一次冰雹云微物理機(jī)制的數(shù)值模擬分析

范秀平，曹久才，焦文紅，元 原，李 明

（1.山西省觀象臺，山西 太原 030006；2.北京市門頭溝氣象局，北京 門頭溝102300；3.北京市昌平氣象局，北京昌平102200；4.中國人民解放軍96630部隊102206)

一次冰雹云微物理機(jī)制的數(shù)值模擬分析

范秀平1，曹久才2，焦文紅3，元 原4，李 明1

（1.山西省觀象臺，山西 太原 030006；2.北京市門頭溝氣象局，北京 門頭溝102300；3.北京市昌平氣象局，北京昌平102200；4.中國人民解放軍96630部隊102206)

該文運用三維冰雹云模型模擬2011年7月12日婁煩縣冰雹云的生成、發(fā)展和消亡過程，并結(jié)合當(dāng)日的探空、天氣、多普勒雷達(dá)等資料，分析冰雹云的結(jié)構(gòu)特征和冰雹形成的微物理過程。分析結(jié)果表明，冰雹的胚胎主要是凍滴，并通過撞凍過冷云水生長。在雹云的形成過程中，尤其是雹云的發(fā)展初期，適量的冰晶、雪和豐富的過冷云水發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

冰雹云；微物理機(jī)制；數(shù)值模擬

0 引 言

冰雹是中小強(qiáng)度對流云的產(chǎn)物，是一種短時間的強(qiáng)烈災(zāi)害性天氣。雖然冰雹的發(fā)生、發(fā)展和影響時間只有數(shù)小時甚至幾十分鐘,但是它和與之相伴隨的大風(fēng)、雷暴等劇烈天氣相比往往給人類活動帶來更嚴(yán)重的危害，特別容易對農(nóng)作物造成毀滅性的破壞。冰雹是山西省僅次于干旱災(zāi)害的第二大氣候災(zāi)害。依據(jù)新中國成立以來的統(tǒng)計資料顯示，每年山西省大約有500萬畝農(nóng)田遭受冰雹襲擊，多達(dá)60多個縣、市受災(zāi)，其中導(dǎo)致40個縣市的農(nóng)作物減產(chǎn)，平均每年因冰雹受災(zāi)的面積為160-170萬畝[1]。因此準(zhǔn)確掌握積云發(fā)展和消亡的規(guī)律,判斷積云是否是雹云,對防雹減災(zāi)至關(guān)重要。大量的觀測數(shù)據(jù)和研究表明,不僅冰雹具有明顯的區(qū)域性特征，而且冰雹云的結(jié)構(gòu)和運動相當(dāng)復(fù)雜,具有三維結(jié)構(gòu)特征[2-7]。因此,利用三維冰雹云模型模擬冰雹云發(fā)展和消亡的過程，能夠詳細(xì)地了解冰雹云的結(jié)構(gòu)特征和冰雹形成的微物理過程，較早識別冰雹云，對科學(xué)指導(dǎo)催化防雹有重要的意義。

孔凡鈾等[2-3]首次在國內(nèi)創(chuàng)建了包含冰相微物理過程的三維冰雹云模式，并建立了包含冰晶繁生的17個重要冰相微物理過程和參數(shù)的三維完全彈性原始方程模式。肖輝等[4]改進(jìn)和發(fā)展了包含8種水物質(zhì)的微物理過程的非靜力可壓縮模式，能詳細(xì)描述云中各種粒子的形成過程。洪延超等[5-6]運用更接近實際的雙參數(shù)譜演變方案,進(jìn)一步改進(jìn)三維冰雹云催化模式，并模擬了陜西旬邑地區(qū)冰雹形成的微物理機(jī)制，提出了“冰晶—雹胚—過冷水—冰雹”的冰雹形成過程鏈概念。許多省市的氣象科研工作者也用三維云數(shù)值模式對強(qiáng)對流發(fā)生和發(fā)展過程進(jìn)行模擬，黃毅梅等[8]對河南南陽的一次降雹過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)冰雹云中存在過冷水累積區(qū)，且出現(xiàn)在最大上升氣流的上方，累積的過冷雨水含量隨著雹云的發(fā)展而變化，冰雹在累積區(qū)內(nèi)生長。黃毅梅通過催化試驗表明,在冰雹形成前，在過冷雨水累積區(qū)域內(nèi)播撒AgI粒子能取得較好的防雹效果。胡朝霞等[9]在三維完全彈性冰雹云模式的基礎(chǔ)上,模擬了雨滴凍結(jié)成霰的過程。劉術(shù)艷等[10]應(yīng)用三維云數(shù)值模式模擬了1996年京冀交界地區(qū)的一次強(qiáng)單體雹的形成過程，發(fā)現(xiàn)超級單體風(fēng)暴云的一些典型特征,如懸垂回波、弱回波區(qū)、回波墻等。胡國玲[11]結(jié)合多站點探空資料通過三維冰雹云數(shù)值模擬分析陜西隴縣的一次冰雹云形成過程，表明三維冰雹云模式能很好地模擬單體對流云云頂高度、云體寬度、回波強(qiáng)度等參數(shù)，還能模擬防雹作業(yè)效果，可作為研究冰雹云形成機(jī)制和提前預(yù)報冰雹云的參考方法。

1 三維冰雹云模型及其模擬環(huán)境

1.1 三維冰雹云模型

本文應(yīng)用中科院大氣物理研究所研究的三維冰雹云模型。該模型的動力學(xué)框架是一個非靜力可壓縮的完全彈性方程組,并采用雙參數(shù)譜模擬云降水的微物理過程。模型中包含了水汽、云水、雨水、冰晶、雪花、霰、凍滴、冰雹的微物理過程，能夠完整地描述強(qiáng)對流云的動力特征和微物理機(jī)制。模擬需要的初始數(shù)據(jù)來源于探空資料，計算域為36km×36km×18.5km的空間范圍,網(wǎng)格距為1km×1km×0.5km的空間范圍，采用濕熱泡方式啟動對流云。

該模型包含了冰雹云形成的微物理過程,并采用了雙變參數(shù)譜，還將云中的水物質(zhì)分成水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰、凍滴和雹8類，可以預(yù)報粒子的比濃度和比含量，尤其可以計算以霰或凍滴為胚胎的雹塊數(shù)量，適合用來研究冰雹的形成機(jī)制。此外，該模型還可以建立以AgI為催化劑的守恒方程，以分析人工冰核的凝華核化及與云、雨滴接觸的凍結(jié)核化過程，并用地面降雹動能通量檢驗催化防雹效果。因此，該模型可以研究催化防雹機(jī)制和雹云催化技術(shù)。

1.2 冰雹云形成的微物理過程

冰雹云形成的微物理過程包括十一個方面的內(nèi)容。一是水汽凝結(jié)；二是云滴和雨滴的蒸發(fā)；三是冰晶、雪、霰、凍滴和雹的凝華、融化、融化蒸發(fā)，以及它們和雨滴對云滴的碰并；四是冰晶、雪、霰、凍滴和雹對雨滴的碰并；五是冰晶—冰晶和雪—雪的聚合；六是雨、雪、霰、凍滴和雹對冰晶的碰并；七是雨、霰、凍滴和雹對雪的碰并；八是凍滴和雹對霰的碰并，以及雹對凍滴的碰并；九是云滴、冰晶、雪、霰和凍滴的自動轉(zhuǎn)化；十是冰晶的核化和繁生，以及雨滴的核化；十一是冰雹干濕增長過程。

2 三維冰雹云模型的模擬分析

為了清晰地反映三維冰雹云模型的模擬過程，用圖1來表現(xiàn)。

圖1 冰雹云模型模擬流程圖

本文利用三維冰雹云模型模擬2011年7月12日山西太原出現(xiàn)的冰雹云的發(fā)展和消亡過程，以了解冰雹的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，以及冰雹形成的微物理過程，并構(gòu)建雹云形成冰雹的微物理框架。2011年7月12日19時左右，太原市婁煩縣廟彎鄉(xiāng)水峪村發(fā)生雷雨天氣，伴有大風(fēng)冰雹，冰雹直徑2-3cm，持續(xù)時間20分左右。受冰雹影響，水峪村1 000多畝莊稼全部絕收，經(jīng)濟(jì)損失80萬元左右。蓋家莊鄉(xiāng)的11個行政村不同程度受災(zāi)，受災(zāi)面積4 849.4畝，經(jīng)濟(jì)損失121萬元。

2.1 垂直速度分析

圖2是模擬垂直速度YZ的剖面圖，其中圖2a是模擬第22分鐘時垂直速度YZ的剖面圖，圖2b是模擬第26分鐘時垂直速度YZ的剖面圖。

圖2 模擬垂直速度YZ的剖面圖（X=18km，單位：m/s）

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，在第26分時，垂直上升速度達(dá)到極值約18m/s，在主上升氣流的兩側(cè)存在較大的下沉氣流，主上升氣流寬度約11km，中心位置位于8km左右；在第27分時，上升氣流的最高高度約13km，由于地面降水等因素產(chǎn)生的拖曳作用，削弱了云中的上升氣流，汽流開始下降。在第32分時，上升汽流范圍明顯縮小，并在其右后方出現(xiàn)了較大范圍的下沉氣流，云底逐漸被下沉氣流控制，說明云體開始衰減。

2.2 含水量演變分析

圖3是模擬雹云總含水量在x軸方向通過含水量中心的垂直剖面結(jié)構(gòu)演變圖，其中圖3a、圖3b、圖3c、圖3d、圖3e、圖3f分別反映第6分、第14分、第22分、第26分、第34分、第50分時的演變情況。

圖3 模擬雹云總含水量在x軸方向通過含水量中心的垂直剖面結(jié)構(gòu)演變圖(單位：g/m3)

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，含水量中心與強(qiáng)上升氣流之間配合較好，說明在云的發(fā)展階段，主含水量中心（強(qiáng)回波區(qū)）有強(qiáng)上升氣流。在第6分時，初始云泡開始形成，頂部高度約5km，云底部高度約4km。之后云底的暖濕空氣被上升氣流帶入云內(nèi)，云的中部開始出現(xiàn)降水元，隨著凝結(jié)潛熱的釋放，云內(nèi)上升運動開始加強(qiáng)，云體不斷向上發(fā)展，同時云內(nèi)含水量的大值區(qū)也逐漸向上延伸。在第22分時，云頂部高度達(dá)到9km，含水量的大值區(qū)位于6km高度附近。第26分時，高含水量區(qū)已降至4.5km高度，且在6.5km高度形成另一個高含水量中心，且含水量區(qū)接近地面，云體進(jìn)入降水階段。從雹云發(fā)展過程中還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)云體達(dá)到10km的高度后，高空風(fēng)對云體結(jié)構(gòu)，即風(fēng)切變對云體結(jié)構(gòu)有明顯的影響，這一動力學(xué)效應(yīng)使進(jìn)入降水階段的冰雹云出現(xiàn)向順風(fēng)方拉出的云砧，但這一云砧并沒有影響云的強(qiáng)區(qū)結(jié)構(gòu)，云頂仍然維持在12km高度，隨后開始降低，維持在11km高度左右。

2.3 冰雹形成的微物理機(jī)制分析

2.3.1 冰晶和雪的形成過程

云中的冰晶是通過水汽在活化的冰核上凝華形成的。表1給出了冰雹形成過程中冰晶源項中各物理過程的時空積分總量。從表現(xiàn)1可以發(fā)現(xiàn)，在不同時刻的雹云中的冰晶總個數(shù)TNi與TNNUvi在量級上相等，即NUvi過程對冰晶數(shù)量貢獻(xiàn)最大，冰晶形成后，主要靠凝華增長。

表1 冰晶源項中各物理過程時空積分總量

雪可以由單個冰晶增長轉(zhuǎn)化或接觸冰晶過冷小雨滴凍結(jié)和冰晶聚合形成。表2是反映雪源項中各物理過程的時空積分總量。從表2可以發(fā)現(xiàn)，雪花主要起源于CNis和CLris，而CLii過程形成雪的數(shù)量比CNis過程小3-4個量級。就對雪的質(zhì)量貢獻(xiàn)而言，CLris過程最大，雪的增長主要依靠CLcs和VDvs過程。

表2 雪源項中各物理過程的時空積分總量

2.3.2 霰和凍滴的形成過程

霰和凍滴都可以發(fā)展成冰雹，因此它們都是冰雹的胚胎。霰是在CNig和CNsg過程中形成的。表3是霰和凍滴源項中各物理過程的時空積分總量。從表3可以發(fā)現(xiàn)，在冰雹云的發(fā)展過程中，TCNig的作用大于TCNsg，TNCNig的作用大于TNCNsg。無論從質(zhì)量上還是數(shù)量上，雪的轉(zhuǎn)化比冰晶對霰形成的貢獻(xiàn)大得多。圖4反映霰、凍滴和冰雹空間積分總量變化率及源項變化率的時間變化。從表3和圖4a發(fā)現(xiàn)，霰形成后，主要通過CLcg、CLrg和VDvg增長。霰粒撞凍雨滴增長發(fā)生的時間比較靠前，大約在第24分時達(dá)到最大值，而CLig和CNsg占的比例比較少。霰源項總量的增加率在第40分左右達(dá)到最大值。從各源項所占的比例表明，CNig對質(zhì)量的貢獻(xiàn)極小。冰雹形成后撞凍過冷云水增長的占比最大，收集雨水增長的貢獻(xiàn)主要出現(xiàn)在第25分之前。

對凍滴初生有貢獻(xiàn)的是CLrif和NUrf。雨滴在5.0km高度的過冷區(qū)形成，并在過冷區(qū)直接核化和接觸凍結(jié)，這對凍滴的形成極為有利。從表3、圖4b和圖4c可以發(fā)現(xiàn)，凍滴形成以后，主要依靠CLrf、CLcf和VDvf增長，其次是CLif。此外，各種增長過程對凍滴質(zhì)量貢獻(xiàn)率最大值出現(xiàn)的時間也不相同，RCLif、RCLcf、RCLrf和RVDvf出現(xiàn)峰值的時間分別在第35分、第30分、第24分和第28分。從表3發(fā)現(xiàn)，在降雹之前，CLcf、CLrf和VDvf的貢獻(xiàn)最大，三者的貢獻(xiàn)量占總量的99.79%。

表3 霰和凍滴源項中各物理過程時空積分總量

圖4 霰、凍滴和冰雹空間積分總量變化率及源項變化率的時間變化

2.3.3 冰雹形成的過程

冰雹胚胎的形成及其增長問題是研究冰雹形成機(jī)制的重要內(nèi)容，也是人工防雹的關(guān)鍵。霰和凍滴增長達(dá)到一定尺度后向雹轉(zhuǎn)化。從表4可以發(fā)現(xiàn)，第25-30分是冰雹質(zhì)量源項總量TQh增加速度最快的時間，從170.58kt增加到376.64kt。從圖4d可以發(fā)現(xiàn)，此時冰雹質(zhì)量源項總量變化率RQh處于峰值區(qū)。在第25分和第30分時，凍滴的轉(zhuǎn)化量（TCNfh）分別為147.69kt、285.69kt，各占相應(yīng)時間TQh的87%和76%；而TCNgh分別為1.49kt和 8.43kt，只占相應(yīng)時間TQh總量的0.87%和2.24%，可見凍滴比霰對雹的轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)大得多，冰雹主要是由凍滴轉(zhuǎn)化而來。在地面發(fā)生強(qiáng)降雹后，凍滴轉(zhuǎn)化成雹的速率逐漸減小，而在第39分后，冰雹主要由霰轉(zhuǎn)化形成。從表3可以發(fā)現(xiàn)，在冰雹形成期間，凍結(jié)形成凍滴和凍結(jié)轉(zhuǎn)化成霰的數(shù)量相差不大。但是凍滴向雹的轉(zhuǎn)化比例遠(yuǎn)大于霰向雹的轉(zhuǎn)化比例。因此，盡管霰和凍滴數(shù)量上相差不大，但是在地面發(fā)生強(qiáng)降雹前，雹云中的雹胚來源主要為凍滴。

表4 冰雹源項中各物理過程時空積分總量

3 結(jié) 論

通過三維冰雹云模型研究冰雹云的發(fā)展、消亡過程，可以發(fā)現(xiàn)冰雹的形成規(guī)律及其微物理過程。由水汽核化和繁生形成冰晶，并通過凝華而增長；冰晶通過自碰并、自動轉(zhuǎn)換和與其接觸的過冷小雨滴凍結(jié)而產(chǎn)生雪，雪通過撞凍過冷云水和凝華而增長；冰晶和雪向霰轉(zhuǎn)化，霰通過收集過冷云水而增長；凍滴由冰晶雪接觸過冷雨滴凍結(jié)形成，也可以由雨滴核化而形成，但前者比后者產(chǎn)生的凍滴數(shù)量大得多，在前期凍滴通過收集過冷雨水而增長，而后期以收集云水而增長；由于霰比凍滴向雹轉(zhuǎn)化的比例低，因此，冰雹的胚胎以凍滴為主，主要通過撞凍過冷云水而增長。因此，適量的冰晶、雪和豐富的過冷水有助于雹的形成和增長。通過歸納冰雹的形成規(guī)律，可以構(gòu)造雹云形成冰雹的機(jī)制的微物理框架，用圖5來反映。

圖5 冰雹形成機(jī)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：氣象出版社，2004.

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責(zé)任編輯 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，山西萬榮人，工程師，研究方向：應(yīng)用氣象；曹久才（1972—），男，遼寧喀左人，工程師，研究方向：應(yīng)用氣象；焦文紅（1973—），女，北京市人，工程師，研究方向：應(yīng)用氣象；元原（1982—），男，山西陽城人，工程師，研究方向：雷達(dá)信號處理；李明（1962—），女，河北大城人，助理工程師，研究方向：應(yīng)用氣象。

10.13887/j.cnki.jccee.2016（2）.40