一次基于飞机观测的低槽冷锋云系微物理结构的综合分析

彭冲,周毓荃,蔡兆鑫,蔡淼



一次基于飞机观测的低槽冷锋云系微物理结构的综合分析

彭冲①②,周毓荃①③*,蔡兆鑫④,蔡淼③

① 南京信息工程大学,江苏 南京 210044;

② 河南省人工影响天气中心,河南 郑州 450003;

③ 中国气象科学研究院,北京 100081;

④ 山西省人工降雨防雹办公室,山西 太原 030032

2014-12-31收稿，2015-02-24接受

公益性行业(气象)科研专项(GYHY201206025)

针对2012年9月25日山西一次低槽冷锋层状云,组织有设计的飞机观测,通过斜飞、螺旋、分层探测等方式,实现对云微结构的精细观测,同时结合卫星、雷达、探空等资料进行该云系的综合分析。结果显示:1)本系统为冷暖混合层状云系,云中无明显夹层,云系宏、微观结构均匀、稳定,地面有明显降水。2)冷云区多为固态冰相粒子,以凝华增长为主,过冷水欠缺;小云粒子谱呈指数分布,大云粒子谱呈双峰分布,降水粒子谱呈三峰分布;云中相同高度的不同位置上,粒子谱型、浓度基本一致。3)暖云区大云粒子和降水粒子的谱宽较冷云区变窄,谱型由多峰变为单峰。随高度下降,降水粒子有效直径变大、浓度变小,其垂直分布同雷达回波的垂直剖面相吻合。4)地面降水主要是由冰相粒子增长造成,本次过程冰相粒子充分、过冷水缺乏,因此该层状云引晶催化的潜力较小。

层状云系

微物理结构

过冷水

降水机制

作业条件

飞机观测

层状云系是我国北方人工增雨重要的作业对象,而北方以层状冷云为主,按照人工增雨的原理,冷云中过冷水含量越高,可播撒增雨潜力越大;而云的微物理结构、过冷水分布规律、降水机制等都是人工增雨条件判据和指标建立的基础。大量观测事实和统计资料表明,云体微物理结构必然受降水云系、云场的制约,利用卫星、雷达、探空、天气图和飞机观测是深入研究人工增雨技术的重要途径(李大山,2002)。层状云结构和降水过程的关系比较复杂,不仅与云中冰晶浓度、云的厚度和过冷水含量有关,也与暖层特征有关,还与云内微物理过程和动力过程有关(Heymsfield,1977;Rangno and Hobbs,2001)。

围绕云的结构特征、过冷水分布和降水机制,国内外学者通过开展综合观测,得到许多关于过冷水监测和分布规律的研究结果。游来光等(2002)从20世纪80年代初开始,针对我国北方地区大范围降水性层状云开展了探测研究,发现北方层状云的过冷水量较少,不是处处都有,播撒云与供水云在垂直方向上通常是分离的云体,且往往与冷锋锋区相对应,说明两者分别由不同的动力学过程所产生。Rangno and Hobbs(2005)通过飞机、地基微波辐射计和雷达等,对美国温带气旋云系和地形云进行了探测试验,提出FSSP-100探头观测到云中大于2 μm的粒子总浓度超过10 cm-3时,可看作是云水区。赵仕雄等(2002)通过青海2 a的飞机资料分析系统性降水高层云的云滴浓度、含水量、粒子平均直径、最大直径随高度的分布,提出云系垂直微结构可划分为4个不同发展层,在海拔约5 km高度上存在一活跃增长层可能是高层云发生降水的一个重要特征层。陶树旺等(2001)从播云条件提出,FSSP-100的粒子数浓度不小于20 cm-3时,云区具有一定可播性;其中2D-C探头的大粒子数浓度小于0.02 cm-3时,可确定为强可播区,否则为可播区。胡志晋(2001)提出了新的层状云人工增雨机制,并提出了适合人工增雨的云层条件、监测识别方法以及最佳催化部位、剂量等。石爱丽(2004)曾根据河南秋季几次层状云个例分析发现,“播种云”一般在200～500 hPa,-10～40 ℃之间的高层云;“供给云”分布在500～900 hPa,零度层附近(-10～5 ℃之间)。

陈英英(2009)、赵姝慧和周毓荃(2009)、周毓荃和欧建军(2010)、蔡淼等(2011)、周毓荃等(2011)曾利用加密探空、雷达和飞机等综合观测资料,结合卫星和具有详细微物理过程的中尺度数值模式,对层状云系多尺度结构和人工增雨的可播条件进行研究,初步建立了包括动力和微物理条件的河南典型天气多尺度人工增雨概念模型。冯圆等(2005)根据河南一次冷锋降水过程分析了锋面前后云中粒子的不同特征,发现锋前云粒子谱主要为单峰型,锋面过境时,谱型转为双峰或多峰。混合云及更高层的云谱型比层积云更复杂,粒子直径比积云大很多,谱宽较宽。孙鸿娉等(2011)通过一次层状冷云降水的飞机微物理探测,对过冷水含量距0 ℃高度的垂直分布及云滴浓度随高度的变化进行了分析。

纵观以上研究,我国北方层状云系多为冷暖混合型。以前虽然也研究了云滴浓度、粒子有效直径、液态含水量在垂直高度上的分布规律,但是同一高度不同位置之间的差异研究的不多。对于云粒子全谱的分析比较少,云的整体垂直结构研究不足。本文将在前人基础上,结合卫星、雷达、探空、飞机等资料,对一次降水过程进行全面分析,研究该类云系的宏微观结构特征,为该类云人工增雨作业条件的分析提供依据。

1　资料、仪器和分析工具

本文使用的观测资料有:飞机云物理及天气资料、FY-2E卫星资料及反演云参数产品、C波段多普勒雷达资料、常规及加密探空资料、地面雨量资料等。

云物理观测使用机载云粒子探测系统(Droplet Measurement Technologies,DMT),包括:小云粒子(Cloud Droplet Probe,CDP)探头,探测范围:2～50 μm,其中3～14 μm范围的分辨率为1 μm,14～50 μm范围的分辨率为2 μm;大云粒子图像(Cloud Imaging Probe,CIP)探头,探测范围:25～1 550 μm,分辨率为25 μm;降水粒子图像(Precipitation Imaging Probe,PIP)探头,探测范围:100～6 200 μm,分辨率为100 μm;热线含水量仪和GPS(Global Positioning System)定位系统等;同时利用国家人影中心开发的云降水精细分析和决策指挥系统(Cloud and Precipitation Precision Analysis System,CPAS),对卫星、雷达、探空等观测资料进行综合分析。

2　天气过程和飞行概况

2.1天气过程概况

2012年9月25日(北京时间,下同)一次天气过程主要影响华北一带(图略)。该过程为典型的低槽、冷锋层状云系降水。高空500 hPa低压槽线位于地面锋线以后800 km左右。系统在25日11—18时影响太原附近,其中太原、忻州和娄烦地区为本次过程的关注区。

地面降水整体呈西北—东南走势,与高空低槽、地面冷锋的走向基本一致。关注区25日08时以后开始下雨,每小时雨量不足1 mm,随着地面冷锋和700 hPa低槽的过境,雨量逐渐增大。14时地面锋线移出山西并进入河南,但700 hPa低压槽线位于关注区上空,此时关注区雨量仍然较大。从12—15时,关注区小时雨量在1.5～3.0 mm之间变化。16时以后,关注区雨量开始逐渐减弱。

2.2飞行观测概况

为了解该次云系结构特征、作业条件以及云参量的均匀性,组织本次有设计的飞机观测,通过斜飞、螺旋、分层探测等方式,实现细致观测云区垂直结构及不同云区相同高度上差异等目的。飞行时段为25日12:17—14:52,航线为太原—忻州—娄烦—忻州—娄烦—忻州—太原。具体探测过程的分段、位置及高度、温度等参见图1,其中斜飞上升探测阶段(12:17—12:40);垂直盘旋探测阶段(12:40—13:02);分层梯度探测阶段(13:02—14:35);斜飞降落探测阶段(14:35—14:52)。

3　云结构及其演变特征

3.1卫星云特征参量的演变

9月25日整个云系自西向东移动,10—14时云系移入关注区,并不断加强,亮温Tbb在-20～-50 ℃之间。14时以后,关注区云系开始衰减,Tbb在-30 ℃附近。在飞行探测的时段,关注区云系的Tbb在-40 ℃左右变化,整个云系东北区云顶较高,西南反之。图2a、b分别给出了9月25日14时FY-2E卫星亮温Tbb和反演得出的云光学厚度,图中红色方框为飞机探测关注区。25日10时左右,关注区云系光学厚度在18以上,个别地区24。从12—15时关注区的光学厚度分布均匀且稳定保持在21左右,此时云顶高度稳定保持在10 km以上,云顶温度在-30～-50 ℃之间;15时以后,关注区云系逐渐减弱,光学厚度在14～20之间。可见,整体上该云系东北区的光学厚度小,西南反之。

图2　2012年9月25日14时的FY-2E卫星云图(a)及反演的云光学厚度(b)Fig.2　(a)FY-2E satellite image and (b)optical thickness,at 1400 BST 25 September 2012

3.2云垂直结构特征

为了解该云系的垂直结构,距离探测区50 km的太原探空站分别在2012年9月25日14时和18时进行了加密探测,利用周毓荃和欧建军(2010)建立的探空云分析技术,分别给出25日08时、14时、18时、20时云的垂直结构演变(图3)。

图3　2012年9月25日太原站探空云的垂直结构Fig.3　Cloud vertical structure based on sounding at Taiyuan on 25 September 2012

25日08时有多层云存在,在1 200～2 200 m、4 100～7 370 m和8～11 km之间有深厚的云,在2 200 m和4 100 m之间存在薄云。结合天气系统和卫星云图,此时太原处于低槽冷锋层状云系前部;14时,三层云已经连为一体,在1～13 km之间的层状云系发展旺盛。此时探空云顶温度为-50 ℃左右,同时刻太原附近的卫星云顶亮温为-40～-50 ℃(图1a),二者基本一致。对比14时飞机资料中温度随高度的变化曲线与同时的探空温度,二者温度变化趋势一致,但飞机探头测量温度高于探空1.5 ℃;18时,层状云系有所减弱,云顶高度下降至8 500 m,云底保持在1 km位置;20时,太原上空层状云顶又抬升至11 km附近,云底仍然在1 km附近。0 ℃层高度在08时、14时、18时、20时的高度分别为:4 082 m,3 337 m,3 324 m,3 392 m。总之,25日系统影响山西后,除08时以外,云体垂直结构均匀,基本无夹层。

图4　2012年9月25日14时太原雷达组合反射率(a;蓝色折线为飞机飞行路线,红色直线为剖线)及垂直剖面(b;剖线位置为图4a中红色直线)Fig.4　Taiyuan (a)radar reflectivity(blue line,flight path;red line,profile) and (b)vertical section[profile location is the red line in (a)],at 1400 BST 25 September 2012

3.3雷达回波结构特征

雷达回波自西北向东南方向移动,移速80 km·h-1。25日12时,关注区域回波强度多在20～30 dBz左右;13时,雷达回波增至35 dBz左右,回波均匀并继续向东南移动;15时开始,回波逐渐减弱至20 dBz。整体来看雷达回波水平分布均匀、强度中等。图4a给出14时的太原雷达回波,图中叠加了飞行探测轨迹(蓝线)。需要说明的是,太原雷达因受地物遮挡,回波出现局部观测盲区(图中的放射状空档)。

为进一步分析雷达回波垂直结构及演变特征,选择平行于锋线、槽线的方向,在飞行区域附近对不同时刻雷达回波做垂直剖面(14时的剖面见图4b,其余图略),其中剖线位置为图4a中红线,剖线长130 km。通过剖面可见,雷达回波垂直结构在相同高度上分布均匀,高回波区在20 dBz左右,局部较大回波有35 dBz,位于2 500～4 000 m左右;回波顶高在10 km左右,且回波强度随时间变化不大。说明无论水平和垂直分布以及时间演变,该区域降水回波都显示稳定特性,且回波值在垂直高度上,从高向低均匀增长,垂直增长率约为5 dBz·km-1。

为研究雷达回波与飞机降水粒子的关系,计算飞机飞行轨迹上的雷达回波值,并将实测值与计算值进行对比。实测雷达回波值在20～40 dBz变化,而CIP和PIP计算出的回波强度均在50 dBz附近,比实测值偏大。

4　云降水微物理结构

4.1云粒子特征分析

4.1.1云粒子随时间的分布特征

为研究整个航线上云微物理参数分布变化特征,绘制飞行探测全程的CDP、CIP、PIP浓度及其有效直径随时间的变化(图5)。

可以看出CDP在整个飞行过程中不均匀,出现4次较大值,粒子数浓度均大于10 cm-3,分别在标号为1、3、10、11的4个时段内。

根据Hobbs(2005)的观点:FSSP-100探头探测出的云粒子总数浓度超过10 cm-3时,看作是云水区,对上述4个云水区的各项粒子参数进行统计(表1)发现:CDP浓度产生较大变化的区域,CIP浓度也比较大,而该区域内PIP浓度没有变化。相应4个时段内的各种粒子有效直径均没有太大变化。且上述4个云水区温度都在0 ℃以上,因此整个云中几乎没有过冷水存在。根据陶树旺等(2001)的研究,可以认为本次探测区域不适合人工播撒冷云催化剂增雨催化。

图5　小云粒子(CDP)、大云粒子(CIP)和降水粒子(PIP)参量随时间分布Fig.5　CDP,CIP and PIP distributions with time

表12012年9月25日飞行探测过程中云粒子特征的参数统计

Table 1Particle parameter statistics for the cloud sectors during the flight on 25 September 2012

时间高度范围/m瞬时温度/℃平均/最大CDP粒子数浓度/cm-3平均/最大CDP粒子有效直径/μm平均/最大CDP液态含水量/(g·m-3)平均/最大CIP粒子数浓度/cm-3平均/最大CIP粒子有效直径/μm平均/最大PIP粒子数浓度/cm-3平均/最大PIP粒子有效直径/(103μm)12：25—12：272350～2900772～520147×102/336×102102×10/410×10435×10-2/151×10-1627×10-2/322×10-1605×102/146×103933×10-4/193×10-3113/23613：00—13：093700～4200181～-103504×10/241×102122×10/383×10427×10-2/426×10-1360×10-1/221880×102/129×103353×10-3/719E⁃3237/33114：24—14：334200～4000-122～056392×10/180×102131×10/423×10319×10-2/320×10-1457×10-1/417889×102/117×103545×10-3/128×10-2193/26214：40—14：412700～2350559～713920×10/278×102728/216×10173×10-2/947×10-2332×10-2/165×10-1641×102/116×103572×10-4/102×10-3105/273

注：瞬时温度对应高度,温度随着高度升高而降低,如第一行5.20 ℃对应2 900 m,7.72 ℃对应2 350 m,下同.

4.1.2云粒子全谱特征分析

为进一步研究整个飞行航线上粒子谱的峰值变化特征,描绘了云粒子全谱分布(图6)。图中纵坐标为粒子直径,CDP坐标范围4～50 μm,CIP坐标范围25～1 550 μm,PIP坐标范围100～6 200 μm;右侧色标表示相应时间单位体积、单位粒子尺度间隔(1 μm)内粒子的数目,单位:cm-3·μm-1(蔡兆鑫,2012)。图中深蓝色部分不排除是仪器噪音引起的干扰。

图6　粒子全谱分布Fig.6　The full spectrum distribution of particles

由图6可见,整个观测过程中,有效粒子直径大多集中在20 μm以下,尤其5 μm以下粒子最多;而前面提到的4个云水区内(表2),粒子谱宽增加,直径在30 μm以下,尤其10 μm以下粒子最多,谱型呈单峰分布;且对应云水区内CIP浓度也相对较高,但主要集中在40 μm以下,谱宽没有太大变化,谱型以双峰为主。

25日12:30—14:37期间,飞机主要在4 000 m及以上飞行,基本处于冷云区。此时段内CIP分布范围(25～1 550 μm)比暖云区粒子分布范围(25～800 μm)广,同时CIP谱型呈双峰分布,其峰值分别在40 μm和300 μm附近,而暖区为单峰分布。PIP粒子直径在冷区也明显变宽,粒子谱呈3峰分布,峰值分别在150 μm、300 μm和1 000 μm附近,且1 000 μm附近的PIP浓度较高,而粒子落入暖区后变为单峰。

由此可见,冰相粒子降落至0 ℃层以后,开始融化;随着粒子相态的变化,导致CIP谱和PIP谱的谱宽变窄,谱型均由多峰变为单峰。

4.2冷云区垂直盘旋探测

25日12:40—13:02在忻州进行了22 min的垂直盘旋探测,这段时间的探测基本在云区冷层(图1),根据各探头探测数据做出各类云粒子在垂直方向上的分布(图7)。可见,低层3 736～4 127 m之间,CDP浓度是一个大值区。其平均粒子数浓度为17.69 cm-3,平均粒子有效直径为16.14 μm。4 270 m以上,粒子浓度变小,并一直保持在较小值,平均2.70 cm-3。此阶段CDP有效直径并无明显变化。

3 767～4 318 m之间,CIP浓度较高,平均粒子数浓度3.60×10-2cm-3,平均粒子有效直径为884.76 μm。4 318 m以上,CIP浓度骤降,然后随高度呈现逐渐增长趋势。自上而下,CIP的有效直径并无明显变化,有效直径在830～990 μm。

图7　忻州盘旋垂直探测阶段云粒子的垂直分布a.CDP浓度;b.CDP有效直径;c.CIP浓度;d.CIP有效直径;e.PIP浓度;f.PIP有效直径Fig.7　Vertical distribution of cloud particles during the hovering vertical detection in Xinzhou:(a)CDP concentration;(b)CDP effective diameter;(c)CIP concentration;(d)CIP effective diameter;(e)PIP concentration;(f)PIP effective diameter

随高度下降,PIP浓度降低明显,粒子有效直径却随高度的下降而增长。5 000 m以上,PIP有效直径大多在1 400～2 200 μm。进入暖区之后,由于相变,粒子直径瞬间变小,但随着降落过程的碰并作用又呈增长趋势。

总之,该层状云中,0 ℃层(4 012 m)附近是CIP、CDP浓度的高值区。0 ℃层以上,CDP浓度明显降低,并随高度增加一直维持在低值,说明上层过冷水稀缺,同时CIP浓度也明显降低。PIP浓度随高度下降明显变小,粒子有效直径随高度下降而增大。

4.3冷云区各高度分层探测

4.3.1各高度层的云降水粒子特征统计

在忻州、娄烦两地往返飞行过程中,进行了梯度爬升和下降探测;并分别对5 000和5 600 m进行了探测。各层数据统计见表2:

由表2可见,飞机在3段和10段为平均CDP浓度大于10 cm-3的云水区,但所在高度为暖云区,不会存在过冷水;4—9段位于冷云区,但CDP数浓度普遍低于10 cm-3,且缺乏过冷水,而CIP数浓度在各高度层上远远大于0.02 cm-3,均不符合可播条件。结合整个梯度飞行过程,均显示了该处云系过冷水缺乏,没有可播条件。

4.3.2各高度层的各类粒子谱型

为分析各高度层上粒子谱的异同,8组平均粒子谱如图8所示。图8a—h分别对应图1中3—10段所在高度,其横坐标为粒子直径范围,单位:μm;纵坐标为单位体积、单位粒子尺度间隔(1 μm)内粒子的数目,单位:cm-3·μm-1。

由图8可见,CDP和CIP之间、CIP和PIP之间,均有部分探头档位重合,而重合部分在谱型和量级上存在差异,CDP探头档位间距2 μm,CDP探头档位间距25 μm,PIP探头档位间距100 μm,这些也会对谱型造成影响,以后需结合更多数据进行论证。

表22012年9月25日不同高度层上云降水粒子特征统计

Table 2Flight detection statistics on different level on 25 September 2012

时间阶段高度/m平均温度/℃平均/最大CDP粒子数浓度/cm-3平均/最大CDP粒子有效直径/(10μm)平均/最大CDP液态含水量/(g·m-3)平均/最大CIP粒子数浓度/cm-3平均/最大CIP粒子有效直径/μm平均/最大PIP粒子数浓度/cm-3平均/最大PIP粒子有效直径/(103μm)13：02—13：0633750132745×10/241×102114/205632×10-2/426×10-1375×10-1/221861×102/106×103290×10-3/557×10-3248/33113：09—13：1344350-067161/163×10136/462710×10-4/675×10-3233×10-1/499×10-1914×102/111×103730×10-3/127×10-2197/28213：18—13：2255000-294102/433159/466847×10-4/511×10-3227×10-1/437×10-1924×102/111×103724×10-3/121×10-2176/23213：26—13：3265600-609068/396129/458586×10-4/722×10-3167×10-1/421×10-1908×102/116×103505×10-3/833×10-3175/23913：37—14：0976300-876081/965151/490780×10-4/993×10-3233×10-1/641×10-1896×102/113×103851×10-3/208×10-2156/24514：12—14：1585600-598059/238156/489865×10-4/707×10-3217×10-1/403×10-1880×102/107×103944×10-3/141×10-2143/20514：18—14：2295000-293105/567143/482715×10-4/629×10-3185×10-1/357×10-1892×102/109×103604×10-3/904×10-3183/24814：25—14：35104000008360×10/180×102126/458269×10-2/320×10-1393×10-1/417889×102/117×103560×10-3/128×10-2190/262

图8　各阶段各高度层各类粒子谱型分布(红线、绿线、蓝线分别代表CDP、CIP、PIP谱廓线)a.3段;b.4段;c.5段;d.6段;e.7段;f.8段;g.9段;h.10段Fig.8　Particle spectrum distribution during each phase and at each level(red,green and blue lines represent CDP,CIP and PIP spectrum profiles,respectively):(a)period 3;(b)period 4;(c)period 5;(d)period 6;(e)period 7;(f)period 8;(g)period 9;(h)period 10

根据CDP谱可看出(图8),在0 ℃附近3 750 m和4 000 m两个高度上,粒子谱呈单峰分布,峰值在13 μm左右;在4 000 m以上的冷云区各高度层,CDP谱形状完全一致,均呈指数型分布,且谱宽比3 750 m和4 000 m两层的窄,这和图6中粒子谱的分布相一致。CIP谱均呈双峰分布,峰值分别在30 μm和300 μm附近,且各层谱型基本没有变化,可见CIP在整个0 ℃层以上空间处于稳定状态。PIP谱在不同高度层上存在略微的量级和谱型的差异。

表2中6段和8段为前后2次5 600 m的平飞探测,5段和9段为前后2次5 000 m的平飞探测(图1),对比可见,云中相同高度上粒子谱型基本一致,说明此类层状云微物理结构均匀稳定。

4.3.3各高度层的粒子频率分布

由粒子在各高度层的频率分布(即粒子出现的概率)可知(图略),CDP浓度随高度上升而减小。在3 750 m高度层上,CDP在33 cm-3左右的数浓度出现频次最高。总体来说,CDP浓度随高度上升而减小,尤其是从4 400 m开始突然降低一个量级,暖区和冷区粒子浓度差别较大,这和忻州盘旋垂直探测(2段)结果相一致。由CDP有效直径的分布来看,整个高度层结,CDP有效直径相对稳定,主要集中在8～16 μm,但是随着高度上升,CDP有效直径更趋于集中,暖区粒子直径略大于冷区;冷区各高度层的粒子直径频率分布比较接近。

从CIP浓度的频率分布来看,4 000 m高度层的CIP浓度比3 750 m浓度高,且浓度范围更为集中。4 400 m以上,其浓度值又突然降低。可见CIP浓度在暖区达到极大值(2.21 cm-3),冷区数值迅速下降,但整个过程不存在数浓度小于0.02 cm-3的强可播条件。整个垂直高度上,CIP有效直径非常稳定。主要集中在900～1 000 μm。3 750 m高度存在少量有效直径较小的粒子,是由暖区附近粒子碰撞破碎所致。

PIP浓度整体随高度增加呈增长趋势。尤其在3 750 m的频率曲线与其他高度层有量级上的区别。PIP下落过程中由于凝结、凇附等原因逐渐增长,粒子直径逐渐增加。3 750 m频率曲线与其他高度层区别较为明显,是由于PIP开始逐渐融化,出现融连、聚并现象导致雪团增大,浓度减小。

结合冷云区的垂直盘旋探测和分层梯度探测,可以看出,两种探测分析得到的云微物理参数在垂直高度上的变化规律基本一致,即冷云区粒子图像以冰晶为主,粒子形状稳定且含量较大;云中几乎无过冷水,冰相粒子以凝结增长为主;相同高度层上微物理参数分布均匀;0 ℃层附近云粒子浓度最大;云中低层降水主要由上层冰相粒子融化而形成;0 ℃附近聚并系数加大,雪团增大,PIP浓度减小。

4.4暖云区斜飞探测

飞机在12:17—12:40期间斜飞上升,14:36—14:52从忻州斜飞下降(图1),两次探测过程中暖区的粒子参量如图9、10,每组图左列为斜飞上升标号为1,右列为斜飞降落标号为2,a—g分别是CDP、CIP、PIP浓度、有效直径及液态含水量:

图9　斜飞上升过程中各云粒子参数随高度的分布　　a.CDP浓度;b.CDP有效直径;c.CIP浓度;d.CIP有效直径;e.PIP浓度;f.PIP有效直径;g.液态含水量Fig.9　Particle parameter changes with height during takeoff:(a)CDP concentration;(b)CDP effective diameter;(c)CIP concentration;(d)CIP effective diameter;(e)PIP concentration;(f)PIP effective diameter;(g)liquid water content

图10　斜飞降落过程中各云粒子参数随高度的分布　　a.CDP浓度;b.CDP有效直径;c.CIP浓度;d.CIP有效直径;e.PIP浓度;f.PIP有效直径;g.液态含水量Fig.10　Particle parameter changes with height during landing:(a)CDP concentration;(b)CDP effective diameter;(c)CIP concentration;(d)CIP effective diameter;(e)PIP concentration;(f)PIP effective diameter;(g)liquid water content

由图9a、图10a可知,斜飞上升和降落过程,CDP浓度均在2 500 m高度上出现大值区,最大处均超过300 cm-3;粒子的分布在高度和量级上并无太大区别;3 750 m以上,前文已讨论过,此处不再分析。CDP有效直径在2 500 m以下主要集中在2～7 μm之间,2 500 m高度上略有增加,这和CDP浓度变化趋势相一致。根据云粒子计算出的液态含水量LWC随高度的变化可看出,LWC在垂直空间上出现过2个较大区域,一个在2 500 m高度层;另一个在4 000 m左右,但两处均属于暖云区,分别在0℃高度层以下1 500 m附近和0 ℃层附近。

图9c、图10c可看出3 500 m以下的CIP浓度相对分散,浓度值小于4 000 m以上。 3 500 m以下的CIP有效直径也相对分散,而4 000 m以上集中于800～1 100 μm。 PIP浓度在3 000 m以下稳定保持在0.001 4 cm-3左右;3 500 m以上开始随高度上升而增加。从斜飞上升和斜飞降落探测的对比发现,虽然两探测阶段相隔2 h,但二者微物理参量的空间分布比较一致,说明暖区内云微物理参量分布均匀稳定。

5　结论与讨论

2012年9月25日对一次影响山西的降水过程组织实施了多种飞行方式的探测,结合卫星、雷达、探空、雨量和天气等资料的综合分析,得到如下认识:

1)本次过程为低槽冷锋层状云系降水,地面雨量明显;探测区域主要位于高空500、700 hPa低压槽前和地面冷锋之后。

2)云顶高度在10～13 km,云顶温度在-40～-50 ℃,0 ℃层高度在4 000 m左右,云中无夹层,卫星、雷达等云特征物理参量在空间和时间分布上都均匀少变,云系的水平和垂直等宏观结构都均匀稳定。

3)冷区主要以固态冰相粒子为主,几乎没有过冷水;且各高度层的粒子形状稳定,以凝华增长为主;CDP谱呈指数分布,CIP谱呈双峰分布,PIP谱呈三峰分布;冷区相同高度的不同位置上,粒子谱型、浓度基本一致,各微物理参量分布均匀。

4)冰相粒子落入0 ℃层以下开始融化,由于粒子相态的转变,暖区CIP和PIP的谱宽变窄,且二者谱型均由多峰变为单峰,PIP主要集中在2 000 μm以下;CDP谱型在0 ℃附近也为单峰;暖区内云粒子浓度和大小在相同高度上随时间变化不大,表现均匀稳定。

5)云系的CDP和CIP浓度在0 ℃层附近最大,0 ℃层以下1 500 m处出现另一高浓度区;PIP浓度在6 300 m最大,但随高度下降过程中凇附、碰并等云物理过程的发生,粒子浓度逐渐变小,而粒子有效直径逐渐变大,这同雷达回波垂直剖面结构相吻合。

6)综合整个探测分析,云系在整个时段的微物理结构均匀,过冷水欠缺,冷区冰相粒子主要由凝华增长发展,落入暖区后融化为液态,通过碰并增长发展。该种云区人工引晶催化潜力小。

通过有设计的飞行探测,对一次人工引晶催化潜力较小的低槽冷锋过程进行深入分析,为今后人工增雨作业指标提供依据。但本次过程只代表一次个例,未来还需更多个例统计分析进行更精细化的补充。

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A comprehensive set of aircraft-based aerial observations of the physical structure of a low trough cold front stratiform cloud was organized on 25 September 2012 in Shanxi Province.Combined with satellite and other data,the main results were as follows:

The system was a mixed system with no interlayer.The cloud physical structure was uniform and stable.Rainfall was obvious on the ground.The detection area was mainly ahead of the trough at 500 hPa and 700 hPa,and behind the cold front on the ground.The height of the cloud top was 10—13 km.The temperature of the cloud top is -40 to -50 ℃.The height of the 0 ℃ layer was 4 000 m.

The cloud physical parameters obtained from satellite and radar changed little along with space and time.In cold cloud region,there is hardly any supercooled water,but mainly ice-phase particles,which grow lager by condensation process.The spectrum of cloud droplet probe(in short,CDP,range from 2—50 μm) detection showed a exponential distribution.The spectrum of cloud image probe(in short,CIP,range from 25—1 550 μm) detection showed a bimodal distribution.The spectrum of precipitation image probe(in short,PIP,range from 100—6 200 μm) detection showed a trimodal distribution.The particle spectrum type and concentration was uniform in different positions at the same height in the cold zone.The distribution of the microphysical parameters was uniform in the cold zone.Ice particles fell into the 0 ℃ layer and began to melt,and then the particle phase state shifted.The spectral width of CIP and PIP turned narrow in the warm zone,and their spectrum type turned unimodal.PIP was concentrated under 2 000 μm.The CDP spectrum was unimodal near 0 ℃.The concentration of CDP and CIP was largest near the 0 ℃ layer,and another high concentration area of these parameters occurred around the height of 1 500 m.The max concentration of PIP appeared at 6 300 m,The concentration is fewer,while the effective diameter is bigger with the reduced height,which is caused by cloud physical processes,such as coagulation.The phenomenon is consistent with the vertical radar echo structure.Calculating the radar echo on the aircraft flight path revealed that CIP and PIP were larger than their measured values.The vertical growth rate of the radar echo values from high to low was approximately 5 dBz·km-1.

Based on the analysis,the microphysical structure of the cloud system was uniform and stable,and lacked supercooled water.In this kind of cloud,the potential for precipitation enhancement is small;rainfall on the ground is mainly caused by ice particles.This paper provides some evidence for the seeding index during precipitation enhancement operation.However,this is just a case study,and more statistics analysis should be supplement in the future.Additionally,the design of the flight path needs further consideration.

stratiform cloud system;microphysical structure;supercooled water;precipitation mechanism;operational conditions;aircraft observation

(责任编辑：孙宁)

A comprehensive analysis of the physical structure of a low trough cold front cloud system based on aerial observation

PENG Chong1,2,ZHOU Yuquan1,3,CAI Zhaoxin4,CAI Miao3

1NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2WeatherModificationCenterofHenanProvince,Zhengzhou450003,China;3ChineseAcademyofMeteorologicalScience,Beijing100081,China;4WeatherModificationOfficeofShanxiProvince,Taiyuan030032,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141231001

引用格式：彭冲,周毓荃,蔡兆鑫,等,2016.一次基于飞机观测的低槽冷锋云系微物理结构的综合分析[J].大气科学学报,39(5):620-632.

Peng C,Zhou Y Q,Cai Z X,et al.,2016.A comprehensive analysis of the physical structure of a low trough cold front cloud system based on aerial observation[J].Trans Atmos Sci,39(5):620-632.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141231001.(in Chinese).

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