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为深入了解层状云系的降水机制,本文利用2012年06月29日在吉林省白城地区的飞机、雷达、卫星等观测资料,结合中尺度WRF模式,对该天气系统影响下降水性层状云系的结构形成和主要物理过程进行了详细分析。
2012年6月29日的天气过程是东北锋面气旋影响下发展起来,给东北地区带来大范围降水,高层云、高积云和层积云为主体,伴有低层的碎雨云,在降水成熟阶段存在较明显零度层亮带,属于典型的层状云系连续性降水。第一次飞机探测到的雨层云(Ns)云项高约3583 m,云底高约1000 m左右,0℃层高度为4300 m,Ns云云厚约2.5 km,含水量不足0.01 gm-3,属于浅薄的北方层状云系。第二次飞机探测到的雨层云云顶高约3800-4000m,云底高约为850 m,此时Ns云云厚已经有3.1 km。高层云、高积云与雨层云之间CAS粒子浓度大于300 cm-3,PMS系统2D-C探测到的冰晶粒子,第一次探测到的高层云、高积云内冰晶粒子超过200 L-1,而第二次探测到的高层云、高积云内冰晶粒子最大不过135.2 L-1,高层云、高积云为低层的雨层云提供冰晶粒子,使得低空的雨层云发展壮大,云层变厚。高层云、高积云对下层的雨层云进行冰晶的自然“播种”,低层的雨层云为从上面播种下来的冰晶提供了良好的生长条件,有利于降水的产生。
结合DMT和PMS,小粒子在每个高度层上都占主要部分,0.61-2μm的小粒子浓度可达100 cm-3,直径大于2μm的粒子谱型基本都是单调递减型。PMS-FSSP探头测得的云滴谱型基本为单调递减型,所有平飞的高度层上2μm云滴浓度最大;PMS-2D-C探头粒子谱基本为单峰谱型,在25-200μm有个峰值,个别高度层上300μm有第二个小的峰值区;PMS-2D-P探头每个高度层粒子谱型基本为单调递减型,大粒子区域稍有波动,出现了明显的不连续现象。
在观测的基础上,本文利用包括详细微物理过程参数化方案的WRF模式模拟研究。数值模拟表明,在冷锋过境前后,白城地区上空上升气流多数为不足0.3ms-1,符合层状云系的强度,冷锋过境时08时白城上空2.0-7.0 km处存在极大值为0.5ms-1以上的上升气流,表明云系中有弱对流的出现,此时白城地区普遍出现降水,其总水成物粒子比含水量可达1.0 g kg-1。9.0-12.0 km高度层上主要是冰晶和少量雪晶缓慢凝华增长,部分冰晶和雪晶的降落,冰晶间的聚合,冰晶转化为雪晶等再加上有过冷云滴的淞附,有一部分雪晶就转化成了霰,霰粒子和雪继续长大下降到0℃层以下就变成了雨水,可以看出冷层的冰晶粒子、雪晶粒子和下层的霰及雨水粒子之间的播种关系。
综上所述,在6月29日的整个观测过程中,观测区域上空的水汽条件充足,从地面到8000 m高度上的整层大气相对湿度基本都在65%以上,这种环境有利于云的形成与发展。云系存在分层结构,高层云、高积云与雨层云之间有个几百米的无云区,0℃层高度约为4.3 km,雷达观测到的高空云系顶高位于6.0 km以上,云系在飞机探测阶段的暖层和冷层分别达到3.0 km以上,均较厚。云体存在三层结构,且各层间存在播种—供应关系,主要物理过程包括第一层冰雪晶的凝华增长、第二层的结凇增长及第三层雪的融化及重力碰并。上层的高积云、高层云内冰雪晶粒子的降落,为下层的雨层云提供了丰富的水汽。冰雪晶落入到0℃以上的雨层云中,融化成为雨滴,碰并增长较快,并伴有云滴的碰并凝结增长,暖层云滴浓度迅速增大。