山西层状云微物理结构飞机地面联合探测研究

封秋娟++申东东++晋立军++张冬香

摘要：针对山西省2010-05-27一次层状云降水过程，利用机载DMT探头和Parsivel激光降水粒子谱仪进行探测试验，分析了云微物理特征，并对空中和地面雨滴谱进行比较。结果显示，空中云垂直和水平结构分布不均匀，CDP，CIP探测最大粒子浓度分别为165.20 cm-3、1.08 cm-3。地面雨滴微物理量的平均值说明此次降水是典型的层状云降水，雨强主要由雨滴数密度决定，雨滴微物理参量随时间变化而分布不均匀。结合粒子图像和雨滴特征量分析空中雨滴谱随高度的分布时发现，此次降水是冷云和暖云降水共存。

关键词：空中云微；地面云微；物理特征；层状云

中图分类号：P426.5+1文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）08－0140－03

层状云系是中国北方降水的主要云系，对层状云降水过程宏微观结构的观测、研究可以进一步了解层状云降水的形成机制，为人工增雨作业方案的优化提供科学依据。Hobbs et al．（1974）和Heymsfield（1986）的研究表明，冰晶聚并的比例随温度的降低而减小，但仍有可能存在于温度低于－25℃的云内。Field（1999）通过对冷锋高层云系的探测发现，－40～－20 ℃层冰晶以扩散增长为主，而－20～－10 ℃层聚并占主导地位。利用机载粒子测量系统是目前研究层状云结构和降水机制的重要方法（张佃国等，2010，2011；刘莹莹等，2012）。我国自20世纪80年代起，引进美国的粒子测量系统（简称PMS）开展云的研究。游来光等（2002）发现北方的层状云中存在“播种云—供应云”的配置，有时中间还常夹有干层。杨文霞等（2005）对4架次飞行个例的PMS资料进行综合分析，发现河北省春季层状云降水系统存在不均匀性，较强降水云带是其具体表现之一。居丽玲等（2011）分析了2008-10-04—05石家庄一次降水性层状云系的PMS资料发现，云系微物理要素的垂直分布结构与粒子增长过程符合顾震潮先生三层模型的冷云降水形成机制。山西省人工降雨防雹办公室2006年从美国粒子测量技术公司（DMT，Droplet Measurement Technology）引进了云物理探测系统，孙鸿娉等（2011）利用DMT探测平台对山西一次云降水过程实施了综合探测，分析表明，只有当云粒子浓度不小于30 cm-3时，相应云区才具有一定的可播度。

本文利用2010-05-27一次从空中到地面的微观探测资料，结合卫星云图、雷达回波等宏观资料，分析了层状云降水云系空中云微物理参量的垂直、水平分布特征和地面雨滴谱特征，通过研究空中雨滴谱变化，了解此次层状云降水的主要机制，以期提高对山西地区层状云降水特征的了解。

1天气背景

2010-05-26—27，高空500 hPa山西省受西南气流控制，并且在新疆西部和河套地区有短波槽不断东移影响，在蒙古中部形成闭合低涡，高空700 hPa山西省位于切变线以东和最大风速带以西。受巴尔喀什湖移入冷涡系统和西太平洋副热带高压边缘暖湿气流系统影响，2010-05-27T10：00在华北大部分地区、内蒙古东部地区的上空形成一条东北—西南走向的连续云带（卫星云图略）。从雷达PPI（plane position indicator，平面位置显示）回波图看，所选用区间（太原—祁县—介休）资料回波结构相对均匀，回波强度在20 dBz左右，且空间距离在太原雷达90 km范围内。图1b为沿介休、祁县方向RHI（range-height indicator，距离高度显示）剖面图，观测区域回波顶高不均匀，强回波顶在4 km左右。2010-05-26T08：00，山西南部的运城先出现小雨，17：00系统东移，山西中南部大部分地区降小雨，2010-05-26T17：00—2010-05-27T20：00为全省范围的小到中雨，2010-05-27T23：00全省降水基本结束。

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

图12010-05-27T10：04太原站雷达回波

2资料的获取

空中观测采用美国DMT公司生产的空气状况探头（ADP）、云粒子探头（CDP，量程：3～50 μm）、二维云粒子图像探头（CIP，量程：25～1 550 μm）、二维降水粒子图像探头（PIP，量程：100～6 200 μm）。地面观测以雨滴谱为主，采用德国OTT公司生产的Parsivel激光降水粒子谱仪。该仪器的数据共有32个尺度测量通道和32个速度测量通道，其中，粒子尺度测量32个通道对应的数据范围为0.2～25 mm（实际测量中前两通道无数据），粒子速度测量范围为0.2～20 m/s。

探测飞机为运－12，飞行主要区域为祁县、介休上空，由雷达回波可知，飞行区域回波相对均匀，且空间距离在雷达观测90 km范围内。9：12飞机从太原武宿机场起飞，本场小雨，起飞后垂直爬升飞往祁县，约2 100 m高度入云，0 ℃层在3 500 m，9：34到达祁县，高度5 600 m，500 hPa盛行西南风，风速8 m/s。随后保持高度5 600 m折线飞往介休并作业，9：55从介休保持5 600 m平飞往祁县回穿作业云，10：04在祁县盘旋下降600 m后保持5 000 m平飞到介休，10：17在介休盘旋下降600 m后保持4 400 m平飞到祁县，10：29在祁县盘旋下降6 00 m后保持3 800 m平飞到介休，700 hPa盛行南风，风速16 m/s，10：44从介休返航回太原并于11：12降落。

图22010-05-27二维轨迹（a）和三维轨迹（b）图

地面雨滴谱观测在山西祁县、介休进行。取样间隔时间是1 min，飞行时间内（9：12—11：12）祁县、介休各取得样本121个。2010-05-27探测时间段（9：12—11：12）飞行区域主要云系是高层云，降水类型是连续性小雨，其中，介休降水量2.5 mm，祁县降水量2.1 mm。

3云的微结构

3.1微物理参数的垂直分布

利用飞机爬升阶段的探测资料研究云系的垂直结构。图3a，3b，3c给出了CDP，CIP，PIP三个探头观测到粒子数浓度、粒子直径的垂直分布情况，探测高度的范围为780～5 600 m，温度为－6.7～15.7 ℃。由图3a可知，2 300～4 200 m高度云滴数浓度较大，最大粒子数浓度为165.20 cm-3，粒子数浓度和直径呈负相关关系，2 300 m以上粒子直径变化小，基本在20 μm以下。CIP探测到3 000 m以上粒子数浓度量级分布在10-2～10-1 cm-3，3 000 m以下粒子数浓度量级变化大部分在10-3～100 cm-3，并出现粒子数浓度最大值为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探测资料显示，3 000 m以下粒子数浓度量级约为10-3 cm-3，随着高度的增加而递减，粒子直径基本小于1 300 μm，3 000 m以上粒子数浓度量级为10-3 cm-3，但大于3 000 m以下，粒子数浓度随着高度的增加而递增，粒子直径基本大于1 300 μm。

注：a.CDP；b.CIP；c.PIP

图32010-05-27飞机爬升阶段探测云微物理参数垂直分布图

3.2微物理参量的水平特征

图4a，4b分别给出了5 000 m、3 800 m高度层CDP，CIP，PIP观测到的粒子数浓度、粒子直径的水平分布特征（对观测数据取6 s平均）。从图4a可以看出，CDP探测到云粒子数浓度量级为10-1 cm-3，水平起伏小，粒子平均体积直径起伏大。CIP探测到大云滴粒子浓度分布均匀，平均为1.0×105 m-3，粒子平均体积直径分布均匀。PIP观测到降水粒子量级为103 m-3，曲线较平滑，体积直径起伏大，在1 400～4 100 μm之间。5 600 m、4 400 m高度层探测的云粒子水平分布特征与5 000 m高度层（图略）相同。图4b为3 800 m高度层探测云粒子水平分布特征，CDP探测云滴浓度在整个平飞阶段分布很不均匀，有3个量级的变化，粒子数浓度和直径呈反相关关系，粒子平均体积直径起伏也较大。CIP探测大粒子数浓度有起伏，极值相差2个量级，粒子直径尺度基本分布在600～1 500 μm。PIP降水粒子数浓度量级为103 m-3，水平分布略有起伏，粒子尺度分布在小于5 000 m高度处，变化范围为1 900～3 800 μm。

图42010-05-27探测的5 000 m（a）和3 800 m（b）云微物理参数的水平分布图

4地面雨滴谱特征

4.1雨滴谱微物理特征参量

雨滴的微物理参量可以反映降水的基本特性，对探测时间段内（2010-05-27T9：11—11：19）介休、祁县地面雨滴微物理参量计算平均值，结果见表1.其中D1，D2，D3分别为雨滴平均直径、均方根直径、均立方根直径，Dmax为雨滴最大直径的平均值，N为雨滴总数浓度，I为雨强，N0-1/N，I0-1/I表示直径0～1 mm的雨滴占总数密度和雨强的比例，I1-2/I表示直径1～2 mm的雨滴雨强占总雨强的比例。由表1可知，介休、祁县两站的各物理参量比较接近，雨滴数浓度有102 m-3的量级，介休、祁县雨滴平均直径分别为0.79 mm、0.86 mm，平均雨强分别为1.13 mm/h、1.54 mm/h，这是典型的层状云降水。在介休、祁县的降水过程中，直径0～1 mm的雨滴数浓度占总数浓度的80%左右，对降水的贡献为30%左右，降水过程以小雨滴为主，雨强贡献超过50%的雨滴直径范围是1～2 mm。

表1雨滴谱微物理量的平均值

观测

地点 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

祁县 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雨滴微物理参量的时间演变

图5a，5b分别给出了介休、祁县两站的雨滴数浓度N、雨强I、雨滴的平均直径D1和最大直径Dmax随时间的演变特征。从图5a中可以看出，介休雨滴数浓度多起伏，变化范围为92.8～400 m-3，雨滴最大直径在1.5～3.5 mm，雨强在0.62～2.12 mm/h，雨滴平均直径基本在0.8 mm左右。在9：11—10：10降水期间，雨滴数浓度先下降，随后缓慢上升达到一定峰值后逐渐下降，与雨强和最大直径随时间变化趋势基本一致。10：10—11：19比9：11—10：10雨滴数浓度变化剧烈，与雨强变化趋势相同，雨滴最大直径变化平缓。从图5b中可以看出，在降水过程中，祁县雨滴数浓度变化范围为82.9～265 m-3，变化范围比介休窄，雨滴最大直径在2.0～4.0 mm之间，雨强在0.68～2.61 mm/h之间，雨滴平均直径基本在0.8 mm左右。

a. 介休b. 祁县

图5雨强I、雨滴数浓度N、平均直径D1和最大直径Dmax随时间演变

5空中雨滴谱随高度的分布

表2各高度层雨滴谱特征量

高度层/m 平均温度/℃ 平均数浓度/L-1 平均直径/mm 对应云位置

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 冷云干层

3 000 2 1.35 1.16 暖云

2 100 7.4 2.08 0.79

1 500 11 1.34 0.80

图6不同高度层二维粒子图像图7不同高度层雨滴谱

分析2010-05-27观测到的空中不同高度层雨滴谱分布的变化（资料取自PIP探头）。5 000 m、4 400 m高度处冰粒子数浓度大于5 600 m处（表2），并含有丰富的过冷水，云粒子在高层以核化、凝华和扩散增长为主，由于云中上层受冷空气活跃带影响而产生的辐合作用，云粒子和冰粒子活跃增长，雪粒子和大滴形成（图6）。云中存在冰雪晶、过冷水，云滴冻结淞附在冰雪晶上，对雨滴增大产生了影响，所以，5 000 m、4 400 m雨滴谱较5 600 m变宽（图7）。从图3a可以看到，在3 800 m的高度处，云滴数浓度很低，是一个干层（低于0 ℃），雨滴平均直径较冷云其他层增加明显，同时，数浓度减小（见表2），雪粒子发生聚合（图6），这里发生了固态粒子聚合和云滴蒸发。3 000 m高度处雨滴比上层浓度小，可能是降水的不均匀性造成的现象，也有可能是上层高浓度雨滴胚胎还没有降落所致，滴谱变窄是因为冰相粒子融化所致，此高度应当是雨滴碰并云滴增长。在2 100 m和1 500 m处，雨滴数浓度的变化是降雨的阵型所致，与3 000 m处相比平均直径变小，地面相对湿度90.4%，这应当是蒸发的缘故。

6结论

本文对2010-05-27一次层状云降水的地面、空中云微物理特征进行了分析，得到如下结论：①根据卫星云图和雷达回波等宏观资料判断此次降水属层状云降水，主体云系分布在2 100～4 200 m，垂直方向存在干层。②分析飞机探测空中云的微结构表明，云微物理结构垂直分布不均匀，CDP探测粒子浓度相差4个量级，粒子浓度与直径成负相关关系。CIP探测粒子浓度量级在10-3～100 cm-3，最大粒子浓度为1.08 cm-3，3 000 m以下粒子直径分布在25～1 550 μm，3 000m以上粒子直径分布在800～1 550 μm。PIP探测粒子浓度量级基本为10-3 cm-3，3 000 m以下粒子直径小于1 300 μm，3 000 m以上粒子直径大于1 300 μm。5 600 m、5 000 m、4 400 m平飞CDP，CIP，PIP探测粒子浓度起伏小，直径起伏大。3 800 m平飞CDP探测粒子浓度起伏大，CIP，PIP探测粒子浓度起伏小。③对地面雨滴谱特征进行分析发现，雨强主要由雨滴数密度决定，层状云降水微物理参量随时间分布不均匀。④结合粒子图像、空中雨滴谱的高度分布分析降水机制，降水为冷云和暖云降水相结合。

参考文献

［1］居丽玲，牛生杰，段英，等.石家庄地区一次秋季冷锋云系垂直微物理结构的观测研究［J］.高原气象，2011，30（5）：1324-1336.

［2］刘莹莹，牛生杰，封秋娟，等.一次积层混合云的形成过程和微物理观测［J］.大气科学学报，2012，35（2）：186-196.

［3］孙鸿娉，李培仁，闫世明，等.华北层状冷云降水微物理特征及人工增雨可播性研究［J］.气象，2011，37（10）：1252-1261.

［4］游来光，马培民，胡志晋.北方层状云人工降水试验研究［J］.气象科技，2002，30（增刊）：19-56.

［5］杨文霞，牛生杰，魏俊国，等.河北省层状云降水系统微物理结构的飞机观测研究［J］.高原气象，2005，24（1）：84-90.

［6］张佃国，樊明月，龚佃利，等.一次降水性积层混合云系的微物理特征分析［J］.大气科学学报，2010，33（4）：496-503.

［7］张佃国，姚展予，龚佃利，等.环北京地区积层混合云微物理结构飞机联合探测研究［J］.大气科学学报，2011，34（1）：109-121.

［8］Field P R. Aircraft observations of ice crystal evolution in an altostratus cloud［J］.J Atmos Sci，1999 （56）：1925-1941.

［9］Heymsfield A J.Ice particle evolution in the anvil of a severe thunderstorm during CCOPE［J］.J Atmos Sci，1986（43）：2463-2478.

［10］Hobbs P V，Chang S，Locatelli J D.The dimensions and aggregation of ice crystals in natural clouds［J］. J Geophys Res，1974（79）：2199-2206.

〔编辑：白洁〕

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页）

3.5WPA/WPA2协议的加密技术

WPA的功能是替代现行的WEP协议，是改进WEP所使用密钥的安全性的协议和算法。它改变了密钥的生成方式，加强了生成加密密钥的算法，更频繁地变换密钥，来获得安全；增加了消息完整性检查功能，以防数据包伪造。WPA还追加了防止数据中途被篡改的功能和认证功能，采用高级加密算法（AES）支持。除此之外，与WPA相比，二者无太大区别。

4结束语

文章总结了企业应用中无线网络的优缺点，可以了解到无线网络的安全组建工作需要结合自身实际情况，选择合适安全技术，从而有效地保护网络的安全。目前，无线局域网的各项技术均处在快速发展的过程中，安全防护技术也在不断发展；然而与此同时，黑客的攻击技术也在不断更新，攻击技术和防范策略此消彼长，在某种意义上，二者是互相促进的。因此，还需要对无线网络安全技术进行更深入的探讨、研究，需要网络安全维护人员对此有深刻的认识，并时刻保持警钟长鸣，不断提高自身的技能水平，加强对计算机网络知识的学习和应用。

参考文献

［1］牛伟，郭世泽，吴志军，等.无线局域网［M］.北京：人民邮电出版社，2006.

［2］王春霞，张晨霞.无线网络安全问题研究［J］.齐齐哈尔大学学报，2005，21（02）：76-78.

〔编辑：李珏〕

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