中國(guó)天山西部區(qū)域云降水物理野外觀測(cè)科學(xué)試驗(yàn)研究若干進(jìn)展

楊 濤， 楊蓮梅， 李建剛， 仝澤鵬

（1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002；3.新疆云降水物理與云水資源開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830002；4.西天山云降水物理野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)基地，新疆 新源 844900）

干旱區(qū)水資源是制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境格局的關(guān)鍵因素，而降水是水資源的根本來(lái)源［1-3］。天山因其降水豐富和儲(chǔ)水能力突出被譽(yù)為“中亞水塔”［4-6］，天山降水對(duì)中亞特別是新疆的天氣氣候、生態(tài)環(huán)境和水安全具有關(guān)鍵而深遠(yuǎn)的影響。降水由復(fù)雜的宏微觀物理過(guò)程共同影響產(chǎn)生，宏微觀物理觀測(cè)研究是認(rèn)識(shí)云形成降水過(guò)程和降水預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。因此，近年來(lái)國(guó)家開(kāi)展了若干重大科學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括青藏高原云和降水系統(tǒng)觀測(cè)試驗(yàn)［7-11］、華南地區(qū)臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)降水觀測(cè)試驗(yàn)［12-15］及長(zhǎng)江中下游云和降水觀測(cè)試驗(yàn)［16-17］。這些觀測(cè)試驗(yàn)利用各類高精度觀測(cè)設(shè)備對(duì)云和降水宏微物理特征開(kāi)展了深入研究，推動(dòng)了中國(guó)各區(qū)域云降水物理學(xué)科的進(jìn)步和降水形成機(jī)制認(rèn)識(shí)。

降水物理過(guò)程、成云致雨過(guò)程及定量估測(cè)降水等具有很強(qiáng)的地區(qū)、氣候背景和季節(jié)依賴性［18-20］。而中亞干旱氣候背景和復(fù)雜沙漠-綠洲-冰雪山盆地形和下墊面特征，云降水物理過(guò)程具有區(qū)域特色。中亞降水在空間上分布極其不均，由于天山地形的影響，山區(qū)是降水高值區(qū)，而該區(qū)域云和降水宏微觀物理特征觀測(cè)研究還未開(kāi)展，是制約中亞干旱區(qū)云降水物理理論發(fā)展和降水預(yù)報(bào)提高的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。為此，在財(cái)政部科研基礎(chǔ)條件專項(xiàng)“西天山云降水物理觀測(cè)試驗(yàn)基地建設(shè)I 和II 期”的支持下，2019年中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所在天山西部區(qū)域建設(shè)了綜合觀測(cè)試驗(yàn)基地，該云降水物理野外綜合觀測(cè)試驗(yàn)基地是中亞地區(qū)設(shè)備種類最全、最先進(jìn)、觀測(cè)要素最豐富的云降水物理過(guò)程觀測(cè)基地。該基地可為新疆云和降水宏微物理特征研究、云水資源監(jiān)測(cè)和精細(xì)化評(píng)估、區(qū)域數(shù)值模式參數(shù)化方案改進(jìn)等提供觀測(cè)基礎(chǔ)和科學(xué)支撐，從而為新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、生態(tài)環(huán)境改善和氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警提供支撐。

1 天山西部區(qū)域云降水物理觀測(cè)試驗(yàn)基地布局

伊犁河谷北、東、南三面環(huán)山，向西開(kāi)口的河谷地形有利于西風(fēng)環(huán)流在山地迎風(fēng)坡形成地形雨，從而成為我國(guó)西北乃至中亞最大降水中心，平原年降水量200～400 mm，山區(qū)達(dá)600～800 mm甚至更多，是中亞區(qū)域最理想的云降水物理觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)域。云降水物理野外綜合觀測(cè)試驗(yàn)基地在伊犁河谷建設(shè)，觀測(cè)站布局（圖1），主觀測(cè)站為伊犁河谷西部伊寧縣站（81°32′00″E，43°58′24″N；海拔771 m）和伊犁河谷東端新源縣站（83°15′25″E，43°26′25″N；海拔928.3 m）。新源縣是伊犁河谷降水量最大區(qū)域，布設(shè)觀測(cè)儀器最先進(jìn)、種類最全、觀測(cè)要素最多，氣象行業(yè)稱之為超級(jí)站，包括C 波段雙偏振雷達(dá)、Ka/Ku雙頻云雷達(dá)、邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)、微雨雷達(dá)、激光雨滴譜儀、二維視頻雨滴譜儀、激光云高儀、地基微波輻射計(jì)和GPS/MET水汽探測(cè)儀，均建設(shè)在新源縣國(guó)家基本氣象站觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，為了避免C 波段雙偏振雷達(dá)仰角觀測(cè)空白區(qū)及附近天山地物回波的阻擋，該雷達(dá)建設(shè)于新源縣觀測(cè)站以西約30 km的肖爾布拉克鎮(zhèn)，由此組成了新源縣云降水物理觀測(cè)超級(jí)站。各儀器廠家、型號(hào)、設(shè)備參數(shù)具體見(jiàn)表1，觀測(cè)時(shí)間分辨率可達(dá)秒級(jí)/分鐘級(jí)、空間分辨率達(dá)米級(jí)，物理要素觀測(cè)精度與國(guó)際同步。伊寧縣站僅比新源站少布設(shè)了云雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)，此外鞏留縣站（82.14°E，43.28°N；海拔774.4 m）、尼勒克站（82.34°E，43.48°N；海拔1107.1 m）、昭蘇站（81.08°E，43.09°N；海拔1860.2 m）、特克斯站（81.42°E，43.11°N；海拔1210.5 m）和伊犁植物園站（83.61°E，43.39°N；海拔1340 m）作為補(bǔ)充觀測(cè)站，均布設(shè)有激光雨滴譜儀和GPS/MET水汽探測(cè)儀，鞏留和昭蘇站還布設(shè)有微雨雷達(dá)。上述觀測(cè)站網(wǎng)組成的天山西部區(qū)域云降水物理野外綜合觀測(cè)試驗(yàn)基地（圖1），覆蓋了整個(gè)伊犁河谷區(qū)域。為了對(duì)比分析中/西天山雨滴譜的異同，在中天山烏魯木齊站（87.37°E，43.47°N；海拔918.7 m）和天池站（88.07°E，43.53°N；海拔1935.2 m）布設(shè)了激光雨滴譜儀和GPS/MET 水汽探測(cè)儀。

表1 各站點(diǎn)布設(shè)設(shè)備及技術(shù)參數(shù)Tab.1 Layout of equipment and technical parameters at each station

圖1 天山西部區(qū)域云降水物理野外綜合觀測(cè)試驗(yàn)基地站點(diǎn)布局Fig.1 Site layout of cloud and precipitation physics field comprehensive observation test bases in western Tianshan Mountains of China

此外，在新疆建設(shè)了67臺(tái)GPS/MET水汽探測(cè)儀（圖2），主要布設(shè)于天山山區(qū)及其兩側(cè)、阿爾泰山麓和昆侖山北緣，海拔最高站為天山大西溝（海拔3543.8 m），在塔克拉瑪干沙漠腹地塔中站和古爾班通古特沙漠克拉瑪依站也布設(shè)有GPS/MET 水汽探測(cè)儀，為新疆大氣可降水量探測(cè)和降水預(yù)報(bào)預(yù)警提供了觀測(cè)基礎(chǔ)。

圖2 新疆GPS/MET水汽探測(cè)儀分布Fig.2 Distribution of GPS/MET water vapor detectors in Xinjiang

2 觀測(cè)產(chǎn)品信息和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳輸系統(tǒng)

觀測(cè)基地從2019 年1 月開(kāi)始建設(shè)和觀測(cè)，至2021年1月完成全部建設(shè)，目前全年進(jìn)行觀測(cè)，提供的觀測(cè)產(chǎn)品（表2）包括水汽、溫度、氣壓、風(fēng)、降水、云等。

表2 觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品信息Tab.2 Information of observation data products

為了保障野外觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性和有效性，在各觀測(cè)基地設(shè)立專職人員負(fù)責(zé)各型儀器的運(yùn)行維護(hù)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和傳輸，并保障試驗(yàn)基地觀測(cè)環(huán)境干凈整潔。科研人員和廠家定期對(duì)各儀器進(jìn)行標(biāo)定和檢修工作，對(duì)出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題及時(shí)與廠家溝通加以解決，保障各設(shè)備正常運(yùn)行。在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方面，開(kāi)發(fā)了“西天山云降水觀測(cè)數(shù)據(jù)綜合監(jiān)測(cè)和傳輸系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了云降水物理外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)及下載功能，避免因設(shè)備損壞、停電等引發(fā)的數(shù)據(jù)缺測(cè)情況發(fā)生。

3 相關(guān)研究進(jìn)展

利用2019—2021 年觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)展了相關(guān)研究，主要進(jìn)展有云宏微觀物理、層狀云/對(duì)流云雨滴譜、中/西天山雨滴譜特征異同、冷鋒暴雪微物理方面的成果，研究表明天山云和降水宏微物理特征具有區(qū)域特點(diǎn)，與東部季風(fēng)區(qū)和青藏高原有明顯差異。

3.1 云宏微物理特征

3.1.1 云頂、云底和云厚度觀測(cè)特征對(duì)2019—2021年新源站Ka 波段云雷達(dá)和FY4A 觀測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證和校正，建立云雷達(dá)和FY4A觀測(cè)融合的云頂高度、云底高度和云厚度數(shù)據(jù)集，研究表明［21］，夏季云頂高度、云底高度和云厚度最高（云頂高度：7.43 km，云底高度：3.31 km，云厚度：4.12 km），冬季最低（云頂高度：6.04 km，云底高度：2.71 km，云厚度：3.33 km）。云發(fā)生頻率晝夜變化顯著，春、夏、冬季云在夜間（19:00—10:00 BJT）頻繁形成，于白天（11:00—17:00 BJT）逐漸消散。秋季云于上午（10:00—14:00 BJT）形成頻率高，在其他時(shí)段消散。云季節(jié)性變化與夏季高溫和冬季低溫有關(guān)，而云晝夜變化則與喇叭口地形造成的山谷風(fēng)環(huán)流晝夜變化有關(guān)。春、秋兩季的云頂高度有2個(gè)最可能高度，分別為4～5 km和8～9 km；夏季最可能高度分別為5～6 km 和9～10 km；冬季只有一個(gè)最可能高度，為7～8 km。非降水情況下，云頂高度垂直分布與云層相似，而降水情況下，云頂高度常表現(xiàn)為：春季8～9 km、夏季9～10 km、秋季5～6 km和冬季7～8 km，云底高度的最可能高度多為0～2 km。四季云厚度小于2 km的薄云約占云量55%，降水云最可能云厚度在春、夏、冬三季峰值為7～8 km，秋季峰值達(dá)5～6 km。有云樣本約占15%，而有云樣本中四季低云占40%～50%，中云占35%～50%，而高云占10%～20%。夏季高云比例最高，中云比例則低于其他3 個(gè)季節(jié)。夏季低云、中云和高云的平均云頂高度都高于其他3 個(gè)季節(jié)，冬季低、中、高云的平均云底高度和云頂高度最低?？梢?jiàn)，該區(qū)域低云和中云比例高，空中水資源開(kāi)發(fā)潛力大，冬季云最低更適合人工增雪作業(yè)。

3.1.2 降雨云微物理觀測(cè)特征按降雨量（R），0.1 mm·h-1≤R＜1 mm·h-1、1 mm·h-1≤R＜3 mm·h-1、R≥3 mm·h-1劃分小雨強(qiáng)、中雨強(qiáng)和大雨強(qiáng)，研究表明［22］小、中和大雨強(qiáng)云中粒子聚合碰并增長(zhǎng)效果較強(qiáng)的高度分別為1.8～2.8 km、1.6～2.5 km 和2.5～3.5 km，可見(jiàn)強(qiáng)降雨云伸展更高；小、中和大雨強(qiáng)降雨云反射率因子（Z）平均最大值分別為30 dBZ、35.8 dBZ和39.5 dBZ，最大平均液態(tài)含水量分別為1.5 g·m-3、4.2 g·m-3和7.3 g·m-3，液態(tài)水是雨強(qiáng)大小的關(guān)鍵因素，該區(qū)域小雨強(qiáng)降水最大平均液態(tài)含水量大于祁連山區(qū)域［23］。雨強(qiáng)越大反射率因子集中度越高，不同雨強(qiáng)反射率因子有2個(gè)集中區(qū)域，2.0～4.4 km反射率因子集中于15～26 dBZ，小、中和大雨強(qiáng)近地面反射率因子分別集中于24～32 dBZ、29～38 dBZ和31～42 dBZ。2.00 km 以下小雨強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)為-5.5～-4.0 m·s-1，中和大雨強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)為-7～-5 m·s-1，雨強(qiáng)越大垂直運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)。

3.1.3 降雪云微物理觀測(cè)特征根據(jù)新疆24 h降雪量（S），當(dāng)0.1 mm≤S≤3.0 mm時(shí)為小雪，3.1 mm≤S≤6.0 mm時(shí)為中雪，6.1 mm≤S≤12.0 mm時(shí)為大雪?；?2 次小雪、7 次中雪和4 次大雪過(guò)程云雷達(dá)觀測(cè)研究表明［24］，小、中和大雪降雪云集中分布于0.15～2.50 km，反射率因子集中于8～24 dBZ，小雪云最大反射率因子為29 dBZ，中和大雪云最大反射率因子均為33 dBZ。小、中和大雪云反射率因子歸一化等高頻率大致相似，但大雪過(guò)程2 km以下反射率因子遠(yuǎn)大于小雪和中雪，這是由于其小時(shí)雪強(qiáng)大。小、中和大雪云雪粒子含水量分別位于2.00～7.65 km（大多小于0.008 g·m-3）、2.20～8.85 km（多小于0.01 g·m-3）和3.0～8.7 km（小于0.013 g·m-3），大雪2 km 以下云雪粒子含水量為0.1～0.25 g·m-3，明顯大于小和中雪過(guò)程。小雪過(guò)程云含水量最少，降雪過(guò)程平均持續(xù)時(shí)間最短，而大雪云含水量最為充足，為大雪降雪過(guò)程提供足夠的水汽，降雪過(guò)程平均持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，大雪過(guò)程旺盛期云雪粒子含水量為0.04～0.2 g·m-3，與中國(guó)北京地區(qū)相當(dāng)［25］，說(shuō)明干旱區(qū)大雪過(guò)程水汽比較充沛。小、中和大雪云下沉運(yùn)動(dòng)多發(fā)生于6 km 以下，垂直運(yùn)動(dòng)集中于在-1.4～-0.6 m·s-1，各量級(jí)降雪過(guò)程垂直運(yùn)動(dòng)差異較小。

3.2 降水雨滴譜觀測(cè)特征

3.2.1 不同季節(jié)降雨雨滴譜觀測(cè)特征雨滴譜觀測(cè)數(shù)據(jù)研究表明［26］：（1）降雨的微物理參量平均值普遍比中國(guó)東部地區(qū)偏?。?7］，以小粒子為主，具有其本地特征，層狀云降雨的雨滴譜參量變化小，對(duì)流云降雨則變化大。降雨天氣過(guò)程，夏季（秋季）中雨滴（1 mm＜雨滴直徑＜3 mm）和大雨滴（直徑≥3 mm）最多（最少）、小雨滴（直徑≤1 mm）最少（最多），且夏季有最大直徑雨滴。夏季（秋季），小雨滴對(duì)降水量的貢獻(xiàn)最小（最大），中雨滴和大雨滴對(duì)降水量的貢獻(xiàn)最大（最少），小雨滴對(duì)總雨滴數(shù)濃度的貢獻(xiàn)最?。ㄗ疃啵杏甑魏痛笥甑螌?duì)總雨滴數(shù)濃度貢獻(xiàn)最大（最少）。夏季（秋季）質(zhì)量加權(quán)平均直徑的最大平均值為1.059 mm（最小值為0.876 mm），中值體積直徑的分布特征與質(zhì)量加權(quán)平均直徑相似。標(biāo)準(zhǔn)化截距參數(shù)的平均值在秋季達(dá)到最大值3.738，夏季達(dá)到最低值3.505。（2）春季對(duì)流云和層狀云降雨的中值體積直徑（標(biāo)準(zhǔn)化截距參數(shù)）的平均值分別為2.329 mm（2.997）和0.897 mm（3.693），夏季對(duì)流云和層狀云降雨的中值體積直徑（標(biāo)準(zhǔn)化截距參數(shù)）的平均值比春季的大（?。锛緦訝钤平涤甑闹兄刁w積直徑（標(biāo)準(zhǔn)化截距參數(shù)）的平均值略小于（大于）春季。各季層狀云降雨都是主導(dǎo)降雨云系，與對(duì)流云降雨相比含有更多的小雨滴，以及更少的中和大雨滴。對(duì)于層狀云降雨，夏季（秋季）的小雨滴最少（最多），中雨滴和大雨滴最多（最少），夏季平均雨滴直徑最大。對(duì)于對(duì)流云降水，夏季中、小雨滴比春季少，大雨滴較多。（3）將降水量（R）分為5個(gè)等級(jí)（C1，0.1 mm·h-1≤R＜0.5 mm·h-1；C2，0.5 mm·h-1≤R＜1 mm·h-1；C3，1 mm·h-1≤R＜2 mm·h-1；C4，2 mm·h-1≤R＜5 mm·h-1；C5，R≥5 mm·h-1）。秋季降水小雨滴濃度在前4 個(gè)等級(jí)中最高，夏季小雨滴濃度在所有等級(jí)中最低。隨著降雨率等級(jí)增加，春季中、大雨滴濃度從C1 的最低值（與秋季相當(dāng)）變?yōu)镃4（與夏季相當(dāng)），在C5 超過(guò)夏季達(dá)到最大值，從C1 到C5，春季不同直徑的雨滴濃度呈上升趨勢(shì)。各季節(jié)，質(zhì)量加權(quán)平均直徑、中值體積直徑和反射率因子均隨降雨率等級(jí)的增加而增加，除C5 外，這些參數(shù)在夏季（秋季）達(dá)到最大值（最小值）。然而，在所有降雨率等級(jí)中，標(biāo)準(zhǔn)化截距參數(shù)在秋季（夏季）達(dá)到最大（最?。＃?）雨滴形狀-雨滴大小關(guān)系具有明顯的季節(jié)變化特征，與其他地區(qū)結(jié)果也存在顯著差異。在所有季節(jié)中，夏季水汽的垂直積分最大，溫暖干燥的大氣垂直環(huán)境最為突出，冷雨過(guò)程和強(qiáng)對(duì)流降雨更為頻繁，這些是影響夏季小雨滴最少、中雨滴和大雨滴多的因素。

3.2.2 層狀云和對(duì)流云降水雨滴譜觀測(cè)特征雨滴譜觀測(cè)數(shù)據(jù)研究表明［28-29］：（1）西天山降水以弱降雨為主，雨強(qiáng)＜1 mm·h-1約占70%，質(zhì)量加權(quán)平均直徑和變量（降水量，平均液態(tài)含水量和反射率因子）呈正偏態(tài)，表明伊寧地區(qū)降雨變率大。（2）對(duì)流云降雨質(zhì)量加權(quán)平均直徑和降水量分別集中于1.0～2.0 mm 和5.0～6.0 mm·h-1，層狀云降雨質(zhì)量加權(quán)平均直徑和降水量分別集中于0.6～1.6 mm 和1.0～2.0 mm·h-1，隨著降水量增加質(zhì)量加權(quán)平均直徑增大且分布更窄。對(duì)流云和層狀云降雨的雨滴譜峰值分別位于直徑1.2 mm 和0.7 mm 處，當(dāng)直徑小于0.7 mm 時(shí)，兩類降雨的雨滴譜基本重合，而當(dāng)直徑大于0.7 mm時(shí)，對(duì)流云降雨雨滴譜遠(yuǎn)大于層狀云降雨雨滴譜（圖3）。（3）根據(jù)不同降雨強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)隨著降水量增大質(zhì)量加權(quán)平均直徑增大，雨滴譜譜寬增加，峰值直徑增加，而雨滴數(shù)濃度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在質(zhì)量加權(quán)平均直徑較?。ㄐ∮?.6 mm）時(shí)，不同降雨率等級(jí)對(duì)應(yīng)雨滴粒子濃度相近，當(dāng)直徑大于0.6 mm時(shí)，高降雨率等級(jí)對(duì)應(yīng)雨滴粒子濃度明顯增大。（4）推導(dǎo)伊寧地區(qū)的Z-R（反射率因子-降水量）關(guān)系，對(duì)流云降水Z=204.57R1.80，層狀云降水Z=190.36R1.73，發(fā)現(xiàn)WSR-88D 默認(rèn)Z-R關(guān)系低估層狀云降水反射率值較低的部分，而高估反射率值較高的部分，對(duì)于對(duì)流云降雨WSR-88D 的默認(rèn)關(guān)系總體高估降雨率。Z-R關(guān)系系數(shù)A和指數(shù)b值均小于中國(guó)東部地區(qū)［27］。

圖3 對(duì)流云降雨和層狀云降雨平均雨滴譜［28］Fig.3 Average raindrop size distribution of convective cloud rainfall and stratiform cloud rainfall［28］

3.2.3 西天山和中天山降水雨滴譜觀測(cè)特征天山西部區(qū)域尼勒克站和昭蘇站，以及中天山烏魯木齊站和天池站雨滴譜觀測(cè)研究表明［30-31］：（1）西天山降雨過(guò)程中雨滴和大雨滴濃度較高，小雨滴濃度較低，可能由于西天山降水對(duì)流強(qiáng)度比中天山強(qiáng)。將降雨強(qiáng)度從小到大分為6級(jí)以及層狀云和對(duì)流云降水，對(duì)于所有降雨率等級(jí)和降雨類型，西天山較中天山降雨有更大質(zhì)量加權(quán)平均直徑和更小的標(biāo)準(zhǔn)化截距參數(shù)（圖4）。（2）西、中天山對(duì)流云降水雨滴譜可歸類為大陸性對(duì)流云降雨，最大雨滴直徑可達(dá)5.0～7.0 mm，但數(shù)濃度很小。西天山層狀云降水的Z-R關(guān)系具有較高的系數(shù)A和指數(shù)b值，中天山層狀云降水，Marshall和Palmer提出Z-R關(guān)系［3］層狀云會(huì)高估低雷達(dá)反射率值時(shí)的降水量，而低估高雷達(dá)反射率時(shí)的降水。對(duì)流云Z-R關(guān)系相關(guān)較差，達(dá)不到信度檢驗(yàn)，必須應(yīng)用雙偏振雷達(dá)開(kāi)展相關(guān)研究提高該區(qū)域強(qiáng)降水定量降水估測(cè)關(guān)系研究。與北京市、湖北省和南京市［32-33］相比較而言，天山地區(qū)對(duì)流性降水粒子平均直徑偏大但濃度遠(yuǎn)偏低。

圖4 天山西部區(qū)域和中天山夏季平均降水雨滴譜[31]Fig.4 Summer average precipitation raindrop size distribution of western Tianshan Mountains and central Tianshan Mountains[31]

3.3 冷鋒暴雪過(guò)程微物理觀測(cè)特征

對(duì)于2020 年2 月18—19 日冷鋒暴雪過(guò)程微物理特征的研究，由于冷云降水過(guò)程中粒子形態(tài)復(fù)雜，且固態(tài)粒子下落過(guò)程中更容易受破碎、聚并和淞附等微物理過(guò)程影響，造成降雪過(guò)程有雪花和霰粒子［34］。通過(guò)觀測(cè)資料質(zhì)量控制，設(shè)計(jì)雪花和霰粒子分類參數(shù)，研究表明：（1）直徑＜1 mm粒子是雪花主要貢獻(xiàn)者，同時(shí)也存在少量＞6 mm雪花聚集體；直徑0.5 mm左右粒子是霰粒子主要貢獻(xiàn)者，同時(shí)存在少量直徑＞1 mm的粒子。（2）冷鋒入侵階段：云頂溫度低導(dǎo)致大氣冰核多且含有充足水汽及適量過(guò)冷水，降雪粒子主要為雪花，微物理過(guò)程主要為凝華增長(zhǎng)的貝吉龍過(guò)程、“黏連”機(jī)制的聚并增長(zhǎng)和少量淞附過(guò)程；冷鋒控制階段：云頂溫度升高，大氣冰核減少且過(guò)冷水豐富，降雪粒子主要為雪花和霰粒子且兩者相當(dāng)，微物理過(guò)程主要是聚并增長(zhǎng)及淞附過(guò)程，同時(shí)粒子聚并增長(zhǎng)導(dǎo)致的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)利于淞附過(guò)程產(chǎn)生；在冷鋒過(guò)境階段，由于云頂溫度持續(xù)升高、大氣冰核越加減少加之適當(dāng)?shù)倪^(guò)冷水，導(dǎo)致參與競(jìng)爭(zhēng)粒子少，利于淞附過(guò)程發(fā)生［34］。不同于水汽充沛的季風(fēng)區(qū)的南京地區(qū)暴雪過(guò)程［35］，西天山地區(qū)暴雪過(guò)程雪花直徑及雪強(qiáng)偏小，霰粒子對(duì)雪強(qiáng)貢獻(xiàn)較大。

4 討論

天山云降水物理野外試驗(yàn)科學(xué)觀測(cè)基地建設(shè)時(shí)間較短，觀測(cè)資料積累僅3 a，研究樣本不夠大，主要應(yīng)用云雷達(dá)和地面雨滴譜儀觀測(cè)資料進(jìn)行了云和降水宏微物理特征進(jìn)行了初步研究，未對(duì)所有觀測(cè)資料進(jìn)行融合后進(jìn)行綜合研究，尤其是未應(yīng)用C波段雙偏振天氣雷達(dá)對(duì)強(qiáng)對(duì)流降水微物理三維結(jié)構(gòu)的研究，微物理參數(shù)反演方法還有待進(jìn)一步提高。今后可以加強(qiáng)一下方面的研究，包括：

（1）在反演算法方面，采用雙矩歸一化重建雨滴譜分布，突破伽馬雨滴譜分布模型限制，提高C波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)反演雨滴譜的準(zhǔn)確性；利用垂直指向雙頻云雷達(dá)2 個(gè)頻率通道的返回信號(hào)，研究后向自適應(yīng)迭代法，更準(zhǔn)確地反演云降水微物理參數(shù)廓線。

（2）基于觀測(cè)開(kāi)展不同季節(jié)、不同海拔、不同天氣背景下，研究各類降水云系（層狀云、混合云、對(duì)流云）宏觀和微觀物理特征，綜合應(yīng)用各類觀測(cè)資料研究云形成降水物理過(guò)程。

（3）開(kāi)展不同形態(tài)對(duì)流風(fēng)暴微物理三維結(jié)構(gòu)、演變及其與降水的關(guān)系研究，發(fā)展基于雙偏振雷達(dá)的適用于天山的定量降水估測(cè)算法，提出基于觀測(cè)的干旱區(qū)云微物理參數(shù)化優(yōu)化方案。

（4）基于本基地觀測(cè)評(píng)估國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星觀測(cè)云水物理參數(shù)在中亞地區(qū)的適用性并相互校正，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展基于空-天-地綜合觀測(cè)的云水資源精細(xì)化評(píng)估和監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，為人工增雨（雪）作業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

降水物理過(guò)程以及云水資源等具有很強(qiáng)的氣候背景、地形和區(qū)域依賴性。中亞獨(dú)特的干旱氣候背景和復(fù)雜沙漠-綠洲-冰雪山盆地形，使得中亞區(qū)域降水物理過(guò)程以及云水資源具有區(qū)域特點(diǎn)。主要結(jié)論如下：

（1）有云樣本約占15%，而有云樣本中四季低云占40%～50%，中云占35%～50%，而高云占10%～20%。夏季云頂高度、云底高度和云厚度最高、冬季最低，春、夏、冬季云在夜間頻繁形成，于白天逐漸消散，秋季云于上午形成頻率高，在其他時(shí)段消散。春、夏、秋季云頂高度有2 個(gè)最可能高度，冬季只有一個(gè)最可能高度。隨雨強(qiáng)增大云伸展更高、云反射率因子和平均液態(tài)含水量越高，液態(tài)水含量是雨強(qiáng)大小的關(guān)鍵因素。降雪云主要在2.50 km 以下，反射率因子多小于24 dBZ，最大反射率因子為29～33 dBZ，大雪過(guò)程2 km 以下反射率因子和云雪粒子含水量明顯大于小和中雪過(guò)程。

（2）春、夏、秋季層狀云降雨都是主導(dǎo)降雨云系，層狀云降雨的微物理參量平均值普遍比中國(guó)東部地區(qū)偏小，以小粒子為主，夏季微物理參量平均值最大，其次是秋季。雨滴質(zhì)量加權(quán)平均直徑、中值體積直徑和反射率因子均隨降雨率等級(jí)的增加而增加，在夏季（秋季）達(dá)到最大值（最小值）。小雨滴對(duì)雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)小、對(duì)總雨滴數(shù)濃度的貢獻(xiàn)大，中雨滴和大雨滴對(duì)雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)大。層狀云降雨與對(duì)流云降雨相比有更多的小雨滴，以及更少的中和大雨滴。

（3）西天山比中天山降雨過(guò)程的中雨滴和大雨滴濃度高、小雨滴濃度低，對(duì)于所有降雨率等級(jí)和降雨類型，西天山較中天山降雨有更大質(zhì)量加權(quán)平均直徑和更小的標(biāo)準(zhǔn)化截距參數(shù)，層狀云反射率因子-降水量關(guān)系相關(guān)較好，而對(duì)流云關(guān)系相關(guān)較差，必須考慮包含中、大雨滴的形狀的雙偏振量提高該區(qū)域強(qiáng)降水定量降水估測(cè)關(guān)系。與北京市、湖北省和南京市比較而言，天山地區(qū)對(duì)流性降水粒子平均直徑偏大但濃度遠(yuǎn)偏低。與東部季風(fēng)區(qū)暴雪過(guò)程相比西天山地區(qū)暴雪過(guò)程的雪花直徑及雪強(qiáng)偏小，霰粒子對(duì)雪強(qiáng)貢獻(xiàn)較大。