山西層狀云微物理結構飛機地面聯(lián)合探測研究

封秋娟++申東東++晉立軍++張冬香

摘要：針對山西省2010-05-27一次層狀云降水過程，利用機載DMT探頭和Parsivel激光降水粒子譜儀進行探測試驗，分析了云微物理特征，并對空中和地面雨滴譜進行比較。結果顯示，空中云垂直和水平結構分布不均勻，CDP，CIP探測最大粒子濃度分別為165.20 cm-3、1.08 cm-3。地面雨滴微物理量的平均值說明此次降水是典型的層狀云降水，雨強主要由雨滴數(shù)密度決定，雨滴微物理參量隨時間變化而分布不均勻。結合粒子圖像和雨滴特征量分析空中雨滴譜隨高度的分布時發(fā)現(xiàn)，此次降水是冷云和暖云降水共存。

關鍵詞：空中云微；地面云微；物理特征；層狀云

中圖分類號：P426.5+1文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）08－0140－03

層狀云系是中國北方降水的主要云系，對層狀云降水過程宏微觀結構的觀測、研究可以進一步了解層狀云降水的形成機制，為人工增雨作業(yè)方案的優(yōu)化提供科學依據(jù)。Hobbs et al．（1974）和Heymsfield（1986）的研究表明，冰晶聚并的比例隨溫度的降低而減小，但仍有可能存在于溫度低于－25℃的云內(nèi)。Field（1999）通過對冷鋒高層云系的探測發(fā)現(xiàn)，－40～－20 ℃層冰晶以擴散增長為主，而－20～－10 ℃層聚并占主導地位。利用機載粒子測量系統(tǒng)是目前研究層狀云結構和降水機制的重要方法（張佃國等，2010，2011；劉瑩瑩等，2012）。我國自20世紀80年代起，引進美國的粒子測量系統(tǒng)（簡稱PMS）開展云的研究。游來光等（2002）發(fā)現(xiàn)北方的層狀云中存在“播種云—供應云”的配置，有時中間還常夾有干層。楊文霞等（2005）對4架次飛行個例的PMS資料進行綜合分析，發(fā)現(xiàn)河北省春季層狀云降水系統(tǒng)存在不均勻性，較強降水云帶是其具體表現(xiàn)之一。居麗玲等（2011）分析了2008-10-04—05石家莊一次降水性層狀云系的PMS資料發(fā)現(xiàn)，云系微物理要素的垂直分布結構與粒子增長過程符合顧震潮先生三層模型的冷云降水形成機制。山西省人工降雨防雹辦公室2006年從美國粒子測量技術公司（DMT，Droplet Measurement Technology）引進了云物理探測系統(tǒng)，孫鴻娉等（2011）利用DMT探測平臺對山西一次云降水過程實施了綜合探測，分析表明，只有當云粒子濃度不小于30 cm-3時，相應云區(qū)才具有一定的可播度。

本文利用2010-05-27一次從空中到地面的微觀探測資料，結合衛(wèi)星云圖、雷達回波等宏觀資料，分析了層狀云降水云系空中云微物理參量的垂直、水平分布特征和地面雨滴譜特征，通過研究空中雨滴譜變化，了解此次層狀云降水的主要機制，以期提高對山西地區(qū)層狀云降水特征的了解。

1天氣背景

2010-05-26—27，高空500 hPa山西省受西南氣流控制，并且在新疆西部和河套地區(qū)有短波槽不斷東移影響，在蒙古中部形成閉合低渦，高空700 hPa山西省位于切變線以東和最大風速帶以西。受巴爾喀什湖移入冷渦系統(tǒng)和西太平洋副熱帶高壓邊緣暖濕氣流系統(tǒng)影響，2010-05-27T10：00在華北大部分地區(qū)、內(nèi)蒙古東部地區(qū)的上空形成一條東北—西南走向的連續(xù)云帶（衛(wèi)星云圖略）。從雷達PPI（plane position indicator，平面位置顯示）回波圖看，所選用區(qū)間（太原—祁縣—介休）資料回波結構相對均勻，回波強度在20 dBz左右，且空間距離在太原雷達90 km范圍內(nèi)。圖1b為沿介休、祁縣方向RHI（range-height indicator，距離高度顯示）剖面圖，觀測區(qū)域回波頂高不均勻，強回波頂在4 km左右。2010-05-26T08：00，山西南部的運城先出現(xiàn)小雨，17：00系統(tǒng)東移，山西中南部大部分地區(qū)降小雨，2010-05-26T17：00—2010-05-27T20：00為全省范圍的小到中雨，2010-05-27T23：00全省降水基本結束。

a. PPI（仰角1.5°）；b. RHI（沿介休、祁縣方向，方位角214.4°）

圖12010-05-27T10：04太原站雷達回波

2資料的獲取

空中觀測采用美國DMT公司生產(chǎn)的空氣狀況探頭（ADP）、云粒子探頭（CDP，量程：3～50 μm）、二維云粒子圖像探頭（CIP，量程：25～1 550 μm）、二維降水粒子圖像探頭（PIP，量程：100～6 200 μm）。地面觀測以雨滴譜為主，采用德國OTT公司生產(chǎn)的Parsivel激光降水粒子譜儀。該儀器的數(shù)據(jù)共有32個尺度測量通道和32個速度測量通道，其中，粒子尺度測量32個通道對應的數(shù)據(jù)范圍為0.2～25 mm（實際測量中前兩通道無數(shù)據(jù)），粒子速度測量范圍為0.2～20 m/s。

探測飛機為運－12，飛行主要區(qū)域為祁縣、介休上空，由雷達回波可知，飛行區(qū)域回波相對均勻，且空間距離在雷達觀測90 km范圍內(nèi)。9：12飛機從太原武宿機場起飛，本場小雨，起飛后垂直爬升飛往祁縣，約2 100 m高度入云，0 ℃層在3 500 m，9：34到達祁縣，高度5 600 m，500 hPa盛行西南風，風速8 m/s。隨后保持高度5 600 m折線飛往介休并作業(yè)，9：55從介休保持5 600 m平飛往祁縣回穿作業(yè)云，10：04在祁縣盤旋下降600 m后保持5 000 m平飛到介休，10：17在介休盤旋下降600 m后保持4 400 m平飛到祁縣，10：29在祁縣盤旋下降6 00 m后保持3 800 m平飛到介休，700 hPa盛行南風，風速16 m/s，10：44從介休返航回太原并于11：12降落。

圖22010-05-27二維軌跡（a）和三維軌跡（b）圖

地面雨滴譜觀測在山西祁縣、介休進行。取樣間隔時間是1 min，飛行時間內(nèi)（9：12—11：12）祁縣、介休各取得樣本121個。2010-05-27探測時間段（9：12—11：12）飛行區(qū)域主要云系是高層云，降水類型是連續(xù)性小雨，其中，介休降水量2.5 mm，祁縣降水量2.1 mm。

3云的微結構

3.1微物理參數(shù)的垂直分布

利用飛機爬升階段的探測資料研究云系的垂直結構。圖3a，3b，3c給出了CDP，CIP，PIP三個探頭觀測到粒子數(shù)濃度、粒子直徑的垂直分布情況，探測高度的范圍為780～5 600 m，溫度為－6.7～15.7 ℃。由圖3a可知，2 300～4 200 m高度云滴數(shù)濃度較大，最大粒子數(shù)濃度為165.20 cm-3，粒子數(shù)濃度和直徑呈負相關關系，2 300 m以上粒子直徑變化小，基本在20 μm以下。CIP探測到3 000 m以上粒子數(shù)濃度量級分布在10-2～10-1 cm-3，3 000 m以下粒子數(shù)濃度量級變化大部分在10-3～100 cm-3，并出現(xiàn)粒子數(shù)濃度最大值為1.08 cm-3，粒子尺度3 000 m以下分布在25～1 550 μm，3 000 m以上粒子尺度主要分布在800～1 550 μm。PIP探測資料顯示，3 000 m以下粒子數(shù)濃度量級約為10-3 cm-3，隨著高度的增加而遞減，粒子直徑基本小于1 300 μm，3 000 m以上粒子數(shù)濃度量級為10-3 cm-3，但大于3 000 m以下，粒子數(shù)濃度隨著高度的增加而遞增，粒子直徑基本大于1 300 μm。

注：a.CDP；b.CIP；c.PIP

圖32010-05-27飛機爬升階段探測云微物理參數(shù)垂直分布圖

3.2微物理參量的水平特征

圖4a，4b分別給出了5 000 m、3 800 m高度層CDP，CIP，PIP觀測到的粒子數(shù)濃度、粒子直徑的水平分布特征（對觀測數(shù)據(jù)取6 s平均）。從圖4a可以看出，CDP探測到云粒子數(shù)濃度量級為10-1 cm-3，水平起伏小，粒子平均體積直徑起伏大。CIP探測到大云滴粒子濃度分布均勻，平均為1.0×105 m-3，粒子平均體積直徑分布均勻。PIP觀測到降水粒子量級為103 m-3，曲線較平滑，體積直徑起伏大，在1 400～4 100 μm之間。5 600 m、4 400 m高度層探測的云粒子水平分布特征與5 000 m高度層（圖略）相同。圖4b為3 800 m高度層探測云粒子水平分布特征，CDP探測云滴濃度在整個平飛階段分布很不均勻，有3個量級的變化，粒子數(shù)濃度和直徑呈反相關關系，粒子平均體積直徑起伏也較大。CIP探測大粒子數(shù)濃度有起伏，極值相差2個量級，粒子直徑尺度基本分布在600～1 500 μm。PIP降水粒子數(shù)濃度量級為103 m-3，水平分布略有起伏，粒子尺度分布在小于5 000 m高度處，變化范圍為1 900～3 800 μm。

圖42010-05-27探測的5 000 m（a）和3 800 m（b）云微物理參數(shù)的水平分布圖

4地面雨滴譜特征

4.1雨滴譜微物理特征參量

雨滴的微物理參量可以反映降水的基本特性，對探測時間段內(nèi)（2010-05-27T9：11—11：19）介休、祁縣地面雨滴微物理參量計算平均值，結果見表1.其中D1，D2，D3分別為雨滴平均直徑、均方根直徑、均立方根直徑，Dmax為雨滴最大直徑的平均值，N為雨滴總數(shù)濃度，I為雨強，N0-1/N，I0-1/I表示直徑0～1 mm的雨滴占總數(shù)密度和雨強的比例，I1-2/I表示直徑1～2 mm的雨滴雨強占總雨強的比例。由表1可知，介休、祁縣兩站的各物理參量比較接近，雨滴數(shù)濃度有102 m-3的量級，介休、祁縣雨滴平均直徑分別為0.79 mm、0.86 mm，平均雨強分別為1.13 mm/h、1.54 mm/h，這是典型的層狀云降水。在介休、祁縣的降水過程中，直徑0～1 mm的雨滴數(shù)濃度占總數(shù)濃度的80%左右，對降水的貢獻為30%左右，降水過程以小雨滴為主，雨強貢獻超過50%的雨滴直徑范圍是1～2 mm。

表1雨滴譜微物理量的平均值

觀測

地點 D1/

mm D2/

mm D3/

mm Dmax/

mm N/m-3 I/

（mm?h-1） （N0-1/N）

/% （I0-1/I）

% （I1-2/I）

%

介休 0.79 0.86 0.92 2.11 210 1.13 82.9 38.0 56.9

祁縣 0.86 0.95 1.04 2.71 175 1.54 77.8 24.2 57.0

平均值 0.83 0.91 0.98 2.41 193 1.34 80.4 31.1 57.0

4.2雨滴微物理參量的時間演變

圖5a，5b分別給出了介休、祁縣兩站的雨滴數(shù)濃度N、雨強I、雨滴的平均直徑D1和最大直徑Dmax隨時間的演變特征。從圖5a中可以看出，介休雨滴數(shù)濃度多起伏，變化范圍為92.8～400 m-3，雨滴最大直徑在1.5～3.5 mm，雨強在0.62～2.12 mm/h，雨滴平均直徑基本在0.8 mm左右。在9：11—10：10降水期間，雨滴數(shù)濃度先下降，隨后緩慢上升達到一定峰值后逐漸下降，與雨強和最大直徑隨時間變化趨勢基本一致。10：10—11：19比9：11—10：10雨滴數(shù)濃度變化劇烈，與雨強變化趨勢相同，雨滴最大直徑變化平緩。從圖5b中可以看出，在降水過程中，祁縣雨滴數(shù)濃度變化范圍為82.9～265 m-3，變化范圍比介休窄，雨滴最大直徑在2.0～4.0 mm之間，雨強在0.68～2.61 mm/h之間，雨滴平均直徑基本在0.8 mm左右。

a. 介休b. 祁縣

圖5雨強I、雨滴數(shù)濃度N、平均直徑D1和最大直徑Dmax隨時間演變

5空中雨滴譜隨高度的分布

表2各高度層雨滴譜特征量

高度層/m 平均溫度/℃ 平均數(shù)濃度/L-1 平均直徑/mm 對應云位置

5 600 -6.7 4.93 1.68 冷云

5 000 -5 6.41 1.65

4 400 -3.6 7.28 1.65

3 800 -1.2 2.73 2.12 冷云干層

3 000 2 1.35 1.16 暖云

2 100 7.4 2.08 0.79

1 500 11 1.34 0.80

圖6不同高度層二維粒子圖像圖7不同高度層雨滴譜

分析2010-05-27觀測到的空中不同高度層雨滴譜分布的變化（資料取自PIP探頭）。5 000 m、4 400 m高度處冰粒子數(shù)濃度大于5 600 m處（表2），并含有豐富的過冷水，云粒子在高層以核化、凝華和擴散增長為主，由于云中上層受冷空氣活躍帶影響而產(chǎn)生的輻合作用，云粒子和冰粒子活躍增長，雪粒子和大滴形成（圖6）。云中存在冰雪晶、過冷水，云滴凍結淞附在冰雪晶上，對雨滴增大產(chǎn)生了影響，所以，5 000 m、4 400 m雨滴譜較5 600 m變寬（圖7）。從圖3a可以看到，在3 800 m的高度處，云滴數(shù)濃度很低，是一個干層（低于0 ℃），雨滴平均直徑較冷云其他層增加明顯，同時，數(shù)濃度減?。ㄒ姳?），雪粒子發(fā)生聚合（圖6），這里發(fā)生了固態(tài)粒子聚合和云滴蒸發(fā)。3 000 m高度處雨滴比上層濃度小，可能是降水的不均勻性造成的現(xiàn)象，也有可能是上層高濃度雨滴胚胎還沒有降落所致，滴譜變窄是因為冰相粒子融化所致，此高度應當是雨滴碰并云滴增長。在2 100 m和1 500 m處，雨滴數(shù)濃度的變化是降雨的陣型所致，與3 000 m處相比平均直徑變小，地面相對濕度90.4%，這應當是蒸發(fā)的緣故。

6結論

本文對2010-05-27一次層狀云降水的地面、空中云微物理特征進行了分析，得到如下結論：①根據(jù)衛(wèi)星云圖和雷達回波等宏觀資料判斷此次降水屬層狀云降水，主體云系分布在2 100～4 200 m，垂直方向存在干層。②分析飛機探測空中云的微結構表明，云微物理結構垂直分布不均勻，CDP探測粒子濃度相差4個量級，粒子濃度與直徑成負相關關系。CIP探測粒子濃度量級在10-3～100 cm-3，最大粒子濃度為1.08 cm-3，3 000 m以下粒子直徑分布在25～1 550 μm，3 000m以上粒子直徑分布在800～1 550 μm。PIP探測粒子濃度量級基本為10-3 cm-3，3 000 m以下粒子直徑小于1 300 μm，3 000 m以上粒子直徑大于1 300 μm。5 600 m、5 000 m、4 400 m平飛CDP，CIP，PIP探測粒子濃度起伏小，直徑起伏大。3 800 m平飛CDP探測粒子濃度起伏大，CIP，PIP探測粒子濃度起伏小。③對地面雨滴譜特征進行分析發(fā)現(xiàn)，雨強主要由雨滴數(shù)密度決定，層狀云降水微物理參量隨時間分布不均勻。④結合粒子圖像、空中雨滴譜的高度分布分析降水機制，降水為冷云和暖云降水相結合。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕

Observation and Analysis of Microphysical Characteristics

of Stratiform Cloud Precipitation in Shanxi Province

Feng Qiujuan，Shen Dongdong, Jin Lijun, Zhang Dongxiang

Abstract：The cloud microphysical properties of a stratiform cloud in Shanxi on 27 May 2010 were analyzed based on the airbrone DMT probes and Parsivel laser precipitation particle spectrometer. The results showed that the vertical and horizontal structure of clouds was uneven. The maximum concentration values sampled by CDP and CIP were 165.20cm-3 and 1.08cm-3 respectively. Average value of microphysical features of surface raindrops indicated that it was a typical stratiform cloud precipitation. Rainfall intensity is mostly decided by raindrop concentration. Temporal distribution of raindrop microphysical parameters was not even. The precipitation was the coexistence of cold cloud and warm cloud precipitation.

Key words：surface raindrop size distribution; upper raindrop size distribution; stratiform cloud

（上接第134頁）

3.5WPA/WPA2協(xié)議的加密技術

WPA的功能是替代現(xiàn)行的WEP協(xié)議，是改進WEP所使用密鑰的安全性的協(xié)議和算法。它改變了密鑰的生成方式，加強了生成加密密鑰的算法，更頻繁地變換密鑰，來獲得安全；增加了消息完整性檢查功能，以防數(shù)據(jù)包偽造。WPA還追加了防止數(shù)據(jù)中途被篡改的功能和認證功能，采用高級加密算法（AES）支持。除此之外，與WPA相比，二者無太大區(qū)別。

4結束語

文章總結了企業(yè)應用中無線網(wǎng)絡的優(yōu)缺點，可以了解到無線網(wǎng)絡的安全組建工作需要結合自身實際情況，選擇合適安全技術，從而有效地保護網(wǎng)絡的安全。目前，無線局域網(wǎng)的各項技術均處在快速發(fā)展的過程中，安全防護技術也在不斷發(fā)展；然而與此同時，黑客的攻擊技術也在不斷更新，攻擊技術和防范策略此消彼長，在某種意義上，二者是互相促進的。因此，還需要對無線網(wǎng)絡安全技術進行更深入的探討、研究，需要網(wǎng)絡安全維護人員對此有深刻的認識，并時刻保持警鐘長鳴，不斷提高自身的技能水平，加強對計算機網(wǎng)絡知識的學習和應用。

參考文獻

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〔編輯：李玨〕

On the Enterprise Wireless Network Security Technology Use

Wang Zhisheng, Fan Limin

Abstract: At present, the rapid development of wireless networks in the enterprise, how to ensure secure communication became technical issues of common concern. Combined with the actual situation of the enterprise communication network, wireless network communications security technology in-depth discussion, and made some communication convenient, safe and secure wireless communication technology to avoid attacks by hackers, for reference.

Key words: network; safe; wireless; corporate