引言

层状云微物理结构的探测研究不仅是云和降水物理研究的重要内容，而且对科学实施人工影响天气作业也很重要。通过对不同类型云系的云微物理探测，了解云系微物理结构及产生降水的机制，有利于有针对性地开展人工增雨作业。不同地区的云和降水微物理特征因其气象和地形条件的差异会有不同。叶家东等^[1]对一个中纬中尺度对流复合体层状降水区的微物理结构进行了分析，指出MCC层状区内某些部位盛行冰晶聚合体，它们分布在相当厚的过冷气层内(0.5~-14 ℃或更冷)，冰晶聚并过程是层状区内降水质点增长的主要机制。金华、彭亮等利用PMS探测资料分析了河南层状云中过冷水、云粒子谱等物理量分布特征^[2-4]。陈文选等^[5]对山东一次冷涡天气过程的云物理量分布特征、降水机制进行了分析，指出云中过冷水的含量分布极不均匀。苏正军等^[6]对华北冷涡降水的云物理飞机探测资料分析表明云粒子直径、浓度空间分布等存在不均匀特性，且其降水云系存在明显分层。杨文霞等^[7]对河北省层状云降水系统微物理结构的飞机观测研究表明，河北省春季层状云降水系统存在不均匀性, 表现之一为较强降水云带，在飞机上升和下降过程中两次在2000 m左右探测到较强的云内逆温, 逆温层顶下方存在云水含量的峰值。党娟、于翡等^[10-11]对甘肃省夏季层状云微物理特征及积层混合云降水的实例做了个例分析和数值模拟分析，这些研究结果反映了不同地区的云和降水微物理特征。

由于河南省所观测的云微物理资料不多，因此对河南省层状云系微物理结构的研究比较少。2007年春季，按照河南省云水资源开发利用技术研究计划，我们在河南省实施了人工增雨外场综合试验，进行了云和降水的宏微观物理探测。本文使用2007年3月3日所观测的资料，分析了云微物理结构特征及人工增雨潜力。

1 仪器设备和观测情况

使用的探测飞机是国产Y-12型飞机，飞行航速为252 km·h^-1，最大爬升高度7 km。飞机上安装了机载PMS云微物理测量仪器，使用了3个探头，分别为FSSP-100 (量程: 2~47 μm)、2D-C(量程: 25~800 μm)、2D-P (量程: 200~6400 μm)。FSSP-100用于测量云粒子谱, 2D-C和2D-P分别用于测量云粒子和降水粒子谱及二维图像。飞机上还安装了King热线含水量仪、GPS卫星定位系统和温、湿度探头。观测仪器能连续记录探测结果，结合GPS卫星定位系统资料，可确定出机载仪器探测的云微物理量时空位置。

在降水云系影响期间，郑州、三门峡、驻马店的新一代多普勒雷达进行了连续观测，郑州714-CD雷达侧重对降水云系作了RHI观测。全省气象站进行了常规地面观测，郑州、南阳两个探空站作了3小时1次的加密观测。

探测飞机对位于扶沟、鄢陵、临颖、许昌、新郑的层状云系进行了观测。飞机探测区位于系统的西南气流区，西南气流较强，风速在18~22 m·s^-1，飞机探测路线如图 1所示。

2 天气形势

2007年3月3日08时，500 hPa低槽位于105°E附近，河南省受槽前西南气流影响，且风速较大，多在14~16 m·s^-1之间。700 hPa图上，在陕西西南部和四川东北部一带有一低压中心，切变线位于河南南部地区，河南省上空的温度露点差接近饱和，在08时到20时，由于冷平流的侵入，低压中心发展东北移至山西中南部和河南省北部一带，河南省处于低压前部的西南气流里，风速达16~18 m·s^-1的西南急流携带水汽向东北输送至河南省上空，河南省北部和东部地区出现明显的风速辐合，有利于水汽的辐合上升。850 hPa图上，河南省位于相对湿度大于90%的湿区内。地面图上，河南省处在倒槽顶部和东路冷空气的底部，从山东半岛附近不断有冷空气扩散南下影响河南省。受上述系统影响，形成了大范围的层状云降水云系(见图 2)，整个云系向东北方向移动，移动速度约40 km·h^-1。飞机探测区在图 2中所示的矩形区内，探测区地面为东北风，6~8 m·s^-1，地面温度6.6 ℃，低空为层云或雨层云，高空为高层云，低云高为300~600 m。云内温度分布如图 3所示。

根据郑州714CD雷达观测，降水云系的回波强度为20~35 dBz，郑州南部的回波强度较强，为30~35 dBz。12：57(时：分)雷达对扶沟方向飞机探测云区做了RHI剖面观测，表明降水云系为典型的层状云回波，平均云顶高约6.5 km，0 ℃层亮带在2.8 km(14时郑州探空0 ℃高度在2875 m)，亮带的平均回波强度为35~40 dBz。亮带以上的回波强度在20~25 dBz，在5 km到云顶的回波平均强度在10~15 dBz。

3 云微物理量的垂直分布

飞机在12:17:56(时：分：秒)开始起飞，12:20:40上升到975 m，稍平飞后，飞机继续升高。12:53:54上升到4590 m，云中温度为-7.5 ℃。随后，飞机在4600 m左右平飞。13:13:35，探测飞机从4600 m又开始下降，直到467 m。利用飞机上升和下降过程中的垂直探测资料，对云系不同高度的云微物理特征进行了分析。图 4给出了各探头观测的云微物理量随高度的垂直分布，探测高度为400~4610 m。根据探空观测资料，本次观测云系的0 ℃层高度为2875 m。由FSSP-100探头观测资料表明，在500 m高度处，粒子浓度明显增多，粒子尺度相应增大，因此该高度可以确定为云底的高度。云顶高度约6300 m，由于客观条件限制，飞机仅向上探测到4610 m高度。根据云内温度的垂直分布，对本次观测云系按高度分三个层次分析不同高度云的微物理特征。三个层次分别为从云底所在高度的500~2375 m、2375~2875 m、2875~4600 m。

在2875~4600 m高度层，对应温度为0~-7.5 ℃。FSSP-100测量的小云粒子平均直径多在6~20 μm，且随高度上升而增大。小云粒子总数浓度随高度上升而减少，最大值为125个·cm^-3。2D-C观测在此高度区间大云粒子(50＜d≤300 μm)随高度上升浓度增多，浓度值变化在5.24~192个·L^-1，平均值为70.91个·L^-1。此高度区间大云粒子平均直径平均为211 μm。2D-P观测到的冰相粒子最大直径在此高度区间出现峰值(3400 μm)。利用King含水量仪观测了该高度层云中液态含水量，由于该层温度低于0 ℃，因此该层云中液态含水量为过冷云水。观测资料表明，此层云中过冷液态水含量变化在0.035~0.118 g·m^-3，随高度增加过冷液态水含量减少。在2875~3700 m(对应温度为0~-0.6 ℃)过冷液态水含量较多，平均为0.094 g·m^-3，在4570 m高度附近(对应温度为-7.5 ℃)还有一个平均值为0.07 g·m^-3的过冷液态水含量大值区。从2D-C图像上(图 5)可以看出有明显的单个的霰和冰雪晶聚合体。综合分析可见，在这一高度区间，随高度上升，小云粒子数浓度减少，而冰晶浓度增加。该层是过冷液态水滴与冰相粒子共存的区间，冰相粒子通过凝华过程而迅速增长。过冷云水量垂直分布很不均匀，在2875~3700 m和4570 m高度附近存在过冷液态水相对高值区。

在2375~2875 m高度层(0 ℃高度层以下500 m)，对应温度为2.2~0 ℃。由于这里温度高于0℃, 是降水元的融化区和碰并增长区。2D-C图像上(图 5)可以看出有半融化的冰相粒子和液态水滴。FSSP-100探测的小云粒子的平均直径为3.70~9.13 μm, 平均浓度为68.1个·cm^-3(最大浓度为229个·cm^-3)。2D-C观测大云粒子平均直径在61~333 μm，粒子直径在50＜d≤300 μm的大云粒子的平均浓度为6.6个·L^-1，最大浓度为28.1个·L^-1，King热线含水量仪观测，该层液态含水量为0.110~0.127 g·m^-3。平均为0.119 g·m^-3。该层液态含水量随高度降低先增大，在2712 m有一个0.127 g·m^-3峰值，随后又减小。该含水量大值区可能与降水元的融化有关(含水量峰值位于0 ℃高度层以下163 m)，冰相粒子下落到0 ℃层以下后开始融化，使液态水含量增加，融化后液态水滴的降落速度增大，使得单位体积内降水粒子数目减少, 导致液态水含量又减小。

在500~2375 m高度层，对应温度为1.9 ~2.2 ℃。在此高度区间，FSSP-100探测的小云滴平均浓度为281个·cm^-3，随高度降低小云粒子浓度增加，平均直径减小；粒子直径在50＜d≤300的大云滴平均直径增大，总浓度最大为72.2个·L^-1，平均8.0个·L^-1。2D-C二维图像资料表明，云中水凝物粒子以液态水滴为主。King热线含水量仪观测，此高度区间平均液态含水量为0.196 g·m^-3，在1253 m出现最大峰值0.274 g·m^-3，次大液态含水量峰值(0.256 g·m^-3)出现在690 m，对比探空所取温度资料分析，与这两个液态含水量峰值区相对应有两个逆温层存在，一个在1250~1300 m，逆温层厚度50 m，逆温幅度0.3 ℃。另一个在750~1000 m，逆温层厚度250 m，逆温幅度1.2 ℃。这些含水量大值区的存在有利于降水元的碰并增长。综合以上云的垂直结构分析，在2875~4600 m高度层，对应温度为0~-7.5 ℃，为云粒子的快速增长层, 凝华增长和冰晶聚合增长是重要的物理过程; 在℃层以下有一融化和碰并增长层; 在500~2375 m高度层(1.9~2.2 ℃)，为云粒子碰并增长层并有水汽的凝结增长。

4 云中微物理量的水平分布

12:43—13:22，飞机在4500~4600 m高度(对应温度-6.4~-7.5 ℃)作水平探测飞行，同时进行人工增雨作业。使用催化剂为液态二氧化碳和碘化银烟弹。作业飞行路线见图 1。飞机沿A—B—C—E路径探测并实施作业。据14时探空资料分析，在3000~7000 m高度，高空风均为SWS风，因此，在作业过程中的探测资料应为未催化自然云资料。表 2给出了FSSP-100水平探测的云微物理特征值，云中粒子浓度平均为12个·cm^-3，最大为73个·cm^-3，最小为2个·cm^-3。计算含水量平均值为0.08 g·m^-3，最大为0.146 g·m^-3，最小为0.014 g·m^-3。粒子平均直径18 μm，而峰值直径多为12 μm。利用King含水量仪探测4500~4600 m高度的液态含水量，云中过冷液态水含量平均值为0.05 g·m^-3，最大为0.07 g·m^-3，最小为0.03 g·m^-3。在水平探测阶段，2D-C探头观测的粒子平均浓度为12.7个·L^-1，极大值36.6个·L^-1，粒子平均直径的变化范围为144~351 μm。粒子直径在50＜d≤300的大云滴浓度最大为27.3个·L^-1，平均8.6个·L^-1，2D-C观测的图像资料表明该高度有单个的霰、冰晶和冰雪晶聚合体。可见在4500~4600 m高度层，云中微物理量的水平分布不均匀，云中存在有过冷液态水，冰晶浓度值偏低，具有人工增雨催化潜力。

5 云中粒子谱分布

图 6给出了2007年3月3日在不同高度PMS各探头测到的粒子谱。由图可以看出，粒子谱型有负指数型、单峰型、双峰型和多峰型。粒子谱型的特征反映了云层的垂直方向很不均匀。在云的中上部, 由图 6a 4603 m、4300 m和4046 m高度FSSP-100粒子谱可以看出, 随高度的降低, 小粒子段(d＜14 μm)粒子数浓度是增加的, 但粒子直径为18~47 μm的云粒子, 随高度的降低浓度无明显变化。从图 6 d可知, 在4603 m高度，对应温度为-7.5 ℃，大云滴粒子谱型为单峰型，峰值为小滴端d＜175 μm的冰晶浓度。在4300 m高度，对应温度为-5.0 ℃，粒子谱型为双峰型，50＜d＜375 μm的粒子浓度明显增加，这部分粒子主要为冰相粒子。由于该高度层为过冷水滴和冰相粒子共存的混合层，过冷水将通过贝吉隆过程向冰晶转化, 使冰晶进一步增大, 在此过程中亦出现了冰晶之间、雪晶之间及冰晶与雪晶之间的聚并。根据二维图像资料，可观测到该高度有雪花、雪团、冰晶聚合体和少量的霰粒子。

图 6b、6e是0 ℃以下融化带内不同高度层(2603 m、2701 m和2799 m)的粒子谱分布图，其粒子谱型均为负指数型。FSSP-100粒子谱主要以8 μm以下的小云滴为主，2D-C粒子谱主要以125 μm以下的粒子为主。图 6c、6f是1496 m、1796 m和2005 m三个高度的云粒子谱分布图，F-100粒子谱型为负指数型和单峰型，2D-C谱型为负指数型。FSSP-100测到2~8 μm粒子随高度的降低而逐渐增加，这可能是低层水汽上升过程中发生凝结所导致。2D-C观测到的小滴端25~125 μm粒子浓度随高度的降低而减少，375~525 μm的大粒子浓度随高度的降低而增大，说明大粒子在下降过程中碰并小粒子, 导致了大粒子的浓度增加和直径增大。

6 小结

(1) 通过对河南2007年3月3日降水性层状云微物理结构特征及降水机制的分析，该降水云系为催化——供给云结构，云中微物理量的垂直和水平分布不均匀。FSSP-100所测小云粒子浓度平均值为95.2个·cm^-3，平均直径12 μm。2D-C所测大云粒子浓度平均值为77.9个·L^-1，平均直径192 μm。

(2) 在2875~4600 m高度层(对应温度为0~-7.5 ℃)，小云粒子数浓度随高度上升减少，而冰晶浓度增加。该层是过冷液态水滴与冰相粒子共存的区间，冰相粒子通过凝华过程而迅速增长。过冷云水量垂直分布很不均匀，在2875~3700 m和4570 m高度附近存在过冷液态水相对高值区。

(3) King热线含水量仪观测，液态含水量高值区在云的底部，在1253 m出现最大峰值0.274 g·m^-3，还有一个液态含水量峰值(0.256 g·m^-3)出现在690 m，对比探空所取温度资料分析，与这两个液态含水量峰值区相对应有两个逆温层存在，且位于逆温层顶的下方。

(4) 由不同高度云粒子谱分析表明，在4046~4600 m高度层，粒子谱型有负指数型、单峰型、双峰型和多峰型；0 ℃层以下融化带内的粒子谱型多为负指数型；云的底部粒子谱型以负指数型和单峰型为主。