基于飛機(jī)真實軌跡的一次層狀云催化的增雨效果及其作用機(jī)制的模擬研究*

劉衛(wèi)國 陶 玥 周毓荃 黨 娟 譚 超 高 揚(yáng)

1.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京，100081

2.中國氣象局云霧物理環(huán)境重點開放實驗室，北京，100081

1 引 言

隨著氣候變化的加劇，水資源短缺已經(jīng)成為許多國家面臨的緊迫問題?？罩性扑Y源作為地球上淡水資源的重要組成部分，科學(xué)有效地開發(fā)和調(diào)控這一資源，是可能解決區(qū)域水資源短缺問題的重要方法（李澤椿等，2006）。目前，人工增雨作為開發(fā)利用空中云水資源的一種可行的技術(shù)手段，已被許多國家用于解決水資源緊張或其他社會需求問題，相關(guān)的人工增雨計劃和活動日益增多（WMO，2018）。層狀云是人工增雨作業(yè)的重要對象，通常它們的降水效率不高，因此常具有較高的云水資源開發(fā)潛力（蔡淼，2013）。中國作為水資源短缺的國家，對層狀云人工增雨開展了許多研究和實踐（游來光等，2002；洪延超等，2012），但大多偏重于北方層狀云系，而對南方層狀云系人工增雨的研究相對偏少。近年來隨著中國南方的生態(tài)改善、水庫增蓄、抗旱等社會需求的增加，加強(qiáng)對南方地區(qū)層狀降水云系的人工增雨理論和技術(shù)研究顯得愈發(fā)必要。

對于層狀云人工增雨，目前主要采用冷云催化作業(yè)的方式，而碘化銀類催化劑是使用最為廣泛的冷云催化劑，其核化特性及在催化過程中的作用是人工影響天氣的重要研究內(nèi)容。碘化銀是優(yōu)良的異質(zhì)核化冰核，通常認(rèn)為碘化銀粒子是通過凝華、凝結(jié)凍結(jié)、接觸凍結(jié)和浸沒凍結(jié)4種核化機(jī)制形成冰晶（Marcolli，et al，2016），在實際應(yīng)用中，一般將碘化銀與其他化學(xué)組分相結(jié)合以增強(qiáng)其核化性能。DeMott（1995）通過云室試驗研究了碘化銀粒子（含不同化學(xué)組分）的4種核化機(jī)制，并將試驗結(jié)果應(yīng)用于云模式來對比各核化機(jī)制的作用，研究指出接觸凍結(jié)核化是潛在的最為高效的核化機(jī)制，但受限于碘化銀冰核與過冷滴的碰并率低，其實際作用并沒有凝華、凝結(jié)凍結(jié)兩種核化機(jī)制有效，浸沒凍結(jié)核化的作用則始終要低于接觸凍結(jié)核化。Meyers等（1995）將 DeMott（1995）的試驗結(jié)果應(yīng)用到氣泡模式中，對碘化銀4種核化機(jī)制的作用進(jìn)行了比較，結(jié)論與DeMott（1995）的一致。劉詩軍等（2005）根據(jù) DeMott（1995）的試驗結(jié)果，使用混合相層狀云模式和三維對流云模式對碘化銀粒子的核化過程進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果顯示在層狀云中碘化銀主要以接觸凍結(jié)和浸沒凍結(jié)方式核化，而在對流云中則主要以凝結(jié)凍結(jié)方式核化。Xue等（2013a）綜合了 DeMott（1995）的試驗結(jié)果和Meyers等（1995）的處理方法，在WRF模式中實現(xiàn)了碘化銀催化的模擬，并在二維地形云模擬中研究了飛機(jī)播撒和地基播撒碘化銀的核化過程。結(jié)果表明，在穩(wěn)定的層狀地形云中，飛機(jī)播撒的碘化銀主要以凝華核化方式形成冰晶，地基播撒碘化銀的主要核化方式是浸沒凍結(jié)，其次為凝華和凝結(jié)凍結(jié)，接觸凍結(jié)核化在兩種播撒方式中均是最弱的。樓小鳳等（2014）在對流云催化中采用了與劉詩軍等（2005）相同的碘化銀核化模塊，模擬結(jié)果表明凝結(jié)凍結(jié)和浸沒凍結(jié)是碘化銀的主要核化方式?？梢姡幢悴捎猛瑯拥脑囼灲Y(jié)果，在不同背景條件的數(shù)值模擬中，碘化銀的核化方式也是有差異的，這也說明碘化銀冰核所處云區(qū)的環(huán)境（如上升速度、溫度、濕度等條件）對其核化是有影響的，因此碘化銀催化劑在不同特征云系中的核化方式需要更多的深入研究，這對于開展科學(xué)的催化作業(yè)是很必要的。

在云中引入催化劑形成人工冰晶，然后通過水-冰轉(zhuǎn)化的貝吉龍過程使云中過冷水轉(zhuǎn)化為降水，這一機(jī)制是人工增雨技術(shù)的經(jīng)典理論基礎(chǔ)。胡志晉等（1983）基于一維層狀云模式的研究結(jié)果指出，人工增雨的水分來源不完全出自水-冰的轉(zhuǎn)化，而且可來自汽-冰轉(zhuǎn)化，這為在低過冷水含量的層狀云中進(jìn)行人工增雨提供了理論依據(jù)。在多個數(shù)值模擬研究基礎(chǔ)上，胡志晉（2001）進(jìn)一步提出了新的層狀云人工增雨機(jī)制，指出人工冰晶可通過上述水-冰和汽-冰轉(zhuǎn)化過程形成降水，催化后水汽的補(bǔ)充凝華及過冷水凍結(jié)所釋放的潛熱會使局部云區(qū)升溫、氣流升速增大，從而促進(jìn)催化云降水的發(fā)展。在人工增雨理論的研究中，數(shù)值模式一直發(fā)揮著重要作用，早期的人工增雨模擬大多基于云模式開展，近年來隨著中尺度模式的不斷發(fā)展，云催化的模擬研究開始向更接近真實催化狀況的方向發(fā)展，因此，動力框架和物理過程（如陸面過程、輻射過程等）更為完整的三維中尺度模式越來越多地被應(yīng)用于云催化模擬研究，有希望進(jìn)一步推進(jìn)人工增雨的理論發(fā)展。

對于層狀云催化的數(shù)值模擬研究，Meyers等（1995）在三維中尺度模式中模擬了碘化銀的催化過程，其模擬的一次冬季地形云的催化增雪結(jié)果與實況基本一致；趙震等（2012）采用耦合了Hsie等（1980）碘化銀核化方案的MM5三維中尺度模式，模擬了中國西北地區(qū)一次層狀云降水的催化過程，其催化后 3 h的增雨效果為 10%—30%；Xue等（2013b）基于WRF模式建立了模擬碘化銀催化的三維中尺度催化模式，對4個冬季地形云增雪個例進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，模擬結(jié)果顯示在作業(yè)目標(biāo)區(qū)的平均增雪效果最高可達(dá)5%，研究也指出飛機(jī)播撒效果通常要比地基播撒更高效；何暉等（2013）在WRF模式中的Morrison微物理方案中耦合了碘化銀的核化過程，并開展了層狀云增雨的三維數(shù)值模擬，研究了不同催化劑量、催化部位和催化時間對降水的影響；劉衛(wèi)國等（2016）以耦合了CAMS（Chinese Academy of Meteorological Sciences）微物理方案的WRF模式為基礎(chǔ)，在CAMS方案中增加了碘化銀和致冷劑催化模塊，使用該模式對山西省兩次層狀云飛機(jī)增雨作業(yè)過程進(jìn)行了模擬，評估了作業(yè)效果，并對比了碘化銀催化和致冷劑催化的異同；Xue等（2016）利用耦合了碘化銀催化過程的WRF-LES（Large Eddy Simulation）模式，采用高達(dá)100 m的水平分辨率，更為精細(xì)地研究了地形云催化中地基播撒的碘化銀擴(kuò)散特征以及對動力場、微物理和降水的影響?？傊?，三維中尺度模式不但具備詳細(xì)模擬云中微物理過程的能力，而且在模擬過程中能夠兼顧從天氣系統(tǒng)到中小尺度系統(tǒng)的影響，可以更好地實現(xiàn)對層狀云系這種大范圍降水云系及其催化過程的模擬。

湖北省地處長江中游，大部分區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，位于該省西北部的丹江口水庫是“南水北調(diào)”的重要水源地，在水庫及其上游流域開展人工增雨已經(jīng)成為解決水庫增蓄需要的重要手段，有必要針對這一地區(qū)的層狀云人工增雨開展深入研究。本研究采用基于WRF發(fā)展的三維中尺度冷云催化模式，對2018年10月21日湖北省一次層狀云飛機(jī)人工增雨作業(yè)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，在模擬結(jié)果合理反映云和降水宏、微觀特征的基礎(chǔ)上，按照飛機(jī)作業(yè)的真實軌跡和播撒方式開展了催化模擬，研究了碘化銀粒子的核化特征，對此次作業(yè)的增雨效果進(jìn)行數(shù)值評估，分析了碘化銀催化的作用機(jī)制。

2 個例概述

2018年10月21 日，在湖北省西北部開展了一次飛機(jī)探測及人工增雨作業(yè)試驗。試驗中使用的作業(yè)飛機(jī)除搭載了碘化銀播撒裝備外，還安裝了美國 DMT（Droplet Measurement Technology）機(jī)載云微物理探測系統(tǒng)（李宏宇等，2020；蔡兆鑫等，2019），主要包括云物理探頭和機(jī)載綜合氣象要素測量系統(tǒng) AIMMS-20 （Aircraft-Integrated Meteorological Measurement System），前者可觀測云和降水粒子的尺度、圖像信息（表1），后者可測量大氣溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速以及記錄飛機(jī)軌跡等數(shù)據(jù)。

表1 機(jī)載云微物理采樣探頭測量范圍Table 1 Measurement ranges of airborne cloud microphysics probe

10月21日，受高空槽系統(tǒng)影響，湖北省西北部有降水性層狀云系發(fā)展，丹江口水庫及其上游流域自西向東出現(xiàn)小雨量級的降水，降水持續(xù)到17時（北京時，下同）前后結(jié)束。圖1是由FY-2E氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)反演的云頂溫度，可以看到，湖北西北部云系云頂溫度為?5—?20℃，其中飛機(jī)作業(yè)區(qū)的云頂溫度為?10—?15℃。飛行觀測記錄顯示，播撒作業(yè)期間機(jī)身有明顯積冰，這說明云內(nèi)過冷水含量較高，而作業(yè)云區(qū)的云頂溫度恰好又處于?10—?24℃ 的冷云催化播云溫度窗（Grant，et al，1974），上述特征表明，飛機(jī)作業(yè)的目標(biāo)云區(qū)是冷云催化的適宜區(qū)域，在這一區(qū)域內(nèi)開展催化作業(yè)有望取得較好的增雨效果。

圖1 FY-2E 衛(wèi)星觀測資料反演的 2018 年 10 月 21 日13時30分的云頂溫度 （單位：℃）（DJK指示丹江口水庫位置，紅色線條為飛機(jī)催化作業(yè)時段的飛行軌跡）Fig.1 Cloud top temperature （unit：℃） retrieved from FY-2E satellite at 13:30 BT 21 October 2018 （DJK denotes the location of the Danjiangkou reservoir; red line indicates the flight trajectory of the seeding operation）

飛機(jī)作業(yè)區(qū)域位于湖北省西北部（圖1），作業(yè)目的是在丹江口水庫及其西部的上游流域內(nèi)實現(xiàn)增雨。飛機(jī)起飛后，于12時51分進(jìn)入海拔高度4500 m的目標(biāo)云區(qū)開始連續(xù)播撒作業(yè)，作業(yè)期間由于飛機(jī)出現(xiàn)較強(qiáng)程度積冰，13時34分后上升至海拔4800 m高度，13時44分后由于積冰嚴(yán)重又下降至3000 m，13時52分播撒作業(yè)停止，整個過程總計作業(yè)時間3668 s，播撒的催化劑中碘化銀含量共計 1375 g，平均播撒率為 0.375 g/s。在催化播撒段，飛機(jī)采用“8”字型作業(yè)軌跡，總計進(jìn)行了兩次“8”字形飛行，具體飛行軌跡水平投影見圖1（注：兩次軌跡的位置幾乎是重合的）。

3 模式及數(shù)值試驗介紹

本研究采用劉衛(wèi)國等（2016）基于WRF框架發(fā)展的三維中尺度冷云催化模式，該模式在WRF框架中耦合了 CAMS（陳德輝等，2004；Gao，et al，2011）混合相雙參數(shù)微物理方案，同時在CAMS方案中增加了一個冷云催化模塊，可以直接模擬碘化銀類催化劑形成冰晶的多種核化過程。CAMS方案包括水汽混合比（Qv）、云水混合比（Qc），雨滴、冰晶、雪、霰的混合比（Qr、Qi、Qs、Qg）和數(shù)濃度（Nr、Ni、Ns、Ng）以及控制云雨自動轉(zhuǎn)化過程的云滴譜拓寬度，共計11個微物理預(yù)報量，考慮了冰晶的核化和繁生、不同水凝物之間自動轉(zhuǎn)化、凍結(jié)融化、碰并、凝結(jié)蒸發(fā)、凝華升華等總計31種微物理過程，CAMS方案曾耦合到多個模式中用于云和降水的數(shù)值模擬研究（樓小鳳，2002；孫晶等，2008；Gao，et al，2011）。

冷云催化模塊中，碘化銀的核化是基于DeMott（1995）的試驗結(jié)果，主要考慮了凝華核化（DEP）、凝結(jié)凍結(jié)核化（CDF）、接觸凍結(jié)核化（CTF）和浸沒凍結(jié)核化（IMF）4種成冰核化過程以及作為云凝結(jié)核的凝結(jié)核化過程（本研究中關(guān)閉了這一過程），該試驗結(jié)果曾被耦合到云模式（劉詩軍等，2005；樓小鳳等，2014）和中尺度模式的不同微物理方案中（Meyers，et al，1995； Xue， et al， 2013a，2013b，2016；劉衛(wèi)國等，2016）用于開展催化模擬研究。在真實的催化作業(yè)過程中，飛機(jī)的作業(yè)軌跡往往比較復(fù)雜（孫玉穩(wěn)等，2017；蔡兆鑫等，2013），而以往的數(shù)值研究常常采用簡化的方式來模擬催化播撒，一般假定在某一固定區(qū)域內(nèi)瞬時或持續(xù)一段時間引入催化劑（Meyers，et al，1995；孫晶等，2008；何暉等，2013；劉衛(wèi)國等，2016），引入的催化劑瞬時均勻分布到整個區(qū)域，這種處理方式并未考慮播撒過程中的時間和位置變化對催化播撒的影響，不能反映真實的飛機(jī)催化作業(yè)過程，在檢驗評估催化作業(yè)效果時存在更多的不確定性。為更真實地在三維模式中模擬實際作業(yè)情況，劉衛(wèi)國等（2021）在催化模式中增加了飛機(jī)軌跡仿真模塊，并與碘化銀核化方案相結(jié)合，實現(xiàn)了對飛機(jī)催化作業(yè)方式的合理模擬。本研究將基于上述基礎(chǔ)，采用作業(yè)中的真實飛行軌跡，通過數(shù)值模擬評估催化作業(yè)的增雨效果，研究催化的作用機(jī)制。

模擬試驗采用3層雙向嵌套運(yùn)行（圖2），D1、D2和D3區(qū)域的水平分辨率依次為9、3和1 km，垂直方向采用地形追隨坐標(biāo)，分為65層，垂直分辨率從約 50 m（地面附近）到約 360 m（高空），模式層頂取為50 hPa。D1區(qū)域采用CAMS微物理方案和NSAS積云參數(shù)化方案，D2和D3區(qū)域只使用CAMS方案，其中D3區(qū)域的時間步長為5 s。使用每6 h一次的歐洲中心0.25°ERA-interim再分析資料為模式提供初始場和側(cè)邊界條件。模擬時段為10月21日02—18時，共執(zhí)行了兩次模擬，一個是未施加催化的自然云（NC）模擬，另一個是催化云（SC）模擬，催化作業(yè)在D3區(qū)域進(jìn)行，兩次模擬除了是否催化的區(qū)別外，其他設(shè)置均相同。催化模擬中，碘化銀播撒方式完全采用真實作業(yè)中的飛機(jī)作業(yè)軌跡（圖1）、作業(yè)時段以及平均播撒速率（0.375 g/s）等參數(shù)進(jìn)行模擬，盡可能接近真實催化作業(yè)過程。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 模擬結(jié)果檢驗

催化模擬前，需通過與實況觀測數(shù)據(jù)的對比來檢驗?zāi)Ｊ綄υ坪徒邓l(fā)展的模擬情況。圖3為FY-4A氣象衛(wèi)星可見光云圖與模擬的D1區(qū)域云帶對比。模擬云帶以垂直積分總水量表示，總水量大的區(qū)域表明云區(qū)較厚或云中大水凝物粒子較多，即云的發(fā)展?fàn)顩r較好。從圖中對比可以看出，模擬的云帶宏觀形態(tài)及分布區(qū)域與實況基本一致。湖北區(qū)域降水云系表現(xiàn)出了明顯的層狀云特征，實況云圖中湖北中部及西部地區(qū)（含試驗區(qū)：32.2—33.2°N，110.5—113°E）的云層均勻細(xì)密，云頂平整，為發(fā)展較為穩(wěn)定的層狀云系，而湖北東部及長江以南地區(qū)云頂起伏較大，云系發(fā)展較強(qiáng)；模擬云帶所反映的云系發(fā)展?fàn)顩r也表現(xiàn)出了與實況類似的特征。

圖3 2018 年 10 月 21 日 14 時 FY-4A 氣象衛(wèi)星的可見光云圖 （a） 和模式模擬的云帶 （b，單位：mm）（圖中紅色方框為試驗區(qū)位置）Fig.3 （a） Visual-light cloud image of FY-4A satellite and （b） simulated cloud band （unit：mm） at 14:00 BT 21 October 2018 （The red box represents the scope of the experiment area）

飛機(jī)在12時39分—13時08分完成了第一次“8”字形作業(yè)飛行，高度 4490—4600 m，雖然在12時51分即開始進(jìn)行播撒作業(yè)，不過從飛行軌跡看，播撒的催化劑在這段時間內(nèi)對飛機(jī)探測的影響較小，因此機(jī)載DMT系統(tǒng)的觀測結(jié)果可認(rèn)為是對自然云的觀測。AIMMS-20測量的作業(yè)區(qū)平均溫度為?6.3℃（?7.1—?4.2℃），模擬結(jié)果為?6.1℃（?7.2—?5.3℃），二者非常接近。圖4為上述時段內(nèi)云微物理探測與模擬結(jié)果按經(jīng)度方向的空間分布對比，其中模式結(jié)果取自飛機(jī)軌跡上所有格點的數(shù)據(jù)，并將12時40分—13時10分每5 min一次輸出的模式數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均，用以代表飛機(jī)軌跡上的云層平均狀況。飛行記錄表明，在12時40分（作業(yè)區(qū)東部）和12時50分（作業(yè)區(qū)西部），均觀察到飛機(jī)有積冰現(xiàn)象，這是云中有過冷水存在的直接證據(jù)。圖4a中LWC-200的探測結(jié)果也表明云中過冷水含量較高，而模擬的液水含量（包括云滴和雨滴）總體上比觀測值要低，其中作業(yè)區(qū)西部的模擬結(jié)果要好一些，作業(yè)區(qū)東部的模擬結(jié)果較差，其原因一方面可能與所在云區(qū)發(fā)展不均勻有關(guān)，另一方面LWC-200的探測機(jī)制也可能造成其測值偏高（李大山，2002；王柏忠等，2004），如冰相粒子打在LWC-200測量元件上造成的降溫效應(yīng)會造成含水量高估。圖4b中模擬的冰晶粒子濃度較CIP觀測的數(shù)值偏低，但在變化趨勢上有一定的相似性，由于CIP觀測的數(shù)據(jù)中不僅包括冰晶粒子，還包括大云滴等液相粒子，這可能是造成模擬的冰晶濃度低于觀測值的原因。PIP探頭主要觀測云內(nèi)外液相和冰相的降水粒子，從圖4c中可看到，模擬結(jié)果與觀測結(jié)果有較好的對應(yīng)關(guān)系，粒子濃度的數(shù)量值和變化趨勢均有較高的相似性。當(dāng)然，由于模式對云中粒子的劃分范圍、種類與觀測探頭的測量范圍、觀測的粒子相態(tài)等并不完全一致，而且觀測探頭在過冷區(qū)不能完全區(qū)分出液相和冰相粒子，因此上述對比更多的是一種定性的趨勢對比。從對比結(jié)果看，模擬結(jié)果總體上能表現(xiàn)出作業(yè)區(qū)云微物理的空間變化特征，其中對作業(yè)區(qū)西部的模擬結(jié)果要更好一些。

圖5為催化作業(yè)前D3區(qū)域模擬的地面累計降水與實況降水對比。實況降水的主雨帶位于109.5—112.0°E，與催化作業(yè)相關(guān)的丹江口水庫周邊區(qū)域（32.0—33.5°N，109.5—112.0°E）是降水較為集中的地區(qū)，其主要的降水區(qū)位于水庫西部，模擬降水的區(qū)域分布和實況具有相似的特征。從降水量上看，模式域北部邊界的降水模擬偏大，但試驗區(qū)的降水與實況接近，其中水庫周邊大部分站點的實況降水為0.1—1 mm，水庫西部的部分站點為1—2 mm，模擬的水庫周邊降水量也主要在0.1—2 mm，總體上，模擬降水稍強(qiáng)于實況。

上述對比表明，模式合理地模擬出了大范圍層狀云系的宏觀形態(tài)，試驗區(qū)的云微物理結(jié)構(gòu)、地面降水等主要特征在模擬結(jié)果中也有相似的體現(xiàn)，基于上述基礎(chǔ)，開展了催化模擬試驗。

4.2 碘化銀的核化特征

圖5 2018 年 10 月 21 日 08—13 時累計降水 （單位：mm）模擬結(jié)果與實況對比 （色階：模擬；填色圓圈：實況；藍(lán)色線條為丹江口水庫及其上游流域河流）Fig.5 Comparison between rainfall simulated by the model and observed rainfall （unit：mm） from 08:00 BT to 13:00 BT 21 October 2018 （Colored circles represent stations and the amount of rainfall，and the shaded areas represent simulated rainfall； The color scale is the same for model results and observations； The blue lines indicate the Danjiangkou Reservoir and its upstream rivers）

人工增雨作業(yè)中，播撒的碘化銀催化劑首先需要通過核化過程形成冰晶，這是催化起效的關(guān)鍵階段。圖6為播撒作業(yè)進(jìn)行到59分鐘時（13時50分），碘化銀及其4種核化過程所形成的新生冰晶（指當(dāng)前時刻碘化銀新核化出的冰晶，不包括該時刻前碘化銀所形成的冰晶）數(shù)濃度的水平和垂直分布。模式中，因為催化劑的播撒是按照真實的作業(yè)過程進(jìn)行的，圖6a1中可清楚看到兩次“8”字形播撒軌跡產(chǎn)生的碘化銀煙羽，由于播撒時間有先后，圖中碘化銀煙羽不同部位的擴(kuò)散狀況以及向下游輸送的距離有明顯差別。圖6中顯示凝華核化具有最廣泛的作用區(qū)域，而其他3種核化方式主要存在于過冷云水區(qū)。以總水量大于0.001 g/kg代表云區(qū)范圍（下同），由圖6垂直剖面可知，碘化銀核化區(qū)域主要位于?4℃ 層（約 4.2 km 高）到?13℃ 層（約 6 km 高），處于云區(qū)的上部到云頂附近，各核化過程的作用峰值均在4.5—5.5 km高度，這一區(qū)間恰好也存在著較高的過冷云水含量。

圖6 2018 年 10 月 21 日 13 時 50 分碘化銀粒子及其新生冰晶數(shù)濃度 （單位：L?1） 的水平和垂直分布 （a1—a5.海拔 4800 m高度層，b1—b5.沿 32.65°N 的垂直剖面；色階分別為碘化銀粒子 （a1、b1） 以及由凝華核化 （a2、b2）、凝結(jié)凍結(jié)核化 （a3、b3）、接觸凍結(jié)核化 （a4、b4） 和浸沒凍結(jié)核化 （a5、b5） 所產(chǎn)生的新生冰晶；藍(lán)色等值線為云水 （單位：g/kg），風(fēng)向桿為水平風(fēng)場 （單位：m/s）；水平分布圖中紅色等值線為溫度 （單位：℃），垂直剖面圖中紅色等值線為0.001 g/kg總水量 （不含雨水）；剖面圖中灰色陰影區(qū)分別為 （b2） 冰面過飽合度大于 0.04 區(qū)、（b3） 水面過飽合度大于 0 區(qū)、（b4） 冰面過飽合度大于 0.055 區(qū)和 （b5） 上升氣流區(qū)）Fig.6 Horizontal and vertical distributions of the number concentration （unit：L?1） of AgI particles and newly nucleated ice crystals at 13:50 BT 21 October 2018 （a1—a5.4800 m MSL，b1—b5.west-east cross sections along 32.65°N； The color shadings represent AgI particles （a1，b1） and ice crystals produced through （a2，b2） deposition nucleation，（a3，b3） condensation-freezing nucleation，（a4，b4） contact-freezing nucleation，（a5，b5） immersion-freezing nucleation；blue contours indicate cloud water mixing ratio （unit：g/kg），and wind barbs show horizontal winds （unit：m/s）；Red contours are （a1—a5） temperatures （unit：℃） and （b1—b5） total water content（excluding rain） with mixing ratio of 0.001g/kg； In cross sections，the areas shaded in gray indicate （b2） ice supersaturated zone （ri＞0.04），（b3） water supersaturated zone （rw＞0），（b4） ice supersaturated zone （ri＞0.055） and （b5） updraft zone）

續(xù)圖6 Fig.6 Continued

由圖6b1、b5可知，碘化銀煙羽內(nèi)大部分區(qū)域為上升氣流區(qū)，說明云中的動力條件總體上對碘化銀冰核的核化是有利的。以冰面過飽和比值（ri）和水面過飽和比值（rw）來表示云中的水汽狀況，根據(jù)碘化銀的核化條件（劉衛(wèi)國等，2016），圖6b2—b4的灰色陰影區(qū)展示了過冷云層中滿足不同核化方式的水汽適宜區(qū)（注：這些區(qū)域是根據(jù)當(dāng)前時刻的模式結(jié)果計算所得，在一定程度上反映了下一時刻冰核核化的水汽條件）?？梢钥吹剑?5℃層以上，凝華核化的區(qū)域范圍最大；凝結(jié)凍結(jié)核化的適宜區(qū)域范圍要比凝華核化的小很多；接觸凍結(jié)核化不但對水汽條件有一定要求，它還受到云滴對碘化銀粒子的搜集效率的影響，因此其適宜區(qū)域是水汽適宜區(qū)與過冷云水區(qū)重合的區(qū)域。浸沒凍結(jié)主要與溫度和含碘化銀粒子的云滴濃度相關(guān)（本研究未考慮碘化銀凝結(jié)為云滴的過程，一定程度上會低估含碘化銀粒子的云滴濃度，但計算表明，在本個例的云區(qū)條件下，忽略凝結(jié)過程對浸沒凍結(jié)核化的影響并不大），同接觸核化類似，云滴對碘化銀粒子的搜集效率也是影響浸沒凍結(jié)核化的重要因素。由于催化作業(yè)的過冷云區(qū)溫度高于?10℃，在這一溫度區(qū)域，碘化銀核化效率并不高，加之云滴對碘化銀粒子還存在一定的搜集效率，這可能是接觸凍結(jié)和浸沒凍結(jié)核化過程偏弱的重要原因。此外，無論從水汽、溫度還是動力條件上看，過冷云區(qū)上層存在較大范圍的適宜凝華核化的區(qū)域，其中也包括過冷水區(qū)；一方面，過冷水區(qū)中，冰水之間的貝吉龍過程會促進(jìn)人工冰晶通過凝華過程快速增長，從而大量消耗過冷水，另一方面，過冷水的消耗最終會抑制云水區(qū)中碘化銀其他3種核化過程的增長。

受本身特性及周圍環(huán)境的影響，碘化銀粒子存在一個活化的比率。參考Xue等（2013a）的定義，將模式某一格點上、在一個時步（5 s）內(nèi)已核化為冰晶的碘化銀粒子數(shù)與核化前碘化銀粒子總數(shù)的比值定義為局地活化比，將模擬域內(nèi)碘化銀已活化區(qū)域中的所有局地活化比取平均值得到平均活化比。表2統(tǒng)計了12時51分—17時整個D3區(qū)域的碘化銀活化信息，圖7給出了碘化銀4種核化過程在D3區(qū)域中的新生人工冰晶總量、活化區(qū)域總體積隨時間的變化。由表2可知，碘化銀凝結(jié)凍結(jié)機(jī)制的活化比遠(yuǎn)大于其他3種核化機(jī)制，凝華機(jī)制的平均活化比相較凝結(jié)凍結(jié)要低1個量級左右，接觸凍結(jié)和浸沒凍結(jié)的活化比則遠(yuǎn)低于前兩種核化機(jī)制。從圖7a可以看出，在飛機(jī)播撒過程的大部分時段，碘化銀凝結(jié)凍結(jié)核化產(chǎn)生的人工冰晶總量要高于凝華核化或與之相當(dāng)，在播撒作業(yè)末期及作業(yè)后，凝結(jié)凍結(jié)核化的新生人工冰晶數(shù)量明顯減少，而凝華核化已成為主要的核化機(jī)制。結(jié)合圖6分析可知，播撒作業(yè)期間，作業(yè)區(qū)內(nèi)有較大范圍的過冷水區(qū)存在，有利于碘化銀的凝結(jié)凍結(jié)核化，由于其活化比高，盡管發(fā)生凝結(jié)凍結(jié)核化的空間范圍始終小于凝華核化（圖7b），但總效果仍然是凝結(jié)凍結(jié)核化機(jī)制占據(jù)了主要地位，不過，隨著云中過冷水以及水汽的消耗，滿足水面過飽和的云區(qū)范圍顯著減小，最終導(dǎo)致凝結(jié)凍結(jié)核化的作用快速下降直至低于凝華核化。至于接觸凍結(jié)核化和浸沒凍結(jié)核化，它們無論是活化比還是對整個區(qū)域的貢獻(xiàn)都遠(yuǎn)小于前兩種機(jī)制，其中浸沒凍結(jié)核化更是整個模擬過程中最弱的機(jī)制。

表2 12 時 51 分—17 時碘化銀的活化比統(tǒng)計 （%）Table 2 Statistics of AgI activation ratio （%） from 12:51 BT to 17:00 BT

圖7 碘化銀 4 種核化機(jī)制在一個時步內(nèi) （5 s） 形成的新生人工冰晶總數(shù) （a） 以及對應(yīng)的活化區(qū)域體積 （b） 隨時間的變化 （陰影區(qū)域?qū)?yīng)催化作業(yè)時段，下同）Fig.7 Time series of （a） the number of new artificial ice crystals produced through four kinds of nucleation modes of AgI and （b） the corresponding volume of AgI activation region during a 5 s time step in model（The seeding period is indicated by the gray area，the same hereafter）

Xue等（2013a）在冬季地形云催化的數(shù)值試驗研究中發(fā)現(xiàn)，碘化銀的局地活化比基本在0.02%—2%，在優(yōu)化的催化條件下最高可達(dá)60%。本個例中，碘化銀粒子的局地活化比（所有4種核化機(jī)制）的統(tǒng)計結(jié)果表明，90%以上碘化銀粒子的活化比為0.01%—2%，活化比大于2%的碘化銀粒子僅占總數(shù)的0.3%，而活化比位于0.02%—2%的碘化銀粒子占總數(shù)的80%以上，這與Xue的結(jié)果類似，不過本個例中碘化銀最大局地活化比可達(dá)94.2%，要高于Xue的結(jié)果。增雨作業(yè)需要在目標(biāo)云區(qū)形成適宜濃度的人工冰晶，才可能達(dá)到增加降水的效果，一般認(rèn)為人工冰晶的濃度要高于自然冰晶的濃度，甚至要達(dá)到一個量級的差距是必要的（余興等，2002），胡志晉（2001）在層狀冷云增雨的研究中也指出，由于云中自然冰晶的觀測濃度典型值在1—10 L?1，人工冰晶催化的濃度達(dá)到 20—100 L?1是適宜的。本個例中，作業(yè)云區(qū)自然冰晶濃度的觀測值和模擬值大多在 10?1—101L?1的量級（圖4），考慮到碘化銀的活化比，如按最大局地活化比計算，要使催化對自然云產(chǎn)生影響，云中碘化銀粒子濃度至少需達(dá)到1 L?1以上是必要的；但要在云中達(dá)到更有效的催化，進(jìn)而增加地面降水，按平均活化比0.13%計算，在條件適宜的云區(qū)，碘化銀粒子濃度達(dá)到103—105L?1的量級或更多對于增雨而言是合適的。

4.3 催化的增雨效果

飛機(jī)增雨作業(yè)的目的是在丹江口水庫及其上游流域范圍內(nèi)實現(xiàn)增雨，以增加水庫的蓄水。圖8給出了13—17時累計雨量差的區(qū)域分布。可以看到，受催化影響，作業(yè)區(qū)及其下游的降水均出現(xiàn)了明顯變化，降水變化區(qū)呈東西長、南北窄的狹長分布。由于模式域范圍較大，而模擬結(jié)果顯示，除圖8、9所示的降水變化區(qū)外，模式域中大部分區(qū)域的降水沒有變化或僅有微弱變化，因此，文中以包含了作業(yè)區(qū)及其下游降水變化區(qū)的一個矩形區(qū)域作為評估區(qū)（下文簡稱EVA，見圖8、9所示紅色方框）。研究中，定義區(qū)域平均增雨率為整個區(qū)域的凈增雨總量占該區(qū)域自然云降水總量的百分比，局地增雨率為一個格點上的凈增雨量占該格點自然云降水量的百分比。表3增雨效果的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，催化取得了明顯的增雨效果，整個EVA區(qū)平均增雨率達(dá)到8.1%。由圖8可見，增雨區(qū)域完全覆蓋水庫庫區(qū)及其部分上游入庫河流，且增雨區(qū)的雨量變化幅度和增雨范圍均大于減雨區(qū)，可以說，催化作業(yè)達(dá)到了為水庫增蓄的目的。雖然自然云的降水偏弱（圖8），但前面云條件的分析也表明，作業(yè)云系具有較好的冷云催化條件，上述評估結(jié)果暗示，這種發(fā)展穩(wěn)定、降水較弱的層狀云系，催化作業(yè)有希望達(dá)到較高的增雨效果，換言之，云系具有較高的云水資源開發(fā)潛力。

圖8 13—17 時自然云累計降水 （灰色等值線，單位：mm）和催化后降水的變化 （色階，單位：mm）（紅色實線為飛機(jī)催化作業(yè)的軌跡，紅色箭頭指示飛機(jī)開始催化的位置和飛行方向，紅色虛線方框為評估區(qū)范圍）Fig.8 From 13:00 BT to 17:00 BT，the accumulated rainfall （gray contours，unit：mm） of natural clouds and rainfall differences （color shaded，unit：mm） between the seeding clouds and the natural clouds（The flight seeding trajectory is represented by the red solid line，initial seeding position and flight direction are indicated by red arrow，the evaluation area is shown by the red dash-line box）

圖9 每 5 min 降水 （單位：mm） 變化和碘化銀濃度 （單位：L?1） 分布 （a.14 時，b.14 時 35 分，c.15 時，d.17 時；藍(lán)色等值線為AgI濃度，色階區(qū)為5 min累計的雨量差，紅實線為飛機(jī)催化作業(yè)的軌跡，紅色虛線方框為評估區(qū)范圍）Fig.9 Horizontal distributions of 5 min rainfall （color shaded，unit：mm） difference and AgI concentration（blue contours，unit：L?1） at different moments （a.14:00 BT，b.14:35 BT，c.15:00 BT，d.17:00 BT；the flight seeding trajectory is represented by the red solid line，the evaluation area is shown by the red dash-line box）

表3 催化作業(yè)效果統(tǒng)計 （13—17 時）Table 3 Statistics of rainfall enhancement effect from 13:00 BT to 17:00 BT

實際的飛機(jī)催化作業(yè)過程中，受客觀條件所限，主要作業(yè)層的平均溫度為?6.3℃，而碘化銀在這一溫度下的成核效率是較低的。從圖6的剖面圖可以看到，在低于?10℃的云區(qū)仍然存在一定的過冷水，這些區(qū)域的溫度、水汽條件（冰面和水面的飽和比相差更大）對于冰核的核化、冰晶的貝吉龍增長過程可能更為有利。本研究中，分別模擬了在5500和5800 m高度進(jìn)行催化（其他條件不變）的作業(yè)效果，發(fā)現(xiàn)降水變化區(qū)的分布特征與圖8類似，但整個區(qū)域整體向下游偏移，且增雨區(qū)向下游伸展的距離更長（圖略）。表4統(tǒng)計了在5500和5800 m兩次催化模擬試驗的結(jié)果，可以看到，兩次催化模擬的增雨效果均好于實際作業(yè)，其中5500 m高度作業(yè)的催化效果更好，5800 m高度雖然溫度低于5500 m，但該高度幾乎處于催化云的云頂，過冷云水含量低，且容易出現(xiàn)云外播撒的情況，這可能是造成催化效果略差的原因。上述對比表明，實際作業(yè)的高度偏低，如果提升作業(yè)高度，在更適宜的溫度區(qū)開展作業(yè)，有希望達(dá)到更好的催化效果。

表4 不同高度催化作業(yè)的數(shù)值模擬中作業(yè)層溫度及催化效果的統(tǒng)計 （13—17時）Table 4 Statistics of simulated temperature in the operation layer and seeding effect at different operating heights from 13:00 BT to 17:00 BT

圖9顯示了不同時刻的碘化銀覆蓋區(qū)與5 min累計降水量變化區(qū)相疊加的水平分布，圖10則給出了降水強(qiáng)度、降水總量以及不同區(qū)域中增雨區(qū)范圍（增雨區(qū)指降水為正增加的區(qū)域）等特征隨時間變化。圖9中碘化銀覆蓋區(qū)是指空中三維分布的碘化銀煙羽垂直投影到地面所覆蓋的區(qū)域，圖10中AC1、AC2分別指圖9中碘化銀濃度不小于103L?1的區(qū)域和碘化銀濃度為1—103L?1的區(qū)域。由圖9的對比可看到，除模擬后期碘化銀分布較零散外，在大部分時段，AC1區(qū)域呈現(xiàn)為一個完整的連續(xù)分布區(qū)域，其東西跨度在百千米以上，而催化后的增雨區(qū)則主要位于上述范圍內(nèi)，這暗示碘化銀濃度的分布與地面降水變化存在相關(guān)。

圖10a和b的評估區(qū)降水特征對比表明，催化使降水強(qiáng)度和降水總量出現(xiàn)正增長，地面降水出現(xiàn)變化的時間大致在催化作業(yè)開始后30至40分鐘，這反映了從云中催化到改變地面降水這一過程的時間尺度，結(jié)合圖6作業(yè)層的水平風(fēng)速（8—14 m/s），在這段時間內(nèi)，根據(jù)風(fēng)速計算的作業(yè)層云系的移動距離為10—30 km（低層的云系移速會更慢，移動距離更?。h(yuǎn)小于碘化銀影響區(qū)的覆蓋尺度，考慮到這一因素，本個例中將碘化銀的分布區(qū)與地面降水變化區(qū)域進(jìn)行比較時，可忽略云系移動的影響?；谏鲜龌A(chǔ)，圖10b和c對比了不同濃度的碘化銀區(qū)域與地面降水變化的聯(lián)系。從圖10b中可以看到，雖然AC1和AC2區(qū)的降水總量均是增加的，但AC1區(qū)和EVA區(qū)的降水總量差呈現(xiàn)出幾乎一致的時變特征，且量值也相差不大，這表明EVA區(qū)的降水變化主要受到了AC1區(qū)的影響。由圖10c可知，播撒作業(yè)期間，兩區(qū)域中的增雨區(qū)占比不斷增大，播撒結(jié)束后，AC1中絕大部分區(qū)域為增雨區(qū)，在大部分時間內(nèi)，AC1中的增雨區(qū)域占該區(qū)域面積的90%以上（最高99.8%），而AC2區(qū)中的增雨區(qū)占比大部分為50%—60%（最高65.8%）。上述對比表明，云中碘化銀濃度與地面增雨有密切的聯(lián)系，且當(dāng)濃度值達(dá)到103L?1以上時對增雨更為有利，這與前面對碘化銀核化分析所得到的結(jié)論一致。

4.4 催化的作用機(jī)制

對冷暖混合層狀云而言，云系暖區(qū)中雨滴的變化與地面降水的變化直接相關(guān)。圖11給出了評估區(qū)內(nèi)自然云與催化云中各水凝物主要源匯項的轉(zhuǎn)化率以及水汽總量、云水總量的對比。由圖可知，Mgr（霰融化為雨滴）和Ccr（雨滴碰并云滴）是雨滴的主要源項（圖11b），其次為Csr（雨滴碰并雪）過程。Mgr和Ccr分別是冷云降水機(jī)制和暖云降水機(jī)制的典型微物理過程，Csr也屬冷云降水機(jī)制。圖11b中可看到Ccr過程一直是重要的雨滴源項，甚至在一段時間內(nèi)超過了Mgr過程，這得益于云中暖區(qū)有很厚的云水區(qū)（圖6），對暖區(qū)中的雨滴通過Ccr過程增長非常有利。Mgr過程是雨滴的初始源項，Ccr和Csr過程則對雨滴增長起主要作用，可見此次降水的主要機(jī)制是冷云降水和暖云降水兩種機(jī)制的共同作用。

模擬結(jié)果表明，催化導(dǎo)致層狀云冷區(qū)和暖區(qū)中的云水總量均明顯減少，而其他水凝物的總量則有不同程度的增大，其中冷區(qū)中冰晶、雪和霰總量的增加明顯，而暖區(qū)中雨滴總量增加最多（圖略）。源、匯項分析表明，Svi（冰晶凝華或升華）過程是冰晶的主要源項；雪的主要源項為Svs（雪凝華或升華）過程，其次為Ais（冰晶自動轉(zhuǎn)化為雪）過程；Csg（霰碰并雪）則是霰的主要源項，上述各項在催化云冷區(qū)中均有明顯增長（圖11a），這也說明云中的環(huán)境條件是適宜催化的。碘化銀粒子核化造成云中冰晶濃度升高，從而使Svi過程增強(qiáng)，更多的冰晶長大并通過Ais過程形成雪，導(dǎo)致雪的濃度升高，Svs、Csg過程也相應(yīng)增強(qiáng)，最終冷區(qū)內(nèi)的雪霰總量增加。而冷區(qū)中雪霰的增加會造成它們落入暖區(qū)的數(shù)量增多，導(dǎo)致Mgr和Csr過程增強(qiáng)（圖11b），從而為暖區(qū)上層提供更多更大的初始大雨滴，這些大雨滴的下落會顯著增強(qiáng)暖區(qū)中的Ccr過程（圖11b）。顯然，碘化銀催化首先在層狀云的冷區(qū)產(chǎn)生了明顯的冷云催化效果，導(dǎo)致冰相降水粒子增加，然后通過落入暖區(qū)的冰相降水粒子間接增強(qiáng)了暖區(qū)中的暖云降水過程，即碘化銀催化即有直接的冷云催化效果，也有間接的暖云催化效果。此外，模擬結(jié)果表明（圖略），作業(yè)結(jié)束后，雷達(dá)反射率因子在暖區(qū)上層（約 2700 m）的最大增量維持在 14 dBz以上（極值18.4 dBz），而且在地面附近仍可達(dá)到最大10 dBz 以上的增量（極值 15.9 dBz），這表明暖區(qū)雨滴獲得明顯增長，催化通過一系列作用鏈條有效地增加了降水。

由于作業(yè)云中含有過冷水，在這些冰水共存區(qū)，冰雪粒子會通過貝吉龍過程快速增長。從源匯項的轉(zhuǎn)化率總量上看，Svi增強(qiáng)和Svc（云滴凝結(jié)或蒸發(fā)）的減弱實際上也反映了催化云中貝吉龍過程被增強(qiáng)。圖11a中可看到，14時30分前Svc的減弱和Svi的增強(qiáng)最為明顯，說明貝吉龍過程較強(qiáng)，這一段時間整個區(qū)域的過冷水消耗也高于水汽的消耗（圖11c），此后，由于過冷水的減少，貝吉龍過程逐漸減弱。貝吉龍過程是水-冰轉(zhuǎn)化的高效機(jī)制，有利于冰相粒子的凝華增長，但在過冷水缺少時，凝華增長過程仍是不可忽視的。14時30分后可看到冰雪粒子的Svi、Svs過程仍有相當(dāng)大的增量，此時水汽消耗也明顯大于過冷云水的消耗（圖11c），說明在這種穩(wěn)定的層狀云中，冰雪粒子的凝華增長過程也是非常重要的。這也印證了胡志晉（1983，2001）提出的新機(jī)制，即不僅是水-冰轉(zhuǎn)化過程，而且汽-冰轉(zhuǎn)化也是層狀云人工增雨非常重要的水分來源。

綜合上述分析，在過冷云區(qū)適宜區(qū)域播撒碘化銀，直接導(dǎo)致云中冰晶濃度升高，冰晶-雪、雪-霰的轉(zhuǎn)化過程增強(qiáng)，雪、霰粒子總量增大，更多的雪、霰粒子從冷區(qū)落入暖區(qū)，在暖區(qū)上層產(chǎn)生更多的大雨滴，從而增強(qiáng)了暖區(qū)云雨碰并過程，導(dǎo)致暖區(qū)雨滴總量增大，最終地面降水增加，這是此次催化增雨的主要微物理鏈條。French等（2018）通過觀測驗證了模式模擬的冬季地形云成冰劑催化的物理鏈條，其本質(zhì)是催化增強(qiáng)了冷云降水機(jī)制，而本個例的降水受到冷云降水和暖云降水兩種機(jī)制的影響，其催化作用的物理鏈條實際反映出催化的兩種作用，即首先使層狀云的冷云降水機(jī)制被增強(qiáng)，然后又間接增強(qiáng)了它的暖云降水機(jī)制。

圖8中可看到，在增雨區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)了不同程度的減雨現(xiàn)象。從模擬結(jié)果看，無論是增雨區(qū)還是減雨區(qū)，云和降水的主要微物理過程并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，與前面的分析結(jié)果大同小異，而且這些微物理過程受催化影響而減弱（或增強(qiáng)）也是地面減雨（或增雨）的主要原因，但是在減雨區(qū)和增雨區(qū)，導(dǎo)致上述過程發(fā)生改變的主要影響機(jī)制是存在差異的。

圖12為不同物理量的自然云背景值及其與催化云的差值沿不同時刻降水變化大值區(qū)的經(jīng)向垂直剖面，圖中3個時刻分別對應(yīng)了降水增長階段（13時30分）、降水峰值階段（14時30分）和降水減弱階段（15時30分）?？梢钥吹剑舛仍黾拥膮^(qū)域大部分位于碘化銀濃度高于1 L?1的區(qū)域中（以GT1A表示），其中冰晶濃度增量的大值區(qū)基本位于4.2—6 km的范圍內(nèi)，而這一高度層也是碘化銀核化的主要區(qū)域，這說明碘化銀催化發(fā)揮了明顯作用。同時，對應(yīng)的雪霰粒子以及雨滴的增加區(qū)也基本位于GT1A區(qū)域的下方（圖12c1—c3），這印證了碘化銀催化增雨的效果。在這些區(qū)域中，碘化銀粒子核化、新增的冰相粒子通過消耗水汽和云水增長，這些都會釋放大量潛熱使得環(huán)境空氣升溫，從而導(dǎo)致上升速度的增大。圖12b1—b3中均可看到冰相粒子增長區(qū)出現(xiàn)了較大范圍的升溫以及上升速度增大的現(xiàn)象，尤其在催化時段（圖12b1）和降水峰值時段（圖12b2）更為明顯。上升速度的增大一方面會使冰相降水粒子在云中停留時間延長，有更長的時間長大，另一方面，也會使冰核和更多冰相粒子能到達(dá)其上層冰面過飽和比值更高的區(qū)域，這對冰核核化以及冰相粒子通過凝華、碰并等過程的增長有利，這種微物理過程和動力場相互促進(jìn)的正反饋過程即靜力催化和動力效果的相互結(jié)合，對于降水的發(fā)展非常有利（胡志晉，2001），而碘化銀核化則是觸發(fā)上述機(jī)制的主要因素。

圖12 自然云的垂直氣流和微物理量 （a1—a3） 及其與催化云的差值 （b1—b3，c1—c3；催化云減自然云） 沿不同時刻降水變化大值區(qū)的經(jīng)向垂直剖面 （剖面位置和時間分別為：a1、b1、c1，沿 110.9°E，13 時 30 分；a2、b2、c2，沿 111.1°E，14 時 30 分；a3、b3、c3，沿111.4°E，15 時 30 分；a1—a3.垂直速度 （單位：10?2 m/s，色階）、冰晶濃度 （單位：L?1，紅色等值線）、雪霰混合比 （單位：g/kg，藍(lán)色等值線）、雨滴混合比 （單位：g/kg，黑色等值線）， b1—b3.垂直速度差 （單位：10?2 m/s，色階）、溫度差 （單位：℃，藍(lán)色等值線）、冰晶濃度差 （單位：L?1，紅色等值線）、碘化銀濃度 （單位：L?1，黑色等值線），c1—c3.垂直速度差 （單位：10?2 m/s，色階）、雪霰混合比差 （藍(lán)色等值線）、雨滴混合比差 （紅色等值線）、碘化銀濃度 （單位：L?1，黑色等值線））Fig.12 South-north cross sections of （a1—a3） natural clouds and （b1—b3，c1—c3） differences between seeding clouds and natural clouds at different time and longitude （a1，b1，c1.13:30 BT along 110.9°E， a2，b2，c2. 14:30 BT along 111.1°E，a3，b3，c3.15:30 BT along 111.4°E； a1—a3.vertical velocity （unit：10?2 m/s，shaded），ice crystal concentration （unit：L?1，red contours），snow and graupel mixing ratio （unit：g/kg，blue contours），rain mixing ratio （unit：g/kg，black contours），b1—b3. differences in vertical velocity （shaded），temperature （unit：℃，blue contours），ice crystal （red contours） and AgI concentration （unit：L?1，black contours）， c1—c3. differences in vertical velocity （shaded），snow and graupel mixing ratio （blue contours），rain mixing ratio （red contours） and AgI concentration （unit：L?1，black contours））

與GT1A區(qū)域相比，在低于1 L?1濃度的碘化銀區(qū)域中（以LT1A表示），冰晶和雪霰粒子雖然有增減變化，但變化量很小，其對應(yīng)的地面降水大多為減雨，由于自然冰晶的濃度（圖12a1—a3）大多在0.1—10 L?1，少量區(qū)域高于 50 L?1，說明在 LT1A 區(qū)域中的自然冰晶濃度甚至比碘化銀粒子的濃度還要高。圖13給出了催化云過冷云區(qū)內(nèi)，碘化銀煙羽的GT1A、LT1A區(qū)與相同區(qū)域范圍的自然云中冰晶濃度、垂直氣流（以上升氣流區(qū)和下沉氣流區(qū)的格點數(shù)比值表示）的對比。圖13a中可以看到云中GT1A區(qū)域內(nèi)，催化云冰晶濃度遠(yuǎn)高于自然云，數(shù)據(jù)顯示為2.6—46.3倍（平均值19.4倍）；而LT1A區(qū)域內(nèi)，催化云的冰晶濃度僅略高于自然云，數(shù)據(jù)顯示增量范圍在?2.5%—35.4%（平均值12.5%），顯然，在LT1A區(qū)域中，碘化銀核化增加的冰晶濃度有限，對云微物理過程的影響較小，對降水的影響就更小。圖13b中垂直氣流的對比表明，催化云GT1A區(qū)域中的上升氣流區(qū)顯著增大；與此相反，催化云LT1A區(qū)域中的下沉氣流區(qū)相比自然云有明顯增加，而且直到15時后二者的差異才減小，這種動力場的變化對降水是有影響的。

圖13 云區(qū)內(nèi)碘化銀濃度大于 1 L?1 的區(qū)域和小于 1 L?1 的區(qū)域中自然云和催化云的 （a） 冰晶平均濃度和（b） 上升氣流區(qū)與下沉氣流區(qū)格點數(shù)的比值 （Nagi：碘化銀濃度，單位：L?1）Fig.13 （a） Ice crystal mean concentrations and （b） grid-point number ratio between updraft region and downdraft region in the natural and seeded clouds within the range where the AgI plume overlap with the cloud region（Nagi：AgI concentration，unit：L?1）

由圖12可看到，在上升氣流增強(qiáng)區(qū)的鄰近區(qū)域會出現(xiàn)補(bǔ)償性的下沉氣流，例如圖12b1、c1所示催化初期的垂直氣流變化就明顯表現(xiàn)出這種特征。隨著云系的發(fā)展，這種動力場的擾動逐漸向周圍擴(kuò)展開來（圖12b2—b3、c2—c3），甚至已經(jīng)擴(kuò)展到碘化銀煙羽區(qū)外。圖14對比了催化云中冰相粒子主要微物理源項相對自然云的變化，其時間、位置與圖12a2相同。可以看到，過冷層中冰相粒子的微物理源項變化與垂直氣流變化存在明顯的相關(guān)，尤其是過冷層中冰相粒子的成長過程。微物理源項轉(zhuǎn)化率在上升氣流增強(qiáng)的區(qū)域增大，而在上升氣流減弱區(qū)則減小，這說明上升氣流的減弱對冰相粒子的成長造成不利影響。其原因可解釋為：上升氣流減弱使得一些冰相粒子不易到達(dá)冰面過飽和度更高的上層區(qū)域，導(dǎo)致Svc、Svi、Svs等減弱，從而造成其他如Ais、Csg等的減弱，同時，雪霰這些較大的冰相粒子在過冷層中停留的時間也會縮短，從而影響其增長，而雪霰等冰相降水粒子增長的減弱最終會導(dǎo)致暖層Mgr、Csr、Ccr等過程的減弱，造成地面降水減小。由此可見，出現(xiàn)減雨現(xiàn)象的主要原因是由于催化引起動力場擾動，造成這些區(qū)域的云中上升氣流減弱所導(dǎo)致的。由于這些區(qū)域的碘化銀濃度太低，碘化銀核化對自然云的微物理過程影響有限，不再是主要的因素。此外，從圖12、14中可以看到，催化造成的動力場擾動的傳播范圍也是很可觀的，甚至傳播到了碘化銀煙羽外部，且部分區(qū)域的云中微物理過程也發(fā)生變化，并造成地面降水出現(xiàn)微弱的減少。不過，由于此次催化作業(yè)云系為穩(wěn)定的層狀云，其動力場較為穩(wěn)定，這種發(fā)展到區(qū)域外的擾動影響并不大，但是在積層混合云或?qū)α髟葡档葎恿鰲l件復(fù)雜的云系中開展催化作業(yè)時，上述作用可能會被云系中的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)所放大，需要注意其對云和降水發(fā)展的影響。

5 結(jié)論和討論

采用基于WRF框架發(fā)展的三維中尺度冷云催化模式，對2018年10月21日湖北省一次層狀云系的飛機(jī)增雨作業(yè)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，利用衛(wèi)星、飛機(jī)觀測和實況降水等資料對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證，模式合理地模擬出了催化作業(yè)目標(biāo)云系的主要宏、微觀特征，在此基礎(chǔ)上，使用該模式并按照真實的飛機(jī)作業(yè)方式進(jìn)行了碘化銀催化的數(shù)值模擬，對碘化銀粒子的不同核化機(jī)制進(jìn)行了分析，評估了此次催化作業(yè)的增雨效果，對催化的作用機(jī)制包括微物理機(jī)制及動力機(jī)制進(jìn)行了研究，得出的主要結(jié)論如下：

圖14 14 時 30 分沿 111.1°E 的垂直氣流速度差 （催化云減自然云，色階，單位：10?2 m/s）、微物理轉(zhuǎn)化率的差（催化云減自然云，單位：g/（kg·s） 及碘化銀濃度 （黑色等值線，單位：L?1） 的垂直剖面（a.Svi （藍(lán)色） 和 Ais （紅色），b.Svs （藍(lán)色） 和 Csg （紅色），c.Svc （藍(lán)色） 和 Ccr （紅色），d.Mgr （藍(lán)色） 和 Csr （紅色））Fig.14 Vertical cross sections of the vertical velocity difference （color shaded，unit：10?2 m/s） and the difference in microphysical process conversion rate （unit：g/（kg·s）） between the seeded and the natural clouds，and the AgI concentration （black contours，unit：L?1） along 111.1°E at 14：30 BT（a.Svi （blue） and Ais （red），b.Svs （blue） and Csg （red），c.Svc （blue） and Ccr （red），d.Mgr （blue） and Csr （red））

（1）凝結(jié)凍結(jié)核化和凝華核化是這次催化作業(yè)中碘化銀的主要核化機(jī)制。凝結(jié)凍結(jié)核化受限于云內(nèi)的水面過飽和區(qū)范圍（這些區(qū)域往往存在于過冷水區(qū)內(nèi)），它主要在過冷水較多的時期起主要作用，隨著過冷水被消耗，凝華核化逐漸超過凝結(jié)凍結(jié)而成為主要的核化機(jī)制。接觸凍結(jié)核化和浸沒凍結(jié)核化兩種機(jī)制所起作用較小，它們的冰晶貢獻(xiàn)總量與前兩種機(jī)制相差數(shù)個量級，其中浸沒凍結(jié)核化是催化過程中碘化銀最弱的核化機(jī)制。

（2）碘化銀粒子的平均活化比為0.07%—0.27%，其中90%以上粒子的局地活化比為0.01%—0.2%。凝結(jié)凍結(jié)機(jī)制的活化比最高，其次為凝華機(jī)制，浸沒凍結(jié)活化比最低。

（3）飛機(jī)催化作業(yè)取得了明顯的增雨效果，在作業(yè)區(qū)及其下游區(qū)域出現(xiàn)大片連續(xù)的增雨區(qū)，增雨區(qū)南北兩側(cè)有小范圍的減雨區(qū)。整個評估區(qū)范圍內(nèi)，催化后 4 h 的累計凈增雨量達(dá)到 2.12×108kg，局地增雨率為?51.1%—306.7%，區(qū)域平均增雨率為8.1%。

（4）冷云降水和暖云降水的共同作用是此次降水的主要機(jī)制。霰融化為雨滴是最主要的冷云降水機(jī)制，其次是雨滴碰并雪的增長過程；由于云區(qū)暖層厚度大，雨滴碰并云滴增長的暖云降水機(jī)制在降水過程中也起到了重要作用。

（5）碘化銀催化既有直接的冷云催化效果，也有間接的暖云催化效果。在過冷云區(qū)，碘化銀核化使冰晶濃度升高，更多的冰晶通過凝華（在過冷水存在時，貝吉龍過程增強(qiáng)了這種機(jī)制）和聚并過程成長為雪，雪的凝華增長以及雪霰碰并過程均增強(qiáng)，造成雪、霰粒子的總量增加，更多的雪、霰粒子從冷區(qū)落入暖區(qū)，使得暖區(qū)上部的大雨滴增加（即冷云降水機(jī)制增強(qiáng)），進(jìn)一步增強(qiáng)了暖區(qū)的云雨碰并過程（即暖云降水機(jī)制增強(qiáng)），導(dǎo)致暖區(qū)雨滴總量增加，最終地面降水增加，這是此次催化增雨的主要微物理鏈條。

（6）過冷層中，碘化銀粒子的核化、冰相粒子凝華成長等過程的增強(qiáng)也會造成催化云中的潛熱釋放增加，導(dǎo)致所在云區(qū)升溫，引起上升氣流速度的增大。云區(qū)內(nèi)上升速度的增大對雪、霰粒子的增長有利，這種靜力催化的動力效果對降水的增強(qiáng)也起到了促進(jìn)作用。

（7）催化造成增雨區(qū)邊緣出現(xiàn)減雨區(qū)的主要原因是催化引起的動力效應(yīng)造成。云區(qū)的過冷層內(nèi)，催化造成的上升氣流增強(qiáng)區(qū)邊緣會出現(xiàn)補(bǔ)償性的下沉氣流，這些邊緣區(qū)域內(nèi)由于碘化銀濃度很低，對云的發(fā)展影響很小，冰相粒子成長主要是受到上升氣流減弱的影響而減弱，造成雪、霰粒子減少，最終導(dǎo)致暖層雨滴減少，冷云降水機(jī)制和暖云降水機(jī)制均被削弱，地面出現(xiàn)減雨。

基于數(shù)值模擬給出了一次層狀云增雨過程中催化作用的物理鏈條，其結(jié)論的普遍性需要更多個例的試驗結(jié)果相互驗證，而使用觀測資料進(jìn)行系統(tǒng)的檢驗也是非常必要的。目前，通過觀測驗證催化模擬效果仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)，單一觀測設(shè)備難以獲得完整的證據(jù)鏈，采用多種地基、空基乃至星基觀測設(shè)備進(jìn)行有設(shè)計的綜合觀測是一條可行的途徑，同時，也需要結(jié)合數(shù)值模式來指導(dǎo)和不斷改進(jìn)觀測設(shè)計，而催化模式的一些模擬結(jié)果（包括模式預(yù)報和事后的模擬分析），如催化前后雷達(dá)反射率因子的變化、云中微物理量變化特征、從催化開始到地面降水發(fā)生變化的時間尺度等，都可以為觀測設(shè)計提供指導(dǎo)。

需要指出的是，催化模式中的碘化銀核化方案是基于DeMott（1995）對特定組分的碘化銀催化劑的試驗結(jié)果，與本研究實際作業(yè)中使用的碘化銀催化劑組分存在一定差異，但由于中國尚無可靠的有關(guān)該類型催化劑核化機(jī)制的研究數(shù)據(jù)，而DeMott方案仍是目前較完整地描述碘化銀催化劑各種成核機(jī)制的研究結(jié)果，其在數(shù)值模式中的應(yīng)用仍具有重要的參考意義。