美國粒子測量系統(tǒng)在吉林省春季降水性層狀云的應(yīng)用

美國粒子測量系統(tǒng)在吉林省春季降水性層狀云的應(yīng)用

云體降水效果測量指標(biāo)云中的負(fù)冷水含量和云滴數(shù)密度是云中最重要的微物理因素之一，尤其是在手動降雨過程中。因?yàn)榧质〈杭窘邓詫訝钤贫酁橄到y(tǒng)性層狀冷云,就層狀冷云人工降水的潛力條件而言,云中的過冷水含量、云滴數(shù)密度是最重要的參數(shù)之一。2001年、2002年利用中國科學(xué)院大氣物理研究所引進(jìn)的美國粒子測量系統(tǒng)(PMS)在吉林省對5~7月的降水性層狀云進(jìn)行了探測,本文針對這兩年P(guān)MS系統(tǒng)所取得的微觀資料進(jìn)行處理、分析,找出在不同的天氣背景下,云中過冷水含量、云滴數(shù)密度在云中的分布特征,根據(jù)Bergeron提出的關(guān)于冰晶水滴共存,水滴蒸發(fā)和冰晶凝華增長的降水理論可知云中過冷水含量的多少及云體過冷卻部分是否缺乏冰晶是衡量云中降水轉(zhuǎn)化效率的主要指標(biāo)。因此對降水性層狀云中過冷水含量、云滴數(shù)密度分布特征的了解,可以為人工增雨外場作業(yè)中尋找過冷水含量大值區(qū)及相應(yīng)的溫度范圍進(jìn)行播撒提供理論依據(jù)(由于在2001年、2002年的探測過程中,溫度探頭出現(xiàn)故障,缺乏相應(yīng)的溫度資料,故本文只能研究過冷水含量、云滴數(shù)密度隨高度的分布特征,特殊點(diǎn)溫度由探空資料獲得),從而減少了在外場作業(yè)中存在的盲目性,進(jìn)一步提高人工增雨的效率。1云水含量、云滴數(shù)密度的觀測結(jié)果2001年、2002年利用美國粒子測量系統(tǒng)(PMS)對吉林省5~7月的降水性層狀云在進(jìn)行人工增雨作業(yè)的同時(shí)進(jìn)行了科研探測。該套系統(tǒng)是目前國際上大氣探測領(lǐng)域中最先進(jìn)的探測系統(tǒng)之一,觀測中同時(shí)使用三個(gè)探頭:Fssp-100(前向散射粒子譜儀)量程為0.5~47μm,OAP-2D-C(二維光陣云滴譜探頭)量程為25~800μm,OAP-2D-P(二維光陣雨滴譜探頭)量程為200~6400μm。可以測量大氣中氣溶膠、云滴、雨滴、冰晶以及雪晶的尺度譜分布。本文主要研究云中過冷水含量、云滴數(shù)密度的分布特征,因此主要對Fssp-100、OAP-2D-C所取資料進(jìn)行云中過冷水含量、云滴數(shù)密度分析。在分析微觀資料時(shí),主要對低于0℃的云中液態(tài)含水量、云滴數(shù)密度進(jìn)行計(jì)算(根據(jù)OAP-2D-C探頭二維圖像資料區(qū)分液態(tài)水和固態(tài)水),計(jì)算時(shí)根據(jù)需要按時(shí)間進(jìn)行平均(按每分鐘平均)或按高度進(jìn)行平均(按每100m平均),這樣就算出了云層中過冷水含量和云滴數(shù)密度的分布情況。由于PMS粒子測量系統(tǒng)利用測量單粒子散射強(qiáng)度觀測粒子尺度,取樣時(shí)存在系統(tǒng)誤差。根據(jù)文獻(xiàn),國內(nèi)外曾對PMS散射探頭測量的誤差進(jìn)行了多次對比觀測,其所測參數(shù)與采用碰撞采樣法觀測的云滴數(shù)濃度、云滴尺度和云水含量有很好的正相關(guān)。FSSP測算的云水含量與云滴數(shù)濃度和碰撞采樣觀測結(jié)果一致(1981);FSSP測算的云水含量比J-W熱線含水量儀觀測值偏低18%(1990);FSSP測算的云水含量與King熱線含水量儀觀測的含水量時(shí)變曲線幾乎完全重合。而且,每年要對PMS粒子測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,因此所取資料基本上反映了云中實(shí)際情況。2001年、2002年分別取得19、8架次微觀資料。在飛行過程中由于各種原因會造成取樣的完整性、配套性較差。因此可用來分析、比較完整的資料2001年為9架次,2002年為4架次,共13架次資料。2結(jié)果分析2.1asop-scop云型通過分析2001年、2002年的宏觀資料,我們發(fā)現(xiàn)吉林省5~7月的降水性層狀云主要可分為三種類型:(1)Ns云型。(2)Asop-Scop云型。(3)Astra云型。它們的結(jié)構(gòu)一般在1000m左右到低于3000m為層積云,3000m左右到低于6000m為Asop云,Ns云底高度一般在1000m左右,云頂一般低于6000m。Ns云層最厚,Asop-Scop云層中間有夾層為分層結(jié)構(gòu),Astra云層一般發(fā)生在系統(tǒng)的前部或尾部,因此該云層較薄。2.2云滴密度和過冷含量分布利用Fssp探頭、OAP-2D-C探頭的微觀資料分別計(jì)算了三種云型的云中過冷水含量、云滴數(shù)密度,計(jì)算時(shí)采用按時(shí)間進(jìn)行平均(按每分鐘平均),計(jì)算結(jié)果如表1。從表1可以看出:垂直結(jié)構(gòu)為Ns的云層中其過冷水含量、云滴數(shù)密度最大,分別達(dá)到0.2737g/m3、205.3個(gè)/L;其次是Asop-Scop云層,其過冷水含量、云滴數(shù)密度分別為0.1693g/m3、117.5個(gè)/L;過冷水含量、云滴數(shù)密度最小的云層為Astra,其值分別為0.1054g/m3、98.6個(gè)/L。這種差異的產(chǎn)生與天氣系統(tǒng)有關(guān),當(dāng)出現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)為Ns的云層時(shí),與之配合的天氣系統(tǒng)一般來說范圍大,冷暖空氣活動比較活躍,暖濕空氣較強(qiáng),云層較厚,因此云中過冷水含量、云滴數(shù)密度大。而Asop-Scop結(jié)構(gòu)的云層,多為分層結(jié)構(gòu),中間夾有干層,因此整層云的含水量、云滴數(shù)密度較小。而Astra云層一般在系統(tǒng)的前部或尾部,剛剛進(jìn)入吉林省或處于消散階段,因此云中過冷水含量、云滴數(shù)密度最小。2.3云型云型密度云滴數(shù)密度分布的趨勢根據(jù)PMS所探測到的微觀資料,我們計(jì)算了三種云型的云中過冷水含量、云滴數(shù)密度距0℃層高度的變化情況。為了便于對比分析,分別對三種云型的云中過冷水含量、云滴數(shù)密度按距0℃層高度每百米間隔進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算得到了三種云型云中過冷水含量、云滴數(shù)密度距0℃層高度的分布情況,經(jīng)過三點(diǎn)平滑得到圖1、圖2、圖3(需要說明的是吉林省所取探測資料一般是與抗旱相結(jié)合的,因此所分析的資料主要是作業(yè)層的資料,云頂?shù)馁Y料較少。實(shí)線為過冷水含量,虛線為云滴數(shù)密度)。從以上圖中可以看出三種云型的云中過冷水含量、云滴數(shù)密度距0℃層高度的垂直分布大體一致,即:在距0℃層高度以上約100m處過冷水含量較小,隨著距0℃層高度的增加,過冷水含量、云滴數(shù)密度增大,Ns、Asop-Scop云層過冷水含量、云滴數(shù)密度最大值出現(xiàn)在距0℃層高度以上600m左右處(通過查探空可知,4~7月該高度對應(yīng)溫度平均為-6.8℃)過冷水含量最大值分別為0.2963g/m3、0.1705g/m3,云滴數(shù)密度最大值分別為231.6個(gè)/L、147.9個(gè)/L,Astra云層中過冷水含量、云滴數(shù)密度最大值出現(xiàn)在距0℃層高度以上400m(通過查探空可知,4~7月該高度對應(yīng)溫度平均為-4.7℃)左右處,其值為0.1555g/m3、102.7個(gè)/升,之后隨著距0℃層高度的增加,云中過冷水含量、云滴數(shù)密度迅速減小。從圖上還可以看出:云中云滴數(shù)密度分布趨勢與云中過冷水含量分布趨勢基本一致,即:云滴數(shù)密度越大,云中過冷水含量越大;反之亦然。這種分布特征與汪學(xué)林等研究的結(jié)果相一致,即在吉林省4~7月降水性層狀云中,過冷水含量主要集中在-2℃~-8℃范圍內(nèi)。2.4云底高度、過冷層厚度預(yù)測結(jié)果本文對三種云型的13架次宏觀資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,對與過冷水含量有關(guān)的宏觀因子(云底高度、過冷層厚度、0℃層高度、云厚、暖層厚度等)采用逐步回歸的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如下w=-0.38-0.98x1+1.26x2(1)R復(fù)=0.88F(2,10)=17.52R1=-0.68R2=0.88查數(shù)理統(tǒng)計(jì)表F0.01(2,10)=7.56由于F(2,10)>F0.01(2,10),所以逐步回歸方程(1)顯著,其中R1、R2分別為過冷水含量與云底高度、過冷層厚度的相關(guān)系數(shù),w為云中過冷水含量,x1為云底高度,x2為過冷層厚度。從逐步回歸方程可以看出:云中過冷水含量主要與云底高度和云的過冷層厚度有關(guān);從計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)可以看出:吉林省降水性層狀云中過冷水含量與云底高度是負(fù)相關(guān),即云底愈低,過冷水含量愈大,反之亦然。與過冷層厚度為正相關(guān),即:過冷層愈厚,過冷水含量愈大,反之亦然。3人工降水的可口可開分析3.1云滴數(shù)密度大小人工降水的可播度是指對即將作業(yè)的云系進(jìn)行是否作業(yè)的可能性大小的判斷,從微物理角度考慮就是由云系中云滴和冰晶的數(shù)密度來確定是否對該云層進(jìn)行作業(yè)(表2),若云滴數(shù)密度小于20個(gè)cm-3,則認(rèn)為該云系不可播;若云滴數(shù)密度大于等于20個(gè)cm-3,當(dāng)冰晶數(shù)密度小于20L-1時(shí),該云系為強(qiáng)可播,當(dāng)冰晶數(shù)密度大于等于20L-1時(shí),該云系為可播。由FSSP-100探頭、OAP-2D-C探頭所探測到的微觀資料,分別計(jì)算了每一架次兩個(gè)探頭的總粒子數(shù)密度(表3),根據(jù)《人工影響天氣崗位培訓(xùn)教材》給出的北方層狀冷云人工增雨可播度判別指標(biāo)(表2),由表3可以算出吉林省層狀冷云人工增雨可播度為86%,即吉林省5~7月86%的層狀冷云是可播的。3.2雙側(cè)車輪降水潛力人工降水潛力表示一塊云相對還有百分之多少的潛力可以挖掘,理論上定義人工降水潛力為η=1-r/c,其中r為地面總降水效率,c為總凝結(jié)率。在實(shí)際使用中,主要應(yīng)用PER定義的人工降水潛力求整個(gè)云系的降水潛力。從云霧物理角度出發(fā),對層狀冷云來說,在負(fù)溫區(qū)一定范圍內(nèi)有一定量的過冷水存在(一般認(rèn)為過冷水含量大于0.1g/m3),而且還存在一段時(shí)間,我們就認(rèn)為有一定的降水催化潛力,并將此區(qū)稱為人工降水催化潛力區(qū)。按照PER定義降水潛力為η=k1/k其中k為在負(fù)溫度區(qū)總飛行時(shí)間,k1為在負(fù)溫度區(qū)飛行過程中過冷水含量大于0.1g/m3的飛行時(shí)間。η表示在整個(gè)所探測的云層中,具有一定過冷水含量的云層(有一定催化潛力的云層)占整個(gè)探測云層的百分比。針對這三種云型,分別計(jì)算出每一架次中過冷水含量大于0.1g/m3的飛行時(shí)間,再計(jì)算出在負(fù)溫度區(qū)的飛行總時(shí)間,這樣就分別求出三種云型的降水潛力(表4)。從表3可以看出:在吉林省降水性層狀云中,Ns云型的降水潛力最大,達(dá)41.3%,其次是Asop-Scop云型,達(dá)28.4%,人工降水潛力最小的云型為Astra,只有26.6%。4云型與云高水?dāng)?shù)密度關(guān)系利用機(jī)載PMS系統(tǒng)所獲取的資料研究吉林省春季降水性層狀云中微物理量的分布特征,對于尋找人工降水潛力區(qū),指導(dǎo)人工增雨外場作業(yè)具有重大的指導(dǎo)意義。研究表明:(1)吉林省春季降水性層狀云宏觀結(jié)構(gòu)主要分為三種云型:Ns、Asop-Scop、Astra。(2)不同云型其云中過冷水含量、云滴數(shù)密度不同,其中Ns云型的云中過冷水含量、云滴數(shù)密度最大,分別達(dá)到0.2737g/m3、205.3個(gè)/L,其次是Asop-Scop云層,其過冷水含量、云滴數(shù)密度分別為0.1693g/m3、117.5個(gè)/L,過冷水含量、云滴數(shù)密度最小的云層結(jié)構(gòu)為Astra,分別為0.1054g/m3、98.6個(gè)/L。(3)三種云型的過冷水含量與云底高度成負(fù)相關(guān),與過冷層厚度成正相關(guān),即:云底高度愈低,過冷層愈厚,其過冷水含量愈大。反之亦然。(4)三種云型的過冷水含量、云滴數(shù)密度距0℃層的高度分布大體一致,即:在距0℃層高度以上約100m處過冷水含量較小,隨著距0℃層高度的增加,過冷水含量增大,Ns、Asop-Scop云層過冷水含量最大值出現(xiàn)在距0℃層高度以上600m左右處(通過查探空可知,4~7月該高度對應(yīng)溫度平均為-6.8℃),其最大值分別為0.2963g/m3、0.1705g/m3,Astra云層中過冷水含量最大值出現(xiàn)在距0℃層高度以上400m(通過查探空可知,4~7月該高度對應(yīng)溫度平均為-4.7℃)左右處,其值為0.1555g/