一次冰雹云微物理机制的数值模拟分析

范秀平，曹久才，焦文红，元 原，李 明

（1.山西省观象台，山西 太原 030006；2.北京市门头沟气象局，北京 门头沟102300；3.北京市昌平气象局，北京昌平102200；4.中国人民解放军96630部队102206)

一次冰雹云微物理机制的数值模拟分析

范秀平1，曹久才2，焦文红3，元 原4，李 明1

（1.山西省观象台，山西 太原 030006；2.北京市门头沟气象局，北京 门头沟102300；3.北京市昌平气象局，北京昌平102200；4.中国人民解放军96630部队102206)

该文运用三维冰雹云模型模拟2011年7月12日娄烦县冰雹云的生成、发展和消亡过程，并结合当日的探空、天气、多普勒雷达等资料，分析冰雹云的结构特征和冰雹形成的微物理过程。分析结果表明，冰雹的胚胎主要是冻滴，并通过撞冻过冷云水生长。在雹云的形成过程中，尤其是雹云的发展初期，适量的冰晶、雪和丰富的过冷云水发挥了至关重要的作用。

冰雹云；微物理机制；数值模拟

0 引 言

冰雹是中小强度对流云的产物，是一种短时间的强烈灾害性天气。虽然冰雹的发生、发展和影响时间只有数小时甚至几十分钟,但是它和与之相伴随的大风、雷暴等剧烈天气相比往往给人类活动带来更严重的危害，特别容易对农作物造成毁灭性的破坏。冰雹是山西省仅次于干旱灾害的第二大气候灾害。依据新中国成立以来的统计资料显示，每年山西省大约有500万亩农田遭受冰雹袭击，多达60多个县、市受灾，其中导致40个县市的农作物减产，平均每年因冰雹受灾的面积为160-170万亩[1]。因此准确掌握积云发展和消亡的规律,判断积云是否是雹云,对防雹减灾至关重要。大量的观测数据和研究表明,不仅冰雹具有明显的区域性特征，而且冰雹云的结构和运动相当复杂,具有三维结构特征[2-7]。因此,利用三维冰雹云模型模拟冰雹云发展和消亡的过程，能够详细地了解冰雹云的结构特征和冰雹形成的微物理过程，较早识别冰雹云，对科学指导催化防雹有重要的意义。

孔凡铀等[2-3]首次在国内创建了包含冰相微物理过程的三维冰雹云模式，并建立了包含冰晶繁生的17个重要冰相微物理过程和参数的三维完全弹性原始方程模式。肖辉等[4]改进和发展了包含8种水物质的微物理过程的非静力可压缩模式，能详细描述云中各种粒子的形成过程。洪延超等[5-6]运用更接近实际的双参数谱演变方案,进一步改进三维冰雹云催化模式，并模拟了陕西旬邑地区冰雹形成的微物理机制，提出了“冰晶—雹胚—过冷水—冰雹”的冰雹形成过程链概念。许多省市的气象科研工作者也用三维云数值模式对强对流发生和发展过程进行模拟，黄毅梅等[8]对河南南阳的一次降雹过程进行模拟，发现冰雹云中存在过冷水累积区，且出现在最大上升气流的上方，累积的过冷雨水含量随着雹云的发展而变化，冰雹在累积区内生长。黄毅梅通过催化试验表明,在冰雹形成前，在过冷雨水累积区域内播撒AgI粒子能取得较好的防雹效果。胡朝霞等[9]在三维完全弹性冰雹云模式的基础上,模拟了雨滴冻结成霰的过程。刘术艳等[10]应用三维云数值模式模拟了1996年京冀交界地区的一次强单体雹的形成过程，发现超级单体风暴云的一些典型特征,如悬垂回波、弱回波区、回波墙等。胡国玲[11]结合多站点探空资料通过三维冰雹云数值模拟分析陕西陇县的一次冰雹云形成过程，表明三维冰雹云模式能很好地模拟单体对流云云顶高度、云体宽度、回波强度等参数，还能模拟防雹作业效果，可作为研究冰雹云形成机制和提前预报冰雹云的参考方法。

1 三维冰雹云模型及其模拟环境

1.1 三维冰雹云模型

本文应用中科院大气物理研究所研究的三维冰雹云模型。该模型的动力学框架是一个非静力可压缩的完全弹性方程组,并采用双参数谱模拟云降水的微物理过程。模型中包含了水汽、云水、雨水、冰晶、雪花、霰、冻滴、冰雹的微物理过程，能够完整地描述强对流云的动力特征和微物理机制。模拟需要的初始数据来源于探空资料，计算域为36km×36km×18.5km的空间范围,网格距为1km×1km×0.5km的空间范围，采用湿热泡方式启动对流云。

该模型包含了冰雹云形成的微物理过程,并采用了双变参数谱，还将云中的水物质分成水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰、冻滴和雹8类，可以预报粒子的比浓度和比含量，尤其可以计算以霰或冻滴为胚胎的雹块数量，适合用来研究冰雹的形成机制。此外，该模型还可以建立以AgI为催化剂的守恒方程，以分析人工冰核的凝华核化及与云、雨滴接触的冻结核化过程，并用地面降雹动能通量检验催化防雹效果。因此，该模型可以研究催化防雹机制和雹云催化技术。

1.2 冰雹云形成的微物理过程

冰雹云形成的微物理过程包括十一个方面的内容。一是水汽凝结；二是云滴和雨滴的蒸发；三是冰晶、雪、霰、冻滴和雹的凝华、融化、融化蒸发，以及它们和雨滴对云滴的碰并；四是冰晶、雪、霰、冻滴和雹对雨滴的碰并；五是冰晶—冰晶和雪—雪的聚合；六是雨、雪、霰、冻滴和雹对冰晶的碰并；七是雨、霰、冻滴和雹对雪的碰并；八是冻滴和雹对霰的碰并，以及雹对冻滴的碰并；九是云滴、冰晶、雪、霰和冻滴的自动转化；十是冰晶的核化和繁生，以及雨滴的核化；十一是冰雹干湿增长过程。

2 三维冰雹云模型的模拟分析

为了清晰地反映三维冰雹云模型的模拟过程，用图1来表现。

图1 冰雹云模型模拟流程图

本文利用三维冰雹云模型模拟2011年7月12日山西太原出现的冰雹云的发展和消亡过程，以了解冰雹的宏观结构和微观结构，以及冰雹形成的微物理过程，并构建雹云形成冰雹的微物理框架。2011年7月12日19时左右，太原市娄烦县庙弯乡水峪村发生雷雨天气，伴有大风冰雹，冰雹直径2-3cm，持续时间20分左右。受冰雹影响，水峪村1 000多亩庄稼全部绝收，经济损失80万元左右。盖家庄乡的11个行政村不同程度受灾，受灾面积4 849.4亩，经济损失121万元。

2.1 垂直速度分析

图2是模拟垂直速度YZ的剖面图，其中图2a是模拟第22分钟时垂直速度YZ的剖面图，图2b是模拟第26分钟时垂直速度YZ的剖面图。

图2 模拟垂直速度YZ的剖面图（X=18km，单位：m/s）

从图2可以发现，在第26分时，垂直上升速度达到极值约18m/s，在主上升气流的两侧存在较大的下沉气流，主上升气流宽度约11km，中心位置位于8km左右；在第27分时，上升气流的最高高度约13km，由于地面降水等因素产生的拖曳作用，削弱了云中的上升气流，汽流开始下降。在第32分时，上升汽流范围明显缩小，并在其右后方出现了较大范围的下沉气流，云底逐渐被下沉气流控制，说明云体开始衰减。

2.2 含水量演变分析

图3是模拟雹云总含水量在x轴方向通过含水量中心的垂直剖面结构演变图，其中图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f分别反映第6分、第14分、第22分、第26分、第34分、第50分时的演变情况。

图3 模拟雹云总含水量在x轴方向通过含水量中心的垂直剖面结构演变图(单位：g/m3)

从图3可以发现，含水量中心与强上升气流之间配合较好，说明在云的发展阶段，主含水量中心（强回波区）有强上升气流。在第6分时，初始云泡开始形成，顶部高度约5km，云底部高度约4km。之后云底的暖湿空气被上升气流带入云内，云的中部开始出现降水元，随着凝结潜热的释放，云内上升运动开始加强，云体不断向上发展，同时云内含水量的大值区也逐渐向上延伸。在第22分时，云顶部高度达到9km，含水量的大值区位于6km高度附近。第26分时，高含水量区已降至4.5km高度，且在6.5km高度形成另一个高含水量中心，且含水量区接近地面，云体进入降水阶段。从雹云发展过程中还可以发现，当云体达到10km的高度后，高空风对云体结构，即风切变对云体结构有明显的影响，这一动力学效应使进入降水阶段的冰雹云出现向顺风方拉出的云砧，但这一云砧并没有影响云的强区结构，云顶仍然维持在12km高度，随后开始降低，维持在11km高度左右。

2.3 冰雹形成的微物理机制分析

2.3.1 冰晶和雪的形成过程

云中的冰晶是通过水汽在活化的冰核上凝华形成的。表1给出了冰雹形成过程中冰晶源项中各物理过程的时空积分总量。从表现1可以发现，在不同时刻的雹云中的冰晶总个数TNi与TNNUvi在量级上相等，即NUvi过程对冰晶数量贡献最大，冰晶形成后，主要靠凝华增长。

表1 冰晶源项中各物理过程时空积分总量

雪可以由单个冰晶增长转化或接触冰晶过冷小雨滴冻结和冰晶聚合形成。表2是反映雪源项中各物理过程的时空积分总量。从表2可以发现，雪花主要起源于CNis和CLris，而CLii过程形成雪的数量比CNis过程小3-4个量级。就对雪的质量贡献而言，CLris过程最大，雪的增长主要依靠CLcs和VDvs过程。

表2 雪源项中各物理过程的时空积分总量

2.3.2 霰和冻滴的形成过程

霰和冻滴都可以发展成冰雹，因此它们都是冰雹的胚胎。霰是在CNig和CNsg过程中形成的。表3是霰和冻滴源项中各物理过程的时空积分总量。从表3可以发现，在冰雹云的发展过程中，TCNig的作用大于TCNsg，TNCNig的作用大于TNCNsg。无论从质量上还是数量上，雪的转化比冰晶对霰形成的贡献大得多。图4反映霰、冻滴和冰雹空间积分总量变化率及源项变化率的时间变化。从表3和图4a发现，霰形成后，主要通过CLcg、CLrg和VDvg增长。霰粒撞冻雨滴增长发生的时间比较靠前，大约在第24分时达到最大值，而CLig和CNsg占的比例比较少。霰源项总量的增加率在第40分左右达到最大值。从各源项所占的比例表明，CNig对质量的贡献极小。冰雹形成后撞冻过冷云水增长的占比最大，收集雨水增长的贡献主要出现在第25分之前。

对冻滴初生有贡献的是CLrif和NUrf。雨滴在5.0km高度的过冷区形成，并在过冷区直接核化和接触冻结，这对冻滴的形成极为有利。从表3、图4b和图4c可以发现，冻滴形成以后，主要依靠CLrf、CLcf和VDvf增长，其次是CLif。此外，各种增长过程对冻滴质量贡献率最大值出现的时间也不相同，RCLif、RCLcf、RCLrf和RVDvf出现峰值的时间分别在第35分、第30分、第24分和第28分。从表3发现，在降雹之前，CLcf、CLrf和VDvf的贡献最大，三者的贡献量占总量的99.79%。

表3 霰和冻滴源项中各物理过程时空积分总量

图4 霰、冻滴和冰雹空间积分总量变化率及源项变化率的时间变化

2.3.3 冰雹形成的过程

冰雹胚胎的形成及其增长问题是研究冰雹形成机制的重要内容，也是人工防雹的关键。霰和冻滴增长达到一定尺度后向雹转化。从表4可以发现，第25-30分是冰雹质量源项总量TQh增加速度最快的时间，从170.58kt增加到376.64kt。从图4d可以发现，此时冰雹质量源项总量变化率RQh处于峰值区。在第25分和第30分时，冻滴的转化量（TCNfh）分别为147.69kt、285.69kt，各占相应时间TQh的87%和76%；而TCNgh分别为1.49kt和 8.43kt，只占相应时间TQh总量的0.87%和2.24%，可见冻滴比霰对雹的转化的贡献大得多，冰雹主要是由冻滴转化而来。在地面发生强降雹后，冻滴转化成雹的速率逐渐减小，而在第39分后，冰雹主要由霰转化形成。从表3可以发现，在冰雹形成期间，冻结形成冻滴和冻结转化成霰的数量相差不大。但是冻滴向雹的转化比例远大于霰向雹的转化比例。因此，尽管霰和冻滴数量上相差不大，但是在地面发生强降雹前，雹云中的雹胚来源主要为冻滴。

表4 冰雹源项中各物理过程时空积分总量

3 结 论

通过三维冰雹云模型研究冰雹云的发展、消亡过程，可以发现冰雹的形成规律及其微物理过程。由水汽核化和繁生形成冰晶，并通过凝华而增长；冰晶通过自碰并、自动转换和与其接触的过冷小雨滴冻结而产生雪，雪通过撞冻过冷云水和凝华而增长；冰晶和雪向霰转化，霰通过收集过冷云水而增长；冻滴由冰晶雪接触过冷雨滴冻结形成，也可以由雨滴核化而形成，但前者比后者产生的冻滴数量大得多，在前期冻滴通过收集过冷雨水而增长，而后期以收集云水而增长；由于霰比冻滴向雹转化的比例低，因此，冰雹的胚胎以冻滴为主，主要通过撞冻过冷云水而增长。因此，适量的冰晶、雪和丰富的过冷水有助于雹的形成和增长。通过归纳冰雹的形成规律，可以构造雹云形成冰雹的机制的微物理框架，用图5来反映。

图5 冰雹形成机制的微物理框架

[1]裴巨才，李培仁，郭慕萍，等.山西冰雹[M].北京：气象出版社，2004.

[2]孔凡铀，黄美元，徐华英.对流云中冰相过程的三维数值模拟[J].大气科学，1990(4)：442－453.

[3]孔凡铀.冰雹云三维数值模式模拟研究［D］.北京：中国科学院大气物理研究所，1991.

[4]肖辉，吴玉霞，胡朝霞，等.旬邑地区冰雹云的早期识别及数值模拟[J].高原气象，2002(2)：159－166.

[5]洪延超.冰雹形成机制和催化防雹机制研究[J].气象学报，1999(1)：30－44.

[6]洪延超，肖辉，李宏宇，等.冰雹云中微物理过程研究[J].大气科学，2002（3）：421—432.

[7]郭学良，黄美元，洪延超，等.三维冰雹分档强对流云数值模式研究Ⅱ：冰雹粒子的分布特征［J］.大气科学，2001（6）856－863.

[8]黄毅梅，周毓荃，李子华.雹云成雹机制及最佳催化方案的数值研究[J].河南气象，2001（3）：35－37.

[9]胡朝霞，李宏宇，肖辉，等.旬邑冰雹云的数值模拟及累积带特征[J].气象与环境研究，2003(2)：196－208.

[10]刘术艳，肖辉，杜秉玉，等.北京一次强单体雹暴的三维数值模拟[J].大气科学，2004(3)：455－470.

[11]胡国玲.三维冰雹云数值模式及业务应用[J].陕西气象，2012(1)：19－23.

责任编辑 仇大勇

Numerical Simulation Analysis of a Hail Cloud Micro Physical Mechanism

FAN Xiuping1,CAO Jiucai2,JIAO Wenhong3
(1.Shanxi Province Observatory，Taiyuan Shanxi 030006; 2.Mentougou Meteorological Service,Mentougou Beijing 102300; 3.Changping Meteorological Service,Changping Beijing 102200,China）

Using the 3D hail cloud model,this paper simulates the hail cloud formation,development and extinction process on July 12,2011 in Loufan County,and combining with the sounding data,weather situation,and the doppler radar data,analyses its structure characteristics and microphysical formation processes.The results show that the hail embryos is mainly frozen drops,and growing by hitting the frozen cold cloud water.In the development of hail cloud,especially in the early process,right amount of ice crystals,snow and rich water plays a crucial role.

a hail cloud;micro physical mechanism;numerical simulation

P426

A

1674－5787（2016）02－0145－06

2016-3-2

范秀平（1974—），女，山西万荣人，工程师，研究方向：应用气象；曹久才（1972—），男，辽宁喀左人，工程师，研究方向：应用气象；焦文红（1973—），女，北京市人，工程师，研究方向：应用气象；元原（1982—），男，山西阳城人，工程师，研究方向：雷达信号处理；李明（1962—），女，河北大城人，助理工程师，研究方向：应用气象。

10.13887/j.cnki.jccee.2016（2）.40