降水性层状云结构及微物理量相关性分析

杨文霞 胡朝霞 董晓波 邓育鹏

摘要利用飞机、雷达、卫星观测资料，对2014年5月1日08时—2日08时河北省一次降水性层状云结构特征进行综合观测分析。结果表明本次过程降水云大致分为3层：4 200～2 850 m为冷暖云结构，2 162～2 174 m为十几米厚的纯暖云，近地面层121～265 m有粒子浓度较低（量级为101cm-3）的暖云。降水开始前存在较明显的催化云—供给云结构，降水开始后高层对低层有催化作用。人工增雨潜力区主要位于3 100～4 000 m，对应的雷达回波强度为20～30 dBz，且雷达回波强度垂直梯度明显变小。对不同高度的云微物理量进行相关性分析，结果表明，云底的液态水含量和云滴浓度与气溶胶浓度具有较强的负相关，过冷水含量与云滴浓度相关性达到0434，云凝结核浓度在冷云中与温度相关性较强，相关系数达到0717。

关键词降水性层状云；微物理结构；相关性

云结构是研究讨论云中降水物理过程的基础，是云产生降水与否的基本条件，外场观测实验是云物理学和人工影响天气的重要组成部分（游来光，1991）。层状云系结构稳定，垂直方向上变化起伏小，降水机制非常复杂，观测研究层状云的水物质对中国北方地区开展人工增雨作业至关重要（王秀娟等，2014）。1950 年，Bergeron（1950）提出“播种云—供应云”机制，播种云一般是卷层云，供应云一般是浓密的层状云，当供应云受到冰雪晶粒子的播种后，云内通过云水碰冻、云冰碰连和雪晶的转化使降水强度明显增加。中国北方的层状云系观测研究始于20世纪60年代，顾震潮（1980）在20世纪60年代提出层状云系降水粒子形成概念模型，模型突出了层状云系降水的特点，较完整地阐明播种云与供应云之间的关系。近年来国内、外开展了一系列层状云结构的观测研究，牛生杰等（1992，1995）对宁夏降水性层状云的微结构和水凝物粒子谱分布进行了观测研究，Hobbs and Rangno（1998）认为云的相态更多的和云发展的阶段而不是温度相关。 Korolev et al.（2003）发现加拿大锋面层状云系过冷云水含量随温度降低而减小。Andrew et al.（2012）利用5个月260 h的飞机资料分析了大范围连续性边界层云的微物理特征以及气溶胶对气候影响研究。Yum et al.（2015）研究层积云的微物理结构与夹卷和混合机制的关系，我国许多学者对北方不同区域降水性层状云的微物理结构和降水机制进行过大量观测研究（杨文霞等，2005；胡朝霞等，2007；范烨等，2010；侯团结等，2011；张佃国等，2011；洪延超，2012；彭冲等，2016）。近年来随着观测资料同化技术的提高，对人工增雨降水机制和效果检验的观测研究发展较快，蔡兆鑫等（2013）观测到同一块云催化前、后的物理变化和地面降水增加。杨文霞等（2014）对河北一次西风槽过程的过冷水分布特征进行了观测研究。孙晶等（2015）通过数值试验提出了人工增雨模式物理量识别指标。王元等（2017）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，在4 800 m層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，淞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冰晶淞附繁生而拓宽，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。这些研究成果对云物理学的发展做出了重要贡献。但是针对典型降水性层状云的观测研究仍然需要不断深入，有价值的观测资料仍然较难获得，通过对大量典型降水性层状云个例的分析，能提高对降水云结构和降水机理的规律性的认识。

2014年5月1日08时—2日08时，河北省受高空后倾槽—地面冷锋天气过程影响，被大范围层状云覆盖，自西北向东南出现降水，5月1日15：32—18：26（北京时间，下同）在冀西北地区实施增雨探测飞行一架次，探测飞机为夏延ШA型，机上携带PMS系列仪器（每年在中国科学院进行标定），包括FSSP探头（量程：2～47 μm）、二维光阵灰度云粒子探头（简称2DC，量程：25～1 550 μm）和二维光阵灰度降水粒子探头（简称2DP，量程：150～9 300 μm），气溶胶探头（简称PASCA，量程：01～3 μm）和云凝结核探头（简称CCN，量程：07～10 μm）。本文采用Hobbs（1974）的判据，当FSSP 仪测到粒子浓度大于10/cm3时判断为入云区，结合卫星、雷达等资料对本次降水性层状云的结构特征和微物理量相关性进行分析。

1天气过程与飞行设计

如图1所示，2014年5月1日08时500 hPa在河套西部有一南北向的高空槽，同时在河套中部700 hPa有相应的高空槽与之配合，从天气系统的位置分析为后倾形式，此时河北省受高压脊控制；到1日20时500 hPa高空槽快速东移到山西的西部，与之相配合的700 hPa高空槽北部已经进入河北省的西北部，同时两层系统都存在明显的高空急流，600 hPa以下水汽条件较好。从地面系统分析，1日08时在内蒙古中部到陕西北部的锋面自西北向东南方向移动，给河北省带来降水，到2日08时，高空和地面天气系统已经东移到河北省的东部地区，大部分地区降水停止。图2为本次过程层状云卫星图像，云层不均匀，包含云团和云带，张家口上空云带处于发展中。

河北西北部从1日下午16：30左右开始出现降水，到20时，西北部降水开始减弱为零星降水，从1日20时张家口的探空资料（图略）可见，500 hPa有急流，600 hPa以下水汽条件较好，但500 hPa至600 hPa已经出现干层。国家站的资料显示（图略），本次降水过程在张家口普遍为2 mm以下的小雨，只在康保出现中雪。

2014年5月1日15：32—18：26河北省人影办在冀西北地区实施增雨探测飞行一架次，飞行探测区域位于张家口市、张北县、万全县、怀安县和蔚县一带（图3），飞行时间较长，非常可惜的是，本次个例15：32—15：56长达24 min的记录丢失，即丢失了飞机上升阶段的所有信息，飞机升高到4 620 m附近后，对4 600～3 000 m冷云层做了垂直探测，之后在4 000 m附近做了长时间的平飞。

17：59飞机返回到保定市曲阳县上空后开始盘旋下降，对4 200 m以下云层进行了浓厚的垂直探测，平飞过程中进行了人工催化（催化时间为16：24—18：00）。配合天气系统分析，本次飞行时机掌握非常好，飞机于15：32由石家庄机场起飞，到达张家口地区后，探测和催化区恰好位于700 hPa槽线近槽附近（500 hPa槽线后倾），17：00左右张家口地区开始降水，地面普降小雨，飞机迎着槽线移动方向边返航边播撒，播撒时间长达一个半小时，播撒高度为4 200 m高度附近，催化时云内温度为-6～-71 ℃。

2云的垂直结构特征

21高层冷云探测

2014年5月1日16：13—16：17飞机在张家口市宣化区和阳原县上空自4 530 m高空垂直下降至3 293 m，对3 300～4 000 m高层冷云（-09～-8 ℃）进行垂直探测，其垂直结构如图4所示。

探测结果表明，3 300～4 000 m高层冷云厚近700 m（-09～-8 ℃），3 800～3 954 m存在154 m厚的干层；云滴数浓度较高，平均值为1375 cm-3，峰值（801 cm-3）位于3 621 m处；冷云区含水量非常丰富，平均值为0017 g/m3，过冷水（简称IWC）的峰值（013 g/m3）发生高度与云滴浓度峰值基本对应，3 600～3 700 m存在一个2 ℃的较强逆温层，LWC峰值位于该逆温层的层顶；云滴均立方根直径平均值为467 μm，在3 400 m和3 300 m高度附近存在两个20 μm以上的大值区。

大粒子浓度和均立方根直径大值区位于冷云顶部3 680～3 800 m，并且3 900 m高度同时出现降水粒子浓度的峰值，为32 L-1，3 300～3 600 m高度降水粒子浓度较大，降水粒子均立方根直径表现为随高度下降不断增长趋势，最大值为1 300 μm。

气溶胶从地面至3 600 m高度为减少趋势，3 600～3 800 m为增长趋势，数浓度峰值达到15×109 m-3，之后随高度增加总体呈现减少趋势，气溶胶浓度的低值高度与云滴浓度和过冷水含量的峰值发生高度相一致；CCN浓度从地面至3 400 m高度快速衰减，3 400～3 700 m为增长趋势，3 700 m后整体表现为减少趋势，但是在3 900 m出现1 300 m-3的峰值，与降水粒子浓度峰值出现的高度相一致。

此时探测区域位于700 hPa高空槽线附近，云层处于降水前期，冷云中“催化云—供给云”结构已经建立，可以认为3 680～3 800 m为催化云，3 300～3 600 m为供给云，催化云中具有冰晶含量（2DC粒子）高，过冷水被快速消耗，存在明显贝吉龙过程等特征，催化云中冰晶粒子下降进入过冷水含量丰富的供给云后，降水粒子随高度下降尺度快速增长。

16：30左右张家口地区地面普降小雨，飞机在张北、万全、蔚县一带进行催化作业，17：59飞机返回到保定市唐县上空后开始盘旋下降，对4 200 m以下云层进行了深厚垂直探测。

22返航下降阶段垂直探测结构

17：59飞机回到保定市唐县上空后开始盘旋下降，对4 200 m以下云层进行了垂直探测，对17：59—18：29（4 220～124 m）云的垂直结构（图5）进行分析，由于本次过程石家庄市多普勒雷达故障，仅获得张家口和北京市雷达资料（图3b）。

图5显示，下降阶段探测到的层分为3层，4 200～2 850 m为冷暖云结构，云底的确定考虑了Hobbs（1974）的判据，并结合云滴浓度与气溶胶浓度反相位关系最大值出现的高度，认为云底位于2 850 m附近，零度层位于3 100 m附近，暖云厚约450 m，以5 dBz雷达回波顶高代替冷云顶高，则冷云厚约为2 000～5 000 m。冷暖云中云滴数浓度平均值为2290 cm-3，干层消失。过冷水含量平均值0046 g/m3，最大值0247 g/m3位于3 546 m（-228 ℃）。云滴的均立方根直径平均值为1218 μm，云滴均立方根直径最大值位于零度层附近，相比第一次垂直探测时都得到显著增长。2 162～2 174 m有一层十几米厚的暖云，近地面层121～265 m有粒子浓度较低（10 cm-3）的暖云，暖云中5～10 μm小云滴含量较高。

大粒子数浓度两个峰值分别位于3 861 m（95 155 L-1）和3 052 m（21 388 L-1），均立方根直径两个峰值分别位于4 215 m（4678 μm）和3 051 m（3359 μm）。降水粒子浓度的两个峰值分别位于4 214 m（1664 L-1）和3 612 m（2730 L-1），均立方根直径的三个峰值分别位于4 219 m（1 2315 μm）、3 603 m（1 269 μm）和3 437 m（596 μm），表明冷云增长过程很强，4 215 m高度附近贝吉龙过程较强烈，相应的过冷云水消耗较大，含量较低。

CCN的两个峰值分别出现在2 334 m（3 778 m-3）和1 837 m（3 989 m-3），與2 162～2 174 m薄暖云对应的CCN浓度较高，例如2 169 m（3 520 m-3），与近地面层265～121 m暖云相对应的CCN浓度也较高，位于1 000～2500 m-3，CCN在暖云的凝结过程中起着重要作用。气溶胶的最大峰值位于1 855 m（448×109 m-3），与CCN浓度的最大值出现高度相一致，气溶胶粒子浓度的变化趋势与CCN较一致。本次过程中气溶胶粒子均立方根直径较大，位于25 μm附近。

综上所述冷云中大粒子浓度峰值出现在3 800 m附近，3 800～3 400 m大粒子浓度不断降低的同时降水粒子（2DP）得到快速增长，可以观测到降水开始后高层云对低层云具有催化作用。3 100～3 800 m冷云区过冷水含量丰富，冰晶含量较低，是人工增雨潜力较大区域，此区域的雷达回波为20～30 dBz，并且垂直方向梯度明显变小（图3b），飞机观测结果与雷达回波强度垂直结构一致。

3云的微物理量相关性

为进一步分析云微物理过程的相互作用和相互影响，选取云凝结核浓度、温度、液态水含量和云滴浓度，对上述4种云微物理量在云底、零度层附近和海拔4 200 m的冷云进行相关性分析。云底选取下降阶段2 900～2 800 m资料，零度层附近选取下降阶段平飞记录较长的3 026～3 060 m资料，选取进入下降阶段前5 min内海拔4 200 m冷云平飞资料进行分析，相关性分析软件使用“统计产品与服务解决方案”软件（Statistical Product and Service Solutions，简称SPSS），对7组云微物理量在不同高度的相关性进行统计，结果如表1所示。

云凝结核浓度和气溶胶浓度在云底和冷云为负相关，在零度层附近为正相关，二者相关性较低，整体变化为0105～0166。液态水含量和云滴浓度在暖云里的相关系数较大，在冷云内相关系数明显降低，整体变化为0434～0965。液态水含量和气溶胶浓度在暖云内为负相关，在云底相关性最强，在冷云内为正相关，整体变化为0082～0859。云滴浓度和气溶胶浓度在暖云内为负相关，在云底相关性最强，在冷云内为正相关，整体变化为0181～0863。液态水含量和温度在云底和冷云内为负相关，在零度层附近为正相关，并且相关性较强，整体变化为0181～0419。云凝结核浓度和温度的相关性随高度增加而增加，在暖云内为负相关，在冷云内相关性较强达到0717，整体变化为0398～0717。云凝结核浓度和液态水含量为负相关，随着云层高度增加相关性有所加强，整体变化为0095～0007。

综上所述，云底的液态水含量和云滴浓度与气溶胶浓度具有较强的负相关，过冷水含量与云滴浓度相关性达到0434，云凝结核浓度在冷云中与温度相关性较强，相关系数达到0717。

4结论与讨论

1）700 hPa高空槽线附近的冷云处于降水前期，已经建立“催化云—供给云”结构，可以认为3 680～3 800 m为催化云，3 300～3 600 m为供给云，降水粒子尺度随高度下降持续增长。

2）降水后云大致分为3层：4 200～2 850 m为冷暖云结构，2 162～2 174 m为十几米厚的纯暖云，近地面层121～265 m有粒子浓度较低（cm-3）的暖云，云内各项微物理指标明显加强，干层消失，降水开始后高层对低层有催化作用。

3）人工增雨潜力区主要位于3 100～4 000 m云内，该区间LWC含量高，大粒子少，对应的雷达回波强度为25～30 dBz，且雷达回波强度垂直梯度明显变小。

4）孙晶等（2015）参考以往研究成果，认为应从如下几个方面考虑增雨作业条件：云降水处于发展或持续阶段、云底较低、出现“催化—供给”等冷、暖云配置适宜结构，一般地面出现降水或微弱的降水，即降水机制已经建立。此时，当云中符合有上升运动、有过冷水并且冰晶浓度较低时，具有增雨条件。本次过程槽线附近的层状云符合上述增雨条件，潜力区水平分布较宽。

5）对不同高度的云微物理量进行相关性分析，结果表明：云底的液态水含量和云滴浓度与气溶胶浓度具有较强的负相关；冷云中过冷水含量与云滴浓度相关性达到0434；云凝结核浓度在冷云中与温度相关性较强，相关系数达到0717。

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