东北地区嵌入对流过程的数值模拟分析

2022-08-03卫甜丁亨邱贵强樊瑞瑞姚佳林

气象与环境学报 2022年3期

卫甜丁亨邱贵强樊瑞瑞姚佳林

(1.中国人民解放军63729部队，山西太原 030000； 2.临汾市气象局，山西临汾 041000；3.山西省气象台，山西太原 030006； 4.山西省气象灾害防御技术中心，山西太原 030032)

引言

中国的水资源相对匮乏，人均占有量少，时空分布差异大。中国地表淡水主要来源于大气降水，为了合理地开发、利用水资源，人工影响天气工作就发挥了巨大的作用[1]。广义上的嵌入对流云即积层混合云，是中国主要的降水云类型之一，也是人工增雨作业的主要对象，其中大范围层状云作为馈水器云为对流云提供饱和水汽，促进对流云的发展，有利于降水强度增大和长时间维持，可以有效缓解干旱。

目前已有很多学者对嵌入对流开展了研究。根据Rigo等[2]的分类统计，大量降水云系的雷达反射率回波都表现出积层混合降水云的回波特征。中国的梅雨锋云系、热带洋面的一些降水云系及一些不稳定空气跃升到山脊时形成的地形云，均表现为层状云系中嵌入对流泡或对流云带伴有尾随层状云系[3]。宫福久等[4]统计得出，东北地区夏季的降水云系中约有60%为嵌入对流云降水。康增妹等[5]研究了积层混合云的微物理结构，发现积层混合云中的对流活动加强会抬升混合云顶的高度，使云内粒子浓度增加，并使降水粒子谱分布从云底向中上层拓展；周黎明等[6]对积云、层云及嵌入对流云系的降水雨滴微结构参量特征及滴谱随降水过程的演变特征进行分析，发现混合云降水前期滴谱很窄；降水中期随着降水起伏变化，谱型结构表现出差异；降水末期谱型变窄，为单峰型。张景红等[7]根据飞机的观测资料表明，云中的过冷水含量极大值及平均大值区出现在零度层以上；云中下部冰粒子滴谱最窄，随着云体高度的升高，粒子谱浓度增加，滴谱也加宽。

有研究采用数值试验对比分析的方法[8-9]，利用一维半球地形积层混合云模式发现，混合云中引入极端水汽源会增加冰相粒子对云水的吸附碰并增加，使云水转换成雨水的效率加大，有利于云的发展及降水的增加，这为人工增雨工作提供了理论支持。

尽管各地针对混合云动力结构、预报、天气特征及人工增雨等方面开展了很多观测分析和数值模拟研究，但因地域、气候和个例的差异，有关云系的发展演变及微物理过程的数值模拟结果仍有差异。本文根据中尺度数值模式WRF(weather research and forecasting)模拟结果详细描述了一次嵌入对流云系的发展演变过程，并通过微物理量分布，对嵌入对流云的微物理特征及动力特征进行了诊断，以期提高对此类型降水的预报水平并为人工影响天气工作提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选用2010年7月1日发生在东北地区的一次嵌入对流云降水过程为研究对象，天气形势分析采用常规Micaps数据；WRF模拟采用时间分辨率为6 h、空间分辨率为1°×1°的NCEP的FNL全球再分析资料作为初始场和边界条件。

1.2 模拟方案介绍

所用中尺度WRF模式采用两层双向嵌套(图1)，垂直方向共28层，顶层气压为100 hPa，模拟中心位于(41.48°N，123.23°E)，模拟时间是2010年7月1日08:00至2日08:00，积分24 h。第一层嵌套网格格距为18 km，格点数为120×100，模拟方案采用浅对流Kain-Fritsch (new Eta)积云对流参数化方案，使用10 min地形资料，每20 min输出一次结果；第二层嵌套网格格距为6 km，格点数为193199，细网格不采用积云对流参数化方案，作为模式可分辨过程进行积分，并用2 min地形资料，每10 min输出一次结果。第一、二层嵌套区域的微物理过程采用Lin方案，考虑6种水成物：霰、雪花、冰晶、云水、雨水、水汽，并使用RRTM长波辐射过程，Dudhia短波辐射方案、MM5 similarity近地层方案、Noah路面过程和YSU边界层参数化方案。

2 结果分析

2.1 天气形势分析

利用Micaps数据资料分析2010年7月1日东北地区降水过程天气形势(图略)，08时500 hPa高度场上整个欧亚中高纬表现为两涡一脊的形势，模拟的辽宁地区处东北低涡的底后部偏西气流控制中，此时与低涡配合的冷中心达-12 ℃，冷涡天气具有不稳定的特点，且温度中心基本与低涡中心相重合，涡在东移过程会逐渐减弱。20时低涡闭合中心消失，上游短波槽东移与弱化的低涡槽配合，补充冷空气，使环流径向度略增加，辽宁地区处槽前。850 hPa风场上，东北至华北存在明显的东北—西南向切变，模拟地区处切变线前一致西南气流中，且处西南急流的顶端，风速辐合明显。高低空系统配置有利，动力条件和水汽输送条件较好，有利于降水的发生。

2.2 模拟效果对比

2.2.1 云总含水量的对比

对比2010年7月1日21:00风云二号红外云图(图2a)和模拟的总含水量水平分布(图2b)，看到模拟的云系分布及走向与实况卫星云图较吻合，模拟云系在辽宁地区的宽度较实况厚，云区略窄；云区位置较实况略偏西北移，但偏移量很小，尤其是云系东北端与实况基本吻合。因此，本次模拟较为理想地再现了实况云系。

图2 2010年7月1日21:00东北地区风云二号红外云图(a)和模拟的总含水量水平分布(b)

2.2.2 地面累积降水量的对比

从24 h累积降水量分布看，实况(图3a)辽宁地区出现暴雨以上量级降水的地方，模拟降水量图上(图3b)也出现暴雨量级降水，虽然模拟的大雨量级降水范围较实况略小，但强降水中心位置与实况吻合。

图3 2010年7月1日08:00至2日08:00辽宁地区24 h实况(a)和模拟(b)降水量

2.2.3 雷达组合反射率的对比

7月1日19:22沈阳站雷达组合反射率图上(图4a)，大片回波功率小于30 dBz的层云回波中镶嵌有一中心强度达40 dBz的对流单体；模拟的同时刻700 hPa 层的雷达回波上(图4b)，也表现为均匀的大片层状云回波中镶嵌有强的回波单体，强回波中心强度达40 dBz，与实况吻合。模拟的回波中心位置较实况向西北向偏移不超过0.2个经度，可忽略。模拟的雷达回波结果较为理想。

图4 2010年7月1日19:22沈阳站雷达回波图(a)和模拟的700 hPa高度层上雷达回波图(b)

上述对比结果说明模拟较好地再现了天气过程，模拟结果可靠，可利用模拟结果对云系的发展演变过程及微物理结构特征等进行深入分析。

2.3 嵌入对流云的形成及演变特征

利用模拟的雷达组合反射率结合部分时刻的总含水量垂直剖面图，选取图4b黑色方框所示的嵌入对流云中的对流单体为目标，根据该单体的产生发展过程来详细阐述此次嵌入对流云的形成、发展演变过程。

根据雷达回波的演变，将嵌入对流过程分为形成、发展、成熟及消亡4个阶段，分别对应的模拟时刻为430—610 min、620—720 min、730—970 min、980 min以后。

形成阶段，模拟的430 min，在123.6°E处的850 hPa高度开始有对流泡形成，对流泡缓慢发展，至560 min，雷达组合反射率(图5a)仍表现为大片的层状云回波，回波此时已不均匀，边缘弱内部强，回波中心最大值为25 dBz，未达到对流回波的强度；同时刻以(123°E，41°N)和(126°E，44°N)为端点所做直线的总含水量垂直剖面图(剖面图上流线为垂直运动矢量)中(图5b)，上层为含水量较为均匀的大范围层云，最大含水量为0.25 g·kg-1，存在于600—500 hPa的高度层内，云体处零度层附近，此时在123.6°E处的对流泡发展至750 hPa高度，含水量中心抬高至800 hPa左右，最大含水量增长至0.5 g·kg-1，对流区内为一致的上升气流且无下沉气流出现，对流云体处于生命期的塔状积云阶段，一致上升气流说明云体内温度高于周围，上升浮力占主导地位，表明对流泡会继续发展壮大。对流单体不断向上发展，直至620 min单体达到层云的高度，开始嵌入到成片的层状云中，形成嵌入对流云，之后便进入到嵌入对流云的发展阶段。形成阶段维持的190 min内，对流单体含水量增长0.7 g·kg-1，单体发展缓慢。

反射率单位为dBz,含水量单位为g·kg-1；图中黑色矢量线为垂直速度、黄色直线为0℃线、黄色虚线为-20 ℃线

进入发展阶段的嵌入对流云中对流单体由于层状云的供水作用开始迅速增长，660 min的雷达组合反射率图中(图5c)已可以清楚地看到中心强度达45 dBz的对流单体镶嵌在大片层云回波中的絮状回波；含水量剖面图上(图5d)有一柱状水汽含量达1.5 g·kg-1的水汽含量大值中心，40 min内含水量增加0.8 g·kg-1，含水量增长迅速，此时中心高度较低，位于零度层以下，但云体高度已伸展至-20 ℃层所在高度；对流单体内的上升气流更加旺盛，上升气流达400 hPa以上,且单体后侧出现有一支始于700 hPa附近高度的中层下沉气流，下沉气流的出现一方面可以加强风暴强度，另一方面可以抬升前侧上升入流，使上升气流更加强盛；此阶段含水柱已接地，说明在发展阶段即已出现降水。

随着对流单体的不断生长，模拟到720 min的时候，该对流单体达最强，云体进入成熟阶段，雷达组合反射率图中(图5e)最强回波达50 dBz以上，含水量剖面图上(图5f)对流单体高度达-20 ℃层以上，云中含水量也达到3 g·kg-1以上，水分含量十分丰富，甚至达雹云的含水量阈值，且含水量大值中心下降，说明云中降水增强；云体发展旺盛，嵌入的对流单体从最初的123.6°E一直随着层状云向东偏移至124.2°E的位置。

虽然对流泡随着层云不断东移，但比较不同时刻对流泡在层云中的位置可以发现，对流单体从处于层状云的前部逐渐变为处在层云的后方，说明上层层状云的移动速度要大于对流单体的移动速度，即上层风速大于下层风速，这也从侧面验证了上层层云随引导气流移动，而对流云由于伸展较大，相对按平均气流移动。

进入成熟期云体，云中含水量维持在2—3 g·kg-1的范围内，并开始进行分裂，出现新、老单体的更替。在780 min(图5g和图5h)可以看到，剖面图5h剖线端点为(122.7°E，41.5°N；125.8°E，43°N)，目标单体已分裂成强度相当的两个相接的对流体，跟之前刚达成熟时期的对流单体相比，刚分裂出来的两个对流体最强反射率为45 dBz，强度有所降低，且对流体的伸展高度都低于-20 ℃层所在高度，含水量中心值也减为2 g·kg-1；云体发展到800 min时(图5i和图5j)，剖面图5j剖线端点为(122.9°E，41.9°N)和(126°E，42.8°N)，分裂的对流单体的前方又有新的对流单体生成。由速度场可以看到，最先生成的对流体分裂出来的两对流单体靠左侧的单体对靠右侧的单体有水分的输送，使得靠右侧的对流体得到补充而再次发展壮大，而靠左侧的单体则逐渐减弱消失，视觉上觉得二者又出现合并，实际为对流单体分裂后右移性对流体的选择性加强(图5k)。到830 min时(图5l)，雷达组合反射率图上之前分裂出来的右移对流体进入成熟期后又分裂成了两个，之后分裂出的对流体中不断重复着偏右侧的对流体不断的增强，并持续分裂，而靠左的对流体则逐渐消失。嵌入的对流体在随层状云不断东移的过程重复进行着并合、分裂的过程，直至980 min后，上层快速移动的层状云与移动相对缓慢的对流云分开，由于对流单体的馈水器不再产生作用，故开始缓慢地减弱消失，嵌入对流云进入消亡阶段。

通过分析看出，与积云并和扩展层化型[10]及不稳定情况下层状云系的内部生成若干强度较大的对流云而形成层云积化型积层混合云不同，该次嵌入对流云是在有利的天气形势下，垂直方向上，高层存在大片的层状云，对流泡自大气低层开始形成，随着对流泡的不断发展壮大，直至达到层云的高度，嵌入其中而形成嵌入对流云。

2.4 云系中水凝物特征分析

利用数值模拟结果可对云系的微物理场进行分析[11-13]，这是实况资料做不到的。为了更好地掌握嵌入对流云的结构，选取云系不同发展阶段的云水、冰晶等微粒子含量垂直剖面进行分析。

沿(123°E，41°N)—(126°E，44°N)做模拟到610 min(嵌入对流形成阶段后期)各水凝物剖面图(图略)。形成阶段云体中各相态粒子均在增加，其中以液态粒子云水含量增加最为明显，到形成的后期达0.6 g·kg-1，远高于500 hPa高度上层云的云水量；350 hPa的高层已存在有少量固态粒子雪晶，含量为0.05 g·kg-1；霰粒子和雨水含量很小，到形成阶段的后期才开始出现,说明云体中以云的生长为主，基本无降水机制。

处于成熟阶段嵌入对流云的800 min雷达图上(图5i)包含了处于不同发展阶段的对流单体。含水量剖面图(图5j)上云系单体3刚伸展至-20 ℃层所在高度，单体2、4的发展高度均低于-20 ℃层；速度场上，对流单体2中为一直上升运动，单体3存在有较强的上升运动，且存在明显的中层下沉气流，而单体4中上升气流很弱，以下沉气流为主。从含水量及速度场上可看出单体2、3、4分别处发展期、成熟期和消亡期，因此可用800 min图中不同单体间各水凝物的演变来分析处于发展、成熟、消亡阶段微物理量的特征。

沿(123°E，41.9°N)—(127°E，43.2°N)做各种水成物的垂直剖面图(图6)，发展阶段开始出现降水，水凝物除雪晶外，其余三种粒子均明显增多，其中液态粒子增量最大，该阶段云水(图6a)含量最大达0.8 g·kg-1，云水主要分布于10 ℃层至-10 ℃层之间，最值出现在零度层附近；固态粒子霰(图6c)最大值为0.5 g·kg-1，霰粒子主要存在于0 ℃层至-20 ℃层之间；雨水含量(图6d)在700 hPa处达极值1 g·kg-1，主要存在于零度层以下，而在零度层上也存在有雨水，过冷雨水的含量达0.4 g·kg-1，可见有较多云水向雨水的直接转换，即有暖云降水机制出现；发展阶段的雪晶含量仍较小，最大0.03 g·kg-1在400 hPa处，并向下伸至600 hPa的0 ℃层附近，说明雪晶参与冷云降水微物理过程，转化成霰粒子进而成为地面降水，云中存在有播撒—供应的冷云降水机制。

含水量单位为g·kg-1；等值线为温度，单位为℃

成熟阶段，云水含量极值0.4 g·kg-1，较发展阶段减少，雨水和霰粒子则继续增多,均增加至1.5 g·kg-1，且云水中心区域，对应雨水和霰含量的高值区，说明云水被霰粒子和雨水大量收集，而成为地面降水；雨水在700 hPa达极值后随高度向上、向下均减小，说明存在雨水向霰的转化；霰粒子随高度下降至700 hPa时便减小为0，说明 0 ℃层以下霰粒子的融化转化为雨水，贡献了部分地面降水；成熟阶段的雪晶则继续减小至0.03 g·kg-1以下，说明成熟阶段冷、暖云过程均比较活跃。

消亡阶段，各相粒子均迅速减小，云体内雪晶在0.01 g·kg-1以下，霰粒子迅速减小至0.3 g·kg-1以下，消亡期云体上层固体粒子几乎已经被消耗掉，云中暖云机制比重相对增大。

2.5 散度场特征分析

散度场上，嵌入对流云系形成阶段(图略)，850 hPa的低层环境场已有一定范围的辐合，500 min时辐合强度为-15×10-5s-1；200 hPa的高层研究范围内散度值为5×10-5s-1，为辐散场，高层辐散低层辐合的环境场有利于上升运动，从而有利于云体的发展；此时的500 hPa中层为无辐散层，散度值基本为0 s-1。

发展阶段的850 hPa场上散度负值加大，辐合加强，650 min时(图7a)，低层辐合中心达-20×10-5s-1；200 hPa散度值也增大至15×10-5s-1，辐散明显加大；此时的中层500 hPa上(图7b)出现强度达-10×10-5s-1的辐合，说明发展阶段云体上升气流旺盛，辐合气流发展高度达500 hPa以上，这种高层强辐散的抽吸和通风作用一方面有利于加大上升运动，另一方面可带走高空增暖的空气，有利于对流的增强和维持；而低层辐合可以把周围环境的能量和水汽向形成的对流云系中输送，因此，有利于云系的发展。

单位为10-5s-1

成熟阶段(图略)，低层为辐合辐散共存，说明此时云中已有下沉气流，辐合强度略减小至-15×10-5s-1以下；200 hPa散度值减小至5×10-5s-1，辐散减弱；中层500 hPa上表现为小范围弱辐合，说明成熟阶段，低层辐合维持，而高层辐散减弱，此时的环境已不利于云体快速发展，但辐合仍使云体维持；到了消亡阶段，低层基本无辐合，中层为弱辐散，高层弱辐合场，云中下沉为主，环境场不利于云体维持，从而使得嵌入对流减弱消失。