山西层状云降水微物理结构特征的观测研究

封秋娟++李培仁+杨+俊梅++申东东++李义宇++孙鸿娉

摘 要：利用2012-04-23—24常规天气、卫星云图、天气雷达和两架次DMT探测资料研究影响山西的一次典型冷锋层状云降水云系的结构特征。研究表明，高空槽和地面冷锋是导致降水发生的主要影响因素。PPI回波呈西南-东北走向的带状云系分布，回波强度集中在20～35 dBz。冷锋过境前后，云中微物理量要素变化差异较大。锋前云系云粒子谱呈多峰型分布，并且随着高度的增加，谱宽也会由宽变窄，锋前云系比锋区云系谱的变化更复杂。

关键词：层状云；微物理结构；锋区云系谱；降水云系

中图分类号：P426.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.036

在不同的天气系统和地形条件下，层状云系的宏观、微观结构和降水物理过程具有多变性和复杂性，所以，在开展人工影响天气的工作时，要重点研究各类天气系统在不同地理条件下的云雨规律。2008年，山西省人工降雨防雹办公室利用引进的美国粒子测量技术（DMT）在山西进行云降水观测外场试验，深入研究了人工增雨的气象条件和增雨技术等内容，并对山西省降水云系的宏观和微观物理特征、云结构、降水机制、云物理概念模型、催化条件综合判别、作业技术等进行了比较系统的研究，取得了一定的成果。因为飞机飞行会受复杂气象条件的制约，所以，山西省飞机人工增雨作业的目标云系主要是相对比较稳定的层状云系。此次目标云系是山西地区的主要降水云系。为了提高人工催化的效果和成功率，必须详细了解层状云的微物理结构，更好地选择作业时机和最佳作业部位。本文利用机载粒子测量系统探测2012-04-23—24山西省一次降水性层状云系，并结合MICAPS、雷达和卫星等资料分析层状云系的宏观和微观特征，讨论了云带的水平和垂直结构特征。

1 资料来源和分析方法

此次探测使用运-12飞机，机载美国DMT云物理探测系统，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）、云粒子探头CDP（Cloud Droplet Probe）、云粒子图像探头CIP（Cloud Imaging Probe）、降水粒子图像探头PIP（Precipitation Imaging Probe）和空速管等，它们的主要参数详见表1.这些探头分别安装在飞机两侧机翼的下方。飞机上安装的其他探测仪器还包括温、湿度探头和北斗地空通讯系统，它们主要提供的是飞行轨迹、飞行高度、航向、温度和湿度等信息。

2 天气系统、卫星云图、雷达回波特征

2.1 天气系统分析

2012-04-23T08：00，500 hPa欧亚中高纬度环流为两槽两脊型，温度槽落后于高度槽，山西受槽前弱脊的控制，在贝加尔湖至新疆一带有一橫槽，河套西南部到四川东部存在高原槽；20：00，橫槽略向东移，南部高原槽东移，山西受槽前西南气流的影响。2012-04-24—25，随着橫槽转竖和西风槽东移，再加上贝加尔湖冷涡不断有冷空气分裂南下，地面气压梯度不断增大。700 hPa南北向切变线位于河套以西，切变线以东有风速

≥12 m/s的大风带，2014-04-24T20：00，切变线东移至山陕交界处，当切变线移过山西省，山西转为由西北风控制。850 hPa东北西南向的切变位于内蒙古到甘肃一带，山西受偏南风控制，湿度大值区（（T-Td）≤4 ℃）位于河套内；2012-04-23T20：00，切变线东移南压到山西北部，河套内新形成一条切变线；2012-04-24T08：00，山西省北部转为西北气流控制，河套内切变东移至长治晋城一带，影响山西南部地区。在地面图上，山西省处于地面倒槽前部。2012-04-23T11：00，地面倒槽东移发展，17：00，倒槽维持，并在内部新生成一个低压，20：00，倒槽控制山西，高空不断有冷空气南下，冷空气在河套西部不断聚集。2012-04-24T08：00，一直控制山西的倒槽东移出山西，同时，地面冷锋东移到山西西部。受冷锋过境和锋后气压梯度力的影响，山西出现了大风天气。受高低空形势的共同影响，山西降水过程从2012-04-23夜间开始到2012-04-24T17：00基本结束，大部分地区降小雨，部分地区有中到大雨，局部有暴雨。

2.2 卫星云图分析

如图1所示，红外卫星云图的云带走向与高空槽线的走向一致，云系连续密稠，由多层云组成，云带边带比较光滑。从2012-04-23T23：30—2012-04-24T06：30，随着地面倒槽东移发展，云带变宽，向冷区凸起，色调变淡，中高云变多，云带分布在山西的中北部。2012-04-24T10：30，山西受地面冷锋控制，全省分布均匀的片状云系，基本为层状云，云系的后边界不光滑，色调变暗。15：30，云系逐渐移出太原。

2.3 雷达回波特征

如图2所示，从华北雷达回波拼图上可以看出，2012-04-23T19：00，大范围云系在陕西和内蒙交界处，呈西南-东北条状走向分布，并逐渐向东发展，云系回波不均匀，最强回波中心为45～50 dBz。21：00，回波移入山西西北部，同时，在陕西延安、西安一带生成了不均匀块状强回波。23：00，山西西部形成南北向的强回波带，强回波带东移，并且范围不断扩大。2012-04-24T03：00，回波带进入山西太原境内，03：00—11：00，山西中部地区覆盖大范围稳定的层状云降水回波，回波强度主要集中在25～35 dBz，山西中部普遍降小到中雨。08：27—09：43，飞机在太原、灵石上空穿云飞行。11：00回波逐渐东移，14：00移出太原，14：00—16：00，太原以南分布着均匀的层状云回波，回波强度主要集中在20～30 dBz，13：19—15：52，在山西东部地区盂县、阳泉、和顺等地进行探测飞行。

4 结论

选取2012-04-23—24山西出现的一次典型冷锋层状云降水云系进行观测。研究表明，此次典型层状云系降水为系统性降水，高空槽和地面冷锋是引发降水的主要因素。卫星云图上有与高空槽线走向一致的云带，云带连续密稠，由多层云组成，云带边带比较光滑。雷达PPI回波图上显示了西南-东北走向的带状云系分布情况，回波强度主要集中在20～35 dBz。

冷锋过境前后，云中微物理量要素变化差异较大。锋前云系平均云滴浓度比锋区云系大一个量级。冷锋过境后，冰晶浓度减小，冰晶直径增加，而雪晶浓度和雪晶平均直径都在增加。在同一高度层上，云滴浓度、云滴直径和云水含量的起伏比较大。这说明，云系水平分布不均，粒子浓度和含水量突起处可能是层状云中嵌有较弱的对流泡所致。锋前云系云粒子谱呈多峰型分布，并且随着高度的增加，谱宽也由宽变窄。锋区云系Sc云谱型呈单峰分布，As云谱型在云底部分布不连续，谱会随高度的增加而拓宽，在云顶部呈双峰型分布。锋前云系比锋区云系谱的变化复杂，这可能与锋前云系发展旺盛、高层有卷云有关。

参考文献

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〔编辑：白洁〕