理論與實踐: 一次雨夾雪降水過程人工增水作業(yè)的綜合觀測研究
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作者：鄭曉敏
引 言
中國北方適宜增雨的主要天氣系統(tǒng)是弱不穩(wěn)定條件下的層狀云系，國內(nèi)外對層狀云系的降水特征及人工催化物理響應(yīng)進(jìn)行了大量研究。
國外從20世紀(jì)70年代開始觀測層狀性降水云系的結(jié)構(gòu)特征，并研究人工催化的物理響應(yīng)。Hobbs在Cascade冬季云降水和人工影響試驗中，發(fā)現(xiàn)催化后降雪粒子從霰粒子變?yōu)檠﹫F(tuán)或雪晶，認(rèn)為有改變降水落區(qū)的效應(yīng)(Houze et al，1979)；Hobbs等對美國溫帶氣旋云系和地形云進(jìn)行了探測試驗，提出FSSP探頭觀測到云中大于2)μm的粒子總濃度超過10 cm-3時判斷為人云( Rangnoet al，2005)。在20世紀(jì)80年代的里羅拉多冬季地形云影響計劃COSE（1979 1985年）中發(fā)現(xiàn)人工催化會在目標(biāo)云中產(chǎn)生高濃度冰核，并建立了降水物理和人工影響的概念模型。Fleishauer等(2002)在美國中部和北部大草原進(jìn)行了6個中層云系的飛機(jī)測量，發(fā)現(xiàn)云厚：400～1500 m，云中液態(tài)含水量：0.005～0.35 g．m-3，云中溫度：0～
- 31℃。在中層云系中，冰濃度和冰水含量(IWC)都不與溫度相關(guān)，最高的IWC數(shù)值被發(fā)現(xiàn)在8～-20℃；Gamache等(1982)認(rèn)為當(dāng)降水云系的雷達(dá)反射率因子大于38 dBz時為對流云降水。
國內(nèi)從1 958年開展人工影響天氣的研究。游來光等(2002)發(fā)現(xiàn)適合增雨的層狀云中存在“播種云和供水云”即中云和低云的配置，且兩者間常有干層。陶樹旺等( 2001)提出，F(xiàn)SSP-100探測的粒子濃度不小于20 cm-3的云區(qū)才才具有一定的可播性。其中2D-C探測的大粒子濃度小于20 L-1時，可確定為強(qiáng)可播區(qū)，否則為可播區(qū)。胡志晉等(1983)結(jié)合數(shù)值模擬研究探討了層狀云降水的機(jī)理和人工增雨的可能性。孫霞等(2012)分析了層積云中微物理
量的垂直分布特征。汪玲等(2015)等利用新一代天氣雷達(dá)作業(yè)前后回波的變化分析人工增雨效果。石愛麗等(2013)、高茜等(2011)、王永生等(1980)和魏東等( 2011)研究發(fā)現(xiàn)云系中含有比較豐富的過冷水，冰晶粒子濃度不是很多時，這種水成物的配置存在引晶催化的增雨潛力。周毓荃等( 2014)研究了不同催化方式催化劑擴(kuò)散規(guī)律和有效范圍，實現(xiàn)目標(biāo)區(qū)充分催化的作業(yè)設(shè)計等問題。
目前，層狀云飛機(jī)增雨作為一項業(yè)務(wù)在我國北方地區(qū)逐步開展起來，如何整合地面雨滴譜、探空、飛機(jī)穿云直接探測、雷達(dá)、衛(wèi)星和地基微波輻射計遙感等探測資料綜合研究層狀云催化相應(yīng)機(jī)制，使增雨作業(yè)更科學(xué)、更經(jīng)濟(jì)和業(yè)務(wù)上更具可操作性成為當(dāng)前人影工作的重要課題。本文遵循行業(yè)專項總體思路，對層狀云進(jìn)行多手段探測，在此基礎(chǔ)上研究層狀云催化物理響應(yīng)問題，為人工增雨業(yè)務(wù)提供參考。
1 資料和飛行概況
本次試驗主要觀測設(shè)備和儀器有：夏延ⅢA3625增雨飛機(jī)及機(jī)載PMS探測儀、溫度儀、GPS定位儀、多普勒雷達(dá)、探空和雨量觀測儀器等，并獲取相關(guān)資料。
作業(yè)飛機(jī)09：42從正定機(jī)場起飛，平飛到石家莊后，在石家莊到高邑之間做分層催化作業(yè)(1072、1374、1989、2598、3177、3915、4531、5117、5723、6337和6926 m)，作業(yè)時間為10：05-12:05，作業(yè)后，在元氏附近做垂直穿云探測，12：28返回機(jī)場，作業(yè)燃放18根碘化銀煙條，該煙條碘化銀成核率1. 03×1015個·g-1（溫度 10℃）。表1給出了探測時間、高度、區(qū)域、飛行狀態(tài)、機(jī)上宏觀記錄等資料。
2 天氣形勢、云系演變、雷達(dá)特征、探空及飛機(jī)探測分析
2.1 地面降水的時間分布
安裝在河北省氣象大廈16樓平臺的雨滴譜儀采用平行光束和光電管陣列組合，測量穿越采樣空間的粒子大小和個數(shù)。本次降水為雨夾雪天氣過程，08時前后主要降雨，10時以后云底高度僅250 m，O℃溫度線在云底附近，石家莊市飄起雪花，對雪花粒子大小的測量可能有些偏差。雨滴譜儀觀測的分鐘雨量顯示：09時以前出現(xiàn)2個峰值，09時左右地面停止降水，10時以后出現(xiàn)4個降水峰值。雨滴譜顯示，雨強(qiáng)最大時，出現(xiàn)密集小雨滴，直徑在1～2 mm，同時也有5～10 mm雪花。08時雨強(qiáng)最大，對應(yīng)的衛(wèi)星云圖反演的有效粒子半徑最大，播撒后11時左右降水出現(xiàn)了極值，對應(yīng)的云水路徑和光學(xué)厚度出現(xiàn)了極大值，有效粒子半徑和云頂高度、溫度分別出現(xiàn)了極值，14時前后再次出現(xiàn)了降水和衛(wèi)星反演因子的極值對應(yīng)關(guān)系。雨滴譜顯示雨強(qiáng)與強(qiáng)雷達(dá)回波有較好的對應(yīng)關(guān)系，雷達(dá)回波強(qiáng)度在15 dBz以下時無降雨，11時強(qiáng)降水對應(yīng)35 dBz的強(qiáng)雷達(dá)回波；13時以后，降水強(qiáng)度逐步減小，回波強(qiáng)度不超過30 dBz。
2.2天氣系統(tǒng)
圖1顯示，500 hPa中高緯度環(huán)流形式為兩槽一脊，高壓脊位于貝加爾湖西側(cè)；中低緯度為西風(fēng)槽，位于陜甘及以南地區(qū)，并且溫度場落后于高度場，西風(fēng)槽將加強(qiáng)發(fā)展。此時500 hPa河北省以偏西風(fēng)為主，河北中南部有弱脊控制。700 hPa（圖略）位于黃河中游及南部一帶西風(fēng)槽前的西南氣流控制河北地區(qū)，并且有低空急流（風(fēng)速>12 m·s-1）配合，在河北的中南部風(fēng)速迅速減小，有顯著的風(fēng)速輻合，此外河北處呈東西走向的等溫線較為密集，溫度梯度較大，西南氣流將暖濕空氣不斷地向河北輸送并聚集。850 hPa河北區(qū)域為東北回流形勢，處于冷高壓控制，并且有冷舌配合；在河北中南部有偏東風(fēng)急流，結(jié)合河北西部太行山地形作用，低層有明顯的爬坡上升運(yùn)動。地面圖（圖略）同樣表現(xiàn)為東北回流氣壓形勢場，冷高壓控制河北地區(qū)，并且不斷有冷空氣南下補(bǔ)充．由于我國西南地區(qū)有強(qiáng)大的低壓存在使得冷高壓一直在河北一帶維持，河北中南部以偏東風(fēng)為主。
綜上所述，此次降水天氣系統(tǒng)是以地面冷高壓和低層850 hPa偏東風(fēng)作為冷墊，中高層西南暖濕氣流沿著冷墊爬升形成的河北中南部層狀云降水天氣系統(tǒng)。
2.3 衛(wèi)星云圖及反演產(chǎn)品
衛(wèi)星云圖（圖2）顯示，山西、陜西一帶有多個衛(wèi)星亮區(qū)呈西南東北向排列。08：03河北中南部受中低云系影響，其中石家莊、衡水出現(xiàn)塊狀亮區(qū)，地面伴有較強(qiáng)降水；09:03前后塊狀亮區(qū)消失，10:03多片亮塊開始移向作業(yè)區(qū)，10：05-12：05作業(yè)期間，作業(yè)影響區(qū)和對比區(qū)均出現(xiàn)衛(wèi)星亮區(qū)，說明層狀云分多個云塊，且疏密不均。13：03-16：03云圖變亮，云頂抬高。作業(yè)期間3000 m以下以東風(fēng)為主，3000 m以上基本吹偏西風(fēng)，云塊組成的云系向東移動，飛機(jī)實測移動速度約80 km．h-l；07：03石家莊開始降雨，隨后出現(xiàn)雨夾雪；09:30左右第一塊云團(tuán)過境后，出現(xiàn)近一小時降水間隙；10：03后第二塊云團(tuán)開始影響石家莊等地，由于第一塊云團(tuán)過后，近地面明顯降溫，石家莊大雪紛飛；12：15第二塊云團(tuán)過后，又出現(xiàn)半小時降水間隙；13:45-14:20受第三塊云團(tuán)影響再次產(chǎn)生降水；主要云團(tuán)過境后，受幾個小云團(tuán)影響，當(dāng)?shù)赜侄啻谓敌⊙�，直�?9：30，降水系統(tǒng)完全過境，降水結(jié)束。
衛(wèi)星反演光學(xué)厚度顯示，08：03-10：03河北南部出現(xiàn)片狀云區(qū)，呈東西向排列，光學(xué)厚度為14～36，石家莊西部出現(xiàn)大片云塊，光學(xué)厚度普遍達(dá)36。10：03-12:03作業(yè)區(qū)云塊光學(xué)厚度維持在32～36；南部對比區(qū)10：03光學(xué)厚度為14～32，11: 0313：03為32～36;北部對比區(qū)10：03光學(xué)厚度為12～20，11:03-13：03為20～36;13:03 14:03河北南部地區(qū)光學(xué)厚度普遍32～36，15:03以后光學(xué)厚度開始下降，至16：03光學(xué)厚度已降到14～24。同時．10：03-14:03邢臺探空站光學(xué)厚度始終處于32～36高值區(qū)中。
衛(wèi)星反演液水路徑顯示，08:03液水路徑大值區(qū)呈碎塊狀東西向排列，作業(yè)區(qū)位于大值區(qū)中央，最大值為1100 mm;邢臺探空站處于液水路徑大值區(qū)南部，其值為200 mm左右。10：03-12：03作業(yè)區(qū)的液水路徑維持在600～1100 mm，兩側(cè)對比區(qū)液水路徑在200～900 mm。09：03之前有效粒子半徑高值區(qū)呈東西向排列，10:03 12：03有效粒子半徑的平面分布特征類似于同時間雷達(dá)回波的平面分布特征（圖3），作業(yè)期間粒子有效半徑在25～35-um之間；飛機(jī)作業(yè)結(jié)束后(12:05)，整個影響區(qū)粒子有效半徑基本維持在30 )μm左右（圖略）。
2.4 雷達(dá)資料分析
圖3顯示，10:36-12:00回波帶中心為東西走向，降水云呈尖頭大尾的燕狀形向東移動，這與衛(wèi)星云圖存在明顯差異，可能由于中低空風(fēng)向與高空風(fēng)向不一致造成的。石家莊到高邑催化線處于降水云東移路徑的中心，欒城到衡水一線位于催化影響中心，影響區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)雷達(dá)回波帶，最強(qiáng)雷達(dá)回波達(dá)35 dBz。影響區(qū)兩側(cè)對比區(qū)，雷達(dá)回波明顯弱，北部對比區(qū)雷達(dá)回波為15～25 dBz，南部對比區(qū)（如邢臺站）直到11: 24才出現(xiàn)20 dBz雷達(dá)回波，說明南部受系統(tǒng)影響較晚。13：00-15：18影響區(qū)雷達(dá)回波減弱，南部對比區(qū)出現(xiàn)多片30 dBz強(qiáng)雷達(dá)回波，而影響區(qū)和北部對比區(qū)雷達(dá)回波不超過25 dBz。邢臺處于系統(tǒng)中心南部邊緣，受系統(tǒng)影響較晚，探空觀測的生消時間比作業(yè)區(qū)出現(xiàn)2～3 h的時滯。結(jié)合圖2和雨滴譜資料發(fā)現(xiàn)，黃色亮帶云團(tuán)與大于20 dBz雷達(dá)回波及地面降雨有較好的配合關(guān)系。
2.5 探空資料分析
本次過程的探空資料由邢臺探空站觀測，探空站距飛機(jī)作業(yè)區(qū)100 km。探空資料顯示（圖4），08:00-11:00在2500～6500 m出現(xiàn)約4000 m厚的云層，層狀云開始形成。14：00在250～1500 m出現(xiàn)低云，中云和低云之間有600 m厚的夾層；云頂高度抬升，7800 m附近出現(xiàn)高云，這一階段稱為發(fā)展期；17：00三層云連為一體，至20:00最大云頂高度達(dá)13800 m，形成厚度為13500 m深厚云體，稱為成熟期；22:00云內(nèi)出現(xiàn)三個明顯干層，云層斷裂為四層，層狀云開始消散，稱為消散期。北方冷云在發(fā)展期往往含有豐富的過冷水，這一時間通常被認(rèn)為是有利于催化的時間窗口。雷達(dá)監(jiān)測顯示邢臺11:18出現(xiàn)雷達(dá)回波，12：00回波強(qiáng)度最大達(dá)到35 dBz，20：18回波逐漸消失。雷達(dá)觀測的云的生成、發(fā)展和消退與探空觀測結(jié)果一致。12:00回波強(qiáng)度最強(qiáng)，之后減弱說明降雨主要發(fā)生在發(fā)展期，且不斷降水限制了雷達(dá)回波強(qiáng)度的增加，成熟后層云高度明顯抬升，高云能夠提供足量的自然冰核，是否適宜催化有待進(jìn)一步研究。
08:00 11:00，云底有明顯逆溫，云頂有風(fēng)速切變。14：00以后，云底下壓，最低降到250 m，0℃層高度下移，整個云層始終處于O℃層高度以上，屬典型冷云降水。風(fēng)廓線顯示，地面始終吹東風(fēng)；850～700 hPa有明顯風(fēng)向切變，08:00 700 hPa以上為西風(fēng)或偏西風(fēng)；850 hPa以下為東風(fēng)或偏東風(fēng)；該層風(fēng)隨時間逐步轉(zhuǎn)向，至17：00變?yōu)槲黠L(fēng)，22:00 850～500 hPa轉(zhuǎn)為西北風(fēng)。
水面相對濕度大于84%作為判斷云層的閾值指標(biāo)，即圖中用綠色表示的部分。由于層狀云中氣流的垂直運(yùn)動速度通常較�。ㄒ话闶畮譪m．s 1），在層狀云發(fā)展的初期，云層的垂直發(fā)展主要是通過水汽凝結(jié)而形成的，降雨會壓低云底高度，上升氣流也會抬高云頂。因此，將云層中露點溫度線和溫度線基本重合的部分當(dāng)做凝結(jié)區(qū)。08：00-11：00，2000～5500 m溫度垂直廓線與露點溫度廓線貼近或重合，云內(nèi)水汽達(dá)到飽和，該云層為凝結(jié)區(qū)；14:00-20:00，溫度廓線和露點溫度廓線重合部分增加，云內(nèi)凝結(jié)區(qū)從2800～4000 m逐步擴(kuò)展到250～7000 m左右（除14：00在2000 m附近干層外）；22:00僅3800 m以下出現(xiàn)凝結(jié)區(qū)。凝結(jié)區(qū)存在過冷水（飛機(jī)宏觀記錄顯示對應(yīng)高度有結(jié)冰），空氣相對濕度接近飽和，冰面相對濕度隨溫度降低而升高。4000 m以下溫度較高，為-3.5～- 2'C，云內(nèi)存在豐富過冷水，冰面相對濕度廓線和水面相對濕度廓線貼近；4000 m以上溫度迅速降到-8.0～-3.50C，冰面相對濕度廓線大于并偏離水面相對濕度廓線，該層飛機(jī)實測有大量水滴和凇附。云的發(fā)展階段，3000～5500 m云層水汽和過冷水豐富，適宜催化。20:00層狀云處于發(fā)展盛期，22:00開始消散，云內(nèi)過冷水含量減少；7200～13800 m云層冰面相對濕度提高，但水面相對濕度已急劇下降到60%～80%，此高度基本為冰晶構(gòu)成的卷云，不適合人工催化。
探空資料與雷達(dá)、地面降雨觀測資料相比時間滯后，主要由于探空觀測點在邢臺站，探測點位于作業(yè)區(qū)南部60 km，該地受天氣系統(tǒng)影響較晚。
2.6播云條件與云的微物理特征分析
2.6.1 云可播條件微物理分析
陶樹旺等(2001)提出可播云區(qū)云物理判別條件是：小云粒子濃度不小于20 cm-3，當(dāng)大云粒子濃度小于20 L-1時，為強(qiáng)可播云區(qū)，否則為可播云區(qū)。利用該判別方法確定云區(qū)的可播性，起飛到降落整個飛行過程中，不滿足可播條件的用黑色實心圓點表示，滿足可播條件的可播區(qū)用空心圓表示，滿足強(qiáng)可播條件的用空心三角形表示，可以看出，飛機(jī)從開始播撒催化劑到結(jié)束作業(yè)，可播區(qū)占有很大比例(圖5a)。飛機(jī)起飛就碰到云層，整個上升段有三個
小云粒子高濃度區(qū)，分別在150、1000 m左右、3000～5800 m。云頂高度在6000 m，云層厚度約5000 m，小云粒子(FSSP)最大濃度700cHI-3，但云層疏密分布不均，水平波動在1～2個量級。在1072～1374 m和3177-5723 m小云粒子濃度大于20 Cm-3的區(qū)域比較多，適合催化作業(yè)，其中，3915～5723 m高度層強(qiáng)可播區(qū)域比較多，其他濃度大于20 cm-3的云層處于可播區(qū)。云內(nèi)小云粒子有效直徑10～20 μm，可播區(qū)或強(qiáng)可播區(qū)內(nèi)對應(yīng)的小云粒子較大，云外FSSP粒子有效直徑小于10 μm。
在航跡上的雷達(dá)剖面上（圖6）.11：00以前為一塊云，11:15以后為另一云塊．11：00 11:15在前、后云塊之間飛行。10：00 10：30雷達(dá)回波最強(qiáng)，1800～7500 m出現(xiàn)30 dBz回波帶．其中35 dBz強(qiáng)回波中心出現(xiàn)在3000~5000 m．該處對直圖5中強(qiáng)可播區(qū)。后一云塊明顯弱于前一云塊．30～35 dBz的強(qiáng)回波中心范圍明顯減少，且出現(xiàn)30dBz的回波垂直尺度僅2000 m左右，水平尺度小，穿過高濃度區(qū)時間短，測得的垂直可播區(qū)小，與機(jī)載觀測結(jié)果吻合。
云內(nèi)大云粒子(2DC)濃度在0～200 1-1，3915～5723 m之間出現(xiàn)2DC濃度低值，最小2DC濃度在20 1-l以下（圖sb）。云內(nèi)降水粒子(2DP)濃度在1～30 1-l，3180 m附近出現(xiàn)2DP濃度小于1L-1低值，10 71～13 79 m出現(xiàn)濃度超過10 1-1的高值，可能與上層降水粒子沉降有關(guān)。
2.6.2 云的微物理垂直分布特征
為了解云系的垂直結(jié)構(gòu)，飛機(jī)于11: 45在元氏附近從6924 m高度開始垂直盤旋下降，12：05下降到615 m高度（圖7）。850和700 hPa有風(fēng)向切變，且出現(xiàn)強(qiáng)逆溫，低云和中云有明顯干層；飛行觀測的宏觀記錄顯示：5280 m觀測有小水滴和雪花，溫度-17～-10℃，飛機(jī)中等顛簸，時有陽光透入，5766m為中云云頂，3036 m為中云云底，云厚2730 m；在飛機(jī)下降途中能觀測到水滴、霰、冰晶、雪花等粒子，中云粒子濃度隨高度分布不均，小云粒子濃度隨高度分布時大時小。低云云層在647～2307 m，厚度1560 m。云內(nèi)僅3050～3500 m可播，適播區(qū)明顯少于分層探測觀測結(jié)果，造成兩者差異的原因可能：一是垂直探測時間在11: 45 12：05，此時接近降雨間隙；二是因航行空域受限制，沒在預(yù)設(shè)區(qū)域飛行，垂直探測區(qū)云層較為稀疏；三是垂直探測時飛機(jī)斜穿過云塊，高濃度區(qū)水平尺度較小影響到探測的垂直可播區(qū)尺度，從而影響數(shù)據(jù)的代表性：四是該處垂直觀測資料使用的是飛機(jī)盤旋下降資料．采集數(shù)據(jù)小于正常值，影響數(shù)據(jù)的代表性。
圖7a小云粒子濃度隨高度的分布顯示，飛機(jī)下降階段小云粒子濃度呈多峰和單峰分布，分別在低云1190、1444和1875 m處及中云3288、3867、4880和5477 m處出現(xiàn)小云粒子濃度大值區(qū)，極值粒子濃度分別達(dá)到18.5、18.4、17.4及89.7、14.4、15.3和15.4 cm-3。小云粒子數(shù)濃度最大值出現(xiàn)在中云，粒子濃度的量級一致，干層內(nèi)粒子濃度均在4～9 cm-3。小云粒子計算含水量垂直分布與濃度隨高度的分布一致，分別在低云1218和1850 m處及中云3288、3844、4740和5428 m處出現(xiàn)含水量極值，最大含水量分別達(dá)到0. 011、0.008及0.037、0. 0095、0.0061和0.005 g．m-3。小云粒子有效直徑隨高度的變化與濃度變化不一致，最大濃度所在高度處有效直徑較小，可能受粒子凝華增長時相互爭食水汽影響。小云粒子有效直徑呈多峰和單峰分布，分別在低云1260、1820和2062 m處及中云3407、3844、4735、5054和5577 m處出現(xiàn)小云粒子有效直徑大值區(qū)，最大粒子有效直徑分別達(dá)到21.9、19.4、18.7μm及16.8、20.9、19.2、19.0和16.5μm，比較而言，低云小云粒子有效直徑高于中云，云內(nèi)粒子有效直徑一般在12～21.9μm，其中低云平均為18.3)μm，中云平均為16.3μm，云夾層內(nèi)粒子有效直徑較小，均在15.7 μm以下。
平均直徑表示小云粒子的大致尺度，平均平方根直徑表示小云粒子的平均截面，平均立方根直徑表征小云粒子的平均體積，有效直徑則表征云的可降水量，眾數(shù)直徑指該直徑范圍內(nèi)的粒子數(shù)占總粒子數(shù)的比例最高。對小云粒子的各種直徑統(tǒng)計表明：云內(nèi)17%的眾數(shù)有效粒子直徑為16. 02 μm，92%的眾數(shù)平均直徑Di為4.55 μm，52%的眾數(shù)平均平方根直徑D：為5. 71 μm，38%的眾數(shù)平均立方根直徑D3為8.50 μm。D1、D2、D3、De的眾數(shù)直徑逐漸增大，眾數(shù)逐漸減小，說明小云粒子的不同特征量分布的離散度越來越高。
從圖7b大云粒子濃度隨高度的分布可以看出，飛機(jī)下降階段冰晶濃度呈多峰和單峰分布，分別在低云840、1367和2082 m處及中云2953、4646和5483 m處出現(xiàn)大云粒子濃度大值區(qū)，最大粒子濃度分別達(dá)到0. 196、0.254和0.083及0.453、0.286和0. 345 cm-3。在中云內(nèi)，大云粒子濃度隨高度呈波動增減，有2個明顯的峰值和若干個小波動，中云底部2953、5483 m處大云粒子濃度達(dá)到極大值為0. 453和0.345 cm-3，隨后又隨高度迅速下降。由此可以判斷，隨著云系的發(fā)展，大云粒子在長大過程中下落，云中大云粒子濃度出現(xiàn)了多個峰值。探測到的大云粒子濃度垂直變化起伏很大可能與云的水平結(jié)構(gòu)不均勻性有關(guān)。
圖7c降水粒子濃度隨高度的分布可以看出，中云降水粒子濃度位于中下部和頂部，分別在3157、3792、4891、5516和5941 m處降水粒子濃度對應(yīng)值為0. 030、0.031、0.007、0.007和0.0074 cm-3,3157~3792 m層降水粒子濃度較高可能與云內(nèi)水汽含量豐富有利于降水粒子生成和增長有關(guān)；低云內(nèi)降水粒子濃度峰值在1405和17 61 m高度處對應(yīng)值為0.0037和0.0041 cm-3，該處降水粒子濃度峰值較低可能與降水粒子在下降過程中溢出云外有關(guān)。
表2中FSSP顯示，從垂直角度看3915～5117 m最適宜催化，F(xiàn)SSP濃度75%分位值達(dá)39.9～110 cm-3，適宜催化的水平范圍占飛行水平距離的25%，3915～4531 m適宜催化的水平范圍占50%以上，還有占25%的區(qū)域在各高度層皆不適宜催化。2DC濃度普遍大，達(dá)44～392 1-l，機(jī)上宏觀記錄顯示空缺部分是該高度層粒子濃度大，過冷水多．儀器表面結(jié)冰造成異常。3915～6337 m有較多的2DP粒子，該區(qū)域為粒子增長區(qū)，其中5117 m附近2DP粒子較少與飛機(jī)多在云的間隙飛行有關(guān)，2DP粒子在1374 m出現(xiàn)極值，可能粒子在該高度層以上出現(xiàn)大量碰并或粘連增長。
2.6.3 粒子譜分布
從11個水平飛行高度層粒子全譜看(圖8a～8c)，粒子譜呈單峰或多峰分布，小云粒子譜峰值在1～10 cm-3．μm-1之間；在3177～5723 m高度層，2DC和2DP都出現(xiàn)第二個峰，峰值直徑800~1200μm。云內(nèi)粒子譜寬度在6000～8000μm，云頂譜寬在2000～3000 μm，其中3915 m譜最寬，該高度層最易形成大雪團(tuán)。圖8b和8c中，2DC和2DP兩個探頭觀測的粒子譜在直徑相同的地方發(fā)生偏離，原因可能有兩個：一是2DC探頭聚焦問題使觀測數(shù)據(jù)普遍偏大；二是2DP探頭重點探測大粒子，直徑較小粒子可能出現(xiàn)漏記，3177 m以上高度，小粒子漏記較多，2DC和2DP粒子譜偏離較大。但兩個探頭同時顯示云內(nèi)降水粒子出現(xiàn)第二峰，峰值直徑700~1000 μm，云內(nèi)降水粒子譜峰值直徑小于游來光等(1965)在吉林觀測的峰值直徑1000～1600 μm，可能因為云內(nèi)上升氣流和溫度不同造成的。
為了研究目標(biāo)云中各種粒子的尺度大小及濃度分布情況，繪制出其整個探測過程中各種粒子隨時間變化的全譜圖（圖8d），圖中不同顏色表示相應(yīng)時間該直徑范圍內(nèi)的粒子濃度，單位為cm-3·μm-l。整個探測過程中，粒子濃度與直徑一般呈反相關(guān)，粒子越大，濃度越小，其中小于30 μm的小云粒子濃度占較大比例，說明云中以過冷水滴為主，小云粒子譜濃度為0. 011～221.7crrl-3·μm-1，大云粒子譜濃度為6. 24×10-7~0. 9367 cm-3．μm-1，降水粒子譜濃度為7. 16×l0-10 -1.04×10-3cⅡi-3．μm-1。結(jié)合飛機(jī)探測的高度，可以發(fā)現(xiàn)，3177～3915 m高度（飛機(jī)10：34 10：51觀測數(shù)據(jù)）上，小云粒子譜最大濃度為221.7 cm-3．μm-1，大云粒子譜最大濃度為0. 94 cm-3．μm-l，降水粒子譜最大濃度0. 001 cm-3·μm-1。小云粒子最多地方．降水粒子譜出現(xiàn)低值可能與粒子之間小云粒子通過貝吉龍效應(yīng)爭食水汽有關(guān)。而在4531～5723 m（飛機(jī)10：5 4-11: 21觀測數(shù)據(jù)）云層小云粒子濃度降低，降水粒子譜濃度出現(xiàn)高值，此時可能碰并增長較多，許多小云粒子被降水粒子吞噬。飛機(jī)10：45
11:40觀測數(shù)據(jù)大云粒子區(qū)出現(xiàn)空白是由于2DC鏡頭積冰，造成數(shù)據(jù)階段性失真。而在6337 --6926 m（飛機(jī)11：24-11:4j觀測數(shù)據(jù)）高度．飛機(jī)在云頂飛行，降水粒子、小云粒子譜濃度皆降低。云中最大粒子直徑達(dá)8000 μm．最大粒子出現(xiàn)在云的中下部，可能由于降水粒子在下降過程中吸收云滴或與其他降水粒子碰并而增大。
粒子譜基本為單調(diào)下降的指數(shù)型寬譜，符合冪式遞減，擬合公式lgN一algD+6，擬合參數(shù)a和b（表3），式中a為斜率，b為D=l時的濃度截距。6值表示小云滴濃度大小，小云滴越多6值越大，表3中3910～5723 m高度層b>2為可播區(qū)。圖8d顯示，全譜圖第一個紅色高值區(qū)出現(xiàn)時間在10：05前后，高度在1071～1379 m，小云粒子濃度大于20 cm-3，適合催化作業(yè)；在10：30-1：20，高度3177～5723 m，出現(xiàn)四個紅色高值區(qū)，該層不但小云粒子濃度高，降水粒子濃度亦高，云層強(qiáng)可播。該云層水平分布和垂直分布變化較大，全譜圖亦顯示出云的層狀結(jié)構(gòu)特征。
2.6.4 二維圖像分析
平飛過程中每個高度層隨機(jī)選取2DC或2DP二維圖像一張分別對應(yīng)高度層為1072、1374、1989、2598、3177、3 915、4531、5117、5723、6337和6926 m,統(tǒng)計圖像信息得到二維粒子相關(guān)信息表（表4）。
從表4可以看到，在1072～3177 m溫度為-1. 5～ 8.2℃，存在大量不規(guī)則的冰晶、結(jié)凇冰雪粒子，也可看到滴狀的過冷水滴，粒子直徑一般在1500 μm以下。由于溫度和空氣濕度不同，各高度層雪花形狀差異，1374～2598 m出現(xiàn)明顯針狀或柱狀雪花，各高度均可見結(jié)凇冰雪粒子，云中水汽充沛。在3915～5723 m對應(yīng)溫度-2.0～-10.2℃，其中3915 m雪花明顯增多，最大直徑可達(dá)3000 μm以上，出現(xiàn)雪團(tuán)；4531 m雪團(tuán)粒子減少，多為直徑較小的冰雪粒子；5117 m不規(guī)則大雪團(tuán)、霰以及冰雪結(jié)凇體最多，直徑在3000～4000 μm，可見該高度雪花之間相互碰連最為密集，形成的大雪團(tuán)最多，5723m大雪團(tuán)明顯減少。6337 m以上，溫度在- 14～-18℃，出現(xiàn)板狀、針狀、柱狀、星狀雪花粒子，或冰晶粒子，但直徑一般小于1000 μm。從二維粒子圖像的分析可以看出，1072～1989和3915～5117 m附近有明顯的單個霰和冰雪晶聚合體，該層是過冷液態(tài)水滴與冰晶粒子共存的空間，冰相粒子通過凝華過程而迅速增長。
2.7 此次作業(yè)探測特點
該例探測區(qū)處在云系前部增長區(qū)內(nèi)，其特點：一是云系明顯分為2層，上層由槽前抬升形成，云底為2995 m，云頂為5726 m，云內(nèi)溫度在 0.14～-10.5℃；下層為回流混合形成，云底為1068 m，云頂為2591 m，云內(nèi)溫度在 0.5～-8.3℃，從雷達(dá)回波強(qiáng)度垂直分布和2DP粒子看，大粒子主要在上層槽前云中增長；二是“槽前云”溫度高，下層“回流云”溫度低（3177～4531 m溫度-2℃左右，1989 m溫度8℃），1374 m附近有大量2DP粒子，從上層下落的降水粒子在此粘連增長加大地面降雪；三是大云粒子和降水粒子很多，2DC濃度為60 1-1（最大值392 1-1）、2DP濃度為4L_1（最大值30 1-1）；四是小云粒子達(dá)100 cm-3（最大值達(dá)700 cm-3），有一定催化潛力。
3 效果分析
3.1 效果區(qū)與對比區(qū)劃分
飛機(jī)實測3000 m以下為東南風(fēng)．風(fēng)速為22～43 km-h-l，3000 m以上為西南風(fēng)或西北風(fēng)．風(fēng)速為67～93 km·h-1，3177～6334 m高空平均風(fēng)速為80 km．h-l、平均風(fēng)向263°，偏西風(fēng)。此次作業(yè)采用不同高度連續(xù)催化，根據(jù)系統(tǒng)移動方向和速度，3000 m以下催化，由于風(fēng)向為東南風(fēng)．與3000 m以上云團(tuán)移動方向不一致．圖2和圖3沒有標(biāo)出3000 m以下催化后的影響區(qū)和相應(yīng)的對比區(qū)。10:35以后在3177m催化．3000 m以上高空風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)．催化云塊在高空風(fēng)作用下隨系統(tǒng)移動，相應(yīng)的影響區(qū)和對比區(qū)見圖2和圖3，其中ab=182 km，ae=80 km，ac=105 km。
3.2 作業(yè)后衛(wèi)星反演參量的變化
衛(wèi)星反演參數(shù)顯示（圖9），10：03，114.8°E以東衛(wèi)星參數(shù)普遍較低，圖2a中g(shù)h線所處云區(qū)呈灰色；10：35 11：03，催化高度在3177～45 31 m，根據(jù)高空實測風(fēng)向風(fēng)速推算，11：03催化云抵達(dá)a線附近，a線對應(yīng)圖2b中箭頭A所指位置，該處云團(tuán)變亮，由灰變白。12：03，a線東移到A線，A線對應(yīng)圖2c箭頭A位置。從圖2b和2c看出受催化的云塊在東移過程逐步由灰白變黃色，云頂變亮。13：03，b線東移到B，B線以東為催化云。11：03、12：03和13：03催化影響云衛(wèi)星反演參數(shù)曲線都有明顯特征：云頂高度從11：03開始升高，由6000 m上升到8000 m以上，12：03、13：03維持在8000～10000 m；云頂溫度從11：03開始下降，由- 30。C下降到
40℃左右；有效粒子半徑升高到25 μm左右；光學(xué)厚度維持在35左右的高位；液水路徑升高到600～800 mm。從13：03圖看B線以西云頂溫度升高，云頂高度降低，光學(xué)厚度和液水路徑均下降，此時，催化作業(yè)的時間為11：20-12：00，作業(yè)高度在6334 m，處于云外，催化無效。催化影響區(qū)對應(yīng)的雷達(dá)剖面顯示（圖11），雷達(dá)回波頂高和中心強(qiáng)度都有上升。
圖lOa為自然云衛(wèi)星反演參數(shù)，兩豎線之間為作業(yè)區(qū)，兩側(cè)分別為對比區(qū)1和對比區(qū)2。由于云塊以80 km·h-1速度向東移動，12：03沿圖2中ab線段云塊移到了ef，因此，圖lOb兩豎線之間為催化影響區(qū)，兩側(cè)分別為對比區(qū)（同圖lOa）。未催化云的云頂溫度最低值為 40℃、云頂高度最大值為9800 m、光學(xué)厚度最大值在45左右、最大液水路徑700 mm．有效粒子半徑30 μm，由于一直降雪，催化1 h后，云頂溫度、云頂高度、光學(xué)厚度最大值與自然云相當(dāng)，但液水路徑、有效粒子半徑最大值分別下降了約100 mm、5 μm。影響區(qū)與對比區(qū)相比，云頂溫度、云頂高度在催化前后沒有明顯變化，但液水路徑、有效粒子半徑、光學(xué)厚度變化明顯，其中南部對比區(qū)液水路徑、有效粒子半徑、光學(xué)厚度分別下降400 mm、10 μm、10，北部對比區(qū)液水路徑、有效粒子半徑分別下降40 mm、5μm。從圖2b和圖2c看，兩側(cè)對比區(qū)云頂比影Ⅱ向區(qū)更亮，但影響區(qū)雷達(dá)回波強(qiáng)度明顯高于對比區(qū)，可能催化后影響區(qū)內(nèi)中低云發(fā)展較強(qiáng)，暖濕氣流向影響中心輻合所致。
圖lOc是FY-2衛(wèi)星反演的石家莊、元氏、高邑、欒城四地平均衛(wèi)星參量08：03-15：03隨時間的變化，云頂高度由08：03的6175 m降到09：03的2230 m，之后逐步上升，12：03達(dá)9100 m，13：03降低到8660 m，14：03再次升高達(dá)10925 m，此后，開始下降。云頂溫度曲線與云頂高度曲線趨勢一致，09：03溫度最高-20. 24℃，12：03和14：03分別出現(xiàn)溫度極低值，降到最低-36. 66和- 40. 62℃。光學(xué)厚度8：03為27.5，11：03出現(xiàn)最大值36，之后下降到23～26。液水路徑變化趨勢與光學(xué)厚度一致，08：03為577.mm，10：03降到481. 26 mm的極低值，之后開始迅速增加，11：03升到全天最大值647. 67 mm，此后持續(xù)下降，至15: 03降到342. 89 mm。粒子有效半徑8：03為全天最高達(dá)29.4μ-m，9：03降到極低值22. 24 μm，11: 03和13：03分別出現(xiàn)極大值24. 63和23. 77 μm。對應(yīng)于雨滴譜雨量監(jiān)測，08：03出現(xiàn)最大雨強(qiáng)，11：03和13：03分別出現(xiàn)雨強(qiáng)次大值。10：05開始催化，11：03衛(wèi)星監(jiān)測催化影響區(qū)云體有明顯發(fā)展。但12：03以后，粒子有效半徑、光學(xué)厚度和云水路徑先后降低，催化效果不佳。對照探空資料發(fā)現(xiàn)，12：00高空850 hPa風(fēng)向由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)（此時地面仍為東風(fēng)），東風(fēng)冷墊減弱，從而減弱了對西南氣流的抬升作用，這一變化是否影響催化效果有待進(jìn)一步研究。
3.3 作業(yè)后雷達(dá)強(qiáng)度的變化
雷達(dá)剖面為圖3中g(shù)h橫線即欒城到衡水的連線，圖3中10：36對云塊催化.11：00-11：24云塊A明顯發(fā)展，強(qiáng)回波區(qū)擴(kuò)大，且向催化影響中心靠攏，12：00催化影響中心附近出現(xiàn)強(qiáng)回波區(qū)。其剖面圖顯示（圖11）．10:36．催化云塊(A) 15 dBz回波帶頂高5000 m.底高1200 m，中心最大回波強(qiáng)度25 dBz;11時，15 dBz回波帶頂高8500 m，底高降到1200 m以下，中心回波強(qiáng)度升到30 dBz;11:24，該云塊30 dBz強(qiáng)回波面積擴(kuò)大；12：00強(qiáng)回波中心再
次擴(kuò)大，中心內(nèi)部出現(xiàn)四個35 dBz的亮區(qū)；催化云塊B從11: 24到12：00雷達(dá)回波25 dBz面積明顯擴(kuò)大，回波中心出現(xiàn)30 dBz的亮區(qū)。
3.4地面降水區(qū)域差異
本次過程出現(xiàn)地面積雪，自動雨量站觀測數(shù)據(jù)因積雪未融化，堵在測筒口，影響觀測記錄，使自動雨量站小時降雨量失真，缺小時降水資料，無法分析對比區(qū)和影響區(qū)小時降水�；居炅空救斯び^測6h降水量顯示，08時以前，河北基本無降水，0814時石家莊、衡水、邢臺、邯鄲普遍降水，6h最大降水量14 mm;14時后降水范圍擴(kuò)大、降水強(qiáng)度增加，河北的保定南部、滄州及以南地區(qū)普遍降雪，6 h最大降水量18 mm;20時以后降水基本結(jié)束，效果區(qū)累積降水量明顯大于對比區(qū)。
根據(jù)地面基本站人工觀測的08-20時地面降水資料分析影響區(qū)和對比區(qū)的降水差異，統(tǒng)計結(jié)果見表6。
影響區(qū)過程降雨量平均值為21 mm，對比區(qū)1和對比區(qū)2分別為10.1和12.7 mm，影響區(qū)比對比區(qū)平均雨量多45. 57%。影響區(qū)降水量標(biāo)準(zhǔn)偏差為2. 54 mm，變異系數(shù)為11. 36%。對比區(qū)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.7 mm，變異系數(shù)為13. 97%。影響區(qū)與對比區(qū)降水量總變異系數(shù)為34.22%，總變異系數(shù)明顯高于影響區(qū)和對比區(qū)的變異系數(shù)，這種變異的t檢驗值為1.12×10-9，表明影響區(qū)和對比區(qū)降水量差異顯著。
4結(jié) 論
(1)此次降水天氣系統(tǒng)是以地面冷高壓和低層850 hPa偏東風(fēng)作為冷墊，中高層西南暖濕氣流沿著冷墊爬升形成的弱不穩(wěn)定天氣系統(tǒng)。在云系前部進(jìn)行催化并探測，其特點：一是出現(xiàn)上層“槽前云”和下層“回流云”兩層云結(jié)構(gòu)，大粒子主要在上層槽前云中增長；二是“槽前云”溫度和云頂溫度較高（-18℃），“回流云”溫度低，固態(tài)降水粒子在”回流云”粘連增長，地面降暴雪；三是大云粒子和降水粒子很多，2DC濃度為60 1,-1（最大值392 1-1）、2DP濃度為4L-1（最大值30 L-1）；四是小云粒子濃度為100 cm-3（最大值達(dá)700crrl-3），有一定催化潛力。
(2)在3195--5723 m高度，小云粒子濃度大于20 cm-3，全譜擬合曲線lgN =algD+b的截距b>2，適合催化作業(yè)。小云粒子垂直和水平分布不均勻，波動幅度在l～2個量級。小云粒子計算含水量一般在0. O1 g·m-3左右，中云3180 m處含水量最大，達(dá)0. 081 g·m-3。小云粒子譜呈單峰分布，降水粒子譜呈雙（多）峰分布，上升氣流和水汽含量影響云內(nèi)粒子譜分布。云內(nèi)眾數(shù)有效粒子直徑為16. 02 μm，眾數(shù)平均直徑為4.55 μni，眾數(shù)平均平方根直徑為5. 71μm，眾數(shù)平均立方根直徑為
8. 50 μm。
(3)作業(yè)后影響區(qū)雷達(dá)反射因子、衛(wèi)星反演參量和實測云內(nèi)微物理特征量都有明顯變化。催化云塊15 dBz回波帶頂高抬升約3000 m，中心出現(xiàn)35dBz強(qiáng)回波，最大回波強(qiáng)度提高了5 dBz，且25 dBz強(qiáng)回波面積擴(kuò)大；衛(wèi)星觀測的云頂溫度由-15℃降到-30℃以下，云頂高度由2000 m抬升到6000～8000 m，液水路徑由300 mm左右提高到600～900mm，光學(xué)厚度由20～25提高到30～35，粒子有效半徑也由15～23 μm提高到20～27 μm。
(4)影響區(qū)地面平均降水量21 mm，對比區(qū)平均降水量11.4 mm,地面降水的區(qū)域變異經(jīng)t檢驗顯著。但總雨量差異中自然原因、作業(yè)效果各起多大作用還需更多資料和試驗做進(jìn)一步分析。
5提要：
2013年4月19日，河北省人工影響天氣辦公室在河北中南部地區(qū)對回流和西風(fēng)槽復(fù)合天氣系統(tǒng)云系進(jìn)行人工增水作業(yè)，催化和探測部位在槽前上升氣流云層和回流云層中．這次降水特點：(1)降水系統(tǒng)呈“槽前云”和“回流云”兩層結(jié)構(gòu)，大粒子主要在上層槽前云中增長；(2)“槽前云”溫度和云頂溫度較高，“回流云”溫度低，固態(tài)降水粒子在“回流云”粘連增長加大地面降雪；(3)大云粒子和降水粒子很多；(4)小云粒子豐富，全譜擬合曲線lgN=algD+b的截距b>2，適合催化作業(yè)。在分析云微物理特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合實時天氣、衛(wèi)星、雷達(dá)、探空和雨量資料，從多角度分析了層狀云增水作業(yè)實用技術(shù)和催化的宏微觀響應(yīng)，結(jié)果表明：作業(yè)后影響區(qū)雷達(dá)反射因子、衛(wèi)星反演參量和云內(nèi)微物理特征量都有明顯變化；催化影響區(qū)地面降水的變異通過了顯著性分析，但作業(yè)前后影響區(qū)內(nèi)外這一差異是否是催化效果需要進(jìn)一步驗證。
