河北地區(qū)云微物理結(jié)構(gòu)的變化

河北地區(qū)云微物理結(jié)構(gòu)的變化

1云系的物理結(jié)構(gòu)研究自20世紀(jì)70年代以來(lái)，該項(xiàng)目的機(jī)械細(xì)胞測(cè)量系統(tǒng)（pms）開(kāi)始在一些云和氣溶膠觀測(cè)試驗(yàn)中應(yīng)用。Hobbsetal通過(guò)對(duì)大量飛機(jī)觀測(cè)PMS資料進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在層云和積云的頂部普遍存在過(guò)冷水層。Gordenetal分析了加利福尼亞雨帶降水粒子尺度譜分布。Crabowskietal利用蘇聯(lián)冬季層狀云觀測(cè)到的云中冰晶、雪粒子濃度和尺度的分布特征,通過(guò)計(jì)算得到粒子的含水量,對(duì)了解云的結(jié)構(gòu)特征,進(jìn)行云粒子譜分布的研究有很大作用。Robertetal分析了美國(guó)北科羅拉多州洛基山脈地區(qū)冬季風(fēng)暴云中的層狀云,指出云滴譜與環(huán)境云滴數(shù)濃度有很大關(guān)系,當(dāng)濃度<100cm-3,粒子平均直徑在15~18μm之間,譜分布一般為雙峰結(jié)構(gòu);當(dāng)數(shù)濃度增高時(shí),粒子譜變窄。20世紀(jì)80年代,我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)PMS探測(cè)系統(tǒng)。開(kāi)展層狀云降水研究始于游來(lái)光主持的“北方層狀云人工降水試驗(yàn)”。李侖格等分析了90年代青藏高原東部春季降水層狀云和混合云系的微物理結(jié)構(gòu),云層中平均液態(tài)水含量為0.05g·m-3,平均冰晶濃度為28.75L-1,冰晶濃度較低,有較大的人工催化能力。馮圓等分析了河南春季一次冷鋒降水過(guò)程云的微物理結(jié)構(gòu),結(jié)果表明,冷鋒前后云中粒子濃度、液態(tài)水含量以及粒子譜型存在較大差異,鋒前云粒子譜為單峰型,鋒面過(guò)境時(shí)譜型轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰或多峰型。封秋娟等結(jié)合天氣圖、衛(wèi)星云圖及雷達(dá)回波等資料,綜合分析了熱帶氣旋影響下降水過(guò)程中云系的宏微觀特征。王揚(yáng)鋒等利用PMS資料對(duì)延安降水性層狀云各高度上的粒子特征量和粒子譜進(jìn)行了分析研究,結(jié)果表明,存在過(guò)冷水滴和冰晶共存層,冰晶快速增長(zhǎng),此層的存在可能是發(fā)生降水的關(guān)鍵。隨著云降水物理學(xué)研究的不斷深入和發(fā)展,以及各地開(kāi)展的大量觀測(cè)試驗(yàn),許多的新方法、新理論不斷涌現(xiàn)[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]。根據(jù)河北省氣候條件,秋季大氣中的水汽條件往往不足,難以形成較好的降水天氣,水資源緊缺。秋季是河北地區(qū)冬小麥的播種季節(jié),一些地區(qū)往往因缺水而不能及時(shí)播種,實(shí)施飛機(jī)人工增雨作業(yè)(催化對(duì)象主要為降水性層狀云),增加少量的降水就可以解決農(nóng)民秋播問(wèn)題。利用PMS探測(cè)儀器對(duì)層狀云微物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的觀測(cè)和分析,可以更好地選擇最佳作業(yè)時(shí)機(jī)和作業(yè)部位,提高人工催化的效果和幾率,緩解干旱缺水的狀況。本文利用2007年9月13日一次西風(fēng)槽天氣過(guò)程和27~29日受副熱帶高壓(下稱副高)影響,冷鋒過(guò)境天氣過(guò)程中3架次飛行個(gè)例進(jìn)行分析(4次飛行過(guò)程的詳細(xì)情況見(jiàn)表1),分析了降水性層狀云的宏微觀物理特征,主要從層狀云的云滴微物理參數(shù)的垂直分布和水平分布以及云系降水潛力進(jìn)行綜合分析,并對(duì)人工增雨催化的可播性進(jìn)行了討論,以期提高對(duì)河北地區(qū)秋季層狀云降水機(jī)理的了解,為人工增雨提供參考依據(jù)。2pms系統(tǒng)和主接頭探測(cè)使用夏延ⅢA飛機(jī)作為探測(cè)平臺(tái),飛機(jī)上裝載的探測(cè)儀器有GPS全球定位系統(tǒng)、溫濕度探頭、機(jī)載微波輻射計(jì)、紅外線熱線含水量?jī)x、PMS粒子測(cè)量系統(tǒng)等。整套PMS系統(tǒng)由4個(gè)主探頭和有關(guān)資料收集設(shè)備組成(各探頭具體探測(cè)范圍和用途參見(jiàn)表2)。儀器每秒鐘采集一次數(shù)據(jù),粒子直徑單位為μm,數(shù)濃度單位為cm-3。32云多態(tài)水分分析云中液態(tài)水含量和云滴數(shù)濃度是云中重要的微物理要素之一,特別是在人工增雨工作中這2個(gè)物理量顯得尤為重要。河北省秋季降水性層狀云多為層狀冷云,就層狀冷云人工降水的潛力條件而言,云中液態(tài)水含量和云滴數(shù)濃度是最重要的參數(shù)之一。本文選取2007年9月13日和27日進(jìn)行層狀云微物理結(jié)構(gòu)分析。3.1云滴和冰粒子數(shù)分布及分布Hobbs提出,利用FSSP-100探頭觀測(cè)到云中直徑>2μm的粒子總濃度超過(guò)10cm-3可看作云水區(qū)。本文在處理云滴資料時(shí)取云中液態(tài)水含量>10-4g·m-3,云滴總濃度>10cm-3時(shí)為云水區(qū)。為了研究云帶的微觀特征,圖1給出了FSSP-100探頭觀測(cè)到的不同云系的云滴數(shù)濃度、平均直徑和云粒子液態(tài)水含量隨高度的垂直分布。13日探測(cè)過(guò)程為飛機(jī)上升探測(cè),此次天氣系統(tǒng)降水云系為高層云(As),從圖1a中看到,云底高度約為3000m,云頂高5700m。0℃層高度為4000m。高層云云滴分布不均勻,底部云滴數(shù)大于中上部,云滴數(shù)變化范圍在10~120cm-3之間。高層云云滴平均直徑為9.21μm,底部平均直徑為8.19μm,中上部平均直徑為11.66μm,底部小于中上部,隨高度增加粒子直徑增大。云滴直徑在3500m和5300m處出現(xiàn)極大值,說(shuō)明該高度處云滴和冰粒子增長(zhǎng)活躍。從云中液態(tài)水含量分布曲線可看出,高層云云滴液態(tài)水含量分布不均勻,最大云水含量為0.25g·m-3,底層平均云中液態(tài)水含量為0.025g·m-3;4100~4300m高度層內(nèi),出現(xiàn)液態(tài)水含量小值區(qū),平均云中液態(tài)水含量?jī)H為0.013g·m-3,導(dǎo)致該高度層內(nèi)云滴和冰粒子數(shù)出現(xiàn)谷值;4300~5200m高度層內(nèi),平均云中液態(tài)水含量為0.088g·m-3;云層中上部云水含量大于中下部,云中液態(tài)水含量隨高度增加。5200~5500m高度層內(nèi)有干層存在、無(wú)云滴,此高度層內(nèi)為大的氣溶膠粒子,平均直徑為3.5μm。27日探測(cè)過(guò)程為飛機(jī)下降穿云探測(cè),此次天氣系統(tǒng)降水云系為層積云(Sc)。從圖1b中可看到,云底高度為907m。探測(cè)到的云體內(nèi)云滴數(shù)濃度分布不均勻,在1700m處出現(xiàn)了一個(gè)小的谷值,中上部數(shù)濃度高于底部,云滴數(shù)濃度變化范圍在10~80cm-3之間。3100~3700m高度層內(nèi)無(wú)云滴,粒子為大的氣溶膠粒子,且氣溶膠濃度<10cm-3。層積云云滴平均直徑為7.56μm,云滴直徑隨高度先增大后減小,這與云滴液態(tài)水含量有關(guān),在云底1200m高度處出現(xiàn)極值,為15.22μm;1750m以上液態(tài)水含量減少,云滴直徑減小,平均直徑為5.14μm。從云滴液態(tài)水含量垂直分布曲線可看到,云中液態(tài)水含量分布不均,平均含水量為0.0418g·m-3,最大含水量為0.169g·m-3,底部高于中上部,液態(tài)水含量隨高度減小;云中液態(tài)水含量較大處云滴直徑也較大,云滴數(shù)濃度較小?？梢?jiàn),云粒子液態(tài)水含量主要由大云滴提供。3.2云區(qū)探測(cè)高度f(wàn)ssp-100分析研究云中粒子尺度譜的變化特征對(duì)于認(rèn)識(shí)云微物理機(jī)制有著重要的意義。不同性質(zhì)的云,由于云凝結(jié)核和上升氣流不同,粒子濃度和譜型上有很大差異。層狀云云滴譜主要有單峰型、負(fù)指數(shù)型和雙峰型,有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)多峰型。云系結(jié)構(gòu)的不同使得云滴在各高度層上表現(xiàn)出不同的譜分布,同高度上的譜型較為相似。圖2給出了高層云、層積云云滴譜分布隨高度的變化情況(每200m做一次平均譜)。上述分析表明,13日云區(qū)飛機(jī)上升探測(cè)垂直高度為3000~5700m,27日由4250m高度下降垂直探測(cè),云區(qū)探測(cè)高度為907~3000m。從圖2a3249,4045,4790m處FSSP-100粒子譜分布可以看出,云滴譜呈單峰分布,峰值位于3.5μm處,在4045m高度附近,云中液態(tài)水含量出現(xiàn)一個(gè)低值區(qū)(圖1a),導(dǎo)致大云滴數(shù)減少,粒子譜變窄,譜寬最大值為22μm。4790m高度附近,云中液態(tài)水含量增加,水汽供應(yīng)較多,導(dǎo)致>10μm的粒子增多,粒子譜變寬,最大譜寬為37μm。從1248,2056和2548m處云粒子譜分布(圖2b)可以看出,在云底1248m處,云中液態(tài)水含量豐富,粒子譜最寬,最大譜寬達(dá)47μm;粒子譜呈雙峰分布,峰值分別位于3.5μm和15μm處。隨高度的增加,云中液態(tài)水含量逐漸減少,小云粒子增多,大粒子減少,云粒子譜逐漸變窄,最大譜寬減小到37μm,雙峰消失,粒子譜呈單峰分布,峰值位于8μm處。該次探測(cè)云區(qū)正是由于冷鋒產(chǎn)生的,譜分析結(jié)果與洪鐘祥等的研究結(jié)果相吻合。由此可見(jiàn),云滴譜的譜寬與云中液態(tài)水含量密切相關(guān),粒子譜寬,云中液態(tài)水含量較豐富;粒子譜窄,云中液態(tài)水含量較少。4云微物理特征量水平分布根據(jù)20世紀(jì)90年代河北的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn):降水性層狀云中,催化層高度在4~5.5km,對(duì)應(yīng)溫度在-6~-13℃,且云系處于發(fā)展時(shí)期進(jìn)行作業(yè)時(shí),有較好的催化效果。河北省近年來(lái)秋季增雨作業(yè)時(shí),在4~5km高度層內(nèi),大氣溫度一般高于-6℃(表3),溫度比90年代高。對(duì)飛機(jī)作業(yè)時(shí)的結(jié)冰現(xiàn)象也做了統(tǒng)計(jì),由于有時(shí)是夜間飛行(28日)或其他原因,記錄不全。有記錄結(jié)冰現(xiàn)象共2次,多出現(xiàn)于降水云系的中上部。結(jié)冰程度不一,有時(shí)是輕度結(jié)冰,有時(shí)是中度結(jié)冰,結(jié)冰現(xiàn)象反映出在降水性層狀云中存在過(guò)冷水區(qū)。陶樹(shù)旺等研究認(rèn)為,在冰晶粒子濃度低、含水量高的區(qū)域播撒催化劑,可以產(chǎn)生大量冰晶,從而啟動(dòng)或加速降水過(guò)程的發(fā)展,并且當(dāng)FSSP探測(cè)的粒子濃度≥20個(gè)·cm-3的云區(qū)才具有一定的可播性,其中2D-C探測(cè)的大粒子濃度<20L-1時(shí),可確定為強(qiáng)可播區(qū),否則為可播區(qū)。為了研究云中作業(yè)層的可播性,圖3給出了13,28,29日3次水平作業(yè)時(shí)云粒子數(shù)濃度、2D-C濃度以及液態(tài)水含量的分布情況。圖3a為28日增雨作業(yè)時(shí)4807m高度飛機(jī)水平探測(cè)云微物理特征量的水平分布情況。從圖3a中可以看出,該層大氣環(huán)境溫度為2.56℃,云滴濃度最大值為35cm-3,2D-C數(shù)濃度最大值為250L-1,平均數(shù)濃度在31L-1左右。云層中云中液態(tài)水含量豐富,一般都在0.05g·m-3,最大值達(dá)0.28g·m-3。該高度層云中液態(tài)水含量豐富,冰晶數(shù)濃度較高,但大氣溫度較高,不適合催化,飛機(jī)只是探測(cè)飛行,沒(méi)有實(shí)施人工催化。圖3b為29日增雨作業(yè)時(shí)5420m高度云微物理特征量水平分布情況。從圖3b中可看出,該層的大氣環(huán)境溫度為-0.56℃,云滴數(shù)濃度最大值達(dá)60cm-3,冰晶數(shù)濃度最大值為225L-1,平均數(shù)濃度在25L-1左右,云中液態(tài)水含量豐富,最大值為0.25g·m-3,具有可播性。根據(jù)胡志晉等的研究結(jié)果,自然冰晶<20L-1時(shí),具有播撒潛力,可用一般劑量催化劑;自然冰晶>20L-1時(shí),采用的劑量應(yīng)加大。由于該層自然冰晶濃度稍大于閾值(20L-1),作業(yè)層溫度為-0.56℃,因此對(duì)該云層使用碘化銀催化是不合適的(注:河北增雨作業(yè)使用的催化劑是碘化銀復(fù)合配方,核化閾溫為-4℃,云室檢測(cè)成核率在-10℃以下為1.03×1015個(gè)·g-1)。圖3c為13日增雨作業(yè)過(guò)程4800m高度云微物理特征量水平分布情況。從圖3c中可看出,該層大氣溫度為-1.70℃,云區(qū)內(nèi)云滴平均數(shù)濃度達(dá)16.4cm-3,最大云滴數(shù)為55cm-3;云中液態(tài)水含量豐富,在11:41~11:54時(shí)間段內(nèi),冷云區(qū)內(nèi)液態(tài)水含量>0.1g·m-3,冰晶粒子幾乎沒(méi)有,在這種情況下可播性很強(qiáng)。一些研究表明,液氮在0~-5℃時(shí),成冰核率>1×1010個(gè)·g-1。因此,鑒于作業(yè)層的溫度,29日和13日可以考慮使用液氮或液態(tài)CO2等制冷劑進(jìn)行催化。觀測(cè)記錄表明,13,28和29日飛機(jī)預(yù)設(shè)增雨作業(yè)高度為5100,5400和5400m(表3),而實(shí)際作業(yè)高度為4800,4807和5420m。由此可見(jiàn),預(yù)設(shè)作業(yè)高度并不是十分合理,在飛機(jī)性能條件允許的情況下,可以適當(dāng)提高或降低作業(yè)高度,人工增雨的效果可能會(huì)更好。從云物理學(xué)角度出發(fā),結(jié)合前人的分析經(jīng)驗(yàn),對(duì)層狀冷云,在負(fù)溫區(qū)一定范圍內(nèi)有一定量的過(guò)冷水存在,一般認(rèn)為過(guò)冷水含量>0.1g·m-3,且存在一段時(shí)間,認(rèn)為有一定的降水催化潛力,并將此區(qū)稱為人工降水催化潛力區(qū)。按照PER定義降水潛力為其中:K為在負(fù)溫區(qū)總飛行時(shí)間;K1為在負(fù)溫區(qū)飛行過(guò)程中過(guò)冷水含量>0.1g·m-3的飛行時(shí)間;η表示具有過(guò)冷水含量的云層(有催化潛力的云層)占整個(gè)探測(cè)云層的百分比。表4給出了2007年9月13日和29日降水潛力的估算值。從以上分析結(jié)果來(lái)看,13日降水潛力較大,通過(guò)地面場(chǎng)站的觀測(cè)記錄來(lái)看,當(dāng)天作業(yè)區(qū)普降小到中雨,與推算潛力相符。5云滴直徑和高度的變化(1)高層云底部云滴數(shù)大于中上部,云滴數(shù)變化范圍在10~120cm-3之間,云滴平均直徑為9.21μm,底部平均直徑為8.19μm,中上部平均直徑為11.66μm,隨高度增加粒子直徑增大;最大云中液態(tài)水含量為0.25g·m-3,底層平均云中液態(tài)水含量為0.025g·m-3。層積云中上部數(shù)濃度高于底部,云滴數(shù)濃度變化范圍在10~80cm-3之間;云滴平均直徑為7.56μm,總趨勢(shì)隨高度增加云