山西省一次一次降水過(guò)程的宏微觀特征分析

山西省一次一次降水過(guò)程的宏微觀特征分析

1云巖環(huán)境特征對(duì)氣象變化的響應(yīng)云物理研究包括對(duì)云和降水自然過(guò)程的外場(chǎng)觀測(cè)研究，對(duì)云物理過(guò)程的一些環(huán)節(jié)進(jìn)行內(nèi)部模擬試驗(yàn)，并使用數(shù)學(xué)方法對(duì)云物理過(guò)程的數(shù)值模擬進(jìn)行研究。其中,外場(chǎng)觀測(cè)研究是認(rèn)識(shí)云物理過(guò)程的最重要途徑(游來(lái)光,1994)。層狀云微物理結(jié)構(gòu)的探測(cè)研究不僅是云和降水物理研究的重要內(nèi)容,而且對(duì)科學(xué)實(shí)施人工影響天氣作業(yè)也很重要。長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)于不同類型云系云的微物理結(jié)構(gòu)及其自然降水形成物理過(guò)程的觀測(cè)研究,始終是人工影響天氣領(lǐng)域研究的核心科學(xué)問(wèn)題。從20世紀(jì)70年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)家對(duì)層狀云進(jìn)行了大量的外場(chǎng)探測(cè)和數(shù)值模擬研究,主要有前蘇聯(lián)對(duì)冬季層狀云的探測(cè)和人工影響試驗(yàn)、美國(guó)對(duì)溫帶氣旋云系和地形云的探測(cè)和數(shù)值模擬以及我國(guó)北方層狀云人工降水試驗(yàn)研究(李大山,2002)。Korolev(1994)從機(jī)載粒子測(cè)量系統(tǒng)(ParticleMeasuringSystem,PMS)的FSSP-100探頭獲取的資料分析得出,在層狀云中粒子譜普遍呈雙峰分布,這種現(xiàn)象與云中擾動(dòng)密切相關(guān)。LiuandLo(1989)用PMS資料對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)中的層狀云降水區(qū)的融化層及暖雨區(qū)的微物理過(guò)程進(jìn)行了分析。廖菲等(2007)利用探空資料對(duì)河南一次冷鋒降水過(guò)程的水汽分布特征進(jìn)行分析。黃美元和洪延超(1984)對(duì)梅雨鋒云系內(nèi)層狀云回波結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)梅雨云系中層狀云的結(jié)構(gòu)具有明顯不均勻性。蘇正軍等(2000)對(duì)華北冷渦降水的云物理飛機(jī)探測(cè)資料分析表明云粒子直徑、濃度空間分布等存在不均勻特性。牛生杰等(1992)和陳文選等(1995)對(duì)寧夏、山東地區(qū)云微物理量進(jìn)行分析也說(shuō)明層狀云的不均勻性。李宏宇等(2011)利用自動(dòng)氣象站雨量監(jiān)測(cè)、雷達(dá)以及衛(wèi)星反演資料,對(duì)2008年北京奧運(yùn)會(huì)開幕式活動(dòng)期間云、降水主要特征及人工消減雨作業(yè)的物理響應(yīng)分析。本文利用2009年6月18~19日山西省一次低渦冷鋒云系的觀測(cè)資料,分析了山西省層狀云的微物理結(jié)構(gòu)。2飛行探測(cè)區(qū)域2009年6月18日08:00(北京時(shí)間,下同),500hPa天氣圖(圖略)上,貝加爾湖西北部經(jīng)蒙古西部至新疆地區(qū)有一大槽,溫度槽與氣壓槽疊加,蒙古至河西走廊有一弱副槽。山西省處于弱副槽之前。700hPa圖(圖略)上,環(huán)流形勢(shì)為兩脊一槽型,中心位于貝加爾湖西北部的東亞大槽經(jīng)蒙古中部、河西走廊至四川省中部,山西省處于槽前較強(qiáng)西南氣流之中,濕度較大。850hPa圖(圖略)上與700hPa圖類似,東亞大槽中心位于貝加爾湖東部其槽線經(jīng)蒙古東部地區(qū)至河西走廊,一暖中心疊加于大槽之上,山西省處于較強(qiáng)的東南氣流之中。08:00地面圖(圖1a)上,氣旋中心位于蒙古東部,向西南經(jīng)河西走廊至四川省中部有一冷鋒,山西省處于冷鋒鋒前。14:00地面圖(圖略)上,氣旋中心略向西移,鋒線略向東移經(jīng)河套頂部、寧夏伸至甘肅南部。山西西部、北部和南部局部出現(xiàn)降水。2009年6月19日08:00,在500hPa天氣圖(圖略)上,18日08:00的低壓中心東移至貝加爾湖附近,冷中心略滯后于低壓中心,其向南伸出的大槽移至河套東部經(jīng)陜西伸至甘肅中部,山西省處于槽前西南氣流控制之中;同時(shí)有一濕區(qū)位于本區(qū)上空。700hPa圖(圖略)上,東亞大槽東移至內(nèi)蒙古東部,經(jīng)河北伸至河南、湖北一帶。山西省處于槽后西北氣流之中,濕度較大。850hPa圖與700hPa圖類似,本區(qū)上空濕度較大。08:00地面圖(圖1b),地面氣旋中心移至蒙古東部地區(qū),其冷鋒經(jīng)內(nèi)蒙古東部、河北伸至河南,山西省處于冷鋒鋒后。飛行探測(cè)區(qū)域?yàn)閳D2中的矩形區(qū)域。可以看出,18日(圖2a)云系處于發(fā)展階段,作業(yè)區(qū)云層較厚,云體較為密實(shí);19日(圖2b)作業(yè)區(qū)云層處于鋒面云帶的后部,云層較薄,結(jié)構(gòu)松散。3云物理探測(cè)系統(tǒng)本文利用運(yùn)–12飛機(jī)作為此次飛行探測(cè)平臺(tái)。探測(cè)所用儀器有GPS定位系統(tǒng),美國(guó)DMT(DropletMeasurementTechnologies)機(jī)載云物理探測(cè)系統(tǒng),本次觀測(cè)中使用的探頭是云粒子探頭CDP(CloudDropletProbe),量程為3~50μm,分為30個(gè)通道;空氣狀況探頭ADP(AIMMS-20Air-DataProbe),用于測(cè)量溫度、濕度、相對(duì)濕度、空氣的靜態(tài)氣壓和動(dòng)態(tài)氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、GPS軌跡(包括飛行經(jīng)度、緯度、高度的三維坐標(biāo)顯示)等。4日探測(cè)線路本次飛行探測(cè)時(shí)間為2009年6月18日13:30至14:48和19日13:50至15:10,18日飛行軌跡如圖3a和3b所示,航線為太原—孝義—靈石—文水—太原。13:30從太原武宿機(jī)場(chǎng)起飛,起飛后一直爬升,13:35入云。根據(jù)宏觀記錄,云底高度為1900m,13:41(3272m)至13:43(3542m),13:52到達(dá)3700m,沿3700m做平飛探測(cè),14:02到達(dá)孝義,14:09到達(dá)靈石,14:22到文水,到達(dá)文水后感到輕微的顛簸,下降過(guò)程中在1875m處飛機(jī)顛簸嚴(yán)重,之后出云,14:48降落。19日的探測(cè)航線如圖3c和3d所示,航線為太原—介休—中陽(yáng)—太原。飛機(jī)13:50起飛,14:00入云,云底高度為3165m,在爬升過(guò)程中觀察到有碎積云存在,14:05到達(dá)3700m,此后沿3700m做平飛,14:20到達(dá)介休,13:35到達(dá)中陽(yáng),15:10降落。5測(cè)量數(shù)據(jù)分析5.1云滴平均直徑和含水量分布特性由圖4可以看出,云底高度大約為1850m,云底較低,云層比較厚,云層分為兩層,中間夾有無(wú)云區(qū),與宏觀記錄觀察結(jié)果相符。1850~3220m為一層,約1370m厚,云滴數(shù)濃度最大達(dá)280cm–3:1850~2200m之間數(shù)濃度有起伏變化,但幅度不大;到2200m出現(xiàn)數(shù)濃度的最大值,之后迅速減小;從2500~2800m數(shù)濃度隨高度遞增;2800~3220m數(shù)濃度隨高度先減后增。云滴平均直徑最大達(dá)15μm,從1850~2340m,云滴平均直徑隨高度升高而增大;之后到3200m這一段高度,平均直徑出現(xiàn)起伏變化。從圖4中可以看出,含水量與平均直徑的起伏變化比較一致,與云滴數(shù)濃度變化相關(guān)性較差,含水量最大值達(dá)0.35g/m3。從表1可看到,大粒子對(duì)含水量的貢獻(xiàn)較大;3500m以上為一層,云滴最大濃度達(dá)到200cm–3,云滴平均直徑達(dá)13μm,含水量最大值為0.2g/m3。云中含水量與垂直氣流的強(qiáng)度有關(guān),上升氣流區(qū)基本與高含水量區(qū)相配合(王鵬飛和李子華,1989)。含水量從云底開始迅速增加,并且云中含有多個(gè)豐水區(qū),說(shuō)明云中上升氣流很強(qiáng),低層對(duì)高層的水汽輸送較大,造成云層厚,云中含水量大;含水量的起伏變化很大,說(shuō)明云中亂流比較明顯,這一點(diǎn)從云滴譜圖上也可以看出來(lái)(云滴譜呈多峰分布),3100~3220m,粒子平均直徑較大,含水量較小,是因?yàn)檫@一層與較干空氣混合,由于蒸發(fā),使含水量減小;上下兩層之間夾有干層,在干層中會(huì)使部分降水粒子蒸發(fā),不利于降水。綜合分析圖4可以看出,18日云系處于發(fā)展階段。由圖5可以看出,云底高度較高,位于3300m,較鋒前明顯抬高,入云后云粒子濃度迅速增大,最大值出現(xiàn)在3500m高度上,達(dá)到170cm–3,平均直徑最大為10μm,含水量最大值為0.05g/m3,各微物理量與18日相比,都明顯較小,含水量變化也沒(méi)有18日明顯,說(shuō)明云中氣流較穩(wěn)定,屬于冷鋒后云系,宏觀記錄中,在云層下面有碎積云,從圖5云滴數(shù)濃度及平均直徑的變化也可看出這一現(xiàn)象。綜合分析圖5可以看出,19日云系處于消散階段。5.2云型結(jié)構(gòu)及云滴數(shù)濃度分別選取1852m(13:34)、2000m(13:35)、2308m(13:36)、2459m(13:37)、2741m(13:38)、3542m(13:43)、3616m(13:44)、3725m(13:46)各高度上每5秒的平均值,對(duì)比云滴微物理量變化。圖6中云滴譜型多呈雙峰型和多峰型。1850~3220m云層中,云底譜寬最窄,云底向上譜寬逐漸變寬,譜寬最大處是2308m,之后逐漸變窄;對(duì)比云滴數(shù)濃度可以看出,云中下部數(shù)濃度最大,云底次之,云頂最小;云層下部和上部的小云滴較多,云中的大云滴較多,隨著高度的增加,較大云滴呈先增后減的趨勢(shì),整個(gè)譜型為比較典型的冷鋒前層積云的譜型(王鵬飛和李子華,1989)。在對(duì)3500m以上云層探測(cè)中,從云底向上,譜寬逐漸變寬,小云滴數(shù)濃度減小,大云滴數(shù)濃度增加。分別選取3405m(14:01)、3432m(14:02)、3465m(14:03)、3500m(14:03)、3550m(14:04)各高度上每5秒的平均值,對(duì)比云滴微物理量變化。2009年6月19日飛機(jī)上升過(guò)程中(如圖7所示),云滴數(shù)濃度最大值與譜寬最大值與18日相比,都有明顯的減小;圖中云滴譜型多呈單峰型和雙峰型,譜型屬于高層云的典型譜型(王鵬飛和李子華,1989),可以說(shuō)明冷鋒后云系消散成了相對(duì)穩(wěn)定的層狀云。5.3云滴譜分布擬合云粒子尺度譜形態(tài)是多變的、多樣的,但有統(tǒng)計(jì)規(guī)律,各類粒子的數(shù)濃度譜可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示其特征,根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合成數(shù)學(xué)式可對(duì)粒子譜特征進(jìn)行定量的描述,即粒子譜資料的參數(shù)化處理。因?yàn)樵频闻c雨滴同樣為大氣中的水凝物,具有一定的相似性,故本文采用在雨滴譜擬合中常用的兩種形式(即M-P分布和多階Γ分布)分別對(duì)各高度層次的云滴粒子實(shí)譜進(jìn)行擬合,M-P分布形式為其中,N0為濃度因子,λ為大小因子,D為直徑。Γ分布是在M-P分布中引入了形狀因子μ,其形式為使用Matlab軟件擬合后的結(jié)果如圖8所示,分別為各高度層次的云滴實(shí)譜及M-P擬合譜和多階Γ擬合譜。Matlab中擬合所得譜分布參數(shù)如表2所示。由圖8可見,本次降水6月18日云滴譜分布曲線起伏較大,19日云滴譜分布曲線較為平滑,無(wú)較大起伏。兩種擬合曲線中,M-P分布與實(shí)際云滴譜有較大偏差,尤其在大滴和小滴兩端;而多階Γ分布與實(shí)際譜型相當(dāng)接近,從表3中可以看出多階Γ分布與實(shí)際譜型的相關(guān)系數(shù)很高?？傮w而言,在擬合層狀云云滴譜時(shí),用多階Γ分布比M-P分布擬合的譜型更接近實(shí)譜,擬合效果更好。5.4云滴平均直徑和數(shù)量由圖9可以看出,云滴數(shù)濃度、云滴平均直徑、含水量均有較大起伏變化,各微物理量的平均值及最大值如表4所示,含水量出現(xiàn)2次大幅度躍增,由此可見,層狀云微物理量的水平分布是不均勻的。含水量(如圖10a所示)第一次躍增時(shí)間為13:45:49至13:46:11,由0.019g/m3連續(xù)增大到0.328g/m3,之后緩慢下降;與此相對(duì)應(yīng),云滴數(shù)濃度由53cm–3增大到237cm–3;云滴平均直徑由6.69μm增大到15.04μm;含水量第二次躍增時(shí)間為13:47:14至13:47:48,由0.1468g/m3增大到0.3325g/m3,增幅較第一次小;與此相對(duì)應(yīng),云滴數(shù)濃度由93cm–3增大到207cm–3;云滴平均直徑由11.54μm增大到15.43μm;由此可見,含水量的兩次躍增,是由云滴數(shù)濃度及平均直徑的增大共同引起的;此時(shí)飛機(jī)位于交城縣和文水縣之間,飛行宏觀記錄中,飛機(jī)感到顛簸。5.5云滴譜型及密度圖11a為含水量第一次躍增前后云滴譜圖,取13:45:30至13:45:46、13:46:08至13:46:40的樣本平均值做躍增前、躍增后云滴譜圖,含水量平均值為0.12g/m3和0.25g/m3。由圖可見,躍增前后云滴譜均呈雙峰型;躍增后峰值直徑由10μm增大到13μm;云滴譜變寬;大于13μm云滴數(shù)密度增加,小于13μm云滴數(shù)密度減小;圖11b為含水量第二次躍增前后云滴譜圖,取13:47:08至13:47:20、13:47:21至13:47:50的樣本平均值做躍增前、躍增后云滴譜圖,含水量平均值為0.17g/m3和0.26g/m3。由圖可見,云滴譜型仍為雙峰型;躍增后峰值直徑由11μm增大到12μm;云滴譜變寬;云滴數(shù)密度增加,大于13μm云滴數(shù)密度增加顯著;綜上可得,大云滴數(shù)密度的增加是造成含水量增加的主要原因。6云型結(jié)構(gòu)云高垂直方向云(1)這次降水是鋒面云系產(chǎn)生的,6月1