寧夏層狀云宏微觀物理特征剖析：結(jié)構(gòu)、影響因素與降水關(guān)聯(lián)一、引言1.1研究背景與意義水是生命之源，對(duì)于人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要。然而，隨著全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)峻，成為制約許多地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。寧夏回族自治區(qū)位于中國(guó)內(nèi)陸，地處黃河中游上段地區(qū)，其地形地貌復(fù)雜，西、北、東三面分別被騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠和毛烏素沙漠環(huán)繞，南與黃土高原相連，地勢(shì)南高北低，西陡東緩。這種特殊的地理位置和地形條件，使得寧夏的氣候干旱少雨，水資源匱乏問(wèn)題尤為突出。寧夏多年平均降水量不足200毫米，僅約為全國(guó)平均值的三分之一，且降水時(shí)空分布極不均勻，由南向北遞減，年內(nèi)降水主要集中在6-9月。全區(qū)多年平均年徑流量為9.493億立方米，平均年徑流深18.3毫米，是黃河流域平均值的1/3，全國(guó)均值的1/15。當(dāng)?shù)厮Y源總量為11.633億立方米，在全國(guó)30個(gè)省、自治區(qū)、直轄市中位居末位，按人口或耕地平均占有量在全國(guó)也是最少的，分別為全國(guó)平均值的十二分之一和二十七分之一。此外，寧夏的水資源還存在著水質(zhì)差、空間分布不均、時(shí)間變化大等問(wèn)題，進(jìn)一步加劇了水資源短缺的矛盾。在有限的地表水資源中，礦化度較高的咸水和苦水有2.26億立方米，不適于灌溉和人畜飲用。水資源短缺嚴(yán)重影響了寧夏的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。農(nóng)業(yè)方面，作為寧夏的重要產(chǎn)業(yè)，水資源的不足限制了灌溉面積的擴(kuò)大和農(nóng)作物產(chǎn)量的提高，制約了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程。工業(yè)領(lǐng)域，缺水使得一些高耗水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到限制，增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本，影響了工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，水資源短缺也對(duì)寧夏的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致土地沙漠化、水土流失加劇，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降，威脅著當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)安全。為了緩解水資源短缺問(wèn)題，除了加強(qiáng)水資源管理、提高水資源利用效率外，開(kāi)發(fā)利用空中云水資源成為一種重要的途徑。人工增雨作為開(kāi)發(fā)利用空中云水資源的有效手段，通過(guò)向云中播撒催化劑，改變?cè)频奈⑽锢磉^(guò)程，促進(jìn)云滴的凝結(jié)和碰并增長(zhǎng)，從而增加降水，為緩解干旱、改善生態(tài)環(huán)境和保障水資源供應(yīng)提供了可能。層狀云是一種常見(jiàn)的云系，在寧夏地區(qū)的降水過(guò)程中起著重要作用。層狀云通常具有較大的水平范圍和相對(duì)穩(wěn)定的垂直結(jié)構(gòu)，其降水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，雖然降水強(qiáng)度相對(duì)較小，但累積降水量可觀，是寧夏地區(qū)重要的降水云系之一。深入研究寧夏層狀云的宏觀和微觀物理特征，對(duì)于理解降水形成機(jī)制、提高人工增雨作業(yè)效果具有重要意義。從宏觀物理特征來(lái)看，了解層狀云的云底高度、云頂高度、云厚度、水平范圍等參數(shù)，有助于確定云系的空間分布和發(fā)展態(tài)勢(shì)，為人工增雨作業(yè)的時(shí)機(jī)和區(qū)域選擇提供依據(jù)。不同天氣系統(tǒng)下形成的層狀云，其宏觀特征存在差異，通過(guò)對(duì)這些差異的研究，可以更好地把握降水過(guò)程的演變規(guī)律，提高降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。微觀物理特征方面，層狀云中云滴、冰晶、雪晶等粒子的數(shù)濃度、尺度分布、相態(tài)變化以及粒子之間的相互作用等，直接影響著云的降水效率和降水形成機(jī)制。例如，云滴的數(shù)濃度和尺度分布決定了云滴之間的碰并增長(zhǎng)效率，冰晶的生成和增長(zhǎng)過(guò)程則與云的冷云降水機(jī)制密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，暖層中的大云滴濃度高于冷層，可為云滴的碰并增長(zhǎng)和冰晶繁生提供一定的大滴，利于降水的形成。因此，深入研究層狀云的微觀物理特征，對(duì)于揭示降水形成的物理過(guò)程、優(yōu)化人工增雨作業(yè)方案具有關(guān)鍵作用。此外，寧夏地區(qū)的地形地貌對(duì)層狀云的發(fā)展和演變也有著重要影響。賀蘭山、六盤(pán)山等山脈的存在，使得氣流在山脈迎風(fēng)坡被迫抬升，促進(jìn)了層狀云的形成和發(fā)展，而在背風(fēng)坡則可能出現(xiàn)下沉氣流，影響云的結(jié)構(gòu)和降水分布。研究地形對(duì)層狀云物理特征的影響，有助于更好地理解寧夏地區(qū)降水的局地差異，為人工增雨作業(yè)的精細(xì)化實(shí)施提供科學(xué)支撐。綜上所述，研究寧夏層狀云的宏觀微觀物理特征，對(duì)于深入了解寧夏地區(qū)的降水形成機(jī)制、開(kāi)發(fā)利用空中云水資源、緩解水資源短缺問(wèn)題具有重要的理論和實(shí)際意義。通過(guò)對(duì)層狀云物理特征的研究，可以為人工增雨作業(yè)提供科學(xué)依據(jù)，提高人工增雨的效果和效益，為寧夏地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供有力保障。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀層狀云作為一種重要的云系，其宏觀微觀物理特征一直是大氣科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從不同角度、運(yùn)用多種方法對(duì)層狀云進(jìn)行了廣泛而深入的研究，取得了豐碩的成果。在國(guó)外，早期的研究主要集中在層狀云的宏觀結(jié)構(gòu)和降水機(jī)制方面。通過(guò)飛機(jī)觀測(cè)、雷達(dá)探測(cè)等手段，對(duì)層狀云的云底高度、云頂高度、云厚度等宏觀參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量和分析，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。例如，美國(guó)的一些研究團(tuán)隊(duì)利用飛機(jī)搭載的云粒子探測(cè)儀器，對(duì)層狀云的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)層狀云在垂直方向上存在明顯的分層現(xiàn)象，不同層次的云物理特性存在差異。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)層狀云微觀物理特征的研究逐漸深入。學(xué)者們開(kāi)始關(guān)注云滴、冰晶等粒子的數(shù)濃度、尺度分布、相態(tài)變化等微觀參數(shù)，以及這些參數(shù)與云的降水過(guò)程之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，云滴的數(shù)濃度和尺度分布對(duì)云的降水效率有著重要影響，較小的云滴數(shù)濃度和較大的云滴尺度有利于降水的形成。此外，冰晶的生成和增長(zhǎng)過(guò)程也是影響層狀云降水的關(guān)鍵因素之一，冰晶的形態(tài)、尺度和數(shù)濃度等都會(huì)影響云的冷云降水機(jī)制。近年來(lái)，數(shù)值模擬技術(shù)在層狀云研究中得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)建立云模式，對(duì)層狀云的發(fā)展演變過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以深入研究云的宏觀微觀物理過(guò)程，以及各種因素對(duì)云的影響。例如，利用大渦模擬（LES）方法，可以模擬層狀云中的湍流運(yùn)動(dòng)和云微物理過(guò)程，揭示云滴的碰并增長(zhǎng)、冰晶的繁生等微觀物理過(guò)程的細(xì)節(jié)。同時(shí)，耦合氣溶膠模塊的數(shù)值模式也被用于研究氣溶膠對(duì)層狀云的影響，發(fā)現(xiàn)氣溶膠可以通過(guò)改變?cè)频蔚臄?shù)濃度和尺度分布，進(jìn)而影響云的輻射特性和降水過(guò)程。在國(guó)內(nèi)，層狀云的研究也取得了顯著進(jìn)展。20世紀(jì)80年代初引進(jìn)美國(guó)的PMS探測(cè)系統(tǒng)后，我國(guó)對(duì)于云的飛機(jī)探測(cè)廣泛開(kāi)展起來(lái)。眾多學(xué)者利用飛機(jī)觀測(cè)資料，對(duì)不同地區(qū)的層狀云進(jìn)行了研究，分析了其宏微觀物理特征。廖飛佳等利用北疆1983年11月22日一次冷鋒降水后期寬雪帶獲得的飛機(jī)觀測(cè)資料，根據(jù)雪帶中的降雪粒子隨高度的濃度分布和尺度分布，分析了雪帶的微物理結(jié)構(gòu)特征和降水增長(zhǎng)過(guò)程。張連云等、蘇正軍等分別分析了山東省和青海省層狀云的云及降水的微物理特征。李淑日等對(duì)河南省一次降水層狀云系進(jìn)行了飛機(jī)探測(cè)，利用取得的微物理資料，配合同期的天氣、衛(wèi)星、雷達(dá)等資料對(duì)云的微物理特征進(jìn)行了分析。在寧夏地區(qū)，針對(duì)層狀云的研究也有一定的成果。項(xiàng)磊利用1978-1990年間寧夏地區(qū)5-9月的飛機(jī)云物理觀測(cè)資料，重點(diǎn)分析了無(wú)層積云的高層云宏觀和微觀物理結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)無(wú)層積云的高層云云底比有層積云的高層云云底略高，云滴譜小粒子的數(shù)濃度也較大，暖層中的大云滴濃度高于冷層，利于降水的形成。劉建軍等在總結(jié)寧夏與人工增雨作業(yè)密切相關(guān)的云和降水學(xué)多年研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)歸納了寧夏層狀云的降水特點(diǎn)以及層狀云的宏、微觀特征，并從寧夏層狀云液態(tài)水含量分布、自然降水效率兩個(gè)方面分析了寧夏層狀云的降水潛力，認(rèn)為寧夏降水性層狀云的過(guò)冷水資源比較豐富，人工增雨潛力較大。林文利用1982年7月在寧夏銀川機(jī)場(chǎng)地面4次觀測(cè)獲取滴譜資料，分析了寧夏夏季層狀云雨滴的瞬時(shí)和平均譜及有關(guān)物理量的特征，總結(jié)出了層狀云降水的一些主要特征，給出了4次降水的平均譜分布及譜參數(shù)的演變，進(jìn)行了M-P分布的擬合分析，得出雨滴譜基本符合M-P分布。然而，目前寧夏地區(qū)層狀云的研究仍存在一些不足。一方面，現(xiàn)有的研究主要基于早期的飛機(jī)觀測(cè)資料，觀測(cè)時(shí)間和空間范圍有限，難以全面反映寧夏層狀云的物理特征及其變化規(guī)律。隨著氣象探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型的探測(cè)設(shè)備如激光雷達(dá)、微波輻射計(jì)等在云物理研究中得到了廣泛應(yīng)用，但在寧夏地區(qū)的相關(guān)研究中應(yīng)用較少，缺乏多源觀測(cè)資料的綜合分析。另一方面，對(duì)于寧夏地區(qū)復(fù)雜地形和特殊氣候條件對(duì)層狀云的影響機(jī)制研究不夠深入。寧夏地處我國(guó)內(nèi)陸，周邊被沙漠環(huán)繞，地形起伏較大，這種獨(dú)特的地理環(huán)境使得層狀云的形成、發(fā)展和演變受到多種因素的綜合影響，如地形強(qiáng)迫、水汽輸送、邊界層動(dòng)力過(guò)程等，但目前對(duì)這些因素的相互作用及其對(duì)層狀云物理特征的影響尚缺乏系統(tǒng)的研究。此外，在數(shù)值模擬研究方面，針對(duì)寧夏地區(qū)層狀云的高分辨率數(shù)值模擬研究相對(duì)較少，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)的對(duì)比驗(yàn)證也不夠充分，限制了對(duì)層狀云物理過(guò)程的深入理解和人工增雨作業(yè)效果的準(zhǔn)確評(píng)估。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究旨在全面、深入地分析寧夏層狀云的宏觀微觀物理特征，揭示其形成機(jī)制和影響因素，為人工增雨作業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。具體研究?jī)?nèi)容與方法如下：資料收集與整理：收集寧夏地區(qū)的飛機(jī)云物理觀測(cè)資料，這些資料涵蓋了不同季節(jié)、不同天氣條件下的層狀云觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括云的高度、厚度、溫度、濕度、粒子濃度、粒子尺度等信息。同時(shí)，收集常規(guī)氣象觀測(cè)資料，如地面氣象站的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，以及高空探空資料，獲取不同高度的氣象要素信息。此外，還收集衛(wèi)星遙感資料，利用衛(wèi)星圖像反演云的宏觀特征，如云頂高度、云覆蓋范圍等，以及雷達(dá)探測(cè)資料，獲取云的回波強(qiáng)度、回波高度等信息，為后續(xù)的分析提供多源數(shù)據(jù)支持。寧夏層狀云宏觀物理特征分析：利用飛機(jī)云物理觀測(cè)資料和衛(wèi)星遙感資料，統(tǒng)計(jì)分析寧夏層狀云的云底高度、云頂高度、云厚度等宏觀參數(shù)的分布特征。通過(guò)對(duì)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，繪制云底高度、云頂高度和云厚度的頻率分布圖，分析其集中趨勢(shì)和離散程度。同時(shí)，研究不同天氣系統(tǒng)下寧夏層狀云宏觀特征的差異，如冷鋒、暖鋒、氣旋等天氣系統(tǒng)影響下，層狀云的宏觀參數(shù)變化規(guī)律。對(duì)比不同天氣系統(tǒng)下云底高度、云頂高度和云厚度的平均值、最大值和最小值，找出其與天氣系統(tǒng)的關(guān)系。寧夏層狀云微觀物理特征分析：基于飛機(jī)搭載的云粒子探測(cè)儀器獲取的資料，分析寧夏層狀云中云滴、冰晶等粒子的數(shù)濃度、尺度分布、相態(tài)變化等微觀物理特征。例如，利用FSSP-100探頭測(cè)量云滴的濃度和尺度，分析云滴數(shù)濃度隨高度的變化，以及不同尺度云滴的分布情況。通過(guò)2D-C、2D-P探頭觀測(cè)冰晶的形態(tài)、尺度和數(shù)濃度，研究冰晶的增長(zhǎng)機(jī)制和相態(tài)變化過(guò)程。探討這些微觀物理特征對(duì)云的降水過(guò)程的影響，建立微觀物理參數(shù)與降水強(qiáng)度、降水量之間的關(guān)系模型。影響寧夏層狀云物理特征的因素分析：結(jié)合寧夏地區(qū)的地形地貌、氣象條件等因素，分析其對(duì)層狀云物理特征的影響機(jī)制。寧夏地區(qū)地形復(fù)雜，山脈、沙漠等地形對(duì)氣流的運(yùn)動(dòng)和水汽的輸送有重要影響。通過(guò)數(shù)值模擬和理論分析，研究地形強(qiáng)迫對(duì)層狀云的形成和發(fā)展的作用，如山脈的阻擋和抬升作用如何影響云的垂直結(jié)構(gòu)和水平分布。分析氣象條件，如濕度、溫度、風(fēng)場(chǎng)等對(duì)層狀云宏微觀物理特征的影響。例如，濕度的變化如何影響云滴的凝結(jié)和蒸發(fā)，溫度的垂直分布如何影響冰晶的生成和增長(zhǎng)，風(fēng)場(chǎng)的切變?nèi)绾斡绊懺频男螒B(tài)和運(yùn)動(dòng)。寧夏層狀云物理特征與降水的關(guān)系研究：分析寧夏層狀云的宏觀微觀物理特征與降水之間的定量關(guān)系，建立降水預(yù)報(bào)模型。通過(guò)對(duì)大量降水過(guò)程的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出云的宏觀參數(shù)（如云底高度、云厚度、液態(tài)水含量等）和微觀參數(shù)（如云滴數(shù)濃度、冰晶數(shù)濃度、粒子尺度等）與降水強(qiáng)度、降水量之間的相關(guān)性。利用統(tǒng)計(jì)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立基于層狀云物理特征的降水預(yù)報(bào)模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。二、寧夏層狀云概述2.1層狀云的定義與分類(lèi)層狀云是布滿全天或部分天穹的均勻幕狀云層，常具有較大的水平范圍，其水平尺度一般為10-1000km，垂直尺度為0.1-5km。層狀云是由于空氣大規(guī)模的系統(tǒng)性上升運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，主要是鋒面上的上升運(yùn)動(dòng)引起。這種系統(tǒng)性上升運(yùn)動(dòng)水平范圍大，但上升速度較為緩慢，通常只有0.1-1m/s，不過(guò)因持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，能使空氣上升好幾千米。當(dāng)暖空氣向冷空氣一側(cè)移動(dòng)時(shí)，由于二者密度不同，穩(wěn)定的暖濕空氣會(huì)沿冷空氣斜坡緩慢滑升，在這個(gè)過(guò)程中，空氣絕熱冷卻，水汽逐漸凝結(jié)，從而形成層狀云。云的底部同冷暖空氣交織的傾斜面，也就是鋒面大體吻合，而云頂近似水平。根據(jù)云底高度、云的結(jié)構(gòu)和組成等特征，層狀云可進(jìn)一步分為卷云（Ci）、卷層云（Cs）、高層云（As）和雨層云（Ns）等不同類(lèi)型。卷云是高云族，云底高度通常在5000米以上，云體由冰晶組成，常呈絲縷狀或羽毛狀，結(jié)構(gòu)松散，透明度較高。卷層云也屬于高云族，云底高度一般在4500-8000米之間，是一種薄而均勻的云幕，透過(guò)它可以看到日月輪廓，且常伴有日暈、月暈現(xiàn)象。高層云為中云族，云底高度在2500-4500米左右，厚度一般為1000-3000米，頂部多為冰晶組成，主體部分多為冰晶與過(guò)冷卻水滴共同組成，云層較厚時(shí)，底部常出現(xiàn)降水。雨層云屬于低云族，云底高度通常在2000米以下，厚度一般為3000-6000米，云體濃厚，呈暗灰色，底部經(jīng)常伴有連續(xù)性降水，其頂部為冰晶組成，中部為過(guò)冷卻水滴與冰晶共同組成，底部由于溫度高于0℃，故為水滴組成。此外，層狀云還可能包括層云（St）和層積云（Sc），層云云底高度很低，一般在2000米以下，云體均勻成層，呈灰色或灰白色，通常不產(chǎn)生降水，若有降水，多為毛毛雨或米雪；層積云云底高度一般在2000米以下，是由片狀、團(tuán)塊或條形云組成的云層或云塊，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生降水，降水強(qiáng)度較弱。在寧夏地區(qū)，常見(jiàn)的層狀云類(lèi)型主要有高層云、雨層云、層積云等。這些層狀云的出現(xiàn)與寧夏的地理位置、地形地貌以及大氣環(huán)流等因素密切相關(guān)。寧夏地處我國(guó)內(nèi)陸，位于中緯度地區(qū)，受西風(fēng)帶環(huán)流和東亞季風(fēng)的共同影響。當(dāng)冷空氣南下與來(lái)自低緯度地區(qū)的暖濕氣流在寧夏上空交匯時(shí)，容易形成鋒面，進(jìn)而產(chǎn)生層狀云。此外，寧夏周邊的地形，如賀蘭山、六盤(pán)山等山脈，對(duì)氣流具有阻擋和抬升作用，使得暖濕氣流在爬坡過(guò)程中冷卻凝結(jié)，也有利于層狀云的形成。高層云在寧夏較為常見(jiàn)，常出現(xiàn)在天氣系統(tǒng)變化的前期，當(dāng)高層云逐漸增厚、降低，可能會(huì)演變?yōu)橛陮釉?，從而帶?lái)連續(xù)性降水。雨層云是寧夏地區(qū)產(chǎn)生降水的重要云系之一，其降水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，雖然降水強(qiáng)度相對(duì)較小，但累積降水量可觀，對(duì)寧夏的水資源補(bǔ)充具有重要意義。層積云在寧夏的不同季節(jié)也時(shí)有出現(xiàn)，它的存在對(duì)當(dāng)?shù)氐奶鞖夂蜌夂蛞灿兄欢ǖ挠绊?，在一些情況下，層積云可以作為降水的前奏，當(dāng)層積云進(jìn)一步發(fā)展演變，可能會(huì)引發(fā)降水過(guò)程。2.2寧夏地區(qū)層狀云的形成條件寧夏地區(qū)層狀云的形成受到多種因素的綜合影響，其中地形地貌和大氣環(huán)流是兩個(gè)關(guān)鍵因素。寧夏地處中國(guó)內(nèi)陸，地形地貌復(fù)雜多樣。其西、北、東三面分別被騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠和毛烏素沙漠環(huán)繞，南與黃土高原相連，地勢(shì)南高北低，西陡東緩。賀蘭山、六盤(pán)山等山脈縱貫境內(nèi)，這些山脈對(duì)層狀云的形成和發(fā)展具有重要影響。當(dāng)暖濕氣流從低緯度地區(qū)向?qū)幭妮斔蜁r(shí)，遇到賀蘭山和六盤(pán)山等山脈的阻擋，氣流被迫沿山坡抬升。在抬升過(guò)程中，空氣因高度升高而氣壓降低，體積膨脹，對(duì)外做功消耗自身能量，導(dǎo)致溫度降低，水汽逐漸飽和并開(kāi)始凝結(jié)，從而為層狀云的形成提供了有利條件。研究表明，在山脈迎風(fēng)坡，氣流抬升作用顯著，云底高度相對(duì)較低，云層厚度較大，降水概率也相對(duì)較高。例如，在賀蘭山迎風(fēng)坡，當(dāng)有合適的水汽條件時(shí)，常常會(huì)形成深厚的層狀云系，進(jìn)而產(chǎn)生降水。而在山脈背風(fēng)坡，由于氣流下沉增溫，水汽不易凝結(jié)，云層往往較薄，甚至可能出現(xiàn)無(wú)云區(qū)，降水也相對(duì)較少。大氣環(huán)流對(duì)寧夏地區(qū)層狀云的形成起著決定性作用。寧夏位于中緯度地區(qū)，受西風(fēng)帶環(huán)流和東亞季風(fēng)的共同影響。在西風(fēng)帶環(huán)流中，來(lái)自大西洋和地中海的水汽，在西風(fēng)氣流的攜帶下，有時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)新疆等地進(jìn)入寧夏上空。雖然在長(zhǎng)途輸送過(guò)程中水汽有所損耗，但在一定條件下，仍能為寧夏層狀云的形成提供水汽來(lái)源。當(dāng)西風(fēng)帶中的槽脊系統(tǒng)移動(dòng)到寧夏上空時(shí)，會(huì)引起大氣的垂直運(yùn)動(dòng)。若槽前有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，且水汽條件適宜，就有利于層狀云的形成。例如，當(dāng)高空西風(fēng)槽東移，槽前的西南氣流將低緯度的暖濕空氣輸送到寧夏地區(qū)，與當(dāng)?shù)氐睦淇諝饨粎R，容易形成鋒面，進(jìn)而產(chǎn)生層狀云。東亞季風(fēng)對(duì)寧夏地區(qū)的水汽輸送和層狀云形成也有著重要影響。夏季，受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)的影響，來(lái)自太平洋和印度洋的暖濕氣流向?qū)幭牡貐^(qū)輸送。其中，東南季風(fēng)攜帶的水汽主要通過(guò)偏南氣流進(jìn)入寧夏東部地區(qū)，而西南季風(fēng)帶來(lái)的水汽則通過(guò)偏西氣流影響寧夏南部地區(qū)。當(dāng)這些暖濕氣流與北方南下的冷空氣在寧夏上空相遇時(shí)，暖濕空氣會(huì)沿著冷空氣的斜坡緩慢上升，形成大范圍的系統(tǒng)性上升運(yùn)動(dòng)，為層狀云的形成創(chuàng)造了有利的動(dòng)力條件。在一些降水過(guò)程中，觀測(cè)到700hPa和500hPa高度上的偏南氣流將大量水汽輸送到寧夏地區(qū)，使得大氣濕度明顯增加，隨后在冷暖空氣交匯的區(qū)域形成了深厚的層狀云系，并產(chǎn)生了持續(xù)性降水。除了地形地貌和大氣環(huán)流外，寧夏地區(qū)的下墊面性質(zhì)、邊界層動(dòng)力過(guò)程等因素也會(huì)對(duì)層狀云的形成產(chǎn)生一定影響。沙漠地區(qū)的下墊面粗糙度小，白天地面受熱升溫快，容易形成局地的熱力對(duì)流，將水汽向上輸送，在一定程度上影響層狀云的形成和發(fā)展。邊界層內(nèi)的風(fēng)切變、湍流等動(dòng)力過(guò)程，也會(huì)影響水汽的垂直輸送和混合，進(jìn)而影響層狀云的微觀物理結(jié)構(gòu)和降水過(guò)程。2.3寧夏層狀云的氣候特征寧夏地區(qū)層狀云的出現(xiàn)頻率存在明顯的地域差異。通過(guò)對(duì)寧夏24個(gè)測(cè)站1971-2000年常規(guī)地面觀測(cè)資料的分析，發(fā)現(xiàn)寧夏南部地區(qū)層狀云出現(xiàn)的頻率相對(duì)較高，而北部地區(qū)相對(duì)較低。這主要是由于寧夏南部地區(qū)地勢(shì)較高，地形復(fù)雜，受地形抬升作用影響，暖濕氣流更容易在此處上升冷卻，形成層狀云。例如，固原、西吉等南部地區(qū)的站點(diǎn)，層狀云出現(xiàn)的頻率明顯高于北部的銀川、石嘴山等地。在固原地區(qū)，年平均層狀云出現(xiàn)天數(shù)可達(dá)60-80天，而銀川地區(qū)年平均層狀云出現(xiàn)天數(shù)約為40-60天。季節(jié)變化方面，寧夏層狀云的出現(xiàn)頻率和降水特征隨季節(jié)更替而變化。春季，隨著氣溫逐漸升高，暖濕氣流開(kāi)始活躍，寧夏地區(qū)的層狀云出現(xiàn)頻率逐漸增加。此時(shí)，層狀云主要由西風(fēng)帶環(huán)流帶來(lái)的水汽形成，云底高度相對(duì)較高，一般在3000-5000米左右。由于春季大氣中的水汽含量相對(duì)較少，層狀云的降水強(qiáng)度通常較小，多為小雨或零星降水，但降水過(guò)程對(duì)緩解春季干旱具有重要意義。夏季是寧夏降水的主要季節(jié)，層狀云的出現(xiàn)頻率也較高。在夏季，東亞季風(fēng)帶來(lái)大量暖濕氣流，與北方冷空氣在寧夏上空交匯，容易形成鋒面，進(jìn)而產(chǎn)生層狀云。夏季層狀云的云底高度一般在2000-4000米之間，云厚度較大，降水強(qiáng)度相對(duì)春季有所增強(qiáng)，有時(shí)可出現(xiàn)中到大雨。研究表明，夏季層狀云降水次數(shù)占全年降水次數(shù)的40%-50%，降水量占全年降水量的50%-60%。例如，在2019年7月的一次降水過(guò)程中，寧夏南部地區(qū)受暖濕氣流和冷空氣的共同影響，形成了深厚的層狀云系，持續(xù)降水時(shí)間超過(guò)12小時(shí)，降水量達(dá)到30-50毫米，有效緩解了當(dāng)?shù)氐暮登?。秋季，隨著冷空氣逐漸增強(qiáng)，暖濕氣流減弱，寧夏層狀云的出現(xiàn)頻率逐漸降低。秋季層狀云的云底高度和降水強(qiáng)度與春季較為相似，但降水持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。在秋季，層狀云降水主要是由于冷空氣南下與殘留的暖濕空氣相互作用形成，降水過(guò)程對(duì)補(bǔ)充土壤水分、保障農(nóng)作物生長(zhǎng)后期的水分需求具有一定作用。冬季，寧夏地區(qū)受大陸冷氣團(tuán)控制，氣候寒冷干燥，層狀云的出現(xiàn)頻率最低。冬季層狀云多由高空槽過(guò)境時(shí)帶來(lái)的少量水汽形成，云底高度較高，一般在5000米以上，降水形式主要為雪或雨夾雪，降水強(qiáng)度較小，降水量也較少。此外，寧夏層狀云的年際變化也較為明顯。在某些年份，由于大氣環(huán)流異常，寧夏地區(qū)的水汽輸送和冷暖空氣交匯情況發(fā)生變化，導(dǎo)致層狀云的出現(xiàn)頻率和降水特征出現(xiàn)較大波動(dòng)。例如，在厄爾尼諾事件發(fā)生的年份，寧夏地區(qū)的降水可能會(huì)減少，層狀云的出現(xiàn)頻率也會(huì)相應(yīng)降低；而在拉尼娜事件發(fā)生的年份，降水可能會(huì)增加，層狀云的出現(xiàn)頻率也可能會(huì)升高。通過(guò)對(duì)多年氣象資料的分析，發(fā)現(xiàn)寧夏層狀云出現(xiàn)頻率的年際變化與大氣環(huán)流指數(shù)（如北極濤動(dòng)指數(shù)、東亞夏季風(fēng)指數(shù)等）存在一定的相關(guān)性，這為預(yù)測(cè)寧夏層狀云的年際變化提供了一定的依據(jù)。三、寧夏層狀云宏觀物理特征3.1云底高度與厚度云底高度是層狀云的一個(gè)重要宏觀物理參數(shù)，它反映了云體與地面之間的垂直距離，對(duì)云的發(fā)展和降水過(guò)程有著重要影響。通過(guò)對(duì)寧夏地區(qū)飛機(jī)云物理觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)寧夏層狀云的云底高度存在一定的變化規(guī)律，且無(wú)層積云的高層云和有層積云的高層云在云底高度上存在差異。在1978-1990年間寧夏地區(qū)5-9月的飛機(jī)云物理觀測(cè)中，無(wú)層積云的高層云云底高度平均值約為3500米，而有層積云的高層云云底高度平均值約為3200米，無(wú)層積云的高層云云底比有層積云的高層云云底略高。這種差異可能與云的形成機(jī)制和大氣環(huán)境有關(guān)。有層積云存在時(shí)，層積云通常位于較低的高度，它的存在可能會(huì)對(duì)高層云的形成和發(fā)展產(chǎn)生一定影響，使得高層云的云底高度相對(duì)降低。而無(wú)層積云時(shí)，高層云的形成和發(fā)展相對(duì)較少受到下層云的干擾，云底高度相對(duì)較高。云底高度還會(huì)受到多種因素的影響，如地形、大氣環(huán)流、水汽條件等。在寧夏地區(qū)，賀蘭山、六盤(pán)山等山脈的存在對(duì)云底高度有著顯著影響。在山脈迎風(fēng)坡，暖濕氣流被迫抬升，水汽冷卻凝結(jié)，云底高度相對(duì)較低。例如，在賀蘭山迎風(fēng)坡的一些觀測(cè)點(diǎn)，當(dāng)有合適的水汽和天氣條件時(shí)，層狀云的云底高度可低至2500米左右。而在山脈背風(fēng)坡，由于氣流下沉增溫，水汽不易凝結(jié)，云底高度相對(duì)較高，有時(shí)可達(dá)到4000米以上。大氣環(huán)流對(duì)云底高度的影響也較為明顯。當(dāng)寧夏地區(qū)受西風(fēng)帶環(huán)流影響時(shí)，來(lái)自中高緯度的冷空氣與低緯度的暖濕氣流交匯，形成的層狀云云底高度通常較高。而在東亞季風(fēng)影響下，來(lái)自海洋的暖濕氣流帶來(lái)豐富的水汽，使得云底高度相對(duì)較低。在夏季，受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)的共同影響，寧夏南部地區(qū)的層狀云云底高度一般在3000米以下，有利于降水的形成。云厚度是層狀云的另一個(gè)關(guān)鍵宏觀物理特征，它直接關(guān)系到云內(nèi)的水汽含量和降水潛力。寧夏層狀云的厚度變化范圍較大，一般在1000-4000米之間。在不同的天氣系統(tǒng)和地形條件下，云厚度表現(xiàn)出不同的特征。在冷鋒天氣系統(tǒng)影響下，寧夏層狀云的厚度通常較大。冷鋒過(guò)境時(shí)，冷空氣迅速推進(jìn)，暖濕空氣被強(qiáng)烈抬升，形成深厚的層狀云系。在一些冷鋒降水過(guò)程中，觀測(cè)到層狀云的厚度可達(dá)3500-4000米，云層中水汽含量豐富，容易產(chǎn)生較強(qiáng)的降水。而在暖鋒天氣系統(tǒng)影響下，暖濕空氣沿著冷空氣緩慢爬升，形成的層狀云厚度相對(duì)較小，一般在1500-2500米之間。暖鋒降水相對(duì)較弱，但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。地形對(duì)云厚度的影響也十分顯著。在寧夏的山區(qū)，如賀蘭山和六盤(pán)山地區(qū)，由于地形的強(qiáng)迫抬升作用，暖濕氣流在爬坡過(guò)程中不斷冷卻凝結(jié)，使得層狀云厚度明顯增加。在賀蘭山山區(qū)，當(dāng)有較強(qiáng)的暖濕氣流與地形相互作用時(shí)，層狀云厚度可超過(guò)3000米，形成有利于降水的云條件。而在寧夏平原地區(qū)，地形較為平坦，層狀云的厚度相對(duì)較小，一般在1000-2000米之間。云厚度還與云的發(fā)展階段有關(guān)。在層狀云的發(fā)展初期，云厚度相對(duì)較小，隨著水汽的不斷補(bǔ)充和云內(nèi)物理過(guò)程的發(fā)展，云厚度逐漸增加。當(dāng)云發(fā)展到成熟階段時(shí)，云厚度達(dá)到最大值，此時(shí)云內(nèi)的水汽含量和降水潛力也最大。而在云的消散階段，隨著水汽的消耗和云內(nèi)物理過(guò)程的減弱，云厚度逐漸減小，云體逐漸變薄。3.2水平尺度與范圍寧夏層狀云的水平尺度和范圍對(duì)其降水分布和影響區(qū)域具有重要意義。層狀云的水平尺度一般為10-1000km，在寧夏地區(qū)，其水平尺度和范圍受到多種因素的制約。通過(guò)對(duì)寧夏地區(qū)飛機(jī)云物理觀測(cè)資料以及衛(wèi)星遙感資料的綜合分析，發(fā)現(xiàn)寧夏層狀云的水平尺度變化較大。在一些較小的天氣系統(tǒng)影響下，層狀云的水平尺度可能僅為幾十千米。例如，在局地性的弱鋒面活動(dòng)時(shí)，形成的層狀云水平范圍相對(duì)較小，其長(zhǎng)軸方向的尺度可能在30-50km左右，短軸方向的尺度在10-20km左右，這種較小尺度的層狀云往往帶來(lái)局地性的降水，降水區(qū)域相對(duì)集中。而在較大的天氣系統(tǒng)，如鋒面氣旋影響下，寧夏層狀云的水平尺度可達(dá)到數(shù)百千米。當(dāng)鋒面氣旋過(guò)境時(shí)，暖濕空氣沿著鋒面大范圍抬升，形成的層狀云系水平范圍廣闊。在2018年7月的一次鋒面氣旋影響過(guò)程中，通過(guò)衛(wèi)星云圖觀測(cè)到寧夏地區(qū)的層狀云水平尺度在東西方向上達(dá)到了300-400km，南北方向上也有150-200km，其覆蓋范圍涉及寧夏大部分地區(qū)，帶來(lái)了持續(xù)性的降水過(guò)程，對(duì)當(dāng)?shù)氐乃Y源補(bǔ)充和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了重要影響。寧夏層狀云的水平范圍還與地形密切相關(guān)。山脈的走向和地形起伏會(huì)影響層狀云的移動(dòng)和發(fā)展，從而改變其水平范圍。在賀蘭山和六盤(pán)山地區(qū)，由于山脈的阻擋作用，層狀云在山脈迎風(fēng)坡聚集，水平范圍可能會(huì)有所收縮。當(dāng)暖濕氣流遇到賀蘭山時(shí)，氣流被迫抬升，層狀云在山脈迎風(fēng)坡附近形成，其水平范圍可能會(huì)被限制在山脈附近一定區(qū)域，水平尺度在垂直于山脈走向的方向上相對(duì)較小，一般在50-80km左右。而在山脈背風(fēng)坡，由于氣流下沉，云系可能會(huì)逐漸消散，水平范圍進(jìn)一步減小。此外，大氣環(huán)流的變化也會(huì)對(duì)寧夏層狀云的水平尺度和范圍產(chǎn)生影響。在不同的季節(jié)，大氣環(huán)流形勢(shì)不同，導(dǎo)致層狀云的形成和發(fā)展條件各異。夏季，受東亞季風(fēng)影響，來(lái)自海洋的暖濕氣流強(qiáng)盛，寧夏地區(qū)的層狀云水平范圍相對(duì)較大，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。冬季，受大陸冷氣團(tuán)控制，層狀云的形成相對(duì)較少，水平尺度和范圍也較小。在一些特殊的大氣環(huán)流形勢(shì)下，如高空急流的位置和強(qiáng)度變化，也會(huì)影響層狀云的水平分布。當(dāng)高空急流位置偏南時(shí)，可能會(huì)引導(dǎo)更多的暖濕氣流向?qū)幭牡貐^(qū)輸送，從而使層狀云的水平范圍擴(kuò)大；反之，當(dāng)高空急流位置偏北時(shí)，層狀云的水平范圍可能會(huì)縮小。3.3含水量的垂直分布液態(tài)水含量的垂直分布是寧夏層狀云的一個(gè)重要微觀物理特征，它對(duì)于理解云內(nèi)的降水過(guò)程和降水機(jī)制具有關(guān)鍵作用。通過(guò)對(duì)寧夏地區(qū)飛機(jī)云物理觀測(cè)資料的深入分析，發(fā)現(xiàn)寧夏層狀云液態(tài)水含量的垂直分布呈現(xiàn)出多個(gè)峰值的特點(diǎn)，這與云內(nèi)復(fù)雜的物理過(guò)程密切相關(guān)。研究結(jié)果表明，寧夏層狀云液態(tài)水含量的極大值通常位于云的中下部。在1978-1990年間寧夏地區(qū)5-9月的飛機(jī)云物理觀測(cè)中，對(duì)大量層狀云樣本的液態(tài)水含量垂直分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)約70%的樣本中，液態(tài)水含量的極大值出現(xiàn)在云底以上1000-2000米的高度范圍內(nèi)，即云的中下部區(qū)域。這一分布特征為高層粒子下落過(guò)程中的碰并增長(zhǎng)提供了有利條件。當(dāng)高層的冰晶、雪晶等粒子下落經(jīng)過(guò)液態(tài)水含量高值區(qū)時(shí)，粒子周?chē)乃渥?，粒子之間的碰并機(jī)會(huì)增加，從而促進(jìn)了粒子的增長(zhǎng)，有利于降水的形成。這種多峰值和極大值位于云的中下部的分布特點(diǎn)，可能是由多種因素共同作用導(dǎo)致的。一方面，云的形成和發(fā)展過(guò)程中，不同高度的水汽輸送和垂直運(yùn)動(dòng)存在差異。在云的中下部，暖濕氣流的上升運(yùn)動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)，水汽不斷補(bǔ)充，使得液態(tài)水含量較高。另一方面，云內(nèi)的微物理過(guò)程，如凝結(jié)、蒸發(fā)、碰并等，在不同高度的作用程度不同。在中下部，溫度和濕度條件適宜，云滴的凝結(jié)增長(zhǎng)和碰并增長(zhǎng)過(guò)程較為活躍，導(dǎo)致液態(tài)水含量出現(xiàn)峰值。此外，云內(nèi)的湍流混合作用也可能對(duì)液態(tài)水含量的垂直分布產(chǎn)生影響，使得液態(tài)水在不同高度之間發(fā)生混合和再分配，從而形成多峰值的分布特征。為了進(jìn)一步探究液態(tài)水含量垂直分布的影響因素，研究人員還分析了不同天氣系統(tǒng)下的層狀云樣本。發(fā)現(xiàn)在冷鋒天氣系統(tǒng)影響下，層狀云液態(tài)水含量的垂直分布多峰值特征更為明顯，極大值也相對(duì)較大。這是因?yàn)槔滗h過(guò)境時(shí)，冷空氣的強(qiáng)烈抬升作用使得暖濕空氣迅速上升，水汽大量凝結(jié)，在不同高度形成多個(gè)液態(tài)水含量高值區(qū)。而在暖鋒天氣系統(tǒng)影響下，層狀云液態(tài)水含量的極大值位置相對(duì)較低，且峰值相對(duì)較小，這與暖鋒中暖濕空氣緩慢爬升的特點(diǎn)有關(guān)。四、寧夏層狀云微觀物理特征4.1云滴譜特征云滴譜特征是反映層狀云微觀物理特性的重要指標(biāo)，它對(duì)于理解云內(nèi)的降水機(jī)制和降水過(guò)程具有關(guān)鍵作用。通過(guò)對(duì)寧夏地區(qū)飛機(jī)云物理觀測(cè)資料的分析，發(fā)現(xiàn)寧夏層狀云的云滴譜呈現(xiàn)出獨(dú)特的分布特征。在1978-1990年間寧夏地區(qū)5-9月的飛機(jī)云物理觀測(cè)中，無(wú)層積云的高層云云滴譜小粒子的數(shù)濃度相對(duì)較大。研究表明，在云滴譜的小粒子端（直徑小于20μm的云滴），無(wú)層積云的高層云其數(shù)濃度比有層積云的高層云高出約10%-20%。這可能與云的形成過(guò)程和環(huán)境條件有關(guān)。無(wú)層積云時(shí)，高層云在形成過(guò)程中，水汽的凝結(jié)增長(zhǎng)相對(duì)較為均勻，有利于小粒子的形成和維持較高的數(shù)濃度。而有層積云存在時(shí)，層積云可能會(huì)對(duì)高層云的水汽輸送和云滴的形成過(guò)程產(chǎn)生一定干擾，使得小粒子數(shù)濃度相對(duì)降低。從云滴譜的整體分布來(lái)看，寧夏層狀云的云滴譜呈現(xiàn)出單峰分布的特點(diǎn)。云滴譜的峰值通常出現(xiàn)在直徑為10-15μm的范圍內(nèi)，這表明在這個(gè)尺度范圍內(nèi)的云滴數(shù)濃度最高。在2007年8月26日寧夏地區(qū)的一次層狀云降水過(guò)程中，利用機(jī)載FSSP-100-ER探頭對(duì)云滴譜進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)云滴譜在直徑12μm左右出現(xiàn)明顯的峰值，此時(shí)云滴數(shù)濃度達(dá)到最大值。隨著云滴直徑的增大或減小，數(shù)濃度逐漸降低。在云滴直徑大于20μm時(shí)，數(shù)濃度急劇下降，這說(shuō)明大云滴在寧夏層狀云中的含量相對(duì)較少。進(jìn)一步分析不同高度的云滴譜特征，發(fā)現(xiàn)云滴譜的分布隨高度變化而有所不同。在云的下部，由于水汽充足，云滴的凝結(jié)增長(zhǎng)較為活躍，云滴譜相對(duì)較寬，小粒子數(shù)濃度較高。隨著高度的增加，水汽含量逐漸減少，云滴之間的碰并增長(zhǎng)作用相對(duì)增強(qiáng)，使得大云滴的比例有所增加，云滴譜逐漸變窄。在云底高度附近，直徑小于10μm的云滴數(shù)濃度可達(dá)到100-200個(gè)/cm3，而在云頂附近，相同尺度云滴的數(shù)濃度可能降至50-100個(gè)/cm3，同時(shí)直徑大于15μm的云滴數(shù)濃度在云頂附近相對(duì)云底有所增加。寧夏層狀云的云滴譜特征還與降水過(guò)程密切相關(guān)。當(dāng)云滴譜中存在一定數(shù)量的大云滴時(shí)，有利于云滴之間的碰并增長(zhǎng)，從而促進(jìn)降水的形成。在一些降水過(guò)程中，觀測(cè)到云滴譜中直徑大于25μm的大云滴濃度較高，隨后出現(xiàn)了明顯的降水現(xiàn)象。這是因?yàn)榇笤频卧谙侣溥^(guò)程中，能夠更有效地碰并周?chē)男≡频?，使得自身不斷增長(zhǎng)，最終形成降水粒子。而當(dāng)云滴譜主要由小粒子組成時(shí)，云滴之間的碰并效率較低，降水形成的難度相對(duì)較大。4.2冰晶譜特征寧夏層狀云中冰晶譜特征是研究其微觀物理過(guò)程的重要方面。通過(guò)對(duì)飛機(jī)云物理觀測(cè)資料的分析，發(fā)現(xiàn)寧夏高層云雪晶譜總體上呈現(xiàn)出單調(diào)下降型的特點(diǎn)。在1978-1990年間寧夏地區(qū)5-9月的飛機(jī)云物理觀測(cè)中，對(duì)大量高層云樣本的雪晶譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明雪晶濃度隨著尺度的增大而逐漸減小。這種單調(diào)下降型的雪晶譜分布與云內(nèi)的水汽條件、溫度分布以及冰晶的增長(zhǎng)機(jī)制密切相關(guān)。在高層云中，水汽主要通過(guò)凝華過(guò)程在冰晶表面凝結(jié)，使得冰晶不斷增長(zhǎng)。由于水汽在云內(nèi)的分布相對(duì)均勻，且溫度隨高度的降低也較為穩(wěn)定，使得冰晶在增長(zhǎng)過(guò)程中，較小尺度的冰晶更容易形成，其濃度相對(duì)較高。隨著冰晶尺度的增大，增長(zhǎng)速率逐漸減緩，同時(shí)冰晶之間的碰并、蒸發(fā)等過(guò)程也會(huì)消耗大尺度的冰晶，導(dǎo)致其濃度逐漸降低，從而形成了單調(diào)下降型的雪晶譜。在寧夏高層云中，尺度為0.3-0.6mm的雪晶濃度達(dá)到最大值。這一尺度范圍內(nèi)的雪晶在云內(nèi)的形成和增長(zhǎng)過(guò)程具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在這個(gè)尺度下，冰晶的表面曲率相對(duì)較小，水汽在其表面的凝華速率較快，有利于冰晶的快速增長(zhǎng)。云內(nèi)的水汽含量和溫度條件在這個(gè)尺度范圍內(nèi)也較為適宜，為雪晶的形成和增長(zhǎng)提供了良好的環(huán)境。當(dāng)雪晶尺度小于0.3mm時(shí)，雖然冰晶的形成速率較快，但由于其質(zhì)量較小，在云內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易受到氣流的影響，且與其他粒子的碰并概率相對(duì)較低，導(dǎo)致其濃度相對(duì)較低。而當(dāng)雪晶尺度大于0.6mm時(shí)，冰晶的增長(zhǎng)受到水汽供應(yīng)和碰并等過(guò)程的限制，增長(zhǎng)速率減緩，同時(shí)大尺度冰晶在下降過(guò)程中容易受到重力和氣流的作用而破碎，使得其濃度也逐漸降低。立體枝狀、柱狀和針狀是寧夏高層云雪晶的優(yōu)勢(shì)晶形。這些晶形的形成與云內(nèi)的溫度、濕度和水汽條件密切相關(guān)。在高層云中，溫度一般較低，水汽在冰晶表面的凝華過(guò)程中，由于不同方向上的凝華速率差異，導(dǎo)致冰晶生長(zhǎng)成不同的形狀。立體枝狀晶形通常在溫度較低、水汽供應(yīng)充足且云內(nèi)氣流較為穩(wěn)定的條件下形成。在這種環(huán)境中，水汽在冰晶的各個(gè)方向上均勻凝結(jié)，使得冰晶向多個(gè)方向生長(zhǎng)，形成復(fù)雜的立體枝狀結(jié)構(gòu)。柱狀晶形則多在溫度稍高、水汽供應(yīng)相對(duì)較少的條件下出現(xiàn)，此時(shí)冰晶主要沿一個(gè)方向生長(zhǎng)，形成柱狀。針狀晶形的形成通常與云內(nèi)的過(guò)飽和度較高以及快速的水汽擴(kuò)散有關(guān)，使得冰晶在某一方向上迅速生長(zhǎng)，形成針狀。這些優(yōu)勢(shì)晶形的存在對(duì)云的降水過(guò)程有著重要影響。立體枝狀和柱狀雪晶由于其較大的表面積和質(zhì)量，在下落過(guò)程中更容易與其他粒子碰并，促進(jìn)降水的形成。針狀雪晶雖然質(zhì)量較小，但在云內(nèi)的分布相對(duì)較廣，它們可以作為凝結(jié)核，促進(jìn)水汽的凝結(jié)，為降水的形成提供條件。4.3粒子譜分布擬合為了更準(zhǔn)確地描述寧夏層狀云雪晶譜的分布特征，研究人員采用了M-P分布（Marshall-Palmer分布）對(duì)雪晶譜進(jìn)行擬合。M-P分布的表達(dá)式為N=N_0exp(-\lambdar)，其中N為雪晶數(shù)濃度，r為雪晶尺度，N_0和\lambda為擬合系數(shù)。通過(guò)對(duì)1978-1990年間寧夏地區(qū)5-9月飛機(jī)云物理觀測(cè)資料中高層云雪晶譜數(shù)據(jù)的擬合分析，得到系數(shù)N_0為0.132，系數(shù)\lambda為2.681。在擬合過(guò)程中，利用最小二乘法等方法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得擬合曲線能夠最佳地逼近實(shí)際的雪晶譜分布。經(jīng)過(guò)計(jì)算，M-P分布與雪晶譜數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)r達(dá)到了0.975，這表明M-P分布能夠較好地?cái)M合寧夏高層云的雪晶譜。擬合結(jié)果顯示，M-P分布的曲線與實(shí)際雪晶譜數(shù)據(jù)在整體趨勢(shì)上高度吻合，能夠準(zhǔn)確地反映雪晶濃度隨尺度的變化規(guī)律。在雪晶尺度較小時(shí)，M-P分布擬合得到的雪晶濃度與觀測(cè)值接近，隨著雪晶尺度的增大，雖然擬合值與觀測(cè)值之間存在一定的偏差，但整體趨勢(shì)仍然保持一致，說(shuō)明M-P分布在描述寧夏高層云雪晶譜的分布特征方面具有較高的可靠性。研究人員還將M-P分布的擬合精度與Γ函數(shù)N(r)=ar^2exp(-br)進(jìn)行了對(duì)比。在對(duì)同一組雪晶譜數(shù)據(jù)進(jìn)行Γ函數(shù)擬合時(shí)，通過(guò)優(yōu)化擬合參數(shù)a和b，使得Γ函數(shù)的曲線盡可能地接近實(shí)際數(shù)據(jù)。對(duì)比結(jié)果表明，M-P分布的擬合精度優(yōu)于Γ函數(shù)。從相關(guān)系數(shù)來(lái)看，M-P分布的相關(guān)系數(shù)為0.975，而Γ函數(shù)擬合得到的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低，這說(shuō)明M-P分布與實(shí)際雪晶譜數(shù)據(jù)的相關(guān)性更強(qiáng)。在小尺度雪晶區(qū)域，M-P分布能夠更準(zhǔn)確地反映雪晶濃度的變化，而Γ函數(shù)在該區(qū)域的擬合效果相對(duì)較差，與實(shí)際數(shù)據(jù)的偏差較大。在大尺度雪晶區(qū)域，雖然兩種擬合方法都存在一定的偏差，但M-P分布的偏差相對(duì)較小，能夠更好地描述雪晶譜的整體特征。M-P分布在擬合寧夏高層云雪晶譜時(shí)表現(xiàn)出較高的精度和可靠性，能夠?yàn)檫M(jìn)一步研究層狀云的微觀物理過(guò)程和降水機(jī)制提供有力的支持。其在描述雪晶譜分布特征方面的優(yōu)勢(shì)，使得基于M-P分布的研究成果在人工增雨等實(shí)際應(yīng)用中具有重要的參考價(jià)值，有助于更準(zhǔn)確地評(píng)估云的降水潛力和制定人工增雨作業(yè)方案。五、影響寧夏層狀云宏觀微觀物理特征的因素5.1大氣環(huán)流的影響大氣環(huán)流是影響寧夏層狀云宏觀微觀物理特征的重要因素之一，它通過(guò)對(duì)水汽輸送、垂直運(yùn)動(dòng)以及溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的調(diào)控，深刻地影響著層狀云的形成、發(fā)展和演變。通過(guò)普查寧夏降水過(guò)程的歷史天氣圖，發(fā)現(xiàn)降水天氣過(guò)程500hPa中緯度歐亞地區(qū)大形勢(shì)大致可分為兩脊一槽型和兩槽一脊型。在兩脊一槽型中，一般伊朗至里海與我國(guó)大陸東部地區(qū)各維持一個(gè)高壓脊，兩脊之間存在一低壓槽區(qū)。這種環(huán)流形勢(shì)下，冷空氣在西伯利亞或蒙古高原的堆積爆發(fā)程度不同，會(huì)造成不同的天氣過(guò)程。當(dāng)冷空氣勢(shì)力較強(qiáng)且向南爆發(fā)時(shí)，與來(lái)自低緯度地區(qū)的暖濕氣流在寧夏上空交匯，形成鋒面。暖濕空氣沿著鋒面緩慢抬升，水汽冷卻凝結(jié)，從而形成層狀云。在這種情況下，層狀云的云底高度相對(duì)較低，一般在2000-3000米之間，云厚度較大，可達(dá)3000-5000米。由于冷暖空氣交匯強(qiáng)烈，云內(nèi)的垂直運(yùn)動(dòng)較為活躍，有利于云滴的碰并增長(zhǎng)和冰晶的繁生，使得云滴數(shù)濃度較高，冰晶的尺度也相對(duì)較大，有利于降水的形成。兩槽一脊型環(huán)流形勢(shì)下，里海和蒙古高原維持低壓槽，新疆維持一高壓脊，寧夏一般處于新疆脊前的西北氣流里。在這種環(huán)流背景下，來(lái)自高緯度的冷空氣在西北氣流的引導(dǎo)下向?qū)幭牡貐^(qū)輸送，而低緯度的暖濕氣流則受到一定的抑制。當(dāng)有適量的暖濕氣流與冷空氣在寧夏上空相遇時(shí)，也會(huì)形成層狀云。不過(guò)，與兩脊一槽型相比，這種情況下形成的層狀云云底高度相對(duì)較高，通常在3000-4000米左右，云厚度相對(duì)較薄，一般為1500-3000米。由于冷暖空氣的交匯相對(duì)較弱，云內(nèi)的垂直運(yùn)動(dòng)不如兩脊一槽型活躍，云滴數(shù)濃度和冰晶數(shù)濃度相對(duì)較低，降水強(qiáng)度也相對(duì)較小。大氣環(huán)流還通過(guò)影響水汽輸送來(lái)改變寧夏層狀云的物理特征。在不同的環(huán)流形勢(shì)下，水汽的來(lái)源和輸送路徑不同。當(dāng)寧夏受西風(fēng)帶環(huán)流影響時(shí)，來(lái)自大西洋和地中海的水汽，在西風(fēng)氣流的攜帶下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途跋涉，有時(shí)會(huì)到達(dá)寧夏上空。雖然在輸送過(guò)程中水汽有所損耗，但仍能為層狀云的形成提供一定的水汽來(lái)源。在這種情況下形成的層狀云，云滴的尺度相對(duì)較小，數(shù)濃度相對(duì)較高，因?yàn)殚L(zhǎng)途輸送的水汽在進(jìn)入寧夏地區(qū)時(shí)，經(jīng)過(guò)了較多的混合和擴(kuò)散，使得水汽分布相對(duì)均勻，有利于小尺度云滴的形成。而在東亞季風(fēng)影響下，來(lái)自太平洋和印度洋的暖濕氣流向?qū)幭牡貐^(qū)輸送。夏季，東南季風(fēng)攜帶的水汽通過(guò)偏南氣流進(jìn)入寧夏東部地區(qū)，西南季風(fēng)帶來(lái)的水汽通過(guò)偏西氣流影響寧夏南部地區(qū)。這些暖濕氣流帶來(lái)了豐富的水汽，使得寧夏地區(qū)的大氣濕度明顯增加。在這種水汽充足的條件下形成的層狀云，云滴的尺度相對(duì)較大，數(shù)濃度相對(duì)較低。因?yàn)槌渥愕乃沟迷频卧谀Y(jié)增長(zhǎng)過(guò)程中能夠獲得更多的水汽供應(yīng)，從而有利于大尺度云滴的形成。大氣環(huán)流中的垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)寧夏層狀云的宏觀微觀物理特征也有著重要影響。上升運(yùn)動(dòng)是層狀云形成的必要條件之一，不同強(qiáng)度和尺度的上升運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致層狀云的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀物理過(guò)程產(chǎn)生差異。在鋒面氣旋等天氣系統(tǒng)中，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)使得暖濕空氣迅速抬升，形成深厚的層狀云系。這種情況下，云底高度較低，云厚度較大，云內(nèi)的水汽含量豐富，云滴和冰晶的數(shù)濃度較高，且在垂直方向上的分布也較為均勻。而在一些較弱的上升運(yùn)動(dòng)條件下，形成的層狀云相對(duì)較薄，云底高度較高，云內(nèi)的水汽含量和粒子數(shù)濃度也相對(duì)較低。5.2地形地貌的作用寧夏地區(qū)獨(dú)特的地形地貌，如賀蘭山、黃土高原等，對(duì)層狀云的形成與發(fā)展產(chǎn)生了顯著影響。賀蘭山位于寧夏與內(nèi)蒙古交界處，呈南北走向，是我國(guó)一條重要的自然地理分界線。它對(duì)寧夏層狀云的形成和發(fā)展具有多方面的作用。在地形抬升作用方面，當(dāng)暖濕氣流從東南方向或偏南方向向?qū)幭妮斔蜁r(shí)，遇到賀蘭山的阻擋，氣流被迫沿山坡抬升。在抬升過(guò)程中，空氣因高度升高而氣壓降低，體積膨脹，對(duì)外做功消耗自身能量，導(dǎo)致溫度降低，水汽逐漸飽和并開(kāi)始凝結(jié)，從而為層狀云的形成提供了有利條件。研究表明，在賀蘭山迎風(fēng)坡，氣流抬升作用顯著，云底高度相對(duì)較低，云層厚度較大，降水概率也相對(duì)較高。例如，在賀蘭山迎風(fēng)坡的一些觀測(cè)點(diǎn)，當(dāng)有合適的水汽條件時(shí)，層狀云的云底高度可低至2500米左右，云層厚度可達(dá)3000米以上，降水概率比背風(fēng)坡高出30%-50%。而在山脈背風(fēng)坡，由于氣流下沉增溫，水汽不易凝結(jié)，云層往往較薄，甚至可能出現(xiàn)無(wú)云區(qū)，降水也相對(duì)較少。賀蘭山還對(duì)氣流的運(yùn)動(dòng)方向和速度產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變層狀云的水平分布和形態(tài)。在賀蘭山的影響下，氣流在山脈兩側(cè)形成不同的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。在迎風(fēng)坡，氣流被迫上升，形成上升氣流區(qū)，使得層狀云在這個(gè)區(qū)域聚集和發(fā)展。而在背風(fēng)坡，氣流下沉，形成下沉氣流區(qū)，層狀云在這個(gè)區(qū)域受到抑制，云系可能會(huì)逐漸消散或改變形態(tài)。賀蘭山還會(huì)導(dǎo)致氣流的繞流現(xiàn)象，使得氣流在山脈兩側(cè)形成不同的分支，這些分支氣流會(huì)影響層狀云的移動(dòng)方向和路徑，使得層狀云在水平方向上呈現(xiàn)出復(fù)雜的分布形態(tài)。黃土高原位于寧夏南部，其地形起伏較大，溝壑縱橫。黃土高原的地形對(duì)寧夏層狀云的形成和發(fā)展也有著重要作用。在地形抬升方面，當(dāng)暖濕氣流從低緯度地區(qū)向?qū)幭妮斔蜁r(shí)，遇到黃土高原的地形阻擋，也會(huì)產(chǎn)生一定的抬升作用，促進(jìn)水汽的凝結(jié)和層狀云的形成。由于黃土高原的地形相對(duì)較為破碎，抬升作用的強(qiáng)度和范圍相對(duì)賀蘭山較小，但在一些地形起伏較大的區(qū)域，仍然能夠?qū)訝钤频男纬僧a(chǎn)生明顯影響。在黃土高原的一些山谷地區(qū)，當(dāng)暖濕氣流進(jìn)入山谷時(shí)，由于山谷地形的約束，氣流會(huì)被迫上升，形成局部的上升氣流區(qū)，有利于層狀云的形成。在這些區(qū)域，層狀云的云底高度一般在3000-3500米之間，云層厚度在1500-2500米左右，降水概率相對(duì)較高。黃土高原的地形還會(huì)影響層狀云的降水分布。由于黃土高原的地形復(fù)雜，不同區(qū)域的地形坡度、坡向等因素不同，導(dǎo)致降水在不同區(qū)域的分布存在差異。在一些迎風(fēng)坡區(qū)域，降水相對(duì)較多；而在背風(fēng)坡或山谷底部等區(qū)域，降水相對(duì)較少。這種降水分布的差異與層狀云在不同地形區(qū)域的發(fā)展和演變密切相關(guān)。在迎風(fēng)坡，層狀云在上升過(guò)程中水汽不斷凝結(jié)，降水粒子不斷增長(zhǎng)，使得降水強(qiáng)度較大；而在背風(fēng)坡，由于氣流下沉，水汽難以凝結(jié)，降水強(qiáng)度相對(duì)較小。除了賀蘭山和黃土高原，寧夏地區(qū)的其他地形地貌，如沙漠、平原等，也會(huì)對(duì)層狀云產(chǎn)生一定影響。沙漠地區(qū)的下墊面粗糙度小，白天地面受熱升溫快，容易形成局地的熱力對(duì)流，將水汽向上輸送，在一定程度上影響層狀云的形成和發(fā)展。而平原地區(qū)地形較為平坦，氣流運(yùn)動(dòng)相對(duì)較為平穩(wěn)，對(duì)層狀云的形成和發(fā)展的影響相對(duì)較小，但平原地區(qū)的水汽條件和大氣環(huán)流形勢(shì)會(huì)影響層狀云的移動(dòng)路徑和降水分布。5.3水汽條件的關(guān)聯(lián)水汽條件是影響寧夏層狀云宏觀微觀物理特征的關(guān)鍵因素之一，它直接關(guān)系到云的形成、發(fā)展以及降水的產(chǎn)生。大氣中的水汽含量是層狀云形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)大氣中的水汽含量達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，水汽開(kāi)始凝結(jié)，形成云滴或冰晶，從而為層狀云的形成提供了必要條件。在寧夏地區(qū)，水汽含量的多少受到多種因素的影響，其中水汽輸送是關(guān)鍵因素之一。寧夏地區(qū)的水汽主要來(lái)源于周邊地區(qū)的水汽輸送。在不同的季節(jié)和天氣系統(tǒng)影響下，水汽的來(lái)源和輸送路徑有所不同。在夏季，東亞季風(fēng)是寧夏地區(qū)水汽的重要來(lái)源。來(lái)自太平洋和印度洋的暖濕氣流，在東南季風(fēng)和西南季風(fēng)的作用下，向?qū)幭牡貐^(qū)輸送大量水汽。研究表明，在夏季降水過(guò)程中，約70%的水汽來(lái)自于東亞季風(fēng)的輸送。這些暖濕氣流攜帶的水汽在寧夏地區(qū)上空聚集，使得大氣中的水汽含量顯著增加，為層狀云的形成提供了豐富的物質(zhì)條件。在2020年7月的一次降水過(guò)程中，通過(guò)對(duì)水汽輸送軌跡的分析發(fā)現(xiàn)，來(lái)自太平洋的水汽在東南季風(fēng)的引導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途輸送到達(dá)寧夏地區(qū)，使得當(dāng)?shù)卮髿庵械乃吭黾恿?0%-50%，隨后在合適的動(dòng)力條件下，形成了深厚的層狀云系，并產(chǎn)生了降水。在冬季，西風(fēng)帶環(huán)流對(duì)寧夏地區(qū)的水汽輸送起到一定作用。雖然西風(fēng)帶中的水汽在長(zhǎng)途輸送過(guò)程中會(huì)有一定損耗，但在某些情況下，仍能為寧夏地區(qū)帶來(lái)一定量的水汽。當(dāng)西風(fēng)帶中的槽脊系統(tǒng)移動(dòng)到寧夏上空時(shí)，槽前的西南氣流會(huì)將中緯度地區(qū)的水汽輸送到寧夏，為層狀云的形成提供水汽支持。不過(guò)，由于冬季西風(fēng)帶的水汽含量相對(duì)較少，且寧夏地區(qū)受大陸冷氣團(tuán)控制，水汽輸送的強(qiáng)度和頻率相對(duì)較低，導(dǎo)致冬季寧夏層狀云的出現(xiàn)頻率和水汽含量都相對(duì)較低。除了水汽輸送，寧夏地區(qū)的下墊面蒸發(fā)也是水汽的一個(gè)重要來(lái)源。寧夏地區(qū)的下墊面類(lèi)型多樣，包括沙漠、草原、農(nóng)田等。不同下墊面的蒸發(fā)能力存在差異，沙漠地區(qū)由于植被稀少，土壤水分含量低，蒸發(fā)量相對(duì)較??；而草原和農(nóng)田地區(qū)，在有植被覆蓋和適宜的水分條件下，蒸發(fā)量相對(duì)較大。下墊面蒸發(fā)產(chǎn)生的水汽會(huì)進(jìn)入大氣中，增加大氣的水汽含量。在夏季，寧夏平原的農(nóng)田地區(qū)，由于灌溉和降水的補(bǔ)充，土壤水分充足，植被生長(zhǎng)茂盛，下墊面蒸發(fā)較強(qiáng)，每天可向大氣中輸送大量水汽，對(duì)當(dāng)?shù)貙訝钤频男纬珊桶l(fā)展起到了一定的促進(jìn)作用。水汽含量對(duì)寧夏層狀云的宏觀物理特征有著顯著影響。當(dāng)大氣中的水汽含量較高時(shí)，有利于形成厚度較大、水平范圍較廣的層狀云。充足的水汽使得云內(nèi)的水汽凝結(jié)過(guò)程更加充分，云滴和冰晶的數(shù)量增加，從而導(dǎo)致云的厚度和水平范圍增大。在一些降水過(guò)程中，觀測(cè)到大氣水汽含量較高的區(qū)域，層狀云的厚度可達(dá)3000-4000米，水平范圍可覆蓋寧夏大部分地區(qū)。而當(dāng)水汽含量較低時(shí)，形成的層狀云厚度較薄，水平范圍也較小，云內(nèi)的水汽凝結(jié)過(guò)程相對(duì)較弱，云滴和冰晶的數(shù)量較少。水汽含量還會(huì)影響層狀云的云底高度和云頂高度。一般來(lái)說(shuō)，水汽含量越高，云底高度越低，云頂高度越高。這是因?yàn)樗扛邥r(shí)，水汽更容易在較低的高度達(dá)到飽和狀態(tài)，從而形成云底較低的層狀云。同時(shí)，充足的水汽也為云內(nèi)的垂直上升運(yùn)動(dòng)提供了更多的能量，使得云頂能夠向上發(fā)展得更高。在一次暖濕氣流較強(qiáng)的天氣過(guò)程中，寧夏地區(qū)大氣中的水汽含量較高，觀測(cè)到層狀云的云底高度低至2000米左右，云頂高度則達(dá)到了5000米以上。在微觀物理特征方面，水汽含量對(duì)層狀云中云滴和冰晶的數(shù)濃度、尺度分布等有著重要影響。當(dāng)水汽含量較高時(shí)，云滴和冰晶的數(shù)濃度相對(duì)較大，因?yàn)槌渥愕乃麨樵频魏捅У男纬商峁┝烁嗟奈镔|(zhì)基礎(chǔ)。水汽含量高也有利于云滴和冰晶的生長(zhǎng)，使得它們的尺度相對(duì)較大。在一些水汽充足的層狀云中，觀測(cè)到云滴的數(shù)濃度可達(dá)到100-200個(gè)/cm3，云滴的平均直徑也相對(duì)較大，有利于云滴之間的碰并增長(zhǎng)，促進(jìn)降水的形成。而當(dāng)水汽含量較低時(shí)，云滴和冰晶的數(shù)濃度相對(duì)較小，尺度也較小，云滴之間的碰并效率較低，降水形成的難度相對(duì)較大。六、寧夏層狀云宏觀微觀物理特征與降水的關(guān)系6.1降水過(guò)程分析以2007年8月26日寧夏層狀云降水為例，此次降水主要由高空冷暖空氣在寧夏地區(qū)相遇，形成弱鋒面云系造成。2007年8月25日08:00，500hPa天氣圖顯示，中西伯利亞地區(qū)有一低壓系統(tǒng)在活動(dòng)，我國(guó)東北地區(qū)北部有一冷渦；同時(shí)，在新疆東北部有一弱脊活動(dòng)，甘肅西北嘉峪關(guān)附近有一低壓槽，云南地區(qū)有一低壓中心，寧夏受西南氣流控制，甘肅西北部的低壓槽緩慢向東移動(dòng)。700hPa天氣圖上，25日20:00，寧夏處于312hPa低壓控制；到26日08:00，寧夏處于316hPa高壓中心的前部，并有一明顯的切變線存在，切變線橫穿甘南、陜北、冀北且緩慢移動(dòng)；到20:00，該高壓中心依然沒(méi)有退去，而且西南部低壓勢(shì)力強(qiáng)盛，有大量的暖濕氣流從南向北輸送。利用銀川和平?jīng)鰞烧境Ｒ?guī)探空資料對(duì)這次過(guò)程中25-27日進(jìn)行分析，結(jié)果表明，25日銀川站上空的水汽比較充足，700-500hPa之間的水汽很穩(wěn)定，隨高度變化較小，相對(duì)濕度平均值都在85%左右。在08:00，700hPa和500hPa大氣層中均為偏南風(fēng)，風(fēng)速在10m?s-1左右，使南部的水汽不斷地向?qū)幭牡貐^(qū)輸送；到了20:00，700-500hPa的風(fēng)向由偏西風(fēng)向北風(fēng)轉(zhuǎn)變，而且風(fēng)力有所加強(qiáng)，可以推斷，云系在向南移動(dòng)。25日平?jīng)稣旧峡盏乃⒉怀渥悖?00hPa相對(duì)濕度<60%，700hPa相對(duì)濕度為80%左右；26日08:00平?jīng)稣?00hPa相對(duì)濕度超過(guò)90%；20:00，500hPa以下大氣相對(duì)濕度平均值也在88%左右，云系比較穩(wěn)定，風(fēng)向一直為偏南風(fēng)，風(fēng)速最大值≤12m?s-1。26日銀川站700hPa相對(duì)濕度比較低，僅為65%；但是500hPa和850hPa相對(duì)濕度都很高，接近90%。此次降水過(guò)程分為上午和下午兩次飛行，每次飛行又分為幾次上升和幾次下降區(qū)段，對(duì)云層進(jìn)行垂直和水平結(jié)構(gòu)的探測(cè)。第一次飛行從10:00-13:00，航線為銀川（河?xùn)|機(jī)場(chǎng)）-海原-西吉-固原-同心-鹽池-銀川（河?xùn)|機(jī)場(chǎng)）。飛機(jī)于8月26日10:04在銀川起飛并開(kāi)始攀升，在底層有碎積云存在，在吳忠進(jìn)入層狀云；10:21到達(dá)二道灣（5730m），處于云層頂部，隨后下降高度并繼續(xù)往南飛行，以探測(cè)為主要目的，在下降過(guò)程中探測(cè)到5431m為云頂高度；10:37到達(dá)同心以南（5100m）再次進(jìn)入云層，飛機(jī)感到顛簸，隨后一邊下降高度一邊往西吉飛行，過(guò)程中探測(cè)到云層間斷出現(xiàn)，而且云頂較低，厚度較??；10:57到達(dá)西吉，隨后飛往固原；11:07到達(dá)固原（3100m）后盤(pán)旋平飛，并開(kāi)始作業(yè)，之后再次攀升至4600m（云頂）盤(pán)旋平飛，再上升至5700m后又下降至4500m開(kāi)始作業(yè)；之后向同心平飛，剛過(guò)同心即下降3900m繼續(xù)平飛，水汽含量很低，到達(dá)韋州、鹽池，云頂很低，轉(zhuǎn)彎飛往銀川。17:00-20:00進(jìn)行了第二次飛行作業(yè)。從降水的宏微觀特征來(lái)看，本次降水過(guò)程主要由暖性層狀云產(chǎn)生，在云層的下部和上部存在明顯的上升氣流和亂流，在云層的不同部位也存在有湍流活動(dòng)，說(shuō)明云中的起伏隨機(jī)源很強(qiáng)，云中肯定存在起伏降水機(jī)制，在出現(xiàn)亂流的層面上大云滴濃度相對(duì)較高。根據(jù)本次個(gè)例探測(cè)的結(jié)果，云中半徑大于20μm的云滴很少，幾乎全部的云滴半徑都在20μm以下，而且半徑在10μm以下的云滴非?；钴S。從雨滴譜資料中可以看出，雨滴直徑都在2-3mm以下，全天的降水基本持續(xù)在小雨的等級(jí)上。在本次個(gè)例中，云滴的增長(zhǎng)可能主要是靠起伏凝結(jié)增長(zhǎng)。當(dāng)云中少數(shù)云滴半徑大于14μm，碰并小云滴的效率提高，能有效地啟動(dòng)重力碰并機(jī)制，形成降水粒子，其碰并增長(zhǎng)速率是隨大水滴增大而快速增加的，這也正是暖性層狀云產(chǎn)生降水的重要機(jī)制。通過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得出平均直徑在20μm以上的云滴濃度占不到云滴總濃度的15%，而含水量卻占到了近40%，但是在云滴譜的全部譜形中可以看出，云層偏上部的云滴譜中較大云滴質(zhì)量占優(yōu)，而在云層偏下部則是小滴占優(yōu)，說(shuō)明云層的下部水分主要由小云滴提供，到了高層平均直徑大于20μm的云滴對(duì)云中含水量的貢獻(xiàn)更大，這說(shuō)明在整個(gè)云層中平均直徑大于20μm云滴對(duì)水汽的貢獻(xiàn)作用不容忽視，但也是有一定空間局限性的。結(jié)合兩次飛行的PMS資料的分析，本次個(gè)例中云層的豐水區(qū)處于云層中部，有時(shí)在云層下部，并且與逆溫層結(jié)相對(duì)應(yīng)。即便是層狀云，云層中也會(huì)時(shí)常夾雜有干燥層，通過(guò)兩次飛行的資料處理得到，每次飛行云中都夾有干燥層，而且云中亂流很明顯。通過(guò)雨滴譜的分析，本次個(gè)例中，0.5-1.5mm之間的雨滴數(shù)濃度僅占總濃度的21.8%，但是其對(duì)雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)達(dá)到了75.2%，可見(jiàn)，這部分雨滴是本次降水的主體。而且在本次個(gè)例中，雨滴的尺度變化對(duì)雨強(qiáng)變化影響很大，而數(shù)濃度并不是影響雨強(qiáng)的決定因素，雨滴譜整體呈現(xiàn)單峰型。6.2宏微觀特征對(duì)降水的影響寧夏層狀云的宏觀微觀物理特征與降水密切相關(guān)，這些特征在降水的形成、發(fā)展和強(qiáng)度變化中起著關(guān)鍵作用。云底高度對(duì)降水的起始和強(qiáng)度有著重要影響。較低的云底高度意味著水汽凝結(jié)的位置相對(duì)較低，云滴在下落過(guò)程中經(jīng)過(guò)的距離較短，受到的蒸發(fā)和損耗相對(duì)較小，更容易形成降水。當(dāng)云底高度在2000-3000米之間時(shí)，云滴在重力作用下能夠較快地到達(dá)地面，降水的概率和強(qiáng)度相對(duì)較高。在一些冷鋒天氣系統(tǒng)影響下，層狀云的云底高度較低，常伴隨著較強(qiáng)的降水過(guò)程。而較高的云底高度，如超過(guò)4000米，云滴在下落過(guò)程中可能會(huì)受到較強(qiáng)的上升氣流和湍流的影響，導(dǎo)致其下落速度減慢，同時(shí)云滴在經(jīng)過(guò)較厚的干燥大氣層時(shí)，容易發(fā)生蒸發(fā)，使得降水的難度增加，降水強(qiáng)度相對(duì)較弱。云厚度是影響降水的另一個(gè)重要宏觀因素。較厚的層狀云通常含有更多的水汽和云粒子，為降水提供了更豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)云厚度達(dá)到3000-5000米時(shí)，云內(nèi)的水汽凝結(jié)和粒子碰并增長(zhǎng)過(guò)程更為充分，有利于形成較強(qiáng)的降水。在一些降水過(guò)程中，觀測(cè)到云厚度較大的區(qū)域，降水量明顯增加。而云厚度較薄，如小于1500米時(shí)，云內(nèi)的水汽含量相對(duì)較少，粒子之間的碰并機(jī)會(huì)也較少，降水強(qiáng)度通常較小，甚至可能不產(chǎn)生降水。液態(tài)水含量及其垂直分布對(duì)降水的形成和發(fā)展有著關(guān)鍵作用。寧夏層狀云液態(tài)水含量的極大值通常位于云的中下部，這種分布有利于高層粒子下落過(guò)程中的碰并增長(zhǎng)。高層的冰晶、雪晶等粒子在下落經(jīng)過(guò)液態(tài)水含量高值區(qū)時(shí)，粒子周?chē)渥?，粒子之間的碰并機(jī)會(huì)增加，從而促進(jìn)粒子的增長(zhǎng)，為降水的形成提供了條件。在一些降水過(guò)程中，通過(guò)飛機(jī)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)云的中下部液態(tài)水含量較高時(shí)，降水強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。而液態(tài)水含量較低的區(qū)域，降水強(qiáng)度相對(duì)較弱。云滴譜特征對(duì)降水的形成機(jī)制有著重要影響。寧夏層狀云的云滴譜呈現(xiàn)出單峰分布，峰值通常出現(xiàn)在直徑為10-15μm的范圍內(nèi)。當(dāng)云滴譜中存在一定數(shù)量的大云滴時(shí)，有利于云滴之間的碰并增長(zhǎng)，從而促進(jìn)降水的形成。在一些降水過(guò)程中，觀測(cè)到云滴譜中直徑大于25μm的大云滴濃度較高，隨后出現(xiàn)了明顯的降水現(xiàn)象。這是因?yàn)榇笤频卧谙侣溥^(guò)程中，能夠更有效地碰并周?chē)男≡频?，使得自身不斷增長(zhǎng)，最終形成降水粒子。而當(dāng)云滴譜主要由小粒子組成時(shí)，云滴之間的碰并效率較低，降水形成的難度相對(duì)較大。冰晶譜特征也與降水密切相關(guān)。寧夏高層云雪晶譜總體上呈現(xiàn)出單調(diào)下降型，尺度為0.3-0.6mm的雪晶濃度達(dá)到最大值，立體枝狀、柱狀和針狀是優(yōu)勢(shì)晶形。這些優(yōu)勢(shì)晶形的雪晶對(duì)云的降水過(guò)程有著重要影響。立體枝狀和柱狀雪晶由于其較大的表面積和質(zhì)量，在下落過(guò)程中更容易與其他粒子碰并，促進(jìn)降水的形成。針狀雪晶雖然質(zhì)量較小，但在云內(nèi)的分布相對(duì)較廣，它們可以作為凝結(jié)核，促進(jìn)水汽的凝結(jié)，為降水的形成提供條件。在一些降雪過(guò)程中，觀測(cè)到雪晶譜中優(yōu)勢(shì)晶形的雪晶濃度較高時(shí)，降雪強(qiáng)度較大。6.3降水效率與潛力評(píng)估寧夏層狀云的自然降水效率是評(píng)估其降水能力和開(kāi)發(fā)利用云水資源的重要指標(biāo)。通過(guò)對(duì)寧夏地區(qū)飛機(jī)云物理觀測(cè)資料以及降水?dāng)?shù)據(jù)的綜合分析，發(fā)現(xiàn)寧夏層狀云的自然降水效率存在一定的特點(diǎn)和規(guī)律。在1978-1990年間寧夏地區(qū)5-9月的飛機(jī)云物理觀測(cè)中，結(jié)合同期的降水資料，對(duì)層狀云的自然降水效率進(jìn)行了計(jì)算和分析。結(jié)果表明，寧夏層狀云的自然降水效率相對(duì)較低，平均降水效率約為10%-20%。這意味著在層狀云形成的過(guò)程中，只有10%-20%的水汽能夠最終轉(zhuǎn)化為降水落到地面。造成這種低降水效率的原因是多方面的。一方面，寧夏地區(qū)氣候干旱，大氣中的水汽含量相對(duì)較少，限制了云滴的增長(zhǎng)和降水的形成。即使在層狀云形成后，由于水汽供應(yīng)不足，云滴難以充分增長(zhǎng)，導(dǎo)致降水效率不高。另一方面，層狀云中的云滴譜分布和微物理過(guò)程也對(duì)降水效率產(chǎn)生影響。寧夏層狀云的云滴譜小粒子數(shù)濃度相對(duì)較大，大云滴含量相對(duì)較少，云滴之間的碰并增長(zhǎng)效率較低，不利于降水粒子的形成和增長(zhǎng)，從而降低了自然降水效率。為了評(píng)估寧夏層狀云的人工增雨潛力，研究人員從多個(gè)角度進(jìn)行了分析。從液態(tài)水含量分布來(lái)看，寧夏層狀云液態(tài)水含量的極大值通常位于云的中下部，且液態(tài)水含量相對(duì)較高。在一些層狀云樣本中，云的中下部液態(tài)水含量可達(dá)到0.2-0.5g/m3。這種液態(tài)水含量分布為人工增雨提供了有利條件。通過(guò)向云中播撒催化劑，如碘化銀等，可以增加云中的冰晶數(shù)量，促進(jìn)冰晶的增長(zhǎng)和碰并，從而將云中的液態(tài)水轉(zhuǎn)化為降水，提高降水效率。從云的微觀物理特征來(lái)看，寧夏層狀云中存在一定數(shù)量的過(guò)冷水滴，這也是人工增雨的潛在資源。過(guò)冷水滴在一定條件下可以通過(guò)催化作用迅速凍結(jié)形成冰晶，進(jìn)而促進(jìn)降水的形成。寧夏高層云雪晶譜總體上呈現(xiàn)出單調(diào)下降型，尺度為0.3-0.6mm的雪晶濃度達(dá)到最大值，這種雪晶譜特征也表明云中存在一定的降水潛力，通過(guò)人工干預(yù)可以進(jìn)一步激發(fā)和利用這種潛力。研究人