 在0.07～0.53 g·m-3，周圍層狀云LWC在0.06～0.50 g·m-3之間，LWC 隨高度下降而上升，在觀測區(qū)域內(nèi)LWC最高值對應(yīng)的T為-9 ℃。在探測最低位置6600 m，對流泡與周圍層狀云在云粒子數(shù)濃度上差異并不明顯，但在探測最高位置7500 m 處，對流泡中云粒子數(shù)濃度高出層云中近8倍，平均LWC高出周圍層狀云0.03 g·m-3。在7850～7500 m 處，LWC、云粒子數(shù)濃度和有效粒子半徑均有明顯上升趨勢。在7500～6600 m 處LWC 持續(xù)上升，云粒子數(shù)濃度和有效粒子半徑持續(xù)下降，平均RH 在6600 m 下降到93%。

表1 探測過程中不同平飛階段對流泡與層云云微物理量平均值Tab.1 Average values of convection and microphysical quantities of stratus clouds at different levels of flight during the detection process

“播撒-供給”機(jī)制中對流泡作為冰粒子的“播種”云，而周圍的層云作為對流泡云底部的水汽“供給”云，并且其具備更高的LWC［28］。Plummer等［29］研究冬季大陸性氣旋中的對流泡云內(nèi)外微物理結(jié)構(gòu)表明，云內(nèi)溫度在-31.4～-11.1 ℃時(shí)LWC 在0.09～0.12 g·m-3之間，高值區(qū)可增加至0.14～0.28 g·m-3，最大的LWC 出現(xiàn)在溫度-16 ℃。張佃國等［30］研究山東地區(qū)黃淮氣旋背景系統(tǒng)下積層混合云內(nèi)微物理過程發(fā)現(xiàn)，其對流泡內(nèi)的平均LWC為0.15 g·m-3，對流泡外均值為0.04 g·m-3，對流泡內(nèi)LWC 約為對流泡外的4 倍。在本次探測中，溫度在-23～-9 ℃之間，對流泡區(qū)域云粒子數(shù)濃度和LWC有較好的對應(yīng)關(guān)系，平均LWC為0.28 g·m-3，高于層云約0.03 g·m-3。高度逐漸下降時(shí)，對流泡內(nèi)外LWC 差異逐漸增大，但并沒有出現(xiàn)倍數(shù)差異，主要原因可能為探測時(shí)間在9 月13 日上午，根據(jù)澤庫國家氣象站數(shù)據(jù)顯示，此次降水從12 日夜間開始，13 日上午地面溫度不足，對流泡發(fā)展深度不強(qiáng)。

如圖7 所示，本次積層混合云粒子譜分布呈三峰型，峰值分別在50 μm、400 μm 和1000 μm 附近。對流泡內(nèi)粒子濃度在7500 m 處最高，6600 m 處最低，7850 m和7200 m處粒子譜分布基本一致。層云中粒子濃度在6600 m 處最高，7500 m 處最低，最大值與最小值與對流泡內(nèi)粒子濃度相反。整體而言，除最低高度6600 m外，不同高度下對流泡內(nèi)粒子濃度均高于層云，但不同高度下對流泡和層云內(nèi)粒子譜寬基本一致。

圖7 飛機(jī)平飛探測時(shí)段平均粒子譜Fig.7 Average particle spectrum of cloud detection during the aircraft level flight detection period

圖8為平飛探測階段對流泡內(nèi)及層狀云中CIPED、LWC 及CIP 探測的二維粒子圖像分布。由圖8可知，積層混合云中規(guī)則形狀的冰晶較少，部分高度層存在少量的六角板狀冰晶和線狀粒子，大部分為聚合狀的冰相粒子，積層混合云內(nèi)主要以冰凇附增長和聚并增長機(jī)制為主。

7850 m 處對流泡與層云粒子均呈板狀和聚合狀，層云中的粒子明顯比對流泡中小，并且對流泡中聚合狀粒子占比更高，說明在該高度上水汽擴(kuò)散較好，以粒子的凝華增長機(jī)制和冰晶凇附增長機(jī)制為主，對流泡中上升氣流更大，聚合狀冰晶粒子更多。7500 m處對流泡中以板狀、線狀和聚合狀粒子為主，增長主要以水汽擴(kuò)散的凝華增長為主，聚合狀粒子較7850 m處有所增加，但該高度下層云中沒有出現(xiàn)明顯的線狀粒子，主要以板狀和聚合狀粒子為主，并且板狀粒子粒徑與7500 m 處基本一致，聚合狀粒子有增長的趨勢。在7500 m處，對流泡中以凝華增長和冰凇附增長機(jī)制為主，在層云中則以冰凇附增長機(jī)制為主。6600 m 處對流泡中以聚合狀粒子為主，從圖像可以看出，大部分的粒子超過了CIP 可探測的范圍，云粒子譜（圖6a）表明在該層粒子整體偏少，對應(yīng)圖像說明粒子在該層普遍長大到超過1500 μm。在6600 m 處層云中可見少量的板狀和針狀的冰晶粒子，大部分粒子以聚合狀冰晶為主，以凝華增長和冰凇附增長機(jī)制為主。

總體而言，高過冷水含量是增強(qiáng)對流泡中凝華和聚集過程的關(guān)鍵，Zhu 等［31］觀測發(fā)現(xiàn)對流泡中枝狀結(jié)構(gòu)更為明顯，并且粒子相對更大。本研究對流泡中T 在-22.6～-9.6 ℃時(shí)，云中粒子基本以聚合狀和少量針柱狀為主，周圍層狀云粒子相對較小，且可見明顯的六角板狀結(jié)構(gòu)。

本次探測中7500 m高度處云粒子數(shù)濃度最高，有效粒子半徑最大。受到飛機(jī)最大安全高度和實(shí)際飛行條件的限制，探測位置為云頂至云中上層，如圖8所示，7800 m處粒子已相對較大，說明上層已有凝結(jié)核和云粒子形成，這種現(xiàn)象在李義宇等［32］對山西省層狀云的探測中也有發(fā)現(xiàn)。云粒子濃度隨高度下降，且粒子直徑持續(xù)下降，但從二維圖像上可以看出，云粒子隨著高度的下降逐漸變大，且逐漸超出CIP 探測量程。但在LWC 隨高度的下降階段，云粒子數(shù)濃度并沒有隨之上升，說明在云中存在“播撒-供給”機(jī)制。

圖8 平飛探測時(shí)段云中CIP-ED、LWC及CIP探測的二維粒子圖像Fig.8 CIP-ED,LWC and CIP-probed 2-D particle images in mixed cumulus cloud sand CIP-probed 2-D particle images within level flight detection

3 結(jié)論

本文利用機(jī)載DMT 云物理探測系統(tǒng)，對2020年9 月13 日在三江源區(qū)一次積層混合云飛機(jī)探測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

（1）積層混合云內(nèi)T 在-23～-10 ℃之間，RH 在90%～100%之間，LWC 在0.04～0.70 g·m-3，平均ND為53.51 L-1，平均ED為270.47 μm，LWC隨高度下降而上升。對流泡中平均ND為115.37 L-1，平均ED為359.69 μm，均高于層云，ND 和LWC 有較好的對應(yīng)關(guān)系，LWC 在0.07～0.53 g·m-3，平均LWC 為0.28 g·m-3。周圍層狀云中LWC 在0.06～0.50 g·m-3之間，平均LWC 為0.25 g·m-3。因此，在三江源區(qū)開展積層混合云飛機(jī)人工增雨作業(yè)時(shí)，播撒窗溫度選擇在-9～-23 ℃之間，將會更有利于提升播云催化效率，提高催化效果。

（2）積層混合云粒子譜呈現(xiàn)多峰型分布，峰值分別位于50 μm、400 μm 和1000 μm。除6600 m外，不同高度下對流泡中云粒子濃度均高于周圍層云，不同高度下對流泡和層云內(nèi)粒子譜寬一致。

（3）積層混合云內(nèi)主要以凇附增長和聚并增長機(jī)制為主，云中規(guī)則形狀的冰晶較少，部分高度層存在少量的六角板狀冰晶和線狀粒子，大部分為聚合狀冰相粒子。過冷水含量和粒子有效半徑隨高度的下降而逐漸上升。對流泡和層云中粒子圖像差異明顯，層云中可見六角板狀冰晶，積層混合云中降水機(jī)制符合“播撒-供給”機(jī)制。