20世纪70年代, 国际上开始了层状性降水云系结构特征的观测, 并研究人工催化的物理响应。Rangno and Hobbs(2005)对美国温带气旋云系和地形云进行探测试验, 提出利用FSSP探头观测到云中大于2 μm的粒子总浓度超过10 cm^-3时判断为云水区; Houze et al(1979)研究了温带气旋计划中锋面云中降水粒子尺度谱的分布。中国对层状云系的降水特征及人工催化物理响应也进行了大量的研究和实践(李仑格和德力格尔, 2001; 孙玉稳等, 2015a; 蔡淼等, 2015; 叶培龙等, 2014; 孙晶等, 2015; 洪延超和李宏宇, 2011; 居丽玲等, 2011), 飞机人工增雨业务在我国各地逐步开展起来。北方冷云飞机增雨是在层状云中存在过冷水而冰核不足的情况下, 适量引入人工冰核, 冰核通过贝吉龙效应而增长, 从而加快液态水向固态水转化, 促进云块发展, 增加影响区降水。层状云适宜增雨的微物理条件是: FSSP-100探测的小云粒子浓度不小于20 cm^-3, 其中2D-C探测的大云粒子浓度小于20 L^-1时, 为强可播区, 否则为可播区(陶树旺等, 2001)。飞机增雨本身要求人工影响天气工作者必须寻找具备最佳作业条件的云区(或云块)做催化, 但作业后雨量的增加究竟是云系自然发展的结果还是人工催化的效应却无法区分, 飞机增雨的作业效果始终遭受“瓜田李下”的质疑。同时, 人工影响天气工作涉及到天气、动力和大气物理(特别是云降水物理), 是需要把三者融合成一体的精细的天气动力物理学; 在方法上涉及观测、分析、实验、理论提炼和模型建立; 在实施中要把观测实况与理论、技术方案实时结合(许焕斌, 2009)。飞机人工增雨作业是一项多学科综合、多部门协调的高度复杂的技术工作和高度严密的系统工程, 在一个方圆仅500~600 km²的作业区内就有适合作业云团和不适合作业的云区, 预先确定的作业对象是否具备最佳作业条件, 实施作业是否处于最佳时机、部位, 在动态变化的云场内实际作业条件与预设方案往往存在较大的偏差, 使得作业效果存在很大的不确定性, 效果验证本身的复杂性和增雨作业的不确定性使效果检验成为困扰人工影响天气工作者的难题。

近年来, 随着技术的发展, 人们对降水云微物理结构特征的观测手段日益丰富, 人工影响天气工作者开始整合地面雨滴谱、探空、飞机穿云直接探测、雷达、卫星和地基微波辐射计等探测资料综合研究层状云催化机制, 使人工影响天气工作逐步走上了精细化发展的道路(蔡兆鑫等, 2013), 提高了增雨作业的技术水平, 作业的效果分析可以在一定程度上排除不利作业条件的影响(孙玉稳, 2015b), 尽管难以从根本上分清自然因素的影响问题, 但日益增加的例证反复证明“作业—雨量增加”的事实, 最终通过统计学方法检验人工影响天气工作的作业效果也不失为一条可行的方法。

基于这一思路, 在2014年4月15日河北中南部地区对回流和西风槽复合天气系统层状云系进行人工增雨作业, 并进行较为细致的飞机云物理探测, 对作业前后的云微物理参数进行分析, 为飞机增雨的微物理响应提供一个例证。

试验主要观测设备和仪器有:夏延ⅢA增雨飞机及机载PMS探测仪、温度仪和GPS定位仪, 地面多普勒天气雷达、常规无线电探空和地面雨量观测仪器等。

获取的资料有: PMS(包括FSSP-ER、2D-C、2D-P探头)探测仪、温度仪、含水量仪、实时GPS定位仪等机载设备探测资料和随机人员宏观记录资料以及FY-2E卫星资料、多普勒雷达探测资料(SA波段)和人工雨量站逐小时降水资料。

2014年4月15日20:00(北京时, 下同)500 hPa中高纬呈“两槽两脊型”, 两脊分别位于乌拉尔山东部和贝加尔湖附近, 贝加尔湖的温度脊, 自河套地区南部向北延伸至贝加尔湖北部, 与高压脊配合; 中低纬为弱西风槽, 河北省受槽前西南偏西气流控制, 受上游暖脊影响, 河北500 hPa以暖平流为主。700 hPa华北地区以西南气流为主, 河北中南部存在风速大于12 m·s^-1的大风速核, 并且有显著的风速辐合和暖切变, 因此利于暖湿气流向河北中南部输送和水汽的堆积。850 hPa河北区域为东北回流形势, 盛行东北风或偏东风, 并且有冷中心配合。11:00地面气压场呈“东北高西南低”型, 锋后高压位于蒙古东部, 河北省位于锋后高压的南部, 以东风为主, 利于冷空气向西南渗透, 并且由于太行山的阻挡, 冷空气在太行山东部堆积, 从而形成冷垫。此次过程是以锋后冷高压南部的冷空气和低层850 hPa偏东风作为冷垫, 中高层西南暖湿气流沿着冷垫爬升形成了河北中南部层状云降水天气系统(图 1)。

图 1(Figure 1)

图 1 2014年4月15日20:00天气形势(a)和起飞到降落平面分布(b) 黑色实线为500 hPa高度场(单位: hPa), 黑色虚线为海平面气压场(单位: hPa), 棕色单实线为500 hPa槽线, 棕色双实线为700 hPa切变线, 红色虚线为500 hPa温度脊, 红色单线箭头为暖平流, 蓝色单线箭头为冷平流 Figure 1 Synoptic conditions at 20:00 (a) and the horizontal route from take-off to landing (b) on 15 April 2014. The solid black line denote the geopotential height fields (unit: hPa) on 500 hPa, the black dotted line denote the sea level pressure (unit: hPa), the solid single brown line denote the trough line on 500 hPa, the solid double brown line denote the shear line on 700 hPa, the red dotted line denote temperature line on 500 hPa, the red arrow line denote the warm advection and the blue arrow line represent the cold advection

飞机16:55从正定机场起飞, 到赞皇后垂直上升, 再下降到4800 m, 在赞皇、元氏、高邑、柏乡和临城等地做“S”型水平穿云飞行(图 1b), 作业时间为17:12:0018:23:26。作业后, 垂直于作业航线做“S”型穿云飞行探测, 之后在赵县附近做垂直穿云探测, 20:05返回机场。作业燃放19根碘化银烟条, 该烟条为内蒙乌海五五六厂生产, 型号为RFY-1, (AgI含量每根12.5 g), 碘化银成核率1.03×10¹⁵个·g^-1(温度为-10 ℃)。表 1给出了探测时间、高度、区域、飞行状态、机上宏观记录, 表 2给出了图 1b中a到t的时间、经纬度和在4800 m平行催化作业和探测的长度及宽度等资料。

表 1(Table 1)

表 1 飞行概况 Table 1 Flight overview 飞行时间 飞行高度/m 飞行区域 探测面积/km2 机上宏观记录 17:10:2417:33:17 2370~6340 赞皇垂直探测 77.89 作业 17:44:3718:24:00 4800水平飞行 元氏、高邑、柏乡、临城、赞皇 788.48 作业; 霰或淞附、支架结冰 18:24:0019:06:46 4800水平飞行 柏乡、赞皇、高邑、元氏、赵县 1103.40 冰晶、霰或淞附、支架结冰 19:19:5319:36:11 626~5726 赵县垂直探测 82.09 水滴、霰或淞附、支架结冰

表 1 飞行概况 Table 1 Flight overview

表 1(Table 1)

表 2 飞行时间及作业范围 Table 2 Flight time and the scope 拐点 纬度/°N, 经度/°E 飞行时间 拐点 纬度/°N, 经度/°E 飞行时间 区间 长度/km 区间 长度/km a 37.7599, 114.5319 17:46:05 k 37.4718, 114.2741 18:22:40 ab 31.11 ea 7.95 b 37.4700, 114.5999 17:51:37 l 37.5089, 114.7743 18:29:30 cd 30.12 cd 5.9 c 37.4680, 114.5307 17:52:57 m 37.5754, 114.7733 18:30:56 ef 34.67 de 5.27 d 37.7556, 114.5005 17:58:27 n 37.5277, 114.2690 18:39:40 gh 33.9 gf 6.9 e 37.7429, 114.4355 17:59:47 o 37.5915, 114.2591 18:41:02 ij 34.45 ih 5.29 f 37.4377, 114.4763 18:05:25 p 37.6284, 114.7903 18:48:04 kl 43.38 lm 7.38 g 37.4255, 114.3989 18:06:59 q 37.6776, 114.7858 18:49:06 mn 44.46 no 6.6 h 37.7272, 114.3722 18:12:50 r 37.6351, 114.2456 18:58:18 op 45.74 pq 6 i 37.7237, 114.3068 18:14:16 s 37.6804, 114.2379 18:59:14 qr 46.93 rs 5.05 j 37.4189, 114.3498 18:20:00 t 37.7146, 114.7915 19:06:48 st 48.48

表 2 飞行时间及作业范围 Table 2 Flight time and the scope

作业区风场结构是: 850 hPa以下为偏东风, 风速4~8 m·s^-1; 700 hPa以上转为偏西风, 风速8~14 m·s^-1; 水平作业区4800 m高度层为西风, 风速10 m·s^-1, 受风影响, 作业后催化剂主要向东侧扩散。而2500 m以下受低层东风或偏东风的影响, 向西测扩散, 但该层气温高于0 ℃且厚度不足200 m, 在确定作业影响区域时不予考虑。

为了跟踪催化后云特征的变化, 根据高空风向风速、作业起止时间, 用CPAS平台扩散模式计算影响区域随时间移动的位置。FY-2E卫星云图显示(图 2), 17:01河北中南部被中低云层覆盖, 石家庄东部有中云发展。作业区有云团a(下同), 西部有云团b(下同)移近。18:01, 作业后的云团a向东北方向移动至A区域后(称云团A, 下同)亮度值增加, 云顶亮温由-25 ℃降到-30 ℃左右, 表明有中云发展, 云顶抬高。

图 2(Figure 2)

图 2 2014年4月15日17:01 (a)和18:01 (b) FY-2E红外卫星云图分布 Figure 2 FY-2E Infrared satellite cloud image at 17:01 (a) and 18:01 (b) on 15 April 2014

17:00作业区及西侧与卫星云图中云团a和云团b相对应区域在雷达回波平面图上亦称云团a和云团b, 雷达监测显示(图 3a), 云团a(15~30 dBZ)回波面积较小, 最大回波强度为30 dBZ; 云团b(15~35 dBZ)回波面积较大, 并有大片35 dBZ的雷达回波区。对云团a催化后, 18:00云团a移到云团A(图 3b), 30 dBZ强回波面积有所扩大, 同时中心最大回波强度提高到45 dBZ, 至19:00云团A继续发展, 出现大片30 dBZ以上强回波区, 45 dBZ强回波中心面积也急剧扩大。17:00作业区西侧云团b经过1 h移至催化作业区, 移动过程中雷达回波强度呈减弱趋势, 18:00前后开始对云团b催化, 19:00云团b移到云团B(下同), 中心30 dBZ以上强回波区面积扩大。A、B两云团已连在一起, 整个影响区出现大片35~45 dBZ的雷达回波。18:00和19:00剖面图显示, 雷达回波亮带顶高下降了500~1000 m, 在2000~3000 m形成40 dBZ雷达回波区, 表明在云的中下部降水粒子快速增长。

图 3(Figure 3)

图 3 2014年4月15日17:0020:00的雷达回波(左)及组合反射率在不同高度的分布(右)(单位: dBZ) (a) 17:00, (b) 18:00, (c) 19:00, (d) 20:00.灰色曲线为作业轨迹, 黑色封闭曲线为影响区 Figure 3 The distribution of radar echo (left) and composite reflectivity (right) in different height from 17:00 to 20:00 on 15 April 2014.Unit: dBZ.Gray curve denotes the seeding path, black closed curve indicates the seeding affected area

(1) 两次垂直探测资料比较

17:10:2417:33:17, 飞机在赞皇对云团a做垂直结构的探测及作业, 发现云团a垂直结构从小云粒子看呈上、中、下三层(图 4a)。上层4525~5903 m厚度1378 m, 温度为-13.2~-4.7 ℃, 云层稀疏, 中间有四个层次小云粒子比较少, 小云粒子最大浓度100 cm^-3, 粒子有效直径18~24 μm(图略); 中层2900~4300 m, 厚度1400 m, 温度为-3.7~0 ℃, 云层较为均匀, 小云粒子最大浓度200 cm^-3, 粒子有效直径22~26 μm(图略)。大云粒子主要集中在3300~4300 m, 其最大值为0.25 cm^-3, 4525~5903 m大云粒子浓度不足0.02 cm^-3(图 4b); 在2500~5900 m降水粒子浓度随高度增加逐步提高, 由0.005 cm^-3上升到0.022 cm^-3; 观测时地面正降小雨, 从雷达垂直剖面(图 3)看, 在1000~2400 m有大量降水粒子构成的低云, 由于空域未批, 飞机没能探测到该高度层的粒子。

图 4(Figure 4)

图 4 2014年4月15日微物理量垂直要素随高度变化的分布 (a)小云粒子浓度、温度, (b)大云粒子浓度, (c)降水粒子浓度 Figure 4 Vertical distribution of micro-physical parameters with height on 15 April 2014. (a) the concentration and temperature of small cloud particles, (b) the concentration of big cloud particles, (c) the concentration of precipitation cloud particles

赵县上升阶段温度曲线与下降阶段温度曲线存在明显差别(图 4a), 上升阶段温度高于下降阶段温度。因为温度探头采用热敏电阻原理, 电阻温度变化有一定时滞, 飞机下降速度比上升速度快, 致使下降时观测的温度低于上升时观测的温度, 上升时观测的温度接近于实际温度。飞机上升阶段机头上抬, 粒子探头等正对云层, 有利粒子观测, 而下降阶段机头下压, 不利于粒子观测, 因此通常采用上升段观测到的数据。

19:19:5319:36:11, 飞机在赵县对云团做垂直结构的探测, 发现赵县云区中小云粒子在垂直结构上分上、中、下三层。与赞皇云区垂直结构相比, 云层下移。上层4452~5366 m, 该层有两个高值区分别为4452~4652 m和5324~5366 m, 中间夹有厚度为672 m的低浓度小云粒子层, 上层温度为-9.6~-3.8 ℃, 小云粒子最大浓度200 cm^-3, 位于下高值区, 粒子有效直径17~21 μm; 中层2192~3022 m, 厚度830 m, 温度为-0.5~3.0 ℃, 小云粒子最大浓度200 cm^-3, 粒子有效直径18~24 μm; 下层1227~1550 m, 厚度323 m, 温度为9.8~7.4 ℃, 小云粒子最大浓度100 cm^-3(图 4a), 粒子有效直径18~26 μm(图略)。大云粒子主要集中在3500~4000 m, 3800 m处最大值为0.02 cm^-3, 4000~5500 m大云粒子浓度0.005~0.01 cm^-3(图 4b); 在1200~5500 m降水粒子浓度随高度增加逐步提高, 5000 m峰值0.015 cm^-3, 4800 m次峰值0.012 cm^-3。作业前后两次垂直探测相比, 小云粒子明显增加, 2000~3000 m增加明显; 大云粒子减少, 3300~4300 m减少明显; 与赞皇比较, 赵县上空降水粒子浓度峰值明显下移, 在5000 m和3700 m上下比赞皇高(图 4c); 结合温度曲线看, 云团a在5500 m(-10 ℃以下)各种粒子都比较小, 大部为不可播, 4000 m处云水多, 但温度为-3 ℃左右, 不适合AgI核化和冰晶增长, 因此赵县垂直催化的有效位置在4500~5500 m。

(2) 云团a垂直催化后粒子浓度的变化

17:10:1717:33:17对云团a垂直催化, 17:45:0417:45:12在云团A的尾部4800 m水平观测(雷达平面图显示, 水平催化起点a位于云团A的尾部), 对云团a观测结果(表 3)显示, 云团a小云粒子和大云粒子浓度在3800 m较高, 分别为32.73 cm^-3和0.074 cm^-3; 降水粒子浓度较低, 为0.00033 cm^-3。4800 m小云粒子和大云粒子浓度分别为12.15 cm^-3和0.015 cm^-3, 降水粒子浓度为0.0087 cm^-3。影响云团A中小云粒子和大云粒子浓度分别为32.75 cm^-3和0.0114 cm^-3, 降水粒子浓度为0.0095 cm^-3。云团a催化后4800 m高度层小云粒子明显提高, 大云粒子和降水粒子没有明显变化, 造成这一变化可能原因:一是催化25 min后云团发展, 该层形成新的小云粒子; 二是验证观测在催化云团A尾部, 会影响观测效果。

表 1(Table 1)

表 3 云团a垂直催化后(云团A)粒子浓度变化 Table 3 Variation of particle number concentration after the vertical catalysis of cloud parcel a 高度/m 观测时间 a对比云粒子浓度/cm-3 观测时间 A影响云粒子浓度/cm-3 小云粒子 大云粒子 降水粒子 小云粒子 大云粒子 降水粒子 3800 17:14:0417:15:44 32.73 0.074 0.00033 / / / / 4800 17:20:3417:22:14 12.15 0.015 0.0087 17:45:0417:45:12 32.75 0.0114 0.0095

表 3 云团a垂直催化后(云团A)粒子浓度变化 Table 3 Variation of particle number concentration after the vertical catalysis of cloud parcel a

(1) 云团b水平催化后粒子浓度的变化

4800 m水平飞行期间, 18:12:0218:14:53对云团b催化, 19:02:4719:04:40垂直探测前水平穿过催化云团B, 对云团作验证探测, 小云粒子浓度、大云粒子浓度和降水粒子浓度平均值在催化后均有明显增加, 小云粒子浓度平均值由133.32 cm^-3增加到170.52 cm^-3, 大云粒子浓度平均值由4.9 cm^-3增加到14.13 cm^-3, 降水粒子浓度平均值由0.59 cm^-3增加到1.13 cm^-3; 说明对云团催化后, 影响区云变得更加密实, 在4800 m高度层形成了更多的小云粒子, 同时也有利于粒子长大, 使该层小云粒子、大云粒子和降水粒子浓度同时增加。

(2) 水平催化后云区各部位粒子浓度、直径特征量的变化

为研究云区各部分水平催化的微物理响应, 将水平催化和探测期间小云粒子、大云粒子和降水粒子浓度(色标表示浓度值), 按所处位置点绘在图 5中。图 5中a点涂灰处为受催化云团a尾部, 纵向航线上其余皆为对比云。横向航线上根据云移动方向、速度和观测时间计算催化云位置, 图中涂灰右侧为影响区, 而左侧黑色刀型框内为对比区。图 5a显示, 催化后小云粒子浓度有明显增加(大方框中)。图 5b显示, 催化后影响区各时次、各部位观测的大云粒子浓度比对比区都明显增加(大方框中)。图 5c显示, 催化后影响区降水粒子浓度增加, 尤其是受影响的中心区域降水粒子浓度增加较为显著(椭圆框中)。

图 5(Figure 5)

图 5 2014年4月15日粒子浓度时空分布 (a)小云粒子, (b)大云粒子, (c)降水粒子 Figure 5 Spatial and temporal distribution of the particle number concentration on 15 April 2014. (a) small cloud particles, (b) large cloud particles, (c) precipitation particles

由于区域内水平方向上粒子浓度变化极大, 将区域内小云粒子浓度从小到大排序, 分别统计在75%、50%和25%浓度分位的粒子浓度等物理量。影响区和对比区(划分同图 5a)的小云粒子分位浓度和直径特征量统计(表 4)显示, 影响区小云粒子浓度大于对比区粒子浓度值, 其中75%分位值增加了48.11 cm^-3(由84.24 cm^-3增加到132.35 cm^-3), 说明该层最厚实云区有了发展; 50%分位值大幅提高了47.31 cm^-3(由7.89 cm^-3增加到55.20 cm^-3), 25%分位值上升了6.39 cm^-3(由0.80 cm^-3增加到7.19 cm^-3), 说明大片稀薄云层明显变得浓密, 原来未达到入云条件的区域也发展成云区。

表 1(Table 1)

表 4 水平观测影响区、对比区小云粒子分位浓度、直径特征量统计 Table 4 Statistics of the horizontally distributed small cloud particle percentiles and diameter parameters in the affected area and contrasted area 区域 分位 浓度/cm-3 De/μm D1/μm D2/μm D3/μm 影响区 25% 7.93 12.50 6.14 7.69 9.20 50% 55.20 16.42 7.30 9.94 12.63 75% 132.35 28.48 9.39 12.29 15.02 对比区 25% 1.67 13.48 5.00 6.65 8.83 50% 7.89 18.31 5.98 8.81 11.79 75% 84.24 25.93 9.30 11.78 14.14 注: De为粒子有效直径, D1为平均直径, D2为平均平方根直径, D3为平均立方根直径

表 4 水平观测影响区、对比区小云粒子分位浓度、直径特征量统计 Table 4 Statistics of the horizontally distributed small cloud particle percentiles and diameter parameters in the affected area and contrasted area

小云粒子直径特征量在75%分位数都有增加, 影响区与对比区相比, 粒子有效直径、平均直径、平方根直径和立方根直径分别增加了2.53, 0.09, 0.51和0.88 μm, 意味着在浓密云区催化后粒子特征直径普遍增大。在50%分位数, 粒子有效直径减少了1.89 μm, 平均直径、平方根直径和立方根直径分别增加了1.32, 1.13和0.84 μm; 在25%分位数, 有效粒子直径减少了0.98 μm, 平均直径、平方根直径和立方根直径分别增加了1.14, 1.04和0.37 μm; 说明在适宜的云区催化, 随着平均直径、平方根直径和立方根直径不同程度的增长, 有效粒子直径亦增加, 有利于形成降水粒子。

为了研究云中各种粒子的尺度大小及浓度分布情况, 用小云粒子、大云粒子和降水粒子探测数据绘制各种粒子的全谱图, 时间为飞机水平作业和探测期间, 即17:46:0519:06:48。图 6显示, 粒子浓度与直径一般呈反相关, 粒子越大, 浓度越小; 其中fg、hi、jk、qr、st五段飞行区间内小云粒子呈双峰分布; 云粒子最大浓度约为10 cm^-3·μm^-1, 其中, 小于20 μm的液态粒子浓度占较大比例, 说明云中以过冷水滴为主, 机翼结冰也说明了云中过冷水丰沛(图 6a)。大云粒子(图 6b)最大浓度约为0.1 cm^-3·μm^-1, 出现在hj、jk、im、qr、st段内。降水粒子(图 6c)最大直径约为8000 μm, 最大浓度约为10^-6 cm^-3·μm^-1, cde段降水粒子出现多峰, 该段位于云团A和云团b之间的弱雷达回波区(15~20 dBZ), 降水粒子中浓度分布不随直径的增加而逐渐递减, 出现了时空分布的不均衡性。

图 6(Figure 6)

图 6 2014年4月15日17:46:0519:06:48垂直观测降水粒子谱和水平观测粒子全谱分布 (a)降水粒子, (b)大云粒子, (c)小云粒子, (d)降水粒子.a到t的时间和位置与表 1中的时间和位置相同 Figure 6 Size distribution of precipitation particles in the vertical observation and horizontal observation from 17:46:05 to 19:06:48 on 15 April 2014. (a) precipitation particles, (b) large cloud particles, (c) small cloud particles, (d) precipitation particles.The time period and location from a to t are corresponded to those in table 1

为研究催化后不同时间间隔的响应, 在图 5中选取3个点位(①、②、③), 计算出飞机再次飞到移动后的这3个点位(T₁、T₂、T₃), 精细化分析作业前后粒子的相互响应。图 5中ij线段中的①(18:18:31)、gh线段中的②(18:07:27) 和ef线段中的③(18:03:52) 分别为飞机纵向飞行与第一次横向飞行(kl线段)的交叉点的稍下方, 根据飞行速度和4800 m高空风向、风速推算出图 6a中T₁为飞机沿着kl线横向飞行时再次穿过云团① 的时间, T₂为再次穿过云团② 的时间, T₃为再次穿过云团③ 的时间。计算得出经过T₁时间为18:24:46;经过T₂时间为18:26:24;经过T₃时间为18:29:26。

图 6a~c中3个点位(①、②、③)的位置同图 5, T₁、T₂、T₃分别是①、②、③ 催化后影响云, 对比① 和T₁发现, 催化后6 min降水粒子减少, 大云粒子增加; 至19 min时1 mm左右降水粒子增加, 从② 和T₂, 没有出现3 mm以上的降水粒子; 从③ 和T₃, 26 min后不但小云粒子、大云粒子增加, 1 mm左右降水粒子逐步增多, 并出现3 mm以上降水粒子。催化后云内出现大云粒子增加, 降水粒子浓度先降后升, 最后出现3 mm以上巨形降水粒子演变过程, 究其原因, 可能是大的降水粒子沉降到下层云中, 同时小云粒子吸食增长形成大云粒子, 之后再碰并成降水粒子。

根据4800 m风向和风速估算h点(18:06:59) 催化的云团, 在19:1919:36移动到t点, 恰好飞机在t点位置下降到626 m后开始上升作垂直探测至5726 m高度。对比4800 m高度层h点和t点降水粒子发现, t点降水粒子比h点略有增加, 4800 m高空降水粒子直径小于3000 μm, 而在4800 m以下高度层出现大量直径大于3000 μm的粒子, 甚至出现直径达8000 μm的粒子, 说明4800 m附近出现降水粒子沉降, 并在沉降过程中通过碰并或粘连继续增大。3814 m高度层, 温度为0 ℃, 其下方粒子直径变小, 可能与雪花融化有关, 继续下落到3686 m以后, 粒子直径开始增大, 可能与雨滴碰并有关(图 6d)。

同一云团作业前(b)后(B)平均粒子谱显示(图 7a), 粒子谱皆呈双峰结构, 第二峰在10.5 μm。说明10.5 μm以下主要为吸食增长, 此时小云粒子均匀增长; 10.5~150 μm浓度指数递减, 少数粒子脱颖而出, 这一过程由吸食增长向碰并增长转化; 150~1000 μm粒子浓度变化不大, 直径迅速增长, 碰并增长起主导作用; 大于1000 μm粒子浓度急降与粒子沉降有关。影响区(云团B)小云粒子和大云粒子浓度皆大于对比区(云团b), 二者相差50%左右; 直径在500~4000 μm之间降水粒子的浓度影响区低于对比区, 但直径在500 μm以下和4000 μm以上粒子浓度影响区明显高于对比区, 且出现5000~8000 μm的降水粒子。影响区和对比区分位粒子谱上同样显示双峰结构(图 7b), 第二峰仍在10.5 μm; 同分位粒子谱影响区浓度均大于对比区浓度, 且影响区粒子谱变宽。对比区25%分位粒子浓度在50~190 μm出现断线, 该层有25%的观测记录中没有直径50~190 μm的粒子; 影响区25%分位浓度在90 μm以上出现断线, 影响区有25%的观测记录中没有直径90 μm以上的大粒子。

图 7(Figure 7)

图 7 2014年4月15日同一云团作业前(a)后(b)粒子谱 分位顺序是浓度值从小到大排列 Figure 7 Particle distributions before (a) and after (b) the operation on the same cloud on 15 April 2014. Percentiles are number concentration in an increase order

平均直径表示小云粒子的大致尺度; 平均平方根直径表示小云粒子的平均截面; 平均立方根直径表征小云粒子的平均体积; 有效直径则表征云的可降水量。众数直径指该直径范围内的粒子数占总粒子数的比例最高的直径。为研究催化对粒子直径特征量影响, 计算了催化影响区和对比区(影响区和对比区划分同图 5a)小云粒子直径特征量的频谱分布。图 8a显示, 对比区众数粒子有效直径为17 μm, 众数值6.43%, 其中有效直径在8~20 μm的粒子占比43.44%;影响区众数粒子有效直径为16 μm, 众数值8.09%, 其中有效直径在8~20 μm的粒子占比56.38%;影响区有效粒子直径频谱呈双峰型, 对比区有效粒子直径频谱呈多峰型, 可能与平飞中穿过有效粒子大小和密度不均匀的云团有关, 影响区小云粒子有效直径向大值方向偏移, 大粒子明显增加。平均直径频谱的带宽明显比有效粒子直径频谱带窄。对比区众数平均直径为6 μm, 众数值25.33%, 其中平均直径在4~12 μm的粒子占比96.06%;影响区粒子众数平均直径为7 μm, 众数值23.82%, 其中平均直径在5~14 μm的粒子占比97.15%;影响区粒子平均直径较大, 分布较为离散。

图 8(Figure 8)

图 8 2014年4月15日小云粒子特征直径的频谱分布 (a)粒子有效直径De与平均直径D1, (b)平均平方根直径D2与平均立方根直径D3 Figure 8 Frequency distribution of small cloud particle diameters on 15 April 2014. (a) the effective diameter De and the average diameter D1, (b) the square root of the mean diameter D2 and the cube root of the mean diameter D3

图 8b显示, 对比区众数均方根直径为8 μm, 众数值13.39%, 其中均方根直径在4~14 μm的粒子占比92.52%;影响区众数均方根粒子直径为8 μm, 众数值12.76%, 其中均方根直径在6~16 μm的粒子占比94.89%。对比区众数立方根直径为13 μm, 众数值11.68%, 其中立方根直径在4~18 μm的粒子占比93.57%;影响区众数立方根粒子直径为14 μm, 众数值10.92%, 其中立方根直径在7~20 μm的粒子占比93.31%;影响区小云粒子均方根直径和立方根直径比催化前变大, 分布较分散, 频谱变宽。

为了分析飞机作业影响时间及催化后的效果, 根据CAPS平台计算的催化剂扩散轨迹计算作业开始后每小时影响区和对比区平均小时降水量, 该雨量采用区域自动雨量站的观测值。图 9为17:0021:00逐时影响区和对比区随时间的变化图, 图 9中黑色线合围的不规则区域为作业后影响区, 影响区上方和下方红色线合围的不规则区域为对比区。作业前(16:0017:00) 影响区上方有1 mm的小时雨量, 影响区和下方对比区均未产生降雨; 作业1 h(17:0018:00) 影响区北部雨量0.5 mm, 南部影响区雨量0 mm; 作业后2 h(18:0019:00) 影响区雨量为0.5~3 mm, 其中云团a、云团b中心最大雨量达3 mm, 影响区雨量呈现降雨中心, 小时雨量明显大于对比区; 作业后3 h(19:0020:00) 影响区降雨量为0.5~2.5 mm, 其中云团b中心最大雨量达2.5 mm, 小时雨量大于对比区雨量; 作业后4 h(20:0021:00) 影响区雨量降为0.5 mm, 影响区小时雨量与周围对比区相同。19:0020:00影响区雨量比对比区雨量明显偏多, 说明作业3 h内影响区雨量增加, 结果与Rosenfeld and Woodley(1993)对德克萨斯州播云实验的效果评估结果基本吻合。

图 9(Figure 9)

图 9 2014年4月15日17:0020:00影响区和对比区地面小时降水量(单位: mm) (a) 17:00, (b) 18:00, (c) 19:00, (d) 20:00.黑色线合围的不规则区域为作业后影响区, 红色线合围的不规则区域为对比区 Figure 9 Hourly precipitation of the affected area and the contrasted area from 17:00 to 20:00 (a~d) on 15 April 2014.Unit: mm.The irregular areas of the black lines and red lines are the affected area after the seeding and the contrasted area, respectively

(1) 此次过程是以锋后冷高压南部的冷空气和低层850 hPa偏东风作为冷垫, 中高层西南暖湿气流沿着冷垫爬升形成的河北中南部层状云降水天气系统。由于700 hPa西南风较强, 850 hPa偏东风较弱, 上层“槽前云”弱, 下层“回流云”强, 大粒子主要在“回流云”中增长。3000~5500 m云层温度为-15~-2 ℃, 4800 m作业云层小云粒子浓度一般在超过20 cm^-3以上, 最大值300 cm^-3, 因为没有高云, 中云分层多、云内大云粒子偏少。

(2) 对云团a和云团b进行催化后雷达反射率因子、FY-2E卫星反演参量都有明显变化。云团a催化后FY-2E卫星云图亮温由-25 ℃降到-30 ℃左右, 云顶抬高。最强雷达反射率因子达45 dBZ, 35 dBZ以上的雷达回波区面积增加(长)明显, 强雷达回波区下沉了500~1000 m。

(3) 作业后小云粒子、大云粒子浓度都有增加, 云顶附近降水粒子浓度先降后升, 其过程大约25 min。粒子谱呈现双峰分布, 催化后直径在500~4000 μm之间的降水粒子浓度影响区明显高于对比区。从频谱看, 影响区粒子有效直径整体向大值方向偏移; 其平均直径、平方根直径以及立方根直径频谱变宽, 粒子分布离散。

(4) 作业后, 影响区雨量增幅迅速增大, 同上风方和周围比较, 在作业后3 h之内雨量持续增大。但总雨量差异中自然原因、作业效果各起多大作用还需更多资料和试验做进一步分析。