四川盆地冬季一次層狀云消散期云微物理特征的飛機探測分析

張 元, 范思睿, 劉曉璐, 王維佳, 王 欽, 耿 蔚

(1.四川省人工影響天氣辦公室,四川 成都 610072;2.中國民航飛行學院廣漢分院,四川 廣漢 618307;3.四川省氣象災害防御中心,四川 成都 610072)

0 引言

由于天氣系統、地形的不同,以及受熱力和動力條件的共同作用,云的宏微觀結構存在多變性和復雜性。目前通過地面觀測、雷達和衛星等常規觀測手段,已獲得了大量云降水宏觀特征的研究成果。 飛機觀測是探測云微物理結構和特征的主要手段,為提高人工播云催化的效果和成功率以及對云微物理特征有更詳細的了解,20 世紀80 年代開始,中國許多學者利用飛機探測資料對云、降水微物理結構特征、降水形成機制及可播性進行研究[1-6],郭學良等[7]對中國云降水物理飛機觀測研究進行系統總結,發現積層混合云中對流泡區含有更多的過冷水,淞附增長起重要作用,符合“播撒供給”降水的形成機制,中國北方冬季降雪過程的形成機制主要是凝華聚并機制。 陶樹旺等[8]研究給出了利用PMS 觀測資料確定人工增雨可播度的指標。在對云的宏微觀物理特征及云結構分析的基礎上,部分學者越來越關注播云催化前后所產生的物理效應并取得了一定的進展[9]。 周德平等[10]通過對1995 年遼寧省一次個例催化前后分析,發現播云后云中各粒子譜結構發生變化,云滴譜小滴端明顯下降,大值端上升,作業層下部數密度明顯減少。 辛樂等[11]對河北一次飛機播云過程進行分析,認為播云后液水含量明顯降低,冰晶減少,降水粒子明顯增加。 近年來,部分研究利用飛機觀測數據與其他觀測數據進行比較分析。趙增亮[12]將典型的層積云的飛機探測結果與衛星資料對比分析,認為中國利用粒子測量系統的譜分布資料計算云的含水量結果是合理的。 李冬楠等[13]利用飛機探測資料及多種常規氣象數據,分析了一次東北冷渦的云宏微觀特征。 封秋娟等[14]針對山西省2010年5 月27 日一次層狀云降水過程,分析了云微物理特征,并對空中和地面雨滴譜進行比較。 蔡兆鑫等[15]利用飛機觀測和播云資料,結合衛星雷達等觀測資料,發現云的可播性與雷達回波有一定的對應關系。 王維佳等[16]分析了四川盆地云系的物理特征和降水機制,但由于探測手段的限制,對四川地區云宏微物理特征的研究依舊不足。 本文針對2019 年12 月18 日在四川盆地東北部上空開展的一次外場試驗,結合衛星等氣象數據,分析了四川盆地層狀降水云消散期的云微物理特征。 進一步認識盆地不同發展階段的降水云系結構,為今后的人工增雨作業提供一定的參考。

1 天氣形勢及飛行概況

2019 年12 月17 日晚至18 日上午,500 hPa高空圖顯示,在中高緯度,從烏拉爾山到東北亞地區為兩槽一脊的形勢,四川地區為短波槽控制,槽后伴隨有強冷平流。 700 hPa與500 hPa一致,整個華北地區為偏北氣流,冷平流明顯,長江以南地區為強勁的西南氣流控制,暖平流明顯。 偏北風與西南風形成的東西向冷式切變自陜西向四川伸展,盆地內表現為輻合形勢,配合相對濕度在90%以上。 850 hPa等溫線密集區已位于四川以北,在盆地內有強烈的氣旋式輻合,在地面有冷鋒配合(圖略)。 本次天氣過程是在鋒面氣旋影響下引起盆地大范圍降水,在飛機探測時段,降水云系主體已處于消散期,對應地面仍有少量降水。

利用2019 年12 月18 日在四川盆地東北部上空開展的一次外場試驗資料,探測飛機采用的是新舟B-3726 飛機,飛機搭載的是DMT 粒子測量系統,使用的探頭有云粒子探頭(CDP),主要測量2 ～50 μm的小云粒子、二維冰晶粒子探頭(CIP),主要測量25 ～1550 μm的大云粒子及冰雪晶粒子、二維降水粒子探頭(PIP),主要測量100 ～6200 μm的云和降水粒子以飛機綜合氣象要素測量系統探頭(AIMMS20),測量溫度、氣壓、濕度、風速、風向、飛行經緯度、飛行高度等。

飛機10:00 從廣漢機場起飛,地面溫度8.2 ℃,探測的最高高度4840 m,溫度-15.2 ℃,起飛后飛機持續爬升,10:40 飛至德陽市上空,高度升至4550 m左右后開始平飛,途經遂寧、南充、廣安,11:47 到達州上空升至4830 m左右,繼續平飛,到達達州宣漢縣后以又字形飛行,經廣安岳池、廣安縣,巴中南江縣,遂寧射洪縣,南充縣,到廣元旺蒼縣,13:48 到廣元劍閣縣開始下降,并返回廣漢。 飛機航線見圖1。 整個飛機過程中云層均為穩定性層狀云系,空氣濕度大,0 ℃層在1936 m,此次降水過程為冷云降水。 圖2 為探測溫度和高度隨時間的變化曲線。

圖1 2019 年12 月18 日飛行軌跡圖

圖2 飛行過程溫度和高度變化

2 FY-4A 衛星資料分析

本文使用Rosenfeld 等[17]的衛星反演方法,根據RGB 合成顏色判斷云類型,并根據Re隨T的變化曲線,即T-Re圖,用于分析云中垂直結構。 其中T為衛星反演的云頂溫度,Re為反演的云頂有效粒子半徑[18]。 圖3 為2019 年12 月18 日10 時FY-4A衛星RGB 合成圖及對應區域的T-Re廓線圖,觀測區域大部分地區有云系覆蓋,主體為粉紅色云(1 區)和黃色(2 區) 云區, 1 區云頂溫度-6 ℃ ～ -19 ℃,Re6 ～37.4 μm,根據Re和T的大小此區域為云滴較大或冰晶數量較充分的冷云區,可有效啟動碰并增長和進行冰水轉化過程[18],此云區所在的達州和廣安等地區域自動站已監測到降水,部分站點小時雨量超過1 mm,說明1 區與地面降水有較好的對應關系;2 區云區主要為淡黃色和淡粉色,云頂溫度為-7 ℃ ～-16 ℃,Re大部分在5 ～10 μm,最大達18.7 μm,與區域1 相比,云頂溫度和Re均小很多,淡黃色和淡粉色云區主要為過冷水區,云滴有效半徑較小,云粒子主要是通過凝結增長,-dRe/dT值較小,說明水汽和液水條件不是很好,區域2 云區對應的南充、巴中等地地面降水較少。

圖3 2019 年12 月18 日10:00 FY4 衛星GRB 合成圖和T-Re 分布圖(紅色框為T-Re 圖所選云區)

3 云微物理量隨高度的變化特征

利用飛機爬升階段的探測資料研究云系的垂直結構。 圖4 給出了CDP、CIP、PIP 3 個探頭觀測到粒子數濃度及粒子直徑的垂直分布,探測高度范圍為426 ～4838 m。 由圖4(a)看見,CDP 探測到小云粒子濃度在0.035 ～338.318 個/cm3,粒子直徑范圍2.5 ～49 μm,3000 ～4800 m高度云滴數濃度較大,在2000 m高度以下有云滴密集區,云滴濃度范圍在10 個/cm3左右。4200 m以下粒子直徑變化小,基本在10 μm 以下,4200 m以上粒子尺度分布在0 ～50 μm,CIP 探測到粒子濃度為4.17×10-5～ 18. 203 個/cm3,粒子直徑為25.32 ～1547.18 μm,2500 ～3500 m粒子數濃度量級分布在10-4～102個/cm3,粒子尺度范圍主要集中在200 μm左右,在4550 m及4830 m高度左右粒子數濃度量級變化大部分在10-4～10 個/cm3,粒子尺度跨度較大。 PIP 探測的粒子濃度范圍為3.28×10-6～0.408個/cm3,粒子直徑為104.23 ～5525.68 μm,顯示2500 ～3500 m粒子數濃度量級分布在10-6～10-2個/cm3,粒子直徑基本小于500 μm,在4550 m及4830 m左右粒子數濃度量級為10-6～10-2個/cm3,粒子尺度跨度也較大,可以看到隨著高度增加,粒子濃度及粒子直徑范圍均變大。張正國等[3]研究的廣西秋季層狀云典型的微物理垂直結構特征為云下層云滴數濃度、平均直徑和液態水含量隨高度逐步增加,由于逆(等)溫層、上升氣流減弱、湍流等因素影響,云中上層云微物理量達最大值后隨高度減小。 本文研究結果與其較為一致,但由于飛機是在爬升階段做的垂直探測,過程水平距離比較大,獲得的垂直探測數據并不在垂直線上,因此垂直探測數據代表性不是特別理想。

圖4 云微物理量垂直分布

圖5 為不同高度探測到的二維粒子圖像。 在2741 m和3044 m高度上,溫度-5 ℃左右時,測到的粒子大多為球狀粒子,說明粒子主要為過冷水滴或小冰晶粒子,這個高度上,過冷水滴不斷蒸發,冰晶不斷凝華增大,貝吉龍過程活躍,促進過冷水向冰晶轉化。 在4568 m、4831 m均測到的是冰晶粒子,主要是枝狀冰晶和寬枝冰晶,溫度在-12 ℃～ -15 ℃,粒子形態清晰,隨著高度增加,冰晶越大,主要以凝華增長為主。

圖5 不同高度的二維粒子圖像

4 云微物理量隨時間的變化特征

圖6 給出了整個探測時段內云微物理參量隨時間的變化。 包括LWC、CDP 探測的云中粒子數濃度、有效粒子直徑;CIP 探測的云中大粒子數濃度,有效粒子直徑;以及PIP 測得的云中降水粒子數濃度和有效直徑。 LWC 平均值為0.012 g/m3, 最大值為0.453 g/m3,含水量較大,但分布不均勻,呈現多峰分布,有很大一部分沒有探測到過冷水。 主要中間存在的干層容易造成云滴或雨滴的蒸發,不利于降水的形成。 整個探測時段內均有測到小云粒子,大多在2～49 μm。 10:35-10:38、11:04-11:18、12:04-12:08、12:17-12:22這幾個時間段小云粒子濃度和直徑均有明顯增加,CDP-N 與LWC 有比較好的對應,入云時起伏變化比較明顯,整個探測時段內小云粒子有效直徑大多在10 μm以內,在LWC 大值區均有明顯增加,此時處在云中含水量豐富,有利于小云粒子通過凝結增長及碰并機制等長大,促進降水產生。 CIP 探測到粒子水平分布起伏較大,數濃度極值間相差3 個量級,粒子尺度存在較大的起伏,最大值為1547 μm,在10:35-10:38、11:04-12:08、12:17-12:22、12:45-12:48這幾個時間段均有探測到比較多的大云粒子,CIP-N 和CIP-ED 有比較好的對應;PIP 探測到的降水粒子數濃度分布不均勻,有3 個量級變化。 粒子尺度分布不均勻,在10:35-10:38、11:04-12:08、12:17-12:22、12:45-12:48 這幾個時間段均有探測到較多的粒子。

圖6 云微物理量水平分布

孫鴻娉等[9]利用DMT 探測系統的CDP 探頭探測云中粒子濃度和CIP 探頭探測的云中大粒子濃度作為判別云中可播度的兩項主要指標,CDP 探測的粒子濃度不小于30 個/cm3的云區才具有一定的可播度,其中CIP 探測的大粒子濃度小于10 個/cm3,確定為強可播區,否則為可播區。 本文采用該判別方法,對該次過程云的可播性進行分析,發現CDP 探測的小云粒子濃度(N1)不小于30 個/cm3的區域很少,其中CIP 探測到大云粒子濃度(N2)小于10 個/cm3的云區占很大的比例,根據可播性條件,整個觀測過程中云中存在有利于人工增雨的“可播區”,在云中“可播區”呈不連續分布,A 為強可播區,B 為可播區,C 為不可播區(圖6),本次飛行的可播區基本在-10 ℃～-15 ℃,符合播云溫度窗范圍,對應高度在4500 ～4840 m。

5 云粒子譜特征

根據圖7 的分析結果,分別繪制11:16:50 -11:17:52(時段1,高度4569 ～4571 m)、12:06:16-12:08:00(時段2,高度4830 ～4831 m)以及12:18:46-12:22:11(時段3,高度4832 ～4836 m)3 個不同可播區的典型時段的粒子總譜(2 ～6200 μm)(圖8)。 其中橫坐標為粒子直徑,單位為μm,縱坐標為dN/dD,單位為(cm-3μm-1)。 從粒子尺度譜分布特征可以看到,粒子濃度與直徑一般呈反相關,粒子越大,濃度越小,3 個平飛時段的粒子譜均呈現出多峰分布,小云粒子的主峰值對應的粒子直徑均為7.5 μm,小云粒子譜濃度最大值為75 個/(cm-3·μm-1),時段1、2 的第二峰值直徑是13.5 μm,時段3 的第二峰值直徑是4.5 μm。 時段1 的小云粒子譜譜寬最小,時段2 的小云粒子譜寬最大,為46.5 μm;大云粒子的峰值直徑均出現在小粒子端的50 μm,時段1 譜寬最小,時段3 的譜寬最大,為1500 μm,大于100 μm的大云粒子濃度值接近,數量級在10-6～10-4個/(cm-3·μm-1);降水粒子譜的峰值直徑也均出現在粒子端的200 μm,同樣時段1 譜寬最小,時段3 譜寬最大,為5500 μm,降水粒子尺度較大,但降水粒子濃度比較小。

圖7 整個飛機探測過程中N1(藍色)和N2(紅色)隨時間的分布

圖8 平飛階段典型時段云粒子總譜

在這3 個平飛階段,冰晶濃度均不超過10 個,濃度只有10-3個/cm3量級,而云滴濃度超過30 個/cm3,最大為75.599個/cm3,表明云中過冷水豐富,此時引入適量的人工冰核,有可能使其轉化為降水,因此這幾個階段均具有較大的人工增雨潛力。

6 結論

本文利用四川省2019 年12 月18 日一次層狀云降水過程的飛機探測資料,研究四川盆地冬季降水云的微物理量隨高度和時間的變化特征,討論云中可播性,并分析典型時刻云粒子譜特征,結論如下:

(1)飛機探測區域和時段主要位于高空500 hPa、700 hPa低壓槽前和地面冷鋒之后,整個飛機過程為短波槽天氣系統影響的穩定性層狀云系,此次降水過程為冷云降水,在飛機探測時段,降水云系主體已處于消散期,探測區域大部分地區有云系覆蓋,云體分布不均,云頂溫度為-6 ℃～ -19 ℃,云頂以小云滴為主,-dRe/dT值較小,說明水汽和液水條件不是很好,對應地面降水較小。

(2)根據飛機機載DMT 系統探測分析,發現空中云垂直和水平結構分布不均勻,CDP、CIP、PIP 探測粒子濃度范圍分別為0.035 ～338.318 個/cm3、4.17×10-5～18.203 個/cm3、3.28×10-6～0.408 個/cm3,粒子直徑范圍分別為2.50～49 μm、25.32 ～1547.18 μm、104.23 ～5525.68 μm。 隨著高度增加,粒子濃度及粒子直徑范圍均變大,CDP 探測的粒子濃度與LWC 有比較好的對應,小云粒子有效直徑在LWC 大值區均有明顯增加,此時云區含水量豐富,有利于小云粒子通過凝結增長及碰并機制等長大,促進降水產生。 根據二維云粒子圖像,2700 ～3000 m左右以過冷水滴及小冰晶粒子為主,4500 ～4800 m高層為枝狀冰晶和寬枝冰晶粒子。

(3)利用CDP 探頭探測云中粒子濃度和CIP 探頭探測的云中大粒子濃度作為判別云中可播度的兩項主要指標,分析本次降水云系消散階段云中存在有利于人工增雨的“可播區”,云中“可播區”呈不連續分布,本次飛行的可播區在-10 ℃～ -15 ℃,符合播云溫度窗范圍,對應高度在4500 ～4840 m。 此外還分析了典型時刻云粒子譜特征,發現云粒子譜均呈多峰分布,總體上云粒子越大,其濃度越小。

由于空域等原因,本次飛機探測時段處于降水云系消散期,且沒有進行垂直分層探測,因此得到的飛機觀測資料有限,各種觀測資料之間的時空匹配也需要進一步提高,故只能在此基礎提出一些試探性的結論。以后應做更多的有針對性的飛行探測,更進一步了解云微物理結構特征及降水機制。