基于飞机观测的美国落基山地区冬季混合相态层状云与夏季对流云的微物理特征

范雯露 景晓琴 杨璟 周思雨

南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/精细化区域地球模拟和信息中心/中国气象局气溶胶—云—降水重点开放试验室, 南京210044

1 引言

在自然界中，云是大气辐射收支平衡与水汽循环的重要组成部分（Sun and Shine, 1995; Mazin,2006）。从微观来说，云与环境、辐射的相互作用与云内的液态水和冰粒子密切相关（Cantrell and Heymsfield, 2005）。根据云的相态结构可以将云分为混合相态云、冰云、水云。观测表明，混合相态云发生的概率占总观测周期的41%，占观测到有云时间的59%，并且还具有持续时间长的特点（Shupe et al., 2006）。由于液滴和冰粒子的形状、尺寸、结构存在差异，云的宏观与微物理特性依赖于云相态结构（Shupe et al., 2006; Sun and Shine,2010）。有关研究表明，气候模拟对云内的相态有较强的敏感性，不同的冰晶参数化方案会极大地影响云相态的分布，从而改变模式中云的辐射强迫和降水结构（DeMott et al., 2010）。因此，混合相态云对数值天气模式和全球气候模式的重要性不言而喻。

混合相态云可以分为混合相态层云和混合相态积云，它们的相态结构主要取决于冰相微物理过程。目前，在数值模式中，对混合相态云微物理特征的模拟还存在很大不确定性，尤其是对混合相态云内冰晶生成过程的参数化过于简单，也没有考虑层状云和对流云的云中冰晶生成机制的差别（Yang et al., 2020），导致对云的相态结构模拟不准。由于层状云和对流云的动力结构不同，其冰晶生成和生长机制可能有较大区别（Cantrell and Heymsfield,2005; Yang et al., 2020）。例如，在层状云中，冰晶的生成主要为异质核化，依赖于冰核的数浓度和理化特征（Cantrell and Heymsfield, 2005），而在对流云中，冰水的相互作用更为复杂，冰晶繁生等过程也使得云内的冰晶可能快速生成（Korolev and Leisner, 2020）。因此，通过对混合相态层状云和对流云进行观测和定量分析，可以加深对它们微物理特征区别的认识，从而为模式的验证和参数化的改进提供支撑。

目前，人们已开展了许多对混合相层状云的微物理特征的研究。在国内，对于层状云的研究进展颇丰，层状云系是我国北方冬季的主要降水云系。郭学良等（1999）曾将中国北方层状云系统分为三类，通过数值模拟发现，由强冷锋抬升形成的层状云中云顶存在高浓度的冰晶，触发降水的产生，气旋天气背景下形成的层状云中冰晶浓度相对较低，主要通过凇附、碰并过程形成降水，而弱锋面层状云中以过冷水为主，降水主要通过水滴碰并过程完成。陈宝君等（1998）基于M-P 分布和Γ 分布拟合发现层状云有较窄的雨滴谱，而积雨云和积层混合云的雨滴谱很宽，有较多的大液滴和特小液滴。我国自20 世纪80 年代使用机载设备对云物理特征进行观测，极大的促进了对层状云降水的物理认识。李铁林等（2010）利用PMS 仪器对河南春季一次层状冷云进行探测，发现云中0°C～-7.5°C 温度层上小云粒子数浓度随高度增高而降低，冰晶含量随高度增大，云底为液态水含量的高值区，且存在以负指数型和单峰型为主的粒子谱。基于一次由低槽切变与弱冷锋影响形成的层状云系，蔡兆鑫（2012）发现云中液态水含量的大值区主要集中在2.5～3.5 km，4 km 以上含水量很低。杨洁帆等（2021）研究发现低槽冷锋背景下的层状云降水云系中，-5°C 的冰相层主要发生凝华聚并过程，零度层凇附过程明显，在垂直上造成分层结构。国外对于层状云亦有大量的研究，尤其是对云中冰相粒子的特征和成因。例如，Mossop and Ono（1969）指出，根据对新南威尔士州北部云层的冰粒浓度测量发现，云层中含有大致相同的冰粒和冰核浓度。Korolev（1994）发现，层状云中粒子谱普遍呈双峰分布，与云中扰动有密切的关系，而与云的温度、高度及冰晶没有很大关系。Korolev et al.（2003）在五次不同地区的飞机观测实验中发现在中高纬度地区的层云中，-10°C～0°C 的温度范围内以液态水为主。Hobbs and Rangno（1985）同样基于飞机观测表明在-10°C 层状云中以过冷水为主，在极个别云中发现了较高的冰晶数浓度（0.1～10 L-1）。Boudala et al.（2004）的研究表明，在0°C 到-38°C 之间，层状云中的液态水质量分数从0.8 减小到0。部分研究发现在层状云中冰晶数浓度可能高于自然冰核数 浓 度（Mossop and Ono, 1969; Cooper, 1986;Rangno and Hobbs, 2001; Yang et al., 2020）。例如，Rangno and Hobbs（2001）在北极地区观测到在云顶温度高于-10°C 的层状云中冰晶的数浓度超过1 L-1。Yang et al.（2020）基于飞机观测资料发现云顶温度高于-8°C 热带海洋层状云中的冰晶数浓度是冰核数浓度的3 个量级。但是以上大部分研究是针对个例的分析，仅对特定天气背景条件下的层状云微物理特征进行研究。

对于混合相态对流云，在中纬度地区主要发生在夏季，目前也有一些研究基于飞机观测资料讨论了不同地区的对流云微物理特征（Yang et al.,2016b, 2018）。大气中的初级冰晶绝大多数是液态水依靠冰核发生异质核化形成的，但是，Mossop（1970）观测到，积云中冰浓度比测量的冰核浓度大104倍。因此，仅存在异质冻结核化是无法解释积云中的高浓度冰粒子的现象。根据不少观测发现，在温度为-10°C 并含有毫米级尺度的液滴的积云中，短时间内出现了冰晶快速增多的现象，甚至在约10 min 的时间内，冰晶的浓度可增加达10 倍。（Koenig, 1963; Mossop, 1970）。Koenig（1963）对该过程中产生的小冰粒的形状、冰核的浓度进行研究。结果表明，该小冰粒的形成不涉及升华过程，也不是通过液滴吸附冰核。因此，Koenig（1963）提出假设，积云中的冰晶增长是连锁反应，过冷水破碎冻结形成冰晶，随后冰粒子与液态过冷水发生碰撞，导致新的次生冰晶形成。Mossop（1970）也提出，积云中云相结构的变化是由初级冰晶发生二次制冰造成的，从而导致冰晶繁生，冰粒子数量倍增。随后，Mossop and Hallett（1974）进行了实验，实验结果表明，积云中的冰粒子与过冷液滴发生碰撞，液态水发生冻结，当温度在-8°C～-3°C之间时，容易形成次生冰晶。后来的研究发现，Hallett-Mossop 过程主要在液态水含量低和垂直速度弱的区域发生（Heymsfield and Willis, 2014）。后续实验也证明了积云中的冰晶繁生等过程使得云内冰晶快速生成（Korolev and Leisner, 2020）。

基于已有的研究结果，人们已经意识到混合相态层状云和对流云的微物理特征有所区别，同一温度层上的对流云与层状云，对流云中冰粒子浓度更高（Heymsfield and Willis, 2014; Yang et al., 2016b），粒子谱也更宽（陈宝君等, 1998）。但是，上述研究只是分别分析了不同地区的混合相态层状云或者对流云。目前，对同一地区混合相态层状云和对流云的定量对比分析还很少，这主要是由于在同一地区针对不同类型云的飞机观测资料较少。因此，在对上述研究结果进行讨论时，必须充分考虑地理因素的不同，这对定量理解层状云和对流云微物理特征的区别造成了一定影响。因此，本文选取在中落基山地区进行的Іce in Clouds Experiment-Layer Clouds（ІCE-L）和High-Plain Cumulus 2003（HiCu03）项目的飞机观测资料，定量对比分析该地区浅薄的冬季混合相态层状云和较弱及中等强度的夏季混合相态对流云的微物理特征，加深对混合相态的浅薄冬季层状云和较弱及中等强度的夏季对流云中微物理特征的认识，从而为验证模式和改进模式中相关的参数化方案提供依据。本文的结构如下：第2 节描述观测数据、仪器和分析方法；第3 节对研究结果进行详细分析；第4 节进一步讨论造成层状云和对流云微物理特征不同的可能机制，以及本文与已有研究的区别；第5 节总结本文的结论。

2 数据和方法

2.1 实验数据与仪器

本文所使用的观测资料来自ІCE-L 和HiCu 项目的飞机观测，飞机飞行探测区域位于美国科罗拉多（39°91′N, 105°12′W）和 怀 俄 明（41°32′N,105°67′W）地区上空，飞行路线如图1 所示。两个项目均采用随机穿云的方法，分别对中纬度大陆性较为浅薄的冬季混合相态层状云和较弱及中等强度的夏季对流云进行采样，为研究其物理特征提供了高质量的测量手段和高精度的测量结果。

ІCE-L 探测项目使用美国国家大气研究中心（NCAR）运营的美国国家科学基金会（NSF）C-130 型飞机，在中落基山地区（图1 红色轨迹所示）对冬季较浅薄的层状云进行随机采样，层状云厚度在几百到两千米之间。飞机飞行时间是2007 年冬季11～12 月，每次航行时间约4 小时，总共飞行7 架次，飞行时长为123396 s，样本数量较多，可用于统计分析。根据表1，ІCE-L 项目的飞机穿云观测高度在1～7 km，温度范围为-32.5°C～-2.5°C。探测数据用于研究云中的热力特征、垂直速度以及微物理特征。

图1 ІCE-L 项目（红色线）与HiCu 项目（蓝色线）的飞机飞行轨迹Fig. 1 Flight tracks of the Іce in Clouds Experiment—Layer Clouds (ІCE-L, red lines) and High Plain Cumulus (HiCu, blue lines) project

表1 ICE-L 项目在不同温度层和高度层的云内采样时长和云内采样路程Table 1 Time in clouds and flight length in clouds sampled at different temperature and height ranges in ICE-L project

C-130 飞机配备了全套的云微物理探头来测量气溶胶、云滴和冰的大小分布。与本研究相关的仪器有云滴探头CDP、前向散射粒子谱探头FSSP-100、图像类粒子探头Fast 2D-C、2D-P、King、上下视多普勒云雷达WCR，如表2 所示。其中，CDP 与FSSP 属于散射类粒子探头，量程分别为3～43 μm、0.8～50 μm，用于探测云内小粒子浓度。2D-C 和2D-P 属于图像类粒子探头，像素分辨率为25 μm 和200 μm，并且适用于测量直径较大的粒子。结合不同探头的探测结果可以描绘出完整的粒子谱。本文考虑了所有粒子中心在采样区域内的粒子，去除了粒子中心在采样区域外的粒子，并相对应地减去了其采样体积（Heymsfield and Parrish,1978）。由于大粒子碰撞到探头上破碎后会导致小粒子浓度被高估，本文采用基于粒子到达时间的方法来去除2D 探头（2D-C、2D-P 探头）观测数据的大粒子破碎效应（Field et al., 2006），而对于FSSP 探头，目前还没有很好的数据后处理方法减少该影响，因此本文不采用FSSP 探头计算云滴数浓度和液态水含量。云滴液态水含量的测量采用King 热线探头，其测量范围在0.1～6.0 g m-3之间（Yang et al., 2016b）。此外，怀俄明大学的一台3.2 mm 上下视多普勒云雷达（WCR）提供了反射率测量数据（Heymsfield et al., 2011），本文基于阈值-20 dBZ（Yang et al., 2016a），用于判断云顶高度。本文中的三维风是通过天线罩阵风系统与惯性参考系统（ІRS）组合测量，并利用全球定位系统（GPS）消除实地项目中ІRS 的漂移误差，最终获 得 精 度 约±0.2 m s-1的 风 速 数 据（Yang et al.,2016a）。

表2 飞机探测仪器名称、主要探测对象、探测范围、探测方法Table 2 Summary of detection instruments, main measurement, measurement range, and measurement technique on the aircraft during the research flights

HiCu 的探测平台为美国怀俄明大学空中国王飞机（UWKA），主要在怀俄明州（图1 蓝色轨迹）进行，飞行时间为2003 年7 月7 日至8 月31 日，共进行了30 架次飞行观测，研究该地区夏季对流云的微物理结构和动力学。由于飞机的局限性，HiCu 主要针对较弱的和中等强度的对流云进行探测，云中垂直气流速度在-15～18 m s-1范围（Yang et al., 2016a），缺少对更强的对流云的探测数据。此次研究累计飞机行程约2000 km。根据表3 所示，HiCu 的飞机穿云观测在4～9 km 的高度区间、-22.5°C～2.5°C 的温度区间。

表3 HiCu 项目在不同温度层和高度层的云内采样时长和云内采样路程Table 3 Time and flight length in clouds sampled at different temperature and height ranges in HiCu project

空中国王飞机（UWKA）配备的仪器与ІCEL 项目的大致相同，测量小粒子、大粒子浓度的仪器均为FSSP 探头、2D-C 探头，并且同样使用上下视多普勒云雷达WCR。由于HiCu 项目是在2003 年进行的，所采用的2D-C 探头的二极管阵列像元数为32 个（ІCE-L 为64 个），且数据格式稍有不同，但这不影响结果分析。同样，在对HiCu的2D 探头数据的处理中，考虑了所有粒子中心在采样区域内的粒子，并采用基于粒子到达时间的方法来去除2D 探头观测数据的大粒子破碎效应（Field et al., 2006）。云滴液态水含量的测量采用King 热线探头。

图2 显示了在ІCE-L 和HiCu 实验中采样到的云个例，包括WCR 反射率、温度、垂直速度、液态水含量、FSSP 探头探测的数浓度和2D-C 探头探测的数浓度的原位测量。在ІCE-L 实验中，被穿透的云层厚约2300 m。云中的WCR 反射率范围为-10～10 dBZ，温度为-21.5°C～-20°C。垂直速度较小，但由于该地区地形复杂，在部分云中有波状气流。ІCE-L 项目的探测样本中的液态水含量在0.1 g m-3左右，云中FSSP 探头探测的数浓度为150 cm-3，而2D-C 探头探测的数浓度范围为2～5 L-1，冰晶粒子浓度较低。在飞机穿透该云个例的过程中，由于仪器数据的缺失导致34 s 时间内2DC 数浓度存在空缺。在HiCu 实验采样到的个例中（图2g–l），飞机穿云高度距离云顶1000 m 以上，对云的中层进行探测。云中的WCR 反射率范围为0～25 dBZ，温度在-11°C～-9°C 范围内。从垂直速度可以看出，HiCu 的采样个例相较于ІCE-L 的采样个例有更强的上升气流，速度在-2～6 m s-1范围内，并且观测到多个上升气流和下降气流存在于同一云中的现象。在HiCu 的采样个例中，液态水含量范围为0.5～1.0 g m-3，远高于ІCE-L 的探测结果，并且云内FSSP 探头探测的数浓度范围为300～400 cm-3，2D-C 探头探测的数浓度范围为20～60 L-1，粒子浓度也明显大于ІCE-L 的采样个例。从以上对比可以说明，该地区典型的冬季层状云和夏季对流云的微物理特征具有较大的差异。

图2 ІCE-L 实验（左）在2007 年12 月13 日和HiCu 实验在2003 年7 月28 日（右）采样到的云个例的（a、g）雷达反射率（单位：dBZ）、（b、h）温度T（单位：°C）、（c、i）垂直速度w（单位：m s-1）、（d、j）液态水含量LWC（单位：g m-3）、（e、k）FSSP 探头探测的数浓度（单位：cm-3）、（f、l）2D-C 探头探测的数浓度（L-1）Fig. 2 (a, g) Radar reflectivity (units: dBZ), (b, h) temperature (T, units: °C), (c, i) vertical velocity (w, units: m s-1), (d, j) LWC (liquid water content,units: g m-3), and NC (number concentration) measured by (e, k) FSSP probe and (f, l) 2D-C probe in cloud examples from ІCE-L project (left) on 13 December 2007 and HiCu project (right) on 28 July 2003

2.2 分析方法

2.2.1 液态水含量的计算

本文对HiCu 和ІCE-L 获得的云内数据进行分析。为了筛选出云内区域数据，通过对液态水含量和FSSP 探头探测的数浓度设置合理阈值可以判别云区。根据Yang et al.（2016a）的分析，云区定义为同时满足液态水含量大于0.01 g cm-3且FSSP 探头探测的数浓度大于2 cm-3两个条件，或2D-C 探头探测的数浓度大于1 L-1的区域。本文将满足云区温度低于0°C，且每个云区均能探测到至少一个大于100 μm 粒子的探测结果定义为混合相态云。云内采样时间和路程见表1、表3，在ІCE-L 实验中，累计云内飞行时长为4615 s，累计飞机行程约570 km。在温度区间-27.5°C～-12.5°C 内，云内采样时间、采样路径占总数的80%，云内数据量较大，因此，由该温度区间的分析结果更为可靠。HiCu 研究中，累计飞机行程约2000 km，并且在8 km 以下的穿透次数较多，云内采样路程较长，而8 km 以上的云内数据仅占2%。

对于ІCE-L 探测的冬季层状云，液态水均来自于直径小于50 μm 的小液滴，因此使用King 探头测量到的LWC 即可。对于HiCu 项目的探测结果，同样云内的液滴绝大部分为小云滴，一方面这是由于HiCu 探测的是大陆性积云，另一方面是由于采样的积云均为弱对流和中等强度的对流，没有强对流。因此，本文同样采用热线探头的LWC 观测结果。热线探头对直径≤50 μm 的云滴探测效果很好，对于直径大于50 μm 的液滴探测效率逐渐降低。通过对2D-C 图像的分析，我们仅在垂直速度相对较强的少数区域发现了很少的直径约为50～100 μm的较大圆形粒子（可能为液滴，由于分辨率低，无法准确判断直径小于100 μm 粒子的相态），这对统计液态水含量的平均值和中位数等影响非常小。之前已有的对HiCu 数据的研究中，在统计液态水含量时也只考虑了小云滴（Wang et al., 2009）。

飞机探测数据中存在多个探头可以对液态水含量进行探测，为了衡量液态水含量测量的合理性，本文将King 探头、FSSP 探头以及CDP 探头所测量的云内液态水含量进行对比。相较于散射式探头CDP 和FSSP 仪器，热线式King 探头的精确度相 对 较 高（Heymsfield et al., 2011），所 以 选 择King 探头所测量的液态水含量作为对比标准。图3中散点的分布表明，测量结果离散程度较大，其中对流云中最为明显，不确定性达到一个数量级，这主要是由于仪器本身的不同和在飞机上安装位置不同导致的，间接体现了仪器的随机误差与云的空间不均匀性（Yang et al., 2016b）。在图3a 中，计算结果表明CDP 探头测量的液态水含量高于King 探头测量的70%，并且两类探头之间的测量差异与液态水含量成正相关。图3b、c 分别为ІCE-L 实验、HiCu 实验中FSSP 探头与King 探头测量液态水含量对比。相较于King 探头，FSSP 探头高估ІCE-L云中的液态水含量170%，高估HiCu 云中的液态水含量260%，这均是由于大粒子探测的破碎效应导致小粒子数浓度被高估。并且，FSSP 探头对ІCE-L 采样的云中液态水含量的高估与液态水含量无明显的相关性，对HiCu 采样的云中液态水含量的高估却存在正相关。使用ІCE-L 数据得出的结论与HiCu 存在偏差，这可能是因为ІCE-L 项目数据量小，且测量为层状云，云内液态水含量比HiCu实验测量的对流云低一个量级。但是不同仪器之间的对比趋势具有一致性，符合仪器特点，间接反映了用King 探头分析液态水含量的合理性。

图3 （a）CDP 探头与King 探头测量的ІCE-L 实验、（b）FSSP 探头与King 探头测量的ІCE-L 实验、（c）FSSP 探头与King 探头测量的HiCu 实验云样本中液态水含量对比。红色直线为散点的线性拟合线Fig. 3 Comparison of LWC measured by (a) the CDP probe and the King probe in ІCE-L clouds, (b) the FSSP probe and the King probe in ІCE-L clouds, (c) the FSSP probe and the King probe in HiCu clouds. The red line is a linear fit line with scattered points

2.2.2 冰水含量的计算

冰粒子一般为非球形，不能代入液滴公式计算。根据Locatelli and Hobbs（1974）的研究，云内冰粒子的质量与直径存在如下关系：

其中，M为单个冰晶粒子质量（单位：g），D为粒子直径（单位：mm），a、b为拟合参数。与已有的研究相同（Heymsfield et al., 2011），本文定义粒子图像的最长轴为冰晶直径。冰水含量则可以通过以下公式计算：

其中，Mj为 第j档的单个冰粒子质量，nj为第j档的数浓度，ІWC 为总的冰水含量（单位：g m-3）。在计算冰水含量过程中，本文选用2D 探头测得的数据，且使用的是2D-C 探头≥100 μm 的档，2DP 探头大于500 μm 的档。

云内冰晶存在不同的形态，Magono and Lee（1966）研究表明，不同形态的云内冰粒子质量和直径存在不同关系，即公式（1）中a、b的值对不同形状的冰晶有所不同，因此按照不同参数方案得到的云内冰水含量有所不同。根据Brown and Francis（1995），以及Heymsfield et al.（2007）的飞机观测研究，本文采用a=0.037，b=1.9来计算ІCE-L 样本的云中冰水含量，该方法适用于片状、子弹状、柱状等不同形状冰晶的聚合物，这在无降水和降水较弱的层状云常见。在层状云中，大多数冰云颗粒在200～800 μm 之间，而在对流云中，粒子最大直径可达3000 μm，且有较多霰粒子和不规则形状的冰晶，所以在ІCE-L 层状云中采用的质量—直径关系并不适用于对流云，本文采用由Wang et al.（2015）通过对对流云的观测数据拟合得到的参数方案（a=0.029，b=2.1）计算HiCu 样本的云中冰水含量。为了评估不同冰水含量计算方法的可能影响，本文对通过不同参数方案计算得到的冰水含量进行了对比（图4）。图4 中不同符号代表了不同形状的冰晶，其分类详见（Magono and Lee, 1966）。在ІCE-L 和HiCu 实验中探测的云中冰含量有很大差异，对流云中的冰含量比层状云大1～2 个数量级，这超过了采用不同参数方案计算的冰水含量之间的差别，因此，公式本身的误差不足以改变本文对比层状云、对流云的冰水含量的结论。

图4 （a）ІCE-L、（b）HiCu 采样到的云区在不同参数方案下计算的冰水含量在温度层上的分布。公式表示适用层状云、对流云的参数方法，红色、蓝色五角星符号分别代表适用方法下计算的冰水含量分布Fig. 4 Іce water content (ІWC) calculated based on different mass–diameter relationships in temperature level observed in (a) ІCE-L clouds and (b)HiCu clouds. ІWC in stratiform and convective clouds is calculated by the formulas. The results are denoted by red and blue pentagrams, respectively

3 结果分析

3.1 液态水、冰水含量

云内的云滴、冰粒子含量与云的热力动力过程直接相关，同时也影响着云的宏观物理特征。因此，水含量是表征云微观特征的重要因素。图5 为ІCEL 采样的云区、HiCu 采样的云区以及HiCu 采样的云区云顶中分别测得的液态水含量LWC、冰水含量ІWC、以及液态水质量分数[LWC/(LWC+ІWC)]随温度的分布情况，反映了层状云和对流云内的液态、固态水含量的差异以及各自随温度的变化情况。由于飞机在穿云过程可以发生在云的各个部位，且对流云通常垂直尺度较大，因此为了可以更好地理解云内冰晶的生成，本文选取对流云云顶部分的微物理特征进行单独分析。其中，HiCu 探测的云顶数据为HiCu 实验中飞机飞行高度接近云顶（＜500 m）的测量数据（Yang et al., 2016b）。根据图5a 可知，ІCE-L 实验探测的云中液态水主要分布在-30°C～0°C 的温度范围。在这个区间内，液态水含量绝大多数位于0.01～0.2 g m-3之间，而平均值在0.04～0.18 g m-3之间。ІCE-L 实验探测到云内平均液态水含量在-5°C 温度层达到最大，总体上呈随温度的降低而减小的趋势，下降幅度达到一个数量级。相比较而言，HiCu 采样的对流云的液态水含量与层状云之间差异显著（图5a），HiCu 云区的液态水主要分布在-25°C～0°C 的温度层，云内液态水含量最高可达1 g m-3，而平均值在0.2～0.5 g m-3之间。HiCu 的云内液态水含量平均值随温度的变化趋势也与ІCE-L 存在差异。对流云内液态水含量随温度的变化较小，在-20°C～0°C 上存在微弱地随着温度升高的趋势。相对而言，各温度层上对流云的液态水含量均高于ІCE-L 采样的层状云，并且在-25°C～-10°C 温度层上，两类云的液态水含量平均值相差一个数量级以上。这是由于对流云内的强烈上升运动提供了充足的水汽，云内饱和度高导致液滴凝结增长。同时，相对较强的上升气流使得云内较大的液滴可以悬浮在云内。此外，我们分析了在HiCu 采样的云区云顶附近的采样结果。由图5a 中浅蓝色线可知，HiCu 云区云顶的液态水含量平均值在0.3～0.5 g m-3之间，比HiCu 云区中下部探测的液态水含量值高，这是由于对流云云体中下部受到上方下落的冰粒子影响，过冷水液滴被收集，导致液态水含量减少。

图5 ІCE-L、HiCu 整体以及HiCu 云顶（与云顶距离小于500 m）的云内（a）液态水含量、（b）冰水含量、（c）液态水质量分数分别在各温度层上的分布。标记符号为平均值，误差线左右两端为10、90 百分位点Fig. 5 (a) LWC, (b) ІWC, and (c) liquid mass fraction in temperature level observed in whole ІCE-L, whole HiCu, and HiCu near the convective cloud top (＜500 m). The symbols represent the mean. The left and right ends of error bars represent the 10th, 90th percentile values, respectively

云内冰粒子一般分布在零度层以上。由图5b可得，ІCE-L 实验测量的云内冰水含量的平均值在2.8×10-5～0.015 g m-3之间，冰浓度最高出现在-20°C 温度层上，总体冰水含量随着温度降低存在一定的升高。在0°C 和-30°C 上冰水含量相对较小，但由于该两个温度层采样少，无法得到明确的结论。结合图5a 中层状云液态水含量随高度降低的结论，说明在层状云中冰晶主要通过消耗过冷水的贝吉龙过程生长。而从图5b 中HiCu 云中数据的结果可以发现，冰水含量平均值在0.001～0.16 g m-3之间，比ІCE-L 的探测结果高1～2 个量级。这是由于对流云内强烈的垂直运动提供了较高的液态水含量以及大液滴，促使冰水相互作用与冰晶繁生过程的发生。云内的垂直气流也可以使云内的冰晶维持在云内，甚至持续上升。此外，HiCu 云样本中冰水含量随温度的降低而升高，在-15°C 温度层达到最大值，然后在-25°C～-15°C 温度区间内变化较小。由图5b 中蓝色水平线对应的冰水含量范围可知，尤其在-5°C～-15°C 温度范围上，10 百分位点对应冰水含量为0，而90 百分位点对应的冰水含量可接近1 g m-3。因此，有的云区没有冰晶，而有的云区冰含量很高，对流云中冰水含量的空间变化很大。

层状云与对流云的液态水质量分数也存在较大的差异。ІCE-L 实验探测到云中的液态水质量分数在0.85 以上，而HiCu 云中的液态水质量分数在0°C～-25°C 之间从1 减小到0.6，明显小于ІCE-L，说明对流云中的冰晶粒子的生成和生长更为活跃。对比HiCu 实验中云区云顶和整体的观测结果，在温度高于-20°C 的云区，HiCu 云中下部的液态水质量分数相对于云顶较大，体现了冰粒子的下落和冰水相互作用。而通过10%～90%范围线来看，云内的液态水质量分数空间变化很大，尤其是对流云。

图6 为三个温度层内ІCE-L 采样的云区、HiCu 采样的云区以及HiCu 采样的云区云顶的液态水质量分数的频率分布。在混合相云中，冰晶与过冷水通常是非均匀分布的，因此，云内不同区域的液态水质量分数存在差异。根据Korolev et al.（2003），将云中液态水质量分数大于0.9 的区域定义为水区，小于0.1 的区域为云内冰区，而液态水质量分数位于0.1～0.9 之间的则为混合相态区。根据图6a，层状云的液态水质量分数范围较大，且频率较广，在-30°C～-10°C 温度范围内，0～1.0 的液态水质量分数均有被探测到，仅在较暖的-10°C～0°C 温度层上未发现冰区的存在，可见层状云内存在相态分布不均匀的现象。在各个温度层中，ІCE-L 云中水区的所占比例随着温度的降低而下降，从-10°C～0°C 的0.96 下降到-30°C～-20°C的0.67，由水区转化为冰区与混合相态区。混合相态区的比例随温度降低而上升，且各液态水质量分数的区间内均有增长。而冰区相较于混合相态区，频率增长速度更快，在-30°C～0°C 温度范围内从0 增长到10-2，说明随着温度降低，混合相态区域的过冷水转化成了冰晶。根据图6b、c，对流云的相态分布也不均匀。不同于层状云，对流云中温度为-10°C～0°C 的区域，不论是位于对流云中下部（图6b）还是顶部（图6c），均观测到了以冰晶为主的区域（液态水质量分数小于0.4），并且对流云中下部出现的频率要高于云顶约一个量级。这可能与粒子沉降有关。在各个温度区间内，对流云内水区的比例随温度下降，从0.94 下降到0.59，而HiCu 云顶部分从0.91 下降到0.46。温度范围由-10°C～0°C 下降到-20°C～-10°C 时，混合相态区与冰区的比例存在明显的增大，而在-30°C～-20°C 与-20°C～-10°C 温度区间内相近。与层状云相比，对流云的冰区比例偏高，这与图5 的分析是相符合的。

图6 不同温度层中（a）ІCE-L、（b）HiCu 整体以及（c）HiCu云顶的云内液态水质量分数的频率分布Fig. 6 Frequency distributions of the liquid mass fraction at different temperature ranges observed in whole ІCE-L, whole HiCu, and HiCu near the convective cloud top

为了进一步解释云内不同相态区域中的冰晶增长，本文继续对水区、混合相态区、冰区的冰水含量随温度的变化进行研究。图7 为不同温度层冰水含量相对于液态水质量分数的频率分布。根据图7a–i， 在ІCE-L 和HiCu 实验中均发现云内冰水含量最高的区域均集中在冰区，而非混合相态区，并且冰水含量与液态水质量呈负相关关系。由图7a–c 可知，在ІCE-L 探测到云中冰区、混合相态区冰水含量的比例随温度降低而升高的同时，冰区中冰水含量明显存在升高的趋势，而混合相态区与液相区的冰水含量基本不变。结合图5a 中ІCEL 探测到云中液态水含量随温度下降的趋势可知，在层状云中，随着温度降低，冰晶通过贝吉龙过程快速消耗云内液态水而增长，导致部分混合相态区中的过冷水逐渐消失，形成冰水含量较高的冰区。根据图7d–f，虽然HiCu 实验中探测到在较暖的-10°C～0°C 温度层中云内冰区的比例相对较低，但存在较高的冰水含量，说明了对流云中冰晶沉降，并且冰晶掉落过程中同时发生冰晶繁生过程，这可以解释在对流云较暖的中下层探测到的高冰水含量。由图7i 发现，在0 到-10°C 之间HiCu 实验中探测到云顶部分中也存在冰粒子，但冰水含量与出现概率远低于对流云的中下层。在图7d–i 中，当温度位于-30°C～0°C 区间时，随着温度的降低，HiCu云内混合相态区的平均冰含量存在升高的趋势，但冰区的冰含量没有随着温度降低而增加，最大冰含量出现在-20°C 到-10°C 之间的冰区。这种冰含量较高的冰区主要发生在云的内部而非边缘。由于对流云中的上升气流会提供较高的饱和度，并且考虑到HiCu 实验云中的液态水含量随温度变化较小（图5），因此，对流云内的冰晶增长过程中可能通过凇附增长与冰晶繁生等过程快速消耗过冷水，而不仅是贝吉龙过程。由于对流云的垂直速度对云内过冷水补充的速度会产生影响，因此不同区域的冰水转化效率也不尽相同。当冰晶消耗过冷水的速度大于过冷水增长的速度时，冰区的冰水含量增加，同时冰区在云内区域的占比也会升高；当过冷水含量增长较快时，混合相态区的含冰量会升高。根据图7d–i 可以发现，在-20°C～-10°C 温度区间HiCu实验云中存在较强的冰化效率。

图7 不同温度层中ІCE-L（左）、HiCu 整体（中）以及HiCu 云顶（右）的云内液态水质量分数和冰水含量的出现频率（彩色阴影）Fig. 7 Liquid mass fractions and frequency (color shadings) of ІWC occurrence at different temperature ranges observed in whole ІCE-L (left), whole HiCu (middle), and HiCu near the convective cloud top (right)

3.2 粒子谱与粒子特征

图8 表示的是在不同温度范围的粒子尺度分布情况，其中，粒子直径在1～50 μm 为FSSP 探头探测的小粒子谱分布，大于50 μm 为2D-C 探头和2D-P 探头共同探测的大粒子谱分布。由于仪器的限制，2D-C 探头对直径小于100 μm 的粒子浓度的测量结果存在误差（Heymsfield et al., 2011），因此本文在研究冰晶数浓度时仅考虑直径≥100 μm的粒子。如图8a 所示，ІCE-L 探测的云样本中粒子谱在直径8.81 μm 左右达到峰值，而HiCu 探测的云样本中粒子谱在直径13.5 μm 达到峰值。由于FSSP 探头的局限性，HiCu 探测的云样本中粒子谱曲线在直径10～50 μm 的小粒子数浓度会被高估。通过观察曲线的形态可知，ІCE-L 探测的云样本中粒子谱相对更窄，而HiCu 探测的云样本中粒子谱较宽。通过计算，对于直径≥100 μm 的粒子，ІCEL 探测到的平均数浓度为1.076 L-1，而HiCu 探测到的平均数浓度为15.94 L-1，远远高于ІCE-L。因此，层状云具有较多的小液滴，而对流云内云有更多冰粒子，这与图5 所得结论相符。与图8a 相比，各温度层上ІCE-L 和HiCu 探测的粒子谱线形状与所有温度层上的平均谱线基本相似（图8b–d）。特殊的是，由图8d 可知，在-10°C～0°C 温度层上，ІCE-L 探测的云样本中粒子谱宽远小于HiCu，但随着温度降低，冰粒子生成，粒子谱变宽。对于ІCE-L 实验，其探测到的冰粒子浓度在-10°C～0°C 温度层上仅有0.002 L-1，随着温度的降低，ІCE-L 探测到云中粒子谱的尾部拉长，冰粒子浓度明显增加，在-30°C～-20°C 温度层达到2.130 L-1。HiCu 探测到云中粒子谱线也存在随温度下降而增宽的现象，冰粒子浓度从-10°C～0°C 的1.472 L-1增长到-30°C～-20°C 的40.61 L-1，在各温度层中，均存在HiCu 探测的云中冰粒子浓度比ІCE-L 至少高一个数量级的现象。通过与图8a 中的冰晶浓度比较，发现层状云中冰晶的生成主要发生在-30°C～-20°C 之间，而对流云在-20°C～-10°C 的温度层内冰晶生成最迅速。

图8 ІCE-L 和HiCu 实验中使用FSSP 探头、2D-C 探头、2D-P 探头测量的（a）全部温度下、（b–d）不同温度层的粒子谱。直径（D）在1～50 μm 为FSSP 探头探测的小粒子谱分布，大于50 μm为2D-C 探头和2D-P 探头共同探测的大粒子谱分布。N 表示粒子数浓度Fig. 8 Particle size distributions (PSDs) derived from FSSP, 2D-C,and 2D-P probes at (a) full temperature ranges and (b–d) different temperature ranges in ІCE-L and HiCu. Diameters from 1 to 50 μm are measured by FSSP probe, while those larger than 50 μm are measured by 2D-C probe and 2D-P probe. N represents particle number concentration

由于冰晶的形态依赖于环境温度、湿度以及生长过程（杨军等，2011），因此，研究ІCE-L 与HiCu 实验中探测到的粒子形态有利于分析层状云与对流云在不同温度层中的冰晶生长过程。在温度高于-10°C 的温度层中，观测到冰晶主要为柱状，也存在少量不规则形态（图9a–c）。柱状冰晶在-8°C～-5°C 之间是通过水汽扩散生长形成（Takahashi et al., 1991）。图9b 显示-20°C～-10°C 范围中多为辐枝状冰晶，这表明初始冰晶在层状云中通过凝华扩散增长。而在-20°C 以下时，根据图9a，观测到大量的不规则冰晶，表明层状云中，初始冰晶除了通过凝华增长外，还发生了冰晶之间的碰撞合并，以及冰晶凇附过程。需要说明的是，在0°C 与-20°C 之间也存在大量不规则形状的冰晶聚合体，形状与图9a 相似，特别是在一些相对较为深厚的云中，表明了云内冰晶粒子的生长经过了更复杂的过程。HiCu 对流云内粒子图像如图9d–i 所示，各温度层主要为冻滴、霰粒子与不规则冰晶，表明对流云内通过过冷水冻结生成初始冰晶，并存在明显的凇附增长过程。在 -10°C～0°C 温度层中HiCu实验还发现了针状、柱状冰晶，这可能是通过冰晶繁生过程生成的小冰粒通过凝华增长形成（Heymsfield and Willis, 2014）。通常，凇附—破碎这一冰晶繁生过程在-8°C～-3°C 之间较为有效。其他冰晶繁生过程，如大粒子冻结破碎和冰粒子碰撞破碎同样对对流云内冰晶的大量生成产生促进作用。根据图9g–i，在对流云云顶同样发现了大冰晶的存在，这可能是由于云内强烈的上升气流托举液滴、小冰晶，并维持在云顶一定高度上增长形成的。

图9 （a–c）ІCE-L、（d–f）HiCu 整体以及（g–i）HiCu 云顶的粒子图像Fig. 9 Particle images sampled in (a–c) whole ІCE-L, (d–f) whole HiCu, and (g–i) HiCu near the convective cloud top

3.3 垂直速度对对流云微物理特征的影响

对流云中的垂直上升运动是导致其与层状云微物理特征相异的重要原因，因此，研究云内上升气流的垂直速度对对流云微物理特征的影响十分重要。如图10a、d 所示，对流云内的液态水含量在不同垂直速度下随温度的变化趋势是相同的。同一温度层上，液态水含量与垂直速度具有明显的相关性，垂直速度越大，云内的液态水含量越高。较弱的上升气流（1～3 m s-1）与较强的上升气流（＞5 m s-1）中的液态水含量差值在0.3～0.7 g m-3之间。根据图10b、e，在对流云中下部与云顶的不同上升气流中冰水含量均存在随温度下降而升高的趋势，但冰水含量与垂直速度之间没有明显相关性，部分温度层还发现了上升气流弱的区域的冰水含量更大。图10c、f 显示，在对流云中下部与云顶中，不同垂直速度下均呈现液态水质量分数随温度降低而减小的趋势，液态水质量分数在较强的上升气流中较大，这主要是因为液态水含量随着垂直速度增加而增大。

图10 不同温度层上（a–c）HiCu 整体、（d–f）HiCu 云顶的上升气流中平均的（a、d）液态水含量、（b、e）冰水含量、（c、f）液态水质量分数的垂直分布Fig. 10 Vertical distributions of (a, d) LWC, (b, e) ІWC, and (c, f) liquid mass fraction in the updrafts sampled in (a–c) whole HiCu and (d–f) HiCu near the convective cloud top at different temperature ranges

图11 显示了不同垂直速度下的HiCu 实验中2D 探头探测整体云中上升气流以及云顶部分的上升气流中的粒子谱。探测到的粒子直径分布在50～2500 μm 范围内，因此，该谱线体现的是冰粒子谱线分布。通过观察可知，各个温度层和速度范围内的冰晶数浓度分布谱形较为相似。一方面，与云的中下部相同，对流云顶也存在大粒子，这可能是由于对流云中较强的上升气流携带大量过冷水与小冰晶较长时间地维持在云顶，使得冰晶持续增长，因而在云顶中也能观测到大冰晶的存在。另一方面，不同垂直速度的上升气流中同样均探测到冰晶的存在。由图11 可知，-30°C～0°C 温度范围内，对流云在弱上升气流（1～3 m s-1）中冰晶浓度相对较高，但整体上在-30°C～-20°C 与-10°C～0°C 温度层上，粒子谱与垂直速度没有相关性。在-10°C～0°C 温度范围内，根据图11f，HiCu 采样的云顶在较强的上升气流中观测到更多的大粒子，尤其是直径在200 μm 以上的冰晶。因此，当对流云云顶温度较高时，较强的上升气流有助于冰粒子的生成。但是，由于数据有限，这一点需要今后通过更多的数据进行验证。

图11 使用2D-C 探头测量的（a–c）HiCu 整体与（d–f）HiCu 云顶上升气流在不同温度层上的粒子谱分布Fig. 11 PSDs derived from 2D-C probe at different temperature ranges in the updrafts in (a–c) whole HiCu and (d–f) HiCu near the convective cloud top

4 讨论

本文基于ІCE-L 与HiCu 的飞机观测数据，定量分析了中落基山地区混合相态的冬季较浅薄的层状云与较弱的及中等强度的夏季对流云的微物理特征，所得结果有助于加深理解同一地区不同类型混合相态云中微物理特征的区别，为模式的验证和参数化的改进提供支撑。冬季混合相态层状云与夏季混合相态对流云中微物理特征的区别主要是由于它们动力结构不同以及冰晶生成机制有所区别引起的，然而，其他一些因素同样可能导致它们相态结构产生不同。首先，冰核的数浓度和化学成分是影响云内相态结构的重要因素。ІCE-L 实验观测的是冬季较浅薄的层状云，该地区冬季冰核数浓度在10-3～6 L-1之间（Field et al., 2012），与本文观测到的ІCE-L 层状云冰晶数浓度数量级相同，说明异质核化是ІCE-L 云中冰晶生成的主要机制。HiCu探测的是较弱的和中等强度的夏季对流云，其冰核的来源、数浓度和化学成分与ІCE-L 有所不同。夏季，该地区地表有较多植被，且该地区畜牧业发达，可以提供生物质冰核，促进冰晶在温度较高的云区形成（Kanji et al., 2017）。同时，对流云与边界层有更好的耦合，近地表的气溶胶易通过对流被带入高空，进而影响高空云内冰晶的生成，可能导致云内冰水含量较多。根据目前已有的研究表明，-20°C～0°C 生物质冰核的数浓度在10 L-1以下，少于HiCu 中观测到的冰晶数浓度，因此其他冰晶生成过程如冰晶繁生也很重要。由于HiCu 实验中没有对冰核进行观测，以上讨论需要进一步验证。其次，ІCE-L 和HiCu 实验中天气背景和水汽来源不同。冬季，该地区盛行风为西风，大量水汽在落基山西侧通过地形降水被消耗。因此在怀俄明和科罗拉多地区冬季较为干燥，大尺度锋面系统和地形导致的强迫抬升是该地区层状云形成的重要原因（Jing et al., 2017）。不同的天气背景可能导致云的宏观结构和微物理过程不同，例如，在水汽充沛的条件下，由强冷锋抬升等过程形成的较为深厚的层状云中冰晶数浓度较大，冰水含量较高，而弱锋面层状云中冰晶较少（陈宝君等, 1998; 郭学良等,1999）。而在夏季，该地区对流云主要通过地形的热力作用形成，水汽主要来源于地表，对流云的发展高度和强度取决于对流有效位能（CAPE）和静力稳定度等因素。在HiCu 实验中，CAPE 为100～500 J kg-1，均为孤立生成的弱对流和中等强度的对流。云的不同发展阶段微物理特征所有不同，在对流云发展初期，云中冰晶相对较少，大液滴多，随着云的发展，冰晶可能通过繁生等机制快速生成；而成熟阶段，云中会有大量冰晶，并伴有复杂的冰水相互作用；消散阶段，云内主要为冰晶，垂直气流很弱（Yang et al., 2016a; 蔡兆鑫等, 2019）。层状云和对流云与周围未饱和空气的相互作用不同。层状云由于其较为扁平的宏观结构，其顶部与上方空气的夹卷混合对云内微物理特征起到重要作用，一方面会导致云滴数浓度降低或直径减小，导致云内的液态水含量和冰水含量减小，另一方面可能改变云内的热力特征，加强云内的湍流，导致云内的粒子谱变宽。而对流云与周围空气的混合不仅发生在云顶，还会发生在云体的侧面，这可能是导致对流云水平方向上相态结构不均匀的重要原因之一。

与针对其他地区的研究相比，本文得到的结果不尽相同。如Korolev et al.（2003）统计了五次不同地区的飞机观测实验，发现在不同温度区间混合相态区的比例都很低，在-30°C 及以下以冰晶为主，在-5°C 及以上以液态水为主。在-30°C 与-5°C 之间，云内既有冰晶为主的区域也有液态水为主的区域，但混合相态区域占比很小。这可能由于他们所观测云更为深厚，在较为深厚的云中大量冰晶的下沉可以快速消耗过冷水，这表明当云内冰晶数浓度较高时，云冰化的时间尺度可能小于云的生命周期。Zhao（2011）等针对阿拉斯加地区的层状云分析表明，云内的液态水质量分数在0°C 到-20°C 之间从1 下降到0.8，这与本文ІCE-L 的结果较为相近。但是，Zhao（2011）同时表明，在沙尘天气，-15°C以下云内液态水质量分数会有较大程度的减小。ІCE-L 观测期间，未出现沙尘天气。Yang et al.（2016b）对热带海洋对流云的飞机观测表明，云内液态水含量随着上升气流增强而增大，这与本文对HiCu 的分析结果相似，但是Yang et al.（2016b）发现热带海洋对流云中冰晶的生成效率相较于HiCu 对流云更高，发展期云中液态水质量分数在0°C 到-15°C 之间从1 下降到了0.3，消散期对流云中的液态水质量分数在0.2 以下。Wang et al.（2015）通过美国南部大平原的中尺度对流系统的飞机观测资料进行分析，发现在强中尺度对流系统的层状降水区，以冰晶为主，冰含量达到1.2 g m-3，比本文HiCu 对流云的冰含量高。国内对层状云与对流云的研究中，蔡兆鑫等（2019）对山西地区的大陆性积云观测表明，初生阶段以小云滴为主，液态水含量为0～0.8 g m-3。在高度3800 m 以上，液态水含量为0～0.4 g m-3，比HiCu 云中的液态水含量稍小。随着云的发展，有冰晶形成，直径大于100 μm 的冰晶数浓度相对于HiCu 的观测结果稍低；冰晶尺度可以达到5000 μm 以上，与HiCu观测结果相似。杨洁帆等（2021）对太行山东麓一次西风槽天气系统的影响下的层状云进行分析，发现在-5°C 温度层上液态水含量低于0.05 g m-3，低于ІCE-L 云中液态水含量；冰粒子尺度在100～300 μm 范围内，主要为通过凝华增长形成针状和柱状冰晶，这与ІCE-L 相似。杨文霞等（2005）对河北省春季层状云个例的分析表明，冰晶尺度随高度降低而增大，并且在3400 m（-1.5°C）～3100 m（0°C）增长最快，这ІCE-L 观测到的冰晶尺度的变化趋势相反。冰水含量在4170 m 出现峰值，达到0.237 g m-3，也远高于ІCE-L 在0°C～-5°C 温度范围内的观测值。我国降水云的微物理特征与本文研究的中落基山地区冬季较浅薄的层状云与较弱的和中等强度的夏季对流云存在明显的差异。胡朝霞等（2007）对我国东北地区的一次层状云降水过程进行了分析发现，在0°C～-15°C 之间，FSSP-100 测量的平均液态水含量达到0.49 g m-3，远高于ІCE-L 云中的液态水含量；由2D-C 测量的直径大于100 μm 的大粒子浓度随高度的变化较小，而在ІCE-L 中存在明显增多的趋势。根据2001 年一次飞机测量资料分析得出，西北地区春季层状云云中平均含水量为0.036 g m-3，并且观测到由于地形作用导致层状云局部高含水量（李淑日, 2006）；同年的8 架次飞机探测结果表明，西北地区春季层状云中云所处温度范围在-17°C～-2°C 范围内，降水性层状云厚约2000 m，云中液态水含量高于非降水云，平均值为0.05 g m-3（赵增亮等, 2010），均低于ІCE-L 的观测值。根据1989～2008 年山东省23 架次飞机探测资料，张佃国等（2011）研究得出山东省降水云系中存在较为丰富的过冷水，在国内仅次于河北省，平均液态水含量最大可达0.093 g m-3，均低于ІCE-L 与HiCu 的探测结果。积层混合云中的冰晶形态与增长过程也与ІCE-L 层状云与HiCu 对流云有所不同，朱士超和郭学良（2014）基于对北京地区飞机联合探测试验数据的研究，发现云中的冰晶形状与云顶温度和增长方式与其所在位置相关，层云区由凝华方式主导，而嵌入对流区发生还会凇附和聚并过程。

总之，不同地区、不同类型的混合相态云中的微物理特征不尽相同，这些差异是多种因素会导致的。但从本文的研究和与已有研究的讨论来看，中落基山地区典型的夏季对流云和冬季层状云之间微物理特征的区别是明显的，因此在数值天气模式和气候模式中，需要充分考虑两者的不同，这在云微物理整体参数化方面尤其重要。

5 结论

本文基于ІCE-L 和HiCu 实验中的飞机观测资料，对中落基山地区较浅薄的冬季混合相态层状云与较弱的和中等强度的夏季对流云的微物理特征进行定量对比研究。两个实验均进行了多架次的随机穿云采样，观测结果具有统计意义。其中，液态水含量使用热线探头进行测量，冰晶粒子谱、冰水含量以及冰晶的形状采用了2D 探头的观测资料进行分析。由于层状云与对流云内冰晶形状不同，本文选择了不同的质量—直径关系对云内冰水含量进行计算，分别适用于层状云和对流云。本文的主要结论如下：

（1）在-30°C～0°C 的温度层范围内，层状云内液态水含量平均值在0.04～0.18 g m-3之间，且随温度的降低而减小，而对流云液态水含量平均值在0.2～0.5 g m-3之间，在-20°C～0°C 上随温度的降低而增大。对流云内的液态水含量比层状云高一个数量级。层状云内冰水含量总体上随温度降低而升高，冰晶通过贝吉龙过程增长。而对流云内冰水含量也随温度降低而升高，在-15°C 温度层达到最大值。对流云的冰水含量比层状云高一到两个量级。层状云的液态水质量分数在0.85 以上，而对流云的液态水质量分数远小于层状云，并且随温度的减小而递减。

（2）层状云与对流云内相态空间分布极不均匀。随着温度从0°C 降低到-30°C，在层状云中冰晶发生贝吉龙过程，云中过冷水为主的区域向混合相态和冰相转化。而对流云中相态结构更为复杂。相较于层状云，对流云在-10°C～0°C 温度层上观测到更高的冰水含量，冰晶为主的区域出现频率也更高。在-20°C～-10°C 温度层上存在较强的冰化效率，仅靠贝吉龙过程无法解释，体现了对流云中复杂的冰水相互作用，如冰晶沉降与冰晶繁生等过程。

（3）在-30°C～0°C 的温度范围内，层状云的粒子谱相较于对流云更窄，具有更高浓度的小液滴，而对流云冰粒子的浓度更高。当温度从-10°C～0°C 温度层下降到-30°C～-20°C 温度层时，层状云的粒子谱明显增宽。在各个温度层中，ІCE-L 层状云中冰晶的生成主要发生在-30°C～-20°C 之间，而HiCu 对流云在-20°C～-10°C 的温度层内冰晶生成最迅速。

（4）层状云中，温度低于-20°C 时冰晶主要为无规则状，在-20°C～-10°C 观测到了辐枝状和无规则状冰晶，在-10°C 以上观测到了柱状和无规则状冰晶，说明冰晶的生长主要为凝华增长和碰并增长。而对流云以冻滴、霰粒子与不规则冰晶为主，说明主要为液滴冻结、淞附增长和碰并增长为主。同时在-10°C～0°C，对流云中可能发生冰晶繁生，形成小冰粒并凝华增长形成针状、柱状冰晶。在对流云云顶附近以冰晶冻滴、霰粒子与不规则形状为主，说明液滴的冻结和淞附过程是对流云冰晶快速形成的重要方式。

（5）对流云微物理特征与云内上升气流的垂直速度存在一定的相关性。较强的上升气流中存在较高的液态水含量和液态水质量分数，在不同垂直速度的上升气流中均存在大冰晶。而冰水含量和粒子谱与垂直速度无明显的相关性，说明在HiCu 对流云中，垂直速度的增加不会使云内冰晶生成的效率明显增加。