華北地區(qū)一次低槽冷鋒云系結(jié)構(gòu)和增雨條件研究

史月琴，趙俊杰，孫 晶，孫玉穩(wěn)

（1.中國(guó)氣象局云降水物理與人工影響天氣重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國(guó)氣象局人工影響天氣中心，北京 100081；3.山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，山西 太原 030032；4.河北省人工影響天氣辦公室，河北 石家莊 050021）

引 言

華北地區(qū)處于暖溫帶半潤(rùn)濕半干旱區(qū)，年平均降水量400～800 mm，降水季節(jié)分配不均，年際變化大，旱災(zāi)發(fā)生頻繁。地處華北地區(qū)的河北、山西2017年春季發(fā)生嚴(yán)重干旱，對(duì)農(nóng)作物播種及生長(zhǎng)造成一定影響［1］，抓住有利時(shí)機(jī)開(kāi)展人工增雨作業(yè)有利于緩解旱情、減輕干旱災(zāi)害影響。低槽冷鋒是河北省春秋季的主要降水天氣系統(tǒng)，形成的大范圍層狀云系是當(dāng)?shù)厝斯ぴ鲇甑闹饕鳂I(yè)對(duì)象［2］，但并不是云系的所有區(qū)域都適合開(kāi)展人工增雨作業(yè)，如何確定合適的增雨時(shí)機(jī)和部位是科學(xué)實(shí)施增雨作業(yè)的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)鋒前、鋒區(qū)、鋒后的云系結(jié)構(gòu)和降水機(jī)制差異明顯，位于地面鋒面上的窄冷鋒雨帶，其云系為冷暖混合云，自上而下分別是冰晶、雪、霰和過(guò)冷水、液態(tài)水，過(guò)冷水的分布局地性強(qiáng)，而位于鋒線稍后的高空鋒區(qū)屬于寬冷鋒雨帶，常為高層冷云［3-8］。在云的發(fā)展、維持階段，上升氣流供應(yīng)的水汽可維持人工增雨的潛力［9］，同時(shí)催化引起的水凝物相態(tài)轉(zhuǎn)化帶來(lái)潛熱釋放，進(jìn)而引起局部增溫和上升速度增加，也可促進(jìn)云和降水發(fā)展。春季出現(xiàn)的低槽冷鋒云系不同發(fā)展階段的云系結(jié)構(gòu)及增雨條件研究有助于提高人工增雨作業(yè)效率，進(jìn)而緩解當(dāng)?shù)睾登椤?/p>

人工增雨不同于人工激發(fā)降水，考慮增雨作業(yè)的經(jīng)濟(jì)需求和實(shí)際作業(yè)效果，通常選擇雨強(qiáng)大于0.1 mm·h-1的雨區(qū)開(kāi)展［9］。自然云中冰晶濃度較低有利于增雨作業(yè)，陶樹(shù)旺等［10］研究認(rèn)為機(jī)載2D-C探測(cè)的大粒子數(shù)濃度小于20 個(gè)·L-1時(shí)，可確定為強(qiáng)可播區(qū)，否則為可播區(qū)。

經(jīng)典理論認(rèn)為，催化引入的人工冰晶可通過(guò)貝吉隆過(guò)程將過(guò)冷云水轉(zhuǎn)化為降水。胡志晉［9］指出人工冰晶還可使部分冰面過(guò)飽和水汽轉(zhuǎn)化為降水，這個(gè)觀點(diǎn)在碘化銀（AgI）催化數(shù)值模擬試驗(yàn)中得到了印證［11-13］。AgI 人工冰核有4 種核化機(jī)制［14］，即接觸凍結(jié)、浸沒(méi)凍結(jié)核化消耗過(guò)冷水，凝華、凝結(jié)凍結(jié)核化消耗過(guò)飽和水汽。在沒(méi)有過(guò)冷水的區(qū)域，AgI 以凝華核化為主，發(fā)生條件是云中溫度低于-5 ℃且冰面飽和比大于1.04［15］。孫晶等［7］采用逐時(shí)雨強(qiáng)、上升運(yùn)動(dòng)區(qū)、過(guò)冷水含量、冰晶數(shù)濃度及溫度構(gòu)建增雨條件指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)西風(fēng)槽降水云系中槽線附近存在強(qiáng)可播區(qū)，但該指標(biāo)體系沒(méi)有考慮云中冰面過(guò)飽和水汽對(duì)增雨的潛力。而在層狀云降水形成過(guò)程中，冰面過(guò)飽和水汽對(duì)凝華增長(zhǎng)有較大作用［4］。

目前還鮮少有研究選擇一個(gè)特定區(qū)域，以時(shí)間演變的角度對(duì)經(jīng)過(guò)本地的低槽冷鋒云系展開(kāi)研究。本文以邢臺(tái)地區(qū)為例，研究不同降水階段云系結(jié)構(gòu)和增雨條件，以期為科學(xué)、精準(zhǔn)、安全實(shí)施人工增雨作業(yè)提供技術(shù)支撐。

1 資料與方法

所用的NCEP FNL 再分析資料（https：//rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/），水平分辨率為1°×1°，時(shí)間間隔6 h，用于分析天氣形勢(shì)并作為初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件啟動(dòng)云降水顯式預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Cloud and Precipitation Explicit Forecast System，CPEFS_v1.0）。FY-2F

衛(wèi)星黑體亮溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)（http：//data.nsmc.org.cn/portalsite/Data/Satellite.aspx）。中國(guó)地面自動(dòng)氣象站與CMORPH（Climate Prediction Center MORPHing technique，CMORPH）衛(wèi)星反演降水融合的逐小時(shí)降水量產(chǎn)品（V1.0）［16］，水平分辨率為0.1°×0.1°，地面自動(dòng)站雨量資料均來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）。文中附圖涉及的地圖基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS（2021）1328 號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無(wú)修改。

模擬采用CPEFS_v1.0 系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于WRF動(dòng)力框架耦合了中國(guó)氣象科學(xué)研究院（Chinese Academy of Meteorological Sciences，CAMS）云微物理方案［17-18］。模擬時(shí)段為5月22日08：00 至23日08：00，模式水平分辨率為3 km，中心點(diǎn)位于114.5°E、37.5°N，水平格點(diǎn)數(shù)400×350，垂直方向上分為不等間距32 層，模式頂層氣壓為50 hPa，時(shí)間步長(zhǎng)15 s，10 min 輸出一次模擬結(jié)果。采用MYJ 邊界層方案、RRTM 長(zhǎng)波輻射方案、Dudhia短波輻射方案，由于模式水平分辨率達(dá)到對(duì)流可分辨尺度，故沒(méi)有采用積云參數(shù)化方案。

利用CPEFS_v1.0，結(jié)合實(shí)況資料，對(duì)2017年5月22日一次低槽冷鋒系統(tǒng)經(jīng)過(guò)邢臺(tái)站時(shí)的水汽、動(dòng)力、云宏微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究，在已往研究基礎(chǔ)上構(gòu)建增雨條件數(shù)值模式綜合識(shí)別指標(biāo)，利用該指標(biāo)體系對(duì)不同降水階段與不同區(qū)域的增雨可播區(qū)進(jìn)行識(shí)別。

2 天氣形勢(shì)與降水過(guò)程概況

2017年5月22日08：00（北京時(shí)，下同），我國(guó)西北地區(qū)東部到華北地區(qū)500 hPa 多短波擾動(dòng)，由700 hPa 低渦中心延伸出的切變線經(jīng)過(guò)內(nèi)蒙古東南部—河北北部—山西北部，500 hPa槽線明顯落后于700 hPa切變線，為典型的后傾槽［圖1（a）］。850 hPa高度場(chǎng)上山西、河北處于倒槽影響下，河北北部—山西北、中部存在明顯的切變錢，山西與河北的中部、南部比濕超過(guò)9 g·kg-1；地面伴隨有冷鋒，地面鋒線位于遼寧中部—河北中部—山西中部—陜西中部一線，河北南部受偏南風(fēng)影響［圖1（b）］。大范圍低槽冷鋒云系呈帶狀分布，主要位于地面鋒線之后、500 hPa 高空槽前，08：00 邢臺(tái)上空還沒(méi)有云系覆蓋。

低槽冷鋒在東移過(guò)程中發(fā)展加強(qiáng)，22日14：00邢臺(tái)位于地面鋒線附近的云系前緣，20：00，700 hPa切變線壓在邢臺(tái)上空，邢臺(tái)處于地面鋒線后及500 hPa槽前的冷鋒云系中間部位［圖1（c）、圖1（d）］。23日02：00，500 hPa高空槽已移過(guò)邢臺(tái)，邢臺(tái)地區(qū)處于冷鋒云系尾部。

圖1 2017年5月22日08：00（a、b）與20：00（c、d）位勢(shì)高度、溫度、風(fēng)場(chǎng)、FY-2F衛(wèi)星黑體亮溫及比濕分布［（a、c）圖中，紅色虛等值線表示500 hPa溫度（單位：℃），藍(lán)色和黑色實(shí)等值線分別表示500 hPa和700 hPa位勢(shì)高度（單位：dagpm），風(fēng)矢（單位：m·s-1）表示700 hPa風(fēng)場(chǎng)，填色表示FY-2F黑體亮溫（單位：K）。（b、d）圖中，紫色實(shí)等值線表示850 hPa位勢(shì)高度（單位：dagpm），填色表示比濕（單位：g·kg-1），風(fēng)矢（單位：m·s-1）表示10 m高度風(fēng)場(chǎng)］Fig.1 The distribution of geopotential height，temperature，wind field，black body temperature observed by satellite FY-2F and specific humidity at 08：00 BST （a，b） and 20：00 BST （c，d） May 22，2017（In fig.a and fig.c，the red dashed isolines are temperature （Unit：℃） at 500 hPa，the blue and black solid contours are geopotential height （Unit：dagpm） at 500 hPa and 700 hPa，respectively，wind vectors （Unit：m·s-1） are wind field at 700 hPa，the color shaded is black body temperature of FY-2F （Unit：K）.In fig.b and fig.d，the purple solid contours are geopotential height （Unit：dagpm）at 850 hPa，the color shaded is specific humidity （Unit：g·kg-1） ，and wind vectors are wind field at 10 m height （Unit：m·s-1））

受低槽冷鋒系統(tǒng)影響，5月22—23日華北地區(qū)雨帶呈東北—西南走向，與云帶走向一致，并隨系統(tǒng)自西北向東南移動(dòng)（圖2）。700 hPa 切變線與地面鋒線相距2 個(gè)緯距左右，致使靠近地面鋒線處的雨帶窄而雨強(qiáng)大［19］，3 h 內(nèi)出現(xiàn)降水的區(qū)域約200～400 km寬，各地24 h降雨量普遍超過(guò)10 mm，其中山西南部、河南北部、河北西南部等地出現(xiàn)25～50 mm的大雨，河北西南部局地出現(xiàn)70～120 mm 的暴雨。此次過(guò)程是2017年入春以來(lái)最明顯的降水過(guò)程，河北及山西等地氣象部門抓住有利時(shí)機(jī)，開(kāi)展了飛機(jī)和地面增雨作業(yè)，助力各地緩解旱情。

3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

邢臺(tái)站（114.36°E、37.18°N）位于太行山東側(cè)，緊鄰太行山，海拔高度183 m。利用邢臺(tái)站10 min雨量資料、中國(guó)地面自動(dòng)氣象站與CMORPH 融合逐小時(shí)降水量產(chǎn)品（v1.0）作為實(shí)況對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

從實(shí)況和模擬的逐3 h 雨量分布（圖2）可知，雨區(qū)呈東北—西南走向的狹長(zhǎng)帶狀分布，雨帶隨著鋒面系統(tǒng)逐漸東移南壓影響山西中部、南部及河北中部、河南、山東等地，降水大值區(qū)主要位于山西南部、河南北部及山西與河北交界處的太行山區(qū)。可以看出，CPEFS_v1.0 模擬出了靠近地面鋒線的窄冷鋒雨帶與高空鋒區(qū)造成的寬冷鋒雨帶，模擬的雨帶落區(qū)、范圍、形狀與實(shí)況基本一致，模擬的強(qiáng)降水中心累積雨量比實(shí)況略大。

圖2 實(shí)況（左）和模擬（右）的5月22日3 h地面雨量分布（單位：mm）（黑點(diǎn)為邢臺(tái)站）Fig.2 The distribution of observed （the left） and simulated （the right） 3 h rainfall on May 22，2017 （Unit：mm）（The black dot is Xingtai station）

邢臺(tái)站24 h 降雨量為42.6 mm，根據(jù)降水量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［20］達(dá)到大雨量級(jí)。從邢臺(tái)站逐10 min 實(shí)況雨量演變（圖3）可知，降水從22日14：40 開(kāi)始，持續(xù)到23日02：40 結(jié)束。其中14：50—15：10 逐10 min雨量超過(guò)2.0 mm，15：20—17：00 逐10 min 雨量均大于或接近1.0 mm，此階段降水強(qiáng)度較大。

圖3 2017年5月22日13：00至23日04：00邢臺(tái)站逐10 min降水量演變Fig.3 The evolution of observed and simulated 10-minute rainfall from 13：00 BST 22 to 04：00 BST 23 May，2017 at Xingtai station

從CPEFS_v1.0 模擬結(jié)果看，模擬的逐10 min 雨量22日14：30 為0.4 mm，15：10 達(dá)到最大2.7 mm，比實(shí)況（2.9 mm）僅小0.2 mm；16：20—17：00 降水強(qiáng)度明顯減弱，17：10 后雨強(qiáng)變化平緩，23日04：00 降水結(jié)束。該系統(tǒng)較好地模擬了本次冷鋒降水的演變過(guò)程，模擬的降水開(kāi)始時(shí)間、峰值時(shí)段與實(shí)測(cè)基本一致。

實(shí)況與模擬的逐10 min 雨量均體現(xiàn)出低槽冷鋒降水系統(tǒng)經(jīng)過(guò)邢臺(tái)本站的特征及變化，先出現(xiàn)的較強(qiáng)降水體現(xiàn)了靠近地面鋒線的窄冷鋒雨帶降水特征，之后出現(xiàn)降水強(qiáng)度小但較均勻、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的寬冷鋒雨帶降水特征。

4 不同降水時(shí)段云系特征

按照邢臺(tái)站逐10 min 雨量變化，依據(jù)冷鋒云系特征，將22日13：30—17：00、22日17：10 至23日01：20、23日01：30—04：00劃分為鋒面抬升強(qiáng)雨期、深厚層云小雨期和降水消散期，分別對(duì)各階段的水汽、動(dòng)力條件及云系特征進(jìn)行分析。

4.1 鋒面抬升強(qiáng)雨期

從圖4（a）看出，邢臺(tái)站300 hPa 以下都有水汽輸送，22日14：20 降水開(kāi)始之前，850 hPa 以下低層比濕超過(guò)12 g·kg-1，17：00 之前700 hPa 以下比濕基本均大于9 g·kg-1。從14：00 開(kāi)始，近地面水汽通量最大值達(dá)24 g·hPa-1·cm-1·s-1，700 hPa 水汽通量達(dá)6 g·hPa-1·cm-1·s-1，表明由冷鋒造成的暖濕空氣強(qiáng)烈抬升階段水汽輸送旺盛，水汽含量充沛，水汽聚集時(shí)間早于降水出現(xiàn)時(shí)間，近地面水汽通量大于21 g·hPa-1·cm-1·s-1的大值存在時(shí)間與較強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)間一致。

圖4（b）顯示，22日14：00 后邢臺(tái)站近地層偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，表明地面冷鋒移過(guò)邢臺(tái)站，降水出現(xiàn)在地面冷鋒過(guò)境之后。14：20—16：10，近地層?xùn)|北風(fēng)風(fēng)速達(dá)10 m·s-1，低層強(qiáng)勁的冷墊勢(shì)力有利于輻合抬升；700 hPa 為偏東風(fēng)，風(fēng)速僅1～4 m·s-1，說(shuō)明700 hPa 切變線仍未過(guò)境；500 hPa 持續(xù)為西南氣流，風(fēng)速最大不超過(guò)6 m·s-1。700 hPa 與500 hPa 中高層引導(dǎo)氣流偏弱造成云系移動(dòng)緩慢。垂直運(yùn)動(dòng)方面，由于鋒面系統(tǒng)的輻合抬升，22日13：30之后上升運(yùn)動(dòng)明顯加強(qiáng)，從近地層發(fā)展到200 hPa，大值中心出現(xiàn)在350 hPa附近（最大達(dá)1.0 m·s-1），伴隨降水出現(xiàn)產(chǎn)生下沉運(yùn)動(dòng)。之后高層仍存在上升運(yùn)動(dòng)區(qū)（高度可達(dá)100 hPa），中低層上升運(yùn)動(dòng)維持，但與高層上升運(yùn)動(dòng)區(qū)之間不連續(xù)。

從圖4（c）可知，22日13：40 之前云系只是高層冰云，包含少量冰晶和雪晶。14：00—15：00，由于高層上升運(yùn)動(dòng)的存在，冰晶混合比快速增大，大值中心出現(xiàn)在250 hPa，最大達(dá)0.4 g·kg-1；在冰晶混合比大值中心下方區(qū)域雪晶混合比隨時(shí)間逐漸增加，其大值中心（最大值0.3 g·kg-1）出現(xiàn)在450～350 hPa。15：00 之后，300～150 hPa 高度范圍內(nèi)冰晶數(shù)濃度最高達(dá)5000個(gè)·L-1，但冰晶混合比減小，雪晶混合比變化不大；在600～500 hPa 高度范圍內(nèi)、溫度為-10～0 ℃時(shí)，冰晶數(shù)濃度約20 個(gè)·L-1。冰晶混合比大值中心出現(xiàn)時(shí)間、區(qū)域與冷區(qū)上升運(yùn)動(dòng)大值中心出現(xiàn)時(shí)間、區(qū)域一致。霰粒子混合比最大達(dá)2.2 g·kg-1，大值中心出現(xiàn)在溫度-10～-5 ℃之間（高度600～500 hPa），并與過(guò)冷水混合比大值區(qū)重疊。

圖4（d）顯示，22日13：30 后，暖區(qū)出現(xiàn)云水，云水混合比最大達(dá)0.7 g·kg-1，冷區(qū)出現(xiàn)豐富的過(guò)冷水（混合比最高達(dá)0.2 g·kg-1），云水混合比大值中心與上升運(yùn)動(dòng)大值區(qū)域基本一致，充沛的過(guò)冷水有利于霰的凇附增長(zhǎng)（collection of cloud droplets by graupel，ccg）［21］。如圖5所示，600～500 hPa高度區(qū)域ccg過(guò)程在此階段的平均轉(zhuǎn)化率超過(guò)0.0006 g·kg-1·s-1，是霰碰并雪晶過(guò)程（collection of snow by graupel，csg）增長(zhǎng)率的2 倍多。從14：10 開(kāi)始有微量雨水降落到地面，到14：40雨水混合比達(dá)最大約0.9 g·kg-1，雨滴逐漸增加，但落后于霰的增長(zhǎng)，說(shuō)明霰的融化過(guò)程（melting of graupel to form rain，mgr）是降水形成的主要過(guò)程。低層充沛的云水含量，使雨滴在下落過(guò)程中可以通過(guò)碰并云滴增長(zhǎng)（collection of cloud droplets by rain，ccr），650 hPa 高度附近霰的融化過(guò)程轉(zhuǎn)化率是雨滴碰并云滴過(guò)程的2 倍多，同時(shí)低層800 hPa 附近雨滴仍可以收集云滴獲得增長(zhǎng)。伴隨著雨滴增長(zhǎng)，14：50 在800～700 hPa 高度出現(xiàn)下沉運(yùn)動(dòng)中心，雨滴的拖曳加劇了下沉運(yùn)動(dòng)。

圖4 2017年5月22日13：00—17：00邢臺(tái)站各物理量的時(shí)間-高度剖面（底部黑色粗柱狀為10 min降水量，單位：mm）（a）比濕（填色區(qū)，單位：g·kg-1）及水汽通量（藍(lán)色等值線，單位：g·hPa-1·cm-1·s-1），（b）水平風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)矢，單位：m·s-1）、垂直速度（紅色等值線，單位：m·s-1）（黃色填色區(qū)為雨水混合比大于0.01 g·kg-1區(qū)域），（c）冰晶（紅色等值線）、雪（填色區(qū)）、霰（藍(lán)色等值線）混合比（單位：g·kg-1），（d）云水（填色區(qū)）、雨水（紅色等值線）混合比（單位：g·kg-1）、冰晶數(shù)濃度（藍(lán)色等值線，單位：個(gè)·L-1）Fig.4 Time-height cross sections of physical quantities from 13：00 BST to 17：00 BST May 22，2017 at Xingtai station（The black thick bar at bottom is 10 min rainfall，Unit：mm）（a） specific humidity （the color shaded，Unit：g·kg-1） and water vapor flux （blue isolines，Unit：g·hPa-1·cm-1·s-1），（b） horizontal wind （wind vectors，Unit：m·s-1） and vertical velocity （red isolines，Unit：m·s-1） （the yellow shaded for the mixing ratio of rain water greater than 0.01 g·kg-1），（c） mixing ratio of ice crystal （red isolines），snow （the color shaded） and graupel（blue isolines） （Unit：g·kg-1），（d） mixing ratio of cloud water （the color shaded），rain water （red isolines）（Unit：g·kg-1） and number concentration of ice crystal （blue isolines，Unit：L-1）

圖5 邢臺(tái)站微物理過(guò)程轉(zhuǎn)化率垂直廓線（黑色線為22日13：00—17：00平均，紅色線為22日17：10至23日01：20平均）Fig.5 Mean profiles of microphysical process conversion rates at Xingtai station（the black lines averaged from 13：00 BST to 17：00 BST May 22，the red lines averaged from 17：10 BST May 22 to 01：20 BST May 23）

鋒面抬升強(qiáng)雨期，邢臺(tái)處于地面冷鋒之后、700 hPa 槽前，850 hPa 切變線過(guò)境邢臺(tái)前低層較強(qiáng)的輻合形成一致的上升運(yùn)動(dòng)，云系發(fā)展在垂直方向上體現(xiàn)出直展特征。該階段500 hPa 以上由冰、雪晶組成，800～500 hPa中層為過(guò)冷水、雪、霰組成的冰水混合層，800 hPa 以下為液態(tài)水云，云系具有“催化-供給”結(jié)構(gòu)特征，出現(xiàn)重要的人工增雨云結(jié)構(gòu)條件［4］，霰的融化過(guò)程和雨滴碰并云滴過(guò)程是形成降水的主要過(guò)程，冷云降水過(guò)程和暖云降水過(guò)程都重要。

4.2 深厚層云小雨期

圖6（a）顯示，22日17：00至23日01：00，600 hPa以上水汽含量及水汽輸送變化不大，但700 hPa 之下中低層水汽含量、水汽通量明顯小于因鋒面抬升形成的較強(qiáng)降雨階段。從圖6（b）可知，此階段850 hPa之下為東北氣流控制，17：50 前后700 hPa 切變線過(guò)境邢臺(tái)，22：00 之前500 hPa 一直為西南風(fēng)，風(fēng)速仍維持在4～6 m·s-1，22：00 開(kāi)始轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)且持續(xù)到23日01：00，23日01：00 前后500 hPa 槽線過(guò)境邢臺(tái)，之后轉(zhuǎn)為西北風(fēng)。小雨階段邢臺(tái)處在700 hPa槽后、500 hPa槽前。該階段上升運(yùn)動(dòng)主要出現(xiàn)在冷區(qū)，上升速度明顯減小（大多數(shù)時(shí)間上升速度僅0.1 m·s-1），只在局部時(shí)間300 hPa 高度附近出現(xiàn)0.4 m·s-1的較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心。

圖6（c）和圖6（d）顯示，云頂高度維持在約12 km，云底高度抬升到約2 km。300～200 hPa 高層冰晶混合比及數(shù)濃度明顯減小，冰晶數(shù)濃度最多約100個(gè)·L-1。在400～300 hPa之間出現(xiàn)雪晶混合比大值中心，最大值約0.7 g·kg-1，雪晶混合比高于鋒面抬升造成的較強(qiáng)降雨階段，但霰粒子混合比明顯減小，最大僅0.3 g·kg-1，其大值中心出現(xiàn)在雪晶混合比大值中心的下方區(qū)域，霰碰并雪晶過(guò)程（csg）是霰增長(zhǎng)的主要過(guò)程。云水僅僅出現(xiàn)在800～500 hPa 之間，云水混合比隨時(shí)間推移逐漸減小，云水區(qū)域與上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域密切相關(guān)，22：00之前-10～0 ℃之間依然存在過(guò)冷水，但混合比減小，最大約0.1 g·kg-1。雨水隨高度下降而減少，表明低層不飽和，雨滴在下落過(guò)程中有蒸發(fā)現(xiàn)象，降水主要由霰的融化過(guò)程（mgr）產(chǎn)生，以冷云降水過(guò)程為主。

圖6 2017年5月22日17：00至23日01：00邢臺(tái)站各物理量的時(shí)間-高度剖面（底部黑色粗柱狀為10 min降水量，單位：mm）（a）比濕（填色區(qū)，單位：g·kg-1）及水汽通量（藍(lán)色等值線，單位：g·hPa-1·cm-1·s-1），（b）水平風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)矢，單位：m·s-1）、垂直速度（紅色等值線，單位：m·s-1）（黃色填色為雨水混合比大于0.01 g·kg-1區(qū)域），（c）冰晶（紅色等值線）、雪（填色區(qū)）、霰（藍(lán)色等值線）混合比（單位：g·kg-1），（d）云水（填色區(qū)）、雨水（紅色等值線）混合比（單位：g·kg-1）及冰晶數(shù)濃度（藍(lán)色等值線，單位：個(gè)·L-1）Fig.6 Time-height cross sections of physical quantities from 17：00 BST May 22 to 01：00 BST May 23 at Xingtai station（The black thick bar at bottom is 10 min rainfall，Unit：mm）（a） specific humidity （the color shaded，Unit：g·kg-1） and water vapor flux （blue isolines，Unit：g·hPa-1·cm-1·s-1），（b） horizontal wind （wind vectors，Unit：m·s-1） and vertical velocity （red isolines，Unit：m·s-1） （the yellow shaded for the mixing ratio of rain water greater than 0.01 g·kg-1），（c） mixing ratio of ice crystal （red isolines），snow （the color shaded）and graupel （blue isolines） （Unit：g·kg-1），（d） mixing ratio of cloud water （the color shaded），rain water（red isolines） （Unit：g·kg-1） and number concentration of ice crystal （blue isolines，Unit：L-1）

4.3 消散期

當(dāng)500 hPa 槽線從邢臺(tái)上空過(guò)境（23日01：00）后，邢臺(tái)站逐漸由小雨轉(zhuǎn)為毛毛雨，降水過(guò)程至23日04：00停止。

此階段邢臺(tái)站700 hPa以上水汽含量明顯降低。高層沒(méi)有冰相水凝物，云團(tuán)僅出現(xiàn)在700 hPa 以下暖區(qū)，云頂高度小于3 km，云底高度約1 km，云水混合比高值區(qū)位于800 hPa 附近，最高達(dá)0.3 g·kg-1（圖略），推知消散階段的毛毛雨由暖云降水過(guò)程產(chǎn)生。

5 增雨條件分析

上述分析顯示，不同降水階段邢臺(tái)站上空云系結(jié)構(gòu)差異顯著，那么云系的增雨條件也必有差別。

孫晶等［7］在研究西風(fēng)槽降水云系的增雨條件時(shí)總結(jié)了一套指標(biāo)體系，認(rèn)為當(dāng)同時(shí)滿足雨強(qiáng)大于0.1 mm·h-1、上升運(yùn)動(dòng)區(qū)（垂直速度大于0.01 m·s-1）、過(guò)冷水含量大于0.01 g·kg-1、冰晶數(shù)濃度大于20個(gè)·L-1、溫度為-20～0 ℃條件時(shí)，云層具有可播性；若冰晶數(shù)濃度小于20 個(gè)·L-1時(shí)，云層具有強(qiáng)可播性。但該指標(biāo)體系沒(méi)有考慮云中冰面過(guò)飽和水汽對(duì)增雨的潛力，在層狀云降水形成過(guò)程中，冰面過(guò)飽和水汽對(duì)凝華增長(zhǎng)有較大作用［4］。當(dāng)云中有過(guò)冷水時(shí)引入AgI 將會(huì)通過(guò)貝吉龍過(guò)程促進(jìn)冰晶增長(zhǎng)，在沒(méi)有過(guò)冷水的區(qū)域，AgI 以凝華核化為主，冰面飽和比大于1.04是AgI凝華核化的必要條件［15］。

在已有研究［7，9，11-13］基礎(chǔ)上，本文增加冰面飽和比作為增雨作業(yè)條件的指標(biāo)之一。選取雨強(qiáng)、上升運(yùn)動(dòng)區(qū)、溫度、過(guò)冷水混合比、冰面飽和比與冰晶數(shù)濃度6 個(gè)物理因子組成增雨作業(yè)條件指標(biāo)，這組指標(biāo)在宏觀方面重點(diǎn)考慮了云系的發(fā)展階段、云中是否存在上升運(yùn)動(dòng)、是否產(chǎn)生降水，微觀方面主要考慮過(guò)冷水混合比、冰面飽和比、冰晶數(shù)濃度3 個(gè)AgI 核化增長(zhǎng)的關(guān)鍵物理因子。具體閾值設(shè)計(jì)如下：當(dāng)同時(shí)滿足雨強(qiáng)大于0.1 mm·h-1、上升速度大于0.01 m·s-1、溫度為-20～0 ℃、過(guò)冷水混合比大于0.01 g·kg-1或冰面飽和比大于1.04、冰晶數(shù)濃度大于20個(gè)·L-1條件時(shí)，云系具有可播性；若冰晶數(shù)濃度小于20個(gè)·L-1時(shí)，云系具有強(qiáng)可播性。

利用構(gòu)建的增雨條件指標(biāo)，對(duì)經(jīng)過(guò)邢臺(tái)站的此次低槽冷鋒云系的增雨時(shí)機(jī)和部位進(jìn)行識(shí)別。由冰晶、雪和霰混合比求和得到冰相水凝物的混合比，代表冰云分布。圖7（a）顯示，在鋒面抬升強(qiáng)雨期，增雨作業(yè)高度主要位于4.0～7.9 km 之間，與600 hPa高度以上過(guò)冷水出現(xiàn)的區(qū)域基本相同，其中4.0～5.5 km 高度層內(nèi)為強(qiáng)可播區(qū)，結(jié)合圖4可知，該高度層內(nèi)過(guò)冷水混合比最高可達(dá)0.2 g·kg-1，冰晶數(shù)濃度不足20個(gè)·L-1，上升速度最高可達(dá)0.5 m·s-1；從增雨作業(yè)時(shí)機(jī)角度分析，地面降水出現(xiàn)之后的較強(qiáng)降雨期都有增雨作業(yè)時(shí)機(jī)，而在22日14：00 前，云系以冰云為主，在-20～0 ℃云層中缺乏過(guò)冷水且冰面飽和比小于1.04，云系沒(méi)有增雨作業(yè)時(shí)機(jī)。深厚層云小雨期［圖7（b）］，此階段可播區(qū)仍主要位于4.0～7.9 km 之間，強(qiáng)可播區(qū)出現(xiàn)在4.0～5.5 km 高度層內(nèi)，與鋒面抬升強(qiáng)雨期基本一致；增雨時(shí)機(jī)出現(xiàn)在600 hPa 維持西南風(fēng)階段，當(dāng)600 hPa 轉(zhuǎn)為西北風(fēng)影響后，盡管雨水混合比大于0.01 g·kg-1，表明地面仍產(chǎn)生降水，但由于云中沒(méi)有過(guò)冷水且冰面飽和比小于1.04，云中沒(méi)有增雨作業(yè)條件。

圖7 2017年5月22日13：00—17：00邢臺(tái)站鋒面抬升強(qiáng)雨期（a）及22日17：00至23日01：00深厚層云小雨期（b）物理量變化與可播區(qū)識(shí)別Fig.7 Variation of physical quantities and the identified glaciogenic seeding areas during the frontal uplifting heavy rain period from 13：00 BST to 17：00 BST 22 May 2017 （a） and the deep stratus cloud light rain period from 17：00 BST 22 to 01：00 BST 23 May 2017 （b） at Xingtai station

結(jié)合圖4和圖6可知，當(dāng)云系處于鋒面抬升較強(qiáng)發(fā)展階段時(shí)增雨作業(yè)可主要在冰水混合區(qū)開(kāi)展，而當(dāng)云系處于深厚層云階段時(shí)，由于云中上升速度減小且上升運(yùn)動(dòng)主要出現(xiàn)在冷區(qū)，此階段過(guò)冷水含量減少且出現(xiàn)高度比鋒面抬升強(qiáng)雨期有所下降，增雨作業(yè)除了可在冰水混合區(qū)開(kāi)展之外，還可以在其上大約3 km 高度范圍內(nèi)冰面飽和比大于1.04 的區(qū)域開(kāi)展。

總體看來(lái)，邢臺(tái)站增雨作業(yè)時(shí)機(jī)主要出現(xiàn)在鋒面抬升形成的較強(qiáng)降雨期及深厚層云形成的小雨期，降水消散期云中沒(méi)有可播區(qū)。出現(xiàn)可播區(qū)時(shí)云系主要是處于發(fā)展及維持階段的冷暖混合云，云頂高度達(dá)12 km，云底高度維持在近地面到2 km 之間，云系冷層厚度約8 km，冰水混合層厚度約4 km，高層有冰晶和雪，中間層為含有過(guò)冷水的冰水混合區(qū)，低層為液態(tài)水云，具有“催化-供給”云系結(jié)構(gòu)特征。

6 結(jié) 論

華北地區(qū)2017年春季出現(xiàn)較嚴(yán)重干旱，5月22—23日出現(xiàn)一次明顯降水過(guò)程，河北、山西等地氣象部門開(kāi)展飛機(jī)和地面增雨作業(yè)。本文利用CPEFS_v1.0系統(tǒng)，針對(duì)此次低槽冷鋒降水過(guò)程，以河北邢臺(tái)站為代表研究了不同降水階段云結(jié)構(gòu)特征及增雨作業(yè)條件，得到如下結(jié)論：

（1）低槽冷鋒云降水系統(tǒng)自西北向東南移動(dòng)經(jīng)過(guò)邢臺(tái)站時(shí)，先出現(xiàn)10 min 雨量為1.0～3.0 mm 且持續(xù)約3 h的較強(qiáng)降水期，之后出現(xiàn)10 min雨量為0.2～0.7 mm 且持續(xù)約8 h 的小雨期，之后降水消散，模擬結(jié)果與實(shí)況一致。

（2）因鋒面抬升形成的較強(qiáng)降雨階段，邢臺(tái)處于地面冷鋒之后、700 hPa 槽前深厚的西南氣流影響下，此階段與850 hPa 以下水汽通量大值（大于21 g·hPa-1·cm-1·s-1）存在時(shí)間一致，850 hPa 切變線過(guò)境邢臺(tái)前后云中出現(xiàn)上下貫穿的上升運(yùn)動(dòng)。500 hPa 以上高層冰云由冰晶和雪晶組成；800～500 hPa中層云為冰水混合云，過(guò)冷水與霰粒子混合比最高分別達(dá)0.2、2.2 g·kg-1；800 hPa 以下低層云為液態(tài)水云，云系具有“催化-供給”云結(jié)構(gòu)特征，霰的融化過(guò)程、雨滴碰并云滴過(guò)程是降水形成的主要過(guò)程。

（3）在22日17：10 至23日01：20 深厚層云形成的小雨階段，邢臺(tái)處于700 hPa 槽后和500 hPa 槽前。700 hPa 之下中低層水汽含量及水汽通量明顯減小，上升運(yùn)動(dòng)主要出現(xiàn)在冷區(qū)，上升速度最大僅0.4 m·s-1，云系依舊為冷暖混合云，冰晶、霰混合比明顯減小，雪晶混合比增加，-10～0 ℃之間過(guò)冷水混合比減小，最大約0.1 g·kg-1，低層云水混合比也減小，降水主要由霰的融化過(guò)程產(chǎn)生。

（4）綜合利用逐時(shí)雨強(qiáng)、上升運(yùn)動(dòng)區(qū)、溫度、冰面飽和比、過(guò)冷水含量、冰晶數(shù)濃度6個(gè)物理量構(gòu)建增雨條件指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)本次邢臺(tái)地區(qū)低槽冷鋒云系適宜冷云催化增雨作業(yè)的時(shí)間主要出現(xiàn)在鋒面抬升強(qiáng)雨期與深厚層云小雨期，這時(shí)云系為處于發(fā)展及維持階段的冷暖混合云，可播區(qū)高度位于4.0～7.9 km，強(qiáng)可播區(qū)出現(xiàn)在4.0～5.5 km 高度過(guò)冷水充沛區(qū)域。