基于飛機(jī)觀測(cè)的美國(guó)落基山地區(qū)冬季混合相態(tài)層狀云與夏季對(duì)流云的微物理特征

范雯露 景曉琴 楊璟 周思雨

南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/精細(xì)化區(qū)域地球模擬和信息中心/中國(guó)氣象局氣溶膠—云—降水重點(diǎn)開放試驗(yàn)室, 南京210044

1 引言

在自然界中，云是大氣輻射收支平衡與水汽循環(huán)的重要組成部分（Sun and Shine, 1995; Mazin,2006）。從微觀來(lái)說(shuō)，云與環(huán)境、輻射的相互作用與云內(nèi)的液態(tài)水和冰粒子密切相關(guān)（Cantrell and Heymsfield, 2005）。根據(jù)云的相態(tài)結(jié)構(gòu)可以將云分為混合相態(tài)云、冰云、水云。觀測(cè)表明，混合相態(tài)云發(fā)生的概率占總觀測(cè)周期的41%，占觀測(cè)到有云時(shí)間的59%，并且還具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)（Shupe et al., 2006）。由于液滴和冰粒子的形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)存在差異，云的宏觀與微物理特性依賴于云相態(tài)結(jié)構(gòu)（Shupe et al., 2006; Sun and Shine,2010）。有關(guān)研究表明，氣候模擬對(duì)云內(nèi)的相態(tài)有較強(qiáng)的敏感性，不同的冰晶參數(shù)化方案會(huì)極大地影響云相態(tài)的分布，從而改變模式中云的輻射強(qiáng)迫和降水結(jié)構(gòu)（DeMott et al., 2010）。因此，混合相態(tài)云對(duì)數(shù)值天氣模式和全球氣候模式的重要性不言而喻。

混合相態(tài)云可以分為混合相態(tài)層云和混合相態(tài)積云，它們的相態(tài)結(jié)構(gòu)主要取決于冰相微物理過(guò)程。目前，在數(shù)值模式中，對(duì)混合相態(tài)云微物理特征的模擬還存在很大不確定性，尤其是對(duì)混合相態(tài)云內(nèi)冰晶生成過(guò)程的參數(shù)化過(guò)于簡(jiǎn)單，也沒(méi)有考慮層狀云和對(duì)流云的云中冰晶生成機(jī)制的差別（Yang et al., 2020），導(dǎo)致對(duì)云的相態(tài)結(jié)構(gòu)模擬不準(zhǔn)。由于層狀云和對(duì)流云的動(dòng)力結(jié)構(gòu)不同，其冰晶生成和生長(zhǎng)機(jī)制可能有較大區(qū)別（Cantrell and Heymsfield,2005; Yang et al., 2020）。例如，在層狀云中，冰晶的生成主要為異質(zhì)核化，依賴于冰核的數(shù)濃度和理化特征（Cantrell and Heymsfield, 2005），而在對(duì)流云中，冰水的相互作用更為復(fù)雜，冰晶繁生等過(guò)程也使得云內(nèi)的冰晶可能快速生成（Korolev and Leisner, 2020）。因此，通過(guò)對(duì)混合相態(tài)層狀云和對(duì)流云進(jìn)行觀測(cè)和定量分析，可以加深對(duì)它們微物理特征區(qū)別的認(rèn)識(shí)，從而為模式的驗(yàn)證和參數(shù)化的改進(jìn)提供支撐。

目前，人們已開展了許多對(duì)混合相層狀云的微物理特征的研究。在國(guó)內(nèi)，對(duì)于層狀云的研究進(jìn)展頗豐，層狀云系是我國(guó)北方冬季的主要降水云系。郭學(xué)良等（1999）曾將中國(guó)北方層狀云系統(tǒng)分為三類，通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，由強(qiáng)冷鋒抬升形成的層狀云中云頂存在高濃度的冰晶，觸發(fā)降水的產(chǎn)生，氣旋天氣背景下形成的層狀云中冰晶濃度相對(duì)較低，主要通過(guò)凇附、碰并過(guò)程形成降水，而弱鋒面層狀云中以過(guò)冷水為主，降水主要通過(guò)水滴碰并過(guò)程完成。陳寶君等（1998）基于M-P 分布和Γ 分布擬合發(fā)現(xiàn)層狀云有較窄的雨滴譜，而積雨云和積層混合云的雨滴譜很寬，有較多的大液滴和特小液滴。我國(guó)自20 世紀(jì)80 年代使用機(jī)載設(shè)備對(duì)云物理特征進(jìn)行觀測(cè)，極大的促進(jìn)了對(duì)層狀云降水的物理認(rèn)識(shí)。李鐵林等（2010）利用PMS 儀器對(duì)河南春季一次層狀冷云進(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)云中0°C～-7.5°C 溫度層上小云粒子數(shù)濃度隨高度增高而降低，冰晶含量隨高度增大，云底為液態(tài)水含量的高值區(qū)，且存在以負(fù)指數(shù)型和單峰型為主的粒子譜。基于一次由低槽切變與弱冷鋒影響形成的層狀云系，蔡兆鑫（2012）發(fā)現(xiàn)云中液態(tài)水含量的大值區(qū)主要集中在2.5～3.5 km，4 km 以上含水量很低。楊潔帆等（2021）研究發(fā)現(xiàn)低槽冷鋒背景下的層狀云降水云系中，-5°C 的冰相層主要發(fā)生凝華聚并過(guò)程，零度層凇附過(guò)程明顯，在垂直上造成分層結(jié)構(gòu)。國(guó)外對(duì)于層狀云亦有大量的研究，尤其是對(duì)云中冰相粒子的特征和成因。例如，Mossop and Ono（1969）指出，根據(jù)對(duì)新南威爾士州北部云層的冰粒濃度測(cè)量發(fā)現(xiàn)，云層中含有大致相同的冰粒和冰核濃度。Korolev（1994）發(fā)現(xiàn)，層狀云中粒子譜普遍呈雙峰分布，與云中擾動(dòng)有密切的關(guān)系，而與云的溫度、高度及冰晶沒(méi)有很大關(guān)系。Korolev et al.（2003）在五次不同地區(qū)的飛機(jī)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在中高緯度地區(qū)的層云中，-10°C～0°C 的溫度范圍內(nèi)以液態(tài)水為主。Hobbs and Rangno（1985）同樣基于飛機(jī)觀測(cè)表明在-10°C 層狀云中以過(guò)冷水為主，在極個(gè)別云中發(fā)現(xiàn)了較高的冰晶數(shù)濃度（0.1～10 L-1）。Boudala et al.（2004）的研究表明，在0°C 到-38°C 之間，層狀云中的液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.8 減小到0。部分研究發(fā)現(xiàn)在層狀云中冰晶數(shù)濃度可能高于自然冰核數(shù) 濃 度（Mossop and Ono, 1969; Cooper, 1986;Rangno and Hobbs, 2001; Yang et al., 2020）。例如，Rangno and Hobbs（2001）在北極地區(qū)觀測(cè)到在云頂溫度高于-10°C 的層狀云中冰晶的數(shù)濃度超過(guò)1 L-1。Yang et al.（2020）基于飛機(jī)觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)云頂溫度高于-8°C 熱帶海洋層狀云中的冰晶數(shù)濃度是冰核數(shù)濃度的3 個(gè)量級(jí)。但是以上大部分研究是針對(duì)個(gè)例的分析，僅對(duì)特定天氣背景條件下的層狀云微物理特征進(jìn)行研究。

對(duì)于混合相態(tài)對(duì)流云，在中緯度地區(qū)主要發(fā)生在夏季，目前也有一些研究基于飛機(jī)觀測(cè)資料討論了不同地區(qū)的對(duì)流云微物理特征（Yang et al.,2016b, 2018）。大氣中的初級(jí)冰晶絕大多數(shù)是液態(tài)水依靠冰核發(fā)生異質(zhì)核化形成的，但是，Mossop（1970）觀測(cè)到，積云中冰濃度比測(cè)量的冰核濃度大104倍。因此，僅存在異質(zhì)凍結(jié)核化是無(wú)法解釋積云中的高濃度冰粒子的現(xiàn)象。根據(jù)不少觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在溫度為-10°C 并含有毫米級(jí)尺度的液滴的積云中，短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了冰晶快速增多的現(xiàn)象，甚至在約10 min 的時(shí)間內(nèi)，冰晶的濃度可增加達(dá)10 倍。（Koenig, 1963; Mossop, 1970）。Koenig（1963）對(duì)該過(guò)程中產(chǎn)生的小冰粒的形狀、冰核的濃度進(jìn)行研究。結(jié)果表明，該小冰粒的形成不涉及升華過(guò)程，也不是通過(guò)液滴吸附冰核。因此，Koenig（1963）提出假設(shè)，積云中的冰晶增長(zhǎng)是連鎖反應(yīng)，過(guò)冷水破碎凍結(jié)形成冰晶，隨后冰粒子與液態(tài)過(guò)冷水發(fā)生碰撞，導(dǎo)致新的次生冰晶形成。Mossop（1970）也提出，積云中云相結(jié)構(gòu)的變化是由初級(jí)冰晶發(fā)生二次制冰造成的，從而導(dǎo)致冰晶繁生，冰粒子數(shù)量倍增。隨后，Mossop and Hallett（1974）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，積云中的冰粒子與過(guò)冷液滴發(fā)生碰撞，液態(tài)水發(fā)生凍結(jié)，當(dāng)溫度在-8°C～-3°C之間時(shí)，容易形成次生冰晶。后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，Hallett-Mossop 過(guò)程主要在液態(tài)水含量低和垂直速度弱的區(qū)域發(fā)生（Heymsfield and Willis, 2014）。后續(xù)實(shí)驗(yàn)也證明了積云中的冰晶繁生等過(guò)程使得云內(nèi)冰晶快速生成（Korolev and Leisner, 2020）。

基于已有的研究結(jié)果，人們已經(jīng)意識(shí)到混合相態(tài)層狀云和對(duì)流云的微物理特征有所區(qū)別，同一溫度層上的對(duì)流云與層狀云，對(duì)流云中冰粒子濃度更高（Heymsfield and Willis, 2014; Yang et al., 2016b），粒子譜也更寬（陳寶君等, 1998）。但是，上述研究只是分別分析了不同地區(qū)的混合相態(tài)層狀云或者對(duì)流云。目前，對(duì)同一地區(qū)混合相態(tài)層狀云和對(duì)流云的定量對(duì)比分析還很少，這主要是由于在同一地區(qū)針對(duì)不同類型云的飛機(jī)觀測(cè)資料較少。因此，在對(duì)上述研究結(jié)果進(jìn)行討論時(shí)，必須充分考慮地理因素的不同，這對(duì)定量理解層狀云和對(duì)流云微物理特征的區(qū)別造成了一定影響。因此，本文選取在中落基山地區(qū)進(jìn)行的?ce in Clouds Experiment-Layer Clouds（?CE-L）和High-Plain Cumulus 2003（HiCu03）項(xiàng)目的飛機(jī)觀測(cè)資料，定量對(duì)比分析該地區(qū)淺薄的冬季混合相態(tài)層狀云和較弱及中等強(qiáng)度的夏季混合相態(tài)對(duì)流云的微物理特征，加深對(duì)混合相態(tài)的淺薄冬季層狀云和較弱及中等強(qiáng)度的夏季對(duì)流云中微物理特征的認(rèn)識(shí)，從而為驗(yàn)證模式和改進(jìn)模式中相關(guān)的參數(shù)化方案提供依據(jù)。本文的結(jié)構(gòu)如下：第2 節(jié)描述觀測(cè)數(shù)據(jù)、儀器和分析方法；第3 節(jié)對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析；第4 節(jié)進(jìn)一步討論造成層狀云和對(duì)流云微物理特征不同的可能機(jī)制，以及本文與已有研究的區(qū)別；第5 節(jié)總結(jié)本文的結(jié)論。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與儀器

本文所使用的觀測(cè)資料來(lái)自?CE-L 和HiCu 項(xiàng)目的飛機(jī)觀測(cè)，飛機(jī)飛行探測(cè)區(qū)域位于美國(guó)科羅拉多（39°91′N, 105°12′W）和 懷 俄 明（41°32′N,105°67′W）地區(qū)上空，飛行路線如圖1 所示。兩個(gè)項(xiàng)目均采用隨機(jī)穿云的方法，分別對(duì)中緯度大陸性較為淺薄的冬季混合相態(tài)層狀云和較弱及中等強(qiáng)度的夏季對(duì)流云進(jìn)行采樣，為研究其物理特征提供了高質(zhì)量的測(cè)量手段和高精度的測(cè)量結(jié)果。

?CE-L 探測(cè)項(xiàng)目使用美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）運(yùn)營(yíng)的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）C-130 型飛機(jī)，在中落基山地區(qū)（圖1 紅色軌跡所示）對(duì)冬季較淺薄的層狀云進(jìn)行隨機(jī)采樣，層狀云厚度在幾百到兩千米之間。飛機(jī)飛行時(shí)間是2007 年冬季11～12 月，每次航行時(shí)間約4 小時(shí)，總共飛行7 架次，飛行時(shí)長(zhǎng)為123396 s，樣本數(shù)量較多，可用于統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)表1，?CE-L 項(xiàng)目的飛機(jī)穿云觀測(cè)高度在1～7 km，溫度范圍為-32.5°C～-2.5°C。探測(cè)數(shù)據(jù)用于研究云中的熱力特征、垂直速度以及微物理特征。

圖1 ?CE-L 項(xiàng)目（紅色線）與HiCu 項(xiàng)目（藍(lán)色線）的飛機(jī)飛行軌跡Fig. 1 Flight tracks of the ?ce in Clouds Experiment—Layer Clouds (?CE-L, red lines) and High Plain Cumulus (HiCu, blue lines) project

表1 ICE-L 項(xiàng)目在不同溫度層和高度層的云內(nèi)采樣時(shí)長(zhǎng)和云內(nèi)采樣路程Table 1 Time in clouds and flight length in clouds sampled at different temperature and height ranges in ICE-L project

C-130 飛機(jī)配備了全套的云微物理探頭來(lái)測(cè)量氣溶膠、云滴和冰的大小分布。與本研究相關(guān)的儀器有云滴探頭CDP、前向散射粒子譜探頭FSSP-100、圖像類粒子探頭Fast 2D-C、2D-P、King、上下視多普勒云雷達(dá)WCR，如表2 所示。其中，CDP 與FSSP 屬于散射類粒子探頭，量程分別為3～43 μm、0.8～50 μm，用于探測(cè)云內(nèi)小粒子濃度。2D-C 和2D-P 屬于圖像類粒子探頭，像素分辨率為25 μm 和200 μm，并且適用于測(cè)量直徑較大的粒子。結(jié)合不同探頭的探測(cè)結(jié)果可以描繪出完整的粒子譜。本文考慮了所有粒子中心在采樣區(qū)域內(nèi)的粒子，去除了粒子中心在采樣區(qū)域外的粒子，并相對(duì)應(yīng)地減去了其采樣體積（Heymsfield and Parrish,1978）。由于大粒子碰撞到探頭上破碎后會(huì)導(dǎo)致小粒子濃度被高估，本文采用基于粒子到達(dá)時(shí)間的方法來(lái)去除2D 探頭（2D-C、2D-P 探頭）觀測(cè)數(shù)據(jù)的大粒子破碎效應(yīng)（Field et al., 2006），而對(duì)于FSSP 探頭，目前還沒(méi)有很好的數(shù)據(jù)后處理方法減少該影響，因此本文不采用FSSP 探頭計(jì)算云滴數(shù)濃度和液態(tài)水含量。云滴液態(tài)水含量的測(cè)量采用King 熱線探頭，其測(cè)量范圍在0.1～6.0 g m-3之間（Yang et al., 2016b）。此外，懷俄明大學(xué)的一臺(tái)3.2 mm 上下視多普勒云雷達(dá)（WCR）提供了反射率測(cè)量數(shù)據(jù)（Heymsfield et al., 2011），本文基于閾值-20 dBZ（Yang et al., 2016a），用于判斷云頂高度。本文中的三維風(fēng)是通過(guò)天線罩陣風(fēng)系統(tǒng)與慣性參考系統(tǒng)（?RS）組合測(cè)量，并利用全球定位系統(tǒng)（GPS）消除實(shí)地項(xiàng)目中?RS 的漂移誤差，最終獲 得 精 度 約±0.2 m s-1的 風(fēng) 速 數(shù) 據(jù)（Yang et al.,2016a）。

表2 飛機(jī)探測(cè)儀器名稱、主要探測(cè)對(duì)象、探測(cè)范圍、探測(cè)方法Table 2 Summary of detection instruments, main measurement, measurement range, and measurement technique on the aircraft during the research flights

HiCu 的探測(cè)平臺(tái)為美國(guó)懷俄明大學(xué)空中國(guó)王飛機(jī)（UWKA），主要在懷俄明州（圖1 藍(lán)色軌跡）進(jìn)行，飛行時(shí)間為2003 年7 月7 日至8 月31 日，共進(jìn)行了30 架次飛行觀測(cè)，研究該地區(qū)夏季對(duì)流云的微物理結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)。由于飛機(jī)的局限性，HiCu 主要針對(duì)較弱的和中等強(qiáng)度的對(duì)流云進(jìn)行探測(cè)，云中垂直氣流速度在-15～18 m s-1范圍（Yang et al., 2016a），缺少對(duì)更強(qiáng)的對(duì)流云的探測(cè)數(shù)據(jù)。此次研究累計(jì)飛機(jī)行程約2000 km。根據(jù)表3 所示，HiCu 的飛機(jī)穿云觀測(cè)在4～9 km 的高度區(qū)間、-22.5°C～2.5°C 的溫度區(qū)間。

表3 HiCu 項(xiàng)目在不同溫度層和高度層的云內(nèi)采樣時(shí)長(zhǎng)和云內(nèi)采樣路程Table 3 Time and flight length in clouds sampled at different temperature and height ranges in HiCu project

空中國(guó)王飛機(jī)（UWKA）配備的儀器與?CEL 項(xiàng)目的大致相同，測(cè)量小粒子、大粒子濃度的儀器均為FSSP 探頭、2D-C 探頭，并且同樣使用上下視多普勒云雷達(dá)WCR。由于HiCu 項(xiàng)目是在2003 年進(jìn)行的，所采用的2D-C 探頭的二極管陣列像元數(shù)為32 個(gè)（?CE-L 為64 個(gè)），且數(shù)據(jù)格式稍有不同，但這不影響結(jié)果分析。同樣，在對(duì)HiCu的2D 探頭數(shù)據(jù)的處理中，考慮了所有粒子中心在采樣區(qū)域內(nèi)的粒子，并采用基于粒子到達(dá)時(shí)間的方法來(lái)去除2D 探頭觀測(cè)數(shù)據(jù)的大粒子破碎效應(yīng)（Field et al., 2006）。云滴液態(tài)水含量的測(cè)量采用King 熱線探頭。

圖2 顯示了在?CE-L 和HiCu 實(shí)驗(yàn)中采樣到的云個(gè)例，包括WCR 反射率、溫度、垂直速度、液態(tài)水含量、FSSP 探頭探測(cè)的數(shù)濃度和2D-C 探頭探測(cè)的數(shù)濃度的原位測(cè)量。在?CE-L 實(shí)驗(yàn)中，被穿透的云層厚約2300 m。云中的WCR 反射率范圍為-10～10 dBZ，溫度為-21.5°C～-20°C。垂直速度較小，但由于該地區(qū)地形復(fù)雜，在部分云中有波狀氣流。?CE-L 項(xiàng)目的探測(cè)樣本中的液態(tài)水含量在0.1 g m-3左右，云中FSSP 探頭探測(cè)的數(shù)濃度為150 cm-3，而2D-C 探頭探測(cè)的數(shù)濃度范圍為2～5 L-1，冰晶粒子濃度較低。在飛機(jī)穿透該云個(gè)例的過(guò)程中，由于儀器數(shù)據(jù)的缺失導(dǎo)致34 s 時(shí)間內(nèi)2DC 數(shù)濃度存在空缺。在HiCu 實(shí)驗(yàn)采樣到的個(gè)例中（圖2g–l），飛機(jī)穿云高度距離云頂1000 m 以上，對(duì)云的中層進(jìn)行探測(cè)。云中的WCR 反射率范圍為0～25 dBZ，溫度在-11°C～-9°C 范圍內(nèi)。從垂直速度可以看出，HiCu 的采樣個(gè)例相較于?CE-L 的采樣個(gè)例有更強(qiáng)的上升氣流，速度在-2～6 m s-1范圍內(nèi)，并且觀測(cè)到多個(gè)上升氣流和下降氣流存在于同一云中的現(xiàn)象。在HiCu 的采樣個(gè)例中，液態(tài)水含量范圍為0.5～1.0 g m-3，遠(yuǎn)高于?CE-L 的探測(cè)結(jié)果，并且云內(nèi)FSSP 探頭探測(cè)的數(shù)濃度范圍為300～400 cm-3，2D-C 探頭探測(cè)的數(shù)濃度范圍為20～60 L-1，粒子濃度也明顯大于?CE-L 的采樣個(gè)例。從以上對(duì)比可以說(shuō)明，該地區(qū)典型的冬季層狀云和夏季對(duì)流云的微物理特征具有較大的差異。

圖2 ?CE-L 實(shí)驗(yàn)（左）在2007 年12 月13 日和HiCu 實(shí)驗(yàn)在2003 年7 月28 日（右）采樣到的云個(gè)例的（a、g）雷達(dá)反射率（單位：dBZ）、（b、h）溫度T（單位：°C）、（c、i）垂直速度w（單位：m s-1）、（d、j）液態(tài)水含量LWC（單位：g m-3）、（e、k）FSSP 探頭探測(cè)的數(shù)濃度（單位：cm-3）、（f、l）2D-C 探頭探測(cè)的數(shù)濃度（L-1）Fig. 2 (a, g) Radar reflectivity (units: dBZ), (b, h) temperature (T, units: °C), (c, i) vertical velocity (w, units: m s-1), (d, j) LWC (liquid water content,units: g m-3), and NC (number concentration) measured by (e, k) FSSP probe and (f, l) 2D-C probe in cloud examples from ?CE-L project (left) on 13 December 2007 and HiCu project (right) on 28 July 2003

2.2 分析方法

2.2.1 液態(tài)水含量的計(jì)算

本文對(duì)HiCu 和?CE-L 獲得的云內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了篩選出云內(nèi)區(qū)域數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)液態(tài)水含量和FSSP 探頭探測(cè)的數(shù)濃度設(shè)置合理閾值可以判別云區(qū)。根據(jù)Yang et al.（2016a）的分析，云區(qū)定義為同時(shí)滿足液態(tài)水含量大于0.01 g cm-3且FSSP 探頭探測(cè)的數(shù)濃度大于2 cm-3兩個(gè)條件，或2D-C 探頭探測(cè)的數(shù)濃度大于1 L-1的區(qū)域。本文將滿足云區(qū)溫度低于0°C，且每個(gè)云區(qū)均能探測(cè)到至少一個(gè)大于100 μm 粒子的探測(cè)結(jié)果定義為混合相態(tài)云。云內(nèi)采樣時(shí)間和路程見表1、表3，在?CE-L 實(shí)驗(yàn)中，累計(jì)云內(nèi)飛行時(shí)長(zhǎng)為4615 s，累計(jì)飛機(jī)行程約570 km。在溫度區(qū)間-27.5°C～-12.5°C 內(nèi)，云內(nèi)采樣時(shí)間、采樣路徑占總數(shù)的80%，云內(nèi)數(shù)據(jù)量較大，因此，由該溫度區(qū)間的分析結(jié)果更為可靠。HiCu 研究中，累計(jì)飛機(jī)行程約2000 km，并且在8 km 以下的穿透次數(shù)較多，云內(nèi)采樣路程較長(zhǎng)，而8 km 以上的云內(nèi)數(shù)據(jù)僅占2%。

對(duì)于?CE-L 探測(cè)的冬季層狀云，液態(tài)水均來(lái)自于直徑小于50 μm 的小液滴，因此使用King 探頭測(cè)量到的LWC 即可。對(duì)于HiCu 項(xiàng)目的探測(cè)結(jié)果，同樣云內(nèi)的液滴絕大部分為小云滴，一方面這是由于HiCu 探測(cè)的是大陸性積云，另一方面是由于采樣的積云均為弱對(duì)流和中等強(qiáng)度的對(duì)流，沒(méi)有強(qiáng)對(duì)流。因此，本文同樣采用熱線探頭的LWC 觀測(cè)結(jié)果。熱線探頭對(duì)直徑≤50 μm 的云滴探測(cè)效果很好，對(duì)于直徑大于50 μm 的液滴探測(cè)效率逐漸降低。通過(guò)對(duì)2D-C 圖像的分析，我們僅在垂直速度相對(duì)較強(qiáng)的少數(shù)區(qū)域發(fā)現(xiàn)了很少的直徑約為50～100 μm的較大圓形粒子（可能為液滴，由于分辨率低，無(wú)法準(zhǔn)確判斷直徑小于100 μm 粒子的相態(tài)），這對(duì)統(tǒng)計(jì)液態(tài)水含量的平均值和中位數(shù)等影響非常小。之前已有的對(duì)HiCu 數(shù)據(jù)的研究中，在統(tǒng)計(jì)液態(tài)水含量時(shí)也只考慮了小云滴（Wang et al., 2009）。

飛機(jī)探測(cè)數(shù)據(jù)中存在多個(gè)探頭可以對(duì)液態(tài)水含量進(jìn)行探測(cè)，為了衡量液態(tài)水含量測(cè)量的合理性，本文將King 探頭、FSSP 探頭以及CDP 探頭所測(cè)量的云內(nèi)液態(tài)水含量進(jìn)行對(duì)比。相較于散射式探頭CDP 和FSSP 儀器，熱線式King 探頭的精確度相 對(duì) 較 高（Heymsfield et al., 2011），所 以 選 擇King 探頭所測(cè)量的液態(tài)水含量作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。圖3中散點(diǎn)的分布表明，測(cè)量結(jié)果離散程度較大，其中對(duì)流云中最為明顯，不確定性達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)，這主要是由于儀器本身的不同和在飛機(jī)上安裝位置不同導(dǎo)致的，間接體現(xiàn)了儀器的隨機(jī)誤差與云的空間不均勻性（Yang et al., 2016b）。在圖3a 中，計(jì)算結(jié)果表明CDP 探頭測(cè)量的液態(tài)水含量高于King 探頭測(cè)量的70%，并且兩類探頭之間的測(cè)量差異與液態(tài)水含量成正相關(guān)。圖3b、c 分別為?CE-L 實(shí)驗(yàn)、HiCu 實(shí)驗(yàn)中FSSP 探頭與King 探頭測(cè)量液態(tài)水含量對(duì)比。相較于King 探頭，F(xiàn)SSP 探頭高估?CE-L云中的液態(tài)水含量170%，高估HiCu 云中的液態(tài)水含量260%，這均是由于大粒子探測(cè)的破碎效應(yīng)導(dǎo)致小粒子數(shù)濃度被高估。并且，F(xiàn)SSP 探頭對(duì)?CE-L 采樣的云中液態(tài)水含量的高估與液態(tài)水含量無(wú)明顯的相關(guān)性，對(duì)HiCu 采樣的云中液態(tài)水含量的高估卻存在正相關(guān)。使用?CE-L 數(shù)據(jù)得出的結(jié)論與HiCu 存在偏差，這可能是因?yàn)?CE-L 項(xiàng)目數(shù)據(jù)量小，且測(cè)量為層狀云，云內(nèi)液態(tài)水含量比HiCu實(shí)驗(yàn)測(cè)量的對(duì)流云低一個(gè)量級(jí)。但是不同儀器之間的對(duì)比趨勢(shì)具有一致性，符合儀器特點(diǎn)，間接反映了用King 探頭分析液態(tài)水含量的合理性。

圖3 （a）CDP 探頭與King 探頭測(cè)量的?CE-L 實(shí)驗(yàn)、（b）FSSP 探頭與King 探頭測(cè)量的?CE-L 實(shí)驗(yàn)、（c）FSSP 探頭與King 探頭測(cè)量的HiCu 實(shí)驗(yàn)云樣本中液態(tài)水含量對(duì)比。紅色直線為散點(diǎn)的線性擬合線Fig. 3 Comparison of LWC measured by (a) the CDP probe and the King probe in ?CE-L clouds, (b) the FSSP probe and the King probe in ?CE-L clouds, (c) the FSSP probe and the King probe in HiCu clouds. The red line is a linear fit line with scattered points

2.2.2 冰水含量的計(jì)算

冰粒子一般為非球形，不能代入液滴公式計(jì)算。根據(jù)Locatelli and Hobbs（1974）的研究，云內(nèi)冰粒子的質(zhì)量與直徑存在如下關(guān)系：

其中，M為單個(gè)冰晶粒子質(zhì)量（單位：g），D為粒子直徑（單位：mm），a、b為擬合參數(shù)。與已有的研究相同（Heymsfield et al., 2011），本文定義粒子圖像的最長(zhǎng)軸為冰晶直徑。冰水含量則可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

其中，Mj為 第j檔的單個(gè)冰粒子質(zhì)量，nj為第j檔的數(shù)濃度，?WC 為總的冰水含量（單位：g m-3）。在計(jì)算冰水含量過(guò)程中，本文選用2D 探頭測(cè)得的數(shù)據(jù)，且使用的是2D-C 探頭≥100 μm 的檔，2DP 探頭大于500 μm 的檔。

云內(nèi)冰晶存在不同的形態(tài)，Magono and Lee（1966）研究表明，不同形態(tài)的云內(nèi)冰粒子質(zhì)量和直徑存在不同關(guān)系，即公式（1）中a、b的值對(duì)不同形狀的冰晶有所不同，因此按照不同參數(shù)方案得到的云內(nèi)冰水含量有所不同。根據(jù)Brown and Francis（1995），以及Heymsfield et al.（2007）的飛機(jī)觀測(cè)研究，本文采用a=0.037，b=1.9來(lái)計(jì)算?CE-L 樣本的云中冰水含量，該方法適用于片狀、子彈狀、柱狀等不同形狀冰晶的聚合物，這在無(wú)降水和降水較弱的層狀云常見。在層狀云中，大多數(shù)冰云顆粒在200～800 μm 之間，而在對(duì)流云中，粒子最大直徑可達(dá)3000 μm，且有較多霰粒子和不規(guī)則形狀的冰晶，所以在?CE-L 層狀云中采用的質(zhì)量—直徑關(guān)系并不適用于對(duì)流云，本文采用由Wang et al.（2015）通過(guò)對(duì)對(duì)流云的觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到的參數(shù)方案（a=0.029，b=2.1）計(jì)算HiCu 樣本的云中冰水含量。為了評(píng)估不同冰水含量計(jì)算方法的可能影響，本文對(duì)通過(guò)不同參數(shù)方案計(jì)算得到的冰水含量進(jìn)行了對(duì)比（圖4）。圖4 中不同符號(hào)代表了不同形狀的冰晶，其分類詳見（Magono and Lee, 1966）。在?CE-L 和HiCu 實(shí)驗(yàn)中探測(cè)的云中冰含量有很大差異，對(duì)流云中的冰含量比層狀云大1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，這超過(guò)了采用不同參數(shù)方案計(jì)算的冰水含量之間的差別，因此，公式本身的誤差不足以改變本文對(duì)比層狀云、對(duì)流云的冰水含量的結(jié)論。

圖4 （a）?CE-L、（b）HiCu 采樣到的云區(qū)在不同參數(shù)方案下計(jì)算的冰水含量在溫度層上的分布。公式表示適用層狀云、對(duì)流云的參數(shù)方法，紅色、藍(lán)色五角星符號(hào)分別代表適用方法下計(jì)算的冰水含量分布Fig. 4 ?ce water content (?WC) calculated based on different mass–diameter relationships in temperature level observed in (a) ?CE-L clouds and (b)HiCu clouds. ?WC in stratiform and convective clouds is calculated by the formulas. The results are denoted by red and blue pentagrams, respectively

3 結(jié)果分析

3.1 液態(tài)水、冰水含量

云內(nèi)的云滴、冰粒子含量與云的熱力動(dòng)力過(guò)程直接相關(guān)，同時(shí)也影響著云的宏觀物理特征。因此，水含量是表征云微觀特征的重要因素。圖5 為?CEL 采樣的云區(qū)、HiCu 采樣的云區(qū)以及HiCu 采樣的云區(qū)云頂中分別測(cè)得的液態(tài)水含量LWC、冰水含量?WC、以及液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)[LWC/(LWC+?WC)]隨溫度的分布情況，反映了層狀云和對(duì)流云內(nèi)的液態(tài)、固態(tài)水含量的差異以及各自隨溫度的變化情況。由于飛機(jī)在穿云過(guò)程可以發(fā)生在云的各個(gè)部位，且對(duì)流云通常垂直尺度較大，因此為了可以更好地理解云內(nèi)冰晶的生成，本文選取對(duì)流云云頂部分的微物理特征進(jìn)行單獨(dú)分析。其中，HiCu 探測(cè)的云頂數(shù)據(jù)為HiCu 實(shí)驗(yàn)中飛機(jī)飛行高度接近云頂（＜500 m）的測(cè)量數(shù)據(jù)（Yang et al., 2016b）。根據(jù)圖5a 可知，?CE-L 實(shí)驗(yàn)探測(cè)的云中液態(tài)水主要分布在-30°C～0°C 的溫度范圍。在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，液態(tài)水含量絕大多數(shù)位于0.01～0.2 g m-3之間，而平均值在0.04～0.18 g m-3之間。?CE-L 實(shí)驗(yàn)探測(cè)到云內(nèi)平均液態(tài)水含量在-5°C 溫度層達(dá)到最大，總體上呈隨溫度的降低而減小的趨勢(shì)，下降幅度達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)。相比較而言，HiCu 采樣的對(duì)流云的液態(tài)水含量與層狀云之間差異顯著（圖5a），HiCu 云區(qū)的液態(tài)水主要分布在-25°C～0°C 的溫度層，云內(nèi)液態(tài)水含量最高可達(dá)1 g m-3，而平均值在0.2～0.5 g m-3之間。HiCu 的云內(nèi)液態(tài)水含量平均值隨溫度的變化趨勢(shì)也與?CE-L 存在差異。對(duì)流云內(nèi)液態(tài)水含量隨溫度的變化較小，在-20°C～0°C 上存在微弱地隨著溫度升高的趨勢(shì)。相對(duì)而言，各溫度層上對(duì)流云的液態(tài)水含量均高于?CE-L 采樣的層狀云，并且在-25°C～-10°C 溫度層上，兩類云的液態(tài)水含量平均值相差一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這是由于對(duì)流云內(nèi)的強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)提供了充足的水汽，云內(nèi)飽和度高導(dǎo)致液滴凝結(jié)增長(zhǎng)。同時(shí)，相對(duì)較強(qiáng)的上升氣流使得云內(nèi)較大的液滴可以懸浮在云內(nèi)。此外，我們分析了在HiCu 采樣的云區(qū)云頂附近的采樣結(jié)果。由圖5a 中淺藍(lán)色線可知，HiCu 云區(qū)云頂?shù)囊簯B(tài)水含量平均值在0.3～0.5 g m-3之間，比HiCu 云區(qū)中下部探測(cè)的液態(tài)水含量值高，這是由于對(duì)流云云體中下部受到上方下落的冰粒子影響，過(guò)冷水液滴被收集，導(dǎo)致液態(tài)水含量減少。

圖5 ?CE-L、HiCu 整體以及HiCu 云頂（與云頂距離小于500 m）的云內(nèi)（a）液態(tài)水含量、（b）冰水含量、（c）液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在各溫度層上的分布。標(biāo)記符號(hào)為平均值，誤差線左右兩端為10、90 百分位點(diǎn)Fig. 5 (a) LWC, (b) ?WC, and (c) liquid mass fraction in temperature level observed in whole ?CE-L, whole HiCu, and HiCu near the convective cloud top (＜500 m). The symbols represent the mean. The left and right ends of error bars represent the 10th, 90th percentile values, respectively

云內(nèi)冰粒子一般分布在零度層以上。由圖5b可得，?CE-L 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的云內(nèi)冰水含量的平均值在2.8×10-5～0.015 g m-3之間，冰濃度最高出現(xiàn)在-20°C 溫度層上，總體冰水含量隨著溫度降低存在一定的升高。在0°C 和-30°C 上冰水含量相對(duì)較小，但由于該兩個(gè)溫度層采樣少，無(wú)法得到明確的結(jié)論。結(jié)合圖5a 中層狀云液態(tài)水含量隨高度降低的結(jié)論，說(shuō)明在層狀云中冰晶主要通過(guò)消耗過(guò)冷水的貝吉龍過(guò)程生長(zhǎng)。而從圖5b 中HiCu 云中數(shù)據(jù)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，冰水含量平均值在0.001～0.16 g m-3之間，比?CE-L 的探測(cè)結(jié)果高1～2 個(gè)量級(jí)。這是由于對(duì)流云內(nèi)強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)提供了較高的液態(tài)水含量以及大液滴，促使冰水相互作用與冰晶繁生過(guò)程的發(fā)生。云內(nèi)的垂直氣流也可以使云內(nèi)的冰晶維持在云內(nèi)，甚至持續(xù)上升。此外，HiCu 云樣本中冰水含量隨溫度的降低而升高，在-15°C 溫度層達(dá)到最大值，然后在-25°C～-15°C 溫度區(qū)間內(nèi)變化較小。由圖5b 中藍(lán)色水平線對(duì)應(yīng)的冰水含量范圍可知，尤其在-5°C～-15°C 溫度范圍上，10 百分位點(diǎn)對(duì)應(yīng)冰水含量為0，而90 百分位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的冰水含量可接近1 g m-3。因此，有的云區(qū)沒(méi)有冰晶，而有的云區(qū)冰含量很高，對(duì)流云中冰水含量的空間變化很大。

層狀云與對(duì)流云的液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)也存在較大的差異。?CE-L 實(shí)驗(yàn)探測(cè)到云中的液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.85 以上，而HiCu 云中的液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0°C～-25°C 之間從1 減小到0.6，明顯小于?CE-L，說(shuō)明對(duì)流云中的冰晶粒子的生成和生長(zhǎng)更為活躍。對(duì)比HiCu 實(shí)驗(yàn)中云區(qū)云頂和整體的觀測(cè)結(jié)果，在溫度高于-20°C 的云區(qū)，HiCu 云中下部的液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)于云頂較大，體現(xiàn)了冰粒子的下落和冰水相互作用。而通過(guò)10%～90%范圍線來(lái)看，云內(nèi)的液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間變化很大，尤其是對(duì)流云。

圖6 為三個(gè)溫度層內(nèi)?CE-L 采樣的云區(qū)、HiCu 采樣的云區(qū)以及HiCu 采樣的云區(qū)云頂?shù)囊簯B(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的頻率分布。在混合相云中，冰晶與過(guò)冷水通常是非均勻分布的，因此，云內(nèi)不同區(qū)域的液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在差異。根據(jù)Korolev et al.（2003），將云中液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.9 的區(qū)域定義為水區(qū)，小于0.1 的區(qū)域?yàn)樵苾?nèi)冰區(qū)，而液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)位于0.1～0.9 之間的則為混合相態(tài)區(qū)。根據(jù)圖6a，層狀云的液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍較大，且頻率較廣，在-30°C～-10°C 溫度范圍內(nèi)，0～1.0 的液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有被探測(cè)到，僅在較暖的-10°C～0°C 溫度層上未發(fā)現(xiàn)冰區(qū)的存在，可見層狀云內(nèi)存在相態(tài)分布不均勻的現(xiàn)象。在各個(gè)溫度層中，?CE-L 云中水區(qū)的所占比例隨著溫度的降低而下降，從-10°C～0°C 的0.96 下降到-30°C～-20°C的0.67，由水區(qū)轉(zhuǎn)化為冰區(qū)與混合相態(tài)區(qū)?；旌舷鄳B(tài)區(qū)的比例隨溫度降低而上升，且各液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的區(qū)間內(nèi)均有增長(zhǎng)。而冰區(qū)相較于混合相態(tài)區(qū)，頻率增長(zhǎng)速度更快，在-30°C～0°C 溫度范圍內(nèi)從0 增長(zhǎng)到10-2，說(shuō)明隨著溫度降低，混合相態(tài)區(qū)域的過(guò)冷水轉(zhuǎn)化成了冰晶。根據(jù)圖6b、c，對(duì)流云的相態(tài)分布也不均勻。不同于層狀云，對(duì)流云中溫度為-10°C～0°C 的區(qū)域，不論是位于對(duì)流云中下部（圖6b）還是頂部（圖6c），均觀測(cè)到了以冰晶為主的區(qū)域（液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.4），并且對(duì)流云中下部出現(xiàn)的頻率要高于云頂約一個(gè)量級(jí)。這可能與粒子沉降有關(guān)。在各個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，對(duì)流云內(nèi)水區(qū)的比例隨溫度下降，從0.94 下降到0.59，而HiCu 云頂部分從0.91 下降到0.46。溫度范圍由-10°C～0°C 下降到-20°C～-10°C 時(shí)，混合相態(tài)區(qū)與冰區(qū)的比例存在明顯的增大，而在-30°C～-20°C 與-20°C～-10°C 溫度區(qū)間內(nèi)相近。與層狀云相比，對(duì)流云的冰區(qū)比例偏高，這與圖5 的分析是相符合的。

圖6 不同溫度層中（a）?CE-L、（b）HiCu 整體以及（c）HiCu云頂?shù)脑苾?nèi)液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的頻率分布Fig. 6 Frequency distributions of the liquid mass fraction at different temperature ranges observed in whole ?CE-L, whole HiCu, and HiCu near the convective cloud top

為了進(jìn)一步解釋云內(nèi)不同相態(tài)區(qū)域中的冰晶增長(zhǎng)，本文繼續(xù)對(duì)水區(qū)、混合相態(tài)區(qū)、冰區(qū)的冰水含量隨溫度的變化進(jìn)行研究。圖7 為不同溫度層冰水含量相對(duì)于液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的頻率分布。根據(jù)圖7a–i， 在?CE-L 和HiCu 實(shí)驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)云內(nèi)冰水含量最高的區(qū)域均集中在冰區(qū)，而非混合相態(tài)區(qū)，并且冰水含量與液態(tài)水質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由圖7a–c 可知，在?CE-L 探測(cè)到云中冰區(qū)、混合相態(tài)區(qū)冰水含量的比例隨溫度降低而升高的同時(shí)，冰區(qū)中冰水含量明顯存在升高的趨勢(shì)，而混合相態(tài)區(qū)與液相區(qū)的冰水含量基本不變。結(jié)合圖5a 中?CEL 探測(cè)到云中液態(tài)水含量隨溫度下降的趨勢(shì)可知，在層狀云中，隨著溫度降低，冰晶通過(guò)貝吉龍過(guò)程快速消耗云內(nèi)液態(tài)水而增長(zhǎng)，導(dǎo)致部分混合相態(tài)區(qū)中的過(guò)冷水逐漸消失，形成冰水含量較高的冰區(qū)。根據(jù)圖7d–f，雖然HiCu 實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到在較暖的-10°C～0°C 溫度層中云內(nèi)冰區(qū)的比例相對(duì)較低，但存在較高的冰水含量，說(shuō)明了對(duì)流云中冰晶沉降，并且冰晶掉落過(guò)程中同時(shí)發(fā)生冰晶繁生過(guò)程，這可以解釋在對(duì)流云較暖的中下層探測(cè)到的高冰水含量。由圖7i 發(fā)現(xiàn)，在0 到-10°C 之間HiCu 實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到云頂部分中也存在冰粒子，但冰水含量與出現(xiàn)概率遠(yuǎn)低于對(duì)流云的中下層。在圖7d–i 中，當(dāng)溫度位于-30°C～0°C 區(qū)間時(shí)，隨著溫度的降低，HiCu云內(nèi)混合相態(tài)區(qū)的平均冰含量存在升高的趨勢(shì)，但冰區(qū)的冰含量沒(méi)有隨著溫度降低而增加，最大冰含量出現(xiàn)在-20°C 到-10°C 之間的冰區(qū)。這種冰含量較高的冰區(qū)主要發(fā)生在云的內(nèi)部而非邊緣。由于對(duì)流云中的上升氣流會(huì)提供較高的飽和度，并且考慮到HiCu 實(shí)驗(yàn)云中的液態(tài)水含量隨溫度變化較小（圖5），因此，對(duì)流云內(nèi)的冰晶增長(zhǎng)過(guò)程中可能通過(guò)凇附增長(zhǎng)與冰晶繁生等過(guò)程快速消耗過(guò)冷水，而不僅是貝吉龍過(guò)程。由于對(duì)流云的垂直速度對(duì)云內(nèi)過(guò)冷水補(bǔ)充的速度會(huì)產(chǎn)生影響，因此不同區(qū)域的冰水轉(zhuǎn)化效率也不盡相同。當(dāng)冰晶消耗過(guò)冷水的速度大于過(guò)冷水增長(zhǎng)的速度時(shí)，冰區(qū)的冰水含量增加，同時(shí)冰區(qū)在云內(nèi)區(qū)域的占比也會(huì)升高；當(dāng)過(guò)冷水含量增長(zhǎng)較快時(shí)，混合相態(tài)區(qū)的含冰量會(huì)升高。根據(jù)圖7d–i 可以發(fā)現(xiàn)，在-20°C～-10°C 溫度區(qū)間HiCu實(shí)驗(yàn)云中存在較強(qiáng)的冰化效率。

圖7 不同溫度層中?CE-L（左）、HiCu 整體（中）以及HiCu 云頂（右）的云內(nèi)液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)和冰水含量的出現(xiàn)頻率（彩色陰影）Fig. 7 Liquid mass fractions and frequency (color shadings) of ?WC occurrence at different temperature ranges observed in whole ?CE-L (left), whole HiCu (middle), and HiCu near the convective cloud top (right)

3.2 粒子譜與粒子特征

圖8 表示的是在不同溫度范圍的粒子尺度分布情況，其中，粒子直徑在1～50 μm 為FSSP 探頭探測(cè)的小粒子譜分布，大于50 μm 為2D-C 探頭和2D-P 探頭共同探測(cè)的大粒子譜分布。由于儀器的限制，2D-C 探頭對(duì)直徑小于100 μm 的粒子濃度的測(cè)量結(jié)果存在誤差（Heymsfield et al., 2011），因此本文在研究冰晶數(shù)濃度時(shí)僅考慮直徑≥100 μm的粒子。如圖8a 所示，?CE-L 探測(cè)的云樣本中粒子譜在直徑8.81 μm 左右達(dá)到峰值，而HiCu 探測(cè)的云樣本中粒子譜在直徑13.5 μm 達(dá)到峰值。由于FSSP 探頭的局限性，HiCu 探測(cè)的云樣本中粒子譜曲線在直徑10～50 μm 的小粒子數(shù)濃度會(huì)被高估。通過(guò)觀察曲線的形態(tài)可知，?CE-L 探測(cè)的云樣本中粒子譜相對(duì)更窄，而HiCu 探測(cè)的云樣本中粒子譜較寬。通過(guò)計(jì)算，對(duì)于直徑≥100 μm 的粒子，?CEL 探測(cè)到的平均數(shù)濃度為1.076 L-1，而HiCu 探測(cè)到的平均數(shù)濃度為15.94 L-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于?CE-L。因此，層狀云具有較多的小液滴，而對(duì)流云內(nèi)云有更多冰粒子，這與圖5 所得結(jié)論相符。與圖8a 相比，各溫度層上?CE-L 和HiCu 探測(cè)的粒子譜線形狀與所有溫度層上的平均譜線基本相似（圖8b–d）。特殊的是，由圖8d 可知，在-10°C～0°C 溫度層上，?CE-L 探測(cè)的云樣本中粒子譜寬遠(yuǎn)小于HiCu，但隨著溫度降低，冰粒子生成，粒子譜變寬。對(duì)于?CE-L 實(shí)驗(yàn)，其探測(cè)到的冰粒子濃度在-10°C～0°C 溫度層上僅有0.002 L-1，隨著溫度的降低，?CE-L 探測(cè)到云中粒子譜的尾部拉長(zhǎng)，冰粒子濃度明顯增加，在-30°C～-20°C 溫度層達(dá)到2.130 L-1。HiCu 探測(cè)到云中粒子譜線也存在隨溫度下降而增寬的現(xiàn)象，冰粒子濃度從-10°C～0°C 的1.472 L-1增長(zhǎng)到-30°C～-20°C 的40.61 L-1，在各溫度層中，均存在HiCu 探測(cè)的云中冰粒子濃度比?CE-L 至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)的現(xiàn)象。通過(guò)與圖8a 中的冰晶濃度比較，發(fā)現(xiàn)層狀云中冰晶的生成主要發(fā)生在-30°C～-20°C 之間，而對(duì)流云在-20°C～-10°C 的溫度層內(nèi)冰晶生成最迅速。

圖8 ?CE-L 和HiCu 實(shí)驗(yàn)中使用FSSP 探頭、2D-C 探頭、2D-P 探頭測(cè)量的（a）全部溫度下、（b–d）不同溫度層的粒子譜。直徑（D）在1～50 μm 為FSSP 探頭探測(cè)的小粒子譜分布，大于50 μm為2D-C 探頭和2D-P 探頭共同探測(cè)的大粒子譜分布。N 表示粒子數(shù)濃度Fig. 8 Particle size distributions (PSDs) derived from FSSP, 2D-C,and 2D-P probes at (a) full temperature ranges and (b–d) different temperature ranges in ?CE-L and HiCu. Diameters from 1 to 50 μm are measured by FSSP probe, while those larger than 50 μm are measured by 2D-C probe and 2D-P probe. N represents particle number concentration

由于冰晶的形態(tài)依賴于環(huán)境溫度、濕度以及生長(zhǎng)過(guò)程（楊軍等，2011），因此，研究?CE-L 與HiCu 實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到的粒子形態(tài)有利于分析層狀云與對(duì)流云在不同溫度層中的冰晶生長(zhǎng)過(guò)程。在溫度高于-10°C 的溫度層中，觀測(cè)到冰晶主要為柱狀，也存在少量不規(guī)則形態(tài)（圖9a–c）。柱狀冰晶在-8°C～-5°C 之間是通過(guò)水汽擴(kuò)散生長(zhǎng)形成（Takahashi et al., 1991）。圖9b 顯示-20°C～-10°C 范圍中多為輻枝狀冰晶，這表明初始冰晶在層狀云中通過(guò)凝華擴(kuò)散增長(zhǎng)。而在-20°C 以下時(shí)，根據(jù)圖9a，觀測(cè)到大量的不規(guī)則冰晶，表明層狀云中，初始冰晶除了通過(guò)凝華增長(zhǎng)外，還發(fā)生了冰晶之間的碰撞合并，以及冰晶凇附過(guò)程。需要說(shuō)明的是，在0°C 與-20°C 之間也存在大量不規(guī)則形狀的冰晶聚合體，形狀與圖9a 相似，特別是在一些相對(duì)較為深厚的云中，表明了云內(nèi)冰晶粒子的生長(zhǎng)經(jīng)過(guò)了更復(fù)雜的過(guò)程。HiCu 對(duì)流云內(nèi)粒子圖像如圖9d–i 所示，各溫度層主要為凍滴、霰粒子與不規(guī)則冰晶，表明對(duì)流云內(nèi)通過(guò)過(guò)冷水凍結(jié)生成初始冰晶，并存在明顯的凇附增長(zhǎng)過(guò)程。在 -10°C～0°C 溫度層中HiCu實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)了針狀、柱狀冰晶，這可能是通過(guò)冰晶繁生過(guò)程生成的小冰粒通過(guò)凝華增長(zhǎng)形成（Heymsfield and Willis, 2014）。通常，凇附—破碎這一冰晶繁生過(guò)程在-8°C～-3°C 之間較為有效。其他冰晶繁生過(guò)程，如大粒子凍結(jié)破碎和冰粒子碰撞破碎同樣對(duì)對(duì)流云內(nèi)冰晶的大量生成產(chǎn)生促進(jìn)作用。根據(jù)圖9g–i，在對(duì)流云云頂同樣發(fā)現(xiàn)了大冰晶的存在，這可能是由于云內(nèi)強(qiáng)烈的上升氣流托舉液滴、小冰晶，并維持在云頂一定高度上增長(zhǎng)形成的。

圖9 （a–c）?CE-L、（d–f）HiCu 整體以及（g–i）HiCu 云頂?shù)牧Ｗ訄D像Fig. 9 Particle images sampled in (a–c) whole ?CE-L, (d–f) whole HiCu, and (g–i) HiCu near the convective cloud top

3.3 垂直速度對(duì)對(duì)流云微物理特征的影響

對(duì)流云中的垂直上升運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致其與層狀云微物理特征相異的重要原因，因此，研究云內(nèi)上升氣流的垂直速度對(duì)對(duì)流云微物理特征的影響十分重要。如圖10a、d 所示，對(duì)流云內(nèi)的液態(tài)水含量在不同垂直速度下隨溫度的變化趨勢(shì)是相同的。同一溫度層上，液態(tài)水含量與垂直速度具有明顯的相關(guān)性，垂直速度越大，云內(nèi)的液態(tài)水含量越高。較弱的上升氣流（1～3 m s-1）與較強(qiáng)的上升氣流（＞5 m s-1）中的液態(tài)水含量差值在0.3～0.7 g m-3之間。根據(jù)圖10b、e，在對(duì)流云中下部與云頂?shù)牟煌仙龤饬髦斜烤嬖陔S溫度下降而升高的趨勢(shì)，但冰水含量與垂直速度之間沒(méi)有明顯相關(guān)性，部分溫度層還發(fā)現(xiàn)了上升氣流弱的區(qū)域的冰水含量更大。圖10c、f 顯示，在對(duì)流云中下部與云頂中，不同垂直速度下均呈現(xiàn)液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度降低而減小的趨勢(shì)，液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在較強(qiáng)的上升氣流中較大，這主要是因?yàn)橐簯B(tài)水含量隨著垂直速度增加而增大。

圖10 不同溫度層上（a–c）HiCu 整體、（d–f）HiCu 云頂?shù)纳仙龤饬髦衅骄模╝、d）液態(tài)水含量、（b、e）冰水含量、（c、f）液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的垂直分布Fig. 10 Vertical distributions of (a, d) LWC, (b, e) ?WC, and (c, f) liquid mass fraction in the updrafts sampled in (a–c) whole HiCu and (d–f) HiCu near the convective cloud top at different temperature ranges

圖11 顯示了不同垂直速度下的HiCu 實(shí)驗(yàn)中2D 探頭探測(cè)整體云中上升氣流以及云頂部分的上升氣流中的粒子譜。探測(cè)到的粒子直徑分布在50～2500 μm 范圍內(nèi)，因此，該譜線體現(xiàn)的是冰粒子譜線分布。通過(guò)觀察可知，各個(gè)溫度層和速度范圍內(nèi)的冰晶數(shù)濃度分布譜形較為相似。一方面，與云的中下部相同，對(duì)流云頂也存在大粒子，這可能是由于對(duì)流云中較強(qiáng)的上升氣流攜帶大量過(guò)冷水與小冰晶較長(zhǎng)時(shí)間地維持在云頂，使得冰晶持續(xù)增長(zhǎng)，因而在云頂中也能觀測(cè)到大冰晶的存在。另一方面，不同垂直速度的上升氣流中同樣均探測(cè)到冰晶的存在。由圖11 可知，-30°C～0°C 溫度范圍內(nèi)，對(duì)流云在弱上升氣流（1～3 m s-1）中冰晶濃度相對(duì)較高，但整體上在-30°C～-20°C 與-10°C～0°C 溫度層上，粒子譜與垂直速度沒(méi)有相關(guān)性。在-10°C～0°C 溫度范圍內(nèi)，根據(jù)圖11f，HiCu 采樣的云頂在較強(qiáng)的上升氣流中觀測(cè)到更多的大粒子，尤其是直徑在200 μm 以上的冰晶。因此，當(dāng)對(duì)流云云頂溫度較高時(shí)，較強(qiáng)的上升氣流有助于冰粒子的生成。但是，由于數(shù)據(jù)有限，這一點(diǎn)需要今后通過(guò)更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖11 使用2D-C 探頭測(cè)量的（a–c）HiCu 整體與（d–f）HiCu 云頂上升氣流在不同溫度層上的粒子譜分布Fig. 11 PSDs derived from 2D-C probe at different temperature ranges in the updrafts in (a–c) whole HiCu and (d–f) HiCu near the convective cloud top

4 討論

本文基于?CE-L 與HiCu 的飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)，定量分析了中落基山地區(qū)混合相態(tài)的冬季較淺薄的層狀云與較弱的及中等強(qiáng)度的夏季對(duì)流云的微物理特征，所得結(jié)果有助于加深理解同一地區(qū)不同類型混合相態(tài)云中微物理特征的區(qū)別，為模式的驗(yàn)證和參數(shù)化的改進(jìn)提供支撐。冬季混合相態(tài)層狀云與夏季混合相態(tài)對(duì)流云中微物理特征的區(qū)別主要是由于它們動(dòng)力結(jié)構(gòu)不同以及冰晶生成機(jī)制有所區(qū)別引起的，然而，其他一些因素同樣可能導(dǎo)致它們相態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同。首先，冰核的數(shù)濃度和化學(xué)成分是影響云內(nèi)相態(tài)結(jié)構(gòu)的重要因素。?CE-L 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的是冬季較淺薄的層狀云，該地區(qū)冬季冰核數(shù)濃度在10-3～6 L-1之間（Field et al., 2012），與本文觀測(cè)到的?CE-L 層狀云冰晶數(shù)濃度數(shù)量級(jí)相同，說(shuō)明異質(zhì)核化是?CE-L 云中冰晶生成的主要機(jī)制。HiCu探測(cè)的是較弱的和中等強(qiáng)度的夏季對(duì)流云，其冰核的來(lái)源、數(shù)濃度和化學(xué)成分與?CE-L 有所不同。夏季，該地區(qū)地表有較多植被，且該地區(qū)畜牧業(yè)發(fā)達(dá)，可以提供生物質(zhì)冰核，促進(jìn)冰晶在溫度較高的云區(qū)形成（Kanji et al., 2017）。同時(shí)，對(duì)流云與邊界層有更好的耦合，近地表的氣溶膠易通過(guò)對(duì)流被帶入高空，進(jìn)而影響高空云內(nèi)冰晶的生成，可能導(dǎo)致云內(nèi)冰水含量較多。根據(jù)目前已有的研究表明，-20°C～0°C 生物質(zhì)冰核的數(shù)濃度在10 L-1以下，少于HiCu 中觀測(cè)到的冰晶數(shù)濃度，因此其他冰晶生成過(guò)程如冰晶繁生也很重要。由于HiCu 實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有對(duì)冰核進(jìn)行觀測(cè)，以上討論需要進(jìn)一步驗(yàn)證。其次，?CE-L 和HiCu 實(shí)驗(yàn)中天氣背景和水汽來(lái)源不同。冬季，該地區(qū)盛行風(fēng)為西風(fēng)，大量水汽在落基山西側(cè)通過(guò)地形降水被消耗。因此在懷俄明和科羅拉多地區(qū)冬季較為干燥，大尺度鋒面系統(tǒng)和地形導(dǎo)致的強(qiáng)迫抬升是該地區(qū)層狀云形成的重要原因（Jing et al., 2017）。不同的天氣背景可能導(dǎo)致云的宏觀結(jié)構(gòu)和微物理過(guò)程不同，例如，在水汽充沛的條件下，由強(qiáng)冷鋒抬升等過(guò)程形成的較為深厚的層狀云中冰晶數(shù)濃度較大，冰水含量較高，而弱鋒面層狀云中冰晶較少（陳寶君等, 1998; 郭學(xué)良等,1999）。而在夏季，該地區(qū)對(duì)流云主要通過(guò)地形的熱力作用形成，水汽主要來(lái)源于地表，對(duì)流云的發(fā)展高度和強(qiáng)度取決于對(duì)流有效位能（CAPE）和靜力穩(wěn)定度等因素。在HiCu 實(shí)驗(yàn)中，CAPE 為100～500 J kg-1，均為孤立生成的弱對(duì)流和中等強(qiáng)度的對(duì)流。云的不同發(fā)展階段微物理特征所有不同，在對(duì)流云發(fā)展初期，云中冰晶相對(duì)較少，大液滴多，隨著云的發(fā)展，冰晶可能通過(guò)繁生等機(jī)制快速生成；而成熟階段，云中會(huì)有大量冰晶，并伴有復(fù)雜的冰水相互作用；消散階段，云內(nèi)主要為冰晶，垂直氣流很弱（Yang et al., 2016a; 蔡兆鑫等, 2019）。層狀云和對(duì)流云與周圍未飽和空氣的相互作用不同。層狀云由于其較為扁平的宏觀結(jié)構(gòu)，其頂部與上方空氣的夾卷混合對(duì)云內(nèi)微物理特征起到重要作用，一方面會(huì)導(dǎo)致云滴數(shù)濃度降低或直徑減小，導(dǎo)致云內(nèi)的液態(tài)水含量和冰水含量減小，另一方面可能改變?cè)苾?nèi)的熱力特征，加強(qiáng)云內(nèi)的湍流，導(dǎo)致云內(nèi)的粒子譜變寬。而對(duì)流云與周圍空氣的混合不僅發(fā)生在云頂，還會(huì)發(fā)生在云體的側(cè)面，這可能是導(dǎo)致對(duì)流云水平方向上相態(tài)結(jié)構(gòu)不均勻的重要原因之一。

與針對(duì)其他地區(qū)的研究相比，本文得到的結(jié)果不盡相同。如Korolev et al.（2003）統(tǒng)計(jì)了五次不同地區(qū)的飛機(jī)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在不同溫度區(qū)間混合相態(tài)區(qū)的比例都很低，在-30°C 及以下以冰晶為主，在-5°C 及以上以液態(tài)水為主。在-30°C 與-5°C 之間，云內(nèi)既有冰晶為主的區(qū)域也有液態(tài)水為主的區(qū)域，但混合相態(tài)區(qū)域占比很小。這可能由于他們所觀測(cè)云更為深厚，在較為深厚的云中大量冰晶的下沉可以快速消耗過(guò)冷水，這表明當(dāng)云內(nèi)冰晶數(shù)濃度較高時(shí)，云冰化的時(shí)間尺度可能小于云的生命周期。Zhao（2011）等針對(duì)阿拉斯加地區(qū)的層狀云分析表明，云內(nèi)的液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0°C 到-20°C 之間從1 下降到0.8，這與本文?CE-L 的結(jié)果較為相近。但是，Zhao（2011）同時(shí)表明，在沙塵天氣，-15°C以下云內(nèi)液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)有較大程度的減小。?CE-L 觀測(cè)期間，未出現(xiàn)沙塵天氣。Yang et al.（2016b）對(duì)熱帶海洋對(duì)流云的飛機(jī)觀測(cè)表明，云內(nèi)液態(tài)水含量隨著上升氣流增強(qiáng)而增大，這與本文對(duì)HiCu 的分析結(jié)果相似，但是Yang et al.（2016b）發(fā)現(xiàn)熱帶海洋對(duì)流云中冰晶的生成效率相較于HiCu 對(duì)流云更高，發(fā)展期云中液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0°C 到-15°C 之間從1 下降到了0.3，消散期對(duì)流云中的液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2 以下。Wang et al.（2015）通過(guò)美國(guó)南部大平原的中尺度對(duì)流系統(tǒng)的飛機(jī)觀測(cè)資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的層狀降水區(qū)，以冰晶為主，冰含量達(dá)到1.2 g m-3，比本文HiCu 對(duì)流云的冰含量高。國(guó)內(nèi)對(duì)層狀云與對(duì)流云的研究中，蔡兆鑫等（2019）對(duì)山西地區(qū)的大陸性積云觀測(cè)表明，初生階段以小云滴為主，液態(tài)水含量為0～0.8 g m-3。在高度3800 m 以上，液態(tài)水含量為0～0.4 g m-3，比HiCu 云中的液態(tài)水含量稍小。隨著云的發(fā)展，有冰晶形成，直徑大于100 μm 的冰晶數(shù)濃度相對(duì)于HiCu 的觀測(cè)結(jié)果稍低；冰晶尺度可以達(dá)到5000 μm 以上，與HiCu觀測(cè)結(jié)果相似。楊潔帆等（2021）對(duì)太行山東麓一次西風(fēng)槽天氣系統(tǒng)的影響下的層狀云進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在-5°C 溫度層上液態(tài)水含量低于0.05 g m-3，低于?CE-L 云中液態(tài)水含量；冰粒子尺度在100～300 μm 范圍內(nèi)，主要為通過(guò)凝華增長(zhǎng)形成針狀和柱狀冰晶，這與?CE-L 相似。楊文霞等（2005）對(duì)河北省春季層狀云個(gè)例的分析表明，冰晶尺度隨高度降低而增大，并且在3400 m（-1.5°C）～3100 m（0°C）增長(zhǎng)最快，這?CE-L 觀測(cè)到的冰晶尺度的變化趨勢(shì)相反。冰水含量在4170 m 出現(xiàn)峰值，達(dá)到0.237 g m-3，也遠(yuǎn)高于?CE-L 在0°C～-5°C 溫度范圍內(nèi)的觀測(cè)值。我國(guó)降水云的微物理特征與本文研究的中落基山地區(qū)冬季較淺薄的層狀云與較弱的和中等強(qiáng)度的夏季對(duì)流云存在明顯的差異。胡朝霞等（2007）對(duì)我國(guó)東北地區(qū)的一次層狀云降水過(guò)程進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)，在0°C～-15°C 之間，F(xiàn)SSP-100 測(cè)量的平均液態(tài)水含量達(dá)到0.49 g m-3，遠(yuǎn)高于?CE-L 云中的液態(tài)水含量；由2D-C 測(cè)量的直徑大于100 μm 的大粒子濃度隨高度的變化較小，而在?CE-L 中存在明顯增多的趨勢(shì)。根據(jù)2001 年一次飛機(jī)測(cè)量資料分析得出，西北地區(qū)春季層狀云云中平均含水量為0.036 g m-3，并且觀測(cè)到由于地形作用導(dǎo)致層狀云局部高含水量（李淑日, 2006）；同年的8 架次飛機(jī)探測(cè)結(jié)果表明，西北地區(qū)春季層狀云中云所處溫度范圍在-17°C～-2°C 范圍內(nèi)，降水性層狀云厚約2000 m，云中液態(tài)水含量高于非降水云，平均值為0.05 g m-3（趙增亮等, 2010），均低于?CE-L 的觀測(cè)值。根據(jù)1989～2008 年山東省23 架次飛機(jī)探測(cè)資料，張佃國(guó)等（2011）研究得出山東省降水云系中存在較為豐富的過(guò)冷水，在國(guó)內(nèi)僅次于河北省，平均液態(tài)水含量最大可達(dá)0.093 g m-3，均低于?CE-L 與HiCu 的探測(cè)結(jié)果。積層混合云中的冰晶形態(tài)與增長(zhǎng)過(guò)程也與?CE-L 層狀云與HiCu 對(duì)流云有所不同，朱士超和郭學(xué)良（2014）基于對(duì)北京地區(qū)飛機(jī)聯(lián)合探測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究，發(fā)現(xiàn)云中的冰晶形狀與云頂溫度和增長(zhǎng)方式與其所在位置相關(guān)，層云區(qū)由凝華方式主導(dǎo)，而嵌入對(duì)流區(qū)發(fā)生還會(huì)凇附和聚并過(guò)程。

總之，不同地區(qū)、不同類型的混合相態(tài)云中的微物理特征不盡相同，這些差異是多種因素會(huì)導(dǎo)致的。但從本文的研究和與已有研究的討論來(lái)看，中落基山地區(qū)典型的夏季對(duì)流云和冬季層狀云之間微物理特征的區(qū)別是明顯的，因此在數(shù)值天氣模式和氣候模式中，需要充分考慮兩者的不同，這在云微物理整體參數(shù)化方面尤其重要。

5 結(jié)論

本文基于?CE-L 和HiCu 實(shí)驗(yàn)中的飛機(jī)觀測(cè)資料，對(duì)中落基山地區(qū)較淺薄的冬季混合相態(tài)層狀云與較弱的和中等強(qiáng)度的夏季對(duì)流云的微物理特征進(jìn)行定量對(duì)比研究。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行了多架次的隨機(jī)穿云采樣，觀測(cè)結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)意義。其中，液態(tài)水含量使用熱線探頭進(jìn)行測(cè)量，冰晶粒子譜、冰水含量以及冰晶的形狀采用了2D 探頭的觀測(cè)資料進(jìn)行分析。由于層狀云與對(duì)流云內(nèi)冰晶形狀不同，本文選擇了不同的質(zhì)量—直徑關(guān)系對(duì)云內(nèi)冰水含量進(jìn)行計(jì)算，分別適用于層狀云和對(duì)流云。本文的主要結(jié)論如下：

（1）在-30°C～0°C 的溫度層范圍內(nèi)，層狀云內(nèi)液態(tài)水含量平均值在0.04～0.18 g m-3之間，且隨溫度的降低而減小，而對(duì)流云液態(tài)水含量平均值在0.2～0.5 g m-3之間，在-20°C～0°C 上隨溫度的降低而增大。對(duì)流云內(nèi)的液態(tài)水含量比層狀云高一個(gè)數(shù)量級(jí)。層狀云內(nèi)冰水含量總體上隨溫度降低而升高，冰晶通過(guò)貝吉龍過(guò)程增長(zhǎng)。而對(duì)流云內(nèi)冰水含量也隨溫度降低而升高，在-15°C 溫度層達(dá)到最大值。對(duì)流云的冰水含量比層狀云高一到兩個(gè)量級(jí)。層狀云的液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.85 以上，而對(duì)流云的液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于層狀云，并且隨溫度的減小而遞減。

（2）層狀云與對(duì)流云內(nèi)相態(tài)空間分布極不均勻。隨著溫度從0°C 降低到-30°C，在層狀云中冰晶發(fā)生貝吉龍過(guò)程，云中過(guò)冷水為主的區(qū)域向混合相態(tài)和冰相轉(zhuǎn)化。而對(duì)流云中相態(tài)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。相較于層狀云，對(duì)流云在-10°C～0°C 溫度層上觀測(cè)到更高的冰水含量，冰晶為主的區(qū)域出現(xiàn)頻率也更高。在-20°C～-10°C 溫度層上存在較強(qiáng)的冰化效率，僅靠貝吉龍過(guò)程無(wú)法解釋，體現(xiàn)了對(duì)流云中復(fù)雜的冰水相互作用，如冰晶沉降與冰晶繁生等過(guò)程。

（3）在-30°C～0°C 的溫度范圍內(nèi)，層狀云的粒子譜相較于對(duì)流云更窄，具有更高濃度的小液滴，而對(duì)流云冰粒子的濃度更高。當(dāng)溫度從-10°C～0°C 溫度層下降到-30°C～-20°C 溫度層時(shí)，層狀云的粒子譜明顯增寬。在各個(gè)溫度層中，?CE-L 層狀云中冰晶的生成主要發(fā)生在-30°C～-20°C 之間，而HiCu 對(duì)流云在-20°C～-10°C 的溫度層內(nèi)冰晶生成最迅速。

（4）層狀云中，溫度低于-20°C 時(shí)冰晶主要為無(wú)規(guī)則狀，在-20°C～-10°C 觀測(cè)到了輻枝狀和無(wú)規(guī)則狀冰晶，在-10°C 以上觀測(cè)到了柱狀和無(wú)規(guī)則狀冰晶，說(shuō)明冰晶的生長(zhǎng)主要為凝華增長(zhǎng)和碰并增長(zhǎng)。而對(duì)流云以凍滴、霰粒子與不規(guī)則冰晶為主，說(shuō)明主要為液滴凍結(jié)、淞附增長(zhǎng)和碰并增長(zhǎng)為主。同時(shí)在-10°C～0°C，對(duì)流云中可能發(fā)生冰晶繁生，形成小冰粒并凝華增長(zhǎng)形成針狀、柱狀冰晶。在對(duì)流云云頂附近以冰晶凍滴、霰粒子與不規(guī)則形狀為主，說(shuō)明液滴的凍結(jié)和淞附過(guò)程是對(duì)流云冰晶快速形成的重要方式。

（5）對(duì)流云微物理特征與云內(nèi)上升氣流的垂直速度存在一定的相關(guān)性。較強(qiáng)的上升氣流中存在較高的液態(tài)水含量和液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在不同垂直速度的上升氣流中均存在大冰晶。而冰水含量和粒子譜與垂直速度無(wú)明顯的相關(guān)性，說(shuō)明在HiCu 對(duì)流云中，垂直速度的增加不會(huì)使云內(nèi)冰晶生成的效率明顯增加。