劉瑩瑩，牛生杰，封秋娟，劉端陽(yáng)，陸春松，劉霖蔚

(1.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044;2.山西省人工降雨防雹辦公室，山西太原030032)

0 引言

我國(guó)淡水資源嚴(yán)重短缺，人均占有量?jī)H為世界人均的1/4，相當(dāng)一部分地區(qū)的地下水開(kāi)采已經(jīng)過(guò)量，同時(shí)我國(guó)是一個(gè)氣象災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家，大面積旱災(zāi)時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活質(zhì)量，因此為了開(kāi)發(fā)利用空中云水資源，國(guó)內(nèi)外多年實(shí)踐證實(shí)人工增雨是一項(xiàng)重要途徑。積層混合云是由層狀云和嵌入的對(duì)流云組成的混合云系統(tǒng)，生命期一般較長(zhǎng)，常常帶來(lái)大范圍的持續(xù)性或間歇性降水，在冷鋒、東北冷渦、地形云降水等多種天氣系統(tǒng)中都可能出現(xiàn)(洪延超等，1984;黃美元和洪延超，1984;許梓秀和王鵬云，1989;宮福久等，2005;Fuhrer and Schaer，2005)，是我國(guó)重要的降水系統(tǒng)和人工影響天氣作業(yè)的主要對(duì)象。積層混合云降水回波可按強(qiáng)度和降水性質(zhì)分為兩類:強(qiáng)積層混合云降水回波，回波結(jié)構(gòu)密實(shí)，層狀云回波中嵌入較強(qiáng)的對(duì)流云帶，單體強(qiáng)度往往較強(qiáng)，在40～55 dBZ左右，雨區(qū)內(nèi)有強(qiáng)降水中心存在;弱積層混合云降水回波，內(nèi)含零星小對(duì)流單體，強(qiáng)度一般在40 dBZ以下，降水以穩(wěn)定的層狀云降水為主。積層混合云不同的形成過(guò)程，在一定程度上決定了云系形成之后的發(fā)展演變，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩塊對(duì)流云距離和強(qiáng)度比較接近時(shí)，很可能出現(xiàn)并合(黃美元等，1987a)，減弱后可形成前一種降水強(qiáng)度較大的積層混合云。由于層狀云中對(duì)流云回波生命期一般比孤立對(duì)流云長(zhǎng)，降水效率和降水量也較大(黃美元等，1987b)，因此科學(xué)地開(kāi)展針對(duì)積層混合云的人工增雨作業(yè)需要對(duì)其形成過(guò)程和微物理結(jié)構(gòu)有全面的了解。

國(guó)內(nèi)外在對(duì)流云并合方面開(kāi)展過(guò)很多研究。Simpson et al.(1980)于1973年夏季在美國(guó)佛羅里達(dá)南部3 d的觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)流云合并率僅占10%，但合并部分產(chǎn)生的相應(yīng)降水量卻占全部雨量的86%，并且提出并合主要是由相鄰積云下沉氣流誘發(fā)的陣風(fēng)鋒相互貼近或迎遇而觸發(fā)的。Westcott(1994)研究了單體并合機(jī)制，指出大部分并合是通過(guò)“云橋”連接來(lái)實(shí)現(xiàn)云體水平延伸的，只有15%的個(gè)例說(shuō)明對(duì)流云不同的移動(dòng)速度或者新單體的生成在并合中起明顯作用。陳秋萍等(2002)統(tǒng)計(jì)福建省建陽(yáng)2009年7—9月對(duì)流云降水時(shí)發(fā)現(xiàn)，多個(gè)對(duì)流云單體并合降水占17.8%，并合后回波均發(fā)展到0℃層以上。李艷偉等(2009)研究了貴州省貴陽(yáng)山地對(duì)流云并合形成的積層混合云降水過(guò)程，指出對(duì)流單體通過(guò)并合擴(kuò)大層化形成積層混合云后，對(duì)流單體和云系之間相互促進(jìn)，將極大地改變?cè)茍F(tuán)的微物理結(jié)構(gòu)，帶來(lái)較大降水。劉慧娟(2009)利用2003—2006年合肥多普勒雷達(dá)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)了安徽省夏季對(duì)流云并合過(guò)程，發(fā)現(xiàn)山區(qū)和丘陵地帶是高發(fā)區(qū);小單體間的并合概率最大，占到了75%;并合能夠顯著影響云體發(fā)展，77%以上的云團(tuán)并合后面積和強(qiáng)度都得到發(fā)展，生命史延長(zhǎng);新生云團(tuán)強(qiáng)度差在10 dBZ以下發(fā)生并合的概率高達(dá)82%。付丹紅和郭學(xué)良(2007)利用中尺度非靜力平衡模式研究了一次積云并合過(guò)程，指出整個(gè)形成過(guò)程經(jīng)歷了從單體并合、積云團(tuán)并合和強(qiáng)中心并合的多尺度并合過(guò)程，積云下沉氣流對(duì)于積云并合有著重要作用，強(qiáng)輻散出流形成的上升氣流及環(huán)境風(fēng)相互作用有利于并合的形成和發(fā)展，并合過(guò)程導(dǎo)致云內(nèi)上升—下沉氣流增強(qiáng)，對(duì)流運(yùn)動(dòng)發(fā)展加強(qiáng)，云水含量增大，強(qiáng)中心并合時(shí)會(huì)導(dǎo)致云水迅速轉(zhuǎn)化為冰晶和霰，有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)是認(rèn)識(shí)自然云降水微物理過(guò)程的最重要途徑。葉家東等(1992)研究了中尺度對(duì)流復(fù)合體層狀降水區(qū)的微物理結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)層狀區(qū)內(nèi)某些部位有冰晶聚合帶，冰晶聚合體主要是由不規(guī)則的冰質(zhì)點(diǎn)和枝狀晶體組成，降水質(zhì)點(diǎn)的輕度凇附作用會(huì)使得冰質(zhì)點(diǎn)表面略為潮濕，有利于冰質(zhì)點(diǎn)之間的聚并;冰晶聚并過(guò)程是層狀區(qū)降水質(zhì)點(diǎn)增長(zhǎng)的主要機(jī)制，它起源于較高較冷的氣層，在下降途中聚并效率逐漸增強(qiáng)。汪學(xué)林等(2001)利用雷達(dá)、衛(wèi)星、機(jī)載云雨探測(cè)和數(shù)值模擬等手段對(duì)層狀云中的對(duì)流泡進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)層狀云降水回波中對(duì)流泡直徑一般在300 m～30 km之間，多產(chǎn)生于3～5 km高度上，對(duì)流泡頂高3～8 km，比周圍層狀云平均高出2.5 km左右;對(duì)流泡內(nèi)云滴數(shù)濃度一般在40～80 cm－3，泡內(nèi)是泡外的2～20倍，泡內(nèi)云滴平均直徑為15～25 μm，是泡外直徑的2倍左右;對(duì)流泡內(nèi)譜形基本是多峰譜，平均在20 μm、30 μm等處出現(xiàn);對(duì)流泡由于頂高較高，高層有大量冰粒子產(chǎn)生，落入下面層狀云中可起到自然引晶催化作用，導(dǎo)致降水增大。齊彥斌等(2007)對(duì)冷渦對(duì)流云帶的宏微物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，指出觀測(cè)的對(duì)流云系具有明顯的水平帶狀回波結(jié)構(gòu)，垂直尺度小于6 km，云中過(guò)冷水含水豐富，最大值為3.3 g/m3，云的上部過(guò)冷水含量為2.0 g/m3，冰粒子在高過(guò)冷水含量區(qū)的快速長(zhǎng)大對(duì)降水產(chǎn)生起到重要作用。范燁等(2010)對(duì)北京及周邊地區(qū)的3次鋒面系統(tǒng)影響下的層積混合云系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)云內(nèi)以直徑5～9 μm、200 μm和400～1 000 μm的云和降水粒子為主;冷鋒云系有多個(gè)干層，暖鋒云系無(wú)干層，所測(cè)粒子濃度最大。

山西省地處黃土高原東部，華北大平原西側(cè)，境內(nèi)太行、呂梁兩山相夾，地形破碎，山丘區(qū)面積占80%以上，對(duì)流云并合時(shí)有發(fā)生，減弱后可形成積層混合云系。目前對(duì)山西省的積層混合云的微物理結(jié)構(gòu)方面缺乏研究，因此本文利用多普勒雷達(dá)和飛機(jī)穿云觀測(cè)資料，分析了山西省一次積層混合云的形成過(guò)程，并詳細(xì)討論了積層混合云內(nèi)不同高度微物理量的水平分布和譜分布特征，揭示了該云系降水過(guò)程的微物理機(jī)制。

1 天氣形勢(shì)分析

2009年5月8日08時(shí)(北京時(shí)間，下同)，500 hPa中高緯呈兩槽一脊型，巴爾喀什湖東部至我國(guó)新疆北部有一低渦冷槽，河套以西有短波槽活動(dòng)，東部沿海高壓脊線位于120°E附近，山西省位于槽前西南暖濕氣流中。850 hPa(圖1a)河套北部切變正在形成。地面圖上(圖略)，內(nèi)蒙古地區(qū)有一個(gè)中心氣壓為933 hPa的低壓系統(tǒng)，山西省處于低壓環(huán)流前部，受西南氣流控制，有利于水汽輸送。08時(shí)太原站探空顯示中低空有弱的切變。20時(shí)，500 hPa西風(fēng)槽東移至山西省。850 hPa(圖1b)山西省北部存在一條東北—西南向切變線。地面圖上(圖略)，低壓移至太行山和華北平原北部，中心氣壓減弱為962 hPa，山西省仍處于低壓環(huán)流控制內(nèi)。天氣形勢(shì)在空間上的這種組合有利于山西省局地對(duì)流生成，西南氣流提供了豐沛的水汽供應(yīng)，高空槽前系統(tǒng)性上升運(yùn)動(dòng)和低空垂直切變提供了動(dòng)力條件。

2 儀器和資料

2.1 探測(cè)儀器

圖1 2009年5月8日08時(shí)(a)和20時(shí)(b)850 hPa天氣圖Fig.1 Weather charts at 850 hPa on 8 May 2009a.08:00 BST;b.20:00 BST

探測(cè)使用了改裝的國(guó)產(chǎn)運(yùn)-12型飛機(jī)，機(jī)上裝載了山西省人工影響天氣辦公室2006年從美國(guó)引進(jìn)的DMT云物理探測(cè)系統(tǒng)。它可測(cè)量大氣中直徑為2～6 200 μm的氣溶膠、云和降水粒子，共有3個(gè)主要的云微物理測(cè)量探頭:云粒子探頭(cloud droplet probe，CDP)為前向散射粒子譜探頭，測(cè)量范圍為2～50 μm，分30檔，1～14檔直徑間隔為1 μm，15～30檔直徑間隔為2 μm，其空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與PMS公司生產(chǎn)的FSSP系列探頭存在一定的差異，主要體現(xiàn)在CDP探頭沒(méi)有FSSP探頭所具有的進(jìn)氣口(McFarquhar et al.，2007);二維灰度云粒子探頭(cloud imaging probe，CIP)和降水粒子探頭(precipitation imaging probe，PIP)的探測(cè)原理基本與PMS公司生產(chǎn)的二維圖像探頭相同，CIP測(cè)量范圍為25～1 550 μm，直徑間隔為25 μm，PIP的測(cè)量范圍為100～6 200 μm，直徑間隔為100 μm;此外，常規(guī)氣象探頭(air data probe，ADP)可以測(cè)量溫度、濕度、氣壓、GPS定位及其空氣速度。

2.2 飛行航線

飛機(jī)于2009年5月8日15時(shí)從太原武宿機(jī)場(chǎng)起飛，一路爬升經(jīng)過(guò)孝義、汾陽(yáng)，于16時(shí)08分14秒(圖2，A點(diǎn))進(jìn)入積層混合云探測(cè)，入云高度為4 100 m(0℃)，云系從西南向東北方向移動(dòng)，飛機(jī)跟隨云系平飛一段時(shí)間后向上爬升，16時(shí)30分03秒到達(dá)最大高度5 116 m(－7.0℃)，大概位于云體的中上部。16時(shí)43分37秒飛機(jī)下降至3 800 m(4.7℃)進(jìn)行了一段時(shí)間的平飛，于16時(shí)51分30秒(圖2，B點(diǎn))出云，出云高度為3 562 m(6.4℃)，完成了對(duì)積層混合云的探測(cè)，折回太原武宿機(jī)場(chǎng)。

圖2 2009年5月8日飛機(jī)軌跡水平投影Fig.2 Horizontal projection of the flight track on 8 May 2009

3 積層混合云的形成機(jī)制

5月8日飛機(jī)于16時(shí)08分對(duì)位于呂梁山區(qū)西側(cè)的積層混合云系進(jìn)行了穿云探測(cè)，為詳細(xì)了解該云系的形成、發(fā)展和降水過(guò)程，圖3給出了太原市多普勒雷達(dá)觀測(cè)的從回波初生至積層混合云減弱階段的演變過(guò)程。圖4給出了一些時(shí)刻0.5°仰角下沿單體并合部分的反射率因子垂直剖面。

14時(shí)57分(圖3a)，太原多普勒雷達(dá)測(cè)站250°方位角附近的呂梁山區(qū)形成了多個(gè)零散的孤立對(duì)流單體，其中在中陽(yáng)縣東北方向的3個(gè)單體呈走向一致的帶狀排列，其右側(cè)平行處存在一個(gè)孤立的單體B，這些單體均處于新生階段，回波強(qiáng)度在20～30 dBZ。中陽(yáng)縣南部的兩個(gè)單體回波強(qiáng)度和面積相差較大，西側(cè)單體發(fā)展比較旺盛，面積也較大，最大回波強(qiáng)度達(dá)到37 dBZ，記為C，東側(cè)單體D剛剛生成，面積較小。

15時(shí)07分(圖3b)，中陽(yáng)縣東北方向的3個(gè)孤立單體回波面積均增大，并合形成密實(shí)的東北—西南向帶狀云體A，長(zhǎng)度為40 km，寬度為7 km左右，內(nèi)部有多個(gè)強(qiáng)度接近30 dBZ的回波中心生成，云體后部及鄰近區(qū)域有孤立回波生成，與之平行的單體B回波面積和強(qiáng)度都有明顯增大;此時(shí)中陽(yáng)縣南部的單體C回波面積增大，強(qiáng)度無(wú)明顯變化，單體D回波強(qiáng)度和面積均顯著增強(qiáng)，最大回波強(qiáng)度為39 dBZ，并且與單體C相連接，圖4a給出了沿并合方向的垂直剖面，可以看出連接部分的回波強(qiáng)度為15～20 dBZ，高度為1.7～3.8 km。

15時(shí)18分(圖3c)，單體C和單體D向東北方向移動(dòng)，它們之間的連接中斷，可能與中層引導(dǎo)氣流和地形有關(guān)，此時(shí)單體C強(qiáng)度明顯減弱，其前部有回波生成;單體D回波面積繼續(xù)增大，在移動(dòng)過(guò)程中與單體B并合形成帶狀云體E，并合位置有些交錯(cuò)，這種并合方式被稱為追趕并合，在冰雹云的形成過(guò)程中比較常見(jiàn)(王昂生等，1980)，具體是指同一移向的兩個(gè)單體，由于種種原因(如前一單體受地形影響，移速減慢等)，前者的移動(dòng)速度減慢，后者逐漸追上，并且兩個(gè)單體之間逐漸形成環(huán)流，導(dǎo)致云體并合;與此同時(shí)，帶狀云體A及其附近的孤立回波面積增大，使得帶狀云體A與單體B的中部發(fā)生了并合。圖4b和4c分別給出了帶狀云體A和單體B、單體D和單體B沿并合方向的垂直剖面，可以看出回波接地，并合位置均位于云的中下部，回波強(qiáng)度為15～20 dBZ，高度為3 km左右。

圖3 5月8日積層混合云的形成、發(fā)展過(guò)程(其中a—e為0.5°仰角;f—j為1.5°仰角)a.14時(shí)57分;b.15時(shí)07分;c.15時(shí)18分;d.15時(shí)28分;e.15時(shí)39分;f.16時(shí)08分;g.16時(shí)13分;h.16時(shí)19分;i.16時(shí)33分;j.16時(shí)56分Fig.3 Formation and development of convective and stratiform mixed clouds on 8 May 2009(Elevation angle is 0.5°for a to e and 1.5°for f to j)a.14:57 BST;b.15:07 BST;c.15:18 BST;d.15:28 BST;e.15:39 BST;f.16:08 BST;g.16:13 BST;h.16:19 BST;i.16:33 BST;j.16:56 BST

圖4 單體并合部分的反射率因子垂直剖面a.15時(shí)07分C、D單體;b.15時(shí)18分A、B單體;c.15時(shí)18分D、B單體;d.15時(shí)39分A、E單體Fig.4 Vertical section of radar echoes on merging parta.C and D cell of 15:07 BST;b.A and B cell of 15:18 BST;c.D and B cell of 15:18 BST;d.A and E cell of 15:39 BST

15時(shí)28分(圖3d)，隨著云系的移動(dòng)和發(fā)展，單體D和單體B完全并合形成了帶狀云體E，寬度有所增大，中部出現(xiàn)兩個(gè)明顯的最大強(qiáng)度為42 dBZ的強(qiáng)中心，回波頂高4.5 km左右，此時(shí)帶狀云體A和E并合，面積增大，帶狀云體A內(nèi)部也出現(xiàn)了多個(gè)強(qiáng)度接近40 dBZ的強(qiáng)中心，寬度增加比帶狀云體E明顯。

15時(shí)39分(圖3e)，云系移動(dòng)至汾陽(yáng)、文水的西北部，帶狀云體E中部?jī)蓚€(gè)強(qiáng)中心發(fā)生并合，并合后最大強(qiáng)度增大為50 dBZ，其鄰近處的帶狀云體A內(nèi)部的強(qiáng)中心面積有所增加，圖4d是沿這兩個(gè)強(qiáng)中心的垂直剖面，右側(cè)為帶狀云體E中部?jī)蓚€(gè)強(qiáng)中心并合后形成的，可以看出，強(qiáng)中心并合后回波頂高增至6 km，而兩個(gè)云體連接處回波強(qiáng)度較弱。

16時(shí)08分(圖3f)，帶狀對(duì)流云團(tuán)減弱形成了塊狀積層混合云，長(zhǎng)度為27 km，寬度為20 km。云系左右兩側(cè)各有一個(gè)最大強(qiáng)度為45 dBZ的強(qiáng)中心，通過(guò)垂直剖面發(fā)現(xiàn)強(qiáng)中心回波頂高度均在5.8 km左右，并合區(qū)域內(nèi)的回波頂高在5 km左右。16時(shí)13分(圖3g)，兩個(gè)強(qiáng)中心的回波面積擴(kuò)大，最大回波強(qiáng)度均增至47 dBZ。16時(shí)19分(圖3h)，云系移動(dòng)至文水、交城的西北方向。16時(shí)33分(圖3i)，云系右側(cè)強(qiáng)中心消失，回波頂高降低，積云層化明顯，左側(cè)強(qiáng)中心分散為兩個(gè)較強(qiáng)的回波帶，最大回波強(qiáng)度減小至37 dBZ。16時(shí)56分(圖3j)，云系回波面積減小，雖然部分區(qū)域回波仍接地，但是此時(shí)云體開(kāi)始進(jìn)入消亡期。17時(shí)30分，云系基本消散，降水停止，自15時(shí)18分單體回波接地到云系基本消散，整個(gè)降水持續(xù)時(shí)間為2 h 10 min。

從以上分析可以看出，飛機(jī)探測(cè)到的積層混合云是由對(duì)流單體多次并合形成的帶狀對(duì)流云團(tuán)減弱后形成的，主要形成過(guò)程是尺度較小的3個(gè)對(duì)流單體并合形成尺度較大的帶狀云體A，后方單體D通過(guò)追趕并合單體B后形成了帶狀云體E，然后兩個(gè)帶狀云體中部并合，同時(shí)帶狀云體E內(nèi)部出現(xiàn)強(qiáng)中心并合，最后兩個(gè)云體邊緣逐漸并合完成，形成帶狀對(duì)流云團(tuán)。多尺度并合在帶狀對(duì)流云團(tuán)形成過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，主要體現(xiàn)在并合后回波帶長(zhǎng)度、寬度、強(qiáng)度或頂高的變化上:尺度較小的3個(gè)對(duì)流單體之間的并合和單體D與單體B的追趕并合均使得云體長(zhǎng)度、寬度和回波強(qiáng)度有明顯增加;帶狀云體A和E的并合使得云體內(nèi)部出現(xiàn)多個(gè)強(qiáng)中心，云體A寬度明顯增大;帶狀云體E內(nèi)部強(qiáng)中心并合，使得回波頂高從4.5 km增至6 km，最大回波強(qiáng)度從42 dBZ增至50 dBZ。

4 積層混合云微物理結(jié)構(gòu)

4.1 云中微物理量水平分布特征

圖5給出了飛行高度、溫度及粒子數(shù)濃度、直徑隨時(shí)間的變化和不同高度平飛過(guò)程中粒子圖像。表1給出了這4個(gè)平飛時(shí)段內(nèi)CDP、CIP、PIP所測(cè)的微物理量特征值。探測(cè)期間云系在高空西南氣流引導(dǎo)下向東北方向快速移動(dòng)，同時(shí)對(duì)流泡的存在使得積層混合云水平方向不均勻性顯著，所以需要根據(jù)雷達(dá)PPI回波圖和飛機(jī)GPS定位信息確定大致探測(cè)位置，以便于分析。

此次探測(cè)0℃層平均高度為4 100 m，飛機(jī)在16時(shí)08分14秒入云，于16時(shí)08分14秒—16時(shí)09分34秒(平飛1)在0℃附近進(jìn)行了水平探測(cè)。探測(cè)區(qū)域位于積層混合云東側(cè)對(duì)流單體的西南周邊區(qū)域(圖3f)，回波強(qiáng)度和頂高很不均勻。CDP所測(cè)云粒子數(shù)濃度和直徑均有明顯起伏，CIP和PIP所測(cè)粒子數(shù)濃度的平均值和最大值均相差一個(gè)量級(jí)，CIP所測(cè)大云粒子直徑與數(shù)濃度呈負(fù)相關(guān);PIP所測(cè)降水粒子數(shù)濃度和直徑隨時(shí)間變化比較平穩(wěn)。16時(shí)08分44秒，粒子形狀為球型，說(shuō)明是雨滴;16時(shí)08分59秒開(kāi)始出現(xiàn)霰粒子，雨滴粒子和冰雪晶粒子共存，有利于霰粒子增長(zhǎng)。16時(shí)09分36秒出現(xiàn)了較大尺度的霰粒子。16時(shí)09分09秒之后，CIP和PIP測(cè)得的主要是冰雪晶粒子，云粒子數(shù)濃度較小，說(shuō)明大量的冰雪晶粒子在下落過(guò)程中通過(guò)凇附過(guò)程增長(zhǎng)，消耗了許多的液態(tài)水。0℃層粒子相態(tài)、數(shù)濃度的變化以及較大尺度霰粒子的出現(xiàn)，說(shuō)明在積層混合云同一高度的不同部位，其微物理結(jié)構(gòu)有較大的區(qū)別，主要原因是受局地動(dòng)力條件的影響，不同部位云體發(fā)展高度不同，在積層混合云的層狀云內(nèi)，雖然云體發(fā)展到0℃以上，但由于云頂高度較低，云和降水粒子主要以液態(tài)為主;而在積層混合云的對(duì)流泡內(nèi)，上升氣流較強(qiáng)，云頂高度較高，隨著高層冰晶的出現(xiàn)，冷云降水的冰水轉(zhuǎn)化過(guò)程出現(xiàn)，在低層出現(xiàn)了尺度較大的霰粒子。

16時(shí)12分53秒—16時(shí)14分02秒(平飛2)飛機(jī)探測(cè)高度為4 450 m左右，溫度為－1.9～－2.5℃，這段時(shí)間飛機(jī)探測(cè)穿越了積層混合云西側(cè)的對(duì)流單體及其周邊區(qū)域(圖3g)，此時(shí)對(duì)流單體發(fā)展旺盛，頂高超過(guò)6 km，最大頂高達(dá)到8 km，周邊區(qū)域強(qiáng)度分布不均勻，在25～35 dBZ之間，頂高為5.2 km左右。CDP所測(cè)云粒子數(shù)濃度起伏較大，但直徑變化比較平穩(wěn);CIP所測(cè)粒子數(shù)濃度先增大后減小，粒子直徑前半段在100～1000 μm之間波動(dòng)，后半段趨于穩(wěn)定，維持在500～800 μm左右;PIP所測(cè)粒子數(shù)濃度隨時(shí)間增加，粒子直徑隨數(shù)濃度的增加逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性，平均值為1 531.5 μm，最小值為682.2 μm，最大值為2 888.4 μm，最大值是最小值的4倍。此段時(shí)間，CIP和PIP觀測(cè)到的主要是尺度較大的冰雪晶粒子，由于粒子平均直徑接近CIP的最大量程，故使用PIP所測(cè)二維圖像，以獲取較完整的粒子圖像。16時(shí)12分55秒，霰粒子大小分布比較均勻;16時(shí)13分08秒，霰粒子尺度差別較大，近圓錐體的霰粒子可能是碰凍較小尺度的冰雪晶粒子形成的;16時(shí)13分55秒冰雪晶粒子直徑較小，說(shuō)明尚處于成長(zhǎng)初期。同一高度處冰雪晶粒子尺度分布的明顯變化，說(shuō)明積層混合云內(nèi)水平方向的不均勻性比較顯著。

圖5 飛行高度、溫度及粒子數(shù)濃度、直徑隨時(shí)間的變化(a、c、e、g)和不同高度平飛階段粒子圖像(b、d、f、h)a、b.平飛1;c、d.平飛2;e、f.平飛3;g、h.平飛4Fig.5 Time series of altitude and temperature，and CDP，CIP，PIP number concentration and diameter at different heights during(a，c，e，g)horizontal flights and(b，d，f，h)particles imagesa，b.stage 1;c，d.stage 2;e，f.stage 3;g，h.stage 4

16時(shí)29分00秒—16時(shí)31分30秒(平飛3)飛機(jī)探測(cè)高度為5 100 m左右，溫度為－6.68～－7.32℃，從雷達(dá)PPI回波圖(圖略)可以看出，此段時(shí)間云系強(qiáng)度明顯減弱，出現(xiàn)多個(gè)塊狀強(qiáng)中心，飛機(jī)探測(cè)穿越了云體中東部的塊狀強(qiáng)中心，回波強(qiáng)度在30～40 dBZ左右。CDP所測(cè)粒子數(shù)濃度和直徑隨時(shí)間變化比較平穩(wěn)，直徑基本在21 μm左右。16時(shí)30分17秒之前CIP所測(cè)粒子數(shù)濃度較低，在10－4～10－2cm－3量級(jí)，隨后粒子數(shù)濃度逐漸升高，在100～101cm－3量級(jí)。PIP所測(cè)粒子數(shù)濃度基本在10－4～10－2cm－3量級(jí)，其中16時(shí)30分15秒—16時(shí)30分45秒出現(xiàn)兩個(gè)明顯的大值區(qū)，根據(jù)雷達(dá)PPI回波圖和飛機(jī)GPS定位信息，此段時(shí)間飛機(jī)穿越了對(duì)流泡。16時(shí)29分50秒主要是結(jié)凇冰雪晶粒子，尺度較大，主要形狀為矩形;16時(shí)30分23秒出現(xiàn)柱狀冰雪晶聚合體，一些聚合體表面出現(xiàn)凇附現(xiàn)象，但是仍能看出原來(lái)形狀;16時(shí)30分28秒主要是稀凇附的柱狀冰雪晶聚合體，表明凝華和凇附是基本的增長(zhǎng)機(jī)制。由以上分析可以得出，在－7℃左右，柱狀冰晶通過(guò)凝華長(zhǎng)大后，主要靠碰并和凇附機(jī)制增長(zhǎng)為霰粒子;16時(shí)30分15秒—16時(shí)30分45秒出現(xiàn)高數(shù)濃度的降水粒子，說(shuō)明在對(duì)流泡內(nèi)部，上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，水汽供應(yīng)充足，云體發(fā)展高度較高，通過(guò)冷云過(guò)程產(chǎn)生了大量的冰雪晶粒子，產(chǎn)生了降水粒子數(shù)濃度的水平差異。

16時(shí)45分12秒—16時(shí)50分32秒(平飛4)飛機(jī)探測(cè)高度為3 800 m左右，溫度為4.61～5.88℃，這段時(shí)間積層混合云移動(dòng)至交城和清徐西側(cè)，飛機(jī)觀測(cè)區(qū)域位于云體北部區(qū)域，中間穿越了一個(gè)強(qiáng)度為30～40 dBZ的強(qiáng)中心。CDP所測(cè)粒子濃度隨時(shí)間波動(dòng)較大，平均在102cm－3量級(jí)。CIP和PIP在此高度主要觀測(cè)到的是大云滴粒子和雨滴粒子，CIP所測(cè)粒子數(shù)濃度基本在10－2～100cm－3量級(jí)，PIP所測(cè)降水粒子數(shù)濃度在10－3～10－2cm－3量級(jí)。16時(shí)46分01秒觀測(cè)到的是球形雨滴粒子;16時(shí)48分43秒觀測(cè)到雨滴粒子和柱狀聚合體，同時(shí)還有雨滴破碎現(xiàn)象出現(xiàn);16時(shí)48分53秒主要是雨滴粒子和形狀不規(guī)則的霰粒子。16時(shí)48分43秒和16時(shí)48分53秒，飛機(jī)觀測(cè)高度在0℃以下300 m左右，溫度為5℃左右，邊緣融化的冰雪晶粒子的出現(xiàn)，說(shuō)明融化層的厚度在300 m以上。

綜合上述分析，積層混合云內(nèi)的不同高度CDP觀測(cè)到的云粒子(云滴、冰晶)平均數(shù)濃度變化范圍是132.4～220.2 cm－3，隨著高度的增加，云粒子的最大數(shù)濃度逐漸減小，最大值為482.9 cm－3，最小值為181.1 cm－3;平均直徑變化范圍是12.14～20.94 μm，隨高度增加，平均直徑和最大直徑均逐漸增大，可能是冰晶粒子增多所致。CIP觀測(cè)到的大云粒子平均數(shù)濃度變化范圍是1.54×10－1～6.28×100cm－3，最大數(shù)濃度隨著高度增加逐漸增大，最大值為2.16×101cm－3，最小值為3.19×100cm－3;平均直徑變化范圍是390.77～601.08 μm，最大直徑出現(xiàn)在4 450 m，表明霰粒子在下落過(guò)程中增長(zhǎng)迅速。PIP觀測(cè)的降水粒子平均數(shù)濃度和直徑變化范圍分別是9.09×10－4～7.34×10－3cm－3和488.15～1 531.52 μm，平均數(shù)濃度和平均直徑的最大值均出現(xiàn)在4 450 m，表明這里是冰雪晶粒子的活躍增長(zhǎng)區(qū)。受局地動(dòng)力條件的影響，積層混合云在水平方向上微物理結(jié)構(gòu)的不均勻性顯著，具體表現(xiàn)在粒子相態(tài)和尺度方面:CIP在0℃層觀測(cè)到雨滴粒子向冰雪晶粒子的轉(zhuǎn)變;PIP在4 450 m觀測(cè)到霰粒子直徑最小值為682.2 μm，最大值為2 888.4 μm，最大值是最小值的4倍。此外，飛機(jī)在－7℃左右觀測(cè)到大量柱狀聚合體和凇附程度不同的冰雪晶粒子，表明柱狀冰晶通過(guò)凝華形成后，碰并和凇附是其增長(zhǎng)為霰粒子的重要機(jī)制。

4.2 云中不同高度粒子譜特征

云中粒子譜分布反映了云中水份按不同尺度的分配特征，可用于推測(cè)云水向降水的轉(zhuǎn)化及其物理過(guò)程，對(duì)于認(rèn)識(shí)云微物理機(jī)制有著重要意義。為研究積層混合云的粒子譜特征，分別對(duì)4次平飛過(guò)程中CDP、CIP、PIP所測(cè)粒子譜進(jìn)行了平均。

圖6給出了飛機(jī)平飛階段CDP、CIP、PIP探頭所測(cè)不同高度的平均粒子譜。由于CDP探頭為前向散射探頭，粒子相態(tài)不易區(qū)分，故參照國(guó)內(nèi)新疆冬季層狀云降水(1989—1993年)的觀測(cè)結(jié)果(齊彥斌等，2007):云中負(fù)溫層直徑處于3.5～45.5 μm之間的粒子由液態(tài)云滴和固態(tài)云晶組成，其中直徑處于3.5～18.5 μm多為液態(tài)云滴，而直徑處于21.5～45.5 μm為液固粒子共存，僅當(dāng)3.5～18.5 μm之間云滴數(shù)濃度很低甚至不存在時(shí)，21.5～45.5 μm粒子則以云晶為主。由此推測(cè)，CDP探測(cè)的云中直徑小于18.5 μm的為液態(tài)云滴，直徑大于18.5 μm的為液固粒子共存。從CDP所測(cè)的譜分布(圖6a)可以看出，除4 100 m譜寬為40 μm外，其他高度譜寬均為48 μm。從譜型變化看，不同高度7.5 μm之前云粒子譜型變化一致，在2.5 μm、5.5 μm各存在一個(gè)峰值，7.5 μm之后不同高度云滴譜型變化不同，但在9.5 μm或10.5 μm均存在一個(gè)明顯的峰值。2～18 μm的云粒子數(shù)濃度基本隨著高度的降低而逐漸升高，這是由于低層水汽供應(yīng)較多，凝結(jié)作用較強(qiáng)，導(dǎo)致小云滴數(shù)濃度隨高度減小;24～35 μm粒子數(shù)濃度隨高度增加而增大，其中3 800 m所處的暖層中，粒子數(shù)濃度最低，主要原因是這里小于18 μm的小云滴數(shù)量占優(yōu)勢(shì)，碰并效率較低，導(dǎo)致較大云粒子的數(shù)濃度較低;而在0℃以上的冷層中，隨著高度增加，小冰晶逐漸開(kāi)始出現(xiàn)并且數(shù)濃度隨高度增加而增大，冰相粒子的出現(xiàn)破壞了云中相態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)實(shí)際水汽壓處于冰面與水面飽和水汽壓之間時(shí)，云滴蒸發(fā)，水汽就會(huì)在冰面上不斷凝華，使得冰晶粒子得以增長(zhǎng)到較大的尺度。35～50 μm、4 450 m和5 100 m粒子數(shù)濃度先減小后增大，而3 800 m粒子數(shù)濃度明顯增加。

根據(jù)平飛階段CIP和PIP觀測(cè)的粒子圖像可知，3 800 m粒子基本為液態(tài)，4 100 m為液固粒子共存，4 450 m和5 100 m主要是固態(tài)的冰雪晶粒子。從CIP所測(cè)的譜分布(圖6b)可以看出，除4 100 m為雙峰譜外，其他高度均為單峰譜，各高度粒子譜在大直徑端均存在不同程度的波動(dòng)。粒子譜寬按高度增加分別為1 525、1 000、1 475、1 375 μm，可以看出3 800 m高度的粒子譜寬最大且數(shù)濃度較高。4 100 m高度粒子譜在100～550 μm出現(xiàn)數(shù)濃度大值區(qū)，可能是粒子相態(tài)分布不均勻所致。4 450 m粒子譜寬大于5 100 m，而粒子數(shù)濃度相差不大，表明隨著高度的降低，冰雪晶粒子通過(guò)凝華、凇附等冷云過(guò)程使得最大尺度有所增加。

圖6 飛機(jī)平飛階段CDP(a)、CIP(b)、PIP(c)探頭所測(cè)不同高度的平均粒子譜Fig.6 Particle average spectra at different heights during horizontal flighta.CDP;b.CIP;c.PIP

從圖6c中可以看出，不同高度PIP所測(cè)粒子譜，在較大直徑端均出現(xiàn)了不連續(xù)現(xiàn)象，可能與儀器取樣體積和粒子空間數(shù)濃度有關(guān)，其中粒子連續(xù)譜寬最大值位于4 450 m，最小值位于4 100 m。3 800 m高度，粒子數(shù)濃度和譜寬僅次于4 450 m，其末端粒子譜的不連續(xù)現(xiàn)象可能與雨滴繁生有關(guān)。List and Gillespie(1976)對(duì)隨機(jī)碰并及碰撞破裂的研究表明，當(dāng)直徑大于2～3 mm的水滴落至各種較小水滴組成的云中，在短時(shí)間內(nèi)就可以通過(guò)破裂改變滴譜分布。4 100 m高度，粒子連續(xù)譜寬最小，僅為1 900 μm，同時(shí)數(shù)濃度也最低，可能與所處部位和發(fā)展階段有關(guān);4 450 m高度，粒子數(shù)濃度和譜寬最大，并且在320～4 000 μm之間出現(xiàn)數(shù)濃度大值區(qū)，由4.1節(jié)的分析可知，飛機(jī)在4 450 m高度探測(cè)時(shí)穿越了積層混合云西側(cè)的對(duì)流單體及其周邊區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)對(duì)流單體發(fā)展旺盛，并且據(jù)PIP所觀測(cè)的粒子數(shù)濃度和二維圖像可知，此處觀測(cè)到的降水粒子主要為霰粒子，其平均數(shù)濃度和直徑均為整層的最大值，說(shuō)明對(duì)流單體及周邊區(qū)域?yàn)檩^大的固態(tài)降水粒子的形成和增長(zhǎng)提供了良好的環(huán)境;5 100 m高度，粒子數(shù)濃度和連續(xù)譜寬稍大于4 100 m。

綜合上述分析，不同高度CDP平均譜型存在一定的差異，因低層水汽凝結(jié)作用較強(qiáng)，2～18 μm的云粒子數(shù)濃度基本隨著高度的增加而降低;因暖層中云滴間碰并效率較低和冷層中小冰晶數(shù)濃度隨高度逐漸增加，24～35 μm粒子數(shù)濃度隨高度增加而增大;CIP平均譜，除4 100 m為雙峰譜外，其他高度均為單峰譜，雙峰譜的出現(xiàn)可能是水平方向粒子相態(tài)分布不均勻所致。PIP平均譜，4 450 m高度處的粒子數(shù)濃度和譜寬最大，并且在3 200～4 000 μm之間出現(xiàn)數(shù)濃度大值區(qū)域，表明對(duì)流單體及周邊區(qū)域?yàn)檩^大固態(tài)降水粒子的形成提供了良好的環(huán)境。

4.3 降水過(guò)程的微物理機(jī)制

此次對(duì)積層混合云的觀測(cè)處于云系發(fā)展的中后期，由4.1節(jié)、4.2節(jié)的分析可知，在對(duì)流發(fā)展旺盛的區(qū)域，云頂高度較高，溫度較低，低層有強(qiáng)降水中心出現(xiàn)，降水物理過(guò)程大致如下:云的頂部主要是冰晶核化和凝華增長(zhǎng)區(qū)，冰晶靠凝華增長(zhǎng)速度較慢，部分冰晶通過(guò)碰并形成聚合體，加快了尺度增長(zhǎng)速率，然后下落至云的中上部(溫度低于0℃)，由于對(duì)流泡內(nèi)的上升運(yùn)動(dòng)攜帶了較多的水汽，形成了較多的云滴，冰晶的出現(xiàn)破壞了云中相態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)實(shí)際水汽壓處于冰面與水面飽和水汽壓之間時(shí)，水汽就會(huì)在冰面上不斷凝華，使得云滴粒子蒸發(fā)，冰晶粒子增大;另根據(jù)準(zhǔn)液膜理論，在接近0℃的負(fù)溫度范圍內(nèi)冰表面有“準(zhǔn)液膜”存在，有利于冰雪晶之間碰并增長(zhǎng)，這樣長(zhǎng)大的冰雪晶粒子，下落進(jìn)入暖云中融化為雨滴，對(duì)暖云降水起到自然催化作用。而在一些對(duì)流發(fā)展比較弱的區(qū)域，云發(fā)展高度不足以形成大量的冰雪晶粒子，在這些區(qū)域降水的產(chǎn)生可能主要來(lái)自暖云過(guò)程。

5 結(jié)論

1)此次飛機(jī)探測(cè)到的積層混合云是由對(duì)流單體多次并合形成的帶狀對(duì)流云團(tuán)減弱后形成的，帶狀對(duì)流云團(tuán)的形成過(guò)程經(jīng)歷了多尺度并合，主要分為單體并合、云體并合和強(qiáng)中心并合，并合過(guò)程對(duì)云體面積、強(qiáng)度、頂高的發(fā)展具有不同程度的促進(jìn)作用。

2)CDP觀測(cè)到的云粒子(云滴、冰晶)平均數(shù)濃度變化范圍是132.4～220.2 cm－3，平均直徑變化范圍是12.14～20.94 μm，隨高度增加，平均直徑逐漸增大，可能是冰晶粒子增多所致。CIP觀測(cè)到的大云粒子平均數(shù)濃度變化范圍是1.54×10－1～6.28×100cm－3，隨著高度增加，大云粒子的最大數(shù)濃度逐漸增大。PIP觀測(cè)的降水粒子平均數(shù)濃度變化范圍是9.09×10－4～7.34×10－3cm－3，直徑變化范圍是488.15～1 531.52 μm，平均數(shù)濃度和直徑的最大值均出現(xiàn)在4 450 m，表明這里是冰雪晶粒子的活躍增長(zhǎng)區(qū)。

3)CIP和PIP所測(cè)的二維圖像表明，冷層中的固態(tài)粒子主要是形狀不規(guī)則的霰粒子，說(shuō)明過(guò)冷水供應(yīng)充足;在－7℃左右觀測(cè)到大量柱狀聚合體和凇附程度不同的冰雪晶粒子，表明當(dāng)凝華增長(zhǎng)為柱狀冰晶后，碰并和凇附是冰晶增長(zhǎng)為霰粒子的重要機(jī)制。受局地動(dòng)力條件的影響，不同區(qū)域積層混合云回波頂高有時(shí)差別在2 km以上，云內(nèi)水平方向上微物理結(jié)構(gòu)不均勻，具體表現(xiàn)在粒子相態(tài)和尺度方面:CIP在0℃層觀測(cè)到雨滴粒子向冰雪晶粒子的轉(zhuǎn)變;PIP在4 450 m觀測(cè)到霰粒子最大值為2 888.4 μm，最小值僅為682.2 μm，最大值是最小值的4倍。

4)不同高度CDP平均譜型存在一定的差異，因低層水汽凝結(jié)作用較強(qiáng)，2～18 μm的云粒子數(shù)濃度基本隨著高度的增加而降低;因暖層中云滴間碰并效率較低和冷層中小冰晶數(shù)濃度隨高度逐漸增加，24～35 μm粒子數(shù)濃度隨高度增加而增大。CIP觀測(cè)到的粒子譜，除4 100 m為雙峰譜外，其他高度均為單峰譜，雙峰譜的出現(xiàn)可能是粒子相態(tài)分布不均勻所致。PIP觀測(cè)的降水粒子譜，4 450 m高度處的粒子數(shù)濃度和譜寬最大，并且在3 200～4 000 μm之間出現(xiàn)數(shù)濃度大值區(qū)域，表明對(duì)流單體及周邊區(qū)域?yàn)檩^大固態(tài)降水粒子的形成提供了良好的環(huán)境。

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