2009, Vol. 35 人工增雨的效果检验是人工增雨作业中必不可少、难以回避的重要环节之一，由于评估对象的不确定性及周围时空条件的复杂多变，使得效果检验面临诸多困难[1]。为了消除一些不确定性的影响，统计检验在国内外的多个试验中得到广泛运用，不仅以降水量作为统计检验的对象[2]，William L Woodley等[3-6]还运用新一代雷达的数据进行统计分析。鉴于国内以抗旱为目的的人工增雨作业，在设计更难具备统计方法对作业效果进行评估的条件下，采用物理检验为评估人工增雨作业提供物理依据显得尤为重要。物理检验是为人工增雨作业提供直接或间接的物理学证据，针对向云施加影响后所可能产生的一系列物理过程变化有敏感响应的关键参数的测量，由相应的机载PMS粒子探测系统、雷达、卫星等加以探测获得。
云的宏微物理结构是云和降水研究的重要工作，随着探测技术的发展，人们对云的宏微观结构有了更深刻的了解，为人工增雨的物理检验打下坚实基础。牛生杰等[7]根据宁夏地区的作业资料分析了云滴浓度、平均直径、平均立方根直径随高度的变化，雪晶平均谱呈现单峰和双峰的特点，及液态水含量随水平分布的不均匀性。赵仕雄等[8]利用1977—1979年5—6月在青海东北部系统性降水高层云的云滴谱飞机观测资料，统计分析了该云系云滴群体特征量及微物理结构特点。苏正军等[9]对2001年5月23日的一个架次的飞行探测资料进行分析，得到云粒子谱呈间断分布或呈浓度有多峰的特征，降水云系成熟后云粒子谱明显增宽。同时苏正军等[10]也对山东境内一次较强的降水过程的宏微观物理特征进行系统分析，发现云中液态水含量较小，最大值为0.035g/m3，其降水云系存在明显分层，云层之间有一干层。李照荣等[11-12]利用PMS云粒子测量仪器和机载温湿仪测得的2001年9、10月在兰州上空5次天气过程的层状云垂直探测资料，指出逆温层相对于温度0℃层的位置和逆温层强弱对云滴的微物理特征的分布和降水形成的显著影响，同时分析了降水性层状云的冰雪晶特征。杨文霞等[13]选择河北省层状云降水个例进行分析，发现逆温层顶下方存在云水含量的峰值。彭亮等[14]、金华等[15]分别对河南地区不同的降水个例的宏微观物理特征进行分析，并得出相应的结论。张佃国等[16]针对2003年8—9月北京及周边地区4次飞机探测结果加以选择并进行了较为详细的分析，发现层状云与层积云的平均谱存在明显差异。党娟等[17]、李淑日等[18-19]也分别对甘肃、西北地区层状云微物理特征进行分析总结。
前人的工作充分体现了不同地区不同的云宏微观物理特征，为构建云降水多结构模型、加强人工增雨物理检验奠定基础。王以琳等[20]分析了2000年春季山东所开展的冷云人工引晶试验，结果显示引晶约5分钟后，在引晶扩散带中可观测到过冷液态水消耗、冰晶浓度增加、云粒子谱拓宽。周德平等[21]对1995年6月29日辽宁省一次层状云人工增雨的飞机探测进行分析，发现作业后作业层产生大量冰晶，小云滴数密度由34.38cm -3减少到8.97cm-3，过冷液态水含量减少，而大云滴和冰雪晶的数密度及液态水含量值增加，各高度层的云粒子谱也产生了相应的变化。金德镇等[22]根据飞机探测仪器观测到的云中粒子微观结构，结合卫星、雷达和常规天气资料，分析了液态CO2人工引晶后的变化，发现影响区云中的冰晶浓度、雨滴直径比对比区有明显增加，云中过冷水减少，影响区最大回波强度增大，强回波区的面积扩大，降水增强。本文主要利用飞机机载PMS云粒子探测仪器获得的河南地区2005年3月21日一次层状云飞机播云作业的飞行探测资料，对催化前后云微物理特征变化进行分析。
1 天气背景 1.1 高空形势2005年3月20日20时(北京时，下同)500hPa形势图上，中高纬度呈两槽一脊型，贝加尔湖地区受西北气流控制，中低纬度地区高空槽位于青藏高原东部，河套及华中地区处于槽前，四川盆地至河南处于西南暖湿气流输送带。700hPa形势图上，河南大部处于西南气流控制之下。850hPa形势图上，贵州北部沿湖南、湖北至安徽南部存在一明显东北—西南向切变线，河南位于切变线北侧。21日08时，500hPa高空槽东移，槽前西南气流加强，700hPa形成一窄带前倾槽，并带动河套冷空气南下，850hPa切变线北抬由西南向进入河南南部地区(图 1a)。
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图 1 2005年3月21日08时850hPa流场(a)和14时海平面气压场(b) |
2005年3月20日02时至17时，位于河南北部地区的冷高压逐渐南移，青藏高原东部低涡东移消失。20日17时至21日02时，冷高压东移入海发展，低涡扩散影响到河南西南部。21日02时至21日14时，东海上空高压减弱，西南倒槽东移，产生小低涡沿长江东移产生大降水(图 1b)。21日14时至22日08时，西北路新冷空气南下，倒槽东移入海发展成东海低涡。
此次过程高空西南气流带来丰富的水汽，前期西南处的低涡随系统东移，逐渐在江淮流域发展，过程中低涡中的倒槽影响河南地区，与高空槽配合带来降水。从08时至20时河南全省大面积降水，且降水量较大区主要集中在河南省南部和偏东地区，通过降水量大小的分布，可知此次作业区域平顶山—临颍一线恰处在降水云系后方西北侧位置(图 2)。
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图 2 2005年3月21日14时至20时河南省降水量图(单位：mm) |
图 3是根据郑州站(34.75°N，113.65°E)各时刻探空得到的时间剖面图，地面冷锋于21日05时距该站最近，而后地面冷锋过该站。零度层出现在1500m高度左右，17时风向在300 0m高度出现切变，低层随时间推移由东风转向北风至东北风，高层盛行西南风。虚线所表示的温度露点差在5000m高度以下均在1.5℃以内，云区明显，飞机探测与作业飞行时间为15:5 8—17:50，17时以后云系减弱。
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图 3 郑州站2005年3月21日时间剖面 (温度：实线；温度露点差：虚线) |
根据2005年3月21日16:00时的卫星云图，在该区域上空存在大片层状云系，云系随时间向东北方向移动，与西南气流影响有关。
1.4 雷达回波图 4(见彩页)所示为长葛车载C波段多普勒雷达回波，图 4a为CAPPI(4.0km)雷达回波，作业区附近雷达回波强度在20dBz以上，图 4b为147°方位角剖面，回波顶高近9km，雷达回波强中心顶高在4km处。
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图 4 长葛车载C波段多普勒雷达回波 (a)PPI, (b)RHI |
由中国气象科学研究院、中国科学院大气物理研究所、河南省气象局联合对此次降水过程进行飞机探测和开展飞机人工增雨作业。探测作业飞机采用运-12飞机，装备PMS等机载仪器及GPS全球定位系统，PMS三个探头分别为FSSP-100(量程为2~47μm)、2D-C(量程为25~800μm)和2D-P(量程为200~6400μm)，为便于描述将三个探头测得的粒子分别称为小云粒子、大云粒子、降水粒子。作业中使用AgI丙酮溶剂20L，飞机飞行最高达5100m，取得三个探头的完整资料，并有较为详细的宏观记录。
此次外场综合试验飞机探测与作业并举，飞机飞行时间为3月21日15:58—17:50。图 5是飞机飞行携带的GPS定位系统获得的航迹数据。图 5a实线所示即飞机起飞路径，虚线即飞机返回的路径，虚线部分与图 5b中的细实线相对应。飞机15:58由新郑机场(图 5中星号所示)起飞，飞机起飞400m高度即入云，且云层较厚，地面不可见。2100m左右即出现冰晶，爬升至许昌(16:12)上空后，以4200m高度由北向南平飞至临颍(16:19)，由临颍爬升至4500m高度后(16:20)再以此高度平飞至平顶山(16:34)，在此高度平飞时遭遇颠簸，先遇下沉气流，后强烈上升。到达平顶山后由4500m高度爬升5000m过程中，于16:34开始播撒作业，至5000m高度后(16:36)平飞向临颍。飞机到达临颍(16:51)后转弯再次折向平顶山方向飞行，转弯飞行12min后至17:01时播散结束，此过程飞机仍在5000m高度上平飞。第二次到达平顶山(17:09)后飞机下降至4200m(17:12)，以此高度第二次由平顶山飞向临颍(17:21)。飞机下降飞至新郑机场，下降飞至681m时出云。对飞行进行分段，从地面起飞至许昌上空即4200m高度、420 0m由许昌平飞至临颍、临颍处由4200m至4500m高度爬升飞、4500m由临颍平飞至平顶山、平顶山处4500m爬升至5000m、5000m由平顶山平飞至临颍、由临颍再次平飞至平顶山、平顶山处由5000m下降飞至4500m、再由4500m下降至4200m、4200m高度由平顶山再次平飞至临颍、临颍处在4200m高度下降飞至地面共11部分，见表 1。
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图 5 飞机飞行GPS航迹 (a)平面轨迹；(b)三维轨迹 |
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表 1 2005年3月21日2D-C、2D-P、FSSP-100所测的粒子特征 |
飞机主要在平顶山与临颍两地进行平飞和播撒作业，在平顶山至临颍之间的飞行区域存在大片云系，根据河南省郑州站雷达回波(图 6，见彩页)，两地飞行区域内雷达回波顶高接近8km，根据两地之间雷达回波剖面，平顶山、临颍及中部区域回波在20dBz以上，且临颍处雷达回波接近30dBz。
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图 6 2005年3月21日16时河南省郑州站雷达回波 |
3月21日至5000m高度第一次平飞结束时的飞行认为是飞机对自然云的垂直探测飞行，FS SP-100探头探测到不同高度小云粒子数浓度值，其中在569m高度上测得小云粒子数浓度为4.43×108个/m3(据表 1)，此时平均直径为3.67μm，飞机在返回地面时785m高度上探测到小云粒子数浓度也达到6.32×108个/m3，平均直径为4.02μm，认为该段飞行不受播云影响。平均数浓度最大值出现在4200m平飞阶段为3.09×107个/m3，随高度增加，小云粒子数浓度最大值和平均值呈现整体减小趋势。各个飞行阶段云液态水含量最大值在42 00m以上基本相当，起飞至4200m阶段无论是最大值还是平均值均较小，在4200m向4500m上升飞过程中云液态水含量值均值较大，达到0.11g/m3，将此段可看作丰水区。
由2D-C探头测得的粒子是大云粒子(大云滴和冰雪晶)，随高度增加，各段粒子最大值增大，至4500m高度平飞阶段的4545m高度上达最大值4.02×105个/m3，然后减小。粒子数浓度均值最大值出现在4200m爬升至4500m的阶段，为6.86×104个/m3，云液态水含量最大值的峰值16.9g/m3以及均值的峰值4.91g/m3也出现在这个阶段。
飞机4200m高度由北向南即由许昌向临颍平飞，小云粒子数浓度(图 7a)于16:14:26时刻突增至1.36×108个/m3，即为平飞阶段的极大值，与平飞初始阶段相比增加两个量级，随后高低起伏变化，仍具有较大的小云粒子数。当飞行至16:15:51时刻云粒子数浓度发生突降，随后至16:17:52时间序列内小范围起伏变化，此后至平飞结束时出现剧烈的起伏，说明该区域层状云系具有较为明显的不均匀性。图 7b是数浓度时间序列相应的小云粒子平均直径变化，平均直径随时间变化呈现先减后增趋势，在16:14:22 —16:15:46时段小云粒子尺度锐减，平均直径在5μm左右，相应时段粒子数浓度值较大，达到108个量级，分析表明此区域内云粒子以过冷水滴形式存在，且为该段较高的丰水区。16:17:56—16:18:27段内平均直径随时间变化出现的三个波谷与粒子数浓度该时间段内的三个波峰相对应，该区域也可看作丰水区。依据图 7b中三段水平实线所指具有代表性的平均直径变化，得到由许昌平飞至临颍相应时段内小云粒子谱分布(见图 7c)，第一时段内小云粒子数浓度先增后减，在8~14μm内出现该段波峰，小云粒子主要集中在该范围内，第二时段10μm以下小云粒子数浓度急剧减小，10μm处小云粒子减小速度放缓，小云粒子数浓度主要集中在2~11μm范围内，第三时段小云粒子曲线呈现不断下降趋势，变化态势介于前两个时段。
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图 7 4200m平飞时FSSP-100云物理量时间变化 (a)数浓度(N)；(b)平均直径(MND)；(c)谱分布 |
4200m至4500m高度的上升飞处于临颍处，该段小云粒子数浓度最大值为2.95×107个/ m3，均值为2.14×107个/m3，随高度增加起伏变化不大，总体呈缓慢减小趋势，粒子平均直径主要集中在12~20μm范围内，随高度增加平均直径有微小增加的趋势，大云粒子数浓度主要集中在104量级范围内，随高度增加剧烈起伏，呈现微弱减小的趋势。4500m至5000m之间的飞行是处于平顶山处的垂直飞行，小云粒子数浓度均值为1.31×107个/m3，随高度增加缓慢减小，较之4200m至4500m的上升飞阶段数浓度均值有所减小，小云粒子平均直径增大，集中在14~23μm内，随高度增加起伏变化较大，呈现先增后减的趋势，大云粒子数浓度均值为6.05×104个/m3，比4200m至4500m高度上升飞有所减小，随高度增加依然呈现不断减小的趋势。在4200m至5000m高度飞行过程中，临颍至平顶山东西向还包括由临颍至平顶山4500m平飞和由平顶山至临颍5000m平飞，从空间角度对云系进行探测。
4500m和5000m平飞数浓度均值分别为1.35×107个/m3和1.18×107个/m3，5000 m高度上的粒子数浓度要小于4500m高度的粒子数浓度。4500m高度靠近临颍处的云系出现较大的粒子数浓度(图略)，并出现该段飞行的最大值，之后开始减小，在临颍距离平顶山的中部区域粒子数浓度增加达到一个较大值，经历一段自然起伏变化后在接近平顶山处又一次增大。5000m高度由平顶山至临颍在出现一个波峰后即进入缓慢增大的起伏状态(图略)，即在5000m高度上平飞时，距离平顶山附近出现小粒子数浓度的极大值，表明该处的云与4500m高度上的云系具有相似变化，而中部及临颍处的云在5000m上未有类似的变化。
4500m与5000m平飞粒子平均直径的最大值分别为27.81μm和26.7μm，均值分别为17.31 μm和17.32μm，在两个高度上粒子平均直径随时间的变化比较平稳，呈现自然起伏的状态，表明4500m和5000m高度的粒子尺度随地理位置的不同和粒子数浓度的大小不存在相关关系。4500m和5000m平飞云液态水含量的最大值分别为0.16g/m3和0.15g/m3，均值分别为0. 07g/m3和0.06g/m3，两个高度云液态水含量的最大值和均值差别很小，二者均相当，且变化趋势与各高度数浓度变化类似。
4500m平飞大云粒子数浓度最大值为4.02×105个/m3，均值为5.16×104个/m3，5000m平飞最大值为1.72×105个/m3，均值为4.32×104个/m3，两个高度数浓度值相近。4500m由临颍飞向平顶山时，临颍附近出现数浓度较大值，为该段飞行的峰值，接近平顶山时数浓度值缓慢增加，而此处附近5000m高度达到该飞行高度上大云粒子数峰值，在两地中部云区大云粒子于4500m出现小的波峰同时5000m高度出现突增。云液态水含量变化趋势跟各自高度平飞数浓度变化趋势一致，但4500m高度中部云系具有较大的液态水含量值，达到7.52g/m3，而5000m高度该区域附近，云液态水含量值在3g/m3左右。
4500m和5000m高度的平飞表明，在临颍、平顶山及二者中部区域的云粒子浓度较大，由于小云粒子平均直径的均值及变化趋势差别不大，可以认为两次平飞所探测的云系为同一云系，云粒子浓度不一说明云系具有不均匀性的特征。由4200m至5000m高度之间的上升飞及平飞过程，可以推测在临颍与平顶山两地之间4200m高度上小粒子数浓度基本维持在107量级，大云粒子数浓度为104量级，且粒子数值略微大于4500m和5000m高度上的数浓度。
图 8所示即FSSP-100、2D-C、2D-P探头对自然云探测到的小云粒子、大云粒子、降水粒子随高度的分布，4200m以下小云粒子除在500m左右出现峰值外总体起伏不大，大云粒子和降水粒子随高度增大数浓度增大，4500至5000m高度降水粒子随高度依然增大，而小云粒子和大云粒子随高度不断减小，且大云粒子变化幅度要小于小云粒子。
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图 8 自然云中小云粒子、大云粒子和降水粒子数浓度随高度分布 |
5000m高度由临颍转弯后的飞行可以认为是对播云后云的探测飞行，通过催化后不同飞行阶段与相应阶段的自然云微物理特征进行比较，分析催化后各微物理量的变化。
4.1 5000m高度催化前后平飞5000m由平顶山至临颍的飞行为自然云探测，即催化前的飞行，转弯后临颍至平顶山的飞行作为催化后的飞行。催化前在出现一波峰后随即进入自然起伏的变化阶段(图 9a)，催化后小云粒子在临颍和平顶山两地中部区域出现最大值2.00×107个/m3，初始阶段出现一个小的波峰，之后随时间呈现先增后减的趋势，小云粒子数浓度均值为8.71×106个/ m3，催化后小云粒子数浓度均值比催化前减小一个量级(图 9b)。图 9c和图 9d是5000m高度催化前后粒子平均直径随时间的变化，催化前后小云粒子平均直径的最大值分别为26.7μm和30.9 μm，催化前后均值分别为17.32μm和18.07μm，催化后最值增加4.2μm，均值变化较小，增加0.75μm，粒子尺度有所增加。催化前后云液态水含量的变化趋势与粒子数浓度随时间的变化趋势一致，催化前云液态水含量最大值为0.15g/m3，均值为0.06g/m3，催化后最大值为0.11g/m3，均值为0.05g/m3，催化前后的最值有较大的变化，均值变化不明显，减小了0.01g/m3。5000m高度小云粒子数浓度均值由催化前的1.18×107个/m3减小到催化后的8.71×106个/m3，平均直径增大，小云粒子尺度增大，这些变化分析认为是该高度催化后的飞行受到飞机播撒作业的影响。
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图 9 5000m高度微物理量随时间序列图(FSSP-100) (a)催化前数浓度；(b)催化后数浓度；(c)催化前平均直径；(d)催化后平均直径 |
大云粒子与降水粒子数浓度变化趋势与小云粒子一致(图 10)，催化前初始阶段均出现较大值，随后进入相对平稳的起伏变化阶段，催化后在临颍和平顶山两地中部出现数浓度较大值，催化后数浓度均值较之催化前均有所减小，将FSSP-100、2D-C、2D-P探头的探测结果置于同一张图，得到粒子数浓度平均谱和时段内谱分布(见图 11)，下同。催化前后粒子数浓度均值谱分布基本一致，同时在催化前后分别选择两个不同时段的谱分布，分析发现催化前16:41:56—16:43:37时段与催化后16:52:26—16:54:52时段谱分布基本吻合，同时催化后小云粒子数浓度随尺度增大逐渐增加并与催化前趋向相等，催化后大云粒子和降水粒子数浓度随尺度增大不断增加并超过催化前数浓度值，由于两个时段内谱分布极其吻合，可认为催化后16:52:26—16:54:52时段探测的云即为催化前16:41:56—16:43:37时段内探测的云系。
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图 10 5000m高度数浓度随时间序列图 (a) 2D-C催化前；(b) 2D-C催化后；(c) 2D-P催化前；(d) 2D-P催化后 |
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图 11 5000m高度平飞 (a)平均谱分布；(b)时段内谱分布 |
4500m至5000m催化前上升飞和5000m至4500m催化后下降飞均为平顶山处的垂直飞行。催化前在4892m高度上出现该段小云粒子的数浓度最大值2.63×107个/m3，小云粒子数浓度均值为1.31×107个/m3，催化后最大值为4674m高度上的5.48×106个/m3，小云粒子数浓度均维持在106量级，均值为3.44×106个/m3。图 12c和图 12d是两个阶段中粒子平均直径随高度的变化，上升飞阶段4800m至4900m范围平均直径有较大起伏，该段最值22.67μm出现在4829m高度上，均值为17.51μm，下降飞阶段平均直径随高度增加呈现自然起伏的状态，20.26μm的最大值出现在4511m高度上，均值为17.26μm。相同区域不同时段的飞行，粒子的平均直径均值变化不明显，变化幅度不大。
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图 12 4500m至5000m各微物理量随高度变化 (a)催化前数浓度；(b)催化后数浓度；(c)催化前平均直径；(d)催化后平均直径 |
催化前大云粒子数浓度随高度增加逐渐减小，而催化后变化不明显，随高度增加数浓度有先增后减的微弱趋势，且催化后大云粒子数浓度均值略小于催化前数浓度(见图 13)。云液态水含量催化前最大值为7.41g/m3，均值为2.14g/m3，催化后最大值为0.6g/m 3，均值为0.2g/m3，要远远小于播云前的。降水粒子数浓度催化前后均维持在103量级，催化后较之催化前略有减小。
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图 13 4500m至5000m高度数浓度随时间序列图 (a)上升飞-催化前；(b)下降飞-催化后 |
小云粒子数浓度明显减小，但其平均直径变化并不明显，大云粒子也并未相应增加，但小云粒子液态水含量在下降飞阶段明显减小，认为小云粒子逐渐呈现过饱和状态，以凝华增长的方式向大云粒子转变。催化前后粒子数浓度谱分布证实了上述观点，同时给出了在4500 m至5000m高度范围内选取的4个时间段及图 13a、b垂直实线的谱分布(见图 14b)。
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图 14 4500m至5000m高度垂直飞 (a)平均谱分布；(b)时段内谱分布 |
4200m至4500m高度位于临颍处的上升飞为催化前飞行，而位于平顶山处的下降飞则为催化后飞行。由4200m至4500m上升飞，小云粒子数浓度最大值为2.95×107个/m3，均值为2.14 ×107个/m3，催化后小云粒子数浓度最大值为2.47×106个/m3，均值为1.41×10 6个/m3，催化后小云粒子数浓度比催化前减小2个量级，同时小云粒子数浓度随高度起伏变化较之上升飞要强烈些(图略)。催化前小云粒子平均直径最大值为19.32μm，均值为16.45μm，催化后最大值为26.14μm，均值为19.64μm，催化前小云粒子尺度主要集中在12~ 20μm范围内，而催化后主要在14~28μm范围内，催化后小云粒子尺度明显大于催化前，尺度范围扩大。由于平顶山和临颍均处于播云催化影响区域，可认为物理量的变化是催化作业的效果。
催化后大云粒子和降水粒子数浓度比催化前明显减小，催化前大云粒子随高度变化起伏较大，催化后随高度增加呈现逐渐增加的趋势，降水粒子在催化前后变化趋势不明显，均呈现自然起伏的状态，见图 15。与4500m至5000m垂直飞分析类似，根据三个探头资料得到粒子数浓度均值谱分布及中间过程选取的两个时段内谱分布，小云粒子都显著减小，大云粒子未呈现增加的状态，降水粒子平均谱分布在1000μm处催化后数浓度接近催化前，催化后降水粒子数浓度在小于1000μm的范围内明显大于催化前的数浓度值(图略)。
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图 15 4200m至4500m高度数浓度随时间序列图 (a)上升飞-催化前；(b)下降飞-催化后 |
催化前4500m高度平飞是由临颍飞至平顶山，催化后4200m高度平飞指由平顶山飞向临颍，两次平飞的高度虽然不同，但都是对同一区域云不同发展阶段的探测飞行。图 16a和图 16b是两个高度平飞时数浓度变化，最值分别为3.59×107个/m3和1.35×107个/m3，数浓度均值分别为1.30×107个/m3和5.79×106个/m3，4200m高度平飞数浓度均值减少一个量级。在4500m由临颍飞向平顶山的过程中，数浓度由极大值逐渐减小，到达波谷后在通过第二个波峰后进入自然起伏的变化状态，并在该段飞行的最后数浓度值有所增加，整个平飞阶段看出由临颍至平顶山粒子数浓度是减小的趋势。4200m高度平飞随时间变化是由平顶山飞向临颍，为使两次平飞对云的探测具有较好的一致性，对时间逆向分析，由临颍至平顶山，粒子数浓度以自然起伏的状态不断减小，并未出现明显的波峰波谷，在接近平顶山时数浓度不断减小，未出现4500m平飞稳定的起伏状态。图 16c和图 16d是平均直径随时间的变化图，4500m平飞平均直径的最大值为27.81μm，均值为17.31μm，4200m平飞的最值为29.38μm，均值为19.23μm，4500m由临颍至平顶山时粒子平均直径呈自然起伏，随着向平顶山处飞行略微增加，4200m平飞在平顶山处粒子平均直径出现该段的波峰，随时间变化高低起伏有减小趋势。图 16e和图 16f所示的两个高度平飞的云液态水含量图分布态势与数浓度一致，4500m与4200m平飞的最大值分别为0.16g/m3和0.08g/m3，均值分别为0.07g/m3和0.04g/m3，两次飞行的云液态水含量差距较大，均值增大近1倍。
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图 16 催化前4500m平飞和催化后4200m平飞时间序列图(FSSP-100) (a) 4500m数浓度；(b) 4200m数浓度；(c) 4500m平均直径；(d) 4200m平均直径；(e) 4500m液态水含量；(f) 4200m液态水含量 |
两个不同高度的平飞均说明临颍一侧的数浓度值大于平顶山处值，对两个不同高度不同时间同一区域的飞行说明探测的云具有相似的变化特点，从临颍到平顶山粒子数浓度在不断减少的总体趋势下呈现高低起伏的状态，为同一块云系。但是在接近平顶山处，各微物理量的变化趋势均不同，此处4500m高度数浓度在自然起伏下有所增加，平均直径先增后减，云液态水含量变化趋势与数浓度一致，而4200m数浓度继续减小，平均直径有明显增大，云液态水含量值继续减小，二者截然不同的变化趋势认为是由于该区域处于飞机播撒区，此次作业对其产生影响。
根据图 17所示，在4500m和4200m高度平飞时大云粒子和降水粒子数浓度变化趋势与小云粒子基本一致，4500m高度由临颍平飞至平顶山中部区域出现数浓度的波谷和波峰，4200m高度由平顶山至临颍数浓度逐渐增大，得到催化前后即4500m、4200m平飞粒子谱分布及平飞过程中选择代表性时段(图 16a，图 16b中水平实线指示)的谱分布(见图 18)。
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图 17 催化前4500m平飞和催化后4200m平飞数浓度随时间序列图 (a) 2D-C催化前；(b) 2D-C催化后；(c) 2D-P催化前；(d) 2D-P催化后 |
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图 18 催化前4500m平飞和催化后4200m平飞 (a)平均谱分布；(b)时段内谱分布 |
通过对2005年3月21日河南试验区飞机探测结果分析，得出以下结论：
(1) 综合观测资料表明在由许昌飞往临颍的4200m高度上，探测到的小云粒子的数浓度达到108量级，该量级相应的平均直径为5μm左右，表明此区域内小云粒子以过冷水滴形式存在。
(2) 5000m高度平飞，催化后小云粒子数浓度比催化前减小一个量级，催化后小云粒子平均直径均值增加0.75μm；5000m至4500m催化后较之催化前小云粒子数浓度减小，平均直径变化幅度不大；4500m至4200m催化后小粒子数浓度比催化前明显减小，且减小幅度远大于5000m至4500m高度，且平均直径均值增加3.19μm。以上分析可以认为，AgI催化剂在-9℃(5000m)的云层内播撒后很快产生冰晶，冰晶通过凝华增长和在下落过程中相互碰并增长，从而使小云粒子数浓度减小，平均直径增大。4500m至4200m高度间小云粒子数浓度及其平均直径的变化幅度大于5000m至4500m高度，表明通过凝华、碰并增长的冰晶粒子下落过程中又不断与作业层下部云层的云滴、冰晶发生碰并或粘连，致小云粒子数浓度进一步减小。由此破坏云内胶性稳定状态，以达到增加降水目的。
(3) 根据仪器测得各个高度飞行的粒子谱分布，发现谱分布接近且稳定，进一步说明探测云系为同一云系，仪器测得结果具有较高的可信度，认为本方案在对自然云探测和播云催化方面具有可行性。
(4) 结果表明，催化后云中雪晶和雨滴等大云粒子和降水粒子数浓度并未显著增长，综合分析认为催化后5000m、4200m平飞和5000m~4200m垂直飞方位需调整，对带状层状云播云探测方案需进一步改进。增强飞机飞行方向与探测带状云系移动方向一致性，根据风向、风速的变化对催化后播云层下方平飞、垂直飞方位在垂直高度上进行调整。
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