基于无人机机载观测的冷云中粒子空间非均匀性的研究

云内液态水、云滴谱及较大粒子的空间配置直接影响粒子增长、云相态演变和降水形成，但常规观测难以刻画百米至千米尺度的云微物理非均匀性。本文利用2023年4月3日一次翼龙无人机机载原位观测资料，研究冷云中小云滴含水区、较大粒子及其垂直和沿航迹变化特征。观测系统包括约2—50 μm的云滴谱探头、25—1550 μm和100—6200 μm的两个大粒子探头，并结合经纬度、GPS高度和温度资料。以Cloud探头云滴数浓度不低于10 cm^-3、液态水含量不低于0.001 g m^-³且持续时间不少于3 s作为云段判据，并从高度层、液态水含量类别和沿航迹尺度三个方面分析云微物理结构。

本次飞行共识别141个有效云段，获得888 s云内样本。云内GPS高度中位数为6450 m，温度中位数为−18.88 ℃；云滴数浓度、液态水含量、有效半径和谱相对离散度中位数分别为25.30 cm^-3、0.00276 g m^-3、3.79 μm和0.368，25—1550 μm及100—6200 μm粒子数浓度中位数分别为1.93 L^-1和0.259 L^-1。按照液态水含量第30和第70百分位将样本划分为低含水、过渡和高含水三类。随着液态水含量升高，云滴谱向较大粒径扩展，高含水类云滴数浓度中位数由18.66 cm^-3增至31.53 cm^-3，有效半径由3.34 μm增至4.36 μm，表明云滴数量增加与粒径增长可同步发生。垂直剖面显示，较大粒子浓度并不随高度单调变化，约6300 m和6700 m高度层出现相对高值，且与云滴数浓度和液态水含量峰值高度不完全一致，反映出小云滴含水区与大粒子高值区的复杂空间配置。尺度分析表明，液态水含量在约200—2600 m尺度上的滚动变异系数明显高于云滴数浓度、有效半径和谱离散度，是表征云内非均匀性最敏感的变量。

选取12:10:49—12:11:05穿云过程进行放大分析，该云段平均高度约6698 m、平均温度−21.1 ℃。进入云段后，云滴数浓度和液态水含量快速增加，有效半径增至5 μm以上，两个大粒子探头同步响应，但不同变量峰值并不完全重合。同步二维粒子影像显示近圆形、紧实不规则及较大不规则轮廓随穿云位置变化，进一步支持不同尺度粒子的局地共存及形态非均一性。考虑二维阴影成像的相态识别局限及RainPic微小粒子可能存在的撞击碎裂影响，本文不对全部大粒子作确定的冰相分类。结果表明，冷云中小云滴含水区与大粒子高值区呈非单调、尺度依赖的空间共存关系，可为混合相云微物理参数化、无人机云探测资料质控及人工影响天气条件识别提供观测依据。

关键词：无人机机载观测；冷云；云滴谱；空间非均匀性；粒子影像
 

无人机机载观测；冷云；云滴谱；空间非均匀性；粒子影像