周黎明,主要从事云物理和人工影响天气工作.Email:
利用PMS粒子测量系统和机载温湿仪观测获取的吉林省2007年5月15日高空槽和5月28日冷涡天气下降水云垂直探测资料,对比分析了两次不同天气系统下形成降水过程中云系的宏微观结构特征。结果发现,高空槽影响下的As云中云滴数浓度最大值比冷涡影响的As-Sc云系高一倍;液态水含量方面,高空槽系统下As云中在0℃附近取得最大值,冷涡系统下As-Sc云系中,最大值出现在上层As云中-4.8℃左右处。高空槽系统影响下的As云中,FSSP-100、2D-C和2D-P探测到的粒子数浓度、含水量和平均直径随高度呈不均匀性分布;而冷涡影响的As-Sc云中,FSSP-100测得As云中粒子平均直径远大于Sc,2D-C和2D-P探测到的上层As云中粒子浓度和液态含水量分布相对均匀,而下层Sc中粒子浓度、液态含水量值和平均直径都很小,这是由于云层之间存在干层,使As云中的部分大云滴和雨滴在下降过程中迅速蒸发,不利于降水形成。不同高度层FSSP-100测得的粒子平均谱分布均差异较大。对云中可播性进行研究,结果发现高空槽影响的As云中可播区均为强可播区,冷涡系统影响的As-Sc云中可播区的1/2为强可播区。
Two cases of stratiform cloud precipitation in Jilin Province under the upper-level trough process on 15 May and the cold vortex on 28 May 2007 are analysed. The microphysical data are sampled with the airborne PMS probes and a hygrothermoscope. It is found that the vertical distribution of particle number concentration, liquid water content, mean diameter of FSSP-100, 2D-C and 2D-P probes under upper-level trough on 15 May are not uniform and the maximum liquid water content is in 0℃ layer. In As-Sc under cold vortex on 28 May, the maximum particle number concentration of FSSP-100 in Sc and As are both 350 cm-3; the maximum LWC in As is one ordering more than in Sc and mean diameter in As is far more than in Sc. The particle number concentration and liquid water content of 2D-C and 2D-P in As are symmetrical, but teeny in Sc because of a dry layer between layers. The layer-averaged size distributions of small cloud particles in cloud of 2 cases are quite different. The seedability of cloud is studied. The result shows that the seedability of As clouds under upper-level trough is highly seedable clouds, the seedable clouds of As-Sc cloud system under cold vortex are 1/2 highly seedable clouds.
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(
过冷水含量是人工增雨催化作业关心的云微观特征。
研究云中可播性对人工增雨来说具有重要指导意义。
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。
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(
2007年5月15和28日飞行作业区域
Aircraft's flying areas on 15 May and 28 May 2007
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。
所用PMS探头的测量范围和分辨率
The range and resolution of PMS used in cases
探头 | 测量范围/μm | 分辨率/μm |
FSSP-100 | 2~47 | 3 |
OAP-2D-C | 25~800 | 50 |
OAP-2D-P | 200~6400 | 400 |
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。
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。
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(
2007年5月15日FSSP-100探测到的云滴数浓度(
The vertical distribution of cloud droplet number concentration (N), liquid water content (LWC), diameter (D) and temperature (T) of FSSP-100 on 15 May 2007
同
Same as
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
两次不同天气系统降水云宏观参量
The parameters of stratiform cloud under different synoptic systems
天气类型 | 云型 | 云底高度/m | 云底温度/℃ | 0℃高度/m | 云顶高度/m | 云顶温度/℃ | 探测最高高度/m |
高空槽 | As | 2750 | 3.46 | 3392 | 7000 | -23 | 3663 |
冷涡 | As-Sc | 2450 | 1.58 | 2780 | 5500 | -17 | 3366 |
2007年5月15日2D-C、2D-P探测粒子特征量垂直分布
The vertical distribution of cloud microphysical values with 2D-C and 2D-P probes on 15 May 2007
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(
同
Same as
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(
2007年5月15日(a)和28日(b)FSSP-100所测量的不同高度云粒子谱
Particle spectra getting by FSSP-100 in layers on (a) 15 May 2007, (b) 28 May 2007
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(
层状冷云人工增雨可播度判别指标
Cooled stratus seeding criterion in artificial precipitation
<20 | ≥20 | |
|
||
不可播 | 强可播 | |
不可播 | 可播 |
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
2007年5月15日冷云中可播性分析
The analysis of seedability in cold cloud on 15 May 2007
2007年5月15日可播区中OAP-2D-C、FSSP-100所测粒子数密度
The particle density of OAP-2D-C and FSSP-100 in seedable cloud area on 15 May 2007
时间 | 可播区 | ||
15:20:27—15:23:15 | 137 | 19.8 | 1 |
15:23:23—15:23:27 | 59.5 | 13.9 | 2 |
15:29:36—15:29:58 | 149 | 6.78 | 3 |
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
2007年5月28日部分冷云中可播性分析
The analysis of seedability of part cold cloud on 28 May 2007
2007年5月15日可播区中OAP-2D-C、FSSP-100所测粒子数密度
The particle density of OAP-2D-C and FSSP-100 in seedable cloud area on 15 May 2007
时间 | 可播区 | ||
06:34:15—06:37:17 | 119 | 1.73 | 1 |
06:39:45—06:52:44 | 94.4 | 42.1 | 2 |
07:41:13—07:43:03 | 43 | 25.5 | 3 |
07:44:46—07:48:48 | 47.2 | 10.2 | 4 |
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。
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