李冬楠 劉星光 高倩楠, 袁潮 李鵬 安英玉

(1 中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京100081； 2 黑龍江省人工影響天氣辦公室， 哈爾濱150030； 3 成都信息工程大學(xué)，成都610103)

引言

自然云降水的形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，降水的物理機(jī)制不僅受到宏觀的動(dòng)力、熱力等條件的重要影響，也與云的微物理結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。因此，對(duì)云中微物理過(guò)程的研究是云降水形成過(guò)程和人工影響降水的重要基礎(chǔ)，也是人工影響天氣飛機(jī)觀測(cè)的重要內(nèi)容。

飛機(jī)探測(cè)是觀測(cè)云-降水探測(cè)和云微物理結(jié)構(gòu)的最直接的重要手段之一，我國(guó)自20世紀(jì)80年代引入機(jī)載探測(cè)設(shè)備以來(lái)，做了大量的觀測(cè)研究實(shí)驗(yàn)。黃美元和洪延超(1984)[1]、牛生杰等(1992)[2]和陳文選等(2001)[3]較早地分析了層狀云的不均勻結(jié)構(gòu)。隨著飛機(jī)觀測(cè)手段的不斷成熟和技術(shù)設(shè)備的改進(jìn)，我國(guó)也有越來(lái)越多的飛機(jī)觀測(cè)研究。蘇正軍(2000)[4]、彭亮(2007)[5]、李義宇(2012)[6]、龐朝云(2016)[7]、張磊(2013)[8]分別對(duì)一次華北冷渦降水過(guò)程、河南春季降水過(guò)程、山西鋒面云系降水過(guò)程、甘肅層狀云降水過(guò)程、北京層狀云降水過(guò)程進(jìn)行云微物理的飛機(jī)觀測(cè)研究。此外，還有一些學(xué)者利用多架次飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)某特定區(qū)域、時(shí)段進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析研究，張佃國(guó)[9]等用山東省28架次數(shù)據(jù)分析了云中過(guò)冷水和冰晶濃度分布特征，孫鴻娉[10]等用山西省64架次飛機(jī)探測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析層狀云系的宏微觀特征，黃夢(mèng)宇[11]等人利用1990年秋季和1991年春季層狀云12架次云及降水的微物理特征探測(cè)，分析了云微觀特征和垂直分布。

不同地區(qū)的云和降水微物理特征因氣象和地形條件的差異會(huì)有所不同，因此對(duì)不同地區(qū)不同類型云系進(jìn)行云微物理探測(cè)，更有助于人們?nèi)媪私饨邓茩C(jī)制。張正國(guó)[12]等研究廣西秋季層狀云宏微觀物理結(jié)構(gòu)特征，李思聰[13]等研究了我國(guó)東部層積云發(fā)展過(guò)程中云微物理特征和云微物理機(jī)制的演變，蔡兆鑫[14]等在山西省做了大陸性積云不同發(fā)展階段宏觀和微觀物理特性的飛機(jī)觀測(cè)研究，王黎俊[15]對(duì)三江源地區(qū)秋季多層層狀云微物理特性進(jìn)行研究，探討云粒子增長(zhǎng)機(jī)制，齊彥斌[16]分析了東北冷渦中對(duì)流云帶的宏觀特征和微物理結(jié)構(gòu)。

東北冷渦是具有深厚冷心結(jié)構(gòu)的渦旋，是影響我國(guó)北方的主要天氣系統(tǒng)之一，以春末和夏初活動(dòng)最頻繁，在穩(wěn)定的大尺度環(huán)流背景下，可導(dǎo)致大范圍強(qiáng)降水的頻繁出現(xiàn)[17]。在春季干旱的背景下，東北冷渦是東北各省實(shí)施人工增雨作業(yè)的主要天氣系統(tǒng)。因此，了解不同發(fā)展階段的云宏微觀結(jié)構(gòu)特征、研究渦旋云系在不同動(dòng)力和熱力條件下的降水機(jī)制是具有現(xiàn)實(shí)意義的。

本文對(duì)2019年5月20日處于東北冷渦發(fā)展期的暖式切變線位置云區(qū)進(jìn)行飛機(jī)探測(cè)，結(jié)合高空、地面、衛(wèi)星云圖產(chǎn)品等常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，分析東北冷渦天氣過(guò)程云系宏觀特征和微物理結(jié)構(gòu)。

1 天氣概況

2019年5月20—21日，受東北冷渦影響，我國(guó)東北地區(qū)出現(xiàn)大范圍降水天氣。由圖1可以看出， 在500 hPa高空天氣圖上，渦中心位于吉林和黑龍江交界處，外圍有3條閉合等高線，溫度場(chǎng)位相落后于氣壓場(chǎng)，系統(tǒng)深厚且處于發(fā)展期。地面有東北氣旋配合發(fā)展，低渦中心、地面氣旋中心基本重合，冷渦發(fā)展趨于成熟。從地面6 h降水落區(qū)和環(huán)流的配合來(lái)看，降水范圍較大，強(qiáng)降水位于低渦中心和低層暖式切變線附近，其中低渦中心降水強(qiáng)于暖式切變線附近。

圖1 2019年5月20日08:00 500 hPa天氣圖(a)和地面填圖(b)

2 飛機(jī)探測(cè)概況

2.1 飛行探測(cè)情況

本次飛行探測(cè)時(shí)間為2019年5月20日05:07—09:40，飛機(jī)在東北冷渦的前沿云系飛行探測(cè)。GPS測(cè)量的飛機(jī)三維航跡如圖2所示，飛機(jī)從黑龍江省肇東機(jī)場(chǎng)(海拔高度140 m，地面溫度6.7 ℃)起飛，向東北方向飛行到黑河北安市，上升至海拔高度4000 m進(jìn)行平飛探測(cè)，根據(jù)飛行高度隨時(shí)間變化圖，飛機(jī)在4000 m高度平飛20 min后，以300 m為一個(gè)高度層進(jìn)行垂直探測(cè)，每下降一個(gè)高度層(300 m)平飛探測(cè)5 min，下降至2200 m海拔高度后，重新爬升至4000 m進(jìn)行催化劑播撒作業(yè)。播撒作業(yè)后，返回至肇東機(jī)場(chǎng)(圖3)。此次探測(cè)飛行共耗時(shí)4 h 33 min。

溫度特征層0 ℃層高度在1100～1200 m，飛行及探測(cè)過(guò)程中機(jī)身表面出現(xiàn)中度積冰。

圖2 2019年5月20日飛機(jī)GPS航跡

圖3 2019年5月20日飛行高度與溫度的時(shí)間變化

2.2 觀測(cè)儀器介紹

本文利用空中國(guó)王350飛機(jī)作為此次飛行探測(cè)平臺(tái)，機(jī)上裝載美國(guó)SPEC(Stratton Park Engineering Company)公司的機(jī)載探測(cè)設(shè)備和美國(guó)DMT (Droplet Measurement Technologies) 機(jī)載云物理探測(cè)系統(tǒng)。本次觀測(cè)中使用的探測(cè)儀器包括：云粒子探頭CDP (Cloud Droplet Probe)，量程為 3～50 μm，分為30 個(gè)通道；二維云粒子圖像探頭CIP(Cloud Imaging Probe)，探頭的測(cè)量范圍為25～1550 μm，分為62個(gè)通道，分辨率為25 μm；云粒子圖像探測(cè)儀CPI(Cloud Particle Imager)，精度2.3 μm，可觀測(cè)得到云粒子照片；液態(tài)水含量(LWC)(Liquid Water Content)傳感器，測(cè)量云中液態(tài)含水量，測(cè)量范圍0～3 g/m3，溫度范圍-40～40 ℃，高度范圍0～12 km，濕度范圍0～100%；空氣狀況探頭AIMMS-20，用于測(cè)量溫度、濕度、相對(duì)濕度、空氣的靜態(tài)氣壓和動(dòng)態(tài)氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、GPS 軌跡(包括飛行經(jīng)度、緯度、高度的三維坐標(biāo)顯示)等。

3 云宏觀特征

圖4為5月20日08:00紅外云圖4a和可見光云圖4b，通過(guò)紅外云圖和可見光云圖的對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，渦旋云系結(jié)構(gòu)清晰，發(fā)展旺盛，覆蓋了我國(guó)東北大部分地區(qū)。紅外云圖對(duì)渦中心體現(xiàn)的較為明顯，渦旋云內(nèi)部以中、低云為主，外圍云帶呈螺旋狀向遠(yuǎn)處鋪展，在可見光云圖上，冷渦中心以對(duì)流云為主，距離渦中心越遠(yuǎn)，云系越發(fā)白色高亮，云系厚實(shí)緊密。飛機(jī)起降和探測(cè)作業(yè)區(qū)域在圖中用紅色框標(biāo)出，其中飛機(jī)起降區(qū)域(紅色框1)在低渦前部的偏南氣流中，探測(cè)區(qū)域(紅色框2)在低渦前部的暖式切變線、靠近渦中心的一側(cè)。從衛(wèi)星云圖上看，起降區(qū)域云體結(jié)構(gòu)不連續(xù)，厚度不均勻；探測(cè)區(qū)域云體相對(duì)均勻密實(shí)。

從圖5衛(wèi)星反演產(chǎn)品可知，5月20日08:00在探測(cè)飛行區(qū)域內(nèi)，云頂高度4000～6000 m，云頂溫度-25～0 ℃，飛機(jī)在云中飛行探測(cè)。

4 云微物理結(jié)構(gòu)特征

4.1 云微物理量的垂直分布特征

飛機(jī)在4000 m高度平飛探測(cè)和在東北冷渦暖式切變線所在區(qū)域(圖4中紅色框線2范圍內(nèi))的2200～4000 m的垂直探測(cè)過(guò)程中的云微物理總體情況，如圖6所示，CDP探測(cè)到粒子數(shù)濃度(圖6a)、CIP探測(cè)到粒子數(shù)濃度(圖6b)和液態(tài)含水量(圖6c)隨高度的垂直分布變化。在垂直探測(cè)范圍內(nèi)，云分3層：底層云在2300 m以下，中層云在2500～3200 m，上層云在3400 m以上。從圖6a可見，CDP在2200～2300 m、2500～3200 m之間有兩段幅度較小的起伏變化，粒子數(shù)濃度變化區(qū)間在101量級(jí)范圍內(nèi)；3400 m以上，粒子數(shù)濃度隨高度增加迅速增大，在3568 m處達(dá)到數(shù)濃度最大值354.81 cm-3，隨后隨高度增加減小。從圖6b可見，CIP探測(cè)到粒子數(shù)濃度垂直分布不均勻且不連續(xù)， 2500～3200 m粒子數(shù)濃度較高且較為均勻、變化幅度較小；在3400 m入云，粒子數(shù)濃度迅速增大，最大值出現(xiàn)在3650 m高度，達(dá)到191.08 L-1，粒子狀態(tài)多為大云滴和冰雪晶等。從圖6c可見，液態(tài)含水量垂直分布范圍為4000～2200 m，在0 ℃層以上的高度，為過(guò)冷云滴，并且含量較為豐富，在3636 m含水量達(dá)最大值為0.88 g/m3，同時(shí)與圖6a、b相比較，液態(tài)含水量隨高度的垂直分布與粒子數(shù)濃度變化一致。

圖6 2019年5月20日飛機(jī)探測(cè)過(guò)程中3種探測(cè)器探測(cè)粒子數(shù)濃度隨高度分布：(a)CDP,(b)CIP,(c)LWC

飛機(jī)起降區(qū)域(圖4中紅色框線1范圍內(nèi))的云微物理垂直特征，如圖7所示，CDP、CIP、LWC 3類探測(cè)數(shù)據(jù)在垂直方向上也存在分層特征。大值區(qū)位置一致表現(xiàn)在900～1700 m，波峰在1468 m，CDP、CIP、LWC對(duì)應(yīng)峰值分別為362.10 cm-3、149.12 L-1、0.676 g/m3，屬低云類、冷云。在2000 m以上，3類探測(cè)數(shù)據(jù)特征不一：LWC在垂直方向上一直存在著大小不一的連續(xù)性分布，并在2872 m、3343 m有兩處峰值，其中2872 m處的波峰與CDP、CIP有較好的對(duì)應(yīng)，但在3343 m處只有CDP與之對(duì)應(yīng)，說(shuō)明這個(gè)高度的云主要是25 μm以下的小云滴。在其它高度上，LWC的單獨(dú)存在，可以推測(cè)認(rèn)為是云中存在尺度超過(guò)1.5 mm的降水，或在層狀云中存在較弱的對(duì)流泡。

圖7 2019年5月20日飛機(jī)起降過(guò)程中探測(cè)粒子數(shù)濃度隨高度分布：(a)CDP,(b)CIP,(c)LWC

對(duì)比分析東北冷渦暖式切變線(即主要探測(cè)區(qū)域)和渦前部偏南氣流區(qū)(即飛機(jī)起降區(qū)域)的云微物理垂直特征發(fā)現(xiàn)，在2200 m以上前者的云水更為豐沛，說(shuō)明該區(qū)域云雨轉(zhuǎn)化的條件更為有利。

4.2 不同高度粒子譜特征

圖8a、b分別為CDP和CIP各個(gè)高度層的粒子譜分布圖，分別取3999、3703、3400、3098、2800、2489、2198 m各高度上CDP和CIP的5 s數(shù)據(jù)并取平均值作為一個(gè)高度層的代表數(shù)據(jù)，對(duì)比云的微物理參數(shù)變化。

CDP的云粒子譜分布呈指數(shù)型下降，云滴數(shù)濃度隨云滴直徑增大而迅速下降，粒子直徑為3 μm時(shí)，各高度層粒子濃度均較高；粒子直徑大于10 μm時(shí)，粒子數(shù)濃度為10-2量級(jí)。粒子譜譜寬較窄，當(dāng)粒子直徑小于10 μm時(shí)，粒子譜連續(xù)；在3098 m、2489 m高度時(shí)還可以少量觀測(cè)到直徑為30 μm的較大粒子。粒子數(shù)濃度在高層3703 m、3999 m時(shí)較高，為101量級(jí)；在中層3400、3098、2800 m，粒子數(shù)濃度為100量級(jí)；而在低層2489、2198 m，粒子數(shù)濃度較低為10-1量級(jí)。

CIP各高度層云粒子譜呈雙峰型分布，具有云粒子膠性不穩(wěn)定特征。對(duì)比各層發(fā)現(xiàn)：在3000 m以上云粒子譜普遍譜寬較窄，其中3700 m譜寬最窄， 3098 m粒子數(shù)濃度比其他高度層小1～2個(gè)量級(jí)；在3000 m以下的云粒子譜較寬但不連續(xù)，粒子直徑大于700 μm時(shí)粒子數(shù)濃度開始呈上升趨勢(shì)，粒子直徑大于1000 μm時(shí)，仍有不連續(xù)分布,其中2489 m高度層粒子數(shù)濃度均較大，且譜寬范圍最大。通道bin1測(cè)得直徑為25 μm小粒子濃度較高，可能是有破碎粒子增加了小粒子濃度的原因。

4.3 不同高度CPI粒子圖像

從CPI探測(cè)到的粒子二維圖像資料(圖9)可以看出，晶體形狀有很大不同，包括枝狀、星狀、片狀和柱狀等。

圖9a、b、c、d分別取自飛行高度2200 m、2500 m、2800 m、3100 m時(shí)CPI所觀測(cè)的粒子照片，溫度范圍-4.7～-3.4 ℃(有逆溫層存在)，可以看出有明顯的冰晶聚合體和針狀、柱狀冰晶粒子以及液態(tài)形態(tài)的過(guò)冷水滴。粒子在該層有粘連現(xiàn)象，且外圍部分有融化現(xiàn)象。該層含有過(guò)冷水較為豐富，是過(guò)冷水和冰晶粒子的共存區(qū)，可能發(fā)生冰相粒子的凝華過(guò)程。

圖8 不同高度上各探頭探測(cè)的粒子譜：(a)CDP,(b)CIP

圖9 CPI所探測(cè)到的不同高度處的二維粒子圖像

圖9e、f和g、h分別為飛行高度3407 m(-6.8 ℃)和3711 m(-9 ℃)的粒子照片，飛機(jī)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)有冰晶聚合體和枝狀冰晶以及小冰晶粒子。圖9e中顯示針狀冰晶在下落過(guò)程中吸附環(huán)境中的過(guò)冷水產(chǎn)生凇附，而在該層大多數(shù)粒子仍以過(guò)冷水滴和小冰晶形態(tài)存在，水滴不斷蒸發(fā)水汽，水汽在冰面上凝華，冰晶核化長(zhǎng)大，貝吉龍過(guò)程活躍，促進(jìn)過(guò)冷水向冰相轉(zhuǎn)化。

圖9i、j、k、l均為4000 m(-11.4 ℃、-12.9 ℃)高度時(shí)探測(cè)到的粒子照片，主要有體積較小的片狀冰晶粒子，是冰雪晶粒子的增長(zhǎng)層，由于溫度低，該層也有以冰晶的核化和凝華增長(zhǎng)現(xiàn)象，在冰晶的凝華增長(zhǎng)過(guò)程中消耗過(guò)冷水，發(fā)生貝吉龍過(guò)程。此外，仍然可見冰晶粒子之間的粘連聚合現(xiàn)象，也有清晰成形的雪晶粒子。

5 結(jié)論

(1)此次過(guò)程受東北冷渦影響，我國(guó)東北地區(qū)出現(xiàn)大范圍降水天氣，渦旋云系結(jié)構(gòu)清晰，發(fā)展旺盛。地面有東北氣旋配合發(fā)展，降水范圍較大，強(qiáng)降水位于低渦中心和低層暖式切變線附近。飛機(jī)探測(cè)區(qū)域的0 ℃層高度在1100～1200 m，本次降水為冷性層積混合云降水。

(2)飛機(jī)在東北冷渦暖式切變線附近的垂直探測(cè)過(guò)程中，云體分層，總體較厚，CDP和CIP觀測(cè)的粒子數(shù)濃度最大值分別為354.81 cm-3、191.08 L-1，液態(tài)含水量最大值0.88 g/m3；在冷渦前部偏南氣流的探測(cè)區(qū)域內(nèi)， 2000 m以下的低云較為明顯，CDP和CIP觀測(cè)到的粒子數(shù)濃度最大值分別為362.10 cm-3、149.12 L-1，液態(tài)含水量最大值0.676 g/m3，但在2000 m以上的云水少。二者對(duì)比表明，東北冷渦暖式切變線處在2000 m以上的云粒子譜更寬、云水更為豐沛， 更有利于形成較大降水。

(3)CDP各高度層云粒子譜呈指數(shù)型下降，粒子譜譜寬較窄；CIP的云粒子譜呈雙峰結(jié)構(gòu)，云粒子具有膠性不穩(wěn)定的特征，利于云發(fā)展并維持降水。層積云上部主要為冰雪晶粒子，以冰晶的核化和凝華增長(zhǎng)為主，且有較清晰成形的雪晶；中上部粒子主要為小冰晶，也有冰晶聚合體和枝狀冰晶；中下部是過(guò)冷水和冰晶粒子的共存區(qū)，過(guò)冷水較為豐富。