积层混合云中对流核的宏微观特征和增雨条件研究——以河北中南部地区为例

Macroscopic and Microscopic Characteristics of Embedded Convections and Rainfall-Increasing Conditions in Stratiform Clouds—A Case Study of the Central and Southern Areas of Hebei Province

摘要: 2017年5月22日河北省出现一次低槽冷锋降水过程，河北省人工影响天气办公室利用机载粒子测量系统对积层混合云进行多次水平和垂直探测。本文利用该探测资料结合地面天气雷达、Ka波段云雷达和地面雨量自记资料分析了积层混合云中对流雨核的宏微观特征及增雨条件。结果表明，积层混合云云厚大于7 km，由冷、暖云组成，冷云厚度2 km，暖云厚度3 km。云内对流雨核可使云顶高度抬升约2000 m。大的对流雨核的水平尺度在8~15 km，小的对流雨核的水平尺度在5 km左右；对流雨核持续时间在45~60分钟，由雨核产生地面强降雨时间约20分钟，短的不足10分钟；对流雨核降雨量占天气系统总降雨量10~30%。雨核发展时云粒子浓度最高，过冷水最丰富，冷云底部过冷水最高达0.6 g∙m⁻³，5000 m以上冷云中上部过冷水达0.2 g∙m⁻³，云内丰富过冷水从雨核发展初始持续到雨核发展盛期。雨核中冷云中上层为冰晶繁生区，镶嵌较强对流雨核的冷云中均能观测到淞附冰晶以及霰粒子，冷云中上部−5℃~−10℃，是最佳的催化作业区。

Abstract: May 22, 2017, Hebei Province appears a low-trough and cold front precipitation process. Hebei Provincial Weather Modification office made use of airborne particle measurement system to detect stratiform clouds with embedded convections on several levels and vertically. In this paper, the macro-microscopic characteristics and rainfall-increasing conditions of embedded convections in stratiform clouds are analyzed by using the detection data combined with ground weather radar, KA-band Cloud radar and ground rainfall self-recorded data. The results show that the accumulated layer is thicker than 7 km, which consists of cold and warm clouds, 2 km thickness and 3 km thickness. The convective rain nuclei in the cloud can uplift the top height of the cloud by about 2 km. The horizontal scale of the large embedded convections is 8~15 km; the horizontal scale of the small embedded convection is about 5 km; the embedded convections duration is 45~60 minutes; the ground heavy rainfall time is about 20 minutes, short less than 10 minutes; and the embedded convections rainfall occupies the total rainfall of the weather system 10%~30%. When the rain core develops, the cloud particle concentration is the highest and the supercooled water is the most abundant. The supercooled water at the bottom of the cold cloud is up to 0.6 g∙m⁻³, and that in the upper part of the cold cloud higher than 5 km is up to 0.2 g∙m⁻³. During the period from the initial development of the rain core to the peak, the supercooled water is rich in the cloud. The upper layer of the cold cloud in the embedded convection is the ice crystal propagation area, and the cold cloud with strong embedded convections can observe the song-attached ice crystals and the −5˚C~−10˚C, the upper part of the cold cloud, is the best catalytic operation area.

1. 引言

积层混合云是中国主要降水云型，也是一种非常有效的降水系统，在冷锋、梅雨锋、冷涡、地形云等多种天气系统中都会出现。在华北地区低槽、冷锅、冷锋、回流等天气系统中都可能引发积层混合云降水。

国内外学者曾对积层混合云开展了大量研究。观测发现，层云中嵌入对流单体使液态水浓度比周围的层云高，且具有一定的上升速度，可以产生更多的冰晶(Hobbs and Rangno, 1990; Evans et a1., 2005) [1] [2] ；研究发现在云中垂直速度不同的情况下(Houze et a1., 1981; Rutledge and Hobbs, 1983) [3] [4] ，可以增加云系20%~35%的降水量；积层混合云降水往往分布不均匀，嵌入式对流单体下方降水量一般明显比周围区域高，造成“雨核”的现象(Hobbs and Locatelli, 1978) [5]。更多学者利用多种雷达资料和标准气象仪器资料分析了层云降水对浅对流泡的影响(Frederic et a1., 1993) [6]。后来随计算机发展，对积层混合云进行了数值模拟：用数值模拟研究发现镶嵌在层状云中的对流云发展更旺盛，生命史更长，降水效率更高(Frederic et al., 1993) [6]。

国内的学者利用雷达观测资料等分析了暴雨积层混合云的基本特征及其与降水的关系(黄美元等，1987a) [7] ；利用二维时变积云降水模式讨论了积层混合云中层状云对对流云发展和降水的影响，并得出积层混合云是一种非常有效的降水系统(洪延超，1996a，1996b；黄美元等，1987b) [8] [9] [10]。陶玥等用中国气象科学研究院(CAMS)中尺度云分辨模式模拟积层混合云系结构和水分收支情况估算降水效率等(陶玥，2015) [11] ；对积层混合云微物理和降水特征的数值模拟与飞机观测对比研究，发现模式模拟的云中液态水浓度(LWc)与飞机观测值具有较好的一致性(朱士超，2015) [12] ；积层混合云结构特征及降水机理进行模拟研究，模拟的降水与雷达回波与实测结果基本一致(何晖，2015) [13]。

综上所述，积层混合云较为稳定且降水效率高，适合飞机作业，是理想的增雨作业催化对象。在我国北方，多种弱不稳定天气系统都会出现积层混合云，积层混合云是一种常见的降水天气系统，也是人工影响天气业务催化专业重要云系。但“对流核强度在什么范围内适合飞机作业？对流核作业时机、部位如何选择？”等都影响作业安全和增雨效果。因此，积层混合云中对流核的研究是人工影响天气领域的重要课题，对提高人工增雨作业技术具有重要意义。

2017年5月22日河北省自北向南出现一次“低槽冷锋”天气系统，河北省人工影响天气办公室在太行山东麓对云层进行了多次水平和垂直探测。本文利用探测资料研究了积层混合云中对流雨核的宏微观结构特征，分析积层混合云对流核发生规律和作业条件。

2. 仪器和资料

2.1. 探测仪器

机载探测设备有机载粒子探测系统、AIMMS-20机载气象探测系统、Nevzorov热线式含水量仪、湿度露点仪和GPS定位等。其中，粒子探测系统包括DMT公司CDP探头，测量粒子直径范围为2~50 μm；CIP探头，测量粒子直径范围25~1550 μm；SPEC公司HVPS-3探头，测量粒径范围为150~19200 μm；3V-CPI探头是由2D-S探头和PDS所组成的，可对粒子进行高分辨率的影像探测，测量云中的水滴以及冰晶粒子的大小、形状和含量。Nevzorov热线式含水量仪可以实测云内液态含水量和冰水含量。

另外还有天气资料、石家庄多普勒天气雷达(SA波段)资料、Ka波段云雷达资料、地面雨量自记仪等。

2.2. 天气系统

2017年5月22日08时(北京时，下同)是一次明显的“低槽冷锋”降水天气系统，500 hPa高空多短波扰动，高空槽在东移过程中发展加强，华北处于槽前正涡度平流区；中低层存在明显的锋区，在700、850 hPa存在偏北风与西南风的风切变，风场、温度场交角较大，有明显的冷平流自北向南影响华北大部分地区。地面图1上，气压场表现为“北高南低”，锋面沿西北路径侵入华北。高空槽前部深厚的西南暖湿平流在冷锋锋面上抬升而形成的降水天气过程，22日20时，850 hPa风速达到了12 m∙s⁻¹，锋区进一步南压，降水随风切变迅速南压，移到了华北东部和南部，入夜后，主雨带减弱由东南向移出华北。

Figure 1. Meteorological condition on May 22, 2017 in high altitude at 08:00 (a), 20:00 (b) and ground level at 08:00 (c), the purple and red solid line represents 500 hpa height and temperature fields respectively, the black and blue solid line represent the sea level pressure field and the cold front line respectively

图1. 2017年5月22日08:00 (a)，20:00 (b)高空形式和08:00 (c)地面形势图(紫红色实线为500 hPa高度场，红色实线为500 hPa温度场，黑色实线为海平面气压场，天蓝色实线为冷锋线)

2.3. 云探测概述

采用国王350飞机，结合雷达资料所确定的雨核位置，开展连续垂直盘旋探测，由云底或最低安全高度开始，盘旋到雨核顶部或云顶，然后再由云顶再盘旋到云底，连续多次进行雨核垂直探测，每次盘旋探测时间10~15分钟。为便于对比分析稳定性层状云和镶嵌对流云的层状云内的微物理结构特征，飞机还专门针对稳定性层状云做从云底到云顶的垂直探测，实施飞机探测过程如下：

Figure 2. The aircraft observation route on May 22, 2017

图2. 2017年5月22日飞机探测航线

飞机15:03从正定机场起飞，15:11上升至3627 m (L1)，15:32平飞至太行山东麓区域(F1)；15:32~15:37由3627下降到2100 m，15:37~15:53在邢台西部A区对云进行第一次垂直上升探测(A区地面皇寺观测站布设云雷达和微雨雷达)，高度为2100~7259 m；15:53开始在7056 m高度平飞16分钟于16:09到邯郸西部B区，16:09~16:23在B区对云进行了第二次垂直下降探测，高度为7056~2106 m；16:23:41开始(L2)在2111 m高度平飞于16:31到达邯郸西部C区(F2)，16:31~16:48在C区对云进行了第三次垂直上升探测，高度为2000~7304 m；16:48开始(L3)在7239 m高度平飞于17:27到达邢台西部D区(F3)，17:27~17:39在D区对云进行第四次垂直下降探测(A区附近)，高度为7239~2059 m；2056 m高度(L4)平飞到邢台西部(F4)E区，17:49~18:04在E区对云进行第五次垂直上升探测(A区附近)，高度为2056~7256 m；18:04在7400 m高度平飞于18:08开始缓慢下降，飞机于18:32降落至正定机场(见图2)。

此次飞机均在西风槽槽前观测，由于西南气流受到太行山东麓地形因素影响，西南气流沿锋面抬升时出现区域不均衡性，层状云中伴有大小不一的对流雨核。本文针对3676 m平行和垂直上升时探测获取的机载资料进行分析。

3. 对流雨核宏观结构分析

为了了解不同探测时间段FY-2E卫星云图和雷达垂直剖面随飞行轨迹的变化情况，图3将5月22日从15时30分开始到飞机降落关键时段的卫星云图以及相应的飞行轨迹上的雷达垂直剖面进行叠加(黑色线表示飞行轨迹，飞机机头表示飞行方向)，从卫星连续演变的红外云图看出(图3)，15时30分FY-2E显示云系呈东北—西南走向带状分布，在东移过程中逐渐加强，云带变宽，L1-F1飞行轨迹对应的雷达垂直剖面和图6对应的雷达平面图显示，雷达回波呈大范围的积层混合云，中间镶嵌着分布不均匀的对流雨核。16时探测区域内出现多处云顶温度为−30℃~−40℃的高云，16:30云顶温度升高，高云区减小，至17:00高云区消失。结合图1天气形势图看，飞机探测期间(15:03~18:32)正处于西风槽槽前冷锋过境，结合雷达观测，卫星红外云图中高云区为云内夹杂对流云云顶，说明该云系为积层混合云。

为了解云的结构、云高、云内液态水含量随时间变化，在A区域(皇寺观测场)设置的Ka波段云雷达资料显示(图4)，积层混合云由冷、暖云组成，3900 m附近出现一条明显分界线，下层为暖云，上层为冷云，15:35~15:55出现的云高最大达10,000 m、且为浓密的高云，云底到4000 m高度内出现液态水丰水层，此处云雷达反演的含水量有较大误差，仅反映含水量相对变化趋势。15时03分飞机起飞至17时飞机窗外可见水线，飞机间断性出现强烈颠簸，表明云中夹杂有对流雨核。从Ka波段云雷达探测资料看，皇寺局地明显的对流雨核发生在降水过程初期，从对流雨核形成到降水结束持续时间在45~60分钟，对

Figure 3. The FY-2E satellite cloud picture and the radar vertical profile overlap with the flight trajectory in different detection time (a: 15:30; b: 16:00; c: 16:30; d: 17:00; e: 17:30; f: 18:00)

图3. 不同探测时刻FY-2E卫星云图和雷达垂直剖面随飞行轨迹的叠加(a: 15:30; b: 16:00; c: 16:30; d: 17:00; e: 17:30; f: 18:00)

Figure 4. The change with time of Ka-band cloud radar echo and liquid water content

图4. Ka波段云雷达回波与液态水含量随时间的变化

流雨核降水后，云顶高度迅速下降到4000 m。之后，云顶高度一般为8000 m，此时云内含水量降低，云内雨核减弱，表现为稳定的层状云。层状云内出现对流雨核时，由于上升气流加强，可使云顶高度抬升约2000 m。地面逐时雨量显示15至17时探测区域先后均出现20~50 mm的中雨，17时以后在探测区域为稳定的层状云降雨，雨量为10~20 mm，至21时降水停止。河北中南部受本次天气系统影响出现大范围降水，降水带呈现西南—东北走向，雨量由北至南逐渐增强。

本文判断对流雨核降雨的标准是：瞬时最大雨强达到平均雨强1倍以上，且雨强发生突变，明显大于前期(或后期)雨强，认为降雨受到对流雨核影响。为了解对流雨核对地面降雨的影响，分析A区附近内丘、邢台、柏乡、南和四个地面雨量站五分钟地面降雨量随时间的变化，图5显示，由于雨核的出现，地面5分钟降雨量出现了巨大波动。内丘、邢台、柏乡、南和四站中，内丘、柏乡分别出现一次对流雨核降雨，持续时间分别约为10分钟和18分钟；邢台出现两次对流雨核降水，持续时间约23分钟和10分钟；南和由于五分钟雨量突变不明显，不易判断。统计对流雨核降雨显示：对流雨核地面降雨持续时间约20分钟，短的不足10分钟；雨核降雨量占系统总降雨量10%~30%。

从适合增雨作业的雷达回波指标看(孙玉稳等，2015；孙玉稳等，2017) [14] [15] ，处于飞行安全考虑，适合催化的对流雨核最强雷达回波不高于40 dBz，4000 m以上冷云中雷达回波强度小于35 dBz，镶嵌有雨核的中上层雷达回波强度为25~30 dBz。图6显示积层混合云带呈西南至东北向分布，云内出现多个回

Figure 5. Representative site rainfall distribution during five minutes in aircraft detection area (Neiqiu, Xingtai, Baixiang, Nanhe)

图5. 飞机探测区域内代表站点五分钟降雨量分布(内丘、邢台、柏乡、南和)

波强度为40 dBz片状雷达回波区。为研究对流雨核尺度特征及飞机增雨催化条件，沿飞行轨迹作雷达回波垂直剖面，从雷达回波垂直剖面看，由于雨核的出现，形成了一簇簇的40 dBz左右的雷达回波区。利用飞机在3676 m高度(L1-F1)、2112 m高度(L2-F2)和7260 m高度(L3-F3)水平飞行穿过40 dBz左右的雷达回波区时的经纬度计算，大的对流雨核的水平尺度在8~15 km，小的对流雨核的水平尺度在5 km左右。图6中L1-F1飞行高度层恰好是融化层，此时没有出现0℃层亮带主要原因是云区距雷达观测站远，雷达扫描角度低。飞机在3676 m高度(L1-F1)平飞时实测含水量大于0.2 g∙m⁻³的区域认为是雨核的水平尺度，实测对流雨核水平尺度与雷达观测到的雨核尺度结果一致。为了机载探头观测数据的可靠、稳定性，本文分析飞机盘旋爬升过程中探测到的数据和平行探测获取的数据，不同地区不同探测时段飞机对发展中的云的垂直探测时机也不同，飞机在A区垂直探测过程中云内夹杂有小对流云核(图6b)；飞机在C区垂直探测过程中云区位于大片强对流雨核，飞机恰好在强对流雨核的前部边缘探测(图6c)，从飞机盘旋上升轨迹判断，飞机在上升过程中四次穿过同一雨核，从图6c剖面图看，25 dBz和30 dBz雷达回波顶高逐步抬升，表明雨核处于发展过程中，飞机对该对流雨核做最后三次探测时，其35 dBz雷达回波面积有所减小，主要是由于飞机在盘旋上升过程中穿越的距离造成的(盘旋半径为10 km)；E垂直探测区位于稳定层状云中(图6d)。飞机实测的暖层云和冷层云的分界线在3900 m左右，与Ka波段云雷达观测结果一致。从15 dBz雷达回波顶高看，镶嵌对流雨核的积层混合云15 dBz最大回波顶高在6000 m，镶嵌两个对流雨核区之间15 dBz雷达回波顶高在5500 m，稳定性层状云区15 dBz回波顶高在4500 m。雷达回波顶高低于飞机实测云顶高度。

Figure 6. Vertical profile of radar echo on flight trajectory (a: 15:03~18:32) and superposition image of radar echo on vertical detection and flight trajectory (b: 15:37~15:53; c: 16:31~16:48; d: 17:49~18:04)

图6. 飞行轨迹上的雷达回波垂直剖面(a: 15:03~18:32)及垂直探测期间雷达回波与飞行轨迹叠加图(b: 15:37~15:53; c: 16:31~16:48; d: 17:49~18:04)

4. 对流雨核微观结构特征分析

4.1. 水平方向云微结构特征分析

为研究云系不同发展期、不同部位云微物理结构及降水分布特征，分析融化层附近平行探测时段CDP、CIP云粒子探头观测到的不同尺度下的粒子浓度和平均直径、热线含水量仪观测到的液水含量和冰水含量水平分布特征，其中CIP观测到的浓度选取粒子直径在100~1000 μm的数据。图7给出了飞机在3676 m (L1-F1)平行探测过程中获取的各种宏微观物理参量沿航线的时间分布，该高度层温度在1℃左右变化，为融化层。图7a显示，CDP探头观测到的云粒子平均浓度为7 × 10⁴ L⁻¹，最大浓度为3 × 10⁵ L⁻¹，最高和最低云粒子浓度相差4个量级；平均直径为15 μm，云粒子浓度与平均直径呈反相关。图7b显示，Nevzorov热线式含水量仪观测到平均含水量为0.275 g∙m⁻³，最高和最低云水含量相差1个量级，说明3676 m层含水量水平分布非常不均匀，表明云不同的发展阶段影响对流雨核内云粒子浓度和含水量。图7b中TWC含水量有时明显大于LWC含水量主要是因为该层处于融化层，云内存在未融化降水粒子造成的误差，在CPI探头也观测到了未融化的降水粒子和大雨滴(见图8)。CIP探头观测到的粒子浓度在1~8 L⁻¹之间变化(图7c)，浓度平均值为3.3 L⁻¹；平均粒子直径为300~700 μm，粒子直径与浓度呈负相关，即粒子浓度大的地方，平均直径小。在对流雨核发展较弱的区域，粒子浓度为6~9 L⁻¹，平均直径为300~500μm；而在对流雨核发展较强的区域，降水粒子浓度为2~5 L⁻¹，平均直径为500~700 μm。

在镶嵌对流雨核之间的云内观测到的(图7中m1处)TWC含水量为0.2~0.4 g∙m⁻³，对流雨核发展盛期(图7中m2处)TWC含水量在0.5 g∙m⁻³以上，对流雨核衰退消亡期(图7中m3处)，地面出现大量降水，TWC含水量迅速降到0.1 g∙m⁻³以下，同时云粒子浓度和平均直径明显降低，云内存有少量大的降水粒子。说明对流雨核降水主要发生在盛期以后，同时大量下落的降水粒子影响了雨核内部的上升气流，阻断了云粒子向上输送，加速了雨核的消亡。图6d中粒子尺度与雷达垂直剖面图出现3~4分钟误差主要因为雷达6分钟完成一次体扫，在飞行轨迹与雷达回波进行同步耦合时出现的时间差。而剖面图中没有出现40 dBz的回波，是因为天气雷达比较粗的体扫数据，而后进行插值造成误差。

Figure 7. The variation of the micro-physical parameters in the cloud during the 3676 m plane flight phase Figure

图7. 飞机在3676 m平飞阶段云内各微物理参量随时间的变化

Figure 8. The particle image of CPI high resolution image probe at 3676 m height

图8. 3676 m高度层CPI高分辨率的影像探头观测到的粒子图像

4.2. 融化层粒子谱特征

分析融化层粒子浓度及粒子谱以更好地了解雨核中粒子变化规律，为进一步研究降水的形成机制奠定基础 [16]。TWC传感器为直径8 mm的圆锥形传感器，不同相态粒子可在圆锥内蒸发，得到累积含水量；LWC传感器为直径1.8 mm，长16 mm的圆柱形传感器，当雨滴碰撞到LWC传感器时容易发生破碎而不能够完全将雨滴蒸发，从而使得LWC在遇到大雨滴或半融化的雨滴时观测值偏小，因此在融化层中使用了TWC含水量数据进行统计分析。图9给出了飞机在云内3676 m不同含水量条件下的粒子谱分布，图9a云粒子谱显示，云粒子呈双峰分布，峰值直径分别为6 μm和 14 μm。当TWC=0.1 g∙m⁻³时，云粒子浓度虽大，但多为3~10 μm的小云粒子，10~30 μm大云粒子浓度低，对照图7分析，此时不在雨核内。TWC = 0.3 g∙m⁻³时，云粒子浓度明显升高，6 μm峰值浓度近13,000 L⁻¹μm⁻¹，14 μm峰值浓度超过13000 L⁻¹μm⁻¹，此时雨核处于发展期，云内上升气流最强，云粒子浓度也最大。当TWC = 0.5 g∙m⁻³时，3~10 μm小云粒子浓度明显降低，6 μm极值浓度降到1000 L⁻¹μm⁻¹左右，14 μm峰值浓度也降到7000 L⁻¹μm⁻¹，但云粒子平均直径增大，17~30 μm大云粒子浓度明显增加；从图9b降水粒子谱分布特征看，TWC = 0.3 g∙m⁻³时没有明显第二峰，TWC = 0.5 g∙m⁻³时第二峰最大，峰值浓度为0.0082 L⁻¹ μm⁻¹，而且第二峰值直径580 μm，大于TWC为0.2 g∙m⁻³或0.4 g∙m⁻³时的第二峰直径，说明TWC = 0.5 g∙m⁻³时，云内出现大量大雨滴，大于580 μm雨滴发生破碎，此时，雨核处于盛期。综上所述，对流雨核发展时，云内对流加强，大量云粒子从云底向上输送，粒子浓度迅速提高，粒子谱在6 μm和14 μm处分别出现13,000 L⁻¹μm⁻¹左右的峰值，TWC含水量达到0.3 g∙m⁻³，但云内降水粒子极少；随着对流雨核的发展，粒子直径增大，在6 μm左右的小云粒子浓度迅速减小，大于14 μm的大云粒子增加；当雨核进入盛期，云粒子主要由10 μm以上的大云粒子组成，大雨滴对含水量起重要作用，含水量最大超过0.5 g∙m⁻³；消亡期，云粒子浓度迅速降低，含水量降到0.2 g∙m⁻³以下，云内存留少量降水粒子。

Figure 9. Spectral distribution (a: CDP, CIP, HVPS) of 3676 m height layer under different water content conditions

图9. 云内3676 m高度层不同含水量条件下的谱分布(a: CDP, CIP, HVPS)

4.3. 雨核内粒子有效直径的变化

为研究云内对流核发展的强度，计算五次垂直观测的云内有效粒子直径随高度的变化，把热线含水量仪实测的液水含量(LWC)大于0.2 g∙m⁻³作为对流云含水量阈值，剔除LWC小于0.2 g∙m⁻³对应的CDP探头观测到的云粒子浓度数据，同时CDP探头观测到的云粒子浓度必须满足大于20,000 L⁻¹作为对流云发展阈值，当小云粒子浓度小于20,000 L⁻¹表示对流云发展后云内出现大粒子破坏了云的状态，因此剔除云粒子浓度CDP N小于20,000 L⁻¹的数据。图10显示，A区、B区、C区3次探测的云内有效粒子半径随高度升高而增长，从粒子有效直径与高度的相关系数看，A区R²仅为0.2286，相关性较弱；B区和C区R²分别为0.678和0.6913，二者相关性较强；从A区、B区、C区的雷达回波和飞机实测结果看，云内均镶嵌对流泡，均有对流云的特征，图10有效粒子直径随高度变化也能说明云内出现对流。但D区云内有效粒子直径随高度升高而下降，E区云内有效粒子直径随高度升高基本不变，不符合对流云特征，云内无对流。从斜率看，C区最大，为496.1；B区次之，为392.69；A区最小，为334.49；显然，C区对流最强，A区最弱；因为该处斜率表示粒子有效直径增加1 μm时垂直高度增加值，显然，云粒子在上升过程中逐步凝结增长，对流越强，上升速度越大，粒子凝结增长1 μm的时间内上升的高度越大，斜率越大。

Figure 10. Five times vertical detection effective particle diameter varies with height (LWC greater than 0.2 g∙m⁻³, CDP n greater than 20000 L⁻¹, h1: a, H2: b, H3: c, h4: d, h5: e)

图10. 五次垂直探测有效粒子直径随高度变化(lwc大于0.2 g∙m⁻³，CDP N大于20000 L⁻¹，H1：A区，H2：B区，H3：C区，H4：D区，H5：E区)

4.4. 云宏微观物理参量的垂直分布特征

为分析镶嵌对流雨核的冷云内粒子微物理结构及降水分布特征，对飞机从云底到云顶盘旋上升的三个时间段资料做统计处理，从CIP探头探测的资料中选取尺度为100~300 μm的粒子浓度作为冰晶数浓度、300~1000 μm粒子浓度作为雪晶数浓度，从HVPS探头资料中选取1000~10000 μm粒子浓度作为降水粒子浓度。文中当CDP探头观测到的云粒子浓度大于10⁴ L⁻¹、同时热线含水量仪观测到的液水含量 ≥ 0.01 g/m³时则判定云的出现(孙玉稳等，2015) [14]。云内微物理参量的垂直分布特征统计结果见图11。

从图11a和图11c可以看出，A、C、D三个区域观测到的云的宏观结构变化不大，云底小于2000 m，云顶大于7259 m，0℃层高度位于3900 m附近，云内温度在−16.4℃~10.5℃。云系为双层分布，夹层厚度有一定的差别，0℃层以下云滴浓度较高，粒子尺度较小，暖层云粒子浓度波动是飞机盘旋上升时碰到的对流泡中的高云粒子浓度造成的。0℃层以上冷云中观测到的大尺度的粒子是过冷水、冰晶和雪晶粒子共存的分布情况。三个区域观测到的小云滴浓度随高度变化呈多峰分布，且起伏较大，LWC液态含水量与云滴浓度具有较好的正相关性。

A区积层混合云分为上下两层，4500 m以下云粒子浓度大，最大浓度为3 × 10⁵ L⁻¹，4500 m以上云粒子浓度小于8 × 10⁴ L⁻¹；云粒子浓度极大值出现在4000 m (图11b₁)，最大液态含水量为0.6 g∙m⁻³；4500 m以上液态水含量小于0.05 g∙m⁻³ (图11a₁)。CIP探头观测在4500~5200 m 出现100~300 μm粒子浓度高值区，4700 m最大浓度达55 L⁻¹ (图11c₁)；对应表1发现，云内以针状和柱状冰晶粒子为主。4500~5200 m大量繁生冰晶主要有三个原因：一是下方水汽供应充足，4000 m附近云粒子浓度和含水量达最大；二是弱对流中，云粒子增长后在该层累积大量30~100 μm的冰质粒(图12a)；三是该层温度−3℃~−5℃，适合针状和柱状冰晶繁生。6800 m以上出现六角板状冰晶(图12c)，100～300μm的冰晶粒子浓度大于300~1000 μm的雪晶粒子浓度；其下方6700 m附近，雪晶粒子浓度大于冰晶粒子浓度。显然，6800 m以上漂浮的冰晶碰并后形成了雪晶(图12b)，长大后的雪晶沉降到6700 m形成雪晶浓度峰。4500~5200 m冰晶粒子浓度远高于6800 m以上冰晶粒子浓度，但该层雪晶粒子极值浓度小于6700 m极值浓度，主要因为云内不断有从高层降落的降水粒子碰并雪晶粒子(图11e₁)。5000 m以下冷云中冰晶增长和结淞消耗大部分过冷水，云内实测过冷水统计表明，5000 m以下冷云下层过冷水占比81%，5000 m以上的冷云中上层过冷水占比不足20%，说明冷云下层的冰晶消耗了云中80%的过冷水。

C区位于较强对流雨核发展期的积层混合云，图11b₂显示，4900 m以下云粒子浓度较大，最大浓密为3.8 × 10⁵ L⁻¹，4500 m以上云粒子浓度小于1 × 10⁵ L⁻¹；图11a₂显示，4400 m出现液态含水量最大值为0.6 g∙m⁻³，5000 m 以上至7300 m液态水含量维持在0.20 g∙m⁻³左右。3600 m以上TWC冰水含量大于LWC含水量，表明融化层以上云内粒子为冰水混合结构，图13a可见30 μm以下粒子表现为液态水滴，图13b显示，30~100 μm主要表现为不规则的冰质粒或霰粒子。0℃层以上云内粒子由云滴、冰雪晶、霰粒子和冰晶聚合体组成，TWC冰水含量大于LWC含水量，5000 m以上TWC冰水含量与LWC含水量差值接近1.0 g∙m⁻³，表明云水主要由冰晶和冰晶聚合体组成。图11c₂和11d₂显示，冷云内100~300 μm冰晶粒子浓度随高度上升而增大，6800 m冰晶粒子浓度达最大90 L⁻¹；对应表1发现，冷云的上中下层皆由冰晶、雪晶和冰晶聚合体等混合而成，降水粒子谱明显变宽(11e₂)。从CPI探头探测的冰雪晶看(图13C)，冷云上中下层的冰雪晶上都可见结淞，说明云内含水量充沛，镶嵌对流泡的积层混合云中较强的上升气流将过冷水滴输送到7000 m附近。对云内过冷水统计表明，5000 m以下过冷水占比40%，5000 m以上的冷云中上层过冷水占比高达60%，说明积层混合云中镶嵌的强雨核在发展期时由于云内强对流向冷云中上层输送的过冷云滴最多。

E区为稳定层状云(图10a₃和图10b₃)，其云微物理结构特征与A区和C区完全不同，云粒子浓度基本在1 × 10⁵ L⁻¹以下；云内过冷水在0.1 g∙m⁻³以下，最大含水量出现在云底，CPI探头观测到的图像显示云底含水量最大主要是上层降落的雨滴造成的。100~1000 μm冰雪晶最大浓度出现4500 m (图10c₃)，仅14 L⁻¹，上层冰雪晶浓度低，仅2~6 L⁻¹。1000 μm以上降水粒子浓度仅1~3 L⁻¹(图10d₃和图10e₃)。

综上所述，对流雨核内上升气流增强可使更多的云粒子被输送到冷云中，对流核越强，向上输送云粒子越多，冷云中上层过冷水越多。在强雨核发展阶段，5000 m以上的过冷水占比近60%，为冷云上层生成大量冰晶提供了物质条件；而雨核较弱或层云中，5000 m以下冷层内由于形成冰晶和结淞消耗过冷水超过80%。冷云中过冷水一般以直径30 μm以下云粒子型态出现，直径30 μm以上粒子多以冰质粒型态或霰粒子存在，在较强雨核中可见30~100 μm左右霰粒子。雨核内云粒子、冰质粒、霰粒子等随上升气流一同上升至冷云近7000 m上层，冰质粒迅速增长成冰晶粒子，冰晶粒子相互碰并、攀附、淞附成雪晶或冰晶聚合体后下沉，雪晶或冰晶聚合体在下降过程中兼并上升的云粒子、冰质粒、霰粒子以及下方的冰晶、雪晶等粒子迅速增长成大的降水粒子，进而落入暖层后融化成雨滴(图10e)。CIP探头探测的冰雪晶看(直径在100~1000 μm) (图10c₁、图10d₁)，4500 m冰雪晶浓度最大，达60 L⁻¹，但平均直径最小；5000~6000 m，冰雪晶浓度降到10 L⁻¹，但平均直径涨到400μm ，该区域经历了浓度降低直径增大的变化过程。从HVPS探头观测资料显示(直径大于1000 μm) (图10e₁)，4500 m以上雪花粒子浓度较高3~5 L⁻¹，雪花粒子仍在形成过程中；4000 m左右，浓度降低1~2 L⁻¹，但直径最大，为上层降落的雪花粒子。

Figure 11. The cloud particle concentration, the mean diameter (a: CDP, c: CIP, d: HVPS) and the hot-line moisture meter measured at different scales in the vertical detection flight stage. (b) Variations of particle size distribution with height in different scales (e: CDP, f: CIP, g: HVPS)

图11. 垂直探测飞行阶段不同尺度的云粒子浓度、平均直径(a: CDP, c: CIP, d: HVPS)及热线含水量仪实测的液水含量、冰水含量、温度(b)随高度的分布；不同尺度的粒子谱随高度的变化(e: CDP, f: CIP, g: HVPS)

Table 1. The distribution of ice crystal particle shape with the height and temperature in mixed cumulus clouds of region A

表1. A区积层混合云中冰雪晶粒子形状随高度和温度的分布特征

Figure 12. The particle image of CPI in the area A. (a: 0~−5˚C, b: t −5˚C~10˚C, c: the top of cloud)

图12. A区CPI探头实测粒子图片(a：0~−5℃左右，b：−5℃~10℃左右，c：云顶附近)

5. 结论

1) 低槽冷锋天气系统形成的积层混合云由冷、暖云组成，云厚大于7 km，0℃层高度位于3577~4004 m，暖云厚度大于2 km，冷云厚度大于3 km，云底温度为15.4℃，云顶温度为−17℃。云内对流雨核发生时，可使云顶高度抬升约2000 m。

2) 积层混合云中对流雨核强度、尺度、持续时间有较大波动。大的对流雨核的水平尺度在8~15 km，小的对流雨核的水平尺度在5 km左右；对流雨核持续时间在45~60分钟，对流雨核地面降雨持续时间约20分钟，短的不足10分钟；对流雨核降雨量占系统总降雨量10%~30%。

Figure 13. The particle image of CPI in the area C. (a: −10~−15˚C, b: −15~16˚C, c: −10~−15˚C; the time below the image is the world time)

图13. C区CPI探头实测粒子图片(a: −10~−15˚C, b: −15~16˚C, c: −10~−15˚C；图片下方时间为世界时)

3) 对流雨核发展时，云内上升加强，大量云粒子从云底向上输送，粒子浓度迅速提高，云粒子谱在6 μm和14 μm处分别出现13,000 L⁻¹μm⁻¹左右的峰值，TWC含水量达到0.3 g∙m⁻³，但云内降水粒子极少；随雨核发展，粒子直径增大，在6 μm左右的小云粒子浓度迅速减小，14 μm的大云粒子浓度峰值缓慢下降；当雨核进入盛期，云粒子主要由10 μm以上的大云粒子组成，粒子谱不断拓宽，云内出现大量降水粒子，云内含水量达到最大值，超过0.5 g∙m⁻³；消亡期，云粒子浓度迅速降低，含水量降到0.1 g∙m⁻³以下，云内存留少量降水粒子。

4) 雨核内云粒子平均直径随高度上升而增长，对流越强的雨核，平均直径增长速度越慢，输送至冷云上层的云粒子越多。通常雨核冷云底部过冷水最高达0.6 g∙m⁻³，5000 m以上冷云中上部过冷水达0.2 g∙m⁻³，且雨核发展时中上部过冷水占冷云全部过冷水比例最高达60%，云内丰富过冷水从雨核发展初始持续到雨核发展盛期。雨核的中上部−5℃~−10℃，适宜于催化作业。

5) 层云中冷云中下层为冰晶重要繁生区，雨核中冷云中上层为冰晶繁生区，在冷云的上中下层都能观测到淞附冰晶。同时，雨核中上层出现30~100 μm霰粒子。冷云中冰晶和雪晶的分布都是上层浓度大、下层浓度小。雨核的上中下层皆有聚合体出现，但巨型的降水粒子多出现在0℃附近。

基金项目

河北省气象局科研项目(16kyd03, 15ky20)；河北省气象与生态环境重点实验室开放研究基金项目(Z201602Z))。