華北地區一次低槽冷鋒云系結構和增雨條件研究

史月琴，趙俊杰，孫 晶，孫玉穩

（1.中國氣象局云降水物理與人工影響天氣重點開放實驗室，北京 100081；2.中國氣象局人工影響天氣中心，北京 100081；3.山西省氣象災害防御技術中心，山西 太原 030032；4.河北省人工影響天氣辦公室，河北 石家莊 050021）

引 言

華北地區處于暖溫帶半潤濕半干旱區，年平均降水量400～800 mm，降水季節分配不均，年際變化大，旱災發生頻繁。地處華北地區的河北、山西2017年春季發生嚴重干旱，對農作物播種及生長造成一定影響［1］，抓住有利時機開展人工增雨作業有利于緩解旱情、減輕干旱災害影響。低槽冷鋒是河北省春秋季的主要降水天氣系統，形成的大范圍層狀云系是當地人工增雨的主要作業對象［2］，但并不是云系的所有區域都適合開展人工增雨作業，如何確定合適的增雨時機和部位是科學實施增雨作業的關鍵。研究發現鋒前、鋒區、鋒后的云系結構和降水機制差異明顯，位于地面鋒面上的窄冷鋒雨帶，其云系為冷暖混合云，自上而下分別是冰晶、雪、霰和過冷水、液態水，過冷水的分布局地性強，而位于鋒線稍后的高空鋒區屬于寬冷鋒雨帶，常為高層冷云［3-8］。在云的發展、維持階段，上升氣流供應的水汽可維持人工增雨的潛力［9］，同時催化引起的水凝物相態轉化帶來潛熱釋放，進而引起局部增溫和上升速度增加，也可促進云和降水發展。春季出現的低槽冷鋒云系不同發展階段的云系結構及增雨條件研究有助于提高人工增雨作業效率，進而緩解當地旱情。

人工增雨不同于人工激發降水，考慮增雨作業的經濟需求和實際作業效果，通常選擇雨強大于0.1 mm·h-1的雨區開展［9］。自然云中冰晶濃度較低有利于增雨作業，陶樹旺等［10］研究認為機載2D-C探測的大粒子數濃度小于20 個·L-1時，可確定為強可播區，否則為可播區。

經典理論認為，催化引入的人工冰晶可通過貝吉隆過程將過冷云水轉化為降水。胡志晉［9］指出人工冰晶還可使部分冰面過飽和水汽轉化為降水，這個觀點在碘化銀（AgI）催化數值模擬試驗中得到了印證［11-13］。AgI 人工冰核有4 種核化機制［14］，即接觸凍結、浸沒凍結核化消耗過冷水，凝華、凝結凍結核化消耗過飽和水汽。在沒有過冷水的區域，AgI 以凝華核化為主，發生條件是云中溫度低于-5 ℃且冰面飽和比大于1.04［15］。孫晶等［7］采用逐時雨強、上升運動區、過冷水含量、冰晶數濃度及溫度構建增雨條件指標，發現西風槽降水云系中槽線附近存在強可播區，但該指標體系沒有考慮云中冰面過飽和水汽對增雨的潛力。而在層狀云降水形成過程中，冰面過飽和水汽對凝華增長有較大作用［4］。

目前還鮮少有研究選擇一個特定區域，以時間演變的角度對經過本地的低槽冷鋒云系展開研究。本文以邢臺地區為例，研究不同降水階段云系結構和增雨條件，以期為科學、精準、安全實施人工增雨作業提供技術支撐。

1 資料與方法

所用的NCEP FNL 再分析資料（https：//rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/），水平分辨率為1°×1°，時間間隔6 h，用于分析天氣形勢并作為初始場和側邊界條件啟動云降水顯式預報系統（Cloud and Precipitation Explicit Forecast System，CPEFS_v1.0）。FY-2F

衛星黑體亮溫數據來源于風云衛星遙感數據服務網（http：//data.nsmc.org.cn/portalsite/Data/Satellite.aspx）。中國地面自動氣象站與CMORPH（Climate Prediction Center MORPHing technique，CMORPH）衛星反演降水融合的逐小時降水量產品（V1.0）［16］，水平分辨率為0.1°×0.1°，地面自動站雨量資料均來源于中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/）。文中附圖涉及的地圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS（2021）1328 號的標準地圖制作，底圖無修改。

模擬采用CPEFS_v1.0 系統，該系統基于WRF動力框架耦合了中國氣象科學研究院（Chinese Academy of Meteorological Sciences，CAMS）云微物理方案［17-18］。模擬時段為5月22日08：00 至23日08：00，模式水平分辨率為3 km，中心點位于114.5°E、37.5°N，水平格點數400×350，垂直方向上分為不等間距32 層，模式頂層氣壓為50 hPa，時間步長15 s，10 min 輸出一次模擬結果。采用MYJ 邊界層方案、RRTM 長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案，由于模式水平分辨率達到對流可分辨尺度，故沒有采用積云參數化方案。

利用CPEFS_v1.0，結合實況資料，對2017年5月22日一次低槽冷鋒系統經過邢臺站時的水汽、動力、云宏微觀結構特征進行研究，在已往研究基礎上構建增雨條件數值模式綜合識別指標，利用該指標體系對不同降水階段與不同區域的增雨可播區進行識別。

2 天氣形勢與降水過程概況

2017年5月22日08：00（北京時，下同），我國西北地區東部到華北地區500 hPa 多短波擾動，由700 hPa 低渦中心延伸出的切變線經過內蒙古東南部—河北北部—山西北部，500 hPa槽線明顯落后于700 hPa切變線，為典型的后傾槽［圖1（a）］。850 hPa高度場上山西、河北處于倒槽影響下，河北北部—山西北、中部存在明顯的切變錢，山西與河北的中部、南部比濕超過9 g·kg-1；地面伴隨有冷鋒，地面鋒線位于遼寧中部—河北中部—山西中部—陜西中部一線，河北南部受偏南風影響［圖1（b）］。大范圍低槽冷鋒云系呈帶狀分布，主要位于地面鋒線之后、500 hPa 高空槽前，08：00 邢臺上空還沒有云系覆蓋。

低槽冷鋒在東移過程中發展加強，22日14：00邢臺位于地面鋒線附近的云系前緣，20：00，700 hPa切變線壓在邢臺上空，邢臺處于地面鋒線后及500 hPa槽前的冷鋒云系中間部位［圖1（c）、圖1（d）］。23日02：00，500 hPa高空槽已移過邢臺，邢臺地區處于冷鋒云系尾部。

圖1 2017年5月22日08：00（a、b）與20：00（c、d）位勢高度、溫度、風場、FY-2F衛星黑體亮溫及比濕分布［（a、c）圖中，紅色虛等值線表示500 hPa溫度（單位：℃），藍色和黑色實等值線分別表示500 hPa和700 hPa位勢高度（單位：dagpm），風矢（單位：m·s-1）表示700 hPa風場，填色表示FY-2F黑體亮溫（單位：K）。（b、d）圖中，紫色實等值線表示850 hPa位勢高度（單位：dagpm），填色表示比濕（單位：g·kg-1），風矢（單位：m·s-1）表示10 m高度風場］Fig.1 The distribution of geopotential height，temperature，wind field，black body temperature observed by satellite FY-2F and specific humidity at 08：00 BST （a，b） and 20：00 BST （c，d） May 22，2017（In fig.a and fig.c，the red dashed isolines are temperature （Unit：℃） at 500 hPa，the blue and black solid contours are geopotential height （Unit：dagpm） at 500 hPa and 700 hPa，respectively，wind vectors （Unit：m·s-1） are wind field at 700 hPa，the color shaded is black body temperature of FY-2F （Unit：K）.In fig.b and fig.d，the purple solid contours are geopotential height （Unit：dagpm）at 850 hPa，the color shaded is specific humidity （Unit：g·kg-1） ，and wind vectors are wind field at 10 m height （Unit：m·s-1））

受低槽冷鋒系統影響，5月22—23日華北地區雨帶呈東北—西南走向，與云帶走向一致，并隨系統自西北向東南移動（圖2）。700 hPa 切變線與地面鋒線相距2 個緯距左右，致使靠近地面鋒線處的雨帶窄而雨強大［19］，3 h 內出現降水的區域約200～400 km寬，各地24 h降雨量普遍超過10 mm，其中山西南部、河南北部、河北西南部等地出現25～50 mm的大雨，河北西南部局地出現70～120 mm 的暴雨。此次過程是2017年入春以來最明顯的降水過程，河北及山西等地氣象部門抓住有利時機，開展了飛機和地面增雨作業，助力各地緩解旱情。

3 模擬結果驗證

邢臺站（114.36°E、37.18°N）位于太行山東側，緊鄰太行山，海拔高度183 m。利用邢臺站10 min雨量資料、中國地面自動氣象站與CMORPH 融合逐小時降水量產品（v1.0）作為實況對模擬結果進行驗證。

從實況和模擬的逐3 h 雨量分布（圖2）可知，雨區呈東北—西南走向的狹長帶狀分布，雨帶隨著鋒面系統逐漸東移南壓影響山西中部、南部及河北中部、河南、山東等地，降水大值區主要位于山西南部、河南北部及山西與河北交界處的太行山區?？梢钥闯?，CPEFS_v1.0 模擬出了靠近地面鋒線的窄冷鋒雨帶與高空鋒區造成的寬冷鋒雨帶，模擬的雨帶落區、范圍、形狀與實況基本一致，模擬的強降水中心累積雨量比實況略大。

圖2 實況（左）和模擬（右）的5月22日3 h地面雨量分布（單位：mm）（黑點為邢臺站）Fig.2 The distribution of observed （the left） and simulated （the right） 3 h rainfall on May 22，2017 （Unit：mm）（The black dot is Xingtai station）

邢臺站24 h 降雨量為42.6 mm，根據降水量等級標準［20］達到大雨量級。從邢臺站逐10 min 實況雨量演變（圖3）可知，降水從22日14：40 開始，持續到23日02：40 結束。其中14：50—15：10 逐10 min雨量超過2.0 mm，15：20—17：00 逐10 min 雨量均大于或接近1.0 mm，此階段降水強度較大。

圖3 2017年5月22日13：00至23日04：00邢臺站逐10 min降水量演變Fig.3 The evolution of observed and simulated 10-minute rainfall from 13：00 BST 22 to 04：00 BST 23 May，2017 at Xingtai station

從CPEFS_v1.0 模擬結果看，模擬的逐10 min 雨量22日14：30 為0.4 mm，15：10 達到最大2.7 mm，比實況（2.9 mm）僅小0.2 mm；16：20—17：00 降水強度明顯減弱，17：10 后雨強變化平緩，23日04：00 降水結束。該系統較好地模擬了本次冷鋒降水的演變過程，模擬的降水開始時間、峰值時段與實測基本一致。

實況與模擬的逐10 min 雨量均體現出低槽冷鋒降水系統經過邢臺本站的特征及變化，先出現的較強降水體現了靠近地面鋒線的窄冷鋒雨帶降水特征，之后出現降水強度小但較均勻、持續時間長的寬冷鋒雨帶降水特征。

4 不同降水時段云系特征

按照邢臺站逐10 min 雨量變化，依據冷鋒云系特征，將22日13：30—17：00、22日17：10 至23日01：20、23日01：30—04：00劃分為鋒面抬升強雨期、深厚層云小雨期和降水消散期，分別對各階段的水汽、動力條件及云系特征進行分析。

4.1 鋒面抬升強雨期

從圖4（a）看出，邢臺站300 hPa 以下都有水汽輸送，22日14：20 降水開始之前，850 hPa 以下低層比濕超過12 g·kg-1，17：00 之前700 hPa 以下比濕基本均大于9 g·kg-1。從14：00 開始，近地面水汽通量最大值達24 g·hPa-1·cm-1·s-1，700 hPa 水汽通量達6 g·hPa-1·cm-1·s-1，表明由冷鋒造成的暖濕空氣強烈抬升階段水汽輸送旺盛，水汽含量充沛，水汽聚集時間早于降水出現時間，近地面水汽通量大于21 g·hPa-1·cm-1·s-1的大值存在時間與較強降水出現時間一致。

圖4（b）顯示，22日14：00 后邢臺站近地層偏東風轉為東北風，表明地面冷鋒移過邢臺站，降水出現在地面冷鋒過境之后。14：20—16：10，近地層東北風風速達10 m·s-1，低層強勁的冷墊勢力有利于輻合抬升；700 hPa 為偏東風，風速僅1～4 m·s-1，說明700 hPa 切變線仍未過境；500 hPa 持續為西南氣流，風速最大不超過6 m·s-1。700 hPa 與500 hPa 中高層引導氣流偏弱造成云系移動緩慢。垂直運動方面，由于鋒面系統的輻合抬升，22日13：30之后上升運動明顯加強，從近地層發展到200 hPa，大值中心出現在350 hPa附近（最大達1.0 m·s-1），伴隨降水出現產生下沉運動。之后高層仍存在上升運動區（高度可達100 hPa），中低層上升運動維持，但與高層上升運動區之間不連續。

從圖4（c）可知，22日13：40 之前云系只是高層冰云，包含少量冰晶和雪晶。14：00—15：00，由于高層上升運動的存在，冰晶混合比快速增大，大值中心出現在250 hPa，最大達0.4 g·kg-1；在冰晶混合比大值中心下方區域雪晶混合比隨時間逐漸增加，其大值中心（最大值0.3 g·kg-1）出現在450～350 hPa。15：00 之后，300～150 hPa 高度范圍內冰晶數濃度最高達5000個·L-1，但冰晶混合比減小，雪晶混合比變化不大；在600～500 hPa 高度范圍內、溫度為-10～0 ℃時，冰晶數濃度約20 個·L-1。冰晶混合比大值中心出現時間、區域與冷區上升運動大值中心出現時間、區域一致。霰粒子混合比最大達2.2 g·kg-1，大值中心出現在溫度-10～-5 ℃之間（高度600～500 hPa），并與過冷水混合比大值區重疊。

圖4（d）顯示，22日13：30 后，暖區出現云水，云水混合比最大達0.7 g·kg-1，冷區出現豐富的過冷水（混合比最高達0.2 g·kg-1），云水混合比大值中心與上升運動大值區域基本一致，充沛的過冷水有利于霰的凇附增長（collection of cloud droplets by graupel，ccg）［21］。如圖5所示，600～500 hPa高度區域ccg過程在此階段的平均轉化率超過0.0006 g·kg-1·s-1，是霰碰并雪晶過程（collection of snow by graupel，csg）增長率的2 倍多。從14：10 開始有微量雨水降落到地面，到14：40雨水混合比達最大約0.9 g·kg-1，雨滴逐漸增加，但落后于霰的增長，說明霰的融化過程（melting of graupel to form rain，mgr）是降水形成的主要過程。低層充沛的云水含量，使雨滴在下落過程中可以通過碰并云滴增長（collection of cloud droplets by rain，ccr），650 hPa 高度附近霰的融化過程轉化率是雨滴碰并云滴過程的2 倍多，同時低層800 hPa 附近雨滴仍可以收集云滴獲得增長。伴隨著雨滴增長，14：50 在800～700 hPa 高度出現下沉運動中心，雨滴的拖曳加劇了下沉運動。

圖4 2017年5月22日13：00—17：00邢臺站各物理量的時間-高度剖面（底部黑色粗柱狀為10 min降水量，單位：mm）（a）比濕（填色區，單位：g·kg-1）及水汽通量（藍色等值線，單位：g·hPa-1·cm-1·s-1），（b）水平風場（風矢，單位：m·s-1）、垂直速度（紅色等值線，單位：m·s-1）（黃色填色區為雨水混合比大于0.01 g·kg-1區域），（c）冰晶（紅色等值線）、雪（填色區）、霰（藍色等值線）混合比（單位：g·kg-1），（d）云水（填色區）、雨水（紅色等值線）混合比（單位：g·kg-1）、冰晶數濃度（藍色等值線，單位：個·L-1）Fig.4 Time-height cross sections of physical quantities from 13：00 BST to 17：00 BST May 22，2017 at Xingtai station（The black thick bar at bottom is 10 min rainfall，Unit：mm）（a） specific humidity （the color shaded，Unit：g·kg-1） and water vapor flux （blue isolines，Unit：g·hPa-1·cm-1·s-1），（b） horizontal wind （wind vectors，Unit：m·s-1） and vertical velocity （red isolines，Unit：m·s-1） （the yellow shaded for the mixing ratio of rain water greater than 0.01 g·kg-1），（c） mixing ratio of ice crystal （red isolines），snow （the color shaded） and graupel（blue isolines） （Unit：g·kg-1），（d） mixing ratio of cloud water （the color shaded），rain water （red isolines）（Unit：g·kg-1） and number concentration of ice crystal （blue isolines，Unit：L-1）

圖5 邢臺站微物理過程轉化率垂直廓線（黑色線為22日13：00—17：00平均，紅色線為22日17：10至23日01：20平均）Fig.5 Mean profiles of microphysical process conversion rates at Xingtai station（the black lines averaged from 13：00 BST to 17：00 BST May 22，the red lines averaged from 17：10 BST May 22 to 01：20 BST May 23）

鋒面抬升強雨期，邢臺處于地面冷鋒之后、700 hPa 槽前，850 hPa 切變線過境邢臺前低層較強的輻合形成一致的上升運動，云系發展在垂直方向上體現出直展特征。該階段500 hPa 以上由冰、雪晶組成，800～500 hPa中層為過冷水、雪、霰組成的冰水混合層，800 hPa 以下為液態水云，云系具有“催化-供給”結構特征，出現重要的人工增雨云結構條件［4］，霰的融化過程和雨滴碰并云滴過程是形成降水的主要過程，冷云降水過程和暖云降水過程都重要。

4.2 深厚層云小雨期

圖6（a）顯示，22日17：00至23日01：00，600 hPa以上水汽含量及水汽輸送變化不大，但700 hPa 之下中低層水汽含量、水汽通量明顯小于因鋒面抬升形成的較強降雨階段。從圖6（b）可知，此階段850 hPa之下為東北氣流控制，17：50 前后700 hPa 切變線過境邢臺，22：00 之前500 hPa 一直為西南風，風速仍維持在4～6 m·s-1，22：00 開始轉為偏西風且持續到23日01：00，23日01：00 前后500 hPa 槽線過境邢臺，之后轉為西北風。小雨階段邢臺處在700 hPa槽后、500 hPa槽前。該階段上升運動主要出現在冷區，上升速度明顯減?。ù蠖鄶禃r間上升速度僅0.1 m·s-1），只在局部時間300 hPa 高度附近出現0.4 m·s-1的較強上升運動中心。

圖6（c）和圖6（d）顯示，云頂高度維持在約12 km，云底高度抬升到約2 km。300～200 hPa 高層冰晶混合比及數濃度明顯減小，冰晶數濃度最多約100個·L-1。在400～300 hPa之間出現雪晶混合比大值中心，最大值約0.7 g·kg-1，雪晶混合比高于鋒面抬升造成的較強降雨階段，但霰粒子混合比明顯減小，最大僅0.3 g·kg-1，其大值中心出現在雪晶混合比大值中心的下方區域，霰碰并雪晶過程（csg）是霰增長的主要過程。云水僅僅出現在800～500 hPa 之間，云水混合比隨時間推移逐漸減小，云水區域與上升運動區域密切相關，22：00之前-10～0 ℃之間依然存在過冷水，但混合比減小，最大約0.1 g·kg-1。雨水隨高度下降而減少，表明低層不飽和，雨滴在下落過程中有蒸發現象，降水主要由霰的融化過程（mgr）產生，以冷云降水過程為主。

圖6 2017年5月22日17：00至23日01：00邢臺站各物理量的時間-高度剖面（底部黑色粗柱狀為10 min降水量，單位：mm）（a）比濕（填色區，單位：g·kg-1）及水汽通量（藍色等值線，單位：g·hPa-1·cm-1·s-1），（b）水平風場（風矢，單位：m·s-1）、垂直速度（紅色等值線，單位：m·s-1）（黃色填色為雨水混合比大于0.01 g·kg-1區域），（c）冰晶（紅色等值線）、雪（填色區）、霰（藍色等值線）混合比（單位：g·kg-1），（d）云水（填色區）、雨水（紅色等值線）混合比（單位：g·kg-1）及冰晶數濃度（藍色等值線，單位：個·L-1）Fig.6 Time-height cross sections of physical quantities from 17：00 BST May 22 to 01：00 BST May 23 at Xingtai station（The black thick bar at bottom is 10 min rainfall，Unit：mm）（a） specific humidity （the color shaded，Unit：g·kg-1） and water vapor flux （blue isolines，Unit：g·hPa-1·cm-1·s-1），（b） horizontal wind （wind vectors，Unit：m·s-1） and vertical velocity （red isolines，Unit：m·s-1） （the yellow shaded for the mixing ratio of rain water greater than 0.01 g·kg-1），（c） mixing ratio of ice crystal （red isolines），snow （the color shaded）and graupel （blue isolines） （Unit：g·kg-1），（d） mixing ratio of cloud water （the color shaded），rain water（red isolines） （Unit：g·kg-1） and number concentration of ice crystal （blue isolines，Unit：L-1）

4.3 消散期

當500 hPa 槽線從邢臺上空過境（23日01：00）后，邢臺站逐漸由小雨轉為毛毛雨，降水過程至23日04：00停止。

此階段邢臺站700 hPa以上水汽含量明顯降低。高層沒有冰相水凝物，云團僅出現在700 hPa 以下暖區，云頂高度小于3 km，云底高度約1 km，云水混合比高值區位于800 hPa 附近，最高達0.3 g·kg-1（圖略），推知消散階段的毛毛雨由暖云降水過程產生。

5 增雨條件分析

上述分析顯示，不同降水階段邢臺站上空云系結構差異顯著，那么云系的增雨條件也必有差別。

孫晶等［7］在研究西風槽降水云系的增雨條件時總結了一套指標體系，認為當同時滿足雨強大于0.1 mm·h-1、上升運動區（垂直速度大于0.01 m·s-1）、過冷水含量大于0.01 g·kg-1、冰晶數濃度大于20個·L-1、溫度為-20～0 ℃條件時，云層具有可播性；若冰晶數濃度小于20 個·L-1時，云層具有強可播性。但該指標體系沒有考慮云中冰面過飽和水汽對增雨的潛力，在層狀云降水形成過程中，冰面過飽和水汽對凝華增長有較大作用［4］。當云中有過冷水時引入AgI 將會通過貝吉龍過程促進冰晶增長，在沒有過冷水的區域，AgI 以凝華核化為主，冰面飽和比大于1.04是AgI凝華核化的必要條件［15］。

在已有研究［7，9，11-13］基礎上，本文增加冰面飽和比作為增雨作業條件的指標之一。選取雨強、上升運動區、溫度、過冷水混合比、冰面飽和比與冰晶數濃度6 個物理因子組成增雨作業條件指標，這組指標在宏觀方面重點考慮了云系的發展階段、云中是否存在上升運動、是否產生降水，微觀方面主要考慮過冷水混合比、冰面飽和比、冰晶數濃度3 個AgI 核化增長的關鍵物理因子。具體閾值設計如下：當同時滿足雨強大于0.1 mm·h-1、上升速度大于0.01 m·s-1、溫度為-20～0 ℃、過冷水混合比大于0.01 g·kg-1或冰面飽和比大于1.04、冰晶數濃度大于20個·L-1條件時，云系具有可播性；若冰晶數濃度小于20個·L-1時，云系具有強可播性。

利用構建的增雨條件指標，對經過邢臺站的此次低槽冷鋒云系的增雨時機和部位進行識別。由冰晶、雪和霰混合比求和得到冰相水凝物的混合比，代表冰云分布。圖7（a）顯示，在鋒面抬升強雨期，增雨作業高度主要位于4.0～7.9 km 之間，與600 hPa高度以上過冷水出現的區域基本相同，其中4.0～5.5 km 高度層內為強可播區，結合圖4可知，該高度層內過冷水混合比最高可達0.2 g·kg-1，冰晶數濃度不足20個·L-1，上升速度最高可達0.5 m·s-1；從增雨作業時機角度分析，地面降水出現之后的較強降雨期都有增雨作業時機，而在22日14：00 前，云系以冰云為主，在-20～0 ℃云層中缺乏過冷水且冰面飽和比小于1.04，云系沒有增雨作業時機。深厚層云小雨期［圖7（b）］，此階段可播區仍主要位于4.0～7.9 km 之間，強可播區出現在4.0～5.5 km 高度層內，與鋒面抬升強雨期基本一致；增雨時機出現在600 hPa 維持西南風階段，當600 hPa 轉為西北風影響后，盡管雨水混合比大于0.01 g·kg-1，表明地面仍產生降水，但由于云中沒有過冷水且冰面飽和比小于1.04，云中沒有增雨作業條件。

圖7 2017年5月22日13：00—17：00邢臺站鋒面抬升強雨期（a）及22日17：00至23日01：00深厚層云小雨期（b）物理量變化與可播區識別Fig.7 Variation of physical quantities and the identified glaciogenic seeding areas during the frontal uplifting heavy rain period from 13：00 BST to 17：00 BST 22 May 2017 （a） and the deep stratus cloud light rain period from 17：00 BST 22 to 01：00 BST 23 May 2017 （b） at Xingtai station

結合圖4和圖6可知，當云系處于鋒面抬升較強發展階段時增雨作業可主要在冰水混合區開展，而當云系處于深厚層云階段時，由于云中上升速度減小且上升運動主要出現在冷區，此階段過冷水含量減少且出現高度比鋒面抬升強雨期有所下降，增雨作業除了可在冰水混合區開展之外，還可以在其上大約3 km 高度范圍內冰面飽和比大于1.04 的區域開展。

總體看來，邢臺站增雨作業時機主要出現在鋒面抬升形成的較強降雨期及深厚層云形成的小雨期，降水消散期云中沒有可播區。出現可播區時云系主要是處于發展及維持階段的冷暖混合云，云頂高度達12 km，云底高度維持在近地面到2 km 之間，云系冷層厚度約8 km，冰水混合層厚度約4 km，高層有冰晶和雪，中間層為含有過冷水的冰水混合區，低層為液態水云，具有“催化-供給”云系結構特征。

6 結 論

華北地區2017年春季出現較嚴重干旱，5月22—23日出現一次明顯降水過程，河北、山西等地氣象部門開展飛機和地面增雨作業。本文利用CPEFS_v1.0系統，針對此次低槽冷鋒降水過程，以河北邢臺站為代表研究了不同降水階段云結構特征及增雨作業條件，得到如下結論：

（1）低槽冷鋒云降水系統自西北向東南移動經過邢臺站時，先出現10 min 雨量為1.0～3.0 mm 且持續約3 h的較強降水期，之后出現10 min雨量為0.2～0.7 mm 且持續約8 h 的小雨期，之后降水消散，模擬結果與實況一致。

（2）因鋒面抬升形成的較強降雨階段，邢臺處于地面冷鋒之后、700 hPa 槽前深厚的西南氣流影響下，此階段與850 hPa 以下水汽通量大值（大于21 g·hPa-1·cm-1·s-1）存在時間一致，850 hPa 切變線過境邢臺前后云中出現上下貫穿的上升運動。500 hPa 以上高層冰云由冰晶和雪晶組成；800～500 hPa中層云為冰水混合云，過冷水與霰粒子混合比最高分別達0.2、2.2 g·kg-1；800 hPa 以下低層云為液態水云，云系具有“催化-供給”云結構特征，霰的融化過程、雨滴碰并云滴過程是降水形成的主要過程。

（3）在22日17：10 至23日01：20 深厚層云形成的小雨階段，邢臺處于700 hPa 槽后和500 hPa 槽前。700 hPa 之下中低層水汽含量及水汽通量明顯減小，上升運動主要出現在冷區，上升速度最大僅0.4 m·s-1，云系依舊為冷暖混合云，冰晶、霰混合比明顯減小，雪晶混合比增加，-10～0 ℃之間過冷水混合比減小，最大約0.1 g·kg-1，低層云水混合比也減小，降水主要由霰的融化過程產生。

（4）綜合利用逐時雨強、上升運動區、溫度、冰面飽和比、過冷水含量、冰晶數濃度6個物理量構建增雨條件指標，發現本次邢臺地區低槽冷鋒云系適宜冷云催化增雨作業的時間主要出現在鋒面抬升強雨期與深厚層云小雨期，這時云系為處于發展及維持階段的冷暖混合云，可播區高度位于4.0～7.9 km，強可播區出現在4.0～5.5 km 高度過冷水充沛區域。