华北地区一次低槽冷锋云系结构和增雨条件研究

史月琴，赵俊杰，孙 晶，孙玉稳

（1.中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室，北京 100081；2.中国气象局人工影响天气中心，北京 100081；3.山西省气象灾害防御技术中心，山西 太原 030032；4.河北省人工影响天气办公室，河北 石家庄 050021）

引 言

华北地区处于暖温带半润湿半干旱区，年平均降水量400～800 mm，降水季节分配不均，年际变化大，旱灾发生频繁。地处华北地区的河北、山西2017年春季发生严重干旱，对农作物播种及生长造成一定影响［1］，抓住有利时机开展人工增雨作业有利于缓解旱情、减轻干旱灾害影响。低槽冷锋是河北省春秋季的主要降水天气系统，形成的大范围层状云系是当地人工增雨的主要作业对象［2］，但并不是云系的所有区域都适合开展人工增雨作业，如何确定合适的增雨时机和部位是科学实施增雨作业的关键。研究发现锋前、锋区、锋后的云系结构和降水机制差异明显，位于地面锋面上的窄冷锋雨带，其云系为冷暖混合云，自上而下分别是冰晶、雪、霰和过冷水、液态水，过冷水的分布局地性强，而位于锋线稍后的高空锋区属于宽冷锋雨带，常为高层冷云［3-8］。在云的发展、维持阶段，上升气流供应的水汽可维持人工增雨的潜力［9］，同时催化引起的水凝物相态转化带来潜热释放，进而引起局部增温和上升速度增加，也可促进云和降水发展。春季出现的低槽冷锋云系不同发展阶段的云系结构及增雨条件研究有助于提高人工增雨作业效率，进而缓解当地旱情。

人工增雨不同于人工激发降水，考虑增雨作业的经济需求和实际作业效果，通常选择雨强大于0.1 mm·h-1的雨区开展［9］。自然云中冰晶浓度较低有利于增雨作业，陶树旺等［10］研究认为机载2D-C探测的大粒子数浓度小于20 个·L-1时，可确定为强可播区，否则为可播区。

经典理论认为，催化引入的人工冰晶可通过贝吉隆过程将过冷云水转化为降水。胡志晋［9］指出人工冰晶还可使部分冰面过饱和水汽转化为降水，这个观点在碘化银（AgI）催化数值模拟试验中得到了印证［11-13］。AgI 人工冰核有4 种核化机制［14］，即接触冻结、浸没冻结核化消耗过冷水，凝华、凝结冻结核化消耗过饱和水汽。在没有过冷水的区域，AgI 以凝华核化为主，发生条件是云中温度低于-5 ℃且冰面饱和比大于1.04［15］。孙晶等［7］采用逐时雨强、上升运动区、过冷水含量、冰晶数浓度及温度构建增雨条件指标，发现西风槽降水云系中槽线附近存在强可播区，但该指标体系没有考虑云中冰面过饱和水汽对增雨的潜力。而在层状云降水形成过程中，冰面过饱和水汽对凝华增长有较大作用［4］。

目前还鲜少有研究选择一个特定区域，以时间演变的角度对经过本地的低槽冷锋云系展开研究。本文以邢台地区为例，研究不同降水阶段云系结构和增雨条件，以期为科学、精准、安全实施人工增雨作业提供技术支撑。

1 资料与方法

所用的NCEP FNL 再分析资料（https：//rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/），水平分辨率为1°×1°，时间间隔6 h，用于分析天气形势并作为初始场和侧边界条件启动云降水显式预报系统（Cloud and Precipitation Explicit Forecast System，CPEFS_v1.0）。FY-2F

卫星黑体亮温数据来源于风云卫星遥感数据服务网（http：//data.nsmc.org.cn/portalsite/Data/Satellite.aspx）。中国地面自动气象站与CMORPH（Climate Prediction Center MORPHing technique，CMORPH）卫星反演降水融合的逐小时降水量产品（V1.0）［16］，水平分辨率为0.1°×0.1°，地面自动站雨量资料均来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）。文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2021）1328 号的标准地图制作，底图无修改。

模拟采用CPEFS_v1.0 系统，该系统基于WRF动力框架耦合了中国气象科学研究院（Chinese Academy of Meteorological Sciences，CAMS）云微物理方案［17-18］。模拟时段为5月22日08：00 至23日08：00，模式水平分辨率为3 km，中心点位于114.5°E、37.5°N，水平格点数400×350，垂直方向上分为不等间距32 层，模式顶层气压为50 hPa，时间步长15 s，10 min 输出一次模拟结果。采用MYJ 边界层方案、RRTM 长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案，由于模式水平分辨率达到对流可分辨尺度，故没有采用积云参数化方案。

利用CPEFS_v1.0，结合实况资料，对2017年5月22日一次低槽冷锋系统经过邢台站时的水汽、动力、云宏微观结构特征进行研究，在已往研究基础上构建增雨条件数值模式综合识别指标，利用该指标体系对不同降水阶段与不同区域的增雨可播区进行识别。

2 天气形势与降水过程概况

2017年5月22日08：00（北京时，下同），我国西北地区东部到华北地区500 hPa 多短波扰动，由700 hPa 低涡中心延伸出的切变线经过内蒙古东南部—河北北部—山西北部，500 hPa槽线明显落后于700 hPa切变线，为典型的后倾槽［图1（a）］。850 hPa高度场上山西、河北处于倒槽影响下，河北北部—山西北、中部存在明显的切变钱，山西与河北的中部、南部比湿超过9 g·kg-1；地面伴随有冷锋，地面锋线位于辽宁中部—河北中部—山西中部—陕西中部一线，河北南部受偏南风影响［图1（b）］。大范围低槽冷锋云系呈带状分布，主要位于地面锋线之后、500 hPa 高空槽前，08：00 邢台上空还没有云系覆盖。

低槽冷锋在东移过程中发展加强，22日14：00邢台位于地面锋线附近的云系前缘，20：00，700 hPa切变线压在邢台上空，邢台处于地面锋线后及500 hPa槽前的冷锋云系中间部位［图1（c）、图1（d）］。23日02：00，500 hPa高空槽已移过邢台，邢台地区处于冷锋云系尾部。

图1 2017年5月22日08：00（a、b）与20：00（c、d）位势高度、温度、风场、FY-2F卫星黑体亮温及比湿分布［（a、c）图中，红色虚等值线表示500 hPa温度（单位：℃），蓝色和黑色实等值线分别表示500 hPa和700 hPa位势高度（单位：dagpm），风矢（单位：m·s-1）表示700 hPa风场，填色表示FY-2F黑体亮温（单位：K）。（b、d）图中，紫色实等值线表示850 hPa位势高度（单位：dagpm），填色表示比湿（单位：g·kg-1），风矢（单位：m·s-1）表示10 m高度风场］Fig.1 The distribution of geopotential height，temperature，wind field，black body temperature observed by satellite FY-2F and specific humidity at 08：00 BST （a，b） and 20：00 BST （c，d） May 22，2017（In fig.a and fig.c，the red dashed isolines are temperature （Unit：℃） at 500 hPa，the blue and black solid contours are geopotential height （Unit：dagpm） at 500 hPa and 700 hPa，respectively，wind vectors （Unit：m·s-1） are wind field at 700 hPa，the color shaded is black body temperature of FY-2F （Unit：K）.In fig.b and fig.d，the purple solid contours are geopotential height （Unit：dagpm）at 850 hPa，the color shaded is specific humidity （Unit：g·kg-1） ，and wind vectors are wind field at 10 m height （Unit：m·s-1））

受低槽冷锋系统影响，5月22—23日华北地区雨带呈东北—西南走向，与云带走向一致，并随系统自西北向东南移动（图2）。700 hPa 切变线与地面锋线相距2 个纬距左右，致使靠近地面锋线处的雨带窄而雨强大［19］，3 h 内出现降水的区域约200～400 km宽，各地24 h降雨量普遍超过10 mm，其中山西南部、河南北部、河北西南部等地出现25～50 mm的大雨，河北西南部局地出现70～120 mm 的暴雨。此次过程是2017年入春以来最明显的降水过程，河北及山西等地气象部门抓住有利时机，开展了飞机和地面增雨作业，助力各地缓解旱情。

3 模拟结果验证

邢台站（114.36°E、37.18°N）位于太行山东侧，紧邻太行山，海拔高度183 m。利用邢台站10 min雨量资料、中国地面自动气象站与CMORPH 融合逐小时降水量产品（v1.0）作为实况对模拟结果进行验证。

从实况和模拟的逐3 h 雨量分布（图2）可知，雨区呈东北—西南走向的狭长带状分布，雨带随着锋面系统逐渐东移南压影响山西中部、南部及河北中部、河南、山东等地，降水大值区主要位于山西南部、河南北部及山西与河北交界处的太行山区。可以看出，CPEFS_v1.0 模拟出了靠近地面锋线的窄冷锋雨带与高空锋区造成的宽冷锋雨带，模拟的雨带落区、范围、形状与实况基本一致，模拟的强降水中心累积雨量比实况略大。

图2 实况（左）和模拟（右）的5月22日3 h地面雨量分布（单位：mm）（黑点为邢台站）Fig.2 The distribution of observed （the left） and simulated （the right） 3 h rainfall on May 22，2017 （Unit：mm）（The black dot is Xingtai station）

邢台站24 h 降雨量为42.6 mm，根据降水量等级标准［20］达到大雨量级。从邢台站逐10 min 实况雨量演变（图3）可知，降水从22日14：40 开始，持续到23日02：40 结束。其中14：50—15：10 逐10 min雨量超过2.0 mm，15：20—17：00 逐10 min 雨量均大于或接近1.0 mm，此阶段降水强度较大。

图3 2017年5月22日13：00至23日04：00邢台站逐10 min降水量演变Fig.3 The evolution of observed and simulated 10-minute rainfall from 13：00 BST 22 to 04：00 BST 23 May，2017 at Xingtai station

从CPEFS_v1.0 模拟结果看，模拟的逐10 min 雨量22日14：30 为0.4 mm，15：10 达到最大2.7 mm，比实况（2.9 mm）仅小0.2 mm；16：20—17：00 降水强度明显减弱，17：10 后雨强变化平缓，23日04：00 降水结束。该系统较好地模拟了本次冷锋降水的演变过程，模拟的降水开始时间、峰值时段与实测基本一致。

实况与模拟的逐10 min 雨量均体现出低槽冷锋降水系统经过邢台本站的特征及变化，先出现的较强降水体现了靠近地面锋线的窄冷锋雨带降水特征，之后出现降水强度小但较均匀、持续时间长的宽冷锋雨带降水特征。

4 不同降水时段云系特征

按照邢台站逐10 min 雨量变化，依据冷锋云系特征，将22日13：30—17：00、22日17：10 至23日01：20、23日01：30—04：00划分为锋面抬升强雨期、深厚层云小雨期和降水消散期，分别对各阶段的水汽、动力条件及云系特征进行分析。

4.1 锋面抬升强雨期

从图4（a）看出，邢台站300 hPa 以下都有水汽输送，22日14：20 降水开始之前，850 hPa 以下低层比湿超过12 g·kg-1，17：00 之前700 hPa 以下比湿基本均大于9 g·kg-1。从14：00 开始，近地面水汽通量最大值达24 g·hPa-1·cm-1·s-1，700 hPa 水汽通量达6 g·hPa-1·cm-1·s-1，表明由冷锋造成的暖湿空气强烈抬升阶段水汽输送旺盛，水汽含量充沛，水汽聚集时间早于降水出现时间，近地面水汽通量大于21 g·hPa-1·cm-1·s-1的大值存在时间与较强降水出现时间一致。

图4（b）显示，22日14：00 后邢台站近地层偏东风转为东北风，表明地面冷锋移过邢台站，降水出现在地面冷锋过境之后。14：20—16：10，近地层东北风风速达10 m·s-1，低层强劲的冷垫势力有利于辐合抬升；700 hPa 为偏东风，风速仅1～4 m·s-1，说明700 hPa 切变线仍未过境；500 hPa 持续为西南气流，风速最大不超过6 m·s-1。700 hPa 与500 hPa 中高层引导气流偏弱造成云系移动缓慢。垂直运动方面，由于锋面系统的辐合抬升，22日13：30之后上升运动明显加强，从近地层发展到200 hPa，大值中心出现在350 hPa附近（最大达1.0 m·s-1），伴随降水出现产生下沉运动。之后高层仍存在上升运动区（高度可达100 hPa），中低层上升运动维持，但与高层上升运动区之间不连续。

从图4（c）可知，22日13：40 之前云系只是高层冰云，包含少量冰晶和雪晶。14：00—15：00，由于高层上升运动的存在，冰晶混合比快速增大，大值中心出现在250 hPa，最大达0.4 g·kg-1；在冰晶混合比大值中心下方区域雪晶混合比随时间逐渐增加，其大值中心（最大值0.3 g·kg-1）出现在450～350 hPa。15：00 之后，300～150 hPa 高度范围内冰晶数浓度最高达5000个·L-1，但冰晶混合比减小，雪晶混合比变化不大；在600～500 hPa 高度范围内、温度为-10～0 ℃时，冰晶数浓度约20 个·L-1。冰晶混合比大值中心出现时间、区域与冷区上升运动大值中心出现时间、区域一致。霰粒子混合比最大达2.2 g·kg-1，大值中心出现在温度-10～-5 ℃之间（高度600～500 hPa），并与过冷水混合比大值区重叠。

图4（d）显示，22日13：30 后，暖区出现云水，云水混合比最大达0.7 g·kg-1，冷区出现丰富的过冷水（混合比最高达0.2 g·kg-1），云水混合比大值中心与上升运动大值区域基本一致，充沛的过冷水有利于霰的凇附增长（collection of cloud droplets by graupel，ccg）［21］。如图5所示，600～500 hPa高度区域ccg过程在此阶段的平均转化率超过0.0006 g·kg-1·s-1，是霰碰并雪晶过程（collection of snow by graupel，csg）增长率的2 倍多。从14：10 开始有微量雨水降落到地面，到14：40雨水混合比达最大约0.9 g·kg-1，雨滴逐渐增加，但落后于霰的增长，说明霰的融化过程（melting of graupel to form rain，mgr）是降水形成的主要过程。低层充沛的云水含量，使雨滴在下落过程中可以通过碰并云滴增长（collection of cloud droplets by rain，ccr），650 hPa 高度附近霰的融化过程转化率是雨滴碰并云滴过程的2 倍多，同时低层800 hPa 附近雨滴仍可以收集云滴获得增长。伴随着雨滴增长，14：50 在800～700 hPa 高度出现下沉运动中心，雨滴的拖曳加剧了下沉运动。

图4 2017年5月22日13：00—17：00邢台站各物理量的时间-高度剖面（底部黑色粗柱状为10 min降水量，单位：mm）（a）比湿（填色区，单位：g·kg-1）及水汽通量（蓝色等值线，单位：g·hPa-1·cm-1·s-1），（b）水平风场（风矢，单位：m·s-1）、垂直速度（红色等值线，单位：m·s-1）（黄色填色区为雨水混合比大于0.01 g·kg-1区域），（c）冰晶（红色等值线）、雪（填色区）、霰（蓝色等值线）混合比（单位：g·kg-1），（d）云水（填色区）、雨水（红色等值线）混合比（单位：g·kg-1）、冰晶数浓度（蓝色等值线，单位：个·L-1）Fig.4 Time-height cross sections of physical quantities from 13：00 BST to 17：00 BST May 22，2017 at Xingtai station（The black thick bar at bottom is 10 min rainfall，Unit：mm）（a） specific humidity （the color shaded，Unit：g·kg-1） and water vapor flux （blue isolines，Unit：g·hPa-1·cm-1·s-1），（b） horizontal wind （wind vectors，Unit：m·s-1） and vertical velocity （red isolines，Unit：m·s-1） （the yellow shaded for the mixing ratio of rain water greater than 0.01 g·kg-1），（c） mixing ratio of ice crystal （red isolines），snow （the color shaded） and graupel（blue isolines） （Unit：g·kg-1），（d） mixing ratio of cloud water （the color shaded），rain water （red isolines）（Unit：g·kg-1） and number concentration of ice crystal （blue isolines，Unit：L-1）

图5 邢台站微物理过程转化率垂直廓线（黑色线为22日13：00—17：00平均，红色线为22日17：10至23日01：20平均）Fig.5 Mean profiles of microphysical process conversion rates at Xingtai station（the black lines averaged from 13：00 BST to 17：00 BST May 22，the red lines averaged from 17：10 BST May 22 to 01：20 BST May 23）

锋面抬升强雨期，邢台处于地面冷锋之后、700 hPa 槽前，850 hPa 切变线过境邢台前低层较强的辐合形成一致的上升运动，云系发展在垂直方向上体现出直展特征。该阶段500 hPa 以上由冰、雪晶组成，800～500 hPa中层为过冷水、雪、霰组成的冰水混合层，800 hPa 以下为液态水云，云系具有“催化-供给”结构特征，出现重要的人工增雨云结构条件［4］，霰的融化过程和雨滴碰并云滴过程是形成降水的主要过程，冷云降水过程和暖云降水过程都重要。

4.2 深厚层云小雨期

图6（a）显示，22日17：00至23日01：00，600 hPa以上水汽含量及水汽输送变化不大，但700 hPa 之下中低层水汽含量、水汽通量明显小于因锋面抬升形成的较强降雨阶段。从图6（b）可知，此阶段850 hPa之下为东北气流控制，17：50 前后700 hPa 切变线过境邢台，22：00 之前500 hPa 一直为西南风，风速仍维持在4～6 m·s-1，22：00 开始转为偏西风且持续到23日01：00，23日01：00 前后500 hPa 槽线过境邢台，之后转为西北风。小雨阶段邢台处在700 hPa槽后、500 hPa槽前。该阶段上升运动主要出现在冷区，上升速度明显减小（大多数时间上升速度仅0.1 m·s-1），只在局部时间300 hPa 高度附近出现0.4 m·s-1的较强上升运动中心。

图6（c）和图6（d）显示，云顶高度维持在约12 km，云底高度抬升到约2 km。300～200 hPa 高层冰晶混合比及数浓度明显减小，冰晶数浓度最多约100个·L-1。在400～300 hPa之间出现雪晶混合比大值中心，最大值约0.7 g·kg-1，雪晶混合比高于锋面抬升造成的较强降雨阶段，但霰粒子混合比明显减小，最大仅0.3 g·kg-1，其大值中心出现在雪晶混合比大值中心的下方区域，霰碰并雪晶过程（csg）是霰增长的主要过程。云水仅仅出现在800～500 hPa 之间，云水混合比随时间推移逐渐减小，云水区域与上升运动区域密切相关，22：00之前-10～0 ℃之间依然存在过冷水，但混合比减小，最大约0.1 g·kg-1。雨水随高度下降而减少，表明低层不饱和，雨滴在下落过程中有蒸发现象，降水主要由霰的融化过程（mgr）产生，以冷云降水过程为主。

图6 2017年5月22日17：00至23日01：00邢台站各物理量的时间-高度剖面（底部黑色粗柱状为10 min降水量，单位：mm）（a）比湿（填色区，单位：g·kg-1）及水汽通量（蓝色等值线，单位：g·hPa-1·cm-1·s-1），（b）水平风场（风矢，单位：m·s-1）、垂直速度（红色等值线，单位：m·s-1）（黄色填色为雨水混合比大于0.01 g·kg-1区域），（c）冰晶（红色等值线）、雪（填色区）、霰（蓝色等值线）混合比（单位：g·kg-1），（d）云水（填色区）、雨水（红色等值线）混合比（单位：g·kg-1）及冰晶数浓度（蓝色等值线，单位：个·L-1）Fig.6 Time-height cross sections of physical quantities from 17：00 BST May 22 to 01：00 BST May 23 at Xingtai station（The black thick bar at bottom is 10 min rainfall，Unit：mm）（a） specific humidity （the color shaded，Unit：g·kg-1） and water vapor flux （blue isolines，Unit：g·hPa-1·cm-1·s-1），（b） horizontal wind （wind vectors，Unit：m·s-1） and vertical velocity （red isolines，Unit：m·s-1） （the yellow shaded for the mixing ratio of rain water greater than 0.01 g·kg-1），（c） mixing ratio of ice crystal （red isolines），snow （the color shaded）and graupel （blue isolines） （Unit：g·kg-1），（d） mixing ratio of cloud water （the color shaded），rain water（red isolines） （Unit：g·kg-1） and number concentration of ice crystal （blue isolines，Unit：L-1）

4.3 消散期

当500 hPa 槽线从邢台上空过境（23日01：00）后，邢台站逐渐由小雨转为毛毛雨，降水过程至23日04：00停止。

此阶段邢台站700 hPa以上水汽含量明显降低。高层没有冰相水凝物，云团仅出现在700 hPa 以下暖区，云顶高度小于3 km，云底高度约1 km，云水混合比高值区位于800 hPa 附近，最高达0.3 g·kg-1（图略），推知消散阶段的毛毛雨由暖云降水过程产生。

5 增雨条件分析

上述分析显示，不同降水阶段邢台站上空云系结构差异显著，那么云系的增雨条件也必有差别。

孙晶等［7］在研究西风槽降水云系的增雨条件时总结了一套指标体系，认为当同时满足雨强大于0.1 mm·h-1、上升运动区（垂直速度大于0.01 m·s-1）、过冷水含量大于0.01 g·kg-1、冰晶数浓度大于20个·L-1、温度为-20～0 ℃条件时，云层具有可播性；若冰晶数浓度小于20 个·L-1时，云层具有强可播性。但该指标体系没有考虑云中冰面过饱和水汽对增雨的潜力，在层状云降水形成过程中，冰面过饱和水汽对凝华增长有较大作用［4］。当云中有过冷水时引入AgI 将会通过贝吉龙过程促进冰晶增长，在没有过冷水的区域，AgI 以凝华核化为主，冰面饱和比大于1.04是AgI凝华核化的必要条件［15］。

在已有研究［7，9，11-13］基础上，本文增加冰面饱和比作为增雨作业条件的指标之一。选取雨强、上升运动区、温度、过冷水混合比、冰面饱和比与冰晶数浓度6 个物理因子组成增雨作业条件指标，这组指标在宏观方面重点考虑了云系的发展阶段、云中是否存在上升运动、是否产生降水，微观方面主要考虑过冷水混合比、冰面饱和比、冰晶数浓度3 个AgI 核化增长的关键物理因子。具体阈值设计如下：当同时满足雨强大于0.1 mm·h-1、上升速度大于0.01 m·s-1、温度为-20～0 ℃、过冷水混合比大于0.01 g·kg-1或冰面饱和比大于1.04、冰晶数浓度大于20个·L-1条件时，云系具有可播性；若冰晶数浓度小于20个·L-1时，云系具有强可播性。

利用构建的增雨条件指标，对经过邢台站的此次低槽冷锋云系的增雨时机和部位进行识别。由冰晶、雪和霰混合比求和得到冰相水凝物的混合比，代表冰云分布。图7（a）显示，在锋面抬升强雨期，增雨作业高度主要位于4.0～7.9 km 之间，与600 hPa高度以上过冷水出现的区域基本相同，其中4.0～5.5 km 高度层内为强可播区，结合图4可知，该高度层内过冷水混合比最高可达0.2 g·kg-1，冰晶数浓度不足20个·L-1，上升速度最高可达0.5 m·s-1；从增雨作业时机角度分析，地面降水出现之后的较强降雨期都有增雨作业时机，而在22日14：00 前，云系以冰云为主，在-20～0 ℃云层中缺乏过冷水且冰面饱和比小于1.04，云系没有增雨作业时机。深厚层云小雨期［图7（b）］，此阶段可播区仍主要位于4.0～7.9 km 之间，强可播区出现在4.0～5.5 km 高度层内，与锋面抬升强雨期基本一致；增雨时机出现在600 hPa 维持西南风阶段，当600 hPa 转为西北风影响后，尽管雨水混合比大于0.01 g·kg-1，表明地面仍产生降水，但由于云中没有过冷水且冰面饱和比小于1.04，云中没有增雨作业条件。

图7 2017年5月22日13：00—17：00邢台站锋面抬升强雨期（a）及22日17：00至23日01：00深厚层云小雨期（b）物理量变化与可播区识别Fig.7 Variation of physical quantities and the identified glaciogenic seeding areas during the frontal uplifting heavy rain period from 13：00 BST to 17：00 BST 22 May 2017 （a） and the deep stratus cloud light rain period from 17：00 BST 22 to 01：00 BST 23 May 2017 （b） at Xingtai station

结合图4和图6可知，当云系处于锋面抬升较强发展阶段时增雨作业可主要在冰水混合区开展，而当云系处于深厚层云阶段时，由于云中上升速度减小且上升运动主要出现在冷区，此阶段过冷水含量减少且出现高度比锋面抬升强雨期有所下降，增雨作业除了可在冰水混合区开展之外，还可以在其上大约3 km 高度范围内冰面饱和比大于1.04 的区域开展。

总体看来，邢台站增雨作业时机主要出现在锋面抬升形成的较强降雨期及深厚层云形成的小雨期，降水消散期云中没有可播区。出现可播区时云系主要是处于发展及维持阶段的冷暖混合云，云顶高度达12 km，云底高度维持在近地面到2 km 之间，云系冷层厚度约8 km，冰水混合层厚度约4 km，高层有冰晶和雪，中间层为含有过冷水的冰水混合区，低层为液态水云，具有“催化-供给”云系结构特征。

6 结 论

华北地区2017年春季出现较严重干旱，5月22—23日出现一次明显降水过程，河北、山西等地气象部门开展飞机和地面增雨作业。本文利用CPEFS_v1.0系统，针对此次低槽冷锋降水过程，以河北邢台站为代表研究了不同降水阶段云结构特征及增雨作业条件，得到如下结论：

（1）低槽冷锋云降水系统自西北向东南移动经过邢台站时，先出现10 min 雨量为1.0～3.0 mm 且持续约3 h的较强降水期，之后出现10 min雨量为0.2～0.7 mm 且持续约8 h 的小雨期，之后降水消散，模拟结果与实况一致。

（2）因锋面抬升形成的较强降雨阶段，邢台处于地面冷锋之后、700 hPa 槽前深厚的西南气流影响下，此阶段与850 hPa 以下水汽通量大值（大于21 g·hPa-1·cm-1·s-1）存在时间一致，850 hPa 切变线过境邢台前后云中出现上下贯穿的上升运动。500 hPa 以上高层冰云由冰晶和雪晶组成；800～500 hPa中层云为冰水混合云，过冷水与霰粒子混合比最高分别达0.2、2.2 g·kg-1；800 hPa 以下低层云为液态水云，云系具有“催化-供给”云结构特征，霰的融化过程、雨滴碰并云滴过程是降水形成的主要过程。

（3）在22日17：10 至23日01：20 深厚层云形成的小雨阶段，邢台处于700 hPa 槽后和500 hPa 槽前。700 hPa 之下中低层水汽含量及水汽通量明显减小，上升运动主要出现在冷区，上升速度最大仅0.4 m·s-1，云系依旧为冷暖混合云，冰晶、霰混合比明显减小，雪晶混合比增加，-10～0 ℃之间过冷水混合比减小，最大约0.1 g·kg-1，低层云水混合比也减小，降水主要由霰的融化过程产生。

（4）综合利用逐时雨强、上升运动区、温度、冰面饱和比、过冷水含量、冰晶数浓度6个物理量构建增雨条件指标，发现本次邢台地区低槽冷锋云系适宜冷云催化增雨作业的时间主要出现在锋面抬升强雨期与深厚层云小雨期，这时云系为处于发展及维持阶段的冷暖混合云，可播区高度位于4.0～7.9 km，强可播区出现在4.0～5.5 km 高度过冷水充沛区域。