山西冷鋒云系的數(shù)值模擬研究

李培仁等

摘 要：利用NCEP再分析資料和CAMS中尺度云分辨模式，對2010-04-20—04-21發(fā)生在山西省的大到暴雨、局部強對流天氣過程進行了客觀模擬，主要得出以下4點結(jié)論：①對比2010-04-20T08：00—04-21T08：00的24 h降水預(yù)報與實況可見，山西省中南部降水情況與實況值接近，山西省北部降水情況略大于實況值，模擬域中降水量的最大值略小于實況值，雨帶分布與實況非常接近。②2010-04-20T13：00—04-20T17：00，云系處于發(fā)展階段，云內(nèi)含水量和雪含水量呈增加趨勢。其中，云水在2010-04-20T17：00，2.5 km處達到最大值0.24 g/kg，頂高為3.5 km，分布在1.2～3.9 km處，雪最大值為0.25 g/kg，位于0 ℃層上方；雨滴在暖層，雪和云水的增大區(qū)對應(yīng)著雨的增加區(qū)，雪和云水是雨滴形成的主要粒子，且雪和云水是降水的主要原因；云系進入消散階段，至2010-04-21T10：00降水基本結(jié)束。③云系在2010-04-20T10：00開始發(fā)展，2010-04-20T18：00到達旺盛階段，隨后開始逐漸消散，至2010-04-21T10：00云體基本消散。垂直上升氣流的速度多為0.1 m/s，最大為0.5 m/s，符合層狀云系的特征。④在8 km以上的區(qū)域，雪會通過凝華、雪花與冰晶碰并和冰晶向雪的自動轉(zhuǎn)化等方式增長。其中，凝華增長起主要作用，最高所占比例為100%. 在5～8 k m的區(qū)域，雪花通過凝華增長；在4～5 km的區(qū)域，雪花通過凝華和冰晶向雪的自動轉(zhuǎn)化增長；在3～4 km的區(qū)域，雪花通過凝華和結(jié)淞增長，凝華增長最高所占比例為100%.

關(guān)鍵詞：冷鋒云系；人工引晶催化；數(shù)值模擬；降水量

中圖分類號：P426.6 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.015

云降水物理學(xué)研究的途徑包括：外場觀測研究云和降水的形成和演變機制、模擬云體的發(fā)展演變、利用理論方法模擬云體的物理變化過程。自20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外對層狀云進行了大量的外場探測研究。典型的工作有Hobbs等對中緯度溫帶氣旋云系和降水結(jié)構(gòu)的探測。暖鋒雨帶和寬冷鋒雨帶的降水機制具有“播種-供給”的特征，“播種-供給”機制可提高降水效率。我國在20世紀(jì)80年代北方層狀云人工增水試驗中構(gòu)建的北方幾種主要降水系統(tǒng)的云降水物理過程概念模型符合“播種-供給”機制特征。吳兌利用1978—1982年寧夏飛機觀測的資料，分析了該地區(qū)夏季降水性層狀云中含水量分布情況和自然降水增長條件；牛生杰等利用飛行資料，分析了寧夏夏季降水性層狀云微結(jié)構(gòu)的特征；李侖格等分析了高原東部春季降水云層的云粒子、降水粒子、冰晶和冷水的分布特征，發(fā)現(xiàn)了降水云層中具有較大的人工引晶催化能力；趙仕雄等根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，將降水高層云系垂直微結(jié)構(gòu)劃分為4層，高層有冰晶供，這是高層云發(fā)生降水的關(guān)鍵，而暖層關(guān)系著降水量和持續(xù)時間；楊文霞等通過飛機觀測和個例分析，發(fā)現(xiàn)了春季層狀云降水系統(tǒng)具有不均勻性，且具有較強的降水云帶；王揚鋒等利用PMS資料將延安降水性狀云宏微觀垂直結(jié)構(gòu)分為了5層，暖層的小云滴層是導(dǎo)致地面雨強度較小的重要因素之一。

本文利用CAMS中的尺度云分辨模式，對2010-04-20—04-21發(fā)生在山西地區(qū)的冷鋒降水云系進行了數(shù)值模擬，以研究鋒面云系的宏、微觀結(jié)構(gòu)及其降水物理機制，得出了與實測較一致的結(jié)果。

1 天氣概況和模擬試驗設(shè)計

受地面冷鋒和低空切變線的影響，2010-04-20—04-21山西、河南、河北地區(qū)出現(xiàn)了一次明顯的層狀云降水過程。2010-04-20T08：00，500 hPa山西省中南部受西南暖濕氣流控制，北部地區(qū)受西北冷空氣控制，中部地區(qū)處于冷暖空氣的交匯輻合區(qū)。從圖1中的a可見，700 hPa、850 hPa橫切變線位于河套和山西省北部地區(qū)，南北向切變線位于河套偏東地區(qū)，冷鋒位于河套地區(qū)，山西省處于鋒前，在陜西、山西、河北將產(chǎn)生一次大范圍的降水。飛行探測區(qū)域的云量為10，低空為層云或碎雨云，高空為高層云。云底高度為600～2 500 m，地面風(fēng)速較小，風(fēng)速為2～4 m/s。受東北冷渦、冷鋒和切變線的共同影響，東北冷空氣、南下冷空氣與暖空氣交匯在陜西、山西地區(qū)的上空，形成1條云系帶。

2010-04-21T08：00，500 hPa山西省受偏西氣流控制。從圖1的b中可見，700 hPa橫切變線移至內(nèi)蒙地區(qū)，冷鋒即將移入山西省。飛行探測區(qū)域的云量為10，低空仍為層云或碎雨云，高空為高層云。云底高度為600～2 500 m，地面風(fēng)速較小，風(fēng)速為2～4 m/s。云系主體開始消散，并移至陜西北部、山西北部和內(nèi)蒙地區(qū)。

2010-04-20是該過程中降水強度最大、大雨（雪）站數(shù)最多的一天，降水量為0.1～36.8 mm。文水、臨汾市堯都區(qū)、汾西、垣曲、萬榮、絳縣、新絳、沁水、陽城等9縣（市）降大雨。其中，沁水的降水量達36.8 mm。北部局部、中南部大部中雨，其余縣（市）降小雨。晉中、呂梁、臨汾、運城和晉城的過程平均降水量均>20 mm。為了緩解干旱，山西省在中南部地區(qū)進行了人工增雨作業(yè)。

模式的中心點設(shè)在（37N，108E），水平方向采用二重雙向嵌套，格距分別為30 km和10 km，細網(wǎng)格可基本覆蓋華北地區(qū)。垂直方向為23層，模式頂氣壓為100 hPa。選用Grell對流參數(shù)化方案、側(cè)重模式底部邊界層刻畫的Blackadar高分辨率邊界層方案、改進的CAMS顯式云物理方案和云輻射方案，利用NCEP1°×1°的6 h一次的再分析資料啟動模式。模擬開始時間為2010-04-20T00：00（國際協(xié)調(diào)時，下同），共積分48 h。

2 模擬地面降水

2010-04-20T08：00—04-21T08：00的24 h降水預(yù)報與實況對比如圖2所示。

由2010-04-20T08：00—04-21T08：00的24 h累計降水量可知，山西省普遍降水。其中，北部小到中雨，降水量達1～20 mm，中南部的降水量為10～30 mm。降水量最大處為陜西省北部和河南省北部，最大值達40 mm。

從圖2中的b可發(fā)現(xiàn)，在該時間段內(nèi)，山西省出現(xiàn)普遍降水。其中，山西省北部降小到中雨，降水量為7～14 mm，中南部降水較強，多為中雨，部分雨量站的記錄為大雨，最大達到26～32 mm；河南北部和陜西北部的降水量最大，最大值達40 mm。通過比較可發(fā)現(xiàn)，山西省中南部的降水與實況接近，山西省北部降水略大于實況，模擬域中降水量最大值略小于實況值，雨帶分布與實況非常接近。

模擬和觀測降水前期、中期和末期每隔2 h的降水量如圖3所示。

在降水前期，由圖3中的a可知，山西省僅中南部有少量降水，降水量不足0.5 mm；由圖3中的b可知，2010-04-20T10：00—04-20T12：00，山西中部出現(xiàn)降水，但降水量很小，多數(shù)地區(qū)不足0.5 mm，表明此時云系處于降水的初始階段。

在降水中期，由圖3中的c可知，模擬得到的山西中南部降水量為1～4 mm，山西北部的降水量為0.1～4 mm；由圖3中的d可知，2010-04-20T16：00—04-20T18：00，山西中部出現(xiàn)普遍降水，降水量為1～5 mm，模擬山西中南部降水與實況非常接近，但山西省北部有小部分區(qū)域的模擬值偏大。

降水末期，由圖3中的e可知，山西省的降水量普遍減少，大部分區(qū)域不足1 mm，其中，西部的降水量略大，為1～3 mm；由圖3中的f可知，山西中部的降水量明顯減少，2010-04-21T10：00—04-21T12：00，山西省大部分的降水量已<1 mm，山西省西部的降水量略大，為1～3.2 mm。

總體而言，該模擬結(jié)果成功模擬了該時段的雨帶分布區(qū)域和降水值，我們可以用此結(jié)果分析云的微物理轉(zhuǎn)化和降水機制。

3 模擬自然云體的發(fā)展過程

上升氣流的起伏會影響云體的動力結(jié)構(gòu)，進而影響云體的發(fā)展。以下得到了山西省不同降水階段上升氣流沿38°N的垂直剖面圖。沿37.735°N上升氣流的垂直剖面圖如圖4所示。

由圖4中的a可知，在2010-04-20T10：00，該地區(qū)在5.0 km處出現(xiàn)1個上升氣流中心，中心值為0.05 m/s，而上部沒有出現(xiàn)上升氣流，因此，此云系正在發(fā)展；由圖4中的b可知，2～8 km處存在大范圍的上升氣流，在2 km和8 km出分別存在上升氣流中心，最大值為0.1 m/s。由圖4中的c可知，上升氣流已比2010-04-20T14：00的上升氣流大，3 km和8 km處存在上升氣流的中心，其中，3 km處上升氣流的最大值為0.5 m/s，8 km處上升氣流的最大值為0.1 m/s。由此可見，該云系仍在繼續(xù)發(fā)展。由圖4中的d可知，各上升氣流中心減弱，位于3 km處的上升氣流中心減小為0.3 m/s，8 km處仍存在上升氣流中心，但相比于2010-04-20T18：00的上升氣流，此時上升氣流的范圍已明顯縮小。由此可見，該云系正處于消散階段。由圖4中的e可知，上升氣流中心值繼續(xù)減小，3 km處上升氣流減小為0.1 m/s，總體上升氣流強度減弱；由圖4中的f可知，上升氣流分布零散，表明該地區(qū)云系的發(fā)展已結(jié)束。

從上升氣流的發(fā)展過程可判斷，該云系在2010-04-20T10：00開始發(fā)展，經(jīng)18 h到達旺盛階段，隨后開始逐漸消散，至2010-04-21T10：00，云體已基本消散。垂直上升氣流速度多為0.1 m/s，最大為0.5 m/s，符合層狀云系的特征。

3.1 云體的垂直結(jié)構(gòu)

選取了太原站點，分析其不同時段的云體垂直結(jié)構(gòu)，并從微觀上分析此次降水。根據(jù)顧震潮的三層云概念模型，按水成物粒子的不同情況，可將層狀云在垂直方向上分為3個層次：①冰晶層，無過冷水；②混合層，冰晶和過冷水共存，并通過貝吉龍過程長大；③暖層。

水成物比含水量的垂直分布如圖5所示。

從圖5中的a可見，暖層較薄，厚度為0.9 km，混合層厚度為0.6 km。2010-04-20T13：00，雨水主要分布在0 ℃層以下，雨水、云水的含量極大值分別為0.022 g/kg和0.038 g/kg，雪的含量比較大，極大值為0.12 g/kg，主要分布在冰晶層和在混合層頂部。由此可見，冰晶層對混合層有播散作用。冰晶分布在7 km以上，隨高度的增加，冰晶的含量也會隨之增加，其極大值為0.04 g/kg；云水在混合層時的含量增加，在暖層時的含量會減少，而相應(yīng)的雨水含量會增加。由此可見，云滴自動轉(zhuǎn)化為雨滴的過程為該時段降雨的主要原因。

至2010-04-20T17：00，暖層厚度為1.4 km，混合層厚度為0.6 km。云水極值通過凝結(jié)過程增加至0.25 g/kg；雪含量明顯增加，其含水量極大值為0.25 g/kg；在5～8 km處，冰晶的含水量減小，而相應(yīng)高度的雪的含量增加。由此可見，雪與冰晶的碰并和增長是雪含水量增加的主要原因。上層云對下層云的播散作用明顯。在暖層頂部，由于播散作用，雪的含量隨高度的降低而減小，在雪和云的水含量減小區(qū)域，相應(yīng)的雨水含量增加。由此可見，由于雪和云水粒子的存在，使雨的含量有所增加，其極大值為0.15 g/kg。

至2010-04-20T21：00，暖層厚度為1.1 km，混合層厚度為0.8 km，云水含量和雪含量極大值均有所減小。由此可見，云體已開始消散，雪和云水仍然是主要的降水粒子，其含水量極大值分別為0.22 g/kg和0.22 g/kg，雨水含水量最大值減小為0.07 g/kg。

至2010-04-21T10：00，暖層厚度為0，降水基本結(jié)束。

總體而言，2010-04-20T13：00—04-20T17：00，云系處于發(fā)展階段，云內(nèi)含水量和雪含水量呈增長趨勢。其中，云水在2010-04-20T17：00的2.5 km處達到最大值0.24 g/kg，頂高為3.5 km，分布在1.2～3.9 km處，雪的最大值為0.25 g/kg，位于0 ℃層上方；雨滴在暖層分布，雪和云水的增大區(qū)對應(yīng)著雨的增大區(qū)，雪和云水是雨滴形成的主要粒子。因此，雪和云水是降水的主要原因。此后，云系進入消散階段，至2010-04-210T10：00，降水基本結(jié)束。

3.2 降水形成的微物理機制

由上述分析可知，雪和云水是此次降水的主要粒子。雨滴質(zhì)量的產(chǎn)生率如圖6所示。其中，“PRA”是雨滴碰并云滴，“PRC”是云滴自動轉(zhuǎn)化為雨滴，“PSMLT”是雪融化為雨滴，“PRACS”是雪與雨碰并。

從圖6中的a可見，云體發(fā)展初期2～2.9 km處雪的融化是形成雨的主要原因，雨滴質(zhì)量產(chǎn)生率最大為5.5×10-8 kg/kg/s，

2.9～5 km處雪和雨滴的碰并為形成雨的主要原因，最大值為5×10-9 kg/kg/s；從圖6中的b可見，2～2.9 km處雪的融化為形成雨的主要原因，雨滴質(zhì)量產(chǎn)生率最大值為4×10-7 kg/kg/s，次要原因是雨滴碰并云滴，質(zhì)量產(chǎn)生率最大值為1.5×10-7 kg/kg/s，2.9～4 km處雪與雨滴的碰并為形成雨的主要原因，雨滴質(zhì)量產(chǎn)生率最大值為0.510-7 kg/kg/s。上述三者的量值相比于2010-04-20T13：00的量值均有明顯增加。由此可見，此階段的降水正在增強；從圖6中的c可見，雨水產(chǎn)生的主要原因是雪的融化和云滴碰并雨滴，雪與雨的碰并幾乎為零，且三者的量值相比于2010-04-20T17：00的量值均有明顯減少。雪的融化和云滴碰并雨滴的雨滴質(zhì)量產(chǎn)生率最大值分別為2.7×10-7 kg/kg/s、0.5×10-7 kg/kg/s。由此可見，降水正處于消散階段；從圖6中的d可見，雪的融化是形成雨的唯一原因，最大值為8×10-10 kg/kg/s。

每項物理過程影響降水的情況為：以2010-04-20T18：00為例，2.9～3.5 km處降水的主要原因為雪與雨滴的碰并，最大值為100%，次要原因為雪的融化，最大值為45%；2.2～2.9 km處降水的主要原因為雪的融化，最大值為74%，次要原因是雨滴碰并云滴，最大值為55%，再次是雪和雨的碰并，最大值為25%；在2.0～2.2 km處降水的主要原因為雪的融化和雨滴碰并云滴，且各占50%；在2 km以下的區(qū)域，降水的主要原因為雨滴碰并云滴，占100%.

由于雪和云水是此次降水的主要粒子，下面主要分析雪和云水的產(chǎn)生過程?！癙RAI”是冰晶向雪的自動轉(zhuǎn)化，“PRCI”是雪花與冰晶的碰并增長，“PSACWS”是雪的結(jié)淞增長，“PRDS”是雪的凝華增長。通過比較2010-04-20T13：00和2010-04-20T17：00的上升氣流速度、云水質(zhì)量增長率和雪質(zhì)量增長率可知，在8 km以上的區(qū)域，雪通過凝華、雪花與冰晶碰并和冰晶向雪的自動轉(zhuǎn)化增長。其中，雪的凝華增長起主要作用，最高所占比例為100%. 在5～8 km處，雪花通過凝華增長；在4～5 km處，雪花通過凝華和冰晶向雪的自動轉(zhuǎn)化增長；在3～4 km處，雪花通過凝華和結(jié)淞增長，凝華增長最高所占比例為100%. 此外，上升氣流的增加會導(dǎo)致第二層的過冷水增長，進而導(dǎo)致第二層雪的增加。而上升氣流的增加也會導(dǎo)致第一層云水的增加，且通過重力碰并也會導(dǎo)致第一層雨水的增加。

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〔編輯：張思楠〕