基于模式的混合云系人工增雨作业潜力个例分析

福建省气象科学研究所 余永江

基于模式的混合云系人工增雨作业潜力个例分析

福建省气象科学研究所 余永江

利用人影数值模式和卫星反演产品分析南方混合云系的结构和人工增雨作业条件，结果表明模式预报的大范围云系与实况卫星反演结果比较吻合，预报的云层性质和垂直结构与实况接近；液态含水量高，冰晶数浓度很少的部位，可能有很好的冷云催化增雨潜力。

人工影响天气 作业条件 数值预报

人工影响天气是气象服务的重要科技手段之一，在防灾减灾和云水资源开发的迫切需求下，福建省一直在广泛开展人工增雨作业。人工增雨作业是在适当的云层中播撒催化剂，以使更多的水汽和云水转化为降水。在实施人工增雨作业前，需要对作业实施对象——云系的宏微观特征进行预判，提前确定合适的作业区域、作业时机和作业剂量，才能科学实施人工增雨作业。因此，利用数值模式对作业云结构和人工增雨作业条件进行预报和分析，为开展人工增雨外场作业提供技术支撑和指导，具有十分重要的科学意义和实用价值[1-2]。

随着微物理参数化方案的不断完善，数值模式已经成为人工影响天气理论研究及指导人影作业的重要工具。近年来，我国在数值模式研究方面发展迅速，已经初步具备适用于人工影响天气作业设计和效果验证的云和降水模式，特别是与人工影响天气有关的各种微物理过程，在不断检验的基础上被采纳和引入，降低了人工影响天气工作的不确定性。数值模式开始应用于人影作业方案设计、论证，作业过程的指导，作业后的效果分析等方面。

1 模式简介

GRAPES_CAMS模式是以我国科学家自主研制的新一代数值预报模式GRAPES中尺度非静力平衡动力框架为基础，耦合入CAMS云降水显式方案形成的人工影响天气模式。模式系统的中心点设在(37.5°N,102.5°E)，水平格距25 km，覆盖东亚大部分区域。垂直方向为31层，模式顶气压为10hPa。选用KF对流参数化方案改进的CAMS云降水显式方案、MRF边界层方案以及rrtm长波辐射方案、swrad短波辐射方案、sfclay近地面过程方案、slab陆面过程方案。利用全球模式T213的预报资料作为初始场和侧边界条件启动模式当日08时/20时的预报，预报时效48小时。

GRAPES_CAMS模式系统产品主要有4大类，包括云宏观场、云微观场、云垂直剖面和降水场。

（1）云宏观场。包括云带、云顶温度、云顶高度、垂直累积过冷水、垂直累积液态水，有助于了解云系的发展程度和演变趋势，辅助确定作业潜力区。

（2）云微观场。包括各层总水成物场+风场+温度场，各层云水比质量+风场+温度场，各层雨水比质量/数浓度+风场+温度场，各层冰晶比质量/数浓度+风场+温度场，各层雪比质量/数浓度+风场+温度场，各层霰比质量/数浓度+风场+温度场，有助于了解云中微观物理量的分布和特征，确定作业潜力区。

（3）云垂直剖面。包括云水、冰晶数浓度、温度和垂直运动叠加的剖面图，雪和霰、雨水、高度和垂直运动叠加的剖面图，可用于了解云系冷暖云垂直结构配置，判断降水机制，0℃、-10℃等特征温度层高度，确定播云作业的温度和高度范围。

（4）云降水场。包括逐小时、3h、6h和24h的地面降水，格点降水和对流参数化降水，可以总体掌握自然降水特征，如落区、强度和演变等。

2 模式产品检验

2016年6月16日，高空槽东移，低层切变东移南压到福建省中部地区，辐合抬升较强，且维持时间较长，西南风急流强（850hPa达到20m/s），水汽充沛，降水条件非常有利，福建西部、北部地区出现降水过程（图略）。

利用6月15日20时起报的GRAPES_CAMS云宏观产品（包括云带、垂直累积液态水、垂直累积过冷水、云顶温度和云顶高度）和卫星反演的云特征参量，对本次降水过程中GRAPES_CAMS预报产品适用性进行验证。模拟的云带用GRAPES_CAMS模式计算的云水、雨水、冰晶、雪和霰含水量总和的垂直累积代表，卫星反演的光学厚度是指在整个路径上云消光的总和。首先利用16日02时的卫星反演产品对模式预报云带进行检验，模式预报的云区呈西南—东北走向。有两个主云区，一个在江西会昌、瑞金到福建长汀、清流一代；另一个在顺昌、建瓯至寿宁一带（见图1）。16 日02时的卫星反演光学厚度显示主云区走向和模式预报一致，同样也有两个雨带集中区，分别在江西赣州、福建龙岩西部，以及三明中部到南平东部一带（图1）。模式预报的云带和卫星监测结果对比分析表明，GRAPES_CAMS预报云带的走向、云区分布与实测结果基本一致，落区稍有偏差。

图1 2016年6月16日02时GRAPES_CAMS预报的云带和FY-2卫星反演的光学厚度

16日02时GRAPES_CAMS模式预报的江西赣州、福建龙岩一带云顶高度在9～13km；三明到南平东部一带云顶高度在9～11km（图2）。16日02时FY-2卫星反演的江西赣州、福建龙岩一带云顶高度12～14km，三明到南平东部一带云顶高度在9～12km（见图2），模式预报的云顶高度要低于卫星反演的云顶高度。

图2 2016年6月16日02时GRAPES_CAMS预报的云顶高度和卫星反演的云顶高度

16日02时GRAPES_CAMS模式预报的江西赣州、福建龙岩一带云顶温度在-30℃～-60℃之间，三明到南平东部一带云顶温度在-40℃～-50℃之间；16日02时FY-2卫星反演的江西赣州、福建龙岩一带云顶温度在-60℃，三明到南平东部一带云顶温度在-40℃～-60℃之间（图3）。模式预报的云顶温度要高于卫星反演的云顶温度，原因可能是模式预报的主云区云高较低。

图3 2016年6月16日02时GRAPES_CAMS预报的云顶温度和FY-2卫星反演的云顶温度

通过对比分析此次降水过程GRAPES_CAMS预报云带、云顶温度、云顶高度和FY卫星反演的光学厚度、云顶高度、云顶温度，GRAPES_CAMS对云带走向和主云区位置的模拟接近实况，模式模拟的云顶高度要低于卫星反演的云顶高度，模式预报的云顶温度要高于卫星反演的云顶温度，但差别不大，可见GRAPES_CAMS对此次降水过程的模拟整体接近实况，具有很高的可用性。

3 增雨作业条件分析

根据GRAPES_CAMS模式预报的2016年6月16日02时垂直累积过冷水含量分布情况，垂直累积过冷水在福建省有两个分布中心，一个中心位于长汀至江西会昌一带，另一个过冷水含量中心位于顺昌至政和、周宁一带，垂直累积过冷水含量超过0.1mm（图4）。模式预报显示6月15日20时至16日20时，福建省西南至东北方向有超过25mm的降水带（图4）。

图4 GRAPES_CAMS预报2016年6月16日02时垂直累积过冷水和预报降水量

为进一步分析云垂直结构，沿宁化至寿宁一线做水成物垂直剖面图（图5），福建省西部中部地区降水为冷暖混合降水，模式预报0℃层高度位于5100m，云顶高度10km，冰晶数浓度（Ni）大值区位于400～500hPa之间，最大达到50个/L，高层冰晶尚未下落以致500hPa以下冰晶数目减少，雪和霰(Qs+Qg)主要分布在冷区的500hPa以上；云水含量最大达0.3 g/kg，在冷区分布着过冷水；过冷水主要位于0～-10℃（海拔高度5100～6900 m），最大值为0.3g/kg，并且该层冰晶数浓度不高（图5）。因此，通过分析得出，15日20时至16日20时，政和、屏南和周宁一带过冷水含量高（Qc），并且过冷水层的冰晶数浓度非常少，最有可能的冷云催化增雨潜力区就在此处。

图5 2016年6月16日02时Qc、Ni、T垂直剖面图和Qs、Qg、Qr和H垂直剖面

4 结论

（1）通过对比分析6月16日降水过程GRAPES_CAMS预报云带、云顶温度、云顶高度和FY卫星反演的光学厚度、云顶高度、云顶温度，表明GRAPES_CAMS对云带走向和主云区位置的模拟接近实况，模式模拟的云顶高度要低于卫星反演的云顶高度，模式预报的云顶温度要高于卫星反演的云顶温度，但差别不大，GRAPES_CAMS对南方混合云系降水过程的模拟整体接近实况，具有很高的可用性。

（2）通过分析垂直累积过冷水含量和云垂直结构，15 日20时至16日20时，政和、屏南和周宁一带过冷水含量高，并且过冷水层的冰晶数浓度非常少，最有可能的冷云催化增雨潜力区就在此处。

[1] 孙晶，史月琴，蔡淼，等.南方三类云系结构预报和增雨作业条件分析[J].气象，2015(41): 1356-1366.

[2] 孙晶,楼小凤，胡志晋，等.CAMS复杂云微物理方案与GRAPES模式耦合的数值试验[J].用气象学报，2008，19（3）：315-325.