• CN 62-1175/P
  • ISSN 1006-7639
  • 双月刊
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干旱气象, 2023, 41(3): 450-462 DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-03-0450

论文

基于飞机探测的华北南部低槽冷锋云系宏微物理结构特征

付娇,, 王姝怡, 董晓波,, 王晓青, 杨佳帅, 张健南

河北省人工影响天气中心,河北 石家庄 050021

Macro and micro physical structure characteristics of a low trough cold front cloud system in southern North China based on aircraft detection

FU Jiao,, WANG Shuyi, DONG Xiaobo,, WANG Xiaoqing, YANG Jiashuai, ZHANG Jiannan

Hebei Provincial Weather Modification Center, Shijiazhuang 050021, China

通讯作者: 董晓波(1982—),男,河北柏乡人,正高级工程师,主要从事云物理研究。E-mail:xb.dong@qq.com

责任编辑: 刘晓云;校对:王涓力

收稿日期: 2021-09-9   修回日期: 2022-05-22  

基金资助: 河北省省级科技计划(20375402D)
科技部国家重点研发计划项目(2017YFB0504002)

Received: 2021-09-9   Revised: 2022-05-22  

作者简介 About authors

付娇(1988—),女,河北灵寿人,工程师,主要从事云物理与人工影响天气研究。E-mail:fj_ryb@126.com

摘要

为科学精准地开展人工增雨作业,通过搭载机载粒子测量系统 (Particle Measuring Systems, PMS)的空中国王350飞机(编号3523)入云进行垂直和水平探测,并结合FY-2F卫星、天气雷达等资料综合分析2021年2月28日华北南部一次低槽冷锋层状云系的微物理结构和增雨作业条件。结果表明:降水云系为中低云,飞机探测到云顶高度为6 014 m,云顶温度为-17.7 ℃,云底高度低于582 m,云内0 ℃层高度为1 300 m,云体厚度大于5 400 m,暖云厚大于700 m,冷云厚大于4 700 m;卫星反演的云顶高度为5~6 km,与飞机实测值较为一致,卫星反演的云顶温度为-40~-25 ℃,比飞机实测值偏低。整个探测时段云系微物理结构不均匀,冷云内第二层冰水混合区(高度3 427~4 985 m、温度-12.4~-6.3 ℃)和第三层冰水混合区(高度5 449~6 014 m、温度-18.3~-15.3 ℃)出现云滴谱探头(Cloud Droplet Probe, CDP)探测的粒子数浓度大值区,最大值分别为146.80、170.75 cm-3,且过冷水含量分别达0.12、0.20 g·m-3。暖云内云微物理分布较均匀,在557~575 m和844~866 m两个高度层粒子数浓度均存在波动,CDP粒子数浓度值变化相对较大,云粒子图像探头(Cloud Imaging Probe,CIP)和高体积降水粒子分光仪(The High Volume Precipitation Spectrometer,HVPS)探测的粒子数浓度变化较小。冷云内云微物理分布不均匀,冷云区内在3 603~3 617 m、5 445~5 542 m和5 705~5 847 m高度层云粒子数浓度起伏变化均较大且存在多次跃增。冷云区多为固态冰相粒子,暖云区CIP和HVPS粒子谱宽均比冷云区粒子谱窄。初春时期低槽冷锋层状云系降水系统前期易出现混合层状云,云顶附近存在一定量的过冷水,找准增雨时机、增雨部位适宜播撒冷云催化剂,人工引晶催化潜力较大。

关键词: 层状云; 云微物理结构; 过冷水; 飞机探测

Abstract

In order to carry out the cloud-seeding operation scientifically and accurately, the King-air 350 aircraft (no.3523) equipped with airborne particle measurement systems (PMS) entered the cloud for vertical and horizontal detection, and combined with FY-2F satellite, weather radar and other data, the microphysical structure of a low trough cold front stratified cloud system in southern North China on February 28, 2021 and the rainfall enhancement operation conditions were comprehensively analyzed. The results show that the precipitation cloud system is a medium and low cloud. The cloud top height observed by the aircraft is 6 014 m, the cloud top temperature is -17.7 ℃, the cloud bottom height is less than 582 m, the 0 ℃ layer height in the cloud is 1 300 m, the cloud body thickness is more than 5 400 m, the warm cloud thickness is more than 700 m, and the cold cloud thickness is more than 4 700 m. The cloud top height retrieved by satellite ranged from 5 to 6 km, which is consistent with the aircraft measurement result. The cloud top temperature retrieved by satellite ranged from -40 to -25 ℃, which is lower than the aircraft measurement result. The microphysical structure of the cloud system during the whole detection period is nonuniform. In the cold cloud, the second layer of ice water mixing zone (height ranged from 3 427 to 4 985 m, temperature ranged from -12.4 to -6.3 ℃) and the third layer of ice water mixing zone (height ranged from 5 449 to 6 014 m, temperature ranged from -18.3 to -15.3 ℃) appear large particle number concentration areas detected by cloud drop probe (CDP), the maximum values are 146.80 cm-3 and 170.75 cm-3, and the supercooled water content reach 0.12 g·m-3 and 0.20 g·m-3, respectively. The microphysical distribution of warm clouds is relatively uniform. The particle number concentration fluctuates at a height of 557-575 m and 844-866 m. The particle number concentration detected by CDP varies relatively large, while the concentration of particles detected by cloud imaging probe (CIP) and by the high volumeprecipitation spectrometer (HVPS) vary relatively small.The microphysical distribution of clouds within cold clouds is not uniform. The number concentration fluctuations of cloud particle within the cold cloud region are significant at a height of 3 603-3 617 m, 5 445-5 542 m, and 5 705-5 847 m, with multiple jumps.The particle spectral widths detected by CIP and HVPS in warm cloud region are narrower than those in cold cloud region, and the cold cloud is mainly composed of solid ice particles. In the early spring, the mixed stratiform clouds are prone to appear in the early stages of precipitation systems of low trough cold front stratiform clouds, and there is a certain amount of supercooled water near the cloud top. It is suitable to identify the rain-increasing timing and the precipitation-increasing location for sowing cold cloud catalysts. Artificial seeding has great potential for catalysis.

Keywords: stratiform cloud; cloud microphysical structure; supercooled water; aircraft detection

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本文引用格式

付娇, 王姝怡, 董晓波, 王晓青, 杨佳帅, 张健南. 基于飞机探测的华北南部低槽冷锋云系宏微物理结构特征[J]. 干旱气象, 2023, 41(3): 450-462 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-03-0450

FU Jiao, WANG Shuyi, DONG Xiaobo, WANG Xiaoqing, YANG Jiashuai, ZHANG Jiannan. Macro and micro physical structure characteristics of a low trough cold front cloud system in southern North China based on aircraft detection[J]. Arid Meteorology, 2023, 41(3): 450-462 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-03-0450

引言

华北南部地处大陆性半干旱季风气候区,尤其是春季干旱多风,人工增雨对缓解旱情,促进粮食和经济作物稳产增收,改善水资源条件,优化生态环境等起到重要的积极作用。人工影响天气的关键在于找准催化作业时机和作业部位。我国北方人工增雨主要的作业对象是层状云系,为更加科学有效地进行人工影响天气作业,很有必要对层状云的宏微观结构进行精细化研究。

飞机穿云观测云粒子的记录最早出现在20世纪初,20世纪70年代出现机载粒子测量系统(Particle Measuring System, PMS)后,获得了大量的观测资料,对云微物理结构的研究和认识更加深入。Rangno and Hobbs(2005)通过飞机和雷达等,对美国温带气旋云系和地形云进行了探测试验,提出 FSSP-100探头探测到的大于2 μm的云粒子总数浓度超过10 cm-3时,可看作是云水区。1958年我国开始开展人工影响天气研究,近几年我国北方各省开展了一系列的飞机穿云探测(秦彦硕等,2015;李宝东等,2014;彭亮等,2007;张景红等,2020),对北方地区的云降水物理特征有了进一步的认识(雷恒池等,2008;石爱丽,2005)。孙玉稳等(2015)对河北秋季层状云物理结构分析发现河北地区适宜增雨作业的云系为中、低或高、中、低搭配的层状云。孙霞等(2012)提出在石家庄市及南部周边县(市),当云滴数浓度大于10 cm-3,液态水含量(Liquid Water Content, LWC)大于0.001 g·m-3时可定义云的出现。李义宇等(2011)分析山西省一次层状云降水过程,发现受冷锋影响时,云滴谱呈双峰或多峰型,谱宽较宽,是锋前层积云的典型谱型。庞朝云等(2013)对甘肃省河西地区一次降水天气过程进行分析发现冷层粒子尺度明显大于暖层,不同谱型引起的冰雪晶增长机制不同。

以往对华北南部层状云宏微观特征的研究聚焦于垂直特征分析,本文基于前人研究成果,利用2021年2月28日华北南部一次低槽冷锋天气系统影响下飞机在降水性层状云中垂直和水平探测资料,综合多项粒子特征量,多角度、多维度进一步分析降水性层状云结构的垂直和水平微物理量演变特征,以期提高对该区域该类云的云结构演变特征的认识及为人工增雨雪工作提供一定的参考。

1 仪器和资料

1.1 探测仪器及分析工具

使用2021年2月28日空中国王350飞机(编号3523)的探测资料和随机人员的宏观记录、天气资料、FY-2F卫星反演云参数产品、邯郸多普勒天气雷达(SA型)资料等进行综合分析。

机载探测仪器主要有DMT(Droplet Measurement Technoligies)公司生产的云滴谱探头(Cloud Droplet Probe, CDP)、云粒子图像探头(Cloud Imaging Probe, CIP),SPEC公司生产的高体积降水粒子分光仪(The High Volume Precipitation Spectrometer, HVPS)、云粒子成像仪(Cloud Particles Imager, CPI)。Nevzorov厂家生产的热线含水量仪,可以实际探测云内LWC和总含水量。Aventech公司生产的飞机综合气象要素测量系统(Aircraft-Integrated Meteorological Measurement System, AIMMS-20)和全球定位系统(Global Positioning System,GPS)等设备。仪器参数见表1

表1   机载探测仪器参数

Tab.1  Airborne instrumentations and their operational parameters

仪器名称测量内容测量范围(通道)分辨率
CDP云滴粒子数浓度、尺度谱、云中含水量等2~50 μm (30通道)各通道分辨率不同
CIP大云滴、冰雪晶粒子数浓度、尺度谱、粒子图像等25~1 550 μm (62通道)25 μm
HVPS冰雪晶、雨滴粒子数浓度、尺度谱、粒子图像等150~19 200 μm (61通道)各通道分辨率不同
CPI云与降水粒子图像10~2 000 μm (—)2.3 μm
热线含水量仪液态水含量和总含水量0.05~3 g·m-3(—)
AIMMS-20经纬度
海拔0~13.7 km,精度18.3 m(—)1 m
温度-50~50 ℃(—)0.01 ℃

注: “—”表示无通道。

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文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网下载的审图号为GS(2022)1873号标准地图制作,底图无修改。文中时间均为北京时。

1.2 飞行概况及数据处理

表2列出了飞行概况。飞机于2021年2月28日09:52从正定机场起飞,10:34飞至赵县以10 km为半径,从581 m盘旋上升至5 451 m(图1中虚线框a段)时因限制高度,探测点向东偏移,再由5 451 m爬升至6 781 m(图1中虚线框b段)飞至临城,之后在5 700 m左右高度进行平飞探测,12:58探测结束。卫星云图(图略)显示飞行区域为大范围层状云,云顶较为平缓。CDP探测云粒子数浓度大于10 cm-3、热线含水量仪观测LWC大于0.001 g·m-3作为入云的判断标准(孙霞等,2012)。本文选取1个垂直探测(图1中虚线框a、b段)和5个平飞时段(图1中①②⑤及垂直探测中的2个平飞时段③④)。图1虚线框内雷达组合反射率因子均为5~10 dBZ,雷达回波垂直结构比较均匀,此次降水过程为比较稳定的层状云降水,故将虚线框a、b段进行合并分析赵县地区云系的垂直结构特征。此外对探测数据进行以下处理:垂直探测阶段有2个平飞阶段,在分析赵县云系垂直结构时对平飞阶段的数据取平均值;CDP、CIP、HVPS探测粒子数浓度数据和热线含水量仪探测的含水量均进行了5 s滑动平均处理;利用CIP探测数据分析冰晶或冰晶聚合体数浓度时,参考相关研究(康增妹等,2020;刘伟等,2021)去掉直径小于100 μm的粒子数浓度数据。

表2   飞行概况

Tab.2  Flight overview

飞行时间飞行高度/m(飞行方式)飞行区域机上宏观记录
10:20:51—10:30:30844~866(水平飞行)赵县赵县高度限制东移
10:32:21—10:34:27557~575(水平飞行)赵县
10:34:31—11:24:14582~6 781(盘旋上升)赵县因为限制高度,探测点向东偏移,5 942 m高度出云见蓝天
10:54:49—10:57:043 603~3 617(水平飞行)赵县
11:09:57—11:17:045 445~5 542(水平飞行)赵县、宁晋、柏乡
11:41:14—12:20:075 705~5 847(水平飞行)高邑、柏乡、临城、赞皇

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图1

图1   沿飞行轨迹雷达组合反射率时间-高度剖面(单位:dBZ)

(编号①~⑤与表2相对应;虚线框a、b为垂直探测时段,飞行高度分别为582~5 451 m、5 451~6 781 m)

Fig.1   The time-height cross section of radar combination reflectivity along the flight trajectory (Unit: dBZ)

(Numbers ①-⑤ correspond to Tab.2; Dotted boxes a and b stand for vertical detection period, the flying heights are 582-5 451 m and 5 451-6 781 m, respectively)


2 天气概况

受高空浅槽和冷锋影响,2021年2月28日至3月1日,地处华北地区的河北省出现大范围雨雪天气。28日08:00(图2),500 hPa东亚受纬向环流控制,多短波扰动,飞机飞行区域处于两个浅槽间的弱脊区。从地面天气图(图略)上看,低压倒槽伸展至河套地区,冷锋锋面位于42°N附近(河北北部),呈东西走向,冷空气受高压前部的偏东气流引导向河北中南部渗透,随后,锋面缓慢南压,河北中南部偏东风有所加强,冷空气在太行山东麓质量堆积,形成冷垫并在迎风坡抬升。850 hPa偏南暖湿气流在冷垫上爬升,形成大范围中低云。随着系统东移,至20:00,500 hPa槽线移至山西省,受补充冷空气影响,华北南部降水持续并有所加强。飞行时段(09:52—12:58)内,探测云系主要为受回流影响形成的中低云。

图2

图2   2021年2月28日08:00 500 hPa位势高度场(蓝色实等值线,单位:dagpm)、温度场(红色虚等值线,单位:℃)和风场(风矢量,单位:m·s-1

Fig.2   The 500 hPa geopotential height (the blue solid contours, Unit: dagpm), temperature (the red dashed isolines, Unit: ℃) and wind field (wind vectors, Unit: m·s-1) at 08:00 on February 28, 2021


3 云微物理结构特征

3.1 云粒子数浓度、含水量和温度的垂直分布特征

通过对赵县云系垂直结构的探测结果进行综合分析发现,6 014 m高度层以上CDP探测数浓度小于1 cm-3[图3(a)],CIP[图3(b)]和HVPS[图3(c)]探测数浓度接近0,故可以认为云顶高度为6 014 m。因赵县附近没有云高仪,依据飞机探测数据,582 m高度层CDP探测数浓度大于10 cm-3,LWC大于0.001 g·m-3[图3(d)],飞行宏观记录中记载582 m开始上升垂直探测,下不可见地面,说明582 m高度层飞机在云中探测,云底高度低于582 m。故认为云体厚度大于5 400 m,云内0 ℃层高度为1 300 m,暖云厚大于700 m,冷云厚大于4 700 m。

图3

图3   赵县上空CDP(a)、CIP(b)、HVPS(c)探测的云粒子数浓度以及含水量和温度(d)垂直分布

(红色虚线框区域代表强可播区)

Fig.3   Vertical distribution of cloud particle number concentration detected by CDP (a), CIP (b), HVPS (c) and water content and temperature (d) over Zhaoxian

(The red dotted boxes represent the strong seeding areas)


飞机探测的赵县上空云系为冷暖混合云(图3),暖云区高度为582~1 300 m,冷云区高度为1 300~6 014 m,冷云区有3层冰水混合区,有2层冰云区。第一层冰水混合区高度为1 300~2 129 m,第二层冰水混合区高度为3 427~4 985 m,第三层冰水混合区高度为5 449~6 014m;第一层冰云区高度为2 133~3 424 m,第二层冰云区高度为4 987~5 448 m。

暖云区内,温度为0~3.1 ℃,CDP探测的粒子数浓度随高度降低明显增大,CDP粒子数浓度最大值达1 069.78 cm-3,液态水很丰富,LWC最大值达0.49 g·m-3。CDP谱型呈单峰分布,CDP探测的粒子直径在35.0 μm以下,其中20.0 μm和7.5 μm以下的粒子最多[图4(a)]。CIP和HVPS探测的粒子数浓度明显降低,CIP和HVPS粒子谱宽明显变窄[图4(b)],HVPS探测的粒子直径明显变小,集中在600.0~1 000.0 μm[图4(c)]。CPI实拍图片显示(图略),暖云区中有小水滴、大水滴、未完全融化的冰晶,以小水滴和大水滴为主。

图4

图4   3种探头云粒子谱垂直变化

(a)CDP, (b)CIP, (c)HVPS

Fig. 4   The vertical variation of cloud particle spectrum by three types of probe

(a) CDP, (b) CIP, (c) HVPS


冷云区内,第一层冰水混合区内,温度为-2.8~0 ℃,CDP粒子数浓度最大值达202.48 cm-3,过冷水含量达0.23 g·m-3,CIP和HVPS粒子数浓度均明显增大,CIP粒子数浓度波动范围为2.78~11.17 L-1,HVPS粒子数浓度波动范围为0.65~1.42 L-1,CIP和HVPS粒子谱宽均比暖云区变宽,粒子直径也比暖云区大,CPI实拍图片显示云中有过冷水、柱状冰晶及不规则形状的冰晶和冰晶聚合体。第二层冰水混合区内,温度为-12.4~-6.3 ℃,CDP、CIP和HVPS探测的粒子共存,CDP粒子数浓度最大值达146.80 cm-3,CIP和HVPS粒子数浓度有波动,CIP粒子数浓度波动范围为2.0~13.5 L-1,HVPS粒子数浓度波动范围为0.7~2.1 L-1,过冷水含量达0.12 g·m-3。CPI实拍图片显示云中有凇附冰晶、不规则形状的冰晶及冰晶聚合体,少量的过冷水。第三层冰水混合区内,温度为-18.3~-15.3 ℃,CDP粒子数浓度最大值达170.75 cm-3,CIP粒子数浓度最大值为7.3 L-1,HVPS粒子数浓度最大值为1.8 L-1,过冷水含量达0.20 g·m-3。CDP、CIP和HVPS谱型均呈单峰分布,CDP粒子直径主要集中在20.0 μm,CIP和HVPS谱宽明显变宽,粒子直径明显变大。CPI实拍图片显示云中有凇附冰晶、不规则形状的小冰晶和冰晶聚合体、较丰富的过冷水。

冷云区两个冰云区中CDP粒子数浓度均较小,但为CIP和HVPS粒子数浓度大值区,CPI显示云内以大于100 μm的冰晶和冰晶聚合体为主。第一层冰云区内,温度为-6.3~-3.0 ℃,固态水含量(Ice Water Content, IWC)达0.35 g·m-3,云内有凇附冰晶、不规则形状的冰晶和冰晶聚合体,以不规则形状的冰晶为主;第二层冰云区内,温度为-15.3~-12.4 ℃,IWC较低为0.15 g·m-3,CIP谱型呈双峰分布,谱宽明显变宽,峰值分别出现在粒子直径为150.0 μm和1 300.0 μm附近。HVPS谱型呈单峰分布,谱宽明显变宽,粒子直径主要在2 000.0 μm以下,尤其以600.0~1 500.0 μm的粒子最多。云内有柱状、宽枝状、板状、不规则形状的冰晶及冰晶聚合体,冰晶聚合体明显增多。

陶树旺等(2001)研究指出利用飞机云物理观测识别云可播条件的方法:当CDP粒子数浓度大于等于20 cm-3的云区才具有一定的可播性,满足上述条件下,如果CIP粒子数浓度小于20 L-1时可确定为强可播区,否则为可播区。利用该判别方法确定云区的可播性,认为图3中红色虚线框区域为强可播区,分别为云内第二层冰水混合区(温度-12.4~-6.3 ℃)和第三层冰水混合区(温度-18.3~-15.3 ℃),均存在一定量的过冷水,适宜人工播撒冷云催化剂,人工引晶催化潜力较大。

3.2 卫星反演参数产品

2月28日整个云系自西南向东北移动,移速约15.3 km·h-1。28日11:20飞机探测云体的云顶高度为6 014 m、云顶温度为-17.7 ℃。根据云系的移速和移向可知,该云体11:00大概在图5(a)图5(b)中紫色方框区域位置,卫星反演的云顶高度为6~7 km,云顶温度为-40~-30 ℃。飞机探测和卫星反演的云顶高度比较一致,但卫星反演的云顶温度偏低,由于飞机探测和卫星探测的时间和空间分辨率有差异,这可能是飞机探测与卫星反演的云顶高度有差异的原因,具体原因需要进一步研究。11:00飞机探测高度为4 048 m,未探测到云顶,云内0 ℃层高度在1 300 m附近,云体厚度大于4 000 m,过冷层厚度大于2 700 m,卫星反演的过冷层厚度为2 500~3 500 m。10:00飞机探测区域内卫星反演的光学厚度为12左右,11:00为48左右,12:00—13:00云体分布均匀且稳定,光学厚度在24左右。10:00飞机探测区域内卫星反演的TBB(Black Body Temperature)在-25 ℃左右,11:00在-30 ℃左右,12:00—13:00为-40~-30 ℃(图略)。经过对比发现,卫星反演的云顶高度和过冷层厚度较为可信,与飞机实测结果较为一致,卫星反演的云顶温度存在一定误差,比飞机实测的云顶温度偏低。

图5

图5   2021年2月28日11:00 FY-2F卫星反演的云顶高度(a,单位:km)和云顶温度(b,单位:°C)

(紫色方框区域为11:20飞机观测云体的位置)

Fig.5   Cloud top height (a, Unit: km) and cloud top temperature (b, Unit: °C) retrieved by FY-2F satellite at 11:00 on February 28, 2021

(The purple box area shows the position of the cloud observed by aircraft at 11:20)


3.3 各高度层的各类粒子谱型

为分析不同高度层粒子谱异同,选取各高度层每5 s的平均值,高度层分别为5 802、5 714、5 541、4 651、4 472、4 206、4 025、1 387、1 249、997 m。由图6可见,CDP和CIP之间、CIP和HVPS之间,均有部分探头档位重合,但是重合部分在谱型和量级上存在差异,CDP、CIP、HVPS探头的各通道分辨率不同,这些也会对谱型造成影响(彭冲等,2016)。CDP粒子谱型多呈双峰型和多峰型分布,这是因为乱流和上升气流比较强,粒子吸附水汽、凝结增长和随机碰并等共同作用,形成许多大云滴。在5 802 m[图6(a)]、4 651 m[图6(d)]、4 206 m[图6(f)]、4 025 m[图6(g)]、1 387 m([图6(h)]、1 249 m[图6(i)]、997 m[图6(j)]高度CDP粒子谱型呈双峰分布,峰值大多出现在粒子直径为6.5 μm和12.0 μm附近;在5 714 m[图6(b)]、5 541 m[图6(c)]、4 472 m[图6(e)])高度CDP粒子谱型呈多峰分布。随高度降低CDP谱宽先变窄(4 651~5 802 m高度层,谱宽变化范围为19~43 μm),后变宽(1 249 m高度,谱宽增宽至37 μm),高度降低至997 m时,谱宽变窄为29 μm;粒子数密度出现明显波动,CDP粒子数密度最大值从23 505 L-1·μm-1增大至44 824 L-1·μm-1,再降低至9 123 L-1·μm-1,随高度降至0 ℃层以下后CDP粒子数密度又出现明显增加。不同高度CIP粒子谱形状基本一致,基本符合指数型分布,谱宽没有明显变化,均在1 500 μm左右。4 206、4 651 m高度粒子数密度从0.1~1.0 L-1·μm-1降至10-3 L-1·μm-1,其余高度层粒子数密度从1~10 L-1·μm-1降至10-3 L-1·μm-1。HVPS谱在不同高度上存在略微的量级和谱型差异,谱宽随高度降低变化与粒子谱[图4(c)]的垂直变化一致,5 541 m高度谱宽增宽至7 000 μm,4 000 m高度左右谱宽变窄,0 ℃层附近(1 200~1 300 m)谱宽变宽,1 000 m高度以下谱宽变窄。结合CIP(图略),5 802 m和5 714 m高度云层中有过冷水、板状、柱状和不规则形状的冰晶,5 541 m云层中有过冷水、枝状、宽枝状、柱状凇晶、不规则形状的冰晶聚合体和小冰晶。4 025~4 651 m云层中冰晶聚合体明显增多,小冰晶及过冷水明显减少。1 387 m以下冰晶掉落至0 ℃层以下开始融化,1 249 m高度小冰晶和小水滴明显增多,997 m云层以小云滴和小雨滴为主,暖云区内小云滴和小雨滴明显增多。

图6

图6   不同高度层3种探头探测的粒子谱

(a)5 802 m,(b)5 714 m,(c)5 541 m,(d)4 651 m,(e)4 472 m,(f)4 206 m,(g)4 025 m,(h)1 387 m,(i)1 249 m,(j)997 m

Fig.6   The particle spectrum detected by three types of probe at different level

(a) 5 802m, (b) 5 714 m, (c) 5 541 m, (d) 4 651 m, (e) 4 472 m, (f) 4 206 m, (g) 4 025 m, (h)1 387 m, (i) 1 249 m, (j) 997 m


3.4 各高度分层探测

3.4.1 暖云区平飞探测

28日10:20:51—10:34:27飞机在暖云区有两段平飞探测,飞行高度分别为844~866 m、557~575 m,温度分别为1.4~1.8 ℃、3~3.3 ℃,飞行时探测结果如图7图8所示。第一段平飞探测CDP粒子数浓度总体较大,有明显波动,波动范围449~1 215 cm-3,平均数浓度721.3 cm-3; LWC也存在明显波动,波动范围0~0.670 g·m-3,平均值为0.180 g·m-3;CDP粒子数浓度在10:22之前、10:23前后、10:24:30、10:25前后、10:27之前、10:28之后、10:30前后出现10次峰值,LWC相应出现峰值;CDP粒子数浓度在10:21:30、10:24、10:25之前、10:26:30、10:28之前、10:29之前出现6次谷值,LWC相应出现谷值,LWC整体波动趋势与CDP粒子数浓度的波动趋势较为一致。CPI探头显示云内为水滴和未融化的小冰晶,以水滴为主。CIP粒子数浓度偏小,最大值1.50 L-1,HVPS粒子数浓度最大值0.30 L-1。CDP粒子谱呈三峰分布,峰值在8、13、14 μm附近,谱宽较宽;CIP粒子谱不连续说明CIP探测的冰晶粒子较少;HVPS粒子谱呈双峰分布,峰值分别出现在粒子直径为400、1 000 μm附近,为冰晶融化后的小水滴碰并形成的大水滴。

图7

图7   飞机在844~866 m高度水平飞行时的探测结果

(a)CDP粒子数浓度,(b)CIP粒子数浓度,(c)HVPS粒子数浓度,(d)LWC,(e)CDP粒子谱,(f)CIP粒子谱,(g)HVPS粒子谱,(h)CPI探测的粒子图像

Fig.7   The results detected by the aircraft at flying horizontally stage at a height of 844-866 m

(a) particle number concentration detected by CDP, (b) particle number concentration detected by CIP, (c) particle number concentration detected by HVPS, (d) liquid water content, (e) particle spectrum detected by CDP, (f) particle spectrum detected by CIP, (g) particle spectrum detected by HVPS, (h) particle images detected by CPI


图8

图8   飞机在557~575 m高度水平飞行时探测结果

(a)CDP粒子数浓度,(b)CIP粒子数浓度,(c)HVPS粒子数浓度,(d)LWC,(e)CDP粒子谱,(f)CIP粒子谱,(g)HVPS粒子谱,(h)CPI探测的粒子图像

Fig.8   The results detected by the aircraft at flying horizontally stage at a height of 557-575 m

(a) particle number concentration detected by CDP, (b) particle number concentration detected by CIP, (c) particle number concentration detected by HVPS, (d) liquid water content, (e) particle spectrum detected by CDP, (f) particle spectrum detected by CIP, (g) particle spectrum detected by HVPS, (h) particle images detected by CPI


第二段平飞探测过程中CDP粒子数浓度均较大,后期存在显著波动,CDP粒子数浓度范围为22.84~1 033.50 cm-3,与第一段平飞探测相比LWC有所下降,为0.496 g·m-3,CIP粒子数浓度偏小,最大值1.01 L-1,HVPS粒子数浓度最大值0.29 L-1,CPI显示云内为水滴和少量未融化的小冰晶。CDP粒子谱型呈双峰分布,峰值出现在粒子直径为7.5 μm和15 μm附近,谱宽较宽。CIP粒子谱不连续,说明CIP探测到的冰晶粒子较少。HVPS粒子谱型呈双峰分布,峰值集中在350 μm和1 000 μm附近。

综上所述,在暖云区内CDP粒子数浓度均较大,CIP和HVPS粒子数浓度均较小,CDP粒子谱型呈多峰分布,CIP粒子谱不连续。主要是由于冰相粒子在落入0 ℃层以后开始融化,小云滴主要以碰并增长方式为主发展为大云滴或雨滴。通过暖云区两个高度层的探测对比发现,两者的微物理参量空间分布均比较一致,说明暖云区内云微物理分布较均匀稳定。

3.4.2 冷云区平飞探测

10:54:49—12:20:07飞机在冷云区有三段平飞探测,飞行高度分别为3 603~3 617 m、5 445~5 542 m、5 705~5 847 m,相应温度分别为-6.9~-6.7 ℃、-15.8~-14.9 ℃、-16.9~-14.7 ℃。飞行时探测结果如图9图10图11所示。

图9

图9   飞机在3 603~3 617 m高度水平飞行时的探测结果

(a)CDP粒子数浓度,(b)CIP粒子数浓度,(c)HVPS粒子数浓度,(d)LWC,(e)CDP粒子谱,(f)CIP粒子谱,(g)HVPS粒子谱,(h)CPI探测的粒子图像

Fig.9   The results detected by the aircraft at flying horizontally stage at a height of 3 603-3 617 m

(a) particle number concentration detected by CDP, (b) particle number concentration detected by CIP, (c) particle number concentration detected by HVPS, (d) liquid water content, (e) particle spectrum detected by CDP, (f) particle spectrum detected by CIP, (g) particle spectrum detected by HVPS, (h) particle images detected by CPI


图10

图10   飞机在5 445~5 542 m高度水平飞行时的探测结果

(a)CDP粒子数浓度,(b)CIP粒子数浓度,(c)HVPS粒子数浓度,(d)LWC,(e)CDP粒子谱,(f)CIP粒子谱,(g)HVPS粒子谱,(h)CPI探测的粒子图像

Fig.10   The results detected by the aircraft at flying horizontally stage at a height of 5 445-5 542 m

(a) particle number concentration detected by CDP, (b) particle number concentration detected by CIP, (c) particle number concentration detected by HVPS, (d) liquid water content, (e) particle spectrum detected by CDP, (f) particle spectrum detected by CIP, (g) particle spectrum detected by HVPS, (h) particle images detected by CPI


图11

图11   飞机在5 705~5 847 m高度水平飞行时的探测结果

(a)CDP粒子数浓度,(b)CIP粒子数浓度,(c)HVPS粒子数浓度,(d)LWC,(e)CDP粒子谱,(f)CIP粒子谱,(g)HVPS粒子谱,(h)CPI探测的粒子图像

Fig.11   The results detected by the aircraft at flying horizontally stage at a height of 5 705-5 847 m

(a) particle number concentration detected by CDP, (b) particle number concentration detected by CIP, (c) particle number concentration detected by HVPS, (d) liquid water content, (e) particle spectrum detected by CDP, (f) particle spectrum detected by CIP, (g) particle spectrum detected by HVPS, (h) particle images detected by CPI


冷云区第一段平飞探测,CDP粒子数浓度起伏变化较大,10:55:15—10:56:27 CDP粒子数浓度出现两次跃增,最大增加至102.75 cm-3,之后减少至几乎为0。上述时段内CDP粒子数浓度均大于10 cm-3,依据Rangno and Hobbs(2005)的观点“FSSP-100探头探测出的云粒子总数浓度超过10 cm-3时看作是云水区”,因此上述时段(10:55:15—10:56:27)探测的云区为云水区。过冷水含量总体偏低,但出现了两次跃增,跃增后值分别为0.014、0.037 g·m-3。CIP和HVPS粒子数浓度变化趋势基本一致,10:55:45(CDP粒子数浓度出现第二次跃增时)之后呈增大趋势。云水区温度-6.9~-6.7 ℃,CIP粒子数浓度低于20 L-1,且CPI探测显示云内有不规则形状的冰晶和过冷水,根据陶树旺等(2001)的研究,可以认为此次探测区域内的云水区适合人工催化作业。CDP粒子谱型呈单峰分布,峰值出现在粒子直径为8 μm附近,谱宽较窄;CIP谱由不连续逐渐连续,说明冰晶逐渐增加;HVPS粒子谱峰值出现在粒子直径为600 μm和2 000 μm附近,主要为一部分凇晶和破碎的冰晶。

冷云区第二段平飞探测,CDP数浓度有3次跃增,其中在11:11:44—11:11:57 CDP粒子数浓度跃增至32.5 cm-3,11:12:30—11:15:25跃增至131.7 cm-3,11:16:36—11:16:41跃增至62.7 cm-3;过冷水含量总体偏低,其出现跃增的时段(11:13:00—11:14:30)在CDP粒子数浓度出现第二次跃增的时段内,过冷水含量从0.0 036 g·m-3跃增至0.054 g·m-3。CDP粒子谱型呈单峰分布,8 μm以下粒子最多;CIP粒子谱宽没有太大变化,谱型以双峰为主;HVPS粒子谱主要呈单峰型分布,直径在3 000 μm以下,尤其1 500 μm以下粒子最多。CPI探头显示云内有过冷水、柱状、板状、枝状、宽枝状、凇晶、霰以及不规则形状的冰晶和冰晶聚合体。

冷云区第三段平飞探测,CDP、CIP、HVPS云粒子数浓度起伏变化均较大且存在多次跃增,11:41—11:55 CDP粒子数浓度有4次跃增,跃增后数浓度均大于10 cm-3,最大值为177.66 cm-3,过冷水含量也存在多次跃增,最大值为0.14 g·m-3。CDP粒子谱不连续,云水区谱宽增加,直径在30 μm以下,尤其9 μm以下粒子最多,谱型呈双峰分布;CIP粒子谱型呈单峰分布,在12:06—12:11及12:15—12:20谱宽变宽、粒子数浓度增大;HVPS粒子谱型呈单峰分布,粒子直径集中分布在1 000 μm以下;CPI探测显示云内有过冷水、柱状、板状、宽枝状、凇晶、霰以及不规则形状的冰晶和冰晶聚合体。

通过冷云区3个高度层的探测对比发现,CDP粒子数浓度起伏变化最大,CIP和HVPS粒子数浓度变化相对较小,CDP谱不连续,云粒子形态主要以固态冰相粒子为主,相同高度不同位置上粒子谱型、数浓度均存在差异,说明冷云区内各微物理参量分布不均匀。

4 结论

通过搭载机载粒子测量系统的空中国王350飞机(编号3523)入云进行垂直和水平探测,并结合FY-2F卫星、天气雷达等资料,综合分析2021年2月28日华北南部一次低槽冷锋层状云系的微物理结构和增雨作业条件,得到以下结论:

(1)飞机探测时段处于天气系统前期,此时地面已经出现降水。飞机探测结果显示降水云系为中低云,云顶高度为6 014 m、云顶温度为-17.7 ℃,云底高度低于582 m,云内0 ℃层高度为1 300 m,云体厚度大于5 400 m,暖云厚大于700 m,冷云厚大于4 700 m;卫星反演的云顶高度为5~6 km、云顶温度为-40~-25 ℃,过冷层厚度为2 500~3 500 m;卫星反演的云顶高度和过冷层厚度较为可信,与飞机实测结果较一致,卫星反演的云顶温度存在一定误差,比飞机实测的云顶温度偏低。

(2)冷云区主要以固态冰相粒子为主,第二层冰水混合区(高度3 427~4 985 m、温度-12.4~-6.3 ℃)和第三层冰水混合区(高度5 449~6 014 m、温度-18.3~-15.3 ℃)为CDP粒子数浓度大值区,最大值分别为146.80、170.75 cm-3,均存在过冷水,过冷水含量分别达0.12和0.20 g·m-3;冷云区存在两个冰云区,第一个冰云区高度为2 133~3 424 m,第二个冰云区高度为4 987~5 448 m,均是CIP和HVPS粒子数浓度大值区。冷云区不同高度CDP谱呈双峰型和多峰型分布,CIP谱形状基本符合指数型分布,谱宽没有明显变化,HVPS谱在不同高度上存在略微的量级和谱型差异,谱宽随高度降低变化与粒子谱的垂直变化一致。冰相粒子落入0 ℃层以下进入暖云区开始融化,由于粒子相态的转变,暖云区CIP和HVPS的谱宽变窄且谱型呈单峰分布。

(3)平飞探测中,暖云区在557~575 m和844~866 m高度,CDP粒子数浓度均有明显波动且峰值均较大,最大值能达到1 215 cm-3,CIP和HVPS粒子数浓度均较小,CDP粒子谱型呈三峰和双峰分布,CIP粒子谱均不连续,HVPS粒子谱型均呈双峰分布,暖云内云微物理分布较均匀。冷云区在3 603~3 617 m高度层CDP粒子数浓度变化较大,有两次跃增,最大值为102.75 cm-3,CDP粒子谱型呈单峰分布,CIP粒子谱型由不连续逐渐连续,HVPS粒子谱型呈双峰分布;在5 445~5 542 m高度层,CDP粒子数浓度有三次跃增,最大值为131.70 cm-3,CDP粒子谱型呈单峰分布,CIP粒子谱型以双峰为主,HVPS粒子谱型以单峰为主;在5 705~5 847 m高度层,云粒子数浓度起伏变化均较大且存在多次跃增,CDP粒子数浓度最大值为177.66 cm-3,CDP粒子谱不连续,CIP和HVPS粒子谱型均呈单峰分布,冷云区云微物理分布不均匀。

结合整个探测分析,云系在整个时段的微物理结构不均匀,冷云区冰相粒子主要以凝结和凇附方式增长发展,落入暖区后融化为液态粒子,通过碰并增长发展。通过对本个例的深入分析,初春时期低槽冷锋层状云系降水系统前期易出现混合层状云,云顶附近存在一定量的过冷水,找准增雨时机、增雨部位适宜播撒冷云催化剂,人工引晶催化潜力较大。

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2018年1月22日在邢台市区倒槽天气系统在低空形成的层状云中利用空中国王飞机搭载的粒子测量系统对水云进行催化作业探测资料, 通过催化前后不同尺度的云粒子微物理变化和卫星监测结果, 研究人工催化后效果响应, 人工催化后目标云效果响应是降水量增加与催化作业之间证据链的重要一环, 为增水效果分析提供坚实基础。结果表明, 冬季冷云发展过程中, 当云凝结核较为同一、 且云被限制在某一层内, 形成浅薄云层时, 云粒子均质增长形成直径为4~6 μm过冷水滴组成的水云, 最大含水量为0.2 g·m<sup>-3</sup>; 催化作业后, 人工冰核消耗丰富的过冷水迅速增长形成冰晶及冰晶聚合体, 催化使云粒子浓度200 cm<sup>-3</sup>迅速降到15 cm<sup>-3</sup>, 100~1000 μm冰晶和雪晶浓度增长到150 L<sup>-1</sup>, 1000 μm以上降水粒子浓度增长到70 L<sup>-1</sup>, 出现直径达6000 μm雪花, 表明催化促进降雪形成; 催化影响区形成无云或少云云区, 葵花8卫星云图上沿催化轨迹呈现为深色云带, 表明此次催化作业效果显著。

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