基于模式的混合云系人工增雨作業(yè)潛力個(gè)例分析

福建省氣象科學(xué)研究所 余永江

基于模式的混合云系人工增雨作業(yè)潛力個(gè)例分析

福建省氣象科學(xué)研究所 余永江

利用人影數(shù)值模式和衛(wèi)星反演產(chǎn)品分析南方混合云系的結(jié)構(gòu)和人工增雨作業(yè)條件，結(jié)果表明模式預(yù)報(bào)的大范圍云系與實(shí)況衛(wèi)星反演結(jié)果比較吻合，預(yù)報(bào)的云層性質(zhì)和垂直結(jié)構(gòu)與實(shí)況接近；液態(tài)含水量高，冰晶數(shù)濃度很少的部位，可能有很好的冷云催化增雨潛力。

人工影響天氣 作業(yè)條件 數(shù)值預(yù)報(bào)

人工影響天氣是氣象服務(wù)的重要科技手段之一，在防災(zāi)減災(zāi)和云水資源開發(fā)的迫切需求下，福建省一直在廣泛開展人工增雨作業(yè)。人工增雨作業(yè)是在適當(dāng)?shù)脑茖又胁ト龃呋瘎?，以使更多的水汽和云水轉(zhuǎn)化為降水。在實(shí)施人工增雨作業(yè)前，需要對(duì)作業(yè)實(shí)施對(duì)象——云系的宏微觀特征進(jìn)行預(yù)判，提前確定合適的作業(yè)區(qū)域、作業(yè)時(shí)機(jī)和作業(yè)劑量，才能科學(xué)實(shí)施人工增雨作業(yè)。因此，利用數(shù)值模式對(duì)作業(yè)云結(jié)構(gòu)和人工增雨作業(yè)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)和分析，為開展人工增雨外場作業(yè)提供技術(shù)支撐和指導(dǎo)，具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值[1-2]。

隨著微物理參數(shù)化方案的不斷完善，數(shù)值模式已經(jīng)成為人工影響天氣理論研究及指導(dǎo)人影作業(yè)的重要工具。近年來，我國在數(shù)值模式研究方面發(fā)展迅速，已經(jīng)初步具備適用于人工影響天氣作業(yè)設(shè)計(jì)和效果驗(yàn)證的云和降水模式，特別是與人工影響天氣有關(guān)的各種微物理過程，在不斷檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上被采納和引入，降低了人工影響天氣工作的不確定性。數(shù)值模式開始應(yīng)用于人影作業(yè)方案設(shè)計(jì)、論證，作業(yè)過程的指導(dǎo)，作業(yè)后的效果分析等方面。

1 模式簡介

GRAPES_CAMS模式是以我國科學(xué)家自主研制的新一代數(shù)值預(yù)報(bào)模式GRAPES中尺度非靜力平衡動(dòng)力框架為基礎(chǔ)，耦合入CAMS云降水顯式方案形成的人工影響天氣模式。模式系統(tǒng)的中心點(diǎn)設(shè)在(37.5°N,102.5°E)，水平格距25 km，覆蓋東亞大部分區(qū)域。垂直方向?yàn)?1層，模式頂氣壓為10hPa。選用KF對(duì)流參數(shù)化方案改進(jìn)的CAMS云降水顯式方案、MRF邊界層方案以及rrtm長波輻射方案、swrad短波輻射方案、sfclay近地面過程方案、slab陸面過程方案。利用全球模式T213的預(yù)報(bào)資料作為初始場和側(cè)邊界條件啟動(dòng)模式當(dāng)日08時(shí)/20時(shí)的預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)效48小時(shí)。

GRAPES_CAMS模式系統(tǒng)產(chǎn)品主要有4大類，包括云宏觀場、云微觀場、云垂直剖面和降水場。

（1）云宏觀場。包括云帶、云頂溫度、云頂高度、垂直累積過冷水、垂直累積液態(tài)水，有助于了解云系的發(fā)展程度和演變趨勢(shì)，輔助確定作業(yè)潛力區(qū)。

（2）云微觀場。包括各層總水成物場+風(fēng)場+溫度場，各層云水比質(zhì)量+風(fēng)場+溫度場，各層雨水比質(zhì)量/數(shù)濃度+風(fēng)場+溫度場，各層冰晶比質(zhì)量/數(shù)濃度+風(fēng)場+溫度場，各層雪比質(zhì)量/數(shù)濃度+風(fēng)場+溫度場，各層霰比質(zhì)量/數(shù)濃度+風(fēng)場+溫度場，有助于了解云中微觀物理量的分布和特征，確定作業(yè)潛力區(qū)。

（3）云垂直剖面。包括云水、冰晶數(shù)濃度、溫度和垂直運(yùn)動(dòng)疊加的剖面圖，雪和霰、雨水、高度和垂直運(yùn)動(dòng)疊加的剖面圖，可用于了解云系冷暖云垂直結(jié)構(gòu)配置，判斷降水機(jī)制，0℃、-10℃等特征溫度層高度，確定播云作業(yè)的溫度和高度范圍。

（4）云降水場。包括逐小時(shí)、3h、6h和24h的地面降水，格點(diǎn)降水和對(duì)流參數(shù)化降水，可以總體掌握自然降水特征，如落區(qū)、強(qiáng)度和演變等。

2 模式產(chǎn)品檢驗(yàn)

2016年6月16日，高空槽東移，低層切變東移南壓到福建省中部地區(qū)，輻合抬升較強(qiáng)，且維持時(shí)間較長，西南風(fēng)急流強(qiáng)（850hPa達(dá)到20m/s），水汽充沛，降水條件非常有利，福建西部、北部地區(qū)出現(xiàn)降水過程（圖略）。

利用6月15日20時(shí)起報(bào)的GRAPES_CAMS云宏觀產(chǎn)品（包括云帶、垂直累積液態(tài)水、垂直累積過冷水、云頂溫度和云頂高度）和衛(wèi)星反演的云特征參量，對(duì)本次降水過程中GRAPES_CAMS預(yù)報(bào)產(chǎn)品適用性進(jìn)行驗(yàn)證。模擬的云帶用GRAPES_CAMS模式計(jì)算的云水、雨水、冰晶、雪和霰含水量總和的垂直累積代表，衛(wèi)星反演的光學(xué)厚度是指在整個(gè)路徑上云消光的總和。首先利用16日02時(shí)的衛(wèi)星反演產(chǎn)品對(duì)模式預(yù)報(bào)云帶進(jìn)行檢驗(yàn)，模式預(yù)報(bào)的云區(qū)呈西南—東北走向。有兩個(gè)主云區(qū)，一個(gè)在江西會(huì)昌、瑞金到福建長汀、清流一代；另一個(gè)在順昌、建甌至壽寧一帶（見圖1）。16 日02時(shí)的衛(wèi)星反演光學(xué)厚度顯示主云區(qū)走向和模式預(yù)報(bào)一致，同樣也有兩個(gè)雨帶集中區(qū)，分別在江西贛州、福建龍巖西部，以及三明中部到南平東部一帶（圖1）。模式預(yù)報(bào)的云帶和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析表明，GRAPES_CAMS預(yù)報(bào)云帶的走向、云區(qū)分布與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，落區(qū)稍有偏差。

圖1 2016年6月16日02時(shí)GRAPES_CAMS預(yù)報(bào)的云帶和FY-2衛(wèi)星反演的光學(xué)厚度

16日02時(shí)GRAPES_CAMS模式預(yù)報(bào)的江西贛州、福建龍巖一帶云頂高度在9～13km；三明到南平東部一帶云頂高度在9～11km（圖2）。16日02時(shí)FY-2衛(wèi)星反演的江西贛州、福建龍巖一帶云頂高度12～14km，三明到南平東部一帶云頂高度在9～12km（見圖2），模式預(yù)報(bào)的云頂高度要低于衛(wèi)星反演的云頂高度。

圖2 2016年6月16日02時(shí)GRAPES_CAMS預(yù)報(bào)的云頂高度和衛(wèi)星反演的云頂高度

16日02時(shí)GRAPES_CAMS模式預(yù)報(bào)的江西贛州、福建龍巖一帶云頂溫度在-30℃～-60℃之間，三明到南平東部一帶云頂溫度在-40℃～-50℃之間；16日02時(shí)FY-2衛(wèi)星反演的江西贛州、福建龍巖一帶云頂溫度在-60℃，三明到南平東部一帶云頂溫度在-40℃～-60℃之間（圖3）。模式預(yù)報(bào)的云頂溫度要高于衛(wèi)星反演的云頂溫度，原因可能是模式預(yù)報(bào)的主云區(qū)云高較低。

圖3 2016年6月16日02時(shí)GRAPES_CAMS預(yù)報(bào)的云頂溫度和FY-2衛(wèi)星反演的云頂溫度

通過對(duì)比分析此次降水過程GRAPES_CAMS預(yù)報(bào)云帶、云頂溫度、云頂高度和FY衛(wèi)星反演的光學(xué)厚度、云頂高度、云頂溫度，GRAPES_CAMS對(duì)云帶走向和主云區(qū)位置的模擬接近實(shí)況，模式模擬的云頂高度要低于衛(wèi)星反演的云頂高度，模式預(yù)報(bào)的云頂溫度要高于衛(wèi)星反演的云頂溫度，但差別不大，可見GRAPES_CAMS對(duì)此次降水過程的模擬整體接近實(shí)況，具有很高的可用性。

3 增雨作業(yè)條件分析

根據(jù)GRAPES_CAMS模式預(yù)報(bào)的2016年6月16日02時(shí)垂直累積過冷水含量分布情況，垂直累積過冷水在福建省有兩個(gè)分布中心，一個(gè)中心位于長汀至江西會(huì)昌一帶，另一個(gè)過冷水含量中心位于順昌至政和、周寧一帶，垂直累積過冷水含量超過0.1mm（圖4）。模式預(yù)報(bào)顯示6月15日20時(shí)至16日20時(shí)，福建省西南至東北方向有超過25mm的降水帶（圖4）。

圖4 GRAPES_CAMS預(yù)報(bào)2016年6月16日02時(shí)垂直累積過冷水和預(yù)報(bào)降水量

為進(jìn)一步分析云垂直結(jié)構(gòu)，沿寧化至壽寧一線做水成物垂直剖面圖（圖5），福建省西部中部地區(qū)降水為冷暖混合降水，模式預(yù)報(bào)0℃層高度位于5100m，云頂高度10km，冰晶數(shù)濃度（Ni）大值區(qū)位于400～500hPa之間，最大達(dá)到50個(gè)/L，高層冰晶尚未下落以致500hPa以下冰晶數(shù)目減少，雪和霰(Qs+Qg)主要分布在冷區(qū)的500hPa以上；云水含量最大達(dá)0.3 g/kg，在冷區(qū)分布著過冷水；過冷水主要位于0～-10℃（海拔高度5100～6900 m），最大值為0.3g/kg，并且該層冰晶數(shù)濃度不高（圖5）。因此，通過分析得出，15日20時(shí)至16日20時(shí)，政和、屏南和周寧一帶過冷水含量高（Qc），并且過冷水層的冰晶數(shù)濃度非常少，最有可能的冷云催化增雨潛力區(qū)就在此處。

圖5 2016年6月16日02時(shí)Qc、Ni、T垂直剖面圖和Qs、Qg、Qr和H垂直剖面

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)比分析6月16日降水過程GRAPES_CAMS預(yù)報(bào)云帶、云頂溫度、云頂高度和FY衛(wèi)星反演的光學(xué)厚度、云頂高度、云頂溫度，表明GRAPES_CAMS對(duì)云帶走向和主云區(qū)位置的模擬接近實(shí)況，模式模擬的云頂高度要低于衛(wèi)星反演的云頂高度，模式預(yù)報(bào)的云頂溫度要高于衛(wèi)星反演的云頂溫度，但差別不大，GRAPES_CAMS對(duì)南方混合云系降水過程的模擬整體接近實(shí)況，具有很高的可用性。

（2）通過分析垂直累積過冷水含量和云垂直結(jié)構(gòu)，15 日20時(shí)至16日20時(shí)，政和、屏南和周寧一帶過冷水含量高，并且過冷水層的冰晶數(shù)濃度非常少，最有可能的冷云催化增雨潛力區(qū)就在此處。

[1] 孫晶，史月琴，蔡淼，等.南方三類云系結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)和增雨作業(yè)條件分析[J].氣象，2015(41): 1356-1366.

[2] 孫晶,樓小鳳，胡志晉，等.CAMS復(fù)雜云微物理方案與GRAPES模式耦合的數(shù)值試驗(yàn)[J].用氣象學(xué)報(bào)，2008，19（3）：315-325.