一次积层混合云云系微物理结构数值模拟与增雨条件分析

2020-03-14黎祖贤蔡荣辉

干旱气象 2020年1期

唐林，李琼，黎祖贤，蔡淼，蔡荣辉，高沁

(1.湖南省人工影响天气领导小组办公室，湖南长沙 410118；2.中国气象局人工影响天气中心，北京 100081;3.湖南省气象台，湖南长沙 410118)

引言

高温热害天气是湖南省主要气象灾害之一[1]，针对高温热害天气开展人工增雨，其主要作业云系是积层混合云，该云系是由层状云和嵌入其中的积云组成，有着稳定丰富的云水资源。积层混合云中的积云区上升速度较大、含水量丰沛，是人工增雨较好的作业部位，通常为“播撒-供给”催化机制降水中的供水云[2]。在积层混合云中不同上升速度区播撒人工冰核或致冷剂，往往可以增加20%～35%的降水量[3-5]。福建古田水库进行了一系列人工增雨作业外场试验[6]，效果分析表明，积层混合云、层云、积云这三种云型，催化效果最好的是积层混合云。

近年来，随着卫星、雷达、雨滴谱仪、飞机等观测手段的发展，国内开展了诸多针对积层混合云降水云系的观测和分析，针对积层混合云降水特征、结构特征、云微物理特征和降水机制等进行了研究。如研究表明，大范围的暴雨基本上由较为深厚的积层混合云产生，强对流云团呈楔状云(V型云)[7]，云顶亮温较低，光学厚度大于100；积层混合云中的对流云过冷层较厚、作业目标云处于新生或发展阶段，有较多过冷水的对流云具有较好的作业条件[8]。积层混合云降水的雨滴瞬时谱谱型多呈单峰型分布，有少量呈多峰型分布,偶见指数型分布[9]，对流云降水雨滴平均谱宽大于层状云[10]。蔡兆鑫等[11]利用飞机观测资料分析了一次积层混合云微物理特征，过冷水丰沛的云层云顶亮温处于播云温度窗内，具有很好的可播性。

数值模式是研究云系降水过程的重要手段之一，近年来，国内采用云尺度模式和中尺度模式对积层混合云的数值模拟研究也取得了较为丰硕的成果[12-20]。在相同大气层结条件下模拟孤立积云和层状云中积云，发现层状云对积云的发展有显著促进作用[14]；华北积层混合云的积层混合区“拟降水效率”最大高达70%以上[15]，云中微物理量分布不均，积云液水含量远大于层云液水含量[16]。何晖等[17]利用中尺度数值模式WRF结合三维粒子运行增长模式分析了一次积层混合云微物理结构和降水机理，发现层状云中的对流区粒子可以循环增长使粒子增长更大。积层混合云的动力、热力和微物理结构均比较复杂，层状云和积状云之间可以相互影响和反馈。

在人工影响天气领域，需对作业实施对象，即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，才能科学有效地实施人工增雨作业。因此，利用数值模式对作业对象云微物理结构和人工增雨作业条件进行预报和分析，对开展人工增雨外场作业具有十分重要的科学价值。本文采用耦合中国气象科学研究院CAMS(Chinese Academy of Meteorological Sciences)研发的云参数方案的MM5中尺度模式对2013年8月13日湖南地区受台风外围云系影响的一次典型积层混合云降水过程的云微物理结构进行数值模拟，以期对人工增雨作业时机和作业部位选择取得最理想作业效果给予科学解释。

1 模式及资料

MM5是从20世纪80年代以来美国宾夕法尼亚州立大学(PSU)和国家大气研究中心(NCAR)共同开发并引入非静力平衡效应的第5代区域中尺度数值模式[18]，模式中耦合的复杂云微物理方案[19-20]是由中国气象科学研究院开发的一套准隐式格式的混合相双参数云微物理方案。该方案用混合比和数浓度两个参数来描述一种水成物粒子群，根据云中粒子的相态、形状等将水成物分为云水、雨水、冰晶、雪晶、霰5种。

MM5模式用NCEP提供的每6 h一次的水平分辨率为1°×1°的再分析格点资料作为初始场，模拟时间从2013年8月13日00:00(北京时，下同)至14日23:00，模式结果的输出时间间隔为1 h，次网格格距为7.5 km，垂直方向共15层，顶层气压100 hPa。

2 模拟结果与观测资料对比

本文应用了模式输出的云宏微观物理量产品，为了校验模拟效果，选取同样能体现云内部特征的FY-2C卫星反演产品与模式结果作对比，并进一步验证模式输出零度层高度与实况的吻合情况。由于FY-2C的反演受可见光通道限制，反演的产品只有在08:00—18:00可用，下面针对此次台风外围云系影响湖南的降水过程，选取云场、云顶温度和零度层高度进行模拟与实况作对比分析，研究区域为108°E—115°E、24°N—30°N。

2.1 云场对比

采用FY-2C卫星资料反演的光学厚度代表实测云场，光学厚度与粒子直径成反比，即云粒子对光学厚度的贡献较大，而降水粒子对光学厚度影响不大，故用模式输出的云水和冰晶的垂直累积含量表示模拟云场。

图1为2013年8月13日16:00、18:00卫星反演光学厚度与模拟云场。可以看出，卫星反演光学厚度成片分布在湘中以南区域，18:00较16:00有明显北抬发展趋势，在湖南北部、贵州东部与湖南交界处也有零星块状分布；而模式模拟的云场大值区基本也位于湘中及以南地区，但大多呈独立块状分布，较卫星反演光学厚度分布范围窄，区域性更强；湘北和贵州西部模拟云场与卫星反演光学厚度较为一致，位置稍偏西。

综上所述，模式模拟云场的大致区域在湘南，基本能反映实况，但范围偏窄、局地性更强，在湘北和湘西与实况较为吻合，位置稍偏西。这可能与我们选取的代表模拟云场的参量仅为云水和冰晶垂直累积总和有关，不能完全代表云场的实际情况，而卫星反演产品代表实测云场，另外卫星反演算法上也可能出现一定程度的偏差[21]。

2.2 云顶温度对比

图2为2013年8月13日16:00、18:00卫星反演云顶温度与模拟云顶温度。可以看出，16:00卫星反演云主要分布在27°N以南区域，湘南云顶温度为-40～0 ℃，湘北有零星块状云顶温度为负值；18:00云明显北抬发展，28°N湘中以南区域云顶温度为-60～0 ℃，湘中及湘东北大部分地区云顶温度为0～20 ℃，2 h前位于湘北的云顶温度为负的局部云块西移且范围有所扩大，云顶温度发展为-20～20 ℃。16:00模拟云场主要分布在湘中及湘中以南，湘南云顶温度为-35～20 ℃，大部分地区为零度以下，湘中云顶温度为-15～20 ℃，湘北及湘西北均有块状云系分布，说明模式模拟云顶温度范围较卫星反演云顶温度略偏大，但大值区域范围整体一致。模拟云顶温度偏高，湘北和湘西北的分散性块状云系模拟有所体现，范围和强度稍偏小。综上所述，模拟的云顶温度场与卫星反演的云顶温度场分布范围基本一致，模拟云顶温度区间跨度较卫星反演偏大，整体能反映此次过程主要影响区域——湘南的云系特点，湘中以南云顶温度以负值为主，说明此次过程为层积混合云降水过程，适于开展人工增雨作业。

图1 2013年8月13日16:00(a、b)、18:00(c、d)FY-2C卫星反演光学厚度(a、c)与模拟的云场(b、d，单位：10-2 cm)Fig.1 The retrieved optical depth from FY-2C satellite (a, c) and simulated cloud situation (b, d, Unit: 10-2 cm)at 16:00 BST (a, b) and 18:00 BST (c, d) on August 13, 2013

图2 2013年8月13日16:00(a、b)、18:00(c、d)FY-2C卫星反演(a、c)与模拟(b、d)的云顶温度(单位：℃)Fig.2 The retrieved cloud top temperature from FY-2C satellite (a, c) and simulated cloud top temperature (b, d) at 16:00 BST (a, b) and 18:00 BST (c, d) on August 13, 2013 (Unit: ℃)

2.3 零度层高度对比

郴州站13日探空数据(图略)显示，零度层08:00位于4959 m，20:00位于4848 m，在550～500 hPa。根据郴州地区的模式输出结果，08:00和20:00零度层高度也在550～500 hPa，模拟结果与探空资料显示的一致。

综上所述，模式模拟云场的大致区域在湘南与实况一致，但模拟场范围偏窄、局地性更强，而在湘北和湘西与实况较为吻合，位置稍偏西；模拟的云顶温度场与FY-2C卫星反演的云顶温度场分布范围基本一致，模拟云顶温度区间跨度较卫星反演偏大；模拟的零度层高度与探空资料结果一致。可见，此次模拟结果整体能反映这次台风外围云系的特点及发展演变趋势，可用来进行云系的微物理结构分析和人工影响天气作业指导。

3 云系微物理结构

为分析此次台风外围云系云微物理量的特征，下面从5类水成物(云水、雨水、冰晶、雪晶、霰)的混合比随时间演变、水平分布和垂直分布特征进行分析。选取湘中以南区域(111°E—114°E、24.5°N—27°N)作为研究区域。

3.1 水成物混合比时间变化

图3为2013年8月13日水成物混合比区域平均值的时间-高度剖面和加权垂直积分区域平均值随时间变化。可以看出，在云系发展前期的12:00—15:00，500 hPa附近有云水分布，即存在过冷水；14:00—16:00，有一云水混合比大值区出现在750 hPa附近，最大混合比超过6.5×10-5kg·kg-1·m-2；18:00以后，云水几乎全部分布在零度层以下，混合比也有所减小。雨水从13日12:00开始出现，至17日00:00基本消失，13日13:00出现混合比最大值，分布在750 hPa附近。冰晶主要出现在13日12:00—17:00，分布在500～200 hPa，对应温度区间为-40～0 ℃，14:00有混合比最大值，位于300 hPa。雪晶主要出现在13日12:00—17:00，15:00有混合比最大值，分布在600～300 hPa，450 hPa附近出现一雪晶混合比大值区。云系发展初期，700～400 hPa都有霰的分布， 13日13:00，500 hPa附近出现霰混合比最大值，此高度层上有较为丰沛的过冷水，对于霰淞增长极为有利，雨水的分布和趋势与霰一致，可见霰对雨水的形成有主要贡献，16:00后霰的含量迅速减少直至基本消失。

各类水成物混合比变化趋势基本一致，均呈单峰型。云水于14:00达最大值，而后迅速减少，18:00后云水混合比有轻微波动。雨水和霰混合比均于13:00达峰值，随后迅速减少，于18:00开始维持相对平稳小值。冰晶混合比在各类水成物中最小，冰晶和雪晶混合比分别于14:00、15:00达峰值，随后迅速减小，18:00开始维持平稳小值趋势。总之，各类水成物混合比加权垂直积分区域平均值的最大值都出现在13日14:00左右，降水过程表现为积层混合云降水；19:00后雨水、冰晶、雪晶和霰基本消失，还存在少量的云水，说明研究区域内的云体演变以暖性层云为主。

3.2 水成物混合比水平分布

选取2013年8月13日13:00、15:00和19:00分别作为积层混合云发展阶段、成熟阶段和积云扩展层化阶段。图4给出2013年8月13日13:00、15:00和19:00 600 hPa云水混合比空间分布。可以看出，13:00云水混合比大值区位于郴州东南部和永州南部；15:00郴州东南部云水混合比大值区向西北方向移动到郴州西部上空，永州南部云水混合比大值区西移出境；19:00郴州境内的云水继续向西北方向移动，到永州西北部，且云水混合比明显减小。

图5为2013年8月13日13:00、15:00和19:00 700 hPa雨水混合比空间分布。可以看出，13:00雨水分布与同时刻云水的分布一致，混合比大值区位于郴州东南部和永州南部；15:00郴州东南部雨水混合比大值区向西北方向移到郴州西部上空，混合比有所减小，永州南部雨水混合比大值区西移出境；19:00研究区域北部有新生雨水混合比大值区，湘南地区已无明显雨水混合比大值区。

图6为2013年8月13日13:00、15:00、19:00 300 hPa冰晶混合比空间分布。可以看出，13:00冰晶主要分布在研究区东部；15:00云系发展到成熟阶段，区域内自然冰晶覆盖面积明显扩大，但混合比仍然较小，符合冷云人工增雨催化条件，最佳催化时机应选择在云系发展成熟前；19:00冰晶混合比已经明显减小，永州和郴州交界区域上空还存在一个冰晶混合比相对大值区。

图3 2013年8月13日水成物混合比的区域平均值时间-高度剖面(左，单位：10-5 kg·kg-1·m-2)和加权垂直积分区域平均值随时间变化(右) Fig.3 The time-height cross sections of the regional average (the left, Unit: 10-5 kg·kg-1·m-2) of hydrometeor mixing ratio and hourly variation of regional average weighted vertical integration (the right) of them on August 13, 2013

图4 2013年8月13日13:00(a)、15:00(b)、19:00(c) 600 hPa云水混合比空间分布(单位：10-4 kg·kg-1)Fig.4 The spatial distribution of cloud water mixing ratio on 600 hPa at 13:00 BST (a), 15:00 BST (b) and 19:00 BST (c) on August 13, 2013 (Unit: 10-4 kg·kg-1)

图5 2013年8月13日13:00(a)、15:00(b)、19:00(c) 700 hPa雨水混合比空间分布(单位：10-4 kg·kg-1)Fig.5 The spatial distribution of rain water mixing ratio on 700 hPa at 13:00 BST (a),15:00 BST (b) and 19:00 BST (c) on August 13, 2013 (Unit: 10-4 kg·kg-1)

图6 2013年8月13日13:00(a)、15:00(b)、19:00(c) 300 hPa冰晶混合比空间分布(单位：10-4 kg·kg-1)Fig.6 The spatial distribution of ice crystal mixing ratio on 300 hPa at 13:00 BST (a), 15:00 BST (b) and 19:00 BST (c) on August 13, 2013 (Unit: 10-4 kg·kg-1)

雪晶含量最丰富的高度在450 hPa，图7给出了2013年8月13日13:00、15:00、19:00 450 hPa雪晶混合比空间分布。可以看出，云系的发展-成熟阶段，雪晶分布主要呈西移和混合比增大且大值区面积扩大的特点；15:00郴州西部有一雪晶混合比大值区； 19:00研究区域雪晶混合比基本为零。

霰的含量在500 hPa最为丰沛。图8给出了2013年8月13日13:00、15:00、19:00 500 hPa霰混合比空间分布。可以看出，其与雨水演变情况基本一致。13:00，霰混合比大值区位于郴州东南部； 15:00霰的混合比分布区覆盖范围较前期明显扩大东移，郴州大部、永州西部上空都有覆盖，但霰混合比的最大值较前期有所减小；19:00云系已经演变为层状云，霰混合比显著减小，除研究区域北部邵阳与永州交界处有新生霰混合比大值区生成外，仅永州西南角还有小块霰的混合比小值区，其余地区霰混合比基本为零。

综上所述，随着云系的发展，各类水成物都有明显的西移趋势。在云系的成熟阶段，各类水成物覆盖范围最大，随着台风进一步登陆西移，19:00，目标区域(郴州、永州区域)各类水成物混合比显著减小，仅有少量冰晶和雨水存在。雨水和霰的混合比分布演变规律基本一致，表明霰对雨水的形成有主要贡献。

图7 2013年8月13日13:00(a)、15:00(b)、19:00(c) 450 hPa雪晶混合比空间分布(单位：10-4 kg·kg-1)Fig.7 The spatial distribution of snow crystal mixing ratio on 450 hPa at 13:00 BST (a), 15:00 BST (b) and 19:00 BST (c) on August 13, 2013 (Unit: 10-4 kg·kg-1)

图8 2013年8月13日13:00(a)、15:00(b)、19:00(c) 500 hPa霰混合比空间分布(单位：10-4 kg·kg-1)Fig.8 The spatial distribution of graupel mixing ratio on 500 hPa at 13:00 BST (a), 15:00 BST (b) and 19:00 BST (c) on August 13, 2013 (Unit: 10-4 kg·kg-1)

3.3 水成物混合比垂直分布

根据各类水成物混合比水平分布特征可以看出，在积云发展旺盛的15:00，各类水成物在郴州上空(25.8°N、112.5°E)附近有一个共同高值。分析逐小时降水可知，15:00—18:00湘中以南有连续强降水，强降水中心位于郴州西南部。为进一步分析积层混合云强对流时期的微物理结构，图9给出了8月13日15:00各类水成物混合比沿25.8°N的经度-高度剖面。可以看出，此时云水经向分布范围不大，约 50 km，云水分布区和强上升运动区基本吻合，垂直发展很旺盛，达400 hPa附近，有过冷水存在，云水混合比大值区处于 600 hPa附近。冰晶基本分布在零度层以上，水平分布范围较广，云水分布区域上空500～300 hPa及云水分布区域东侧300～200 hPa，也有自然冰晶的存在，但混合比较小。

雨水主要分布在零度层以下，混合比大值区位于700 hPa；雨水和霰的分布对应很好，雨水混合比的大值区处于霰和雪晶大值区下方，说明霰的融化是形成雨水的主要来源；雪晶分布区域和冰晶分布区域基本吻合，在垂直方向上与云水分布对应很好，混合比大值中心位于500～400 hPa，有过冷云水的存在。总之，各类水成物的分布在垂直方向上配合很好，有利于降水形成。

4 人工增雨作业时机和区域选择

积层混合云降水效率通常较高，适合人工增雨作业。 AgI 在-10 ℃左右过冷水含量丰沛区催化效果最佳，由于云中动力场的作用，选择积状云的入流上升区播撒，将AgI或冰晶带入-10～0 ℃的过冷水含量丰沛区可以获得最佳催化效果。

图10为8月13日13:00、15:00、19:00垂直累积过冷水混合比的空间分布。可以看出，在积层混合云的发展阶段垂直累积过冷水混合比较大，故以13:00为例来分析人工增雨作业条件和位置。

图11为2013年8月13日13:00云水、冰晶混合比及u、w合成沿25.4°N的经度-高度剖面。可以看出，过冷水分布不均匀，经向跨度约60 km，云水层很深厚，113.1°E —113.6°E 过冷水伸展到400 hPa以上，过冷水分布区域和强上升运动区相吻合，而对应500～300 hPa有自然冰晶存在，冰晶混合比最大值仅为1×10-4kg·kg-1，自然冰晶偏少。由此可见，该区域内过冷水丰富，上升运动强，上风方偏东气流有充足的水汽补充，可进行人工引晶或AgI催化。在积层混合云的发展前期450 hPa最有利于人工增雨催化，人工增雨地面高炮火箭作业时，可直接将催化剂送入有强上升气流的过冷层云水中可获得最佳人工增雨催化效果。

图9 2013年 8月13日15:00云水(阴影)和冰晶(黑色等值线)(a)、雨水(阴影)、雪晶(蓝色等值线)、霰(红色等值线)(b)混合比(单位：10-5 kg·kg-1)和u、w合成(a、b，绿色箭头，w×0.1，单位：m·s-1)沿25.8°N的经度-高度剖面Fig.9 The longitude-height cross section of cloud water (the shaded), ice crystal (black isoline) (a), rain (the shaded), snow crystal (blue isolines), graupel (red isolines) (b) mixing ratio (Unit: 10-5 kg·kg-1) and u, w compositive wind (a, b, w×0.1, Unit: m·s-1) along 25.8°N at 15:00 BST on August 13, 2013

图10 2013年8月13日13:00(a)、15:00(b)、19:00(c)垂直累积过冷水混合比空间分布(单位：kg·kg-1)Fig.10 Spatial distribution of vertical cumulative distribution of super cooled water mixing ratio at 13:00 BST (a), 15:00 BST (b) and 19:00 BST (c) on August 13, 2013 (Unit: kg·kg-1)

图11 2013年8月13日13:00云水(阴影)、冰晶(黑色等值线)混合比(单位：10-4 kg·kg-1)及u、w合成(绿色箭头，w×0. 1，单位：m·s-1)沿25.4°N的经度-高度剖面Fig.11 The longitude-height cross section of cloud water (the shaded), ice crystal (black isolines) mixing ratio (Unit: 10-4 kg·kg-1), and u and w compositive wind (arrow, w×0.1, Unit: m·s-1) along 25.4°N at 13:00 BST on August 13, 2013