三江源地区秋季典型多层层状云系的飞机观测分析

王黎俊 银燕 李仑格 汪晓滨 李富刚

1南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京210044

2青海省人工影响天气办公室，西宁810001

3青海省气象局，西宁810001

4中国气象科学研究院人工影响天气中心，北京100081

1 引言

三江源自然保护区位于青藏高原腹地，因长江、黄河及澜沧江发源于此而得名，海拔 3450～6621 m，是国际学术界瞩目的研究气候和生态环境变化的敏感区和脆弱带（李林等，2006；杨建平等，2007）。近几十年来，三江源地区呈现出气温升高（李林等，2006；杨建平等，2007）、降水量减少（唐红玉等，2007）、土地沙漠化和荒漠化面积持续增加的趋势（胡光印等，2011，2012）。为增加该地区的降水量、缓解黄河上游来水量不足及改善生态环境，青海省气象部门自 1997年开始在三江源地区开展了人工增雨试验。

高空冷槽给青藏高原带来的冷空气活动是造成三江源东部地区秋季降水的主要天气系统（章新平和姚檀栋，1995）。随之产生的冷锋云系及层积云（Sc）、高层云（As）等层状云在该地区出现频率较高（赵仕雄等，2003），是实施飞机人工增雨作业试验的主要目标云。为进一步提高对该地区云系微物理特征的认识和开展人工增雨试验研究，2003年9～10月，由多部门联合，在三江源地区首次进行了较大规模的综合外场观测试验。通过较为严谨的试验飞行设计，以两架安装有机载云粒子测量系统（Particle Measuring System，简称PMS）和人工催化播撒设备的探测作业飞机对层状云进行了多架次的探测及作业飞行。但由于天气及飞行安全条件的限制，仅有2003年10月11日取得了较为理想的观测资料。

对于云微物理参数的测量，PMS系统的测量结果是最精确的（Miles et al., 2000）。在有关锋面云系及冷云的观测研究中，美国的温带气旋计划对中纬度气旋云系做了系统探测，Hobbs et al.（1980）研究了云系不同部位降水的生长机制，提出了在锋面降水过程中伴随的六种形式的降水雨带，Herzegh and Hobbs（1980）发现暖锋雨带的“播种—供给”机制可以提高降水效率。近些年，Fleishauer et al.（2002）分析了美国大平原地区第5次分层云综合观测试验 CLEX–5（the fifth of the Complex Layered–Cloud Experiments）中中层混合云的微物理结构，结果表明云中存在着复杂的热力、动力结构。Korolev et al.（2003）对加拿大锋面层状云系进行了综合研究，发现过冷层中冰水含量和液水含量都随温度的降低而减小。Field et al.（2004）综合飞机观测和地面雷达观测区分云中的过冷水和冰晶。McFarquhar et al.（2007）在美国北极混合态云试验M–PACE (Mixed–Phase Arctic Cloud Experiment)的研究结果表明，阿拉斯加地区秋季混合云中液态云滴的增长机制主要为凝结增长。Lawson and Zuidema（2009）在第一次国际层状云气候研究项目北极云试验 FIRE–ACE (the First International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) Regional Experiment–Arctic Clouds Experiment) 的研究中发现，北极夏季混合云中过冷层上部云粒子的谱分布基本一致。

国内在20世纪80年代引进PMS系统后，主要用于云微物理结构的探测和人工增雨试验等方面的研究。早期主要开展了“北方层状云人工降水试验研究”（李大山等, 2002；郭学良, 2010），证实了我国北方降水的微物理机制基本符合播种云与供水云相互作用的总体概念（姚展予，2006）。近些年来，国内陆续引进了多套改进的PMS系统，在一些北方省份进行了飞机观测研究。在层状云的观测中，杨文霞等（2005）发现河北春季层状云降水系统存在不均匀性，有较强降水云带存在。王扬锋等（2007）将延安地区一次降水性层状云的垂直结构划分为5个层次，指出混合相态层中冰晶的快速增长是发生降水的关键。张佃国等（2007）对北京及周边地区层状云系的分析表明，垂直和水平分布不均匀特性明显，直径小于400 μm的云粒子谱型基本相似，而大于 400 μm 的云粒子谱分布在－8°C层上、下分别为双峰和多峰型分布。张佃国等（2011）对山东秋季降水云系多年资料的分析结果认为，云系中存在较为丰富的过冷水，且云粒子谱为负指数型。宁夏（樊曙先，2000）、青海东北部（李仑格和德力格尔，2001；苏正军等，2003）、甘肃（李照荣等，2003）等地对云的微物理特征也进行了飞机观测研究。以上研究为人工增雨作业提供了有力的科学依据，同时可发现在不同的天气系统和不同地区的地形条件下，云系的宏、微观结构和降水形成过程存在着多变性和复杂性。

根据云系的宏观特征进行有针对性的航线设计，对云系中那些有代表性的部位或层次做细致的观测十分重要（游来光，1994）。由于飞机观测受到多方面的限制，国内类似探测的个例及研究工作尚不多见（王扬锋等，2007；张佃国等，2011）。2003年10月11日的飞机观测中，以“分层巡回垂直探测法”进行了较为细致的 PMS探测。对于首次三江源地区飞机观测的分析研究，首先，我们关心的是与中国北方其他地区相同或类似云系的在垂直、水平微物理结构特征方面的差异；其次，云中液态过冷水含量是极为重要的大气物理参数，在人工影响天气领域特别受关注（雷恒池等，2008）。区分混合云中的液态水和冰相粒子，同时对预测降水系统的演变、数值模式的参数化、大气辐射影响等方面都有重要意义（Field et al., 2004）。游来光（1994）曾指出：PMS系统任一探头所测粒子都可能包含有多种模态的粒子群，根据二维图像资料可从粒子的形态上判别粒子的相态，但粒子的尺度一般要大于150～200 μm，且利用一维前向散射探头观测的粒子谱在鉴别粒子相态上还带有很大的不确定性，需结合其他信息做综合判断，因此对大量的尺度较小的粒子的相态鉴别至今尚未完全解决。国内在这方面的研究一直较为缺乏；最后，云内各种水成物的粒子谱是微物理过程综合作用的产物，包含了大量云粒子转化、增长和降水产生的相关信息（杨洁帆等，2010）。通过对云系不同高度层及云层云粒子谱的分析，将有利于了解云粒子增长的微物理机制，为人工增雨作业条件的判断提供依据。

基于以上三方面的目的，本文利用2003年10月11日的PMS观测资料，对三江源地区这一典型天气系统所产生的多层层状云系，进行微物理特性的分析研究。

2 仪器误差处理、计算方法和云的界定

2.1 PMS观测仪器及其误差处理

2003年的首次飞机观测试验采用了中国气象科学研究院2002年从美国引进的一套新的PMS系统。该系统（刘卫国等，2003）的探头分别安装在夏延飞机（Cheyenne–ⅢA）两侧的机翼下部，各探头在观测试验前都进行了系统的标定。2003年 10月 11日探测飞行中所使用的主要仪器为前向散射粒子谱探头 FSSP–100（简称 FSSP）、二维灰度云粒子探头 OAP–2D–GA2及热线液态含水量仪King–LWC–5（简称King）。各探测仪器采样频率为1 s−1。因云中未出现降水粒子，二维灰度降水粒子探头OAP–2D–GB2未观测到有效数据。

FSSP用于测量尺度较小的云粒子，分四个量程，每个量程内又等分为15个测量通道。此次观测采用直径测量范围为2.0～47.0 μm的量程，分辨率为 3 μm，FSSP 中值直径Di=3.5～45.5 μm （i=1, …,15）；OAP–2D–GA2 是原 OAP–2D–C（量程为 25～800 μm）的扩展型号（仍简称为2DC），用于测量云及降水粒子并可获取二维图像资料，测量的粒子直径范围为25～1550 μm，分为62个测量通道，分辨率为25 μm，2DC中值直径Dj=30.12～1550 μm（j=1, …, 62）；King探头用于实测云中液态水含量LWC（Liquid Water Content）（记为 LWCKing），正常测量范围为 0～5 g m−3，相对误差为±15%（King et al., 1985）。探测飞行时对King探头进行晴空下的校准是获取精确液态水含量实测值的重要操作规程（Feind et al., 2000；王柏忠等, 2004）。

对于FSSP和2DC等一维前向散射、二维光阵探头，其误差来自两方面：粒子尺寸的测量误差和粒子计数的误差（赵增亮等，2010）。Coelho et al.（2005）的研究表明新型 FSSP在粒子浓度小于500 cm-3的情况下粒子直径误差可控制在 3%～7%。因此，本文对FSSP的误差未予以考虑。另外，Gardiner and Haslett（1985）和 Field et al.（2003）都在观测中发现因大冰晶粒子与FSSP探头的碰撞破碎，会人为造成小冰晶浓度较大，使FSSP在冰云中的探测能力受到一定的影响。此次在高层的冰云中观测时，FSSP几乎未观测到云粒子。因此，该因素对本文FSSP的观测资料未造成影响。

Korolev et al.（1998）曾研究过与本文同类型号二维光阵探头 OAP–2D–gray的测量精度，发现该探头对于较小粒子（直径小于100 μm）有尺寸高估或低估和浓度计数漏测的现象，尤其是对直径25 μm（最小分辨率）粒子的漏测比例达70%。Baumgardner and Korolev（1997）和 Strapp et al.（2001）的研究也表明 2DC在较小粒子段（直径小于 125 μm）的定量化浓度有一定的误差。因2DC第1测量通道（Dj=30.12 μm）的理论测量范围（25～42.5 μm）与 FSSP第 9～14测量通道（Di= 27.5, …,42.5 μm）的测量范围有所重叠。而本次观测中，在6250 m高度层以上，FSSP未能观测到云粒子，但2DC探头Dj=30.12 μm的测量通道内观测到了较大浓度的云粒子，且该浓度量级足够使FSSP出现响应。所以，本文认为2DC探头在Dj=30.12 μm通道内低估粒子尺寸的可能性更大。基于 2DC上述缺陷的考虑，并参照文献（McFarquhar and Cober, 2004；McFarquhar et al., 2007）的资料处理方法，本文在FSSP有观测资料时，将 2DC的第 1通道资料舍弃，即取Dj≥54.88 μm以上通道数据进行处理。而当FSSP已观测不到数据而2DC有资料，或与其他地区2DC观测值做比较时，将含2DC第1通道资料的同时列出，以作参考。另外，McFarquhar et al.（2007）提到2DC对直径1300 μm以上的粒子浓度的测量存在着一定的不确定性。本次探测未观测到直径大于1300 μm以上的云粒子，该因素对本文2DC的资料未造成影响。

相对于其他机载液态含水量实测仪器，King探头能提供更精确的实测值（Feind et al., 2000）。Isaac（1991）在加拿大所做的King探头与FSSP的对比观测结果表明，在FSSP所测直径量程内都为液态水的情况下，两者的LWC时变曲线几乎完全重合。在美国龙卷风起源检验试验 VORTEX（the Verification of the Origin of Tornadoes Experiment）的研究中，Feind et al.（2000）在对流性风暴的观测中发现，King探头对部分冰晶粒子产生响应，从而会高估云中实际的液态水含量。但 McFarquhar et al.（2007）的研究表明，对于主要由过冷水组成的混合相态云中，这种影响很微小。近期的风洞实验测试结果（Strapp，2003）表明，King探头在粒子直径 50 μm 以下与风洞含水量一致，但在直径50～200 μm 范围内的测量值只是其实际值的70%～45%。本文分析结果表明三江源地区直径50 μm以上的云粒子为冰晶粒子（详见5.1.2、5.2.2节），所以该因素对本文King探头的观测不造成影响。

2.2 微物理量计算及云的界定

本文按国内惯用法将总数浓度N（total number concentration）和平均直径Dm（mean diameter）简称为浓度和直径，用N1和Dm1表示FSSP所测的浓度和直径，用N2和Dm2表示2DC所测的浓度和直径，用N2(＞50)和Dm2(＞50)表示 2DC 所测粒径D＞50 μm 以上（即Dj≥54.88 μm，舍弃了Dj=30.12 μm 的资料）粒子的浓度和直径。

对于FSSP，按如下方法进行计算（Miles et al.,2000）：

其中，N1单位为cm−3，Dm1单位为μm。Di为FSSP第i测量通道的中值直径（单位：μm）；ΔDi为每测量通道间隔，ΔDi=3 μm；n(Di) 为第i测量通道的粒子数浓度分布函数（单位：cm−3μm−1），i=1, …, 15，即n=15；ρl为液态水密度（单位：g cm−3）；LWCFSSP为由FSSP计算所得的液态含水量（单位：g cm−3），即将FSSP量程内所观测到的云粒子假定为球形液滴。

对于 2DC 浓度N2（单位：L−1）和直径Dm2（单位：μm），类同式（1）和（2）处理。其粒子数浓度分布函数n(Dj) 位为 L−1μm−1，j=1, …, 62。在第17～62测量通道ΔDj=25 μm，在1～16测量通道ΔDj≈25 μm。当取浓度N（＞50）及平均直径Dm(＞50)时，即取j=2, …, 62。

云滴是在一定的过饱和条件下经过凝结核化产生凝结增长而形成的水滴（游来光，1994）。云滴有效半径rew(effective radius of water droplets)的表达式（Martin et al., 1994；McFarquhar and Heymsfield, 1996, 1998；Miles et al., 2000）为：

冰相含水量IWC（Ice Water Content）可以用PMS各探头所测冰相粒子的数浓度分布函数及中值直径间接计算（游来光等, 1989；Brown and Francis, 1995；Mitchell, 1996；Heymsfield et al.,2002；McFarquhar et al., 2007），

其中，a、b分别为经验回归系数。

云的界定即为判定是否进入云区的阈值。本文根据飞机宏观观测的实际情况和云粒子瞬时谱分布，并参照同季节甘肃中北部地区云系干层的观测结果（李照荣等，2003）及相关文献结果（Cober et al., 2001; McFarquhar and Cober, 2004），在混合相态云中以LWCFSSP大于10−4g m−3为阈值，在冰云中以N2大于0.1 L−1为阈值。

3 探测飞行概况及云系宏观结构特征

3.1 探测飞行概况

2003年10月11～13日，受东移冷空气与西南暖湿气流的共同作用，三江源东部地区出现了连日阴雨天气。10月11日08:00（北京时，下同）500 hPa高空形势图表明该地区处于槽前的西南暖湿气流中，水汽供应条件较好。试验区内只有河南（34°44′N，101°36′E；3500 m）、泽库（35°2′N，101°28′E；3663 m）两站。河南站08:00地面观测云状为蔽光层积云（Scop），并在上午出现了零星降水，14:00的云状为透光层积云（Sctra）；泽库站14:00云状为蔽光高层云（Asop）。

10月11日下午飞行探测的云系为典型的冷锋降水云系。14:47探测飞机从西宁机场起飞，到达试验区上空后，在河南站西北约20 km、泽库站西南约25 km的上空实施分层巡回垂直探测飞行。图1给出了垂直探测飞行时全球卫星定位系统 GPS（Globe Positioning System）测量的航迹。15:33飞机爬升至海拔高度（H）7800 m，在完成第一层平飞探测后，盘旋下降至始航点开始第二层的平飞探测，到折返点后盘旋垂直下降至第三层始航点，继续开始第三层的平飞探测，重复上述分层垂直探测直至安全高度5200 m层。飞机共平飞探测6层，每层高度间距约500 m，每层平飞探测距离约40 km，探测飞行共耗时约1 h。随后飞机爬升高度实施作业试验后返航。

图1 分层巡回垂直探测飞行的GPS（全球卫星定位系统）航迹图Fig.1 The GPS (Globe Positioning System) flight track of vertical sounding in layered itineracy flight

垂直探测及作业试验飞行结束约40 min后，河南站开始出现降水，降水时段为17:40～18:27，降水量为 1.6 mm。20:00河南站云状转为鬃积雨云（Cbcap），并在20:00至次日凌晨出现降水（霰、雪），降水量为5.1 mm（积雪深度1.0 cm）。临近的泽库站20:00时云状也转为Cbcap，并出现间歇性降水，降水量为2.2 mm。

3.2 云系宏观结构特征

飞行宏观观测记录表明：该云系的垂直配置为卷层云—高层云—层积云（Cs–As–Sc），共分4层，中间明显存在3层干层。在7800 m高度处有一稀薄的Cs，目测估计厚约100～200 m，外形呈丝缕状。7300～6800 m和6250～5700 m高度范围内分别有两层As，中间有约500 m的干层。上层As云体松散，呈絮雾状，而下层 As范围较大，但主云体很薄（厚约200 m），云体中时有对流泡高高耸立，高度达 200～300 m。在下层 As云底部时飞机颠簸，且前窗及机翼有积冰出现，表明云中有不稳定气流影响并有丰富的液态过冷水存在。约 5400 m高度层以下为大范围的 Sc云团。平飞期间分别穿越了2个Sc云团，云团云体较为密实，但云团之间间隙明显，通过云隙隐约可见地面，目测估计Sc云底在约5000 m处，Sc厚约400 m。云团内温度比云隙间温度低1.3～2.0°C，飞机前窗仍有积冰。

表1列出了各层平飞探测时的时间段、云层位置、高度层及温度。由表1可见，位于云系最底部的 Sc中温度变化幅度较大，其他各层内的温度波动幅度均未超过1.5°C。图2为温度随海拔高度的变化廓线。由图2可见，整个云系在0°C层以上，没有明显的逆温出现。这有利于底层云层间水汽的输送和冰相粒子的进一步循环长大，有利于云层的汇合及云系的进一步发展。温度变化线性拟合的判定系数R2=0.98，满足显著性水平α=0.01的检验，表明温度与高度线性相关性显著，各高度层基本上可以代表相应的温度层。5200～7800 m 的平均温度梯度=－ΔT/ΔH=(0.64°C)/(100 m)。

4 云微物理量的垂直分布特征分析

4.1 云粒子浓度、直径和含水量的垂直分布

图3给出了云系垂直结构示意图和分层巡回垂直探测时 FSSP、2DC（D＞50 μm）、King探头观测值随高度（温度）的分布图。表2、表3分别列出了各高度层云中FSSP和King探头、2DC探头观测值的统计特征值（统计时间段见表1）。

由图3可见，FSSP在Cs和上层As中几乎未观测到云粒子（图 3b1–b3），表明这两层云中已基本没有直径小于47 μm的云粒子存在；King探头也未观测到液态过冷水（图3c）。上层As中，2DC观测的云粒子（D＞50 μm）基本连续垂直分布；下层 As中，因其云顶实际上为云中发展起来的对流泡顶，盘旋下降期间绕飞对流泡，所以下降直至进入主体云层期间FSSP、2DC及King探头均未观测到有效资料。

由图3b1、b2、b3和c，并结合表2可见，在对流泡顶FSSP 观测到有浓度较高而直径较小的云粒子存在，但 LWCFSSP和 LWCKing均有较大值出现；下层As云底有高浓度的云粒子广泛分布，Dm1基本覆盖了 FSSP量程，LWCFSSP和 LWCKing也出现较大值；Sc中下部Dm1也基本覆盖了 FSSP量程，但N1、LWCFSSP及 LWCKing明显小于下层 As底部。由各平飞层的统计值（表2）可见，N1的平均值及其最大值N1_max、LWCFSSP的平均值及其最大值LWCFSSP_max、LWCKing的平均值及其最大值 LWCKing_max在下层 As云底最大，而Dm1的平均值在下层As云底中最小。在5900～5700 m、5400～5200 m 两次的云中下降观测中，LWCFSSP值与LWCKing的垂直分布存在一定的差异。比较明显的是进入Sc（约5400 m）后，随着高度降低，N1增大，Dm1由30 μm开始减小，LWCFSSP值有所减小，但LWCKing值却有所增大，趋势相反，且明显小于LWCFSSP。表明LWCKing可能只有FSSP量程内一定直径范围内的云粒子浓度决定，这在本文第5节中以大量的水平观测资料做进一步分析和验证。

表1 分层平飞探测时间段、云层位置、海拔高度和温度Table 1 The time, cloud-layer location, altitude, and temperature during layered flight detection

表2 FSSP和King探头在各平飞高度层观测的云微物理量统计表Table 2 The statistics on the observations from the FSSP and the King probe at each level

表3 2DC探头在各平飞高度层观测的云微物理量统计表Table 3 The statistics on the observations from the 2DC probe at each level

图2 分层巡回垂直探测时的温度T随海拔高度H的变化Fig.2 The change of temperature (T) with altitude (H) for vertical sounding in layered itineracy flight

由图3d1和d2可见，在Cs和上层As中2DC（D＞50 μm）观测到有浓度较高而直径较小的粒子存在，且在上层 As云顶至云底之间有直径较小的云粒子连续垂直分布。盘旋下降进入下层 As主云体后，有直径较小、浓度较低的云粒子连续分布。进入 Sc后，浓度有所减小，但直径明显增大。比较2DC（D＞50 μm）在各层的统计值（表3）可见，N2(＞50)的平均值从最顶端的Cs由上而下依次递减，在 Sc为最低值，约为 Cs的一半。N2(＞50)的最大值N2(＞50)_max无明显变化趋势。而Dm2(＞50)的平均值依次递增，并在 Sc中迅速增大，跃增至216.4 μm，为 Cs的 2.3 倍，且Dm2(＞50)的最大值Dm2(＞50)_max达 1038.3 μm，即位于云系最底层的 Sc中云粒子尺寸及谱宽最大。N2、Dm2与N2(＞50)、Dm2(＞50)差异很大，但与、与的垂直变化趋势一致。

图3 分层巡回垂直探测飞行时的（a）云系垂直结构示意图和（b1–b3、c、d1–d3）云微物理量随海拔高度的垂直分布：（b1–b3）FSSP浓度N1、直径 Dm1和液态含水量 LWCFSSP；（c）King 探头实测液态含水量 LWCKing；（d1, d2）2DC（D＞50 μm）浓度 N2（＞50）和直径 Dm2（＞50）Fig.3 (a) The sketch map for the vertical structure and (b1–b3, c, d1–d3)vertical distribution of cloud microphysical quantity with altitude variation by layered vertical probe during flight: (b1–b3) The FSSP (Forward Scattering Spectrometer Probe) concentration (N1), diameters (Dm1), and liquid water content(LWCFSSP); (c) King probe measured liquid water content (LWCKing); (d1, d2) the 2DC (Two–Dimensional Cloud Probe) (D＞50 μm) concentration (N2(＞50))and diameters (N2(＞50))

表4 中国北方冷锋层状云系过冷层中As和Sc微物理量统计值的比较表Table 4 The comparison of the microphysical quantities in the supercooled water layer between As (altostratus) and Sc(stratocumulus) in the typical cold front stratiform clouds over northern China

4.2 As和Sc与中国北方其他地区观测结果的比较

黄梦宇等（2005）对中国北方多年来不同地区层状云系中FSSP所测的平均浓度和含水量进行了比较，发现平均浓度、含水量的变化趋势不甚明显。范烨等（2010）对中国北方9个架次冷锋层积云系中的 2DC观测值进行了比较，发现各架次数据的差异最大有2个量级。云的微物理参量随着不同地区、季节、天气系统、云型、云中不同部位、不同发展阶段以及大气层结等情况变化复杂。本文将下层As及Sc中FSSP和2DC的观测值，与中国北方其他地区冷锋云系中同样位于过冷层中的、相同或类似云型的探测结果做一比较，由表4列出。

三江源地区是一个特殊的天气地带，水汽充沛，降水频繁（赵仕雄等，2003）。由表4可见，该地区As和Sc的FSSP所测平均浓度明显高于甘肃、宁夏及青海东北部等典型内陆地区的层状云系，但低于山东等沿海地区，与北京、河北等地较为接近。较北方大部分地区偏高。As的除比 2003年北京观测结果明显较小外，较其他地区偏高。2DC云粒子平均浓度与甘肃较为接近，较其他地区偏小，但Sc中Dm2_max明显高于北方其他地区，表明 Sc云粒子谱宽较宽，具有较为明显的地区特征。

5 云粒子水平分布特征分析及液态过冷水的判别

5.1 Sc

5.1.1 Sc云微物理量水平分布的基本特征

图4给出了16:19:10～16:28:17在Sc中下部平飞时 FSSP和 2DC观测的粒子浓度、直径、瞬时谱、LWCFSSP、二维粒子图像及 King探头观测值LWCKing。

由图4a可见，首先，2个Sc云团（1～187 s、422～547 s）中 FSSP所测云粒子浓度N1和直径Dm1的水平分布均差异较大。浓度在高值区与低值区相差3～4个量级，N1最大值可达200 cm−3以上。Dm1在FSSP的量程内均有分布。其次，FSSP观测的浓度对数值与直径有着明显的反相关性，高浓度区对应高LWCFSSP区（图4a、b）。在2个云团内，当N1在10～50 cm−3以上时，Dm1总是分别集中在6～9 μm、6～11 μm范围内，与之相对应，在图4b中有明显的高LWCFSSP区出现（G1–G7区）。而当N1小于1 cm−3时，Dm1分布比较分散，且Dm1值较大，在图4b中基本上没有高过冷水区出现。显然，在FSSP所测的较大云粒子浓度比较小云粒子的浓度要小3个量级以上的情况下，含水量LWCFSSP主要是由云粒子浓度决定。云隙间（188～421 s）只有零散的云粒子存在，N1基本上在0.1 cm-3以下，LWCFSSP小于 5×10−4g m-3。

图4 Sc中下部的（a）FSSP 浓度 N1和直径 Dm1、（b）LWCFSSP和 LWCKing、（c）FSSP 瞬时谱(单位：lg (cm−3 μm−1))、（d）2DC（D＞50 μm）浓度N2(＞50)和直径 Dm2(＞50)、（e）2DC（D＞50 μm）瞬时谱（单位：lg (L−1 μm−1)）随时间的变化；（f1～f9）不同时刻的 2DC 粒子图像：（f1）第 3 s；（f2）第 84 s；（f3）第 109 s；（f4）第 127 s；（f5）第 465 s；（f6）第 507 s；（f7）第 514 s；（f8）第 521 s；（f9）第 545 s。初始时刻为 16:19:10Fig.4 The time variations of the middle–lower level Sc (stratocumulus): (a) The FSSP concentration (N1) and diameter (Dm1); (b) LWCFSSP and LWCKing; (c)the FSSP instantaneous spectrum (lg (cm−3 μm−1)); (d) the 2DC (D＞50 μm) concentration (N2(＞50)) and the diameter (Dm2(＞50)); (e) the 2DC (D＞50 μm)instantaneous spectrum (lg (L−1 μm−1)).(f1–f9) 2DC particle images at times 3, 84, 109, 127, 465, 507, 514, 521, and 545 second.The initial time is 1619:10 BT (Beijing time)

由图4d可见，2个Sc云团内2DC观测的云粒子浓度N2(＞50)没有特别明显的高、低值区，N2(＞50)主要集中在 0.1～10 L-1范围内。Dm2(＞50)分布也较为松散，主要集中在54.88～300 μm范围内，最大直径在1000 μm以上。云隙间有浓度较高的、直径小于约200 μm以下的云粒子零散存在。

相对于FSSP、2DC所测的云粒子浓度和直径，其瞬时谱（图 4c、e）能更全面的提供云粒子在各测量通道内的分布及实时变化信息。综合云粒子瞬时谱、2DC图像、浓度及直径的变化，进一步分析云粒子的相态和高过冷水区的微物理特性。

5.1.2 Sc云粒子相态的判定

（1）Sc云2DC量程内云粒子相态的判别

对于可辨别的 2DC图像的分类，Korolev and Sussman（2000）将2DC图像的形状按尺度大小分为4大类：球形、不规则形、针状（含柱状冰晶）、枝状。张佃国等（2007）将可能由冰晶或雪晶淞附过冷水产生的较大尺度非球形粒子称为冰雪晶结淞体。范烨等（2010）将可能由冰晶与雪晶之间碰并形成的、形状不规则的较大尺度冰相粒子称为冰雪晶聚合体。

McFarquhar and Heymsfield（1996）利用2DC图像的灰度投影面积比AR（Area Ratio）来判定粒径D＞125 μm云粒子的相态，并提出一指标：液态云粒子的AR＞0.8。有关检验也表明以AR来判定D＞125 μm 云粒子相态的可信度达 93%以上（McFarquhar et al., 2007）。而对于 53 μm＜D＜125 μm的云粒子，McFarquhar et al.（2007）在美国M–PACE试验的研究中提出在降水中不出现毛毛雨的情况下，可以以 2DC图像是否为非球形来判定云粒子是否为冰晶。

由Sc中下部2DC图像资料（图4f1–f9）可见，D＞125 μm的云粒子为不规则形冰晶、柱状冰晶、枝状冰晶及冰雪晶聚合体和冰雪晶结淞体等。由McFarquhar et al.（2007）提出的判断方法再考察53 μm＜D＜125 μm范围内的粒子形状，未发现球形粒子存在，由此可判定该尺度范围内的云粒子为冰晶。同时，由2DC瞬时谱（图4 e）可见在Dj≥54.88 μm测量通道云粒子基本上为不连续分布。所以，可认为Sc中下部2DC量程内D＞50 μm （Dj≥54.88 μm）的云粒子相态为冰相。

（2）Sc云FSSP量程内云粒子相态的判断

国内，游来光（1994）曾利用谱线的相似性推测新疆冬季降雪性冰云中直径大于5 μm的为冰晶粒子。国外，近些年的混合云综合外场观测研究中，首先利用罗斯曼积冰探测仪RICE（Rosemount Icing Detector）（Cober et al., 2001; Korolev et al.,2003; McFarquhar and Cober, 2004; McFarquhar et al., 2007）或综合地面雷达观测（Field et al., 2004;Lawson and Zuidema, 2009）来确定0°C层以上云的相态（液态过冷水云、冰水混合态云、冰云），然后再根据各相态云中FSSP谱分布的差异来总体说明FSSP量程内云粒子的相态（液相、冰相）。

Cober et al.（2001）在第一次和第三次加拿大冻雨试验（the First and Third Canadian Freezing Drizzle Experiments，CFDE I and III）的观测研究中发现混合态云中冰晶粒子的平均体积直径大于 30 μm，Korolev et al.(2003) 对加拿大锋面层状云系的观测研究表明液态过冷水云中的平均体积直径为10～12 μm，冰云中的在20～35 μm之间变动，而Field et al.（2004）发现英国混合态云和冰云中的平均体积直径都大于30 μm。可见不同地区及云系中云粒子的相态差异较大。

在液态云和冰水混合态云中，对液态水含量LWC的最佳测量值是King探头的观测值 (McFarquhar et al., 2007)。液态含水量LWCFSSP是由公式（3）计算所得，仅当FSSP量程内都为液态云粒子时适用。即在云内0°C层以上，如果FSSP量程内有冰晶存在，则LWCFSSP会高估云内实际液态过冷水含量。如果FSSP量程内都为液态云粒子，且超出其观测范围的云粒子（如2DC量程内）中有过冷水存在，则LWCFSSP只能代表部分的云液态过冷水含量。因此，在实际云的观测中，LWCFSSP与LWCKing必然存在一定的差异。齐彦斌等（2007）对东北冷涡对流云带0°C层以上的垂直观测中发现，LWCKing与LWCFSSP的测量结果有较好的对应关系。其资料显示，飞机下降时云带顶部的 LWCFSSP明显大于LWCKing，而其他时段 LWCFSSP小于 LWCKing。对于 FSSP量程内的云粒子，本文综合 FSSP瞬时谱、LWCFSSP与LWCKing的差异来考察其相态。

由图4b可见，在Sc的2个云团中LWCFSSP与LWCKing变化趋势基本相同，但在高 LWCFSSP区（G1–G7）LWCFSSP与 LWCKing数值差异明显，且差异程度各有不同。其中，在G5和G6区，LWCFSSP与 LWCKing很接近。由 FSSP瞬时谱（图 4c）可见该时段内仅有3.5 μm≤Di≤18.5 μm的粒子连续分布，Di≥21.5 μm以上没有云粒子存在。由图4d、e可见该时段内2DC量程内没有云粒子存在（即使对2DC量程内D＞50 μm云粒子相态判断有误，该时段内超出FSSP量程外也不可能有液态过冷水存在）。在 G3和 G4区，FSSP量程内不仅有 3.5 μm≤Di≤18.5 μm的粒子连续分布，而且Di≥21.5 μm以上有粒子零散存在（图4c）。2DC量程内基本没有云粒子存在（图4d、e），LWCFSSP大于LWCKing（图4b）。在G2区，FSSP量程内云粒子的分布情况与G3、G4区类似（图4c），但2DC量程内有云粒子存在（图4d、e），然而LWCFSSP仍大于LWCKing（图4b）。在G1区，FSSP量程内有较高浓度的云粒子不连续分布（图 4c），但 LWCFSSP远远大于LWCKing，且LWCKing明显小于G2区。比较G1区与G2区的FSSP瞬时谱，可发现G1区Di=9.5、12.5、15.5 μm等3个测量通道内的数浓度分布函数n（Di）明显小于 G2区，这可能是 LWCKing明显小于 G2区的原因。在G7区，FSSP量程内大量有Di≥21.5 μm 以上的、n（Di）较高的云粒子不连续分布，LWCFSSP＞LWCKing，但其 3.5 μm≤Di≤18.5 μm 段内n（Di）明显大于其他高LWCFSSP区（图4c），相应该区 LWCKing明显较大（图 4b）。由此推测，在Sc中下部液态过冷水可能主要分布在Di=3.5～18.5 μm范围内。由公式（3）计算FSSP在Di=3.5～18.5 μm测量通道内的含水量（以LWCFSSP(3.5～18.5)表示），并与LWCKing相比较，以进一步检验二者在该云层内的关联性。

图 5给出了 2个云团内 LWCFSSP(3.5～18.5)与LWCKing的线性相关图。其判定系数R2=0.95。通过显著性水平α=0.05检验，LWCFSSP(3.5～18.5)与LWCKing有显著的线性相关性。其线性拟合线斜率接近于1，且 LWCFSSP(3.5～18.5)值绝大部分在 LWCKing±15%（仪器误差）范围内，由此表明 LWCFSSP(3.5～18.5)与LWCKing有显著的对称相关性。

以上分析表明，在Sc中下部，FSSP量程内3.5 μm≤Di≤18.5 μm 的云粒子为液态过冷水，21.5 μm≤Di≤45.5 μm的云粒子基本上为冰晶。本文将FSSP量程内的过冷液滴称为云滴，将大于云滴尺度的冰晶粒子称为云晶。

5.1.3 Sc高过冷水区和低过冷水区的云粒子谱分布特征

Hobbs将FSSP观测到的云中大于2 μm的粒子总浓度超过10 cm−3时看作是云水区（游来光，1994；黄梦宇等，2005）。5.1.1节分析中也发现N1超过10 cm−3以上时有高过冷水区出现（图 4a、b），本文结合本地区混合态云中FSSP浓度、瞬时谱和过冷水含量的变化特点，将LWCFSSP≥10−2g m−3的区域称为高过冷水区，将 10−2g m−3＞LWCFSSP＞10−4g m−3的云区称为低过冷水区。由图4c、d可见，2个 Sc云团中，G1–G7高过冷水区与其他区域的FSSP、2DC瞬时谱也有明显的差异。图6给出了2个 Sc云团中高过冷水区和低过冷水区的 FSSP、2DC（D＞50 μm）平均粒子谱。由图6a可见，高过冷水区与低过冷水区的FSSP平均谱分布有明显的区别。首先，云粒子数浓度分布函数n（Di）差异很大。在Di=3.5～18.5 μm，高过冷水区要高于低冷水区1～4个数量级，在Di=21.5～45.5 μm，相差1个数量级；其次，高过冷水区谱型基本上为单峰型伽玛（Γ）分布，而低过冷水区谱形扁平，即在整个FSSP量程范围内粒子浓度没有明显变化；最后，在3.5 μm≤Di≤18.5 μm范围内高过冷水区与低过冷水区谱变化趋势相反，而在 21.5 μm≤Di≤45.5 μm范围内谱型相同，都在24.5 μm处有一不明显的跃升。由图6b可见，在50～150 μm间，高、低过冷水含量区的数浓度分布函数n(Dj) 基本没有差别，在 150 μm～约 800 μm 间差异较大，850 μm以上有较高n(Dj)的大粒子在高过冷水区出现。

综合前述分析可表明：（1）FSSP谱型是由液态过冷云滴（3.5 μm≤Di≤18.5 μm）和固态冰相云晶（Di≥21.5 μm）共存造成的。由于冰相过饱和度高于液相，在相同水汽条件下，冰相云晶比液态云滴更容易长大。在高过冷水区，冰晶在增长过程中势必消耗液态过冷水，而小的液态云滴比较大的液态云滴更容易蒸发，小的冰晶比较大的冰晶更容易凝华长大。因此在FSS粒子谱中的较大液态云滴处出现了峰值，并在较小云晶处可能出现跃升或峰值。而在低过冷水区，可能水汽条件较差（低于冰面饱和水汽压），云滴和云晶都不能长大，从而未造成明显的浓度差异。（2）高过冷水区有较明显的冰晶碰并液态过冷水增长（即淞附增长）的现象。在高过冷水区，较大的冰晶粒子越容易碰并一定尺度范围内的过冷液滴而迅速长大，从而使原尺寸范围内的云粒子浓度会有所减小，并出现更大尺寸的冰相粒子或冰雪晶结淞体。首先，由图4中的2DC图像可以明显看到，高过冷水区峰值附近有尺寸很大的冰雪晶聚合体和冰雪晶结淞体（图4f2、f6、f7和f8），而低过冷水区为尺寸明显很小的不规则形、柱状或短柱状冰晶及较小的枝状冰晶（图4f1、f3、f4、f5和f9）。这也是高过冷水区出现850 μm以上大粒子（图6b）的原因。其次，由图4d中可见，在高过冷水区 2DC量程内的云粒子浓度有所减小（G7区尤为明显），同时，由2DC瞬时谱（图4e）可见，在高过冷水区较大中值直径粒子的n(Dj) 明显增加，而较小中值直径粒子的n(Dj) 有所减小。碰并的同时会有碰撞破碎及自身破碎存在，这可能是造成图6b中150 μm～约800 μm段高、低过冷水区n(Dj) 相互差异较大的原因。

图6 Sc中下部高过冷水区和低过冷水区的（a）FSSP、（b）2DC（D＞50 μm）平均粒子谱分布Fig.6 The distribution of mean particle spectrum in the high and low content of supercooled water for the middle–lower level of Sc (a) FSSP; (b) 2DC (D＞50 μm)

5.1.4 Sc高过冷水区云滴有效半径和估算过冷水含量比率

根据 5.1.2的分析结果，取 3.5 μm≤Di≤18.5 μm范围内（i=1, …,n；n=6）的FSSP资料，由公式（3）计算云滴有效半径。Sc中下层高过冷水区云滴有 效半径rew在3.4～6.0 μm间，其平均值和标准差σ 为=4.5±0.6 μm。

过冷水含量比率fl（fraction of liquid water）为混合态云中过冷水含量 LWC占总含水量 TWC（Total Water Content）的比率，即fl=LWC/TWC（McFarquhar et al., 2007）。国外数值模式研究结果（Smith, 1990; Moss and Johnson, 1994; Bower et al.,1996）和飞机观测结果（Boudala et al., 2004）都表明fl与温度及总含水量 TWC有密切的关联性。McFarquhar et al.（2007）在美国M-PACE试验的观测中发现层积云中fl随高度的升高而增大。

因国内飞机探测设备中未装备Nevzorov TWC（Cober et al., 2001; Korolev et al., 2003; Boudala et al., 2004; Field et al., 2004; McFarquhar and Cober,2004）、回流取样器 CVI（Counterflow Virtual Impactor）（Twohy et al., 2003）等总含水量TWC的直接测量设备，本文以 PMS各探头的观测资料间接计算 TWC。TWC可以表示为过冷水含量 LWC和冰相含水量IWC之和。LWC可以用King探头测量值来表示（McFarquhar et al., 2007）。以公式（5）计算IWC。由5.1.2及5.1.3的分析发现三江源地区秋季层积云的微物理特征与美国阿拉斯加地区秋季低层混合态层积云（McFarquhar et al.,2007）较为接近，但McFarquhar et al.,（2007）提出的经验回归系数a=1.07×10−10g μm−1.7、b=1.7 仅适用于D＞125 μm（Dj≥129.12 μm；j=5, …,m；m=62）以上的冰晶粒子。而对于53 μm＜D＜125 μm（54.88 μm≤Dj≤104.38 μm；j=2, … ,4）范围内的非球形冰晶粒子，本文采用与本文谱分布较为接近的、游来光等（1989）在新疆冬季层状云中取得的经验回归系数：a=0.04、b=3（未进行单位换算）。对于D＜53 μm以下的冰晶粒子及云滴的含水量，本文以LWCFSSP近似代替（显然LWCFSSP会对该粒径范围内的实际含水量有所高估）。估算fl的表达式可表示为：

其中，n(Dj) 单位为 L−1μm−1，Dj单位为 μm，IWC单位为 g m−3。

由5.1.2的分析可知，2个Sc云团中G5、G6等两个纯液态过冷水区的fl显然为1，而G1、G2、G3、G4、G7等5个由冰、水混合相态组成的高过冷水区，水平分布尺度不一，且LWCKing值也有较大差异。为便于比较，将平飞穿越的起始—终止的时间及LWCKing进行标准化处理，即：

其中，ta、tb分别为穿越各高过冷水区的起始、终止的时间（单位：s），LWCKinga、LWCKingb为各高过冷水区LWCKing的最小值和最大值。进行标准化处理后，tn、LWCKingn的最大值为1，最小值为0。

图7给出了Sc中混合态高过冷水区标准化处理后的fl、LWCKingn及其变化趋势拟合线。fl和LWCKingn的5项多项式拟合（最优显著性拟合）曲线的变化趋势基本一致，表明在 Sc中高过冷水区fl与LWCKing存在一定的关联性。Sc中高过冷水区fl最小值为29.2%，平均值及标准差为69.9±19.4%。

5.2 下层As

5.2.1 下层As云微物理量水平分布的基本特征

图 8给出了 16:11:01～16:14:00、16:02:06～16:03:24分别在As底部和顶部平飞时FSSP、2DC探头观测的粒子浓度、直径、瞬时谱、LWCFSSP和King探头观测值LWCKing。

图7 Sc中混合态高过冷水区过冷水含量比率fl、标准化含水量LWCKingn随标准化时间tn的变化Fig.7 The changes of the fraction of liquid water content ( fl ) and standardized liquid water content (LWCKing) with standardized time (tn) in the mixed state high supercooled water area of Sc

图8 下层 As底部的（a1）FSSP 浓度 N1和直径 Dm1、（b1）LWCFSSP和 LWCKing、（c1）FSSP 瞬时谱、（d1）2DC（D＞50 μm）浓度 N2（＞50）和直径Dm2（＞50）、（e1）2DC（D＞50 μm）瞬时谱随时间的变化; (a2)–(e2) 同 (a1)–(e1), 但为对流泡顶Fig.8 The time variations at the bottom of lower As (altostratus): (a1) The FSSP concentration (N1) and diameter (Dm1); (b1) LWCFSSP and LWCKing;(c1) the FSSP instantaneous spectrum; (d1) the 2DC (D＞50 μm) concentration (N2(＞50)) and the diameter (Dm2(＞50)); (e1) the 2DC (D＞50 μm) instantaneous spectrum.(a2)–(e2 ) Same as (a1)–(e1), but for the top of the convective bubble

穿越 As底部时的飞行宏观观测记录显示，约16:11飞机颠簸并出现积冰，约16:12:20后云层变稀薄，隐约可见下方Sc，约16:13后能见度转好，基本出云。由图8a1可见，在As底部云区内FSSP浓度在高值区与低值区相差 4～5个量级，最大值可达300 cm-3以上，在FSSP的整个量程内云粒子广泛分布。FSSP观测的浓度对数值与云粒子直径Dm1也存在着明显的反相关性，且 FSSP高浓区对应高含水量（LWCFSSP及LWCKing）区（图8b1）。当FSSP观测云滴浓度N1在约100 cm−3以上时，直径Dm1集中在6～9.5 μm范围内，与之相对应，在图8b1中有明显的高含水量区出现（G1和G2）；在G1和G2两个高含水量区中间，有N1变化较大（10-3～60 cm-3），但其Dm1与高含水量区的Dm1较为接近的云区存在，LWCFSSP在10-4～0.02 g m-3间；在G1和G2区两侧是低浓度（N1＜0.1 cm−3）较大Dm1（＞18 μm）的稀疏云区，LWCFSSP小于0.01g m-3；基本出云后，FSSP已观测不到云粒子，但2DC量程内（图8d1、e1）仍有大量较高浓度的云粒子存在。2DC观测的云粒子浓度在该高度层没有明显的高、低值区，N2(＞50)分布在0.3～22 L-1范围内，云粒子直径Dm2(＞50)较为松散的分布在54.88～350 μm范围内。

As顶部为隆起的对流泡顶。平飞穿越As中对流泡顶后即出云，无明显低含水区。由图 8a2、b2可见，FSSP观测的浓度在大于10 cm−3时就出现了较为明显的高含水量区（G3和 G4），云滴Dm1仅在8.2～12.2 μm之间。云区基本上为高含水量区。G3区和G4区中间及约16:03飞出对流泡后，FSSP已观测不到云粒子，但 2DC仍观测到有较高浓度的云粒子存在（图 8d2、e2）。N2(＞50)在该层也没有明显的高、低值区，分布在0.5～23.6 L-1范围内，Dm2(＞50)在 54.88～175 μm 范围内。

5.2.2 下层As云粒子相态的判定

由图8d1和图8d2可见，在As底部和对流泡顶的2DC（D＞50 μm）的粒子瞬时谱几乎没有连续分布的情况。As底部D＞125 μm的云粒子的2DC图像基本为不规则形冰晶（图略），而在对流泡顶已基本上看不到大粒子图像。As底部和对流泡顶53 μm＜D＜125 μm范围内的粒子形状为非球形。由此表明As底部和对流泡顶2DC量程内Dj≥54.88 μm的云粒子相态为冰相。

由图8b1、b2可见，在As底部和对流泡顶的LWCFSSP与 LWCKing变化趋势基本相同。其中，在G2高含水量区，LWCKing与LWCFSSP基本接近。由其FSSP瞬时谱（图8c1）可见，该时段内仅有3.5 μm≤Di≤21.5 μm 的粒子连续分布，Di≥24.5 μm 以上没有云粒子存在。在G1高含冷水区，FSSP量程内不仅有3.5 μm≤Di≤21.5 μm的粒子连续分布，而且有较高浓度的Di≥24.5 μm 粒子不连续分布（图8c1）。其LWCFSSP大于LWCKing，且明显大于G2区的LWCFSSP，但其LWCKing峰值与G2区峰值相近。在对流泡顶，FSSP量程内已没有Di≥24.5 μm以上的粒子，在高含水量区（G3和G4）有3.5 μm≤Di≤21.5 μm 的粒子连续分布（图 8c2），且LWCFSSP与LWCKing数值极为接近（图8b2）。由此推测，As底部和对流泡顶的液态过冷水在Di=3.5～21.5 μm 范围内。计算 As底部和对流泡顶的LWCFSSP(3.5～21.5)，并进一步分析与 LWCKing的对称线性相关关系。

图 9给出了 LWCFSSP(3.5～21.5)、LWCKing在这两层主要云区的线性相关图。由图 9a、b可见，LWCFSSP(3.5～21.5)与 LWCKing有极显著的相关性（判定系数R2分别为 0.96，0.97，通过显著性水平α=0.01的检验），且线性拟合线斜率均接近于 1，LWCFSSP(3.5～21.5)几乎在 LWCKing±15%范围内。由此可表明，5700 m层和6250 m层内的过冷水均存在于Di=3.5～21.5 μm粒径范围内。

5.2.3 下层As云底高过冷水区和低过冷水区的云粒子谱分布特征

图10给出了下层As底部高过冷水区（图8G1、G2区）和低过冷水区（图8G1、G2区两侧10-2g m−3＞LWCFSSP＞10-4g m-3的云区）的FSSP、2DC（D＞50 μm）平均粒子谱。由图10a可见，与Sc中下部类似，高过冷水区与低过冷水区的FSSP粒子谱有着明显的区别。二者n(Di) 差别很大，在 3.5～21.5 μm内，相差3～4个数量级，而在24.5～45.5 μm，相差1～2个数量级。高过冷水区谱型基本上为单峰型伽玛分布，峰值在Di=9.5 μm处。低过冷水区谱形扁平，没有明显的峰值，在Di=21.5出现极小值。在3.5～21.5 μm内高过冷水区与低过冷水区谱变化趋势基本相反，而在24.5～45.5 μm谱型没有明显差别。由图10b可见，高过冷水区与低过冷水区的2DC粒子平均谱分布不连续，谱型基本为负指数型，且二者没有明显的差别。由此表明，与Sc中下部类似，该层FSSP谱型是由液态过冷云滴（3.5 μm≤Di≤21.5 μm）和固态冰相云晶（Di≥24.5 μm）共存造成的。但与Sc中下部不同，在高过冷水区没有明显的淞附增长现象存在。

图9 （a）As底部、（b）对流泡顶的LWCFSSP(3.5～21.5)与LWCKing线性相关散点图Fig.9 The scatter diagram of linear correlation between LWCFSSP(3.5～21.5) and LWCKing at the bottom of As and the top of convective bubble

5.2.4 下层 As高过冷水区云滴有效半径和过冷水含量比率

根据 5.2.2 的分析结果，取 3.5 μm≤Di≤21.5 μm范围内（i=1, …,n；n=7）的FSSP资料计算云滴有效半径。下层 As底部高过冷水区的云滴有效半径rew在4.8～5.8 μm范围内，平均值及标准差为=5.4±0.2 μm。在对流泡顶高过冷水区rew在5.6～7.2 μm之间，=6.6±0.4 μm。

类同5.1.4，将下层As底部两个高过冷水区观测起始—终止时间和LWCKing进行标准化处理。图11给出了下层As底部高过冷水区fl和LWCKingn随tn的分布。由图11可见，fl在高过冷水区没有明显的变化。fl和LWCKingn的5项多项式拟合（最优显著性拟合）变化趋势均不明显（均未通过α=0.1的显著性检验），fl与LWCKingn也无关联性。As底部高过冷水区fl最小值为72.3%，平均值及标准差为89.2±8.1%。在6250 m层的对流泡顶部，高过冷水区fl近似等于1。

5.3 上层As和Cs

图12给出了在上层As云底、云顶部和Cs的2DC所测云粒子浓度、直径及瞬时谱随时间变化图。2DC观测值资料含Dj=30.12 μm通道资料。由图12a1、a2、a3可见，2DC在上层As云顶、云底和 Cs中都观测到有高浓度的云粒子存在，粒子浓度都没有明显的高、低值区。位于云系最高层的Cs中的云粒子浓度N2明显大于上层As，但其粒子直径Dm2几乎都在 30 μm 左右，表明 Cs中主要以Dj=30.12 μm的云粒子为主。由图12b1、b2、b3可见，2DC瞬时谱分布比较均匀，没有明显的密集分布区。

图10 下层As底部高过冷水区和低过冷水区的（a）FSSP、（b）2DC（D＞50 μm）平均粒子谱分布Fig.10 The distribution of mean particle spectrum in the high and low content of supercooled water for the lower level of Sc: (a) FSSP; (b) 2DC (D＞50 μm)

图11 下层As底部高过冷水区fl和LWCKingn随tn变化Fig.11 fl and LWCKingn variation with tn for the high content of water for the lower level of As

King探头在上层As和Cs内都没有探测到液态水，且2DC瞬时谱在中值直径Dj≥54.88 μm以上都存在明显的不连续现象，由此推断上层As和Cs为冰云。以公式（6）中的经验回归系数计算D＞50 μm以上冰相云粒子冰水含量 IWC（＞50），则上层As云底、云顶和Cs中的IWC最大值分别为0.008 g m-3、0.011 g m-3、0.017 g m-3，其平均值均超过0.001 g m-3。如果不考虑误差，计算2DC整个量程内的IWC，则其最大值基本没有变化，但其平均值增大1个量级。

6 云系平均粒子谱分布特征和云粒子增长机制的探讨

此次分层垂直探测时段为云系的发展阶段。云系只有冰晶层和过冷混合层组成。图 13给出了云系各高度层的FSSP和2DC平均谱分布。

图12 上层 As底部的（a1）2DC 浓度 N2和直径 Dm2、（b1）2DC 瞬时谱（单位：lg（L−1 μm−1））随时间的变化；（a2）、（b2）同（a1）、（b1），但为上层 As顶部；（a3）、（b3）同（a1）、（b1），但为 Cs中Fig.12 The time variations at the bottom of the upper As: (a1) The 2DC concentration (N2) and the diameter (Dm2); (b1) the 2DC instantaneous spectrum(lg(L−1 μm−1)).(a2), (b2) Same as (a1), (b1), but for the top of of the upper As.(a3), (b3) Same as (a1), (b1), but for the Cs (cirrostratus)

图13 云系各高度层平均云粒子谱分布：（a）Cs和上层As的2DC观测；（b1）下层As和Sc的FSSP观测；（b2）下层As和Sc的2DC观测Fig.13 The mean spectrum distribution of cloud particles at different height: (a) 2DC observation of Cs and the upper level of As; (b1) FSSP observation of lower level of As and Sc; (b2) 2DC observation of lower level of As and Sc

在云系的冰晶层，即 Cs和上层 As等两层冰云中，由图 13a可见，2DC粒子平均谱均为负指数型分布，且谱分布相近，谱宽随着高度降低而变窄。在 30.12 μm≤Dj＜100 μm的较小粒径段，谱线基本上重合在一起，谱分布相同；在 100 μm＜Dj＜ 275 μm粒径段，n(Dj) 随着高度的降低而有所减小；Cs和上层As云顶都有直径大于300 μm以上的云粒子（雪晶）零散分布。降水性层状云系的数值模拟研究结果（胡朝霞等，2007）表明，冰晶层中冰晶主要以凝华增长为主，也存在冰晶的碰并增长，产生一小部分雪晶。Cs、上层 As等两层冰云中，有较高浓度的冰晶及雪晶粒子，其平均谱分布未出现明显起伏或峰值，且其瞬时谱在整层分布均匀（图12b1、b2、b3），但未出现400 μm以上的大冰相粒子。由此推测，靠凝华增长和冰晶的碰并增长可能很难产生超过400 μm以上的大冰相粒子。

在云系的过冷混合层，即下层As和Sc等两层冰水混合态云中，因各层高、低含水量区FSSP和2DC云粒子浓度的不同差异，FSSP平均谱分布基本上反映了高过冷水区的云粒子谱特征，而2DC平均谱分布则反映了整层的平均情况。由图 13b1可见，FSSP平均谱分布的谱型均为单峰型Γ分布。其中对流泡顶谱宽较窄（3.5 μm≤Di≤21.5 μm），下层As云底和 Sc 在 21.5 μm＜Di≤45.5 μm 处无明显峰值。与山东（张佃国等，2011）、北京（张佃国等，2007）等地区冷锋锋面云系、延安（王扬锋等，2007）层状云系、吉林（齐彦斌等，2007）对流云带等混合态云中观测的谱型有着明显的差异，后者为均负指数型分布。这些地区FSSP量程内所观测到的云粒子均为液态过冷水。由图13b2可见，2DC平均谱分布的谱型也基本上为负指数型。在30.12 μm≤Dj＜150 μm处谱线基本重合；200 μm以上的云粒子随着高度层的降低而出现，且n(Dj) 增大；400 μm以上的云粒子只有在最底层的Sc中出现，且起伏明显。

由云系最底层的Sc到下层As云底（中间约有200～300 m 的干层），FSSP谱峰值右移且上行（图13b1）。峰值直径由6.5 μm增大至9.5 μm，其峰值左侧Di=3.5～6.5 μm处n(Di) 基本接近，峰值右侧的 9.5 μm≤Di≤18.5 μm 处n(Di)变大、21.5 μm≤Di≤45.5 μm 处n(Di) 减小。2DC 谱在 200 μm以上的n(Dj) 及尺度明显减小（图13b2）。表明As云底液态云滴（3.5 μm≤Di≤21.5 μm）的尺度和浓度都比 Sc大，而固态云晶和冰雪晶的浓度较小。这是云系中液态水含量最大值出现在 As云底的原因，也是As云底高过冷水区的fl和rew较Sc大的原因。可以说明，由于云型不同，且下层 As中有对流活动，较强的上升气流不仅有利于较大云滴的形成，使云滴谱拓宽，而且有利于云滴浓度的增大。

在下层 As中，从云底到对流泡顶，随着高度的增加FSSP谱峰值右移，但峰值下行（图13b1）。峰值直径由9.5 μm增大至12.5 μm，两谱线交叉点左侧（3.5 μm≤Di≤12.5 μm）n(Di) 减小，右侧（15.5 μm≤Di≤21.5 μm）n(Di)增大。表明液态云滴（3.5 μm ≤Di≤21.5 μm）的浓度虽然总体无明显变化，但直径平均值有所增大。这是对流泡顶高过冷水区的rew较云底有所增大的原因。

层状云系的数值模拟研究（胡朝霞等，2007；赵震和雷恒池，2008）和对流云模拟研究结果（刘晓莉和牛生杰，2009）都表明，在过冷混合层中冰晶主要以凝华增长和碰并云滴增长（淞附增长）为主。这种凝华增长机制可以在下层As和Sc的高过冷水区谱分布的谱型中得到解释。而在最接近外部空气的下层 As对流泡顶，云区内、外都有大量中值直径小于200 μm以下的冰晶粒子存在，且2DC瞬时谱分布无明显差异（图8e2）；在下层As底部也有类似现象，只是中值直径小于400 μm以下（图8e1）。因此，一方面说明这种凝华增长机制所需的水汽不仅来自云内的冰水转化，而且还来自于外来水汽的补充，是下层 As中的上升气流促进了外来水汽的输送。另一方面说明下层 As中冰晶粒子与液态云滴的碰并增长（淞附增长）并不明显，其增长可能仅限于冰晶粒子相互之间的碰并增长。这种碰并增长也使混合态云内很难有400 μm以上的大粒子出现，这与云系冰云中的情况也是一致的。过冷水含量及厚度是降水能否产生的关键参量（胡朝霞等，2007）。尽管下层 As中液态过冷水含量较高，且云滴浓度较大，但云层主体厚度较薄（约200 m），这可能是淞附增长未能出现的原因。

在 Sc中，云团与云隙之间、高过冷水区与低过冷水区之间的2DC粒子瞬时谱分布差异明显，且局部高液态过冷水区无冰晶粒子存在（图4中G5、G6区）。在该层高过冷水区有比较明显的淞附增长现象，并产生了1200 μm以上的大粒子。淞附增长是 Sc中产生大冰相粒子的主要机制。在局部纯液态过冷水区，凝结增长是云滴增长的唯一机制，也表明位于云系最底层的Sc中可能水汽条件最好。

7 结语

通过分析一次飞机分层垂直探测三江源地区秋季典型多层层状云系（Cs–As–Sc）的PMS资料，得出如下结论：

（1）云系分为4层，云层之间均有干层存在，云层均较薄。整个云系在0°C层以上，无逆温。其中，Cs和上层As为冰云，下层As和Sc为冰水共存的混合态云，过冷水含量较丰富。下层 As中有对流泡存在。云粒子浓度和过冷水含量在下层 As底部最大。粒径D＞50 μm 云粒子的浓度平均值由最顶层的 Cs向下依次递减，直径平均值依次递增，云粒子尺寸及谱宽在最底层的 Sc As中，冰晶的增长可能仅限于凝华增长和冰晶之间的碰并增长，这种增长机制可能很难产生超过400 μm的大冰相粒子。下层As中，冰晶凝华增长所需的水汽不仅来自云内的冰水转化，而且还来自于上升气流输送的外来水汽的补充，较强的上升气流有利于云滴谱宽拓宽、浓度增大。

（2）根据2DC图像和灰度投影资料判定了混合态云中2DC量程内粒径D＞50 μm云粒子的相态。综合 FSSP云粒子瞬时谱、FSSP所测一定尺度云粒子含水量值与 King探头过冷水含量实测值的对称相关性，区分了混合态云中FSSP量程内云粒子的相态。结果认为：Sc中中值直径Di=3.5～18.5 μm之间的云粒子为液态云滴，Di≥21.5 μm以上的为冰相粒子；下层 As云底和对流泡顶Di=3.5～21.5 μm为液态云滴，Di≥24.5 μm以上的为冰相粒子。

（3）混合态云中，FSSP所测的云粒子浓度对数值与直径有着明显的反相关性，高浓度区对应高含水量区。高过冷水区和低过冷水区的云粒子谱分布差异明显。Sc高过冷水区存在比较明显的淞附增长现象。

（4）Sc中局部高过冷水区无冰相粒子存在，在Sc的混合相高过冷水区，过冷水含量比率fl的平均值及标准差为 69.9±19.4%，最小值为 29.2%，且fl与过冷水含量存在一定的关联性；在下层As云底的高过冷水区，fl没有明显的变化，平均值及标准差为 89.2±8.1%，最小值为 72.3%。Sc、下层 As云底、对流泡顶高过冷水区云滴有效半径rew依次有所增大，其平均值及标准差分别为4.5±0.6 μm、5.4±0.2 μm、6.6±0.4 μm。

（5）混合态云各高度层FSSP平均粒子谱分布的谱型均为单峰型伽玛分布，混合态云和冰云2DC平均粒子谱基本上为负指数型分布。在冰云和下层As中最大。与中国北方其他地区类似云层的比较结果表明，As和Sc的云粒子浓度均偏大，As的液态含水量计算值LWCFSSP偏高，Sc云粒子谱宽偏宽，具有较为明显的地区特征。

本文的观测分析结论是初步的，且云系处于发展阶段，对该地区典型层状云系微物理特性的研究，仍需做更多的个例分析。

致谢 南京信息工程大学大气物理学院陈爱军副教授、刘晓莉副教授、周生辉博士和肖辉博士为本文提供了帮助，特此致谢。

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