一次浅对流云人工消云试验的飞机和卫星观测研究

蔡兆鑫++蔡淼++孙鸿娉++杨俊梅

摘 要：根据2015-08-20在山西定襄附近上空实施的一次浅对流云消云试验的资料，结合极轨卫星观测资料，分析了一次浅对流云的发展及其消散阶段的情况。结果表明，此次探测区域内分布着较为稀疏的浅对流云，探测的对流云粒子直径小于20 μm，谱线单调下降，粒子数浓度在100～1 000个/cm3之间，具有大陆性云微物理特征，6 μm以内的粒子浓度在不同高度上相差不多。随着高度的增加，10 μm以上的粒子浓度逐渐增大，云顶温度比较高，粒子有效半径比较小，为典型的过冷水云，云内有凝结增长机制和碰并增长机制。由飞机观测结果可知，作业后，积云消散的情况比较明显，云中粒子数浓度明显降低，作业有效。

关键词：浅对流云；消云试验；飞机观测；卫星微物理分析

中图分类号：P412.292 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.026

在我国，对流云的活动较为频繁，对流云边界明显，成长机制也较为简单，所以，研究对流云的发生、发展、消散条件和结构有非常重要的意义。初生的浅对流云内部上升气流不强，可以直接利用飞机对浅对流云撒播过量的吸湿性催化剂，达到人工消云的目的。通过合理的设计飞行，对浅对流云进行直接穿飞探测，利用机载DMT仪器可以获得浅对流云内部的液态含水量和粒子谱分布信息。这些观测结果对于进一步了解对流云的发展，评估夏季对流降水和积层混合云降水的降水潜力至关重要。20世纪六七十年代，我国曾对积云做过相应的飞机观测，之后就很少直接观测云中粒子谱和含水量。目前，我国的对流云参数是否需要修正还没有直接判定依据，因此，对对流云的飞机观测工作就显得十分重要。Rosenfeld等人在以色列南非等地进行积云观测，结合卫星遥感提出了T-re理论，并解释了多种天气现象。Rosenfeld在不同高度的积云云顶进行飞行探测，对比了飞行探测结果和极轨卫星的反演结果，利用云顶温度（T）和有效半径（re）分析了云垂直结构和降水的形成过程，提出了T-re的分析方法。蔡淼等人移植应用了该方法，利用我国FY2C静止卫星观测资料分析一次对流云团合并降水过程前后的云垂直结构发现，在对流云团合并初期，云底由小粒子组成，在T-re图上表示为深厚的凝结增长区域；合并时，整层云粒子的有效半径明显增长，粒子相态达到混合相态区，冻结层的温度不断升高。通过对积云的飞行探测，分析不同过饱和度下CCN的凝结时发现，CCN决定了云底的云滴浓度，而云底粒子浓度决定了云粒子尺度的垂直发展情况和降雨高度。Kenneth Sassen等人利用遥感手段和飞机观测资料对积云中液水含量作了初步研究，ZhiEn Wang等人结合飞机资料和机载激光雷达研究了不同上升下沉气流下云的宏观、微观特征。在我国，赵仕雄等人利用二维动力、热力场和水凝物粒子分档数值模式对黄河上游河曲地区浅对流云降水微物理特征进行了试验性模拟。结果显示，浅对流云中暖雨增长机制可以单独形成雨，并且其成雨速率快于冷雨过程。王斌等人运用三维双参数对流云模式和常规单站探空资料进行湖北西北部山地夏季对流云降水实例的批量数值模拟，使用地面降水量和雷达回波资料检验模拟效果，并统计、分析降水微物理过程特征，归纳、总结冰相粒子的形成、增长机制以及液态水和冰相粒子的相互转化机制。另外，马新成也研究了黄河上游秋季对流云降水特征的观测分析和数值模拟，总结了对流云的概念模型。

从以往的观测分析研究中可以看出，受资料、技术手段等的限制，国内对对流云的研究仅限于数值模拟，飞机观测方面的研究还处于空白阶段。

1 资料和观测仪器介绍

文中所用资料主要为MODIS卫星观测资料和飞机观测资料。探测飞机为运-12，由它搭载美国DMT云物理探测系统。云物理探测系统主要包括空气状况探头ADP（Air-Data Probe）（用于测量温度、湿度、相对湿度、空气的静态气压和动态气压、风速、风向、GPS轨迹等），采样探头，括温、湿度探头和北斗地空通讯系统。采样探头的主要技术参数详见表1.PIP探头主要用于探测降水粒子，其测量范围为100～6 200 μm，分辨率为100 μm。CDP探头主要用于探测云粒子，为前向散射粒子探头，其粒子测量范围为2～50 μm，共分为30档——前12档的间隔为1 μm，后18档的间隔为2 μm。CIP探头主要用于探测冰晶和大云滴，其测量范围为25～1 550 μm，分辨率为25 μm。

表1 DMT系统各探头参数列表

2 飞行概况

此次消云试验共有3架飞机参与，其中包括1架探测飞机和2架作业飞机，探测飞机为运-12飞机，作业飞机为运-8飞机。运-12（3817）飞机2015-08-20T13：30在太原武宿机场起飞，飞行轨迹如图1所示，起飞后一直爬升，向定襄方向飞行，14：00到达定襄机场上空，高度3 700 m，温度-0.79 ℃。此时，附近无云，继续向北飞行。14：04，飞机到达定襄北部，天空分布着比较稀薄的浅对流云，飞机开始穿云探测飞行。14：08左右，在定襄和五台之间发现了一片较大的浅对流云团，云团底部约4 000 m，顶部约4 400 m，所以，确定该云团为作业目标云团，在云顶附近进行穿云观测，高度4 370 m，温度-3.16 ℃，穿云后，调头继续穿云观测，如此反复探测5次。14：40，2架运-8飞机依次从定襄机场起飞，准备利用吸湿性催化剂对观测云团进行消云试验，运-12飞机飞离观测点盘旋等待，结束对目标云团的观测。15：20，作业结束，运-12飞机飞回定襄附近上空，对作业后的云团进行探测飞行。16：20，探测结束，飞机返回武宿机场落地。

a. 飞机飞行轨迹 b. 飞行高度、温度随时间的变化

图1 运-12飞机飞行概况

3 浅对流云极轨卫星分析

利用多条通道信息的组合可以探明云的类型、云顶粒子相态、云厚、粒子有效半径和云中气溶胶与云的相互作用等。因此，可赋予可见光反射率、云顶温度和3.7 μm通道反射率不同的基色值，通过组合编码形成RGB彩色图像。具体可按照以下方案设计：①可见光反射率编码为红色，反射率越大，色调越红；②反演的3.7 μm通道反射率编码为绿色，它代表着云顶粒子的有效半径，有效半径越小，色调越绿；③11 μm通道亮温编码为蓝色，温度越高，色调越蓝。

可见光的反射率主要取决于云的光学厚度——云光学厚度越大，反射率就越高；3.7 μm通道的反射率主要取决于re值——re越小，3.7 μm的反射率就越大；11 μm的亮温主要取决于云顶高度（T）——云顶高度越高，亮温越低。赋予可见光反射率红色，色调越红，反射率越大，说明云越厚；赋予3.7 μm反射率绿色，色调越绿，re越小；赋予11 μm亮温蓝色，色调越蓝，温度越高。因此，可将红、绿、蓝3种颜色组合起来反映云物理特征，从而达到可视化显示云特征的效果。

对流云的云顶温度会随高度的增加而降低，因此，可以用云顶温度（T）替代云顶高度来估计云的垂直发展情况。只要没有降水发生，在给定的温度条件下，云粒子有效半径保持不变。对于发展中的对流云，云顶温度和有效半径的关系可以表明云中粒子的相态和由此引发的云中降水形成过程的演变规律。根据Rosenfeld和Lensky提出的代表对流云顶垂直增长规律的T-re概念模型及其关系式，选定一个云团，把每隔1 ℃的re分布计算出来就可以得到T-re的曲线。图2为T-re关系曲线模型，从下到上依次为凝结增长区、碰并增长区、雨胚形成区、混合相态区和冻结区。

注：方框为飞机观测范围

图3 MODIS卫星观测结果与T-re关系图

图3指出了2015-08-20T13：50 MODIS卫星观测和飞机探测区域（图中蓝色框所示）的T-re关系。卫星经纬度范围为（40.35，110.74；41.22，122.33；35.82，112.05；36.69，122.8）。由相关分析可知，此次飞机探测区域有多个分散的对流云，云团整体表现为暖黄色。这说明，云顶温度比较高，粒子的有效半径比较小，可能是过冷水云。而对流所占面积较小且在多个对流云中有一片明显的晴空区（图中数值周围的蓝色区域）说明，该区域对流云分布比较稀疏，多为浅对流云。该区域的云垂直结构在T-re图上表现为典型的大陆性云微物理特征，云底约15 ℃，它是由粒子有效半径小于10 μm的小云滴组成的。云中小粒子通过凝结过程缓慢增长，凝结增长层非常厚。到-10 ℃时，粒子的有效半径约10 μm.此时，该高度向上，粒子通过碰并过程迅速长大，直径超过15 μm。另外，云顶约-12 ℃，在负温区有效半径普遍较小，在3～15 μm之间。这说明，云顶以过冷云滴为主。

4 飞机观测云宏微观物理量分析

图4为浅对流云不同高度的平均的粒子谱。从图4中可以看出，该浅对流云内的粒子直径小于20 μm，云内无雨胚形成，谱线单调下降，粒子数浓度在102～103个/cm?之间，为典型的大陆性对流云。6 μm以内粒子浓度在不同高度上相差不多。随着高度的增加，10 μm以上粒子浓度逐渐增大，粒子相态应为液态，云顶以过冷云滴为主。如果该结果与卫星观测结果相符，则说明云内只存在凝结增长机制和碰并增长机制。

图4 浅对流云不同高度的平均云粒子谱

图5为整个飞行过程中DMT粒子探测系统观测结果，由上至下分别为LWC、CDP、CIP、PIP粒子探头观测结果随时间的分布情况。由图3的分析结果可知，作业前，观测到的积云中平均含水量约为0.000 47 g/m?，最大含水量约为0.03 g/m?，作业后，没有观测到液态水；作业前，积云内CDP观测到的粒子浓度平均值约为13.595个/cm?，最大值为631.724个/cm?，作业后，平均值为0.114 5个/cm?，最大值为0.657个/cm?；作业前，积云内CIP观测到的粒子浓度平均值为0.001 7个/cm?，最大值为0.006个/cm?，作业后，平均值为5.46×10-5个/cm?，最大值为0.004个/cm?；作业前，PIP观测到粒子浓度平均值为0.000 285个/cm?，最大值为0.002 5个/cm?，作业后，PIP为0.综上所述，作业后目标云系内的云粒子数目明显减少。

图5 飞机观测微物理量随时间的变化

图6为飞机上航拍云团实况。其中，a为催化前的云团，b为催化中云团，图中亮点为作业飞机，c为作业后云团。作业前，积云团较密实，云顶较为平整，无明显空挡，云团的直径约为7 km，云厚约为400 m；作业时，积云开始出现空档；催化后，积云结构松散，无法连成片状，云厚不足200 m。综合飞机观测到的云宏观、微观结果可知，此次作业有效。

5 结论

MODIS资料显示，此次探测区域内分布着较为稀疏的浅对流云。T-re结果显示，该浅对流云具有大陆性云微物理特征，云顶温度较高，粒子有效半径较小，为典型的过冷水云。

由飞机观测粒子谱可知，此次观测的对流云粒子直径小于20 μm，谱线单调下降，粒子数浓度在100～1 000个/cm?之间，为典型的大陆性对流云。6 μm以内粒子浓度在不同高度上相差得不多，随着高度的增加，10 μm以上粒子的浓度逐渐增大，粒子相态应为液态，云顶以过冷云滴为主，与卫星观测结果相符。这说明，云内有凝结增长机制和碰并增长机制。

机载DMT分析结果显示，作业前后云中粒子数浓度明显降低，作业有效。根据航拍的云团实况，作业后积云消散的情

况较为明显，所以，判定此次作业有效。

a.催化前

b.催化中 c.催化后

图6 飞机观测到的作业云团实况

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