引言

吉林省地处我国东北地区，4—5月降水量仅占全年的13%，因此春旱发生频率很高，尤其是西部地区有“十年九春旱”之说。多年来，该地区为缓解旱情开展了春季人工增雨催化作业。在此期间，层状云降水是主要降水类型，降水过程的云微物理结构的观测在云物理研究和人工影响天气中占有重要的地位。不同的天气系统和不同地形条件下，层状云系的宏、微观结构和降水物理过程存在着多变性和复杂性(胡志晋，2001；刘晴等，2013；石爱丽等，2013；罗俊颉等，2012)。游景炎等(1994)、陈文选等(1999)、李仑格等(2001)、赵仕雄等(2002)、王扬锋等(2007)及李铁林等(2010)分别利用PMS在新疆、山东、青海、陕西、河南等地的探测资料，分析了特定天气条件下云层的微物理特征，指出可能发生的云水转换生长机制和人工增雨的条件。

过冷水含量是人工增雨催化作业关心的云微观特征。樊曙先(2000)对宁夏地区一次降水云系PMS探测资料进行分析，发现液态含水量最大值出现在-5℃层附近。彭亮等(2007)对河南省一次云降水过程的微观物理特征进行分析发现, 此次降水为锋上高积云(Ac)和其下部液水较为丰沛的层积云(Sc)结合而成, 在Ac云中的-4.8和0℃处液态水含量出现高值, Sc云中的0℃附近液态水含量出现高值。

研究云中可播性对人工增雨来说具有重要指导意义。杨文霞等(2005)对1992年6月飞机探测河北省两次个例的云中可播性进行判别, 发现潜力区占云区的1/2左右, 有时存在大片可播区。刘健等(2005)分析2001、2002年5—7月降水性层状云的飞机探测资料发现，吉林省春季降水性层状云的可播度为86%，其中Ns云型潜力最大(41.3%)，其次是As op-Sc op云型(28.4%)，潜力最小的是As tra(26.6%)。孙鸿娉等(2011)利用DMT探测平台对山西一次云降水过程实施综合探测分析表明，只有当云粒子浓度不小于30个·cm^-3时，相应云区才具有一定的可播度。

本文利用机载PMS粒子探测系统，根据2007年5月15日和28日获取的吉林省两次不同天气系统层状云降水过程的飞机观测资料，同时结合天气图和卫星云图分析了降水时云系的微观特征量，包括数浓度、平均直径、液态含水量、云滴尺度分布等，讨论了冷云中人工降水的可播度，对深入认识吉林省春季不同天气系统(高空槽和冷涡)影响下形成的层状云降水和开展人工增雨作业等方面具有一定的参考价值。

1 观测设备和资料情况

本文选取2007年5月15日的高空槽天气过程和5月28日的冷涡天气过程的飞行个例进行分析。2007年5月15日飞行探测时间为15：08—16：45，探测区域为长春、公主岭、四平和伊通；5月28日飞行探测时间为05：52—08：27，探测区域为长春、乾安、白城、开通和长岭(图 1)。

观测过程中使用的人工增雨飞机装有美国生产的机载PMS粒子测量系统，该设备有3个探头，即FSSP-100、OAP-2D-C和OAP-2D-P。其中FSSP用于测量云滴谱，仅有粒子尺度和数浓度资料，称为一维资料；OAP-2D-C和OAP-2D-P分别用于测量大的云滴、雨滴和冰雪晶粒子，它们不仅能记录粒子个数，还能记录粒子尺度和二维图像，并可对其相态、降水粒子形态进行区分，称为二维资料。探测过程中同时使用了机载温湿仪和全球卫星定位系统(GPS)。本文分析的两次天气过程都取得了较为完整的FSSP、2D-C和2D-P资料。表 1为本文所用PMS三个探头的测量范围和分辨率。

2 天气形势特征 2.1 高空槽天气形势

2007年5月15日08时(北京时，下同)，500 hPa高度从贝加尔湖至中蒙边界为一东北—西南走向低槽，吉林地区则为一弱高压脊控制。而在850 hPa低槽已移至120°E附近，槽后为一暖脊。地面冷锋走向与低槽基本一致，位于850与500 hPa之间，在东移过程中低槽逐渐加深，并于16日夜间移出吉林。15日08时，地面锋面附近部分站点已出现微量降水，14时吉林省部分地区出现阵雨，18时前后，开始出现大面积降水，截止16日20时降水基本停止，过程降水量大部达到中雨。从16日08时地面雨量图(图略)可以看到，长春、公主岭、四平和伊通4个测站分别出现16.1、16.4、18.4和15.6 mm的降水。

从卫星资料来看，5月14日16时冷空气主力位于贝加尔湖附近，同时从孟加拉湾至河套地区为西南—东北走向的水汽输送带，冷空气与水汽输送带在东移发展的过程中逐渐汇合，15日06时开始在蒙古东部地区产生大片云团，17时前后云团在吉林地区强烈发展，并长时间控制该地区，16日凌晨开始消散并逐渐移出吉林。

2.2 冷涡天气形势

2007年5月27日08时，500 hPa中蒙边界110°E附近为一低槽，在东移的过程中逐渐加深发展为冷涡，28日08时冷涡中心位于吉林省与内蒙古交界，吉林位于冷涡第四象限，850 hPa的辐合中心略偏东，吉林省东南部出现大面积降水；29日20时冷涡中心移至42°N、130°E附近，吉林转为涡后西北气流控制，降水也基本停止。28日20时地面雨量图(图略)显示长春站出现微量降水，长岭站有7.0 mm的降水。

从卫星云图来看(图略)，5月27日06时，配合500 hPa低槽有一云带，已初步形成逗点云结构，涡旋中心位于48°N、110°E，在东移发展过程中逗点云结构逐渐明朗，28日早晨涡旋中心移至内蒙古东部，随后在东移的过程中逐渐减弱，29日凌晨移出吉林。

3 云系结构及物理特征 3.1 云的垂直宏微观物理特征

晴天大气中气溶胶粒子的尺度大多＜8μm且谱很窄，在机载云粒子探测系统的FSSP-100探头上，只有前两三档上存在粒子，峰值在一档上。一旦飞机入云观测，滴谱立即展宽，粒子数显著增多，峰值由第一档右移，这一点所处的高度就可确定为云底。云顶和云底的判断方法正好相反(王扬锋等，2007)。

图 2和图 3分别给出了2007年5月15日和28日探测作业时PMS探测到的云微物理资料的垂直变化情况。可以看出，在高度2750 m处(图 2)和高度2450 m处(图 3)粒子浓度明显增多，液态水含量显著增加，因此可以确定两次降水过程中云底高度分别为2750和2450 m。从温度随高度的变化可以看到，5月15日0℃层高度在3392 m处，5月28日0℃层高度位于2780 m处。由FY-2C静止气象卫星反演云顶亮温资料(图略)，可以估算出5月15和28日两次探测过程中云顶温度分别约为-23℃和-17℃，云顶高度分别约为7000和5500 m。由于吉林省所取飞机探测资料一般是与抗旱相结合，故获取的资料主要在作业层，无云顶资料。

通过飞机探测表明，2007年5月15日高空槽影响下形成的降水云为As云型；5月28日冷涡天气过程中形成的降水云为As-Sc云型，下部的一层较薄Sc云为暖云，上部的As云为冷云，两层云之间夹有干层。本次分析的两次降水性层状云型结构与刘健等(2005)发现的吉林省5—7月降水性层状云类型相符合。表 2给出了两次不同天气系统降水云宏观物理参量值。

3.2 云系微物理特征分析 3.2.1 高空槽影响下As云系微物理结构

图 2给出了2007年5月15日高空槽天气过程中FSSP-100探头各观测量随高度的分布情况。由于探测期间选用的是FSSP-100探头的0量程，所以在0℃层以下探测到的是云滴粒子，而0℃层以上是冰晶和液滴共存体的分布情况(张佃国等，2007)。可以看到，云滴数浓度在云底2750 m附近取得最大值690个·cm^-3，与探测到的吉林地区层状云中云滴数浓度最大值670个·cm^-3相接近(崔莲等，2007)；粒子数浓度随高度上升而逐渐减少，直到0℃层附近开始增加；平均数浓度为26个·cm^-3，这与取得的兰州地区层状云云滴均值浓度相接近(李照荣等，2003)。从液态含水量分布看，LWC随高度的变化趋势与粒子数浓度的垂直分布情况呈反相位，在0℃层左右取得含水量最大值0.113 g·m^-3。含水量较大处粒子直径也较大，而粒子数浓度小，可见含水量主要由大滴供应(封秋娟等，2007)。由云滴直径垂直分布可知，从云底到接近0℃层处直径在6 μm左右变化幅度不大，0℃层处云滴平均直径增大到20 μm；3600 m处平均直径达到最大值45.5 μm。

图 4是2D-C和2D-P探测得到的2007年5月15日粒子特征量垂直分布情况。可以看到，2D-C探测到的粒子数浓度和液态水含量变化趋势对应较好，高浓度对应着高的液态水含量。从云底到2900 m处粒子数浓度和含水量变化不大，随后开始增加，在3000 m左右粒子数浓度和含水量达到一极大值，从3000—3200 m间呈递减趋势，3200 m向上两者均出现振荡变化，在0℃层附近出现粒子数浓度最大值49.3个·L^-1，同时对应液态水含量最大值0.43 g·m^-3。2D-C所测粒子平均直径在云中变化范围不大，基本保持在240 μm左右。2D-P探测到的降水粒子，0℃层(3392 m)以上，粒子为固态冰雪晶；0℃层以下，主要为液滴。从图 4中可以看出，0℃层以下粒子数浓度随高度下降而递减，这是由于暖层中存在雨滴的碰并、蒸发和聚合。在含水量方面，先是随高度下降呈增加趋势，并在0℃层以下(约3000 m处)出现液态水含量最大值0.165 g·m^-3，而后随高度下降呈减少趋势。粒子平均直径出现两个极大值，分别在0℃层以上3450 m和0℃层以下3200 m附近处，其中3200 m左右处直径最大值达1400 μm，这是由于粒子在下落到0℃层以下固态粒子开始融化为液态水，并有大粒子在下降过程中碰并小粒子所造成的。

3.2.2 冷涡影响下As-Sc云系探测

图 3给出了2007年5月28日冷涡天气过程中FSSP-100探头观测到的云滴数浓度、液态含水量和平均直径随高度分布情况。可以看出，下层Sc云和上层As云中云滴数浓度最大均达350个·cm^-3，粒子数浓度量级为100~102个·cm^-3，这与对河南省降水性层状云系的观测结果有相同的量级(李淑日等，2001)。在液态含水量方面，下层Sc云中平均值为0.01 g·m^-3，最大值为0.022 g·m^-3，远小于对2004年吉林省降水性层状云中液水含量的观测值(封秋娟等，2007)；上层As云中在3320 m(-4.8℃)处取得最大值0.142 g·m^-3，含水量上层高于下层，两者相差一个量级，同一层中分布也不均匀。Sc云中云滴平均直径在5 μm左右振荡，云中主要是直径较小的云滴；As云中云滴直径最大为45 μm，此层中云滴直径较Sc云层中明显增大；干层中的平均直径也较大，这是由于上层的小滴下落到干层中蒸发掉，仅剩下直径较大的粒子。

从2D-C、2D-P探测到的2007年5月28日粒子特征量垂直分布来看(图 5)，上层As冷云中粒子数浓度和液态含水量分布相对均匀。二维云粒子探头2D-C在0℃层以上探测到的粒子以冰晶为主，本次探测中0℃层以上冰晶平均浓度为16.2个·L^-1，与河北15.6个·L^-1的观测结果相近；3323 m(-4.83℃)左右存在极大值，最大浓度为195个·L^-1，这与过去多年对吉林降水性层状云观测的冰晶浓度平均值26.2个·L^-1和最大浓度值222个·L^-1(汪学林等，1998)相比，此次观测值均偏小。在2D-C探测到最大冰晶浓度处(-4.83℃)，过冷水含量也取得最大值2.12 g·m^-3。2D-P在3320 m(-4.8℃)附近探测到的粒子最大数浓度为5.9个·L^-1，对应过冷水含量的最大值0.099 g·m^-3。2D-C测的平均直径为50~365 μm，2D-P测得粒子平均直径为410~1430 μm。在下层Sc中粒子数浓度、液态含水量值和平均直径都极小，这表明云层之间干层的存在使得As云中的部分大云滴和雨滴在下降过程中迅速蒸发，很大程度上阻碍了上层冷云中冰雪晶粒子下落到低层暖云，不利于降水的形成，这也是导致本次降水较小的重要原因(党娟等，2009)。

3.3 云粒子尺度谱的垂直分布

同一块云体内云滴谱特征各处差异很大，不同类型的云在滴谱特征上也有明显的差异。属于不同气团的空气生成的云，由于凝结核谱和上升气流不同，在云滴浓度和谱型上有很大的不同。层状云的云粒子谱型主要有单峰型、负指数型和双峰型，有时也会出现多峰型。云系结构的不同使云滴在各高度层上表现出不同谱型，同高度上的谱型十分相似(樊鹏等，2003)。

图 6给出了FSSP-100所测量不同高度层的云粒子谱。FSSP-100的采样频率是1 s，图中谱型数据均为所取高度附近每5 s数据的平均值。图 6a为2007年5月15日粒子谱分布，选取上升阶段2750 m(暖区)、3200 m(0℃层附近)及3650 m(冷区)高度上的滴谱作对比。从图中可以看出，云底2750 m层滴谱呈双峰分布，峰值分别出现在6.5和21.5 μm处，谱宽较窄，数浓度量级为10^-2~10⁰个·cm^-3；同时在较大的粒子区域出现了谱型不连续现象，这种不连续变化是与高层大粒子沉降有关。3200 m层谱型为负指数型，粒子谱加宽，数浓度量级为10^-2~10²个·cm^-3。3650 m层谱型呈多峰结构，粒子的数浓度量级为10^-2~10^-1个·cm^-3。云中不同高度处云粒子谱型各异，这主要是受温度、垂直速度、湍流和水汽的影响，云层的垂直方向特别不均匀，粒子谱型正好显示了这种特征(李照荣等，2003)。对比云中数浓度可见，3200 m层粒子数浓度最大；粒径小于15 μm段，暖区2750 m层数浓度大于冷区3650 m层，而对于粒径大于15 μm的粒子，暖区2750 m层数浓度低于冷区3650 m层浓度，说明在暖区存在小云滴浓度的高值区，而在冷区则存在大滴浓度的高值区。暖云2750 m层粒子谱宽明显窄于冷云3650 m层，且在3650 m层高度层出现粒子谱第二峰值直径39 μm，这是表明存在冰晶粒子的特征之一(游景炎等，1994)。

图 6b是2007年5月28日FSSP-100所测量的不同高度粒子谱分布情况，选取上升阶段中2500 m(暖区)、2750 m(0℃层附近)和3320 m(冷区)高度上的滴谱作比较。可以看到，不同高度上的云中粒子谱和干层区中的粒子谱型存在明显差异(王广河等，1989)，干层区粒子数浓度远远低于云中粒子数浓度。2500 m层粒子谱型为负指数型；小粒子段浓度高，数浓度为10²个·cm^-3量级。2750 m层为多峰结构；粒子浓度低，在10^-3~10^-2个·cm^-3量级范围内。3320 m层云粒子谱也呈多峰分布，峰值直径分别为9.5、36.5和42.5 μm；数浓度量级为10^-2~10¹个·cm^-3。粒径小于7 μm段，下层暖区Sc云(2500 m)粒子数浓度大于上层冷区As云(3320 m)粒子浓度；粒径大于7 μm时，As云中粒子数浓度大。小粒子段云中粒子数浓度高于干层3~4个量级，30 μm以上的较大粒子段中云粒子数浓度高于干层1~2个量级；这与李淑日等(2001)的结果一致。干层粒子主要由上层As云中落下，因此在干层中探测到下落粒子的低浓度区，抑制了上层冷云粒子下落至低层暖云，对降水的形成造成不利影响。

4 冷云人工增雨可播性分析

人工降水的可播度是指对即将作业的云系进行是否作业的可能性大小的判断，从微物理角度考虑就是由云系中云滴和冰晶的数密度来确定是否对该云层进行作业(刘健等，2005)。表 3给出了北方层状冷云人工增雨可播度判别指标(中国气象局科技发展司，2003)，若FSSP-100探测的粒子数密度不小于20个·cm^-3的云区才具有一定的可播性，其中2D-C探测的大粒子数密度＜20个·L^-1时，确定为强可播区，否则为可播区。根据上述判别指标，分析2007年5月15和28日层状冷云中人工增雨可播性。

4.1 高空槽天气过程中冷云可播性分析

根据人工增雨可播性判别指标，2007年5月15日15：20：13—16：07：27飞过的冷云中共有3个可播区，分别为15：20：27—15：23：15、15：23：23—15：23：27和15：29：36—15：29：58飞过的冷云区，并对应地依次记为1—3可播区；其他云区为不可播区(见图 7)。

表 4给出了3个可播区中OAP-2D-C和FSSP-100所测粒子数密度(N₂和N₁)，其中N₁平均值分别为137、59.5和149个·cm^-3，对应的N₂平均值为19.8、13.9和6.78个·L^-1。根据层状冷云人工增雨可播度判别指标可知，3个可播区均为强可播区。

4.2 冷涡天气过程中冷云可播性分析

2007年5月28日06：25：11—07：52：36飞过的冷云中有4个可播区，其他云区为不可播区。4个可播区分别是06：34：15—06：37：17，06：39：45—06：52：44，07：41：13—07：43：03和07：44：46—07：48：48飞过的冷云区，并记为1—4可播区(见图 8)。

表 5给出了4个可播区中OAP-2D-C和FSSP-100所测粒子数密度(N₂和N₁)，其中N₁平均分别为119、94.4、43和47.2个·cm^-3，对应的N₂平均为1.73、42.1、25.5和10.2个·L^-1。根据表 3中的可播度判别指标可知，1区和4区为强可播区；2区和3区冰晶含量丰富，均为可播区。

5 结论

针对吉林省2007年5月15和28日两次不同天气系统中层状云飞行个例的PMS资料进行分析研究，可以得到以下初步结论：

(1) FSSP-100探测到高空槽影响下的As云中云滴数浓度最大值为690个·cm^-3；冷涡影响的As-Sc云系中，上层As和下层Sc中云滴数浓度最大均为350个·cm^-3，两者相差一倍。As中最大液态水含量是0.113 g· m^-3；As-Sc中, Sc云最大液水含量为0.022 g·m^-3，As中最大值为0.142 g·m^-3，两个不同天气系统下As中液态水含量基本一致，均比Sc大一个量级。两次天气过程中As云的最大平均直径均为45 μm左右，远大于Sc云中的5 μm。

(2) 2D-C探测到高空槽系统下As云中粒子最大浓度和最大液水含量值分别为49.3个·L^-1和0.43g·m^-3；冷涡系统下As-Sc云型中，上层As云中粒子浓度和LWC最大值为195个·L^-1和2.12g·m^-3，均比高空槽影响下As云中各值高一个量级。

(3) 不同天气系统中云粒子谱型因大气温度、云结构等的不同，各高度层上谱型各异，均表现出云层的垂直方向分布不均匀性。高空槽影响的As云中，暖区(2750 m)、0℃层附近(3200 mm)和冷区(3650 mm)滴谱谱型分别呈双峰、负指数型和多峰分布。冷涡系统影响的As-Sc云，暖区Sc云中2500 m层粒子谱型呈单峰分布，小粒子段浓度高；干层中2750 m层谱型为多峰结构，粒子浓度低，在10^-3~10^-2个·cm^-3量级范围内；冷区As云中3320 m层云粒子谱也呈多峰分布，但浓度量级为10^-2~10¹个·cm^-3。小粒子段云中粒子浓度高于干层3~4个量级，30 μm以上的较大粒子段中云粒子浓度高于干层1~2个量级。

(4) 根据层状冷云人工增雨可播度判别指标，分析发现5月15日高空槽影响下As云中的可播区均为强可播区；而冷涡系统影响的As-Sc云系，可播区中1/2为强可播区。