山西層狀云降水微物理結構特征的觀測研究

封秋娟++李培仁+楊+俊梅++申東東++李義宇++孫鴻娉

摘 要：利用2012-04-23—24常規天氣、衛星云圖、天氣雷達和兩架次DMT探測資料研究影響山西的一次典型冷鋒層狀云降水云系的結構特征。研究表明，高空槽和地面冷鋒是導致降水發生的主要影響因素。PPI回波呈西南-東北走向的帶狀云系分布，回波強度集中在20～35 dBz。冷鋒過境前后，云中微物理量要素變化差異較大。鋒前云系云粒子譜呈多峰型分布，并且隨著高度的增加，譜寬也會由寬變窄，鋒前云系比鋒區云系譜的變化更復雜。

關鍵詞：層狀云；微物理結構；鋒區云系譜；降水云系

中圖分類號：P426.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.036

在不同的天氣系統和地形條件下，層狀云系的宏觀、微觀結構和降水物理過程具有多變性和復雜性，所以，在開展人工影響天氣的工作時，要重點研究各類天氣系統在不同地理條件下的云雨規律。2008年，山西省人工降雨防雹辦公室利用引進的美國粒子測量技術（DMT）在山西進行云降水觀測外場試驗，深入研究了人工增雨的氣象條件和增雨技術等內容，并對山西省降水云系的宏觀和微觀物理特征、云結構、降水機制、云物理概念模型、催化條件綜合判別、作業技術等進行了比較系統的研究，取得了一定的成果。因為飛機飛行會受復雜氣象條件的制約，所以，山西省飛機人工增雨作業的目標云系主要是相對比較穩定的層狀云系。此次目標云系是山西地區的主要降水云系。為了提高人工催化的效果和成功率，必須詳細了解層狀云的微物理結構，更好地選擇作業時機和最佳作業部位。本文利用機載粒子測量系統探測2012-04-23—24山西省一次降水性層狀云系，并結合MICAPS、雷達和衛星等資料分析層狀云系的宏觀和微觀特征，討論了云帶的水平和垂直結構特征。

1 資料來源和分析方法

此次探測使用運-12飛機，機載美國DMT云物理探測系統，包括空氣狀況探頭ADP（Air-Data Probe）（用于測量溫度、濕度、相對濕度、空氣的靜態氣壓和動態氣壓、風速、風向、GPS軌跡等）、云粒子探頭CDP（Cloud Droplet Probe）、云粒子圖像探頭CIP（Cloud Imaging Probe）、降水粒子圖像探頭PIP（Precipitation Imaging Probe）和空速管等，它們的主要參數詳見表1.這些探頭分別安裝在飛機兩側機翼的下方。飛機上安裝的其他探測儀器還包括溫、濕度探頭和北斗地空通訊系統，它們主要提供的是飛行軌跡、飛行高度、航向、溫度和濕度等信息。

2 天氣系統、衛星云圖、雷達回波特征

2.1 天氣系統分析

2012-04-23T08：00，500 hPa歐亞中高緯度環流為兩槽兩脊型，溫度槽落后于高度槽，山西受槽前弱脊的控制，在貝加爾湖至新疆一帶有一橫槽，河套西南部到四川東部存在高原槽；20：00，橫槽略向東移，南部高原槽東移，山西受槽前西南氣流的影響。2012-04-24—25，隨著橫槽轉豎和西風槽東移，再加上貝加爾湖冷渦不斷有冷空氣分裂南下，地面氣壓梯度不斷增大。700 hPa南北向切變線位于河套以西，切變線以東有風速

≥12 m/s的大風帶，2014-04-24T20：00，切變線東移至山陜交界處，當切變線移過山西省，山西轉為由西北風控制。850 hPa東北西南向的切變位于內蒙古到甘肅一帶，山西受偏南風控制，濕度大值區（（T-Td）≤4 ℃）位于河套內；2012-04-23T20：00，切變線東移南壓到山西北部，河套內新形成一條切變線；2012-04-24T08：00，山西省北部轉為西北氣流控制，河套內切變東移至長治晉城一帶，影響山西南部地區。在地面圖上，山西省處于地面倒槽前部。2012-04-23T11：00，地面倒槽東移發展，17：00，倒槽維持，并在內部新生成一個低壓，20：00，倒槽控制山西，高空不斷有冷空氣南下，冷空氣在河套西部不斷聚集。2012-04-24T08：00，一直控制山西的倒槽東移出山西，同時，地面冷鋒東移到山西西部。受冷鋒過境和鋒后氣壓梯度力的影響，山西出現了大風天氣。受高低空形勢的共同影響，山西降水過程從2012-04-23夜間開始到2012-04-24T17：00基本結束，大部分地區降小雨，部分地區有中到大雨，局部有暴雨。

2.2 衛星云圖分析

如圖1所示，紅外衛星云圖的云帶走向與高空槽線的走向一致，云系連續密稠，由多層云組成，云帶邊帶比較光滑。從2012-04-23T23：30—2012-04-24T06：30，隨著地面倒槽東移發展，云帶變寬，向冷區凸起，色調變淡，中高云變多，云帶分布在山西的中北部。2012-04-24T10：30，山西受地面冷鋒控制，全省分布均勻的片狀云系，基本為層狀云，云系的后邊界不光滑，色調變暗。15：30，云系逐漸移出太原。

2.3 雷達回波特征

如圖2所示，從華北雷達回波拼圖上可以看出，2012-04-23T19：00，大范圍云系在陜西和內蒙交界處，呈西南-東北條狀走向分布，并逐漸向東發展，云系回波不均勻，最強回波中心為45～50 dBz。21：00，回波移入山西西北部，同時，在陜西延安、西安一帶生成了不均勻塊狀強回波。23：00，山西西部形成南北向的強回波帶，強回波帶東移，并且范圍不斷擴大。2012-04-24T03：00，回波帶進入山西太原境內，03：00—11：00，山西中部地區覆蓋大范圍穩定的層狀云降水回波，回波強度主要集中在25～35 dBz，山西中部普遍降小到中雨。08：27—09：43，飛機在太原、靈石上空穿云飛行。11：00回波逐漸東移，14：00移出太原，14：00—16：00，太原以南分布著均勻的層狀云回波，回波強度主要集中在20～30 dBz，13：19—15：52，在山西東部地區盂縣、陽泉、和順等地進行探測飛行。

4 結論

選取2012-04-23—24山西出現的一次典型冷鋒層狀云降水云系進行觀測。研究表明，此次典型層狀云系降水為系統性降水，高空槽和地面冷鋒是引發降水的主要因素。衛星云圖上有與高空槽線走向一致的云帶，云帶連續密稠，由多層云組成，云帶邊帶比較光滑。雷達PPI回波圖上顯示了西南-東北走向的帶狀云系分布情況，回波強度主要集中在20～35 dBz。

冷鋒過境前后，云中微物理量要素變化差異較大。鋒前云系平均云滴濃度比鋒區云系大一個量級。冷鋒過境后，冰晶濃度減小，冰晶直徑增加，而雪晶濃度和雪晶平均直徑都在增加。在同一高度層上，云滴濃度、云滴直徑和云水含量的起伏比較大。這說明，云系水平分布不均，粒子濃度和含水量突起處可能是層狀云中嵌有較弱的對流泡所致。鋒前云系云粒子譜呈多峰型分布，并且隨著高度的增加，譜寬也由寬變窄。鋒區云系Sc云譜型呈單峰分布，As云譜型在云底部分布不連續，譜會隨高度的增加而拓寬，在云頂部呈雙峰型分布。鋒前云系比鋒區云系譜的變化復雜，這可能與鋒前云系發展旺盛、高層有卷云有關。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕