天津市冰雹天氣形成過(guò)程及催化數(shù)值模擬分析

孟輝+陳超

摘要 應(yīng)用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所建立的三維完全彈性冰雹云模式，對(duì)2004年6月22日發(fā)生在天津市的一次冰雹天氣過(guò)程及其催化試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，本個(gè)例雹云中，冰雹粒子主要由凍滴和霰轉(zhuǎn)化形成，凍滴對(duì)冰雹形成的貢獻(xiàn)比霰大得多，冰雹主要通過(guò)撞凍過(guò)冷雨水、過(guò)冷云水以及碰并凍滴進(jìn)一步長(zhǎng)大；在冰雹形成前進(jìn)行催化作業(yè)，可達(dá)到增雨減雹的目的。

關(guān)鍵詞 冰雹；數(shù)值模擬；催化試驗(yàn)；防雹 ；天津市

中圖分類(lèi)號(hào) P458.1+21.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）12-0224-01

1 天氣背景和實(shí)況

受高空冷渦影響，2004年6月22日19：30—20：30，天津市武清區(qū)、寶坻區(qū)共有32個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受冰雹襲擊，冰雹最大直徑為3～4 cm，造成1.27萬(wàn)hm2農(nóng)田受災(zāi)，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

6月21日20：00 500 hPa高空?qǐng)D上，歐亞大陸高緯地區(qū)為兩槽一脊型，貝加爾湖附近為一低渦。21日20：00至22日8：00，東南移低渦后部不斷分裂的短波槽攜帶大量冷空氣影響華北地區(qū)，槽前正渦度平流的輸送使得華北地區(qū)高空幅散加強(qiáng)，這種高空形勢(shì)有利于不穩(wěn)定能量的積累、增強(qiáng)及產(chǎn)生較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生。

2 雹云的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模式簡(jiǎn)介

本文所用模式為中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所建立和發(fā)展的三維完全彈性冰雹云催化模式。模式計(jì)算域?yàn)?6 km×36 km×18.5 km，水平格距1 km，垂直格距0.5 km，時(shí)間積分采用時(shí)步分離技術(shù)，模擬域隨風(fēng)暴中心移動(dòng)，以確保冰雹云始終處在模擬場(chǎng)內(nèi)。將新構(gòu)建的天津探空資料輸入冰雹云模式中，擾動(dòng)中心位于模式域中央3 km的高度，擾動(dòng)區(qū)域半徑為12 km，厚5 km，中心最大位溫偏差取3.0 ℃，模擬時(shí)間120 min。

2.2 氣流場(chǎng)

如圖1所示，在第1分鐘，冰雹云出現(xiàn)有組織上升氣流，隨著冰雹云發(fā)展，上升氣流與下沉氣流均隨時(shí)間增大，但上升氣流增加幅度明顯大于下沉氣流，在第25分鐘最大上升速度達(dá)到極值，為22.4 m/s；在第19～29分鐘這段時(shí)間內(nèi)最大上升速度均>15 m/s。而云內(nèi)最大下沉氣流速度在第9分鐘才開(kāi)始>1 m/s；在第34分鐘時(shí)達(dá)到極值，為14.6 m/s；第35分鐘地面降雹通量達(dá)到極值。在下沉氣流速度達(dá)到極值之后，下沉氣流速度明顯大于上升氣流速度，這反映了水成物對(duì)氣流的拖曳作用[1-2]。

2.3 含水量及雷達(dá)回波

模擬結(jié)果顯示，在第7分鐘時(shí)0.1 g/m3的含水量中心開(kāi)始出現(xiàn)在4～5 km，隨著云內(nèi)上升氣流的加強(qiáng)以及水汽凝結(jié)潛熱釋放，云體不斷發(fā)展，云中含水量中心也向上抬升。第25分鐘時(shí)，云內(nèi)上升氣流達(dá)到最大，云中總含水量中心已超過(guò)6.5 g/m3，位于5.0～6.5 km高度之間（-10 ℃溫度層），其四周含水量值逐漸遞減；相應(yīng)的雷達(dá)回波也體現(xiàn)出類(lèi)似的分布特征，回波頂位于11 km高度上，尚未及地，雷達(dá)回波中心超過(guò)65 dBZ，位于5.5～7.0 km高度之間。第26分鐘，9 km高度（-35 ℃溫度層）出現(xiàn)第2個(gè)含水量中心，中心值為5.0 g/m3，此含水量中心位于上升氣流區(qū)，為雹胚增長(zhǎng)提供了有利物質(zhì)條件[3-4]。第35分鐘時(shí)，8～9 km高度仍維持著5.5 g/m3的含水量中心，65 dBZ的回波中心已經(jīng)及地，此時(shí)地面降雹通量達(dá)到極值。

3 冰雹形成的微物理過(guò)程

本例雹云在第19分鐘出現(xiàn)冰雹，第28分鐘時(shí)云中冰雹水含量達(dá)到最大，第35分鐘時(shí)地面出現(xiàn)最強(qiáng)降雹，根據(jù)這3個(gè)時(shí)次冰雹源項(xiàng)微物理過(guò)程時(shí)空累積總量，表明本例雹云中冰雹粒子由凍滴和霰轉(zhuǎn)化而成，但凍滴對(duì)冰雹粒子貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于霰，冰雹粒子在形成初期（第19分鐘）完全來(lái)源于凍滴自動(dòng)轉(zhuǎn)化。

4 催化試驗(yàn)

天津市高炮防雹作業(yè)的發(fā)射仰角一般為55～65°，根據(jù)天津市使用的炮彈型號(hào)，選定播撒高度4.5 km，碘化銀用量60 g，均勻分布在以模式域中央，即格點(diǎn)（18，18）為中心的9個(gè)格點(diǎn)上，選擇冰雹形成時(shí)（第19分鐘）、冰雹形成前第5分鐘（即第14分鐘）、冰雹形成后第5分鐘（即第24分鐘），進(jìn)行3次催化試驗(yàn)，催化結(jié)果如表1所示。

3次催化試驗(yàn)結(jié)果表明，冰雹形成時(shí)（第19分鐘）及冰雹形成前第5分鐘（第14分鐘）進(jìn)行催化，可達(dá)到增雨減雹的目的，且在冰雹形成前催化效果最好，在第14分鐘催化可使總降雨量增加157.15%，使總降雹量減少66.08%。冰雹形成后第5分鐘進(jìn)行催化，總降雨量增加不大，且總降雹量有所增加，不能達(dá)到防雹的目的。因此，應(yīng)在冰雹形成初期及形成前幾分鐘進(jìn)行催化作業(yè)，以達(dá)到增雨減雹的目的。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 李興宇，洪延超.三維冰雹云數(shù)值催化模式改進(jìn)與個(gè)例模擬研究[J].氣象學(xué)報(bào)，2005，63（6）：874-888.

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[4] 李文娟.山東省冰雹云宏微觀特征觀測(cè)及數(shù)值模擬研究[D].北京：中國(guó)氣象科學(xué)研究院，2005.