2013, Vol. 71
中国气象学会主办。
文章信息
- 王黎俊, 银燕, 姚展予, 孙安平. 2013.
- WANG Lijun, YIN Yan, YAO Zhanyu, SUN Anping. 2013.
- 三江源地区秋季一次层积云飞机人工增雨催化试验的微物理响应
- Microphysical responses as seen in a stratocumulus aircraft seeding experiment in autumn over the Sanjiangyun National Nature Reserve
- 气象学报, 71(5): 925-839
- Acta Meteorologica Sinica, 71(5): 925-839.
- http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2013.070
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文章历史
- 收稿日期：2013-01-25
- 改回日期：2013-05-09
2. 青海省人工影响天气办公室, 西宁, 810001;
3. 中国气象科学研究院人工影响天气中心, 北京, 100081;
4. 青海省气象局, 西宁, 810001
2. Weather Modification Office of Qinghai Province, Xining 810001, China;
3. Laboratory of Weather Modification, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China;
4. Qinghai Meteorological Bureau, Xining 810001, China
三江源地区地处青藏高原腹地，是长江、黄河、澜沧江三大河流的发源地，其生态环境状况对中国乃至全球的气候变化及生态环境有十分重要的影响(李林等，2006；廉丽姝等，2009)。近几十年来，该地区水汽输入量、降水量逐渐减少(唐红玉等，2007；李生辰等，2009)，并呈现出沙漠化及荒漠化面积持续增大的趋势(胡光印等，2011，2012)。为增加降水量及改善生态环境，青海省气象部门自1997年开始在三江源地区开展了人工增雨作业。2003年秋季，由多部门联合，以安装有新型AgI末端燃烧器(姚展予，2006；汪晓滨等，2006)和机载云粒子测量系统(PMS)的作业探测飞机首次在该地区对层状云进行催化观测试验。试验期间实施了多架次飞行设计较为严谨的作业及探测飞行，但由于天气及飞行安全条件的限制，仅有2003年10月11日取得了较为理想的观测资料。
机载云粒子测量系统所具有的高空间分辨率为监测人工催化后云中微物理结构的变化提供了条件(游来光，1994)。国际上，利用机载云粒子测量系统对人工催化效果进行物理检验的研究主要针对积云和冬季地形云。在地形云催化(播撒AgI或干冰)效果的研究中，美国华盛顿州喀斯喀特山脉试验(Hobbs et al，1975)对56个催化个例进行的研究结果显示了较好的催化效应。Stewart等(1982)在美国内华达山脉附近冬季层状云的催化中发现，降水粒子主要随催化剂的扩散而增长。20世纪80年代后，依据人工引晶静力催化概念模型实施的冷云催化试验增多。美国的高原试验(Smith，et a1，1984)、蒙大拿州落基山脉试验(Super et al，1988a)和科罗拉多州大方山试验(Super et al，1988b)都探测到了一些由人工催化引起催化效应的证据。但要获得与假设完全一致的、完整的“物理事件链”还很困难(Bruintjes，1999；余兴等，2007)。美国内华达山脉地区36次试验中仅有2次能完整证明催化效果(Deshler et al，1990)，在美国犹他州图莎尔山地面催化试验中也未能证明催化物理事件链(Huggins et al，1990)。Reynolds等(1986)、Reynolds(1988)、ReinKing等(1989)、Super(1990)的研究结果都表明，只有在某些有利条件下人工催化可增加降水量。Ryan等(1997)综述了澳大利亚40年云催化试验的结论认为，在平原地区增加冬季降水的催化是无效的，但在有上升气流的山区层状云中，有限的气象条件下催化是有效的，并提出云催化后其有效影响区的确定及其合理的探测方案设计是物理检验成功与否的关键。
中国在“北方层状云人工降水试验研究”中，对新疆冬季过冷层积云干冰催化的研究结果表明，人工引晶后冰晶浓度激增，出现高冰晶浓度带，催化影响区内过冷水被耗尽(王谦等，1987；游来光，1994)。王以琳等(2003)在山东冷云催化试验中，观测到催化扩散带中过冷液态水消耗、冰雪晶浓度升高、云粒子谱拓宽。金德镇等(2007)的观测研究也发现液态CO2人工引晶后，影响区云中的冰晶浓度、雨滴直径比对比区明显增大，云中过冷水减少。
上述物理检验验证了人工引晶后的催化效应。但云中过冷水的有效区分及其时空变化始终是个难题(Bruintjes，1999)，尤其是对前向散射粒子谱探头(FSSP)量程内大量尺度较小的云粒子的相态难以分辨(游来光，1994；胡志晋，2001)。目前对自然云的认识，在很大程度上还处于定性化阶段，定量化特别是准确定量化描述仍然十分缺乏(郭学良等，2013)。
本文利用三江源地区2003年10月11日这次在层积云顶部较小水平范围内，飞机进行锯齿形平飞催化作业及回穿探测的机载云粒子测量系统资料，在判别该高度层云粒子相态的基础上，主要研究催化作业一定时间后在其航线下风方有效影响区域的微物理响应，为三江源地区人工增雨效果的验证提供一定的微物理证据。2 仪器误差处理、计算方法和云的界定2.1 观测仪器及其误差处理
试验采用中国气象科学研究院2002年从美国引进的一套机载云粒子测量系统(刘卫国等，2003)，分别安装在“夏延”飞机两侧的机翼下部，各探头在观测试验前都进行了系统标定。2003年10月11日作业试验探测飞行中所使用的主要仪器为前向散射粒子谱探头(FSSP-100，以下简称FSSP)、二维灰度云粒子探头(OAP-2D-GA2)及热线液态含水量仪(King-LWC-5，简称King)。各探测仪器采样频率为1 s-1。因云中未出现降水粒子，二维灰度降水粒子探头(OAP-2D-GB2)未观测到资料。
FSSP用于测量尺度较小的云粒子，分为15个测量通道，此次采用直径测量范围为2.0—47.0 μm的量程，分辨率为3 μm，即FSSP中值直径Di为3.5—45.50 μm(i=1，…，15)。对于一维前向散射探头和二维光阵探头，其误差均来自两方面：粒子尺寸的测量误差和粒子计数的误差(赵增亮等，2010)。Coelho等(2005)的研究表明，新型FSSP在粒子浓度小于500 cm-3的情况下，粒子直径误差可控制在3％—7％。因此，对FSSP的误差未予以考虑。
OAP-2D-GA2是原OAP-2D-C(量程为25—800 μm)的扩展型号(现仍简称为2DC，下同)，用于测量云及降水粒子并可获取二维图像资料，测量的粒子直径范围为25—1550 μm，分为62个测量通道，分辨率为25 μm，2DC中值直径Dj为30.12—1550 μm(j=1，…，62)。2DC在较小粒子段(直径小于125 μm)的定量化浓度有一定的误差(Baumgardner et al，1997；Strapp et al，2001)。Korolev等(1998)研究了与2DC同类型号二维光阵探头(OAP-2D-gray)的测量精度，发现该探头对于较小粒子(直径小于100 μm)有尺寸高估或低估和浓度计数漏测的现象，尤其是对直径25 μm(最小分辨率)粒子的漏测比例超过70%。因2DC第1测量通道(D1=30.12 μm)的理论测量范围(25—42.5 μm)与FSSP第9—14测量通道(Di=27.5，…，42.5 μm)的测量范围有所重叠，所以，对于该直径范围内云粒子的浓度测量以FSSP观测值为准。基于2DC前述缺陷的考虑，并参照McFarquhar等(2004，2007)的资料处理方法，在FSSP有观测资料时，将2DC的第1通道资料舍弃，即取Dj≥54.88 μm以上通道数据进行处理。此外，2DC对直径1300 μm以上的粒子浓度的测量存在一定的不确定性(McFarquhar et al，2007)。本次探测未观测到直径大于1300 μm的云粒子，该因素对本次2DC的资料未造成影响。
King探头用于实测云中液态水含量(记为LWCKing)，实际测量范围为0.01—3 g/m3(Tessendorf et al，2012)，相对误差为±15%(King et al，1985)。相对于其他机载液态含水量实测仪器，King探头能提供更精确的实测值(Feind et al，2000)。探测飞行时对King探头进行晴空下的校准是获取精确液态水含量实测值的重要操作规程(Feind et al，2000；王柏忠等，2004)。
Isaac(1991)在加拿大所做的King探头与FSSP的对比观测结果表明，在FSSP所测直径量程内均为液态水的情况下，两者的液态水含量(LWC，记为CLW)时变曲线几乎完全重合。Feind等(2000)在对美国对流性风暴的观测中发现，King探头对部分冰晶粒子产生响应，从而会高估云中实际的液态水含量。但McFarquhar等(2007)研究表明，在主要由过冷水组成的混合相态云中，这种影响很微小。近期的风洞实验测试结果(Strapp et al，2003)表明，King探头在粒子直径50 μm以下时与风洞含水量一致，但在直径50—200 μm的测量值只是其实际值的70%—45%。本研究结果表明，三江源地区直径大于50 μm的云粒子为冰晶粒子(详见4.2.1 节)，所以，该因素对本次King探头的观测不造成影响。
2.2 微物理量的计算方法按中国惯用法将总数浓度(N)和平均直径(Dm)分别简称为浓度和直径，用N1和Dm1表示FSSP所测的浓度和直径，N2和Dm2表示2DC所测的浓度和直径，用N2(＞50)和Dm2(＞50)表示2DC所测粒径D＞50 μm(即舍弃D1=30.12 μm测量通道资料，取Dj≥54.88 μm)粒子的浓度和直径。
对于FSSP(Miles et al，2000)
对于2DC浓度N2(L-1)和直径Dm2(μm)，类同式(1)、(2)处理。Dj为2DC第j测量通道的中值直径(μm)，其粒子数浓度分布函数n(Dj)单位为L-1·μm-1，j=1，…，62。在1—16测量通道ΔDj≈25 μm，第17—62测量通道ΔDj=25 μm，当取浓度N(＞50)及平均直径Dm(＞50)时，即取j=2，…，62。
冰相含水量(IWC，记为CIW)可以用机载云粒子测量系统各探头所测冰相粒子数浓度分布函数及中值直径间接计算(游来光等，1989；Brown et al，1995；Mitchell，1996；Heymsfield et al，2002；McFarquhar et al，2007)
云的界定即为判定是否进入云区的阈值。根据三江源地区飞行宏观观测的实际情况和云粒子瞬时谱分布，并参照同季节甘肃中北部云系干层的观测结果(李照荣等，2003)及河北地区降水性层状云的阈值(张瑜等，2012)，在混合相态云中以CLW-FSSP>10-4 g/m3为阈值。3 飞行概况和作业前后有效对比区间的确定
2003年10月11日08时(北京时，下同)500 hPa 高空形势图表明，试验区处于槽前的西南暖湿气流中，水汽供应条件较好。10月11日下午，作业探测飞机在完成云系的垂直探测后向西飞行，在河南县站(34°44′N，101°36′E；3500 m)西北约50 km、泽库站(35°2′N，101°28′E；3663 m)西南约60 km上空的层积云(Sc)顶部，根据机载气象雷达的探测，选取强回波区，进行锯齿形平飞催化作业和回穿探测。
图 1给出了全球卫星定位系统测量的航迹和回穿线上风方播撒线源在不同时刻的水平输送路径。如图 1所示，将B、D、F和H等4个航迹交叉点，按飞机第1、第2次经过时刻分别标记为“1”、“2”。飞机自A点(16时30分11秒)开始播撒AgI焰剂，作业时播撒和探测同时进行(播撒设备安装在飞机机翼末端、机载云粒子测量系统后部，探测的云不受作业影响)，经过B1、C、D1、E、F1、G、H1点后，在I点(16时47分30秒)结束作业。转弯后由H2点开始回穿探测。B1′、C′、D1′、F1′、G′、H1′点分别为该原点处催化剂经过水平输送后的位置。
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| 图 1 播撒作业及回穿探测飞行的全球卫星定位系统(GPS)航迹和回穿线上风方播撒线源不同时刻的影响区域 (a．H2点时刻，b．B2点时刻；灰色虚线箭头线为水平输送路径) Fig. 1 The Globe Positioning System(GPS)line of flight for the seeding route and backward-forward probe and the affected areas of seeding lines at the upwind of backword-forward probe at the different times (a. Time H2，b. Time B2; Gray dotted arrows represent the horizontal transfer track) |
飞机进行物理检验时探测的区域不宜过大，时间不宜过长，否则由于环境风场、冰晶增长速度和落速、扩散规律等因素的复杂性，可能在飞机回穿时很难找到播云的扩散区(王以琳等，2003)。此外，因自然云中粒子浓度及其粒子谱特征的空间变异性较大(游来光，1994)，为尽量避免这种“云的不均匀性”的影响，本次试验采用了相对较小的作业及回穿探测区域(水平范围约45 km×33 km)，作业与回穿探测时间间隔较短(A—H2为19 min)。
作业时试验区处于冷锋前的不稳定区，云系处于发展阶段，层积云以上有多层云层存在。平飞作业层海拔高度5600 m，云区温度-6.2—-7.1℃。加密探空资料显示该高度层风向为248°，风速16 m/s。飞行宏观观测记录显示，除在E点附近云体变稀疏并出现云隙外，其他作业时段内，飞机时有颠簸，且前窗及机翼有积冰现象。表明云中有不稳定气流和较丰富的液态过冷水存在。作业试验结束后约40 min，河南站出现间歇性降水，并在夜间转为积雨云降水，过程降水量6.6 mm(含霰，积雪深度1.0 cm)。泽库站降水量2.2 mm。
飞机播云的模拟研究(余兴等，2002)结果表明，AgI催化剂的水平输送仅与风场有关，催化剂的平均扩散速率约为0.1 m/s量级。催化云迹卫星遥感分析(Rosenfeld et al，2005；戴进等，2006)的结果认为，过冷层状云中催化剂持续扩散超过80 min。室内实验(DeMott，1995)和模拟研究(刘诗军等，2005)结果认为，层状云中AgI主要以接触冻结、浸没冻结等慢核化过程为主。因此，本研究不考虑催化剂的扩散和因核化可能引起的剂量衰减等复杂因素的影响，仅以环境风场的水平输送分析其影响区。
在飞机回穿探测的过程中，只有部分区间受到了上风方播撒线源的影响。飞机在回穿探测起始点H2时(图 1a)，预设回穿探测位置H2—F2段中只有少部分区间受到部分G—F1段线源的影响，H2—F2、D2—B2已分别受部分D1—G、部分C—D1段线源的影响，B2点后的预设探测区间也已受到部分B1—C段和部分C—D1线源的叠加影响。当飞至B2时(图 1b)，B2—J段已完全受催化影响。J点为线段CC′与预设回穿线的交点，确定其时刻为16时55分37秒。
选取F2—D2—B2—J段(简称F2—J段)的机载云粒子测量系统探测资料为催化作业后资料，即B1—C—D1段(简称B1—D1段)、F1—G—H1段(简称F1—H1段)的催化播撒在其航迹交点及下风方的F2—J段都可能产生催化效果。
根据该高度层的水平风场推测，F2—J时段内及其空间位置处探测的云，是由上风方经过催化的F1—G部分区段、B1—C—D1闭合区域内的云移动而来。尽管在该时段内大部分F1—G段探测的云并未移至该回穿探测线处，但考虑“云的不均匀性”，所以，选取B1—D1段和F1—H1段探测资料为作业前的对比资料，即以这两段的探测资料为未受催化影响的自然云背景资料。F2—J段受B1—D1段和F1—H1段线源催化影响的水平位置距离为0—36 km，时间间隔约为2—23 min。4 分析结果4.1 云微物理量水平分布特征及其变化
图 2给出了在层积云顶部作业及回穿探测期间A—J点(16时30分11秒—55分37秒)FSSP和2DC观测的粒子浓度、直径、瞬时谱、液态水含量(LWCFSSP)、二维粒子图像及King探头观测值(LWCKing)。
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| 图 2 层积云顶部作业及回穿探测时的(a)FSSP浓度N1和直径Dm1、(b)LWCFSSP和LWCKing、(c)FSSP瞬时谱(log(n(Di))、(d)2DC(D＞50 μm)浓度N2(>50)和直径Dm2(>50)、(e)2DC(D＞50 μm)瞬时谱(lg(n(Dj))随时间的水平分布(A—J点见图 1) Fig. 2 Observation data with time of the seeding above the stratocumulus(Sc) and the backward-forward probe(a)Total number concentration(N1) and the mean diameter Dm1 observed by FSSP(Forward Scattering Spectrometer Probe)，(b)LWCFSSP and LWCKing，(c)instantaneous spectrum(lg(n(Di))，(d)2DC(the Two-Dimensional Cloud Probe)(D>50 μm)concentration(N2(>50)) and the diameter(Dm2(>50))，(e)2DC(D>50μm)instantaneous spectrum(lg(n(Dj))(The points of A-J have been shown in Fig. 1) |
由图 2a可见，首先，FSSP所测云粒子浓度N1、直径Dm1在整个云区的水平分布差异较大。N1的高值区与低值区相差3—4个量级，N1最大值超过100 cm-3。Dm1在3.5—36.5 μm均有分布。其次，N1的对数值与Dm1呈现明显的反相关，高浓度区对应高含水量(LWCFSSP)区。当N1在10 cm-3以上时，Dm1总是集中在较小的直径范围内，与之相对应，在图 2b中有明显的高LWCFSSP区出现(L1—L13区等)。而当N1小于约1 cm-3时，Dm1分布较分散，在图 2b中基本上没有高含水量区出现。稀疏云区(16时37分24—54秒、38分55秒—39分15秒)只有零散的云粒子存在，N1基本上在0.1 cm-3以下。云隙间(37分55秒—38分54秒)无FSSP探测量程内的云粒子存在。由图 2c可见，高含水量区与低含水量区的FSSP瞬时谱分布差异明显。
2DC所测的云粒子浓度N2(>50)在整个云区没有明显的高、低值区，N2(>50)集中在0.1—10 L-1。Dm2(>50)分布也较为松散，最大直径在1000 μm以上。云隙间有N2(>50)在10-1 L-1量级、Dm2(>50)≤125 μm的云粒子零散存在(图 2d)。2DC(D>50 μm)粒子数浓度分布函数n(Dj)的高值区集中在中值直径Dj较小的54.88、79.62和104.38 μm等测量段，而在Dj>129.12 μm测量段n(Dj)迅速减小，且量级差异不明显(图 2e)。表明N2(>50)主要由Dj较小的粒子浓度决定。
对比作业前(B1—D1和F1—H1)和作业后(H2—J)云微物理量的变化，可见作业前后云粒子浓度(N1、N2(>50))和2DC所测粒子直径D2(>50)都没有明显变化。虽然作业后L10—L13区的D1较作业前的L1—L7区有所增大，但这种量值的变化未能超出作业前云区探测范围内(A—I)该微物理量的自然起伏。
由图 2b可见，LWCFSSP与LWCKing在整个云区的变化趋势基本相同，但作业后LWCFSSP的峰值较作业前明显增大，而LWCKing的峰值较作业前有所减小，LWCFSSP与LWCKing差异增大。云中液态云粒子的尺寸分布及其浓度变化可能是造成这种差异的原因。因此，必须首先分辨云粒子相态，从而在有效区分云中液态过冷水的基础上，再进一步分析催化响应。
4.2 云粒子相态的判定4.2.1 2DC量程内粒径大于50 μm云粒子相态的辨别McFarquhar等(1996)利用2DC图像的灰度投影面积比(AR)来判定粒径D＞125 μm云粒子的相态，并提出一指标：液态云粒子的AR＞0.8。有关检验也表明，以AR来判定D＞125 μm云粒子相态的可信度超过93%(McFarquhar et al，2007)。而对于53 μm<D<125 μm的云粒子，McFarquhar等(2007)在美国北极混合态云试验(M-PACE)的研究结果中提出在降水中不出现毛毛雨的情况下，可以以2DC图像是否为非球形来判定云粒子是否为冰晶。
2DC的图像按形状可分为球形、不规则形、针状(含柱状)和枝状4大类(Korolev et al，2000)。张佃国等(2007)将可能由冰晶或雪晶凇附过冷水产生的较大尺寸的非球形粒子称为冰雪晶结凇体。范烨等(2010)将可能由冰晶与雪晶之间碰并形成的较大尺寸的不规则形固态粒子称为冰雪晶聚合体。
图 3给出了层积云顶部作业区不同时刻的2DC云粒子图像。可见D＞125 μm的云粒子为不规则形冰晶、柱状冰晶、枝状冰晶及冰雪晶聚合体和冰雪晶结凇体等。
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| 图 3 层积云顶部不同时刻的2DC云粒子图像 (a. 16时32分47.120秒，b. 34分33.820秒，c. 42分46.060秒，d. 46分02.410秒，e. 46分38.430秒，f. 49分56.290秒，g. 52分00.210秒，h. 53分10.320秒) Fig. 3 Images of 2DC at the top of Sc for the different times (a. 16:32:47.120，b. 16:34:33.820，c. 16:42:46.060，d. 16:46:02.410，e. 16:46:38.430，f. 16:49:560.590，g. 16:52:00.210，h. 16:53:10.320 BT) |
用McFarquhar等(2007)提出的判断方法再考察53 μm<D<125 μm内的粒子形状，未发现球形粒子存在，由此可判定该尺寸范围内的云粒子为冰晶。所以，可认为层积云顶部2DC量程内D>50 μm(Dj≥54.88 μm)的云粒子相态为冰相。
同时由图 3可见，云区2DC云粒子图像形状在作业前(图 3a—e)、后(图 3f—h)没有明显变化。作业前后都有较小尺寸的柱状冰晶粒子(图 3d、e)、较大尺寸的冰雪晶聚合体和冰雪晶凇附体(图 3a—h)出现。表明冰晶的碰并增长及凇附增长在作业前、后都存在。
4.2.2 FSSP量程内云粒子相态的判断游来光(1994)曾利用谱线的相似性推测新疆冬季降雪性冰云中直径大于5 μm的为冰晶粒子。国际上，在近些年的混合云综合外场观测研究中，首先利用罗斯曼积冰探测仪(RICE)(Cober et al，2001;Korolev et al，2003; McFarquhar et al，2004，2007)或综合地面雷达观测(Field et al，2004; Lawson et al，2009)来确定0℃层以上云的相态(液态过冷水云、冰水混合态云、冰云)，然后再根据各相态云中FSSP谱分布的差异来总体说明FSSP量程内云粒子的相态(液相、冰相)。Cober等(2001)在第1和第3次加拿大冻雨试验(CFDE I and III)的观测研究中，发现混合态云中冰晶粒子的直径大于30 μm。Korolev等(2003)对加拿大锋面层状云系的观测表明，液态过冷水云中的平均体积直径为10—12 μm，冰云中的为20—35 μm，而Field等(2004)发现英国混合态云和冰云中的平均体积直径都大于30 μm。可见不同地区及云系中云粒子的相态差异较大。
在液态云和冰水混合态云中，对液态水含量的最佳测量值是King探头的观测值(McFarquhar et al，2007)。FSSP所测含水量容易受到其量程内冰晶的影响(胡志晋，2001)。LWCFSSP是由式(3)计算所得，仅当FSSP量程内都为液态云粒子时适用。即在云内0℃层以上，如果FSSP量程内有冰晶存在，则LWCFSSP会高估云内液态过冷水含量，且当冰晶浓度较大时，由式(3)可见，被高估的含水量所占LWCFSSP比重较大。而如果FSSP量程内都为液态云粒子，且超出其观测范围的云粒子(如2DC量程内)中有液态过冷水存在，则LWCFSSP只能代表部分的云中液态过冷水含量。因此，在实际云的观测中，LWCFSSP与LWCKing必然存在一定的差异，且会随着液态云粒子浓度和粒径分布的变化而变化。齐彦斌等(2007)的垂直观测资料显示了这种差异及变化。
在冰水共存时，水滴一般粒径较小，而冰晶粒径较大(胡志晋，2001)。云粒子瞬时谱及其时间序列的变化能更全面地提供云粒子在各测量通道内的分布状况及实时变化的信息。对于FSSP量程内云粒子相态的分辨，本文综合其瞬时谱、LWCFSSP与LWCKing的差异来判别。
由图 2b可见，LWCFSSP与LWCKing在高LWCFSSP区差异明显，且差异程度各有不同。在L3区，LWCFSSP与LWCKing很接近，由FSSP瞬时谱(图 2c)可见该时段内基本上仅有3.5 μm≤Di≤18.5 μm的粒子连续分布。在L4、L7、L1和L13区，LWCFSSP与LWCKing较为接近，FSSP量程内有3.5 μm≤Di≤18.5 μm的云粒子连续分布，Di≥21.5 μm有FSSP数浓度分布函数n(Di)较低的云粒子零散存在。而在其他高过冷水区(L2、L5、L6和L8—L12)，LWCFSSP远大于LWCKing，其Di≥21.5 μm测量通道内均有大量n(Di)较高的云粒子不连续存在。比较这些高过冷水区的FSSP瞬时谱发现，LWCKing随3.5 μm≤Di≤18.5 μm测量通道内n(Di)的变化而变化，随3.5 μm≤Di≤18.5 μm测量通道内的n(Di)的不同而与LWCFSSP存在差异。由此推测，在层积云顶部液态过冷水粒子可能主要分布在3.5 μm≤Di≤18.5 μm。
由式(3)计算FSSP在3.5 μm≤Di≤18.5 μm测量通道内的含水量(以LWCFSSP(3.5—18.5)表示)，并与LWCKing比较，以进一步检验二者的相关性。因King探头的探测下限为0.01 g/m3(Tessendorf et al，2012)，图 4中给出了LWCKing≥0.01 g/m3的资料。
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| 图 4 层积云顶部液态含水量LWCKing与LWCFSSP(3.5—18.5)线性相关性 Fig. 4 Scatter diagram with the linear correlation between LWCKing and LWCFSSP(3.5-18.5) at the top of the Sc |
由图 4可见，在LWCKing>0.01 g/m3的云区，LWCFSSP(3.5—18.5)与LWCKing的线性相关的决定系数R2=0.932，通过显著性水平α=0.05检验，表明LWCFSSP(3.5—18.5)与LWCKing有显著的线性相关。且LWCFSSP(3.5—18.5)与LWCKing线性拟合斜率接近于1，表明LWCFSSP(3.5—18.5)与LWCKing有显著的对称相关性。在0.01 g/m3以上，LWCFSSP(3.5—18.5)值绝大部分在LWCKing±15%(仪器相对误差)范围内。
而在0.01 g/m3以下，可能是由King探头的探测精度所致，LWCFSSP(3.5—18.5)与LWCKing±15%的差异较大(图略)。同时，由图 2b、c可见，在LWCKing<0.01 g/m3的云区，各Di间的n(Di)差异相对较小，且3.5 μm≤Di≤18.5 μm测量通道内云粒子的分布有一定的不连续性。因此，在LWCKing＞0.01g/m3的云区FSSP量程内云粒子的相态存在着不确定性。
以上分析表明，在层积云顶部FSSP量程内液态云粒子集中分布在3.5 μm≤Di≤18.5 μm的尺寸范围内，而21.5 μm≤Di≤45.5 μm的云粒子基本上为冰晶。
结合2DC量程内D＞50 μm的云粒子相态的判定可见，层积云顶部液态云粒子和冰相(或固态)云粒子的尺寸分布范围在催化作业前后没有变化。
4.3 作业前后FSSP量程内液态云粒子和冰晶浓度的变化
Hobbs将云中直径大于2 μm粒子的总浓度超过10 cm-3时看作是云水区(游来光，1994；张瑜等，2012)。本研究发现层积云顶部N1超过10 cm-3时有液态含水量高值区出现，结合三江源地区混合态云中FSSP浓度、瞬时谱和LWCKing的变化特点，本研究将LWCFSSP和LWCKing均大于0.01 g/m3的区域称为高过冷水区，将0.01 g/m3＞CLW≥10-4g/m3的云区称为低过冷水区。
作业前(B1—D1和F1—H1)和作业后(F2—J)的探测区间均以高过冷水区为主(图 2)，因此，根据上述FSSP量程内云粒子相态的判断结果，FSSP量程内液态云粒子浓度(N1w)和冰晶浓度(N1i)可以分别由3.5 μm≤Di≤18.5 μm、21.5 μm≤Di≤45.5 μm 测量通道内云粒子的数浓度表示。由式(1)可分别估算N1w、N1i
图 5给出了作业前(B1—D1和F1—H1)、后(F2—J)N1w和N1i随时间的变化。可见作业后(F2—J)L10、L11和L12高过冷水区的N1w比作业前(B1—D1和F1—H1)高过冷水区(L1—L2，L4—L8)的N1w明显减少，而N1i明显增多。这也是作业前后FSSP所测浓度(N1)、直径(Dm1)等微物理量没有明显变化的原因。作业前各高过冷水区N1w的峰值基本上在102 cm-3量级，作业后L10、L11和L12高过冷水区的N1w都已集中在10 cm-3以下，相差接近1个数量级。作业前高过冷水区的N1i零散分布在0.1—2 cm-3，作业后L10、L11和L12区的N1i已集中分布在1—6 cm-3，增加趋势明显，且作业后已无类似L2和L4区等冰晶粒子几乎不存在或只有很少的过冷水区。接近J点处的L13高过冷水区未出现类似变化，这可能与J点附近处于催化影响区域边缘(图 1)有关。作业前后低过冷水区的N1w和N1i无明显变化。
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| 图 5 作业前(B1—D1、F1—H1时段)、作业后(F2—J时段)FSSP量程内液态云粒子浓度(N1w)和冰晶浓度(N1i)随时间的变化(a．B1—D1时段，b．F1—H1时段，c．F2—J时段；L1—L2、L4—L8、L11—L13等高过冷水区见图 2) Fig. 5 Time series of the total number concentration of ice crystal(N1i) and the liquid cloud particles(N1w)in the FSSP range before the operation(B1-D1，F1-H1 period) and after the operation(F2-J period):(a)B1-D1 period;(b)F1-H1 period; and (c)F2-J period(L1-L2，L4 -L8，and L11-L13 which are in the high supercooled water area have been shown in Fig. 2) |
作业前、后云粒子谱的演变状况是表征催化有无效果的直接证据(王谦等，1987；陈万奎等，1992；王以琳等，2003；金德镇等，2007)。由FSSP瞬时谱(图 2c)可见，在作业前，高过冷水量区云粒子数浓度分布函数n(Di)的高值区集中于较小的Di范围内，作业后高值区有所上移，低过冷水量区的n(Di)无类似现象。分别统计作业前(B1—D1和F1—H1)高过冷水区、低过冷水区的云粒子平均谱分布，并与作业后(F2—J)平均谱分布比较，以考察在不同过冷水含量的云区作业后，在其下风方的催化响应(图 6)。统计样本为B—D1和F1—H1段CLW≥0.03 g/m3高过冷水区共16组；CLW≥0.02 g/m3区共58组；CLW≥0.01 g/m3区共271组；0.01 g/m3＞CLW≥10-4 g/m3低过冷水区共372组，F2—J时段云区统计样本为323组。
作业前后高过冷水区的FSSP云粒子平均谱分布差异明显(图 6a)。作业前过冷水含量大于0.03 g/m3的高过冷水区的谱型基本上为单峰型Γ分布，峰值均在Di=9.5 μm处，并随着过冷水含量的增大而峰值上移。作业后的平均谱谱形较扁平。这3条高过冷水区的谱线在18.5—21.5 μm处与回穿段谱线相交，且交点左、右侧的n(Di)差异明显。作业前低过冷水区与作业后FSSP云粒子平均谱分布无明显差异。
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| 图 6 作业前(B1—D1和F1—H1)不同高过冷水区和低过冷水区与作业后(F2—J)平均云粒子谱分布(a．FSSP，b．2DC； D＞50 μm) Fig. 6 Distribution of the mean particles spectrum in the high and low supercooled water area at the B1-D1，F1-H1 and F2-J periods(a. FSSP，b. 2DC； D>50 μm) |
在2DC的D>50 μm粒径范围内，作业前高、低过冷水区的粒子平均谱分布与作业后的平均谱均无明显差异，未超过作业前云区内的自然起伏(图 6b)。
以上分析表明，一方面，与4.3节分析结果一致，在高过冷水区催化作业后，在其下风方影响区内可观测到液态云粒子(3.5 μm≤Di≤18.5 μm)浓度明显降低，并使较小粒径冰晶(21.5 μm≤Di≤45.5 μm)的浓度明显升高。而在低过冷水区催化作业后，在其下风方未出现类似的微物理响应。另一方面，过冷水含量越高的区域，其催化效应也越明显。同时也表明，该作业区过冷水含量主要是由Di=9.5 μm云粒子的浓度决定。
4.4.2 航迹交叉点H1和H2处作业前后的云粒子谱分布航迹交叉点H1与H2的时间间隔(△t)仅为131 s，且H1、H2点均处于高过冷水区，H2仅可能受其原点位置处(H1)催化扩散的影响(图 1a)。探测飞机的飞行速度要高于该作业层水平风速1个数量级，在此时间间隔内，基本上可以不考虑云的移动。比较该点处作业前、后的云粒子谱变化，以考察在原点处的催化响应(图 7)。因全球卫星定位系统数据显示频率为5 s-1，而机载云粒子测量系统采样频率为1 s-1，所以，航迹交叉点机载云粒子测量系统云粒子谱以全球卫星定位系统显示时间为中心取5个观测样本的平均值。
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| 图 7 航迹交叉点H1与H2的FSSP(a)、2DC(D＞50 μm)(b)云粒子谱分布 Fig. 7 Distribution of cloud particles at the flight route cross(H1 and H2)of FSSP(a) and 2DC(D>50 μm)(b) |
由图 7可见，H1与H2点的FSSP、2DC粒子谱分布均无明显变化，未出现类似4.4.1节的高过冷水区的催化响应。由此亦可说明，在水平风速较大的风场环境中，仅靠催化剂的原点扩散不可能出现催化响应。4.5 作业前、后高过冷水区过冷水含量比率的变化
过冷水含量比率fl为混合态云中过冷水含量占总含水量(TWC)的比率(McFarquhar et al，2007)。总含水量可以表示为液态含水量和冰相含水量之和。
以式(4)计算冰相含水量。由4.1及4.2节的分析发现三江源地区秋季层积云的微物理特征与美国阿拉斯加地区秋季低层混合态层积云(McFarquhar et al，2007)较为接近，但其经验回归系数a=1.07×10-10g/μm1.7、b=1.7仅适用于D>125 μm(Dj≥129.12 μm，j≥5)的冰相粒子。对于53 μm＜D＜125 μm(54.88 μm≤Dj≤104.38 μm；j=2，…，4)范围内的非球形冰晶粒子，采用与本文谱型相同、n(Dj)较为接近且同为冰相的、游来光等(1989)在新疆冬季层状云中取得的经验回归系数：a=0.04，b=3(未进行单位换算)。而对于FSSP所测的21.5 μm≤Di≤45.5 μm(i=7，…，15)的冰晶粒子，假定其为球形冰晶粒子，则冰相含水量(g/m3)可表示为
图 8给出了作业前(B1—D1、F1—H1段)与作业后(F2—J)云粒子冰相含水量谱、冰相含水量、总含水量及fl随时间的变化。因在低过冷水区FSSP量程内的云粒子相态有一定的不确定性，图中只给出了高过冷水区的fl值。
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| 图 8 作业前B1—D1时段(a1、a2)、F1—H1时段(b、b2)和作业后F2—J时段(c1、c2)的(a1、b1、c1)云粒子冰相含水量谱lg(CLWk)、(a2、b2、c2)冰相含水量(IWC)、总含水量(TWC)、高过冷水区过冷水含量比率fl随时间的变化 Fig. 8(a1)Logarithmic IWCk of cloud particles in ice phase in the B1-D1 period before the operation，and (a2)the time series of IWC，TWC and fl(the fraction of liquid water)in the high supercooled water area; b1，b2 are the same as a1，a2 but in the F1-H1 period; c1，c2 in the F2-J period after the operation |
由图 8a1、b1和c1可见，由于D≥129.12 μm粒子的n(Dj)差异不明显(图 2e)，中值直径较大的冰相粒子(约Dj≥400 μm)中比较小的冰相粒子(129.12 μm＜Dj＜400 μm)的IWCk有所增大；而Dj≥129.12 μm粒子的n(Dj)与129.12 μm>Dj≥54.88 μm段差异明显，使129.12 μm＞Dj≥54.88 μm云粒子的IWCk明显大于Dj≥129.12μm的IWCk；由于21.5—45.5 μm云粒子浓度较Dj≥54.88 μm段高1个量级以上和冰晶粒子形状的差异，该中值直径段云粒子的冰相含水量IWC(21.5—45.5)较IWC(>50)要高1个量级以上。因此，冰相含水量主要由21.5—45.5 μm的云粒子浓度决定。因作业前后Dj≥54.88 μm粒子IWCk的水平分布未出现明显变化，冰相含水量在作业前后的变化主要由21.5—45.5 μm尺寸的冰晶云粒子浓度的变化决定。
将图 8a2、b2与图 8c2相比较，可见作业后高过冷水区的冰相含水量较作业前明显增加，相应总含水量增大，fl减小。分别统计高过冷水的fl平均值，则B1—D1和F1—H1段(样本共271个)fl的平均值及标准差(σ)为(68.3±23.1)%，F2—J段(样本101个)为(34.2±12.4)%。5 结论与讨论
利用三江源地区一次在层积云顶部进行飞机锯齿形平飞作业及回穿探测试验的全球卫星定位系统轨迹和机载云粒子测量系统资料，以环境风场对飞机播撒线源的水平输送分析作业对回穿探测线的有效影响区间，由此确定作业前后的对比区间，在区分云粒子相态的基础上，通过分析作业前后液态云粒子及冰晶浓度变化、云粒子谱的演变和过冷水含量比率的变化，研究了作业后约2—23 min、下风方36 km水平范围内催化的微物理响应。主要结论如下：
根据2DC图像和灰度投影资料判定2DC量程内粒径大于50 μm云粒子的相态，并主要以综合FSSP云粒子瞬时谱、FSSP所测一定尺度云粒子含水量计算值与King探头过冷水含量实测值的对称相关性的方法，判别FSSP量程内云粒子的相态。判别结果认为：三江源秋季层积云顶部液态云粒子集中在中值直径3.5 μm≤Di≤18.5 μm，21.5μm≤Di≤45.5 μm的云粒子基本上为冰晶，粒径大于50 μm的粒子为冰相粒子。
观测发现，作业前、后FSSP和2DC的云粒子浓度、直径等微物理量的变化均未超出其自然起伏。但是，作业后高过冷水区(CLW≥0.01 g/m3)的液态云粒子浓度明显降低，较小粒径冰晶(21.5 μm≤Di≤45.5 μm)的浓度明显升高；作业前、后FSSP云粒子平均谱分布差异明显，过冷水含量越高的区域，其催化效应也越明显，而低过冷水区和仅受原点催化影响的航迹交叉点均未出现类似的微物理响应；作业后高过冷水区液态过冷水含量减少，而冰相含水量和总含水量明显增大，高过冷水区过冷水含量比率(过冷水含量占总含水量的比率)平均值由作业前的(68.3±23.1)%减小至作业后的(34.2±12.4)%。
基于以上结论，可以将液态水含量(LWCFSSP和LWCKing)≥0.01 g/m3作为三江源地区秋季层状云人工增雨作业的定量化指标之一。需要注意的是，本研究提出的判别FSSP量程内云粒子相态的方法仅适用于液态云粒子粒径小于47 μm的混合态云，且在过冷水含量小于0.01 g/m3云区存在一定的不确定性。其判定结果有待更多观测资料的检验。
本次试验，因作业后回穿探测的区域较小、时间较短，且在探测结束约40 min后出现降水，所以观测存在一定的空白期。对AgI催化“物理事件链”中如冰晶粒子的增长、降水形成等其他环节的物理检验，需要在合理设计探测方案、确定有效影响区的基础上，做进一步的观测及数值模拟研究。
致谢： 河南省气象台周生辉博士、南京信息工程大学大气物理学院肖辉博士和河北省气象灾害防御中心孙霞同志为本文提供了帮助，特此致谢。| 陈万奎, 严采蘩, 吴心遂等. 1992. 碘化银消除过冷低云试验结果. 应用气象学报, 3(1): 59-66 |
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