初冬一次层状云较弱云区垂直结构的飞机观测

王 烁 张佃国* 王文青 刘 泉 吴举秀 刘 畅

1)(山东省气象局气象防灾减灾重点实验室， 济南 250031)

2)(山东省人民政府人工影响天气办公室， 济南 250031)

3)(山东省气象局大气探测技术保障中心， 济南 250031)

4)(山东省气象台， 济南 250031)

引 言

层状云主要由大尺度天气系统(切变线、锋面、低槽等)活动引起的低层气流大范围缓慢抬升形成，以稳定性降水为主，是我国北方主要降水云系，也是人工增雨的主要作业对象[1]。层状云内部降水过程较复杂，与云内过冷水、冰晶等微物理参数有密切关系；适播性研究需深入分析云内不同相态的粒子特征，总结其分布规律，指导飞机科学作业。层状云垂直结构可分为3层：冰晶层、过冷水层和暖水层[2]；按照水凝物相态分为4个发展层[3]，每层云内粒子相态特征各异，不同相态粒子谱是反映其增长过程的重要特征量，统计层状云云滴尺度谱分布[4]及冰晶、雪晶浓度空间分布特点，可揭示冷云中雪晶增长条件[5-7]，分析云的辐射特性[8-9]。层状云垂直尺度为10-1～100km，较薄可能不产生降水，较厚可产生大范围降雨或降雪[10]，对层状云开展结构探测，分析云层宏微观垂直结构配置条件，可揭示降水粒子增长机制。降水性层状云以雨层云(Ns)、层积云(Sc)、高层云(As)等多层云为主，大多伴随干层结构[11]，云中液态水含量主要由小云粒子浓度决定，粒子垂直分布不均，通常高层云上部以冰晶核化和凝华增长为主，高层云中下部冰雪晶通过凝华、碰并机制进一步长大[12]，如缺乏过冷水，云雨转化则主要依靠凝结增长，降水效率不高[13]，云中降水胚元质量增长主要在负温层[14]；地面降水主要来自于云中高层冰晶、雪、霰等冰相粒子的融化和低层云水转化[15]；层状云中垂直温度梯度接近湿绝热递减率，云顶以下常伴随1～2个逆温层，其位置和强度直接决定云粒子特性[16-17]。层状云中过冷水和冰晶共存是降水关键[18]，也是人工增雨潜力的重要指标之一[19]，云系中过冷水出现时空范围有限，需要借助先进的探测设备，对云中不同相态粒子进行识别，对0℃层高度进行判断[20]，确定最佳播撒区域。

毫米波云雷达可穿透含水量较高的混合相云层，具有探测小粒子、测速精度高、空间分辨率高等特点[21-25]，是云物理结构探测的有效技术补充，对认识云降水微物理过程有重要意义。云中水凝物相态识别是云雷达反演云微物理参数的先决条件，联合激光雷达、云雷达及微波辐射计等判断水凝物相态的算法[26]，可得到云水凝物相态的垂直分布，利用毫米波雷达反射率因子、多普勒速度、谱宽及温度阈值可判断粒子相态及形状。不同相态水凝物粒子对应不同毫米波雷达阈值，如混合相云与只含有液滴的云反射率因子阈值为-17 dBZ[27]。除反射率因子阈值特征外，混合相云中回波强度、多普勒速度、速度谱宽3条亮带高度存在差异，云层中过冷水垂直分布不连续[28]。在利用地基云雷达探测时，云内粒子相态和浓度信息需要借助反演算法得到，机载云雷达和DMT(Droplet Measurement Technologies)粒子测量系统同步观测，可实现雷达参数和云粒子参数时空匹配，弥补无法获取精确云参数的不足。

山东秋冬季层状云中含有丰富的过冷水，且冷云中冰晶数量较河北、吉林、湖南等省份偏低，云水自然转化效率低，具有较大播撒潜力[29-31]。由于初冬层状云微物理观测数据相对缺乏，为识别云中过冷水分布特征、反演云内微物理参量及揭示降水机制，利用机载Ka波段云雷达(an airborne Ka-band precipitation cloud radar,KPR)和DMT粒子测量系统对2019年11月17日层状云降水过程开展了从云顶到云底的垂直探测；利用观测资料考察云中垂直方向上粒子类型、相态、浓度及过冷水分布情况，分析高层云中冰晶浓度与雷达反射率因子相关性，讨论雨层云中雷达廓线分布成因及过冷水区雷达参数特征。

1 天气形势及探测方案

1.1 天气形势

图1为2019年11月17日14:00(北京时，下同)的天气形势，东亚地区环流呈一槽一脊特征，高压脊位于135°E附近，冷涡位于蒙古国，其后部南下的冷空气影响我国中东部大部分地区，17日上午冷锋过境山东，14:00前后850 hPa锋面已移到海上，东营地区于13:00后开始降雨，该天气系统属于第一型冷锋锋后稳定性降水。本次降水过程整体强度偏弱，持续时间短，累积降水量较小。

图1 2019年11月17日14:00的500 hPa位势高度(黑色线，单位：dagpm)、500 hPa等温线(黄色线，单位：℃)、850 hPa风场(风羽)和850 hPa相对湿度(填色)

1.2 云场实况及探测方案

为获取观测区层状云不同高度微物理参数，开展从云顶到云底的垂直探测，利用垂直结构探测数据分析云中降水粒子形成过程、云雷达参数特征。在垂直探测过程中未催化作业。由11月17日14:00—17:00 FY-2卫星红外云顶温度实况(图略)可知，云系随着冷锋自西北向东南方向移动，期间云顶温度低于-50℃的区域不断增大，14:00—16:00云系较为分散，属层状云降水初期到发展阶段，16:00后探测区域完全被降水云系覆盖，降水进入成熟阶段。

以山东济南遥墙机场为基地，空中国王350型飞机为平台(飞行航线如图2所示)，主要探测区域为东营市利津县至广饶县一线。13:18飞机从遥墙机场起飞，13:42飞至东营市利津县上空，进行6000 m至900 m海拔高度(简称高度)垂直探测，其中6000 m至4200 m高度每层间隔600 m，4200 m至900 m高度每层间隔300 m，两个点每折返1次下降1层(其中3000 m至2400 m高度单程下降两层)，共15层，每层平飞5～10 min，飞机转弯半径约为10 km，探测区域面积约为530 km2。垂直探测温度区间为-18～6℃，其中0℃层高度约为1750 m。15:50降至900 m高度，平飞探测为5 min，回升至6000 m高度返航。17:19返回遥墙机场，完成飞行探测。

图2 探测方案示意图

1.3 观测平台及数据处理

飞机观测平台搭载的机载探测仪器包括机舱内仪器操作台(control console)、北斗通讯系统(Beidou Communication System，BDS)、催化播散系统(Catalyst Distributor System)、美国Prosensing公司生产的机载Ka波段云雷达、DMT粒子测量系统。设备参数已有详细介绍[32-33]，不再赘述。

KPR以机翼为基点进行上下观测，在飞行轨迹上有噪声信号干扰观测信息，参照文献[32-33]对观测数据实施降噪处理。图3为11月17日滤除轨迹噪声并进行轨迹订正前后雷达回波对比图，订正前高度0处红色双实线即为飞机飞行轨迹(图3a)，将噪声滤除并进行高度订正后得到更接近真实的飞行轨迹(图3b黑色实线)。对多普勒速度和速度谱宽进行相同处理。订正后图中600 m高度以下红色条纹状回波为杂波干扰，分析雷达参数时仅截取600 m以上部分。

图3 2019年11月17日探测区域雷达反射率因子 (a)订正前，(b)订正后

为准确分析雷达参数特征，选取DMT粒子测量系统观测参数，主要包括热线含水仪探测的液态水含量(liquid water content,单位：g·m-3)，CDP探测的粒子谱(单位：cm-3·μm-1)，CIP探测的冰晶浓度(单位：L-1)、直径(单位：μm)及粒子图像，AIMMS30探测的温度、湿度、风速等宏观参量信息及北斗通讯系统的经纬度信息。

2 云系垂直结构和降水机制

由图3b可知层状云分为两层，中间为干层，呈高层云-干层-雨层云结构，图4分别为2019年11月17日14：12—15：55探测区域温度、液态水含量、冰晶浓度的廓线和粒子图像分布，垂直探测数据每20 m 平均1次；温度层结曲线(图4a)中黑色点划线为融化层位置。高层云探测时长为37.4 min，高度区间为3100～4500 m，云厚为1400 m，温度为-6℃到-9℃。雨层云探测时长为50.1 min，高度区间为800～2600 m，云厚为1800 m，由于降水导致雷达回波接地，结合宏观记录对雨层云厚度进行判断，温度为7℃到-4.3℃，0℃层高度为1750 m，暖区厚度为950 m，云中包含冷云冰晶和融化层以下的暖区粒子。

由液态水分布特征(图4b)可知，高层云中过冷水含量较低，平均值为0.0026 g·m-3，最大值为0.008 g· m-3。雨层云中过冷水含量丰富，集中在雨层云中部(高度为1750～2150 m)，最大浓度为0.354 g·m-3，出现在距0℃层以上500 m高度附近，与孙鸿娉等[34]统计结果一致。过冷水高值区的出现可能与大气逆温有关，温度层结曲线(图4a)有4个逆温层，分别在4200 m，3300 m，3000 m，2100 m高度，其中4200 m和2100 m的逆温层对应高层云和雨层云过冷水含量峰值高度。逆温层对乱流发展起阻滞作用，乱流减弱造成含水量聚集[35]，形成过冷水峰值区。

由冰晶浓度垂直分布(图4c)可知，云内冰晶含量丰富，集中在雨层云上部。粒子浓度参照文献[36-37]的方法，剔除CIP前两档数据，高层云冰晶平均浓度为8.2 L-1，最大为120 L-1，雨层云冰晶平均浓度为208 L-1，在2300 m和2100 m两个高度出现峰值，分别为636 L-1和448 L-1，0℃层附近的粒子浓度为160 L-1，分布特征与北方层状云观测[12]结果一致。

图4 2019年11月17日14：12—15：55探测区域垂直探测廓线

续图4

图4d为垂直探测过程中从高层云上部到雨层云底部冰晶图像随高度和温度的变化。高层云不同高度冰晶浓度差异较小，图5探测区域为不同高度冰晶谱分布，采用1 min平均数据绘制，对于3300～4200 m高度蓝色谱线最大尺度为800 μm，红色谱线最大尺度为900 μm，而高层云底部冰晶尺度有所减小，最大尺度为500 μm，且谱浓度降低。高层云由于缺乏过冷水，冰晶主要依靠水汽扩散凝华增长。

图5 2019年11月17日探测区域CIP所测不同高度谱分布

雨层云中小冰晶增长迅速，1800～3000 m高度粉色、棕色谱线比3300～4200 m高度谱线的谱浓度高约1～2个量级，但尺度有所减小，最大尺度仅为450 μm，由于冰晶浓度增加，通过利益竞争理论消耗水汽，致使无法长大。雨层云以上升气流为主，平均风速为1.4 m·s-1，有利于底部水汽输送，冰晶在下落过程中与过冷水滴碰并，尺度增大。在凇附增长过程中，过冷水滴与冰晶碰并释放潜热，可能加剧2100 m高度的逆温。

综上所述，高层云中过冷水含量低，云内相对湿度条件较好，核化后的小冰晶主要通过水汽凝华过程增长，垂直空间上谱型变化较大，表明高层云在降水发展过程中具有空间不均匀性。干层以小冰粒为主，夹杂少量高层掉落的冰晶。雨层云中过冷水含量丰富，冰晶浓度增加，尺度减小，通过碰并过冷水滴的方式进行凇附增长。

表1为1989—2019年山东秋冬季云微物理参数特征。过冷水含量平均值范围为0.002～0.093 g·m-3，冰晶浓度平均值范围为6.29～15.9 L-1。初冬层状云内过冷水含量平均值与秋季层状云相当，在11个秋季观测架次中，有4个架次过冷水含量与初冬结果相近；冰晶浓度平均值较高，在11次秋季探测结果中，有9个架次冰晶浓度平均值低于初冬结果，另2个架次冰晶浓度与初冬结果相近；初冬层状云有效样本量高于秋季探测结果。冰晶浓度小于20 L-1时，可确定为强可播区[38]，初冬层状云内过冷水较为充沛，冰晶浓度满足强可播区标准，具有一定的增雨(雪)潜力。

表1 1989—2019年山东秋冬季云微物理参数特征

3 云微物理参数特征

3.1 高层云中冰晶的增长

图6为高层云雷达回波及冰晶图像对应关系，在高层云中实施两段平飞探测，对应时间为2019年11月17日14:15—14:20和14:23—14:28，高度为4230 m和3930 m，探测范围约为50 km，将两段平飞探测区域定义为区域1和区域2。两个区域反射率因子存在一定差异，区域1内雷达反射率因子基本低于-10 dBZ，区域2云层内镶嵌较多条纹状绿色回波，雷达反射率因子约为0，表明云内冰晶有一定增长，此外云层厚度增加，且云顶出现一定程度起伏。从冰晶形状看，区域1云层中以微小状冰粒为主，约占1～2个像素，直径在25～50 μm，小冰粒中掺杂少量冰晶；区域2云层中大尺度冰晶浓度增加。

图6 2019年11月17日探测区域高层云雷达反射率因子及冰晶图像

3.2 高层云雷达反射率因子与冰晶浓度的关系及谱变化

根据雷达气象方程，冷云中雷达反射率因子主要受冰晶、雪晶等大尺度粒子主导，Plummer等[39]在分析冰晶、雪晶浓度与雷达反射率因子关系时，选择统计直径大于500 μm的粒子浓度，弱降水性层状云中高层云内冰晶尺度有限，选择统计直径大于200 μm的冰晶浓度。截取11月17日高层云中15 min 数据，每10 s平均1次，分析雷达反射率因子与冰晶浓度的关系(图7)，可见两条曲线对应一致，具有较好相关性，区域1相关系数为0.84，区域2相关系数为0.71(均达到0.01显著性水平)。

图7 2019年11月17日探测区域高层云冰晶浓度与雷达反射率因子关系

图8为11月17日区域1和区域2冰晶谱形，分别截取3段平均谱。两区域的谱形均变化平稳，随直径增加谱浓度递减分布，区域1谱浓度高于区域2。区域1出现谱中断，最大直径为700 μm，区域2谱宽大于区域1，最大直径为900 μm，不规则雪晶或冰针增多时会出现多峰分布[5]，因此区域2谱形峰值多于区域1。通常情况下,雷达反射率因子与粒子直径的6次方成正比，尺度因素决定反射率因子变化，但当谱形呈现平衡谱时[40-41]，粒子尺度变化趋势一致，反射率因子将随粒子浓度变化。图8中的冰晶谱形近似于平衡谱，区域1中3条谱线变化趋势一致，峰值与谷值对应的直径相同，区域2也有此类特征。区域2中冰晶浓度与雷达反射率因子相关性比区域1低，可能是受到粒子形状干扰，区域2中冰雪晶形状各异，雷达后向散射截面变化复杂[42-43]。

图8 2019年11月17日探测区域高层云冰晶谱分布

续图8

3.3 高层云云粒子运动

KPR多普勒速度可反映云粒子运动情况，选取区域1和区域2轨迹上方300 m区域的多普勒速度绘制箱线图(图9)，将观测数据平均划分为10段，每30 s平均1次进行对比，图中红色加号为异常数据点，正值代表粒子向上运动，负值代表粒子向下运动。KPR以机翼为基点进行上下观测，轨迹上多普勒速度为0，因此选取轨迹上方300 m区域。区域1粒子掉落平均速度为-0.8 m·s-1，幅度变化较大，上下四分位数间距约为1.5 m·s-1，两端极值可达1.8 m·s-1和-2.5 m·s-1，由于区域1以小冰粒为主，易受到云内湍流影响，多普勒速度Whisker上限为正值，即部分粒子随云内气流上升。区域2以板状冰晶为主，多普勒速度稳定在-1 m·s-1，上下四分位数间距约为0.3 m·s-1，波动较小，当降水粒子增长到一定尺度，将以稳定速度掉落，受云中上升气流影响较小。

图9 2019年11月17日探测区域多普勒速度分布

3.4 雨层云雷达参数特征及廓线

3000 m高度以下为雨层云探测。由图10可见，11月17日15:10云雷达反射率因子显著增强，超过7 dBZ，雷达回波接地，有弱降水产生。订正后多普勒速度沿轨迹上下分成正速度区和负速度区，轨迹上多普勒速度为0，多普勒速度反映粒子在垂直方向的下落末速度，规定当降水粒子移向雷达时，多普勒速度为负值，反之为正值，因此轨迹上速度出现正负差，并非速度模糊。

图10 2019年11月17日探测区域雨层云雷达参数

11月17日15:08—15:12的雷达反射率因子廓线(图11a)显示，反射率因子从2500 m高度的-9.2 dBZ 增强到1500 m高度的10 dBZ， 1200～1500 m高度稳定在10 dBZ左右，1200 m高度以下有所减弱。1750 m为0℃层高度，未出现亮带特征。同时段多普勒速度谱宽廓线(图11b)显示，从云顶至云底速度谱宽呈增大趋势，在云底达到最大，为0.736 m·s-1。

结合图4d粒子图像，雨层云上部以小冰粒为主，对应反射率因子约为-9 dBZ。随着高度降低，降水粒子尺度增加，反射率因子受小冰晶主导，增加到6 dBZ 左右，冰晶和小冰粒掉落速度不同导致速度谱宽增大。1700～1900 m高度降水粒子从冷区进入暖区，相态发生转变，小冰晶融化时间短，融化后掉落速度增大，大的冰雪晶融化时间长，未引起落速改变，因此图11b中框内出现速度谱宽跃增。速度谱宽并未在0℃层达到最大，而是在暖区进一步增大，这是由于冰雪晶穿过0℃层后仍在持续融化，在1500 m高度完全融化，具备相应大雨滴的下落速度并持续加速，而小雨滴因蒸发导致尺度减小，下落速度随之减小，大、小雨滴之间下落速度差异显著，导致谱宽不断增大。反射率因子在0℃层未表现出亮带特征，一方面由于粒子融化加速掉落，总散射能力减小；另一方面粒子处在散射振荡区，后向散射截面增大[44]，抵消融化效应的影响，导致反射率因子平稳变化，吴举秀等[45]在分析94 GHz云雷达反射率因子廓线时也发现同样现象，毫米波雷达0℃亮带特点不同于厘米波雷达，主要由粒子在不同波长电磁波下的散射特性决定。

图11 2019年11月17日15：08—15：12探测区域雨层云雷达反射率因子廓线(a)和多普勒速度谱宽廓线(黑色框内谱宽跃增)(b)

3.5 过冷水区雷达参数特征

下降到2100 m高度时，过冷水含量明显增大，最大值为0.46 g·m-3。云滴谱(图略)显示云滴呈现多峰分布，在7 μm和18 μm出现峰值，降水粒子谱浓度呈单调递减趋势，最大直径不超过575 μm。利用谱形可以判断粒子不同模态，当冰晶和云滴共存时，粒子谱出现第2峰值甚至更多峰值，且第2峰值位于24 μm以上[29]。过冷水区内平均雷达反射率因子为7.48 dBZ，多普勒速度为-2.3 m·s-1，速度谱宽为0.7 m·s-1。Shupe[26]指出当温度低于0℃且谱宽大于0.4 m·s-1时，若回波强度大于-17 dBZ或多普勒速度大于1 m·s-1，则为冰水混合相态；吴举秀等[45]等利用94 GHz地基云雷达分析层状云降水指出0℃等温线以上速度谱宽较大说明存在两种粒子分布，多普勒速度约为2 m·s-1，可能是较多过冷水滴和少量冰晶。由于一定尺度的冰雪晶存在，仅利用雷达反射率因子很难对过冷水进行识别，可结合DMT探测资料、多普勒速度或速度谱宽[46-47]等参量进行综合判断，有效识别出云内过冷水层高度。通过总结过冷水区雷达参数特征，也可为利用雷达参数反演云内微物理参量提供参考。

4 结论与讨论

利用KPR和DMT等探测设备，针对山东初冬一次弱降水性层状云进行从云顶到云底的垂直探测，综合分析云结构和云微物理参数，结论如下：

1) 云层由高层云和雨层云组成，高层云主要位于3100～4500 m高度，温度为-6℃到-9℃，云中过冷水含量较低，平均值为0.0026 g·m-3，冰晶平均浓度为8.2 L-1，尺度垂直分布不均，通过水汽凝华过程增长，最大直径为900 μm。雨层云高度区间为800～2600 m，温度为7℃到-4.3℃，0℃层高度为1750 m，云中过冷水含量丰富，集中分布在雨层云中部，最大含量为0.354 g·m-3，冰晶浓度增加，平均浓度为208 L-1，冰晶通过碰并过冷水进行凇附增长，最大直径为450 μm。

2) 高层云中冰晶浓度与雷达反射率因子相关性较好，冰雪晶谱形变化不大，近似于平衡谱分布。云内粒子运动情况不同，小冰粒速度变化幅度大，易受上升气流影响，大尺度冰晶掉落速度较为稳定。

3) 雨层云中雷达反射率因子先随高度降低而增大，1500 m至1200 m高度维持不变，1200 m高度以下强度有所减弱，未出现明显0℃亮带；速度谱宽在0℃层出现跃增，在暖区进一步增大。雨层云中存在过冷水区，平均雷达反射率因子为7.48 dBZ，多普勒速度为-2.3 m·s-1，速度谱宽为0.7 m·s-1，可以结合多种探测资料和参数对云中过冷水层高度进行综合判断。

20世纪80年代后，山东针对春秋季(3—5月和9—10月)降雨云系开展了大量的探测和统计，而初冬季节针对降水性层状云的垂直探测极少，不利于了解云中过冷水分布，揭示云内微物理过程及降水机制。由于观测数据有限，秋冬季云内微物理过程尚不能全面了解，降水机制仍不清楚，今后应注重机载观测数据的积累工作，总结层状云微物理结构及降水机制的普适性结论。