一次东北冷涡过程的宏微观物理特征分析

李冬楠 刘星光 高倩楠, 袁潮 李鹏 安英玉

(1 中国气象局云雾物理环境重点开放实验室，北京100081； 2 黑龙江省人工影响天气办公室， 哈尔滨150030； 3 成都信息工程大学，成都610103)

引言

自然云降水的形成是一个复杂的过程，降水的物理机制不仅受到宏观的动力、热力等条件的重要影响，也与云的微物理结构特征密切相关。因此，对云中微物理过程的研究是云降水形成过程和人工影响降水的重要基础，也是人工影响天气飞机观测的重要内容。

飞机探测是观测云-降水探测和云微物理结构的最直接的重要手段之一，我国自20世纪80年代引入机载探测设备以来，做了大量的观测研究实验。黄美元和洪延超(1984)[1]、牛生杰等(1992)[2]和陈文选等(2001)[3]较早地分析了层状云的不均匀结构。随着飞机观测手段的不断成熟和技术设备的改进，我国也有越来越多的飞机观测研究。苏正军(2000)[4]、彭亮(2007)[5]、李义宇(2012)[6]、庞朝云(2016)[7]、张磊(2013)[8]分别对一次华北冷涡降水过程、河南春季降水过程、山西锋面云系降水过程、甘肃层状云降水过程、北京层状云降水过程进行云微物理的飞机观测研究。此外，还有一些学者利用多架次飞机观测数据对某特定区域、时段进行了统计分析研究，张佃国[9]等用山东省28架次数据分析了云中过冷水和冰晶浓度分布特征，孙鸿娉[10]等用山西省64架次飞机探测资料统计分析层状云系的宏微观特征，黄梦宇[11]等人利用1990年秋季和1991年春季层状云12架次云及降水的微物理特征探测，分析了云微观特征和垂直分布。

不同地区的云和降水微物理特征因气象和地形条件的差异会有所不同，因此对不同地区不同类型云系进行云微物理探测，更有助于人们全面了解降水云机制。张正国[12]等研究广西秋季层状云宏微观物理结构特征，李思聪[13]等研究了我国东部层积云发展过程中云微物理特征和云微物理机制的演变，蔡兆鑫[14]等在山西省做了大陆性积云不同发展阶段宏观和微观物理特性的飞机观测研究，王黎俊[15]对三江源地区秋季多层层状云微物理特性进行研究，探讨云粒子增长机制，齐彦斌[16]分析了东北冷涡中对流云带的宏观特征和微物理结构。

东北冷涡是具有深厚冷心结构的涡旋，是影响我国北方的主要天气系统之一，以春末和夏初活动最频繁，在稳定的大尺度环流背景下，可导致大范围强降水的频繁出现[17]。在春季干旱的背景下，东北冷涡是东北各省实施人工增雨作业的主要天气系统。因此，了解不同发展阶段的云宏微观结构特征、研究涡旋云系在不同动力和热力条件下的降水机制是具有现实意义的。

本文对2019年5月20日处于东北冷涡发展期的暖式切变线位置云区进行飞机探测，结合高空、地面、卫星云图产品等常规气象数据，分析东北冷涡天气过程云系宏观特征和微物理结构。

1 天气概况

2019年5月20—21日，受东北冷涡影响，我国东北地区出现大范围降水天气。由图1可以看出， 在500 hPa高空天气图上，涡中心位于吉林和黑龙江交界处，外围有3条闭合等高线，温度场位相落后于气压场，系统深厚且处于发展期。地面有东北气旋配合发展，低涡中心、地面气旋中心基本重合，冷涡发展趋于成熟。从地面6 h降水落区和环流的配合来看，降水范围较大，强降水位于低涡中心和低层暖式切变线附近，其中低涡中心降水强于暖式切变线附近。

图1 2019年5月20日08:00 500 hPa天气图(a)和地面填图(b)

2 飞机探测概况

2.1 飞行探测情况

本次飞行探测时间为2019年5月20日05:07—09:40，飞机在东北冷涡的前沿云系飞行探测。GPS测量的飞机三维航迹如图2所示，飞机从黑龙江省肇东机场(海拔高度140 m，地面温度6.7 ℃)起飞，向东北方向飞行到黑河北安市，上升至海拔高度4000 m进行平飞探测，根据飞行高度随时间变化图，飞机在4000 m高度平飞20 min后，以300 m为一个高度层进行垂直探测，每下降一个高度层(300 m)平飞探测5 min，下降至2200 m海拔高度后，重新爬升至4000 m进行催化剂播撒作业。播撒作业后，返回至肇东机场(图3)。此次探测飞行共耗时4 h 33 min。

温度特征层0 ℃层高度在1100～1200 m，飞行及探测过程中机身表面出现中度积冰。

图2 2019年5月20日飞机GPS航迹

图3 2019年5月20日飞行高度与温度的时间变化

2.2 观测仪器介绍

本文利用空中国王350飞机作为此次飞行探测平台，机上装载美国SPEC(Stratton Park Engineering Company)公司的机载探测设备和美国DMT (Droplet Measurement Technologies) 机载云物理探测系统。本次观测中使用的探测仪器包括：云粒子探头CDP (Cloud Droplet Probe)，量程为 3～50 μm，分为30 个通道；二维云粒子图像探头CIP(Cloud Imaging Probe)，探头的测量范围为25～1550 μm，分为62个通道，分辨率为25 μm；云粒子图像探测仪CPI(Cloud Particle Imager)，精度2.3 μm，可观测得到云粒子照片；液态水含量(LWC)(Liquid Water Content)传感器，测量云中液态含水量，测量范围0～3 g/m3，温度范围-40～40 ℃，高度范围0～12 km，湿度范围0～100%；空气状况探头AIMMS-20，用于测量温度、湿度、相对湿度、空气的静态气压和动态气压、风速、风向、GPS 轨迹(包括飞行经度、纬度、高度的三维坐标显示)等。

3 云宏观特征

图4为5月20日08:00红外云图4a和可见光云图4b，通过红外云图和可见光云图的对比分析可以发现，涡旋云系结构清晰，发展旺盛，覆盖了我国东北大部分地区。红外云图对涡中心体现的较为明显，涡旋云内部以中、低云为主，外围云带呈螺旋状向远处铺展，在可见光云图上，冷涡中心以对流云为主，距离涡中心越远，云系越发白色高亮，云系厚实紧密。飞机起降和探测作业区域在图中用红色框标出，其中飞机起降区域(红色框1)在低涡前部的偏南气流中，探测区域(红色框2)在低涡前部的暖式切变线、靠近涡中心的一侧。从卫星云图上看，起降区域云体结构不连续，厚度不均匀；探测区域云体相对均匀密实。

从图5卫星反演产品可知，5月20日08:00在探测飞行区域内，云顶高度4000～6000 m，云顶温度-25～0 ℃，飞机在云中飞行探测。

4 云微物理结构特征

4.1 云微物理量的垂直分布特征

飞机在4000 m高度平飞探测和在东北冷涡暖式切变线所在区域(图4中红色框线2范围内)的2200～4000 m的垂直探测过程中的云微物理总体情况，如图6所示，CDP探测到粒子数浓度(图6a)、CIP探测到粒子数浓度(图6b)和液态含水量(图6c)随高度的垂直分布变化。在垂直探测范围内，云分3层：底层云在2300 m以下，中层云在2500～3200 m，上层云在3400 m以上。从图6a可见，CDP在2200～2300 m、2500～3200 m之间有两段幅度较小的起伏变化，粒子数浓度变化区间在101量级范围内；3400 m以上，粒子数浓度随高度增加迅速增大，在3568 m处达到数浓度最大值354.81 cm-3，随后随高度增加减小。从图6b可见，CIP探测到粒子数浓度垂直分布不均匀且不连续， 2500～3200 m粒子数浓度较高且较为均匀、变化幅度较小；在3400 m入云，粒子数浓度迅速增大，最大值出现在3650 m高度，达到191.08 L-1，粒子状态多为大云滴和冰雪晶等。从图6c可见，液态含水量垂直分布范围为4000～2200 m，在0 ℃层以上的高度，为过冷云滴，并且含量较为丰富，在3636 m含水量达最大值为0.88 g/m3，同时与图6a、b相比较，液态含水量随高度的垂直分布与粒子数浓度变化一致。

图6 2019年5月20日飞机探测过程中3种探测器探测粒子数浓度随高度分布：(a)CDP,(b)CIP,(c)LWC

飞机起降区域(图4中红色框线1范围内)的云微物理垂直特征，如图7所示，CDP、CIP、LWC 3类探测数据在垂直方向上也存在分层特征。大值区位置一致表现在900～1700 m，波峰在1468 m，CDP、CIP、LWC对应峰值分别为362.10 cm-3、149.12 L-1、0.676 g/m3，属低云类、冷云。在2000 m以上，3类探测数据特征不一：LWC在垂直方向上一直存在着大小不一的连续性分布，并在2872 m、3343 m有两处峰值，其中2872 m处的波峰与CDP、CIP有较好的对应，但在3343 m处只有CDP与之对应，说明这个高度的云主要是25 μm以下的小云滴。在其它高度上，LWC的单独存在，可以推测认为是云中存在尺度超过1.5 mm的降水，或在层状云中存在较弱的对流泡。

图7 2019年5月20日飞机起降过程中探测粒子数浓度随高度分布：(a)CDP,(b)CIP,(c)LWC

对比分析东北冷涡暖式切变线(即主要探测区域)和涡前部偏南气流区(即飞机起降区域)的云微物理垂直特征发现，在2200 m以上前者的云水更为丰沛，说明该区域云雨转化的条件更为有利。

4.2 不同高度粒子谱特征

图8a、b分别为CDP和CIP各个高度层的粒子谱分布图，分别取3999、3703、3400、3098、2800、2489、2198 m各高度上CDP和CIP的5 s数据并取平均值作为一个高度层的代表数据，对比云的微物理参数变化。

CDP的云粒子谱分布呈指数型下降，云滴数浓度随云滴直径增大而迅速下降，粒子直径为3 μm时，各高度层粒子浓度均较高；粒子直径大于10 μm时，粒子数浓度为10-2量级。粒子谱谱宽较窄，当粒子直径小于10 μm时，粒子谱连续；在3098 m、2489 m高度时还可以少量观测到直径为30 μm的较大粒子。粒子数浓度在高层3703 m、3999 m时较高，为101量级；在中层3400、3098、2800 m，粒子数浓度为100量级；而在低层2489、2198 m，粒子数浓度较低为10-1量级。

CIP各高度层云粒子谱呈双峰型分布，具有云粒子胶性不稳定特征。对比各层发现：在3000 m以上云粒子谱普遍谱宽较窄，其中3700 m谱宽最窄， 3098 m粒子数浓度比其他高度层小1～2个量级；在3000 m以下的云粒子谱较宽但不连续，粒子直径大于700 μm时粒子数浓度开始呈上升趋势，粒子直径大于1000 μm时，仍有不连续分布,其中2489 m高度层粒子数浓度均较大，且谱宽范围最大。通道bin1测得直径为25 μm小粒子浓度较高，可能是有破碎粒子增加了小粒子浓度的原因。

4.3 不同高度CPI粒子图像

从CPI探测到的粒子二维图像资料(图9)可以看出，晶体形状有很大不同，包括枝状、星状、片状和柱状等。

图9a、b、c、d分别取自飞行高度2200 m、2500 m、2800 m、3100 m时CPI所观测的粒子照片，温度范围-4.7～-3.4 ℃(有逆温层存在)，可以看出有明显的冰晶聚合体和针状、柱状冰晶粒子以及液态形态的过冷水滴。粒子在该层有粘连现象，且外围部分有融化现象。该层含有过冷水较为丰富，是过冷水和冰晶粒子的共存区，可能发生冰相粒子的凝华过程。

图8 不同高度上各探头探测的粒子谱：(a)CDP,(b)CIP

图9 CPI所探测到的不同高度处的二维粒子图像

图9e、f和g、h分别为飞行高度3407 m(-6.8 ℃)和3711 m(-9 ℃)的粒子照片，飞机观测发现有冰晶聚合体和枝状冰晶以及小冰晶粒子。图9e中显示针状冰晶在下落过程中吸附环境中的过冷水产生凇附，而在该层大多数粒子仍以过冷水滴和小冰晶形态存在，水滴不断蒸发水汽，水汽在冰面上凝华，冰晶核化长大，贝吉龙过程活跃，促进过冷水向冰相转化。

图9i、j、k、l均为4000 m(-11.4 ℃、-12.9 ℃)高度时探测到的粒子照片，主要有体积较小的片状冰晶粒子，是冰雪晶粒子的增长层，由于温度低，该层也有以冰晶的核化和凝华增长现象，在冰晶的凝华增长过程中消耗过冷水，发生贝吉龙过程。此外，仍然可见冰晶粒子之间的粘连聚合现象，也有清晰成形的雪晶粒子。

5 结论

(1)此次过程受东北冷涡影响，我国东北地区出现大范围降水天气，涡旋云系结构清晰，发展旺盛。地面有东北气旋配合发展，降水范围较大，强降水位于低涡中心和低层暖式切变线附近。飞机探测区域的0 ℃层高度在1100～1200 m，本次降水为冷性层积混合云降水。

(2)飞机在东北冷涡暖式切变线附近的垂直探测过程中，云体分层，总体较厚，CDP和CIP观测的粒子数浓度最大值分别为354.81 cm-3、191.08 L-1，液态含水量最大值0.88 g/m3；在冷涡前部偏南气流的探测区域内， 2000 m以下的低云较为明显，CDP和CIP观测到的粒子数浓度最大值分别为362.10 cm-3、149.12 L-1，液态含水量最大值0.676 g/m3，但在2000 m以上的云水少。二者对比表明，东北冷涡暖式切变线处在2000 m以上的云粒子谱更宽、云水更为丰沛， 更有利于形成较大降水。

(3)CDP各高度层云粒子谱呈指数型下降，粒子谱谱宽较窄；CIP的云粒子谱呈双峰结构，云粒子具有胶性不稳定的特征，利于云发展并维持降水。层积云上部主要为冰雪晶粒子，以冰晶的核化和凝华增长为主，且有较清晰成形的雪晶；中上部粒子主要为小冰晶，也有冰晶聚合体和枝状冰晶；中下部是过冷水和冰晶粒子的共存区，过冷水较为丰富。