低層對流嵌入到高層云系的模擬研究

郭小浩 李艷偉 蔡磊

南京信息工程大學(xué)中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京210044

1 引言

嵌有對流的大范圍云系（洪延超等，1984）是指在層狀云系中存在對流云，并使整個云系表現(xiàn)為層狀云和積狀云相混合的特征，是一種重要的降水云系（黃美元等，1987）。這種特殊云系在很多天氣系統(tǒng)中都會出現(xiàn)，如熱帶洋面降水云系（Houze and Churchill，1987；Shige et al.，2007；Holder et al.，2008）、地形云（Fuhrer and Sch?r，2005；Chien and Kuo，2006）以及臺風(fēng)螺旋雨帶等（Jorgensen，1984a；Jorgensen，1984b）。

目前國內(nèi)外已開展了不少涉及嵌入對流的研究。Houze and Churchill（1987）根據(jù)全球大氣研究計劃夏季季風(fēng)試驗（summer MONEX）所得觀測資料發(fā)現(xiàn)在中尺度降水云系中存在強(qiáng)烈的嵌入對流，嵌入對流在云系內(nèi)的分布比較隨機(jī)。Harr and Elsberry（1996）根據(jù)熱帶氣旋運動（TCM-93）外場試驗中的飛機(jī)任務(wù)研究了中尺度對流系統(tǒng)嵌入臺風(fēng)Robyn的過程，研究發(fā)現(xiàn)中尺度對流系統(tǒng)到了成熟階段的時候存在一個對流區(qū)和一個大范圍層云區(qū)，臺風(fēng)周圍的對流區(qū)內(nèi)的強(qiáng)烈上升氣流會向南傾斜，而在傾斜的上升氣流的下方，下沉氣流使低層更加干燥。Hogan et al.（2002）結(jié)合飛機(jī)和雷達(dá)觀測資料對暖鋒混合云系內(nèi)的嵌入對流展開宏微觀特征研究，通過對嵌入對流不同階段的定位和取樣發(fā)現(xiàn)嵌入對流由融化帶附近的開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定機(jī)制觸發(fā)，并且在嵌入對流內(nèi)部及其上方發(fā)現(xiàn)高濃度的微小冰晶。Fuhrer and Sch?r（2005）發(fā)現(xiàn)在大范圍不穩(wěn)定氣團(tuán)躍升到山脊時所形成的地形云內(nèi)存在嵌入對流，云系的降水強(qiáng)度和分布受對流動力的影響：嵌入對流的存在促進(jìn)了整個云系的降水量、降水強(qiáng)度和效率。

數(shù)值模擬方面 Hong（1997，1998）利用二維云數(shù)值模式模擬了嵌入對流和層狀云的相互作用及降水產(chǎn)生機(jī)制，發(fā)現(xiàn)層云為積云的發(fā)展提供良好條件，飽和環(huán)境和伴隨層狀云的輻合風(fēng)場使對流云生命更長久，產(chǎn)生持續(xù)性和間歇性的高強(qiáng)度降水；而嵌入的積雨云對層狀云有自然播撒作用，使得層狀云亮帶增厚，降水強(qiáng)度也較大。Li and Niu（2012）發(fā)現(xiàn)大范圍層狀云內(nèi)存在兩種以特殊分布方式存在的嵌入對流群：階梯式不均勻嵌入對流群和平行式分布的嵌入對流群。他們接著通過WRF模擬發(fā)現(xiàn)對于階梯式不均勻的嵌入對流群，其降水量也呈階梯式分布，而對于平行分布的嵌入對流群，其降水量由南往北逐漸減小。

上述有關(guān)嵌入對流的研究工作取得了很多富有意義的成果，但這些研究大多局限于云系內(nèi)微物理特征、動力場結(jié)構(gòu)、以及分布形態(tài)等，而對于嵌入對流的形成過程的描述不夠詳細(xì)；另外相對于普通的對流云和層云而言，兼具對流云和層云特點的嵌入對流云系又有哪些不同的特征？對于這一疑問可參閱的文獻(xiàn)有限?；谏鲜霾蛔?，本文選用了新一代中尺度數(shù)值模式WRF（Weather Research and Forecast），結(jié)合實測資料，對2010年7月發(fā)生在東北地區(qū)的一次由嵌入對流主導(dǎo)的大范圍強(qiáng)降水天氣過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，詳細(xì)描述了嵌入對流的形成過程，并著重探究了嵌入對流與模擬范圍內(nèi)的普通對流云和層云的差異及導(dǎo)致這種差異的內(nèi)在物理機(jī)制，同時對嵌入對流云系內(nèi)兩種云的相互影響作了討論。

2 天氣形勢分析

采用2010年7月1日08:00（北京時間，下同）的Micaps資料（圖1a、b）進(jìn)行分析。500 hPa高度場中存在東北冷渦，之后冷渦減弱成槽，槽前的西南暖平流提供了充沛的水汽供應(yīng)。冷空氣源自貝加爾湖以西的冷低壓，中心溫度達(dá)到-20°C，低壓南部的冷平流將干冷空氣吹向東北地區(qū)造成冷暖空氣的交匯；850 hPa伴有輻合中心。這種高低空環(huán)流的配置（高空槽、輻合風(fēng)場），為嵌入對流的發(fā)生提供了有利的條件。從該溫壓場形勢可以看出，東北地區(qū)是來自西伯利亞的冷空氣和來自西南的暖濕氣流的交匯區(qū)域。

3 模擬方案及結(jié)果對比

3.1 模擬方案

嵌入對流的模擬需要較高的時空分辨率，所以采用三重嵌套的方案。第一重網(wǎng)格的中心位置為（43.5°N，122.5°E），網(wǎng)格的水平分辨率分別為18 km、6 km、2 km。三重網(wǎng)格的格點數(shù)分別為120×100、184×166、250×300。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中相對復(fù)雜的微物理方案。積云對流參數(shù)化方案：對第一層網(wǎng)格（18 km）考慮以Kain-Fritsch方案（Kain，2004）為主，第二層網(wǎng)格（6 km）和第三層網(wǎng)格（2 km）不采用參數(shù)化方案，作為模式可分辨過程進(jìn)行積分。模式行星邊界層物理過程采用高分辨率的 Blackadar方案（Blackadar, 1979），輻射過程使用 RRTM 方案（Mlawer et al., 1997）。積分中采用時變邊界條件。

圖1 2010年7月1日 08:00（北京時間，下同）天氣形勢圖：（a）500 hPa；（b）850 hPa，其中黑線表示等高線，紅實線表示正等溫線，紅虛線表示負(fù)等溫線Fig. 1 Synoptic charts at 0800 BT (Beijing time, the same below) on 1st July, 2010: (a) 500 hPa; (b) 850 hPa, and the black lines represent contour lines, the red solid and dashed lines represent positive and negative isotherms, respectively

利用6 h時間間隔的NCEP 再分析場資料（1°×1°）插值到模擬區(qū)域形成模式初始場和邊界場。模擬時長1440 min，從2010年7月1日08:00到7月2日08:00。第一重網(wǎng)格每隔20 min輸出一次結(jié)果，第二重和第三重網(wǎng)格每隔10 min輸出一次結(jié)果。

3.2 模擬和觀測結(jié)果對比

比較圖2a、b看出衛(wèi)星云圖中云系主體的位置、尺度與模擬的含水量大體相似。對比圖2c、d發(fā)現(xiàn)模擬的降水分布和強(qiáng)度與實測的大致相當(dāng)，強(qiáng)降水分布在兩圖中對應(yīng)較好。對比圖2e、f可以看出，沈陽站雷達(dá)圖像上的強(qiáng)回波區(qū)，在模擬的相同區(qū)域（圖2f圓圈）同樣存在，弱回波的分布也較接近?？傮w來說，模式模擬的云的位置尺度、降水的強(qiáng)度分布、雷達(dá)回波區(qū)的分布都與實測的結(jié)果大致相當(dāng)，說明本次模擬較為理想的再現(xiàn)了真實的天氣過程，可以利用模擬結(jié)果進(jìn)行更深入的研究。

4 嵌入對流個例介紹

利用模式第三層嵌套（2 km）的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)了很多嵌入對流個例，為了便于分析，這里選擇兩個形成過程較清晰的典型嵌入對流過程：第一個過程發(fā)生在模擬的 300～450 min，位于（39°N～42°N，119°E～122°E）區(qū)域內(nèi)；第二個過程發(fā)生在 500～750 min，位于（41°N～43°N，121°E～123°E）區(qū)域內(nèi)。這兩個嵌入對流都給地面帶來了較強(qiáng)降水。

4.1 第一個嵌入對流個例

因為層云和對流云位于不同的高度范圍，而水平剖面只能描述單一的高度層結(jié)，不能詳盡的描述嵌入對流的整體結(jié)構(gòu)，所以這里選擇用作不同時刻垂直剖面圖的方法來詳細(xì)展示嵌入對流的形成過程。

選取42.9°N左右做緯度截面，發(fā)現(xiàn)了上述第一個嵌入對流個例，環(huán)境風(fēng)為西南風(fēng)，沿著水平風(fēng)的下風(fēng)方向默認(rèn)為“前方”。320 min（圖3a）時對流單體形成于層云前方650 hPa高度。受環(huán)境風(fēng)的影響層狀云前移，對流單體也逐漸發(fā)展，云頂高度增高。340 min（圖3b）時層狀云系更加接近對流云，對流云內(nèi)的上升氣流增大，中心含水量也明顯擴(kuò)大。圖中可見層云較深厚，在云系的前方 700 hPa以下，形成了下沉氣流，傾斜的下沉氣流形成的輻散出流匯入對流中心的上升氣流中進(jìn)而促進(jìn)對流單體的發(fā)展。360 min時（圖3c）前移的層云開始接觸到對流單體并逐漸被其嵌入其內(nèi)。到380 min（圖3d）時嵌入對流的整體結(jié)構(gòu)形成。

圖2 （a）2010年7月1日13:00風(fēng)云2號衛(wèi)星云圖；（b）模式模擬的同時刻的垂直累加云含水量（單位：g kg-1）；（c）實測2010年7月1日24小時降水量（單位：mm）；（d）模式模擬的2010年7月1日24小時降水量（單位：mm）；（e）2010年7月1日12:40沈陽站雷達(dá)回波（單位：dBZ）；（f）模式模擬的與（e）同時刻的700 hPa雷達(dá)回波[（f）中圓圈區(qū)域表示與（e）的相同區(qū)域，單位：dBZ]Fig. 2 (a) Cloud picture from FY-2 satellite at 1300 BT on 1st July, 2001; (b) simulated vertically cumulative cloud water content at the same time (units: g kg-1); (c) observed 24-h precipitation on July 1 (units: mm); (d) simulated 24-h precipitation on July 1 (units: mm); (e) radar reflectivity from Shenyang station at 1240 BT on 1st July, 2001 (units: dBZ); (f) simulated 700-hPa radar reflectivity at the same time as (e) (units: dBZ), the circle in (f) represents the same region as (e)

圖3 模式模擬第一個個例不同時刻總含水量（單位：g kg-1）和風(fēng)場（單位：m s-1）垂直剖面（兩條水平黑實線代表0°C和-20°C等溫線）：（a）320 min；（b）340 min；（c）360 min；（d）380 minFig.3 Vertical sections of simulated total water content (units: g kg-1) and wind field (units: m s-1) at different time in the first case: (a) 320 min; (b) 340 min;(c)360 min; (d) 380 min. Two black horizontal lines denote 0°C and -20°C isotherms

總的來看，此次嵌入過程中，對流云形成于層狀云系的前方，前移的層云逐漸接觸其前方的對流云并被其嵌入其內(nèi)形成嵌入對流。

4.2 第二個嵌入對流個例

第二個嵌入個例形成過程與第一個略有不同。采用與第一個個例中類似的方法，沿移動的對流中心所在緯度位置作垂直剖面。560 min（圖4a）時對流云形成，層云位于其上方零度層左右，此時對流尚弱，環(huán)境風(fēng)依舊是西南平流。其中對流云發(fā)展很快，中心含水量增大，垂直氣流增強(qiáng)，云頂高度增高，570 min（圖4b）時對流云逐漸達(dá)到層云高度。層云也不斷的發(fā)展，垂直范圍擴(kuò)展。600 min（圖4c）時對流云在零度層以上嵌入高層云系，對流中心發(fā)展更加旺盛，含水量達(dá)到了2 g kg-1以上。到620 min（圖4d）時，云系逐漸發(fā)展壯大，嵌入過程基本完成。此時云系也達(dá)到最旺盛階段，形成了典型的嵌入對流。

綜上，本次嵌入可以概括為：高層云系下方的對流云發(fā)展，逐漸達(dá)到層云高度并嵌入其中，在此過程中無論是對流云還是層云都處在發(fā)展過程中。相比較而言，盡管嵌入發(fā)生之前層云不夠深厚，但第二個嵌入對流個例中對流中心的上升氣流、發(fā)展高度、最大含水量、持續(xù)時間等都超過第一個個例并給地面帶來更強(qiáng)降水（詳見下文5.1.1節(jié)），值得深入研究。

綜合兩個嵌入對流個例，它們的形成過程均可概括為低層的對流云與高層層狀云相互作用形成嵌入對流，只是在形成嵌入對流的過程中對流云和層云的相對位置略有不同，其中處于對流云上方的層云被對流云嵌入之后所形成的嵌入對流發(fā)展更加旺盛。

5 嵌入對流特征分析

由上述分析可知，嵌入對流云系內(nèi)共存著兩種截然不同類型的云：層云和對流云。那么相對于普通的對流云和層狀云，嵌入對流云系的特殊性除了其宏觀特征外是否還體現(xiàn)在其他方面？下面的分析主要從上述兩個嵌入對流個例著手，將嵌入對流云系內(nèi)的對流云和層云分別與模擬范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的普通的單純對流云和層云相比較，探討嵌入對流云系與它們的差異并詳細(xì)分析這些差異的深層次原因。

5.1 嵌入對流內(nèi)對流云特征分析

周圍有層云的對流云個例選擇上述兩個嵌入對流個例，其中圖5a中所示為第二個嵌入對流個例。問題的關(guān)鍵在模擬區(qū)域內(nèi)尋找孤立對流云。模擬發(fā)現(xiàn)在110～230 min時間內(nèi)，在（44°～44.4°N，125.3°～125.9°E）區(qū)域內(nèi)存在未嵌入到層云的孤立對流云，如圖5b所示。值得注意的是，本節(jié)分析所涉及的孤立對流（圖5b圓圈內(nèi)，未選擇層云東南側(cè)對流群是為了避免對流云并合產(chǎn)生的相互影響）與嵌入對流生成于近似的環(huán)境條件下，從本質(zhì)上說它們隸屬于同一片大范圍降水云系（如圖5a、b所示），只是生成的時間和地點有所差異?；谶@個前提比較兩種對流云發(fā)展的不同更有參考意義。

5.1.1 嵌入對流與孤立對流發(fā)展對比

由圖6a可以看出，孤立對流云的生命期相對較短，大于1 m s-1的上升氣流只維持了一小時以內(nèi)（170～220 min）。雖然其最大上升氣流和最大降水強(qiáng)度與嵌入對流（圖6b、c）相比相差不大，但強(qiáng)上升氣流和強(qiáng)降水持續(xù)時間相對較短。實際上，孤立對流云在沒有持續(xù)物質(zhì)和能量供給的情況下發(fā)展非常有限，如李艷偉等（2009）研究發(fā)現(xiàn)對流云層化的過程中，其上升氣流和降水強(qiáng)度都持續(xù)減弱；呂玉環(huán)等（2012）發(fā)現(xiàn)對流單體在碰并之后其上升氣流由于降水作用而迅速減弱了。相互碰并能相互提供物質(zhì)和能量的對流云的發(fā)展尚且如此，孤立對流云的發(fā)展則更加有限。

與上述孤立對流云相比，兩個嵌入對流個例中對流云的強(qiáng)降水持續(xù)時間更長。初始時刻（圖6b中330 min之前和圖6c中560 min之前），對流中心的上升氣流和降水強(qiáng)度都相對較小，這是因為對流單體剛剛形成，對流尚弱，嵌入過程尚未發(fā)生，其與層云的聯(lián)系不夠緊密，這在圖3a、圖4a中亦可看出。但隨后對流云快速發(fā)展并逐漸嵌入層云中，其對應(yīng)的上升氣流和地面降水強(qiáng)度都很快達(dá)到較大值。另外，當(dāng)對流中心發(fā)展到一定強(qiáng)度之后并未迅速減弱，而是持續(xù)了一段時間，給地面帶來了持續(xù)強(qiáng)降水，這在第二個嵌入對流個例中更加明顯：圖6c中可看出，大于4 m s-1的強(qiáng)上升氣流從580 min一直維持到660 min，這期間強(qiáng)降水持續(xù)呈逐漸增強(qiáng)趨勢。

綜上所述，就本次模擬范圍內(nèi)的兩種對流云而言，相比普通的孤立對流云，嵌入對流內(nèi)的對流中心生命期更長，降水強(qiáng)度更大，強(qiáng)降水持續(xù)時間更久，但是否完全是由于層云對對流云的促進(jìn)作用尚不能得出結(jié)論。

5.1.2 嵌入對流與孤立對流發(fā)展機(jī)制對比

5.1.1 節(jié)比較了兩種對流云的宏觀差異，接下來進(jìn)一步探討兩種云的內(nèi)在機(jī)制差異。嵌入對流發(fā)展機(jī)制特征可通過比較處于發(fā)展旺盛階段的普通對流云和同階段嵌入對流中心水汽輸送情況和CAPE（對流有效位能）分布情況的不同探究，值得注意的是所比較的不同類型對流云都處在發(fā)展旺盛階段并產(chǎn)生較強(qiáng)降水。圖7a、b為孤立對流的分布情況，圖中可看出最大水汽輻合通量僅為-70 g s-1cm-1hPa-1（圖7a）；CAPE分布區(qū)域位于對流區(qū)域，最大值也僅有90 J kg-1（圖7b）。而從圖7c、e中看出兩個嵌入對流個例中對流中心的低層水汽輻合明顯更大，其中第一個嵌入對流個例中低層水汽輻合最大值達(dá)到-180 g s-1cm-1hPa-1（圖7c），第二個嵌入對流個例中更是達(dá)到-300 g s-1cm-1hPa-1（圖7e）。另外，從CAPE的分布來看，嵌入對流個例中對流中心下方的CAPE值更大，最大值分別達(dá)到140 J kg-1和250 J kg-1（圖7d、f）。而且較大的CAPE主要分布于低層，而不像孤立對流個例中那樣與對流中心重合。

圖5 云系含水量水平分布（單位：g kg-1）：（a）第二個嵌入對流個例；（b）孤立對流。圖中圓圈表示對流云區(qū)域Fig. 5 Horizontal distribution of cloudy water content (units: g kg-1): (a) The second embedded convection case; (b) the isolated convection. The circles denote the region of convection

圖6 對流中心上升氣流（單位：m s-1）、降水強(qiáng)度[單位：mm (10 min)-1] 隨時間的變化：（a）孤立對流；（b）第一個嵌入對流個例；（c）第二個嵌入對流個例Fig. 6 Time variations of updraft (units: m s-1) and precipitation intensity [units: mm (10 min)-1] at the convective cloud center: (a) The isolated convective cloud; (b) the first embedded convection case; (c) the second case

綜上可以看出，就本次模擬而言，相比單純的孤立對流云，嵌入對流中的對流云之所以其強(qiáng)上升氣流和強(qiáng)降水能維持更久，關(guān)鍵原因在于其低層水汽輻合作用更強(qiáng)，其所處的環(huán)境水汽更充沛，更加有利于對流的發(fā)展。另外，與單純對流云不同的是，嵌入對流中更多的不穩(wěn)定能量聚集在低層，不穩(wěn)定能量在低層釋放使更多的低層水汽輻合進(jìn)入對流中心凝結(jié)促進(jìn)其發(fā)展。

5.1.3 嵌入對流與孤立對流降水機(jī)制對比

進(jìn)一步從發(fā)展旺盛階段時的降水機(jī)制比較上述兩種對流云發(fā)現(xiàn)，孤立對流云中固態(tài)降水粒子含量較大，其中霰粒子含量在 500 hPa達(dá)到了 2.4

g kg-1（圖8b），而液態(tài)水含量相對較低，這跟對流發(fā)展到較高高度有關(guān)（圖7a、b）。而第一個嵌入對流中對流中心液水含量較孤立對流云更高，其中雨水含量在700 hPa達(dá)到2 g kg-1左右（圖8c），第二

個嵌入對流中心與之類似，達(dá)到2.1 g kg-1（圖8e），而孤立對流中心僅為1.2 g kg-1左右（圖8a）。由此可見，嵌入對流內(nèi)的液態(tài)水含量更大，但相對于孤立對流云，嵌入對流的發(fā)展高度有限，造成其固態(tài)降水粒子含量不及孤立對流云。造成這種現(xiàn)象的原因可能是因為：盡管嵌入對流低層擁有更充沛的水汽和更多的不穩(wěn)定能量促進(jìn)對流云發(fā)展，但對流的垂直發(fā)展也可能受到層云的“拖曳”作用，因為局部對流不可能帶動其周圍大范圍的層云共同向上發(fā)展，所以嵌入對流中心的垂直發(fā)展程度在一定程度上取決于上述促進(jìn)和“拖曳”的共同作用，另外降水的拖曳作用也不可忽視，而嵌入對流中心的強(qiáng)降水明顯持續(xù)更久（圖6b、c）。

圖7 不同時刻（a、c、e）上升氣流（陰影，單位：m s-1）和水汽水平通量（等值線，單位：g s-1 cm-1 hPa-1）、（b、d、f）上升氣流和CAPE（對流有效位能，單位：J kg-1）的垂直剖面（兩條水平線代表0°C、-20°C等溫線）：（a、b）孤立對流；（c、d）第一個嵌入對流個例；（e、f）第二個嵌入對流個例Fig. 7 Vertical sections of updraft (shaded, units: m s-1) ,water vapor horizontal flux (isoline, units: g s-1 cm-1 hPa-1), and CAPE (isoline, units: J kg-1): (a)Updraft and water vapor horizontal flux in the isolated convection cloud; (b) updraft and CAPE in the isolated convection cloud; (c) same as (a), but for the first embedded convection case; (d) same as (b), but for the first embedded convection case; (e)same as (a), but for the second case; (f) same as (b), but for the second case. The two horizontal lines denote 0°C and -20°C isotherms

圖8 對流中心（a、c、e）液態(tài)水含量（單位：g kg-1；其中紅線代表雨水，黑線代表云水）和（b、d、f）固態(tài)水含量（單位：g kg-1；其中，紅線代表霰，黑線代表雪晶，綠線代表冰晶）的垂直廓線：（a、b）孤立對流；（c、d）第一個嵌入對流個例；（e、f）第二個嵌入對流個例Fig.8 Vertical profiles of liquid and solid water contents (units: g kg-1) at convection centers: (a) Liquid water content in the isolated convection cloud; (b)solid water contents in the isolated convection cloud; (c) same as (a), but for the first embedded convection case; (d) same as (b), but for the first embedded convection case; (e) same as (a), but for the second case; (f) sameas (b), but for the second case. The red lines in (a), (c) and (e) represent rain water, and the black lines represent cloud water. The red lines in (b), (d) and (f) represent graupel, and the black and green lines represent snow and ice crystal, respectively

另外，對比兩個嵌入對流中的固態(tài)降水粒子，第二個嵌入對流個例中霰粒子含量明顯更高（圖8d、f），在 550 hPa左右達(dá)到 1 g kg-1左右（圖8f），這是第二個嵌入對流中降水強(qiáng)度更強(qiáng)（圖6c）的重要原因，其機(jī)制與Li and Niu（2012）在階梯式嵌入對流群中的研究結(jié)果類似，他們發(fā)現(xiàn)嵌入對流群中發(fā)展更高的對流云降水強(qiáng)度更強(qiáng)，因為其固態(tài)降水粒子含量相對更高，冷云、暖云降水共同作用使降水強(qiáng)度更大。

綜上所述，從降水機(jī)制來看嵌入對流特征體現(xiàn)在以下兩個方面：一方面，嵌入對流中心的液水含量相對更大，其暖云降水要強(qiáng)于屬于同一片大范圍降水云系中的普通孤立對流云，這是嵌入對流強(qiáng)降水相對持續(xù)更久的重要原因；另一方面，在液水含量相當(dāng)?shù)那闆r下，更大的固態(tài)水含量將給嵌入對流帶來更強(qiáng)的降水強(qiáng)度及持續(xù)更久的強(qiáng)降水。

需要特別說明的是，我們模擬的只是個例，所以根據(jù)5.1.2節(jié)和5.1.3節(jié)的分析并不能得出嵌入對流一定比同等條件下生成的普通對流發(fā)展更旺盛或降水更強(qiáng)這樣的結(jié)論（真實大氣中兩者也不可能完全處于同等條件）。我們只是通過此個例探究了本次強(qiáng)降水過程中嵌入對流相對于普通對流的發(fā)展特征及其內(nèi)在物理機(jī)制，具有一定參考價值，這一點在下文5.2節(jié)中分析嵌入對流云系中層云特征時同樣如此，在下文不再贅述。

5.1.4 嵌入對流內(nèi)層云對對流云的潛在影響

由 5.1.1節(jié)分析可以看出，就本次模擬而言，相比普通孤立對流云嵌入對流的生命期更長久，降水強(qiáng)度更大，強(qiáng)降水持續(xù)時間也更久。而 5.1.2節(jié)和 5.1.3節(jié)的分析進(jìn)一步說明嵌入對流發(fā)展相對更旺盛的原因在于嵌入對流低層的水汽輻合更強(qiáng)，聚集不穩(wěn)定能量更多，嵌入對流內(nèi)的液態(tài)水含量相對更大等。這不由進(jìn)一步引發(fā)思考：嵌入對流中心相對普通對流云的這些特征是不是因為其周圍層云對它存在促進(jìn)作用？

要回答這個問題需另做敏感性試驗，所幸前人的工作可以在一定程度上給出答案。黃美元等（1986，1987）、Hong（1998）通過數(shù)值模擬試驗說明：層狀云的存在使積云處在一種飽和且有含水量的環(huán)境中，積云側(cè)邊界的湍流和夾卷作用不再使積云損失水汽和能量而耗散其發(fā)展的能量，積云頂也不會進(jìn)入非飽和的空間造成云滴蒸發(fā)而使云中浮力減小；另外層狀云的存在也使流入積云內(nèi)的空氣比較潮濕，這些因素促使積云低層輻合加強(qiáng)，凝結(jié)量增加，因此釋放出的潛熱增多，上升氣流加強(qiáng)，入流水汽量繼續(xù)加大，從而進(jìn)一步增大凝結(jié)量、云水和雨水量并增強(qiáng)降水，形成一種正反饋。上述數(shù)值實驗所使用的模式是二維的，存在一定局限性，但他們所得結(jié)果與我們所模擬出的嵌入對流與普通對流的差異以及這種差異的內(nèi)在物理機(jī)制相吻合。

5.2 嵌入對流內(nèi)層云特征分析

前面分析了嵌入對流內(nèi)對流中心的特征，那么嵌入對流內(nèi)的層云又有何特征？與5.1節(jié)的分析方法相似，為了探討這個問題，可以比較同一片大范圍云系中嵌入對流內(nèi)的層云和單純的普通層云發(fā)展趨勢的差異。我們發(fā)現(xiàn)在模擬的500～630 min時間內(nèi)（40°～41°N，119°～122°E）區(qū)域內(nèi)存在不受對流云影響的層云（圖9a、c、e）；而嵌有對流的層云在這里選取第二個嵌入對流個例，不考慮第一個個例是因為其中的層云在嵌入發(fā)生之前就已經(jīng)比較旺盛（圖3），可能掩蓋對流云對其發(fā)展?jié)撛诘挠绊憽?/p>

5.2.1 嵌入對流內(nèi)層云與單純層云發(fā)展對比

由圖9a、c、e可看出單純的層云隨時間發(fā)展其垂直尺度變化不大，從520到600 min時間內(nèi)始終維持在650到500 hPa之間。嵌入對流云系中的層云則不然，尤其是層云在被嵌入之前處于對流云上方這種情況（第二個嵌入對流個例），其發(fā)展特別迅速：560 min（圖9b）時，層云尚位于對流云上方，此時的層云尺度與圖9a中的層云大致相當(dāng)。但隨著對流云的嵌入，云系內(nèi)的層云發(fā)展迅速，垂直范圍快速擴(kuò)展，含水量緩慢增大的同時，其垂直

分布也從560 min時的600～500 hPa（圖9b）的垂直范圍逐漸發(fā)展到640 min時的從近地層到300 hPa高空的垂直范圍（圖9d、f）。由此看出嵌入對流中層云的特征體現(xiàn)在：隨著對流云的嵌入，層云的垂直尺度會快速擴(kuò)大，而單純的普通層云的垂直尺度在短時間內(nèi)則變化較小。

圖9 云系含水量（單位：g kg-1）的垂直剖面：（a、c、e）普通層云；（b、d、f）嵌入對流云系中的層云 Fig. 9 Vertical cross sections of cloudy water content (units: g kg-1): (a, c, e) Usual stratiform cloud; (b, d, f) the stratiform cloud of embedded convective cloud system

圖10a、b比較了單純層云與嵌入對流內(nèi)層云中最大比含水量和對應(yīng)地面最大降水強(qiáng)度隨時間的變化。需要指出的是這里所指的嵌入對流內(nèi)的層云是指從對流中心向外上升氣流逐漸小于0.1 m s-1的含水區(qū)域。對比上述兩種層云內(nèi)最大降水強(qiáng)度和最大含水量的發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部嵌有對流的層云隨著嵌入的發(fā)生，其最大降水強(qiáng)度和最大含水量隨時間發(fā)展存在遞增趨勢（圖10b）；而孤立的層云內(nèi)最大降水強(qiáng)度和最大含水量隨時間的發(fā)展并沒有特別明顯的變化趨勢。這進(jìn)一步說明嵌入對流內(nèi)的層云在被對流云嵌入之后會快速發(fā)展，垂直范圍擴(kuò)展的同時垂直累積含水量增大，并使其對應(yīng)的地面降水強(qiáng)度隨之增強(qiáng)。

5.2.2 嵌入對流內(nèi)層云降水機(jī)制

圖11給出嵌入對流內(nèi)層云中的液水和固態(tài)水含量在對流云嵌入過程中的發(fā)展變化。當(dāng)層云處于對流云上方時（圖9b），層云逐漸被發(fā)展的對流云嵌入，這個過程中層云內(nèi)固態(tài)和液態(tài)水含量都明顯增大。由圖11a、b看出層云內(nèi)云水、雨水含量最大值隨著嵌入對流云系的發(fā)展都明顯增大了，而層云垂直尺度的擴(kuò)展主要是由于500 hPa以下低層雨水含量的增大；另外，嵌入對流中層云內(nèi)固態(tài)水含量在嵌入對流的發(fā)展過程中增大了近10倍（圖11c、d），而對于上一節(jié)中提到的普通層云，其固態(tài)和液態(tài)水含量隨時間變化均沒有呈現(xiàn)出如此顯著的增幅（圖略）。圖11d中還可看出層云在300 hPa附近存在少量冰晶，最大值約0.015 g kg-1，這可能與對流云對層云的自然播撒作用有關(guān)。需要指出的是，圖11中不同時刻的層云內(nèi)固態(tài)和液態(tài)水垂直廓線分布均取自距對流中心同方向等距離（約5 km）位置的層云內(nèi)。

5.2.3 嵌入對流內(nèi)對流云對層云的潛在影響

與5.1.4節(jié)類似，就本次模擬而言我們發(fā)現(xiàn)嵌入對流內(nèi)層云的發(fā)展比普通層云旺盛，最大含水量和降水強(qiáng)度增幅顯著，云內(nèi)的固態(tài)、液態(tài)水含量都在發(fā)展增大，但層云內(nèi)的上述這些變化與對流云的嵌入是否直接相關(guān)還不確定。Hong（1998）在模擬層云和對流云的相互影響時發(fā)現(xiàn)，對流云附近的層云會隨著對流云的發(fā)展逐漸消散，而距對流云較遠(yuǎn)處的層云反而發(fā)展起來并伴隨降水增強(qiáng)，這與我們的模擬結(jié)果不一致，圖9b、d、f清晰的顯示對流云周圍的層云發(fā)展更旺盛。而李艷偉等（2009）在積層混合云中的模擬發(fā)現(xiàn)，對流云向周圍層云輸送含水物和垂直動能，并得出結(jié)論認(rèn)為對流云依靠消耗自身的水分和能量支持著周圍層云的發(fā)展。相對而言，李艷偉等（2009）的研究結(jié)果與我們的模擬更相似，但嵌入對流中對流云對周圍層云的影響還需進(jìn)一步研究。

圖10 個例中層云最大含水量（單位：g kg-1）和最大降水強(qiáng)度 [單位：mm (10 min)-1] 隨時間的變化：（a）普通層云；（b）嵌入對流云系中的層云Fig. 10 Time variations of maximum water content (units: g kg-1) and maximum precipitation intensity [units: mm (10 min)-1] of stratiform cloud: (a) Usual stratiform cloud; (b) the stratiform cloud of embedded convective cloud system

圖11 嵌入對流內(nèi)層云中（a、b）液態(tài)水含量（單位：g kg-1）和（c、d）固態(tài)水含量（單位：g kg-1）垂直廓線：（a、c）560 min；（b、d）650 min。其中（a）、（b）中紅線代表雨水，黑線代表云水；（c）、（d）中紅線代表霰，黑線代表雪晶，綠線代表冰晶Fig. 11 Vertical profiles of liquid and solid water contents (units: g kg-1) of the stratiform cloud in embedded convection: (a) Liquid water content at 560 min;(b) liquid water content at 650min; (c) solid water content at 560min; (d) solid water content at 650 min. The red lines in (a) and (b) represent rain water, the black lines cloud water. The red lines in (c) and (d) represent graupel, and the black and green lines represent snow and ice crystal, respectively

6 小結(jié)

本文選用新一代中尺度數(shù)值模式WRF，對2010年 7月 1日發(fā)生在東北地區(qū)的一次嵌入對流天氣進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)了兩個較典型的嵌入對流個例，所得主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)日天氣形勢有利于嵌入對流的形成，所發(fā)現(xiàn)的兩個嵌入對流個例均為低層對流云嵌入到高層云系中，但形成方式略有不同，其中由對流云嵌入位于其上方的層云所形成的嵌入對流發(fā)展更加旺盛并給地面帶來更強(qiáng)降水。

（2）相對模擬區(qū)域內(nèi)孤立對流云，嵌入對流中對流云特征體現(xiàn)在：從發(fā)展趨勢看其生命周期更長，強(qiáng)度維持更久；從發(fā)展機(jī)制來看低層水汽輻合更強(qiáng)，較大的不穩(wěn)定能量更多集中在低層；從降水機(jī)制看嵌入對流內(nèi)對流云的液水含量更大，而在液水含量相當(dāng)?shù)那度雽α髦懈蟮墓虘B(tài)水含量會帶來更強(qiáng)的降水強(qiáng)度。

（3）相對模擬區(qū)域內(nèi)的普通層云，嵌入對流中層云特征體現(xiàn)在：從發(fā)展趨勢看垂直尺度隨時間逐漸擴(kuò)大，含水量和降水強(qiáng)度也呈遞增趨勢；從降水機(jī)制看云內(nèi)固態(tài)和液態(tài)水含水含量均隨時間顯著增大，而單純層云內(nèi)的上述變化均不明顯。

（4）本研究旨在分析嵌入對流混合云系和模擬區(qū)域內(nèi)普通的對流云以及層狀云之間的差異及導(dǎo)致這種差異的深層次內(nèi)在物理機(jī)制，而對于嵌入對流內(nèi)兩種云之間的相互作用則需要做進(jìn)一步的試驗分析。結(jié)合過往的研究我們認(rèn)為層云的確能促進(jìn)嵌入其內(nèi)的對流云的發(fā)展，但對流云對其周圍層云的影響機(jī)制則比較模糊。

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