不同云方案对祁连山降水模拟的影响

段海霞，刘新伟，蒲朝霞

(1.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃兰州730020;2.中国气象局兰州中心气象台，甘肃兰州730020;3.Department of Atmospheric Sciences，University of Utah，Utah Salt Lake City 84112，USA)

0 引言

云微物理过程与降水的形成是密不可分的，降水在合适的环境场条件下通过云微物理过程机制产生的，云微物理过程又通过反馈作用影响环境场。MM5中尺度数值模式考虑了较为完善的多种物理过程，能够预报从单一的积云尺度到天气尺度的天气过程，为研究降水云微物理过程结构和降水机制提供了很好的途径。孙建华和赵思雄(2003)通过对华北地区“12.7”降雪过程做暖云过程和Reisner混合冰相过程的模拟，认为冰相云物理过程对成功模拟降雪的作用是不可忽视的。王鹏云等(2002)使用MM5湿物理显式方案，模拟研究了华南暴雨中的云物理过程，结果表明由于对流形成的具有冰相参加的冷云过程是华南暴雨形成发展的主要云物理过程，当对流较弱时只有水相而无冰相的暖云过程只造成范围大但强度弱的降水。迟竹萍和龚佃利(2006)利用MM5模式结果，采用Reisner混合冰相过程计算云水、雨水、冰晶、雪景等比含水量数值，对降雪过程的水汽输送、不同发展阶段微物理参数的演变特征进行了分析。文莉娟等(2006)对“98.5”华南暴雨过程进行了模拟，结果表明混合冰相显式物理方案比其他方案模拟的降水更接近实况，云微物理场的模拟显示没有雪出现，这可能是华南降水云微物理的特点。孙晶等(2007)利用MM5模式分别模拟了北方地区两次不同类型降雪过程，指出雪的产生主要来自于水汽凝华增长和雪收集冰晶增长，过冷水对形成霰很关键，冰相粒子融化加强雨的形成，降雪过程对热力、动力过程具有一定的反馈影响，相变潜热对上升运动和降水有正反馈作用，降水粒子下落拖曳力对上升运动和降水有负反馈作用。赵震等(2005)、赵震和雷恒池(2008)、胡朝霞等(2007)采用三层模型分别模拟并分析了西北地区和东北地区层状云降水形成机制和过程。杨正卿等(2012)通过对2008年1月25—29日南方冰雪天气进行数值试验，发现云滴数浓度对降水量的影响是复杂和非线性的。云滴数浓度越大，云水混合比就越大，云滴的尺度越小，而雨滴数浓度则减小，雨水也减少，暖云降水过程受到抑制。除了MM5模式，国内外许多学者还使用其他模式如冰雹云模式(樊明月等，2013)、分档云模式(Reisin et al.，1996;Yin et al.，2000)等分别对冰雹形成机制、云凝结核对降水的影响以及暖对流云的结构等进行了分析。以上研究均是通过数值试验进行分析，国内外许多学者还做过各种云系观测试验和人工影响试验(Hobbs and Radke，1975;Grabowski and Moncrieff，1999;)。张佃国等(2010)和王慧娟等(2010)还使用飞机观测资料分别分析了积层混合云和层状云降水过程。

目前我国在云物理过程的研究大部分针对华南、华北暴雨，针对西北降水特别是祁连山区降水的研究却较少(刘卫国和刘奇俊，2007a，2007b)。本文利用中尺度数值模式MM5V3.7，对2003年7月祁连山地区一次降水过程进行模拟，同时采用了尺度可分辨的云降水物理方案和次尺度对流参数化方案，模拟结果将总降水分为显式降水和参数化降水，着重讨论了云微物理过程对祁连山地区降水模拟的影响。

1 模式和试验方案

2002年7月12 日08时—13日08时(北京时间，下同)，张掖地区发生强降水过程，其中民乐、山丹两站24 h降水量分别达到40.1 mm、44.0 mm(图1)。

本文模拟区域为祁连山地区，模拟范围为(95.8 ～ 104°E，35.4 ～ 41.2°N)。模 拟 采 用NCEP/NCAR再分析资料作为初始场，每6 h更换边界条件，运用MM5v3.7非静力版本，模拟水平分辨率设为15 km，格点为46×52，垂直分层23层，积云对流选用Anthes-Kuo方案，边界层过程选用MRF行星边界层，辐射过程采用CCM2辐射方案，显式云物理过程分为Dudhia简单冰相、Reisner混合相、Reisner2霰以及Schultz微物理4个过程，分别对2002年7月12—13日祁连山区降水过程进行对比试验，探讨了各种云物理过程的性能和特点以及它们对祁连山区降水的模拟能力。

图1 2002年7月12日08时—13日08时实况24 h累计降水量的分布(单位:mm;+表示气象站，数字表示站点降水量)Fig.1 Observed 24 h accumulated rainfall from 08:00 BST 12 to 08:00 BST 13 July 2002(units:mm;+represents meteorological station，and the number is station rainfall)

2 试验与分析比较

4种云微物理过程(楼小凤等，2003)描述如下:

Dudhia简单冰相方案。增加了冰相过程，但不需增加内存，没有过冷水存在，冻结层以下冰晶和雪全部融化成雨水。

Reisner混合相方案。可有过冷水存在，正温区内允许雪慢慢融化，冰晶在一时步和一层内融化完毕，计算内存中增加了冰晶和雪的变量。

Reisner2霰方案。在Reisner混合相的基础上增加了冰晶数浓度和霰的预报。

Schulz微物理方案。没有冰晶数浓度的预报。

2.1 总降水对云微物理过程方案的敏感性

从各方案模拟的24 h累计降水量分布(图2)来看，4个方案模拟的降水范围都相差不大，但降水中心位置却不尽相同:Dudhia简单冰相、Reisner混合相和Schulz微物理方案的降水中心位置相差不大，基本位于民乐地区，而Reisner2霰方案却出现了3个大于40 mm的降水中心，且最大降水中心位于青海省天峻县北部地区而不是张掖市民乐地区。说明从模拟的降水范围与降水中心来看，Reisner2霰方案对此次过程的模拟效果较差。从其他3个方案模拟情况来看，3个方案模拟的降水范围和降水中心位置与实况比较都稍偏南，但模拟的范围主要呈西北—东南走向，而实况场降水范围则呈现南北向，这主要是由于祁连山区站点稀疏，降水实况场不能够完全反映实际降水状况，另外由于站点稀疏，降水量插值到格点时的误差也有一定因素。但4个方案都模拟出了张掖市民乐地区的降水中心，山丹44 mm的降水中心却没有模拟出来。由图1可以看到实况降水场有两个降水中心分别是山丹和民乐，其中山丹位置在民乐北面，且山丹降水量值(44 mm)比民乐降水量值(40 mm)略大，而4个方案模拟的降水范围东面也有两个降水中心，其中靠北的降水中心量值较靠南的降水中心量值略大，这种分布跟实况相符，只是模拟的整个降水范围较实况场略偏南，从而导致模拟的降水中心位于民乐，而山丹未出现降水中心。综上所述，从降水范围来看，4个方案模拟的结果均与实况场分布较为接近。

从降水量级上来看，Dudhia简单冰相、Reisner混合相和Schulz微物理方案模拟的降水中心最大值均略大于实况值，其中Reisner混合相方案模拟的24 h总降水量与实况最为接近，降水中心最大值为44.9 mm(图2b)，3个方案在青海省北部均存在一个大于25 mm的降水中心，但由于站点稀少，资料缺乏，无法判断模拟与实况的接近程度。所以从降水范围、降水中心位置以及降水中心最大值几个方面来看，Dudhia简单冰相、Reisner混合相以及Schultz微物理方案的3种云微物理过程能够较好地模拟出此次祁连山区降水过程，但模拟的降水范围较实况偏南，最大降水中心略偏大。

此外，实况场上在青海省兴海站还有一个25 mm的弱降水中心，比较模拟结果来看，4个方案在兴海地区都有一个降水中心，但降水中心量值却相差很大，其中Dudhia简单冰相模拟的降水量值最大(大于45 mm)，Reisner混合相、Reisner2霰方案、Schulz微物理方案模拟的降水中心最大值分别为12、16、16 mm。说明Dudhia简单冰相在此处有较大的虚假降水，Reisner混合相、Reisner2霰、Schulz微物理方案能够较好地反映此处弱的降水中心。

2.2 云微物理过程方案对显式降水和对流降水的反映

在MM5模式中反映对流和非参数化降水的主要是积云参数化过程，是否云微物理过程对积云对流也有一定的反映呢?本文计算了4种方案模拟的显式降水和对流降水(图3)，考察了积云对流对4种云微物理过程是否具有一定的敏感性。

整体来看4个方案模拟的显式降水和参数化降水，参数化降水的数值均大于显式降水，但细节上4个方案的两种降水分布却不尽相同。

图2 2002年7月12日08时—13日08时模拟的24 h累计降水量的分布(单位:mm) a.Dudhia简单冰相方案;b.Reisner混合相方案;c.Reisner2 霰方案;d.Schultz微物理方案Fig.2 Simulated 24 h accumulated rainfall from 08:00 BST 12 to 08:00 BST 13 July 2002(units:mm) a.Dudhia simple ice scheme;b.Reisner mix phase scheme;c.Reisner2 graupel scheme;d.Schultz microphysical scheme

图3 2002年7月12日08时—13日08时模拟的24 h显式降水(等值线)和参数化降水(阴影)的分布(单位:mm) a.Dudhia简单冰相方案;b.Reisner混合相方案;c.Reisner2霰方案;d.Schultz微物理方案Fig.3 Simulated 24 h explicit precipitation(isolines)and parameterize precipitation(shadings)from 08:00 BST 12 to 08:00 BST 13 July 2002(units:mm) a.Dudhia simple ice scheme;b.Reisner mix phase scheme;c.Reisner2 graupel scheme;d.Schultz microphysical scheme

首先讨论显式降水的分布状况:Dudhia简单冰相模拟的显式降水范围最大，降水量值也最大，中心位于青海省天峻县北部地区以及兴海站地区，最大中心值大于20 mm;Reisner混合相的显式降水范围明显比Dudhia简单冰相小，且格点降水主要在青海省北部地区，张掖市民乐地区有一个大于4 mm的格点降水区，酒泉站地区有一个大于8 mm的格点降水中心;Reisner2霰显式降水分布跟Reisner混合相相差不大，但量级上却较之稍大，有两个降水中心，民乐地区和天峻县北部地区，两个降水中心值均大于8 mm;Schultz微物理格点降水范围最小，比较零散，民乐地区的格点降水值在4个方案中最大，中心值大于12 mm，另外在青海省最北部也有一个大于8 mm的降水中心。

4个方案模拟的参数化降水分布也有较大的差别:Dudhia简单冰相的对流降水范围较大，主要降水区位于甘肃省张掖市一带，最大降水中心位于民乐地区，中心值为39 mm，另外在青海省的祁连站也存在一个33 mm的降水中心，而青海省天峻县西北地区对流降水量级则较小，主要为10 mm的降水区。Reisner混合相的对流降水分布比较分散，主要有4个降水区，分别位于张掖市民乐地区、青海省祁连地区，甘肃省酒泉地区和青海省天峻县最北部与甘肃省交界地区，对流降水中心值分别为40、25、29、26 mm。Reisner2霰的对流降水主要有两个区域:一个位于青海省天峻县西北地区一带，降水中心值为36 mm;一个位于青海省祁连地区和甘肃省张掖地区一带，降水中心位于祁连地区，中心值达到40 mm，而张掖地区降水中心则为35 mm。Schultz微物理在张掖地区有一个很强的对流降水中心，中心值为50 mm，此外在酒泉地区、天峻县西北部与甘肃省交界地区以及祁连站地区分别有弱对流降水中心。

上述分析可以发现，4个方案模拟的降水区域偏南，且4个方案的降水中心位置均位于张掖市民乐地区，因此选取民乐站(100.8°E，38.45°N)为下文所分析的降水中心。

由图2和表1可见，Schultz微物理反映的显式降水范围和量级最大，Dudhia简单冰相、Reisner2霰次之，Reisner混合相反映最弱;Reisner2霰、Schultz微物理反映的参数化降水范围和量级最大，但两者的降水最强中心位置不同，Reisner混合相反映的参数化降水范围最小，Dudhia简单冰相反映的参数化降水范围最大，但最强降水中心值较弱。这也间接地说明了4种云微物理过程对显式降水和参数化降水的贡献情况:Schultz微物理方案和Reisner2霰方案对参数化降水贡献最大，Reisner混合相方案、Dudhia简单冰相方案次之;Dudhia简单冰相方案对显式降水贡献最大，Reisner2霰方案次之，Schultz微物理方案和Reisner混合相方案最弱。但此结论仅代表本次过程，不具有普遍性，还需更多个例的证明。

表1 4个方案模拟的降水中心24 h最大总降水量、最大显式降水量和最大参数化降水量Table 1 The 24 h maximum total precipitation，maximum explicit precipitation and maximum parameterize precipitation at precipitaion center(Minle station)simulated by MM5 with the four schemes mm

2.3 云微物理过程方案对逐小时降水量的反映

为了考察4种云微物理过程在降水的启动时间和最强降水发生时间上的差别，分析了4个方案模拟的降水中心最大降水量的时间演变(图4)。由图4可以看到，4个方案都是在12日13时开始出现微量降水，但降水突变时间却相差很大，Dudhia简单冰相方案和Schultz微物理方案最早突变(12日16时)，Reisner2霰方案次之，时间落后1 h，Reisner混合相方案突变最晚(12日18时)。

从逐小时降水演变来看，Dudhia简单冰相方案呈现双峰结构，降水极值出现在12日18时，次峰值出现在13日00时;Schultz微物理方案呈现双峰结构，极值出现时间也在12日18时，次峰值则出现在13日04时;Reisner2霰方案也呈现双峰结构，降水极值出现在12日19时，次峰值出现在13日03时;Reisner混合相方案与三者不同，呈现三峰结构，极值出现在13日00时，次峰值分别出现在12日19时和13日03时。

3 云微物理过程对动力热力条件的影响

图4 2002年7月12日08时—13日08时4个方案模拟的降水中心最大降水量的逐时变化(单位:mm)Fig.4 Hourly maximum precipitation at precipitaion center(Minle station)simulated by MM5 with the four schemes from 08:00 BST 12 to 08:00 BST 13 July 2002(units:mm)

为了反映各种云物理过程对动力条件的影响，通过分析降水中心上空700 hPa和300 hPa的涡度、散度之差(图5)，讨论了4个方案动力条件的差异。由图5a可见，4个方案模拟的辐合辐散条件在积分8 h之前差别不大，积分8 h之后，出现较大差异。整体来看，4个方案散度差值基本位于0值以下，说明4个方案在模拟过程中，降水中心上空均处于低层辐合、高层辐散的动力条件下，且4个方案散度差均有4次谷值出现，其中Dudhia简单冰相方案和Schultz微物理方案出现谷值的时刻比Reisner混合相方案和Reisner2霰方案早1 h，说明前两者低层辐合、高层辐散程度加剧，动力条件加强早于后两者。对比每小时降水量(图4)，前两者最大降水量发生时刻也早于后两者。

从700 hPa与300 hPa的涡度差(图5b)可见，4个方案均呈现单谷型，Dudhia简单冰相、Reisner混合相方案、Reisner2霰和Schultz微物理方案出现谷值的时间分别在12日20时、21时、23时和20时，说明在这几个时刻，4个方案的低层正涡度向上发展的层次最为深厚，且正涡度值在300 hPa高度上强度最强。从谷值出现时间还可以看到，Dudhia简单冰相和Schultz微物理方案早于Reisner混合相方案和Reisner2霰方案。

由以上分析可见，云微物理过程能够影响动力条件发展的时间和强度，从而影响强降水发生的时间和强度。

由水汽混合比和垂直速度南北向剖面(图6)可以发现，4个方案低层的水汽状况基本相同，只有Reisner2霰方案低层水汽向南伸展的范围略大于其他3种方案，这可能是Reisner2霰方案模拟的强降水中心比其他方案偏南的原因之一。但垂直流场和垂直速度的发展却相差较大(为方便比较，图6中选取的时刻分别为4个方案降水最强时刻):12日13时之前，4个方案模拟的垂直速度发展相差不大，垂直速度在降水中心上空500 hPa层以下有弱上升运动发展;14时，Dudhia简单冰相和Schultz微物理方案上升运动开始加强，山脉北坡由于地形抬升引起的气流上升运动，至18时，两者的垂直速度均达到最强，最强中心位于250 hPa左右，中心值分别为0.4、0.5 m·s－1，而 Reisner混合相方案和 Reisner2霰方案上升运动则在16时开始加强，至19时两者垂直速度达到最强，最强中心值分别为 0.5、1 m·s－1，但Reisner2霰方案强上升运动位于37.8°N以南，较其他3个方案强上升运动区域偏南，这也是Reisner2霰方案模拟的强降水较其他方案偏南的原因之一。从垂直流场来看，模式初始时刻至上升运动开始发展(14时)各方案的流场表现基本一致，气流在山脉北坡的爬升运动相似，方向和大小均相差不大，16时以后，Reisner2霰方案表现出与其他方案不同:地形抬升作用较其他方案小，即山脉北坡偏北气流地形强迫运动没有其他方案明显，其他方案中偏北气流地形强迫抬升运动则均发生在地形迎风坡至山顶处。

图5 降水中心的平均散度差(a)和平均涡度差(b)的逐时变化(单位:10－5s－1;差值为700 hPa减去300 hPa)Fig.5 Hourly(a)average divergence and(b)vorticity differences(700 hPa minus 300 hPa)at precipitation center(Minle Station)(units:10 －5s－1)

图6 2002年7月12日18时、19时降水中心的水汽混合比(等值线;kg/kg)、垂直流场(箭头;m·s－1)和垂直速度(阴影;m·s－1)的经向剖面 a.Dudhia简单冰相方案(18时);b.Reisner混合相方案(19时);c.Reisner2霰方案(19时);d.Schultz微物理方案(18时)Fig.6 Meridional cross-sections of water vapor mixing ratio(isolines;kg/kg)，vertical flow field(arrows;m·s－1)and vertical velocity(shadings;m·s－1)along precipitation center(Minle Station)at 18:00 BST or 19:00 BST 12 July 2002 a.Dudhia simple ice scheme at 18:00 BST;b.Reisner mix phase scheme at 19:00 BST;c.Reisner2 graupel scheme at 19:00 BST;d.Schultz microphysical scheme at 18:00 BST

4 各云微物理参数的模拟分析

形成降水的云微物理过程基本分为两类:暖云过程和冷云过程。本文所选用的4种方案均为冷云过程，即云中除水相以外，还有冰相的作用，即在降水过程中有冰相粒子(雪、雹、霰)的参与。何观芳和胡志晋(1998)、洪延超(1999)通过研究发现，初始降水主要由云雨自动转化形成，一旦有霰、雪等冰相粒子出现，它们和云滴、雨滴碰并而迅速增长，待其落入暖区后则融化成雨水，因而在过冷水与冰相共存的对流云中由于冰相的加入而使地面降水量大大增加。

首先来看4个方案对云水、雨水、冰水、雪水和霰的模拟情况。从整层云水、雨水随时间的变化(图7a、b)可见，Dudhia简单冰相方案模拟的云水和雨水在4个方案中量值最大，且在强降水发生时段，云水和雨水也是最强的。Reisner2霰方案模拟的云水量值居第二，Reisner混合相方案次之，Schultz微物理方案最低(图7a)。对整层雨水的模拟，在强降水发生时段(12日18时、19时)，Reisner混合相方案高于Reisner2霰方案，其他时刻则均低于Reisner2霰方案，Schultz微物理方案的雨水同样是最低的。另外，Dudhia简单冰相、Reisner混合相和Reisner2霰方案模拟的云水、雨水在12日18、19时和13日00时都有峰值出现，对比逐小时降水量发现，在这3个时刻，4个方案均处于较强降水发生时段，说明这3个方案的整层云水和整层雨水演变基本反映了降水的演变，但Schultz微物理方案则没有表现出这一点。

图7 2002年7月12—13日各方案模拟的降水中心上空整层云水(a;mm)、整层雨水(b;mm)、整层冰水(c;kg/kg)、整层雪水(d;kg/kg)和整层霰(e;kg/kg)的逐时变化Fig.7 Hourly variations of(a)integrated cloud water(mm)，(b)integrated rain water(mm)，(c)integrated ice water(kg/kg)，(d)integrated snow water(kg/kg)，and(e)integrated graupel(kg/kg)over precipitation center(Minle station)simulated by MM5 with each scheme during 12—13 July 2002

既然云水和雨水在Schultz微物理方案中不能够反映出降水状况，那么接着对其他冰相粒子进行分析，找到Schultz微物理方案降水的形成与其他方案的不同。

从各方案整层冰水、雪水、霰的时间演变(图7c、d、e)来看，Reisner混合相方案模拟的冰水、雪水量值均大于Reisner2霰方案和Schultz微物理方案，尤其是冰水量值远大于后两者，从时间变化来看，Reisner混合相方案模拟的冰水在19时达到最大，而此时正是垂直速度发展至最强盛时间(图6)，也是逐小时降水最强时间(图4)，而该方案中雪水极值则在18时出现，19时有所降低，20时再次加强，可能是由于雪粒子参与降水后有所减少，这说明冰晶粒子可能最能反映降水的逐小时演变过程，但雪水粒子有可能能够预示Reisner混合相方案中强降水发生的时间，当然这只是一个个例反映出来的结果，有待用更多的个例加以验证。Reisner2霰方案模拟的冰水量值很小，基本在0.03 kg/kg以下，说明在Reisner2霰方案中冰粒子的作用较其他粒子小。另外Reisner2霰方案模拟的雪水演变与降水演变也有差别，21时冰水和雪水才达到最大，此时降水极值已经出现，但霰粒子在18时达到最大，19时有所减小，可能也是因为霰粒子参与降水过程后有所减少，说明Reisner2霰方案中霰粒子的时间演变更能反映降水的演变，而雪和冰粒子的演变都不能够反映降水演变过程。Schultz微物理方案对冰水模拟量级较小，且时间变化不大，但对雪水和霰模拟的演变与降水发生过程基本一致，说明Schultz微物理方案中雪水和霰粒子的变化更能反映降水过程的演变。

下面分析各种降水粒子的垂直分布(图8)。首先是4个方案的云水粒子的垂直剖面(图8a)，降水初期在降水区上空各方案都已经开始出现云水，但Reisner混合相方案和Reisner2霰方案的云水范围较其他方案大，而且这两个方案模拟的云水粒子垂直分布范围较其他两个方案的高，随着时间的演变，4个方案的云水范围均有所增大，至12日18时Dudhia简单冰相和Schultz微物理方案模拟的云水浓度达到最大，中心位置位于600 hPa左右，垂直分布在750～550 hPa的高度范围内，19时Reisner混合相方案和Reisner2霰方案两者模拟的云水浓度达到最大，中心位于650 hPa左右，垂直分布在750～300 hPa之间，说明这两者模拟的云水高度很厚。

从各方案模拟的冰水垂直分布(图8b)来看，降水初期4个方案模拟的降水区上空均没有冰晶粒子出现，直到14时才开始出现，但范围在降水区上空偏南，16时范围迅速扩大，浓度迅速增大，18时Dudhia简单冰相和Schultz微物理方案模拟的冰水浓度达到最大，Dudhia简单冰相模拟的范围和浓度均最大，中心位于500 hPa左右，垂直分布在700～300 hPa之间，Schultz微物理方案模拟的冰水中心位于600 hPa左右，垂直分布范围较小，仅在700～650 hPa之间，19时Reisner混合相方案和Reisner2霰两者模拟的冰水浓度达到最大，两者中心均位于600 hPa左右，Reisner2霰方案的冰水浓度较Reisner混合相方案的大，Reisner混合相方案冰水垂直分布高度较Reisner2霰方案深厚。分析可见Dudhia简单冰相方案模拟的冰水浓度最大且垂直分布高度最为深厚，Reisner混合相方案次之，Schultz微物理方案最小。

由于Dudhia简单冰相方案没有对冰水、雪水、霰这些冰相粒子的预报计算，因此分析除Dudhia简单冰相方案的其他3个方案的过降水中心的冰水、雪水、霰混合比的垂直剖面(图8c、d、e)。在降水发生初期，Reisner混合相方案和Reisner2霰方案两者在降水区上空高层350～200 hPa之间有少量冰晶粒子出现，Reisner混合相模拟的冰晶粒子在12日14时消失，直至12日19时再次出现，且冰晶比水含量迅速增加，在250 hPa左右达到最大值(9×10－5kg/kg)，降水过程发生后，在13日05时冰晶消失。Reisner2霰方案模拟的冰晶演变同Reisner混合相方案相似，但在量级上较之偏小。而Schultz微物理方案则同前两者相差较大，降水发生前期，在36～36.7°N纬度带上空有大量冰晶粒子出现，且冰晶比水含量远大于Reisner混合相和Reisner2霰方案，但Schultz微物理方案模拟的冰晶粒子分布层次却比它们低，主要分布在中高层500～300 hPa之间，另外降水中心上空并没有冰晶粒子出现，直至12日14时，冰晶粒子在中层偏南气流的作用下向偏北方向输送至降水中心上空，19时冰晶比水含量达到最强(21×10－5kg/kg)，最大中心位于400 hPa左右(图8a)，此时逐小时降水量也达到了最强(图4)。随后，降水中心上空冰晶比水含量开始逐渐减小，13日 02时再次加强，03时达到 15×10－5kg/kg，对应图4的逐小时降水量在03时加强，04时达到次峰值，说明Schultz微物理方案中冰晶粒子对产生降水的作用是非常明显的。

从各方案模拟的雪水的分布来看，3者模拟的雪水演变在12日22时之前相差不大，12日15时降水中心上空开始出现固态的雪，到19时，3者雪比水含量均达到最大，中心位于500 hPa左右，其中Reisner2霰方案雪比含水量最大，中心最大值达到27×10－5kg/kg，Schultz微物理方案次之，Reisner混合相方案最小(图8b)，随后，3者固态雪均有所减弱。此后的过程中，Reisner混合相方案模拟的雪比水含量有两次增强的过程，分别在12日22时—13日00时和13日00—03时，中心值分别达到10×10－5kg/kg和8×10－5kg/kg。而Reisner2霰方案的雪比水含量则在12日23时开始逐渐增大，直至13日03时达到最大，中心值达到16×10－5kg/kg。Schultz微物理方案在13日01时—13日04时也有一次降水增强过程。对比逐小时降水量发现，3个方案在12日15—20时降水均有一次较强的发展过程，此外在12日22时—13日00时和13日00—03时的Reisner混合相方案，13日00—03时的 Reis-ner2霰方案，和13日00—04时的Schultz微物理方案分别有降水增强过程，这与它们模拟的雪比水含量的演变基本一致。

图8 2002年7月12日19时不同云微物理方案降水中心的云水(a)、雨水(b)、冰水(c)、雪水(d)和霰(e)混合比的经向剖面(单位:10－5kg/kg;选取的时刻分别为4个方案降水最强时刻:Dudhia简单冰相方案为18时;Reisner混合相方案为19时;Reisner2霰方案为19时;Schultz微物理方案为18时)Fig.8 Meridional cross-sections of mixing ratios of(a)cloud water，(b)rain water，(c)ice water，(d)snow water，and(e)graupel along precipitation center(Minle station)simulated by MM5 with each scheme at 19:00 BST 12 July 2002(units:10 －5kg/kg.The precipitation is the strongest at the selected times for the four schemes，i.e.Dudhia simple ice scheme at 18:00 BST，Reisner mix phase scheme at 19:00 BST，Reisner2 graupel scheme at 19:00 BST，and Schultz microphysical scheme at 18:00 BST)

接着分析霰的演变情况。4种方案只有Reisner2霰方案和Schultz微物理方案对霰做了预报，从整个演变过程来看，两者模拟的霰比水含量的演变情况相似，但Reisner2霰方案的霰比水含量量级大于Schultz微物理方案。12日15时，Reisner2霰方案和Schultz微物理方案降水中心上空600～400 hPa之间开始出现霰粒子，19时两者的霰比水含量均达到最大，最大值分别为7×10－5kg/kg、4.5×10－5kg/kg，此时两者模拟的逐小时降水量也为最大(图4)。此后两者模拟的降水中心上空维持少量的霰粒子，直至13日00时霰粒子开始逐渐增加，至04时两者的霰比水含量再次达到最大，随后逐渐减弱。

通过以上分析发现，Dudhia简单冰相方案中由于没有过冷水的存在，冻结层以下冰晶和雪全部融化成雨水，所以雨水和云水是形成降水的主要过程;Reisner混合相方案中降水的形成主要是由于雨水、云水、雪和霰的碰并过程，冰晶的碰并相对较弱;Reisner2霰方案是4个方案中最为复杂的，微物理过程也是最详细的，雨水、云水、冰晶、雪和霰均参与碰并碰冻过程。Schultz微物理方案中冰晶和雪粒子在降水形成中的作用更加明显，霰次之，雨水和云水的作用比较微弱，说明有冰相参加的冷云过程是Schultz微物理方案降水的主导过程，冰晶、雪和霰的碰并过程更为重要。

5 结论

1)从总降水来看，MM5不同云微物理方案在祁连山区降水的模拟中对降水落区的模拟均偏南，除Reisner2霰方案外，其他3种方案对降水中心落点的模拟影响不太大，另外对降水中心强度的模拟，对各云微物理方案的依赖也不是很大。

2)显式降水和参数化降水对云微物理方案有不同程度的依赖。

3)云微物理过程通过影响动力条件发生发展的时间和强度，从而影响强降水发生的时间和强度。

4)在云微物理过程中云微物理参数是影响降水的主要因素，对Dudhia简单冰相方案来说雨水和云水是形成降水的主要过程;Reisner混合相方案中降水的形成主要是由于雨水、云水、雪和霰的碰并过程，冰晶的碰并相对较弱;在Reisner2霰方案中雨水、云水、冰晶、雪和霰均参与碰并碰冻过程;Schultz微物理方案中冰晶、雪和霰的碰并过程更为重要。

本文仅仅是针对一次祁连山区降水事件对MM5模式中几种云微物理方案的选择进行的分析研究，结论只是初步的，且祁连山区有其特殊的地理条件和天气气候条件，引起降水的云物理过程也具有其特殊性和复杂性，因此有必要进行更多个例和试验方案深入考察。

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