河北省冬季低槽冷锋层状云结构特征和可播性分析

刘伟 孙玉稳 谢祥永 孙啸申 赵志军 黄毅

(1.石家庄市气象局，河北 石家庄 050081； 2.中国气象局云雾物理环境重点开放实验室，北京 100081；3.河北省气象与生态环境重点实验室，河北 石家庄 050021； 4.河北省人工影响天气办公室，河北 石家庄 050021； 5.邯郸市气象局，河北 邯郸 056000)

引言

由于气候条件变化，各种水资源的时空分布不均。华北地区水资源匮乏，尤其是冬季降水少，极易出现干旱，人工影响天气作为多源开发水资源的重要手段之一，对扩大水资源具有重要意义。层状云是华北冬季降水的主要云系，也是人工影响天气作业的主要对象。人工影响天气的关键在于把握催化作业时机和最佳作业部位，为了能更加科学有效地作业，有必要对层状云的宏微观结构以及层状云催化后的微物理响应进行精细化研究。

近年来，国际广泛应用高时空分辨率的机载粒子探测设备对层状云的微物理特征进行研究，发现过冷云层中随着温度的降低，冰水含量和液水含量都减小；冬季层状云催化后，云内过冷水被转化为冰晶、雪团或雪晶和霰粒子，加速降雪粒子形成。利用碘化银催化，降雪量明显增加[1]。国内对层状云系的微物理研究亦颇多，孙玉稳等[2-3]指出可以利用云内粒子直径范围判断云的适播性，同时发现在催化和探测部位为槽前上升气流云层和回流云层中，小云粒子丰富，适合催化作业。王黎俊等[4]指出层状云中值直径在不同范围内云粒子相态是不同的，过冷水含量越高，催化效应越明显。余兴等[5]发现云中催化剂水平输送1 h的平均值达到65 km；催化剂扩散速度1 h平均为0.82 m·s-1；秦彦硕等[6]发现作业后3—4 h影响区雨量增加最为显著，为对比区雨量的1—3倍。还有应用多种方法[7-10]对人工增雨作业效果进行检验，表明催化后增雨效果明显。

上述研究主要集中在两个方向：一是催化条件分析；二是催化效果验证。但是河北省低槽冷锋天气系统层状云结构特征和播散条件具有鲜明的地域特征，研究该云系不同发展阶段结构特征和播散条件是把握作业时机的重要一环，也是提高人工增雨作业的技术基础。本文利用2018年1月6日河北省低槽冷锋天气系统，飞机在层状云中催化作业和探测的案例，分析层状云结构特征和适播条件以及层状云演变规律，探讨低槽冷锋云系的作业时机。

1 资料与方法

高性能飞机King-air 350 HW搭载有多种云微物理测量探头，包括AIMMS-20机载气象探测系统；Nevzorov热线式含水量仪(可以实测云内液态含水量和冰水含量)；LWC-300液态含水量仪；湿度露点仪和GPS定位等；粒子探测系统包括DMT公司云滴数浓度谱型测量探头CDP，测量粒子直径范围为2—50 μm，共分为30个通道，前12个通道的间隔为1 μm，后面18个通道间隔为2 μm；传统线阵类降水粒子二维成像探头CIP，主要用于探测冰雪晶粒子和大云滴，测量粒子直径范围为25—1550 μm；SPEC公司高采样体积粒子成像探头HVPS-3，测量粒径范围为150—19200 μm，分辨率为150 μm；3V-CPI探头是由2D-S探头和PDS所组成的高清粒子成像探头，可对粒子进行高分辨率的影像探测，测量云中的水滴以及冰晶粒子的大小、形状和含量，探测范围为10—2000 μm，分辨率为2.3 μm(表1)。

表1 机载云微物理探测系统及主要参数Table 1 Airborne cloud microphysics detection system and main parameters

为更清楚的了解各探头测量的不同通道粒子数浓度催化前后的微物理响应和粒子谱变化，各种微物理参量均采用每秒探头观测的数据组进行分析。

根据层状云中云粒子分布规律和数据处理经验判断CDP探头观测数据连续时间需要大于5 s，否则作为野点剔除。CIP探头和HVPS-3探头测量粒子浓度异常偏大，与其前后浓度变化无法解释其物理意义，该组数据作为野点剔除。利用CIP观测数据分析冰晶或冰晶聚合体浓度时，为降低直径小于100 μm粒子的影响，选取直径在100—1000 μm的粒子；HVPS-3探头观测数据用于分析降水粒子时，只选取直径在1000—19200 μm粒子浓度数据[12]。

2 结果分析

2.1 天气形势分析

河北省邢台地区降雪过程开始前(2018年1月5日08:00至6日08:00北京时，下同)亚欧中纬度地区以纬向环流为主，蒙古国西部至天山附近有东西向横槽，槽底有冷空气配合短波槽东移(图略)。6日20:00(图1a)500 hPa高空图上短波槽东移至中国河套地区，并有所加强，700 hPa高空图上与短波槽对应，在山西省中部存在南北向切变线，河北南部处于偏南气流之中，风速增大至10 m·s-1，850 hPa上河北南部也由偏北气流逐渐转为偏南气流，中低层相对湿度明显增大。图1b中，地面图上蒙古国西部有一个冷高压，中心强度超过1044 hPa，高压前部有一条冷锋与短波槽相对应，冷锋向东南方向移动，逐渐影响河北南部地区，为这次降雪过程提供了动力条件。

6日晚间系统开始影响河北南部地区(图1)。7日08:00，高空槽与地面冷锋均移出河北省，降雪基本结束。邢台地区处于华北腹地太行山东麓，冬季干燥，该天气系统显示锋面云较稀薄。槽前西南气流输送水汽在降水中起关键作用，锋面上西南风大小和风速中心高度与低槽强度和槽线位置有关，当槽线移至河套时开始影响邢台山区，天气系统初始槽前西南风中心位置较高，随槽线东移，邢台地区西南风中心高度下降，槽线过境后，降水过程结束。

高度场单位为gpm图1 2018年1月6日20:00 500 hPa高空形势图(a)和地面气压场及风场图(b)Fig.1 The diagrams of synoptic patterns at 500 hPa (a) and ground pressure and wind fields (b) at 20:00 on January 6,2018

2.2 飞机探测概况

结合机上宏观记录和图2a可以看出，2018年1月6日16:20飞机从河北省正定机场起飞爬升至5050 m平飞到河北中南部的邢台地区。17:27—17:51在邢台市区从653—6863 m做第一次垂直结构观测，17:51—19:43以300 m间隔在不同高度层沿边长10 km正方形轨迹平飞1圈下降，考虑到密集的分层垂直催化作业可能会破坏自然云结构，因此17:51—19:43飞机倾斜飞行对催化后的云体进行第二次垂直探测。飞机于20:16降落到正定机场。机上宏观观测记录显示，飞机在邢台市区第一次对云垂直结构进行观测获取到云顶高6800 m，云底高为1138 m，云底温度为-2 ℃，云顶温度为-29.5 ℃。图2b可以更清晰展现飞机在邢台市区对云的垂直探测和催化情况。

红色实线代表对云垂直结构的探测轨迹，黑色实线代表边长10 km的正方形分层催化轨迹，蓝色实线代表飞机第二次斜穿云垂直探测轨迹。图2 2018年1月6日起飞至降落时段(a)及邢台区域作业探测时段(b)飞行航线Fig.2 The trajectory of the flight route from takeoff to landing (a) and during aircraft detection period in the Xingtai area (b) on January 6,2018

2.3 云结构和适播性分析

2.3.1 第一次垂直探测资料分析

为分析低槽冷锋系统层状云结构特征和演变规律，利用飞机在邢台市上空第一次垂直探测(时间17:27—17:51，高度为653—6863 m)获取的资料，给出云微物理量随高度变化图。从图3a温度垂直廓线看出云内温度为-2～-29.5 ℃，云系均由冷云组成，3210 m以下存在明显的逆温层，温度从-11 ℃升至-8.9 ℃，平均温度梯度为0.39 ℃/100 m。该层逆温显然与3194 m偏南风中心有关，综合气象测量系统AIMMS-20显示风速中心最大风速达20.6 m·s-1；云内逆温层将云分为上下两层，分界高度在逆温层下方即3000 m。

红线表示Nevzorov热线式仪器实测液水含量，单位为g·m-3；绿线表示Nevzorov热线式仪器实测固态含水量，单位为g·m-3；蓝线表示LWC-300热线式仪器实测液水含量，单位为g·m-3；黑线表示温度，单位为℃；粉红线表示CDP探头实测粒子数浓度，单位L-1；绿色点线表示CDP探头实测粒子平均直径，单位μm；紫红色线表示相对湿度图3 2018年1月6日邢台市区上空对比区温度、实测液水含量、实测固态水含量(a)和小云粒子浓度、平均直径、相对湿度(b)垂直变化Fig.3 The vertical variations of temperature,measured liquid water content,measured solid water content (a)，concentration of CDP,average diameter,relative humidity (b) in the contrast area over Xingtai urban areaon January 6,2018

从图3b显示，在653—6800 m云层内CDP浓度呈不连续分布，在3500 m和6600 m出现云粒子浓度达70 cm-3的高值区；云粒子直径与粒子数浓度呈正相关性，小云粒子平均直径小于15 μm，整个区域内相对湿度在80%—94%。图4显示，CIP探测到的4160 m以上粒子数浓度随高度增加变化幅度不大，出现了5个浓度大值区，粒子数浓度最大值在18—23 L-1。HVPS探头显示，最大粒子直径在6000 μm，且3300 m以下的粒子浓度和直径明显高于上层。云内最大液态含水量为0.15 g·m-3；3000 m以上，液态含水量在0.05—0.15 g·m-3。653—6800 m云层内固态含水量均在0.05—0.15 g·m-3之间，最大值在3200 m附近，为0.20 g·m-3。机载气象探头实测风显示，6500 m出现西南风，极值风速22.3 m·s-1。小云粒子出现在西南风中心上方，3200 m附近含水量与下层风速中心有较好对应关系，但6500 m风速中心对应含水量极值出现在5800 m高度上，5800 m附近有较高浓度的降水粒子，说明6500 m有明显的降水粒子沉降。

黑线表示CIP探头实测粒子数浓度，单位为L-1；粉红线表示CIP探头实测粒子平均直径，单位为μm；蓝线表示HVPS探头实测粒子数浓度，单位为L-1；紫红线表示HVPS探头实测粒子平均直径，单位为μm图4 2018年1月6日邢台市区上空对比区大云粒子浓度和粒子谱(a)以及降水粒子浓度和粒子谱(b)垂直变化Fig.4 The vertical variations of concentration of CIP and particle spectrum (a)，concentration of HVPS and particle spectrum(b) in the contrast area over Xingtai urban area on January 6,2018

对照机载CPI探头实测的云粒子图片显示(图7)，冰晶粒子分布于各个高度层，只有3567—3725 m高度(温度-9.1～-9.6 ℃)仍有较多过冷水滴，6568—6674 m温度为-27.4～-28.1 ℃，云滴皆成为形状不规则的粒子。3000 m以上云层被冰化，其中大部分云层固态粒子含水量是过冷水含量的1—5倍；3000 m以下以过冷水存在的小云粒子被自然冰晶不断消耗，过冷水含量低于0.15 g·m-3，云内过冷水含量较低，不满足人工催化条件。说明低槽冷锋系统云结构受锋面上西南风中心高度和风速大小影响，当风速中心高度在6500 m(温度-26 ℃)附近时，上层云自然为下层云提供冰晶，不需要通过飞机开展人工催化作业。

2.3.2 第二次垂直探测资料分析

为分析低槽冷锋系统层状云演变规律，利用飞机在邢台市上空第二次倾斜垂直探测(时间19:43—19:50，高度为653—4160 m)获取的资料，给出云微物理量随高度变化图。图5b显示CDP浓度呈连续性分布，从上向下，小云粒子浓度逐渐增大，800 m出现浓度最大值，在700—3500 m以下形成密实云层。从图5a温度垂直廓线看出1500—4200 m云内温度为-9～-12 ℃，700—1500 m温度为-2～-10 ℃。云内液态水含量分三层，分别为4200—3100 m、3100—1500 m和1500—700 m，三个过冷水含量峰值分别为0.23 g·m-3、0.38 g·m-3和0.18 g·m-3，分别出现在4000 m、2200 m和1000 m。1700—4200 m云内固态水含量在0.05—0.13 g·m-3，1700 m以下云内观测固态水含量近似为零。从CIP浓度看(图6)，大部分层状云内CIP浓度在4 L-1左右，仅在2000—3000 m高度层CIP浓度超过8 L-1，2800 m处出现最大值14 L-1。第二次探测时层状云主要集中在4200 m以下中低层，机上宏观记录显示，4200 m以上可见到太阳，说明4200 m以上云层稀薄或无高云。

红线表示Nevzorov热线式仪器实测液水含量，单位为g·m-3；绿线表示Nevzorov热线式仪器实测固态含水量，单位为g·m-3；蓝线表示LWC-300热线式仪器实测液水含量，单位为g·m-3；黑线表示温度，单位为℃图5 2018年1月6日邢台市区上空影响区温度、实测液水含量、实测固态水含量(a)和小云粒子浓度、平均直径、相对湿度(b)垂直变化Fig.5 The vertical variations of temperature,measured liquid water content and measured solid water content (a)，concentration of CDP,average diameter,relative humidity (b) in the influence area over Xingtai urban area on January 6,2018

黑线表示CIP探头实测粒子数浓度，单位为L-1；粉红线表示CIP探头实测粒子平均直径，单位为μm；蓝线表示HVPS探头实测粒子数浓度，单位为L-1；紫红线表示HVPS探头实测粒子平均直径，单位为μm图6 2018年1月6日邢台市区上空影响区大云粒子浓度和粒子谱(a)以及降水粒子浓度和粒子谱(b)垂直变化Fig.6 The vertical variations of concentration of CIP and particle spectrum (a),concentration of HVPS and particle spectrum (b) in the influence area over Xingtai urban area on January 6,2018

机载CPI探头实测的云粒子图片显示(图7)，云内存在大量云滴，出现辐枝状冰晶粒子，说明此时云内水汽丰富。由图5可知，1500—3100 m云层过冷水最为丰富，其中2200 m过冷水含量达0.38 g·m-3，此高度温度为-9 ℃，冰晶浓度为6 L-1，满足催化条件。从机载气象探头实测风可知，在700—3000 m东南风加强，2200 m出现西南风中心，最大风速达16 m·s-1，中低层西南风加强促进了中低云层发展。

图7 2018年1月6日邢台市区上空对比区云中不同高度区间1138-1981 m高度 (a)，1988—2781 m高度 (b)，2785—3455 m高度逆温层内 (c)，3729—4050 m高度 (d)，4053—4230 m高度逆温层内 (e)，3567—3725 m高度云粒子浓度大于10 cm-3逆温层中(f)，6568—6674 m高度云粒子浓度大于10 cm-3(g)观测到的粒子图片Fig.7 The images of particles observed at the heights of 1138-1981 m (a),1988-2781 m (b),2785-3455 m (c),3729-4050 m (d),4053-4230 m (e),3567-3725 m (f),6568-6674 m (g) where cloud particle concentration was greater than 10 cm-3 in the inversion layer in the contrast area over Xingtai urban area on January 6,2018

通过比较两次探测结果分析得到，低槽冷锋初始锋面上西南风随高度变化不连续，且风速中心出现在6500 m高空，造成中上云层被冰化，下层云过冷水含量低。2 h后，中下层西南风加强，尤其是2200 m出现西南风中心，而6500 m以上西南风减弱，使云顶下移。低槽冷锋在发展过程中随西南风中心下移，中低层西南风加强是层状云演变为可播云的前提。

3 结论

(1)邢台地区冬季干燥，锋面云稀薄，槽前西南气流输送水汽在降水中起关键作用。锋面上西南风大小和风速中心高度与低槽强度和槽线位置有关，当槽线6日20:00移至河套前，低槽开始影响邢台地区，槽前西南风中心位置较高；随槽线移近，西南风中心高度下降；7日08:00槽线过境后，降水过程结束。

(2)低槽冷锋系统初期由于风速中心在6500 m高空，云顶温度为-29.2 ℃。3000 m以上云层基本被冰化，云内过冷水含量小于0.05 g·m-3，其中大部分云层固态粒子含水量是过冷水含量的1—3倍；3000 m以下以过冷水存在的小云粒子被自然下落的冰晶不断消耗，过冷水含量低于0.15 g·m-3，云内过冷水含量较低不满足人工催化条件。

(3)随着层状云的发展，中下层云过冷水含量增加，其中2200 m过冷水含量达0.38 g·m-3，此高度温度为-9 ℃，冰晶浓度为6 L-1，满足催化条件。

(4)云层中下部700—3000 m西南风加强，尤其是2200 m出现西南风中心，最大风速达16 m·s-1，促进了中低云层发展。低槽冷锋在发展过程中随西南风中心下移，中低层西南风加强是层状云演变为可播云的前提。