编辑推荐｜揭秘积层混合云不同部位催化响应特征

　　Citation

　　Li, D. J., C. F. Zhao, P. R. LI, C. Liu, D. L. Gong, S. Y. Liu, Z. T. Yuan, and Y. Y. Chen, 2022: Macro- andmicro-physical characteristics of different parts of mixed convective-stratiform clouds and differences in their responses toseeding. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-022-2003-8.

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　　http://www.iapjournals.ac.cn/aas/en/article/doi/10.1007/s00376-022-2003-8

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　　揭秘积层混合云不同部位催化响应特征

　　湖北省气象服务中心李德俊研究团队在北京师范大学赵传峰教授的指导下，针对积层混合云开展飞机探测和催化作业试验，利用该试验获取的机载Ka波段云雷达(KPR)、DMT云粒子测量系统等探测数据，结合极地轨道运行环境卫星和Himawari-8卫星等多源探测数据，研究了积层混合云不同部位的云宏微观物理特征及其对播散催化的响应差异。

　　分析KPR和DMT探头数据发现，积层混合云的不同部位催化作业以后有不同的物理特征响应。主要表现为在对流区域播撒AgI催化剂以后，对流活动更加旺盛，回波明显增强，回波顶变高等一系列雷达回波参数变化，有利于空中云和降水粒子增长，云滴谱展宽，降水粒子浓度高，导致地面降水增强现象；在层云区域催化以后，加速了过冷水向冰晶的转化，云水转化非常充分，小云滴迅速长大下落，6.2-7.8km垂直高度上形成一个空洞，深度达1.6km左右，直径达5.5km左右，出现冰化云迹等响应特征，且回波顶降低了1.4-1.7km。依据以上研究成果，研究团队凝练提出了积层混合云不同部位催化响应的概念模型。该研究揭示了积层混合云中对流区域和层云区域两个不同部位的云宏微观物理特征及其对播撒催化的响应差异，并率先在中国利用机载KPR雷达跟踪研究播撒试验前后雷达回波和垂直速度的演变特征，具有较高的业务应用和推广价值。研究成果发表于《大气科学进展（英文）》(AAS)。

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　　亮点介绍

　　对流区域的催化响应特征表现为更高云顶处出现对流活动增强现象。

　　对流区域有动态播种机制作用，导致降水粒子浓度更大，粒径更大。

　　层云区域播撒AgI后云顶附近雷达回波变弱，加速了过冷水向冰晶的转化，出现冰化云迹特征。

　　01

　　探测和作业试验概况

　　本次飞机探测和催化试验的目标云系为500 hPa西风槽、700 hPa切变线影响下的积层混合云。根据当日00时（世界时，下同）天气形势和雷达、卫星监测的云系发展演变趋势预先设计飞行航线，根据空中实时观测的云层宏微观条件确定飞行高度和燃烧AgI焰条的区间。从图1a可见，飞行区域位于山东省中北部，紧挨着中部泰山山脉北沿，在04:52-05:19时段，飞行高度5300 m，沿“Z”字形轨迹（A-B-C-D-E-F-G）催化作业，催化时间持续27分钟，然后从5300 m逐步下降至I点（2800 m）对播撒目标云进行回穿探测。从图1b可以看出，增雨时段和回穿探测时段相对湿度为100%，温度范围为-6.3℃-8.5℃。从图1c可以看出，增雨时段为积层混合云覆盖，‘Z’字型AB段大部为对流区域，3-5km垂直高度处有对流中心，强中心回波达到30-40dBZ，‘Z’字型CD段大部为25 dBZ以下层云区域。

　　图1 （a）飞行航线及作业区域地形图（字母A-K为飞行拐点，S1-S3, S4-S6为播撒时段，对应的R4-R6、R1-R3为回穿探测时段）；（b）飞行高度、温度、相对湿度和入云随时间变化图；（c）04:37-05:45时段滨州多普勒雷达反射率因子沿航线垂直剖面

　　02

　　利用机载KPR跟踪播撒试验前后雷达回波演变特征

　　本研究率先在中国利用机载KPR实时跟踪观测了这次“Z”字型催化作业试验，从图1c和图2c可以看出催化云为积层混合云（SC），S1-S3时段试验对象为SC云团的对流区域，S4-S6段为SC云团前部层云区域，4200-4300 m有零度亮带。对比图2a和图2b，S1-S3对流区域催化以后回波明显增强，2-4 km处出现一个30-35dBZ回波中心，回波顶变密实且上抬，抬高0.5-1.0 km。对比图2d和图2e，S4-S6层云区域催化作业后催化层5200 m以上回波明显变弱，6.2-7.8km垂直高度上出现一个空洞，最深处达1.6 km左右，直径达5.5 km左右（计算：05:24:30-05:25:20→50s×110 m s-1 =5.5 km），还看到空洞上面被-5dBZ回波薄层覆盖（图4e）。从图2a和图2b、图2d和图2e对比发现，经过22-32 min催化以后2-4 km垂直高度上回波明显增强，均增强5dBZ以上，且对流区域出现35dBZ强回波中心。

　　图2 KPR实时探测作业前后雷达回波演变特征（蓝箭头分别指向催化前S2和S5点，红色箭头指向分别对应催化后的R5和R2点）

　　对流区域和层云区域催化作业试验的多普勒速度的CFADs（the contoured frequency by altitude diagrams）如图3所示。可以看到催化作业后多普勒速度整体水平变宽了，对流区域播撒试验从3-5m s-1变为5-8 m s-1，层云区域从3-5 m s-1变为4-7 m s-1。这表明微物理过程在起作用，新增AgI快速冰晶化，过冷水比较丰富，又加速贝吉隆、淞附和聚并等作用形成大的降水粒子，粒子谱变宽，导致粒子下落速度有大有小；速度谱也明显变宽，在速度CFADs表现为整体水平变宽，粒子降落地面速度明显增强，对流区域催化后30 min后，降落地面速度中位数由之前的0.5 m s-1增大为5.0 m s-1，层云区域由之前的1.0 m s-1增大为1.25 m s-1。

　　图3 多普勒速度CFADs随高度演变情况（正速度表示下落，负速度表示上升）

　　03

　　卫星监测层云区域冰化云迹演变特征

　　为跟踪监测播撒作业后云顶演变和移动情况，本研究使用了高分辨率Himawari-8静止卫星进行跟踪分析。从图4 Himawari-8静止卫星12μm通道逐10分钟云顶亮温（TBB）可见，04:52-04:57时段A-B对流区域播撒过后成团块状，TBB逐渐降低，反映出对流活动更强盛。04:58-05:09时段C-D层状云播撒区域位于大块积层混合云团的前部，播撒15 min以后，在催化层风向下游10 km处出现宽度为1-3 km播撒云迹线（图4d中红色方框），又过去7 min以后，在催化层风向下游15-20 km处出现宽度为3-5 km播撒云迹线，并沿300°风向继续以11 m s-1速度向东南方向移动，05:50云迹线已移出催化和回穿探测飞行区域。还可以看到，催化云迹线形成以后，G-H航线下方云迹线变窄，这种变化是由于播撒轨迹附近水云向云迹线中心扩散所致，也可能是由于新的粒径很小的过冷水薄云覆盖所致。

　　

　　图4 Himawari-8静止卫星12 μm通道04:50-06:00时TBB间隔10分钟演变特征（蓝色虚线为实际航线，字母A-K代表拐点，红色方框为云迹线位置）

　　04

　　积层混合云不同部位的催化作业概念模型

　　基于上述分析结果，我们提出了积层混合云播撒AgI冰核作业概念模型。图5a为作业前，对流和层云两个区域冰晶少，小云滴很多，对流区域有较强的上升气流；受其影响，有对流核出现，层状区域0℃附近有大云滴出现。图5b为播撒AgI人工冰核后，两个区域冰晶、雪晶及降水粒子快速增多，对流区域附近由于潜在的动力催化机制作用产生上升气流，对流显著增强。

　　图5 积层混合云不同部位播撒AgI冰核作业概念模型图，左图为催化作业前，右图为作业后（绿色实线为飞机航线，黑色虚线为0℃高度层，图中粒子类别和气流等标志见图例）

　　感谢：山东省人民政府人工影响天气办公室王庆正高工负责飞行航线设计、张佃国高工负责外场实施，樊明月高工、刘文高工、刘泉工程师、张洪生工程师等参加了试验工作，收集了珍贵的机载探测数据，山东省滨州市气象台谷山青高工提供了滨州多普勒雷达资料，为本文研究提供了关键探测数据支持。

　　

　　本文作者介绍 

　　第一作者

　　李德俊，高级工程师，湖北省气象局首席人工影响天气服务专家。以第一完成人获中国气象学会气象科技进步成果二等奖等。研究方向大气物理学与大气环境，主要从事云降水物理、人工影响天气技术、雷达和卫星资料分析及应用方面的研究。

　　通讯作者

　　赵传峰，北京大学教授，国家杰出青年科学基金项目获得者。担任AAS, Atmosphere，暴雨灾害等期刊编委，以第一完成人获北京市自然科学奖二等奖、中华环保联合会自然科学奖一等奖，中国环境学会青年科技奖等。从事云物理研究，聚焦大气遥感、云物理、气溶胶-云降水-辐射相互作用等方向，主持或主持完成国家自然科学基金委青藏高原重大研究计划重点项目、面上项目，科技部重点研发专项课题、863课题等项目，在Nature等期刊发表SCI论文130多篇，SCI总引3500多次。

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　　大气科学进展

　　《大气科学进展(英)》(Advances in Atmospheric Sciences，简称AAS)——中国大气科学领域学术水平最高的英文期刊之一，1984年创刊，1999年被SCI收录。最新影响因子3.9，SCI和中科院期刊分区都位列Q2区。

　　      AAS主要发表大气和海洋科学领域的创新性研究成果，刊登气候学、大气物理学、大气化学、大气探测、气象学、天气学、数值天气预报、海洋-大气相互作用、人工影响天气和应用气象学等各主要分支学科的国际最新创造性论文和研究进展的综合评述。AAS积极扩展栏目，除学术论文外，还设有数据描述文章、会议报告（特邀）、学科亮点(News&Views)（特邀）、展望（Perspectives）（特邀）及有关大气科学领域研究进展的讨论等。

　　     AAS由国际气象学和大气科学协会（IAMAS）中国委员会、中国科学院大气物理研究所、中国气象学会主办，由Springer和科学出版社共同出版，是国际IAMAS的合作期刊。来自9个国家、36个专业科研机构的60多位优秀责编全程监督审稿过程。

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