河北省层状云降水系统微物理结构的飞机观测研究 杨文霞1 牛生杰2 魏俊国3 孙玉稳1吕红梅4( 1 . 河北省人工影响天气办公室, 石家庄 0 5 0 0 2 1 ; 2 . 南京气象学院 中美合作遥感中心, 南京 2 1 0 0 4 4 ; 3 . 河北省气象台石家庄 0 5 0 0 2 1 ; 4 . 山东省气象中心济南 2 5 0 0 3 1 ) 摘 要 对 4架次飞行个例的 P M S资料进行综合分析发现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 1 9 9 1 年 5 月 2 5 日的个例在飞机上升和下降过程中两次于 2 0 0 0 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对 1 9 9 2 年 6 月 2 0 日两次个例的冷云的冰晶尺度I W C 冰晶浓度和 L W C的垂直分布进行了分析采用陶树旺等提出的层状冷云飞机人工增雨实时监测指标对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 左右有时存在大片强可播区 关键词:层状云微物理结构飞机观测 1 引言 云物理学的研究途径包括对自然界的云和降水的形成演变进行外场观测研究对云 物理过程的某些环节进行室内模拟实验 以及利用数学方法进行云物理过程的数值模拟研究 等其中外场观测研究是认识云物理过程的最重要途径 1 随着云和降水学的不断发展许多新理论新方法不断涌现 2 3 在早期的工作中对 P M S 获取的云微物理资料的分析 受到了本学科理论发展的限制 本文结合部分已有的成果 主要从层状云的不均匀性 云内逆温 冷云中冰晶微物理参数的垂直分布以及冷云的可播性 实时判别等方面对河北省层状云降水系统的微物理结构进行了进一步的分析 2 天气过程和飞机探测仪器简介 河北省春季层状云降水天气系统以西风槽和西南涡最有利于实施人工影响天气作业 4 本文选取了 1 9 9 1 年 5 月 2 4 2 5 日的一次西南涡低层是回流天气天气过程和 1 9 9 2 年 6 月 2 0 2 1 日的一次西风槽天气过程中的 4 架次飞行个例进行分析4 架次飞行个例的详细 情况见表 1 . 表 1 本文选用的 4 架次飞行个例情况简表 T a b l e 1 T h e i n t r o d u c t i o n o f t h e 4 c a s e s 时间 年- 月- 日 起止时间 作业区域 天气系统 作业所在 系统部位 1 9 9 1 - 0 5 - 2 5 0 9 : 5 3 - 1 1 : 0 8 石家庄邢台 邯郸衡水 西南涡 中部 1 5 : 0 4 - 1 5 : 5 2 石家庄衡水 西风槽 前部 1 9 9 2 - 0 6 - 2 0 1 9 9 2 - 0 6 - 2 0 1 7 : 3 4 - 1 9 : 1 0 衡水石家庄邢台 西风槽 前部 1 9 9 2 - 0 6 - 2 1 1 1 : 5 3 - 1 2 : 1 5 沧州唐山 西风槽 后部 机载粒子测量系统P M S 是一套可以连续观测记录实时显示的光电测量系统表 2 为本文个例所用 P M S 三个探头的测量范围和等级间隔 本文分析的两次天气过程都取得了较 为完整的 F S S P 2 D - C 和 2 D - P 资料并有较为详尽的宏观记录 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 基金项目国家自然科学基金项目4 0 1 7 1 5 5 3 作者简介杨文霞1 9 7 0 -女河北石家庄人硕士生研究方向云和降水学. 表 2 本文个例所用 P M S 探头的测量范围和等级间隔 T a b l e 2 T h e r a n g e a n d t h e s p a n o f t h e P M S u s e d 探头 量程段 测量范围m 等级间隔m 0 3 . 5 0 4 5 . 5 0 3 1 3 . 0 0 3 1 . 0 0 2 2 1 . 5 0 1 5 . 5 0 1 F S S P 3 0 . 7 5 7 . 7 5 0 . 5 2 D - C 可测图像 3 0 . 1 2 7 5 0 . 0 0 2 5 2 D - P 可测图像 2 4 1 . 0 0 6 0 0 0 . 0 0 2 0 0 3 层状云降水系统微物理结构的观测研究 3 . 1 层状云的不均匀性 图 1 给出了 1 9 9 1 年 5 月 2 5 日平飞时所取 F S S P 云物理量的时间序列图飞行位于 4 0 0 0 m 左右的层状冷云中液态水含量L W C 先后出现两次大幅度跃增图中箭头所指 由于 0 档资料太少图 1 选用的是 1 档资料因为 0 3 档轮流采样资料取的不均匀造 成图中记录个数相同时而相应的时间坐标不等距图 1 平飞时 FSSP 云物理量时间序列图 a.液水含量LWCb.云滴浓度Nc.云滴平均直径Dd.温度T Fig.1 The sequence of FSSP data obtained along level flying route a.liquid water content(LWC); b.particle concentration(N); c.mean diameter(D); d.temperature(T) L W C 第一个跃增出现在北京时下同0 9 : 5 8 : 3 4 0 9 : 5 8 : 4 9 由 0 . 0 2 3 1 g / m连续增大到 0 . 1 1 3 9 g / m之后缓慢下降与此相对应0 9 : 5 8 : 1 9 0 9 : 5 8 : 4 9 N从 0 . 7 1 4个/ c m跃增 到 2 6 . 9 个/ c mD 在 L W C跃增前的 0 9 : 5 8 : 1 4 0 9 : 5 8 : 2 9 表现为快速下降而 0 9 : 5 8 : 2 9 0 9 : 5 9 : 0 1 D 从 6 . 9 6 m 跃增到 1 9 . 7 5 m T 由原来的单调上升从 0 9 : 5 8 : 3 4 开始转为下 降最低至- 6 . 4 , 并维持在- 6 . 3 左右直到 1 0 : 0 3 : 1 9 开始上升此时飞机位于河北省高 邑站和临城站之间据文献 5 分析1 9 9 1年 5月 2 5日降水过程至少有 8个雨团活动7 号雨团在 9 : 0 0 1 0 : 0 0 从高邑移往临城结合本文进一步分析认为 L W C N 和 D 的突然跃增以及 T 的下降与飞机进入 7 号雨团有关 L W C 的第二次跃增出现在 1 0 : 1 4 : 4 4 1 0 : 1 4 : 5 4 由 0 . 0 2 4 3 g / m迅速增大到 0 . 1 1 7 g / m, 与第 1 次跃增幅度相似与此同时N 和 D 突然跃增并且 T 快速下降结合进一步分析认 为 1 0 : 1 4 : 4 9 1 0 : 1 6 : 2 4 时段内飞机穿过一个距离为 1 0 k m 航速 1 1 4 m / s 的较强降水云带 平飞资料中 N 的极大值3 . 5 5 1 07个/ m3出现在该云带内与该云带对应的温度曲线处在 - 6 . 9 左右, 是平飞阶段探测到的最低温度L W C 和 N 曲线起伏很大但所对应的 D 曲线比 较平缓从航速和时间推算此时飞机位于曲周站上空图 3 给出了曲周站逐时雨量图1 0 1 1 时雨量明显高出周围 图 2 曲周站逐时雨量 Fig2 The rainfall intensity of Quzhou station 图 3 给出了 L W C 第 1 次跃增前后的云滴谱分析 云滴谱为双峰型 峰值位于 1 2 m 和 2 8 m 之间峰值从 0 9 : 5 8 : 3 4 开始不断增大直至 0 9 : 5 8 : 4 9 跃增结束0 9 : 5 8 : 5 4 的峰值开始下 降图 4 为 L W C 出现第 2 次跃增前后的云滴谱, 谱型先是出现多峰型随后变为双峰型峰 值明显增大主峰峰值从 1 个/ ( c m m) 突跃至 3 . 5个/ ( c m m) 主峰滴谱明显拓宽同时 主峰对应的云滴直径从 1 1 m 增大到 1 7 m与 L W C 的第 1 次跃增不同, 第 1 次跃增主要由于 粒子浓度增加引起, 而第 2 次是由于云滴浓度增加和云滴直径增大同时引起 图 3 LWC 第一次跃增前后的云滴谱变化 Fig3 The variable of droplet spectra at the first leap of LWC 图4 LWC第二次跃增前后的云滴谱变化 Fig4 The variable of droplet spectra at the second leap of LWC 图 5 给出了相应的 2 D - C 和 2 D - P 资料 图中箭头所指是与 L W C两次跃增所对应的冰晶和 雪晶浓度资料可见L W C 两次跃增后冰晶和雪晶浓度都出现了相对周围的峰值尤其是 2 D - C 资料对应较好 图 5 与 LWC 跃增相对应的 2D-C 和 2D-P 资料 a. 2D-C 资料 b.2D-P 资料 Fig 5 The data of 2D-C and 2D-P corresponding to the twice leap of LWC 综合上述分析认为本次飞行穿越两个较强降水云带第一个位于高邑至临城之间宽 约 5 k m0 9 : 5 8 : 3 4 0 9 : 5 9 : 1 9 第二个位于曲周站附近 宽约 1 0 k m 1 0 : 1 4 : 4 9 1 0 : 1 6 : 2 4 飞机在进入这两个较强云带时云物理量L W C N D T 等产生剧烈变化表现为 L W C N 和 D 跃增云滴谱谱宽拓宽T 下降等在同一性质的小云团中粒子大小相近D 的变 化平稳温度变化不大等 由于当时条件所限 缺少 G P S 资料和更细微的雨量资料 雷达和卫星云图资料均已失散 给进一步的分析造成困难在以后的工作中需要进一步提高 3 . 2 冷云中可播性分析 胡志晋 6 提出了新的层状云人工增雨机制 陶树旺等 7 综合分析了河南省 2 0 0 0年 4 月 5 月的 4 次层状冷云人工增雨过程的雷达回波P M S 探测资料以及 G P S定位资料提出应以 P M S 的 F S S P - 1 0 0 探头探测的云中粒子浓度以及 2 D - C 探头探测的云中大粒子浓度作为判别云 中可播性的主要技术参量并发展了层状冷云飞机人工增雨实时监测指挥技术指出 F S S P - 1 0 0 探测的粒子浓度不小于 2 0 个/ c m的云区才具有一定的可播性其中 2 D - C 探测的 大粒子浓度小于 2 0 个/ L 时 可确定为强可播区 否则为可播区 根据上述判别指标, 对 1 9 9 1 年 5 月 2 5 日个例和 1 9 9 2 年 6 月 2 1 日平飞时的冷云资料进行云中可播性分析如图 6 和图 7 所示 图 6 1 9 9 1 年 5 月 2 5 日冷云中可播性分析( 1 6 为云滴浓度 2 0 个/ c m3的可播云区) F i g 6 T h e a n a l y s i s o f c l o u d s e e d a b i l i t y , 2 5 , M a y , 1 9 9 1 ( 1 6 a r e s e e d a b l e c l