世界气象组织在2001年发表的《关于人工影响天气现状的声明》（WMO，2001）中指出，地形云是人工增雨效率较高的催化作业云系，这一观点得到国内外大量人工增雨试验结果的验证，增雨效率可达15%以上（Pokharel et al.，2014；Jing et al.，2016；Xue et al.，2016），具有较高的催化潜力和可行性。有效开展地形云人工增雨的前提是深入认识目标地形云的云和降水特征。因此，在六盘山区开展地形云观测试验，研究其宏微观特征，对于宁夏地区人工增雨（雪）工作的科学实施具有重要的理论支撑意义。

20 世纪50年代以来，国外学者针对地形云开展了一系列观测试验研究。Leopold（1949）发现，由于夏威夷群岛的阻挡，信风会生成驻波云带，并认为这种离岸云带是由地面热力强迫形成的海陆风与山谷环流造成；Hobbs（1975）通过分析锋面过境喀斯喀特山时的云和降水观测资料，发现降水主要通过云中大量霰粒子的强烈凇附过程及云水碰并增长形成；1985年，在夏威夷地形云研究中，“联合夏威夷暖雨研究计划”发现夏威夷群岛云带的形成与重力波抬升密切相关，上游信风受群岛地形阻挡减速抬升，从而形成云带（Rasmussen et al.，1989；Rasmussen and Smolarkiewicz，1993）；1999年，欧洲在阿尔卑斯山实施中尺度阿尔卑斯研究计划发现，在大尺度环流类似的情况下，中尺度地形的差异是决定降水量、降水落区和强度的关键因子（Rotunno and Ferretti，2003；Lin et al.，2005）。

我国地形云观测研究始于20世纪30年代，在湖南衡阳建立了最早的高山气象观测站，利用高山海拔优势观测云雾；1959年，庐山天气控制研究所（庐山云雾试验站前身）成立（李军等，2008）；20世纪60—80年代，研究人员利用三用滴谱仪等设备在庐山进行了大量云观测外场试验（郭丽君等，2019），积累了丰富的云中观测资料，为我国早期大气物理研究奠定基础；随着高山气象观测研究的深入，我国陆续在华山、黄山、九华山及福建西部山区开展了大量观测试验（Rosenfeld et al.，2007；汪学军等，2012；冯晋勤等，2022）。近年来，针对祁连山区的地形云，国内学者开展了多项高山观测研究。陈添宇等（2010）提出了祁连山地形云的发展与演变概念模型；郑国光等（2011）研究发现，祁连山区夏季云量丰富，平均云量超过60%，西南气流天气背景下总云量多达80%，积雨云出现频率比川区高10%~40%；庞朝云等（2021）研究表明，人工增雨作业后，祁连山北坡的雨滴尺度、总数浓度和雨强均增大，雨滴谱谱宽扩大，云内小雨滴的碰并增长过程增强，人工增雨效果明显；把黎等（2023）发现祁连山东段98%以上的水汽集中在6.0 km以下，大气水汽密度随高度降低，而液态水含量随高度先增后减。

六盘山位于青藏高原东北缘，为我国少数近南北走向的狭长山地之一，处于西风带中低层，受青藏高原阻挡作用影响，南北两支气流交汇，同时处于季风区边缘，胡焕庸线经过该区域，具备独特的气候条件。分析1989—2018年六盘山气象站观测数据发现，该地区雨雾日数较多，年均雾日达153.4 d，日降水量大于0.1 mm的雨日高达127.1 d，降雪日数为64.7 d，年降水量617.5 mm，可观测到多种天气条件下的云微物理特征，是研究云降水物理过程的理想场地，也是开展地形云人工增雨（雪）的优选实验区域。近年来，六盘山区降水云系的观测研究取得了一定进展。曹宁等（2019）分析三类降水过程后发现，山脊降水云的反射率及其衰减程度均高于山谷，表明地形强迫作用使山脊降水云的物理和动力过程更为剧烈；陶涛等（2020）研究一次降雹过程发现，降雹时云中粒子的微物理特征明显增大，数浓度和平均动能通量分别增长6.3倍和13.0倍；林彤等（2021）发现六盘山降水前的云液态水含量有明显跃增现象。马思敏等（2022）通过改变WRF（Weather Research and Forecasting）模式初始场中六盘山地形高度，发现地形增高可明显增强降水量，尤其是强降水更集中于迎风坡（山脉东侧）。尽管近年来已有学者基于观测资料研究六盘山地形对降水的影响，但大多依赖遥感探测资料，基于高山气象站直接在云中观测个例较少，此外，由于山区地面气象站与天气雷达分布稀疏且不均匀，观测数据相对缺乏，对地形云微物理特征的研究仍较有限。

为了进一步探讨六盘山区地形对降水的影响，并推动地形云人工增雨技术的发展，本文基于宁夏六盘山大气科学野外科学观测研究站的多种观测数据，包括雾滴谱仪、雨滴谱仪、毫米波云雷达等，分析2020年8月21—23日一次积层混合地形云降水前后的云中宏微观物理量特征，以深入理解六盘山区地形云的宏微观物理结构特征，为人工增雨（雪）作业提供科学支撑。

宁夏回族自治区六盘山大气科学野外科学观测研究站的核心试验站（六盘山国家基准气候站）位于六盘山脉中部峰顶（106.20°E，35.67°N；海拔2 842 m）[图1（a）]，人影特种观测平台设于气象站东北角[图1（b）]。辅助试验站包括隆德县气象观测站（106.12°E，35.62°N；海拔2 078 m）、泾源县气象观测站（106.32°E，35.5°N；海拔1 949 m）和大湾人影标准化作业点（106.26°E，35.7°N；海拔2 053 m），分别位于六盘山的东西两侧。

本文选取2020年8月21—23日六盘山区一次典型的地形影响下的积层混合地形云降水过程进行分析，该过程降水持续时间长，累积降水量大。研究基于六盘山核心试验站和辅助试验站布设的雾滴谱仪、激光雨滴谱仪、毫米波云雷达、能见度仪和自动气象站等观测资料（表1），分析此次降水前后云中微物理过程演变特征。

本文使用FM-120雾滴谱仪，该设备是在FM-100型基础上改进的新一代产品，相较前一代，档位由20档增加至30档，在小粒径段的分档更为精细。仪器采样面积为0.24 mm²，可观测2~50 μm的云雾滴数n_i。本文所使用的雾滴谱仪云雾微物理特征参数包括粒子数浓度N（单位：个·m^-3）、液态水含量（Liquid Water Content，LWC）（单位：g·m^-3）、中值体积直径（Median Volume Diameter，MVD）（单位：μm）及有效直径（Effective Diameter，ED）（单位：μm）。为与常规气象要素数据的时间分辨率相匹配，对雾滴谱数据做1 min平均。

DSG5型激光雨滴谱仪粒径通道和速度通道各32个，粒径测量范围为0.2~25.0 mm，速度测量范围为0.2~20.0 m·s^-1。对数据进行质量控制，删除信噪比较低的第1和第2个直径通道数据并剔除直径大于8.0 mm的数据（Tokay et al.，2013；Chen et al.，2017）。此外，根据Atlas等（1973）提出的粒子下落速度-直径经验公式，去除超过经验公式±60%范围的雨滴数据。本文所用到的雨滴谱仪降水粒子微物理特征参数主要包括粒子数浓度N（单位：个·m^-3），平均粒径D_mean（单位：mm）、最大粒径D_max（单位：mm）、液态水含量Q（单位：g·m^-3），其中平均粒径和最大粒径为统计量，其余相关微物理量计算公式（马思敏等，2023）如下：

式中：ΔD_i为第i个尺度通道的粒子直径，单位：mm；n_ij为在第i个尺度通道和第j个速度通道的粒子个数；A和Δt分别为采样面积（S=54 cm²）和时间间隔1 min；V_j为第j个速度通道的粒子下落速度，单位：m·s^-1。文中时间均为北京时。

受扩散东移冷空气影响，2020年8月21日六盘山区云系增加，并于22日夜间至23日白天在全区范围内出现一次大到暴雨过程，主要降水区域位于宁夏南部六盘山地区。此次降水时间持续较长，以稳定性降水为主，夹杂对流性降水，全区共有108站次出现短时强降水（雨强大于10 mm·h^-1）。从22日08：00 200 hPa高空形势（图略）来看，宁夏处于南亚高压东北部副热带西风急流的分流区，为其提供了良好的辐散上升背景场；500 hPa中高纬度为“两槽一脊”，环流经向度较弱，宁夏受青海西部短波槽和高原短波槽叠加影响；700 hPa随着新疆扩散低槽东移南下，缅甸弱高压中心并入副高主体。23日08：00，高空斜压形势形成，宁夏西北部逐渐受低空急流影响，在急流左侧，西南风锋区后的西北风之间形成的切变线自西北向东北移动，影响宁夏全区。

卫星云图黑体辐射亮温（Black Body Temperature，TBB）（图2）显示，23日10：00—15：00甘肃东南部的对流云团东移北抬，泾源与甘肃交界处云顶亮温梯度较大；随着高空槽前对流云团的不断东移发展，泾源至六盘山一带激发出强对流云系，强降水主要位于云团前边界，受六盘山地形抬升影响，六盘山区出现明显降水。

雷达回波（图3）分析表明，23日11：22—11：52，隆德上空出现分散的30 dBZ雷达反射率因子，在翻越六盘山过程中，反射率因子不断增强，在六盘山站上空维持在35 dBZ以上。六盘山累计雨量较隆德大，主要由于山脉抬升导致降水系统加强。泾源上空雷达反射率因子也维持在35 dBZ以上，并间歇性出现反射率因子在45 dBZ以上的对流泡，这是泾源为此次过程降水量最大的主要原因之一。

此次降水过程中，云系由西南向东北方向移动。为分析云系的垂直结构特征，对隆德气象站和大湾作业点的Ka波段毫米波云雷达数据进行对比（图4）。结果表明，21日21：00—23日08：00，隆德与大湾的云雷达反射率因子变化趋势基本一致，云顶高度均为4~6 km，但大湾近地面雷达反射率因子较隆德高约10 dBZ，且回波分布更密集。六盘山750 hPa以下盛行东南风（马思敏等，2022），说明云系越过六盘山后，受青藏高原阻挡形成的南支暖湿气流在六盘山东坡强迫抬升，上升运动进一步增强，促进云系发展，使云层加深、云底降低。23日08：00，受低层切变线影响，云系发展迅速，云顶高度达10~14 km，云系翻越六盘山后，得到东侧暖湿气流补充，大湾云雷达反射率因子较隆德高10 dBZ以上，低层切变线与东坡暖湿气流持续补充的共同作用导致山脉东侧泾源降水最明显。

整个云系以单层云为主，局部有稀疏的多层云。云雷达观测数据包含云层数、云底高度及云层厚度，其中第一层云底高度对降水具有重要指示作用，因此本文重点分析第一层云的云底高度、云厚度及云顶高度的演变特征。8月21日21：00—23日20：00，隆德气象站和大湾作业点云雷达观测的第一层云层高度随时间的变化（图5）显示，六盘山东西两侧降水云系的云底高度大部分时间低于六盘山气象站，六盘山气象站始终处于云系中。受六盘山地形影响，21日21：00—23日08：00，降水云系翻越六盘山后，六盘山东侧云系云顶平均海拔高度达5 761 m，较西侧升高2 065 m；云层平均厚度达3 257 m，较西侧增加2 212 m，云底高度较西侧降低，六盘山地形对云系的抬升作用明显，使云层平均厚度增加。同时，由于低层东侧暖湿气流补充，云系越过山脉后进一步发展，云底高度降低。23日08：00，受低层切变线影响，云层厚度大幅增加，六盘山东侧云层平均厚度达8 148 m，较西侧增加2 109 m。此次降水过程中，云系经山脉抬升后，云顶高度和云层厚度的升高幅度与山脉海拔高度相当。云系随地形被迫抬升，空气温度下降，水汽凝结增强，东侧暖湿气流补充进一步加深云层，为层状云中对流泡的发生和发展创造了有利条件。

图6为宁夏六盘山、隆德、泾源降水量和六盘山能见度、相对湿度、风速和风向随时间的变化。此次降水过程的主要时段为22日19：00—23日19：00，其中固原地区部分乡镇出现大到暴雨；泾源的降水时间较隆德和六盘山提前约2 h，过程累计降水量分别为泾源41.2 mm、六盘山38.7 mm、隆德23.4 mm；泾源最大雨强出现在23日12：00，为10.5 mm·h^-1，而隆德和六盘山的最大雨强出现在23日11：00，分别为7.6、15.3 mm·h^-1；在六盘山雨强最大时段（8月23日10：00—11：00），六盘山的风向剧烈变化，由西南偏南风逐渐转为正北风，此时，地面切变线影响六盘山，导致风向突变的同时，瞬时雨强明显增大。

六盘山气象站自21日21：00起被云雾覆盖，大部分时段能见度低于1 000 m，且波动较大。在能见度持续100 m的两个时段（22日02：00—18：00和22日20：00—23日08：00），能见度甚至小于50 m。云雾覆盖期间，相对湿度基本维持在98%，表明云层内水汽含量丰富。有3个时间段能见度突然增加至1 000 m以上，说明此时六盘山气象站已脱离云系覆盖范围。分析表明，六盘山气象站完全被云覆盖时，受云中微物理量影响，能见度较低；随着云系移动，气象站短暂脱离云区，约1~2 h后，新的云系再次覆盖该区域，这表明层状云在水平方向上具有明显分区，六盘山气象站能见度的剧烈变化是由于层状云内不同中小尺度降水云区存在间隔所致，与樊曙先（2000）的研究结果一致。

分析六盘山气象站的雨滴谱仪数据（图7），发现雨滴粒子数浓度变化明显。22日19：00—23日09：00的间歇性降水阶段，平均雨滴粒子数浓度为87个·m^-3，雨滴粒子平均直径相对稳定，基本维持在0.53 mm左右，最大直径多小于1.00 mm，表明此阶段小粒子对降水贡献最大。在23日10：00—12：00连续性降水阶段，雨滴粒子数浓度、最大直径、平均直径和液态水含量均呈多峰型结构，且变化趋势一致。在雨强最强时段（23日10：00—11：00），各参数在前5 min内达到峰值，雨滴粒子数浓度为970个·m^-3、最大粒径4.25 mm、平均粒径1.23 mm、液态水含量1.36 g·m^-3，此时，降水云系不断发展，云中粒子各微物理量增加至最大，随后降水粒子降落至地面，导致09：50开始降水强度急剧增强，并持续约1 h，之后降水逐渐减弱。降水雨滴的液态水含量和粒子数浓度急剧下降，前者降至峰值的1/6，后者降至峰值的1/3，平均直径减小2.00 mm左右；从宏观上看，降水雨强明显减小。随着云团继续移动，对流性降水云系移出雨滴谱仪观测范围，后续云系主要以稳定性降水为主。

Marshall和Palmer（1948）年首次提出雨滴谱呈指数分布（M-P分布），而Ulbrich（1983）认为使用3参数Gamma型分布能更准确地描述实际雨滴谱。图8为8月22日19：00—23日19：00降水雨滴粒子M-P分布及Gamma分布，此次降水雨滴谱呈单峰型结构，其中0.7 mm粒径的雨滴数浓度最高，数量级在10²~10³个·m^-3·mm^-1的粒子粒径为0.5~1.0 mm，为此次降水的主要组成部分。M-P分布实测雨滴谱的整体差异较大，而Gamma分布能较准确地拟合雨滴谱的分布形态，但在峰值段（0.5~1.0 mm）拟合偏差较大，低于实测值。总体来看，Gamma分布较M-P分布拟合优度更高，更适用于描述此次降水雨滴谱，而M-P分布的拟合误差较大，这与其他地区的观测结果一致（石爱丽等，2004；郑娇恒和陈宝君，2007；Niu et al.，2012）。

图9为8月21日21：00—23日20：00云雾滴粒子数浓度、液态水含量、中值体积直径和有效直径随时间的变化。对比图6（d）可见，云雾滴粒子数浓度与能见度成反比，当云雾滴粒子数浓度较高时，能见度较低，反之亦然。根据樊曙先（2000）对宁夏层状云的研究，取LWC=10^-3 g·m^-3作为降水云区阈值，即LWC大于此阈值的区域可视为降水云系，按照此阈值，将此次云雾过程划分为3个中小尺度降水云区，21日21：00—22日00：47的云区为云区1、22日02：11—19：24的云区为云区2、22日20：42—23日20：00的云区为云区3。云区的时间段与能见度小于100 m的时间段完全重合，表明该分类方法在六盘山具有较好的适用性。由于云区1观测数据不完整，因此主要讨论云区2和云区3。

云区2属于第一层云，降水较为零散，降水量为2.6 mm，最大云雾滴粒子数浓度为678个·cm^-3；平均数浓度为318个·cm^-3，变化幅度约为10²个·cm^-3；液态水含量基本维持在10^-1 g·m^-3，平均为0.121 g·m^-3；中值体积直径和有效直径变化趋势一致，中值体积直径比有效直径稍大，二者分别为10.62、9.89 μm；云区2平均风速为6.5 m·s^-1，云区宽度约为403 km。

云区3可分为两个部分，22日20：42—23日09：00，此阶段为第一层云，降水量约为云区2的2倍，达5.5 mm；平均云雾滴粒子数浓度为209个·cm^-3，较云区2稍低，且数浓度变化较大；液态水含量变化趋势与云区2类似，平均值较云区2稍大，为0.155 g·m^-3；平均中值体积直径和平均有效直径较云区2也有所增加，分别为14.69、13.36 μm。23日09：00，受地面700 hPa切变线影响，六盘山风向由西南风逐渐变为西北风，云区3逐渐发展合并为深厚的层状云系，降水明显增强，雨强达15.3 mm·h^-1；受降水冲刷，近地面云雾滴粒子数浓度急剧下降至10⁰~10¹个·cm^-3；液态水含量波动增大；平均中值体积直径和平均有效直径达到最大，分别为20.48、18.45 μm；云区3平均风速为5.4 m·s^-1，云区宽度约为473 km。

本研究中观测的平均云雾滴粒子数浓度与李子华（2001）总结的山区雾量级（10²个·cm^-3）相当；与Niu等（2012）在湖北恩施观测的云雾滴粒子数浓度（120~300个·cm^-3）结果相当，但平均粒径大3~4倍；与樊曙先（2000）基于飞机探测的宁夏层状云最大云滴粒子数浓度676个·cm^-3接近，但平均云滴粒子数浓度高10倍左右。

图10为六盘山8月21日21：00—23日20：00雾滴谱仪观测到的云雾滴谱分布，结果表明，此次云雾滴谱主要集中在小粒子端，其中7 μm粒径的云雾滴数浓度最高，平均为41.74个·cm^-3·μm^-1；在5~9 μm之间的云雾滴粒子数密度普遍超过10¹个·cm^-3·μm^-1以上。

本文利用FM-120型雾滴谱仪、DSG5型激光雨滴谱仪和Ka波段云雷达等观测数据，分析了2020年8月21日21：00—23日20：00宁夏六盘山地区积层混合地形云降水的宏、微物理特征，得出以下主要结论。

1 ）此次降水云系在整个过程中基本覆盖六盘山气象站，受地形抬升作用影响，云顶平均海拔高度和云系平均垂直厚度升高幅度与山脉平均海拔高度相当。

2 ）在降水集中阶段，雨滴粒子数浓度、最大粒径、平均粒径和液态水含量均呈多峰型结构，变化趋势基本一致，在降水最强时段的前5 min各参数均达到峰值，分别为970个·m^-3、4.25 mm、1.23 mm和1.36 g·m^-3。

3 ）Gamma分布曲线较准确地反映了实际雨滴谱的分布形态，但在峰值段（0.5~1.0 mm）拟合偏差较大，低于实测谱，但总体上较M-P分布拟合优度高，且谱型趋势基本一致。

4 ）利用能见度数据验证了樊曙先（2000）基于液态水含量对降水云区的分类方法，表明此方法在六盘山地区具有适用性。根据该方法可将此次降水过程划分为3个中小尺度降水云区，其中云区2云雾滴粒子数浓度最大为678个·cm^-3，平均粒子数浓度为318个·cm^-3，平均液态水含量为0.121 g·m^-3，云区宽度约为403 km。云区3第一阶段平均云雾滴粒子数浓度为209个·cm^-3，较云区2要低，但液态水含量、平均中值体积直径和平均有效直径都比云区2有所增加，降水量增加1倍左右；第二阶段云系发展合并为深厚层状云系，受降水冲刷，近地面云雾滴粒子数浓度大幅下降至10⁰~10¹个·cm^-3，云区宽度约为473 km。