内蒙古中部一次春季透雨过程的云微物理特征分析

许志丽，衣娜娜，毕立格，于水燕，张俊成

（1.内蒙古自治区人工影响天气中心，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区人工影响天气重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051；3.内蒙古自治区赤峰市气象局，内蒙古 赤峰 024000）

引言

水资源短缺是影响我国北方地区农业发展的重要因素，尤其是干旱半干旱地区［1］。近年来，随着全球气候变暖，干旱区面积加速扩张，干旱发生频率增多，水土流失、植被破坏及自然灾害频发使得生态环境更加脆弱，因此生态环境的恢复和可持续发展一直是科学研究的热点［2］。开展人工增雨作业，有效开发空中云水资源，是维持生态环境可持续发展、缓解水资源短缺的有效手段之一［3-4］。内蒙古地区春旱发生频繁，且对农牧业发展危害较大，春季降水过程的多寡与春季干旱与否有着直接关系［5］，开展人工增雨作业增加春季降水对缓解该区域春旱有积极意义。大范围的层状冷云是我国北方春季降水的主要云体，也是为缓解北方春季干旱开展人工增雨的主要作业对象［6］。层状云的宏微观结构及降水机制与人工增雨关系密切［7］，准确认识层状云微物理特征具有重要的科学和现实意义。

飞机探测可直接实现大气温度、湿度、云中粒子相态的观测，是认识云物理过程的重要途径之一。我国云降水物理飞机探测开始于20世纪60年代，近年来研究主要集中在数值模式云微物理过程验证［8-10］、卫星及雷达遥感数据检验［11-12］、云微物理结构和降水形成机制［13-18］等方面。研究发现，层状云的微物理特征与云系所处天气系统的区域以及云顶温度、水汽含量、云层厚度等密切相关［19］，相比较而言，槽前暖锋面云系中的过冷水较丰富，冰晶数浓度较低，而槽后冷锋面云系中过冷水较少，冰晶数浓度较高。在层状云中，当云层较薄时，过冷水含量很少，冰雪晶的凝华、聚并增长起主导作用，并不符合“播撒-供给”降水形成机制；当云层较厚时，过冷水含量较为丰富，凝华、聚并和凇附增长起主导作用，基本符合“播撒-供给”降水形成机制［20］。但云体发展复杂多变，其宏微观结构特征在不同地区、不同天气系统影响下存在较明显差异，内蒙古地区目前开展的人工增雨作业中，对云体的催化还具有一定的盲目性［21］，因此有必要对云微物理结构开展更多的研究。

内蒙古自治区飞机人工增雨作业规模居全国之首，但飞机增雨作业易受到天气条件、空域申请、航线设计等因素影响，不太容易把握作业时机和部位。2018年5月10日内蒙古中部地区普降中雨，是典型的一次春季透雨过程，针对此次降水过程开展的人工增雨作业对促进春耕、牧草的生长起到了非常积极的作用，且此次过程飞行作业中取得了较为理想的探测资料，本文根据此次降水过程中增雨飞机宏、微观探测资料，分析层状云微物理结构并对适播性进行初步探讨，以期进一步提高对云体的认识，为本地科学开展人工增雨作业及改善生态环境提供一定的参考。

1 资料与方法

1.1 资料

所用资料为2018年5月10日DMT机载探测资料、探空资料等。执行人工增雨作业的运-12 B-3755飞机安装了DMT机载粒子探测系统，包括：被动腔气溶胶探头（passive cavity aerosol spectrometer probe，PCASP）、云和气溶胶探头（cloud and aerosol spectrometer，CAS）、云粒子图像探头（cloud imaging probe，CIP）、热线含水量仪（liquid water content sensor，LWC）、降水粒子图像探头（precipitation imaging probe，PIP）、飞机综合气象要素测量系统（aircraftintegrated meteorological measurement system，AIMMS-20）、云凝结核计数器（cloud condensation nuclei counter，CCN）、露点湿度计（dew point hygrometer）以及粒子分析和显示系统。表1为所用探测系统DMT探头的说明，该系统可以连续观测记录并实时显示温度、湿度、气压、飞行高度等宏观资料以及粒子数浓度、粒子谱、粒子图像、含水量等微物理量。

表1 探测系统DMT探头的说明Tab.1 Description of DMT probe of detection system

1.2 方法

云粒子数浓度N、平均直径D、液态水含量LWC的计算方法［22-23］如下：

式中：Di（μm）、N(Di)（个·cm-3·μm-1）分别为i通道中云粒子中值直径和单位体积内i通道粒子的数浓度；ΔDi为通道间隔；ρ=1 g·cm-3，为液态水密度；LWC（g·m-3）由CAS探头观测数据计算得到。

文中附图涉及地图基于内蒙古自治区地图院提供的标准地图制作，审图号为蒙S（2019）33号。

2 天气实况和增雨作业情况

2.1 天气实况

内蒙古中部地区实施人工影响天气作业最有利的降水影响系统是河套气旋［24］。2018年5月10日内蒙古中部地区受500 hPa高空槽与河套气旋影响普降中雨（图1），其中作业区（包头市、呼和浩特市）13个自动气象站中有11站24 h降水量超过10.0 mm，2站出现大雨，最大降水量31.4 mm出现在武川站。此次过程降水集中在5月10日08：00（北京时，下同）至11日08：00，是一次较为典型的春季透雨过程，表2列出了此次降水过程呼和浩特站大气参数。

图1 2018年5月10日08：00至11日08：00内蒙古中部地区降水量（单位：mm）分布Fig.1 Spatial distribution of precipitation in central Inner Mongolia from 08：00 BST May 10 to 08：00 BST May 11，2018（Unit：mm）

表2 2018年5月10日降水过程呼和浩特站大气参数Tab.2 Atmospheric parameters of Hohhot station during the precipitation process on May 10，2018

2.2 增雨作业情况

根据天气系统及云系移动情况，5月10日下午，内蒙古人工影响天气中心开展了飞机人工增雨及空中探测作业，增雨作业时间为14：56—18：02，飞机从呼和浩特白塔机场起飞后即入云，爬高后飞土默特左旗、土默特右旗、托克托县、清水河后从和林格尔县飞回呼和浩特白塔机场。催化时间为15：36—17：25，飞行过程中有大范围均匀密实雷达回波，回波强度以25 dBZ为主，最大回波强度为28 dBZ，无闪电等强天气现象。云系自西向东移动，移速约40 km·h-1，0℃层高度为3.3 km，-5、-10℃层高度分别为4.3、5.0 km，高空风向为南风偏西南向，风速6～8 m·s-1，飞行过程中飞机有轻度积冰，全程无颠簸。

图2 2018年5月10日增雨作业飞机B-3755飞行轨迹Fig.2 Flight trajectory of B-3755 airplane on May 10，2018

图2、图3分别是增雨作业飞机飞行轨迹与机载GPS探测结果。图3中坐标原点为呼和浩特白塔机场，本场高度1151 m，地面温度20.7℃；15：21飞机入云，云底高度2500 m，飞行最大高度4200 m，作业过程中温度-3℃左右，相对湿度82%～87%；作业结束后，本场温度12.7℃，相对湿度在95%以上。

图3 2018年5月10日14：56—18：02增雨作业飞机B-3755机载GPS探测数据Fig.3 Airborne GPS detection data of B-3755 airplane from 14：56 BST to 18：02 BST on May 10 of 2018

3 结果与分析

3.1 云水含量分布特征

云水含量是开展人工增雨作业的重要参照指标，本次飞行机载粒子探测系统共取得8214组（1 s一组）记录，参考HOBBS［25］提出的将云中探测到的直径大于2 μm的小云粒子数浓度超过10 cm-3作为云水区的判定标准，统计飞行作业过程中云水出现频率，在8214组记录中，8086组探测到云水，云水出现频率为98.4%，其中液态水探测不为0的记录为5295组，液态水出现频率为65.5%，探测到温度低于0℃的液态水记录为5244组，过冷水（温度低于0℃的液态水）出现频率为99.04%。云中含水量平均为0.058 g·m-3，平均液态水含量为0.089 g·m-3，作业过程中云水含量丰富。

统计不同区间液态水含量分布发现，液态水含量大于0.002 g·m-3的频率为63.53%，而液态水含量大于0.050 g·m-3的频率仅21.22%，因此，液态水含量主要在0.002～0.050 g·m-3之间（表3）。经统计，83.2%的过冷水含量大于0.01 g·m-3，32.7%的过冷水含量大于0.05 g·m-3，内蒙古中部地区层状云中过冷水含量主要在0.01～0.05 g·m-3之间，与河北地区（0.01～0.45 g·m-3）［26］、青海地区（平均0.05 g·m-3）［15］云中过冷水含量的飞机观测结果相当。

表3 液态水含量频率分布Tab.3 Frequency distribution of liquid water content

3.2 粒子数浓度分布特征

统计粒子数浓度不同区间频率分布，发现PIP降水粒子数浓度均小于5个·cm-3；CIP大云粒子数浓度大于5个·cm-3的频率为23.16%，大于10个·cm-3的频率为14.35%，平均粒子数浓度为4个·cm-3；CAS小云粒子数浓度大于5个·cm-3的频率为66.53%，大于10个·cm-3的频率为50.47%，大于20个·cm-3的频率为29.47%，平均粒子数浓度为18个·cm-3，CAS粒子数浓度主要在5～20个·cm-3之间（图4）。总体来看，降水粒子及云粒子数浓度均较小。

图4 CIP与CAS粒子数浓度不同区间频率分布Fig.4 Frequency distribution of CIP and CAS particle number concentration with different section

3.3 垂直分布特征

图5 飞机上升（a）、下降（b）阶段CAS小云粒子数浓度随高度变化Fig.5 The variation of CAS cloud particle number concentration with altitude during the aircraft ascending（a）and descending（b）phase

图6 2018年5月10日20：00呼和浩特站L波段探空图Fig.6 The L-band radiosonde of Hohhot station at 20：00 BST on May 10，2018

飞机主要采取平飞“8字形”耕云方式开展增雨作业，从飞机上升、下降阶段分析CAS小云粒子数浓度的垂直变化（图5），发现CAS小云粒子数浓度的垂直分布极不均匀，且云系为冷暖混合云结构，根据5月10日20：00呼和浩特站L波段探空（图6）显示，内蒙古中部地区0℃层高度大约为3.1 km，因此3.0 km以上主要为冷云，3.0 km以下为暖云，云体发展深厚，云粒子数浓度变化较大。上升阶段，CAS小云粒子数浓度随高度有减小趋势，而下降阶段，CAS小云粒子数浓度随高度下降略有减小。从整体作业过程来看，飞机在上升阶段，小云粒子随高度减小的趋势变化与大气中凝结核随高度减小相一致，而在飞机下降阶段，随着降水发生，降水对下方有明显的冲刷作用，雨粒子碰并云粒子的过程发生在下方，使得下方云粒子浓度略有减少，上方变化不大，上下趋同。

3.4 水平分布特征

图7 2018年5月10日15：21—17：38飞机平飞时段云物理量随时间变化Fig.7 Variation of cloud physical quantities at the plane level flight stage from 15：21 to 17：38 on May 10，2018

图7为2018年5月10日飞机平飞时所取得的DMT探测的云物理量时间序列图，其中PIP有效探测时间为15：21—16：03。可以看到云系水平分布不均匀，粒子数浓度存在明显的高低值区，在4200 m高度平飞过程中，降水粒子数浓度较小，云粒子数浓度变化较大，观测到的云粒子数浓度比降水粒子数浓度大2个量级，液态水含量在0.005～1.840 g·m-3之间，瞬时最大值（1.840 g·m-3）出现在16：10。计算16：00—17：00不同温度段云中液态水含量LWC，-2～-1℃液态水含量均值为0.045 g·m-3，-3～-2℃为0.025 g·m-3。统计发现，当CIP大云粒子数浓度大于等于20个·cm-3时，云粒子直径在200～425 μm；CAS小云粒子数浓度大于等于20个·cm-3时，云粒子以直径为3.5～11.5 μm的云滴为主，云粒子有效直径平均为8.62 μm。

结合地面降水进一步分析飞机平飞时段云微物理量特征，其中粒子中值体积直径是指云滴尺度上液水含量分布的中值。16：00—17：00飞机位于托克托县与清水河县上空，统计地面出现降水时云粒子数浓度与液态水含量（表4），当区域内有降水出现时，对应空中CIP大云粒子数浓度普遍较低，大多在10个·cm-3以下，CAS小云粒子数浓度大多在10个·cm-3以上，液态水含量大多在0.02 g·m-3以上，CIP大云粒子、CAS小云粒子平均中值体积直径分别为420.29、10.96 μm。

3.5 液态水含量与CIP云粒子数浓度分布特征

从CIP云粒子数浓度、CIP云粒子中值体积直径（MVD）与CIP计算含水量的散点图分布（图8）来看，CIP云粒子数浓度大于20个·cm-3时，LWC基本在2 g·cm-3以下，云粒子MVD主要在100～700 μm；当CIP云粒子数浓度小于15个·cm-3时，LWC均大于2 g·cm-3，此时对应的CIP大云粒子中值体积直径均大于750 μm。CIP大云粒子数浓度反映云中冰晶浓度，即自然云中冰晶多少，此次降水过程中，飞机在4.2 km高度开展增雨探测任务，CIP探测的大云粒子数浓度总体较小，当云中CIP大云粒子数浓度较小时，CIP计算含水量相对较大，此时CIP大云粒子的中值体积直径较大，说明在层状云中温度较低区域，存在自然冰晶较小、过冷水相对较丰富区域，具有较好的引晶催化潜力。

表4 2018年5月10日16：00—17：00地面出现降水时云微物理量统计Tab.4 Statistics of cloud microphysical quantities at precipitation occurrence time on the ground from 16：00 BST to 17：00 BST on May 10，2018

3.6 云粒子谱分布特征

图8 CIP计算含水量与CIP大云粒子数浓度（a）、CIP大云粒子中值体积直径（b）散点分布Fig.8 Scatter distribution of CIP water content and CIP cloud particle number concentration（a），median volume diameter of CIP cloud particle（b）

云粒子谱的变化反映云中粒子增长过程及云的微物理特征。根据飞机观测以及宏观记录表显示，飞机于16：11飞到作业区，全程在云中作业，在作业区催化播散过程中机翼出现轻度积冰现象。因此选取飞机在作业区飞行时段（16：11—17：11）分析云粒子谱特征。从催化过程中平均粒子谱合成分布（图9）可以看出，CAS小云粒子与CIP大云粒子谱型均表现为单峰型分布，且整体上呈现递减趋势，CAS小云粒子数浓度从100个·cm-3·μm-1下降到10-2个·cm-3·μm-1，CIP大云粒子数浓度从10-2个·cm-3·μm-1下降到10-5个·cm-3·μm-1，其中CAS小云粒子数浓度峰值区的粒子主要以直径为0.645～1.065 μm的云滴为主，CIP大云粒子谱峰值区的粒子主要以直径为250～375 μm的云滴为主。

图9 作业区CAS与CIP平均云粒子谱分布Fig.9 Distribution of CAS and CIP average cloud particle spectrum in operation area

4 结论与讨论

2018年5月10日受500 hPa高空槽与河套气旋共同影响，内蒙古中部地区形成稳定性层状云降水，降水过程中有成片均匀密实的雷达回波覆盖中部地区，大部地区出现中雨天气。本文利用该过程飞机宏、微观探测资料，分析内蒙古中部地区春季层状云云微物理特征，得到以下结论：

（1）飞行作业过程中液态水出现频率为65.9%，过冷水出现频率为99.04%，云中含水量平均为0.058 g·m-3，液态水含量平均为0.089 g·m-3，过冷水含量为0.010～0.050 g·m-3，作业过程中云水含量丰富，降水粒子数浓度、云粒子数浓度均较小，且云系的垂直、水平分布均表现出明显的不均匀性，云粒子谱型呈单峰分布，总体上呈现为递减趋势。

（2）飞机在层状云中下部4200 m高度、温度约-5℃平飞，当CIP大云粒子浓度小于15个·cm-3时，CIP计算含水量均在2 g·cm-3以上，CIP大云粒子中值体积直径均大于750 μm，说明在层状云中温度较低区域，存在自然冰晶较小、过冷水相对较丰富区域，具有较好的引晶催化潜力。

为进一步提高对层状云降水云系增雨催化潜力的认识，利用陶树旺等［21］研究的层状云人工增雨可播度判别指标，初步探讨此次降水过程人工增雨作业可播度，计算发现人工增雨作业可播度为30%，即此次过程中30%云区可播。计算的可播云区在总云区占比较低，这可能与此次增雨过程中飞机在云体中下部位飞行探测，而云体中下部小云粒子普遍偏低，因此造成计算的云区可播度较低。此外在此次增雨作业过程中未开展垂直探测，对云微物理的垂直特征分析不足，有待后续进一步开展探测工作。