积层混合云是由层云和镶嵌在层云中的对流单体组成，一般由锋面系统产生，生命期较长，常常带来大范围的持续性或间歇性降水。Marshall(1953)利用雷达回波研究降水特征时发现，雷达回波的垂直剖面中有自上而下的带状强回波存在，并认为此强回波带和嵌入在层云中的对流单体有关。随后的一些研究确认了嵌入式对流单体和强回波带的对应关系(Carbone，et al，1975; Plank，et al，1955; Syrett，et al，1995; Wexler，et al，1959; 洪延超等，1984; 黄美元等，1984)。

积层混合云在暖锋(Hobbs，et al，1978; Matejka，et al，1980)和冷锋(Evans，et al，2005; Herzegh，et al，1981; Hobbs，et al，1980)降水中都起重要作用。由于嵌入式对流单体中液态水含量比周围的层云高，并且具有一定的上升气流速度，可以产生更多的冰晶(Evans，et al，2005; Hobbs，et al，1990; Matejka，et al，1980)，在云中垂直速度不同的情况下，可以增加云系20%—35%的降水量(Herzegh，et al，1980; Houze，et al，1981; Rutledge，et al，1983)。

云中冰晶的形状是反映云粒子形成和增长的重要参数，但获取自然云中冰晶形状的精细结构及连续变化特征非常困难，目前主要依赖飞机穿云探测手段，获取某一瞬时状态下的云中冰晶形状特征，从而推断其形成和增长的机制。在深厚的层状云中，冰晶形成与增长过程非常复杂，如存在冰晶的凇附过程(Ono，1969)、大滴的冻结过程(Korolev，et al，2004)、冰晶的聚合过程(Takahashi，et al，1988; Field，et al，2003)等，积层混合云中冰晶的形状及增长过程比一般的层云更加复杂。

在0—-20℃的积层混合云内，云中冰晶形状变化很大(Stith，et al，2002)，一方面云中冰晶形状会受所处云中位置的影响，Mcfarquhar等(2004)通过分析机载二维云粒子探头(2DC)观测数据发现，在热带气旋系统中，对流区域的冰晶形状、浓度和粒子谱与层云区域的差别很大，层云区域可以观测到较小的板状冰晶、柱状冰晶和中等大小的霰粒子，而在对流区域，可以观测到尺度较大的冰晶聚合体。Stark等(2013)通过三维显微镜观测地面收集的固态降水粒子时发现，在温带气旋系统中，云带前沿以针柱状冰晶为主，云带中后部以辐枝状冰晶为主，同时云带中嵌入式对流区域可以观测到子弹状冰晶、辐枝状冰晶和片状冰晶。另一方面，冰晶形状会受云中温度的影响，Hogan等(2003)分析了英格兰地区机载二维云粒子探头和二维降水粒子探头(2DP)的观测数据，发现在云顶温度为-15℃的高积云中，可以观测到最初的板状冰晶，云顶温度为-24℃时，可以观测到复杂的冰晶聚合体。Carey等(2008)分析了美国内布拉斯加州机载二维云粒子探头和二维降水粒子探头的观测数据，发现在-12—-26℃的云中，在云顶的位置有板状冰晶出现，而辐枝状和聚合状的冰晶通常在云中较低的位置出现。Westbrook等(2011)总结已有的研究结论发现，薄的混合态云层中，单个冰晶粒子十分普遍，只有当云顶温度低于-20℃时，冰晶聚合体才更容易形成。

云中不同高度和不同位置的冰晶增长过程也存在明显差异，Herzegh等(1980)分析了美国华盛顿地区的机载粒子测量系统探测的云粒子和降水粒子数据，发现锋面系统中的积层混合云，嵌入式对流区域(上升气流速度w>0.6 m/s)，冰晶的凇附增长占主要作用，而在下部的层云区域(w<0.15 m/s)，凝华和聚合两种增长机制占主导作用。而Lawson等(1993，1998)分析了加拿大纽芬兰

地区机载二维云粒子探头和二维降水粒子探头的探测数据，发现积层混合云中弱对流不稳定区域，冰晶能够通过聚合过程迅速长成粒径比较大的雪花，后来Lawson等(2009)在北极地区观测到的积层混合云中也具有类似的特征。Evans等(2005)分析了美国华盛顿地区机载二维云粒子探头和云粒子图像(CPI)数据，发现在-3—-21℃的积层混合云中，水汽的凝华是冰晶增长的主导方式，冰晶的凇附增长过程很弱，在0—-3℃云中，聚合过程特别明显。由此可见，在不同地区观测的冰晶形状、增长方式有一定差异，产生这种差异的原因目前还不完全清楚。

中国也有一些针对云中冰晶形状和增长过程的飞机探测研究成果，孙可富等(1965)分析了吉林地区层云飞机探测资料，通过用铝箔对云中冰晶取样发现，层云中的冰晶主要包括片状、枝星状和柱状，云中冰晶形状受云中温度和云层厚度影响。游来光等(1989)利用机载二维云粒子探头和二维降水粒子探头的数据研究中国新疆地区层云降雪机理时发现，1.5 km高度以上冰晶主要通过凝华增长，并对下层有播种效应，1.5 km高度以下的低层云中冰晶的聚合过程比较明显。张佃国等(2007)分析了北京及周边地区层云机载二维云粒子探头和二维降水粒子探头的资料，发现在-5.9—-8℃的层云中，主要是柱状冰晶和少量结凇体，-8—-12℃云中基本为结凇粒子，-20℃层上下表现出较多的枝状冰晶。范烨等(2010)也分析了北京及周边地区冷暖锋云系中机载二维云粒子探头和二维降水粒子探头的资料，发现冷锋云系中主要以霰粒、柱状和针柱状冰晶为主，暖锋云系中则以霰粒、结凇粒子和冰雪晶聚合体为主，也存在少量柱状，针柱状冰晶和过冷水滴。Hou等(2010)利用机载二维云粒子探头和二维降水粒子探头的数据研究中国东北地区层状云降水机理时发现，冰晶粒子主要产生和增长的高度范围为4.0—5.5 km(-1—-8℃)，主要通过凝华和聚合的方式，冰晶浓度随着高度的降低而增大，这种增长趋势一直维持到0℃层上方0.5—1.0 km高度，在0℃层高度，聚合过程并不明显，对粒子的增长影响很小。

综上所述，虽然目前在积层混合云微物理特征方面有一些研究结果，但这些研究基本上是依据1架飞机穿云探测的结果，结果分析也没有与雷达探测的云体结构有效结合起来，由于云体本身变化及飞机探测位置的不确定性，很难揭示某一时刻实际云中垂直微物理结构特征、不同冰晶形状、分布和增长的原因，也很难定量估算粒子谱拓宽的速率。本研究利用国家科技支撑计划重点项目在环北京开展的多架飞机同时观测数据，将飞机穿云探测的轨迹与雷达探测的云体结合起来，分析了积层混合云中不同区域(对流区和层云区)、不同温度和高度、不同时刻冰晶的形状、分布及增长过程，结合粒子谱、图像和过冷水等探测数据，分析了不同冰晶形状形成和增长的原因，对于了解积层混合云降水形成机制具有重要意义。2 仪器和观测试验

2009年4—5月，在中国国家科技支撑计划重点项目“人工影响天气关键技术研究及装备研发”的支持下，在北京上游的张家口地区开展了“环北京云观测试验”。该试验是中国第一次利用多架飞机同时对云进行联合观测的试验，试验期间有两次锋面系统过境，主要云系以积层混合云为主，3架飞机分别在不同高度对云系进行了观测。

本次联合观测用到的3架飞机分别为河北省人工影响天气办公室在石家庄的夏延Ⅲ-A，飞机编号：3625；山西省人工影响天气办公室在大同的运-12，飞机编号3817；北京人工影响天气办公室在张家口的运-12，飞机编号3830。图 1是观测区域和仪器示意图，图中雷达是张家口C波段雷达，黑色圆圈表示雷达探测范围，图中3架飞机的位置表示它们进入观测区域的起始位置，因为山西的运-12飞机和河北的夏延Ⅲ-A飞机分别从大同机场和石家庄机场起飞，所以用黑色箭头表示这两架飞机的来向，在观测期间同时收集了加密雨量数据和加密探空数据。试验期间有两次锋面系统过境，分别为4月18日和5月1日，3架飞机分别在不同高度对张家口地区上空的气溶胶和云粒子特征进行了联合观测，表 1给出了3架飞机搭载的仪器的测量内容和相关参数，所有探测仪器的标校都在观测试验开始前完成(Lu，et al，2012)。

图 1 观测区域和仪器示意图Fig. 1 Schematic of the observational region with the facilities

图选项

2009年4月18日观测期间，有一次较弱的锋面过程经过观测区域，观测区域上空有积层混合云产生，张家口气象站观测的24 h降水量为6.7 mm。图 2是2009年4月18日的天气形势，图中黑色方框区域为观测区域，从08时(北京时，下同)500 hPa高度场和风场(图 2a)可以看出，有一短波槽经过观测区域，观测区域处于槽前，弱高压中心位于东海上空，对于浅槽向东南移动发展有所阻碍，观测区域上空500 hPa高度上受西南气流控制。从FY-2C红外云图(图 2b)可以看出，在观测期间，整个云系呈东北—西南向带状分布，云系的主体位于观测区域以北，在观测区域上空有不均匀的混合云系产生。

图 2 2009年4月18日天气形势 (a. 08时500 hPa高度场(单位：gpm)和风场，b. 19时FY-2C红外云图)Fig. 2 Synoptic weather background on 18 April 2009 (a. geopotential height(unit: gpm) and wind fields at 500 hPa at 08:00 BT，b. FY-2C infrared cloud image at 19:00 BT)

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从2009年4月18日雷达组合反射率及飞机飞行轨迹的叠加图(图 3)中可以看出，该云系的回波在外形上具有带状回波的特性，在云系前沿为辐合抬升形成的对流区，形成带状强回波带，在云系后部为回波较弱的层云区。整个回波带呈东北—西南分布，自西北向东南移动，回波带中镶嵌有明显的强回波区，最大回波强度约为50 dBz，强回波区比周围云区强10—20 dBz；3817和3830飞机分别在云系的前沿进行观测，主要飞行高度分别为4.2和3.6 km；3625飞机在云中南北循环飞行，飞行高度初期为4.8 km，后期5.1 km。

图 3 2009年4月18日飞机飞行轨迹及19时雷达组合反射率 (绿线为3817轨迹，红线为3830轨迹，蓝线为3625轨迹)Fig. 3 Combined radar reflectivity at 19:00 BT and flight paths on 18 April 2009 (green line represents 3817 path，red line represents 3830 path，and blue line represents 3625 path; see the text for further details)

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2009年4月30日—5月1日观测期间，观测区域出现了第2次明显的锋面过程，此次过程比4月18日的过程深厚，整个观测区域内24 h降水量为6—10 mm。图 4是2009年5月1日天气形势，图中黑色方框区域为观测区域，从08时500 hPa高度场和风场(图 4a)可以看出，观测区域上空一直受西风槽的控制，与4月18日相比，此次低压槽更明显，并且没有了东部高压的阻挡。观测区域上空500 hPa 高度上受西南气流控制，结合FY-2C可见光云图(图 4b)可以看出，整个云系呈带状分布，云系的主体已经移动到观测区域以东，观测区域上空的云系主要为锋后云系。

图 4 2009年5月1日天气形势 (a. 08时500 hPa高度场(单位：gpm)和风场，b. 09时FY-2C可见光云图)Fig. 4 Synoptic weather background on 1 May 2009 (a. geopotential height(unit: gpm) and wind fields at 500 hPa at 08:00 BT，b. FY-2C visible cloud image at 09:00 BT)

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图 5是2009年5月1日雷达组合反射率及飞机飞行轨迹的叠加图，观测期间3625飞机定位系统故障，所以无法给出该飞机的精确轨迹，从图中可以看出，云系回波特征与4月18日个例类似，整个回波带呈东北—西南分布，自西北向东南移动，回波带中仍然镶嵌有强回波区，但是与4月18日个例相比，回波强度减弱，最强回波约为35 dBz，比周围云区高5—10 dBz。

图 5 2009年5月1日飞机飞行轨迹及09时30分雷达组合反射率 (绿线为3817轨迹，红线为3830轨迹)Fig. 5 Combined radar reflectivity at 09:30 BT and flightpaths on 1 May 2009 (green line represents 3817 path，red line represents 3830 path; see the text for further details)

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云中冰晶图像的观测数据主要由云粒子图像探头(CIP)和二维云粒子探头采集，降水粒子图像的观测数据主要由降水粒子图像探头(PIP)和二维降水粒子探头采集，CIP和PIP分别是在二维云粒子探头和二维降水粒子探头的基础上改进而成(Field，et al，2006)，仪器的详细参数见表 1。

图 6是4月18日3架飞机采集的云中典型冰晶粒子图像，其中，5.1和4.8 km高度上的粒子图像是由3625飞机观测所得，4.2 km高度的粒子图像是由3817飞机观测所得，3.6 km及3.6—3.1 km高度的粒子图像是由3830飞机观测所得。研究者把类似于图 6中左边的粒子形状归纳为板状(Bailey，et al，2009; Kajikawa，et al，1989; Woods，et al，2005)或者小球状(Connolly，et al，2005)，在此统一以板状代称，而针状和柱状在此统称为针柱状(Fukuta，et al，1999)。由图 6可以看出，3625飞机穿云飞行的温度范围为-6—-9.5℃，观测到的冰晶主要有板状、针柱状、辐枝状、柱帽状和不规则状，3817飞机穿云飞行的温度范围为-4—-5℃，观测到的冰晶主要包括板状、针柱状、辐枝状和不规则状，3830飞机穿云飞行的温度范围为0—-3℃，观测到的冰晶以针柱状和板状为主。由实验室(Fukuta，et al，1999; Heymsfield，et al，2010; Magono，et al，1972; Pruppacher，et al，1997)和外场观测(Evans，et al，2005; Heymsfield，et al，2002; Stith，et al，2002; Woods，et al，2008)研究可知，0—-4℃是板状冰晶形成的适宜温度区间，而-4—-8℃是针柱状冰晶形成的适宜温度区间。Bailey等(2009)通过实验室实验和外场观测结合的方式，得出了最新的0—-70℃冰晶粒子形状图表，与原来的冰晶粒子形状图对比发现，新的冰晶图在0—-18℃的冰晶形状和以往的冰晶形状表非常一致，从板状(0—-4℃)到针柱状(-4—-8℃)再到辐枝状和板状(-8—-22℃)。所以3625飞机观测到的板状、针柱状、辐枝状和不规则状冰晶有两个可能的来源，局地生成和高空掉落，而柱帽状冰晶在过去的研究中证实无法在-6—-9.5℃温度范围内生成，3625飞机观测到的柱帽状冰晶可能是由更高的云层(-18—-25℃)中先生成柱状冰晶，柱状冰晶下落穿过适合板状冰晶形成的云层(-13—-18℃)，在柱状冰晶两端生成板状冰晶形成的(Heymsfield，et al，2002)。3817飞机观测到的板状和针柱状冰晶可能由局地生成或者高空掉落，而观测到的辐枝状冰晶很难在-4—-5℃生成，所以应该是由更高的冷云层中下落所得。

图 6 2009年4月18日3架飞机采集的典型冰晶图像Fig. 6 Typical ice crystal habits recorded by the three airplanes on 18 April 2009

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由第3节分析可知，2009年5月1日飞机联合观测的云系主要为锋后云系，从5月1日3架飞机观测的云中典型冰晶形状(图 7)可以看出，3625飞机穿云飞行的温度范围为-11—-16℃，3817飞机穿云飞行的温度范围为-7.2—-11.6℃，3830飞机穿云飞行的温度范围为4—-11℃，3架飞机观测到的冰晶主要有板状、针柱状、辐枝状、柱帽状和不规则状。其中在-11—-16℃，冰晶粒子以板状、针柱状和辐枝状为主，这个温度范围内的冰晶粒子以单个粒子为主，凇附状冰晶和聚合状冰晶相对比较少(图 7a、b、c)，-8—-11℃，聚合状冰晶开始增多，冰晶的凇附程度也开始增高(图 7b、c)，0—-8℃，冰晶的凇附程度继续增高，从图 7c中可以看出，3830飞机穿越了云中的融化层，在融化层上方的位置，可以观测到更多凇附状冰晶，4—0℃为云中融化层，仍然可以观测到一些冰晶，温度高于4℃后，不再有冰晶出现。

图 7 2009年5月1日3架飞机采集的典型冰晶图像 (a. 3625飞机，b. 3817飞机，c. 3830飞机)Fig. 7 Typical ice crystal habits recorded by the three airplanes on 1 May 2009 (a. 3625 airplane，b. 3817 airplane，c. 3830 airplane)

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比较两次个例采集的冰晶形状可以发现，在相同温度范围内，虽然观测的冰晶都包括板状、针柱状、辐枝状、柱帽状和不规则状，但是5月1日观测到的冰晶比4月18日观测到的冰晶形状种类更多，同时观测到更多形状清晰的单个冰晶。

从4月18日3架飞机探测概况(表 2)可以看出，3架飞机在云中不同的高度飞行，记录的液态水含量(LWC)最大值均超过1 g/m³，说明探测的云系中液态水含量丰富，同时由于飞机所处云中的位置和高度不同，探测的主导冰晶形状存在差异，下面详细分析3架飞机在不同云中探测的粒子形状及其增长过程。

从3625飞机穿云过程中对应雷达回波所在位置观测的冰晶形状、谱分布和液态水含量(图 8)可以看出，整个飞行过程中观测到的粒子呈现混合形态，既有板状和针柱状，又有辐枝状和柱帽状，但以板状冰晶居多。在粒子增长过程方面，结合图 8a中的粒子形状和图 8d中的过冷水含量可以看出，在这个高度范围内，云中过冷水含量分布不均匀，云中高过冷水含量的区域，冰晶的凇附增长也相应比较明显(例如17时15—28分)，同时从图 8a中二维降水粒子探头采集的粒子形状可以看出(例如17时27分的粒子图像)，在云中-9℃左右冰晶已经开始发生聚合，所以在3625飞机飞行的温度范围中，冰晶既存在凇附增长又存在聚合增长。在雷达回波方面，结合图 8b、c中的粒子谱和图 8d中的飞机轨迹上的雷达反射率可以发现，大部分时间云中粒子谱宽与雷达反射率有很好的一致性(例如17时10—30分)，随着云中粒子谱拓宽，雷达反射率也相应增大，但是在雷达反射率相同的情况下，粒子谱宽却有差异，例如在17时26分、17时36分和17时46分3个时刻，虽然雷达回波都接近35 dBz，但是3个时刻的粒子谱宽却不相同，说明在3625飞机观测的云系中，影响雷达反射率大小的因素除了谱宽，还包括其他因素，例如冰晶形状和凇附度等等。

图 8 2009年4月18号3625飞机穿云过程 (a.飞机轨迹上的雷达回波截面和二维云粒子探头(上)、二维降水粒子探头(下)采集的粒子图像，b. 二维云粒子探头观测的瞬时谱，c. 二维降水粒子探头观测的瞬时谱，d. 液态水含量(黑线)和飞机轨迹上的雷达反射率(蓝线))Fig. 8 Process recordings by the 3625-airplane penetrated through clouds on 18 April 2009 (a. radar reflectivities cross section at the flight path and cloud particle images recorded by 2DC(up) and 2DP(down)，b. 2DC instantaneous spectrum，c. 2DP instantaneous spectrum，d. LWC(black line) and radar reflectivities(blue line)at the flight path)

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图 9给出了3817飞机水平穿云过程中对应雷达回波所在位置观测到的冰晶形状和谱分布，由于观测期间3817飞机的液态水含量仪器故障，所以无法给出观测过程中的液态水含量。从图 9a可以看出，此高度上观测到的冰晶包含板状、针柱状、辐枝状、凇附和聚合状，并以板状和针柱状为主。同时需要指出的是，云中观测到的冰晶形状受云顶温度的影响，因为自然云中观测到的冰晶既包含局地生成的冰晶也包含高层下落的冰晶，例如17时43—45分观测到的浅薄云中，冰晶主要以针柱状和板状为主，因为此时的云顶温度高于-8℃，而0—-8℃是适合板状和针柱状冰晶形成的温度区间(Takahashi，et al，1988，1991)。当云顶温度低于-13℃时(17时48分)，飞机开始探测到辐枝状的冰晶，之所以在这个区域发现辐枝状冰晶，主要是由于适宜辐枝状冰晶形成的温度为-12—-18℃(Bailey，et al，2009; Heymsfield，et al，1987)，而3817飞机的航线温度为-5℃左右，所以此时在云层中部探测的辐枝状冰晶主要从温度更低的云顶部位下落造成。在粒子增长过程方面，由于液态水含量数据缺测，故不再详细讨论，但是从图 9a中粒子图像可以看出，在-5℃不同的云中粒子增长过程不同，浅薄的层云中粒子以凝华增长为主(例如17时44分的粒子图像)，而深厚的积云中，冰晶的增长过程除了凝华，还包括凇附(例如二维云粒子探头在17时49分采集的粒子图像)和聚合过程(例如二维降水粒子探头在17时49分采集的粒子图像)。在雷达回波方面，结合图 9b、c、d可以看出，雷达回波强度与云中粒子谱分布有很强的一致性，随着粒子谱的拓宽，雷达回波也在相应增强。

图 9 2009年4月18日3817飞机穿云过程 (a. 飞机轨迹上的雷达回波截面和CIP(上)、PIP(下)采集的粒子图像，b. CIP观测的瞬时谱，c. PIP观测的瞬时谱，d. 飞机轨迹上的雷达反射率)Fig. 9 As in Fig. 8 but by the 3817-airplane (a. radar reflectivities cross section at the flight path and cloud particle images recorded by CIP(up) and PIP(down)，b. CIP instantaneous spectrum，c. PIP instantaneous spectrum，d. radar reflectivities at the flight path)

图选项

从3830飞机在混合云较低层穿云过程观测的结果(图 10)可以看出，前期(18时00—05分)飞机探测的冰晶主要以板状和针柱状为主，到了融化层(18时07—08分)可以探测到一些融化的冰晶粒子，后期(18时11—20分)在云中暖层飞行，所以探测的粒子以云雨滴为主。在增长过程方面，从图 10d中可以看出，18时00—05分云中过冷水含量有一个增大的过程，最大达0.2 g/m³，结合图 10a中的冰晶粒子图像可以看出，随着液态水含量的增大，冰晶粒子的凇附过程增强，同时从图 10b、c中观测的瞬时谱可以看出，云中粒子谱也在相应地逐渐拓宽。到18时07分，开始观测到半融化的冰晶，此时的液态水含量峰值接近0.8 g/m³，而从18时07分采集的粒子图像上可以看出，冰晶的聚合增长很微弱，几乎没有，而此时的粒子谱也在逐渐变窄，这主要是因为雪团等固态降水粒子从固态转换为液态的时候，在质量不变的情况下，体积会相应缩小，导致粒子直径缩小。在雷达回波方面，从图 10d中可以看出，整个穿云过程中，飞机经历了两个雷达回波峰值，分别为30 dBz(18时07分)和37 dBz(18时16分)，结合图 10b、c中的粒子谱可以看出，此时云中粒子谱宽也处于峰值，同时值得注意的是，在相同的粒子谱宽条件下，暖云区的雷达回波更强。

图 10 2009年4月18日3830飞机穿云过程 (a. 飞机轨迹上的雷达回波截面和CIP采集的粒子图像，红色虚线表示0℃层，b. CIP观测的瞬时谱，c. PIP观测的瞬时谱，d. 液态水含量(黑线)和飞机轨迹上的雷达反射率(蓝线))Fig. 10 As in Fig. 8 but by the 3830-airplane (a. radar reflectivities cross section at the flight paths and cloud particle images recorded by CIP，red dashed line represents the 0℃ level，b. CIP instantaneous spectrum，c. PIP instantaneous spectrum，d. LWC(black line) and radar reflectivities(blue line)at the flight path)

图选项

从5月1日3架飞机探测概况(表 3)可以看出，3架飞机在云中不同的高度飞行，不同高度记录的液态水含量最大值均低于4月18日的探测结果，说明5月1日积层混合云中过冷水含量相对较低，因此在5月1日积层混合云过程中观测到更多清晰的冰晶(图 7)。在5月1日观测过程中，由于3625飞机的定位系统出现故障，所以对该飞机穿云过程不做详细分析，下面详细分析另外两架飞机在云中不同高度探测的粒子形状及其增长过程。

从3817飞机穿云观测结果(图 11a)可以看出，整个穿云过程中云顶高度变化比较大，云层不均匀性比较明显，云顶高度最低约为4.5 km(-8℃)，例如：09时25分、10时17分等，最高超过7 km(-27.3℃)，例如09时35分、10时08分等，从CIP采集的粒子图像可以看出，当云顶温度高于-8℃时，云中冰晶以板状和针柱状为主，当云顶温度低于-18℃时，在云中低层开始观测到柱帽状冰晶，Heymsfield等(2002)研究热带云系中的冰晶形状时曾发现柱帽状冰晶是在温度为-18—-25℃的云层中先生成柱状冰晶，柱状冰晶下落穿过适合板状冰晶形成的云层(-13—-18℃)，在柱状冰晶两端生成板状冰晶形成的。3817飞机只有飞到云顶温度低于-18℃云区时，才能在云中低层观测到柱帽状冰晶，这与Heymsfield等(2002)的研究结果吻合。

在粒子增长过程方面，从图 11a中PIP采集的粒子图像可以看出，在云中3817飞机飞行高度(4.1—4.9 km，-7.2—-11.6℃)，冰晶聚合体非常普遍，可以判断在此高度范围内，冰晶的聚合增长是云中粒子增长的一个主要过程。雷达回波比较强的云区往往含有粒径比较大的冰晶聚合体，在09时37分、09时42分和10时05分采集的最大粒子的粒径明显大于09时26分、09时48分和10时17分采集的粒子，由此可以判断云中冰晶的聚合过程呈不均匀分布，在积层混合云中的强回波区域，冰晶的聚合过程也比较强。除了冰晶的聚合增长，冰晶的凇附增长也是此高度范围内云中冰晶增长的一个重要过程，从图 11d可以看出，云中过冷水含量最大超过0.2 g/m³，结合CIP采集的粒子图像可以看出，在云中4.2 km(-8℃)高度存在冰晶的凇附增长过程，而09时57分以后，由于仪器故障，无法给出液态水含量，但是从CIP和PIP采集的粒子图像可以看出，云中4.5 km(-10℃)高度冰晶仍然呈凇附增长的状态(例如10时00分)。云中不同位置的粒子凇附程度不同，09时28分和09时37分采集的粒子凇附程度要强于09时34分，结合图 10d云中过冷水含量可以看出，09时28分和09时37分观测的过冷水含量都超过0.1 g/m³，而09时34分观测的过冷水含量低于0.02 g/m³，由此可以看出，云中过冷水不均匀分布，可以导致冰晶的凇附增长呈不均匀分布。

图 11 2009年5月1日3817飞机穿云过程 (a.飞机轨迹上的雷达回波截面和CIP(上)、PIP(下)采集的粒子图像，b. CIP观测的瞬时谱，c. PIP观测的瞬时谱，d. 液态水含量(黑线)和飞机轨迹上的雷达反射率(蓝线))Fig. 11 As in Fig. 9 but on 1 May 2009 (a. radar reflectivities cross section at the flight paths and cloud particle images recorded by CIP(up) and PIP(down)，b. CIP instantaneous spectrum，c. PIP instantaneous spectrum，d. LWC(black line) and radar reflectivities(blue line)at the flight path)

图选项

在雷达回波方面，结合图 11c、d可以看出，雷达回波强度和云中降水粒子谱宽有很强的相关，但是与4月18日个例相比，在相同谱宽的情况下，4月18日的云体具有更强的雷达回波，这主要与4月18日积层混合云中过冷水含量高，冰晶的凇附增长更快有关。

与5月1日3817飞机的穿云过程相比，3830飞机整个穿云过程(图 12)中云顶的高度变化相对较小，大部分云顶高度保持在6.5 km(-23℃)上下，而飞机在云中飞行的高度变化比较大，在0—-5℃云层中飞行时，观测到的粒子以不规则状和辐枝状冰晶为主，且表面均有不同程度的凇附，在-8—-11℃云层飞行时，观测到的冰晶则以辐枝状为主。

图 12 2009年5月1日3830飞机穿云过程 (a. 飞机轨迹上的雷达回波截面和CIP(上)、PIP(下)采集的粒子图像，b. CIP观测的瞬时谱，c. PIP观测的瞬时谱，d. Hotwire-LWC观测的液态水含量)Fig. 12 As in Fig. 11 but by the 3830-airpalne (a. radar reflectivities cross section at the flight paths and cloud particleimages recorded by CIP(up) and PIP(down)，b. CIP instantaneous spectrum，c. PIP instantaneous spectrum，d. Hotwire-LWC liquid water content)

图选项

在粒子增长过程方面，从图 12a中PIP采集的粒子图像可以看出，在2.3—3.6 km(0—-5℃)高度，冰晶的聚合过程仍然是云中粒子增长的主要过程之一，并且从图 12a中CIP采集的粒子图像也可以看出，整个穿云过程中，云中的冰晶都存在凇附增长现象。与3817飞机穿云过程相比，由于3830飞机飞行高度低，云中过冷水含量高，尤其是在积云区域(图 12d)，云中过冷水含量最高达到1 g/m³，所以冰晶的凇附增长过程要强于3817飞机的观测结果(图 7b、c)。

在雷达回波方面，由于3830飞机飞行高度变化幅度大，所以飞行轨迹上的雷达反射率难以提取，但是结合图 12a、c、d可以发现，在云中粒子谱比较均一的情况下，当云中过冷水含量处于峰值时(09时38分)，相应的云中雷达反射率也最大，说明云中冰晶的凇附增长对雷达反射率具有直接的影响。

与4月18日积层混合云中观测到较多的板状和针柱状冰晶相比，在5月1日的个例中，除了观测到板状和针柱状冰晶外，还观测到更多的辐枝状和柱帽状冰晶。在粒子增长过程方面，对比两次积层混合云过程可以发现，虽然两次积层混合云低于0℃层中均观测到冰晶的凇附过程和聚合过程，但是4月18日积层混合云云系中由于过冷水含量高，所以粒子的凇附增长过程比较明显，而在5月1日积层混合云过程中，粒子的增长方式受凇附和聚合过程共同主导。同时还需要指出的是，在两次积层混合云云系探测中，冰晶的聚合过程和凇附过程都呈不均匀分布的趋势，在嵌入式对流区域冰晶聚合过程和凇附都比较强。在热带积层混合云(Heymsfield，et al，2002)和高纬度积层混合云(Lawson，et al，2009)中也曾发现类似的粒子增长特征。

为获取积层混合云中粒子谱的垂直微物理结构特征，在5月1日积层混合云个例中，3架飞机分别在同一轨迹的不同高度上进行了平行飞行，09时30分3架飞机的位置均为(40.807°N，114.982°E)，然后沿着同一方向重叠飞行，在09时40分3架飞机同时到达(40.984°N，115.292°E)，在09时30—40分，3625、3817和3830飞行高度分别为4.8 km(-11.6℃)、4.2 km(-8℃)和3.6 km(-5℃)。

从09时30—40分3架飞机叠加穿云过程(图 13)中的雷达回波(图 13a)可以看出，在09时35—40分，3架飞机穿过了同一个嵌入式强回波区，结合3架飞机观测的相对湿度、液态水含量和温度(图 13b、c、d)可以看出，在此强回波区域内，液态水含量出现峰值，且3830飞机观测的液态水含量峰值超过1 g/m³，由以上特征可以判断，此强回波区域为嵌入式强对流区。

从09时35—40分3个飞行高度上粒子平均谱(图 13e)可以看出，在嵌入式对流区域，随着高度从4.8 km降到3.6 km，云中粒子谱逐渐拓宽，在4.8 km(-11.6℃)高度上的最大粒子粒径为D_max4.8=4.2 mm，4.2 km(-8℃)高度上的最大粒子粒径为D_max4.2=6 mm，3.6 km(-5℃)高度上的最大粒子直径已经超出PIP粒子谱的观测范围，但是从图 13a中PIP采集的粒子图像上可以看出，最大的粒子(09时38分)粒径D_max3.6=10 mm，所以在4.2—4.8 km(-8—-11.6℃)高度上，粒子谱拓宽的速率为

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09时33—34分3架飞机同时穿过层云区域，从其粒子平均谱(图 13f)上可以看出，在层云区域，随着高度从4.8 km(-11.6℃)降到3.6 km(-5℃)，云中粒子谱在逐渐拓宽，在4.8 km(-11.6℃)高度上的最大粒子粒径为D_max4.8=3.7 mm，4.2 km(-8℃)高度上的最大粒子粒径为D_max4.2=5.9 mm，3.6 km(-5℃)高度上的最大粒子直径已经超出PIP粒子谱的观测范围，但是从图 13a中PIP采集的粒子图像上可以看出，最大的粒子(09时34分)粒径D_max3.6=7.3 mm，所以在4.2—4.8 km(-8—-11.6℃)高度上，粒子谱拓宽的速率为

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对比嵌入式对流区和层云区粒子谱拓宽过程可以发现，随着云中高度的降低，粒子谱都呈现拓宽的趋势，但是拓宽速率不同，对于对流区域，粒子谱拓宽的速率随着高度降低在逐渐增大，而在层云区域，粒子谱拓宽的速率随着高度降低在逐渐减小，在3.6—4.8 km(-5—-11.6℃)整个高度范围内，嵌入式对流区域的粒子谱拓宽的平均速率大于层状云。同时从图 13e、f还可以看出，随着高度从4.8 km(-11.6℃)降到3.6 km(-5℃)，嵌入式对流区域粒径小于1.2 mm的粒子浓度在逐渐降低，层云区域粒径小于1.6 mm的粒子浓度在逐渐降低。

Heymsfield等(2002)在研究热带层云的微物理结构时发现，从云顶到融化层高度范围内，随着高度的降低，云中粒子谱呈逐渐拓宽的趋势，拓宽速率为1—3 mm/km，同时云中粒径小于1 mm的粒子浓度在逐渐降低，并指出，聚合过程是粒子谱拓宽的主要原因。与热带云系相比，积层混合云中粒子谱具有类似的垂直分布特征，融化层以上云中粒子谱随高度降低而拓宽，并且从图 13a中PIP采集的粒子形状可以看出，冰晶的聚合过程是导致粒子谱拓宽的主要原因，但是在粒子谱拓宽速率方面，积层混合云中的层云粒子谱拓宽速率接近热带层云的粒子谱拓宽速率，而嵌入式对流区域粒子谱拓宽速率大于热带云系的粒子谱拓宽速率。Lawson等(2009)在研究高纬度地区(78.608°N，164.088°W)的积层混合云结构特征时发现，云顶温度为-27℃(高度约为7 km)的嵌入式对流区域中，二维降水粒子探头在-13—-17℃(高度约为4 km)间采集的粒子图像中有粒径超过15 mm的辐枝状冰晶聚合体，在0℃层位置(高度约为2.2 km)，采集的粒子最大粒径为30 mm，由此可以推算出，随着高度降低，云中的粒子谱拓宽平均速率为6.25 mm/km，结合本研究观测结果和Lawson等(2009)的研究结果可以说明，在积层混合云中嵌入式对流区域确实拥有比较大的粒子谱拓宽速率。

积层混合云嵌入式对流区域的粒子谱拓宽速率大于周围层云，原因主要有：(1)嵌入式对流中含有更多的辐枝状冰晶。从图 13b、c、d可以看出，云中嵌入式对流区域液态水含量比其他区域高，水汽供应充足，由已有的研究成果可知，在-10—-20℃云区，随着水汽供应的增加，冰晶的主导形状会从片状转向辐枝状(Pruppacher，et al，1997)，而辐枝状冰晶相对于其他形状的冰晶更容易发生聚合过程(Hashino，et al，2011a)；从图 13a中在嵌入式对流区域内采集的粒子(09时38分)也可以看出，此时粒子中聚合了更多的辐枝状冰晶。(2)嵌入式对流中含有更高的冰晶浓度。对比图 13e、f中的粒子平均谱可以发现，在3.6 km(-5℃)、4.2 km(-8℃)和4.8 km(-11.6℃)三个高度上，嵌入式对流区域粒子浓度都大于层云区域，Lawson等(2009)在北极地区观测到的积层混合云个例中，也发现嵌入式对流单体由于具有比较高的冰面过饱和度，适合形成高浓度的冰晶粒子。由已有研究可知，高浓度的冰晶能够促进聚合过程的发生(Cooper，et al，1984; Dye，et al，1976; Holroyd，et al，1971)。(3)嵌入式对流区中的冰晶表面具有更强的粘性。在温度低于0℃冰晶表面有液态水的时候，冰晶会变得更有粘性(Hallgren，et al，1960)，而高度的粘性可以促进冰晶的聚合(Hashino，et al，2011b)；从图 13b、c、d可以看出，云中嵌入式对流区域液态水含量比其他区域高，由4.2.2 节分析可知，当云中液态水含量增大的时候，冰晶的凇附过程会增强，而冰晶的凇附过程会使冰晶表面出现液态水，进而增大冰晶的粘性。以上3个原因导致嵌入式对流区域冰晶的聚合过程比较强，进而导致该区域粒子谱拓宽速度大于层云区域。

图 13 2009年5月1日3架飞机叠加穿云过程 (a. 飞机轨迹上的雷达回波截面和3625(红线)、3817(黑线)和3830(蓝线)飞机轨迹，b. 3625飞机相对湿度(绿线)、液态水含量(黑线)和温度(蓝线)，c. 3817飞机相对湿度(绿线)、液态水含量(黑线)和温度(蓝线)，d. 3830飞机相对湿度(绿线)、液态水含量(黑线)和温度(蓝线)，e. 09时35—40分3个飞行高度上粒子平均谱，f. 09时33—34分3个飞行高度上粒子平均谱)Fig. 13 Process recordings by the three superimposed airplanes penetrated clouds on 1 May 2009 (a. radar reflectivities cross section at the flight paths with the 3625(red line)，3817(black line) and 3830(blue line)flight paths； b. RH(green line)，LWC(black line) and temperature(blue line)recorded by the 3625 airplane；c. RH(green line)，LWC(black line) and temperature(blue line)recorded by the 3817 airplane； d. RH(green line)，LWC(black line) and temperature(blue line)recorded by the 3630 airplane； e. the average spectrum between 09:35—09:40 BT at the difference altitudes； f. the average spectrum between 09:33—09:34 BT at the difference altitudes)

图选项

“十一五”国家科技支撑重点项目在 2009 年春季开展的环北京多架飞机云观测试验是中国第1次多架飞机联合云观测试验，试验期间有两次锋面系统过境，主要云系以积层混合云为主，3架飞机分别在不同高度对云系进行观测，得到了宝贵的资料。本研究通过对4月18日和5月1日观测的云系特征进行分析，得到以下结论:

(1)雷达观测显示两次过程中的积层混合云回波均呈不均匀带状分布。4月18日观测的云系为锋前云系，在雷达回波带中镶嵌有零散的强回波区，最强回波约为50 dBz，比周围云系强10—20 dBz；5月1日观测的云系为锋后云系，与4月18日个例相比，云系回波强度偏弱，但是在回波带中仍然嵌有强回波区，最强回波约为35 dBz，比周围云系高5—10 dBz。同时雷达回波强度受云中粒子谱宽、冰晶凇附度等因素的共同影响，当粒子谱宽接近时，冰晶凇附度越高，雷达回波越强。

(2)在粒子形态方面，结合两次观测结果发现，在0—-16℃云区，观测到的冰晶主要有板状、针柱状、柱帽状、辐枝状和不规则状，云顶温度不同，观测的粒子形状不同，当云顶温度高于-8℃，在云中低层观测的冰晶以板状和针柱状为主，当云顶温度低于-13℃时，在云中低层可以观测到辐枝状冰晶，当云顶温度低于-18℃时，在云中低层可以观测到柱帽状冰晶，其中辐枝状冰晶主要在温度为-13—-20℃ 的云层中生成，柱帽状冰晶则是更高的云层(-18—-25℃)中先生成柱状冰晶，柱状冰晶下落穿过适合板状冰晶形成的云层(-13—-18℃)，在柱状冰晶两端生成板状冰晶形成的。同时，粒子形态还受云中过冷水含量影响，在高过冷水含量区域含有更多的凇附状冰晶。

(3)在粒子增长过程方面，结合两次观测结果发现，在云中融化层以上，云中粒子增长的方式主要包括凝华、凇附和聚合增长。在浅薄的层云区域，粒子增长方式以凝华为主，而嵌入式对流单体和深厚层云区域，粒子的增长方式包括凝华、凇附和聚合增长。在0—-16℃云区，冰晶聚合和凇附增长都呈不均匀分布的趋势，在嵌入式对流区域冰晶聚合和凇附增长都比较强。虽然不同的积层混合云系中，冰晶的增长方式类似，但由于云中温度、过冷水含量差异等因素的限制，粒子的主导生长方式存在差异。

(4)在粒子谱的垂直结构特征方面，-5—-11.6℃内，积层混合云中的对流区和层云区粒子谱下落拓宽速率有明显差别，在4.2—4.8 km(-8—-11.6℃)高度层，对流区粒子谱拓宽速率为3 mm/km，而层云区为3.67 mm/km，层云中粒子拓宽增长的速率略高于对流区；而在3.6—4.2 km(-5—-8℃)高度层，对流区的粒子谱拓宽速率为6.67 mm/km，层云区为2.33 mm/km，对流区的粒子拓宽增长速率是层云区的近3倍。在3.6—4.8 km高度内，嵌入式对流区域粒子谱平均拓宽速率大于层云区，原因是嵌入式对流区域中过冷水含量更高，从而导致冰晶的凇附和聚合过程都强于层云区。而嵌入式对流区域中冰晶的聚合过程强于层云区的原因主要由于嵌入式对流区中含有更多的辐枝状冰晶、嵌入式对流区中含有更高的冰晶浓度、嵌入式对流区中的冰晶表面具有更强的粘性。

致谢：感谢孙晶博士在天气分析方面的建议，同时感谢卢光献博士、方春刚博士、郭丽君博士、肖辉博士、陈官军博士和陈赛男硕士在作图等技术细节上的帮助。