山東冰雹形成機制及雹云催化技術模擬——個例研究

樊明月，張佃國，龔佃利，封秋娟，華杰，王永政，張洪生，郭建

(1.山東省人工影響天氣辦公室，山東濟南250031;2.山西省人工降雨防雹辦公室，山西太原030032)

0 引言

強對流是對流層內(nèi)十分重要的中小尺度天氣現(xiàn)象。全球四分之三的雨水來自強對流，它對地球上的水分平衡具有十分重要的意義;強對流作為大氣環(huán)流中最為有效的一種能量轉(zhuǎn)換器，是水汽、熱量和動量垂直輸送的重要機制，強對流是大氣中最為復雜、危害最大的天氣之一，其復雜性在于對流云的宏觀動力、熱力過程和各種微物理過程的相互影響、制約。對流性天氣十分激烈，容易成災，這類系統(tǒng)造成的暴雨、冰雹、雷電、陸龍卷、劇烈的地面陣風、降溫、下?lián)舯┝鞯葟娏业奶鞖猬F(xiàn)象，給人類活動造成很大危害。

冰雹是中小尺度強對流的產(chǎn)物之一，作為一種短時強烈災害性天氣，其發(fā)生、發(fā)展和影響過程只有數(shù)小時甚至幾十分鐘。冰雹是世界范圍的氣象災害之一，也是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要氣象災害之一。在我國北方，冰雹災害頻繁，突發(fā)的冰雹襲擊常給農(nóng)作物帶來毀滅性損失。準確了解一塊積云發(fā)展消亡情況，判斷它是否雹云，對防雹減災作業(yè)決策至關重要。大量觀測表明，冰雹具有明顯的區(qū)域特征，冰雹云的結(jié)構(gòu)和運動相當復雜，很多現(xiàn)象都具有三維結(jié)構(gòu)特征。因此，利用三維冰雹云模式模擬冰雹云發(fā)展消亡過程，詳細了解冰雹云的宏、微觀結(jié)構(gòu)特征以及冰雹形成的微物理過程，設計催化方案判斷并確定什么時間、部位開始作業(yè)以及作業(yè)劑量多少等這些防雹作業(yè)中所要確定的基本參數(shù)，對于較早識別冰雹云進而科學指導催化防雹有重要意義。Cotton and Tripoli(1978)、Klemp and Wilhelmson(1978a，1978b)、Clark(1979)、Schlesinger(1980)、Yau(1980)模擬出了與實際觀測結(jié)果一致的對流風暴結(jié)構(gòu)特征，如氣旋—反氣旋渦對、風暴的分裂以及內(nèi)部氣流結(jié)構(gòu)。洪延超(1998，1999)利用發(fā)展的雙參數(shù)三維彈性冰雹云催化數(shù)值模式研究了陜西冰雹形成機制及催化防雹技術。李哲等(2010)對那曲的冰雹天氣進行了研究，深入了解了西藏地區(qū)的冰雹天氣過程，并探討了三維冰雹云模式在西藏地區(qū)的適用性。胡朝霞等(2007a)模擬分析了慕尼黑雹云的成雹機制，并發(fā)現(xiàn)該雹云不存在過冷水“累積帶”。胡朝霞等(2007b)模擬研究了青藏高原東部甘肅省瑪曲的一次冰雹過程，并指出瑪曲冰雹云中冰雹胚胎以霰胚為主。為減少西藏人工防雹作業(yè)盲目性，提升作業(yè)科技含量，劉俊卿(2007)模擬研究了那曲、拉薩兩次冰雹過程，驗證了冰雹云模式對西藏冰雹云的模擬能力，深入分析了西藏冰雹的形成機制，指出兩次過程都無過冷水累計區(qū)。于華英等(2006)模擬湖南中部地區(qū)的颮線強對流過程的流場、雷達回波及含水量等宏微觀物理量的分布及演變，分析了湖南冰雹形成的微物理過程。周毓荃等(2003)則對河南一例冰雹過程實施了播撒碘化銀的數(shù)值試驗。然而由于冰雹形成的復雜性和局地性，這些研究結(jié)果并不能直接應用到山東人工防雹作業(yè)中。因此，山東冰雹形成微物理過程及催化防雹技術研究很有必要。本文利用中國科學院大氣物理研究所開發(fā)發(fā)展的三維冰雹云模式(孔凡鈾等，1990;孔凡鈾，1991;孔凡鈾等，1991;洪延超，1998，1999;肖輝等，2004)對山東2006年7月5日的冰雹過程進行模擬，并探討了催化防雹機制。

1 天氣實況

山東冰雹天氣主要集中在三個區(qū)域，一是魯中山區(qū)北部即濟南、淄博、濰坊、萊蕪一帶，二是魯北德州地區(qū)，三是魯北沿海即東營、濱州一帶。據(jù)統(tǒng)計，山東年平均災雹次數(shù)為0.2～0.3次，在100次降雹中約有22～66次造成顯著災害。而山東冰雹多發(fā)季節(jié)為5—7月，但9—10月還有一個降雹的小高峰;從日分布特點看，24 h內(nèi)均有降雹天氣，但降雹主要集中時段為12:00—20:00。造成山東降雹的主要天氣類型有冷渦、西北氣流、偏西氣流等，其中冷渦型降雹最多，特點是降雹范圍大，山東日降雹達20個(縣)市以上大范圍的降雹過程，有78.6%是由高空冷渦造成的，因此選取冷渦型降雹過程進行模擬研究有一定的代表性。

2006年7月5 日20:00—24:00(北京時)受冷渦系統(tǒng)后部橫槽影響，山東省出現(xiàn)大范圍以冰雹和雷雨大風為主的強對流天氣，德州、濟南、泰安、淄博共14個區(qū)(市)遭受冰雹大風的侵襲，冰雹大如小棗，最大冰雹直徑為10 mm，造成較嚴重的經(jīng)濟損失和社會危害。從20:00的500 hPa高空圖(圖略)看，橫槽為后傾結(jié)構(gòu)，呈東西向分布，位于40°N以北，山東主要受槽前西北氣流控制;同時850 hPa低槽位于500 hPa槽南，山東處于槽前的西南氣流中。從加密站觀測資料看，5日20:00魯西北有一條東西分布的切變線，自魯北向南移動，一直維持到23:00，德州、濟南的冰雹大風出現(xiàn)在切變線南壓的過程中。08:00(圖略)濟南章丘CAPE值為零，而處于上游的河北邢臺在760 hPa以上至230 hPa為大面積正的有效位能，其值為2 218 J·kg－1，由于白天低層暖濕氣流的輸送，20:00章丘站A指數(shù)為－28.9℃，K指數(shù)為28℃，對流有效位能CAPE值明顯增加，為 686.6 J·kg－1。

2 模式介紹

本文所用模式為中國科學院大氣物理研究所建立并發(fā)展的三維強對流云模式，其動力框架和詳細微物理過程參照文獻(孔凡鈾等，1990;孔凡鈾，1991;孔凡鈾等，1991;洪延超，1998，1999;胡朝霞等，2003;肖輝等，2004)，雷恒池等(2002)、肖輝等(2004)都指出此模式對強對流結(jié)構(gòu)和降水有很好的模擬能力。本文模擬域水平范圍取36 km×36 km，垂直高度為16 km，水平、垂直格距分別取1 000 m和500 m。由于所選過程降水時間不長，共模擬60 min。利用濟南章丘20:00的實際探空資料(圖1)作為初始場，采用濕熱泡擾動方式激發(fā)初始對流云，即在模擬域中央附近低層加一位溫擾動場和水汽場，通過垂直運動方程的浮力項觸發(fā)初始對流，最大擾動位溫值取為2.5℃。模式所用邊值條件與孔凡鈾(1991)所用邊值條件一致。采用模擬域隨風暴質(zhì)心移動技術以保證風暴始終處于模擬域內(nèi)。

3 宏觀結(jié)構(gòu)

圖1 2006年7月5日濟南章丘單站探空的溫濕廓線(a)和風廓線(b)Fig.1 (a)Temperature-moisture profile and(b)wind profile in Zhangqiu on 5 July 2006

模擬回波45 dBz高度在15.0 km左右，最大回波強度在70 dBz左右，與20:00實際雷達回波(最大回波強度為69 dBz，45 dBz回波頂高為14.5 km;圖2)基本一致，說明模式對該冰雹過程有較好的模擬能力。

圖3給出了模擬最大上升、下沉氣流速度隨時間的演變情況。對流在10 min以后迅速發(fā)展，最大上升氣流在22 min達到最大值(24.4 m·s－1)，45 min之前維持較大值，說明對流云處于發(fā)展成熟階段，之后迅速減弱，對流逐漸消散。而下沉氣流在28 min達到最大值(14.2 m·s－1)，之后迅速減小。如果以地面水含量超過0.1 g·m－3為標準，則降雨出現(xiàn)在24 min，降雹出現(xiàn)在25 min。

圖4給出了地面剛出現(xiàn)降水時刻第24 min的0.5、3.0、6.0、9.0和11.0 km 高度上的水平流場和雷達回波(等值線和陰影區(qū)，最小5 dBz，間隔10 dBz)。此時雖然出現(xiàn)降水，但并沒有造成地面有組織的水平輻散，水平流場在低層仍為輻合場(圖4a)，以東北風為主，中層以上為西北風，高層為輻散場(圖4e)。

第15 min時，模擬云中冰雹含量極值達到0.1 g·m－3，隨著冰雹云的發(fā)展，冰雹范圍不斷擴大，中心值不斷增大，第21 min時模擬回波及地，第25 min時地面開始降雹，第28 min時冰雹中心值及地，地面降雹強度最大，地面模擬冰雹最大直徑超過9.5 mm，與觀測值(10 mm)接近。第44 min時地面降雹結(jié)束，隨后模擬空間內(nèi)冰雹粒子逐漸減少，直至沒有冰雹粒子。

圖2 雷達組合回波反射率(a)、雷達回波反射率剖面圖(b)以及模擬的雷達回波反射率(c)(單位:dBz)Fig.2 (a)Composite radar echo reflectivity，(b)cross section of radar echo reflectivity，and(c)simulated radar echo reflectivity(units:dBz)

圖3 模擬的最大上升氣流(實線)和最大下沉氣流(虛線)速度隨時間演變Fig.3 Temporal evolutions of simulated maximum updraft(solid line)and maximum downdraft(dashed line)velocities

4 冰雹形成微物理機制分析

4.1 云雨形成過程分析

為便于后文行文簡潔，表1給出了許多符號及其相應的物理意義。

模擬云水首先在5.0 km高度通過水汽凝結(jié)形成，對應的溫度為－2.54℃。云水自動轉(zhuǎn)化形成過冷雨水，第11 min時雨水極值大于0.1 g·m－3，高度為5.5 km。過冷云水、雨水高值區(qū)與主上升氣流區(qū)基本重合(表2)，兩者極大值水平位置及高度基本一致。模擬第15 min時(表3)云水自動轉(zhuǎn)化形成的雨水占總量的6.5%，雨水碰并云水增長量約占雨水總量的93.0%。第16 min后過冷水中心下降到最大上升氣流中心區(qū)下方，但過冷云水含量變化不大，過冷雨水持續(xù)累積。模擬過冷雨水最大含量為 18.6 g·m－3，此含量比 1981年 8月 1日CCOPE風暴的4.4 g·m－3(陳寶君和肖輝，2007)以及陜西旬邑個例的9 g·m－3(胡朝霞等，2003)大得多，與河南個例的18.7 g·m－3(周毓荃等，2003)相差不多。該例冰雹云發(fā)展階段云水、雨水都在過冷區(qū)形成，過冷水中心與主上升氣流區(qū)一致，云水自動轉(zhuǎn)化形成雨水，碰并云水是雨水的主要增長方式，模擬過冷雨水含量較大，過冷雨水有明顯累積區(qū)。

表1 文中符號的物理意義Table 1 Physical meanings of symbols in this paper

圖4 第24 min時各高度層水平風矢量(m/s)和雷達回波(dBz) a.0.5 km;b.3.0 km;c.6.0 km;d.9.0 km;e.11.0 kmFig.4 Horizontal wind vector(m/s)and radar reflectivity(dBz)at 24 min at(a)0.5 km，(b)3.0 km，(c)6.0 km，(d)9.0 km，and(e)11.0 km heights

表2 第11—25 min期間最大上升氣流、過冷云水、過冷雨水、冰晶、雪、霰、凍滴和冰雹最大值及其所處位置Table 2 Magnitudes and locations of maximum updraft velocity，supercooled cloud water content，supercooled rain water content，ice crystal content，snow content，graupel content，frozen drop content and hail content from 11 to 25 min

4.2 冰晶和雪的形成過程

模擬冰雹云中的冰晶首先在第2 min時通過水汽核化形成(圖5a)，但冰晶含量在第20 min時才達到0.1 g·m－3(表2;含量低于0.1 g·m－3以“/”表示)，雹云中冰晶總個數(shù)與水汽核化形成的冰晶個數(shù)在量級上相當(圖5a)，水汽核化是對冰晶濃度貢獻最大的微物理過程;其次是霰粒和凍滴撞凍大云滴帶來的冰晶繁生過程。水汽核化對冰晶濃度的貢獻一般比繁生過程大1～5量級。冰晶形成后，主要靠凝華增長，其次是水汽核化增長(圖5b)。從表4可以看到，第25 min時冰晶時空積分總質(zhì)量為95.9 kt，凝華增長量為82.8 kt，占冰晶總質(zhì)量的86.3%，水汽核化增長量為 8.6 kt，占總量的9.0%。

表3 雨水總量和雨水源項中各物理過程時空積分總量Table 3 Space-time integral amount of total rainfall amount and rainfall source in various physical processes

表4 冰晶源項中各物理過程時空積分總量Table 4 Space-time integral amount of ice crystals source in various physical processes

對本個例來講，模擬域出現(xiàn)雪的時間與冰晶基本一致(圖5a、圖6a)，但雪含量在第23 min時才達到0.1 g·m－3(表2)。雪主要起源于冰晶的自動轉(zhuǎn)化(圖6a)。第31 min前冰晶自動轉(zhuǎn)化對雪數(shù)量的貢獻最大，特別是第15 min前冰晶自動轉(zhuǎn)化形成雪的數(shù)量比冰晶聚并形成雪的數(shù)量大近3個量級;第31 min后雪數(shù)量的增加主要以冰晶聚并過程為主，其次是冰晶自動轉(zhuǎn)化增長。對雪質(zhì)量貢獻來說，第33 min以前冰晶轉(zhuǎn)化對雪質(zhì)量貢獻最大(圖6b)，其次是碰并冰晶增長和水汽凝華增長;第33—39 min雪以碰并冰晶增長為主，其次為冰晶自動轉(zhuǎn)化，然后是水汽凝華增長和碰并過冷云水增長;第39 min以后雪主要以碰并冰晶增長以及凝華增長為主。

4.3 霰和凍滴的形成過程

圖5 冰晶及其源項的數(shù)量(a)和質(zhì)量(b)產(chǎn)生率隨時間的變化Fig.5 Temporal evolutions of(a)number and(b)mass producing rates of ice crystal and its sources

圖6 雪及其源項的數(shù)量(a)和質(zhì)量(b)產(chǎn)生率隨時間的變化Fig.6 Temporal evolutions of(a)number and(b)mass producing rates of snow flake and its sources

圖7 霰及其源項的數(shù)量(a)和質(zhì)量(b)產(chǎn)生率隨時間的變化Fig.7 Temporal evolutions of(a)number and(b)mass producing rates of graupel and its sources

模擬6 min時霰來源于雪的自動轉(zhuǎn)化以及雪與過冷雨水碰撞凍結(jié)形成(圖7a)，尤其是雪的自動轉(zhuǎn)化，貢獻率達71%。霰在模擬13 min時含量達到0.1 g·m－3，第 22 min 最大含量為 10.8 g·m－3。不同時段霰的主要產(chǎn)生機制不一樣，例如:第10—19 min主要由過冷雨水和冰、雪晶碰撞凍結(jié)形成，第20—27 min主要以過冷雨滴異質(zhì)核化為主，第27 min以后則以雪的自動轉(zhuǎn)化過程對霰數(shù)量貢獻最大，但總的來說霰主要來自于冰雪晶與過冷雨水碰撞凍結(jié)以及雪的自動轉(zhuǎn)化過程。這與陜西旬邑霰主要通過冰晶、雪的自動轉(zhuǎn)化生成(洪延超，1999)不同，也與江蘇冰雹過程中霰主要通過冰雪晶與過冷云水碰撞凍結(jié)生成(吳海英等，2002)不同。由此可見，不同地區(qū)霰的生成過程各異。霰形成后主要通過碰并過冷云水、雨水增長(圖7b)，這兩個過程對霰質(zhì)量的貢獻平均在88%以上，但降雹之前霰主要以碰并過冷雨水增長為主，降雹后主要以碰并過冷云水增長為主，其他過程對霰質(zhì)量的貢獻非常小。例如，第25 min時碰并過冷云水增長約占霰總質(zhì)量的30%，碰并過冷雨水增長量約占64%，其他過程對霰總量的貢獻在10%以內(nèi)(表5)。

第8 min時凍滴由冰雪晶與過冷雨水碰撞凍結(jié)以及雨滴核化過程產(chǎn)生(圖8a)。含量在第16 min時才達到0.1 g·m－3，比霰晚3 min，達到最大含量5.9 g·m－3的時間比霰晚5 min(表2)，冰晶與過冷雨水碰撞凍結(jié)過程是凍滴數(shù)量最主要的產(chǎn)生項，其次是雪與過冷雨水碰撞凍結(jié)過程，雨滴核化對凍滴數(shù)量貢獻稍小，但雨滴核化過程對凍滴質(zhì)量的貢獻比另外兩個過程大得多。如第25 min時，雨滴核化產(chǎn)生凍滴的總質(zhì)量達65.5 kt，而冰晶、雪與過冷雨水碰撞凍結(jié)形成凍滴的質(zhì)量分別只有0.7 kt和0.4 kt(表5)。凍滴形成后主要以碰并過冷云水、雨水增長(圖8b)，然后是凝華增長，其他過程對凍滴質(zhì)量的貢獻很小。例如，地面出現(xiàn)強降雹(第25 min)時，碰并過冷雨水對凍滴質(zhì)量貢獻占總量的62%，碰并過冷云水的貢獻比雨水略小，占總量的27%，這兩個過程對凍滴質(zhì)量的貢獻達90%。

4.4 冰雹形成過程

冰雹的形成由兩個過程決定，霰和凍滴增長達到一定尺度后向雹轉(zhuǎn)化。對本個例來說，冰雹最初由霰胚轉(zhuǎn)化而來，凍滴胚轉(zhuǎn)化成冰雹的時間比霰晚5 min。霰在形成1 min后就開始碰并云水、雨水增長，凍滴在形成5 min后才開始碰并增長，霰有更充分的時間形成冰雹。霰自動轉(zhuǎn)化對冰雹數(shù)量的貢獻比凍滴大(圖9a)，79%以上的冰雹以霰為核心增長。地面降雹時刻(第25 min)，冰雹質(zhì)量產(chǎn)生率處于峰值(圖9b)，模擬域冰雹總量為1 227.8 kt(表5)，其中霰的轉(zhuǎn)化量占冰雹總量的44%，凍滴轉(zhuǎn)化量占冰雹總量的11%，說明霰的轉(zhuǎn)化量對雹質(zhì)量的貢獻比凍滴大得多，從圖9b同樣可以得到類似的結(jié)論。由此可見，模擬雹云中霰轉(zhuǎn)化形成冰雹的數(shù)量、質(zhì)量都比凍滴多得多，雹胚以霰為主。冰雹出現(xiàn)后主要靠碰并過冷云水增長，其次為碰并過冷雨水、霰增長，其余過程對冰雹質(zhì)量的貢獻很小。模擬冰雹含量在第15 min時才達到0.1 g·m－3，第23 min時達到最大含量8.3 g·m－3。

表5 霰、凍滴和冰雹源項中各物理過程時空積分總質(zhì)量Table 5 Space-time integral amount of graupel，frozen and hail particles sources in various physical processes

圖8 凍滴及其源項的數(shù)量(a)和質(zhì)量(b)產(chǎn)生率隨時間的變化Fig.8 Temporal evolutions of(a)number and(b)mass producing rates of frozen droplet and its sources

5 催化試驗

據(jù)觀測，催化劑在云中擴散會受氣流影響，為將催化劑有效送入對流云中，通常選擇主上升氣流區(qū)作為催化區(qū)。數(shù)值模擬結(jié)果(洪延超，1999;周玲等，2001;周毓荃等，2003)表明，對具有過冷水累積區(qū)，云中過冷雨水含量高的冰雹云，在主上升氣流區(qū)進行催化，減雹效果明顯。本文以AgI作為催化劑，考慮由于布朗運動和慣性碰撞而發(fā)生在人工冰核與云、雨滴之間的接觸凍結(jié)核化以及水汽在人工冰核上的凝華核化三種AgI粒子成核機制，分別從催化時間、高度、劑量、區(qū)域等方面進行模擬試驗，研究該個例催化防雹效果并分析防雹機理。

5.1 催化結(jié)果

5.1.1 催化時間試驗

人工防雹實踐中，合適的作業(yè)時間對防雹效果來說非常重要。分別在雹云發(fā)展的11(冰雹含量達到 0.1g·m－3前 4 min)、14、17、20 min，利用 450.0 g催化劑在過冷水含量中心區(qū)做區(qū)域瞬時催化試驗，以考察催化開始時間對模擬結(jié)果的影響。由表6可見，催化劑量不變時，防雹效果隨著催化開始時間的推遲而變差，例如第11 min時降雨減少7%，降雹減少26%，而如果在第20 min時催化，降雹量僅減少12%。

5.1.2 連續(xù)催化試驗

圖9 冰雹及其源項的數(shù)量(a)和質(zhì)量(b)產(chǎn)生率隨時間的變化Fig.9 Temporal evolutions of(a)number and(b)mass producing rates of hailstone and its sources

表6 催化開始時間對模擬結(jié)果的影響Table 6 Influence ofthe beginning seeding time on simulated results

對于實際防雹作業(yè)來說，將大量催化劑一次性發(fā)射到催化區(qū)域不現(xiàn)實，作業(yè)現(xiàn)場通常是對雹云某個位置進行連續(xù)射擊，這就需要一定的持續(xù)時間。從模擬時間的第11 min開始，在10 min內(nèi)將450.0 g AgI催化劑輸送到以過冷水含量極大值為中心的9個水平格點上進行試驗，結(jié)果列于表7。與表6中第11 min瞬時催化結(jié)果對比，連續(xù)催化后地面總降水量為6 565.7 kt，比瞬時催化的總降水量6 216.6 kt多349.1 kt，但降雹量卻比瞬時催化少11.3 kt?？梢姡瑢嵺`中短時間內(nèi)間歇性催化對地面總降水量影響較小，但防雹效果卻比瞬時催化好。

表7 瞬時催化與連續(xù)催化的對比Table 7 Comparison between instantaneous seeding and continuous seeding

5.1.3 催化區(qū)域試驗

模擬11 min時起，在上升氣流極大值、過冷水含量極大值、冰雹含量極大值為中心的9個水平格點上連續(xù)催化10 min，催化劑用量450.0 g，催化后地面總降水量、降雨、冰雹以及其他降水粒子總量變化列于表8。可以看出，在上升氣流中心及過冷水中心區(qū)催化，降雹減少量在24%以上，特別是在過冷水中心區(qū)進行催化，減雹比例達29%。這是由于霰、冰雹粒子增長均以碰并過冷水增長為主，在過冷水中心區(qū)播撒AgI能更快速有效地擴散到過冷水區(qū)域，AgI迅速活化，產(chǎn)生大量冰晶、霰、凍滴，消耗大量過冷水，使小粒子增多，大粒子減少，有效抑制了冰雹粒子的增長，防雹效果明顯。

表8 催化區(qū)域?qū)Φ孛娼邓挠绊慣able 8 Influence of the seeding area on ground precipitation

5.1.4 催化高度試驗

在實際防雹作業(yè)中，催化區(qū)域在雹云內(nèi)通常呈扇面狀。使用以過冷水含量極大值為中心的水平9點催化區(qū)域等效這一區(qū)域，選擇模擬11 min時對應的過冷水極大值高度(5.5 km)為參照，將該催化區(qū)分別抬升、下降到過冷水含量極大值對應高度的上方、下方0.5、1.0及1.5 km等處進行高度催化試驗，AgI劑量為450.0 g。模擬結(jié)果列于表9?？梢钥闯觯谶^冷水含量中心下方作業(yè)，防雹效果隨高度降低而減弱;在過冷水含量中心上方7.0 km高度催化作業(yè)防雹效果最好，地面總降雹量最小。作業(yè)高度進一步增加時，地面降雹量又會有所增加?？偟膩碚f，在過冷水含量中心上方催化防雹效果較好，在其下方催化效果較差。

表9 催化高度對模擬效果的影響Table 9 Influence of the seeding height on simulated results

5.1.5 催化劑量試驗

于第11 min在雹云過冷水含量中心周圍作區(qū)域連續(xù)催化，將 AgI劑量由56.0 g分別增加到112.0、225.0、450.0、900.0、1 800.0 和3 600.0 g，模擬結(jié)束時地面降水情況列于表10。可以看出，隨著AgI劑量加大，地面的降雹量逐漸減小，防雹效果漸好，但當AgI劑量增大到一定程度后，地面減雹效果的變化不再明顯。因此，為了在有效防雹減災的同時又能夠節(jié)約費用，選取合適的催化劑量非常重要。

表10 催化劑量對模擬結(jié)果的影響Table 10 Influence of AgI content on simulated results

5.2 催化減雹機制分析

以在6.5 km(模擬11 min時對應的過冷水含量極大值高度之上1.0 km)高度進行的催化試驗為例分析AgI對雹云微物理過程的影響。AgI在11 min初期被撒入云中，總量是450.0 g，在氣流作用下迅速擴散并活化。圖10給出了催化后冰晶的空間積分數(shù)量產(chǎn)生率、質(zhì)量產(chǎn)生率及主要源項微物理過程隨時間的變化(催化例減去自然例，下同)。催化后冰晶的數(shù)量和質(zhì)量都有所增加。在第20 min前，冰晶數(shù)量的增加主要取決于AgI作用所產(chǎn)生的人工冰晶數(shù)量，第20 min后催化結(jié)束，人工冰晶數(shù)量減少，冰晶數(shù)量的增加主要由自然冰核活化所產(chǎn)生的冰晶數(shù)決定。冰晶數(shù)量的增加也使得其凝華增長量增加(圖10b)，這也是引起冰晶質(zhì)量增加的最主要過程。其他過程對冰晶質(zhì)量的增加貢獻較小。此外，冰晶碰并云滴的增長量在催化后有所減少，特別是第20 min前，這與大量的冰晶凝華增長消耗了較多的過冷云水有關。催化后冰晶總質(zhì)量增加了2 156 kt(60 min的總積分量)，增加率為42%，冰晶總數(shù)量增加了1.81×1021個，增加率為52%，數(shù)量增加相對更大，平均效果是冰晶的質(zhì)量和直徑在催化后都有所減小，因此冰晶向雪的自動轉(zhuǎn)化過程受到抑制，導致催化后這一過程形成雪的數(shù)量減少。

雪的數(shù)量和質(zhì)量在催化后都有所增加，并且雪質(zhì)量在第23 min出現(xiàn)峰值，這個峰值與冰晶對應，反映了雪對冰晶的快速碰并增長(圖11b)，冰晶增多使得冰晶聚合形成雪的數(shù)量增加(圖11a)，這正是雪數(shù)量增加的主要過程。相比之下，冰晶自動轉(zhuǎn)化過程對雪的數(shù)量增加貢獻較小。凝華增長對雪質(zhì)量的貢獻在催化后也得到增強，冰晶自動轉(zhuǎn)化及雪碰并云水增長對雪質(zhì)量增加的貢獻較小。

過冷雨滴和人工冰核接觸后會凍結(jié)形成霰或凍滴，但由于絕大部分AgI在云中是以凝華核形式起作用，并且受過冷水含量限制，由AgI直接作用形成的霰或者凍滴數(shù)量很少(圖12a、13a)，對霰或者凍滴數(shù)量增加的貢獻很小，同樣這兩個過程對霰或者凍滴質(zhì)量變化的貢獻也很小。霰和凍滴的數(shù)量在催化后都有明顯的增加，其中過冷雨滴與冰晶、雪的撞凍是霰數(shù)量增多的主要機制，這也是凍滴數(shù)量增加的主要機制。霰質(zhì)量在催化前期明顯減少(圖12b)，造成這種結(jié)果的主要原因是催化后霰對過冷雨水、過冷云水的碰并增長的變化，而第27—43 min霰質(zhì)量有所增加，主要是由于催化后霰對雪碰并增長的增加。凍滴對過冷雨水碰并的增加是20 min左右凍滴質(zhì)量增加的主要機制，而第26—29 min凍滴質(zhì)量減少主要是由于凍滴碰并過冷云水的減少造成的。由于催化使得霰、凍滴的總數(shù)量分別增加了2.8倍和1.2倍，總質(zhì)量僅分別增加5%和38%，霰、凍滴的平均質(zhì)量和尺度因而都變小，自動轉(zhuǎn)化形成的冰雹量也明顯減少，導致冰雹的數(shù)量產(chǎn)生率為負(圖14a)，總數(shù)減少，冰雹質(zhì)量也因催化而減少，冰雹質(zhì)量減少的主要機制是霰的轉(zhuǎn)化量減少以及冰雹碰并過冷云水的增長量顯著減少(圖14b)。

圖10 催化后冰晶及其源項的數(shù)量(a)和質(zhì)量(b)產(chǎn)生率的增長量隨時間變化Fig.10 Temporal evolutions of increments of(a)number and(b)mass producing rates of ice crystal and its sources after seeding

圖11 催化后雪及其源項的數(shù)量(a)和質(zhì)量(b)產(chǎn)生率的增長量隨時間變化Fig.11 Temporal evolutions of increments of(a)number and(b)mass producing rates of snow and its sources after seeding

圖12 催化后霰及其源項的數(shù)量(a)和質(zhì)量(b)產(chǎn)生率的增長量隨時間變化Fig.12 Temporal evolutions of increments of(a)number and(b)mass producing rates of graupel and its sources after seeding

圖13 催化后凍滴及其源項的數(shù)量(a)和質(zhì)量(b)產(chǎn)生率的增長量隨時間變化Fig.13 Temporal evolutions of increments of(a)number and(b)mass producing rates of frozen drops and its sources after seeding

圖14 催化后冰雹及其源項的數(shù)量(a)和質(zhì)量(b)產(chǎn)生率的增長量隨時間變化Fig.14 Temporal evolutions of increments of(a)number and(b)mass producing rates of hailstone and its sources after seeding

總的來說，AgI播撒入云后主要以凝華核的作用產(chǎn)生人工冰晶，冰晶通過凝華增長消耗掉大量的過冷云水，使過冷云水含量降低。雹胚特別是霰數(shù)量在催化后的增多，對過冷云水的競爭增強，使平均尺度、質(zhì)量減小，導致向冰雹的轉(zhuǎn)化量減小。而冰雹形成后，由于過冷云水的減少使得碰并增長進一步受到限制，可見，如果雹胚、冰雹以碰并過冷云水增長為主，播撒 AgI能夠通過“競爭”達到減雹的目的。

6 結(jié)論

1)模擬自然云的宏觀結(jié)構(gòu)與實測云雷達回波及觀測資料相當，模式對該過程具有可靠的模擬能力，能夠利用冰雹云模式探討山東境內(nèi)2006年7月5日冰雹過程以及這類雹云的成雹機制。

2)該冰雹過程的雹胚主要是霰，79%左右的冰雹以霰為核心增長，霰最初來源于雪的自動轉(zhuǎn)化以及雪與過冷雨水碰撞凍結(jié)過程，冰雪晶與過冷雨水碰撞凍結(jié)以及雪的自動轉(zhuǎn)換過程是霰數(shù)量增加的主要過程。霰形成后，主要通過碰并過冷云水、雨水增長;冰雹主要來源于霰的自動轉(zhuǎn)化，主要質(zhì)量來源是霰的自動轉(zhuǎn)化以及碰并過冷云水過程。

3)根據(jù)設計方案，分別從催化時間、方式、區(qū)域、高度和劑量等方面模擬探討了催化防雹效果。催化結(jié)果表明:催化效果的好壞對作業(yè)時機的選取十分敏感，在強對流云中冰雹含量達到0.1 g·m－3前1～4 min進行催化，能有效抑制冰雹粒子的增長，因此實踐中若能在雹云發(fā)展的早期進行作業(yè)，防雹效果會好得多;連續(xù)催化的防雹效果比瞬時催化好;在過冷水含量中心區(qū)進行催化的防雹效果比在其他區(qū)域好，在過冷水含量中心高度(5.5 km)上方1.0～1.5 km催化防雹效果較好，在其下方催化防雹效果較差;一般情況下劑量越大，防雹效果越好，但當催化劑量達到一定量后，再增加催化劑，防雹效果變化也不會太大。

4)催化導致人工冰晶數(shù)量增加，過冷云水減少。霰和凍滴的數(shù)量在催化后增多，對過冷云水、雨水的競爭增強，使其向冰雹的轉(zhuǎn)化量減少。冰雹在形成后，因過冷云水減少導致碰并增長受到抑制，使冰雹總質(zhì)量減少。

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