水是事关国计民生的基础性自然资源和战略性经济资源。人多水少、水资源时空分布不均是我国面临的基本水情。我国人均水资源量仅为世界平均水平的35%，全国有近三分之二的城市存在不同程度的缺水问题，尤其是北方地区。除了本身的水资源短缺问题外，全球变暖进一步加剧了华北地区的水资源短缺。自20世纪70年代以来，华北地区降水呈减少趋势（叶笃正和黄荣辉，1991），近20年干旱频发（臧迪等，2021）。从全年角度来看，华北特别是河北，春季易发生干旱（郝立生等，2010），而春季是小麦等粮食作物及蔬果等经济作物萌芽、拔节和生长发育的关键期。为缓解水资源短缺、保障粮食安全，河北地区春季常态化开展人工增雨作业，主要目标云系是较为稳定的层状云。

层状云降水是华北地区春季降水的一种主要形式（黄敏松和雷恒池等，2022），可在不同的天气系统中产生，包括西来槽、冷锋、低涡、气旋、切变线及回流等。其中，气旋包括西北涡、黄河气旋和江淮气旋（居丽玲，2012）。江淮气旋是影响中国东部和北部地区的重要天气系统之一（段英等，1998），在春季常引发复杂的天气现象，对农业生产、水资源管理及日常生活具有重大影响（鲁坦等，2017; Xia and Zhou，2018）。江淮气旋的形成与高空急流、低层暖湿气流及不同温度空气的相互作用密切相关，典型表现为低压系统，伴有强降水带，外围通常为较弱的层状云降水（徐夏囡和焦佩金，1982; 张汝秀和王蒸民，1988）。江淮气旋北部的降水性层状云系常为华北带来广泛的层状云或层积混合云降水，这些云系通常具有良好的人工增雨潜力，可有效缓解华北春季干旱（孙鸿娉等，2011）。因此，深入研究江淮气旋北部云系中的微物理过程和降水机制，对提高人工影响天气操作的有效性、进而改善华北水资源短缺具有重要意义。

Rosenfeld and Ulbrich（2003）的研究强调了云微物理过程对降雨率的重要影响。游来光等（2002）的研究表明，华北层状云的降水过程基本符合“播撒-供给”云导致降水的总体概念，由此他们建立了其概念模型。洪延超和周非非（2005）利用一维层状云模式模拟研究了冷锋降水性层状云系中“播撒-供给”云的微物理结构特征。郭学良等（2021）总结前人研究时发现，在云层较薄的层状云区域中，过冷水含量有限，云中冰（雪）晶的凝华和聚并增长起主导作用，这种情况不完全符合“播撒-供给”模型的降水形成机制。然而，在云层较厚、过冷水含量丰富的层状云中，凝华、聚并及凇附增长则成为主导过程，较好符合了“播撒-供给”机制。此外，大量研究（齐彦斌等，2007; 封秋娟等，2021; 马新成等，2021）表明，我国北方降水过程的形成机制主要遵循“凝华-聚并”机制。虽然过去的研究总结了北方层状云降水的主要机制，但未能系统总结不同天气系统对应的层状云微物理结构。

本文针对河北南部地区一次江淮气旋北部层状云降水过程，利用毫米波云雷达、雨滴谱仪等高精度仪器对云和降水过程进行了详细观测。同时，河北省人工影响天气中心使用King-350人工增雨飞机对云系开展了原位观测，获取了云内粒子的微物理特征参数。这些空-地联合观测数据为本研究提供了江淮气旋背景下层状云宏微观结构特征和降水形成微物理过程的宝贵信息。本研究旨在基于以上多源观测数据深入分析和讨论不同降水时段的云内微物理过程，以及这些过程是如何影响降水的，以进一步丰富对江淮气旋北部层状云系微物理特征的认识，揭示降水过程中的关键微物理机制，为更准确地预测降水事件和改进人工影响天气技术提供科学依据。

1 设备、数据与方法

1.1 观测设备和数据简介

位于华北的重大人影服务保障基地（以下简称重大基地），是中国气象局人工影响天气中心的关键试验基地之一。该基地包含4个云物理超级站，具有从水汽、风、云到降水的多种类多要素观测设备，实现了水汽-气溶胶-云-降水多要素云物理垂直廓线的观测。本文数据来自位于河北省石家庄市栾城区的云物理超级站（以下简称河北栾城云物理超级站），其拥有毫米波云雷达（cloud radar，CR; 以下简称云雷达）、微型降水垂直观测仪（micro-rain radar，MRR-2; 以下简称微雨雷达）、激光云高仪（laser cloud ceilometer）以及雨滴谱仪（raindrop spectrometer）等，共计13类地基特种观测设备。图1中红圆圈标注的位置为河北栾城云物理超级站所在地。

基地云雷达是Ka波段全相参脉冲多普勒云雷达，波长为8.5 mm（35.5 GHz±10 MHz），采用全固态设计、双发射双接收的线极化方式，能够观测60 km范围内的非降水云、弱降水云和弱降水现象。该云雷达可以测量水平极化雷达反射率（horizontal reflectivity，ZH）、垂直极化雷达反射率（vertical reflectivity，ZV）、多普勒径向速度（Doppler radial velocity，V）、多普勒速度谱宽（Doppler velocity spectrum width，W）和线性退极化比（linear depolarization ratio，LDR）等参数。同时，其采用1 μs和6 μs的组合脉冲，压缩至0.2 μs进行探测，并在0.9 km处对雷达反射率因子进行了拼接。

雨滴谱仪是DSG5型降水现象仪。它利用红外激光技术（infrared laser technology，ILT）和数字信号处理系统（digital signal processing system，DSP）来计算水滴的大小和下落速率，并对其进行分类，能够精确测量不同降水现象类型的降水量、降水粒子大小和下落速率。

本文使用的飞机探测资料来源于河北省人工影响天气中心搭载在“空中国王350飞机”的机载探测仪器，包括由Droplet Measurement Technologies（DMT）公司生产的云粒子探头（cloud droplet probe，CDP; Lance et al.，2010）、云粒子成像探头（cloud imaging probe，CIP; 张荣等，2021），以及由Stratton Park Engineering Company（SPEC）生产的云粒子成像仪（cloud particles imager，3V-CPI）、Aventech公司生产的飞机综合气象要素测量系统（aircraft-integrated meteorological measurement system，AIMMS-20）和GPS定位数据传输系统。这些探测设备可以提供探测位置、高度、气压、温度和液水质量浓度等关键气象数据。特别值得一提的是3V-CPI探头，它配备了一个1 024像素×1 024像素的CMOS相机和数据采集系统，能够测量直径范围为2.3~2 300 μm的粒子，具有2.3 μm的分辨率，并能以400帧/s的速度进行采样。每一帧能够对超过25个粒子进行成像。CPI图像和粒子参数可在飞机上实时显示，而其后处理软件能够导出粒子周围的周长，计算长度、宽度和面积，甚至自动区分水滴和冰粒。得益于CPI测量仪高速率的采样和高分辨率的优势，所得资料能够精确反映云层中的实际情况。具体的仪器参数详见表1。

本文使用的高度场、温度场、湿度场和风场数据均来源于ECMWF Reanalysis v5（ERA5）数据集（Hersbach et al.，2020）。降水数据和组网业务天气雷达数据来自中国气象局国家气象信息中心提供的中国区域多源融合实况分析产品，这些数据集提供了全面准确的降水和天气雷达信息。同时，本文还使用国家卫星气象中心的FY-4B卫星反演的云产品数据，对云的宏观特征进行分析。

1.2 空地协同观测方案

为了解本次降水性层状云系的垂直结构，人工增雨飞机King-350（B-3523）于2023年4月4日10:27（北京时，下同）到达河北栾城云物理超级站上空，采用盘旋上升的方式进行垂直探测（10:27—10:54; 图1），垂直探测高度为1 000~6 500 m，温度区间为0~-20℃，0℃层高度约为1 000 m，飞机于10:54结束探测、离开河北栾城云物理超级站。

2 天气背景与降水概况

2.1 天气背景

图2给出了2023年4月4日08时的天气形势。在500 hPa高度层（图2a），河北省全境位于高空槽的前部，温度场落后于高度场，槽后有冷空气向南移动，而槽前则有西南方向的暖空气流入。在700 hPa高度层（图2b），有倒槽向西伸展进入我国北部地区，河北省位于高空槽的前部，有东南方向的暖湿气流流入。850 hPa高度层的风场（图2c）显示，华东和华北地区受江淮气旋影响，河北中南部位于江淮气旋北部，风速达到急流强度，河北中南部位于急流轴的出口区右侧。在高空槽、江淮气旋和急流的共同影响下，河北省大部分地区形成了高层辐散和低层辐合的动力条件，低层的暖湿空气被大范围抬升，形成了层状降水云系。

此外，4月4日08时邢台探空资料（图3）表明，河北中南部低层大气的整体相对湿度较高，同时有一定的对流有效位能（convective available potential energy，CAPE），为33.6 J/kg，大气处于一种弱不稳定的状态，云内可能存在弱的对流过程。这点在组合反射率中也有所体现。

2.2 降水概况

受高空槽、江淮气旋以及低空急流的影响，2023年4月4日华东和华北地区出现了一次大范围的积层混合云降水过程。从4日00时—5日00时的累积降水分布（图4）来看，存在两条带状降水区，分别与江淮气旋暖锋和冷锋相对应，降水量较大，以对流性降水为主，伴随弱降水区域。其中河北地区位于暖锋降水顶部的弱降水区，雨带呈现东北-西南走向，降水强度为小到中雨、局地大到暴雨。由图4可见，4日大雨主要出现在河北石家庄市和沧州市。

河北栾城云物理超级站的雨滴谱仪观测（图5）显示，4月4日降水主要集中在当天04时至20时。在该时间段内，观测到的雨强最大值可达到3 mm/h。

3 云宏观特征

在这次天气过程中，河北南部地区受到江淮气旋北部云系的显著影响。由于这些云系的持续时间长，所以4日该地区出现了持续16 h的降水。从FY-4B卫星的云产品（图6）可以看出，河北上空的云系已经显示出气旋云系的基本特征，云系随后逐渐发展成典型的逗点形状气旋云系结构。

4 月4日凌晨，江淮气旋顶部的主要云系位于山西东部和河北南部。随着时间的推移，这些云系逐渐向东北方向移动。至4日18时，云系主体已离开河北南部地区。这些云系发展深厚，具体表现在主云带（对流云带）的云黑体亮温（cloud black body brightness temperature，TBB）为-65~-35℃。此外，外围的层状云系TBB为-10~-25℃，处于“播云温度窗”（周毓荃等，2008），即人工影响天气作业适宜温度范围。云系的垂直发展也相当旺盛，云顶高度（cloud top height）主要集中在8~11 km。

图7显示，雷达回波上的江淮气旋云系呈现为典型的逗点形状，云系外围主要以层状云为主。层状云回波强度主要集中在5~30 dBZ。云中有积云存在，回波强度为30~40 dBZ。层状云区呈明显的东北-西南走向，并且随时间逐渐伸长。

4 云系微物理过程分析

河北栾城云物理超级站的云雷达、激光云高仪和雨滴谱仪成功观测到了此次降水过程。

图8给出了云雷达反射率因子、径向速度、速度谱宽、反演得到的云粒子相态，以及不同高度层云粒子的图像。相态反演算法来自Chen et al.（2021）。图8显示，云系的整体分布较均匀，在1.0~1.5 km高度处，有明显的融化层亮带，表明此次降水为层状云降水。反射率因子从云顶向下逐渐增大（由-40 dBZ增大至10 dBZ），一直增大到融化层亮带，然后再减小。在云顶部分，云雷达探测到的云呈现丝缕状，表明这部分云已开始冰晶化（黄毅梅等，2017）。

在融化层以上，云雷达的径向速度为-0.5~-2.0 m/s，粒子呈下落态势。这表明大气运动没有显著影响冰相粒子的下落，从而间接证明了这次降水过程主要为层状云降水（Ye and Lee，2021）。

综合云雷达的反射率因子和雨滴谱仪的雨强数据，可将降水划分为2个时段:4日04—10时的降水发展时段; 10—20时的降水消散时段。在降水发展时段，云系发展较为旺盛，云顶高度为7~8 km，云底高度（来自激光云高仪）为1.2~1.5 km。在降水消散时段，云顶高度有所下降，经过一个短暂的升高阶段后，云顶高度稳定在4 km左右，云层变薄; 云底高度有所下降，为0.5~1.0 km。至20时，此次降水过程结束，云系逐渐消散。

为了更深入地讨论江淮气旋顶部云系演变过程中的微物理过程，下面将结合云雷达和飞机观测数据，对这2个降水时段进行更为详细的讨论。

4.1 降水发展时段

利用对云雷达反射率因子、径向速度和速度谱宽进行时间序列的平均处理，给出了降水发展时段和消散时段的垂直廓线分布（图9）。在降水发展时段，云顶的反射率因子约为-40 dBZ，从云顶向下，雷达反射率因子呈现逐渐增大的趋势，直到5.3 km处发生明显下降，随后再次增大至融化层。在融化层，反射率因子约为10 dBZ，之后逐渐减小。值得注意的是，3.8 km以上的增长趋势相对平缓，而3.8 km以下的增长趋势则更为陡峭。

云雷达的相态反演结果显示，在降水发展时段，云系以冰相粒子为主。在3.8 km以上区域，云内主要为冰晶粒子。这一高度层的雷达反射率因子增长缓慢，径向速度变化较小，速度谱宽基本无明显变化。鉴于本文分析的江淮气旋北部层状云区位于江淮气旋对流云区的后方，可知云内的冰晶粒子由对流云区掉落的小冰晶粒子和层状云区核化后的小冰晶组成，且在下降过程中经历了缓慢的凝华增长。在1.8~3.8 km区间，雷达反射率因子增长速度加快，冰晶粒子开始更快地增长，以聚并增长和淞附增长为主，同时也伴随着凝华增长，形成雪和霰粒子。1.8 km以下区域主要为雨滴，表明雪和霰粒子经过融化层，转变为液态雨滴。

4.8~5.3 km处雷达反射率减小，可能与该高度层相对湿度较低有关。干层的出现会导致冰晶升华、冰晶粒径减小（孙啸申等，2023）。由于雷达反射率因子与粒子直径的六次方及粒子数浓度呈正比，所以粒径的减小若未伴随粒子数浓度的显著增加，则将导致雷达反射率降低。

4.2 降水消散时段

随着江淮气旋云系向东北方向移动，其尾部逐渐覆盖河北上空，导致层状云逐步变薄并进入降水消散时段。在这一时段，云雷达反射率因子随高度的变化趋势与降水发展时段相似，其值为-37~8 dBZ，相较于降水发展时段略有减小。整体来看，融化层以上的区域，随着高度增加，两个时段雷达反射率因子的差异逐渐增大。约在3.8 km高度处，雷达反射率因子骤减。在降水消散时段，除融化层以外，其他高度的径向速度普遍低于发展时段，但速度谱宽在大部分高度却更大。

从宏观特征来看，降水消散时段与发展时段最显著的区别是云顶高度的明显下降。根据云雷达的相态反演结果可知，降水消散时段的冰晶层变得浅薄，甚至消失。雪和雨滴两种云粒子的垂直分布与降水发展时段相比没有明显变化。此外，值得注意的是，在消散时段，云底高度范围为0.5~1.0 km，低于降水发展时段的云底高度。

风廓线雷达的观测结果（图略）显示，消散时段高层风向逐渐转变为偏西风，12时之后完全转变。干冷空气的到来吹散了上层的冰晶，抑制了这些冰晶的凝华增长，导致上层冰晶显著减少，只剩下3.8 km以下的“雪层”。在“雪层”中，冰相粒子主要来源于江淮气旋中的对流区。对流区中的雪粒子在长大后落入层状云区，并在此区域内继续经历冰相粒子的增长过程。整体而言，由于云系上层云粒子的减少，导致降水粒子的数量减少，质量减小，最终导致降水结束。这一现象与降水消散时段云雷达反射率因子整体小于发展时段、云底高度降低的观测结果一致。降水消散时段的速度谱宽较大，表明云内冰晶粒子的相对运动更加剧烈。因此，这一时段冰相粒子的增长速度较快，雷达反射率因子的增长趋势变得陡峭。降水消散时段开始时，云中冰晶粒子较多，这就解释了为什么这一时段的雨强并未明显减弱、反而略有加强的原因。此外，在降水消散时段，2 km以上的云雷达反射率因子与发展时段相比明显减小，但径向速度没有明显差别，这表明消散时段空气对流比发展时段有明显减弱。空气对流的明显变化也是降水消散时段的主要特征。随着云系继续移动，云系尾部逐渐覆盖到基地上空，从对流云区掉落的粒子逐渐减少，云内冰相粒子被进一步消耗，云系变薄，降水量逐渐减少，直至云系完全移出区域，降水过程结束。

在此时段（10:27—10:54），飞机在基地上空进行了垂直探测，探测结果如图10所示。从CDP测得的云滴数浓度垂直廓线可见，云滴数浓度谱呈现出多峰结构，这可能是由于飞机在盘旋上升时进出小型对流区造成的。随着高度的增加，过冷云滴数浓度经历了3次激增，分别位于1.2~2.0、2.7~3.8和4.0~4.4 km高度层附近，其中在3.25 km高度层，数浓度达到最大值（217.40 cm^-3），液水质量浓度最大约为0.11 g·m^-3。这些高度层的过冷云滴谱相对较宽，云中多为直径较小的过冷液滴，粒子直径主要集中在20 μm以下，粒子数浓度为0.001~112.84 cm^-3。随着高度的增加，CDP谱整体逐渐拓宽。在零度层附近，云滴数浓度呈现小的峰值，约为50 cm^-3，直径集中在20 μm以下。CIP测得的冰晶数浓度垂直廓线显示，冰晶粒子浓度也出现了多峰结构。在1~2 km的高度区间内，存在一个冰晶数浓度的高值区，粒子数浓度约为564 L^-1，粒子有效半径最大为435.14 μm。分析CIP的粒子谱图像可知，在3.0~4.4 km高度上，云中主要为直径小于100 μm的小冰晶粒子，数浓度最大为692 L^-1。而在4.4 km以上的高度层，云中多为直径为200~600 μm的大冰晶，数浓度范围为0.01~636 L^-1。

总体而言，在3.8 km以上的高度层，主要存在有效粒子半径为200~400 μm的冰晶; 随着高度的降低，冰晶的有效粒子半径呈现缓慢增大趋势。3V-CPI的观测结果表明，这一高度层基本为冰晶。这说明在这一高度层，冰晶增长过程以凝华增长为主; 该结论与云雷达观测和相态反演的结果一致。在1.0~3.8 km高度层，云滴和冰晶共存。通过对3V-CPI拍摄的粒子图片的回放可知，这一高度层并没有明显的液态云滴，而是以雪、针状冰晶和半融化状态的冰晶为主。同时，CIP测得的粒子谱随高度的变化较为剧烈; 这表明在这个高度层存在冰相粒子的聚并过程和淞附过程，同时凝华增长过程也在持续发生。

在2.8~3.8 km高度区间内，CDP测量的粒子有效半径出现了一定的增长，数浓度增加; 而CIP测量的粒子有效半径则略有减少。这一特征表明，在该高度区间存在冰晶破碎繁生的过程，这一结果与前文推论一致。此外，由于这一时段液态水含量较少，此云系并不完全符合传统的“播撒-供给”机制（seeder-feeder mechanism）。在典型的“播撒-供给”机制中，高层的冰相粒子下落到低层的超饱和云滴中，通过碰并和凝华作用导致降水增加。然而，在本次观测中，由于缺乏足够多的液态水，所以这一机制的效率可能受到了限制。

5 结论与讨论

本文基于栾城云物理超级站地基特种观测结合飞机探测、业务天气雷达以及卫星观测等资料，对2023年4月4日河北南部地区出现的一次层状云降水天气过程（该天气过程主要受高空槽、江淮气旋以及低空急流的共同影响）进行了详细分析，得到如下主要结论:

1）本次降水是江淮气旋北部的层状云降水。在850 hPa急流、500 hPa高空槽和700 hPa倒槽相配合的情况下，河北省大部分地区形成了高层辐散和低层辐合的动力条件，使得低层的暖湿空气被大范围抬升，形成了层状降水云系。

2）对组网雷达组合反射率和FY-4B卫星云顶高度、云黑体亮温的分析表明，江淮气旋在4日进入成熟阶段，气旋云系呈现逗点形状的典型气旋云系结构，云系随时间向东北方向移动。气旋北部层状云区云黑体亮温为-10~-25℃，处于“播云温度窗”内。云顶高度为8~11 km，云系发展深厚。

3）在降水发展时段，云系以冰相粒子为主。在3.8 km以上区域，冰晶粒子是主要的云粒子类型，这些冰晶粒子主要由对流云区掉落的小冰晶粒子和层状云区核化后的小冰晶组成，且在下降过程中经历了缓慢的凝华增长。在1.8~3.8 km区间，云雷达反射率因子的增长速度加快，此高度层内微物理过程涉及冰晶粒子的凝华增长、聚并增长和淞附增长。1.8 km以下区域主要为雨，这是由于冰晶粒子在脱离云层后经历了融化过程。

4）在降水消散时段，云顶、云底高度下降，冰晶层变得浅薄。12时之后高层风向转变为偏西风。偏西风吹散了上层的冰晶，抑制了冰晶的凝华增长，导致云顶高度降低、上层冰晶显著减少。在3.8 km以上高度层，以冰晶粒子为主，主要增长过程为凝华增长。在1.0~3.8 km高度层，以小冰晶和半融化状态的冰晶为主，主要增长过程为聚并过程和淞附过程，同时凝华增长过程也在持续发生; 其中在2.8~3.8 km高度层，存在冰晶破碎繁生过程。同时，该时段由于液态水含量较少，所以不完全符合“播撒-供给”机制。

本研究深入剖析了一次江淮气旋北部层状云降水的云微物理过程，为人工影响天气作业条件监测识别提供了建议。然而，本研究局限于单一案例的分析，未来的研究需聚焦江淮气旋北部层状云系，开展多个案例的深入分析，总结提炼特征，增强对此类典型云系的云宏微观结构及降水形成的科学认识，为更加精准开展人工影响天气作业提供科学支撑。

参考文献