通过云微观物理属性垂直结构的分析，对了解降水形成机制和提高人工增水效率具有重要意义。以2007年7月9日至10日天山山脉一次暴雨过程为例，利用CloudSat卫星2B-CWC-RO数据集提供的冰粒子等效半径(IER)、水粒子等效半径(LER)、冰水含量(IWC)、液态水含量(LWC)，对暴雨过程中云微观物理属性的分析表明，在暴雨过程中IER、LER、IWC、LWC的平均值分别为29.5 μm、13.9 μm、74.3 mg/m3、138.8 mg/m3。四个微物理量在低值段出现频率最高，中值段和高值段出现频率较少。在垂直高度上四个微物理量随高度呈单峰分布，在云层上部8~10 km出现较多，出现频率占整个云层的1/3。 It is significant for understanding of precipitation formation mechanism and increasing the effi-ciency of artificially enhancing precipitation by analyzing the cloud microphysical properties in vertical structure. Taking the rainstorm from July 9th to 10th in 2007 over Tianshan Mountain as an example, by use of the data of ice particle equivalent radius (IER), water particle equivalent ra-dius (LER), ice water content (IWC), and liquid water content (LWC) obtained from CloudSat satellite, 2B-CLDCLASS dataset and 2B-CWC-RVOD dataset, through the analysis of cloud microphysical properties, it shows that the average values of IER, LER, IWC, LWC are respectively 29.5 μm, 13.9 μm, 74.3 mg/m3, 138.8 mg/m3. The occurrence frequency of the low value section of these four microphysical parameters is higher while that of the moderate and high are lower. These four mi-crophysical parameters show single-peak distribution in vertical height and its occurrence fre-quency is much higher in 8~10 km above the cloud that accounts for 1/3 of all.
荆海亮1，戎博2，周建勋2，马禹3*
1新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室，新疆 乌鲁木齐
2精河县气象局，新疆 精河
3新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐
收稿日期：2016年12月1日；录用日期：2016年12月24日；发布日期：2016年12月27日
通过云微观物理属性垂直结构的分析，对了解降水形成机制和提高人工增水效率具有重要意义。以2007年7月9日至10日天山山脉一次暴雨过程为例，利用CloudSat卫星2B-CWC-RO数据集提供的冰粒子等效半径(IER)、水粒子等效半径(LER)、冰水含量(IWC)、液态水含量(LWC)，对暴雨过程中云微观物理属性的分析表明，在暴雨过程中IER、LER、IWC、LWC的平均值分别为29.5 μm、13.9 μm、74.3 mg/m3、138.8 mg/m3。四个微物理量在低值段出现频率最高，中值段和高值段出现频率较少。在垂直高度上四个微物理量随高度呈单峰分布，在云层上部8~10 km出现较多，出现频率占整个云层的1/3。
关键词 :云，微物理属性，垂直分布，天山山脉
云的各种微观物理属性对气候变化非常敏感，这些物理属性垂直结构产生的微小变化都会对降水的形成产生影响。要了解降水的形成机制，提高人工增水的效率，就有必要对云微观物理属性的垂直结构开展深入的研究。
近些年来，卫星遥感技术和云反演技术不断发展，加之其拥有更广泛的覆盖范围，更高的重复频率和精确性等其他探测技术无法比拟的优越性，使得卫星遥感技术成为气象探测技术发展的一大突破。2006年4月CloudSat卫星发射成功，其唯一有效荷载仪器94 GHz的云剖面雷达(CPR)于2006年6月开始运行，它能够测量云的垂直剖面特征，实现了云高、云厚、云顶类型等宏观物理属性以及云粒子云滴数浓度、液态水路径等微观物理属性垂直分布的探测 [
Lee et al. [
新疆深处欧亚大陆腹地，山脉林立、沙漠纵横，是全国有名的干旱半干旱地区，水资源的时间和空间分布极不均匀，这成为制约新疆经济、社会发展的一个关键因素 [
中国境内的天山全在新疆，西起乌恰县克孜河谷，东至哈密的星星峡，东西全长1700公里，南北宽100~400公里，总面积25万平方公里，海拔高度在3000~5000米之间，高峰终年积雪，多冰川。根据不同山脉组成的山系，天山划分为北天山、中天山、南天山。天山北坡年降水量400~600毫米，西段达900毫米；南坡300~500毫米，西段达800毫米。天山河流形成的年径流量450亿立方米。
CloudSat卫星2B-CWC-RO数据集包括反演估计的云液态水含量、冰水含量、云粒子等效半径等。它的顺利输出还需要利用到CloudSat卫星的2B-GEOPROF数据以及辅助的ECMWF-AUX数据。2B-GEOPROF主要提供2B-CWC-RO反演产品所需的雷达反射率、云罩和气体衰减值，ECMWF-AUX数据提供温度信息。当2B-GEOPROF输入数据缺失时，2B-CWC-RO将没有数据输出。
根据2007~2010年新疆115个地面气象观测站降水资料，挑选出新疆典型的强降水天气过程，结合CloudSat经过新疆境内的时间，筛选出CloudSat卫星经过新疆且新疆出现强降水的个例。通过比较发现，2007年7月9日至10日天山山脉出现大范围强降雨天气过程，自西向东24小时暴雨中心分别出现在伊宁(25.6 mm)、尼勒克(32.2 mm)、天山大西沟(23.8 mm)、小渠子(25.4 mm)、天池(35.3 mm)。本文选取2007年7月9日至10日作为典型个例，利用CloudSat卫星数据分析天山山脉暴雨过程中云的微物理参量的垂直变化情况。
(1) 冰粒子等效半径的垂直分布
将冰粒子等效半径分为0~60 μm (低值段)、60~120 μm (中值段)以及>120 μm (高值段)共三个值段，统计分析各值段冰粒子出现频率及其随高度的垂直分布。图1给出云的冰粒子三个值段出现频率的垂直分布，图中纵坐标的标值1表示云层厚度1~2 km，标值2表示云层厚度2~3km，其余依次类推，图2至图4类似。
在天山山脉暴雨过程中，云的冰粒子等效半径(IER)平均值为29.5 μm。冰粒子等效半径主要集中在低值段，占92.3%。中值段、高值段出现较少，分别占6.3%和1.4%。从图1可以看出，低值段、中值段冰粒子分布在1~12 km，高值段分布在2~11 km。在垂直高度上，低值段冰粒子出现频率在1.7%~14.8%之间，峰值在9~10 km；中值段出现频率0.06%~1.5%，峰值在8~9 km；高值段出现频率0.06%~0.4%，峰值在8~9 km。总的来看冰粒子出现频率随高度呈单峰分布，在云层上部8~10 km出现较多，出现频率为32.7%，占整个云层的1/3。
图1. 不同尺度冰粒子等效半径出现频率的垂直分布
图2. 不同尺度水粒子等效半径出现频率的垂直分布
图3. 不同等级冰水含量出现频率的垂直分布
图4. 不同等级液态水含量出现频率的垂直分布
(2) 水粒子等效半径的垂直分布
将水粒子等效半径分为0~5 μm (低值段)、5~10 μm (中值段)以及>10 μm (高值段)共三个值段。云的水粒子等效半径(LER)平均值为13.9 μm。低值段水粒子出现频率最多为74.3%，中值段和高值段出现较少，分别为14.7%、11.0%。从图2可以看出，三个值段的水粒子均出现在1~12 km，低值段水粒子在垂直高度上出现频率为2.2%~12.3%，峰值出现在9~10 km；中值段0.3%~2.5%，峰值出现在8~9 km；高值段0.2%~2.0%，峰值出现在8~10 km。总体上水粒子随高度呈单峰分布，在8~10 km云层水粒子出现较多，占整个云层的1/3，出现频率为32.5%。
(3) 冰水含量的垂直分布
将冰水含量分为0~50 mg/m3(低值段)、50~100 mg/m3(中值段)以及>100 mg/m3(高值段)共三个值段。冰水含量(IWC)平均值为74.3 mg/m3。冰水含量低值段出现频率最多为86.0%，中值段和高值段出现频率较少，分别为8.0%和6.0%。三个值段的冰水含量均出现在1~12 km。从图3可以看出，低值段冰水含量在垂直高度上出现频率为1.5~14.1%，峰值出现在9~10 km；中值段0.2%~1.4%，峰值出现在8~9 km；高值段0.1%~1.1%，峰值出现在8~10 km。总体上冰水含量随高度呈单峰分布，在云层上部8~10 km出现较多，出现频率为32.6%。
(4) 液态水含量的垂直分布
将液态水含量分为0~50 mg/m3(低值段)、50~100 mg/m3(中值段)以及>100 mg/m3(高值段)共三个值段。液态水含量(LWC)平均值为138.8 mg/m3。液态水含量低值段出现频率最多为74.4%，中值段和高值段出现频率较少，分别为14.6%和11.0%。三个值段的液态水含量均出现在1~12 km。从图4可以看出，低值段液态水含量在垂直高度上出现频率为2.2%~12.3%，峰值出现在9~10 km；中值段0.3%~2.5%，峰值出现在8~9 km；高值段0.2%~2.0%，峰值出现在8~10 km。总体上液态水含量随高度呈单峰分布，在云层上部8~10 km出现较多，出现频率为32.5%。
在天山山脉暴雨过程中，云的冰粒子等效半径(IER)、水粒子等效半径(LER)、冰水含量(IWC)、液态水含量(LWC)的平均值分别为29.5 μm、13.9 μm、74.3 mg/m3、138.8 mg/m3。
IER主要集中在低值段(0~60 μm)，占92.3%，中值段(60~120 μm)和高值段(>120 μm)出现较少，分别占6.3%和1.4%。LER低值段(0~5 μm)出现频率最多为74.3%，中值段(5~10 μm)和高值段(>10 μm)出现较少，分别为14.7%、11.0%。IWC/LWC低值段(0~50 mg/m3)出现频率最多，为86.0%/74.4%；中值段(50~100 mg/m3)出现频率次之，为8.0%/14.6%；高值段(>100 mg/m3)出现频率较少，为6.0%/11.0%。在垂直高度上，IER、LER、IWC、LWC出现频率随高度呈单峰分布，在云层上部8~10 km出现较多，占整个云层的1/3。在天山山脉暴雨过程中，四种微物理参量低值段出现频率最高，在垂直方向上四种微物理参量在云层上部出现较多，这也表明暴雨过程中云的增水潜力较大。
新疆维吾尔自治区人民政府重大专项《新疆吐鲁番哈密地区空中云水资源开发利用》项目《降水现象及其历时蕴含的人工增水潜力分析》课题(TUHA201516)资助。
荆海亮,戎博,周建勋,马禹. 一次暴雨天气中云微物理属性的垂直分布特征 Vertical Distribution Characteristic of Microphysical Properties in Clouds during Rainstorm Weather[J]. 地球科学前沿, 2016, 06(06): 476-481. http://dx.doi.org/10.12677/AG.2016.66050
https://doi.org/10.1029/2008jd009982
https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2012.12.013
https://doi.org/10.1007/s00376-014-4070-y
https://doi.org/10.12677/JWRR.2015.45055