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    六盤山地區(qū)一次低槽低渦云系結(jié)構(gòu)及其降水機(jī)制的數(shù)值模擬研究

    2021-04-14 06:58:18高亮?xí)φ褂栀Z爍張沛安琳常倬林桑建人趙文慧王偉健
    大氣科學(xué) 2021年2期
    關(guān)鍵詞:云系六盤山云水

    高亮?xí)φ褂栀Z爍張沛安琳常倬林桑建人趙文慧王偉健

    1中國(guó)氣象科學(xué)研究院中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081

    2寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川750002

    1 引言

    國(guó)內(nèi)外大量播云試驗(yàn)結(jié)果表明,只要云物理?xiàng)l件、催化部位和催化劑量選擇合適,地形云是人工增雨效果較好的云系,雨量可增加15%以上(孫晶等,2009a;Pokharel et al.,2014;Jing et al.,2016;Xue et al.,2016)。因此,地形云被視為最具有催化潛力和催化可行性的人工影響云系。不同尺度、不同形態(tài)特征的地形,與天氣系統(tǒng)相互作用,產(chǎn)生的動(dòng)力、熱力效應(yīng),對(duì)云和降水形成過(guò)程有顯著影響且十分復(fù)雜(廖菲等, 2007; 朱素行等, 2010; Houze,2012;王凌梓等,2018)。加之六盤山地區(qū)是我國(guó)西北地形云人工增雨重點(diǎn)試驗(yàn)示范區(qū),因此深入研究六盤山降水云系的微物理結(jié)構(gòu)、降水形成機(jī)制及地形對(duì)云系和降水的影響,對(duì)于人工增雨技術(shù)研究很有必要。

    隨著中尺度數(shù)值模式的不斷發(fā)展和完善,數(shù)值模擬在云降水的研究中發(fā)揮著越來(lái)越大的優(yōu)勢(shì),尤其針對(duì)山地降水,國(guó)內(nèi)外學(xué)者都開(kāi)展了大量的數(shù)值試驗(yàn)。Buzzi et al.(1998)利用BOLAM模式進(jìn)行敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),地形對(duì)降雨的量級(jí)和分布起決定性作用。?uri?et al.(2003)使用云分辨模式ARPS研究Western Morava Valley 的河谷地形對(duì)孤立積雨云發(fā)展、傳播的影響,指出地形在積雨云的發(fā)展中起到了重要作用,當(dāng)有地形存在時(shí),積雨云的對(duì)流加強(qiáng),傳播速度更快。Kirshbaum et al.(2007)通過(guò)在俄勒岡州的觀測(cè)和數(shù)值模擬,認(rèn)為氣流通過(guò)小尺度障礙物后,地形背風(fēng)波會(huì)在地形云的前緣形成上升氣流,觸發(fā)并形成背風(fēng)坡雨帶。Z?ng(2007)利用MM5模式對(duì)兩次阿爾卑斯山暴雨個(gè)例進(jìn)行了動(dòng)力和云物理研究,指出強(qiáng)的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)及較低的凍結(jié)層高度有利于山脈迎風(fēng)坡大范圍強(qiáng)降水的產(chǎn)生。劉玉寶等(1995)利用非靜力平衡中尺度大氣模式MBG(二維云模式)對(duì)沙特阿拉伯ASIR 山區(qū)的一次混合相對(duì)流云降水個(gè)例進(jìn)行模擬分析,發(fā)現(xiàn)“seeder-feeder”降水機(jī)制普遍存在于ASIR 山區(qū)對(duì)流降水中,它對(duì)后期新生對(duì)流和山脊處長(zhǎng)生命對(duì)流降水發(fā)展有較大影響。在國(guó)內(nèi),針對(duì)地形作用下云降水系統(tǒng)的特征也開(kāi)展了較多數(shù)值模擬研究。樓小鳳等(2001)使用三維云模式,對(duì)發(fā)生在湖北的一次對(duì)流降水進(jìn)行平坦地面和理想斜坡地形的模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)地形的作用與地形的陡峭程度有關(guān),坡度較大時(shí),產(chǎn)生較強(qiáng)的上升氣流,從而使系統(tǒng)對(duì)流發(fā)展旺盛,產(chǎn)生較大的降水和較強(qiáng)的回波。劉衛(wèi)國(guó)和劉奇?。?007a,2007b)利用改進(jìn)后的ARPS研究祁連山的兩個(gè)夏季降水個(gè)例發(fā)現(xiàn),地形的存在使云的宏微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化,云的主要降水機(jī)制也受到影響甚至被改變。其他模擬結(jié)果還發(fā)現(xiàn)祁連山北坡陡峭的地形是祁連山云系降水的主要?jiǎng)恿C(jī)制,氣流除在山前有繞流外同時(shí)沿北坡爬升;祁連山地形對(duì)大范圍的降雪落區(qū)影響不明顯,但對(duì)北坡降雪中心形成有直接影響(孫晶等,2009b; 邵元亭等,2013)。馬玉芬等(2012)采用中尺度數(shù)值模式WRF,對(duì)發(fā)生在天山地區(qū)的一次強(qiáng)天氣過(guò)程進(jìn)行地形敏感試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),天山山脈對(duì)西南暖濕氣流有分流和阻擋抬升作用,容易在迎風(fēng)坡形成降水,增加地形高度,迎風(fēng)坡降雨量有明顯增幅。

    隨著微物理方案的不斷改進(jìn),利用模式研究地形影響下云和降水的微物理過(guò)程也有了一定的進(jìn)展。對(duì)青藏高原的模擬研究發(fā)現(xiàn),冰相過(guò)程在高原云和降水過(guò)程中起著重要的作用,地面降水主要由霰粒子的融化產(chǎn)生,暖云過(guò)程對(duì)降水的直接貢獻(xiàn)很小,但卻是霰胚的主要源項(xiàng)(劉黎平等,1999;唐潔等,2018)。廖菲等(2009)研究華北地形對(duì)暴雨的影響發(fā)現(xiàn),地形高度的增加有利于迎風(fēng)坡附近水平風(fēng)場(chǎng)輻合和垂直上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展,促進(jìn)冰相粒子(雪和霰)的增多,但不會(huì)明顯改變?cè)苾?nèi)降水機(jī)制。侯瑞欽等(2010)對(duì)太行山迎風(fēng)坡降水的云微物理結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn),降水過(guò)程既包含地形作用造成的暖云降水,又包含汽、水、冰三相混合的冷云降水,且當(dāng)冰相粒子與液態(tài)水的中心上下接近垂直時(shí),1 h 降水量最大。郭欣等(2013)對(duì)北京地區(qū)地形云和降水的研究指出,在弱濕條件不穩(wěn)定大氣層流下,地形降水主要由地形動(dòng)力抬升造成的暖云微物理過(guò)程產(chǎn)生,地形重力波形成的波狀云幾乎不產(chǎn)生降水,而在較強(qiáng)氣流速度下,冷云微物理過(guò)程會(huì)大幅度增強(qiáng),但整體來(lái)看,暖云微物理過(guò)程都占主導(dǎo)地位。于曉晶和趙勇(2016)認(rèn)為,天山地形對(duì)高層雪晶和冰晶的高度分布影響不大,但對(duì)二者的中心值和維持時(shí)間影響顯著。

    六盤山位于西北地區(qū)東南部,陜甘寧交界處,是全國(guó)為數(shù)不多的近南北走向的狹長(zhǎng)山地,相對(duì)于其西部的祁連山、青藏高原,以及南部的秦嶺大巴山,六盤山屬于小尺度地形,東西跨度50公里左右,南北跨度100多公里(范圍約為34.9°N~36.13°N,105.6°E~106.7°E),山地東坡陡峭,西坡和緩,六盤山將該區(qū)域分為東西兩壁,呈南高北低之勢(shì),海拔大部分在1500~2200 m(地形高度分布見(jiàn)圖4)。已有統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn),寧夏南部山區(qū)(六盤山)年降水量在500 mm 以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于寧夏中部和北部100~300 mm 的年降水量,這除了與西北地區(qū)大氣可降水量由東南向西北遞減的分布特征有關(guān),還與南部山區(qū)地形影響下的云系可能產(chǎn)生更豐沛的降水有關(guān)。關(guān)于六盤山地區(qū)云降水的時(shí)空分布特征以及地形對(duì)降水的影響,近年來(lái)已有部分學(xué)者利用觀測(cè)和再分析資料開(kāi)展了研究,但由于山區(qū)地面測(cè)站和天氣雷達(dá)的布設(shè)較為稀疏和不均勻,觀測(cè)數(shù)據(jù)缺乏,對(duì)云降水微物理特征及降水機(jī)理的研究還較少。

    為了開(kāi)發(fā)六盤山區(qū)的云水資源,有效緩解鄰近區(qū)域水資源短缺狀況,改善生態(tài)環(huán)境,在該地區(qū)開(kāi)展人工增雨是有效途徑之一。但到目前為止,對(duì)地形云系的人工增雨作業(yè)技術(shù)還不成熟,需要加強(qiáng)研究。作為研究人工增雨技術(shù)的基礎(chǔ),有必要對(duì)該地區(qū)降水云系的微物理結(jié)構(gòu)、降水機(jī)制以及地形的影響開(kāi)展深入的研究。本文利用中尺度數(shù)值模式WRF,選取2018年夏季發(fā)生在六盤山區(qū)的一次降水過(guò)程進(jìn)行高分辨率數(shù)值模擬,利用實(shí)測(cè)資料、NCEP再分析資料、FY-2G 衛(wèi)星亮溫?cái)?shù)據(jù)以及多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析六盤山區(qū)域降水云系的微物理結(jié)構(gòu)、降水形成機(jī)制及地形對(duì)其的影響。

    2 降水天氣過(guò)程簡(jiǎn)析

    從2018年8月21日08:00(北京時(shí),下同)500 hPa 形勢(shì)場(chǎng)(圖1a)可以看到,位于甘肅南部有一個(gè)短波槽,寧夏南部受短波槽槽前西南暖濕氣流影響,同時(shí),在寧夏南部有風(fēng)速輻合,動(dòng)力條件良好。700 hPa(圖1b)上,在甘肅中部有低渦環(huán)流發(fā)展,寧夏南部處低渦前部偏南氣流中。近地面(750 hPa)水汽通量場(chǎng)(圖1c)顯示,在寧夏南部及甘肅的交界地區(qū)水汽充沛。水汽條件和動(dòng)力條件都有利于寧夏南部地區(qū)對(duì)流性降水的產(chǎn)生。

    從風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星(FY-2G)TBB(Black-Body Temperature)圖(圖2)上看,8月21日12:00寧夏南部上空出現(xiàn)弱對(duì)流云團(tuán),出現(xiàn)位置在750 hPa水汽通量大值區(qū),云頂亮溫值在-30°C~-50°C之間,云頂較高,云層深厚。此后,云系緩慢向東南偏南方向移動(dòng),到15:00(圖2b),對(duì)流云團(tuán)依然位于寧夏南部偏西部地區(qū),云區(qū)南端向南擴(kuò)展,對(duì)流增強(qiáng),中心亮溫值低于-50°C。到18:00(圖2c),云系強(qiáng)區(qū)移出六盤山區(qū),在甘肅與陜西的交界處形成了一條較強(qiáng)的對(duì)流云帶,隨后這條云帶移入了陜西境內(nèi)。結(jié)合圖3a 的12小時(shí)地面累積降水,可以看出此次降水主要發(fā)生在寧夏南部、寧夏與甘肅交界以及甘肅與陜西的交界位置上,部分地區(qū)12小時(shí)累積降水達(dá)到70 mm 以上,六盤山山區(qū)降水持久,降水較強(qiáng),山脈東坡降水強(qiáng)于西坡,東北—西南的帶狀強(qiáng)降水區(qū)(紅色)與圖2c顯示的強(qiáng)對(duì)流云帶位置和走向一致,強(qiáng)降水區(qū)的分布可能與山區(qū)地形有關(guān)。這次降水過(guò)程是在高空500 hPa 短波槽和700 hPa 低渦共同作用下形成的,降水云系是低槽低渦云系。

    圖1 2018年08月21日08:00(北京時(shí),下同)(a)500 hPa 和(b)700 hPa 高度場(chǎng)(藍(lán)線,單位:dagpm)、溫度場(chǎng)(紅線,單位:°C)、流場(chǎng)(黑色箭頭)分布以及(c)750 hPa 水汽通量場(chǎng)(陰影,單位:g s-1 cm-1 hPa-1)和流場(chǎng)(黑色箭頭)分布Fig.1 Geopotential height (blue lines,units:dagpm),temperature(red lines,units:°C)and wind field (black barb)at (a)500 hPa and (b)700 hPa and(c)vapor flux (shaded,units:g s-1 cm-1 hPa-1)and wind field (black barb)at 750 hPa at 0800 BJT (Beijing time)on August 21,2018

    圖2 2018年8月21日(a)12:00、(b)15:00、(c)18:00 FY-2G 衛(wèi)星觀測(cè)的TBB(Black-Body Temperature;陰影,單位:°C)分布?!埃贝砹P山自動(dòng)氣象站位置,紅色方框?yàn)榱P山區(qū)域,下同F(xiàn)ig.2 TBB(Black-Body Temperature;shaded, units:°C)observed by satellite FY-2G at(a)1200 BJT,(b)1500 BJT,and(c)1800 BJT on August 21,2018.The symbol “+”indicates the location of Liupan Mountain station,red box is Liupan Mountain area,similarly hereinafter

    3 云系的數(shù)值模擬

    3.1 模式參數(shù)設(shè)置

    本文采用中尺度數(shù)值模式WRF(V3.9.1.1版本),以時(shí)間分辨率為6 h,空間分辨率為1°×1°的NCEP再分析資料作為模式初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件,模擬了2018年08月21日發(fā)生在六盤山區(qū)域的一次降水過(guò)程。

    模擬區(qū)域以(36.00°N,106.10°E)為中心,設(shè)置為三重嵌套網(wǎng)格(圖4所示),格距分別為18 km、6 km、2 km,垂直方向上分為不等間距的30層,水平格點(diǎn)數(shù)分別為100×100、151×151、217×217,時(shí)間步長(zhǎng)為54 s、18 s、6 s。選取適合高分率模擬的四種顯示云分辨方案(朱士超等,2011):Thompson 方案、Lin 方案、WSM6方案、Morrison2方案,進(jìn)行云微物理方案的敏感性試驗(yàn),綜合地面降水量和雷達(dá)回波的模擬結(jié)果,通過(guò)與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,選擇出模擬六盤山區(qū)云降水過(guò)程的最優(yōu)云微物理方案Lin 方案,下面的分析將采用Lin 方案的模擬結(jié)果。其他物理過(guò)程參數(shù)化方案設(shè)置:長(zhǎng)波輻射RRTM方案,短波輻射Dudhia 方案,積云對(duì)流參數(shù)化Kain-Fritsch(最里層關(guān)閉)方案。此外,近地面層方案為修正的MM5 Monin-Obukhov 方案,陸面過(guò)程方案為Noah land-surface model 方案,邊界層方案為YSU 方案,本文研究主要采用最里層模擬結(jié)果,10 min 輸出一次。

    3.2 模擬結(jié)果檢驗(yàn)

    利用實(shí)測(cè)的地面降水和雷達(dá)回波來(lái)檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果。從圖3a、b模擬與實(shí)測(cè)的12 h 累積降水分布可以看出,模擬云系的雨帶形狀、走向、降水量級(jí)與觀測(cè)結(jié)果基本一致,只是模擬的雨帶位置偏西偏南。另外,將模擬的3 h 累積降水與實(shí)測(cè)降水進(jìn)行對(duì)比(圖略),發(fā)現(xiàn)降水自六盤山的西北側(cè)生成,隨著系統(tǒng)東移,降水區(qū)向東南方向移動(dòng),降水區(qū)域有所擴(kuò)展,降水強(qiáng)度也略有增加,模擬結(jié)果也再現(xiàn)了這一演變特征,同時(shí)與圖2衛(wèi)星觀測(cè)到的對(duì)流云帶移動(dòng)方向也較為一致,但模擬降水相對(duì)實(shí)測(cè)降水移動(dòng)速度更為緩慢。

    圖5給出了不同時(shí)刻(12:00、15:00、18:00)觀測(cè)與模擬的雷達(dá)組合反射率圖。模式基本模擬出了回波的位置、強(qiáng)度和移動(dòng)方向。大部分地區(qū)的組合反射率在25~35 dB Z 之間,在寧夏南部和甘肅的東南部地區(qū),出現(xiàn)了大于40 dB Z 的強(qiáng)回波,回波向東南方向移動(dòng),但模擬的回波移動(dòng)稍滯后于觀測(cè)結(jié)果。

    圖6是模式與觀測(cè)對(duì)比的崆峒站08:00和12:00溫度和露點(diǎn)溫度圖,黑色代表觀測(cè)結(jié)果,紅色代表模擬結(jié)果,模式可以比較準(zhǔn)確的模擬出溫度和大氣濕度的變化,模擬的3 km 以上的風(fēng)速風(fēng)向及變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)非常相似(未能準(zhǔn)確模擬出3 km以下風(fēng)的變化)。

    對(duì)模擬云系演變過(guò)程的分析(第4節(jié)圖7)表明,模擬云系的動(dòng)力場(chǎng)與實(shí)際天氣形勢(shì)場(chǎng)非常吻合,500 hPa 存在高空低槽,700 hPa 是低渦,屬低槽低渦云系。

    總體而言,模式基本再現(xiàn)了此次降水過(guò)程的降水強(qiáng)度、落區(qū)和系統(tǒng)移動(dòng)方向以及環(huán)境背景場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上,本文將利用模擬結(jié)果,進(jìn)一步分析本次低槽低渦降水云系的微物理結(jié)構(gòu)、降水機(jī)制以及六盤山地形對(duì)降水的影響。

    圖3 2018年8月21日12 h(08:00~20:00)研究區(qū)域累積降水分布(單位:mm,“+”代表六盤山自動(dòng)氣象站位置):(a)觀測(cè)降水;(b)模擬降水(降低地形前);(c)模擬降水(降低地形后)。黑色虛線為1900 米以上地形高度Fig.3 12-h cumulative rainfall(units:mm)(a)observed,(b)simulated,and (c)simulated with lower altitude from 0800 BJT to 2000 BJT on August 21,2018.The black dotted line indicates altitude over 1900 m

    4 模擬云系的演變過(guò)程

    圖4 三層嵌套模擬區(qū)域(彩色陰影:地形高度)Fig.4 Three-nested simulation domains(color shadings indicate the terrain height)

    本次降水過(guò)程主要受高空短波槽和地面氣旋的影響,隨著系統(tǒng)向東南移動(dòng),經(jīng)過(guò)六盤山,在山區(qū)產(chǎn)生了強(qiáng)降水。通過(guò)分析模擬各時(shí)次各高度上的云場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn),模擬云系也是在高空槽配合低渦這樣的動(dòng)力場(chǎng)作用下形成的,隨著系統(tǒng)東南移,云系也向東南移動(dòng)。由于受到低層低渦風(fēng)場(chǎng)的影響,在山脈西側(cè)有來(lái)自西南偏南的氣流,山脈東側(cè)有來(lái)自東南方向的氣流,且隨著氣旋移近六盤山,東側(cè)的低層風(fēng)逐漸偏東,山脈東側(cè)成為文中所指的迎風(fēng)坡。由700 hPa(及以下)云場(chǎng)可見(jiàn),受六盤山阻擋,低層?xùn)|南方向輸送來(lái)的水汽在山的迎風(fēng)坡一側(cè)形成了地形云。

    12:00,500 hPa 低槽位于六盤山的西部,大范圍的西南氣流流過(guò)山脈,高空云系出現(xiàn)在槽前位置西南氣流中(圖7a),而低空(700 hPa)有低渦與高空槽配合(圖7b),山脈東西兩側(cè)都為南向氣流,從西側(cè)的南向氣流向東側(cè)的東南向氣流變化,六盤山區(qū)域出現(xiàn)一些零散分布的云區(qū),還沒(méi)有形成云系。云系出現(xiàn)在低渦流場(chǎng)的輻合場(chǎng)中,即在低渦移向前部形成了云系。

    圖5 2018年08月21日(a、d)12:00、(b、e)15:00、(c、f)18:00觀測(cè)(第一行)和模擬(第二行)的雷達(dá)組合反射率(陰影,單位:dB Z)對(duì)比Fig.5 Observed(top line)and simulated (bottom line)combined reflectivity(shaded,units:dB Z)at (a,d)1200 BJT,(b,e)1500 BJT,and (c,f)1800 BJT on August 21,2018

    圖6 2018年08月21日(a)08:00和(b)20:00崆峒(53915)站探空曲線對(duì)比(黑色代表觀測(cè),紅色代表模擬,實(shí)線為溫度,虛線為露點(diǎn)溫度)Fig.6 Observed(black)and simulated(red)sounding profiles(solid lines:temperature,dotted lines:dew point temperature)of Kongtong(53915)station at (a) 0800 BJT,(b)2000 BJT on August 21,2018

    14:30(圖7c、7d),低槽東移接近六盤山區(qū),低渦東南移也向山脈接近,但和12:00相比,高空槽和低渦的相對(duì)位置發(fā)生了變化,槽的東移速度快于低渦。山體西側(cè)南部,高空是西南氣流,低層幾乎是南向氣流,在槽前和低渦南向與西南向的氣流輻合區(qū)中,形成了較強(qiáng)的帶狀云區(qū)(紅色)。而山體東側(cè)的偏北部,低層?xùn)|南氣流使東側(cè)成為迎風(fēng)坡,也形成一條南北向的較強(qiáng)帶狀云區(qū)(紅色)。

    隨著系統(tǒng)移入六盤山區(qū),降水云系也覆蓋山區(qū)上空,水凝物混合比明顯增大,尤其是東側(cè)迎風(fēng)坡。到了17:00,槽移動(dòng)到山區(qū)上空,受系統(tǒng)和地形共同的影響,山區(qū)降水達(dá)到最強(qiáng)。700 hPa 云系圖(圖7f)顯示,迎風(fēng)坡水凝物含水量明顯高于周邊(圖7d),此時(shí)迎風(fēng)坡的小時(shí)降水達(dá)20 mm 以上,明顯高于西側(cè)山區(qū)。

    云系的水平分布演變顯示,500 hPa 槽與700 hPa低渦相互配合,但隨著移近六盤山區(qū),高空槽移動(dòng)速度明顯快于地面氣旋,12:00槽與氣旋所在位置近似。14:30和低渦相比低槽位置偏東。17:00低槽已移到六盤山區(qū)上空,而低渦東移不明顯,相對(duì)位置偏后。到20:00,槽移到了六盤山東部,而氣旋仍在山區(qū)西部,沒(méi)有能越過(guò)山脊,應(yīng)該是六盤山的地形阻擋了低層氣旋東移,云系在山區(qū)上空移動(dòng)緩慢,造成山區(qū)降水持久,尤其是迎風(fēng)坡小時(shí)降水強(qiáng)度達(dá)暴雨級(jí)別,累積降水超過(guò)70 mm。

    從云系的發(fā)展演變過(guò)程可以看出,此次低槽低渦云系受到地形的明顯影響,尤其是動(dòng)力場(chǎng),地形影響了低渦東移速度并最終阻擋低層低渦越過(guò)山脊,使得高低層有組織的低值動(dòng)力系統(tǒng)相脫離,這不利于云和降水的發(fā)展;此外,山體東側(cè)的迎風(fēng)坡效應(yīng)可能有利于降水的形成。

    5 云降水微物理結(jié)構(gòu)及降水形成機(jī)制

    5.1 云系的垂直微物理結(jié)構(gòu)

    根據(jù)前文分析,本次降水主要集中在寧夏南部六盤山區(qū),下面將利用模式格距2 km 計(jì)算域輸出的不同水凝物(云水、云冰、雪、霰、雨水)的含水量來(lái)了解云降水的微物理結(jié)構(gòu)特征。圖8是12:00和17:00通過(guò)六盤山站(35.67°N,106.2°E)水凝物含水量的緯向剖面圖。

    從圖8a、b可見(jiàn),不同云區(qū)云體中的垂直微物理結(jié)構(gòu)是不同的。105.05°E上空有一個(gè)單體存在,云水區(qū)較厚,含水量較高,但其高層幾乎沒(méi)有冰晶(或者只存在含水量低于0.01 g kg-1的微量冰晶),雪和霰的含水量也較低,但地面產(chǎn)生了較強(qiáng)降水,說(shuō)明暖云過(guò)程對(duì)降水貢獻(xiàn)較大。山的東側(cè)106.3°E上空也存在一單體,云水含水量較高,云底高度較低,主要分布在零度層以下,為地形暖云。

    圖7 2018年08月21日(a、b)12:00、(c、d)14:30、(e、f)17:00、(g、h)20:00模擬的500 hPa(左列)和700 hPa(右列)的風(fēng)場(chǎng)(單位:m s-1)和水凝物混合比(陰影,單位:g kg-1)空間分布。黑色虛線為1900米以上地形高度,黑色粗實(shí)線表示槽線,字母“D”表示低渦位置Fig.7 Space distribution of simulated wind(units: m s-1)and hydrometeors mixing ratio(shaded, units:g kg-1)field of 500 hPa(left column)and 700 hPa(right column)at(a, b)1200 BJT,(c,d)1430 BJT,(e,f)1700 BJT,and (g, h)2000 BJT on August 21,2018.The black dotted line indicates altitudeover 1900 m,and black heavy linesindicatestrough-lines,and “D”indicates the location of vortex

    圖8 2018年08月21日(a、b)12:00和(c、d)17:00水凝物含水量(單位:g kg-1)沿六盤山站(35.67°N)的緯向—垂直剖面:(a、c)冰晶(紅線)和云水(陰影);(b、d)雨水(綠線)、霰(紅線)和雪(陰影)。黑色虛線:溫度(單位:°C);箭頭:風(fēng)場(chǎng)(單位:m s-1)Fig.8 Vertical sections of the water content(units:g kg-1)of hydrometeors in simulated cloud along Liupan Mountain station(35.67°N)at(a, b)1200 BJT and(c,d)1700 BJT:(a,c)Ice crystal(red solid line)and cloud water(shaded);(b,d)rain(green solid line),graupel(red solid line),and snow (shaded).Black line:isotherm (units:°C);arrow:wind field

    在105.2°E~105.8°E上空云層較為深厚,存在多個(gè)單體。冰晶主要分布在8~12 km 處,溫度達(dá)到-40°C,最大含水量為0.14 g kg-1。雪、霰區(qū)域的頂高與冰晶近似一致,最大含水量分別達(dá)到0.19 g kg-1和0.65 g kg-1,雪的區(qū)域下沿在6 km 高度,霰已降到4 km 高度附近。云水區(qū)分布在3~8 km高度,高含水量區(qū)位于云的暖區(qū),最大含水量約0.7 g kg-1,5~8 km(0°C~-15°C)之間存在過(guò)冷云水,雨水主要在云的暖區(qū)??梢?jiàn)在云中各水凝物主要分布高度不同。8 km 高度以上的最高層為冰晶、雪和霰粒子的共存區(qū),0°C 層高度(5 km)以上的過(guò)冷區(qū),同時(shí)存在過(guò)冷水、雪和霰,其中雪的含水量中心在云的高層,而霰的高含水量區(qū)靠近0°C層,云的暖區(qū)存在霰粒子、云水和雨水。高層是冰相、0°C以上過(guò)冷區(qū)是冰水混合相而暖區(qū)以液相為主的云體被稱為“催化—供給”云,此種結(jié)構(gòu)是重要的人工增雨條件(洪延超和周非非,2005;洪延超和李宏宇,2011)。在冰水混合層,冰晶、過(guò)冷水和水汽共存產(chǎn)生的貝吉龍過(guò)程以及高層向冰水混合層提供的冰相粒子與過(guò)冷水的撞凍增長(zhǎng)過(guò)程都有利于降水的形成。

    此外,在六盤山站東側(cè)(106.5°E~107°E之間),高空存在冰雪組成的云,低層有云水,而中間存在無(wú)云區(qū),地面降水極少甚至沒(méi)有降水產(chǎn)生。

    結(jié)合圖8云系垂直剖面的分析可以看出,在云系不同部位,單體之間在垂直結(jié)構(gòu)上存在較大差異,如圖8a、c,選出對(duì)應(yīng)地面降水較強(qiáng)三個(gè)云單體,分別是12:00的點(diǎn)A(35.67°N,105.75°E)、B(35.67°N,106.3°E)以及17:00的點(diǎn)C(35.67°N,106.25°E)三處,進(jìn)一步分析六盤山不同云區(qū)的云體垂直結(jié)構(gòu)的微觀差異。

    圖9 2018年08月21日六盤山區(qū)云系不同部位(圖8中的A、B、C 三點(diǎn))水凝物含水量(單位:g kg-1,紅色虛線為零度層)廓線分 布:(a)點(diǎn)A(35.67°N,105.75°E);(b)點(diǎn)B(35.67°N,106.3°E);(c)點(diǎn)C(35.67°N,106.25°E)Fig.9 Vertical profiles of total water content(units:g kg-1)of hydrometeors in different places of Liupan Mountain cloud system(A,B,and C in Fig.8,red dotted line:0°C):(a)Point A(35.67°N,105.75°E);(b) point B (35.67°N,106.3°E);(c) point C (35.67°N,106.25°E)

    圖9給出了三個(gè)格點(diǎn)上空水凝物含水量的垂直分布情況。由圖9可見(jiàn),12:00,A處云中各水凝物含水量最大值出現(xiàn)的高度不同,由高到低依次是冰晶和雪、霰、云水和雨水。0°C層在5.1 km 左右,高層冰相粒子含量較豐富,同時(shí)存在豐富的過(guò)冷云水,霰粒子含水量最大值位于緊靠0°C層上方的過(guò)冷區(qū),并下落到4 km 左右的云暖區(qū)。雨水與云水含水量極大值都在云的暖區(qū)。因此水凝物的垂直分布可以分成三層:高層是完全由冰相粒子組成的冰相層;中層是冰水混合層,由雪、霰和過(guò)冷水組成;低層在云的暖區(qū),是液水層。而山脈東側(cè)B 處云中存在的主要水凝物是云水和雨水。0°C層高度(4.9 km)略低于西側(cè),高層冰晶、雪、霰冰相粒子含量極小,云水雨水都主要分布在零度層下方。水凝物的垂直分布也可分成三層,但冰相層中的冰粒子含水量極低,混合層中的過(guò)冷水含量也較低。17:00,C 處云中水凝物垂直分布與A點(diǎn)類似,可分為三層。冰相層中冰晶和雪的含水量很低,但混合層中過(guò)冷云水和過(guò)冷雨水含量較高,因此霰的含水量也較高。在云的液水層存在豐富的云水和雨水,尤其是雨水含量比結(jié)構(gòu)類似的A點(diǎn)的0.7 g kg-1要高很多,為1.92 g kg-1,對(duì)應(yīng)迎風(fēng)坡一側(cè)出現(xiàn)了強(qiáng)降水(圖8d)。

    由上可見(jiàn),A、B和C 三處云中,盡管垂直微物理結(jié)構(gòu)都可分成三層,屬于“催化—供給”云,但各層含水量的配置有很大區(qū)別,因此造成降水強(qiáng)度也有較大差別。下面將進(jìn)一步分析不同云系結(jié)構(gòu)造成地面降水差異的具體機(jī)理。

    5.2 云系降水機(jī)制

    由前文分析可知,12:00高空槽與低層氣旋所在位置近似,在垂直方向上相互對(duì)應(yīng),這樣的配置有利于垂直運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生。到17:00低槽已移到六盤山區(qū)上空,而低渦由于地形阻擋東移不明顯,相對(duì)位置偏后,產(chǎn)生對(duì)流的條件變差,但低層氣旋系統(tǒng)的東南向氣流通過(guò)地形的抬升有利于地形云的形成。

    在這樣的天氣背景下,如圖8a、b可見(jiàn),12:00六盤山站西部云體深厚,尤其是冰相粒子含水量較高,地面產(chǎn)生降水較強(qiáng)。冰晶、雪和霰粒子分布都存在重疊區(qū)域,含水量中心在垂直方向上相互對(duì)應(yīng),同時(shí)霰的高含水量中心對(duì)應(yīng)著雨水高值區(qū)(如A處)。在0°C以下,仍有霰存在,說(shuō)明霰粒子融化對(duì)雨水的形成有較大貢獻(xiàn)。而在六盤山的東部迎風(fēng)坡(B 處)存在含水量較高的云水層,位于零度層下方,為地形暖云,由低層氣旋系統(tǒng)的東南向氣流通過(guò)地形的抬升形成,高空冰相粒子含量較少,地面雨水最大含水量達(dá)到0.6 g kg-1,說(shuō)明降水以暖云過(guò)程為主。

    到了17:00(圖8c,d),低層暖云含水量較高,高含水量云層厚度較大,0~-10°C之間的云水含量較12:00豐富,而-10°C層高度以上的過(guò)冷云水含量較12時(shí)少。高層冰晶粒子主要位于10~12 km,分布范圍及含水量都相對(duì)變小,山區(qū)云中產(chǎn)生的冰晶和雪不多。霰含量較豐富,其含水量中心對(duì)應(yīng)著豐富的過(guò)冷云水,并有過(guò)冷雨水存在。兩個(gè)強(qiáng)降雨區(qū)(106.25°E 和106.85°E)都位于六盤山站東側(cè)迎風(fēng)坡,與上層霰粒子高值區(qū)和高云水區(qū)相對(duì)應(yīng),也與暖層高云水含量區(qū)對(duì)應(yīng),說(shuō)明有冷暖云過(guò)程共同參與降水的形成;在山的西側(cè)(如A處)上空云水層深厚,含水量高,但云底離地高度相對(duì)東側(cè)迎風(fēng)坡(C 處)更高,霰粒子高值中心在7 km 左右,下落到暖區(qū)的霰粒子極少。冷云過(guò)程減弱,低層碰并過(guò)程不足加上云底蒸發(fā),因此地面產(chǎn)生降水相對(duì)較弱。下面重點(diǎn)分析六盤山東側(cè)迎風(fēng)坡(C 處)降水形成機(jī)制以及迎風(fēng)坡與非迎風(fēng)坡產(chǎn)生降水機(jī)制的差異。圖10和圖11給出了A、C 點(diǎn)云中水凝物的源項(xiàng)分布。

    12:00,C 處的雨水(圖10a)由霰粒子融化(GMLT)和云水向雨水的自動(dòng)轉(zhuǎn)化(RAUT)產(chǎn)生,然后雨滴碰并云滴(RACW)進(jìn)一步增長(zhǎng),碰并云滴貢獻(xiàn)更大,但產(chǎn)生總量都較小。17:00,C處雨水(圖10b)源項(xiàng)在垂直方向上可分為兩部分,上層主要來(lái)自霰的融化,下層主要依靠云雨碰并過(guò)程,霰融化產(chǎn)生量極大值比雨水碰并產(chǎn)生量極大值高,但產(chǎn)生的總量更小??梢?jiàn)冷云和暖云過(guò)程對(duì)降水的形成都很重要,其中暖云過(guò)程貢獻(xiàn)更大,且在零度層上方也存在暖云過(guò)程。霰胚(圖11b)主要由雪撞凍過(guò)冷雨水(SACR)形成,從圖11d 霰增長(zhǎng)源項(xiàng)可見(jiàn),淞附過(guò)冷云水(GACW)和碰凍過(guò)冷雨水(GACR)是霰增長(zhǎng)的主要微物理過(guò)程,其中碰凍過(guò)冷雨水占主導(dǎo)地位。

    17:00,A處地面降水(圖10c)的產(chǎn)生也主要來(lái)源于霰粒子的融化和云雨碰并過(guò)程,碰并過(guò)程占主導(dǎo),且云底存在雨滴蒸發(fā)過(guò)程。霰胚(圖11a)主要通過(guò)雪撞凍過(guò)冷雨水形成,高層霰粒子(圖11c)通過(guò)碰并雪(GACS)和水汽凝華(GDEP)增長(zhǎng),落入過(guò)冷云水區(qū),凇附過(guò)冷云水和碰凍過(guò)冷雨水依次成為霰主要增長(zhǎng)源項(xiàng)。與東側(cè)迎風(fēng)坡的C 處相比較,產(chǎn)生降水的主要微物理過(guò)程相同,但貢獻(xiàn)量都低于C 處,尤其表現(xiàn)在低層的云雨碰并過(guò)程,C 處碰并產(chǎn)生量的極大值(4.48×10-3g kg-1s-1)位于3.26 km 左右,A處碰并產(chǎn)生量的極大值(2.3×10-3g kg-1s-1)位于4.48 km 左右,C 處近地暖云層中的碰并過(guò)程對(duì)降水的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于A處。盡管A處高層霰胚產(chǎn)量更豐富,但冰水混合層中撞凍過(guò)冷水對(duì)霰粒子增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)較小,極少霰粒子下落到暖區(qū),因此霰粒子融化對(duì)降水的貢獻(xiàn)也相對(duì)更小,冷云過(guò)程偏弱。

    圖10 2018年08月21日(a)12:00 C 點(diǎn)上空、17:00(b)C 點(diǎn)上空和(c)A點(diǎn)上空雨水源項(xiàng)(單位:10-3 g kg-1 s-1)廓線分布Fig.10 Vertical profiles of rain sources(units:10-3 g kg-1 s-1)in the air above point C (a)at 1200 BJT, point C (b)and point A(c)at 1700 BJT on August 21,2018

    圖11 2018年08月21日17:00 A點(diǎn)上空(左列)和C 點(diǎn)上空(右列)(a、b)霰胚源項(xiàng)和(c、d)霰增長(zhǎng)源項(xiàng)(單位:10-3 g kg-1 s-1)廓線分布Fig.11 Vertical profiles of (a, b)graupel formation sources and(c,d)graupel growth sources(units:10-3 g kg-1 s-1)in the air above point point A(left column)and point C (right column)at 1700 BJT on August 21,2018

    由上可見(jiàn),在六盤山東側(cè)迎風(fēng)坡,地形云有利于降水的產(chǎn)生。12:00,C 處云水層發(fā)展高度不高,云水層基本位于暖區(qū),高層冰相粒子極少,地面降水主要來(lái)源于暖云過(guò)程。到了17:00,近地暖云向上發(fā)展,與上部云層連成一體,云中豐富的過(guò)冷云水和過(guò)冷雨水促進(jìn)了高層冰相粒子的產(chǎn)生和快速增長(zhǎng),冰相粒子的參與使得冷云過(guò)程對(duì)降水做出更大貢獻(xiàn);同時(shí)暖云層含水量充沛,為降水粒子碰并增長(zhǎng)提供有利的云水條件,且云底高度低,雨滴在下落至地面時(shí)蒸發(fā)較少。因此在冷暖云過(guò)程共同作用下,迎風(fēng)坡降水達(dá)到最強(qiáng)。

    綜上所述,山區(qū)上空云體在垂直方向上基本滿足“催化—供給”云結(jié)構(gòu),但云區(qū)中不同部位的微物理結(jié)構(gòu)是不同的。各層不同的水凝物配置結(jié)構(gòu)使得各微物理過(guò)程對(duì)降水的貢獻(xiàn)不同,高層冰相粒子較豐富時(shí),以冷云過(guò)程為主,高層冰相粒子較少而暖區(qū)液水含量豐富時(shí),以暖云過(guò)程為主。另外在山體的東部迎風(fēng)坡,地形云一方面促進(jìn)了過(guò)冷層冰相粒子的增長(zhǎng),增強(qiáng)了冷云過(guò)程,另一方面深厚的暖云層又保障了暖云降水過(guò)程的發(fā)展,使得在冷暖云的共同作用下,山區(qū)東部產(chǎn)生較強(qiáng)降水。

    6 六盤山地形對(duì)降水的影響

    前文對(duì)云系發(fā)展演變的討論發(fā)現(xiàn),低層低渦在東移過(guò)程中,受到六盤山地形阻擋,移動(dòng)速度明顯落后于高空槽,在靠近山脊的過(guò)程中,移動(dòng)路徑逐漸偏南,使得相互配合的低渦低槽系統(tǒng)逐步脫離,這不利于云和降水的發(fā)展。同時(shí),低層氣旋的東南向氣流在山體東側(cè)受地形抬升形成地形云,在東部迎風(fēng)坡沿著地形高度出現(xiàn)了一條明顯的地形云帶。通過(guò)對(duì)微物理結(jié)構(gòu)和降水機(jī)制的分析得出,地形云使得東坡前期以暖云降水為主,隨后地形云向上發(fā)展,增加了冰水混合層中液水含量,為冰相粒子提供有利的增長(zhǎng)條件,從而增強(qiáng)了冷云過(guò)程。為了進(jìn)一步分析六盤山地形對(duì)降水的影響,將寧夏南部山區(qū)(包括六盤山在內(nèi))內(nèi)高于1900 m 的地形高度統(tǒng)一設(shè)定為1900 m(如圖3中黑色虛線),進(jìn)行地形敏感試驗(yàn),其他方案不變。當(dāng)降低地形高度后,山脈東部迎風(fēng)坡一側(cè)水汽輻合減弱,更多水汽集中到西側(cè)(圖略),使得迎風(fēng)坡累積降水減少,背風(fēng)坡累積降水略有增加(見(jiàn)圖3b和c)。下面選取迎風(fēng)坡的一個(gè)云單體對(duì)其結(jié)構(gòu)和降水源項(xiàng)進(jìn)行重點(diǎn)討論。

    圖12給出了17:00水凝物比含水量沿六盤山站(35.67°N)的緯向垂直剖面圖,可以看出,氣流在越過(guò)迎風(fēng)坡時(shí)出現(xiàn)了明顯的爬升運(yùn)動(dòng),水凝物在山前聚集,迎風(fēng)坡出現(xiàn)了較強(qiáng)降水。降低地形高度后,迎風(fēng)坡近地層的水平風(fēng)速減小,上升氣流減弱,低層水汽向上輸送減少,不利于云層的形成發(fā)展。對(duì)比降低地形前后迎風(fēng)坡C 處上空水凝物的垂直廓線分布(圖9c和圖13a)可以看出,降低地形高度后,主要影響了零度層下方暖云的形成,低層云水沒(méi)有足夠的動(dòng)力向上發(fā)展,云水呈現(xiàn)兩層結(jié)構(gòu),低層最大云水含量?jī)H有去掉地形前的七分之一左右,零度層上方霰粒子的含量也受到影響。由前文分析可知,與過(guò)冷雨水的碰凍是霰粒子增長(zhǎng)的主要源項(xiàng)過(guò)程,降低地形高度后,雖然高層的冰晶和雪粒子含量略有增加,即霰胚的源項(xiàng)轉(zhuǎn)化率增加,但過(guò)冷云區(qū)的暖云過(guò)程減弱,過(guò)冷雨水的匱乏限制了霰粒子的進(jìn)一步增長(zhǎng)。最終地面產(chǎn)生的雨水最大含水量?jī)H為原本的五分之一。對(duì)比圖10b和圖13b C 處雨水的源項(xiàng)分布,降低地形高度后,迎風(fēng)坡降水基本來(lái)源于霰粒子的融化,云雨碰并增長(zhǎng)過(guò)程大大減弱。因此六盤山地形主要影響了迎風(fēng)坡的暖云降水過(guò)程,同時(shí)通過(guò)影響霰粒子的增長(zhǎng)間接影響了冷云過(guò)程。

    由此可見(jiàn),六盤山地形對(duì)該地區(qū)降水的影響十分明顯。近似南北走向的山脈,一方面影響了低層系統(tǒng)的移動(dòng);另一方面地形的抬升促使迎風(fēng)坡水汽上升凝結(jié),促進(jìn)云和降水的發(fā)展,增強(qiáng)暖云降水過(guò)程同時(shí)也增強(qiáng)冷云過(guò)程。

    7 結(jié)論

    圖12 2018年08月20日(a)降低地形前、(b)降低地形后17:00總的水凝物含水量(單位:g kg-1,陰影)、溫度(單位:°C,黑色虛線)和風(fēng)矢量(u,w×50)沿六盤山站(35.67°N)的緯向—垂直剖面Fig.12 Vertical sections of total water content(units:g kg-1,shaded)of hydrometeors,temperature(units:°C, black line)and wind(u,w×50)in simulated cloud along Liupan Mountain station (35.67°N)at 1700 BJT on August 21,2018:(a)Original altitude;(b)lower altitude

    圖13 2018年08月21日17:00 C 點(diǎn)(降低地形后)上空(a)水凝物含水量(單位:g kg-1,紅色虛線為零度層)和(b)雨水源匯項(xiàng)垂直廓線分布(單位:10-3 g kg-1 s-1)Fig.13 Vertical profiles of (a) total water content (units:g kg-1)of hydrometeors and (b) rain sources(units:10-3 g kg-1 s-1)in the air above point C with lower altitudeat 1700 BJT on August 21,2018

    本文應(yīng)用中尺度數(shù)值模式WRF對(duì)2018年8月21日發(fā)生在寧夏南部六盤山的一次強(qiáng)降水天氣過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn),利用模擬結(jié)果進(jìn)行微物理量場(chǎng)的分析,探討六盤山區(qū)降水微物理結(jié)構(gòu)特征以及地形影響下的山地降水機(jī)制,初步得到以下結(jié)論:(1)本次降水過(guò)程在高空槽配合低渦的動(dòng)力場(chǎng)作用下形成,且隨著系統(tǒng)移動(dòng),降水云系向東南移動(dòng)。強(qiáng)降水主要發(fā)生在寧夏南部六盤山區(qū),降水持久,部分站點(diǎn)12小時(shí)累積降水達(dá)暴雨級(jí)別,山脈東側(cè)降水強(qiáng)于西側(cè)。(2)模擬云系分為高空的槽前云系與近地面的低渦云系,移動(dòng)方向?yàn)樽晕鞅毕驏|南,與實(shí)況一致。系統(tǒng)移動(dòng)過(guò)程中,受六盤山地形阻擋,低渦逐步落后于高空槽,降水云系形成條件變差。同時(shí)受低渦風(fēng)場(chǎng)的影響,在六盤山體東側(cè)迎風(fēng)坡,有東南并逐漸偏東向氣流經(jīng)地形抬升形成較強(qiáng)的地形云帶。(3)云體在垂直方向上呈現(xiàn)“催化—供給”的分層結(jié)構(gòu):云內(nèi)高層是冰相,零度層上方是冰水混合相,暖區(qū)以液相為主,這樣結(jié)構(gòu)的云有利于降水的形成,是人工增雨作業(yè)的條件之一。但在云系的不同部位,水凝物垂直微物理結(jié)構(gòu)又存在較大差異,各層水凝物配置的不同,造成各微物理過(guò)程對(duì)產(chǎn)生降水的貢獻(xiàn)不同。(4)六盤山的迎風(fēng)坡效應(yīng)有利于山體東側(cè)降水的形成。云系發(fā)展初期,迎風(fēng)坡以暖云降水為主。隨著云系發(fā)展,上下云水層連成一體,過(guò)冷水含量豐富,碰凍過(guò)冷雨水是霰粒子增長(zhǎng)的主要來(lái)源;以霰粒子融化為主的冷云過(guò)程對(duì)降水有較大貢獻(xiàn),同時(shí)低層豐富的云水區(qū)為降水粒子提供了有利的生長(zhǎng)條件,即在冷暖云過(guò)程共同參與下,迎風(fēng)坡產(chǎn)生較強(qiáng)降水。(5)六盤山地形對(duì)云和降水的形成發(fā)展有較明顯的影響。地形抬升作用促使迎風(fēng)坡水汽上升凝結(jié),形成深厚的云水層。降低地形高度后,水汽沒(méi)有足夠的動(dòng)力向上輸送,云水層含水量減少,暖云過(guò)程減弱,同時(shí)過(guò)冷水含量減少限制了冰相粒子的增長(zhǎng),從而也影響了冷云過(guò)程。

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