1 引 言

云中过冷水含量是极为重要的大气物理参数(雷恒池等，2008)，是决定人工增雨潜力的一个重要指标，过冷水含量越高，可播撒增雨潜力越大(张佃国等，2011)，由于云中过冷水区出现的时间和空间范围十分有限，研究云中过冷水区分布特征及其物理成因显得十分必要。云粒子测量系统(PMS)是20纪70年代后期开始在世界各地逐步广泛采用的云物理系列仪器(游来光，1994)，至今仍被广泛应用于外场观测中，其直接探测结果对识别过冷水区具有重要意义，Fleishauer等(2002)分析了美国大平原地区中层混合云的微物理结构，发现云中对应着复杂的热、动力结构，Korolev等(2003)发现加拿大锋面层状云系过冷云水含量随温度降低而减小，Field等(2004)对混合云进行雷达和小冰晶探测仪(SID)联合观测，认为此探测资料可以区分100 m范围内云粒子的相态。20世纪80年代后期开始，中国逐渐引进多套云粒子测量系统，对北方降水性层状云的过冷水分布进行了大量观测研究。牛生杰等(1992)对宁夏夏季降水性层状云微结构进行了观测分析，吴志会(1994)对河北省春夏季层状云微物理结构及人工增雨潜力进行了初步研究，李仑格等(2001)对青藏高原东部春季降水云层的微物理特征进行了分析，杨文霞等(2005)对河北省层状云降水系统的微物理结构进行飞机观测研究，胡朝霞等(2007)对降水性层状云系结构和降水过程个例进行了观测与模拟研究，齐彦斌等(2007)对一次东北冷涡云系中对流云带的宏微观物理结构进行了探测研究，范烨等(2010)利用飞机观测资料对北京及周边地区2004年8—9月层积云结构和谱分布进行了研究，张佃国等(2011)综合北方多省观测结果，发现河北省层状云过冷水含量的最大值大于吉林、山东、陕西和新疆等省区，平均值却小于山东和新疆。这些研究从不同角度揭示了云的微物理结构和过冷云水分布特征，但是由于受飞行条件和观测资料的限制，对过冷云水分布特征随天气过程演变的研究尚不很多，河北省对西风槽、回流天气等典型层状云降水过程的系统性研究仍然较少，微物理概念模型需要进一步精细化。

Hobbs(1974)认为，由于冰核核化的自抑制过程，自然云中的冰晶浓度不可能超过10 cm^-3，因此当利用前向散射滴谱探头(FSSP)观测到云中大于2 μm的粒子总浓度超过10 cm^-3时看作为云水区，Hobbs等(1998)认为云的相态更多地与云发展的阶段而不是与温度相关。后来Poellot等(1999)和Lawson等(2001)将实验室研究结果和其他的粒子计数器进行比较，发现前向散射滴谱探头将小于50 μm 的小冰粒和云滴进行同样的计数处理，因此，云粒子测量系统直接计算出的液态水含量(LWC)在混合态条件下可能失真，这给利用云粒子测量系统资料识别云中过冷水带来新的问题，胡志晋(2001)在研究大量层状云飞机观测资料后认为，在冰水共存时，水滴一般较小，而冰晶较大，前向散射滴谱探头所测含水量容易受到直径为30 μm左右的冰晶影响。由于探测过程中飞机携带的热含水量仪数据失真，因此，本研究采用Hobbs(1974)的判据，将前向散射滴谱探头测到粒子浓度大于10 cm^-3的冷云区认定为过冷水区，结合卫星、雷达以及其他常规观测资料，对2012年9月21日河北省一次西风槽天气过程的过冷水分布特征及演变规律进行观测研究。

2 天气过程与飞行设计

2012年9月20日20时(北京时，下同)，有一低压槽由内蒙古延伸至四川，至21日08时700 hPa河套地区南北走向的切变线东移至山西的西部地区(500 hPa槽线位置与其基本一致)(图 1)，河北地区受偏南气流影响，大部分地区湿度在80%以上，根据700 hPa水汽通量场和风场分析，至21日08时，孟加拉湾和中国南海向河北地区的水汽输送通道已经建立，在河北的南部有一水汽辐合中心，此时主要降水区位于山西的西部至河北的西部山区(700 hPa 切变线东侧4个经度以内)。

图 1 2012年9月20日20时—22日08时500(棕线)和700 hPa(绿线)槽线移动路径 Fig. 1 Moving paths of the troughs of 500 hPa(brown lines) and 700 hPa(green lines)during 2 0:00 BT 20-08:00 BT 22 September 2012

图选项

21日20时700 hPa切变线快速东移至河北中部地区(500 hPa槽线位置与其基本一致)，依然为南北走向，河北西部地区已经由偏南风转为西北风，水汽通量辐合区明显减弱，辐合中心从河北地区转移到湖北至河南一带，孟加拉湾和中国南海的水汽转为向江南地区输送，河北的水汽输送通道已经断裂，此时主要降水区位于河北东部地区(700 hPa切变线东侧2.5个经度以内)。

22日08时700 hPa切变线继续东移进入渤海(500 hPa槽线位置超前其约3个经度)，河北地区受西北气流控制，降水停止。

2012年9月21日FY-2卫星黑体亮度温度(TBB)资料(图 2)表明，本次西风槽天气过程为大范围层状云系，云分布不均匀。21日08时500 hPa槽前，一条东南—西北走向的宽广云带覆盖山西西北部至河北中南部地区，TBB低值区位于山西北部和河北中南部，TBB最低值在山西省大同、朔州一带，达到-35℃，逐时雨量显示08—09时降水覆盖山西大部分地区和河北东北部的部分地区(图 3)，雨区中心位于山西中北部朔州至忻州一带，比TBB低值区位置稍偏南，雨区中心对应的TBB值为-25—-35℃；随着云体自西北向东南移动，云体水平覆盖范围逐渐缩小，至21日12时，主体云系移动至河北境内，云中包含多个-30℃的TBB低值中心，08—12时，雨区与云体的移动方向一致，雨区中常常存在数个较强的雨核与TBB低值中心相对应，最大逐时雨量可达5—10 mm，但是河北中南部-25—-30℃的TBB低值区一直没有产生有效降水，第1架次飞行区域位于雨区前方；12—14时TBB低值区大部分移动到冀东和冀中南一带，随着槽线移近河北，雨核沿山西、河北交界处排列成一条自西南向东北方向的带状，河北中南部开始出现降水，第2架次飞行区域(石家庄市上空绕二环飞行)位于主体云带西南部，飞行区域被一条TBB为-30℃ 左右的细长半环状云带包围，环状云带西北部包含多个较强的中尺度云团，石家庄市11—12时开始降雨，最大降水量为北二环0.4 mm，12—13时市区无降水，13—14时最大降水量为西二环0.3 mm，14—15时市区降水较弱，降水发生在环状云带覆盖的郊县；21日14时，云系主体移至冀东和冀东南沿海一带，变为东北—东南走向的弯曲带状，之后逐渐变窄消散东移；14时后主体云带后部TBB为-10—-15℃的区域有较弱降水，面积大且分散，第3架次飞行位于槽后TBB为-10—-15℃的低云中并有少量降水。

图 2 2012年9月21日FY-2卫星TBB资料演变(a．08时01分，b．10时01分，c．14时02分，d．19时32分；图中彩线为飞机航线) Fig. 2 Development features of the FY-2 satellite data TBB on 21 September 2012(a．08:01 BT，b．10:01 BT，c．14:02 BT，d．19:32 BT; the color lines st and for the airplane track height)

图选项

图 3 2012年9月21日逐时降水量(a．09时，b．11时，c．15时，d．20时；图中彩线为飞机航线) Fig. 3 Development features of the hourly amount of precipitation on 21 September 2012(a．09:00 BT，b．11:00 BT，c．15:00 BT，d．20:00 BT; the color lines st and for the airplane track height)

图选项

针对本次天气过程，河北省人工影响天气办公室进行了3架次探测飞行(表 1)，分别在9月21日的上午、下午和晚上，第1和第2架次探测云系位于槽前，第3架次探测云系位于槽后，3次飞行区域均在石家庄—邢台，并且做了深厚的垂直探测。探测飞机为夏延ⅢA型，机上携带云粒子测量系统系列仪器，包括前向散射滴谱探头(量程：2—47 μm)、二维光阵灰度云粒子探头(简称2DC，量程：25—1550 μm)和二维光阵灰度降水粒子探头(简称2DP，量程：150—9300 μm)等，机上同时携带的热含水量仪数据失真。飞行航线图叠加在云系卫星、雷达和降水资料图中，航线的不同颜色代表不同飞行高度。

3 过冷云水分布特征和演变规律3.1 槽前云系过冷云水分布特征

第1架次探测的槽前云系中，过冷云水区如图 4中红线所示，飞机08时41分自石家庄机场起飞，沿航线向正南方向的邢台市飞行，上升至4200 m后开始平飞，09时16分在邢台市北部的临城、内丘上空探测到过冷水(09时16分前部分资料丢失)，09时33分到达邢台市上空后飞机开始下降至1800 m，之后螺旋上升至5400 m进行垂直探测，下降和上升过程中探测到薄的过冷水区，其间经过雷达探测盲区，09时59分飞机在邢台市下降到0℃层后平飞，10时07分开始再次螺旋上升至5100 m，后盘旋下降至4000 m附近，之后从邢台市沿空中航线返回，10时25—28分飞过临城、内丘上空时再次探测到较宽过冷水区，10时36分在石家庄市上空探测到窄的过冷水区，本次探测到的全部过冷水区出现在3900—5500 m高度(-0.8—-9.5℃)，飞行区域地面没有降水，随着雨区移近，返航时雷达回波呈加强趋势，10时36分飞回石家庄上空时雷达回波强度中心达到35 dBz，出现降水粒子。

图 4 第1架次探测过冷水分布的空间位置(粗红线)与雷达回波强度叠加 Fig. 4 Vertical distribution of the supercooled water(marked with thick red lines) and the radar reflectivity(in dBz)during the first flight

图选项

飞行时探测到5段过冷水区，其中有2段过冷水区连续出现的时间较长，分别为09时16—25分和10时25—28分，图 5给出两段较宽过冷云水区的雷达和卫星监测特征，受分析系统时间分辨率限制，其他过冷水区没有进行分析。09时16分—10时28分超过1 h的时间内，飞机往返过程中两次在临城、内丘以西区域探测到较宽过冷云水区(-0.7—-3.27℃)，过冷云水区与卫星光学厚度为10—15区域具有较好的一致性，过冷云水区出现的雷达回波强度为5—25 dBz，过冷水区出现在黑体亮温为-10—-25℃。

图 5 第1架次探测的过冷水区卫星、雷达资料特征(a1、b1． 09、10时光学厚度，a2、b2． 09时18分、10时30分雷达反射率，a3、b3. 09时01分、10时01分TBB) Fig. 5 Satellite and radar features of the supercooled water area during the frist flight(a1 and b1．09:00 and 10:00 BT，optical depth; a2 and b2．09:18 and 10:30 BT，radar reflectivity，a3 and b3．09:01 and 10:01 BT，TBB)

图选项

09时35分22秒—51分07秒飞机在邢台市上空进行垂直探测，探测高度为1803—5421 m，云的垂直结构如图 6。0℃层位于3400 m，4000—4200 m有较深厚的逆温层，逆温达到1℃，云内过冷水出现在4000—4800 m，对应的小粒子均立方根直径较小(低于5 μm)，云中过冷水含量较高，逆温层上方4200 m附近出现过冷水的峰值(0.108 g/m³)，过冷水区对应的2DC和2DP粒子较少，仅在4000 m附近有少量2DC和2DP粒子，2DC和2DP粒子浓度大值区出现在云外5300和3500 m附近。

图 6 第1架次(09时35分22秒—51分07秒，1803—5421 m)云的垂直结构(a1、a2、a3．FSSP粒子浓度(N)、均立方根直径(MVD)、液态水含量(LWC)，b1、b2．2DC粒子浓度(N)、均立方根直径(MVD)，c1、c2．2DP粒子浓度(N)、均立方根直径(MVD)，d．温度廓线(T)) Fig. 6 Vertical distributions of the cloud microphysical values during the frist flight(09:35:22-09:51:07 BT，1 803-5421 m)(a1，a2，a3．number concentration(N)，diameter(MVD)，LWC observed with the FSSP; b1，b2．number concentration(N)，diameter(MVD)with 2DC; c1，c2．number concentration(N)，diameter(MVD)with 2DP; d．temperature profile(T))

图选项

第2架次探测区域位于500 hPa槽线附近，过冷云水区如图 7中红线所示，13时24分飞机起飞，受空域限制在石家庄市二环上空进行探测，13时32—37分在石家庄市北二环一带3200—3900 m探测到过冷水区，46分05秒飞机在西二环下降至609 m，之后螺旋上升至6031 m，斜升时13时56分—14时04分在3700—5500 m探测到深厚过冷水区，14时08分16秒飞机到达6031 m后开始盘旋下降，14时22分下降至1200 m后返航，下降过程中14时14—15分在3700—4200 m探测到过冷水区。第2架次探测到的全部过冷水区出现在3400—5600 m高度(-0.04—-11.5℃)，说明随着槽线移近，云层变厚，过冷水区分布的垂直高度范围向高空和低空伸展，厚度增加超过2 km，过冷水区存在的温度范围也明显扩大，14时04、09分多次在-10—-13℃层探测到大于0.1 g/m³的过冷水区。

图 7 同图 4，但为第2架次过冷水分布的空间位置与雷达回波叠加 Fig. 7 As in Fig. 4 but during the second flight

图选项

本次探测到3段较宽过冷水区(图 8)，分别出现在2012年9月21日13时32—37分，13时56分—14时04分和14时14—15分，过冷云水区的卫星和雷达监测特征如图 8所示，由于卫星资料时间分辨率低，图 8b、c的卫星资料选用了同一时次，此时飞机做重直螺旋探测，并且半径很小，图 8c的拐弯弧度比图 8b略小，图 8中3次发现过冷水的平面区域相同，但是高度不同，说明在该区域发现的过冷水区很厚。在13时33分—14时15分长达42 min 内，3次在石家庄以东(37.994°—38.067°N，114.495°—114.582°E)探测到过冷水，过冷水出现的高度为3600—5500 m，温度范围为-0.02—-11.07℃，飞行区域被一条较强环状云带包围，近槽时动、热力场结构复杂多变，云内存在多个中尺度云团，并且移动较快，飞行区域逐时降水量起伏较大，期间光学厚度从25降至5，雷达回波从35 dBz降至5 dBz，过冷水区黑体亮温从-25℃升高到-15℃。

图 8 第2架次过冷水区卫星、雷达资料特征(a1、b1、c1．13、14、14时光学厚度；a2、b2、c2．13时36分、14时、14时15分雷达反射率；a3、b3、c3．13时01分、14时01分、14时01分TBB) Fig. 8 Satellite and radar features of the supercooled water area during the second flight(a1 and b1 and c1．13: 00 and 14: 00 and 14: 00 BT，optical depth; a2 and b2 and c2．13: 36 and 14: 00 and 14: 15 BT，radar reflectivity; a3 and b3 and c3．13: 01 and 14: 01 and 14: 01 BT，TBB)

图选项

13时46分05秒—14时08分16秒飞机在石家庄市上空进行垂直探测，探测高度为609—6031 m，云的垂直结构见图 9。0℃层位于3700 m，在2900—3000和5500 m上方有较弱的逆温层，3000—5500 m为云内，液态水含量峰值位于2900—3000 m逆温层上方，4500和5300 m附近有干层，与液态水含量大值区对应的小粒子均立方根直径低于5 μm，干层对应的均立方根直径为25 μm左右；2DC和2DP粒子浓度呈单峰型，峰值分别位于3800和3400 m附近，与雷达回波中心带出现的高度一致。与第1架次飞行相比，云的各种微物理量明显加强，冷暖云区含水量丰富、2DC和2DP的粒子浓度和尺度明显增大，地面出现降水。

图 9 同图 6，但为第2架次探测的云垂直结构(13时46分05秒—14时08分25秒，609—6031 m) Fig. 9 As in Fig. 6 but during the second flight(13:46:05-14:08:25 BT，609-6031 m)

图选项

第3架次飞行位于槽后，过冷云水区如图 10中红线所示，19时12分飞机从石家庄机场起飞，经石家庄市东南栾城一带向邢台市方向边飞行边爬升，19时24—30分在赵县—柏乡上空4000—4400 m高度探测到过冷云水区，19时41—51分经邢台市返航后在邢台—元氏上空3900 m高度探测到过冷云水区，57分飞机回到石家庄南盘旋下降，下降期间于58—59分在石家庄市上空探测到过冷水，20时09分32秒飞机下降到615 m后，开始盘旋上升，在石家庄市上空进行垂直探测，于36分58秒到达6036 m后又盘旋下降，21时01分下降到600 m后返航，上升和下降期间分别在4000 m高度附近探测到较薄的过冷水区。第3架次探测到的全部过冷水区出现在3400—4400 m高度(-0.7—-4.5℃)，与前两次探测结果相比，整个天气系统的云层已经变薄，过冷水区虽然较大，但是过冷水含量明显降低，过冷水出现的温度区域也较高。19—21时探测区域仍有较弱的降水，整个探测过程雷达回波强度较弱，雷达回波出现在2000 m以下。

图 10 同图 4，但为第3架次过冷水分布的空间位置与雷达回波叠加 Fig. 10 As in Fig. 4 but during the third flight

图选项

第3架次飞行中探测到5段过冷水分布区，分别为19时24—30、41—51、58—59分、20时25分10—56秒和43—44分，由于飞行是在夜间(19—21时)，只有前2段过冷水区有相应的雷达资料和卫星TBB资料，其他较短的3段过冷水区缺少雷达和卫星资料，不再进行分析。本次在石家庄—邢台市(37.171°—37.808°N，114.499°—114.586°E)较大范围内3900—4200 m高度探测到槽后云系的较大面积过冷水区(图 11)，对应的雷达回波较弱，TBB较高，地面有较弱降水。

图 11 第3架次探测过冷水区卫星、雷达资料特征(a1、b1．19时24、42分雷达反射率，a2、b2．19时32分 TBB) Fig. 11 Satellite and radar features of the supercooled water area during the third flight (a1 and b1．19:24 and 19:42 BT，radar reflectivity; a2 and b2．19:32 BT，TBB)

图选项

20时09分32秒—36分58秒飞机在石家庄市上空进行垂直探测，探测高度为615—6036 m，云的垂直结构见图 12。0℃层位于3700 m，温度廓线出现5个很弱的逆温，分别在1000、1800、2700、3700和4400 m附近；云出现在4300 m以下，冷云区很薄，与暖云区之间有较厚的干层，暖云区分为3层，分别位于3500、2000和1700 m附近，2000 m附近暖云较厚，对应的液态水含量、2DC和2DP粒子浓度出现峰值，峰值位于1800 m逆温层上方，其他4个逆温层位于云顶或干层；云内对应的小粒子均立方根直径小于6 μm，干层对应的小粒子反而较大；2000 m附近有较厚的暖云区，对应的2DC粒子浓度非常高，达到2 cmsup>-3，是第2架次探测的10倍，对应的2DP粒子浓度和半径也较大，地面降水主要产生在该层。

图 12 同图 6，但为第3架次探测云的垂直结构(20时09分32秒—36分58秒，615—6036 m) Fig. 12 As in Fig. 6 but during the third flight (20:09:32-20:36:58 BT，615-6036 m)

图选项

3次观测中均发现云中逆温层上方常常会出现云水(或过冷水)含量、2DC和2DP粒子浓度的峰值区，这与Fleishauer等(2002)在“第5次多层云试验(CLEX-5)”中的观测结果一致，Fleishauer等认为逆温阻碍湿空气向下传送，造成逆温层上方云水(或过冷水)堆积出现峰值，天气系统后期，温度廓线出现多个逆温位于云顶或干层，不利于上升气流发展，使降水减弱。

4 过冷云水演变特征分析

观测研究发现，3次飞行中分别在某一区域发现较大范围的过冷水区：第1次飞行中09时16分—10时28分在临城、内丘以西区域3900—4200 m高度出现过冷水区(114.406°E附近)，第2次飞行中13时33分—14时15分，在石家庄以东(37.994°—38.067°N，114.495°—114.582°E)探测到过冷水区，第3次飞行中19时24—51分在(37.171°—37.808°N，114.499°—114.586°E)、3900—4200 m高度探测到槽后云系的较大面积过冷水区，探测到的过冷水区的云微物理特征如表 2所示。

槽前云系过冷云水最丰富，本次过程过冷云水含量平均值最大值出现在槽前云系中，为0.168 g/m³，槽前云系云滴浓度和云滴直径由低到高呈增长趋势，由于云体为单层，包含过冷云水的云层具有相似的光学厚度，TBB值显示云顶不断增高，雷达回波显示云中大粒子逐渐增多，但是地面没有产生有效降水；随着槽线移近，近槽云系云滴浓度开始降低并稳定在10—30 cm^-3，云滴平均直径明显增大，云中过冷水丰富，云体变厚，云顶抬升，在较低温度下探测到过冷水，暖云含水量较高，地面出现降水；槽后云系具有云滴浓度大、云滴直径小、过冷云水含量低等特征，过冷云水出现的温度较高，冷云层薄而且低，云体出现多个分层，冷云与暖云间有较厚的干层，地面降水由2000 m处暖雨过程产生。

利用中尺度非静力模式MM5V3对本次过程进行了数值模拟研究，结果表明(过冷)云水分布对应上升运动和高饱和区，高饱和区越深厚、上升运动越强产生的(过冷)云水值越大，西风槽云系不同部位具有不同云层性质和垂直结构特征，随着槽线移近，云层向高空和低空伸展，当高中低云构成“播种云-供应云”的云层结构时才有利于降水的产生。

5 结 论

西风槽是河北省春秋季人工增雨作业的主要天气系统(钱春生等，1994；刘海月等，1994)，具有可作业时间较长，影响面积较大等优点，西风槽天气系统飞机作业架次最多，可达到河北省作业总架次的60%左右，受观测资料时空配套性差等限制，至今尚未对河北省西风槽天气系统的过冷云水分布和演变特征进行过系统分析，随着云物理精细化分析系统(CPAS)等先进技术手段的出现(周毓荃等，2001;蔡兆鑫，2012)，综合运用多种观测资料进行云微物理结构精细化分析成为可能，本研究利用Hobbs(1974)提出的假定，利用飞机、卫星、雷达和雨量计等观测资料，对河北一次秋季西风槽天气过程进行观测研究，主要结论如下：

(1)西风槽云系不同部位具有不同的性质和垂直结构特征。槽前云系过冷水区宽厚，过冷水含量较高，云滴浓度和均立方根直径较大，冷云区厚且为单层，没有暖云配合，利用Hobbs(1974)的假定判别的过冷水区与卫星光学厚度为10—15的区域具有较高的一致性。

(2)随着槽线移近，冷云区小粒子浓度降低但是云滴直径增大，云系变厚出现暖云配合，冷暖云含水量较高，2DC和2DP粒子浓度明显增大，地面产生降水，槽线附近动力、热力场结构复杂多变，云内中尺度云团移动较快。

(3)槽后云系冷云区低而且很薄，与暖云间有较厚的干层，云中出现多个很弱的逆温，暖云区分为多层。

(4)3次飞行均探测到逆温层出现，天气过程前期逆温层少而且较强，后期则出现多个较弱的逆温层，云水(过冷水)含量的峰值常常出现在云内或云底逆温层的上方附近，云顶逆温出现在系统后期，可能阻碍云系的发展。