利用三架飞机联合探测资料分析层积混合云催化物理效应

王元　牛生杰　雷恒池

摘要利用2009年4月18日三架飞机联合探测层积混合云资料，结合MICAPS再分析资料、雷达、卫星及地面台站资料等，在准确区分自然云区与催化响应区的基础上，对这次降水性层积混合云的微结构和催化物理响应进行了深入研究。结果表明：云上部（4 800 m层，距云顶1 700 m，距云底3 000 m）累积了云中大部分的过冷水，是云内发展强盛区；云上部嵌入式积云区温度低于周围层云区2 ℃，积云区含水量分布不均，最大值为15 g/m3，标准差为04 g/m3，而层云区含水量最大值和标准差分别为06 g/m3和015 g/m3，积云区和层云区的云滴谱峰值直径分别为25 μm和15 μm，云滴数浓度的量级分别为102 cm-3和101 cm-3。对催化云而言，此次联合探测在4 800 m层捕捉到嵌入式积云区的催化响应，人工播撒AgI会促进该层云的消散过程，催化后1 h内云区占比由71%降至13%，云中液态含水量持续减少且趋于均匀分布，催化后10 min与20 min云中含水量的最大值分别为10 g/m3和15 g/m3，标准差为03 g/m3和015 g/m3，凇附与聚合增长为主要冰相微物理过程，云滴谱先变窄，后因HM冰晶凇附繁生而拓宽；在云的中下层则受上层催化影响而产生旺盛云区，10 min内该层云区范围显著扩大，云滴及冰相粒子尺度均增加一倍，同时旺盛云区自上而下扩展。

关键词三机联合探测；层积混合云；云微结构；催化物理响应

云仍然是一个“黑匣子”，目前对它的认识，在很大程度上还处于定性化认识状态，准确的定量化描述仍然十分稀缺（郭学良等，2013）。层积混合云是我国北方主要降水云系，研究其微结构及降水机制为有效实施人工增雨作业提供科学依据（牛生杰，2012）。

张佃国等（2007）和范烨等（2010）均分析北京及周边地区层积混合云特征，得到云内以直径5～9 μm、200 μm和

400～1 000 μm的云和降水粒子为主，云中含水量基本处于01～02 g/m3范围；Zhao and Lei（2014）分析河南地区层积混合云的飞机探测资料发现云滴与冰晶浓度存在反相关关系，并指出用gamma分布拟合云滴和冰晶谱的优越性，平均决定系数达096；李艳伟等（2009a，2009b）深入研究我国西南山区层积混合云，发现对流云为周围层状云不断输送水汽和能量，促使云系不断维持；王慧娟等（2010）及杨文霞等（2005）均发现飞机在降水性层积云中平飞探测时，会因水凝物粒子浓度及粒子谱的变化而发生云内含水量的跃变；杨洁帆等（2010）用一维层状云分档模式模拟吉林省一次降水性层积云，发现三层云（冰晶层、过冷水层和暖层）对降水的贡献分别为35%、385%和58%；Niu et al.（2009）對中国半干旱高原宁夏地区上空的降水性层积混合云进行深入研究，发现随降水率的增加，层云区雨滴谱逐渐变窄而积云区雨滴谱会拓宽。热带降水计划之一的夸贾林环礁岛试验（KWAJEX）中发现（Yuter et al.，2005；Blossey et al.，2007），热带海洋降水系统均表现为层积混合云的降水特征，对流云区表现为低层辐合、高层辐散，而层云区是中层辐合、上层和下层辐散；Bukovcˇic' et al.（2015）使用二维雨量测量计（2DVD）数据，通过分析雨滴形状、数浓度而区分层云区或积云区降水；Evans et al.（2010）曾指出嵌入式对流单体中液态水含量一般比周围层云高一个量级，在一定上升速度条件下，可以产生更多冰晶，进而增加云系20%～35%的降水量，并在地面形成雨核区。

为了对层积混合云系宏微观结构演变进行同时探测，2009年春季山西省人工影响天气办公室联合中国科学院大气物理研究所对华北地区上空层积混合云系进行六次多机联合探测。张佃国等（2011）曾对此做过统计介绍，并初步分析4月18日个例的云微结构，给出云内水凝物浓度分布，以及云顶部、中间层及底部的滴谱特征；朱士超和郭学良（2014）分析了云中冰晶形状、分布与增长过程，发现冰晶形态受云中位置影响，嵌入式对流区冰晶多呈凇附状；辛乐和姚展予（2011）使用云顶层（4 800 m）飞机探测资料，发现催化后云水量降低一半且趋于平稳分布，降水粒子由催化前126 L-1增加至211 L-1；蔡兆鑫等（2013）使用C波段雷达回波资料，通过作业影响区和对比区雨量变化率分析催化效果，得出此次雨量增幅为120%～180%；林磊和姚展予（2011）及朱士超和郭学良（2015）均用WRF模式进行模拟，结果表明，WRF模式可以较好地模拟此次云系的雷达回波和降水分布特征，且层积混合云不仅在层云区有“播撒—供给”机制，或在积云区有粒子群的循环增长机制，而且可以发生层云与积云间的粒子群交换。

选择2009年4月18日三机联合探测资料研究层积混合云微结构垂直分布及催化物理效应，在层积混合云上部进行碘化银催化后，分析云上部、中部及下部因催化而产生的微物理效应。

1资料及催化方法

探测试验是在河北张家口地区开展的，三架飞机分别在不同高度对云系进行探测，朱士超和郭学良（2014）详细介绍了三架探测飞机所使用的主要仪器探头，各探头在探测作业前均进行了系统标定。KingLWC热线含水量仪负责云上部含水量的测量，云的中下部含水量采用云粒子探头CDP（量程为2～50 μm）与云气溶胶粒子探头CAS（量程为06～50 μm）测得的云滴谱计算得出。0 ℃高度层之上的云中总含水量包含云水量与云冰量，KingLWC仅观测云中液水含量，而FSSP（前向散射滴谱探头，量程为2～47 μm）、CDP、CAS等滴谱探头计算得到的含水量为该量程内云水量与云冰量之和。

负责催化作业的夏延3625飞机搭载新型AgI末端燃烧器，汪晓滨等（2006）对其进行详细介绍，它是在BS1型机载碘化银发生器的基础上进行改进，解决了以往飞机播撒时播撒量不足的问题。此次催化作业地点位于张家口西北侧，作业时间为17：12至18：03（北京时间，下同），作业高度为4 800 m及5 100 m，位于云层的中上部，共有效使用五根碘化银焰条，每根焰条的重量为1 080 g，AgI含量11 g，在-75 ℃温度下，成核率可达1015 g-1。

AgI粒子可作为凝华核，在-6 ℃～-10 ℃条件下AgI发生凝华核化形成冰晶，云冰量增加，凇附、聚合及贝吉龙过程会使得云中液态含水量降低。对冷云播撒后液态含水量降低可作为判别催化响应区域的一个指标。

本文所采用的飞机入云判据是：直径在2～50 μm段云粒子总浓度大于等于10 cm-3，或者直径大于100 μm的粒子总数浓度大于等于10 L-1。

2云系发展及观测概况

21云系发展

对探测当日的天气背景及云系宏观特征已有详细分析（张佃国等，2011；蔡兆鑫等，2013；朱士超和郭学良，2014，2015），卫星云图（图1）显示探测区云系受弱冷锋过境影响呈东北—西南向带状分布，云系长达300 km，宽约30 km，云系自西北向东南移动；张家口站探空资料显示大气温度层结递减率为65 K/km，条件性不稳定的大气层结利于层云积化；雷达回波上表现为带状回波中镶嵌有明显的强回波区，最大回波强度约50 dBz，比周围云区高10～20 dBz；张家口气象站观测测得当日24 h降水量为67 mm。

利用相对湿度阈值法判断云层结构，以相对湿度84%～87%作为阈值判断云层（周毓荃和欧建军，2010）。当温度高于0 ℃，以水面饱和水汽压计算相对湿度，当温度低于0 ℃时，按照冰面饱和水汽压计算相对湿度。如图2所示，张家口站上空云系云顶高度维持在6 500 m，观测云底高度随时间逐渐降低，由14时的3 000 m，17时2 600 m至20时降至1 600 m，云体逐渐加厚。

22观测概况

三架飞机于16：30至18：50时段内在指定高度同时探测目标云系，分别对2 700 m、3 600 m、4 200 m、4 800 m和5 100 m 5个高度层进行了水平探测。由飞行轨迹（图3）可见，此次三机联合探测区域位于我国河北省西北部，中心位于（1145°E，41°N）；探测区域面积约为1°×1°，飞行轨迹详见表1。

河北夏延3625飞机（Ⅰ号飞机）16：18从石家庄机场起飞，向北飞行，于16：32到达阜平（1142°E，388°N），随后保持4 800 m飞行高度继续向北飞行，于17：10到达探测区域（114°E，41°N）。17：12开始播撒AgI焰剂，播撒和探测同时进行，沿41°N曲折向东探测两个来回后，17：46上升到5 100 m。18：03催化作业结束，18：11飞机下降返航。

北京3830飞机（Ⅱ号飞机）从张家口机场于16：58起飞，向北飞行于17：20爬升至3 600 m高度，17：30—17：50飛机在此高度层沿41°N纬线东西往返（1145～115°N）探测，于18：00开始下降至2 700 m，并沿115°E经线南北往返（408～415°N）探测，18：35返航。

大同机场起飞的3817飞机（Ⅲ号飞机）于17：10到达天镇（1141°E，404°N），飞行高度4 200 m，在17：31到达探测区（115°E，41°N），随后沿41°N向西航行，至18：16飞机沿41°N纬线在1144～115°E之间完成一次东西向往返探测，于18：17开始返航。

3分析

31云体结构演变

三机联合探测时间从17：05至18：05，将15 min作为一个时次（图3b中分别以蓝、红、绿、橙表示），采用整体剖面的方法分析云中含水量、云滴和降水大滴（来自PIP及2DGB2探头，量程为100～6 200 μm）浓度垂直分布的演变。

由飞行轨迹（图3b）可见，在云顶探测的Ⅰ号飞机第一时次（17：05—17：20）未回穿作业，探测自然层云区，中下层同为自然云；第二时次（17：20—17：35）Ⅰ号飞机人工播撒AgI后首次南北回穿探测，虽云滴数浓度存有明显突增，但两次南北飞行的东西间隔较远，且云中液态含水量增加，因而将其作为嵌入式积云区，而中下层则开始受其播种影响，作为响应前期；第三时次（17：35—17：50）Ⅰ号再次回穿探测，并在17：46爬升至5 100 m高度层，此次回穿在顶层探测到催化后的积云区，作为催化响应中期；第四时次（17：50—18：05）再次回穿，但飞行高度位于5 100 m，作为后期检验。

表2中冰晶值来自CIP探头（Cloud Images Probe），其探测范围为25～1 550 μm，包括冰晶和雪等稍大的冰相粒子。最小云区占比是指一段时间内飞行探测路径上入云总长度与总路径长度之比，以表征云区水平覆盖层度，而由于飞行过程中飞行员会主观避绕强对流区，因而实测值应为实际云区占比的最小值。由图4及表2可见，层积混合云的主体在云的上部（4 800 m/5 100 m层），此处累积了云中大部分过冷水，云区平均占比为43%，远高于中层15%及下层20%。上层云滴数浓度小，量级为101 cm-3，中下层云滴数浓度量级均为102 cm-3；上层云滴尺度大，平均直径达23 μm，中下层云滴的平均直径分别为14 μm和6 μm；云滴数浓度与尺度变化呈反相关关系，随高度降低云滴数浓度增加而云滴尺度减小。上层云中冰晶数浓度极高，量级达103 L-1，比中下层云中冰晶数浓度高出1～2个量级；而上层云中冰晶平均直径为01 mm，小于中层04 mm及下层05 mm。值得注意的是，CIP探头在小粒径端（200 μm以下）由于溅落破碎而导致的观测误差极大，因而上层云的高冰晶数浓度是仪器测量误差与人工播撒后新冰晶生成共同作用的结果。

通过云中含水量和含冰量公式计算云上层和中层在响应前期（17：20—17：35）和中期（17：35—17：50）云水量和云冰量的转化，其中计算云冰量时参考美国阿拉斯加地区混合态积层云（Mcfarquhar et al.，2007），在冰晶的直径大于125 μm时，含冰量计算式的经验系数a=107×10-10 g/μm17，b=17。计算发现：上层云水量减少021 g/m3，云冰量下降047 g/m3；中层云水量增加017 g/m3，云冰量增

加174 g/m3。上层水凝物减少总量（068 g/m3）仅为中层水凝物增量（191 g/m3）的36%。造成此现象可能有三点原因：其一，上层播撒人工冰核后，部分冰核消耗云水通过贝吉龙过程凝华增长，余下冰核直接消耗云中水汽凝华增长；其二，在4 800 m乃至5 100 m之上，还存有高云向下输送冰晶，这同时可以解释上层（4 800 m）自然云的高冰晶浓度；其三，上层掉落的冰晶在中间层（4 200～4 800 m）云中凇附及聚并增长，消耗中间层云水而使中层云冰增加。

根据云微物理结构的时间演变，将播种后云体各时期特征总结如下。

响应前期（17：20—17：35），上层为嵌入式积云区，云体的最大含水量出现在该层为15 g/m3，与Carey et al.（2008）分析的中纬度混合态云的云中含水量峰值区位置相同，同为4 800 m高度层而处于云体的中上部；上层受人工播种影响而产生高浓度冰晶，中层受上层部分冰晶掉落的影响，云滴及冰晶数浓度均增加，冰晶尺寸显著增长，云区范围扩大；下层相比于中上层，表现为云滴数浓度大而尺度小，冰晶尺度达到最大。

中期（17：35—17：50），上层AgI冰核凝华形成的大量冰晶通过凇附及贝吉龙过程消耗该层过冷水，表现为云区范围减小，云滴数浓度维持而尺度变小，冰晶聚合增大并发生掉落；中层是相对干层，掉落至该层的冰晶部分升华变小后继续下落，部分碰冻该层云滴使得云滴数浓度减小而冰晶尺度增加；下层受到上层降水大滴的冲刷作用，云区范围迅速缩小。

后期（17：50—18：05）：对5 100 m探测显示该层云含水量较小，多为干区，仍存有较高浓度冰晶；中层冰晶大多掉落，且冰晶尺度减小一个量级；下层则表现为新生云区的发展，云区范围扩大，云滴数浓度维持且云滴尺度仍较小。

32上层云的催化响应

飞机进行催化后物理检验时，由于环境风场、冰晶增长及下落、扩散规律等因素的复杂性，探测区域不宜过大，时间不宜过长，否则很难找到播云的扩散区域（王以琳和雷恒池，2003）。同时为尽量避免自然云中粒子浓度及粒子谱特征空间变异性大这种“云内不均匀性”的影响，本文选用3 min的飞行探测资料作为局部的研究对象（图3b）。汪学林等（2001）曾对层状云中对流热泡的特征进行统计分析，指出层状云中对流单体直径一般在03～30 km。CD段为强盛的嵌入式积云区（图5），飞机航速为328 km/h，则3 min飞行距离为11 km，若对流单体的水平剖面为圆形，飞机极可能未穿过积云区的圆心而只是经过一条弦，则该对流单体直径应至少大于11 km（约013个经度）。 EF段和GH段為CD段催化后的两次回穿过程（图3b），EF和 GH与CD段的东西间隔分别为01°与015°，时间间隔分别为10 min与20 min，当考虑云体的移动，从尺度上判定EF与GH均探测该嵌入式积云区。

根据飞行轨迹、高空风向及云移动方向选取上层云AB（17：16—17：19）、CD（17：23—17：26）、EF（17：33—17：36）及GH（17：43—17：46）四段云资料用以分析云内区域演变（图5）。其中，上层（4 800～5 100 m）云温度区间在-6～-9.5 ℃，AB与CD段分别为层云和积云的自然云区，EF和GH为CD段（积云区）催化后的响应区。

从图5a可见，King探头测得的云中液态水含量与FSSP计算得到的小粒径段（2～47 μm）的云水加云冰量基本重合，且含水量CLWCKing的值略高，对二者进行线性拟合得到：CLWCFssp=084CLWCKing+0003，这说明上层过冷水集中于小粒径段，由图5c可见，多存在于2～25 μm段，而冰晶的尺度普遍较大（>50 μm），这与早期居丽玲等（2011）对该地混合态云的观测结果一致。

对比层云区（AB）与积云区（CD）可见，嵌入式积云区的温度明显低于层云区，同一高度二者温差达2 ℃，证明此时积云区以下沉运动为主，积云处于成熟或消散阶段。积云区的云滴数浓度量级主要集中在102 cm-3，云滴谱存有双峰，峰值直径分别为2 μm和25 μm，云中液态水含量分布不均匀，标准差为04 g/m3，最大值为15 g/m3，与Hobbs et al.（1980）统计的蒙大拿州夏季嵌入式积云特点相似；层云区的云滴数浓度较小，量级为101 cm-3，云滴尺度分布离散，云滴谱存有双峰且谱宽较宽，峰值直径分别为2 μm和15 μm，云中液态水含量分布较均匀，标准差仅为015 g/m3，最大值为06 g/m3。

分析上层云区的催化响应可以看出，催化后10 min（EF段）云中液水含量略有下降，峰值为10 g/m3，标准差为03 g/m3，云滴数浓度基本维持不变，云滴尺度减小，云滴谱明显变窄，25～50 μm之间的云滴（液相、冰相）基本消失，这可能与较大云滴（25～50 μm）易被冰晶捕获相关，同时云中温度比CD时有近05℃的上升，这部分温差可能与凝华放热相关，或为云内不均匀性所致；催化后20 min（GH段）云中液水含量继续下降且趋于均匀分布，峰值为05 g/m3，标准差为015 g/m3，与AB段层云特征相似，此时FSSP探测到的直径大于24 μm大云滴数量较多（数浓度为15 cm-3，约为此刻总云滴数浓度的12%），直径小于123 μm的小云滴同时存在，且温度为-8～-9 ℃，满足HM结凇繁生机制条件（Hallett and Mossop，1974），因而产生较多小冰晶及冰屑（小于50 μm），王黎俊等（2013）观测到类似结果，进而导致CLWCFssp值大于CLWCKing，而FSSP不区分粒子相态，因而同时又拓宽了云滴谱，其次降水大滴的尺度与数浓度均有所增长。

33中下层云的催化响应

为进一步探索混合云的垂直结构，对混合云的中下层进行联合分析（图6）。中下层的两架探测飞机的飞行轨迹在17：40—17：50期间有很好的时空一致性，如图3b所示，均为前5 min自东向西飞行（L1与L3），后5 min自西向东回穿（L2与L4）。

L1与L2时段对比（表3）可见，5 min内4 200 m层该区域云区范围显著增加，云区直径增加34倍，云中含水量由单峰变为双峰，云中平均含水量略有增加，云滴数浓度维持而直径增加1倍，云内冰晶显著增长，数浓度增加2倍且直径增加1倍。L3与L4时段对比可见，3 600 m层该区域微物理结构变化明显，由原来的非云区衍生出较旺盛云区，表现为小云滴的爆发增长，云滴数浓度突增，达到102 cm-3量级，同时出现较多冰晶粒子，同层云、冰粒子间相互作用不会导致这般由非云区至旺盛云区的突变，因而推测这是受到上层播撒催化后降水大滴掉落的影响，在一定的浮力条件下衍生而成。

对比L1与L3以及L2与L4发现，17：40至17：45时中层已经出现较旺盛的云区，而下层在同一位置却不曾探测到对应区域；而在17：45至17：50时，中层旺盛云区得到加强且下层也探测到对应云区。这表明，该旺盛云区并非像对流热泡般从下至上发展，而是从上至下扩展。Locatelli and Hobbs（1974）曾统计冰雪晶下落末速度与尺度的关系，朱士超和郭学良（2014）曾分析此次混合云的各层粒子形态，并指出4 200 m层冰晶主要是板状和针柱状冰晶，参考此结果，则中层等效直径为1～2 mm的板状及柱状冰晶下落末速度约为1～15 m/s，降落至下层需要的时间约为6～10 min，而L1与L4中旺盛云区所对应的时间间隔约为7 min，时间上的吻合可以佐证旺盛云区是自上而下扩展的推断。

4结论

2009年春季开展的环北京地区多架飞机云观测试验是中国首次多机联合测云试验，三架飞机在云内不同高度进行同步探测，获得了宝贵的云资料。本研究对4月18日探测到的层积混合云的微物理结构及其催化响应进行分析，得到以下结论。

1）采用整体剖面的方法研究云微结构及其演变，将联合探测时段分为自然云区及催化响应的前中后期，分析发现：云上部（4 800 m/5 100 m层）累积云中大部分过冷水，是云的主体；人工播撒AgI冰核促进上层云消散，上层云区占比在1 h内由催化前的71%减小至13%；随高度降低，云滴数浓度增加而尺度减小，冰晶数浓度减小而尺度增加；AgI冰核凝华核化后通过凇附及贝吉龙过程消耗该层过冷水，冰晶聚合增大后掉落。

2）采用局部对比的方法补充分析云微结构演变及催化响应。对上层云（4 800 m）分析发现，过冷水集中于2～25 μm小粒径段，而冰晶的尺度普遍较大（>50 μm）；对比层云与积云区发现，积云区温度低于周围层云区2 ℃，积云区云滴数浓度量级为102 cm-3，云滴谱峰值直径为25 μm，云中液态水含量分布不均匀，最大值为15 g/m3，而层云区云滴数浓度量级为101 cm-3，峰值直径为15 μm，云中液态水含量分布较均匀，最大值为06 g/m3；分析上层积云区的催化响应发现，催化后云中液态含水量持续下降且趋于均匀，催化10 min内云滴谱变窄，20 min后满足HM冰晶繁生条件，产生大量小冰晶，又拓宽云滴谱。对中（4 200 m）下（3 600 m）层联合分析发现，受上层催化影响而产生旺盛云区，中层云区占比增大34倍，下层则衍生出新云区，微物理结构上表现为冰晶数浓度的增加及云内粒子尺度的增大，同时发现旺盛云区自上至下扩展，从两层间的冰雪晶掉落的时间间隔上给出佐证。

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