system: [SYSTEM]

user: 4. 对流雨核微观结构特征分析 4.1. 水平方向云微结构特征分析 为研究云系不同发展期、不同部位云微物理结构及降水分布特征，分析融化层附近平行探测时段CDP、CIP云粒子探头观测到的不同尺度下的粒子浓度和平均直径、热线含水量仪观测到的液水含量和冰水含量水平分布特征，其中CIP观测到的浓度选取粒子直径在100~1000 μm的数据。图7给出了飞机在3676 m (L1-F1)平行探测过程中获取的各种宏微观物理参量沿航线的时间分布，该高度层温度在1℃左右变化，为融化层。图7a显示，CDP探头观测到的云粒子平均浓度为7 × 10 4 L −1 ，最大浓度为3 × 10 5 L −1 ，最高和最低云粒子浓度相差4个量级；平均直径为15 μm，云粒子浓度与平均直径呈反相关。图7b显示，Nevzorov热线式含水量仪观测到平均含水量为0.275 g∙m −3 ，最高和最低云水含量相差1个量级，说明3676 m层含水量水平分布非常不均匀，表明云不同的发展阶段影响对流雨核内云粒子浓度和含水量。图7b中TWC含水量有时明显大于LWC含水量主要是因为该层处于融化层，云内存在未融化降水粒子造成的误差，在CPI探头也观测到了未融化的降水粒子和大雨滴(见图8)。CIP探头观测到的粒子浓度在1~8 L −1 之间变化(图7c)，浓度平均值为3.3 L −1 ；平均粒子直径为300~700 μm，粒子直径与浓度呈负相关，即粒子浓度大的地方，平均直径小。在对流雨核发展较弱的区域，粒子浓度为6~9 L −1 ，平均直径为300~500μm；而在对流雨核发展较强的区域，降水粒子浓度为2~5 L −1 ，平均直径为500~700 μm。 在镶嵌对流雨核之间的云内观测到的(图7中m1处)TWC含水量为0.2~0.4 g∙m −3 ，对流雨核发展盛期(图7中m2处)TWC含水量在0.5 g∙m −3 以上，对流雨核衰退消亡期(图7中m3处)，地面出现大量降水，TWC含水量迅速降到0.1 g∙m −3 以下，同时云粒子浓度和平均直径明显降低，云内存有少量大的降水粒子。说明对流雨核降水主要发生在盛期以后，同时大量下落的降水粒子影响了雨核内部的上升气流，阻断了云粒子向上输送，加速了雨核的消亡。图6d中粒子尺度与雷达垂直剖面图出现3~4分钟误差主要因为雷达6分钟完成一次体扫，在飞行轨迹与雷达回波进行同步耦合时出现的时间差。而剖面图中没有出现40 dBz的回波，是因为天气雷达比较粗的体扫数据，而后进行插值造成误差。 图7. 飞机在3676 m平飞阶段云内各微物理参量随时间的变化 图8. 3676 m高度层CPI高分辨率的影像探头观测到的粒子图像 4.2. 融化层粒子谱特征 分析融化层粒子浓度及粒子谱以更好地了解雨核中粒子变化规律，为进一步研究降水的形成机制奠定基础 [ 16 ]。TWC传感器为直径8 mm的圆锥形传感器，不同相态粒子可在圆锥内蒸发，得到累积含水量；LWC传感器为直径1.8 mm，长16 mm的圆柱形传感器，当雨滴碰撞到LWC传感器时容易发生破碎而不能够完全将雨滴蒸发，从而使得LWC在遇到大雨滴或半融化的雨滴时观测值偏小，因此在融化层中使用了TWC含水量数据进行统计分析。图9给出了飞机在云内3676 m不同含水量条件下的粒子谱分布，图9a云粒子谱显示，云粒子呈双峰分布，峰值直径分别为6 μm和 14 μm。当TWC=0.1 g∙m −3 时，云粒子浓度虽大，但多为3~10 μm的小云粒子，10~30 μm大云粒子浓度低，对照图7分析，此时不在雨核内。TWC = 0.3 g∙m −3 时，云粒子浓度明显升高，6 μm峰值浓度近13，000 L −1 μm −1 ，14 μm峰值浓度超过13000 L −1 μm −1 ，此时雨核处于发展期，云内上升气流最强，云粒子浓度也最大。当TWC = 0.5 g∙m −3 时，3~10 μm小云粒子浓度明显降低，6 μm极值浓度降到1000 L −1 μm −1 左右，14 μm峰值浓度也降到7000 L −1 μm −1 ，但云粒子平均直径增大，17~30 μm大云粒子浓度明显增加；从图9b降水粒子谱分布特征看，TWC = 0.3 g∙m −3 时没有明显第二峰，TWC = 0.5 g∙m −3 时第二峰最大，峰值浓度为0.0082 L −1 μm −1 ，而且第二峰值直径580 μm，大于TWC为0.2 g∙m −3 或0.4 g∙m −3 时的第二峰直径，说明TWC = 0.5 g∙m −3 时，云内出现大量大雨滴，大于580 μm雨滴发生破碎，此时，雨核处于盛期。综上所述，对流雨核发展时，云内对流加强，大量云粒子从云底向上输送，粒子浓度迅速提高，粒子谱在6 μm和14 μm处分别出现13，000 L −1 μm −1 左右的峰值，TWC含水量达到0.3 g∙m −3 ，但云内降水粒子极少；随着对流雨核的发展，粒子直径增大，在6 μm左右的小云粒子浓度迅速减小，大于14 μm的大云粒子增加；当雨核进入盛期，云粒子主要由10 μm以上的大云粒子组成，大雨滴对含水量起重要作用，含水量最大超过0.5 g∙m −3 ；消亡期，云粒子浓度迅速降低，含水量降到0.2 g∙m −3 以下，云内存留少量降水粒子。 图9. 云内3676 m高度层不同含水量条件下的谱分布(a: CDP， CIP， HVPS) 4.3. 雨核内粒子有效直径的变化 为研究云内对流核发展的强度，计算五次垂直观测的云内有效粒子直径随高度的变化，把热线含水量仪实测的液水含量(LWC)大于0.2 g∙m −3 作为对流云含水量阈值，剔除LWC小于0.2 g∙m −3 对应的CDP探头观测到的云粒子浓度数据，同时CDP探头观测到的云粒子浓度必须满足大于20，000 L −1 作为对流云发展阈值，当小云粒子浓度小于20，000 L −1 表示对流云发展后云内出现大粒子破坏了云的状态，因此剔除云粒子浓度CDP N小于20，000 L −1 的数据。图10显示，A区、B区、C区3次探测的云内有效粒子半径随高度升高而增长，从粒子有效直径与高度的相关系数看，A区R 2 仅为0.2286，相关性较弱；B区和C区R 2 分别为0.678和0.6913，二者相关性较强；从A区、B区、C区的雷达回波和飞机实测结果看，云内均镶嵌对流泡，均有对流云的特征，图10有效粒子直径随高度变化也能说明云内出现对流。但D区云内有效粒子直径随高度升高而下降，E区云内有效粒子直径随高度升高基本不变，不符合对流云特征，云内无对流。从斜率看，C区最大，为496.1；B区次之，为392.69；A区最小，为334.49；显然，C区对流最强，A区最弱；因为该处斜率表示粒子有效直径增加1 μm时垂直高度增加值，显然，云粒子在上升过程中逐步凝结增长，对流越强，上升速度越大，粒子凝结增长1 μm的时间内上升的高度越大，斜率越大。 图10. 五次垂直探测有效粒子直径随高度变化(lwc大于0.2 g∙m −3 ，CDP N大于20000 L −1 ，H1：A区，H2：B区，H3：C区，H4：D区，H5：E区) 4.4. 云宏微观物理参量的垂直分布特征 为分析镶嵌对流雨核的冷云内粒子微物理结构及降水分布特征，对飞机从云底到云顶盘旋上升的三个时间段资料做统计处理，从CIP探头探测的资料中选取尺度为100~300 μm的粒子浓度作为冰晶数浓度、300~1000 μm粒子浓度作为雪晶数浓度，从HVPS探头资料中选取1000~10000 μm粒子浓度作为降水粒子浓度。文中当CDP探头观测到的云粒子浓度大于10 4 L −1 、同时热线含水量仪观测到的液水含量 ≥ 0.01 g/m 3 时则判定云的出现(孙玉稳等，2015) [ 14 ]。云内微物理参量的垂直分布特征统计结果见图11。 从图11a和图11c可以看出，A、C、D三个区域观测到的云的宏观结构变化不大，云底小于2000 m，云顶大于7259 m，0℃层高度位于3900 m附近，云内温度在−16.4℃~10.5℃。云系为双层分布，夹层厚度有一定的差别，0℃层以下云滴浓度较高，粒子尺度较小，暖层云粒子浓度波动是飞机盘旋上升时碰到的对流泡中的高云粒子浓度造成的。0℃层以上冷云中观测到的大尺度的粒子是过冷水、冰晶和雪晶粒子共存的分布情况。三个区域观测到的小云滴浓度随高度变化呈多峰分布，且起伏较大，LWC液态含水量与云滴浓度具有较好的正相关性。 A区积层混合云分为上下两层，4500 m以下云粒子浓度大，最大浓度为3 × 10 5 L −1 ，4500 m以上云粒子浓度小于8 × 10 4 L −1 ；云粒子浓度极大值出现在4000 m (图11b 1 )，最大液态含水量为0.6 g∙m −3 ；4500 m以上液态水含量小于0.05 g∙m −3 (图11a 1 )。CIP探头观测在4500~5200 m 出现100~300 μm粒子浓度高值区，4700 m最大浓度达55 L −1 (图11c 1 )；对应表1发现，云内以针状和柱状冰晶粒子为主。4500~5200 m大量繁生冰晶主要有三个原因：一是下方水汽供应充足，4000 m附近云粒子浓度和含水量达最大；二是弱对流中，云粒子增长后在该层累积大量30~100 μm的冰质粒(图12a)；三是该层温度−3℃~−5℃，适合针状和柱状冰晶繁生。6800 m以上出现六角板状冰晶(图12c)，100～300μm的冰晶粒子浓度大于300~1000 μm的雪晶粒子浓度；其下方6700 m附近，雪晶粒子浓度大于冰晶粒子浓度。显然，6800 m以上漂浮的冰晶碰并后形成了雪晶(图12b)，长大后的雪晶沉降到6700 m形成雪晶浓度峰。4500~5200 m冰晶粒子浓度远高于6800 m以上冰晶粒子浓度，但该层雪晶粒子极值浓度小于6700 m极值浓度，主要因为云内不断有从高层降落的降水粒子碰并雪晶粒子(图11e 1 )。5000 m以下冷云中冰晶增长和结淞消耗大部分过冷水，云内实测过冷水统计表明，5000 m以下冷云下层过冷水占比81%，5000 m以上的冷云中上层过冷水占比不足20%，说明冷云下层的冰晶消耗了云中80%的过冷水。 C区位于较强对流雨核发展期的积层混合云，图11b 2 显示，4900 m以下云粒子浓度较大，最大浓密为3.8 × 10 5 L −1 ，4500 m以上云粒子浓度小于1 × 10 5 L −1 ；图11a 2 显示，4400 m出现液态含水量最大值为0.6 g∙m −3 ，5000 m 以上至7300 m液态水含量维持在0.20 g∙m −3 左右。3600 m以上TWC冰水含量大于LWC含水量，表明融化层以上云内粒子为冰水混合结构，图13a可见30 μm以下粒子表现为液态水滴，图13b显示，30~100 μm主要表现为不规则的冰质粒或霰粒子。0℃层以上云内粒子由云滴、冰雪晶、霰粒子和冰晶聚合体组成，TWC冰水含量大于LWC含水量，5000 m以上TWC冰水含量与LWC含水量差值接近1.0 g∙m −3 ，表明云水主要由冰晶和冰晶聚合体组成。图11c 2 和11d 2 显示，冷云内100~300 μm冰晶粒子浓度随高度上升而增大，6800 m冰晶粒子浓度达最大90 L −1 ；对应表1发现，冷云的上中下层皆由冰晶、雪晶和冰晶聚合体等混合而成，降水粒子谱明显变宽(11e 2 )。从CPI探头探测的冰雪晶看(图13C)，冷云上中下层的冰雪晶上都可见结淞，说明云内含水量充沛，镶嵌对流泡的积层混合云中较强的上升气流将过冷水滴输送到7000 m附近。对云内过冷水统计表明，5000 m以下过冷水占比40%，5000 m以上的冷云中上层过冷水占比高达60%，说明积层混合云中镶嵌的强雨核在发展期时由于云内强对流向冷云中上层输送的过冷云滴最多。 E区为稳定层状云(图10a 3 和图10b 3 )，其云微物理结构特征与A区和C区完全不同，云粒子浓度基本在1 × 10 5 L −1 以下；云内过冷水在0.1 g∙m −3 以下，最大含水量出现在云底，CPI探头观测到的图像显示云底含水量最大主要是上层降落的雨滴造成的。100~1000 μm冰雪晶最大浓度出现4500 m (图10c 3 )，仅14 L −1 ，上层冰雪晶浓度低，仅2~6 L −1 。1000 μm以上降水粒子浓度仅1~3 L −1 (图10d 3 和图10e 3 )。 综上所述，对流雨核内上升气流增强可使更多的云粒子被输送到冷云中，对流核越强，向上输送云粒子越多，冷云中上层过冷水越多。在强雨核发展阶段，5000 m以上的过冷水占比近60%，为冷云上层生成大量冰晶提供了物质条件；而雨核较弱或层云中，5000 m以下冷层内由于形成冰晶和结淞消耗过冷水超过80%。冷云中过冷水一般以直径30 μm以下云粒子型态出现，直径30 μm以上粒子多以冰质粒型态或霰粒子存在，在较强雨核中可见30~100 μm左右霰粒子。雨核内云粒子、冰质粒、霰粒子等随上升气流一同上升至冷云近7000 m上层，冰质粒迅速增长成冰晶粒子，冰晶粒子相互碰并、攀附、淞附成雪晶或冰晶聚合体后下沉，雪晶或冰晶聚合体在下降过程中兼并上升的云粒子、冰质粒、霰粒子以及下方的冰晶、雪晶等粒子迅速增长成大的降水粒子，进而落入暖层后融化成雨滴(图10e)。CIP探头探测的冰雪晶看(直径在100~1000 μm) (图10c 1 、图10d 1 )，4500 m冰雪晶浓度最大，达60 L −1 ，但平均直径最小；5000~6000 m，冰雪晶浓度降到10 L −1 ，但平均直径涨到400μm ，该区域经历了浓度降低直径增大的变化过程。从HVPS探头观测资料显示(直径大于1000 μm) (图10e 1 )，4500 m以上雪花粒子浓度较高3~5 L −1 ，雪花粒子仍在形成过程中；4000 m左右，浓度降低1~2 L −1 ，但直径最大，为上层降落的雪花粒子。 图11. 垂直探测飞行阶段不同尺度的云粒子浓度、平均直径(a: CDP， c: CIP， d: HVPS)及热线含水量仪实测的液水含量、冰水含量、温度(b)随高度的分布；不同尺度的粒子谱随高度的变化(e: CDP， f: CIP， g: HVPS) Table 1 The distribution of ice crystal particle shape with the height and temperature in mixed cumulus clouds of region 高度(m) 温度(℃) A区(CIP探头实测二维图像) C区(2DS探头实测二维图像) 7248~7259 −16.4 7161~7185 −16 6995~7006 −15 6808~6830 −14 6611~6625 −13 6414~6423 −12 6178~6198 −11 6016~6025 −10 5841~5846 −9 5652~5665 −8 5497~5511 −7 5263~5290 −6 5139~5155 −5 4807~4842 −4 4663 −3 4525~4529 −2 4298~4318 −1 3990~4004 0 3771~3776 1 3642~3644 2 表1. A区积层混合云中冰雪晶粒子形状随高度和温度的分布特征 图12. A区CPI探头实测粒子图片(a：0~−5℃左右，b：−5℃~10℃左右，c：云顶附近)