李培仁等

摘 要：利用NCEP再分析资料和CAMS中尺度云分辨模式，对2010-04-20—04-21发生在山西省的大到暴雨、局部强对流天气过程进行了客观模拟，主要得出以下4点结论：①对比2010-04-20T08：00—04-21T08：00的24 h降水预报与实况可见，山西省中南部降水情况与实况值接近，山西省北部降水情况略大于实况值，模拟域中降水量的最大值略小于实况值，雨带分布与实况非常接近。②2010-04-20T13：00—04-20T17：00，云系处于发展阶段，云内含水量和雪含水量呈增加趋势。其中，云水在2010-04-20T17：00，2.5 km处达到最大值0.24 g/kg，顶高为3.5 km，分布在1.2～3.9 km处，雪最大值为0.25 g/kg，位于0 ℃层上方；雨滴在暖层，雪和云水的增大区对应着雨的增加区，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；云系进入消散阶段，至2010-04-21T10：00降水基本结束。③云系在2010-04-20T10：00开始发展，2010-04-20T18：00到达旺盛阶段，随后开始逐渐消散，至2010-04-21T10：00云体基本消散。垂直上升气流的速度多为0.1 m/s，最大为0.5 m/s，符合层状云系的特征。④在8 km以上的区域，雪会通过凝华、雪花与冰晶碰并和冰晶向雪的自动转化等方式增长。其中，凝华增长起主要作用，最高所占比例为100%. 在5～8 k m的区域，雪花通过凝华增长；在4～5 km的区域，雪花通过凝华和冰晶向雪的自动转化增长；在3～4 km的区域，雪花通过凝华和结淞增长，凝华增长最高所占比例为100%.

关键词：冷锋云系；人工引晶催化；数值模拟；降水量

中图分类号：P426.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.015

云降水物理学研究的途径包括：外场观测研究云和降水的形成和演变机制、模拟云体的发展演变、利用理论方法模拟云体的物理变化过程。自20世纪70年代以来，国内外对层状云进行了大量的外场探测研究。典型的工作有Hobbs等对中纬度温带气旋云系和降水结构的探测。暖锋雨带和宽冷锋雨带的降水机制具有“播种-供给”的特征，“播种-供给”机制可提高降水效率。我国在20世纪80年代北方层状云人工增水试验中构建的北方几种主要降水系统的云降水物理过程概念模型符合“播种-供给”机制特征。吴兑利用1978—1982年宁夏飞机观测的资料，分析了该地区夏季降水性层状云中含水量分布情况和自然降水增长条件；牛生杰等利用飞行资料，分析了宁夏夏季降水性层状云微结构的特征；李仑格等分析了高原东部春季降水云层的云粒子、降水粒子、冰晶和冷水的分布特征，发现了降水云层中具有较大的人工引晶催化能力；赵仕雄等根据观测数据，将降水高层云系垂直微结构划分为4层，高层有冰晶供，这是高层云发生降水的关键，而暖层关系着降水量和持续时间；杨文霞等通过飞机观测和个例分析，发现了春季层状云降水系统具有不均匀性，且具有较强的降水云带；王扬锋等利用PMS资料将延安降水性状云宏微观垂直结构分为了5层，暖层的小云滴层是导致地面雨强度较小的重要因素之一。

本文利用CAMS中的尺度云分辨模式，对2010-04-20—04-21发生在山西地区的冷锋降水云系进行了数值模拟，以研究锋面云系的宏、微观结构及其降水物理机制，得出了与实测较一致的结果。

1 天气概况和模拟试验设计

受地面冷锋和低空切变线的影响，2010-04-20—04-21山西、河南、河北地区出现了一次明显的层状云降水过程。2010-04-20T08：00，500 hPa山西省中南部受西南暖湿气流控制，北部地区受西北冷空气控制，中部地区处于冷暖空气的交汇辐合区。从图1中的a可见，700 hPa、850 hPa横切变线位于河套和山西省北部地区，南北向切变线位于河套偏东地区，冷锋位于河套地区，山西省处于锋前，在陕西、山西、河北将产生一次大范围的降水。飞行探测区域的云量为10，低空为层云或碎雨云，高空为高层云。云底高度为600～2 500 m，地面风速较小，风速为2～4 m/s。受东北冷涡、冷锋和切变线的共同影响，东北冷空气、南下冷空气与暖空气交汇在陕西、山西地区的上空，形成1条云系带。

2010-04-21T08：00，500 hPa山西省受偏西气流控制。从图1的b中可见，700 hPa横切变线移至内蒙地区，冷锋即将移入山西省。飞行探测区域的云量为10，低空仍为层云或碎雨云，高空为高层云。云底高度为600～2 500 m，地面风速较小，风速为2～4 m/s。云系主体开始消散，并移至陕西北部、山西北部和内蒙地区。

2010-04-20是该过程中降水强度最大、大雨（雪）站数最多的一天，降水量为0.1～36.8 mm。文水、临汾市尧都区、汾西、垣曲、万荣、绛县、新绛、沁水、阳城等9县（市）降大雨。其中，沁水的降水量达36.8 mm。北部局部、中南部大部中雨，其余县（市）降小雨。晋中、吕梁、临汾、运城和晋城的过程平均降水量均>20 mm。为了缓解干旱，山西省在中南部地区进行了人工增雨作业。

模式的中心点设在（37N，108E），水平方向采用二重双向嵌套，格距分别为30 km和10 km，细网格可基本覆盖华北地区。垂直方向为23层，模式顶气压为100 hPa。选用Grell对流参数化方案、侧重模式底部边界层刻画的Blackadar高分辨率边界层方案、改进的CAMS显式云物理方案和云辐射方案，利用NCEP1°×1°的6 h一次的再分析资料启动模式。模拟开始时间为2010-04-20T00：00（国际协调时，下同），共积分48 h。

2 模拟地面降水

2010-04-20T08：00—04-21T08：00的24 h降水预报与实况对比如图2所示。

由2010-04-20T08：00—04-21T08：00的24 h累计降水量可知，山西省普遍降水。其中，北部小到中雨，降水量达1～20 mm，中南部的降水量为10～30 mm。降水量最大处为陕西省北部和河南省北部，最大值达40 mm。

从图2中的b可发现，在该时间段内，山西省出现普遍降水。其中，山西省北部降小到中雨，降水量为7～14 mm，中南部降水较强，多为中雨，部分雨量站的记录为大雨，最大达到26～32 mm；河南北部和陕西北部的降水量最大，最大值达40 mm。通过比较可发现，山西省中南部的降水与实况接近，山西省北部降水略大于实况，模拟域中降水量最大值略小于实况值，雨带分布与实况非常接近。

模拟和观测降水前期、中期和末期每隔2 h的降水量如图3所示。

在降水前期，由图3中的a可知，山西省仅中南部有少量降水，降水量不足0.5 mm；由图3中的b可知，2010-04-20T10：00—04-20T12：00，山西中部出现降水，但降水量很小，多数地区不足0.5 mm，表明此时云系处于降水的初始阶段。

在降水中期，由图3中的c可知，模拟得到的山西中南部降水量为1～4 mm，山西北部的降水量为0.1～4 mm；由图3中的d可知，2010-04-20T16：00—04-20T18：00，山西中部出现普遍降水，降水量为1～5 mm，模拟山西中南部降水与实况非常接近，但山西省北部有小部分区域的模拟值偏大。

降水末期，由图3中的e可知，山西省的降水量普遍减少，大部分区域不足1 mm，其中，西部的降水量略大，为1～3 mm；由图3中的f可知，山西中部的降水量明显减少，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，为1～3.2 mm。

总体而言，该模拟结果成功模拟了该时段的雨带分布区域和降水值，我们可以用此结果分析云的微物理转化和降水机制。

3 模拟自然云体的发展过程

上升气流的起伏会影响云体的动力结构，进而影响云体的发展。以下得到了山西省不同降水阶段上升气流沿38°N的垂直剖面图。沿37.735°N上升气流的垂直剖面图如图4所示。

由图4中的a可知，在2010-04-20T10：00，该地区在5.0 km处出现1个上升气流中心，中心值为0.05 m/s，而上部没有出现上升气流，因此，此云系正在发展；由图4中的b可知，2～8 km处存在大范围的上升气流，在2 km和8 km出分别存在上升气流中心，最大值为0.1 m/s。由图4中的c可知，上升气流已比2010-04-20T14：00的上升气流大，3 km和8 km处存在上升气流的中心，其中，3 km处上升气流的最大值为0.5 m/s，8 km处上升气流的最大值为0.1 m/s。由此可见，该云系仍在继续发展。由图4中的d可知，各上升气流中心减弱，位于3 km处的上升气流中心减小为0.3 m/s，8 km处仍存在上升气流中心，但相比于2010-04-20T18：00的上升气流，此时上升气流的范围已明显缩小。由此可见，该云系正处于消散阶段。由图4中的e可知，上升气流中心值继续减小，3 km处上升气流减小为0.1 m/s，总体上升气流强度减弱；由图4中的f可知，上升气流分布零散，表明该地区云系的发展已结束。

从上升气流的发展过程可判断，该云系在2010-04-20T10：00开始发展，经18 h到达旺盛阶段，随后开始逐渐消散，至2010-04-21T10：00，云体已基本消散。垂直上升气流速度多为0.1 m/s，最大为0.5 m/s，符合层状云系的特征。

3.1 云体的垂直结构

选取了太原站点，分析其不同时段的云体垂直结构，并从微观上分析此次降水。根据顾震潮的三层云概念模型，按水成物粒子的不同情况，可将层状云在垂直方向上分为3个层次：①冰晶层，无过冷水；②混合层，冰晶和过冷水共存，并通过贝吉龙过程长大；③暖层。

水成物比含水量的垂直分布如图5所示。

从图5中的a可见，暖层较薄，厚度为0.9 km，混合层厚度为0.6 km。2010-04-20T13：00，雨水主要分布在0 ℃层以下，雨水、云水的含量极大值分别为0.022 g/kg和0.038 g/kg，雪的含量比较大，极大值为0.12 g/kg，主要分布在冰晶层和在混合层顶部。由此可见，冰晶层对混合层有播散作用。冰晶分布在7 km以上，随高度的增加，冰晶的含量也会随之增加，其极大值为0.04 g/kg；云水在混合层时的含量增加，在暖层时的含量会减少，而相应的雨水含量会增加。由此可见，云滴自动转化为雨滴的过程为该时段降雨的主要原因。

至2010-04-20T17：00，暖层厚度为1.4 km，混合层厚度为0.6 km。云水极值通过凝结过程增加至0.25 g/kg；雪含量明显增加，其含水量极大值为0.25 g/kg；在5～8 km处，冰晶的含水量减小，而相应高度的雪的含量增加。由此可见，雪与冰晶的碰并和增长是雪含水量增加的主要原因。上层云对下层云的播散作用明显。在暖层顶部，由于播散作用，雪的含量随高度的降低而减小，在雪和云的水含量减小区域，相应的雨水含量增加。由此可见，由于雪和云水粒子的存在，使雨的含量有所增加，其极大值为0.15 g/kg。

至2010-04-20T21：00，暖层厚度为1.1 km，混合层厚度为0.8 km，云水含量和雪含量极大值均有所减小。由此可见，云体已开始消散，雪和云水仍然是主要的降水粒子，其含水量极大值分别为0.22 g/kg和0.22 g/kg，雨水含水量最大值减小为0.07 g/kg。

至2010-04-21T10：00，暖层厚度为0，降水基本结束。

总体而言，2010-04-20T13：00—04-20T17：00，云系处于发展阶段，云内含水量和雪含水量呈增长趋势。其中，云水在2010-04-20T17：00的2.5 km处达到最大值0.24 g/kg，顶高为3.5 km，分布在1.2～3.9 km处，雪的最大值为0.25 g/kg，位于0 ℃层上方；雨滴在暖层分布，雪和云水的增大区对应着雨的增大区，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，云系进入消散阶段，至2010-04-210T10：00，降水基本结束。

3.2 降水形成的微物理机制

由上述分析可知，雪和云水是此次降水的主要粒子。雨滴质量的产生率如图6所示。其中，“PRA”是雨滴碰并云滴，“PRC”是云滴自动转化为雨滴，“PSMLT”是雪融化为雨滴，“PRACS”是雪与雨碰并。

从图6中的a可见，云体发展初期2～2.9 km处雪的融化是形成雨的主要原因，雨滴质量产生率最大为5.5×10-8 kg/kg/s，

2.9～5 km处雪和雨滴的碰并为形成雨的主要原因，最大值为5×10-9 kg/kg/s；从图6中的b可见，2～2.9 km处雪的融化为形成雨的主要原因，雨滴质量产生率最大值为4×10-7 kg/kg/s，次要原因是雨滴碰并云滴，质量产生率最大值为1.5×10-7 kg/kg/s，2.9～4 km处雪与雨滴的碰并为形成雨的主要原因，雨滴质量产生率最大值为0.510-7 kg/kg/s。上述三者的量值相比于2010-04-20T13：00的量值均有明显增加。由此可见，此阶段的降水正在增强；从图6中的c可见，雨水产生的主要原因是雪的融化和云滴碰并雨滴，雪与雨的碰并几乎为零，且三者的量值相比于2010-04-20T17：00的量值均有明显减少。雪的融化和云滴碰并雨滴的雨滴质量产生率最大值分别为2.7×10-7 kg/kg/s、0.5×10-7 kg/kg/s。由此可见，降水正处于消散阶段；从图6中的d可见，雪的融化是形成雨的唯一原因，最大值为8×10-10 kg/kg/s。

每项物理过程影响降水的情况为：以2010-04-20T18：00为例，2.9～3.5 km处降水的主要原因为雪与雨滴的碰并，最大值为100%，次要原因为雪的融化，最大值为45%；2.2～2.9 km处降水的主要原因为雪的融化，最大值为74%，次要原因是雨滴碰并云滴，最大值为55%，再次是雪和雨的碰并，最大值为25%；在2.0～2.2 km处降水的主要原因为雪的融化和雨滴碰并云滴，且各占50%；在2 km以下的区域，降水的主要原因为雨滴碰并云滴，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产生过程。“PRAI”是冰晶向雪的自动转化，“PRCI”是雪花与冰晶的碰并增长，“PSACWS”是雪的结淞增长，“PRDS”是雪的凝华增长。通过比较2010-04-20T13：00和2010-04-20T17：00的上升气流速度、云水质量增长率和雪质量增长率可知，在8 km以上的区域，雪通过凝华、雪花与冰晶碰并和冰晶向雪的自动转化增长。其中，雪的凝华增长起主要作用，最高所占比例为100%. 在5～8 km处，雪花通过凝华增长；在4～5 km处，雪花通过凝华和冰晶向雪的自动转化增长；在3～4 km处，雪花通过凝华和结淞增长，凝华增长最高所占比例为100%. 此外，上升气流的增加会导致第二层的过冷水增长，进而导致第二层雪的增加。而上升气流的增加也会导致第一层云水的增加，且通过重力碰并也会导致第一层雨水的增加。

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〔编辑：张思楠〕