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蒙大拿州夏季积云结构.：自然云

Hobbs P V, Politovich M K, Radke L F. The Structures of Summer Convective Clouds in Eastern Montana. I: Natural Clouds.[J]. Journal of Applied Meteorology, 1980, 19(6):645-663.

摘要

使用飞机探测了蒙大拿州迈尔斯城93块临近云团的微结构及降水机制。

淡积云和复合型积云拥有高粒子浓度及窄粒子谱，嵌入式积云拥有较低粒子浓度和较宽粒子谱。在小的嵌入式的积云中，冰晶粒子浓度通常小于每升一个，而通常冰晶粒子的数浓度在每升数十个；这种云偶尔降水。而在复合型积云中冰晶粒子数浓度会显著增加，平均会达到每升数百个；这种云常常会发生降水。冰晶粒子众数数浓度从小的发展中的积云的0.001g/到积层混合云中6 g/变化。

降水粒子的尺度谱分布大多遵循指数分布；粒子的增长主要受冰相过程影响。

1. 引言

在1976年夏季，华盛顿大学云物理团队在蒙大拿州的迈尔斯城对播种前的自然云及飞机播种后的云的粒子组分及云体结构组织了一次昂贵的飞机探测研究，作为美国垦务局高原实验（HIPLEX）的一部分。在这篇文章，我们给出了自然云的研究结果。播种云的结果在下篇文章给出。气溶胶粒子的研究结果也在其他文中未出，读者可以参考Hobbs et al（1978）以获得更详细的结果。

1976年在迈尔斯城进行的此项研究作为HIPLEX的第一阶段。这项研究一直做了几年，其结果在这几页文章中给以展示。

1. 观测设备

1976年夏，在迈尔斯城机场出动了四架探测飞机并使用地面上的数据采集器。

B-23飞机所携带的探测仪器见表格1。Aerocommander飞机携带光学冰粒子计数器，PMS粒子探测系统，PMS系统通过己烷的冷却作用采集云粒子，并含有金属箔片撞击器，JW云液水含量探头，总液水含量探头，NCAR声学冰核计数器和两个冰核过滤系统。Piper Nava飞机也携带了三个PMS粒子探头，一个金属箔片撞击器以及一个冰核过滤系统。Piper Aztec飞机主要用于飞行探测，寻找适合于其他飞机探测研究的云体。Piper Aztec飞机同时还负责进行云中人工播种作业；然而除了第七部分提及的一种播种云个例，其他个例的播种云在本文中均未讨论。

在迈尔斯城附近有一部5.4cm波段雷达。这部雷达拥有100公里的探测距离并且每五分钟三秒13°，用于引导飞机测云。在迈尔斯城周围一共探测到111次降水过程，其中109次发生于城东北向70公里，范围在30公里的区域内，其余两次发生在迈尔斯城机场。其中部分降水中还降落了冰雹。在探测日，在迈尔斯城机场以及城东125km的贝克市每天至少发射一个探空气球。其他地基设备包括测量冰核浓度仪器以及16mm定时摄像仪。

在每次探测飞行之前，都要在迈尔斯城机场跑道上进行对比试验，来比较飞机与地基在温度、湿度及气压探测上的差值。大多情况下B-23飞机在探测温度和露点温度时与地面会有2℃之内的偏差，两者气压会相差2-3个毫巴。

PMS探头在地面上的校准是通过燃烧玻璃球产生已知粒径的颗粒，让黑烟通过探头传感器，来检查是否正确几率粒子数量并选择粒子通道。我们认为在某些情况下，PMS-ASSP 100探头在测量粒子数浓度时，会因为粒子重合而造成浓度的低估。

有一次B-23和Aerocommander在同一块积云内飞行来比较不同飞机携带的PMS探头探测得到的粒子大小及数浓度情况。这些测量结果已经在Holroyd et al(1978)和Hobbs et al(1978)中讨论，结果显示不同飞机的PMS探头具有很好的一致性，然而在冰晶浓度上B-23的测量结果常常低于Aerocommander的测量结果。其原因在Hobbs et al(1978)中给出，我们假设在这篇文章中B-23所测量的冰晶数浓度是正确的。

表1. 华盛顿大学的B-23飞机探测仪器规格

1. 飞行方案

大多数飞机飞行探测的是迈尔斯城地区下午及夜间的对流云。主要探测发展中的积云，那些比周围高出至少自身水平宽度的积云，或者那些嵌入式积云，很容易从层云中区分出嵌入区。

无论是调查飞机还是雷达探测到适合探测的云区，其他的一架探测飞机会很快移动到云区内进行云内探测。同时会有一架飞机在云区高层进行探测，一架在云区底层进行联合探测。然而通常积云生命史短，在云演变到成熟阶段前飞机通常只能观测一会。除去这样三机联合集中探测外，还探测有单次大量的处于不同阶段的积云。

除去上述的陈述，这篇文章内所有的探测数据均为B-23飞机探测得到的数据资料。

1. 云的分类

图1.研究的不同积云类型：（a）类型1，淡积云；（b）类型2，复合型积云；（c）类型3，嵌入式积云.

我们所研究的积云主要包括以下三类：

类型1.淡积云：单一或多个积云块，水平尺度小于5公里，它们大多数在好天气下出现。

类型2.复合型积云：这类积云的水平尺度常常大于5公里，包括并和的积云，塔状积云以及积雨云。

类型3.嵌入式积云：在层状云中嵌入的对流单体，将其看作一个在层状云上的独立云体。

在图1中给出了这几类云的照片，云体的普遍特征在表2中给出。

1. 降水云的结构特征
2. 云内液水含量

三类积云在上升和下沉区的平均液水含量分布在图2中给出。将一个平飞距离大于500m且均为上升（或下沉）的区域定义为一个上升（或下沉）区。在部分云体中通常只有

上升区才被探测，当探测到超过一个上升（下沉）区，选择最靠近云体中心的进行分析。

表2. 文中所涉及的B-23飞机探测得到的云体及其所在层结的主要特征

从图2中可见，在这三种积云内，上升区的云内液水含量的算术平均值均大于下沉区。同时，上升区云内含水量谱一般更宽。三种不同类型积云在下沉区比在上升区的LWC算术平均值波动更大。嵌入式积云十分潮湿，上升区平均液水含量达到2g/。

1. 平均冰晶粒子浓度

在图3中给出三种不同类型积云在上升和下沉区的冰晶粒子平均浓度的频率分布。从图3可见冰晶粒子的几何平均浓度在下沉区要比在上升区大。同时，在复合型积云中冰晶粒子几何平均浓度要明显大于其他两类积云。在淡积云和嵌入式积云中几乎探测不到冰晶粒子，而在复合型积云中常常可以探测到冰晶粒子。

图4中给出不同类型云中冰晶粒子平均浓度与云顶温度关系。可见冰晶粒子浓度峰值在每升数百个，其云顶温度在-12℃至-16℃之间。由B-23上的连续粒子采样器采集到的粒子数据显示：在淡积云和复合型积云中，幅枝状和板状冰晶为主要冰晶类型；在嵌入式积云中，板状和条状冰晶为主。

1. 云粒子浓度和尺度分布

在图5中给出3-65mu;m云粒子的平均谱分布。大多数云粒子的平均浓度在200-500 c范围内。粒子谱第二峰的粒子数浓度小于100 c可能是因为探测持续了多日，气团变得

图2.三类积云在上升/下沉区的平均液水含量分布 图3.三类积云在上升/下沉区平均冰晶浓度分布

比通常迈尔斯城的气团更加湿润，也可能是因为部分消散期的云作为采样点使得尽管大粒子存在而C值极低。例如，从图5中可见在嵌入式积云中云粒子浓度的几何平均是最低的。这就是由于嵌入式积云一般采样会持续数天，而这样气团会在数天内变得十分湿润。在这三种云体内，几何平均粒子数浓度和峰值均表现为上升区大于下沉区。

在图6中给出六个发展中的淡积云云顶附近的云内粒子谱分布。过冷云滴和冰晶均被测量，但是采样的得到的冰晶粒子数浓度不足每升一个。在UW98号和UW63号云团内，号云团内，在最小尺度粒子处测得最大粒子数浓度。其他四个谱的峰值分布于16-23微米的范围内，与UW98和UW63相同，随着粒子尺度的增加粒子数浓度下降（尺度增加10微米，浓度下降40）。

在图7中给出五个复合型积云的粒子谱分布。其中两个云团（UW96和UW99）在小粒径范围内离子浓度最大，其他三个云团（UW68，UW74和UW78）在粒子尺度为16-23微米段存有峰值。除了粒子谱略微增宽，复合型积云和淡积云谱型相似。

图8给出4个嵌入式积云云粒子谱的分布个例。嵌入式积云的谱宽比小积云和复合型积云略宽，峰值半径一般在25-35mu;m。

1. 降水粒子谱分布

研究降水粒子谱来验证其是否满足指数分布形势：

其中N为单位粒径内（取最大值D）粒子数浓度，和为经验常数。

图4. 上升区平均冰晶数浓度与云顶温度关系 图5.上升/下沉区云粒子谱分布

图6. 六个发展中小积云的云滴谱 图7.五个发展中复合型积云的云滴谱

B-23探测到的将水离子浓度很大程度上受到PMS探测仪器的制约。十块云团的降水粒子浓度不受PMS仪器的制约且用于分析。在图9中给出上升和下沉区积云中降水粒子的探

图8. 1976年6月23日四个嵌入式积云云顶处的云滴谱 图9.小积云和复合型积云降水粒子谱分布

测结果。将图中的散点用直线连接，粒子的大小分布情况满足式1中的指数分布形势。图9中可见，当降水粒子直径D大于1mm时，无论在上升还是下沉区均很好的满足式1；大多情况下，满足式1的回归系数超过0.94。在冰晶浓度较少或没有时，云中的变化范围在之间；在冰晶浓度充足（大于每升1个）时，的变化范围在之间。雨滴中的值在0.3-0.7mm之间，冰晶粒子中在0.3-0.8mm之间。

Houze et al(1979)发现在平静的西北部和值与温度相关。从我们观测到的数据来看，随温度降低大体呈增加趋势，但是的值却分散在多个量级。随温度降低的值趋于减小。Houze等人观测到了很多有规律的温度变化，但是它们的温度变化幅度达48℃，而我们测得的温度变变化幅度不足10℃。

1. 冰晶众数浓度

用PMS的冰晶谱分布计算得到的冰晶众数浓度如下。冰晶种类（下标标识）以及冰晶的部分片段种类()是从连续粒子采集器和金属箔片撞击器采集到的。Locatelli和Hobbs(1974)曾给出不同粒径段冰晶众数浓度分布表，我们通过PMS得到的一些冰晶类型可以参考此表得到结论。每档的冰晶众数浓度和所有粒径范围的冰晶众数浓度满足以下关系：

其中是第i档冰晶粒子数浓度。冰水混合比（M/L）可以从总体冰晶的众数含水量(M)和JW液水含水量（L）中得到。

图10. 式1中的值与温度的对应关系 图11.低冰晶浓度的四个发展中的积云云顶端的冰晶众数浓度

图11中给出四个低冰晶浓度的发展中积云的冰晶中数浓度分布。小于1000mu;m的冰晶相对较少。相反，在成熟或成冰的小积云中冰晶众数浓度较高，大于每升1个，并且遍及在100到2500mu;m段（图12）。

图12. 高冰晶浓度的四个成熟小积云内冰晶浓度分布 图13. 四个复合型积云中冰晶浓度分布

复合型积云是多变的，但相比于小积云通常会拥有更高的冰晶众数浓度。图13中给出四个复合型积云的冰晶众数浓度分布。复合型积云的冰晶众数浓度分布在300到3000mu;m段表现为高浓度区。复合型积云中冰及粒子数浓度常在1-10/L，但有时也会达到每升数百个。

1976年6月23日，采集到四个嵌入式积云。其冰晶数浓度分布在图14中给出。总冰晶数浓度在0.003到0.12之间。四块积云均在粒子尺度小于100mu;m及在300到2000mu;m之间存有两处峰值。

1. 云体结构的时间演变

在之前的部分我们已经讨论过迈尔斯城地区的云体结构，但却没有考虑云体自身随时间的演变发展。在这一部分我们将对这一问题予以讨论。

1. 云内平均液水含量、平均冰晶粒子数浓度及冰晶众数浓度

仅对三个小积云进行了多次穿云探测，并且其中两块积云明显处于成熟阶段。UW94号云的液水含量和冰晶粒子浓度随时间的演变将作为一个个例进行讨论；这块云团与另外两个未降水的小积云的测量结果相似。图15给出UW94号云的液水含量和平均冰晶粒子数浓度随时间的变化。这块云团包含一个主要的对流单元和两个随后发展起来的小的对流单元；图15中的测量结果是在主对流单元的同一高度层进行的探测。在第三次穿云时在金属板上探测到凝结以及明显的结霜现象，并且在第六和第七次穿云时也在金属板上探测到凝结现象，在其他的穿云过程中未发现冰晶粒子。图16给出两次穿云探测时的冰晶浓度分布。在第六次穿云探测的下沉区探测到最大冰晶数浓度。冰晶数浓度

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