東北地區(qū)嵌入對流過程的數(shù)值模擬分析

衛(wèi)甜 丁亨 邱貴強(qiáng) 樊瑞瑞 姚佳林

(1.中國人民解放軍63729部隊(duì)，山西 太原 030000； 2.臨汾市氣象局，山西 臨汾 041000；3.山西省氣象臺，山西 太原 030006； 4.山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，山西 太原 030032)

引言

中國的水資源相對匱乏，人均占有量少，時空分布差異大。中國地表淡水主要來源于大氣降水，為了合理地開發(fā)、利用水資源，人工影響天氣工作就發(fā)揮了巨大的作用[1]。廣義上的嵌入對流云即積層混合云，是中國主要的降水云類型之一，也是人工增雨作業(yè)的主要對象，其中大范圍層狀云作為饋水器云為對流云提供飽和水汽，促進(jìn)對流云的發(fā)展，有利于降水強(qiáng)度增大和長時間維持，可以有效緩解干旱。

目前已有很多學(xué)者對嵌入對流開展了研究。根據(jù)Rigo等[2]的分類統(tǒng)計，大量降水云系的雷達(dá)反射率回波都表現(xiàn)出積層混合降水云的回波特征。中國的梅雨鋒云系、熱帶洋面的一些降水云系及一些不穩(wěn)定空氣躍升到山脊時形成的地形云，均表現(xiàn)為層狀云系中嵌入對流泡或?qū)α髟茙О橛形搽S層狀云系[3]。宮福久等[4]統(tǒng)計得出，東北地區(qū)夏季的降水云系中約有60%為嵌入對流云降水?？翟雒玫萚5]研究了積層混合云的微物理結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)積層混合云中的對流活動加強(qiáng)會抬升混合云頂?shù)母叨?，使云?nèi)粒子濃度增加，并使降水粒子譜分布從云底向中上層拓展；周黎明等[6]對積云、層云及嵌入對流云系的降水雨滴微結(jié)構(gòu)參量特征及滴譜隨降水過程的演變特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)混合云降水前期滴譜很窄；降水中期隨著降水起伏變化，譜型結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出差異；降水末期譜型變窄，為單峰型。張景紅等[7]根據(jù)飛機(jī)的觀測資料表明，云中的過冷水含量極大值及平均大值區(qū)出現(xiàn)在零度層以上；云中下部冰粒子滴譜最窄，隨著云體高度的升高，粒子譜濃度增加，滴譜也加寬。

有研究采用數(shù)值試驗(yàn)對比分析的方法[8-9]，利用一維半球地形積層混合云模式發(fā)現(xiàn)，混合云中引入極端水汽源會增加冰相粒子對云水的吸附碰并增加，使云水轉(zhuǎn)換成雨水的效率加大，有利于云的發(fā)展及降水的增加，這為人工增雨工作提供了理論支持。

盡管各地針對混合云動力結(jié)構(gòu)、預(yù)報、天氣特征及人工增雨等方面開展了很多觀測分析和數(shù)值模擬研究，但因地域、氣候和個例的差異，有關(guān)云系的發(fā)展演變及微物理過程的數(shù)值模擬結(jié)果仍有差異。本文根據(jù)中尺度數(shù)值模式WRF(weather research and forecasting)模擬結(jié)果詳細(xì)描述了一次嵌入對流云系的發(fā)展演變過程，并通過微物理量分布，對嵌入對流云的微物理特征及動力特征進(jìn)行了診斷，以期提高對此類型降水的預(yù)報水平并為人工影響天氣工作提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選用2010年7月1日發(fā)生在東北地區(qū)的一次嵌入對流云降水過程為研究對象，天氣形勢分析采用常規(guī)Micaps數(shù)據(jù)；WRF模擬采用時間分辨率為6 h、空間分辨率為1°×1°的NCEP的FNL全球再分析資料作為初始場和邊界條件。

1.2 模擬方案介紹

所用中尺度WRF模式采用兩層雙向嵌套(圖1)，垂直方向共28層，頂層氣壓為100 hPa，模擬中心位于(41.48°N，123.23°E)，模擬時間是2010年7月1日08:00至2日08:00，積分24 h。第一層嵌套網(wǎng)格格距為18 km，格點(diǎn)數(shù)為120×100，模擬方案采用淺對流Kain-Fritsch (new Eta)積云對流參數(shù)化方案，使用10 min地形資料，每20 min輸出一次結(jié)果；第二層嵌套網(wǎng)格格距為6 km，格點(diǎn)數(shù)為193199，細(xì)網(wǎng)格不采用積云對流參數(shù)化方案，作為模式可分辨過程進(jìn)行積分，并用2 min地形資料，每10 min輸出一次結(jié)果。第一、二層嵌套區(qū)域的微物理過程采用Lin方案，考慮6種水成物：霰、雪花、冰晶、云水、雨水、水汽，并使用RRTM長波輻射過程，Dudhia短波輻射方案、MM5 similarity近地層方案、Noah路面過程和YSU邊界層參數(shù)化方案。

2 結(jié)果分析

2.1 天氣形勢分析

利用Micaps數(shù)據(jù)資料分析2010年7月1日東北地區(qū)降水過程天氣形勢(圖略)，08時500 hPa高度場上整個歐亞中高緯表現(xiàn)為兩渦一脊的形勢，模擬的遼寧地區(qū)處東北低渦的底后部偏西氣流控制中，此時與低渦配合的冷中心達(dá)-12 ℃，冷渦天氣具有不穩(wěn)定的特點(diǎn)，且溫度中心基本與低渦中心相重合，渦在東移過程會逐漸減弱。20時低渦閉合中心消失，上游短波槽東移與弱化的低渦槽配合，補(bǔ)充冷空氣，使環(huán)流徑向度略增加，遼寧地區(qū)處槽前。850 hPa風(fēng)場上，東北至華北存在明顯的東北—西南向切變，模擬地區(qū)處切變線前一致西南氣流中，且處西南急流的頂端，風(fēng)速輻合明顯。高低空系統(tǒng)配置有利，動力條件和水汽輸送條件較好，有利于降水的發(fā)生。

2.2 模擬效果對比

2.2.1 云總含水量的對比

對比2010年7月1日21:00風(fēng)云二號紅外云圖(圖2a)和模擬的總含水量水平分布(圖2b)，看到模擬的云系分布及走向與實(shí)況衛(wèi)星云圖較吻合，模擬云系在遼寧地區(qū)的寬度較實(shí)況厚，云區(qū)略窄；云區(qū)位置較實(shí)況略偏西北移，但偏移量很小，尤其是云系東北端與實(shí)況基本吻合。因此，本次模擬較為理想地再現(xiàn)了實(shí)況云系。

圖2 2010年7月1日21:00東北地區(qū)風(fēng)云二號紅外云圖(a)和模擬的總含水量水平分布(b)

2.2.2 地面累積降水量的對比

從24 h累積降水量分布看，實(shí)況(圖3a)遼寧地區(qū)出現(xiàn)暴雨以上量級降水的地方，模擬降水量圖上(圖3b)也出現(xiàn)暴雨量級降水，雖然模擬的大雨量級降水范圍較實(shí)況略小，但強(qiáng)降水中心位置與實(shí)況吻合。

圖3 2010年7月1日08:00至2日08:00遼寧地區(qū)24 h實(shí)況(a)和模擬(b)降水量

2.2.3 雷達(dá)組合反射率的對比

7月1日19:22沈陽站雷達(dá)組合反射率圖上(圖4a)，大片回波功率小于30 dBz的層云回波中鑲嵌有一中心強(qiáng)度達(dá)40 dBz的對流單體；模擬的同時刻700 hPa 層的雷達(dá)回波上(圖4b)，也表現(xiàn)為均勻的大片層狀云回波中鑲嵌有強(qiáng)的回波單體，強(qiáng)回波中心強(qiáng)度達(dá)40 dBz，與實(shí)況吻合。模擬的回波中心位置較實(shí)況向西北向偏移不超過0.2個經(jīng)度，可忽略。模擬的雷達(dá)回波結(jié)果較為理想。

圖4 2010年7月1日19:22沈陽站雷達(dá)回波圖(a)和模擬的700 hPa高度層上雷達(dá)回波圖(b)

上述對比結(jié)果說明模擬較好地再現(xiàn)了天氣過程，模擬結(jié)果可靠，可利用模擬結(jié)果對云系的發(fā)展演變過程及微物理結(jié)構(gòu)特征等進(jìn)行深入分析。

2.3 嵌入對流云的形成及演變特征

利用模擬的雷達(dá)組合反射率結(jié)合部分時刻的總含水量垂直剖面圖，選取圖4b黑色方框所示的嵌入對流云中的對流單體為目標(biāo)，根據(jù)該單體的產(chǎn)生發(fā)展過程來詳細(xì)闡述此次嵌入對流云的形成、發(fā)展演變過程。

根據(jù)雷達(dá)回波的演變，將嵌入對流過程分為形成、發(fā)展、成熟及消亡4個階段，分別對應(yīng)的模擬時刻為430—610 min、620—720 min、730—970 min、980 min以后。

形成階段，模擬的430 min，在123.6°E處的850 hPa高度開始有對流泡形成，對流泡緩慢發(fā)展，至560 min，雷達(dá)組合反射率(圖5a)仍表現(xiàn)為大片的層狀云回波，回波此時已不均勻，邊緣弱內(nèi)部強(qiáng)，回波中心最大值為25 dBz，未達(dá)到對流回波的強(qiáng)度；同時刻以(123°E，41°N)和(126°E，44°N)為端點(diǎn)所做直線的總含水量垂直剖面圖(剖面圖上流線為垂直運(yùn)動矢量)中(圖5b)，上層為含水量較為均勻的大范圍層云，最大含水量為0.25 g·kg-1，存在于600—500 hPa的高度層內(nèi)，云體處零度層附近，此時在123.6°E處的對流泡發(fā)展至750 hPa高度，含水量中心抬高至800 hPa左右，最大含水量增長至0.5 g·kg-1，對流區(qū)內(nèi)為一致的上升氣流且無下沉氣流出現(xiàn)，對流云體處于生命期的塔狀積云階段，一致上升氣流說明云體內(nèi)溫度高于周圍，上升浮力占主導(dǎo)地位，表明對流泡會繼續(xù)發(fā)展壯大。對流單體不斷向上發(fā)展，直至620 min單體達(dá)到層云的高度，開始嵌入到成片的層狀云中，形成嵌入對流云，之后便進(jìn)入到嵌入對流云的發(fā)展階段。形成階段維持的190 min內(nèi)，對流單體含水量增長0.7 g·kg-1，單體發(fā)展緩慢。

反射率單位為dBz,含水量單位為g·kg-1；圖中黑色矢量線為垂直速度、黃色直線為0℃線、黃色虛線為-20 ℃線

進(jìn)入發(fā)展階段的嵌入對流云中對流單體由于層狀云的供水作用開始迅速增長，660 min的雷達(dá)組合反射率圖中(圖5c)已可以清楚地看到中心強(qiáng)度達(dá)45 dBz的對流單體鑲嵌在大片層云回波中的絮狀回波；含水量剖面圖上(圖5d)有一柱狀水汽含量達(dá)1.5 g·kg-1的水汽含量大值中心，40 min內(nèi)含水量增加0.8 g·kg-1，含水量增長迅速，此時中心高度較低，位于零度層以下，但云體高度已伸展至-20 ℃層所在高度；對流單體內(nèi)的上升氣流更加旺盛，上升氣流達(dá)400 hPa以上,且單體后側(cè)出現(xiàn)有一支始于700 hPa附近高度的中層下沉氣流，下沉氣流的出現(xiàn)一方面可以加強(qiáng)風(fēng)暴強(qiáng)度，另一方面可以抬升前側(cè)上升入流，使上升氣流更加強(qiáng)盛；此階段含水柱已接地，說明在發(fā)展階段即已出現(xiàn)降水。

隨著對流單體的不斷生長，模擬到720 min的時候，該對流單體達(dá)最強(qiáng)，云體進(jìn)入成熟階段，雷達(dá)組合反射率圖中(圖5e)最強(qiáng)回波達(dá)50 dBz以上，含水量剖面圖上(圖5f)對流單體高度達(dá)-20 ℃層以上，云中含水量也達(dá)到3 g·kg-1以上，水分含量十分豐富，甚至達(dá)雹云的含水量閾值，且含水量大值中心下降，說明云中降水增強(qiáng)；云體發(fā)展旺盛，嵌入的對流單體從最初的123.6°E一直隨著層狀云向東偏移至124.2°E的位置。

雖然對流泡隨著層云不斷東移，但比較不同時刻對流泡在層云中的位置可以發(fā)現(xiàn)，對流單體從處于層狀云的前部逐漸變?yōu)樘幵趯釉频暮蠓?，說明上層層狀云的移動速度要大于對流單體的移動速度，即上層風(fēng)速大于下層風(fēng)速，這也從側(cè)面驗(yàn)證了上層層云隨引導(dǎo)氣流移動，而對流云由于伸展較大，相對按平均氣流移動。

進(jìn)入成熟期云體，云中含水量維持在2—3 g·kg-1的范圍內(nèi)，并開始進(jìn)行分裂，出現(xiàn)新、老單體的更替。在780 min(圖5g和圖5h)可以看到，剖面圖5h剖線端點(diǎn)為(122.7°E，41.5°N；125.8°E，43°N)，目標(biāo)單體已分裂成強(qiáng)度相當(dāng)?shù)膬蓚€相接的對流體，跟之前剛達(dá)成熟時期的對流單體相比，剛分裂出來的兩個對流體最強(qiáng)反射率為45 dBz，強(qiáng)度有所降低，且對流體的伸展高度都低于-20 ℃層所在高度，含水量中心值也減為2 g·kg-1；云體發(fā)展到800 min時(圖5i和圖5j)，剖面圖5j剖線端點(diǎn)為(122.9°E，41.9°N)和(126°E，42.8°N)，分裂的對流單體的前方又有新的對流單體生成。由速度場可以看到，最先生成的對流體分裂出來的兩對流單體靠左側(cè)的單體對靠右側(cè)的單體有水分的輸送，使得靠右側(cè)的對流體得到補(bǔ)充而再次發(fā)展壯大，而靠左側(cè)的單體則逐漸減弱消失，視覺上覺得二者又出現(xiàn)合并，實(shí)際為對流單體分裂后右移性對流體的選擇性加強(qiáng)(圖5k)。到830 min時(圖5l)，雷達(dá)組合反射率圖上之前分裂出來的右移對流體進(jìn)入成熟期后又分裂成了兩個，之后分裂出的對流體中不斷重復(fù)著偏右側(cè)的對流體不斷的增強(qiáng)，并持續(xù)分裂，而靠左的對流體則逐漸消失。嵌入的對流體在隨層狀云不斷東移的過程重復(fù)進(jìn)行著并合、分裂的過程，直至980 min后，上層快速移動的層狀云與移動相對緩慢的對流云分開，由于對流單體的饋水器不再產(chǎn)生作用，故開始緩慢地減弱消失，嵌入對流云進(jìn)入消亡階段。

通過分析看出，與積云并和擴(kuò)展層化型[10]及不穩(wěn)定情況下層狀云系的內(nèi)部生成若干強(qiáng)度較大的對流云而形成層云積化型積層混合云不同，該次嵌入對流云是在有利的天氣形勢下，垂直方向上，高層存在大片的層狀云，對流泡自大氣低層開始形成，隨著對流泡的不斷發(fā)展壯大，直至達(dá)到層云的高度，嵌入其中而形成嵌入對流云。

2.4 云系中水凝物特征分析

利用數(shù)值模擬結(jié)果可對云系的微物理場進(jìn)行分析[11-13]，這是實(shí)況資料做不到的。為了更好地掌握嵌入對流云的結(jié)構(gòu)，選取云系不同發(fā)展階段的云水、冰晶等微粒子含量垂直剖面進(jìn)行分析。

沿(123°E，41°N)—(126°E，44°N)做模擬到610 min(嵌入對流形成階段后期)各水凝物剖面圖(圖略)。形成階段云體中各相態(tài)粒子均在增加，其中以液態(tài)粒子云水含量增加最為明顯，到形成的后期達(dá)0.6 g·kg-1，遠(yuǎn)高于500 hPa高度上層云的云水量；350 hPa的高層已存在有少量固態(tài)粒子雪晶，含量為0.05 g·kg-1；霰粒子和雨水含量很小，到形成階段的后期才開始出現(xiàn),說明云體中以云的生長為主，基本無降水機(jī)制。

處于成熟階段嵌入對流云的800 min雷達(dá)圖上(圖5i)包含了處于不同發(fā)展階段的對流單體。含水量剖面圖(圖5j)上云系單體3剛伸展至-20 ℃層所在高度，單體2、4的發(fā)展高度均低于-20 ℃層；速度場上，對流單體2中為一直上升運(yùn)動，單體3存在有較強(qiáng)的上升運(yùn)動，且存在明顯的中層下沉氣流，而單體4中上升氣流很弱，以下沉氣流為主。從含水量及速度場上可看出單體2、3、4分別處發(fā)展期、成熟期和消亡期，因此可用800 min圖中不同單體間各水凝物的演變來分析處于發(fā)展、成熟、消亡階段微物理量的特征。

沿(123°E，41.9°N)—(127°E，43.2°N)做各種水成物的垂直剖面圖(圖6)，發(fā)展階段開始出現(xiàn)降水，水凝物除雪晶外，其余三種粒子均明顯增多，其中液態(tài)粒子增量最大，該階段云水(圖6a)含量最大達(dá)0.8 g·kg-1，云水主要分布于10 ℃層至-10 ℃層之間，最值出現(xiàn)在零度層附近；固態(tài)粒子霰(圖6c)最大值為0.5 g·kg-1，霰粒子主要存在于0 ℃層至-20 ℃層之間；雨水含量(圖6d)在700 hPa處達(dá)極值1 g·kg-1，主要存在于零度層以下，而在零度層上也存在有雨水，過冷雨水的含量達(dá)0.4 g·kg-1，可見有較多云水向雨水的直接轉(zhuǎn)換，即有暖云降水機(jī)制出現(xiàn)；發(fā)展階段的雪晶含量仍較小，最大0.03 g·kg-1在400 hPa處，并向下伸至600 hPa的0 ℃層附近，說明雪晶參與冷云降水微物理過程，轉(zhuǎn)化成霰粒子進(jìn)而成為地面降水，云中存在有播撒—供應(yīng)的冷云降水機(jī)制。

含水量單位為g·kg-1；等值線為溫度，單位為℃

成熟階段，云水含量極值0.4 g·kg-1，較發(fā)展階段減少，雨水和霰粒子則繼續(xù)增多,均增加至1.5 g·kg-1，且云水中心區(qū)域，對應(yīng)雨水和霰含量的高值區(qū)，說明云水被霰粒子和雨水大量收集，而成為地面降水；雨水在700 hPa達(dá)極值后隨高度向上、向下均減小，說明存在雨水向霰的轉(zhuǎn)化；霰粒子隨高度下降至700 hPa時便減小為0，說明 0 ℃層以下霰粒子的融化轉(zhuǎn)化為雨水，貢獻(xiàn)了部分地面降水；成熟階段的雪晶則繼續(xù)減小至0.03 g·kg-1以下，說明成熟階段冷、暖云過程均比較活躍。

消亡階段，各相粒子均迅速減小，云體內(nèi)雪晶在0.01 g·kg-1以下，霰粒子迅速減小至0.3 g·kg-1以下，消亡期云體上層固體粒子幾乎已經(jīng)被消耗掉，云中暖云機(jī)制比重相對增大。

2.5 散度場特征分析

散度場上，嵌入對流云系形成階段(圖略)，850 hPa的低層環(huán)境場已有一定范圍的輻合，500 min時輻合強(qiáng)度為-15×10-5s-1；200 hPa的高層研究范圍內(nèi)散度值為5×10-5s-1，為輻散場，高層輻散低層輻合的環(huán)境場有利于上升運(yùn)動，從而有利于云體的發(fā)展；此時的500 hPa中層為無輻散層，散度值基本為0 s-1。

發(fā)展階段的850 hPa場上散度負(fù)值加大，輻合加強(qiáng)，650 min時(圖7a)，低層輻合中心達(dá)-20×10-5s-1；200 hPa散度值也增大至15×10-5s-1，輻散明顯加大；此時的中層500 hPa上(圖7b)出現(xiàn)強(qiáng)度達(dá)-10×10-5s-1的輻合，說明發(fā)展階段云體上升氣流旺盛，輻合氣流發(fā)展高度達(dá)500 hPa以上，這種高層強(qiáng)輻散的抽吸和通風(fēng)作用一方面有利于加大上升運(yùn)動，另一方面可帶走高空增暖的空氣，有利于對流的增強(qiáng)和維持；而低層輻合可以把周圍環(huán)境的能量和水汽向形成的對流云系中輸送，因此，有利于云系的發(fā)展。

單位為10-5s-1

成熟階段(圖略)，低層為輻合輻散共存，說明此時云中已有下沉氣流，輻合強(qiáng)度略減小至-15×10-5s-1以下；200 hPa散度值減小至5×10-5s-1，輻散減弱；中層500 hPa上表現(xiàn)為小范圍弱輻合，說明成熟階段，低層輻合維持，而高層輻散減弱，此時的環(huán)境已不利于云體快速發(fā)展，但輻合仍使云體維持；到了消亡階段，低層基本無輻合，中層為弱輻散，高層弱輻合場，云中下沉為主，環(huán)境場不利于云體維持，從而使得嵌入對流減弱消失。

3 結(jié)論

(1)環(huán)流形勢上，模擬的遼寧地區(qū)主要受東北低渦槽與東移來短波槽的共同影響，低層風(fēng)場上處切變線前西南急流的頂端，有明顯的風(fēng)速輻合。高低空系統(tǒng)配置有利，動力條件和水汽輸送條件較好，有利于降水的發(fā)生。

(2)中尺度模式WRF較好地模擬了此次天氣過程。模擬結(jié)果表明在大氣上層分布有成片的層狀云，低層有零星的對流泡生成的情況下，隨低層對流泡的不斷發(fā)展壯大，當(dāng)其伸展至層云的高度時便鑲嵌于其中而成嵌入對流云，且上層層狀云隨引導(dǎo)氣流移動，而對流云相對按平均氣流移動，故層云移速大于對流云系的移動速度。

(4)嵌入的對流體在隨層狀云不斷東移的過程重復(fù)進(jìn)行著并合、分裂的過程，且分裂過程中出現(xiàn)明顯的右移性對流體的選擇性加強(qiáng)。

(5)分析過程的微物理特征，發(fā)現(xiàn)云形成階段以云生長為主，基本無降水；發(fā)展與成熟階段，云系中不僅存在云水直接轉(zhuǎn)化為雨水的暖云降水機(jī)制，也存在有播撒—供應(yīng)的冷云降水機(jī)制，且成熟階段冷、暖云降水機(jī)制最為活躍；消亡階段則暖云降水機(jī)制比重相對增大。

(6)物理量場上，不同階段的散度場配置不同，其中以發(fā)展階段低層輻合高層輻散的強(qiáng)度最強(qiáng)，最有利于云系的發(fā)展。