山西春季一次層狀冷云的微物理結(jié)構(gòu)特征

封秋娟,李培仁,侯團(tuán)結(jié),申?yáng)|東,劉偉,晉立軍

(1.山西省人工降雨防雹辦公室,山西 太原 030032;2.中國(guó)科學(xué)院 大氣物理研究所,北京 100029;3.中國(guó)氣象局 上海物資管理處,上海 200050)

山西春季一次層狀冷云的微物理結(jié)構(gòu)特征

封秋娟1,李培仁1,侯團(tuán)結(jié)2,申?yáng)|東1,劉偉3,晉立軍1

(1.山西省人工降雨防雹辦公室,山西 太原 030032;2.中國(guó)科學(xué)院 大氣物理研究所,北京 100029;3.中國(guó)氣象局 上海物資管理處,上海 200050)

利用2009年3月11日機(jī)載DMT(droplet measurement technology)粒子測(cè)量系統(tǒng)獲取的山西層狀云探測(cè)資料,結(jié)合天氣、衛(wèi)星、雷達(dá)等,分析了降水性冷云的宏微觀結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明,降水云系由高層云和層積云組成,液態(tài)含水量變化范圍為0～0.42 g/m3。CDP(cloud droplet probe;云粒子探頭)和CIP(cloud imaging probe;云粒子圖像探頭)觀測(cè)到的粒子數(shù)濃度偏大,CDP探測(cè)到最大粒子數(shù)濃度為451.93 cm-3,CIP探測(cè)到最大粒子數(shù)濃度為162.78 L-1。本次探測(cè)適宜的人工增雨作業(yè)溫度區(qū)間為-11.4～-7 ℃、-4.4～0 ℃。高層云上部以冰晶的核化和凝華增長(zhǎng)為主;高層云的中下部為冰雪晶活躍增長(zhǎng)層;通過(guò)凝華、碰并機(jī)制高層云降落的冰雪晶粒子在層積云進(jìn)一步長(zhǎng)大。層狀云水平分布不均勻特性很明顯。統(tǒng)計(jì)云滴譜譜型分布發(fā)現(xiàn),雙峰型、多峰型出現(xiàn)幾率較高,指數(shù)型主要出現(xiàn)在層積云的中部和頂部,出現(xiàn)單峰型時(shí)LWC(liquid water concentration;液態(tài)水含量)小于0.03 g/m3或大于0.1 g/m3。

層狀冷云;微物理結(jié)構(gòu)特征;飛機(jī)探測(cè)

0 引言

層狀云系是一種主要的大范圍降水系統(tǒng),尤其是層狀冷云,是我國(guó)北方冬半年的主要降水源,也是為緩解北方春季干旱開(kāi)展人工增雨的主要作業(yè)對(duì)象。不同地區(qū)的云和降水微物理特征因氣象和地形條件的差異會(huì)有所不同,因此對(duì)不同地區(qū)不同類(lèi)型云系進(jìn)行云微物理探測(cè),更能有針對(duì)性地開(kāi)展人工增雨作業(yè)。樊曙先(2000)對(duì)一次層狀云降水云系的探測(cè)資料進(jìn)行了深入分析,給出了云和降水的宏微觀結(jié)構(gòu)特征。金華等(2006)、彭亮等(2007)和李鐵林等(2010)利用PMS資料對(duì)河南層狀云降水的微物理結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了探測(cè)研究。李照榮等(2003)分析了蘭州地區(qū)秋季Cs-As-Ns和Ac-Sc結(jié)構(gòu)層狀云溫度、云粒子濃度、粒子直徑、液態(tài)含水量及云粒子譜的垂直分布特征。黨娟等(2009)、于翡和姚展予(2009)對(duì)甘肅夏季層狀云微物理特征及積層混合云降水的實(shí)例做了個(gè)例分析和數(shù)值模擬分析。

通過(guò)分析同高度層粒子的譜型分布,Heymsfield(1975)研究了卷層云冰雪晶的增長(zhǎng)機(jī)制。Field(2000)的研究表明,除凝華增長(zhǎng)外,聚并過(guò)程對(duì)云內(nèi)雙峰譜的形成有重要影響。輻枝狀冰雪晶的形成受凝華、聚并及破碎等過(guò)程的影響(Kajikawa and Heymsfield,1989;Lawson et al.,1993)。Heymsfield(2002)分析了熱帶降水性卷云和層狀云系內(nèi)粒子形態(tài)和譜分布,其結(jié)論為改進(jìn)微物理過(guò)程的譜型參數(shù)化方案提供了理論參考。

目前對(duì)于華北地區(qū)層狀云降水已開(kāi)展了較多的研究(黃夢(mèng)宇等,2005;楊文霞等,2005;張佃國(guó)等,2007,2010,2011;范燁等,2010;劉瑩瑩等,2012),山西2008年引進(jìn)機(jī)載觀測(cè)儀器,專(zhuān)門(mén)針對(duì)山西層狀云系的微物理結(jié)構(gòu)的研究較少。本文選取2009年3月11日山西春季一次層狀冷云的飛機(jī)探測(cè)資料,分析了云系的宏觀特征,結(jié)合粒子濃度、平均直徑、二維圖像、譜分布等詳細(xì)討論了冷云微物理量的垂直和水平分布,并統(tǒng)計(jì)了云中云滴譜譜型的分布,從微物理的角度了解本次層狀冷云降水的主要結(jié)構(gòu)及降水機(jī)制。

1 觀測(cè)儀器和探測(cè)情況

使用的探測(cè)飛機(jī)是國(guó)產(chǎn)運(yùn)-12飛機(jī),飛機(jī)上安裝了機(jī)載DMT(droplet measurement technology)云物理探測(cè)系統(tǒng),包括5個(gè)探頭,分別為空氣狀況探頭ADP(air-data probe)(用于測(cè)量空氣溫度、濕度、相對(duì)濕度、飛行的風(fēng)速、風(fēng)向、飛行軌跡等)、云粒子探頭CDP(cloud droplet probe)(3～50 μm,bin1-bin12直徑間隔1 μm,bin13-bin30直徑間隔2 μm)、二維云粒子圖像探頭CIP(cloud imaging probe)(25～1 550 μm,bin1-bin62直徑間隔25 μm)、二維降水粒子圖像探頭PIP(precipitation imaging probe)(100～6 200 μm,bin1-bin62直徑間隔100 μm)、熱線液態(tài)水含量探頭,同時(shí)配備了高精度溫濕度探頭、北斗地空通訊系統(tǒng),主要提供飛行軌跡、飛行高度、航向以及溫濕度等信息。

圖1 2009年3月11日下降階段(19:19—20:04)的飛行軌跡Fig.1 The flight track during descending stage on 11 March 2009(19:19 BST—20:04 BST)

飛機(jī)18:29(北京時(shí)間,下同)從太原武宿機(jī)場(chǎng)起飛,起飛時(shí)本場(chǎng)小雨,起飛后一直爬升,18:40到達(dá)1 400 m高度,此過(guò)程以層積云為主,且分布不連續(xù),偶爾可見(jiàn)地面,19:19到達(dá)介休,并到達(dá)本次飛行最高高度6 023 m,隨后飛機(jī)以600 m為間隔開(kāi)始下降,分別經(jīng)過(guò)孝義(5 400 m,19:23)、平遙(4 200 m,19:29)、文水(3 600 m,19:35)和祁縣(3 000 m,19:48),20:04飛機(jī)落地,本場(chǎng)小雨,地面溫度4.3 ℃。整個(gè)飛行過(guò)程中,飛行區(qū)域降小到中雨。由于儀器故障上升過(guò)程中采集數(shù)據(jù)未能保存,因此主要分析下降過(guò)程(介休—太原)(19:19—20:04)采集的數(shù)據(jù)(圖1)。飛行宏觀記錄表明,探測(cè)期間是云系的持續(xù)發(fā)展時(shí)期,下降過(guò)程云系分為兩層結(jié)構(gòu),上層為高層云,高度約為3 000～6 000 m,下層為層積云,云頂高為2 200 m,云底高約為1 250 m,20:02到達(dá)0 ℃層,高度1 400 m左右,本次過(guò)程以冷云降水為主。

圖2 2009年3月11日500 hPa天氣形勢(shì)與衛(wèi)星云圖疊加(圓圈表示山西省位置) a.08:00;b.20:00Fig.2 Synoptic situation and satellite images on 11 March 2009 at 500 hPa(The circle denotes the position of Shanxi Province) a.08:00 BST;b.20:00 BST

2 宏觀特征分析

2.1 天氣概況

2009年3月11—12日,受槽前西南暖濕氣流和冷空氣的共同影響,山西全省出現(xiàn)降水天氣,中北部降小雨轉(zhuǎn)雨夾雪,中南部部分縣市降雨量達(dá)中雨,全省降雨量在0.3～13.7 mm之間,最大為曲沃,24 h降雨量13.7 mm。

由圖2a可知,3月11日08時(shí)山西處于云系的前部,北中部云體較高較厚,山西西北部首先出現(xiàn)陣性降水。3月11日20時(shí)(圖2b),500 hPa東亞大槽從俄羅斯北部喀拉海經(jīng)貝加爾湖、蒙古伸至新疆地區(qū),巴爾喀什湖有一暖脊。河西走廊至四川西北部有一淺槽,山西全省處于槽前西南急流帶中,濕度較大。從云圖上看整個(gè)云系發(fā)展東移,山西處于逗點(diǎn)云系的南部,有中低云系覆蓋,北中部云塊較高,南部云塊較低。700 hPa東亞大槽的北支略向東移經(jīng)貝加爾湖東部、蒙古東部地區(qū)至新疆,南支槽從內(nèi)蒙中部經(jīng)陜西至四川中部地區(qū),山西處于槽前偏南暖濕氣流之中,有水汽輸送,濕度很大。850 hPa巴爾喀什湖以東及新疆地區(qū)為一冷高壓,高壓控制著貝加爾湖以西及蒙古中西部地區(qū)。蒙古東部經(jīng)陜西中部有一低槽,四川省東南部、重慶、貴州北中部有一低渦。山西仍處于槽前,濕度很大。3月11日20時(shí)地面圖上,冷高壓中心位于貝加爾湖以西。從云南省向東北伸出一倒低壓伸至黃河以南。在蒙古東部有一低壓中心,其向南伸出的冷鋒鋒線經(jīng)內(nèi)蒙中部至山西南部。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)展和影響,3月11日18:29—20:04在山西中西部進(jìn)行探測(cè)飛行。

2.2 雷達(dá)回波特征

3月11日16時(shí)降水回波首先移入山西西南部,開(kāi)始自西向東進(jìn)入山西省。多普勒雷達(dá)回波強(qiáng)度圖上飛行區(qū)域表現(xiàn)為典型的層狀云降水回波,回波強(qiáng)度介于15～30 dBz之間,移速較慢,PPI上的降水回波特征成片狀或分片狀,面積較大,表現(xiàn)為由中心向外層次清晰強(qiáng)度逐漸減弱,在弱回波區(qū)中央有一個(gè)強(qiáng)度較強(qiáng)的回波團(tuán),回波的空間梯度較小,回波邊緣破碎。19:22(圖3a)在太原附近有西南—東北走向的回波帶,19:46強(qiáng)回波面積增大,強(qiáng)度增強(qiáng),并繼續(xù)向東北移動(dòng)。3月12日凌晨回波移出觀測(cè)范圍。RHI上無(wú)融化帶,降水回波特征結(jié)構(gòu)較均勻,RHI上強(qiáng)度由近至遠(yuǎn)呈輻射狀遞減,頂部雖有起伏,但比較平整,無(wú)明顯的泡體,垂直厚度不大。

圖3 2009年3月11日太原站雷達(dá)(單位:dBz) a.19:22的PPI回波;b.19:46的PPI回波;c.20:03的PPI回波;d.19:27的RHI回波(方位角230.1°,沿太原到孝義剖面)Fig.3 Doppler radar PPI at (a)19:22 BST,(b)19:46 BST,(c)20:03 BST,and doppler rader (d)RHI at 19:27 BST (azimuth:230.1°,along the profile from Taiyuan to Xiaoyi) at Taiyuan station on 11 March 2009(units:dBz)

3 微物理結(jié)構(gòu)特征

3.1 云微物理量的垂直分布

圖4為下降過(guò)程(介休—太原)溫度、CDP探測(cè)到粒子數(shù)濃度、液態(tài)過(guò)冷水、CIP探測(cè)到粒子數(shù)濃度、PIP探測(cè)到粒子數(shù)濃度隨高度的垂直分布,其中液態(tài)過(guò)冷水是由CDP探頭所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算所得。CDP探頭在0 ℃層以下探測(cè)到的是云滴粒子,0 ℃層以上是冰晶和液滴的共存體,從圖4b中可以看出,層積云中CDP探測(cè)到粒子數(shù)濃度垂直分布不均勻,從云底開(kāi)始隨高度迅速增加,達(dá)到102量級(jí),1 500 m左右平飛時(shí)出現(xiàn)波動(dòng),最小粒子數(shù)濃度不到10 cm-3,隨后保持102量級(jí)到達(dá)2 000 m左右,2 000～2 138 m粒子數(shù)濃度小于100cm-3,層積云云頂CDP探測(cè)到粒子數(shù)濃度又增加,最大為211 cm-3。高層云出現(xiàn)分層,垂直分布不連續(xù),高層云的上部(4 500～6 000 m)CDP探測(cè)到粒子數(shù)濃度極小,為10-1cm-3量級(jí),高層云的中下部(3 000～4 500 m)CDP粒子平均數(shù)濃度為79.58 cm-3,最大值為360.08 cm-3。高層云云底分布不均勻,3 000 m平飛時(shí)CDP粒子數(shù)濃度有2～3個(gè)量級(jí)的變化。比較圖4b、c,液態(tài)過(guò)冷水隨高度的垂直分布與粒子數(shù)濃度變化一致。

圖4d為CDP探測(cè)到粒子平均直徑的垂直分布,層狀云云粒子平均直徑在7 μm左右,并隨高度變化不大,說(shuō)明層積云中主要是一些直徑較小的云滴。高層云云粒子直徑主要集中在3～26 μm,最大可達(dá)50 μm,高層云云粒子直徑比層積云大,反映出高層云的粒子有更好的增長(zhǎng)。

圖4 2009年3月11日下降過(guò)程云微物理特征量垂直分布 a.溫度(℃);b.CDP粒子數(shù)濃度(cm-3);c.液態(tài)過(guò)冷水含量(g·cm-3);d.CDP粒子直徑(μm);e.CIP粒子數(shù)濃度(L-1);f.PIP粒子數(shù)濃度(L-1)Fig.4 Vertical distributions of cloud microphysical values on 11 March 2009 a.temperature(℃);b.the cloud particle number concentration by using CDP(cm-3);c.liquid water concentration(g·cm-3);d.Particle diameter by using CDP(μm);e.the cloud particle number concentration by using CIP(L-1);f.the cloud particle number concentration by using PIP(L-1)

CIP探頭可測(cè)量尺度在25～1 550 μm的大云滴、雨滴、冰雪晶、雪團(tuán)等。圖4e層積云中CIP探測(cè)到粒子數(shù)濃度隨高度增加先增大后減小,高層云3 000～3 600 m冰雪晶數(shù)濃度變化不大,只是在3 632 m出現(xiàn)數(shù)濃度極大值162.78 L-1,3 600～4 100 m對(duì)應(yīng)于高層云中的干層,粒子數(shù)濃度量級(jí)為100L-1,4 100～6 000 m冰雪晶數(shù)濃度隨高度先緩慢增加,在4 290 m達(dá)到最大,對(duì)應(yīng)數(shù)濃度為122.60 L-1,然后又隨高度逐漸減小直到高層云云頂。

圖4f為PIP探測(cè)到的尺度在100～6 200 μm的雨滴和冰雪晶。粒子數(shù)濃度的量級(jí)為10-1～101L-1。在層積云中,粒子數(shù)濃度隨高度波動(dòng)增加,2 190 m高度峰值達(dá)8.06 L-1。高層云中3 000～3 600 m高度粒子數(shù)濃度先增大后減小,極大值出現(xiàn)在3 463 m達(dá)22.99 L-1。3 600～4 100 m數(shù)濃度變化不大,最大為7.33 L-1。4 100～4 300 m出現(xiàn)一峰值為44.13 L-1,4 300 m以上數(shù)濃度迅速減小。

3.2 冷云粒子特征分布

自然云中降水的形成和增長(zhǎng)過(guò)程,在多數(shù)情況下,冰晶起著重要作用,針對(duì)這些冰雪晶的數(shù)濃度、形狀、譜分布等的研究,可以加深對(duì)大氣中冰晶形成增長(zhǎng)機(jī)制和降水形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)。本文定義直徑小于等于300 μm的粒子稱(chēng)作為冰晶,直徑大于300 μm的稱(chēng)作雪晶。根據(jù)CIP、PIP測(cè)量結(jié)果,考慮到儀器測(cè)量范圍,將CIP測(cè)量的bin1-bin12通道大小的粒子(直徑25～300 μm)稱(chēng)為冰晶粒子,將PIP測(cè)量到的bin4-bin62通道大小粒子(直徑300～6 200 μm)稱(chēng)為雪晶。

飛機(jī)探測(cè)冷云的高度范圍為1 400～6 023 m,溫度區(qū)間為0～-18.95 ℃。表1是對(duì)高層云、干層、層積云冷云部分微物理量的統(tǒng)計(jì)分析。液態(tài)含水量分布范圍為0～0.42 g/m3。層積云云滴數(shù)濃度明顯高于高層云。與北方其他地區(qū)層狀云的飛機(jī)探測(cè)結(jié)果比較(張佃國(guó)等,2011),此次探測(cè)云中CDP和CIP觀測(cè)到的粒子數(shù)濃度比較大,層積云云滴數(shù)濃度量級(jí)63.46%為102cm-3,高層云云滴數(shù)濃度量級(jí)35%為102cm-3。最大冰晶數(shù)濃度出現(xiàn)在高層云中為125.81 L-1,云內(nèi)60.99%冰晶數(shù)濃度量級(jí)為101L-1,與Hobbs and Rangno(1985)在1981年夏天所觀測(cè)的最大冰晶粒子數(shù)濃度75 L-1相比,本次探測(cè)冰晶數(shù)濃度較大。在這次過(guò)程中高層云、層積云的雪晶數(shù)濃度分別占所有冰雪晶粒子數(shù)濃度的19.87%、15.36%。

根據(jù)CDP、CIP、PIP測(cè)得的云粒子和冰雪晶粒子隨溫度的分布,對(duì)降水云中粒子相態(tài)進(jìn)行分類(lèi)(表2)。表2給出了不同溫度區(qū)間內(nèi)測(cè)到的平均過(guò)冷水量、最大過(guò)冷水量及最大過(guò)冷水量對(duì)應(yīng)的溫度和相對(duì)于云的位置。層積云平均過(guò)冷水量和最大過(guò)冷水量均明顯高于高層云。-2.58 ℃處LWC(liquid water content,液態(tài)水含量)最大,為0.416 g/m3,是本次探測(cè)觀測(cè)到的最大過(guò)冷水,位于層積云的上部。高層云最大過(guò)冷水含量為0.143 g/m3。-4.4～0 ℃溫度區(qū)間的LWC比較豐富,基本都大于0.1 g/m3。如果以云中過(guò)冷水量作為人工增雨催化的技術(shù)指標(biāo),結(jié)合冷云催化劑的特性,則云中適宜催化作業(yè)的溫度在-11.4～-7 ℃、-4.4～0 ℃,位于高層云中下部和層積云中。

表12009年3月11日冷云粒子特征(0～-18.95℃)

Table 1 Particle characteristics of cold clouds on 11 March 2009(0—-18.95 ℃)

云層云滴數(shù)濃度/cm-3云滴直徑/μm液態(tài)水含量/(g·m-3)冰晶數(shù)濃度/L-1雪晶數(shù)濃度/L-1最大值最小值平均值最大值最小值平均值最大值最小值平均值最大值最小值平均值最大值最小值平均值高層云360.08064.8750.0007.540.1400.02125.81019.3115.5103.84干層4.3500.1750.0009.260.0012400.0182.230.4217.9921.382.465.51層積云451.930169.0850.0007.450.4200.06109.100.1930.738.062.414.72

表2降水云相態(tài)結(jié)構(gòu)和不同溫度下的過(guò)冷水含量

Table 2 Precipitation cloud phases and liquid water content at different temperatures

觀測(cè)層序號(hào)及觀測(cè)時(shí)間觀測(cè)層溫度范圍/℃觀測(cè)層中相態(tài)組成平均過(guò)冷水含量/(g·m-3)最大過(guò)冷水含量/(g·m-3)最大過(guò)冷水含量對(duì)應(yīng)溫度/℃相對(duì)于云的位置1(19:19:28—19:27:37)-17.5～-11.3冰雪晶和較少過(guò)冷云滴1.36×10-41.47×10-2-15.2高層云上部2(19:27:38—19:50:48)-11.26～-7.13冰雪晶和較多過(guò)冷云滴2.30×10-21.43×10-1-7.64高層云中下部3(19:50:49—19:57:01)-7.12～-4.45冰雪晶和極少過(guò)冷云滴1.34×10-31.01×10-2-6.2兩層云間干層4(19:57:02—20:02:06)-4.39～0冰雪晶和更多過(guò)冷云滴5.89×10-24.16×10-1-2.58層積云

3.3 冷云粒子尺度譜垂直分布和二維粒子圖象分析

從CIP探測(cè)到的粒子二維圖像資料(圖5)可以看出,晶體形狀有很大不同,包括空間枝狀、星狀、片狀和柱狀等。高層云上部(19:19:28—19:27:37,-17.5～-11.3 ℃,6 023～4 514 m),云粒子數(shù)濃度、云滴平均直徑、液態(tài)含水量為小值區(qū),圖6(19:19:41、19:22:02)為高層云上部粒子譜型,云滴譜不連續(xù),且譜型最窄,CIP的譜寬小于800 μm,呈多峰分布,此處以體積較小的片狀冰晶為主(圖5a、b),由于溫度低,以冰晶的核化和凝華增長(zhǎng)為主,冰晶的凝華增長(zhǎng)消耗過(guò)冷水,發(fā)生貝吉隆過(guò)程。

高層云的中下部(19:27:38—19:50:48,-11.26～-7.13 ℃,4 508～3 000 m)為冰雪晶粒子的增長(zhǎng)層。圖6(19:29:09—19:49:01)為高層云中下部粒子譜,隨高度的降低云滴譜譜寬逐漸增大,譜型由指數(shù)型變?yōu)閱畏逍驮僮優(yōu)槎喾逍颓也贿B續(xù),峰值直徑從3 μm增大到6 μm,粒子數(shù)濃度的量級(jí)為103～10-2m-3·μm-1。CIP觀測(cè)到冰雪晶粒子譜呈多峰結(jié)構(gòu),隨高度降低譜寬略增大,譜寬最大為1 425 μm,在大粒子段數(shù)濃度起伏較大。在這一層有較多的過(guò)冷水存在,最大過(guò)冷水含量達(dá)0.143 g/m3。一方面水滴不斷蒸發(fā)水汽,水汽在冰面上凝華,冰晶長(zhǎng)大,另一方面高層云的中下部出現(xiàn)空間枝狀冰晶(圖5e),此類(lèi)冰晶有較強(qiáng)的淞附能力,冰胚形成后由于重力作用下落,在下落的過(guò)程中吸附過(guò)冷水在冰胚四周產(chǎn)生枝星型枝杈形成枝狀。隨著高度降低,溫度升高,出現(xiàn)針狀和粘連在一起的枝狀冰晶。19:38:51、19:49:01飛機(jī)觀測(cè)的發(fā)現(xiàn)有冰晶聚合體(圖5f、g),是枝狀冰晶在下落過(guò)程中吸附環(huán)境中的過(guò)冷水產(chǎn)生淞附,并相互碰撞合并形成的,其直徑較大,說(shuō)明這些區(qū)域有較好的冰晶增長(zhǎng)條件,具有引晶催化進(jìn)行人工增雨的條件。

圖5h為兩層云之間的干層觀測(cè)到的粒子圖像(19:50:49—19:57:01,-7.12～-4.45 ℃,2 999～2 190 m),可以看到,冰晶粒子之間的粘連聚合現(xiàn)象減少,大尺度的聚合體不多,柱狀冰晶居多,圖6(19:55:37)為干層觀測(cè)到的粒子譜型,云滴譜窄且不連續(xù),存在大云滴,由于上方云層降落的大粒子,CIP觀測(cè)粒子譜在大滴段具有多峰分布且譜較寬,雪晶數(shù)濃度在2 349 m突增出現(xiàn)一峰值為33.98 L-1。

圖5 CIP所探測(cè)到的不同高度處的二維粒子圖像Fig.5 Two-dimensional particle images by using CIP on different levels

圖6 不同高度處的粒子譜分布 a,b.CDP所測(cè)譜型;c,d.CIP所測(cè)譜型Fig.6 The spectra distribution of particles on different levels a,b.size distributions of particles by using CDP;c,d.size distributions of particles by using CIP

比較圖6c、d發(fā)現(xiàn)CIP觀測(cè)到層積云大滴段粒子數(shù)濃度明顯高于高層云,從干層下落的冰雪晶粒子在層積云進(jìn)一步長(zhǎng)大,圖5i、j為層積云中粒子圖像(19:57:02—20:02:06,-4.39～0 ℃,2 184～1 400 m),可以看出有明顯的冰雪晶聚合體,該層是過(guò)冷水和冰晶粒子共存區(qū),可能發(fā)生冰相粒子的凝華過(guò)程。此外層積云存在冰雪晶的粘連現(xiàn)象,可能發(fā)生碰并增長(zhǎng)形成較大的冰雪晶粒子。比較圖6(19:57:41、20:01:38)滴譜分布,層積云中部云滴譜譜寬明顯寬于層積云上部,CIP觀測(cè)到粒子譜同高層云中下部具有相似性,譜呈多峰結(jié)構(gòu)且起伏大,譜寬最大為1 400 μm。

3.4 冷云微物理量的水平分布

圖7為3 600 m高度微物理特征量水平分布(19:31:36—19:37:12),溫度范圍為-8.74～-7.33 ℃,LWC的最大值為0.14 g/m3。水平飛行時(shí),云滴濃度和云滴平均直徑存在明顯的起伏變化。云滴數(shù)濃度與云滴平均直徑成反相關(guān)變化,19:31:36—19:34:30云滴數(shù)濃度分布均勻,平均數(shù)濃度為219.86 cm-3,最大為360.08 cm-3,云滴平均直徑變化不大為7 μm左右;19:34:31—19:35:07、19:36:02—19:37:12云滴數(shù)濃度小于10 cm-3,云滴平均直徑起伏較大,最大為20 μm,最小為0 μm。

圖7 2009年3月11日3 600 m平飛階段微物理特征量分布 a.CDP;b.CIPFig.7 Horizontal distribution of cloud microphysical parameters at 3 600 meters on 11 March 2009 a.CDP;b.CIP

CIP探測(cè)到粒子水平分布起伏較大,粒子數(shù)濃度的最小值和最大值相差4個(gè)量級(jí),粒子尺度也存在較大的起伏,最大平均直徑為1 509.87 μm,粒子數(shù)濃度和粒子平均直徑呈正相關(guān)關(guān)系,19:31:36—19:33:15 CIP探測(cè)到的粒子平均數(shù)濃度為6.99 L-1,19:33:16出現(xiàn)粒子數(shù)濃度躍遷現(xiàn)象,19:33:16—19:37:12粒子平均數(shù)濃度為71.10 L-1。比較平飛時(shí)CDP和CIP探測(cè)到的粒子數(shù)濃度和平均直徑的變化發(fā)現(xiàn)相關(guān)性不一致,主要原因可能是水平探測(cè)經(jīng)歷了云不同發(fā)展階段。

圖8 云滴譜譜型分布 a.Ⅰ型云滴譜(指數(shù)型);b.Ⅱ型云滴譜(單峰型);c.Ⅲ型云滴譜(雙峰型第一類(lèi));d.Ⅲ型云滴譜(雙峰型第二類(lèi));e.Ⅳ型云滴譜(多峰型)Fig.8 Cloud droplets spectrum distribution a.Ⅰexponential distribution;b.Ⅱ single-peak distribution;c.Ⅲ two-peck distributio(the first category);d.Ⅲ two-peck distribution(the second category);e.Ⅳ multi-peak distribution

4 云滴譜譜型分布

將云中云滴譜按Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型四種譜型進(jìn)行分類(lèi),圖8a—e分別給出了Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型的部分譜型,可見(jiàn),Ⅲ型、Ⅳ型出現(xiàn)幾率較高。Ⅰ型的譜型為指數(shù)型,譜寬最窄,云滴數(shù)濃度隨云滴直徑增大單調(diào)下降,出現(xiàn)指數(shù)型的云內(nèi)液態(tài)過(guò)冷水含量均為10-3量級(jí),LWC較小,主要出現(xiàn)在層積云的中部和頂部。Ⅱ型為單峰型,峰值直徑在5～10 μm之間,出現(xiàn)該譜型時(shí)LWC小于0.03 g/m3或大于0.1 g/m3,LWC小于0.03 g/m3時(shí),峰值直徑在5 μm左右,譜寬窄,LWC大于0.1 g/m3時(shí),峰值直徑在10 μm左右,譜寬較寬。Ⅲ型的譜型為雙峰型,根據(jù)峰值出現(xiàn)的云滴直徑的不同又分為兩類(lèi),第一類(lèi)(圖8c)第一峰值出現(xiàn)在3 μm處,第二峰值根據(jù)LWC的不同峰值差異很大,當(dāng)LWC小于0.05 g/m3時(shí),第二峰值出現(xiàn)在6 μm左右,當(dāng)LWC大于0.3 g/m3時(shí),第二峰值在11～12 μm之間。雙峰型第二類(lèi)(圖8d),該譜型云滴數(shù)濃度基本都大于100 cm-3,第一峰值出現(xiàn)在6 μm處,第二峰值出現(xiàn)在9 μm處,峰值直徑及譜型的變化不明顯,不隨LWC的變化而變化。Ⅳ型為多峰型,譜寬最寬。第一、第二峰值出現(xiàn)在云滴直徑分別為3、6 μm處,第三峰值出現(xiàn)在9～11 μm之間,隨LWC的增大峰值直徑變大。

5 結(jié)論

1)受槽前西南暖濕氣流和冷空氣的共同影響,700 hPa南支有明顯的水汽輸送,地面受河西走廊到青藏高原東部冷鋒影響,山西出現(xiàn)一次明顯的層狀云降水天氣。雷達(dá)PPI回波面積較大,強(qiáng)度介于15～30 dBz之間,成片狀或分片狀。RHI上無(wú)融化帶,降水回波特征結(jié)構(gòu)較均勻,高度為6 km左右。

2)探測(cè)區(qū)域降水云系由高層云和層積云組成,其中高層云垂直分布不連續(xù),云頂6 000 m,云底3 000 m,層積云高度為2 200～1 250 m,0 ℃層為1 400 m,以冷云降水為主。液態(tài)含水量變化范圍為0～0.42 g/m3。CDP、CIP和PIP觀測(cè)到的粒子數(shù)濃度偏大,最大數(shù)濃度分別為451.93 cm-3、162.78 L-1、44.13 L-1。

3)分析過(guò)冷水垂直分布發(fā)現(xiàn),最大過(guò)冷水出現(xiàn)在層積云的上部為0.416 g/m3;本次探測(cè)適宜的人工增雨作業(yè)溫度區(qū)間為-11.4～-7 ℃、-4.4～0 ℃。

4)高層云上部顯示基本為體積較小的片狀冰晶,以冰晶的核化和凝華增長(zhǎng)為主;高層云的中下部存在空間枝狀冰晶、冰晶聚合體及過(guò)冷水滴,為冰雪晶活躍增長(zhǎng)層;兩層云之間的干層出現(xiàn)較多柱狀冰晶;層積云存在明顯的過(guò)冷水,高層云降落的冰雪晶粒子在層積云進(jìn)一步長(zhǎng)大。

5)層狀云水平分布不均勻特性很明顯。云滴數(shù)濃度、云滴平均直徑、CIP探測(cè)到粒子數(shù)濃度、直徑存在明顯的起伏變化。云滴數(shù)濃度與云滴平均直徑成反相關(guān)變化,由于水平探測(cè)穿越云不同部位,CDP和CIP探測(cè)到的粒子數(shù)濃度和平均直徑的變化相關(guān)性較差。

6)將云中云滴譜按Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型四種譜型進(jìn)行分類(lèi),Ⅰ型的譜型為指數(shù)型,主要出現(xiàn)在層積云的中部和頂部;Ⅱ型為單峰型,峰值直徑在5～10 μm之間,出現(xiàn)該譜型時(shí)LWC小于0.03 g/m3或大于0.1 g/m3;Ⅲ型的譜型為雙峰型;Ⅳ型為多峰型,譜寬最寬。分析發(fā)現(xiàn),Ⅲ型、Ⅳ型出現(xiàn)幾率較高。

黨娟,王廣河,劉衛(wèi)國(guó).2009.甘肅省夏季層狀云微物理特征個(gè)例分析[J].氣象,35(1):24-36.

樊曙先.2000.層狀云微物理結(jié)構(gòu)演變特征的個(gè)例研究[J].寧夏大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,21(2):180-182.

范燁,郭學(xué)良,張佃國(guó),等.2010.北京及周邊地區(qū)2004年8、9月層積云結(jié)構(gòu)及譜分析飛機(jī)探測(cè)研究[J].大氣科學(xué),34(6):1187-1200.

黃夢(mèng)宇,趙春生,周廣強(qiáng),等.2005.華北地區(qū)層狀云微物理特性及氣溶膠對(duì)云的影響[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),28(3):361-368.

金華,王廣河,游來(lái)光,等.2006.河南春季一次層狀云降水云物理結(jié)構(gòu)分析[J].氣象,52(10):3-10.

李鐵林,雷恒池,劉艷華,等.2010.河南春季一次層狀冷云的微物理結(jié)構(gòu)特征分析[J].氣象,36(9):74-80.

李照榮,李榮慶,李寶梓.2003.蘭州地區(qū)秋季層狀云垂直微物理特征分析[J].高原氣象,22(6):583-589.

劉瑩瑩,牛生杰,封秋娟,等.2012.一次積層混合云的形成過(guò)程和微物理觀測(cè)[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),35(2):186-196.

彭亮,姚展予,戴進(jìn),等.2007.河南春季一次云降水過(guò)程的宏微觀物理特征分析[J].氣象,33(5):4-11.

楊文霞,牛生杰,魏俊國(guó),等.2005.河北省層狀云降水系統(tǒng)微物理結(jié)構(gòu)的飛機(jī)觀測(cè)研究[J].高原氣象,24(1):84-90.

于翡,姚展予.2009.一次積層混合云降水實(shí)例的數(shù)值模擬分析[J].氣象,35(12):3-11.

張佃國(guó),郭學(xué)良,付丹紅,等.2007.2003年8—9月北京及周邊地區(qū)云系微物理飛機(jī)探測(cè)研究[J].大氣科學(xué),31(4):597-610.

張佃國(guó),樊明月,龔佃利,等.2010.一次降水性積層混合云系的微物理特征分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),33(4):497-503.

張佃國(guó),姚展予,龔佃利,等.2011.環(huán)北京地區(qū)積層混合云微物理結(jié)構(gòu)飛機(jī)聯(lián)合探測(cè)研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),34(1):109-121.

Field P R.2000.Bimodal ice spectra in frontal clouds[J].Quart J Roy Meteor Soc,126:379-392.

Heymsfield A J.1975.Cirrus uncinus generating cells and the evolution of cirriform clouds.Part Ⅰ:Aircraft observations of the growth of the ice phase[J].J Atmos Sci,32:799-808.

Heymsfield A J.2002.Observations and parameterizations of particle size distributions in deep tropical cirrus and stratiform precipitating clouds:Results from in situ observations in TRMM field campaigns[J].J Atmos Sci,59(24):3457-3491.

Hobbs P V,Rangno A L.1985.Ice particle concentrations in clouds[J].J Atmos Sci,42(23):2523-2549.

Kajikawa M,Heymsfield A J.1989.Aggregation of ice crystals in cirrus[J].J Atmos Sci,46:3108-3121.

Lawson R P,Stewart R E,Strapp J W,et al.1993.Aircraft observations of the origin and growth of very large snowflakes[J].Geophys Res Lett,20:53-56.

(責(zé)任編輯：張福穎)

MicrophysicalcharacteristicsofspringprecipitationcoldstratiformcloudsinShanxiProvince

FENG Qiu-juan1,LI Pei-ren1,HOU Tuan-jie2,SHEN Dong-dong1,LIU Wei3,JIN Li-jun1

(1.Weather Modification Office of Shanxi Province,Taiyuan 030032,China;2.Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;3.Shanghai Supply and Delivery Division,Shanghai 200050,China)

Based on the weather and data from meteorological satellites and radars,the macrophysical and microphysical characteristics of the stratiform cloud in Shanxi Province on 11 March 2009 were analyzed by using droplet measurement technology(DMT).The results showed that precipitation clouds were composed of altostratus and stratocumulus.Content of liquid water ranged from 0 to 0.42 g/m3.Particle concentrations observed by cloud droplet probe(CDP)and cloud imaging probe(CIP)were large,whose maximum values were 451.93 cm-3and 162.78 L-1respectively.Suitable temperature ranges for seeding were from-11.4 to-7 ℃ and from-4.4 to 0 ℃.The upper portion of altostratus was the nucleating and sublimation growth area.The mid and lower portions of altostratus was the active growth layer of ice crystals.Ice crystals from altostratus grew up by sublimation and coagulation in the stratocumulus.The spatial distribution of stratiform cloud microphysical parameters was uneven.The cloud droplet spectra were mainly of two-peak and multi-peak distributions.In the middle and top portions of stratocumulus,the spectra were exponential.When liquid water concentration(LWC) was less than 0.03 g/m3or larger than 0.1 g/m3,the spectra were unimodal.

cold stratiform clouds;microphysical property;aircraft observation

2012-11-03；改回日期2013-04-12

山西省青年科學(xué)研究基金(2011021034)；中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放科研課題(2009002)；公益性行業(yè)(氣象)科研專(zhuān)項(xiàng)(GYHY201306065)；山西省氣象局一般課題(SXKYBRY20147825)

封秋娟，工程師，研究方向?yàn)樵平邓锢砼c人工影響天氣，fqj119818@163.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121103005.

1674-7097(2014)04-0449-10

P426.5

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121103005

封秋娟,李培仁,侯團(tuán)結(jié)，等.2014.山西春季一次層狀冷云的微物理結(jié)構(gòu)特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),37(4):449-458.

Feng Qiu-juan,Li Pei-ren,Hou Tuan-jie,et al.2014.Microphysical characteristics of spring precipitation cold stratiform clouds in Shanxi Province[J].Trans Atmos Sci,37(4):449-458.(in Chinese)