贛南秋冬季降水云系特征綜合探測試驗

陳添宇 賓振 周盛

（1 中國氣象局人工影響天氣中心，北京 100081；2 中國氣象局云霧物理重點開放實驗室，北京 100081；3 江西省人工影響天氣中心，南昌 330096；4 湖南省人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，長沙 410118）

0 引言

云特征分析對研究降水云系結(jié)構(gòu)、演變和產(chǎn)生降水機理十分重要，而降水云系的綜合探測試驗分析無疑是最基礎(chǔ)和最直接的方法，其中地面雷達結(jié)合其他儀器的綜合探測試驗較為常用。早期利用研制的雙波長雷達和微波輻射計結(jié)合數(shù)值試驗進行的原理和儀器性能試驗表明，雷達和微波輻射計聯(lián)合觀測不僅能測出云雨參數(shù)的三維空間分布，而且能連續(xù)監(jiān)測云雨生消移動的演變過程，并提高了云雨測量精度[1]。在業(yè)務(wù)應(yīng)用方面，云特征的探測分析也取得進展，其中，用探空和雷達回波的探測資料對關(guān)中層狀云降雨進行分類，得到了層狀云回波最大強度、云頂高度、零度層高度、暖云厚度等的特征[2]；用雷達、加密梯度氣象站、雨滴譜儀、微波輻射計等對祁連山夏季地形云的探測試驗，得到祁連山區(qū)夏季云、降水滴譜等特征，即祁連山區(qū)云量在6成以上，西南氣流天氣背景下總云量多達8成，西南氣流背景下受山谷風(fēng)的共同作用，水汽條件充足時極易形成產(chǎn)生降水的地形云，祁連山降水主要由小于1 mm 的雨滴組成[3]；基于動態(tài)Z-I關(guān)系雷達回波定量估測降水方法研究認為其反演降水的平均誤差較小，為-0.6 mm/h，能較好地表現(xiàn)出降水的時空分布特征[4]。以地面雷達為主的綜合探測試驗，雖然可得到回波最大強度分布、云頂高度、零度層高度分布、累計液水含量、溫濕度廓線等云特征分析所需的參量，但云微物理參的特征分析還是由飛機進行云降水粒子探測更直接。西北地區(qū)春季云系的垂直結(jié)構(gòu)特征的探測分析利用了飛機探測、地面觀測和衛(wèi)星資料，分析得到了云含水量、云有效半徑等的垂直分布，即西北地區(qū)春季降水性層狀云厚平均約2000 m，低云含水量垂直方向上平均為0.07 g·m-3，中云含水量垂直方向上平均為0.03 g·m-3，降水性層狀云有效半徑達到10～16 μm，與非降水云系的微物理特征量存在顯著的差異[5]。太行山東麓人工增雨防雹作業(yè)技術(shù)試驗利用飛機和地面雷達觀測分析了一次典型穩(wěn)定性積層混合云對流泡和融化層的結(jié)構(gòu)特征，尤其是對鑲嵌在層狀云中的對流泡結(jié)構(gòu)進行了分析，得出其溫度、最大上升氣流、平均液態(tài)水含量、小云粒子平均濃度等的分布特征[6]。我國南方開展的綜合探測試驗相對北方而言顯得較少，但也取得一些進展。江西開展了局地強對流天氣的雷達產(chǎn)品特征分析，得到雷達最大反射率因子和垂直積分液態(tài)含水量密度可以作為局地強對流天氣和冰雹預(yù)警的臨界指標(biāo)，并提出臨界指標(biāo)閾值[7]；福建針對閩西北地區(qū)天氣系統(tǒng)的分析，提出了適合人工增雨作業(yè)天氣系統(tǒng)一些雷達回波和云參數(shù)指標(biāo)，即積狀云和積層混合云的回波強度分別大于30 dBz和25 dBz，回波頂高應(yīng)分別達5500 m和5000 m，負溫區(qū)厚度大于1500 m和2000 m，回波面積大于1000 km2和2500 km2，垂直積分液態(tài)水含量大于1 kg·m-2，云系云頂溫度介于-28～-12 ℃[8]。目前，我國南方利用多種探測設(shè)備開展人影綜合探測試驗較少，尤其是空地聯(lián)合的人影綜合試驗更少，探測資料的缺乏使得難以深入分析降水云系結(jié)構(gòu)特征，尤其是降水云系的微物理特征，以研究降水形成機理和確定人影作業(yè)判識指標(biāo)等。本文依托近年在我國南方綜合利用雷達、機載粒子探測、微波輻射計和探空等開展的外場綜合探測試驗，通過2015年在試驗區(qū)贛南開展的試驗，對相關(guān)探測資料進行了比對并提出了其適用性的意見，同時通過初步分析，提出了贛南秋冬季降水云系的分布特征，為贛南秋冬季人影作業(yè)條件判識提供參考。

1 試驗概況

2015年10—12月在江西南部區(qū)域開展降水云系的綜合探測試驗，試驗儀器主要有：機載DMT（運12飛機）、微波輻射計、業(yè)務(wù)雷達（SC）、業(yè)務(wù)探空等（圖1）。

圖1 外場探測試驗布局Fig. 1 Layout of integrated experiment

2 資料處理

2.1 降水過程的確定

降水過程主要由贛州市的贛縣、信豐縣、大余縣、上猶縣、崇義縣、安遠縣、龍南縣、定南縣、全南縣、寧都縣、于都縣、興國縣、會昌縣、尋烏縣、石城縣、瑞金市、南康市等17個縣級氣象觀測站降水觀測來確定。2015年10—12月試驗期間，按17個站均出現(xiàn)降水（08時至次日08時）作為雨日計，共26次，17個站均無降水的無雨日共20次。

2.2 探測資料及處理

2.2.1 機載粒子探測資料

試驗期間，共取得同時有飛機探測和雷達探測的10次資料，其中17個站均有降水的共6次，17個站均無降水的共1次。

由于部分機載儀器故障，本文主要用云和氣溶膠探頭CAS（Cloud and Aerosol Spectrometer）前后向散射探測和降水粒子圖像探頭PIP（Precipitation Imaging Probe）資料進行分析。前向測量范圍為0.6～50 μm，分30檔，后向范圍為1.03～100 μm，分30檔；降水粒子圖像探頭探測范圍為100～6200 μm，分62檔，每檔間隔100 μm。溫度、氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、經(jīng)緯度和高度等資料由飛機綜合氣象要素測量系統(tǒng)AIMMS-20獲得。

按粒子有效直徑定義：

式中：D是粒子直徑，N(D)為粒子譜函數(shù)，是單位直徑間隔單位體積內(nèi)的粒子數(shù)。將式（1）化為差分方式：

式中：Di為第i檔的粒子直徑，N(Di)為第i檔單位直徑間隔單位體積內(nèi)的粒子數(shù)，ΔDi為第i檔的直徑間隔。

液水含量的定義為：ρ為粒子密度，將式（3）化為差分方式：

2.2.2 雷達資料

使用江西贛州和吉安業(yè)務(wù)雷達（CINRAD/SC型），波長10.3～11.1 cm，水平距離精度150 m，高度精度200～300 m，方位和仰角精度0.2°，回波強度測量范圍-10～70 dBz，每6 min體掃探測一次。

2.2.3 微波輻射資料

在贛縣氣象局布設(shè)了1臺微波輻射計，便于與同位置的L波段氣球探空資料進行比對。2015年觀測自10月19日至12月25日，期間17個站均出現(xiàn)降水共20次，17個站均無降水的共13次。

微波輻射計主要利用22 GHz水汽吸收峰及其右邊（22～30 GHz）的譜型反演大氣中水汽廓線，利用60 GHz氧吸收峰及其左邊（51～59 GHz）的譜型反演大氣溫度廓線。

2.2.4 探空資料

贛縣L波段業(yè)務(wù)探空秒數(shù)據(jù)資料，每天07：15和19：15開始探測。

3 微波輻射資料與探空資料的比對

微波輻射計探測高度為10000 m，探空數(shù)據(jù)到達10000 m高度的時間大概為25 min，故對探空放球后25 min內(nèi)微波輻射計資料進行了平均，同時將探空秒數(shù)據(jù)資料，按微波輻射計設(shè)計的58層探測高度進行內(nèi)插處理，以便進行對應(yīng)比對。

2015年10月19日至12月25日，07時和19時探空高度達到10000 m，并且有微波輻射計資料的時次共133次（58層高度共7714樣本），溫度和絕對濕度間的相關(guān)系數(shù)分別為0.987（R2=0.974）和0.977（R2=0.954）（圖2），與華北的分析結(jié)果相當(dāng)[9-10]。因此，微波輻射與探空探測的溫度和絕對濕度的垂直廓線分布趨勢基本一致，但相對濕度的廓線分布有一定的差距（圖3）。

圖2 微波輻射計與探空探測的溫度相關(guān)關(guān)系（a）和絕對濕度的相關(guān)關(guān)系（b）Fig. 2 Temperature correlation (a) and absolute humidity correlation (b) between microwave radiometer and sondding detection

圖3 微波輻射計與探空溫度（a）、絕對濕度（b）、相對濕度（c）的比對Fig. 3 Comparison of temperature (a), absolute humidity (b) and relative humidity (c) between microwave radiometer and sondding detection

4 機載探測和其他探測資料的比對

4.1 與探空溫濕度的比對

2015年試驗期間的10次飛機探測大多在上午，僅1次飛行探測為在15：00結(jié)束。故均與早上07：15施放的探空資料對比，結(jié)果表明，無論降水與否，飛機探測的溫度與探空溫度的分布趨勢基本一致，只是由于飛機探測時間更接近中午，探測的溫度比探空溫度稍高些（圖4）。

圖4 2015年10月13日（a）、10月27日（b）和11月11日（c）飛機探測和07時探空探測的溫度廓線對比Fig. 4 Comparison of temperature profiles between aircraft detection and 7 o’clock sounding detection on 13 October (a),27 October (b), 11 November (c) 2015

飛機探測與探空探測的濕度廓線則差異很大，顯然是由于相對濕度分布不均勻，而飛機探測與探空探測采樣點、采樣時間又無法對應(yīng)所造成。但在大氣濕度狀況較均勻的情況下，如無降水的10月13日，飛機探測與07時探空探測的相對濕度廓線基本一致（圖5）。

圖5 2015年10月13日飛機探測與07時探空探測的相對濕度廓線比對Fig. 5 Comparison of relative humidity profiles between aircraft detection and 7 o’clock sounding detection on 13 October 2015

4.2 與微波輻射計探測溫度的比對

由于微波輻射計為每3 min進行一次探測，考慮到3 min飛機已飛行較遠的距離，為此用1 min飛機觀測（飛行距離22.4 km）平均資料與微波輻射計同步探測的資料進行比對，結(jié)果表明飛機探測的溫度與微波觀測的溫度相關(guān)性非常一致，相關(guān)系數(shù)達0.932（圖6），說明可用微波輻射計反演大氣溫度。

圖6 飛機探測與微波輻射計探測的溫度相關(guān)關(guān)系Fig. 6 Temperature correlation between aircraft detection and microwave radiometer detection

同樣，由于濕度、液水含量分布不均勻，飛機探測與探空探測采樣點、采樣時間不對應(yīng)，造成微波輻射相對濕度和液水含量與飛機探測的相對濕度和液水含量差異很大。

4.3 機載粒子與雷達回波的相關(guān)分析

S波段雷達的波長較長，可以用來反演雨粒子的有效直徑，而云粒子的反演應(yīng)通過W或K波段云雷達來反演，但鑒于目前云雷達鮮有在業(yè)務(wù)上使用，故本文用機載雨粒子、云粒子資料和S波段雷達回波進行了相關(guān)分析。雷達資料選擇飛機探測時間6 min內(nèi)（業(yè)務(wù)雷達每6 min體掃1次）的飛機所在經(jīng)度、緯度和高度的資料。雷達回波（dBz）與雨粒子（以機載PIP的滴譜表示）和云粒子（以機載CAS前向散射的滴譜表示）有效粒子直徑的相關(guān)系數(shù)分別為0.65131 和0.47635，兩者檢驗值F分別為47521和18933，均遠大于Fα=0.00001（1，64505）=19.515，可通過顯著性α=0.00001的檢驗。相關(guān)分析結(jié)果表明，雷達回波與雨粒子有效直徑的相關(guān)性更好，可用來反演（圖7）。雷達回波與云粒子有效粒子直徑的相關(guān)雖差些，但在尚無更好資料的時候，也作為參考而用來反演（圖8）。另外，若將冷（t≤0℃）暖層（t＞0℃）分開（表1），雷達回波能更好反演暖層雨粒子和冷層云粒子的有效粒子直徑。

表1 雷達回波與冷暖層云、雨粒子有效粒子直徑的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficient between radar echo to effective particle diameters of cloud and rain in the cold and warm stratus clouds

圖7 雷達反演和飛機探測的雨有效粒子直徑（單位：μm）Fig. 7 Rain effective particle diameters of radar retrieved and aircraft detection (unit: μm)

圖8 雷達反演和飛機探測的云有效粒子直徑（單位：μm）Fig. 8 Cloud effective particle diameters of radar retrieved and aircraft detection (unit: μm)

5 垂直分布特征

5.1 溫度的垂直分布特征

如圖9 所示，秋、冬季雨日的整層大氣的溫度較無雨日的溫度低，另外，雨日大氣低層存在500～1200 m厚的逆溫層，一般出現(xiàn)在海拔700～1800 m，降水量越大，逆溫層越厚越強。午后的增溫會逐漸削弱逆溫的強度和厚度。

圖9 07時（a）和19時（b）溫度的垂直分布Fig. 9 The vertical distribution of temperature at 07:00 (a)and 19:00 (b)

5.2 濕度的垂直分布特征

秋、冬季降水日，早晨＞80%相對濕度從地面一直維持到3300 m，傍晚更高達到4300 m，若按相對濕度＞80%的作為云的判斷標(biāo)準(zhǔn)，則贛州秋冬季降水日云厚約為3000～4000 m，大雨日的云厚約達5500～7000 m。實際上以平均相對濕度判斷云厚會由于平滑作用降低云高度和厚度的判斷。另外，由于午后升溫，海拔1200～1300 m以下大氣相對濕度會逐漸變低（圖10）。

圖10 相對濕度的垂直分布Fig. 10 The vertical distribution of relative humidity

5.3 雷達反演云參量的分布特征

為避開雷達天頂盲區(qū)，選擇贛州以北25 km的湖江鎮(zhèn)（114°58′15″E，26°05′48″N，海拔100.7 m），對2015年試驗期間17次（10月30、31日，11月 8、10、11、12、13、16、21、29日，12月2、5、8、21、22、23、24日）有資料的雨日，贛州、吉安雷達疊加資料和微波輻射資料反演的云參量，分析湖江鎮(zhèn)降水的云參量的分布特征。

5.3.1 平均云參量的分布特征

從表2看出，湖江鎮(zhèn)秋冬季平均云頂高、云厚、累計液水含量和云有效粒子直徑以及＞40 μm的厚度均與降水量成正比分布，無降水時，最大回波在9 dBz左右，云頂高度較低位于3400 m左右，累計液水含量和最大云有效粒子直徑都較小在0.6 kg/m2和22 μm左右；發(fā)生降水時，云參量明顯增大，最大回波和云頂高、云厚、累計液水含量、最大云有效粒子直徑和＞40 μm的厚度分別達到24 dBz、7689 m、6803 m、2.3 kg/m2、55 μm和3500 m；出現(xiàn)0.5 mm/5 min以上的超強降水時，這些云參量隨之增加但較緩和，最大回波達28 dBz，云頂高8000 m左右，云厚7500 m左右，累計液水含量達3.2 kg/m2，最大云有效粒子直徑達65 μm，＞40 μm的厚度達5200 m。雷達反演的云厚與相對濕度估測的云厚大致一致。湖江鎮(zhèn)雷達回波強度與降水的關(guān)系分布與江西人工增雨作業(yè)條件的雷達回波參數(shù)指標(biāo)分析[11]的相關(guān)結(jié)論相似。

表2 湖江鎮(zhèn)5min降水量與雷達反演的平均云雨參量的關(guān)系Table 2 Relation between 5 min precipitation in Hujiang Town and mean cloud and rain parameters retrieved by radar

5.3.2 云有效粒子直徑垂直分布的日變化特征

試驗期間的17次雨日，湖江鎮(zhèn)平均云有效粒子大值出現(xiàn)在午后到上半夜時段的3700～6700 m高度，平均云有效粒子直徑大值的時間分布與出現(xiàn)的降水頻次和降水量時間基本一致。湖江鎮(zhèn)在無降水時段，平均云有效粒子直徑較小，一般＜25 μm；有降水時，平均云有效粒子直徑均＞30 um，降水強度≤0.5 mm/5min時，最大平均云有效粒子直徑35～60 μm，降水強度＞0.5 mm/5min時，最大平均云有效粒子直徑50～90 μm（圖11和圖12）。

圖11 湖江鎮(zhèn)云有效粒子直徑垂直分布的平均日變化Fig. 11 The mean diurnal variation of the vertical distribution of cloud effective particle diameters in Hujiang Town

圖12 湖江鎮(zhèn)降水次數(shù)和降水量的平均日變化Fig. 12 The mean diurnal variation of rain frequency and precipitation in Hujiang town

6 結(jié)論與討論

我國南、北方降水云結(jié)構(gòu)特征雖然不盡相同，我國北方已開展較多的綜合探測試驗，如華北層狀云、西北地形云等的外場試驗，這些試驗雖對南方的探測試驗具有相當(dāng)?shù)慕梃b作用，但由于我國南方云系如積云和暖云降水，其云系結(jié)構(gòu)與北方降水云系有一定的差別，因此應(yīng)針對南方降水云系的特點開展針對性的空地聯(lián)合外場探測試驗。可喜的是，目前我國已逐漸開展相關(guān)試驗工作。

本文是近期在江西贛南開展的綜合探測試驗的一部分，其中2015年秋冬季的綜合探測資料較全，因此僅用該段資料進行分析。由于資料樣本所限，其結(jié)論有一定的局限性，需用更多的試驗進行驗證。同時，若有足夠的資料，按天氣類型對降水過程分類進行分析，云分布特征的結(jié)論可能會更有針對性[12]。因此，本文結(jié)論僅供參考。

1）微波輻射計反演的溫度與探空探測、飛機探測的值相關(guān)性均很好，微波輻射計反演的絕對濕度與探空探測的值相關(guān)性很好，因此，3 min探測一次的微波輻射反演的溫度和絕對濕度，可作為高時間分辨資料使用。

2）相關(guān)分析結(jié)果表明，雷達回波可用來反演雨粒子有效直徑，在尚無更好資料的時候，也可作為參考用來反演云粒子有效直徑。雷達反演的云有效粒子直徑的大小和垂直分布，在一定程度上可反映云系的結(jié)構(gòu)分布，當(dāng)平均云有效粒子直徑＞30 μm，厚度達3000 m，對產(chǎn)生降水有指示意義。

3）贛南秋冬季（10—12月），降水云系云頂較高，平均高度達8000 m；云層較厚，平均厚度達5000 m以上；午后到上半夜云系發(fā)展更旺盛，降水概率更高。

4）相對于北方，我國南方云系云水含量可能更高、冰晶數(shù)濃度更少，暖性云層更厚，更多的降水可能是由云水碰并產(chǎn)生。因此，在開展南方降水云系外場試驗時應(yīng)更加關(guān)注這些要素的探測和研究。