宁夏层状云宏微观物理特征剖析：结构、影响因素与降水关联

宁夏层状云宏微观物理特征剖析：结构、影响因素与降水关联一、引言1.1研究背景与意义水是生命之源，对于人类社会的发展和生态系统的稳定至关重要。然而，随着全球气候变化和人类活动的影响，水资源短缺问题日益严峻，成为制约许多地区经济和社会可持续发展的关键因素。宁夏回族自治区位于中国内陆，地处黄河中游上段地区，其地形地貌复杂，西、北、东三面分别被腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠和毛乌素沙漠环绕，南与黄土高原相连，地势南高北低，西陡东缓。这种特殊的地理位置和地形条件，使得宁夏的气候干旱少雨，水资源匮乏问题尤为突出。宁夏多年平均降水量不足200毫米，仅约为全国平均值的三分之一，且降水时空分布极不均匀，由南向北递减，年内降水主要集中在6-9月。全区多年平均年径流量为9.493亿立方米，平均年径流深18.3毫米，是黄河流域平均值的1/3，全国均值的1/15。当地水资源总量为11.633亿立方米，在全国30个省、自治区、直辖市中位居末位，按人口或耕地平均占有量在全国也是最少的，分别为全国平均值的十二分之一和二十七分之一。此外，宁夏的水资源还存在着水质差、空间分布不均、时间变化大等问题，进一步加剧了水资源短缺的矛盾。在有限的地表水资源中，矿化度较高的咸水和苦水有2.26亿立方米，不适于灌溉和人畜饮用。水资源短缺严重影响了宁夏的社会经济发展。农业方面，作为宁夏的重要产业，水资源的不足限制了灌溉面积的扩大和农作物产量的提高，制约了农业现代化的进程。工业领域，缺水使得一些高耗水产业的发展受到限制，增加了企业的生产成本，影响了工业的竞争力和可持续发展。同时，水资源短缺也对宁夏的生态环境造成了严重破坏，导致土地沙漠化、水土流失加剧，生态系统服务功能下降，威胁着当地的生态安全。为了缓解水资源短缺问题，除了加强水资源管理、提高水资源利用效率外，开发利用空中云水资源成为一种重要的途径。人工增雨作为开发利用空中云水资源的有效手段，通过向云中播撒催化剂，改变云的微物理过程，促进云滴的凝结和碰并增长，从而增加降水，为缓解干旱、改善生态环境和保障水资源供应提供了可能。层状云是一种常见的云系，在宁夏地区的降水过程中起着重要作用。层状云通常具有较大的水平范围和相对稳定的垂直结构，其降水持续时间较长，虽然降水强度相对较小，但累积降水量可观，是宁夏地区重要的降水云系之一。深入研究宁夏层状云的宏观和微观物理特征，对于理解降水形成机制、提高人工增雨作业效果具有重要意义。从宏观物理特征来看，了解层状云的云底高度、云顶高度、云厚度、水平范围等参数，有助于确定云系的空间分布和发展态势，为人工增雨作业的时机和区域选择提供依据。不同天气系统下形成的层状云，其宏观特征存在差异，通过对这些差异的研究，可以更好地把握降水过程的演变规律，提高降水预报的准确性。微观物理特征方面，层状云中云滴、冰晶、雪晶等粒子的数浓度、尺度分布、相态变化以及粒子之间的相互作用等，直接影响着云的降水效率和降水形成机制。例如，云滴的数浓度和尺度分布决定了云滴之间的碰并增长效率，冰晶的生成和增长过程则与云的冷云降水机制密切相关。研究发现，暖层中的大云滴浓度高于冷层，可为云滴的碰并增长和冰晶繁生提供一定的大滴，利于降水的形成。因此，深入研究层状云的微观物理特征，对于揭示降水形成的物理过程、优化人工增雨作业方案具有关键作用。此外，宁夏地区的地形地貌对层状云的发展和演变也有着重要影响。贺兰山、六盘山等山脉的存在，使得气流在山脉迎风坡被迫抬升，促进了层状云的形成和发展，而在背风坡则可能出现下沉气流，影响云的结构和降水分布。研究地形对层状云物理特征的影响，有助于更好地理解宁夏地区降水的局地差异，为人工增雨作业的精细化实施提供科学支撑。综上所述，研究宁夏层状云的宏观微观物理特征，对于深入了解宁夏地区的降水形成机制、开发利用空中云水资源、缓解水资源短缺问题具有重要的理论和实际意义。通过对层状云物理特征的研究，可以为人工增雨作业提供科学依据，提高人工增雨的效果和效益，为宁夏地区的经济社会发展和生态环境保护提供有力保障。1.2国内外研究现状层状云作为一种重要的云系，其宏观微观物理特征一直是大气科学领域的研究热点。国内外众多学者从不同角度、运用多种方法对层状云进行了广泛而深入的研究，取得了丰硕的成果。在国外，早期的研究主要集中在层状云的宏观结构和降水机制方面。通过飞机观测、雷达探测等手段，对层状云的云底高度、云顶高度、云厚度等宏观参数进行了测量和分析，为后续的研究奠定了基础。例如，美国的一些研究团队利用飞机搭载的云粒子探测仪器，对层状云的垂直结构进行了详细的观测，发现层状云在垂直方向上存在明显的分层现象，不同层次的云物理特性存在差异。随着技术的不断进步，对层状云微观物理特征的研究逐渐深入。学者们开始关注云滴、冰晶等粒子的数浓度、尺度分布、相态变化等微观参数，以及这些参数与云的降水过程之间的关系。研究发现，云滴的数浓度和尺度分布对云的降水效率有着重要影响，较小的云滴数浓度和较大的云滴尺度有利于降水的形成。此外，冰晶的生成和增长过程也是影响层状云降水的关键因素之一，冰晶的形态、尺度和数浓度等都会影响云的冷云降水机制。近年来，数值模拟技术在层状云研究中得到了广泛应用。通过建立云模式，对层状云的发展演变过程进行数值模拟，可以深入研究云的宏观微观物理过程，以及各种因素对云的影响。例如，利用大涡模拟（LES）方法，可以模拟层状云中的湍流运动和云微物理过程，揭示云滴的碰并增长、冰晶的繁生等微观物理过程的细节。同时，耦合气溶胶模块的数值模式也被用于研究气溶胶对层状云的影响，发现气溶胶可以通过改变云滴的数浓度和尺度分布，进而影响云的辐射特性和降水过程。在国内，层状云的研究也取得了显著进展。20世纪80年代初引进美国的PMS探测系统后，我国对于云的飞机探测广泛开展起来。众多学者利用飞机观测资料，对不同地区的层状云进行了研究，分析了其宏微观物理特征。廖飞佳等利用北疆1983年11月22日一次冷锋降水后期宽雪带获得的飞机观测资料，根据雪带中的降雪粒子随高度的浓度分布和尺度分布，分析了雪带的微物理结构特征和降水增长过程。张连云等、苏正军等分别分析了山东省和青海省层状云的云及降水的微物理特征。李淑日等对河南省一次降水层状云系进行了飞机探测，利用取得的微物理资料，配合同期的天气、卫星、雷达等资料对云的微物理特征进行了分析。在宁夏地区，针对层状云的研究也有一定的成果。项磊利用1978-1990年间宁夏地区5-9月的飞机云物理观测资料，重点分析了无层积云的高层云宏观和微观物理结构，发现无层积云的高层云云底比有层积云的高层云云底略高，云滴谱小粒子的数浓度也较大，暖层中的大云滴浓度高于冷层，利于降水的形成。刘建军等在总结宁夏与人工增雨作业密切相关的云和降水学多年研究成果的基础上，系统归纳了宁夏层状云的降水特点以及层状云的宏、微观特征，并从宁夏层状云液态水含量分布、自然降水效率两个方面分析了宁夏层状云的降水潜力，认为宁夏降水性层状云的过冷水资源比较丰富，人工增雨潜力较大。林文利用1982年7月在宁夏银川机场地面4次观测获取滴谱资料，分析了宁夏夏季层状云雨滴的瞬时和平均谱及有关物理量的特征，总结出了层状云降水的一些主要特征，给出了4次降水的平均谱分布及谱参数的演变，进行了M-P分布的拟合分析，得出雨滴谱基本符合M-P分布。然而，目前宁夏地区层状云的研究仍存在一些不足。一方面，现有的研究主要基于早期的飞机观测资料，观测时间和空间范围有限，难以全面反映宁夏层状云的物理特征及其变化规律。随着气象探测技术的不断发展，新型的探测设备如激光雷达、微波辐射计等在云物理研究中得到了广泛应用，但在宁夏地区的相关研究中应用较少，缺乏多源观测资料的综合分析。另一方面，对于宁夏地区复杂地形和特殊气候条件对层状云的影响机制研究不够深入。宁夏地处我国内陆，周边被沙漠环绕，地形起伏较大，这种独特的地理环境使得层状云的形成、发展和演变受到多种因素的综合影响，如地形强迫、水汽输送、边界层动力过程等，但目前对这些因素的相互作用及其对层状云物理特征的影响尚缺乏系统的研究。此外，在数值模拟研究方面，针对宁夏地区层状云的高分辨率数值模拟研究相对较少，模拟结果与实际观测的对比验证也不够充分，限制了对层状云物理过程的深入理解和人工增雨作业效果的准确评估。1.3研究内容与方法本研究旨在全面、深入地分析宁夏层状云的宏观微观物理特征，揭示其形成机制和影响因素，为人工增雨作业提供科学依据。具体研究内容与方法如下：资料收集与整理：收集宁夏地区的飞机云物理观测资料，这些资料涵盖了不同季节、不同天气条件下的层状云观测数据，包括云的高度、厚度、温度、湿度、粒子浓度、粒子尺度等信息。同时，收集常规气象观测资料，如地面气象站的气温、气压、湿度、风向、风速等数据，以及高空探空资料，获取不同高度的气象要素信息。此外，还收集卫星遥感资料，利用卫星图像反演云的宏观特征，如云顶高度、云覆盖范围等，以及雷达探测资料，获取云的回波强度、回波高度等信息，为后续的分析提供多源数据支持。宁夏层状云宏观物理特征分析：利用飞机云物理观测资料和卫星遥感资料，统计分析宁夏层状云的云底高度、云顶高度、云厚度等宏观参数的分布特征。通过对大量观测数据的统计，绘制云底高度、云顶高度和云厚度的频率分布图，分析其集中趋势和离散程度。同时，研究不同天气系统下宁夏层状云宏观特征的差异，如冷锋、暖锋、气旋等天气系统影响下，层状云的宏观参数变化规律。对比不同天气系统下云底高度、云顶高度和云厚度的平均值、最大值和最小值，找出其与天气系统的关系。宁夏层状云微观物理特征分析：基于飞机搭载的云粒子探测仪器获取的资料，分析宁夏层状云中云滴、冰晶等粒子的数浓度、尺度分布、相态变化等微观物理特征。例如，利用FSSP-100探头测量云滴的浓度和尺度，分析云滴数浓度随高度的变化，以及不同尺度云滴的分布情况。通过2D-C、2D-P探头观测冰晶的形态、尺度和数浓度，研究冰晶的增长机制和相态变化过程。探讨这些微观物理特征对云的降水过程的影响，建立微观物理参数与降水强度、降水量之间的关系模型。影响宁夏层状云物理特征的因素分析：结合宁夏地区的地形地貌、气象条件等因素，分析其对层状云物理特征的影响机制。宁夏地区地形复杂，山脉、沙漠等地形对气流的运动和水汽的输送有重要影响。通过数值模拟和理论分析，研究地形强迫对层状云的形成和发展的作用，如山脉的阻挡和抬升作用如何影响云的垂直结构和水平分布。分析气象条件，如湿度、温度、风场等对层状云宏微观物理特征的影响。例如，湿度的变化如何影响云滴的凝结和蒸发，温度的垂直分布如何影响冰晶的生成和增长，风场的切变如何影响云的形态和运动。宁夏层状云物理特征与降水的关系研究：分析宁夏层状云的宏观微观物理特征与降水之间的定量关系，建立降水预报模型。通过对大量降水过程的观测数据进行统计分析，找出云的宏观参数（如云底高度、云厚度、液态水含量等）和微观参数（如云滴数浓度、冰晶数浓度、粒子尺度等）与降水强度、降水量之间的相关性。利用统计方法和机器学习算法，建立基于层状云物理特征的降水预报模型，并对模型进行验证和评估。二、宁夏层状云概述2.1层状云的定义与分类层状云是布满全天或部分天穹的均匀幕状云层，常具有较大的水平范围，其水平尺度一般为10-1000km，垂直尺度为0.1-5km。层状云是由于空气大规模的系统性上升运动而产生的，主要是锋面上的上升运动引起。这种系统性上升运动水平范围大，但上升速度较为缓慢，通常只有0.1-1m/s，不过因持续时间长，能使空气上升好几千米。当暖空气向冷空气一侧移动时，由于二者密度不同，稳定的暖湿空气会沿冷空气斜坡缓慢滑升，在这个过程中，空气绝热冷却，水汽逐渐凝结，从而形成层状云。云的底部同冷暖空气交织的倾斜面，也就是锋面大体吻合，而云顶近似水平。根据云底高度、云的结构和组成等特征，层状云可进一步分为卷云（Ci）、卷层云（Cs）、高层云（As）和雨层云（Ns）等不同类型。卷云是高云族，云底高度通常在5000米以上，云体由冰晶组成，常呈丝缕状或羽毛状，结构松散，透明度较高。卷层云也属于高云族，云底高度一般在4500-8000米之间，是一种薄而均匀的云幕，透过它可以看到日月轮廓，且常伴有日晕、月晕现象。高层云为中云族，云底高度在2500-4500米左右，厚度一般为1000-3000米，顶部多为冰晶组成，主体部分多为冰晶与过冷却水滴共同组成，云层较厚时，底部常出现降水。雨层云属于低云族，云底高度通常在2000米以下，厚度一般为3000-6000米，云体浓厚，呈暗灰色，底部经常伴有连续性降水，其顶部为冰晶组成，中部为过冷却水滴与冰晶共同组成，底部由于温度高于0℃，故为水滴组成。此外，层状云还可能包括层云（St）和层积云（Sc），层云云底高度很低，一般在2000米以下，云体均匀成层，呈灰色或灰白色，通常不产生降水，若有降水，多为毛毛雨或米雪；层积云云底高度一般在2000米以下，是由片状、团块或条形云组成的云层或云块，有时会产生降水，降水强度较弱。在宁夏地区，常见的层状云类型主要有高层云、雨层云、层积云等。这些层状云的出现与宁夏的地理位置、地形地貌以及大气环流等因素密切相关。宁夏地处我国内陆，位于中纬度地区，受西风带环流和东亚季风的共同影响。当冷空气南下与来自低纬度地区的暖湿气流在宁夏上空交汇时，容易形成锋面，进而产生层状云。此外，宁夏周边的地形，如贺兰山、六盘山等山脉，对气流具有阻挡和抬升作用，使得暖湿气流在爬坡过程中冷却凝结，也有利于层状云的形成。高层云在宁夏较为常见，常出现在天气系统变化的前期，当高层云逐渐增厚、降低，可能会演变为雨层云，从而带来连续性降水。雨层云是宁夏地区产生降水的重要云系之一，其降水持续时间较长，虽然降水强度相对较小，但累积降水量可观，对宁夏的水资源补充具有重要意义。层积云在宁夏的不同季节也时有出现，它的存在对当地的天气和气候也有着一定的影响，在一些情况下，层积云可以作为降水的前奏，当层积云进一步发展演变，可能会引发降水过程。2.2宁夏地区层状云的形成条件宁夏地区层状云的形成受到多种因素的综合影响，其中地形地貌和大气环流是两个关键因素。宁夏地处中国内陆，地形地貌复杂多样。其西、北、东三面分别被腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠和毛乌素沙漠环绕，南与黄土高原相连，地势南高北低，西陡东缓。贺兰山、六盘山等山脉纵贯境内，这些山脉对层状云的形成和发展具有重要影响。当暖湿气流从低纬度地区向宁夏输送时，遇到贺兰山和六盘山等山脉的阻挡，气流被迫沿山坡抬升。在抬升过程中，空气因高度升高而气压降低，体积膨胀，对外做功消耗自身能量，导致温度降低，水汽逐渐饱和并开始凝结，从而为层状云的形成提供了有利条件。研究表明，在山脉迎风坡，气流抬升作用显著，云底高度相对较低，云层厚度较大，降水概率也相对较高。例如，在贺兰山迎风坡，当有合适的水汽条件时，常常会形成深厚的层状云系，进而产生降水。而在山脉背风坡，由于气流下沉增温，水汽不易凝结，云层往往较薄，甚至可能出现无云区，降水也相对较少。大气环流对宁夏地区层状云的形成起着决定性作用。宁夏位于中纬度地区，受西风带环流和东亚季风的共同影响。在西风带环流中，来自大西洋和地中海的水汽，在西风气流的携带下，有时会经过新疆等地进入宁夏上空。虽然在长途输送过程中水汽有所损耗，但在一定条件下，仍能为宁夏层状云的形成提供水汽来源。当西风带中的槽脊系统移动到宁夏上空时，会引起大气的垂直运动。若槽前有较强的上升运动，且水汽条件适宜，就有利于层状云的形成。例如，当高空西风槽东移，槽前的西南气流将低纬度的暖湿空气输送到宁夏地区，与当地的冷空气交汇，容易形成锋面，进而产生层状云。东亚季风对宁夏地区的水汽输送和层状云形成也有着重要影响。夏季，受东南季风和西南季风的影响，来自太平洋和印度洋的暖湿气流向宁夏地区输送。其中，东南季风携带的水汽主要通过偏南气流进入宁夏东部地区，而西南季风带来的水汽则通过偏西气流影响宁夏南部地区。当这些暖湿气流与北方南下的冷空气在宁夏上空相遇时，暖湿空气会沿着冷空气的斜坡缓慢上升，形成大范围的系统性上升运动，为层状云的形成创造了有利的动力条件。在一些降水过程中，观测到700hPa和500hPa高度上的偏南气流将大量水汽输送到宁夏地区，使得大气湿度明显增加，随后在冷暖空气交汇的区域形成了深厚的层状云系，并产生了持续性降水。除了地形地貌和大气环流外，宁夏地区的下垫面性质、边界层动力过程等因素也会对层状云的形成产生一定影响。沙漠地区的下垫面粗糙度小，白天地面受热升温快，容易形成局地的热力对流，将水汽向上输送，在一定程度上影响层状云的形成和发展。边界层内的风切变、湍流等动力过程，也会影响水汽的垂直输送和混合，进而影响层状云的微观物理结构和降水过程。2.3宁夏层状云的气候特征宁夏地区层状云的出现频率存在明显的地域差异。通过对宁夏24个测站1971-2000年常规地面观测资料的分析，发现宁夏南部地区层状云出现的频率相对较高，而北部地区相对较低。这主要是由于宁夏南部地区地势较高，地形复杂，受地形抬升作用影响，暖湿气流更容易在此处上升冷却，形成层状云。例如，固原、西吉等南部地区的站点，层状云出现的频率明显高于北部的银川、石嘴山等地。在固原地区，年平均层状云出现天数可达60-80天，而银川地区年平均层状云出现天数约为40-60天。季节变化方面，宁夏层状云的出现频率和降水特征随季节更替而变化。春季，随着气温逐渐升高，暖湿气流开始活跃，宁夏地区的层状云出现频率逐渐增加。此时，层状云主要由西风带环流带来的水汽形成，云底高度相对较高，一般在3000-5000米左右。由于春季大气中的水汽含量相对较少，层状云的降水强度通常较小，多为小雨或零星降水，但降水过程对缓解春季干旱具有重要意义。夏季是宁夏降水的主要季节，层状云的出现频率也较高。在夏季，东亚季风带来大量暖湿气流，与北方冷空气在宁夏上空交汇，容易形成锋面，进而产生层状云。夏季层状云的云底高度一般在2000-4000米之间，云厚度较大，降水强度相对春季有所增强，有时可出现中到大雨。研究表明，夏季层状云降水次数占全年降水次数的40%-50%，降水量占全年降水量的50%-60%。例如，在2019年7月的一次降水过程中，宁夏南部地区受暖湿气流和冷空气的共同影响，形成了深厚的层状云系，持续降水时间超过12小时，降水量达到30-50毫米，有效缓解了当地的旱情。秋季，随着冷空气逐渐增强，暖湿气流减弱，宁夏层状云的出现频率逐渐降低。秋季层状云的云底高度和降水强度与春季较为相似，但降水持续时间相对较短。在秋季，层状云降水主要是由于冷空气南下与残留的暖湿空气相互作用形成，降水过程对补充土壤水分、保障农作物生长后期的水分需求具有一定作用。冬季，宁夏地区受大陆冷气团控制，气候寒冷干燥，层状云的出现频率最低。冬季层状云多由高空槽过境时带来的少量水汽形成，云底高度较高，一般在5000米以上，降水形式主要为雪或雨夹雪，降水强度较小，降水量也较少。此外，宁夏层状云的年际变化也较为明显。在某些年份，由于大气环流异常，宁夏地区的水汽输送和冷暖空气交汇情况发生变化，导致层状云的出现频率和降水特征出现较大波动。例如，在厄尔尼诺事件发生的年份，宁夏地区的降水可能会减少，层状云的出现频率也会相应降低；而在拉尼娜事件发生的年份，降水可能会增加，层状云的出现频率也可能会升高。通过对多年气象资料的分析，发现宁夏层状云出现频率的年际变化与大气环流指数（如北极涛动指数、东亚夏季风指数等）存在一定的相关性，这为预测宁夏层状云的年际变化提供了一定的依据。三、宁夏层状云宏观物理特征3.1云底高度与厚度云底高度是层状云的一个重要宏观物理参数，它反映了云体与地面之间的垂直距离，对云的发展和降水过程有着重要影响。通过对宁夏地区飞机云物理观测资料的统计分析，发现宁夏层状云的云底高度存在一定的变化规律，且无层积云的高层云和有层积云的高层云在云底高度上存在差异。在1978-1990年间宁夏地区5-9月的飞机云物理观测中，无层积云的高层云云底高度平均值约为3500米，而有层积云的高层云云底高度平均值约为3200米，无层积云的高层云云底比有层积云的高层云云底略高。这种差异可能与云的形成机制和大气环境有关。有层积云存在时，层积云通常位于较低的高度，它的存在可能会对高层云的形成和发展产生一定影响，使得高层云的云底高度相对降低。而无层积云时，高层云的形成和发展相对较少受到下层云的干扰，云底高度相对较高。云底高度还会受到多种因素的影响，如地形、大气环流、水汽条件等。在宁夏地区，贺兰山、六盘山等山脉的存在对云底高度有着显著影响。在山脉迎风坡，暖湿气流被迫抬升，水汽冷却凝结，云底高度相对较低。例如，在贺兰山迎风坡的一些观测点，当有合适的水汽和天气条件时，层状云的云底高度可低至2500米左右。而在山脉背风坡，由于气流下沉增温，水汽不易凝结，云底高度相对较高，有时可达到4000米以上。大气环流对云底高度的影响也较为明显。当宁夏地区受西风带环流影响时，来自中高纬度的冷空气与低纬度的暖湿气流交汇，形成的层状云云底高度通常较高。而在东亚季风影响下，来自海洋的暖湿气流带来丰富的水汽，使得云底高度相对较低。在夏季，受东南季风和西南季风的共同影响，宁夏南部地区的层状云云底高度一般在3000米以下，有利于降水的形成。云厚度是层状云的另一个关键宏观物理特征，它直接关系到云内的水汽含量和降水潜力。宁夏层状云的厚度变化范围较大，一般在1000-4000米之间。在不同的天气系统和地形条件下，云厚度表现出不同的特征。在冷锋天气系统影响下，宁夏层状云的厚度通常较大。冷锋过境时，冷空气迅速推进，暖湿空气被强烈抬升，形成深厚的层状云系。在一些冷锋降水过程中，观测到层状云的厚度可达3500-4000米，云层中水汽含量丰富，容易产生较强的降水。而在暖锋天气系统影响下，暖湿空气沿着冷空气缓慢爬升，形成的层状云厚度相对较小，一般在1500-2500米之间。暖锋降水相对较弱，但持续时间较长。地形对云厚度的影响也十分显著。在宁夏的山区，如贺兰山和六盘山地区，由于地形的强迫抬升作用，暖湿气流在爬坡过程中不断冷却凝结，使得层状云厚度明显增加。在贺兰山山区，当有较强的暖湿气流与地形相互作用时，层状云厚度可超过3000米，形成有利于降水的云条件。而在宁夏平原地区，地形较为平坦，层状云的厚度相对较小，一般在1000-2000米之间。云厚度还与云的发展阶段有关。在层状云的发展初期，云厚度相对较小，随着水汽的不断补充和云内物理过程的发展，云厚度逐渐增加。当云发展到成熟阶段时，云厚度达到最大值，此时云内的水汽含量和降水潜力也最大。而在云的消散阶段，随着水汽的消耗和云内物理过程的减弱，云厚度逐渐减小，云体逐渐变薄。3.2水平尺度与范围宁夏层状云的水平尺度和范围对其降水分布和影响区域具有重要意义。层状云的水平尺度一般为10-1000km，在宁夏地区，其水平尺度和范围受到多种因素的制约。通过对宁夏地区飞机云物理观测资料以及卫星遥感资料的综合分析，发现宁夏层状云的水平尺度变化较大。在一些较小的天气系统影响下，层状云的水平尺度可能仅为几十千米。例如，在局地性的弱锋面活动时，形成的层状云水平范围相对较小，其长轴方向的尺度可能在30-50km左右，短轴方向的尺度在10-20km左右，这种较小尺度的层状云往往带来局地性的降水，降水区域相对集中。而在较大的天气系统，如锋面气旋影响下，宁夏层状云的水平尺度可达到数百千米。当锋面气旋过境时，暖湿空气沿着锋面大范围抬升，形成的层状云系水平范围广阔。在2018年7月的一次锋面气旋影响过程中，通过卫星云图观测到宁夏地区的层状云水平尺度在东西方向上达到了300-400km，南北方向上也有150-200km，其覆盖范围涉及宁夏大部分地区，带来了持续性的降水过程，对当地的水资源补充和农业生产产生了重要影响。宁夏层状云的水平范围还与地形密切相关。山脉的走向和地形起伏会影响层状云的移动和发展，从而改变其水平范围。在贺兰山和六盘山地区，由于山脉的阻挡作用，层状云在山脉迎风坡聚集，水平范围可能会有所收缩。当暖湿气流遇到贺兰山时，气流被迫抬升，层状云在山脉迎风坡附近形成，其水平范围可能会被限制在山脉附近一定区域，水平尺度在垂直于山脉走向的方向上相对较小，一般在50-80km左右。而在山脉背风坡，由于气流下沉，云系可能会逐渐消散，水平范围进一步减小。此外，大气环流的变化也会对宁夏层状云的水平尺度和范围产生影响。在不同的季节，大气环流形势不同，导致层状云的形成和发展条件各异。夏季，受东亚季风影响，来自海洋的暖湿气流强盛，宁夏地区的层状云水平范围相对较大，且持续时间较长。冬季，受大陆冷气团控制，层状云的形成相对较少，水平尺度和范围也较小。在一些特殊的大气环流形势下，如高空急流的位置和强度变化，也会影响层状云的水平分布。当高空急流位置偏南时，可能会引导更多的暖湿气流向宁夏地区输送，从而使层状云的水平范围扩大；反之，当高空急流位置偏北时，层状云的水平范围可能会缩小。3.3含水量的垂直分布液态水含量的垂直分布是宁夏层状云的一个重要微观物理特征，它对于理解云内的降水过程和降水机制具有关键作用。通过对宁夏地区飞机云物理观测资料的深入分析，发现宁夏层状云液态水含量的垂直分布呈现出多个峰值的特点，这与云内复杂的物理过程密切相关。研究结果表明，宁夏层状云液态水含量的极大值通常位于云的中下部。在1978-1990年间宁夏地区5-9月的飞机云物理观测中，对大量层状云样本的液态水含量垂直分布进行统计，发现约70%的样本中，液态水含量的极大值出现在云底以上1000-2000米的高度范围内，即云的中下部区域。这一分布特征为高层粒子下落过程中的碰并增长提供了有利条件。当高层的冰晶、雪晶等粒子下落经过液态水含量高值区时，粒子周围的水汽充足，粒子之间的碰并机会增加，从而促进了粒子的增长，有利于降水的形成。这种多峰值和极大值位于云的中下部的分布特点，可能是由多种因素共同作用导致的。一方面，云的形成和发展过程中，不同高度的水汽输送和垂直运动存在差异。在云的中下部，暖湿气流的上升运动相对较强，水汽不断补充，使得液态水含量较高。另一方面，云内的微物理过程，如凝结、蒸发、碰并等，在不同高度的作用程度不同。在中下部，温度和湿度条件适宜，云滴的凝结增长和碰并增长过程较为活跃，导致液态水含量出现峰值。此外，云内的湍流混合作用也可能对液态水含量的垂直分布产生影响，使得液态水在不同高度之间发生混合和再分配，从而形成多峰值的分布特征。为了进一步探究液态水含量垂直分布的影响因素，研究人员还分析了不同天气系统下的层状云样本。发现在冷锋天气系统影响下，层状云液态水含量的垂直分布多峰值特征更为明显，极大值也相对较大。这是因为冷锋过境时，冷空气的强烈抬升作用使得暖湿空气迅速上升，水汽大量凝结，在不同高度形成多个液态水含量高值区。而在暖锋天气系统影响下，层状云液态水含量的极大值位置相对较低，且峰值相对较小，这与暖锋中暖湿空气缓慢爬升的特点有关。四、宁夏层状云微观物理特征4.1云滴谱特征云滴谱特征是反映层状云微观物理特性的重要指标，它对于理解云内的降水机制和降水过程具有关键作用。通过对宁夏地区飞机云物理观测资料的分析，发现宁夏层状云的云滴谱呈现出独特的分布特征。在1978-1990年间宁夏地区5-9月的飞机云物理观测中，无层积云的高层云云滴谱小粒子的数浓度相对较大。研究表明，在云滴谱的小粒子端（直径小于20μm的云滴），无层积云的高层云其数浓度比有层积云的高层云高出约10%-20%。这可能与云的形成过程和环境条件有关。无层积云时，高层云在形成过程中，水汽的凝结增长相对较为均匀，有利于小粒子的形成和维持较高的数浓度。而有层积云存在时，层积云可能会对高层云的水汽输送和云滴的形成过程产生一定干扰，使得小粒子数浓度相对降低。从云滴谱的整体分布来看，宁夏层状云的云滴谱呈现出单峰分布的特点。云滴谱的峰值通常出现在直径为10-15μm的范围内，这表明在这个尺度范围内的云滴数浓度最高。在2007年8月26日宁夏地区的一次层状云降水过程中，利用机载FSSP-100-ER探头对云滴谱进行观测，发现云滴谱在直径12μm左右出现明显的峰值，此时云滴数浓度达到最大值。随着云滴直径的增大或减小，数浓度逐渐降低。在云滴直径大于20μm时，数浓度急剧下降，这说明大云滴在宁夏层状云中的含量相对较少。进一步分析不同高度的云滴谱特征，发现云滴谱的分布随高度变化而有所不同。在云的下部，由于水汽充足，云滴的凝结增长较为活跃，云滴谱相对较宽，小粒子数浓度较高。随着高度的增加，水汽含量逐渐减少，云滴之间的碰并增长作用相对增强，使得大云滴的比例有所增加，云滴谱逐渐变窄。在云底高度附近，直径小于10μm的云滴数浓度可达到100-200个/cm³，而在云顶附近，相同尺度云滴的数浓度可能降至50-100个/cm³，同时直径大于15μm的云滴数浓度在云顶附近相对云底有所增加。宁夏层状云的云滴谱特征还与降水过程密切相关。当云滴谱中存在一定数量的大云滴时，有利于云滴之间的碰并增长，从而促进降水的形成。在一些降水过程中，观测到云滴谱中直径大于25μm的大云滴浓度较高，随后出现了明显的降水现象。这是因为大云滴在下落过程中，能够更有效地碰并周围的小云滴，使得自身不断增长，最终形成降水粒子。而当云滴谱主要由小粒子组成时，云滴之间的碰并效率较低，降水形成的难度相对较大。4.2冰晶谱特征宁夏层状云中冰晶谱特征是研究其微观物理过程的重要方面。通过对飞机云物理观测资料的分析，发现宁夏高层云雪晶谱总体上呈现出单调下降型的特点。在1978-1990年间宁夏地区5-9月的飞机云物理观测中，对大量高层云样本的雪晶谱进行统计分析，结果表明雪晶浓度随着尺度的增大而逐渐减小。这种单调下降型的雪晶谱分布与云内的水汽条件、温度分布以及冰晶的增长机制密切相关。在高层云中，水汽主要通过凝华过程在冰晶表面凝结，使得冰晶不断增长。由于水汽在云内的分布相对均匀，且温度随高度的降低也较为稳定，使得冰晶在增长过程中，较小尺度的冰晶更容易形成，其浓度相对较高。随着冰晶尺度的增大，增长速率逐渐减缓，同时冰晶之间的碰并、蒸发等过程也会消耗大尺度的冰晶，导致其浓度逐渐降低，从而形成了单调下降型的雪晶谱。在宁夏高层云中，尺度为0.3-0.6mm的雪晶浓度达到最大值。这一尺度范围内的雪晶在云内的形成和增长过程具有独特的优势。在这个尺度下，冰晶的表面曲率相对较小，水汽在其表面的凝华速率较快，有利于冰晶的快速增长。云内的水汽含量和温度条件在这个尺度范围内也较为适宜，为雪晶的形成和增长提供了良好的环境。当雪晶尺度小于0.3mm时，虽然冰晶的形成速率较快，但由于其质量较小，在云内的运动过程中容易受到气流的影响，且与其他粒子的碰并概率相对较低，导致其浓度相对较低。而当雪晶尺度大于0.6mm时，冰晶的增长受到水汽供应和碰并等过程的限制，增长速率减缓，同时大尺度冰晶在下降过程中容易受到重力和气流的作用而破碎，使得其浓度也逐渐降低。立体枝状、柱状和针状是宁夏高层云雪晶的优势晶形。这些晶形的形成与云内的温度、湿度和水汽条件密切相关。在高层云中，温度一般较低，水汽在冰晶表面的凝华过程中，由于不同方向上的凝华速率差异，导致冰晶生长成不同的形状。立体枝状晶形通常在温度较低、水汽供应充足且云内气流较为稳定的条件下形成。在这种环境中，水汽在冰晶的各个方向上均匀凝结，使得冰晶向多个方向生长，形成复杂的立体枝状结构。柱状晶形则多在温度稍高、水汽供应相对较少的条件下出现，此时冰晶主要沿一个方向生长，形成柱状。针状晶形的形成通常与云内的过饱和度较高以及快速的水汽扩散有关，使得冰晶在某一方向上迅速生长，形成针状。这些优势晶形的存在对云的降水过程有着重要影响。立体枝状和柱状雪晶由于其较大的表面积和质量，在下落过程中更容易与其他粒子碰并，促进降水的形成。针状雪晶虽然质量较小，但在云内的分布相对较广，它们可以作为凝结核，促进水汽的凝结，为降水的形成提供条件。4.3粒子谱分布拟合为了更准确地描述宁夏层状云雪晶谱的分布特征，研究人员采用了M-P分布（Marshall-Palmer分布）对雪晶谱进行拟合。M-P分布的表达式为N=N_0exp(-\lambdar)，其中N为雪晶数浓度，r为雪晶尺度，N_0和\lambda为拟合系数。通过对1978-1990年间宁夏地区5-9月飞机云物理观测资料中高层云雪晶谱数据的拟合分析，得到系数N_0为0.132，系数\lambda为2.681。在拟合过程中，利用最小二乘法等方法对观测数据进行处理，使得拟合曲线能够最佳地逼近实际的雪晶谱分布。经过计算，M-P分布与雪晶谱数据的相关系数r达到了0.975，这表明M-P分布能够较好地拟合宁夏高层云的雪晶谱。拟合结果显示，M-P分布的曲线与实际雪晶谱数据在整体趋势上高度吻合，能够准确地反映雪晶浓度随尺度的变化规律。在雪晶尺度较小时，M-P分布拟合得到的雪晶浓度与观测值接近，随着雪晶尺度的增大，虽然拟合值与观测值之间存在一定的偏差，但整体趋势仍然保持一致，说明M-P分布在描述宁夏高层云雪晶谱的分布特征方面具有较高的可靠性。研究人员还将M-P分布的拟合精度与Γ函数N(r)=ar^2exp(-br)进行了对比。在对同一组雪晶谱数据进行Γ函数拟合时，通过优化拟合参数a和b，使得Γ函数的曲线尽可能地接近实际数据。对比结果表明，M-P分布的拟合精度优于Γ函数。从相关系数来看，M-P分布的相关系数为0.975，而Γ函数拟合得到的相关系数相对较低，这说明M-P分布与实际雪晶谱数据的相关性更强。在小尺度雪晶区域，M-P分布能够更准确地反映雪晶浓度的变化，而Γ函数在该区域的拟合效果相对较差，与实际数据的偏差较大。在大尺度雪晶区域，虽然两种拟合方法都存在一定的偏差，但M-P分布的偏差相对较小，能够更好地描述雪晶谱的整体特征。M-P分布在拟合宁夏高层云雪晶谱时表现出较高的精度和可靠性，能够为进一步研究层状云的微观物理过程和降水机制提供有力的支持。其在描述雪晶谱分布特征方面的优势，使得基于M-P分布的研究成果在人工增雨等实际应用中具有重要的参考价值，有助于更准确地评估云的降水潜力和制定人工增雨作业方案。五、影响宁夏层状云宏观微观物理特征的因素5.1大气环流的影响大气环流是影响宁夏层状云宏观微观物理特征的重要因素之一，它通过对水汽输送、垂直运动以及温度场和湿度场的调控，深刻地影响着层状云的形成、发展和演变。通过普查宁夏降水过程的历史天气图，发现降水天气过程500hPa中纬度欧亚地区大形势大致可分为两脊一槽型和两槽一脊型。在两脊一槽型中，一般伊朗至里海与我国大陆东部地区各维持一个高压脊，两脊之间存在一低压槽区。这种环流形势下，冷空气在西伯利亚或蒙古高原的堆积爆发程度不同，会造成不同的天气过程。当冷空气势力较强且向南爆发时，与来自低纬度地区的暖湿气流在宁夏上空交汇，形成锋面。暖湿空气沿着锋面缓慢抬升，水汽冷却凝结，从而形成层状云。在这种情况下，层状云的云底高度相对较低，一般在2000-3000米之间，云厚度较大，可达3000-5000米。由于冷暖空气交汇强烈，云内的垂直运动较为活跃，有利于云滴的碰并增长和冰晶的繁生，使得云滴数浓度较高，冰晶的尺度也相对较大，有利于降水的形成。两槽一脊型环流形势下，里海和蒙古高原维持低压槽，新疆维持一高压脊，宁夏一般处于新疆脊前的西北气流里。在这种环流背景下，来自高纬度的冷空气在西北气流的引导下向宁夏地区输送，而低纬度的暖湿气流则受到一定的抑制。当有适量的暖湿气流与冷空气在宁夏上空相遇时，也会形成层状云。不过，与两脊一槽型相比，这种情况下形成的层状云云底高度相对较高，通常在3000-4000米左右，云厚度相对较薄，一般为1500-3000米。由于冷暖空气的交汇相对较弱，云内的垂直运动不如两脊一槽型活跃，云滴数浓度和冰晶数浓度相对较低，降水强度也相对较小。大气环流还通过影响水汽输送来改变宁夏层状云的物理特征。在不同的环流形势下，水汽的来源和输送路径不同。当宁夏受西风带环流影响时，来自大西洋和地中海的水汽，在西风气流的携带下，经过长途跋涉，有时会到达宁夏上空。虽然在输送过程中水汽有所损耗，但仍能为层状云的形成提供一定的水汽来源。在这种情况下形成的层状云，云滴的尺度相对较小，数浓度相对较高，因为长途输送的水汽在进入宁夏地区时，经过了较多的混合和扩散，使得水汽分布相对均匀，有利于小尺度云滴的形成。而在东亚季风影响下，来自太平洋和印度洋的暖湿气流向宁夏地区输送。夏季，东南季风携带的水汽通过偏南气流进入宁夏东部地区，西南季风带来的水汽通过偏西气流影响宁夏南部地区。这些暖湿气流带来了丰富的水汽，使得宁夏地区的大气湿度明显增加。在这种水汽充足的条件下形成的层状云，云滴的尺度相对较大，数浓度相对较低。因为充足的水汽使得云滴在凝结增长过程中能够获得更多的水汽供应，从而有利于大尺度云滴的形成。大气环流中的垂直运动对宁夏层状云的宏观微观物理特征也有着重要影响。上升运动是层状云形成的必要条件之一，不同强度和尺度的上升运动，会导致层状云的宏观结构和微观物理过程产生差异。在锋面气旋等天气系统中，强烈的上升运动使得暖湿空气迅速抬升，形成深厚的层状云系。这种情况下，云底高度较低，云厚度较大，云内的水汽含量丰富，云滴和冰晶的数浓度较高，且在垂直方向上的分布也较为均匀。而在一些较弱的上升运动条件下，形成的层状云相对较薄，云底高度较高，云内的水汽含量和粒子数浓度也相对较低。5.2地形地貌的作用宁夏地区独特的地形地貌，如贺兰山、黄土高原等，对层状云的形成与发展产生了显著影响。贺兰山位于宁夏与内蒙古交界处，呈南北走向，是我国一条重要的自然地理分界线。它对宁夏层状云的形成和发展具有多方面的作用。在地形抬升作用方面，当暖湿气流从东南方向或偏南方向向宁夏输送时，遇到贺兰山的阻挡，气流被迫沿山坡抬升。在抬升过程中，空气因高度升高而气压降低，体积膨胀，对外做功消耗自身能量，导致温度降低，水汽逐渐饱和并开始凝结，从而为层状云的形成提供了有利条件。研究表明，在贺兰山迎风坡，气流抬升作用显著，云底高度相对较低，云层厚度较大，降水概率也相对较高。例如，在贺兰山迎风坡的一些观测点，当有合适的水汽条件时，层状云的云底高度可低至2500米左右，云层厚度可达3000米以上，降水概率比背风坡高出30%-50%。而在山脉背风坡，由于气流下沉增温，水汽不易凝结，云层往往较薄，甚至可能出现无云区，降水也相对较少。贺兰山还对气流的运动方向和速度产生影响，进而改变层状云的水平分布和形态。在贺兰山的影响下，气流在山脉两侧形成不同的流场结构。在迎风坡，气流被迫上升，形成上升气流区，使得层状云在这个区域聚集和发展。而在背风坡，气流下沉，形成下沉气流区，层状云在这个区域受到抑制，云系可能会逐渐消散或改变形态。贺兰山还会导致气流的绕流现象，使得气流在山脉两侧形成不同的分支，这些分支气流会影响层状云的移动方向和路径，使得层状云在水平方向上呈现出复杂的分布形态。黄土高原位于宁夏南部，其地形起伏较大，沟壑纵横。黄土高原的地形对宁夏层状云的形成和发展也有着重要作用。在地形抬升方面，当暖湿气流从低纬度地区向宁夏输送时，遇到黄土高原的地形阻挡，也会产生一定的抬升作用，促进水汽的凝结和层状云的形成。由于黄土高原的地形相对较为破碎，抬升作用的强度和范围相对贺兰山较小，但在一些地形起伏较大的区域，仍然能够对层状云的形成产生明显影响。在黄土高原的一些山谷地区，当暖湿气流进入山谷时，由于山谷地形的约束，气流会被迫上升，形成局部的上升气流区，有利于层状云的形成。在这些区域，层状云的云底高度一般在3000-3500米之间，云层厚度在1500-2500米左右，降水概率相对较高。黄土高原的地形还会影响层状云的降水分布。由于黄土高原的地形复杂，不同区域的地形坡度、坡向等因素不同，导致降水在不同区域的分布存在差异。在一些迎风坡区域，降水相对较多；而在背风坡或山谷底部等区域，降水相对较少。这种降水分布的差异与层状云在不同地形区域的发展和演变密切相关。在迎风坡，层状云在上升过程中水汽不断凝结，降水粒子不断增长，使得降水强度较大；而在背风坡，由于气流下沉，水汽难以凝结，降水强度相对较小。除了贺兰山和黄土高原，宁夏地区的其他地形地貌，如沙漠、平原等，也会对层状云产生一定影响。沙漠地区的下垫面粗糙度小，白天地面受热升温快，容易形成局地的热力对流，将水汽向上输送，在一定程度上影响层状云的形成和发展。而平原地区地形较为平坦，气流运动相对较为平稳，对层状云的形成和发展的影响相对较小，但平原地区的水汽条件和大气环流形势会影响层状云的移动路径和降水分布。5.3水汽条件的关联水汽条件是影响宁夏层状云宏观微观物理特征的关键因素之一，它直接关系到云的形成、发展以及降水的产生。大气中的水汽含量是层状云形成的物质基础。当大气中的水汽含量达到饱和状态时，水汽开始凝结，形成云滴或冰晶，从而为层状云的形成提供了必要条件。在宁夏地区，水汽含量的多少受到多种因素的影响，其中水汽输送是关键因素之一。宁夏地区的水汽主要来源于周边地区的水汽输送。在不同的季节和天气系统影响下，水汽的来源和输送路径有所不同。在夏季，东亚季风是宁夏地区水汽的重要来源。来自太平洋和印度洋的暖湿气流，在东南季风和西南季风的作用下，向宁夏地区输送大量水汽。研究表明，在夏季降水过程中，约70%的水汽来自于东亚季风的输送。这些暖湿气流携带的水汽在宁夏地区上空聚集，使得大气中的水汽含量显著增加，为层状云的形成提供了丰富的物质条件。在2020年7月的一次降水过程中，通过对水汽输送轨迹的分析发现，来自太平洋的水汽在东南季风的引导下，经过长途输送到达宁夏地区，使得当地大气中的水汽含量增加了30%-50%，随后在合适的动力条件下，形成了深厚的层状云系，并产生了降水。在冬季，西风带环流对宁夏地区的水汽输送起到一定作用。虽然西风带中的水汽在长途输送过程中会有一定损耗，但在某些情况下，仍能为宁夏地区带来一定量的水汽。当西风带中的槽脊系统移动到宁夏上空时，槽前的西南气流会将中纬度地区的水汽输送到宁夏，为层状云的形成提供水汽支持。不过，由于冬季西风带的水汽含量相对较少，且宁夏地区受大陆冷气团控制，水汽输送的强度和频率相对较低，导致冬季宁夏层状云的出现频率和水汽含量都相对较低。除了水汽输送，宁夏地区的下垫面蒸发也是水汽的一个重要来源。宁夏地区的下垫面类型多样，包括沙漠、草原、农田等。不同下垫面的蒸发能力存在差异，沙漠地区由于植被稀少，土壤水分含量低，蒸发量相对较小；而草原和农田地区，在有植被覆盖和适宜的水分条件下，蒸发量相对较大。下垫面蒸发产生的水汽会进入大气中，增加大气的水汽含量。在夏季，宁夏平原的农田地区，由于灌溉和降水的补充，土壤水分充足，植被生长茂盛，下垫面蒸发较强，每天可向大气中输送大量水汽，对当地层状云的形成和发展起到了一定的促进作用。水汽含量对宁夏层状云的宏观物理特征有着显著影响。当大气中的水汽含量较高时，有利于形成厚度较大、水平范围较广的层状云。充足的水汽使得云内的水汽凝结过程更加充分，云滴和冰晶的数量增加，从而导致云的厚度和水平范围增大。在一些降水过程中，观测到大气水汽含量较高的区域，层状云的厚度可达3000-4000米，水平范围可覆盖宁夏大部分地区。而当水汽含量较低时，形成的层状云厚度较薄，水平范围也较小，云内的水汽凝结过程相对较弱，云滴和冰晶的数量较少。水汽含量还会影响层状云的云底高度和云顶高度。一般来说，水汽含量越高，云底高度越低，云顶高度越高。这是因为水汽含量高时，水汽更容易在较低的高度达到饱和状态，从而形成云底较低的层状云。同时，充足的水汽也为云内的垂直上升运动提供了更多的能量，使得云顶能够向上发展得更高。在一次暖湿气流较强的天气过程中，宁夏地区大气中的水汽含量较高，观测到层状云的云底高度低至2000米左右，云顶高度则达到了5000米以上。在微观物理特征方面，水汽含量对层状云中云滴和冰晶的数浓度、尺度分布等有着重要影响。当水汽含量较高时，云滴和冰晶的数浓度相对较大，因为充足的水汽为云滴和冰晶的形成提供了更多的物质基础。水汽含量高也有利于云滴和冰晶的生长，使得它们的尺度相对较大。在一些水汽充足的层状云中，观测到云滴的数浓度可达到100-200个/cm³，云滴的平均直径也相对较大，有利于云滴之间的碰并增长，促进降水的形成。而当水汽含量较低时，云滴和冰晶的数浓度相对较小，尺度也较小，云滴之间的碰并效率较低，降水形成的难度相对较大。六、宁夏层状云宏观微观物理特征与降水的关系6.1降水过程分析以2007年8月26日宁夏层状云降水为例，此次降水主要由高空冷暖空气在宁夏地区相遇，形成弱锋面云系造成。2007年8月25日08:00，500hPa天气图显示，中西伯利亚地区有一低压系统在活动，我国东北地区北部有一冷涡；同时，在新疆东北部有一弱脊活动，甘肃西北嘉峪关附近有一低压槽，云南地区有一低压中心，宁夏受西南气流控制，甘肃西北部的低压槽缓慢向东移动。700hPa天气图上，25日20:00，宁夏处于312hPa低压控制；到26日08:00，宁夏处于316hPa高压中心的前部，并有一明显的切变线存在，切变线横穿甘南、陕北、冀北且缓慢移动；到20:00，该高压中心依然没有退去，而且西南部低压势力强盛，有大量的暖湿气流从南向北输送。利用银川和平凉两站常规探空资料对这次过程中25-27日进行分析，结果表明，25日银川站上空的水汽比较充足，700-500hPa之间的水汽很稳定，随高度变化较小，相对湿度平均值都在85%左右。在08:00，700hPa和500hPa大气层中均为偏南风，风速在10m・s-1左右，使南部的水汽不断地向宁夏地区输送；到了20:00，700-500hPa的风向由偏西风向北风转变，而且风力有所加强，可以推断，云系在向南移动。25日平凉站上空的水汽并不充足，500hPa相对湿度<60%，700hPa相对湿度为80%左右；26日08:00平凉站700hPa相对湿度超过90%；20:00，500hPa以下大气相对湿度平均值也在88%左右，云系比较稳定，风向一直为偏南风，风速最大值≤12m・s-1。26日银川站700hPa相对湿度比较低，仅为65%；但是500hPa和850hPa相对湿度都很高，接近90%。此次降水过程分为上午和下午两次飞行，每次飞行又分为几次上升和几次下降区段，对云层进行垂直和水平结构的探测。第一次飞行从10:00-13:00，航线为银川（河东机场）-海原-西吉-固原-同心-盐池-银川（河东机场）。飞机于8月26日10:04在银川起飞并开始攀升，在底层有碎积云存在，在吴忠进入层状云；10:21到达二道湾（5730m），处于云层顶部，随后下降高度并继续往南飞行，以探测为主要目的，在下降过程中探测到5431m为云顶高度；10:37到达同心以南（5100m）再次进入云层，飞机感到颠簸，随后一边下降高度一边往西吉飞行，过程中探测到云层间断出现，而且云顶较低，厚度较薄；10:57到达西吉，随后飞往固原；11:07到达固原（3100m）后盘旋平飞，并开始作业，之后再次攀升至4600m（云顶）盘旋平飞，再上升至5700m后又下降至4500m开始作业；之后向同心平飞，刚过同心即下降3900m继续平飞，水汽含量很低，到达韦州、盐池，云顶很低，转弯飞往银川。17:00-20:00进行了第二次飞行作业。从降水的宏微观特征来看，本次降水过程主要由暖性层状云产生，在云层的下部和上部存在明显的上升气流和乱流，在云层的不同部位也存在有湍流活动，说明云中的起伏随机源很强，云中肯定存在起伏降水机制，在出现乱流的层面上大云滴浓度相对较高。根据本次个例探测的结果，云中半径大于20μm的云滴很少，几乎全部的云滴半径都在20μm以下，而且半径在10μm以下的云滴非常活跃。从雨滴谱资料中可以看出，雨滴直径都在2-3mm以下，全天的降水基本持续在小雨的等级上。在本次个例中，云滴的增长可能主要是靠起伏凝结增长。当云中少数云滴半径大于14μm，碰并小云滴的效率提高，能有效地启动重力碰并机制，形成降水粒子，其碰并增长速率是随大水滴增大而快速增加的，这也正是暖性层状云产生降水的重要机制。通过对采样数据的统计分析，得出平均直径在20μm以上的云滴浓度占不到云滴总浓度的15%，而含水量却占到了近40%，但是在云滴谱的全部谱形中可以看出，云层偏上部的云滴谱中较大云滴质量占优，而在云层偏下部则是小滴占优，说明云层的下部水分主要由小云滴提供，到了高层平均直径大于20μm的云滴对云中含水量的贡献更大，这说明在整个云层中平均直径大于20μm云滴对水汽的贡献作用不容忽视，但也是有一定空间局限性的。结合两次飞行的PMS资料的分析，本次个例中云层的丰水区处于云层中部，有时在云层下部，并且与逆温层结相对应。即便是层状云，云层中也会时常夹杂有干燥层，通过两次飞行的资料处理得到，每次飞行云中都夹有干燥层，而且云中乱流很明显。通过雨滴谱的分析，本次个例中，0.5-1.5mm之间的雨滴数浓度仅占总浓度的21.8%，但是其对雨强的贡献达到了75.2%，可见，这部分雨滴是本次降水的主体。而且在本次个例中，雨滴的尺度变化对雨强变化影响很大，而数浓度并不是影响雨强的决定因素，雨滴谱整体呈现单峰型。6.2宏微观特征对降水的影响宁夏层状云的宏观微观物理特征与降水密切相关，这些特征在降水的形成、发展和强度变化中起着关键作用。云底高度对降水的起始和强度有着重要影响。较低的云底高度意味着水汽凝结的位置相对较低，云滴在下落过程中经过的距离较短，受到的蒸发和损耗相对较小，更容易形成降水。当云底高度在2000-3000米之间时，云滴在重力作用下能够较快地到达地面，降水的概率和强度相对较高。在一些冷锋天气系统影响下，层状云的云底高度较低，常伴随着较强的降水过程。而较高的云底高度，如超过4000米，云滴在下落过程中可能会受到较强的上升气流和湍流的影响，导致其下落速度减慢，同时云滴在经过较厚的干燥大气层时，容易发生蒸发，使得降水的难度增加，降水强度相对较弱。云厚度是影响降水的另一个重要宏观因素。较厚的层状云通常含有更多的水汽和云粒子，为降水提供了更丰富的物质基础。当云厚度达到3000-5000米时，云内的水汽凝结和粒子碰并增长过程更为充分，有利于形成较强的降水。在一些降水过程中，观测到云厚度较大的区域，降水量明显增加。而云厚度较薄，如小于1500米时，云内的水汽含量相对较少，粒子之间的碰并机会也较少，降水强度通常较小，甚至可能不产生降水。液态水含量及其垂直分布对降水的形成和发展有着关键作用。宁夏层状云液态水含量的极大值通常位于云的中下部，这种分布有利于高层粒子下落过程中的碰并增长。高层的冰晶、雪晶等粒子在下落经过液态水含量高值区时，粒子周围水汽充足，粒子之间的碰并机会增加，从而促进粒子的增长，为降水的形成提供了条件。在一些降水过程中，通过飞机观测发现，当云的中下部液态水含量较高时，降水强度明显增强。而液态水含量较低的区域，降水强度相对较弱。云滴谱特征对降水的形成机制有着重要影响。宁夏层状云的云滴谱呈现出单峰分布，峰值通常出现在直径为10-15μm的范围内。当云滴谱中存在一定数量的大云滴时，有利于云滴之间的碰并增长，从而促进降水的形成。在一些降水过程中，观测到云滴谱中直径大于25μm的大云滴浓度较高，随后出现了明显的降水现象。这是因为大云滴在下落过程中，能够更有效地碰并周围的小云滴，使得自身不断增长，最终形成降水粒子。而当云滴谱主要由小粒子组成时，云滴之间的碰并效率较低，降水形成的难度相对较大。冰晶谱特征也与降水密切相关。宁夏高层云雪晶谱总体上呈现出单调下降型，尺度为0.3-0.6mm的雪晶浓度达到最大值，立体枝状、柱状和针状是优势晶形。这些优势晶形的雪晶对云的降水过程有着重要影响。立体枝状和柱状雪晶由于其较大的表面积和质量，在下落过程中更容易与其他粒子碰并，促进降水的形成。针状雪晶虽然质量较小，但在云内的分布相对较广，它们可以作为凝结核，促进水汽的凝结，为降水的形成提供条件。在一些降雪过程中，观测到雪晶谱中优势晶形的雪晶浓度较高时，降雪强度较大。6.3降水效率与潜力评估宁夏层状云的自然降水效率是评估其降水能力和开发利用云水资源的重要指标。通过对宁夏地区飞机云物理观测资料以及降水数据的综合分析，发现宁夏层状云的自然降水效率存在一定的特点和规律。在1978-1990年间宁夏地区5-9月的飞机云物理观测中，结合同期的降水资料，对层状云的自然降水效率进行了计算和分析。结果表明，宁夏层状云的自然降水效率相对较低，平均降水效率约为10%-20%。这意味着在层状云形成的过程中，只有10%-20%的水汽能够最终转化为降水落到地面。造成这种低降水效率的原因是多方面的。一方面，宁夏地区气候干旱，大气中的水汽含量相对较少，限制了云滴的增长和降水的形成。即使在层状云形成后，由于水汽供应不足，云滴难以充分增长，导致降水效率不高。另一方面，层状云中的云滴谱分布和微物理过程也对降水效率产生影响。宁夏层状云的云滴谱小粒子数浓度相对较大，大云滴含量相对较少，云滴之间的碰并增长效率较低，不利于降水粒子的形成和增长，从而降低了自然降水效率。为了评估宁夏层状云的人工增雨潜力，研究人员从多个角度进行了分析。从液态水含量分布来看，宁夏层状云液态水含量的极大值通常位于云的中下部，且液态水含量相对较高。在一些层状云样本中，云的中下部液态水含量可达到0.2-0.5g/m³。这种液态水含量分布为人工增雨提供了有利条件。通过向云中播撒催化剂，如碘化银等，可以增加云中的冰晶数量，促进冰晶的增长和碰并，从而将云中的液态水转化为降水，提高降水效率。从云的微观物理特征来看，宁夏层状云中存在一定数量的过冷水滴，这也是人工增雨的潜在资源。过冷水滴在一定条件下可以通过催化作用迅速冻结形成冰晶，进而促进降水的形成。宁夏高层云雪晶谱总体上呈现出单调下降型，尺度为0.3-0.6mm的雪晶浓度达到最大值，这种雪晶谱特征也表明云中存在一定的降水潜力，通过人工干预可以进一步激发和利用这种潜力。研究人