基于飞机探测的华北南部低槽冷锋云系宏微物理结构特征_付娇.pdf
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1、第 41 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.41 No.3June,2023干旱气象Journal of Arid Meteorology基于飞机探测的华北南部低槽冷锋云系宏微物理结构特征付娇,王姝怡,董晓波,王晓青,杨佳帅,张健南(河北省人工影响天气中心,河北 石家庄 050021)摘要:为科学精准地开展人工增雨作业,通过搭载机载粒子测量系统(Particle Measuring Systems,PMS)的空中国王350飞机(编号3523)入云进行垂直和水平探测,并结合FY-2F卫星、天气雷达等资料综合分析2021年2月28日华北南部一次低槽冷锋层状云系的微物理结构和增雨作业条件。结
2、果表明:降水云系为中低云,飞机探测到云顶高度为6 014 m,云顶温度为-17.7,云底高度低于582 m,云内0 层高度为1 300 m,云体厚度大于5 400 m,暖云厚大于700 m,冷云厚大于4 700 m;卫星反演的云顶高度为56 km,与飞机实测值较为一致,卫星反演的云顶温度为-40-25,比飞机实测值偏低。整个探测时段云系微物理结构不均匀,冷云内第二层冰水混合区(高度3 4274 985 m、温度-12.4-6.3)和第三层冰水混合区(高度5 4496 014 m、温度-18.3-15.3)出现云滴谱探头(Cloud Droplet Probe,CDP)探测的粒子数浓度大值区,最
3、大值分别为146.80、170.75 cm-3,且过冷水含量分别达0.12、0.20 gm-3。暖云内云微物理分布较均匀,在557575 m和844866 m两个高度层粒子数浓度均存在波动,CDP粒子数浓度值变化相对较大,云粒子图像探头(Cloud Imaging Probe,CIP)和高体积降水粒子分光仪(The High Volume Precipitation Spectrometer,HVPS)探测的粒子数浓度变化较小。冷云内云微物理分布不均匀,冷云区内在3 6033 617 m、5 4455 542 m和5 7055 847 m高度层云粒子数浓度起伏变化均较大且存在多次跃增。冷云区多
4、为固态冰相粒子,暖云区CIP和HVPS粒子谱宽均比冷云区粒子谱窄。初春时期低槽冷锋层状云系降水系统前期易出现混合层状云,云顶附近存在一定量的过冷水,找准增雨时机、增雨部位适宜播撒冷云催化剂,人工引晶催化潜力较大。关键词:层状云;云微物理结构;过冷水;飞机探测文章编号:1006-7639(2023)03-0450-13 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-03-0450中图分类号:P426.5+1 文献标志码:A引 言华北南部地处大陆性半干旱季风气候区,尤其是春季干旱多风,人工增雨对缓解旱情,促进粮食和经济作物稳产增收,改善水资源条件,优化生态环境等起到重要的
5、积极作用。人工影响天气的关键在于找准催化作业时机和作业部位。我国北方人工增雨主要的作业对象是层状云系,为更加科学有效地进行人工影响天气作业,很有必要对层状云的宏微观结构进行精细化研究。飞机穿云观测云粒子的记录最早出现在20世纪初,20世纪70年代出现机载粒子测量系统(Particle Measuring System,PMS)后,获得了大量的观测资料,对云微物理结构的研究和认识更加深入。Rangno and Hobbs(2005)通过飞机和雷达等,对美国温带气旋云系和地形云进行了探测试验,提出 FSSP-100探头探测到的大于2 m的云粒子总数浓度超过10 cm-3时,可看作是云水区。1958
6、年我国开始开展人工影响天气研究,近几年我国北方各省开展了一系列的飞机穿云探测(秦彦硕等,2015;李宝付 娇,王姝怡,董晓波,等.基于飞机探测的华北南部低槽冷锋云系宏微物理结构特征 J.干旱气象,2023,41(3):450-462,FU Jiao,WANG Shuyi,DONG Xiaobo,et al.Macro and micro physical structure characteristics of a low trough cold front cloud system in southern North China based on aircraft detection J.J
7、ournal of Arid Meteorology,2023,41(3):450-462,DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-03-0450收稿日期:2021-09-09;改回日期:2022-05-22基金项目:河北省省级科技计划(20375402D)和科技部国家重点研发计划项目(2017YFB0504002)共同资助作者简介:付娇(1988),女,河北灵寿人,工程师,主要从事云物理与人工影响天气研究。E-mail:fj_。通信作者:董晓波(1982),男,河北柏乡人,正高级工程师,主要从事云物理研究。E-mail:。第 3 期付娇等:基于飞机探测的华北南
8、部低槽冷锋云系宏微物理结构特征东等,2014;彭亮等,2007;张景红等,2020),对北方地区的云降水物理特征有了进一步的认识(雷恒池等,2008;石爱丽,2005)。孙玉稳等(2015)对河北秋季层状云物理结构分析发现河北地区适宜增雨作业的云系为中、低或高、中、低搭配的层状云。孙霞等(2012)提出在石家庄市及南部周边县(市),当云滴数浓度大于10 cm-3,液态水含量(Liquid Water Content,LWC)大于0.001 gm-3时可定义云的出现。李义宇等(2011)分析山西省一次层状云降水过程,发现受冷锋影响时,云滴谱呈双峰或多峰型,谱宽较宽,是锋前层积云的典型谱型。庞朝云
9、等(2013)对甘肃省河西地区一次降水天气过程进行分析发现冷层粒子尺度明显大于暖层,不同谱型引起的冰雪晶增长机制不同。以往对华北南部层状云宏微观特征的研究聚焦于垂直特征分析,本文基于前人研究成果,利用2021年2月28日华北南部一次低槽冷锋天气系统影响下飞机在降水性层状云中垂直和水平探测资料,综合多项粒子特征量,多角度、多维度进一步分析降水性层状云结构的垂直和水平微物理量演变特征,以期提高对该区域该类云的云结构演变特征的认识及为人工增雨雪工作提供一定的参考。1仪器和资料1.1探测仪器及分析工具使用2021年2月28日空中国王350飞机(编号3523)的探测资料和随机人员的宏观记录、天气资料、F
10、Y-2F卫星反演云参数产品、邯郸多普勒天气雷达(SA型)资料等进行综合分析。机载探测仪器主要有 DMT(Droplet Measurement Technoligies)公司生产的云滴谱探头(Cloud Droplet Probe,CDP)、云粒子图像探头(Cloud Imaging Probe,CIP),SPEC公司生产的高体积降水粒子分光仪(The High Volume Precipitation Spectrometer,HVPS)、云 粒 子 成 像 仪(Cloud Particles Imager,CPI)。Nevzorov厂家生产的热线含水量仪,可以实际探测云内 LWC和总含水量
11、。Aventech公司生产的飞机综合气象要素测量系统(Aircraft-Integrated Meteorological Measurement System,AIMMS-20)和全球定位系统(Global Positioning System,GPS)等设备。仪器参数见表1。文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网下载的审图号为GS(2022)1873号标准地图制作,底图无修改。文中时间均为北京时。1.2飞行概况及数据处理表 2 列出了飞行概况。飞机于 2021 年 2 月 28日09:52从正定机场起飞,10:34飞至赵县以10 km为半径,从581 m盘旋上升至5 451
12、 m(图1中虚线框a段)时因限制高度,探测点向东偏移,再由5 451 m爬升至6 781 m(图1中虚线框b段)飞至临城,之后在5 700 m左右高度进行平飞探测,12:58探测结束。卫星云图(图略)显示飞行区域为大范围层状云,云顶较为平缓。CDP探测云粒子数浓度大于10 cm-3、热线含水量仪观测LWC大于0.001 gm-3作为入云的判断标准(孙霞等,2012)。本文选取1个垂直探测(图1中虚线框a、b段)和5个平飞时段(图1中及垂直探测中的2个平飞时段)。图1虚线框内雷达组合反射率因子均为510 dBZ,雷达回波垂直结构比较均匀,此次降水过程为比较稳定的层状云降水,故将虚线框a、b段进行
13、合并分析赵县地区云系的垂直结构特征。此外对探测数据进行以下处理:垂直探测阶段有 2个平飞阶段,在分析赵县云系垂直结构时对平飞阶段的数据取平均值;CDP、CIP、HVPS 探测粒子数浓度数据和热线含水表1机载探测仪器参数Tab.1Airborne instrumentations and their operational parameters仪器名称CDPCIPHVPSCPI热线含水量仪AIMMS-20测量内容云滴粒子数浓度、尺度谱、云中含水量等大云滴、冰雪晶粒子数浓度、尺度谱、粒子图像等冰雪晶、雨滴粒子数浓度、尺度谱、粒子图像等云与降水粒子图像液态水含量和总含水量经纬度海拔温度测量范围(通道
14、)250 m(30通道)251 550 m(62通道)15019 200 m(61通道)102 000 m()0.053 gm-3()013.7 km,精度18.3 m()-5050 ()分辨率各通道分辨率不同25 m各通道分辨率不同2.3 m1 m0.01 注:“”表示无通道。45141 卷干旱气象量仪探测的含水量均进行了5 s滑动平均处理;利用CIP探测数据分析冰晶或冰晶聚合体数浓度时,参考相关研究(康增妹等,2020;刘伟等,2021)去掉直径小于100 m的粒子数浓度数据。2天气概况受高空浅槽和冷锋影响,2021年2月28日至3月1日,地处华北地区的河北省出现大范围雨雪天气。28日08
15、:00(图2),500 hPa东亚受纬向环流控制,多短波扰动,飞机飞行区域处于两个浅槽间的弱脊区。从地面天气图(图略)上看,低压倒槽伸展至河套地区,冷锋锋面位于42N附近(河北北部),呈东西走向,冷空气受高压前部的偏东气流引导向河北中南部渗透,随后,锋面缓慢南压,河北中南部偏东风有所加强,冷空气在太行山东麓质量堆积,形成冷垫并在迎风坡抬升。850 hPa偏南暖湿气流在冷垫上爬升,形成大范围中低云。随着系统东移,至20:00,500 hPa槽线移至山西省,受补充冷空气影响,华北南部降水持续并有所加强。飞行时段图22021年2月28日08:00 500 hPa位势高度场(蓝色实等值线,单位:dag
16、pm)、温度场(红色虚等值线,单位:)和风场(风矢量,单位:ms-1)Fig.2The 500 hPa geopotential height(the blue solid contours,Unit:dagpm),temperature(the red dashed isolines,Unit:)and wind field(wind vectors,Unit:ms-1)at 08:00 on February 28,2021表2飞行概况Tab.2Flight overview飞行时间10:20:5110:30:3010:32:2110:34:2710:34:3111:24:1410:54:
17、4910:57:0411:09:5711:17:0411:41:1412:20:07飞行高度/m(飞行方式)844866(水平飞行)557575(水平飞行)5826 781(盘旋上升)3 6033 617(水平飞行)5 4455 542(水平飞行)5 7055 847(水平飞行)飞行区域赵县赵县赵县赵县赵县、宁晋、柏乡高邑、柏乡、临城、赞皇机上宏观记录赵县高度限制东移因为限制高度,探测点向东偏移,5 942 m高度出云见蓝天图1沿飞行轨迹雷达组合反射率时间-高度剖面(单位:dBZ)(编号与表2相对应;虚线框a、b为垂直探测时段,飞行高度分别为5825 451 m、5 4516 781 m)Fi
18、g.1The time-height cross section of radar combination reflectivity along the flight trajectory(Unit:dBZ)(Numbers-correspond to Tab.2;Dotted boxes a and b stand for vertical detection period,the flying heights are 582-5 451 m and 5 451-6 781 m,respectively)452第 3 期付娇等:基于飞机探测的华北南部低槽冷锋云系宏微物理结构特征(09:521
19、2:58)内,探测云系主要为受回流影响形成的中低云。3云微物理结构特征3.1云粒子数浓度、含水量和温度的垂直分布特征通过对赵县云系垂直结构的探测结果进行综合分析发现,6 014 m高度层以上CDP探测数浓度小于1 cm-3图3(a),CIP 图3(b)和HVPS 图3(c)探测数浓度接近0,故可以认为云顶高度为6 014 m。因赵县附近没有云高仪,依据飞机探测数据,582 m高度层 CDP 探测数浓度大于 10 cm-3,LWC 大于0.001 gm-3图 3(d),飞行宏观记录中记载 582 m开始上升垂直探测,下不可见地面,说明582 m高度层飞机在云中探测,云底高度低于582 m。故认为
20、云体厚度大于5 400 m,云内0 层高度为1 300 m,暖云厚大于700 m,冷云厚大于4 700 m。飞机探测的赵县上空云系为冷暖混合云(图3),暖云区高度为 5821 300 m,冷云区高度为 1 3006 014 m,冷云区有3层冰水混合区,有2层冰云区。第一层冰水混合区高度为1 3002 129 m,第二层冰水混合区高度为3 4274 985 m,第三层冰水混合区高度为5 4496 014m;第一层冰云区高度为2 1333 424 m,第二层冰云区高度为4 9875 448 m。暖云区内,温度为03.1,CDP探测的粒子数浓度随高度降低明显增大,CDP粒子数浓度最大值达 1 069
21、.78 cm-3,液态水很丰富,LWC 最大值达0.49 gm-3。CDP 谱型呈单峰分布,CDP 探测的粒子直径在 35.0 m 以下,其中 20.0 m 和 7.5 m 以下的粒子最多 图4(a)。CIP和HVPS探测的粒子数浓度明显降低,CIP 和 HVPS 粒子谱宽明显变窄图 4(b),HVPS 探测的粒子直径明显变小,集中在600.01 000.0 m 图4(c)。CPI实拍图片显示(图略),暖云区中有小水滴、大水滴、未完全融化的冰晶,以小水滴和大水滴为主。冷云区内,第一层冰水混合区内,温度为-2.80,CDP粒子数浓度最大值达202.48 cm-3,过冷水含量达 0.23 gm-3
22、,CIP和 HVPS粒子数浓度均明显增大,CIP 粒子数浓度波动范围为 2.7811.17 L-1,HVPS粒子数浓度波动范围为0.651.42 L-1,CIP和图3赵县上空CDP(a)、CIP(b)、HVPS(c)探测的云粒子数浓度以及含水量和温度(d)垂直分布(红色虚线框区域代表强可播区)Fig.3Vertical distribution of cloud particle number concentration detected by CDP(a),CIP(b),HVPS(c)and water content and temperature(d)over Zhaoxian(The
23、red dotted boxes represent the strong seeding areas)45341 卷干旱气象HVPS粒子谱宽均比暖云区变宽,粒子直径也比暖云区大,CPI实拍图片显示云中有过冷水、柱状冰晶及不规则形状的冰晶和冰晶聚合体。第二层冰水混合区内,温度为-12.4-6.3,CDP、CIP和HVPS探测的粒子共存,CDP粒子数浓度最大值达146.80 cm-3,CIP 和 HVPS 粒子数浓度有波动,CIP 粒子数浓度波动范围为2.013.5 L-1,HVPS粒子数浓度波动范围为 0.72.1 L-1,过冷水含量达 0.12 gm-3。CPI实拍图片显示云中有凇附冰晶、不
24、规则形状的冰晶及冰晶聚合体,少量的过冷水。第三层冰水混合区内,温度为-18.3-15.3,CDP粒子数浓度最大值达170.75 cm-3,CIP粒子数浓度最大值为7.3 L-1,HVPS 粒子数浓度最大值为 1.8 L-1,过冷水含量达0.20 gm-3。CDP、CIP和HVPS谱型均呈单峰分布,CDP粒子直径主要集中在20.0 m,CIP和HVPS谱宽明显变宽,粒子直径明显变大。CPI实拍图片显示云中有凇附冰晶、不规则形状的小冰晶和冰晶聚合体、较丰富的过冷水。冷云区两个冰云区中CDP粒子数浓度均较小,但为CIP和HVPS粒子数浓度大值区,CPI显示云内以大于100 m的冰晶和冰晶聚合体为主。
25、第一层冰云区内,温度为-6.3-3.0,固态水含量(Ice Water Content,IWC)达0.35 gm-3,云内有凇附冰晶、不规则形状的冰晶和冰晶聚合体,以不规则形状的冰晶为主;第二层冰云区内,温度为-15.3-12.4,IWC 较低为 0.15 gm-3,CIP 谱型呈双峰分布,谱宽明显变宽,峰值分别出现在粒子直径为150.0 m和1 300.0 m附近。HVPS谱型呈单峰分布,谱宽明显变宽,粒子直径主要在 2 000.0 m 以下,尤其以600.01 500.0 m的粒子最多。云内有柱状、宽枝状、板状、不规则形状的冰晶及冰晶聚合体,冰晶聚合体明显增多。陶树旺等(2001)研究指出
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