层状云降水是中纬度地区降水的一种主要形式,在全球的水循环和地气系统能量平衡中起着重要的作用(黄兴友等,2019)。Schumacher and Houze(2003)利用TRMM降水雷达三年的数据统计发现,层状云降水占了40%的降水量且覆盖了70%的中纬度地区。位于中纬度地带的我国华北地区,人口众多,工农业发达,但水资源较为匮乏,一直以来,层状云降水是补充该地区淡水资源、缓解干旱的一种主要降水形式,同时也是该地区人工影响天气作业的主要作业对象(洪延超,2012)。云微物理过程决定着水成物粒子的尺度、形状以及相态变化过程,影响着潜热释放,与动力过程相互作用,共同主导着天气系统的发生、发展与消散(赵宇等,2018;黄兴友等,2020)。作为云微物理属性的重要方面,云中冰相粒子形状关系着冰相粒子自身的散射属性、增长率和下落末速度,是准确计算云中冰水含量、消光系数、有效粒子半径和云相组分等其他云微物理参数的重要前提(Korolev and Sussman,2000)。冰相粒子的散射属性会影响到整个地球气候和辐射平衡过程,而冰相粒子自身的增长率和下落末速度又会影响到云中降水的发展变化过程,现有模式模拟与观测对比表明模式中对云粒子增长与下落末速度的处理会影响到模拟的效果(Hou et al.,2020)。因此,准确的云中冰相粒子形状分布和变化信息对于理解云中降水的发展变化的物理过程至关重要,是模式正确模拟层状云降水发展演变过程的关键。但由于对云中冰相粒子形状分布与增长变化过程认识的缺失,目前气候和天气预报模式中的云微物理参数化方案仅是对云中冰相粒子形状分布和增长过程做了一些理想化的简单假定,使得模式预报的结果具有很大的不确定性(陈琪和张华,2018)。因此获取准确的冰相粒子形状分布信息,对于提高天气和气候模式的预报准确性具有重要的意义。

目前云中冰相粒子形状分布和变化信息主要依靠飞机测量(黄敏松和雷恒池,2018)。在层状云中冰相粒子形状分布的飞机观测研究中,Isaac(1991) 利用机载云粒子成像仪(2DC)在加拿大大西洋风暴观测实验中所测的冰相粒子图像数据研究了不同冰相粒子形状在层状云中的出现频率,发现聚合状粒子的出现频率最高,但在-3℃和-16℃的温度层内出现频率最高的分别是针状和板状冰相。后来,Korolev and Sussman(2000)通过研究机载云粒子成像仪(2DC)在层状云中所测的冰相粒子图像发现,温度区间在0~-40℃的层状云中80%~97%的粒子形状为不规则状粒子。王磊等(2014)也利用机载云粒子成像仪(2DC-G)数据研究了一次高积云中不同形状冰相粒子的分布信息,发现不规则状粒子出现频率与Korolev and Sussman (2000)相似。但是Stoelinga et al.(2007)通过在地面对层状云降雪进行观测发现,大部分的冰雪晶粒子具有规则的粒子形状。Bailey and Hallett(2009)通过实验室试验和外场观测数据获取了大气中冰相粒子形状的分布图谱,发现与传统的冰相粒子形状分布图谱相比具有很大的差异性。朱士超与郭学良(2014)利用环北京云观测试验期间的飞机观测数据研究了两次降水性层状云中冰相粒子形状分布与发展变化过程,发现冰相粒子形状分布与云顶温度和云中位置有关。上述工作均表明自然界云中冰相粒子形状分布存在的复杂性,因为冰相粒子在云中下落生长过程会经历诸如凝华、凇附、碰撞和破碎等一系列复杂的物理过程,且会受到云中热力和动力等一系列因素的影响。

为研究华北春季降水性层状云中冰相粒子形状分布特征,本文利用云微物理探测飞机上的云粒子成像仪(OAP-CIP)在三次层状云降水天气过程中所测的云降水粒子图像资料,研究获取不同降水阶段层状云中冰相粒子形状分布特征以及影响冰相粒子增长变化的关键微物理过程。

1 天气背景与外场观测

研究所用数据来自2009年4—5月与2010年4月期间的飞机外场观测数据。试验期间共有三次锋面系统过境,且均在高空低槽切变与地面弱冷锋共同影响下,试验区产生了明显的层状云降水过程,其中2009年4月18日是一次较弱的锋面天气过程,观测区域上空有积层混合云产生,从500hPa高度场和风场(图略)可看,有一短波槽经过观测区域,观测区域处于槽前,观测区域上空受西南气流控制。试验区从15时(北京时,下同)开始产生降水,17时雨量开始逐渐增大,18时降雨量达到最大,24h累积降雨量达到6.7mm,属于小雨级别。从2009年5月1日08时500hPa高度场和风场(图略)来看,观测区域上空一直受西风槽控制,与4月18日相比,此次低压槽更明显,锋面系统更为深厚,试验区从04时开始产生降水,小时降水量小于0.5mm,08时小时降水量最大值达0.8mm,12时降水过程基本结束,24h累积降雨量为6~10mm,属于小到中雨级别。2010年4月20日的天气过程则与高空槽和地面低压中心相关,从500hPa高度(图略)来看则受明显的西南气流控制,试验区从早上10时开始产生降水,15时雨量开始逐渐增大,24h累积降雨量达到20mm,局部达到40mm,属于中到大雨级别。在这三次降水期间,携带有机载云微物理探测设备的山西省人工降雨防雹办公室的3817号Y12飞机和北京市人工影响天气办公室的3830号Y12飞机均对降水的形成与发展过程进行了观测。其中,2009年4月18日进行了两次的外场飞行观测,分别从13时37分和16时58分开始对云系的前沿进行观测,主要飞行高度分别为4.2和3.6km;2009年5月1日进行了一次外场飞行观测,观测的云系主要为锋后云系;2010年4月20日的观测也是飞行了两个架次,分别从10时12分和15时31分开始,主要是在太原地区上空进行探测。因此利用这5个航次的观测数据来研究华北地区层状云降水过程中冰相粒子形状分布特征以及影响冰相粒子增长变化的关键微物理过程。由于航测期间3830号飞机主要是对云中低层部位进行探测,在负温度层内探测时段较少,3830号飞机的航测资料仅有2009年5月1日的航次参与分析。

2 冰相粒子形状及其分类方法

云中粒子形状复杂多样,在云粒子形状的分类上不同研究人员有不同的分类方法。1951年国际冰雪委员会(Wallace and Hobbs,2006) 根据形态提出了固态降水物质的国际分类,将冰雪晶分为片状、辐枝状、柱状、针状、空间辐枝状、帽柱状及不规则晶7种类型,与霰、冰粒和冰雹一同构成10种固态降水粒子类型。Magono and Lee(1966)则将雪晶粒子分成80种类别。Holroyd(1987)、王磊等(2014)和黄敏松与雷恒池(2020)则将粒子形状类别分为8类,而Korolev et al.(2000)则将粒子形状分为4类。由于光阵成像探头(CIP)的像素精度比较低(25 μm),像素灰度等级有限(仅有两个灰度等级),综合考虑仪器的实际性能以及分类的实际用途,这里选择黄敏松和雷恒池(2020)的分类方法,将云粒子形状分为8种类别,即微小状、线形状、聚合状、霰、球形状、板状、不规则状和枝状,具体粒子形状如图1所示。此外,在对冰相粒子形状进行分类之前,均利用自研的处理软件(Huang,2021;黄敏松等,2021)对所测数据进行了处理。

3 冰相粒子形状分布特征

基于观测试验区内地基雷达和卫星的观测资料,发现探测飞机在2009年4月18日和2010年4月20日的降水过程探测均对降水发展的早期阶段和成熟阶段进行了探测,在2009年5月1日的降水过程中仅在降水成熟阶段进行探测,其中2009年4月18日的两次飞行探测过程中飞机所处的云中最低温度位于-7.3℃,5月1日飞行探测过程中飞机所处的云中最低温度位于-8.8℃,2010年4月20日的两次飞行探测过程中飞机所处的云中最低温度为-11.7℃。由实验室和外场观测的研究(Bailey and Hallett,2009;朱世超和郭学良,2014)可知,0~-4℃是板状冰晶形成的合适温度区间,-4~8℃是针柱状冰晶形成的合适温度区间,而-8~22℃则是辐枝状和板状的合适生长温度区间。因此根据云粒子形状的适合生长温度区间以及实际飞行探测情况,以4℃为一温度区间间隔,研究粒径在125、250和500 μm以上粒径粒子形状在本次降水性层状云发展过程中各温度区间的分布情况,其中2009年4月18日和5月1日的探测数据分为两个温度区间,分别是0~-4℃和-4~8℃,而2010年4月20日的探测数据分为三个温度区间,分别是0~-4℃、-4~8℃和-8~12℃。

3.1 降水发展早期的冰相粒子形状分布

对2009年4月18日和2010年4月20日的降水发展早期云中冰相粒子形状进行分类统计,统计结果如图2和图3所示。从图2a可看出,2009年4月18日降水早期0~-4℃温度区间内大粒径段(≥500 μm)的主要粒子形状是霰、线形状和聚合状,这三种粒子形状的出现频率均超过了10%,但如果考虑到更小粒径段粒子(≥125 μm),主要的粒子形状除了上述三种粒子形状外,还增加了不规则状。而在-4~8℃温度区间内大粒径段(≥500 μm),主要的粒子形状依然是线形状、霰和聚合状,但如果考虑到更小粒径段粒子(≥125 μm),主要粒子形状是霰和不规则状,这两种形状的出现频率均在25%以上,板状也达到了10%。

从图3中可看出2010年4月20日降水早期在三个温度区间内均有两个主要的粒子形状,分别是线形状和霰,另外如果考虑到小粒径端粒子(≥125 μm),不规则状粒子是另外一种主要的粒子形状,但随着统计粒径的增大,其出现频率逐渐降低。就具体的温度区间而言,在0~-4℃温度区间内(图3a),125 μm粒径以上粒子中线形状和霰的出现频率均在40%以上,而在250 μm粒径以上粒子中线形状和霰的出现频率则在35%,500 μm粒径以上粒子中线形状和霰的出现频率则在30%左右。可见,随着粒子粒径增大,线形状和霰的出现频率有逐渐下降趋势。同样,不规则状粒子的出现频率在125 μm粒径以上粒子中达到了15%,但250 μm和500 μm粒径以上粒子中,其出现频率分别下降到5%和接近0%。此外,聚合状粒子在三个粒径以上粒子中的出现频率变化不大,但基本均在10%以上,是该温度区间的另一主要粒子形状。在-4~8℃的温度区间内(图3b),霰粒子的出现频率是最高的,在不同的粒径区间统计时,其最低的出现频率也在50%以上,125 μm粒径以上粒子中霰粒子的出现频率是50%,线形状粒子的出现频率是20%,不规则状粒子的出现频率是10%,其他形状粒子的占比均在10%以下,而在250 μm和500 μm粒径以上粒子中,霰粒子的出现频率进一步提高到60%,线形状粒子的出现频率则提高到30%,不规则状粒子出现频率则从10%降低到接近0,其他粒子形状出现频率变化不大。在-8~12℃的温度区间内(图3c),霰粒子的出现频率是最高的,在三个粒径以上粒子形状中其出现频率均在40%以上;其次是线形状粒子,其出现频率均在20%以上,其中在500 μm粒径以上粒子中其出现频率达到了40%;其他形状粒子则随统计粒径段增大出现频率要么基本不变,要么变小,其中以不规则状最为显著,其出现频率从15%(≥125 μm)到接近于0(≥500 μm)。

因此,就降水早期而言,在0~-4℃温度区间内,霰、线形状和聚合状是三种主要的粒子形状,不规则状粒子在125 μm粒径以上的粒子中出现的频率也较高,但随着统计粒径的增大,其出现的频率逐渐降低。在-4~8℃温度区间内霰粒子是主要的粒子形状,但是在125 μm粒径以上不规则状是另一个主要的粒子形状,在500 μm粒径以上线形状粒子又是另一个主要的粒子形状。在-8~12℃温度区间内霰和线形状粒子是两种主要的粒子形状,只是在125 μm粒径以上时不规则状粒子的出现频率才明显增多,但随着统计粒径的增大,其出现频率也逐渐降低。

就冰相粒子形状在降水早期的出现频率而言,微小状、球状和枝状的出现频率较低,基本都在5%以下;其次是板状,其在125 μm粒径以上的粒子数统计中基本在5%~10%;聚合状粒子在0~-4℃的温度区间内出现频率在10%~20%,在其他温度区间则在10%以下;不规则状粒子在125 μm粒径以上的粒子数统计中出现频率在10%以上,但其他粒径段则在10%以内;线形状粒子和霰是出现频率最高的两种粒子,在500 μm粒径以上的粒子数统计中其出现频率分别在20%和40%以上。

3.2 降水成熟阶段的冰相粒子形状分布

对2009年4月18日、5月1日和2010年4月20日的降水成熟阶段云中冰相粒子形状进行分类统计,统计结果如图4、图5和图6所示。从图4可看出2009年4月18日降水成熟阶段霰粒子的出现频率构成了一个明显的主峰,其两侧的线形状粒子和不规则状粒子则分别在500 μm粒径以上和125 μm粒径以上构成另外两个明显的次峰值。就具体的温度区间而言,在0~-4℃的温度区间内(图4a),霰粒子的出现频率分别是40%以上(≥125 μm),60%以上(≥250 μm)和80%以上(≥500 μm),除了不规则状粒子在125 μm以上出现频率达到30%以上,其他形状粒子出现频率均较低,均在10%以下。在-4~8℃的温度区间内(图4b),霰粒子的出现频率均在35%以上,其中在500 μm粒径以上其出现频率接近70%。不规则状粒子在125 μm粒径以上出现频率也比较高,接近30%,而线形状粒子则是在500 μm粒径以上的出现频率接近20%,其他形状粒子出现频率较低,均在10%以下。

从2009年5月1日降水成熟阶段的粒子形状分布统计(图5)可看出,在-8~0℃温度区间内,线形状、霰和聚合状是三种主要的粒子形状,出现频率均超过了10%,但是在0~-4℃温度区间内聚合状粒子出现的频率是最高的,而在-4~8℃温度区间内出现频率最高的是霰粒子。另外不规则状粒子在125 μm粒径以上的粒子中其出现频率也超过了10%,是另外的一种主要粒子形状。而板状粒子在两个温度区间内不同粒径段中出现频率变化不大,均接近于10%。

从图6a、b中可看出,2010年4月20日降水成熟阶段-8~0℃的温度区间,聚合状粒子与霰粒子一起构成了一个明显的主峰值,板状粒子和不规则状粒子构成了另一个明显的次峰值。在-12~8℃的温度区间(图6c),聚合状粒子独自构成了一个明显的主峰值,其他形状粒子出现频率则比较低,均在10%以下。具体到每个温度区间而言,在0~-4℃的温度区间内(图6a),125 μm粒径以上聚合状粒子出现频率在30%以上,而霰粒子则在25%以上,板状、不规则状和线形状粒子出现频率均在10%以上;在250 μm粒径以上,聚合状粒子出现频率在35%以上,而霰粒子则在30%以上,板状和线形状粒子出现频率则接近于15%,其他形状粒子出现频率均在10%以下;在500 μm粒径以上,霰粒子与聚合状粒子出现频率均在30%~35%,但霰粒子明显高于聚合状粒子,板状粒子与线形状粒子出现频率进一步提升,均在15%以上,其他形状粒子出现频率进一步降低,接近于0。在-4~8℃的温度区间(图6b),125 μm粒径以上的粒子中,聚合状粒子出现频率最高,为35%,霰粒子次之,在20%~25%,板状、不规则状和线形状粒子出现频率均在10%以上;在250 μm粒径和500 μm粒径以上,聚合状粒子和霰粒子的出现频率均进一步提升,其中聚合状粒子出现频率超过了40%,而霰粒子也接近30%。除了不规则状粒子明显降低外,其他形状粒子出现频率变化不大。在-8~12℃的温度区间(图6c),随着统计粒径的增大,聚合状粒子的出现频率不断升高,从63%(≥125 μm)升高到接近80%(≥500 μm),除了不规则状和枝状粒子出现频率有点降低外,其他形状粒子出现频率基本不变。

由此可见,在降水成熟阶段0~-8℃温度区间内霰粒子是一个主要的粒子形状,而在125 μm粒径以上的粒子中不规则状粒子在该温度区间内的出现频率也比较高,在10%以上,但随着统计粒径的增大而降低;在降水级别能够达到中雨等级的降水过程中,聚合状粒子往往也是0~-8℃温度区间内的一个主要粒子形状,另外线形状粒子和板状粒子的出现频率也比较高,在10%以上或者接近于10%;而在-8~12℃温度区间内,聚合状粒子则成了唯一的主要粒子形状。

就具体冰相粒子形状分布而言,微小状、球状和枝状的出现频率较低,不超过5%;线形状粒子在0~-4℃和-4~8℃温度区间内出现频率在10%~20%;板状粒子的出现频率在5%~15%;不规则状粒子在125 μm粒径以上的粒子数统计中在10%以上,但其他粒径段则在10%以内;霰粒子出现频率一般较高,在25%以上,但在-8~12℃时也能达到10%;聚合状粒子在小雨等级的降水过程中出现频率较低,不超过10%,但在降水等级达到中雨及以上的降水天气过程中,其出现频率也均在25%以上,在-8~12℃的温度区间内甚至达到了60%以上。

4 粒子增长的关键微物理过程

云粒子形状的生长与云中温度和过饱和度相关。从云粒子形状分布信息中可获取相应温度区间内降水发生发展、粒子生长机制以及水汽是否饱和等相关的云微物理信息。因此可以从上一节的冰相粒子形状分布的统计信息中获取在不同降水发展阶段云中冰相粒子增长的关键微物理过程。

4.1 降水发展早期

从上一节分析中,在降水发展早期,云中低层0~-4℃温度区间内的主要粒子形状是霰、线形状、聚合状和不规则状,因为霰主要是云中粒子凇附过冷水滴而成,线形状粒子主要是经由凝华增长而形成的针柱状粒子,聚合状粒子主要是云中粒子间相互碰并聚合而成,不规则状粒子主要是因为云中小尺度弱对流的存在导致粒子的形状增长变化偏向于不规则。因此可以推测在降水发展早期,云中负温层低层0~-4℃温度区间内粒子主要以凝华和凇附增长为主,云中小尺度对流的存在增强了云中粒子间的碰并聚合过程的发生,使得粒子不断长大,最后跌落出负温度层融化后形成早期降水;而在-4~8℃和-8~12℃温度区间内霰粒子均是主要的粒子形状,另外主要的粒子形状是不规则状和线形状,因此可以推测凝华和凇附也是这两个温度区间内冰相粒子增长的主要微物理过程,而小尺度对流对这两个温度层的冰相粒子增长也有一定的影响。从2010年4月20日天气过程太原雷达实测的雷达反射率回波看(图7a),在降水发展早期,可以看到在太原站附近有一些分散性的弓形回波区域,而在太原西南方向有一块比较大的回波区域,回波强度达到25dBZ,总体上回波比较弱,对流不强。因此云中降水粒子总体上相对还比较小,粒子增长以凝华和凇附过程为主。

4.2 降水成熟阶段

在降水成熟阶段,0~-4℃温度区间和-4~8℃温度区间内霰和不规则状粒子是两种主要的粒子形状,说明凇附和小尺度对流对这两个温度区间内粒子的增长均有影响;在降水级别能够达到中雨等级的降水过程中,聚合状粒子往往也是这两个温度区间内的一个主要粒子形状,说明粒子间的碰并聚合对粒子增长起到了很大的作用,使得降水强度增强;而线形状粒子和板状粒子的出现频率也比较高,说明凝华增长也是粒子增长的另一个主要过程。在-8~12℃温度区间内,聚合状粒子则成了唯一的主要粒子形状,说明该温度区间内碰并聚合对粒子增长起到了主要作用。

从2010年4月20日天气过程太原雷达实测的雷达反射率回波看(图7b),在降水成熟阶段,云系已经布满了整个雷达扫描空间,部分区域的雷达回波强度已经达到35dBZ,回波强度较强。从雷达回波强度垂直剖面(RHI)(图3c)看,有比较明显的回波亮带,亮带回波值达到了30dBZ,亮带高度约在1.6~2.4km范围内,回波顶高范围为6~8km,云内嵌有明显的对流。与降水发展早期相比,云中对流发展较为旺盛,液态水含量更高。在云中动力条件作用下,粒子间的碰并聚合更为频繁,凇附过程更为明显,冰相粒子增长更快,更易跌落融化成雨水,增大雨强。

5 结论与讨论

利用三次降水性层状云中CIP仪器所测的云降水粒子图像资料,研究层状云降水过程中冰相粒子形状在不同温度区间不同粒径范围内的分布变化特征,并基于所获取的冰相粒子形状分布变化特征以及其他外场观测资料来研究华北地区层状云降水发展过程中云中冰相粒子增长变化的关键微物理过程,获得以下结果:

1)就冰相粒子形状出现频率而言,微小状、球状和枝状的出现频率较低,不超过5%;板状粒子的出现频率在5%~15%;不规则状粒子在125 μm粒径以上的粒子数统计中出现频率为10%以上,但其他粒径段则在10%以内;线形状粒子在0~-4℃和-4~8℃温度区间内出现频率在10%~20%,其在降水发展早期500 μm粒径以上的粒子数统计中出现频率均在20%以上,但在降水成熟阶段的-8~12℃温度区间内其出现频率则较低,在10%以内;霰粒子出现频率一般较高,在25%以上,在降水发展早期500 μm粒径以上的粒子数统计中其出现频率均在40%以上,在降水成熟阶段的-8~12℃温度区间,其出现频率较低,但也能达到10%;聚合状粒子在降水发展早期出现频率较低,除了在0~-4℃的温度区间内出现频率在10%~20%,在其他温度区间则在10%以下,在降水成熟阶段其随着降水等级的增大出现频率也会随之增高,从不超过10%(小雨)到25%以上(中到大雨)。

2)就冰相粒子增长的关键微物理过程而言,在降水发展早期阶段0~-12℃温度区间内粒子主要以凝华和凇附增长为主,小尺度对流的存在会对冰相粒子形状产生影响,此外,在0~-4℃温度区间内碰并聚合过程对冰相粒子也起到了一定的影响;在降水成熟阶段,凝华和凇附过程对冰相粒子增长起到了一个很大的作用,但是粒子间的聚合碰并是整个大粒子形成过程的一个主要微物理过程,在降水强度较小时凇附是其中最为关键的微物理过程,而随着降水强度的增大,粒子间碰并聚合的作用越明显。

本文通过三次锋面降水天气过程中CIP仪器所测的冰相粒子图像资料,统计分析获取了不同形状冰相粒子在不同降水阶段不同温度区间以及不同粒径上的出现频率分布特征,并基于所获取的分布特征定性分析了不同降水阶段影响冰相粒子增长的关键微物理过程,得到了一些初步的研究成果,但仍有问题尚未得到解决。一方面,由于观测飞机飞行高度的限制,对于云中-12℃温度以上高度的冰相粒子形状分布目前仍未知。另一方面,由于飞机探测结果只是某个区域或时间段内云系的云微物理特征,对于揭示云系结构和降水机理具有一定的局限性,而数值模式可以很好地对整个云系的发展变化过程进行模拟,因此,未来迫切需要结合数值模式来更加精确地获取影响冰相粒子增长的关键微物理过程及其对云降水变化的影响。

致谢:感谢山西省人工降雨防雹办公室和北京市人工影响天气办公室提供了观测数据。

参考文献