云并合過程中物理特征演變的模擬研究

呂玉環(huán) 李艷偉 金蓮姬 何彩芬

1 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044

2 寧波市氣象局，寧波 315012

云并合過程中物理特征演變的模擬研究

呂玉環(huán)1李艷偉1金蓮姬1何彩芬2

1 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044

2 寧波市氣象局，寧波 315012

云并合過程中物理特征的變化對(duì)云降水過程的演變至關(guān)重要，對(duì)降水的短時(shí)預(yù)報(bào)和研究也有重要意義。因此，本文利用新一代中尺度天氣預(yù)報(bào)模式WRF（Weather Research Forecast）對(duì)2005年5月5日發(fā)生在貴陽的一次云并合過程進(jìn)行模擬，結(jié)合雷達(dá)觀測(cè)資料以及MICAPS資料，分析了降水對(duì)流云的合并過程，及其伴隨的各種物理特征的演變。研究發(fā)現(xiàn)，積云的并合過程具有多樣性，包括相鄰孤立對(duì)流單體的并合，對(duì)流單體和對(duì)流云團(tuán)的并合，相鄰對(duì)流云團(tuán)并合形成大范圍降水系統(tǒng)等不同的階段。在這幾個(gè)階段的并合過程中，層結(jié)曲線變化都表現(xiàn)為在并合過程中不穩(wěn)定能量釋放，由并合前不穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)為并合后趨于較穩(wěn)定，特別是中層趨于中性，這有利于優(yōu)勢(shì)發(fā)展尺度向較長(zhǎng)尺度轉(zhuǎn)移。物理特征都發(fā)生了明顯改變，表現(xiàn)為：在剛發(fā)生并合和完全并合前后對(duì)流中心的最大降水量增幅最為劇烈，最大垂直氣流速度與最大降水量的變化是相反的，并合發(fā)生后，云中最大上升氣流速度普遍減小。而平均垂直氣流速度在開始并合及完全并合后普遍減小，但整個(gè)云體所在區(qū)域的平均降水量總體多呈增加的趨勢(shì)。

對(duì)流 并合 數(shù)值模擬 物理特征

1 引言

合并過程不僅能使云體的尺度和強(qiáng)度發(fā)生變化，引起地面強(qiáng)降水并影響降水效率，而且還在冰雹、雷電等災(zāi)害性天氣中占有重要的地位 （Orville and Kopp，1977；Orville et al.，1980；王昂生等，1980；Wiggert et al.，1981）。關(guān)于對(duì)流云合并過程的觀測(cè)以及機(jī)理的研究得到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛重視，國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者利用觀測(cè)資料和數(shù)值模式，開展針對(duì)對(duì)流云團(tuán)相互作用和合并過程的研究。

Simpson et al.（1971）在夏季南佛羅里達(dá)地區(qū)觀測(cè)了一些云并合過程，他們指出在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)三天中雖只有10%的云并合，但這部分并合卻形成了這個(gè)區(qū)域86%的降水。Turpeinen（1982）年分析了GATE（Global Atmosphere Research Program（GARP）Atlantic Tropical Experiment）試驗(yàn)中第261天的云并合，這天共有9塊云并合，指出55%的云并合前相鄰云回波出現(xiàn)的時(shí)間差在5分鐘以內(nèi)，88%的回波強(qiáng)度差在5dBZ以內(nèi)，說明云形成的時(shí)間及強(qiáng)度愈接近，云越易并合。Westcott（1994）通過探測(cè)雷達(dá)回波初生至回波合并后的發(fā)展變化，指出合并后的對(duì)流云相對(duì)于單體對(duì)流云發(fā)展更旺盛，在其試驗(yàn)中研究了合并發(fā)生的原因，發(fā)現(xiàn)只有15%的個(gè)例說明對(duì)流云不同的移動(dòng)速度或者新單體的生成在合并中起明顯作用，大部分合并是由于云體的水平延伸。

早在20世紀(jì)70年代，甄長(zhǎng)忠 （1981）就發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生冰雹的超級(jí)單體是由多塊小單體在一個(gè)主要單體上合并而成的，隨后陸續(xù)有關(guān)于冰雹、強(qiáng)降水以及雷電等強(qiáng)對(duì)流過程中出現(xiàn)合并過程的報(bào)道 （徐華英等，1988；黃美元等，1987a；孫晶等，2007；雷恒池等，2008；李艷偉等，2009a，2009b，2009c）。黃美元等 （1987b）首先用二維暖積云模式探討了合并的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)氣壓梯度力和下沉氣流引起的輻合抬升是造成合并的兩個(gè)作用，而且發(fā)生合并的條件是與云的相對(duì)強(qiáng)度和間隔距離有內(nèi)在聯(lián)系的。隨著模式的不斷發(fā)展，合并過程中的微物理過程得到了更深層次的揭示。于仁成等 （1998）對(duì)一次中尺度對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)多單體對(duì)流云合并本身能使云體擴(kuò)大，并且會(huì)加強(qiáng)上升、下沉氣流，造成更大的上升運(yùn)動(dòng)促使云體垂直發(fā)展。付丹紅和郭學(xué)良 （2007）的研究結(jié)果顯示，合并有利于水汽轉(zhuǎn)化，形成大量過冷云水和冰相粒子，有利于強(qiáng)降水和大風(fēng)天氣的產(chǎn)生。說明對(duì)流云合并對(duì)降水和強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展有正面效應(yīng)。李艷偉等 （2009a）對(duì)山地對(duì)流云并合形成積層混合云的降水過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)流并合過程使整個(gè)系統(tǒng)的生命期往往較分散云團(tuán)更長(zhǎng)，并有可能會(huì)形成間歇性或連續(xù)性降水。李艷偉等 （2009c）對(duì)云并合初始位置進(jìn)行探討發(fā)現(xiàn)，對(duì)流單體間并合與較大對(duì)流云間的并合是從云的中下部開始的，往往是處于發(fā)展階段的云發(fā)生并合；對(duì)流云團(tuán)間的并合卻是從云的中上部開始的，往往是那些比較成熟的對(duì)流云團(tuán)發(fā)生并合。

上述研究從并合的影響、重要性和并合機(jī)理等方面取得了很有意義的成果。然而，國(guó)內(nèi)缺少針對(duì)并合過程中云（團(tuán)）內(nèi)變化情況的詳細(xì)探討，如并合過程前后的降水量和上升氣流速度發(fā)生了怎么樣的改變，云內(nèi)的穩(wěn)定度是怎么變化的。這些改變對(duì)云降水過程的演變至關(guān)重要，對(duì)降水的短時(shí)預(yù)報(bào)和研究也有重要意義，該類研究結(jié)果對(duì)在并合的什么階段開展人工增雨作業(yè)也有深遠(yuǎn)的影響，然而相關(guān)的研究極少。因此本文通過利用新一代中尺度天氣預(yù)報(bào)模式WRF模式對(duì)其進(jìn)行模擬研究，結(jié)合2005年5月5日貴陽的雷達(dá)觀測(cè)資料以及MICAPS（氣象信息綜合分析系統(tǒng)）資料，對(duì)一次降水性的對(duì)流云并合過程中的各種物理特征演變進(jìn)行了量化的分析，進(jìn)一步探討積云并合過程的作用、產(chǎn)生并合的機(jī)理及其對(duì)降水的影響。

2 有利的天氣條件

本文以2005年5月5日發(fā)生在貴陽的一次云并合過程為例開展研究，在這次降水過程中，在500hPa上存在高空槽 （圖略），逐漸南壓并向東移動(dòng)，不斷帶來大量北方的冷空氣，并有冷平流，與南方的暖濕空氣輻合上升將有利于形成對(duì)流云。700hPa位于西安—成都—麗江—昆明的低渦切變東南移，轉(zhuǎn)為位于在武漢—恩施—重慶的槽，切變線和槽前存在著風(fēng)向的輻合，將有利于水汽的輻合上升，從而形成降水。在850hPa高度，在懷化—貴陽存在切變線，即存在著風(fēng)向的輻合。輻合線附近，冷暖空氣相交匯，空氣不穩(wěn)定度加大，有利于對(duì)流云的生成。地面受熱低壓影響，冷鋒主體目前位于河套西側(cè)，后東南移到四川省的東部，非常有利于暖空氣沿著冷空氣整層爬升，形成天氣尺度的上升區(qū)，在低空輻合極易誘發(fā)不穩(wěn)定。

在云系中的強(qiáng)對(duì)流中心位置的上升氣流速度都很大，能使更多的水汽凝結(jié)成云，進(jìn)而促進(jìn)云雨的發(fā)展。由對(duì)流有效勢(shì)能 （CAPE）的水平分布圖［圖1a（見文后彩圖）］，由于偏南氣流源源不斷地輸送大量暖濕氣流，而且低層存在著輻合線，整個(gè)模擬區(qū)域南側(cè)的CAPE非常高，存在很多高值中心，對(duì)流有效勢(shì)能的最大值達(dá)到了2200J／kg，所以非常容易觸發(fā)對(duì)流。這里將是不穩(wěn)定能量和對(duì)流云的發(fā)生源地，并沿著氣流的方向，以及暖空氣沿著冷空氣的爬升，在冷暖空氣之間的爬升坡面上不斷傳播形成對(duì)流，新形成的對(duì)流又會(huì)與云系的主體發(fā)生并合，而使對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放。由貴陽站（57816臺(tái)站）的溫度對(duì)數(shù)壓力圖 ［圖1b（見文后彩圖）］可看出，KI（氣團(tuán)指標(biāo)）值很大為41.0，S（熵）值為－2.9，云系范圍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于對(duì)流的發(fā)展。

3 模擬結(jié)果的初步分析

3.1 模式介紹和模擬方案

本文所用的模式是新一代中尺度模式WRF（Weather Research Forecast）。WRF模式是正在不斷發(fā)展的新一代中尺度非靜力預(yù)報(bào)模式和資料同化系統(tǒng) （3Dvar、四維同化），具有研究和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)功能的廣泛的應(yīng)用范圍。WRF模式采用全新的程序設(shè)計(jì)，該模式重點(diǎn)考慮從云尺度到天氣尺度等重要天氣的預(yù)報(bào)，水平分辨率重點(diǎn)考慮1～10km。本文利用WRF模式開展數(shù)值模擬。由于云系影響范圍大，而云物理研究時(shí)空分辨率高等原因，考慮采用兩重嵌套方案模擬。二重格距分別是：9km、3km。微物理過程采用Lin方案，考慮六種水成物：水汽、云水、雨水、冰晶、雪花、霰。該方案是WRF中相對(duì)復(fù)雜的微物理方案，適合于研究云系的詳細(xì)物理過程。積云對(duì)流參數(shù)化方案：對(duì)第一層網(wǎng)格考慮以Kain－Fritsch為主，第二層網(wǎng)格 （3km）不采用參數(shù)化方案，作為模式可分辨過程進(jìn)行顯式化方案來進(jìn)行積分。積分中采用時(shí)變邊界條件。

此次模擬是從2005年5月4日20時(shí)開始的。采用每6小時(shí)一次的NCEP 1°×1°全球再分析資料作為背景場(chǎng)，模擬2005年5月4日20：00（0min）到6日08：00（2150min）發(fā)生在貴州地區(qū)的一次并合過程。粗網(wǎng)格每隔20min輸出一次結(jié)果，次網(wǎng)格每隔10min輸出一次結(jié)果，以此來研究積云并合發(fā)展演變的過程，并深入分析。

3.2 模擬結(jié)果和觀測(cè)資料的對(duì)比分析

模擬的720min時(shí)刻 （即5月5日08時(shí)）（圖2a）的云系的分布、形狀和走向都與5月5日08時(shí)700hPa高度場(chǎng)中 （圖2b）槽前區(qū)域相對(duì)應(yīng)。在模擬雷達(dá)回波在和實(shí)測(cè)雷達(dá)回波相近的時(shí)刻，從模擬的雷達(dá)回波看 （圖2c的黑圈），模擬的云系空間分布、形狀與實(shí)測(cè)雷達(dá)回波 （圖2d）非常一致，而且模擬的雷達(dá)回波和觀測(cè)的雷達(dá)回波強(qiáng)度也非常接近，最大雷達(dá)回波強(qiáng)度達(dá)50dBZ左右。從同一時(shí)間的模擬 （圖2e）和觀測(cè) （圖2f）的6小時(shí)累積降水量對(duì)比看，除了在個(gè)別強(qiáng)度上有些差異外，總體來看，雨帶的分布、走向、大小與實(shí)測(cè)值非常相近，模擬雨帶分布形式較好，雨帶分布基本模擬的比較好，均呈現(xiàn)東西向帶狀分布。

綜上對(duì)比可見，模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近，可說明模擬結(jié)果能夠較理想地再現(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，因此可以利用模擬結(jié)果開展深入的研究。

4 積云并合過程模擬結(jié)果的深入分析

模擬結(jié)果顯示，在云系的形成和發(fā)展移動(dòng)過程中，經(jīng)歷了數(shù)十次的并合過程，這些并合過程包括對(duì)流單體與對(duì)流單體的并合、對(duì)流單體與對(duì)流云團(tuán)的并合、對(duì)流云團(tuán)與對(duì)流云團(tuán)的并合以及對(duì)流單體并合進(jìn)入對(duì)流云系等過程。下面就此次模擬過程中發(fā)生的幾種典型的并合過程進(jìn)行深入分析。

圖2 （a）模擬500hPa等壓面總含水量；（b）5月5日08時(shí)700hPa高度場(chǎng) （單位：gpm）；（c）模擬670min時(shí)750hPa等壓面雷達(dá)回波；（d）2005年5月5日06：58實(shí)測(cè)雷達(dá)回波；2005年5月5日08時(shí) （e）模擬和 （f）實(shí)測(cè)的6小時(shí)的累積降水量Fig.2 （a）Simulated water content at 500hPa；（b）700－h(huán)Pa height（gpm）field at 0800LST 5May 2005；（c）simulated radar echo at 750hPa at 670min；（d）observed radar reflectivity at 0658LST 5May 2005；（e）simulated and（f）observed 6－h(huán) precipitation at 0800LST 5May 2005

4.1 對(duì)流云與對(duì)流云的并合

4.1.1 模擬雷達(dá)回波的演變

對(duì)流單體生成移動(dòng)的過程中，一些距離較近的對(duì)流單體逐漸發(fā)展靠近最后發(fā)生了并合，形成了較大的對(duì)流云。在上述有利的天氣條件下，對(duì)流單體迅速形成 （圖3a）。在440min時(shí) （圖3b），對(duì)流單體A、B發(fā)展加強(qiáng)開始發(fā)生并合，B單體最大回波達(dá)50dBZ，且在B的右邊小的對(duì)流單體與之發(fā)生并合。10min后 （圖3c），A、B兩單體的強(qiáng)中心開始并合，強(qiáng)回波范圍增大，A的最大回波達(dá)40dBZ以上。470min（圖3d）時(shí)，對(duì)流單體A、B完全并合，雷達(dá)強(qiáng)回波中心范圍擴(kuò)大，云體水平范圍達(dá)幾十千米以上，回波強(qiáng)度可達(dá)40dBZ以上，形成一個(gè)強(qiáng)度較大的積云團(tuán)。

圖3 在430min、440min、450min、470min 750hPa等壓面雷達(dá)回波及風(fēng)矢量 （箭頭）Fig.3 Radar echo and wind vectors fields at 750hPa at 430min，440min，450min，470min

4.1.2 并合過程中含水量和流場(chǎng)演變

由于云是水凝物粒子群，它的含水量變化反映著云體的變化。在討論流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，討論云中含水量的交換也是有意義的。為了更好地分析對(duì)流單體之間并合以及其發(fā)展演變情況，沿圖3中的黑實(shí)線分別作總含水量、風(fēng)流場(chǎng)和對(duì)流有效勢(shì)能（CAPE）等值線的垂直剖面圖，得到對(duì)流云之間的演變序列圖，進(jìn)一步分析可得：并合前430min（圖4a）時(shí)，兩個(gè)單體中都幾乎是上升氣流，云體下部為偏東風(fēng)，上部為偏西風(fēng)，在這種輻合風(fēng)場(chǎng)作用下，有利于A、B的并合，A、B的CAPE較大，達(dá)到1200J／kg以上，有利于它們的發(fā)展，由于環(huán)境風(fēng)場(chǎng)在0℃層以下存在一定的風(fēng)切變，當(dāng)云移行前方有高濕區(qū)時(shí)，中等強(qiáng)度風(fēng)切變有利于積云的發(fā)展（徐華英等，1988）。在環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的作用下，A的前部由于降水粒子拖曳或蒸發(fā)作用，產(chǎn)生傾斜的下沉氣流，與上升氣流相互作用，可促使A、B的中下部開始并合 （圖4b），CAPE得到釋放，使云體向上發(fā)展，A、B中上升氣流速度和范圍都增加，B的含水量增加到3g／kg。450min（圖4c）時(shí)，0℃以下完全并合，云體中的風(fēng)向切變減小，流場(chǎng)逐漸統(tǒng)一，由于降水的增加，B的下層產(chǎn)生下沉氣流，傾斜的下沉氣流輻散與環(huán)境上升氣流輻合又激發(fā)更強(qiáng)的上升氣流，使得A、B間的上升氣流增強(qiáng)。由于CAPE釋放，使得云頂高度伸展，含水量范圍和強(qiáng)度都增加了，B的最大含水量達(dá)到5g／kg以上。20min后 （圖4d），A、B完全并合為一個(gè)積云團(tuán)，云體內(nèi)流場(chǎng)統(tǒng)一，形成了共同的對(duì)流環(huán)流，對(duì)流中心含水量都超過了3g／kg。在云體后部有較強(qiáng)的下沉氣流輻散與上升氣流作用，輻合上升使得云內(nèi)有較強(qiáng)的上升氣流。

圖4 （a－d）總含水量 （陰影）、風(fēng)流場(chǎng)和對(duì)流有效勢(shì)能等值線 （單位：J／kg）沿圖3（a－d）黑斜線的垂直剖面。兩條水平線表示0℃、－20℃ 等溫層Fig.4 Vertical sections of（a－d）simulated water content（shading），streamline fields，and CAPE isoline（J／kg）along the black straight lines in Fig.3（a－d）.The two horizontal lines denote 0℃and－20℃isotherms

4.1.3 并合過程中大氣層結(jié)分析

為了解對(duì)流單體并合過程中云中的大氣的層結(jié)穩(wěn)定度的情況，可以分析假相當(dāng)位溫θe在垂直方向的變化。一般認(rèn)為，當(dāng)?θe／?p＞0時(shí)，大氣為對(duì)流不穩(wěn)定；當(dāng)?θe／?p＜0時(shí)，大氣為對(duì)流穩(wěn)定。圖5a、b（見文后彩圖）分別為單體A、B并合過程中的假相當(dāng)位溫變化，并合前420min時(shí)，A單體低層900～850hPa為穩(wěn)定層結(jié)，800～600hPa為不穩(wěn)定層結(jié)，600hPa以上為穩(wěn)定層結(jié)；B單體，950～900hPa為不穩(wěn)定層結(jié)，900～700hPa為近中性層結(jié)，700～550hPa為不穩(wěn)定層結(jié)，550hPa以上為穩(wěn)定層結(jié)。發(fā)生并合時(shí)440min，A中下層的不穩(wěn)定度減小，中上層轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定層結(jié)；B單體轉(zhuǎn)為900～350hPa的近中性層結(jié)，上層350～250hPa為不穩(wěn)定層結(jié)。并合發(fā)展450min時(shí)，A單體中下層不穩(wěn)定度又加大，且不穩(wěn)定層向上發(fā)展；B單體中下層轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定層結(jié)。完全并合后490min時(shí)，A、B單體600hPa以下為不穩(wěn)定層結(jié)，以上為穩(wěn)定層結(jié)。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，開始并合時(shí)，中低層的不穩(wěn)定度減小或轉(zhuǎn)為中性層結(jié)，中上層由穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定層結(jié)；并合過程中，中低層的不穩(wěn)定度又會(huì)加大；完全并合后仍能保持中低層為較強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)。我們認(rèn)為這個(gè)過程中，兩單體的開始并合、中低層的不穩(wěn)定能量釋放，使得中低層的不穩(wěn)定度減小或轉(zhuǎn)為中性層結(jié)，后隨著并合混合作用不斷加強(qiáng)，中低層又將轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定層結(jié)，為系統(tǒng)發(fā)展繼續(xù)提供能量。

圖6 單體A和單體B（a）最大降水量、（b）600hPa最大垂直上升氣流速度、（c）所在整個(gè)區(qū)域的平均降水量、（d）600～400hPa平均垂直氣流速度隨時(shí)間的變化Fig.6 Time variations of（a）maximum precipitation，（b）600－h(huán)Pa maximum upward flow velocity，（c）precipitation averaged over the whole region，and（d）upward flow velocity averaged over 600－400hPa for cells A and B

4.1.4 云中主要參量的演變

為了解并合過程中主要物理參量的變化，做對(duì)流單體并合過程中兩單體對(duì)流中心的最大垂直上升氣流速度、最大降水量、600～400hPa平均垂直氣流速度以及單體所在整個(gè)區(qū)域平均降水量隨時(shí)間的變化曲線。

對(duì)于各強(qiáng)中心最大降水量的變化 （圖6a），并合后 （440～490min）兩個(gè)單體的最大降水量增幅均較并合前 （390～430min）增加，其中較弱的A單體的最大降水量增幅較大。由并合前1.6mm增長(zhǎng)到13.3mm，較強(qiáng)的B單體由3.76mm增到8.6mm。黃美元等 （1987a）的模擬結(jié)果不同，他們得出強(qiáng)弱兩塊云共存時(shí)，弱云受到鄰近強(qiáng)云的影響提前消散，而強(qiáng)云生命延長(zhǎng)，且強(qiáng)度增加，兩塊云強(qiáng)度相差愈大，距離愈近，這種作用愈明顯。在本例中尤其在開始并合前后 （430～450min）及在完全并合后 （470～490min），最大降水量增幅大。這說明對(duì)流單體并合過程中各單體相互作用相互促進(jìn)有利于水成物和能量的交換，使得最大降水量增加。

如圖6b，在并合前后各個(gè)單體的最大上升氣流速度發(fā)生劇烈變化，并合前都是增加的，A單體增加4.385m／s，B增加6.504m／s，這說明并合前有利于單體上升氣流速度增加；并合后十分鐘，各單體都是減小的，A減小2.6m／s，B減小1.9m／s，這是由于并合后促進(jìn)了兩單體的降水增加，降水的拖曳作用使得上升氣流減小。在完全并合前后二十分鐘，最大上升氣流是增加的，A增加3.9m／s，B增加5m／s，這說明雖然降水增加會(huì)抑制上升氣流，但并合過程中對(duì)流有效勢(shì)能的釋放有利于單體的向上發(fā)展，超過降水拖曳的抑制，使得上升氣流增加，而到480min后降水強(qiáng)度增加大，超過對(duì)流有效勢(shì)能釋放作用，又使得上升氣流又減小了。

區(qū)域的平均降水量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì) （圖6c），在并合后 （440～490min）區(qū)域的最大降水量增幅為1.91mm較并合前 （390～430min）增加1.501mm，說明對(duì)流單體間的并合，雖然會(huì)使云中降水出現(xiàn)較大的不均勻現(xiàn)象，但會(huì)使總的降水量增加。與前人研究 （Orville，et al.，1980；Turpeinen，1982）積云之間的并合，可以強(qiáng)烈地促進(jìn)云的發(fā)展，降水量可加大到幾到幾十倍，結(jié)論基本一致。

如圖6d，并合前A、B的平均垂直氣流是增加的，A增加1.48m／s，B增加4.15m／s；并合后10分鐘，兩中心平均垂直氣流速度都減小，這與云中最大垂直氣流速度變化一致，都是由于降水的拖曳作用使得垂直氣流減??；到完全并合前后，它們的平均垂直氣流速度又都增加，A增加4.74m／s，B增加4.57m／s；480min，平均降水量又減小，這些變化均與兩中心最大垂直氣流變化一致。

圖7 同圖3，但為t＝530min、550min、570min、590minFig.7 Same as Fig.3，but for t＝530min，550min，570min，590min

4.2 對(duì)流云和對(duì)流云團(tuán)的合并

4.2.1 模擬雷達(dá)回波的演變

并合前530min（圖7a），D為對(duì)流云團(tuán)，C為一個(gè)單獨(dú)的對(duì)流單體。對(duì)流云團(tuán)范圍較廣含有幾個(gè)對(duì)流中心，最大回波強(qiáng)度達(dá)50dBZ；對(duì)流單體C最大回波強(qiáng)度達(dá)40dBZ。隨后，550min（圖7b）在偏北的輻合氣流的影響下C、D逐漸接近，C單體的最大回波出現(xiàn)50dBZ。20min后 （圖7c）對(duì)流單體并合進(jìn)去對(duì)流云團(tuán)D。590min（圖7d）時(shí)，C、D完全并合，強(qiáng)中心的最大回波達(dá)到50dBZ以上，形成了一個(gè)范圍寬廣、強(qiáng)度較大、內(nèi)部有多個(gè)對(duì)流中心的中尺度對(duì)流云團(tuán)。

4.2.2 并合過程中含水量和流場(chǎng)演變

并合前530min時(shí) （圖8a），對(duì)流云團(tuán)D的中上部是較強(qiáng)的垂直上升氣流，0℃層以下為西風(fēng)氣流，在與C單體逐漸靠近過程中，西風(fēng)氣流與上升氣流輻合以及D前部下沉冷空氣形成強(qiáng)輻散，迫使其前部暖濕空氣抬升，使得C單體發(fā)展增強(qiáng) 。由于0℃層附近存在較大的垂直風(fēng)切變，在西風(fēng)氣流的作用下有利于兩云體在中下部發(fā)生并合。在550min時(shí) （圖8b），C和D逐漸接近發(fā)生并合，C單體的最大含水量增長(zhǎng)到3g／kg。20min后 （圖8c），對(duì)流單體并合進(jìn)入對(duì)流云團(tuán)。C的中下部出現(xiàn)下沉氣流，對(duì)流云團(tuán)D減弱，下沉氣流出流作用使得C、D間上升氣流增強(qiáng)，C最大含水量增長(zhǎng)到5g／kg。在590min時(shí) （圖8d），C和D的強(qiáng)中心完全并合，流場(chǎng)逐漸統(tǒng)一，云中的對(duì)流有效勢(shì)能釋放，使得并合后的云團(tuán)中發(fā)展強(qiáng)大最大含水量超過5g／kg。

綜上所述，在環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的作用下，由于0℃層附近存在較大的垂直風(fēng)切變，有利于對(duì)流云單體與對(duì)流云團(tuán)的在中下部發(fā)生并合，0℃層下的西風(fēng)氣流與上升氣流輻合上升，迫使其前部暖濕空氣抬升，可促使前方單體發(fā)展增強(qiáng)。

圖8 同圖4，但為沿圖7（a－d）黑斜線Fig.8 Same as Fig.4，but along the black straight lines in Fig.7 （a－d）

4.2.3 并合過程中大氣層結(jié)分析

由圖9a、b（見文后彩圖）分別為單體C和云團(tuán)D不同時(shí)刻假相當(dāng)位溫的分布曲線，并合前530min，單體C的下層900～750hPa為穩(wěn)定層，750～450hPa為不穩(wěn)定層和穩(wěn)定層相間分布，上層為穩(wěn)定層結(jié)；云團(tuán)D中低層為不穩(wěn)定層結(jié)，中上層為穩(wěn)定層結(jié)。開始并合560min時(shí)，單體C中下層都轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定層結(jié)；云團(tuán)D下層900～850hPa轉(zhuǎn)為穩(wěn)定層，中下層不穩(wěn)定度加大。并合發(fā)展570min時(shí)，C的不穩(wěn)定層向上提升且不穩(wěn)定度加大，下層轉(zhuǎn)為穩(wěn)定層結(jié)；D的中下層不穩(wěn)定度加大。完全并合后590min，C下層轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定層結(jié)，原不穩(wěn)定層下移，600hPa以上為穩(wěn)定層；D中下層變?yōu)榻行詫咏Y(jié)，C、D的上層的穩(wěn)定層結(jié)不斷向下發(fā)展。

由以上分析可發(fā)現(xiàn)，并合前，云中層結(jié)為不穩(wěn)定層和穩(wěn)定層相間分布或近中性層結(jié)；開始并合和發(fā)展過程中，低層出現(xiàn)穩(wěn)定層結(jié)，中低層不穩(wěn)定層結(jié)不斷加大，認(rèn)為由于低層的穩(wěn)定或中性層結(jié)可能含有大量的能量，隨著并合作用和發(fā)展可以使能量釋放，提供對(duì)流不斷發(fā)展，而穩(wěn)定層結(jié)的形成可能是由于隨著對(duì)流降雨加大會(huì)在近地層形成冷空氣堆。完全并合后，云中低層的層結(jié)不穩(wěn)定擾動(dòng)減小，上層的穩(wěn)定層下移。

圖10 同圖6，但為對(duì)流單體C和對(duì)流云團(tuán)DFig.10 Same as Fig.6，but for convective cell C and convective cloud cluster D

4.2.4 云中主要參量的演變

在對(duì)流單體逐漸和對(duì)流云團(tuán)靠近的過程中（490～540min）（圖10a），對(duì)流云團(tuán)D和對(duì)流單體C最大降水量都是增加的，C增加5mm，D增加13.2mm；560min開始并合后，C增加1.3mm，D增加了2.42mm；說明合并后降水量得到了增加，與付丹紅和郭學(xué)良 （2007）的模擬結(jié)果相一致。而在590min完全并合前后的二十分鐘，C、D的最大降水又增加了；在整個(gè)過程中 （530～600min）單體C降水增加了10.4mm，云團(tuán)D增加了3.8mm。這可能是由于并合作用對(duì)流云團(tuán)提供單體發(fā)展所需的水汽和能量，不斷促使對(duì)流單體發(fā)展，所以對(duì)流單體的最大降水量一直是增大的，而對(duì)流云團(tuán)則在并合后降水量曲折變化。

圖10b（490～540min），C和D最大垂直氣流速度都是增加的，C增加1.5m／s，D增加4.65m／s；540min后C、D的變化就出現(xiàn)反步調(diào)的變化，這是云團(tuán)與單體相互作用的結(jié)果。并合后十分鐘，對(duì)流云團(tuán)D減小了1.8m／s，單體C增加了0.7m／s；在590min完全并合前十分鐘，C、D最大垂直氣流速度都增加了，而后又減小。而且并合的整個(gè)過程中云團(tuán)的垂直氣流速度與云團(tuán)的最大降水量的變化是相反的。整個(gè)區(qū)域的平均降水量 （圖10c）增加了0.72mm，尤其在560min并合前后二十分鐘，平均降水量增加幅度最大，增加了0.58mm。說明對(duì)流單體與對(duì)流云團(tuán)間的并合作用會(huì)使區(qū)域的平均降水量增加。

如圖10d并合前，C的平均垂直氣流速度是增加的，D是減小的。開始并合后560～580min，C、D的平均垂直氣流速度都減小了，C減小0.81m／s，D減小0.44m／s，這是由于并合后降水增加，降水的拖曳作用又使得垂直氣流速度減?。煌耆⒑?90min后，降水強(qiáng)度又增加，所以平均垂直氣流速度又減小0.31m／s。

4.3 對(duì)流云團(tuán)與對(duì)流云團(tuán)的合并

4.3.1 模擬雷達(dá)回波的演變

580min時(shí)（圖11a），圓圈E、F分別是兩塊發(fā)展深厚的對(duì)流云團(tuán)，云團(tuán)E的上部的一個(gè)對(duì)流中心強(qiáng)度大于50dBZ和云團(tuán)F的下部的一個(gè)對(duì)流中心強(qiáng)度約為50dBZ，它們之間還有一個(gè)小對(duì)流單體，在偏北風(fēng)氣流作用下使得它們逐漸接近并開始發(fā)生并合。在600min時(shí)（圖11b），E、F之間的小的對(duì)流單體發(fā)展，并向E、F逐漸接近。640min時(shí) （圖11c）E并合了小對(duì)流單體后，E、F開始出現(xiàn)并合，強(qiáng)回波中心逐漸接近，它們的強(qiáng)回波范圍減小。690min（圖11d）時(shí)，兩個(gè)對(duì)流中心已完全合并為一個(gè)對(duì)流中心，形成大范圍降水云系。最大雷達(dá)回波強(qiáng)度可達(dá)50dBZ以上。

圖11 同圖3，但為t＝580min、600min、640min、690minFig.11 Same as Fig.3，but for t＝580min，600min，640min，690min

4.3.2 并合過程中含水量和流場(chǎng)演變

在580min（圖12a）時(shí)，E、F均發(fā)展強(qiáng)盛，中下層出現(xiàn)下沉氣流，中上層為較強(qiáng)的上升氣流，對(duì)流有效勢(shì)能值比較大，由于在E、F兩云團(tuán)中下沉氣流輻散作用以及中低層偏北風(fēng)氣流的切變作用下，有利于對(duì)流中心在中下部發(fā)生并合。20min后（圖12b），E、F的下沉氣流輻散，促使它們間的小單體發(fā)展。E的前部為上升氣流，后部為下沉氣流，形成小的垂直環(huán)流，存在由E吹向F的偏南風(fēng)，而F的下沉氣流以及環(huán)境風(fēng)場(chǎng)為偏北風(fēng)，所以會(huì)使E、F對(duì)流中心逐漸靠近，F(xiàn)中的下沉出流使得E發(fā)展增強(qiáng)，含水量大值區(qū)增大，F(xiàn)含水量大值區(qū)減小。在640min（圖12c）E完全并合了小單體，F(xiàn)的斜下沉氣流迫使前方暖濕空氣抬升，形成偏北氣流，而在高空環(huán)境風(fēng)為偏南氣流，這樣形成的環(huán)流形式有利于E、F兩中心的并合。E最大含水量減為3g／kg，而F發(fā)展，最大含水量超過5g／kg，E，F(xiàn)對(duì)流中心逐漸合并。在690min時(shí)（圖12d）隨著對(duì)流有效勢(shì)能的逐漸釋放，A，B中的對(duì)流中心完全的合并為一個(gè)冷層深厚的降水云系，流場(chǎng)越來越統(tǒng)一。

4.3.3 并合過程中大氣層結(jié)分析

對(duì)流云團(tuán)E和對(duì)流云團(tuán)F并合過程中假相當(dāng)位溫曲線變化 ［如圖13a、b（見文后彩圖）］。并合前610min，E、F的650hPa以下均為較強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定層，以上為穩(wěn)定層和中性層。開始并合650min時(shí)，E的600hPa以下轉(zhuǎn)為近中性層，以上為穩(wěn)定層和不穩(wěn)定層相間分布；F中低層的不穩(wěn)定度減小。并合發(fā)展670min時(shí)，E的中低層又轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定層結(jié)，F(xiàn)的中低層的不穩(wěn)定度又加大。完全并合690min時(shí)，E、F合為一個(gè)中心，中低層轉(zhuǎn)為近中性層結(jié)。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，兩云團(tuán)并合前，對(duì)流層中低層均有較強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定，說明兩云團(tuán)發(fā)展很強(qiáng)盛；開始并合后，中低層轉(zhuǎn)為中性層或不穩(wěn)定度減小，可能是并合使對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放，降水增加使得在近地層形成冷空氣堆，從而使氣層的不穩(wěn)定度減小，甚至轉(zhuǎn)為穩(wěn)定層；隨著并合不斷混合作用，氣層的不穩(wěn)定度又會(huì)加大；完全并合后，云中的不穩(wěn)定層結(jié)逐漸轉(zhuǎn)為穩(wěn)定層結(jié)，對(duì)流發(fā)展減弱。

圖12 同圖4，但為沿圖11（a－d）黑斜線Fig.12 Same as Fig.4，but along the black straight lines in Fig.11（a－d）

4.3.4 云中主要參量的演變

在620min時(shí) （圖14a），E開始并合小單體前后的二十分鐘，最大降水量減小了10.2mm；在650min強(qiáng)對(duì)流中心E、F開始并合后的10分鐘，它們的降水量都增加了，E增加了5.5mm，F(xiàn)增加了0.9mm；這說明合并后降水量得到了增加。到690min完全并合前，它們的最大降水量又均減小了，E減小4.3mm，F(xiàn)減小了7.8mm；在完全并合的前后二十分鐘，兩個(gè)強(qiáng)中心的降水量都有明顯的增加，E增加了5.4mm，F(xiàn)增加了7.4mm。這說明對(duì)流云團(tuán)的強(qiáng)中心的并合過程更復(fù)雜，從而表現(xiàn)出水成物和能量的交換就更復(fù)雜。

620min時(shí) （圖14b），E中心并合小單體后的最大上升氣流速度增加了0.8m／s；在650min強(qiáng)對(duì)流中心E、F開始并合前十分鐘，E增大2.6m／s，F(xiàn)減小1.4m／s；開始并合后的二十分鐘，它們的最大垂直氣流速度都劇烈減小了，E減小了2.6m／s，F(xiàn)減小了4.8m／s；690min完全并合前后，完全并合前，它們的最大垂直氣流速度都增加，完全并合后，它們都減小。從以上變化中可看出，最大垂直氣流速度與最大降水量的變化是相反的，這是由于降水增加，降水的拖曳作用將減小垂直氣流速度。在對(duì)流云團(tuán)并合過程中，區(qū)域的平均降水量是增加的趨勢(shì) （圖14c），尤其在E、F云團(tuán)完全并合前十分鐘增幅最大，增加了0.21mm，說明對(duì)流云團(tuán)的并合會(huì)使區(qū)域的總的降水量增加。

對(duì)于平均垂直氣流速度變化 （圖14d）。E、F并合前，580～610min，E的平均氣流速度減小2.54m／s，其最大降水量和最大垂直氣流速度均下降，說明并合前E的發(fā)展減弱，隨后，由于E在630min并合小單體，它的平均垂直氣流先增加，后又減??；F與E并合 （650min）前十分鐘E、F都增加，開始并合后F又減小1.33m／s，而E增加了1.07m／s；完全并合前，E、F平均垂直速度分別增加3.84m／s和2.71m／s；強(qiáng)中心完全并合后，并合導(dǎo)致的強(qiáng)降水使平均垂直氣流速度又減小2.67m／s。

圖14 同圖6，但為對(duì)流云團(tuán)E和對(duì)流云團(tuán)FFig.14 Same as Fig.6，but for convective cloud cluster E and convective cloud cluster F

5 小結(jié)

本文采用WRF模式較成功地模擬了一次云并合過程，在當(dāng)前觀測(cè)資料不足的情況下，利用模式輸出的資料有可能為人們提供某些思路和啟示。因此，本文通過對(duì)模擬資料的量化分析，進(jìn)一步探討積云并合過程的作用、產(chǎn)生并合的機(jī)理及其對(duì)降水的影響。所得結(jié)果如下：

（1）強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的形成具有多尺度并合過程發(fā)生，首先是尺度小的單體并合形成較大尺度的單體群，然后單體群發(fā)生并合形成更大尺度、多強(qiáng)中心的對(duì)流云團(tuán)，最后對(duì)流云團(tuán)的強(qiáng)中心并合形成具有強(qiáng)中心帶的強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)，此外，新形成對(duì)流單體并合進(jìn)入對(duì)流云系維持云系發(fā)展。

（2）云體存在著低層到高層較強(qiáng)的風(fēng)向風(fēng)速切變，在這種輻合風(fēng)場(chǎng)中有利于云體間的并合發(fā)展。在前方又有充足的水汽條件，降水形成的強(qiáng)下沉氣流在地面輻合產(chǎn)生上升氣流，可加強(qiáng)前方云體的發(fā)展。

（3）多種并合過程中層結(jié)曲線變化都表現(xiàn)為并合過程中不穩(wěn)定能量釋放，由并合前中低層的不穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)為并合后較穩(wěn)定層結(jié)或中性層結(jié)，在并合過程中，中低層的不穩(wěn)定能量釋放，使得中低層的不穩(wěn)定度減小或轉(zhuǎn)為中性層結(jié)，并合后隨著混合作用，中低層又將轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定層結(jié)；完全并合后，云中低層的層結(jié)不穩(wěn)定擾動(dòng)減小，上層的穩(wěn)定層下移。

（4）對(duì)流單體并合過程中：① 最大降水量并合前后一直在增加，且并合后增幅較并合前大。②并合前有利于最大上升氣流速度增加，增幅可達(dá)4～7m／s，在開始并合后由于降水增加單體中的上升氣流速度減小2～3m／s，完全并合后，最大上升氣流速度減小。③ 區(qū)域的平均降水量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在并合過程中增幅劇烈。④ 平均垂直氣流速度在并合前是增加的，并合后減小。

（5）對(duì)流單體與對(duì)流云團(tuán)并合過程中：① 并合前單體和云團(tuán)最大降水量都是增加的，在開始并合和完全并合前后它們中降水變化劇烈達(dá)幾個(gè)單位。整個(gè)并合過程中云團(tuán)增長(zhǎng)幾個(gè)單位，單體增長(zhǎng)了十幾個(gè)單位。②并合前單體和云團(tuán)的最大垂直氣流速度都是增加的，而且并合的整個(gè)過程中云團(tuán)的垂直氣流速度與云團(tuán)的最大降水量的變化是相反的。③ 區(qū)域的平均降水量增加了0.72mm，尤其并合前后二十分鐘，平均降水量增加幅度最大。④平均垂直氣流速度的變化，開始并合后和完全并合后，由于降水強(qiáng)度增加，所以平均垂直氣流速度均減小。

（6）對(duì)流云團(tuán)并合過程中：① 強(qiáng)中心開始并合和完全并合前后降水量都劇烈增加。② 最大垂直氣流速度與最大降水量的變化是相反的，最大垂直氣流速度完全并合前增加，完全并合后減小。③區(qū)域的平均降水量是增加的趨勢(shì)，尤其在云團(tuán)完全并合前十分鐘增幅最大。④ 云團(tuán)在并合小單體前發(fā)展已經(jīng)減弱，并合小單體后，云體平均垂直氣流先增加，后又減小；強(qiáng)中心完全并合前十分鐘平均氣流都增加，并合由于降水作用增加又減小。

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圖1 2005年5月5日天氣形勢(shì)圖：（a）對(duì)流有效勢(shì)能 （陰影）的水平分布；（b）08時(shí) （北京時(shí)間，下同）溫度－對(duì)數(shù)壓力圖 （57816臺(tái)站）。箭頭表示水平風(fēng)場(chǎng) （下同）Fig.1 Synoptic chart on 5May 2005：（a）Distribution of convective available potential energy（CAPE）（shading）；（b）temperature－logarithmic pressure diagram at 0800LST（station 57816）.Arrows：horizontal wind field（the same below）

圖5 單體A（a）、B（b）在420min、440min、450min、490min假相當(dāng)位溫垂直分布曲線Fig.5 Vertical distribution of potential pseudo－equivalent temperature（θe）of cells（a）A and（b）B at 420min，440min，450min，490min

圖9 單體C（a）、云團(tuán)D（b）在530min、560min、570min、590min假相當(dāng)位溫垂直分布曲線Fig.9 Vertical distribution of potential pseudo－equivalent temperature of（a）cell C and（b）cloud cluster D at 530min，560min，570min，590min

圖13 云團(tuán)E（a）、云團(tuán)F（b）在610min、650min、670min、690min假相當(dāng)位溫垂直分布曲線Fig.13 Vertical distribution of potential pseudo－equivalent temperature of（a）cloud cluster E and（b）cloud cluster F at 610min，650min，670min，690min

Simulation of Physical Characteristics Evolution in Cloud Merger

LüYuhuan1，LI Yanwei1，JIN Lianji1，and HE Caifen2

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster，MinistryofEducation，NanjingUniversityofInformationScience＆Technology，Nanjing210044
2NingboMeteorologicalBureau，Ningbo315012

Physical characteristics evolution in cloud merger is critical to the evolution of cloud precipitation，which is also important for short－term forecasting and study of precipitation.So，in this paper，using WMF（Weather Research and Forecasting）model，the authors simulated a merging process in Guiyang on 5May 2005，combined radar observations and MICAPS（Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System）data，and analyzed the processes of precipitation convection merger and the evolution of associated physical characteristics.The cumulus merger processes are of diversification，experience the process from neighbouring isolated cells merging to cell－cloud cluster merging，and neighbouring cloud clusters merging into widespread precipitation system.In the merging processes of several stages，the change of temperature stratification structure curve all shows that unstable energy releases during the merging，and unstable stratification before merging tends to more stable stratification after merging，especially at middle levels，tends to neutral one，which is advantageous for the dominant development scale becoming longer.The physical characteristics alter significantly，which shows that before and after the first merging and complete merging，the maximum precipitation at the convective center all increases strongly.However，the changing of the maximum upward flow velocity is contrary to the changing of the maximum precipitation.The maximum upward flow velocity generally decreases after the merging.While，the average upward flow velocity all decreases before and after the first merging and complete merging.The average precipitation in the whole cloud region mostly tends to increase.

convection，merger，numerical simulation，physical characteristics

1006－9895（2012）03－0471－16

P426.5

A

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.10223

呂玉環(huán)，李艷偉，金蓮姬，等.2012.云并合過程中物理特征演變的模擬研究 ［J］.大氣科學(xué)，36（3）：471－486，

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.10223.LüYuhuan，Li Yanwei，Jin Lianji，et al.2012.Simulation of physical characteristics evolution in cloud merger［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），36（3）：471－486.

2010－12－22，2011－11－26收修定稿

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目40975086、41075029，中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目KZCX2－EW－203，江蘇省青藍(lán)工程云霧降水與氣溶膠研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程

呂玉環(huán)，女，1986年出生，碩士研究生，研究方向：云物理與人工影響天氣。E－mail：lvyuhuan1＠126.com