山西春季層狀云系數(shù)值模擬及與飛機探測對比

李軍霞李培仁陶 玥史月琴晉立軍

1）（南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠－云－降水重點開放實驗室，南京210044）

2）（山西省人工降雨防雹辦公室，太原030002）3）（中國氣象科學研究院，北京100081）

山西春季層狀云系數(shù)值模擬及與飛機探測對比

李軍霞1）2）＊李培仁2）陶 玥3）史月琴3）晉立軍2）

1）（南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠－云－降水重點開放實驗室，南京210044）

2）（山西省人工降雨防雹辦公室，太原030002）3）（中國氣象科學研究院，北京100081）

采用中國氣象科學研究院（CAMS）中尺度云參數(shù)化模式對2010年4月20日山西省一次春季層狀降水云系的宏微觀結(jié)構(gòu)，特別是垂直方向上的微物理結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬和分析。利用攜帶云粒子探測設備的飛機對該次層狀云系進行了兩次云物理探測飛行，并將飛機探測所獲取的數(shù)據(jù)和圖像資料與數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比研究。模擬結(jié)果顯示：該次降水過程以層狀冷云降水為主，云中過冷水含量豐富，云系存在明顯的3層結(jié)構(gòu)，地面降水主要來自于云中高層冰晶、雪、霰等冰相粒子的融化和低層云水的轉(zhuǎn)化。數(shù)值模擬與飛機探測對比分析顯示，高空溫度、濕度和高度的配置兩者基本一致，數(shù)值模擬不同高度的云粒子相態(tài)、垂直方向云水比含水量與飛機探測獲取的云粒子圖像和云液態(tài)水含量的垂直結(jié)構(gòu)基本吻合，但數(shù)值模擬的云中各種水成物粒子出現(xiàn)的高度較飛機探測偏高。

云微物理量；數(shù)值模擬；機載探測

引 言

作為云降水物理研究的重點，在降水云系的宏微觀結(jié)構(gòu)以及云中微物理過程等方面國內(nèi)外許多專家進行了大量研究。顧震潮［1］在20世紀60年代提出了層狀云降水粒子形成的概念模型：層狀云云頂溫度低于－20～－5℃時，層狀云上部會生成冰晶，如果云底溫度在0℃以上，那么冰晶在下降過程中要經(jīng)過3層或3個階段。該模型將層狀云的垂直結(jié)構(gòu)分成3層：冰晶層、過冷水層和暖水層。利用數(shù)值模式對降水云系進行研究，是分析云系宏微觀結(jié)構(gòu)的一種重要方法。胡志晉［2］結(jié)合數(shù)值模擬研究，探討了層狀云降水的機理和人工增雨的可能性。洪延超等［3］用一維層狀云模式研究了一次冷鋒云系中的“催化供給”云的微物理結(jié)構(gòu)，分析了降水形成過程。史月琴等［4］利用中國氣象科學研究院 （CAMS）中尺度云分辨模式，結(jié)合實測地面降水量、衛(wèi)星和雷達資料，對發(fā)生在2004年3月31日—4月1日的華南春季冷鋒降水過程進行了模擬分析。孫晶等［5］通過CAMS復雜云微物理方案與GRAPES模式耦合的數(shù)值試驗果表明：CAMS方案能夠模擬出與實測相接近的雨帶分布特征，并且對降水演變的模擬結(jié)果與其他方案比較一致，各相態(tài)粒子量級和分布合理；個例分析結(jié)果顯示出CAMS方案對降水和水成物的分布能夠合理描述。因此，數(shù)值模式的應用在研究云和降水的微物理特征以及人工影響天氣等方面發(fā)揮了巨大作用［6－18］。

目前，各類云參數(shù)化模式生成的云物理量產(chǎn)品主要有溫度場、風場、高度場、水汽場和各種云中水成物粒子的水平和垂直分布狀況，而機載云物理探測儀器取得的資料為溫度、濕度、高度、航速以及各類云雨粒子的尺度、圖像和濃度分布狀況，兩者可以直接進行對比的物理參量很少。同時飛機探測受空域、氣象條件等制約，不能隨時隨地飛行取樣，所以將二者直接進行對比非常困難。因此，將數(shù)值模擬結(jié)果和機載實測數(shù)據(jù)進行對比來驗證兩者之間的真實性，此類研究目前還較少。本文選取了2010年4月20日在山西省人工影響天氣試驗區(qū)上空利用攜帶云粒子探測系統(tǒng)（DMT）的飛機進行的兩次云物理探測飛行所獲取數(shù)據(jù)與圖像資料，選取同時段同位置的數(shù)值模擬結(jié)果，針對一些兩者皆有的物理量，如溫度、濕度和高度的配置、不同高度上各種水成物粒子的相態(tài)、云粒子濃度、云液態(tài)水含量等進行對比分析。這是首次嘗試進行機載探測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的對比分析，試圖從一個全新的角度對數(shù)值模擬結(jié)果進行驗證。在數(shù)值模擬與觀測對比分析的基礎上總結(jié)出此次春季層狀云降水的宏微觀結(jié)構(gòu)特征。

1 天氣過程簡介

2010年4月19—20日，受高空低槽切變與地面弱冷鋒的共同影響，山西省出現(xiàn)了一次大范圍的層狀云降水過程，全省均有不同程度的降水，全省大部分地區(qū)降小雨，部分地區(qū)中雨，局部大雨，北部局部、中南部大部共77個縣（市）降中雨，其余縣（市）降小雨，較強的降水出現(xiàn)在山西省的中部和南部地區(qū)。從4月20日山西省多普勒天氣雷達回波拼圖來看，降水回波面積大且分布均勻，回波強度為15～30dBZ，回波維持時間較長?；夭◤姸却怪逼拭鎴D中（圖略），回波均勻，頂部平整，有比較明顯的回波亮帶，零度層亮帶高度約為3km，回波頂高約為6km，為典型的層狀云降水回波。

2 層狀降水云系的數(shù)值模擬

2.1 模式簡介

數(shù)值模擬采用中國氣象科學研究院（CAMS）中尺度云分辨模式，初始場為T213預報場資料，模式中心經(jīng)緯度為38°N，110°E，選取該模式第2層預報范圍產(chǎn)品，預報范圍為33°～42°N，105°～118°E，東西向格點數(shù)為91，南北向格點數(shù)為91，垂直分層為20層，水平格距為10km。模式采用中國氣象科學研究院CAMS顯式云物理方案和Grell對流參數(shù)化方案，邊界層方案采用Blackdar方案，輻射方案采用云輻射方案，該模式已在山西省業(yè)務化運行3年?？紤]到檢驗模式的可靠性，對模式產(chǎn)品中關于云系的模擬與衛(wèi)星云圖進了長時間序列的對比，發(fā)現(xiàn)模式模擬結(jié)果與衛(wèi)星云圖在云系范圍、移動和生命史方面具有很好的一致性。此外，還對2009—2011年3年的降水預報結(jié)果進行了TS評分，TS評分結(jié)果顯示：對于小雨和中雨預報，該模式預報的TS評分較高，特別是在春夏季降水相對較多的月份，TS評分可達0.6以上，預報效率可達0.9以上。通過對該模式的評分檢驗，認為該模式具有較高的模擬可靠性。

2.2 云系的水平分布特征

積分云水含量為某底面積的垂直柱體中的總云水含水量，常用來表征云體內(nèi)含水量的多少。圖1為2010年4月20日09：00（北京時，下同）和20：00垂直積分云水分布（白圈內(nèi)為當日飛機探測范圍，下同）。由圖1可見，20日08：00—20：00，云系自西南移入山西省并且向東北方向移動，山西省大部分地區(qū)特別是中南部有大范圍云系覆蓋，積分云水含量為0.1～2mm。

圖1 2010年4月20日09：00（a）和20：00（b）垂直積分云水分布Fig.1 Vertical integrated water distribution at 0900BT（a）and 2000BT（b）on 20April 2010

圖2為2010年4月20日09：00和20：00 500hPa云水分布圖。從雷達回波及飛行探測來看，4月20日零度層約為3000m高度。由圖2等溫線可以看出，圖2云水區(qū)溫度為－20～－15℃，因此，500hPa的云水分布可以看作為高空過冷水的分布狀態(tài)。從圖2過冷水分布狀態(tài)來看，4月20日09：00（圖2a）山西中南部地區(qū)上空已經(jīng)出現(xiàn)過冷云水并逐漸豐富，至20：00（圖2b）山西省中南部有大范圍過冷水覆蓋，過冷水含量多集中于0.1～0.4g·kg－1，部分區(qū)域可達0.7g·kg－1。

圖3為500hPa高度冰晶數(shù)濃度分布圖，由500hPa冰晶數(shù)濃度分布圖來看，該高度層云內(nèi)含有一定數(shù)量的冰晶，冰晶數(shù)濃度相對較少。

圖2 2010年4月20日09：00（a）和20：00（b）500hPa云水分布（陰影）（紅色等值線代表溫度，單位：℃）Fig.2 500hPa cloud water distribution（shaded）at 0900BT（a）and 2000BT（b）on 20April 2010（red isoline denotes temperature，unit：℃）

圖3 2010年4月20日09：00（a），12：00（b），20：00（c）500hPa冰晶數(shù)濃度分布（陰影）（紅色等值線代表溫度，單位：℃）Fig.3 The number concentration distribution（shaded）of 500hPa ice crystals at 0900BT（a），1200BT（b）and 2000BT（c）on 20April 2010（red isoline denotes temperature，unit：℃）

綜合本次降水云系的垂直積分云水含量分布（圖1）、云中過冷水分布（圖2）和冰晶數(shù)濃度分布（圖3）情況可以看出，在山西省中南部地區(qū)（圖1、圖2中白圈所示區(qū)域，該區(qū)域為當日飛機探測的范圍）高空過冷水豐富，并有一定數(shù)量的冰晶，這為開展飛機云物理探測和人工增雨提供了較好的條件。

2.3 云系的垂直結(jié)構(gòu)及微物理特征

根據(jù)2010年4月20日山西省上空層狀云系分布情況和當日飛機探測區(qū)域，選擇汾陽（37.15°N，111.47°E）和文水（37.26°N，112.14°E）兩個站（飛機垂直探測位置），模擬繪制了單站上空云系中各種水成物粒子比含水量垂直分布圖，用以分析各種水成物粒子在云系的不同高度的分布狀態(tài)。圖4為2010年4月20日汾陽站上空12：00，15：00，16：00，18：00各水成物粒子的垂直分布圖。

圖4 2010年4月20日12：00（a），15：00（b），16：00（c），18：00（d）山西省汾陽站上空水成物粒子分布Fig.4 Vertical distribution of hydrometeors over Fenyang Station of Shanxi Province at 1200BT（a），1500BT（b），1600BT（c），1800BT（d）on 20April 2010

由圖4可以看到，汾陽上空2010年4月20日12：00（圖4a）云內(nèi)少量的冰晶出現(xiàn)在350hPa以上的高空，最大值約為0.03g·kg－1。大量云水主要分布在300～650hPa高度，以過冷云水為主。云水分布不連續(xù)，有兩個峰值，分別出現(xiàn)在550hPa和400hPa附近，峰值含量為0.07g·kg－1和0.05g·kg－1。且4個時次云內(nèi)雪含量非常高，深厚的雪層從700hPa一直延伸到高空，說明云內(nèi)冷云過程很強。雪分布連續(xù)，有一個峰值，峰值大約位于350～500hPa，峰值約為0.2～0.3g·kg－1。12：00（圖4a）和18：00（圖4d）云水均呈雙峰分布，峰值存在范圍基本對應于高含量的雪；而15：00（圖4b）和16：00（圖4c）云水含量的峰值區(qū)高度明顯低于雪的峰值區(qū)。400hPa高度以下，霰的含量明顯增大，特別是15：00（圖4b）和16：00（圖4c）霰的峰值含量很高，峰值出現(xiàn)在600～700hPa之間，峰值達到了0.25g·kg－1以上，呈單峰分布；850hPa霰含量減少至最低。雨水出現(xiàn)在700hPa高度以下，且雨水的含量向下逐漸增大，特別是15：00（圖4b）和16：00（圖4c）雨水含量非常大，說明此時段的降水相對較強。

圖5為2010年4月20日文水站上空12：00，15：00，17：00，21：00各水成物粒子的垂直分布圖。

圖5 2010年4月20日12：00（a），15：00（b），17：00（c），21：00（d）文水站上空各種水成物粒子分布Fig.5 Vertical distribution of hydrometeors of Wenshui Station at 1200BT（a），1500BT（b），1700BT（c），2100BT（d）on 20April 2010

由圖5可以看到，文水站上空云內(nèi)大量的云水主要分布在650hPa高度以上，大部分為過冷云水。云水分布連續(xù)，2010年4月20日15：00（圖5b）呈雙峰分布，說明云中過冷水分布存在不均勻性。云水含量峰值位于400～600hPa之間，最大值為0.1g·kg－1。雪含量高且深厚，表明云內(nèi)冷云過程很強。雪分布連續(xù)，有1個峰值位于350～500hPa之間，峰值最大達到0.4g·kg－1。4月20日12：00（圖5b），15：00（圖5a）雪的峰值所在高度與過冷云水的峰值區(qū)高度對應很好。冰晶主要分布在350hPa以上的高空。大量的雪經(jīng)高層降落的冰晶轉(zhuǎn)化生成后，淞附過冷水增長，并不斷向霰轉(zhuǎn)化。4月20日15：00（圖5b）后，霰的含量自400hPa高度開始出現(xiàn)并隨著高度降低而逐漸增大。特別是21：00（圖5d）霰含量豐富，最大值接近0.25g·kg－1。雨水仍出現(xiàn)在700hPa高度以下，并且雨水含量隨時間向下逐漸增大。

從兩站雨水、云水及各種冰相粒子含水量的垂直結(jié)構(gòu)分析，本次層狀降水云系可大致分為3層，第1層為分布在350hPa高度以上冰晶和雪晶；第2層為深厚的云水、雪、霰，主要分布約在600hPa高度以上，厚度均達到4000m以上；第3層為暖區(qū)的雨水，主要分布在650hPa以下。從兩個站高空雪和云水的垂直分布看，云水高值區(qū)對應于高含量的雪，雪通過淞附大量過冷云水得以迅速增長；而雪在下降過程中部分融化為過冷云水，又使過冷云水含量有所增大。霰來自于冰晶和雪的轉(zhuǎn)化，并通過撞凍過冷云水進一步長大。雨水主要來自于高空冰晶、雪、霰等冰相粒子的融化和部分云水的轉(zhuǎn)化。

3 模式模擬結(jié)果與飛機探測資料的對比

3.1 兩次探測飛行的航線簡介

2010年4月20日裝備云粒子探測設備以及高精度溫濕度儀的增雨飛機在山西省人工增雨試驗區(qū)上空進行了兩次云物理探測飛行。第1次飛行時間為2010年4月20日10：11—12：00，4月20日10：11飛機從太原武宿機場起飛，首先在3600m高度云中平飛，采用折線飛行從交城到汾陽以東20km，然后穿云爬升至約5900m（文水站附近）探測，11：22云頂平飛，隨后從云中盤旋下降。第2次飛行時間為4月20日15：25—18：30。飛機首先在3600m平飛，17：19起在汾陽附近以600m為間隔盤旋上升至6000m，然后下降返回。

3.2 機載探測設備簡介

空中觀測平臺是國產(chǎn)運－12飛機，安裝了ZZW－1型總溫測量儀和GWS－1濕度測量儀，用于測量大氣溫度和濕度，該套儀器的測量范圍為－40～＋120℃，精度為±（0.5＋0.005｜t｜）℃，飛行速度范圍為0～0.8Ma；響應時間不大于2s。該飛機安裝有美國DMT（Droplet Measurement Technologies）公司生產(chǎn)的機載云物理探測系統(tǒng)，包括二維云粒子探頭（CDP，探測范圍為3～50μm）、二維云粒子圖像探頭（CIP，探測范圍為25μm～1.5mm），降水粒子圖像探測系統(tǒng)（PIP，探測范圍為100～6200μm），本文主要選取CDP測得的云粒子數(shù)濃度和云液水含量、CIP和PIP兩個圖像探頭所取得的粒子圖像資料進行對比分析。

3.3 空中溫濕度變化與數(shù)值模擬結(jié)果對比

第1次飛行，飛機在3600m高度附近飛行時段溫度約為－3℃，零度層位于3200m高度附近；5000m高度以上，溫度降至－8℃以下；5520m高度，溫度為－9.2℃；當飛行高度達到最高點5870m，溫度降至－10℃以下。整個飛行過程中，濕度條件一直較好，飛行在3600m高度附近時，相對濕度超過80%，當飛行高度在4000m以上時，由于冰雪狀粒子的增多，濕度有所下降，飛行高度達到頂點時，溫度達到最低值，濕度也下降至70%左右，飛機返航時隨著飛行高度的逐漸降低，溫度不斷升高，濕度也逐漸增大。

第2次飛行，飛機在上升階段溫度逐漸降低，飛行高度為3200m時進入零度層；在3600m高度開始平飛，此段航程溫度約為－2.5℃；4000m高度時溫度約為－4℃；5000m高度以上，溫度降至－8℃以下；6000m高度時溫度為－11.4℃；當飛行高度達到最高點6217m，溫度降至－11.7℃。整個飛行過程中，濕度條件一直較好，相對濕度為80%～97%，當飛行高度在4000m以上時，由于冰雪狀粒子的增多，濕度略有下降。表1為兩次探測飛行中模式產(chǎn)品和飛機探測數(shù)據(jù)中溫度和高度的對應情況統(tǒng)計結(jié)果，可以看出兩者吻合比較好。

表1 2010年4月20日兩次飛行飛機探測與數(shù)值模擬溫度、高度對照表Table 1 The temperature and height contrast references of the two－flight detections and numerical simulation on 20April 2010

3.4 不同相態(tài)的粒子圖像探測與數(shù)值模擬對比

3.4.1 第1次飛行數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比

采用CIP和PIP兩個探頭所取得的粒子圖像資料進行對比分析。圖6a為CIP探測到的飛機上升階段的云粒子圖像。由圖6a可以看到，2200m云中粒子多為圓形和橢圓形的液態(tài)云滴，還有少量不規(guī)則的霰狀粒子。因本次過程為冷云降水過程，10：00—12：00 2200m已經(jīng)接近零度層，所以云中存在少量霰?；虮ЯＷ印?660m高度（零度層以上）云中粒子為柱狀和一些不規(guī)則形狀固態(tài)粒子，5206m高度（約為－8℃）云中粒子為枝狀和雪花狀粒子，5785m高度（－10℃）云中粒子已經(jīng)多為冰晶狀粒子。

圖6b為同時段PIP探測到的雨滴粒子圖像?？梢钥吹剑孛?87m高度已經(jīng)有降水粒子存在；1100m高度（10℃左右）存在圓形和橢圓形的小雨滴（由于近地面污染物較多，鏡頭清潔度受影響，致使液滴粒子圖像不清晰），同時存在一些不規(guī)則形狀粒子，為少量的雪、霰等冰相粒子；3640m高度（－3℃左右）幾乎全部為枝狀和輻射狀不規(guī)則的冰雪態(tài)粒子；5510m高度（約－9℃）粒子以冰晶為主，還有少量雪狀粒子存在；5860m高度（－10℃）以冰晶狀粒子為主。

圖6 2010年4月20日第1次飛行機載CIP探測到的云粒子圖像（a）和機載PIP探測到的降水粒子圖像（b）Fig.6 Cloud particle images of CIP（a）and raindrop particle images of PIP（b）during the first flight on 20April 2010

圖7 2010年4月20日11：00汾陽站上空（a）與12：00文水站上空（b）的各種水成物粒子分布模擬結(jié)果Fig.7 Simulated vertical distribution of the hydrometeors at 1100BT over Fenyang Station（a）and 1200BT over Wenshui Station（b）on 20April 2010

第1次飛行是由汾陽偏東從3600m高度附近開始爬升至約5900m，并在文水站附近開始盤旋下降，選擇當日汾陽站11：00和文水站12：00垂直方向上云中各種水成物粒子的數(shù)值模擬結(jié)果與機載探測的粒子圖像進行對比。由圖7模擬結(jié)果看，當時地面已有降水，降水均出現(xiàn)在約3100m以下，以液態(tài)降水為主，同時有少量的霰狀粒子存在，說明有部分冰相粒子參與了降水；3100m高度以上，雪狀粒子開始逐漸增多，在450～500hPa（5600m左右）達到峰值，其上雪狀粒子逐漸減少，并且與大量雪狀粒子共存的還有一些云水，云水分布不均勻；少量的冰晶出現(xiàn)在6000m以上。

圖8為第1次飛行時段內(nèi)云中液態(tài)水含量（CDP－LWC）與云粒子數(shù)濃度的垂直分布。與圖7中云水的垂直分布狀態(tài)進行對比可以大致看出，圖8中云粒子含水量與云粒子數(shù)濃度在垂直方向上有兩個大值區(qū)，分別位于5000m與6000m之間以及3000m與4000m之間。由圖7來看，云水比含水量也存在兩個大值區(qū)，分別位于6000～7000m以及4000～5000m，模擬的兩個大值區(qū)較飛機探測的大值區(qū)位置略偏高。

圖8 2010年4月20日第1次飛行時段內(nèi)云中液態(tài)水含量（a）與云粒子數(shù)濃度的垂直分布（b）Fig.8 Vertical distribution of the CDP－LWC（a）and the number concentration of cloud particles（b）during the first flight on 20April 2010

3.4.2 第2次飛行數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比

圖9a為CIP探測到的二維云粒子圖像。由圖9a可以看到，2713m高度云中粒子多為橢圓形的液態(tài)大云滴，3670m高度（零度層以上）云中粒子多為柱狀和一些不規(guī)則形狀粒子，4300m高度（約－4.5℃）云中粒子為雪片狀或不規(guī)則形狀粒子，6200m高度（－11.7℃）云中粒子已經(jīng)多為冰晶狀和雪狀粒子。

圖9b為同時段內(nèi)PIP探測到的雨滴粒子圖像。由圖9b可以看到，近地面（787m和2200m）已經(jīng)有降水，探測到的降水粒子為圓形液滴；3000m（0℃層附近）高度同時共存圓形和橢圓形的小雨滴以及一些不規(guī)則狀粒子，可以考慮為少量的雪、霰等粒子；3660m（－2℃左右）高度幾乎全部為枝狀和輻射狀不規(guī)則的冰雪態(tài)粒子；4200m（約－4.5℃）高度粒子以冰晶為主，還有少量雪狀粒子存在；6209m（－11℃以下）高度全部為冰晶或雪晶。

2010年4月20日的第2次飛行首先在3600m高度平飛，從汾陽站西部開始在3600m高度盤旋上升至6210m，然后下降返航。因此選擇當日第2次飛行時段內(nèi)汾陽站16：00，17：00垂直方向上云中各種水成物粒子的數(shù)值模擬結(jié)果與機載探測的粒子圖像做對比（圖10）。由圖10可以看到，該飛行時段內(nèi)地面一直有降水，降水出現(xiàn)在700hPa（約3000 m）以下，以液態(tài)降水為主，同時有少量的霰存在，在3000m以上有雪態(tài)粒子存在，說明有部分冰相粒子參與了降水，且700hPa高度以上，雪狀粒子開始逐漸增多，少量冰晶出現(xiàn)在450hPa（6000m高度）以上。

對比數(shù)值模擬結(jié)果和飛機探測取得的粒子圖像，地面降水均為液態(tài)雨滴，3000m高度（零度層左右）開始出現(xiàn)液滴和少量不規(guī)則的固態(tài)粒子共存的狀態(tài)，3600m高度以上基本以枝狀和雪狀粒子為主，飛機探測的冰晶從4000m高度以上開始出現(xiàn)并隨高度逐漸增多（圖9），數(shù)值模擬的冰晶是從6000m高度開始出現(xiàn)并隨高度逐漸增多（圖10）。數(shù)值模擬結(jié)果與飛機探測結(jié)果相比，數(shù)值模擬結(jié)果和兩次飛行飛機探測取得的粒子圖像，兩者對應較好，不同高度粒子相態(tài)均比較吻合，但各種水成物粒子分布的垂直高度模擬結(jié)果較實測略偏高。

圖11為第2次飛行時段內(nèi)云中液態(tài)水含量（CDP－LWC）與云粒子數(shù)濃度的垂直分布。同樣與圖10云水的垂直分布狀態(tài)進行對比。可以看出，圖11中云粒子含水量在垂直方向上有兩個大值區(qū)，分別位于5000m和1000m高度左右，云粒子數(shù)濃度在垂直方向上有3個大值區(qū)，分別位于5000m，2000m和1000m高度附近。由圖10可知，云水比含水量也存在兩個大值區(qū)，分別位于4940m和1950m高度附近。對比來看，數(shù)值模擬結(jié)果中最大峰值位置與飛機探測吻合，低空的云水比含水量大值區(qū)較飛機探測的云粒子數(shù)濃度大值區(qū)和液態(tài)水含量大值區(qū)位置偏高。

應該指出的是，本次探測飛行所用飛機最大升限為6000m，且飛行探測與數(shù)值模擬時段并不能完全吻合。機載云粒子探測儀CDP所探測到的是云中3～50μm的各種云粒子，其含水量通過數(shù)濃度換算得到，其定義和單位與數(shù)值模擬的各種水成物粒子的比含水量（包括云水的比含水量）不同，并不能直接定量地進行對比。因此，本文只做定性對比。

圖9 2010年4月20日第2次飛行機載CIP探測到的云粒子圖像（a）和PIP探測到的降水粒子圖像（b）Fig.9 Cloud particle images of CIP（a）and raindrop particle images of PIP（b）during the second flight on 20April 2010

圖10 2010年4月20日16：00（a）和17：00（b）汾陽站上空各種水成物粒子分布模擬結(jié)果Fig.10 Simulated vertical distribution of hydrometeors over Fenyang Station at 1600BT（a）and 1700BT（b）on 20April 2010

圖11 2010年4月20日第2次飛行時段內(nèi)云中液態(tài)水含量（a）與云粒子數(shù)濃度的垂直分布（b）Fig.11 Vertical distribution of the CDP－LWC（a）and the number concentration of cloud particles（b）during the second flight on 20April 2010

4 小 結(jié)

1）2010年4月20日的降水過程以層狀冷云降水為主，云中過冷水含量豐富，過冷區(qū)均位于3000m度以上，云中有較強的垂直上升氣流，上升速度大的區(qū)域冰雪晶含量較大。過冷層的溫度為－40～0℃，過冷云水的比含水量均在0.1g·kg－1以上，最大值可達0.7g·kg－1。

2）從兩個單站云中各種水成物粒子的垂直分布分析，本次層狀降水云系為3層結(jié)構(gòu)：第1層為分布在350hPa高度以上冰晶和雪晶；第2層為深厚的云水、雪、霰，主要分布在600hPa高度以上，厚度約為4000m；第3層為暖區(qū)的雨水，分布在650hPa以下。大量的地面降水主要來自于高空冰晶、雪、霰等冰相粒子的融化，也有一部分降水也來自于云水的轉(zhuǎn)化。

3）飛行機載溫度、濕度探頭探測與數(shù)值模擬的溫度和高度的數(shù)據(jù)進行對比，兩者吻合較好；機載云粒子探測儀器探測到的不同相態(tài)的粒子圖像與數(shù)值模擬結(jié)果對比結(jié)果顯示，在垂直方向上粒子相態(tài)和圖像基本吻合；飛機探測的云粒子數(shù)濃度以及云液水含量的垂直分布與數(shù)值模擬垂直方向上云水比含水量分布對比，狀態(tài)基本吻合。

4）模擬冰晶出現(xiàn)的高度明顯高于飛機探測結(jié)果，且模擬的空中云水比含水量大值區(qū)較飛機探測的云粒子數(shù)濃度大值區(qū)和液態(tài)水含量大值區(qū)位置偏高。

今后在探測空域允許的情況下，可進一步利用數(shù)值預報產(chǎn)品預報結(jié)果，選擇數(shù)值預報產(chǎn)品中云物理量分布較好的某些測站，在與預報相同的時段和相同的高度設計開展有目的的飛行探測，獲取更為豐富的探測資料，從各種水成物粒子比質(zhì)量、數(shù)濃度等方面進行對比研究，以期從一個全新的角度找到更深的切入點開展對數(shù)值模式的對比訂正。

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Numerical Simulation and Flight Observation of Stratiform Precipitation Clouds in Spring of Shanxi Province

Li Junxia1）2）Li Peiren2）Tao Yue3）Shi Yueqin3）Jin Lijun2）

1）（Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation of CMA，NUIST，Nanjing210044）
2）（Weather Modification Office of Shanxi Province，Taiyuan030002）
3）（Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing100081）

The CAMS meso－scale cloud model is introduced and operationally applied since 2009in Shanxi Province.The macro and micro structure of stratiform precipitation clouds，especially the vertical micro－physical structure are simulated and analyzed for a spring stratiform precipitation process in Shanxi Province on 20April 2010using the model.Two cloud physical detection flights are carried out by using weather modification plane with equipments of droplet measurement technologies（DMT）in the same place during the same period of the day.The data and images from flight detection and results of numerical simulation are compared and studied.Simulation results show that the precipitation process mainly comes from cold stratiform cloud.The cloud contains a lot of supercooled water，and the thickness of the rich supercooled water layer is about 4000meters.The temperature of the supercooled layer is about 0to－40℃，and the ratio content of the supercooled cloud water is about 0.1—0.7g·kg－1with some ice crystals distributed unevenly.The structures of stratus precipitation cloud can be roughly divided into three layers.The first layer（upper layer）is mainly composed of ice crystals；snow，sleet and supercooled cloud water are mixed in the second layer（middle layer）；and the third layer（lower layer）is mainly of liquid raindrops.The vertical distribution and the transformation of different hydrometers in different stages of the precipitation are analyzed.The precipitation mainly comes from the melting of the ice phase particles such as ice crystals，snow，sleet and the transformation of liquid cloud droplets.Comparison of the numerical simulation results and the plane observation shows that the temperature and altitude relationship are in good agreement.The simulated vertical structure of the different cloud particles phase and the vertical distribution of the cloud liquid water ratio content are nearly the same as the vertical distribution of different cloud particles images and the cloud liquid water content of the flight detection.The difference is that the simulated height where various hydrometeors appears is higher than the actual flight detection.

cloud physical parameters；numerical simulation；airborne detection

李軍霞，李培仁，陶玥，等.山西春季層狀云系數(shù)值模擬及與飛機探測對比.應用氣象學報，2014，25（1）：22－32.

2013－04－24收到，2013－07－02收到再改稿。

國家自然科學基金項目（40905059），公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201306065，GYHY201206025），中國氣象局小型業(yè)務項目（1220200108）

＊email：ljx22258＠126.com