1 引言
降雪是华北冬季最主要的天气过程和降水来源， 山西位于华北西部黄土高原地带， 降雪稀少， 由于地理、 地形特殊， 造成降雪的时空分布极不均匀（赵桂香等， 2011）。气候统计显示华北降雪量正在减少（Zhang et al， 2015）， 研究降雪云的宏微观结构特征有助于加强对降雪形成机理的认识， 改进模式中云的参数化过程， 为开展人工增雪作业提供理论依据。
目前主要依赖于飞机搭载云物理观测仪器进行穿云探测， 直观获取降雪云冰晶形状分布， 从而推断降雪的形成和增长机制。国外开展过很多降雪云飞机探测（Sekhon and Srivastava， 1970； Lo and Passarelli， 1982； Rauber， 1987； Heymsfield et al， 2002）。Woods et al（2008）通过飞机观测冬季锋面和地形降水系统云系， 分析了不同温度和高度下的冰雪晶谱发现， 冰雪晶谱符合指数分布， 并通过分析谱拟合参数的变化进一步研究降雪的形成机制。国内主要利用气象观测数据和NCEP再分析资料研究降雪云特征（姜琪等， 2020； 张娟等， 2020； 马丽云等， 2021； 杨成芳和赵宇， 2021）， 游来光等（1989， 1992）、 陈万奎（1987）在新疆开展降雪云微结构的飞机观测， 对冰晶核化、 雪晶对过冷云滴的撞冻、 枝状雪晶的碰撞攀附等进行研究。2016年起北京市人工影响天气中心对北京地形云降雪开展空地协同观测， 并结合数值模式对降雪云微物理过程进行研究， 取得了一系列成果（师宇等， 2017； Ma et al， 2017； 陈羿辰等， 2018； 高茜等， 2020； 黄钰等， 2020； 马新成等， 2021）， 其中马新成等（2021）利用飞机、 Ka波段云雷达、 微波辐射计等空地观测数据集， 对北京一次低槽云系产成降雪过程的天气形势、 中尺度和微观结构演变特征进行飞行， 结果表明， 冰雪晶的凝华-聚并增长是降雪的主要形成机制， 大量枝状雪花的攀附现象出现在地形云爬升阶段。康增妹等（2020）利用飞机搭载的粒子测量系统对河北一次冬季层状云的人工催化效果响应进行分析。
根据赵桂香和许东蓓（2008）研究发现， 地面回流和河套倒槽共同发展是造成山西冬季大雪的主要天气系统， 目前针对山西回流倒槽降雪云研究主要集中在天气尺度的分析研究上（赵桂香， 2007）， 缺少对微物理结构演变特征的观测分析。2019年11月29日受地面回流和倒槽系统共同影响下山西出现降雪天气过程， 针对这次过程组织了两架次的连续探测飞行， 本文对这次降雪云不同发展阶段的宏微观结构进行飞机观测对比分析， 研究了冰粒子的增长演变过程。
2 天气特征和飞机探测
2019年11月29日08:00（北京时， 下同）500 hPa亚洲中高纬地区为“两槽一脊”型， 贝加尔湖西部有高空槽存在， 山西受槽底前部的西南气流影响， 低层700 hPa上， 贝加尔湖南侧到我国甘肃南部地区有低槽存在， 其前部西南风速≥8 m·s-1， 将南来水汽输送到山西地区， 在山西北中部形成水汽辐合， 850 hPa上， 蒙古国中部到我国甘肃南部和山西北部存在“人”字型切变线。20:00， 500 hPa高空槽加深并东移至贝加尔湖东南侧， 温度槽与高度槽重合， 同时700 hPa低槽和850 hPa切变线东移至蒙古国东部到河套东部与山西交界处， 山西仍受其影响， 降雪持续。30日01:00后， 高空槽减弱东移， 山西转受槽后西北气流影响， 低层切变线移出山西， 降雪逐渐趋于结束。
海平面气压场显示， 08:00 -20:00山西受地面回流倒槽的影响， 倒槽向北伸展， 有闭合低压中心， 并由河套地区逐渐向内蒙古中东部移动， 23:00后， 位于东北地区的地面冷高压减弱， 回流减弱， 地面低压发展形成气旋， 山西北中部受地面气旋底前部影响。30日01:00后， 地面气旋后部冷锋逐渐入境， 冷空气逐渐占据山西， 降雪减弱结束。受高空槽、 低空切变及地面倒槽的共同影响， 29日08:00至30日01:00山西北中部和南部局部出现小雪， 大同、 忻州东部和西部、 吕梁北部出现中到大雪［图1 ， 此图及下文所涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GR（2016）1552号的中国地图制作， 底图无修改］。
从太原上空的探空曲线（图2 ）中可以看出， 11月29日08:00太原水汽条件差， 湿层厚度浅薄， 低层850 hPa以上受西南风影响， 850 hPa以下受偏东风影响。在有利的动力条件下， 降雪发生， 随着700 hPa有南来水汽输送至山西， 太原上空湿层厚度增加， 20:00太原上空湿层厚度增加到600 hPa以下。
本次降雪沿山西自西向东扩展移动， 针对本次降雪过程组织两架次飞机探测飞行。第一架次探测时间12:09 -14:04， 探测区位于山西西北部， 山西西部降雪时段集中在29日13:00至30日02:00， 后期降雪强。第二架次探测时间16:26 -19:20， 探测区位于山西东北部， 山西东部降雪时段集中在29日17:00至30日02:00， 强降雪时段为29日20:00 -23:00。
从给出了太原C波段多普勒雷达第一次探测飞行12:59时刻的PPI（Plan Position Indicator）回波图［图4 （a）］中可以看出， 降雪回波呈片状结构， 分布均匀连续， 以小于15 dBZ弱回波为主， 在五寨附近有强度15~25 dBZ的块状降雪回波存在。沿第一次探测降落阶段（13:42 -14:05）飞行轨迹作雷达垂直剖面RHI（Rain Height Indicator）［图4 （b）］， 显示降雪回波顶高度在3 km， 回波顶高度较低且比较平整。由于太原雷达在方位角0° -90°存在遮挡， 第二架次在该区域飞行， 无法给出飞行时段的雷达回波图。
3 仪器和数据处理
3.1 探测仪器
探测使用的是运-12飞机， 机载云粒子测量系统由美国DMT（Droplet Measurement Technology）公司生产， 包括ADP（Air-Data Probe）探头， 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轨迹等； 云粒子探头CDP（Cloud Droplet Probe）， 测量直径为2~50 μm的云滴谱， 小于14 μm的粒子分辨率为1 μm， 大于14 μm的粒子分辨率为2 μm； 云粒子图像探头CIP（Cloud Imaging Probe）， 测量直径为25~1550 μm的云粒子谱和二维图像， 测量分辨率为25 μm； 降水粒子图像探头PIP（Precipitation Imaging Probe）， 测量直径为100~6200 μm的降水粒子谱和二维图像， 测量分辨率为100 μm。此外还有天气资料、 卫星及反演产品、 C波段多普勒雷达等资料。
3.2 数据处理
本架飞机未安装热线含水量仪， 液态水含量由CDP通过测量尺度范围为2~50 μm的小粒子计算所得。由于CDP在测量过程中难以区分小冰晶和液滴， 因此在混合相条件下， CDP在确定液滴尺寸方面有不确定性。本文参考Hou et al（2021）的研究成果， 在没有热线含水量仪的情况下， 当CDP数浓度大于等于10 cm-3时， 认为温度低于0 ℃的冷层云内含有液态水。CDP安装有防破碎的激光器， 因此粒子谱分布不受冰晶破碎的显著影响（Lance et al， 2010）。
由于CIP、 PIP探头第一档激光束存在误差， 导致采样面积的误差从而导致浓度有误差， 剔除CIP、 PIP第一档的数据， 分别用N 50表示CIP采集到粒子直径大于50 μm的冰雪晶数浓度、 N 200表示PIP采集到粒子直径大于200 μm的冰雪晶数浓度。
冰雪晶谱分布数据由CIP、 PIP两个探头组合得到， 图5 给出了两次探测CIP、 PIP探头在不同高度观测的粒子谱分布。从图5 中看出， CIP和PIP粒子谱的重叠区域为200~600 μm， 为保证谱的连续性， 选择600 μm为CIP和PIP探头的连接点。云内冰水含量通过CIP、 PIP观测的粒子联合谱数据计算所得， 采用Heymsfield et al（2010）的公式计算冰水含量：
式中： m表示单个粒子质量（单位： mg）； D表示粒子直径（单位： mm）。该公式适用于计算于云内-60~0 ℃层直径为100~2000 μm的冰相粒子。
4 结果与分析
4.1 冰雪晶微物理特征的垂直分布
第一次探测N 50主要位于3500 m以上， 最大值为297 L-1， 3500 m以下不足3 L-1， 第二次探测N 50最大值位于云顶为7 L-1， 数浓度明显小于第一次探测。第一次探测N 200和DPIP 随高度降低先增大， 最大值出现在1900 m左右， 分别为2.3 L-1和1700 μm， 1900 m以下由于云内相对湿度减小， 雪粒子逐渐蒸发， 大部分雪粒子未到达地面。第二次探测N 200和DPIP 随高度降低增大， 最大值出现在地面附近， 分别为1.5 L-1和2800 μm。Ma et al（2017）对北京海坨山冬季降雪的飞机观测分析发现液态水含量和冰晶数浓度最大值分别为0.2 g·m-3和450 L-1， 本次观测液态水含量和冰晶数浓度与之相比偏低。
比较图7 （b）和7 （d）可知， 2.0 km以下第二次探测冰雪晶粒子组合谱随高度降低一直拓宽， 1400 m以下雪粒子段有明显的第二峰值， 峰值从1383 m的2800 μm增长到954 m的3500 μm， 而第一次探测964 m冰雪晶粒子组合谱没有第二峰值， 粒子最大直径仅为1100 μm。
4.2 不同冰晶形态在云中分布及其增长过程
第一次探测在4000 m附近观测到N50最大值为297 L-1， 图7 （a）冰雪晶粒子组合谱显示， 3995 m和3670 m高度处以小于200 μm的小冰粒子为主， DPIP 小于1000 μm， 小于200 μm的小冰粒子居多是第一次探测N 50高于第二次探测1个量级而冰水含量变化不大的主要原因。第二次探测在4000 m（-11 ℃）、 1000 m（-2 ℃）附近分别出现了N 200和DPIP 的极大值， 图7 （d）3991 m高度处粒子组合谱在最大直径处现在了第二个峰值， 实验室研究证明辐枝状冰雪晶形成于-15~-10 ℃层， 与图8 （b）-11 ℃附近大量辐枝状雪花的观测结果一致， 枝状冰晶发生聚并导致大雪花多发。
在粒子增长方面， 第一次探测在云内温度高于-5 ℃的区域观测到不少针状粒子， 针状粒子初始于该温度层， 主要发生凝华增长。第二次探测除针状外在-9.2 ℃以上观测到大量辐枝状冰雪晶， 推测凝华和聚合是雪增长的重要过程。两次探测CIP未采集到淞附状冰雪晶， 且云内含有极少的液态水， 不利于淞附增长的发生。
4.3 降雪云微物理特征的水平分布
第一次探测（12:51 -13:20）在4500 m高度对五寨、 岢岚附近块状降雪云做了较长时间的水平探测， 本文对此块状降雪云内微物理特征的水平分布进行分析。由图9 可知， 云内粒子微物理特征水平分布不均匀起伏大， 飞机绝大部分时间在云外飞行， N 50和N 200数量级以小于100 L-1为主极小， NCDP 、 LWC、 IWC和N 50分别出现了202.8 cm-3、 0.003 g·m-3、 0.023 g·m-3和828 L-1的极大值， 远高于第一次探测13:42 -14:05时间段的观测值， 这是因为飞机在平飞时进入另外一块云系， 根据图9 （d）沿飞行轨迹RHI回波显示， 12:51 -13:20时间段穿过的降雪云云顶高度分布不均匀且高于13:42 -14:05观测的云顶高度。对于冰水含量丰富的区域， 除一些针状、 不规则状冰雪晶外， 存在不少较大的辐枝状冰雪晶及聚合体， N 200和DPIP 最大值分别为1.9 L-1、 2500 μm。对于冰水含量极低的区域， 对应的DPIP 减小， 冰雪晶主要是不规则状， 可以推测辐枝状雪花聚合是该水平探测区雪粒子重要的增长方式。
4.4 云内粒子相态的飞机观测和卫星反演对比分析
根据FY-4A卫星的过境时间， 获取12:52、 13:00、 13:16三个时刻卫星反演云内粒子相态分布， 将FY-4A反演的云内粒子相态与同时刻飞机观测的粒子图像进行比较（图10 ）可知， 12:52、 13:00、 13:16三个时刻FY-4A反演的云内粒子相态分别为冰水混合云、 纯冰云、 过冷水云， 12:52飞机观测到辐枝状冰雪晶及液态水， 13:00飞机观测到大量辐枝状冰雪晶， 13:16仅采集到液态水并无冰雪晶。FY-4A卫星反演三个时刻对应云顶高度分别为6200 m、 8600 m、 4500 m， 该时间段飞机在4500 m平飞， 其中13:00 FY-4A卫星反演云顶为纯冰云， 飞机观测云内也为纯冰云。从这一个例对比分析可以看出， FY-4A卫星反演得到的云内粒子相态同飞机获得的云内粒子相态比较吻合， 验证FY-4A卫星反演得到云内粒子相态产品比较可信。
图10 2019年11月29日飞机观测的粒子图像与同一时刻FY-4A反演的云内粒子相态对比黑线代表飞行轨迹， 白色小框对应观测时刻飞机所在的位置 Fig.10 Comparison of particle phase state in cloud retrieved by FY-4A and aircraft at the same time.Black line represents the flight path， small white box corresponds to the position of the aircraft at the observation time |
6 结论
（1） 受高空槽、 低空切变线和地面回流系统共同影响， 对2019年11月29日山西一次降雪云系微物理演变特征进行飞机观测研究。本次降雪云雷达回波呈不均匀片状分布， 在强度5~15 dBZ的片状回波中镶嵌15~25 dBZ的块状回波。
（2） 两次探测的分析结果表明， 第二次探测高空槽有所发展， 空中相对湿度、 地面降雪量和降雪范围与第一次探测相比有所增大。第一次探测云顶温度为-10 ℃， 云顶为板状冰晶， 云内观测到的冰雪晶形态以板状、 针状为主； 通过凝华增长降雪云内存在高达297 L-1的冰晶浓度高值区， 但以小于200 μm的小冰粒子为主， 液态水含量小， 主要分布在云的上部且不均匀； 在2000 m高度处形成最大雪花直径为1700 μm， 由于低层相对湿度减小大部分雪粒子未到达地面。随着降雪云的发展， 第二次探测液态水被消耗， 云内基本无液态水存在， 为纯冰云结构； 云顶温度为-12.5 ℃， 云顶为辐枝状冰晶， 云内观测到的冰雪晶形态除板状、 针状外存在大量辐枝状及聚合体； 通过凝华和攀附增长， 在-11 ℃和-2 ℃分别出现了N200和DPIP的极大值， 雪粒子段有很明显的第二峰值， 近地面形成雪花最大直径为2800 μm。冰雪晶的攀附增长可能是第二次探测雪粒子增长的重要过程， 地面出现小雪。两次探测从形态和过冷水含量推断， 冰雪晶以凝华增长为主， 凇附增长条件不好。
（3） 第一次探测在4500 m左右平飞时穿过回波强度15~25 dBZ的块状降雪云， 通过分析发现云顶高度和云内粒子水平分布不均匀、 起伏大， NCDP 、 LWC、 IWC和N 50最大值分别为202.8 cm-3、 0.003 g·m-3、 0.023 g·m-3和828 L-1， 高于降落阶段观测， 冰水含量大的区域冰雪晶以较大的辐枝状及聚合体为主， 聚合增长是雪粒子重要增长方式。
（4） 将FY-4A反演的云内粒子相态与同一时刻飞机观测的粒子图像进行对比发现， FY-4A卫星反演得到的云内粒子相态与飞机观测获得的云内粒子相态十分吻合， 验证FY-4A反演的云内粒子相态产品可信。