1 引　言

积-层混合云是由积状云和层云两种类型的云组成的云系，是影响华北地区的主要降水云型之一，由于其特殊的结构，层云和对流云相互作用对降水形成有利，生命史一般也较长。因此，引起北京地区大范围或持续性降水的云系通常是积-层混合云系。另外，由于积-层混合云中的层云一般都比较深厚，而适量的积-层混合云降水不仅在缓解北京地区干旱和增蓄储水等方面具有较重要的意义，而且该云系也是人工增雨比较理想的云系，对这种云系的形成及降水进行深入研究十分必要（黄美元等，1986a，1987a；赵清云，1985；洪延超，1996a；Guo，et al，2015）。

积-层混合云在雷达回波上显示为在大片较均匀的层云回波中含有一些形状、尺度和强度等各不相同的对流单体回波，并且回波具有不连续、非均匀的特点（黄美元等，1987a；洪延超等，1983，1984；李子华等，1986；林长城等，1991）。积-层混合云中由于积云和层云的相互作用通常会影响降水的持续时间、强度和量级（黄美元等，1986b，1987b；Fabry，et al，1993；Yuter，et al，2005），有研究显示，层云对积云的发展和降水量的增大起促进作用，降水量可以增大几到几十倍（黄美元，1986b，1987a；洪延超，1996a，1996b；Hong，1997，1998）。多种观测仪器的应用使得对积-层混合云系宏、微观结构及降水机制等有了更深入的研究。Kusunoki等（2004）利用多普勒天气雷达、微波辐射计、可视探空气球、二维微物理探头等综合观测资料研究得到，在积-层混合云降水阶段，降水粒子几乎都是由过冷液态水的凇附形成和增长的。对地面光阵雨滴谱仪观测的积-层混合云的雨滴谱谱型、微结构参量及其短时变化特征的分析得到，积-层混合云的降水谱较宽、大雨滴较多且呈多峰结构，云系雨滴谱较为理想的表达式为Γ分布（宫福久等，1997；陈宝君等，1998；袁成等，2001；常祎等，2016）；机载雷达和地基双多普勒天气雷达可用于积-层混合云系微物理特征、成雨机制及风场结构特征的研究（Houze，et al，1989；刘黎平等，2004，2015）。飞机探测资料则可以给出积-层混合云中不同高度冰晶的形状、分布及增长过程，用以推断云系产生降水的机制（朱士超等，2014，2015；秦彦硕等，2017；亓鹏等，2019）。

对于尺度范围相对较大的积-层混合云系特征及降水等研究，仪器观测资料具有一定的局限性，数值模式是较好的研究工具。模拟研究表明，不同尺度或维度的模式均能成功模拟出积-层混合云系液态水、积云中的对流过程及云系的微物理特征（Duynkerke，et al，1999；王维佳等，2006，2007）。在此基础上，针对中国不同时、空分布的积-层混合云系，不同学者运用中尺度数值模式WRF已有一些理论研究成果：如积-层混合云系发展过程中，会经历多次并合，并且相当数量的并合过程最初从云的中上部开始（李艳伟等，2009）；阶梯式不均匀的嵌入对流群和平行分布的嵌入对流群降水量的大小与云体内云水含量的高低密切相关（李艳伟等，2012）；均匀上升气流场中的波动会导致稳定层状云中有对流云镶嵌（于翡等，2009）；积-层混合云中两种云系的“播馈”机制有一定差异，层云简单，积云复杂，积云中降水粒子可以发生上下多次的循环增长，粒子群可以增长得更大（何晖等，2015）。以上这些研究为利用探测资料和数值模式研究积-层混合云奠定了基础。

文中运用北京市人工影响天气办公室飞机探测资料和WRF模式对2014年9月23日（除特殊说明外，所用时间均为北京时间）发生在北京地区的一次积-层混合云的垂直结构和降水机制进行研究。

2 个例概况

2014年9月22日14时前后，北京市陆续出现持续性降雨，据北京市气象台自动气象站资料统计，22日19时至23日19时，全市累计平均降水量16.9 mm，中心城区平均10.0 mm，最大降雨出现在大兴采育（48.6 mm）。根据多种观测资料分析，本次过程为典型的积-层混合云降水个例。

3 观测资料分析 3.1 环流背景特征

本次过程降水前期，影响东亚的中—高纬度环流较为平直，北京地区处于西风气流的控制下；到22日20时随着台风“凤凰”登陆北上，副热带高压东退，中—高纬度的冷空气东移南下，与偏南暖湿气流在华北交汇（图1），700和850 hPa上东北风与西南风形成切变，迫使水汽辐合抬升，造成此次降水天气，北京地区自22日晚间开始降雨，持续至23日。

3.2 卫星图像特征

从本次过程的卫星云顶亮温图像演变（图2）可以看到，过程云系覆盖范围很广，自西南向东北延伸，23日08时北京还处于云系的边缘，云层不厚，云顶不高，黑体亮温为−10℃左右，表明云系发展平稳，大部分以层云为主；至15时，云系有所发展，覆盖整个北京地区，云顶高度升高，温度降低，黑体亮温低于−40℃，表明云内有积云活动。

3.3 雷达回波特征

图3是华北地区雷达回波的时间演变与北京雷达回波和垂直剖面。从回波的水平分布来看，北京地区23日一直处于大片回波的覆盖区内，回波强度强、弱相间，总体强度不大（不超过40 dBz）；从垂直分布来看，回波顶高低于8 km，并且内嵌的相对较强回波在整个云系发展过程中并未出现短时爆发式增长，云系比较稳定，属于水平混合型的积-层混合云系，与已有的一些研究（李艳伟等，2009）结果类似。

3.4 飞机探测云系垂直结构和降水机制

北京市人工影响天气办公室人工增雨飞机于23日09时40分—12时10分和16时20分—18时40分分别在北京西北部延庆、河北赤城附近和北部地区进行了飞行探测（作业）。两个架次飞行都穿越了冷、暖云系。

图4是上、下午的飞行轨迹。结合飞机宏观记录和飞行轨迹可以看到，上午飞机起飞后在3000、3700和4300 m附近进行了3次平飞探测，从获取的云中液态水含量（表1）可以看到，探测云系含水量不高，3个阶段最大液态水含量仅为0.836 g/m³，平均最大也仅为0.13 g/m³。对应的云粒子图像显示，探测到的都是云滴或少量雨滴（图略）。从11时03分开始，飞机开始爬升，在爬升至高度5000 m之前（图5a），云内温度处于−8℃以下，从爬升过程对应的云粒子图像可以看到，随着高度的升高，云中分别对应云滴-柱板状小冰晶共存、凇附聚合大冰晶、枝状-板状冰晶共存的情况；5000—7500 m，温度处于−8—−19℃，观测的冰晶形状基本为板状，并且多为形状清晰的单个冰晶（图5b、c、d）；7450 m高度附近的平飞阶段以冰晶聚合体为主，并没有出现体积较大的雪晶（图5e）。根据实验室和外场观测的研究可知，适宜板状冰晶形成的温度为0—−4℃，适宜柱状冰晶形成的温度为−4—−8℃，适宜辐枝状冰晶形成的温度为−8—−22℃（Fukuta，et al，1999；Heymsfield，et al，2010）。因此，前述飞机在高于−8℃处观测到的聚合大冰晶可能为高层冷云层下落所致，这与朱士超的观测（朱士超等，2014；Zhu，et al，2015）结果比较一致。此外，由图像分析可以看到，在飞机自最高处（7400 m附近）盘旋下降至约4000 m的过程中，观测到云中有较多的辐枝状冰晶，并且聚合冰晶的数量明显多于爬升阶段（图5f），对比雷达回波和飞行轨迹可以看到，盘旋下降阶段比爬升阶段晚约20 min，探测的回波稍强于爬升阶段，表明下降阶段云中较大粒径的水成物含量较上升阶段有所升高，尺度有所增大。由于液态水含量不高，在整个飞机探测过程中凇附冰晶的数量远少于聚合冰晶，这在粒子图像中有非常直观的显示，可以推测，本次探测的积-层混合云中由于过冷水含量相对较低，冰晶的聚合和凝华过程可能是云中粒子增长的主要过程，后面将用数值模式对这一结果进行验证分析。

表2和图6给出飞机下午探测云系的统计信息和云粒子图像，对比雷达回波和飞行轨迹可以得到，下午飞机探测的是云系边缘，获取的微物理信息都比较微弱，云中液态水含量比上午探测的云系明显低，最大为0.38 g/m³，平均最大也不到0.1 g/m³。值得注意的是，飞机下降过程中，云粒子图像在17时40—47分（飞行高度3998—3688 m，温度−3.8—−1.8℃）先后出现了板状-聚合冰晶、针柱状，辐枝状，偶有柱帽状（图6a、b）、凇附冰晶（图6c、d）出现的过程。对比前面的分析，低于−4℃的温度区间是板状冰晶出现的适宜温度区间，因此推断，该多种形态的冰晶多数是来自高空掉落。

从以上分析可以看到，在云系的不同高度处，云降水粒子的形态是有差别的，中、下层存在大量圆形云滴和小雨滴，表明云内暖云过程是普遍存在的；云系中部存在较多的过冷云滴和板状、针柱状以及单个不规则形状的小冰晶，高层以聚合、辅枝状冰晶为主，冷云过程明显。冰相粒子的存在对中、低层有播撒效应，在暖区融化为雨滴或大云滴，有利于增强云中的暖云过程，促进云水向降水的转化。

4 数值模拟研究

积-层混合云降水粒子的形成和地面产生降水的过程较一般的层云更为复杂，飞机探测通常只能沿着一定飞行轨迹进行，探测的只是某个区域或时段内云系的云微物理特征，对于揭示积-层混合云结构和降水机理具有一定的局限性。因此，需要结合数值模式做分析。由前文分析可以得到，探测云系在不同高度处冰相粒子的形态和形成机制各不相同，由于云系中液态水含量较低，高层云中冰相粒子主要通过凝华增长和碰并聚合长大并下落，推测是地面降水产生的主要来源，针对观测资料分析得到的云系特征和降水机制，以下将运用数值模式进行验证分析。

4.1 数值模拟与结果验证

利用非静力中尺度数值模式WRFv3.7进行了数值模拟研究，积分时段为2014年9月23日08时至24日08时，模拟的水平方向采用三重（D1:27 km，100×100; D2: 9 km，148×148; D3: 3 km，196×196）双向嵌套网格，垂直方向采用σ-z 地形追随坐标，38层，模式顶为50 hPa；微物理过程采用Morrison方案；长波辐射采用RRTM方案，短波辐射采用Dudhia方案；边界层采用YSU方案；地表采用Monin-Obukhov with Carslon-boland 方案；土壤采用Noah方案；积云对流参数化D1采用 Betts-Miller-Janjic方案，D2、D3不做积云参数化；模式的初始及侧边界条件采用欧洲中期预报中心ERA-Interim逐6 h再分析资料。

为验证数值模式模拟结果，图7给出的是第2层区域模式模拟的雷达回波演变，与图3的实况雷达回波对比可以看到，模式可以很好地给出反映实况云系的降水回波，其覆盖范围、回波强度及移动方向都与实况较为接近。图8是观测与模拟的24日08时24 h降水的对比，可以看到模拟的降水落区与实况非常接近，自西南向东北方向上的几个降水中心（晋蒙交界、晋冀交界、北京西部北部及其东北方向）模式都有所反映，只是降水强度比观测大，位置稍有偏移，这与所选参数和模式误差有一定关系。总体来看，WRFv3.7对所选个例有较好的模拟能力，可以运用模拟结果进行深入分析。

图9是云中飞机探测与模拟的飞机路径上的液态水含量的对比。飞机探测数据来自热线含水量仪，模式中的液态水含量由云水（Q_c）和雨水（Q_r）的比质量之和与密度相除获得。从图9中可以看出，上、下午探测的云系中液态水含量呈不均匀分布。上午的对比时段里，飞机云中探测的液态水含量最大值约为 0.1 g/m³，模式模拟的飞行路径上的最大值约为0.06 g/m³，模拟结果低于观测；而下午的对比时段里，飞机云中探测的液态水含量最大值约为 0.03 g/m³，模式模拟的飞行路径上的液态水含量最大值约为0.1 g/m³，模拟结果高于观测值，总体来看，模拟与观测的液态水含量有一定差别，但在量级上比较接近。造成模拟与探测有所差异的原因与朱士超等（2015）文中提到的类似，即模式模拟的云体位置与实际探测还是存在一定的差异，从模式结果中严格按照飞行轨迹提取液态水含量与观测值进行对比会存在一定误差。另外，飞机在不同温度层探测时，不同相态粒子碰到热线含水量仪的线圈上会造成一定的温度差异，使得测量结果有所偏移。由于图中给出的只是飞行路径上部分时段的液态水含量对比，可以看到液态水含量并不高，而实际模拟中飞行路径上上、下午均模拟出液态水含量的较大值（超过1 g/m³），说明模拟是能够再现积-层混合云中积云所对应的高液态含水量值这一特征。

4.2 模拟云的垂直微观结构

在前文的基础上，下面将运用数值模拟的结果分析积-层混合云不同高度上的微物理结构和降水机制。图10给出的是第3层模拟区域里（40.6°N，116°E）点在模拟时段的冰晶、雪晶、霰和云水、雨水的比质量随时间的演变，可以看到模拟冰晶主要位于8—14 km高度，远高于前期的飞机探测结果；雪晶分布于2—10 km，最大值位于4 km附近，模拟的冰晶和雪晶的高值分界非常明显，这在观测中未有体现；雨滴主要位于4 km以下，雨滴比质量的高中心与雪、霰和云水的高值中心对应，表明雪、霰对雨滴的产生贡献很大。此外模拟结果显示，6 km之上，云中的过冷水含量几乎为0，这与前面分析飞机图像云中冰晶的凇附过程相对较少相对应。图10f为11时36分该点垂直方向上的水凝物分布，该时刻，云系中低层雨水的增加主要对应雪晶浓度的降低，表明在该时刻雨水主要来自雪晶的融化。为了详细分析各微物理过程对雨水贡献的大小，增加模式中各微物理过程量的输出，详细分析各水凝物的源汇项，进而分析降水机制。

4.3 模拟云系降水机制分析

下面对雨滴的源、汇项进行解析，为了直观显示，源、汇项图中显示的微物理过程量均用绝对值。图11给出与雨滴相关微物理过程量的垂直分布，在Morrison方案中，与雨滴相关的过程一共有13个，其中雨滴收集冰晶（P_iacr）、雪晶和霰捕获雨水（P_gracs、P_racg），冰晶捕获霰和雨滴（Q_multg、Q_multrg）以及雨滴的接触冻结（M_nuccr）、霰的融化（P_gmlt）7个过程的贡献均为0或转化率非常小，以上这些转化项在图中均被略去。从图中可以看到，在0 ℃层附近，雪晶的融化（P_smlt）和雨滴捕获云滴的过程（P_ra）占最主要的部分，其次未来得及融化的雪碰并雨滴的过程（P_racs）也相对较多，云雨的自动转换（P_rc）也占一部分，雨滴的蒸发（P_re）主要发生在接近地面的高度。从量级上来看，雨滴捕获云滴和雪晶的融化是导致地面降雨产生的最主要部分。此外，还给出了冰晶、雪晶的源汇项分布，图12为与冰晶和雪晶相关的微物理过程，通常情况下，凝华、聚并和凇附是冰晶和雪晶产生的3个主要过程，从该处分析可以看到该区域在8 km以上，凝华（P_rd、P_rds）是冰晶和雪晶增长的最主要方式，聚并（P_rci、P_rai）为次要过程，凇附过程的量级很小，可忽略，这与3.4节分析的飞机探测图像数据吻合，即凝华和聚并是云中粒子增长的两个最主要过程。低层（4 km附近），由于有雪晶的融化和云雨的自动转化，出现一定程度的凇附过程（P_racs和P_sacws）。此外，除了有凝华产生的很少量霰，其他微物理转换参与霰的源、汇项几乎没有（图略）。因此可以得到，高层由凝华产生的冰晶在过冷水含量很低的环境中主要通过聚并过程产生大的雪晶，雪晶下落至0 ℃层附近融化是产生地面降水的主要源项之一。此外，在融化层附近，雨滴碰并捕获云滴不断长大并下降至地面是地面降水的又一重要源项。

5 结论与讨论

利用飞机探测资料和数值模拟工具对2014年9月23日发生在北京地区的一次积-层混合云系的垂直结构和降水机制进行了分析，对其发生的天气背景、宏观特征、飞机探测特征及积-层混合云降水机理等方面进行了研究，主要得到以下结论：

（1）中—高纬度的冷空气东移南下与偏南暖湿气流交汇，高低空的切变迫使水汽辐合抬升，形成此次降水天气。雷达回波显示，云中未有对流性回波的爆发性增长，云系属于积-层水平混合性云系。

（2）根据飞机探测资料分析和数值模拟研究得到：该次积-层混合云系中飞机探测位置的液态水含量不高（最大低于1 g/m³）；在云系的不同高度处，云降水粒子的形态特征有差异，中下层存在大量圆形云滴和小雨滴，云系中部存在较多的过冷云滴和板状、针柱状以及单个不规则形状的小冰晶，高层由于过冷水含量相对较低，以聚合、辅枝状冰晶为主。冰相粒子的存在对中低层有播撒效应，在暖区融化为雨滴或大云滴，促进云水向雨水的转化。数值模拟结果验证了上述观测。对模拟云系垂直微物理结构和降水粒子的源、汇项分析得到，高层由凝华产生的冰晶和雪晶在过冷水含量很低的环境中不断聚并、长大并下落，云系中霰的含量很低，增大的冰晶和雪晶下落至0 ℃层附近融化是产生地面降水的主要机制。此外，在融化层附近，雨滴捕获云滴不断长大并下降至地面也是地面降水的另一重要源项。

致　谢：感谢北京市人工影响天气办公室同事在飞机探测资料处理方面给予的帮助。