2. 中国气象科学研究院中国气象局人工影响天气中心
2. Weather Modification Centre of CMA, Chinese of Meteorological Sciences
甘肃省地域狭长,境内地形复杂,其降水多受新疆东移的冷空气和青藏高原上的西南暖湿气流的单独或共同影响形成层状云系或混合云系,产生范围较大的稳定性降水,由于甘肃省地处干旱地区,开展层状云人工增雨作业是缓解干旱状况的重要途径之一,因此系统研究甘肃省降水性层状云的宏微观结构以及降水机理,有利于提高层状云人工增雨作业的科学性有效性。目前,对于西北地区层状云降水已开展了较多的研究[1-8],但专门针对甘肃省层状云的微物理结构特征的研究较少,且大多从数值模式角度进行分析[6-7,李照荣等[8]对兰州地区秋季层状云的微物理资料进行了综合研究,详细分析了较为典型的Cs-As-Ns和Ac-Sc层状云系的垂直微物理特征。
本文选取2004年6月12日甘肃河西地区一次降水性层状云的飞机探测资料,分析了云系的宏观特征,详细讨论了垂直和水平方向云粒子的浓度、平均直径、二维图像、谱型分布等云微物理特征,以期从微物理角度了解本次层状云降水的主要结构及降水主要机制。
1 探测仪器简介本次探测使用的飞机是改装的An-26型增雨探测飞机,机上装有美国PM公司的PMS粒子测量系统,其采样探头包括前向散射粒子谱探头FSSP-100、前向散射粒子谱量程扩展探头FSSP-ER和二维灰度云粒子探头OAP-2D-GA2(以下简称为2D-GA2),分别安装在飞机两侧的机翼下方,由于FSSP-100和2D-GA2安装在飞机的同一侧机翼下,因此观测数据相关性较好,因此本文主要分析这两个探头的观测数据。飞机上安装的其他探测仪器还包括机载GPS系统和机载温湿仪,分别提供飞机航迹、飞行高度、空速以及温湿度等数据信息。
FSSP-100和2D-GA2均可测量云中粒子的直径、浓度、谱型等特征,此外2D-GA2还可获取云中粒子的二维灰度图像信息,根据粒子挡光度(>25%,>50%和>75%)的不同[9],二维粒子划分为不同的灰度等级,在彩色图像上依次以红、蓝、绿代表三种不同的等级。FSSP-100共有4个量程,涵盖的云粒子直径范围为0.5~47μm,本次探测采用0量程,相应的测量范围为2~47μm,均分为15个测量通道;2D-GA2为固定量程,其测量的粒子直径范围为25~1550μm,划分为62个测量通道,但它实际可探测到17.75~1562μm的粒子;2D-GA2各测量通道的取样面积并不完全相同。
2 云系特征及探测概况受来自青藏高原的西南暖湿气流影响,2004年6月12—13日甘肃中东部地区出现一次弱的降水过程,其中河西地区24小时最大降水量7mm(13日08时)。由12日16时的卫星云图(图 1a)可看出,云系主要位于甘肃中东部地区,以层状云为主。飞机宏观观测记录表明,云系呈现多层结构,但主要分为两层,属Ac-Sc云系结构,上层为高积云(Ac),下层为层积云(Sc),在两层云之间,有时会有范围不大的若干薄层云存在。根据飞机起飞段的观测数据,下层Sc云云底高度在2660m(拔海高度,下同)左右,温度8.0℃,云顶高度4458m,温度2.2℃;上层Ac云云底高度5882m,温度-3.6℃,由于升限所限,飞机未达此云云顶,但根据宏观观测记录知,飞机在6270m以上时,机舱外天色开始变亮,说明此时飞机已在云体的上部,由此判断云层厚度可能在500m以上。此外,飞机在上层Ac云中飞行时,可以观察到机翼有积冰现象(最厚时目测约2.0cm),说明云层中有较多的过冷水存在。
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图 1 2004年6月12日16时卫星云图(a)和探测飞机飞行轨迹(b) (b)中长虚线框所围为飞机起飞段轨迹,点虚线框为平飞1、2段的大致轨迹,实线框为平飞3、4段的大致轨迹 |
本次飞行探测区域为甘肃省河西地区,飞机起飞时,本场天气为阴,地面有零星小雨,飞机降落时,本场天气为阴,无降水。2004年6月12日15时30分(北京时,下同)左右,飞机从兰州中川机场起飞,经中川、景泰、武威、永昌、山丹一线(图 1b)探测飞行,于18时27分降落。整个探测过程中,探测的高度范围为1959~6285m,探测温度区间为13.9~-6.8℃,0℃层高度为4940m;FSSP-100观测到的云粒子最大浓度为232.6cm-3,最大直径(平均直径,下同)为45.5μm;2D-GA2观测到的云粒子最大浓度116.7cm-3,最大直径为995.7μm。
3 观测数据分析 3.1 观测数据处理及统计本文将FSSP-100探头的数据分为两档:2~23μm和23~47μm;将2D-GA2探头的数据分为四档:17.75~67.25μm、67.25~215.25μm、215.25~1012.5μm和1012.5~1562.0μm。根据云微物理学对云粒子的划分规则,FSSP-100探头的第1、2档和2D-GA2的第1、2档涵盖云滴、冰晶;2D-GA2第3、4档则涵盖小雨滴、冰雪晶,小霰粒等。
本文对云中的粒子谱特征也进行了分析。由于FSSP-100和2D-GA2两探头测量通道的分档间隔不同,因此做出的粒子谱相互之间缺乏比较性,应此在分析二者谱型时进行了归一化处理,即将各通道所测粒子浓度除以各自通道的分档间隔,从而得到单位直径间隔下的粒子浓度。做上述处理后,两探头的谱资料即可进行相互比较。
此次探测没有实测的含水量数据,文中呈现的含水量数据是根据FSSP-100探头所测数据计算出的含水量,其中最大含水量对应的探测高度为6221m,温度-6.0℃,粒子浓度和直径分别为197.2cm-3和15.4μm。由于FSSP-100在探测中无法区分云滴和冰相粒子,其计算含水量时会将探测到的云滴和冰相粒子一同进行计算[10],因此当云中含有冰相粒子时,由FSSP-100的探测数据计算出的含水量实际反应的是探头测量范围内的云中液态和固态粒子的总水量。
表 1列出了本次观测中PMS系统各探头所测得的云粒子的一些微物理特征。由表中可看出,此次探测,FSSP-100和2D-GA2探头均探测到了较大的粒子浓度,探测到的最大浓度分别为232.6cm-3(3773m,4.8℃,9.9μm)和116.7cm-3(6244m,-6.1℃,38.3μm)。值得注意的是2D-GA2在6000m以上某些区域,有时测得的粒子浓度达到102cm-3量级,与其他文献的观测对比[11],量级偏大。由2D-GA2二维图像可知,此时观测到的图像中绝大部分为形状不可分辨的细小粒子,2D-GA2第1测量通道(17.5~42.5μm)的浓度为85.5cm-3,相应时刻的FSSP-100探头第7~13通道(17~41μm)的粒子浓度为61.5cm-3,二者观测数据是比较一致的,而且此时FSSP-100粒子谱中有第二、三峰值出现,这说明云滴和冰晶并存[12],因此可以推断探测到此高粒子浓度的原因可能是由于云中大量云滴和尚未长大的小冰晶所造成的。
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表 1 云系微观特征观测统计 |
图 2给出了飞机起飞爬升阶段所测一些参量的垂直分布,为便于看清云中物理量的变化趋势,图中给出的都是经6s滑动平均后得到曲线。由图中粒子浓度、直径及含水量的垂直分布可看出,云系有分层现象,与宏观观测一致,但准确的判断云底及云顶高度,还需参考FSSP-100的粒子谱型。游来光[12]研究指出,根据PMS数据判断是否在云内,不能单纯依靠粒子浓度,还需参考粒子谱型的特征;根据云粒子谱型随高度的连续变化,可以确定粒子谱型突发性变宽的高度为云底高度,该结论主要是根据FSSP-100探头的2、3量程(测量范围分别为0.5~8μm和1~16μm)得出的,由于本次探测采用0量程,因此我们结合宏观观测记录确定:FSSP-100第1~4测量通道(2~14μm)有连续测值时,可认为是云区;在冷云区会出现谱型向大粒子端平移的现象,此时1~4测量通道可能没有测值,但其后续测量通道则有较宽的连续测值,此时也认为是在云区。据此标准,根据图 2并结合FSSP-100所测粒子谱型,确定了垂直方向不同云层的高度范围。
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图 2 机载仪器所测云粒子浓度、直径、温度随高度的变化(6s平滑数据)。 图中N为数浓度,D为平均直径,LWC为FSSP-100的计算含水量,T为温度,H为海拔高度。 |
0℃层以上主要为Ac云,云底高度5882m,厚度超过500m。由图 2可看出,该云层的微物理特征分布具有明显的不均匀性,在Ac云以下约5000至5300m之间为飞机在爬升阶段穿过的多层薄云,其厚度均不大,且均为纯冷云。
0℃层以下2660~4458m为一深厚的纯暖性云层(Sc云),由图 2可见,该云层微物理量的垂直分布较为均匀,只是在云顶附近有较为剧烈的变化。整个云层中,FSSP-100所测云滴浓度58%以上大于90cm-3,平均值为91.2cm-3;2D-GA2所测粒子浓度66%小于10cm-3,平均值9.04cm-3。
Ac云与Sc云之间主要存在两个干层,两干层被几层薄云分开。5300~5882m之间为纯冷性干层,Sc云顶以上至4998m为另一干层。表 2列出了各层次所探测微物理量统计数据。
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表 2 飞机起飞段不同层次探测数据统计 |
为便于详细分析云的微物理特征,图 3、图 4展示了分档后云粒子浓度的垂直变化。As云为冷云,其微物理特征较为复杂。由图 3、4可知,小于215.25μm的云粒子段,在云底至约6160m处浓度呈递增趋势,特别是大于23μm的粒子段,这种趋势更为明显,其浓度明显比小于23μm的粒子段要高。大于215.25μm的降水粒子段变化趋是不同,在该区域范围内,2D-GA2第3、4档粒子浓度变化呈先递增然后递减的趋势,峰值在云底附近约5980m处。两探头各档的粒子浓度在略低于6200m高度附近均有一低值区存在,其中以小于20μm的粒子浓度下降最为剧烈,此后各档粒子浓度随高度增加再次呈递增趋势。
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图 3 FSSP-100探头所测分档云粒子浓度随高度的变化(6s平滑数据) 图中N1为第1档粒子数浓度,N2为第2档粒子数浓度 |
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图 4 2D-GA2探头所测分档粒子浓度随高度的变化(6s平滑数据) 图中N1、N2、N3和N4分别为第1、2、3、4档粒子数浓度 |
As云下的干层中,仍可观测到一定浓度的云粒子和降水粒子,这些粒子应当是由上层云区落下的。其中云粒子的浓度明显低于其上层云水区的浓度,而降水粒子的浓度有时同云区中降水粒子浓度量级相当。在5300~5500m高度范围,云粒子和降水粒子浓度均急剧下降,大部分粒子在此层中被蒸发耗尽,其下的多层薄云中,粒子浓度又有所增加,但随高度下降而递减。Sc云顶至4800m之间,2D-GA2和FSSP-100均没有探测较大的云粒子和降水粒子,大部分下落的冰相粒子到达此层时已基本被消耗殆尽。
Sc云中,大云滴(FSSP-100第2档、2D-GA2第1、2档)在云体中上部(约3400m以上)有较高浓度,而且它们的浓度量值明显高于上层冷云。而对与Sc云中降水粒子段(2D-GA2第3、4档),第3档内的粒子在云中部约3600m处浓度达到峰值,然后向下呈递减趋势,第4档内的粒子主要聚集在3100~3200m区域内,直径在1000~1300μm之间,其他区域几乎没有观测到数据。无论第3档还是第4档的降水粒子浓度,相比上层冷云都要偏小,在峰值浓度上相差6倍到一个量级,特别是大于1000μm的更为明显,相差1到2个量级。大云滴及降水粒子的分布特征表明,Sc云中暖雨过程起到较为重要的作用。
由上述分析,无论是暖云还是冷云,微物理特征的垂直分布均具有不均匀性,但相对而言,上层冷云的不均匀性更为明显,粒子浓度和尺度的起伏变化更为频繁剧烈。研究表明[13],上层冷云中冰相粒子落入下层暖云,对下层暖云云水形成冲刷作用,有利于增加降水。由前述分析可知,可是由于上下两层干层合计厚度可达1000m以上,而且两干层均探测到下落粒子的低浓度区,说明它们在很大程度上抑制了上层冷云中冰雪晶粒子下落进入低层暖云,不利于降水的增加,这说明冷云过程在此次降水过程中没有显著贡献,降水可能主要由Sc云中的暖云过程形成,这是本次降水较小的重要原因之一。
图 5为起飞段不同高度处2D-GA2所测云粒子二维图像。需要指出的是,显示的粒子二维图像和粒子实际浓度并不一定匹配,这和仪器的工作原理相关。探测过程中,图像和计数数据都会暂时存储在仪器的寄存器中,因为图像存储需要较大空间,寄存器满后,需要将图像数据转出寄存器,在此期间,如果有新的粒子进入有效采样区的话,其图像数据是不会被记录的,但有效粒子的数目和直径则仍被计数器记录,当仪器能够记录新的粒子图像时,这些计数会被转出计数器。
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图 5 2D-GA2探头所测不同高度处云粒子二维图像 a. 2468m,9.0℃;b. 2759m,7.6℃;c. 3177m,6.3℃;d. 3813m,4.7℃;e. 4244m,3.8℃;f. 4399m,2.5℃;g. 4839m,0.3℃;h. 5113m,-1.3℃;i. 5475m,-2.1℃;j. 5722m,-3.3℃;k. 5914m,-3.6℃;m. 6207m,-5.8℃ |
由粒子二维图像知,在云下有降水,可观测到雨滴(图 5a),云底附近多为小雨滴(图 5b),在3177m处可观测到较大雨滴(图 5c),这与前述分析一致(图 4d)。二维图像表明,在Sc云的不同部位均可观测到雨滴存在(图 5b—f),说明云中云水转化过程已启动。图 5f为Sc云顶4399m处观测到的云粒子,其中仍有尚未完全融化的冰雪晶粒子,在图 4c中可以看到4100~4300m的范围内降水粒子浓度明显增加,相应的在图 5e中也观测到了较多的雨滴,由此可推断这些雨滴可能主要是由冰雪晶粒子融化而来,即主要由冷云过程产生。但在4100m以下,降水粒子浓度度明显减少,4000m以下浓度才开始逐渐回升,由前述分析可知,这时主要是暖云过程在起作用,也即冷云过程只在Sc云顶附近起到一定作用。
图 5g为下层干层中观测到的粒子图像,由图中可看到冰晶粒子间粘连聚合现象较多,大尺度的聚合体不多。图 5h为下层冷云中观测到的粒子,冰晶粒子依然存在着粘连聚合现象,大尺度的冰晶聚合体较多。图 5i、图 5j为上层干层处的粒子图像,冰雪晶粒子存在明显的凇附冻结痕迹,粘连较少,有锥状霰粒出现(图 5h)。图 5k、图 5m为最上层冷云云底及中上部所测的粒子图像,可以看出,由于温度较低,粒子形状相对清晰,但仍有凇附的痕迹,部分粒子有粘连现象(图 5k),在图 5m中还可以清楚看到较大的枝星状雪晶的部分图像。
由粒子图像的垂直特征可知,在冷云中,大部分冰雪晶粒子边缘存在明显的凇附现象,说明云中存在较多的过冷水,而且各层均存在冰雪晶的粘连聚合现象,有利于形成较大的冰雪晶粒子。然而,由前述分析知,由于干层的阻碍,降落到Sc云中的降水粒子只是少数,虽然在Sc云上部形成的了一定的冷云过程,但没有对此次降水产生主要影响,Sc云中仍以暖云过程为主,也即此次降水中冷云过程没有起到主要作用,降水主要由Sc云中暖云成雨形成。
图 6为不同高度处2D-GA2和FSSP-100所测得的粒子谱。图中a线(图 6a)所示为Sc云下观测到的滴谱,呈单调下降分布,谱型较宽,最大粒子直径达1075μm,由谱型看出,300μm后粒子浓度有增加趋势,反应出云下有较多雨滴出现的情况。
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图 6 2D-GA2和FSSP-100所测不同高度处的粒子谱型 a、b所示为2D-GA2所测谱型,c、d所示为FSSP-100所测谱型各图中线号相同的谱线为同一高度所测 |
图 6中b至j线为Sc云中不同部位的粒子谱型。图 6中i、j线为Sc云顶附近所测粒子谱型,由于云顶附近夹卷蒸发等作用,云滴浓度较低,谱型变窄(图 6d)。j线所在高度仍有尚未完全融化的冰雪晶粒子(图 5d),因此在2D-GA2(图 6b)所测谱形很宽。e线与f线不同,由图 4知,在此高度上,云滴及大于1000μm的粒子浓度均很小,因此e线谱宽比f线要窄的多。
b至h线分别为Sc云底、云下部、中部和上部的粒子谱,可以看出各谱的合成谱(FSSP-100和2D-GA2)谱型均属单峰型,峰值直径大多在6~12μm之间,各谱的浓度值随高度增加而增加。d线位于3177m高度,由图 4d知,此高度为1000μm以上粒子富集区,图 6a中的d线也具有最宽的谱宽。e、f和g各谱浓度接近,谱形宽,且FSSP-100谱型大于20μm段及2D-GA2谱段的粒子浓度量值明显高于Sc云中其他高度,说明在此高度层内,存在大云滴及降水粒子浓度峰值区,云粒子的凝结、碰并增长作用较强,而考察更高高度的h线谱型可知,2D-GA2的谱宽很窄,200μm以上没有观测到降水粒子,结合前述分析(图 4)可知,4000m以下暖云成雨过程具有重要作用。
图 6b中k、n和p线均为干层中所测粒子谱型,它们均具有多个峰值及较宽谱型的特点,由于主要是从上方云层落下,因此其浓度量值均低于它们对应的上层云层中浓度。
图 6b、图 6d中的m、q、r和s线为两层冷云中所测粒子谱。由图中可看出,两探头探测的谱形均很宽;其中FSSP-100谱型具有双峰特征,第二峰值的直径在26μm以上,这是冰晶粒子存在的特征之一[12];2D-GA2所测数据由于大粒子段浓度较低,观测随机性较强,造成在大于100μm谱段谱形起伏变化剧烈,但总体而言在低于600μm的谱段基本呈单调下降变化,大于600μm时粒子浓度有上升趋势,1000μm以上浓度增加更为剧烈。上述谱形特征说明在冷云中粒子尺度分布复杂,降水粒子有明显成长,由二维图像上(见图 5)也可看出此时粒子形态多变,主要包括云滴、冰晶、小雨滴、霰粒、冰晶聚合体、雪晶等。
上层冷云中q、r线的变化说明了在该云层范围内云粒子的变化,小于200μm的粒子浓度随高度增加(参见图 6b、d),与前述分析一致,而且FSSP-100谱形峰值明显右移,说明粒子尺度也随高度变大(图 6d)。大于200μm的粒子浓度在6120m处浓度明显低于其下层的粒子浓度,2D-GA2的谱宽小于700μm,图 3、4以及二维图像均表明该区域主要为细小粒子,大粒子较少。由观测数据知,此时2D-GA2所测粒子浓度达到13.6cm-3,FSSP-100所测浓度为40.6cm-3,而且此高度处的云中其他区域2D-GA2也多次观测到很高的粒子浓度(参见3.1部分及表 1);由上述谱型特征与观测数据推断,此处有大量小冰晶粒子存在,其尺度多在18~24μm左右,由于大量冰晶的凝华成长消耗了水汽,使得此区域蒸发作用变强,造成云滴蒸发,过冷液水含量降低(贝基隆过程),抑制了大粒子的产生和增长,造成垂直方向出现大粒子的“断层”(图 2、3、4)。
3.3 微物理量水平分布特征飞机水平探测在0℃层以上进行,平飞探测表明,同垂直方向微物理量分布的不均匀性类似,水平方向云中微物理量的分布也表现出明显的不均匀性。图 7给出了飞机在不同高度云层中平飞时探测结果随时间的变化,由图中可看出,粒子浓度和直径均有较大起伏变化,但在不同平飞段浓度和直径的量级及变化幅度又有所区别,如平飞段1、2的粒子浓度量级及变化均比平飞段3、4要小,FSSP-100所测粒子直径变化以平飞段3最为剧烈,而2D-GA2所测粒子直径变化量级则以平飞段2最大,云粒子浓度的水平变化说明,即使在云层水平方向,不同区域的粒子生成条件也是有区别。此外从两探头探测数据的相关性来看,平飞段2、4中两探头所测数浓度有很好的正相关,平飞段1、3相关性则较差。各平飞段平均特征参见表 3给出的各平飞段所测参量的对比,各平飞段对应的探测区域参见图 1。
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图 7 飞机不同高度处平飞时2D-GA2和FSSP-100所测粒子浓度、直径随时间的变化。 图中实线为浓度,点线为平均直径 a.平飞段1,b.平飞段2,c.平飞段3,d.平飞段4 |
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表 3 飞机平飞段云中探测数据统计 |
图 8给出了各平飞段所测得的一些典型的二维粒子图像。平飞段1整个时间段中主要由一些霰粒、凇附的雪晶及少量柱状冰晶组成,此段中霰粒形状多为近似圆形且粒径较小,说明这些霰粒可能尚在成长初期[14],较大的形状不规则的霰粒则主要由雪晶碰冻过冷水滴形成。平飞段2整个时间段中,粒子主要包括凇附的雪团和雪晶、霰粒及少量柱状、针状冰晶和片状雪晶。平飞段3主要为柱状冰晶及凇附的霰粒,此外不可分辨形状的细小粒子也明显增多,其中凇附的霰粒主要集中在16时37分37秒之前的时间段,之后则多为冰晶及细小粒子,这与图 7c中2D-GA2所测粒子浓度及直径变化相一致的。平飞段4主要由大量针状冰晶及细小粒子组成,还包括少量凇附的冰雪晶,其中16时56分26秒之前的时间段中主要为细小粒子,之后开始出现较多的针状冰晶和凇附的冰雪晶,图像的特征与图 7d中2D-GA2的浓度及直径变化也是相一致的。
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图 8 平飞段1~4中2D-GA2所测粒子二维图像 a.平飞段1,b.平飞段2,c.平飞段3,d.平飞段4 图中方框所圈粒子可能为液滴 |
根据表 3及图 7,平飞的1、2段中FSSP-100所测粒子浓度小,平均直径大,峰值直径大于20~30μm;平飞的3、4段中FSSP-100所测粒子浓度大,平均直径小,峰值直径在10~20μm之间。根据上述特征,可推断前者主要由小冰晶组成,后者则主要为云滴,也即后者的有较多的过冷液水,但这与图 8中粒子图像的凇附情况不一致。在图 5、8的粒子图像中,均可观测到相当数量的挡光度在25%至50%之间的圆形或弧形粒子(参见图 8中方框所示粒子),这些粒子可能为液态水滴。FSSP-100观测只能观测到最大直径47μm的粒子,2D-GA2可观测更大的范围,而且较大的液滴与冰晶的之间的碰并效率要大于小云滴,这可能是造成上述不一致现象的原因之一。原因之二则可能是由于云层中粒子存在水平及垂直方向的交换,在交换过程中如果粒子经过过冷水含量高的区域,碰冻凇附的过程会增强,平飞段1、2中观测到的大量具有较强凇附的粒子,可能有一部分是由此原因造成的;平飞段3、4中的柱状、针状冰晶形状清晰,而且小冰晶与小云滴的效率也低于大的冰雪晶粒子,因此此段的冰晶可能主要通过凝华过程成长而非碰并凇附过程。上述原因只是基于本次探测数据分析而言,其深层原因仍需更多观测资料并结合其他类型资料(如雷达资料)来深入分析。
图 9为前述各平飞段中FSSP-100和2D-GA2所测云粒子的平均谱和瞬时谱。平均谱反映了相应时间段内云粒子模态的总体状况;瞬时谱型则反映了云层中水平方向不同位置的粒子模态的变化状况。从两种谱型上均可看到,两探头的谱分布具有很好连续性,谱型宽,尤其是平均谱型完全涵盖了两个探头的所有测量通道。两种谱型从整体来看均呈单峰或双峰状态,大于100μm的粒子段谱线起伏变化剧烈,明显区别于暖云中的谱线变化(图 6),1000μm以上,谱型曲线有明显上升趋势,这说明云中有冰雪晶有较强增长,许多已达较大尺度,二维图像中观测到较多的凇附雪晶及由攀附作用形成的雪团粒子也说明了这一点,由此可判断,冷云中许多区域过冷液水含量较大,利于冰雪晶粒子通过碰冻、攀附等过程而成长。
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图 9 平飞段1~4中2D-GA2和FSSP-100所测粒子的平均谱型(左列)及瞬时谱型(右列) |
由图 9a、图 9b平均谱可看到,FSSP-100所测谱段的最大峰值全部在20~30μm之间(瞬时谱的峰值有的甚至出现在30以上),谱峰向大粒子端平移,图 7c、d中相应谱型也有一部分与此特征类似,这也与垂直观测中表现的特征类似(图 6),由于小云粒子(云滴、冰晶)主要通过凝结、凝华作用增长,图中的谱型说明在这些高度层上特别是6000m以上云层内水汽条件较好,凝结、凝华作用较强,粒子长大到一定尺度会通过碰并过冷水而继续增长,但由于云中过冷水含量的不同,因此在不同高度或同一高度的不同部位,粒子长大的尺度也不同。
4 结论本文对2004年6月12日的层状云飞机探测结果进行了分析,利用FSSP-100和2D-GA2探头所测微物理数据详细分析了云中垂直和水平微物理特征,结果总结如下:
(1) 此次云系主要分为两层,上层为高积云,云底高度主要在5800m以上,位于0℃层(49 40m)以上,云厚在500m以上,为纯冷云;下层为深厚的纯暖性层积云,云底云顶高度分别为2660m和4458m。两层云之间为若干薄的云层,其厚度均不超过100m,主要为0℃层以上的纯冷云。Ac云和Sc云之间存在干层,其中虽可观测到较大尺度的冰相粒子,但由于干层厚度合计可达1000m以上,对降水形成不利,这是本次降水较弱的重要原因之一。
(2) 云中微物理量的垂直和水平分布特征具有明显的不均匀性,主要表现在云粒子浓度、尺度、云中含水量、水汽分布等的不均匀变化上。垂直方向上高积云的不均匀性较下层纯暖性层积云更为明显。0℃层以上的云层中存在较多的过冷水,冰相粒子的凇附、粘连现象比较普遍,尺度较大的冰雪晶粒子在下落过程中主要通过碰冻、攀附作用增长。冷云中小粒子(云滴、小冰晶)主要通过凝结、凝华作用成长,特别是6000m以上,水汽条件较好,凝结、凝华作用较强。6000m以上的冷云中存在冰晶粒子的高浓度区,大量小冰晶的成长争食水汽,造成云中一定区域蒸发强烈,过冷水较少,不利于大的冰相粒子的产生和增长。
(3) 本次降水雨滴主要由纯暖性Sc云中的暖云成雨过程形成,冷云过程只在Sc云顶附近有一定作用,不占主导地位。因此,本次降水主要机制为暖性层状云中的暖云过程,所以其降水量不大,这也是造成本次降水较弱的重要原因。
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