引言

人工増雨是对具有降水潜力的云在适当的部位和时机用科学方法进行人工催化，激发或加速降水形成过程，提高云的降水效率，达到増雨的目的。它是开发空中水资源的有效途径，其科学基础己被大量的理论研究、室内实验和外场试验所证实^{[1, 2]}。为了提高人工催化的效果和成功率，深入了解在干旱季节中主要降水系统的结构特点、降水形成的原因、演变规律，把握作业时机就更为重要^[3]。利用PMS资料，专家们对国内的一些典型个例进行了分析，发现不同的天气系统和地形条件下，云系的宏、微观结构和降水物理过程具有明显不同^[4-8]。

本文利用装备有粒子测量系统的飞机对2001年5月28日中国西北地区春季层状云系进行了探测飞行。利用探测取得的微物理资料，结合卫星云图、天气实况等对云的微物理结构特征进行了分析，讨论了该次降水的天气过程; 云的宏、微观物理特征; 云中液态水含量和粒子谱等的水平和垂直微物理结构特征。

1 观测设备

观测过程中使用的云物理专业考察飞机是经过改装的运八型飞机，机上装有专门用于云微物理观测研究的机载仪器：PCASP-100X用于观测气溶胶粒子。FSSP-100用干观测直径为1~95μm的云滴。OAP-260X(260Y)用于测量云(雨)滴和冰雪晶粒子浓度和粒子谱，OAP-2D-GA2(GB2)用于测量云(雨)滴和冰雪晶粒子二维图像及粒子浓度和粒子谱。

此外，飞机上还安装了国产返流式铂电阻测温仪、GPS全球卫星定位系统、露点温度计以及高度空速转换盒。

2 个例分析 2.1 资料情况

本文所用资料为2001年5月28日飞行探测的PMS粒子测量系统测量资料，包括温度、露点、高度、空速等宏观资料和6个探头的微物理（粒子浓度、粒子谱、粒子图像、含水量）资料，共取得4989组（2秒一组）记录，每组记录的飞行距离约204m。探测云系为层状云。

2.2 飞行情况

飞机停甘肃省临洮机场，临洮海拔高度为1886m。临洮北侧的马衔山，海拔高度3670m。飞机9:50从临洮机场起飞，爬升到8500m高度后逐渐下降，飞行路线是先向西北共和方向飞行，后向东飞经西宁、平安，11：30分飞回临洮本场上空盘旋飞行并下降，12:36分降落，飞机探测到云顶高度为8400m, 对应温度为-24.9℃，云底高度为2840m，温度9℃。飞行探测区域的地面均有较大降水，从5月29日08时地面降水量分布上看出：西宁、共和、平安等测站24小时降水超过6mm, 临洮测站24小时降水大于5mm, 临洮以西降水超过10mm, 最大降水达19mm。

2.3 卫星云图

从飞机作业时段的卫星云图上看，云系位于青海东部、甘肃中部和北部上空，缓慢向东移动，移速约10km·h^-1，临洮一直处于该云系影响下，云体中有一小团一小团颜色比较白，说明云体发展不均匀。

2.4 云水含量

云水的出现频率统计结果表明：该次探测飞行共有4989个记录，其中有4720个记录探测到有云水，云水出现频率为94.6%，其中94.1%是过冷水（温度低于0℃的云水)。云中平均含水量为0.036g·m^-3，探测到的最大过冷水含量为0.346g·m^-3，该高含水量出现在马衔山南侧5646m高度处，温度为-5.3℃。估计是因为受地形影响，西南暖湿气流由于马衔山的抬升作用形成地形积云，并由于山的阻挡而维持，因此云中含水量较高。

将不同的含水量按温度区间进行统计，可以看出79.12%的含水量值在0.005g·m^-3~0.03g·m^-3之间。过冷水含量出现频率较高的温度范围在-3~-18 ℃之间。分析发现过冷水分布的温度区间较大，这为人工増雨提供了有利条件。

从表 1的测量结果可以看出，西北地区层状云中含水量与新疆、河北、山东、吉林等省的含水量相当。

2.5 粒子浓度

有4883个记录探测到粒子浓度。浓度出现频率达97.9%平均粒子浓度为18.3个·cm^-3, 探测的最大云粒子浓度693个·cm^-3。将不同的粒子浓度按温度区间进行统计，发现该次观测的粒子浓度大部分小于10个·cm^-3。

2.6 垂直分布特征

图 1、图 2分别为飞机上升时和下降时观测得到的粒子浓度和含水量随高度的分布，可以看出，上升时云体分为3层，云下有浓度低于10个·cm^-3的粒子，下降时上面两层云基本上合并到一起，下层云变薄，云底升高，云下基本没有粒子浓度，说明云下蒸发比较强，较小粒子被蒸发。图中浓度和含水量对应较好，较高的浓度对应较高的含水量。

2.7 水平特征

本次飞行在高浓度区的飞行时间约15分钟，航线长约91公里。图 3为该区域的过冷水水平分布特征，可以看出，云粒子浓度和过冷水含量随时间存在明显的起伏性变化。云粒子浓度和过冷水含量变化趋势对应较好，较高浓度对应较高的过冷水含量，在层状云中过冷水区中的微物理量有比较大的起伏，高浓度和高含水量的区域估计是云中镶嵌的对流活动区。

2.8 含水量与浓度的相关性分析

画出不同温度区间的含水量和浓度的散点图（图略)，对其进行拟合分型，令拟合曲线经过原点，得出拟合曲线系数和相关系数。发现含水量和浓度的相关非常好。拟合曲线的斜率（含水量/浓度)，实际上比较直观的代表了粒子的平均直径，相关系数越大，说明粒子大小越接近，斜率大则表示粒子平均直径比较大。计算得出粒子平均直径大小主要在10~20μm。

2.9 云粒子谱

将云粒子谱按Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三种谱型分类，分析发现，Ⅱ型出现几率较高，占91.2%，Ⅰ型的谱型为单锋型，峰值直径基本都在3~5μm左右，浓度较大，90%以上粒子浓度高于30个·cm^-3，最小浓度也达到13个·cm^-3, 估计这部分粒子是云滴，有云滴存在，说明那里的过冷水条件较好。Ⅱ型为双锋型，第一峰值出现在3μm，第二峰值出现在平均直径12~16μm处，有少部分粒子直径大于20μm，该种谱型粒子浓度较小，基本上全都小于20个·cm^-3, 绝大多数浓度小于10个·cm^-3。而温度高于6℃粒子谱型均为Ⅲ型，第一峰值出现在3μm，第二峰值出现在6~9μm，该谱型粒子浓度全部小于15个·cm-³, 95%以上的浓度都小于10个·cm^-3。图 4、5、6分别给出了Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三种谱型的平均谱(粗线）和部分谱型。

2.10 冰晶分析

对粒子二维图像进行分析，表明：冰晶形状主要为冰晶淞附形成的聚合体、不规则状冰晶、空间枝状、柱状、针状和小冰粒子等，晶形比较复杂，与以前的观测结果相似^[7]。由此可以推测，聚并和凝华过程是冰晶増长的主要过程。8000m(＜-20℃)以上主要是不规则状和六角板状，5800m~8000m (-7℃)高度的冰晶形状主要是不规则状、空间枝状和柱状。随着高度降低，温度升高，出现针状和粘连在一起的枝状冰晶。0℃附近以聚并粘连在一起的空间枝状冰晶为主，空间枝状冰晶上有较强的淞附。温度高于0℃后冰晶开始融化，尖锐的枝杈消失，粒子外缘变得比较光滑。至3700m高度时冰晶粒子已经完全融化，二维图像上全部为球型的雨滴粒子。融化层厚度约500m。

3 结语

(1) 该地区过冷水分布的温度区间较大，这为人工増雨提供了有利条件。

(2) 在该层状云个例中：粒子平均直径主要在10~20μm之间; 平均粒子浓度为18.3个·cm^-3; 平均含水量为0.036g·m^-3，与新疆、河北、山东等省的含水量值相当。

(3) 二维图像分析表明：聚并和凝华过程是冰晶増长的主要过程。融化层厚度约为500m。

影响西北地区的降水系统受不同天气形势支配，所形成的云系无论从动力学或微物理学上考虑，都存在着很大差异。文章仅对典型的个例进行了初步的分析，还有待于今后进行更为系统的统计分析。