山西春季一次层状冷云的微物理结构特征

封秋娟,李培仁,侯团结,申东东,刘伟,晋立军

(1.山西省人工降雨防雹办公室,山西 太原 030032;2.中国科学院 大气物理研究所,北京 100029;3.中国气象局 上海物资管理处,上海 200050)

山西春季一次层状冷云的微物理结构特征

封秋娟1,李培仁1,侯团结2,申东东1,刘伟3,晋立军1

(1.山西省人工降雨防雹办公室,山西 太原 030032;2.中国科学院 大气物理研究所,北京 100029;3.中国气象局 上海物资管理处,上海 200050)

利用2009年3月11日机载DMT(droplet measurement technology)粒子测量系统获取的山西层状云探测资料,结合天气、卫星、雷达等,分析了降水性冷云的宏微观结构特征。结果表明,降水云系由高层云和层积云组成,液态含水量变化范围为0～0.42 g/m3。CDP(cloud droplet probe;云粒子探头)和CIP(cloud imaging probe;云粒子图像探头)观测到的粒子数浓度偏大,CDP探测到最大粒子数浓度为451.93 cm-3,CIP探测到最大粒子数浓度为162.78 L-1。本次探测适宜的人工增雨作业温度区间为-11.4～-7 ℃、-4.4～0 ℃。高层云上部以冰晶的核化和凝华增长为主;高层云的中下部为冰雪晶活跃增长层;通过凝华、碰并机制高层云降落的冰雪晶粒子在层积云进一步长大。层状云水平分布不均匀特性很明显。统计云滴谱谱型分布发现,双峰型、多峰型出现几率较高,指数型主要出现在层积云的中部和顶部,出现单峰型时LWC(liquid water concentration;液态水含量)小于0.03 g/m3或大于0.1 g/m3。

层状冷云;微物理结构特征;飞机探测

0 引言

层状云系是一种主要的大范围降水系统,尤其是层状冷云,是我国北方冬半年的主要降水源,也是为缓解北方春季干旱开展人工增雨的主要作业对象。不同地区的云和降水微物理特征因气象和地形条件的差异会有所不同,因此对不同地区不同类型云系进行云微物理探测,更能有针对性地开展人工增雨作业。樊曙先(2000)对一次层状云降水云系的探测资料进行了深入分析,给出了云和降水的宏微观结构特征。金华等(2006)、彭亮等(2007)和李铁林等(2010)利用PMS资料对河南层状云降水的微物理结构特征进行了探测研究。李照荣等(2003)分析了兰州地区秋季Cs-As-Ns和Ac-Sc结构层状云温度、云粒子浓度、粒子直径、液态含水量及云粒子谱的垂直分布特征。党娟等(2009)、于翡和姚展予(2009)对甘肃夏季层状云微物理特征及积层混合云降水的实例做了个例分析和数值模拟分析。

通过分析同高度层粒子的谱型分布,Heymsfield(1975)研究了卷层云冰雪晶的增长机制。Field(2000)的研究表明,除凝华增长外,聚并过程对云内双峰谱的形成有重要影响。辐枝状冰雪晶的形成受凝华、聚并及破碎等过程的影响(Kajikawa and Heymsfield,1989;Lawson et al.,1993)。Heymsfield(2002)分析了热带降水性卷云和层状云系内粒子形态和谱分布,其结论为改进微物理过程的谱型参数化方案提供了理论参考。

目前对于华北地区层状云降水已开展了较多的研究(黄梦宇等,2005;杨文霞等,2005;张佃国等,2007,2010,2011;范烨等,2010;刘莹莹等,2012),山西2008年引进机载观测仪器,专门针对山西层状云系的微物理结构的研究较少。本文选取2009年3月11日山西春季一次层状冷云的飞机探测资料,分析了云系的宏观特征,结合粒子浓度、平均直径、二维图像、谱分布等详细讨论了冷云微物理量的垂直和水平分布,并统计了云中云滴谱谱型的分布,从微物理的角度了解本次层状冷云降水的主要结构及降水机制。

1 观测仪器和探测情况

使用的探测飞机是国产运-12飞机,飞机上安装了机载DMT(droplet measurement technology)云物理探测系统,包括5个探头,分别为空气状况探头ADP(air-data probe)(用于测量空气温度、湿度、相对湿度、飞行的风速、风向、飞行轨迹等)、云粒子探头CDP(cloud droplet probe)(3～50 μm,bin1-bin12直径间隔1 μm,bin13-bin30直径间隔2 μm)、二维云粒子图像探头CIP(cloud imaging probe)(25～1 550 μm,bin1-bin62直径间隔25 μm)、二维降水粒子图像探头PIP(precipitation imaging probe)(100～6 200 μm,bin1-bin62直径间隔100 μm)、热线液态水含量探头,同时配备了高精度温湿度探头、北斗地空通讯系统,主要提供飞行轨迹、飞行高度、航向以及温湿度等信息。

图1 2009年3月11日下降阶段(19:19—20:04)的飞行轨迹Fig.1 The flight track during descending stage on 11 March 2009(19:19 BST—20:04 BST)

飞机18:29(北京时间,下同)从太原武宿机场起飞,起飞时本场小雨,起飞后一直爬升,18:40到达1 400 m高度,此过程以层积云为主,且分布不连续,偶尔可见地面,19:19到达介休,并到达本次飞行最高高度6 023 m,随后飞机以600 m为间隔开始下降,分别经过孝义(5 400 m,19:23)、平遥(4 200 m,19:29)、文水(3 600 m,19:35)和祁县(3 000 m,19:48),20:04飞机落地,本场小雨,地面温度4.3 ℃。整个飞行过程中,飞行区域降小到中雨。由于仪器故障上升过程中采集数据未能保存,因此主要分析下降过程(介休—太原)(19:19—20:04)采集的数据(图1)。飞行宏观记录表明,探测期间是云系的持续发展时期,下降过程云系分为两层结构,上层为高层云,高度约为3 000～6 000 m,下层为层积云,云顶高为2 200 m,云底高约为1 250 m,20:02到达0 ℃层,高度1 400 m左右,本次过程以冷云降水为主。

图2 2009年3月11日500 hPa天气形势与卫星云图叠加(圆圈表示山西省位置) 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 宏观特征分析

2.1 天气概况

2009年3月11—12日,受槽前西南暖湿气流和冷空气的共同影响,山西全省出现降水天气,中北部降小雨转雨夹雪,中南部部分县市降雨量达中雨,全省降雨量在0.3～13.7 mm之间,最大为曲沃,24 h降雨量13.7 mm。

由图2a可知,3月11日08时山西处于云系的前部,北中部云体较高较厚,山西西北部首先出现阵性降水。3月11日20时(图2b),500 hPa东亚大槽从俄罗斯北部喀拉海经贝加尔湖、蒙古伸至新疆地区,巴尔喀什湖有一暖脊。河西走廊至四川西北部有一浅槽,山西全省处于槽前西南急流带中,湿度较大。从云图上看整个云系发展东移,山西处于逗点云系的南部,有中低云系覆盖,北中部云块较高,南部云块较低。700 hPa东亚大槽的北支略向东移经贝加尔湖东部、蒙古东部地区至新疆,南支槽从内蒙中部经陕西至四川中部地区,山西处于槽前偏南暖湿气流之中,有水汽输送,湿度很大。850 hPa巴尔喀什湖以东及新疆地区为一冷高压,高压控制着贝加尔湖以西及蒙古中西部地区。蒙古东部经陕西中部有一低槽,四川省东南部、重庆、贵州北中部有一低涡。山西仍处于槽前,湿度很大。3月11日20时地面图上,冷高压中心位于贝加尔湖以西。从云南省向东北伸出一倒低压伸至黄河以南。在蒙古东部有一低压中心,其向南伸出的冷锋锋线经内蒙中部至山西南部。根据系统发展和影响,3月11日18:29—20:04在山西中西部进行探测飞行。

2.2 雷达回波特征

3月11日16时降水回波首先移入山西西南部,开始自西向东进入山西省。多普勒雷达回波强度图上飞行区域表现为典型的层状云降水回波,回波强度介于15～30 dBz之间,移速较慢,PPI上的降水回波特征成片状或分片状,面积较大,表现为由中心向外层次清晰强度逐渐减弱,在弱回波区中央有一个强度较强的回波团,回波的空间梯度较小,回波边缘破碎。19:22(图3a)在太原附近有西南—东北走向的回波带,19:46强回波面积增大,强度增强,并继续向东北移动。3月12日凌晨回波移出观测范围。RHI上无融化带,降水回波特征结构较均匀,RHI上强度由近至远呈辐射状递减,顶部虽有起伏,但比较平整,无明显的泡体,垂直厚度不大。

图3 2009年3月11日太原站雷达(单位: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°,沿太原到孝义剖面)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 微物理结构特征

3.1 云微物理量的垂直分布

图4为下降过程(介休—太原)温度、CDP探测到粒子数浓度、液态过冷水、CIP探测到粒子数浓度、PIP探测到粒子数浓度随高度的垂直分布,其中液态过冷水是由CDP探头所测数据计算所得。CDP探头在0 ℃层以下探测到的是云滴粒子,0 ℃层以上是冰晶和液滴的共存体,从图4b中可以看出,层积云中CDP探测到粒子数浓度垂直分布不均匀,从云底开始随高度迅速增加,达到102量级,1 500 m左右平飞时出现波动,最小粒子数浓度不到10 cm-3,随后保持102量级到达2 000 m左右,2 000～2 138 m粒子数浓度小于100cm-3,层积云云顶CDP探测到粒子数浓度又增加,最大为211 cm-3。高层云出现分层,垂直分布不连续,高层云的上部(4 500～6 000 m)CDP探测到粒子数浓度极小,为10-1cm-3量级,高层云的中下部(3 000～4 500 m)CDP粒子平均数浓度为79.58 cm-3,最大值为360.08 cm-3。高层云云底分布不均匀,3 000 m平飞时CDP粒子数浓度有2～3个量级的变化。比较图4b、c,液态过冷水随高度的垂直分布与粒子数浓度变化一致。

图4d为CDP探测到粒子平均直径的垂直分布,层状云云粒子平均直径在7 μm左右,并随高度变化不大,说明层积云中主要是一些直径较小的云滴。高层云云粒子直径主要集中在3～26 μm,最大可达50 μm,高层云云粒子直径比层积云大,反映出高层云的粒子有更好的增长。

图4 2009年3月11日下降过程云微物理特征量垂直分布 a.温度(℃);b.CDP粒子数浓度(cm-3);c.液态过冷水含量(g·cm-3);d.CDP粒子直径(μm);e.CIP粒子数浓度(L-1);f.PIP粒子数浓度(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探头可测量尺度在25～1 550 μm的大云滴、雨滴、冰雪晶、雪团等。图4e层积云中CIP探测到粒子数浓度随高度增加先增大后减小,高层云3 000～3 600 m冰雪晶数浓度变化不大,只是在3 632 m出现数浓度极大值162.78 L-1,3 600～4 100 m对应于高层云中的干层,粒子数浓度量级为100L-1,4 100～6 000 m冰雪晶数浓度随高度先缓慢增加,在4 290 m达到最大,对应数浓度为122.60 L-1,然后又随高度逐渐减小直到高层云云顶。

图4f为PIP探测到的尺度在100～6 200 μm的雨滴和冰雪晶。粒子数浓度的量级为10-1～101L-1。在层积云中,粒子数浓度随高度波动增加,2 190 m高度峰值达8.06 L-1。高层云中3 000～3 600 m高度粒子数浓度先增大后减小,极大值出现在3 463 m达22.99 L-1。3 600～4 100 m数浓度变化不大,最大为7.33 L-1。4 100～4 300 m出现一峰值为44.13 L-1,4 300 m以上数浓度迅速减小。

3.2 冷云粒子特征分布

自然云中降水的形成和增长过程,在多数情况下,冰晶起着重要作用,针对这些冰雪晶的数浓度、形状、谱分布等的研究,可以加深对大气中冰晶形成增长机制和降水形成机制的认识。本文定义直径小于等于300 μm的粒子称作为冰晶,直径大于300 μm的称作雪晶。根据CIP、PIP测量结果,考虑到仪器测量范围,将CIP测量的bin1-bin12通道大小的粒子(直径25～300 μm)称为冰晶粒子,将PIP测量到的bin4-bin62通道大小粒子(直径300～6 200 μm)称为雪晶。

飞机探测冷云的高度范围为1 400～6 023 m,温度区间为0～-18.95 ℃。表1是对高层云、干层、层积云冷云部分微物理量的统计分析。液态含水量分布范围为0～0.42 g/m3。层积云云滴数浓度明显高于高层云。与北方其他地区层状云的飞机探测结果比较(张佃国等,2011),此次探测云中CDP和CIP观测到的粒子数浓度比较大,层积云云滴数浓度量级63.46%为102cm-3,高层云云滴数浓度量级35%为102cm-3。最大冰晶数浓度出现在高层云中为125.81 L-1,云内60.99%冰晶数浓度量级为101L-1,与Hobbs and Rangno(1985)在1981年夏天所观测的最大冰晶粒子数浓度75 L-1相比,本次探测冰晶数浓度较大。在这次过程中高层云、层积云的雪晶数浓度分别占所有冰雪晶粒子数浓度的19.87%、15.36%。

根据CDP、CIP、PIP测得的云粒子和冰雪晶粒子随温度的分布,对降水云中粒子相态进行分类(表2)。表2给出了不同温度区间内测到的平均过冷水量、最大过冷水量及最大过冷水量对应的温度和相对于云的位置。层积云平均过冷水量和最大过冷水量均明显高于高层云。-2.58 ℃处LWC(liquid water content,液态水含量)最大,为0.416 g/m3,是本次探测观测到的最大过冷水,位于层积云的上部。高层云最大过冷水含量为0.143 g/m3。-4.4～0 ℃温度区间的LWC比较丰富,基本都大于0.1 g/m3。如果以云中过冷水量作为人工增雨催化的技术指标,结合冷云催化剂的特性,则云中适宜催化作业的温度在-11.4～-7 ℃、-4.4～0 ℃,位于高层云中下部和层积云中。

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 ℃)

云层云滴数浓度/cm-3云滴直径/μm液态水含量/(g·m-3)冰晶数浓度/L-1雪晶数浓度/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层云360.08064.8750.0007.540.1400.02125.81019.3115.5103.84干层4.3500.1750.0009.260.0012400.0182.230.4217.9921.382.465.51层积云451.930169.0850.0007.450.4200.06109.100.1930.738.062.414.72

表2降水云相态结构和不同温度下的过冷水含量

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

观测层序号及观测时间观测层温度范围/℃观测层中相态组成平均过冷水含量/(g·m-3)最大过冷水含量/(g·m-3)最大过冷水含量对应温度/℃相对于云的位置1(19:19:28—19:27:37)-17.5～-11.3冰雪晶和较少过冷云滴1.36×10-41.47×10-2-15.2高层云上部2(19:27:38—19:50:48)-11.26～-7.13冰雪晶和较多过冷云滴2.30×10-21.43×10-1-7.64高层云中下部3(19:50:49—19:57:01)-7.12～-4.45冰雪晶和极少过冷云滴1.34×10-31.01×10-2-6.2两层云间干层4(19:57:02—20:02:06)-4.39～0冰雪晶和更多过冷云滴5.89×10-24.16×10-1-2.58层积云

3.3 冷云粒子尺度谱垂直分布和二维粒子图象分析

从CIP探测到的粒子二维图像资料(图5)可以看出,晶体形状有很大不同,包括空间枝状、星状、片状和柱状等。高层云上部(19:19:28—19:27:37,-17.5～-11.3 ℃,6 023～4 514 m),云粒子数浓度、云滴平均直径、液态含水量为小值区,图6(19:19:41、19:22:02)为高层云上部粒子谱型,云滴谱不连续,且谱型最窄,CIP的谱宽小于800 μm,呈多峰分布,此处以体积较小的片状冰晶为主(图5a、b),由于温度低,以冰晶的核化和凝华增长为主,冰晶的凝华增长消耗过冷水,发生贝吉隆过程。

高层云的中下部(19:27:38—19:50:48,-11.26～-7.13 ℃,4 508～3 000 m)为冰雪晶粒子的增长层。图6(19:29:09—19:49:01)为高层云中下部粒子谱,随高度的降低云滴谱谱宽逐渐增大,谱型由指数型变为单峰型再变为多峰型且不连续,峰值直径从3 μm增大到6 μm,粒子数浓度的量级为103～10-2m-3·μm-1。CIP观测到冰雪晶粒子谱呈多峰结构,随高度降低谱宽略增大,谱宽最大为1 425 μm,在大粒子段数浓度起伏较大。在这一层有较多的过冷水存在,最大过冷水含量达0.143 g/m3。一方面水滴不断蒸发水汽,水汽在冰面上凝华,冰晶长大,另一方面高层云的中下部出现空间枝状冰晶(图5e),此类冰晶有较强的淞附能力,冰胚形成后由于重力作用下落,在下落的过程中吸附过冷水在冰胚四周产生枝星型枝杈形成枝状。随着高度降低,温度升高,出现针状和粘连在一起的枝状冰晶。19:38:51、19:49:01飞机观测的发现有冰晶聚合体(图5f、g),是枝状冰晶在下落过程中吸附环境中的过冷水产生淞附,并相互碰撞合并形成的,其直径较大,说明这些区域有较好的冰晶增长条件,具有引晶催化进行人工增雨的条件。

图5h为两层云之间的干层观测到的粒子图像(19:50:49—19:57:01,-7.12～-4.45 ℃,2 999～2 190 m),可以看到,冰晶粒子之间的粘连聚合现象减少,大尺度的聚合体不多,柱状冰晶居多,图6(19:55:37)为干层观测到的粒子谱型,云滴谱窄且不连续,存在大云滴,由于上方云层降落的大粒子,CIP观测粒子谱在大滴段具有多峰分布且谱较宽,雪晶数浓度在2 349 m突增出现一峰值为33.98 L-1。

图5 CIP所探测到的不同高度处的二维粒子图像Fig.5 Two-dimensional particle images by using CIP on different levels

图6 不同高度处的粒子谱分布 a,b.CDP所测谱型;c,d.CIP所测谱型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

比较图6c、d发现CIP观测到层积云大滴段粒子数浓度明显高于高层云,从干层下落的冰雪晶粒子在层积云进一步长大,图5i、j为层积云中粒子图像(19:57:02—20:02:06,-4.39～0 ℃,2 184～1 400 m),可以看出有明显的冰雪晶聚合体,该层是过冷水和冰晶粒子共存区,可能发生冰相粒子的凝华过程。此外层积云存在冰雪晶的粘连现象,可能发生碰并增长形成较大的冰雪晶粒子。比较图6(19:57:41、20:01:38)滴谱分布,层积云中部云滴谱谱宽明显宽于层积云上部,CIP观测到粒子谱同高层云中下部具有相似性,谱呈多峰结构且起伏大,谱宽最大为1 400 μm。

3.4 冷云微物理量的水平分布

图7为3 600 m高度微物理特征量水平分布(19:31:36—19:37:12),温度范围为-8.74～-7.33 ℃,LWC的最大值为0.14 g/m3。水平飞行时,云滴浓度和云滴平均直径存在明显的起伏变化。云滴数浓度与云滴平均直径成反相关变化,19:31:36—19:34:30云滴数浓度分布均匀,平均数浓度为219.86 cm-3,最大为360.08 cm-3,云滴平均直径变化不大为7 μm左右;19:34:31—19:35:07、19:36:02—19:37:12云滴数浓度小于10 cm-3,云滴平均直径起伏较大,最大为20 μm,最小为0 μm。

图7 2009年3月11日3 600 m平飞阶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探测到粒子水平分布起伏较大,粒子数浓度的最小值和最大值相差4个量级,粒子尺度也存在较大的起伏,最大平均直径为1 509.87 μm,粒子数浓度和粒子平均直径呈正相关关系,19:31:36—19:33:15 CIP探测到的粒子平均数浓度为6.99 L-1,19:33:16出现粒子数浓度跃迁现象,19:33:16—19:37:12粒子平均数浓度为71.10 L-1。比较平飞时CDP和CIP探测到的粒子数浓度和平均直径的变化发现相关性不一致,主要原因可能是水平探测经历了云不同发展阶段。

图8 云滴谱谱型分布 a.Ⅰ型云滴谱(指数型);b.Ⅱ型云滴谱(单峰型);c.Ⅲ型云滴谱(双峰型第一类);d.Ⅲ型云滴谱(双峰型第二类);e.Ⅳ型云滴谱(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 云滴谱谱型分布

将云中云滴谱按Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型四种谱型进行分类,图8a—e分别给出了Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型的部分谱型,可见,Ⅲ型、Ⅳ型出现几率较高。Ⅰ型的谱型为指数型,谱宽最窄,云滴数浓度随云滴直径增大单调下降,出现指数型的云内液态过冷水含量均为10-3量级,LWC较小,主要出现在层积云的中部和顶部。Ⅱ型为单峰型,峰值直径在5～10 μm之间,出现该谱型时LWC小于0.03 g/m3或大于0.1 g/m3,LWC小于0.03 g/m3时,峰值直径在5 μm左右,谱宽窄,LWC大于0.1 g/m3时,峰值直径在10 μm左右,谱宽较宽。Ⅲ型的谱型为双峰型,根据峰值出现的云滴直径的不同又分为两类,第一类(图8c)第一峰值出现在3 μm处,第二峰值根据LWC的不同峰值差异很大,当LWC小于0.05 g/m3时,第二峰值出现在6 μm左右,当LWC大于0.3 g/m3时,第二峰值在11～12 μm之间。双峰型第二类(图8d),该谱型云滴数浓度基本都大于100 cm-3,第一峰值出现在6 μm处,第二峰值出现在9 μm处,峰值直径及谱型的变化不明显,不随LWC的变化而变化。Ⅳ型为多峰型,谱宽最宽。第一、第二峰值出现在云滴直径分别为3、6 μm处,第三峰值出现在9～11 μm之间,随LWC的增大峰值直径变大。

5 结论

1)受槽前西南暖湿气流和冷空气的共同影响,700 hPa南支有明显的水汽输送,地面受河西走廊到青藏高原东部冷锋影响,山西出现一次明显的层状云降水天气。雷达PPI回波面积较大,强度介于15～30 dBz之间,成片状或分片状。RHI上无融化带,降水回波特征结构较均匀,高度为6 km左右。

2)探测区域降水云系由高层云和层积云组成,其中高层云垂直分布不连续,云顶6 000 m,云底3 000 m,层积云高度为2 200～1 250 m,0 ℃层为1 400 m,以冷云降水为主。液态含水量变化范围为0～0.42 g/m3。CDP、CIP和PIP观测到的粒子数浓度偏大,最大数浓度分别为451.93 cm-3、162.78 L-1、44.13 L-1。

3)分析过冷水垂直分布发现,最大过冷水出现在层积云的上部为0.416 g/m3;本次探测适宜的人工增雨作业温度区间为-11.4～-7 ℃、-4.4～0 ℃。

4)高层云上部显示基本为体积较小的片状冰晶,以冰晶的核化和凝华增长为主;高层云的中下部存在空间枝状冰晶、冰晶聚合体及过冷水滴,为冰雪晶活跃增长层;两层云之间的干层出现较多柱状冰晶;层积云存在明显的过冷水,高层云降落的冰雪晶粒子在层积云进一步长大。

5)层状云水平分布不均匀特性很明显。云滴数浓度、云滴平均直径、CIP探测到粒子数浓度、直径存在明显的起伏变化。云滴数浓度与云滴平均直径成反相关变化,由于水平探测穿越云不同部位,CDP和CIP探测到的粒子数浓度和平均直径的变化相关性较差。

6)将云中云滴谱按Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型四种谱型进行分类,Ⅰ型的谱型为指数型,主要出现在层积云的中部和顶部;Ⅱ型为单峰型,峰值直径在5～10 μm之间,出现该谱型时LWC小于0.03 g/m3或大于0.1 g/m3;Ⅲ型的谱型为双峰型;Ⅳ型为多峰型,谱宽最宽。分析发现,Ⅲ型、Ⅳ型出现几率较高。

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(责任编辑：张福颖)

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

山西省青年科学研究基金(2011021034)；中国气象局云雾物理环境重点开放实验室开放科研课题(2009002)；公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306065)；山西省气象局一般课题(SXKYBRY20147825)

封秋娟，工程师，研究方向为云降水物理与人工影响天气，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,侯团结，等.2014.山西春季一次层状冷云的微物理结构特征[J].大气科学学报,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)