山西地区一次层状云降水过程的微观特征观测分析

封秋娟，李培仁，丁建芳，申东东，晋立军

(1.山西省人工降雨防雹办公室，山西太原030032;2.河南省人工影响天气中心，河南郑州450003)

0 引言

层状云系是中国北方降水的一种主要云系，对层状云降水过程宏微观结构的观测研究可以进一步了解层状云降水的形成机制，为人工增雨作业方案的优化提供科学依据。Hobbs et al.(1974)和Heymsfield(1986)的研究表明，冰晶聚并的比例随温度的降低而减小，但仍有可能存在于温度低于－25℃的云内。Field(1999)通过对冷锋高层云系的探测发现，－40～－20℃层冰晶以扩散增长为主，而－20～－10℃层聚并占主导地位。利用机载粒子测量系统是目前研究层状云结构和降水机制的重要方法(张佃国等，2010，2011;刘莹莹等，2012)。我国自20世纪80年代起，引进美国的粒子测量系统(简称PMS)开展云的研究。游来光等(2002)发现北方的层状云中存在“播种云—供应云”的配置，有时中间还常夹有干层。杨文霞等(2005)对4架次飞行个例的PMS资料进行综合分析，发现河北省春季层状云降水系统存在不均匀性，表现之一为较强降水云带。居丽玲等(2011)分析了2008年10月4—5日石家庄一次降水性层状云系的PMS资料，发现云系微物理要素的垂直分布结构与粒子增长过程符合顾震潮先生的三层模型的冷云降水形成机制。山西省人工降雨防雹办公室2006年从美国粒子测量技术公司(DMT)引进云物理探测系统，孙鸿娉等(2011)利用DMT探测平台对山西一次云降水过程实施了综合探测，分析表明只有当云粒子浓度不小于30 cm－3时，相应云区才具有一定的可播度。

利用可能的观测手段来研究降水云系的微观结构，以揭示降水形成机理，是云降水物理研究的主要方法。以往的研究注重于空中飞机探测资料的分析，或者地面雨滴谱的研究，很少有将空中飞机观测和地面雨滴谱观测结合起来研究降水结构的工作。本文利用2010年5月27日一次从空中到地面的微观探测资料，结合卫星云图、雷达回波等宏观资料，分析了层状云降水云系空中云微物理参量的垂直、水平分布特征和地面雨滴谱特征，建立地面雨强与雷达反射率因子、雨水含量、雨滴数浓度、Gamma分布谱参数的相关关系，并对比空中和地面雨滴谱，通过研究空中雨滴谱变化了解本次层状云降水的主要机制，以期提高对山西地区层状云降水特征的了解。

1 天气背景

2010年5月26 —27日，500 hPa山西省受西南气流控制，并且在新疆西部和河套地区有短波槽不断东移影响，在蒙古中部形成闭合低涡，700 hPa山西省位于切变线以东和最大风速带以西。受巴尔喀什湖移入冷涡系统和西太平洋副热带高压边缘暖湿气流系统影响，2010年5月27日10时(北京时间，下同)在华北大部分地区、内蒙古东部地区的上空形成一条东北—西南走向的连续云带(卫星云图略)。从雷达PPI(plane position indicator，平面位置显示)回波图看，所选用区间(太原—祁县—介休)资料回波结构相对均匀，回波强度在20 dBz左右，且空间距离在太原雷达90 km范围内;图1b为沿介休、祁县方向 RHI(range-height indicator，距离高度显示)剖面，观测区域回波顶高不均匀，强回波顶在4 km左右。2010年5月26日08时山西南部运城先出现小雨，17时系统东移，山西中南部大部分地区降小雨，2010年5月26日17时—5月27日20时为全省范围的小到中雨，5月27日23时全省降水基本结束。

图1 2010年5月27日10:04太原站雷达回波 a.PPI(仰角1.5°);b.RHI(沿介休、祁县方向，方位角214.4°)Fig.1 Radar echoes at 10:04 BST on 27 May 2010 in Taiyuan a.PPI(1.5°elevation angle);b.RHI(214.4°azimuth angle)

2 资料的获取

空中观测采用美国DMT公司生产的空气状况探头(ADP)、云粒子探头(CDP，量程:3 ～50 μm)、二维云粒子图像探头(CIP，量程:25～1 550 μm)、二维降水粒子图像探头(PIP，量程:100～6 200 μm)。地面观测以雨滴谱为主，采用德国OTT公司生产的Parsivel激光降水粒子谱仪。该仪器的数据共有32个尺度测量通道和32个速度测量通道，其中粒子尺度测量32个通道对应的数据范围为0.2～25 mm(实际测量中前两通道无数据)，粒子速度测量范围为0.2～20 m/s。

探测飞机为运-12，飞行主要区域为祁县、介休上空，从雷达回波可知，飞行区域回波相对均匀，且空间距离在雷达观测90 km范围内。09:12飞机从太原武宿机场起飞，本场小雨，起飞后垂直爬升飞往祁县，约2 100 m高度入云，0℃层在3 500 m，09:34到达祁县，高度5 600 m，500 hPa盛行西南风，风速8 m/s。随后保持高度5 600 m折线飞往介休并作业，09:55从介休保持5 600 m平飞往祁县回穿作业云，10:04在祁县盘旋下降600 m后保持5 000 m平飞到介休，10:17在介休盘旋下降600 m后保持4 400 m平飞到祁县，10:29在祁县盘旋下降600 m后保持3 800 m平飞到介休，700 hPa盛行南风，风速16 m/s，10:44从介休返航回太原并于11:12降落。

地面雨滴谱观测在山西祁县、介休进行。取样间隔时间是1 min，飞行时间内(09:12—11:12)祁县、介休各取得样本121个。5月27日探测时间段(09:12—11:12)飞行区域主要云系是高层云，降水类型是连续性小雨，其中介休降水量2.5 mm，祁县降水量2.1 mm。

3 云的微结构

3.1 微物理参数的垂直分布

利用飞机爬升阶段的探测资料研究云系的垂直结构。图3a、b、c给出了 CDP、CIP、PIP 三个探头观测到粒子数浓度、粒子直径的垂直分布，探测高度范围为780～5 600 m，温度15.7～－6.7℃。由图3a看见，2 300～4 200 m高度云滴数浓度较大，最大粒子数浓度为165.20 cm－3，粒子数浓度和直径呈负相关关系，2 300 m以上粒子直径变化小，基本在20 μm以下。CIP探测到3 000 m以上粒子数浓度量级分布在10－2～10－1cm－3，3 000 m 以下数浓度量级变化大部分在10－3～100cm－3，并出现粒子数浓度最大值为1.08 cm－3，3 000 m以下粒子尺度分布在25～1 550 μm，3 000 m以上粒子尺度主要分布在800～1 550 μm。PIP探测资料显示，3 000 m 以下粒子数浓度量级约为10－3cm－3，随高度增加递减，粒子直径基本小于1 300 μm，3 000 m以上粒子数浓度量级为10－3cm－3，但粒子数浓度大于3 000 m以下，随高度增加递增，粒子直径基本大于1 300 μm。

3.2 微物理参量的水平特征

图2 2010年5月27日二维轨迹(a)和三维轨迹(b)Fig.2 (a)Two dimension and(b)three dimension flight profile on 27 May 2010

图3 2010年5月27日飞机爬升阶段探测云微物理参数垂直分布 a.CDP;b.CIP;c.PIPFig.3 Vertical distribution of microphysical parameters measured by(a)CDP，(b)CIP，(c)PIP on 27 May 2010

图4a、b分别给出了5 000 m、3 800 m高度层CDP、CIP、PIP观测到的粒子数浓度、粒子直径的水平分布特征(对观测数据取6 s平均)。从图4a可以看出，CDP探测到云粒子数浓度量级为10－1cm－3，水平起伏小，粒子平均体积直径起伏大。CIP探测到大云滴粒子浓度分布均匀，平均为1.0×105m－3，粒子平均体积直径分布均匀。PIP观测到降水粒子量级为103m－3，曲线较平滑，体积直径起伏大，约1 400～4 100 μm。5 600、4 400 m 高度层探测的云粒子水平分布特征同5 000 m高度层(图略)。图4b为3 800 m高度层探测云粒子水平分布特征，CDP探测云滴浓度在整个平飞阶段分布很不均匀，有3个量级的变化，粒子数浓度和直径呈反相关关系，粒子平均体积直径起伏也较大。CIP探测大粒子数浓度有起伏，极值相差2个量级，粒子直径尺度基本分布在600～1 500 μm。PIP降水粒子数浓度量级为103m－3，水平分布略有起伏，粒子尺度分布小于5 000 m高度处，变化范围为1 900～3 800 μm。

4 地面雨滴谱特征

4.1 雨滴谱微物理特征参量

雨滴的微物理参量可以反映降水的基本特性，对探测时间段内(2010年5月27日09:11—11:19)介休、祁县地面雨滴微物理参量计算平均值，结果见表1。其中D1、D2、D3分别为雨滴平均直径、均方根直径、均立方根直径，Dmax为雨滴的最大直径，N为雨滴总数浓度，I为雨强，N0～1/N、I0～1/I表示直径 0～1 mm的雨滴占总数密度和雨强的比例，I1～2/I表示直径1～2 mm的雨滴雨强占总雨强的比例。由表1可以看到，介休、祁县两站的各物理参量比较接近，雨滴数浓度有102m－3的量级，介休、祁县雨滴平均直径分别为0.79、0.86 mm，平均雨强分别为1.13、1.54 mm/h，这是典型的层状云降水。在介休、祁县的降水过程中，直径0～1 mm的雨滴数浓度占总数浓度的80%左右，对降水的贡献为30%左右，降水过程以小雨滴为主，对雨强贡献超过50%的雨滴直径范围是1～2 mm。

图4 2010年5月27日探测的5 000 m(a)及3 800 m(b)云微物理参数的水平分布Fig.4 Horizontal distribution of cloud microphysical parameters on 27 May 2010 a.5 000 m;b.3 800 m

表1 雨滴谱微物理量的平均值Table 1 Average value of microphysical features of raindrop size distribution

4.2 雨滴微物理参量的时间演变

图5a、b分别给出了介休、祁县两站的雨滴数浓度N、雨强I、雨滴的平均直径D1和最大直径Dmax随时间的演变特征。从图5a可以看出，介休雨滴数浓度多起伏，变化范围为92.8～400 m－3，雨滴最大直径在1.5～3.5 mm，雨强在0.62～2.12 mm/h，雨滴平均直径基本在0.8 mm左右。09:11—10:10降水期间雨滴数浓度先下降，随后缓慢上升达到一峰值后逐渐下降，与雨强和最大直径随时间变化趋势基本一致。10:10—11:19较09:11—10:10雨滴数浓度变化剧烈，与雨强变化趋势相同，雨滴最大直径变化平缓。从图5b可以看出，降水过程中祁县雨滴数浓度变化范围为82.9～265 m－3，变化范围较介休窄，雨滴最大直径在2.0～4.0 mm，雨强在0.68～2.61 mm/h，雨滴平均直径基本在0.8 mm左右。雨滴数浓度、雨强、雨滴最大直径出现多次起伏，反映了层状云降水的不均匀分布。雨滴数浓度与雨强变化趋势基本一致，与雨滴最大直径变化关系不大。由图5a、b可见，雨强主要由雨滴数密度决定。

图5 雨强I、雨滴数浓度N、平均直径D1和最大直径Dmax随时间演变 a.介休;b.祁县Fig.5 Temporal distribution of rainfall intensity I，raindrop concentration N，mean diameter D1and maximum diameter of raindrop Dmax a.Jiexiu;b.Qixian

4.3 地面雨滴谱特征参量与雨强的关系

建立地面雨强I与雷达反射率因子Z、雨水含量W、雨滴数浓度N、Gamma分布的谱参数N0、λ的相关关系，其中雷达反射率因子Z由太原雷达测量所得，介休取1.5°仰角的基数据，祁县取2.4°仰角的基数据，地面雨强I是雨强计测量所得。介休雨滴谱Z-I关系可表示为Z=56.700I2.332，W-I关系可表示为 W =60.256I0.908，N-I关系可表示为N=201.386I0.495。祁县雨滴谱 Z-I关系可表示为Z=138.373 I0.340，W-I关系可表示为 W =53.781I0.905，N-I 关系可表示为 N=137.840I0.569。介 休 N0=1191.381I0.149，λ =2.651I－0.136，祁 县N0=614.673I0.583，λ =2.276I0.044。N0有随 I的增大而增大，λ有随I的增大而减小的趋势，相关系数较低。

表2 雨强I与各谱特征参量及谱参数的相关关系Table 2 Correlations between rainfall intensity I and the spectral parameters and the microphysical charac teristics

图6、7分别给出介休、祁县各谱特征参量及谱参数与I的关系。由图6、7可以看出，Z-I关系和W-I关系点分布较为集中，相关性很好，介休、祁县Z-I、W-I相关系数分别为47.4%、93.3%和46.0%、94.5%。而N-I、N0-I、λ-I关系的点较为分散，相关性较差。

5 空中、地面雨滴谱特征

5.1 空中和地面雨滴平均谱的对比

比较空中和地面雨滴平均谱，其中空中雨滴谱选取0℃层以下云内雨滴谱作平均。由图8可以看出，地面雨滴平均谱比空中雨滴平均谱窄，谱型较陡。地面雨滴平均谱呈单峰分布，空中雨滴平均谱在直径小于1.0 mm的小滴段和直径大于4.0 mm的大滴段呈多峰分布，尤其在大滴处有多个峰值，说明雨滴的碰并、破碎还没达到一种相对均衡的状态。由于大雨滴在降落地面过程中破碎、蒸发作用，导致地面雨滴谱谱宽较空中雨滴谱谱宽窄的多。

5.2 空中雨滴谱随高度的分布

分析2010年5月27日观测到的空中不同高度层雨滴谱分布的变化(资料取自PIP探头)。暖云形成降水的主要机制是云滴凝结增长、云滴和小雨滴的碰并、破碎、蒸发等，冷云形成降水的主要机制包括冰晶的凝华增长、破碎、繁生与碰并增长等。5 000 m、4 400 m高度处冰粒子数浓度大于5 600 m处(表3)，并含有丰富的过冷水，云粒子在高层以核化、凝华和扩散增长为主，由于云中上层受冷空气活跃带产生的辐合作用，云粒子和冰粒子活跃增长，雪粒子和大滴形成(图9)。云中存在冰雪晶、过冷水，云滴冻结淞附在冰雪晶上，对雨滴增大产生了影响，所以5 000 m、4 400 m雨滴谱较5 600 m变宽(图10)。从图3a可以看到3 800 m高度处，云滴数浓度很低，是一个干层(低于0℃)，雨滴平均直径较冷云其他层增加明显，同时数浓度减小(见表3)，雪粒子发生聚合(图9)，这里发生了固态粒子聚合和云滴蒸发。3 000 m高度处雨滴比上层浓度小，可能是降水的不均匀性造成的现象，也有可能是上层高浓度雨滴胚胎还没有降落所致，滴谱变窄是因为冰相粒子融化所致，此高度应当是雨滴碰并云滴增长。2 100 m和1 500 m处，雨滴数浓度的变化是降雨的阵性所致，与3 000 m处相比平均直径变小，地面相对湿度90.4%，应当是蒸发的缘故。

图6 介休雨强I与雨滴谱物理特征量和谱参数的相关关系 a.雷达反射率因子Z;b.雨水含量W;c.雨滴浓度N;d.谱参数N0;e.谱参数λFig.6 Correlations between the rainfall intensity I and(a)the radar reflectivity Z，(b)rainwater content W，(c)raindrop concentration N，(d)parameter N0，and(e)parameter λ in Jiexiu

图7 祁县雨强I与雨滴谱物理特征量和谱参数的相关关系 a.雷达反射率因子Z;b.雨水含量W;c.雨滴浓度N;d.谱参数N0;e.谱参数λFig.7 Correlations between the rainfall intensity I and(a)the radar reflectivity Z，(b)rainwater content W，(c)raindrop concentration N，(d)parameter N0，and(e)parameter λ in Qixian

图8 空中和祁县、介休地面平均雨滴谱Fig.8 The upper raindrop size distribution(RSD)and surface raindrop size distribution in Qixian and Jiexiu

表3 各高度层雨滴谱特征量Table 3 The microphysical characteristics of raindrop size distribution on different levels

图9 不同高度层二维粒子图像Fig.9 The two-dimensional pictures on different levels

6 结论

1)根据卫星云图和雷达回波等宏观资料判断本次降水属层状云降水，主体云系分布在2 100～4 200 m，垂直方向存在干层。

图10 不同高度层雨滴谱Fig.10 The upper raindrop size distributions on different levels

2)分析飞机探测空中云的微结构表明，云微物理结构垂直分布不均匀，CDP探测粒子浓度相差4个量级，粒子浓度与直径成负相关关系。CIP探测粒子浓度量级在10－3～100cm－3，最大粒子浓度为1.08 cm－3，3 000 m以下粒子直径分布在25～1 550 μm，3 000 m以上粒子直径分布在800～1 550 μm。PIP探测粒子浓度量级基本为10－3cm－3，3 000 m以下粒子直径小于1 300 μm，3 000 m以上粒子直径大于1 300 μm。5 600 m、5 000 m、4 400 m 平飞CDP、CIP、PIP探测粒子浓度起伏小，直径起伏大。3 800 m平飞CDP探测粒子浓度起伏大，CIP、PIP探测粒子浓度起伏小。

3)对地面雨滴谱特征分析发现，雨强主要由雨滴数密度决定，层状云降水微物理参量随时间分布不均匀。建立地面雨强I与雷达反射率因子Z、雨水含量W、雨滴数浓度N、Gamma分布的谱参数N0、λ的相关关系，Z-I关系和W-I关系点分布较为集中，相关性较好，分别为51.3%、94.5%，N-I、N0-I、λ-I关系的点较为分散，相关系数较低，分别为36.1%、13.2%和0.9%。N0随I的增大而增大，λ有随I的增大而减小的趋势。

4)比较空中、地面平均雨滴谱，地面雨滴平均谱比空中雨滴平均谱窄，谱型较陡。结合粒子图像、空中雨滴谱的高度分布分析降水机制，降水为冷云和暖云降水相结合。

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