一次積層混合云云系微物理結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與增雨條件分析

唐 林，李 瓊，黎祖賢，蔡 淼，蔡榮輝，高 沁

(1.湖南省人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，湖南 長沙 410118；2.中國氣象局人工影響天氣中心，北京 100081;3.湖南省氣象臺(tái)，湖南 長沙 410118)

引 言

高溫?zé)岷μ鞖馐呛鲜≈饕獨(dú)庀鬄?zāi)害之一[1]，針對(duì)高溫?zé)岷μ鞖忾_展人工增雨，其主要作業(yè)云系是積層混合云，該云系是由層狀云和嵌入其中的積云組成，有著穩(wěn)定豐富的云水資源。積層混合云中的積云區(qū)上升速度較大、含水量豐沛，是人工增雨較好的作業(yè)部位，通常為“播撒-供給”催化機(jī)制降水中的供水云[2]。在積層混合云中不同上升速度區(qū)播撒人工冰核或致冷劑，往往可以增加20%～35%的降水量[3-5]。福建古田水庫進(jìn)行了一系列人工增雨作業(yè)外場(chǎng)試驗(yàn)[6]，效果分析表明，積層混合云、層云、積云這三種云型，催化效果最好的是積層混合云。

近年來，隨著衛(wèi)星、雷達(dá)、雨滴譜儀、飛機(jī)等觀測(cè)手段的發(fā)展，國內(nèi)開展了諸多針對(duì)積層混合云降水云系的觀測(cè)和分析，針對(duì)積層混合云降水特征、結(jié)構(gòu)特征、云微物理特征和降水機(jī)制等進(jìn)行了研究。如研究表明，大范圍的暴雨基本上由較為深厚的積層混合云產(chǎn)生，強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)呈楔狀云(V型云)[7]，云頂亮溫較低，光學(xué)厚度大于100；積層混合云中的對(duì)流云過冷層較厚、作業(yè)目標(biāo)云處于新生或發(fā)展階段，有較多過冷水的對(duì)流云具有較好的作業(yè)條件[8]。積層混合云降水的雨滴瞬時(shí)譜譜型多呈單峰型分布，有少量呈多峰型分布,偶見指數(shù)型分布[9]，對(duì)流云降水雨滴平均譜寬大于層狀云[10]。蔡兆鑫等[11]利用飛機(jī)觀測(cè)資料分析了一次積層混合云微物理特征，過冷水豐沛的云層云頂亮溫處于播云溫度窗內(nèi)，具有很好的可播性。

數(shù)值模式是研究云系降水過程的重要手段之一，近年來，國內(nèi)采用云尺度模式和中尺度模式對(duì)積層混合云的數(shù)值模擬研究也取得了較為豐碩的成果[12-20]。在相同大氣層結(jié)條件下模擬孤立積云和層狀云中積云，發(fā)現(xiàn)層狀云對(duì)積云的發(fā)展有顯著促進(jìn)作用[14]；華北積層混合云的積層混合區(qū)“擬降水效率”最大高達(dá)70%以上[15]，云中微物理量分布不均，積云液水含量遠(yuǎn)大于層云液水含量[16]。何暉等[17]利用中尺度數(shù)值模式WRF結(jié)合三維粒子運(yùn)行增長模式分析了一次積層混合云微物理結(jié)構(gòu)和降水機(jī)理，發(fā)現(xiàn)層狀云中的對(duì)流區(qū)粒子可以循環(huán)增長使粒子增長更大。積層混合云的動(dòng)力、熱力和微物理結(jié)構(gòu)均比較復(fù)雜，層狀云和積狀云之間可以相互影響和反饋。

在人工影響天氣領(lǐng)域，需對(duì)作業(yè)實(shí)施對(duì)象，即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)有效地實(shí)施人工增雨作業(yè)。因此，利用數(shù)值模式對(duì)作業(yè)對(duì)象云微物理結(jié)構(gòu)和人工增雨作業(yè)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)和分析，對(duì)開展人工增雨外場(chǎng)作業(yè)具有十分重要的科學(xué)價(jià)值。本文采用耦合中國氣象科學(xué)研究院CAMS(Chinese Academy of Meteorological Sciences)研發(fā)的云參數(shù)方案的MM5中尺度模式對(duì)2013年8月13日湖南地區(qū)受臺(tái)風(fēng)外圍云系影響的一次典型積層混合云降水過程的云微物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，以期對(duì)人工增雨作業(yè)時(shí)機(jī)和作業(yè)部位選擇取得最理想作業(yè)效果給予科學(xué)解釋。

1 模式及資料

MM5是從20世紀(jì)80年代以來美國賓夕法尼亞州立大學(xué)(PSU)和國家大氣研究中心(NCAR)共同開發(fā)并引入非靜力平衡效應(yīng)的第5代區(qū)域中尺度數(shù)值模式[18]，模式中耦合的復(fù)雜云微物理方案[19-20]是由中國氣象科學(xué)研究院開發(fā)的一套準(zhǔn)隱式格式的混合相雙參數(shù)云微物理方案。該方案用混合比和數(shù)濃度兩個(gè)參數(shù)來描述一種水成物粒子群，根據(jù)云中粒子的相態(tài)、形狀等將水成物分為云水、雨水、冰晶、雪晶、霰5種。

MM5模式用NCEP提供的每6 h一次的水平分辨率為1°×1°的再分析格點(diǎn)資料作為初始場(chǎng)，模擬時(shí)間從2013年8月13日00:00(北京時(shí)，下同)至14日23:00，模式結(jié)果的輸出時(shí)間間隔為1 h，次網(wǎng)格格距為7.5 km，垂直方向共15層，頂層氣壓100 hPa。

2 模擬結(jié)果與觀測(cè)資料對(duì)比

本文應(yīng)用了模式輸出的云宏微觀物理量產(chǎn)品，為了校驗(yàn)?zāi)M效果，選取同樣能體現(xiàn)云內(nèi)部特征的FY-2C衛(wèi)星反演產(chǎn)品與模式結(jié)果作對(duì)比，并進(jìn)一步驗(yàn)證模式輸出零度層高度與實(shí)況的吻合情況。由于FY-2C的反演受可見光通道限制，反演的產(chǎn)品只有在08:00—18:00可用，下面針對(duì)此次臺(tái)風(fēng)外圍云系影響湖南的降水過程，選取云場(chǎng)、云頂溫度和零度層高度進(jìn)行模擬與實(shí)況作對(duì)比分析，研究區(qū)域?yàn)?08°E—115°E、24°N—30°N。

2.1 云場(chǎng)對(duì)比

采用FY-2C衛(wèi)星資料反演的光學(xué)厚度代表實(shí)測(cè)云場(chǎng)，光學(xué)厚度與粒子直徑成反比，即云粒子對(duì)光學(xué)厚度的貢獻(xiàn)較大，而降水粒子對(duì)光學(xué)厚度影響不大，故用模式輸出的云水和冰晶的垂直累積含量表示模擬云場(chǎng)。

圖1為2013年8月13日16:00、18:00衛(wèi)星反演光學(xué)厚度與模擬云場(chǎng)。可以看出，衛(wèi)星反演光學(xué)厚度成片分布在湘中以南區(qū)域，18:00較16:00有明顯北抬發(fā)展趨勢(shì)，在湖南北部、貴州東部與湖南交界處也有零星塊狀分布；而模式模擬的云場(chǎng)大值區(qū)基本也位于湘中及以南地區(qū)，但大多呈獨(dú)立塊狀分布，較衛(wèi)星反演光學(xué)厚度分布范圍窄，區(qū)域性更強(qiáng)；湘北和貴州西部模擬云場(chǎng)與衛(wèi)星反演光學(xué)厚度較為一致，位置稍偏西。

綜上所述，模式模擬云場(chǎng)的大致區(qū)域在湘南，基本能反映實(shí)況，但范圍偏窄、局地性更強(qiáng)，在湘北和湘西與實(shí)況較為吻合，位置稍偏西。這可能與我們選取的代表模擬云場(chǎng)的參量?jī)H為云水和冰晶垂直累積總和有關(guān)，不能完全代表云場(chǎng)的實(shí)際情況，而衛(wèi)星反演產(chǎn)品代表實(shí)測(cè)云場(chǎng)，另外衛(wèi)星反演算法上也可能出現(xiàn)一定程度的偏差[21]。

2.2 云頂溫度對(duì)比

圖2為2013年8月13日16:00、18:00衛(wèi)星反演云頂溫度與模擬云頂溫度?？梢钥闯?，16:00衛(wèi)星反演云主要分布在27°N以南區(qū)域，湘南云頂溫度為-40～0 ℃，湘北有零星塊狀云頂溫度為負(fù)值；18:00云明顯北抬發(fā)展，28°N湘中以南區(qū)域云頂溫度為-60～0 ℃，湘中及湘東北大部分地區(qū)云頂溫度為0～20 ℃，2 h前位于湘北的云頂溫度為負(fù)的局部云塊西移且范圍有所擴(kuò)大，云頂溫度發(fā)展為-20～20 ℃。16:00模擬云場(chǎng)主要分布在湘中及湘中以南，湘南云頂溫度為-35～20 ℃，大部分地區(qū)為零度以下，湘中云頂溫度為-15～20 ℃，湘北及湘西北均有塊狀云系分布，說明模式模擬云頂溫度范圍較衛(wèi)星反演云頂溫度略偏大，但大值區(qū)域范圍整體一致。模擬云頂溫度偏高，湘北和湘西北的分散性塊狀云系模擬有所體現(xiàn)，范圍和強(qiáng)度稍偏小。綜上所述，模擬的云頂溫度場(chǎng)與衛(wèi)星反演的云頂溫度場(chǎng)分布范圍基本一致，模擬云頂溫度區(qū)間跨度較衛(wèi)星反演偏大，整體能反映此次過程主要影響區(qū)域——湘南的云系特點(diǎn)，湘中以南云頂溫度以負(fù)值為主，說明此次過程為層積混合云降水過程，適于開展人工增雨作業(yè)。

圖1 2013年8月13日16:00(a、b)、18:00(c、d)FY-2C衛(wèi)星反演光學(xué)厚度(a、c)與模擬的云場(chǎng)(b、d，單位：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

圖2 2013年8月13日16:00(a、b)、18:00(c、d)FY-2C衛(wèi)星反演(a、c)與模擬(b、d)的云頂溫度(單位：℃)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 零度層高度對(duì)比

郴州站13日探空數(shù)據(jù)(圖略)顯示，零度層08:00位于4959 m，20:00位于4848 m，在550～500 hPa。根據(jù)郴州地區(qū)的模式輸出結(jié)果，08:00和20:00零度層高度也在550～500 hPa，模擬結(jié)果與探空資料顯示的一致。

綜上所述，模式模擬云場(chǎng)的大致區(qū)域在湘南與實(shí)況一致，但模擬場(chǎng)范圍偏窄、局地性更強(qiáng)，而在湘北和湘西與實(shí)況較為吻合，位置稍偏西；模擬的云頂溫度場(chǎng)與FY-2C衛(wèi)星反演的云頂溫度場(chǎng)分布范圍基本一致，模擬云頂溫度區(qū)間跨度較衛(wèi)星反演偏大；模擬的零度層高度與探空資料結(jié)果一致。可見，此次模擬結(jié)果整體能反映這次臺(tái)風(fēng)外圍云系的特點(diǎn)及發(fā)展演變趨勢(shì)，可用來進(jìn)行云系的微物理結(jié)構(gòu)分析和人工影響天氣作業(yè)指導(dǎo)。

3 云系微物理結(jié)構(gòu)

為分析此次臺(tái)風(fēng)外圍云系云微物理量的特征，下面從5類水成物(云水、雨水、冰晶、雪晶、霰)的混合比隨時(shí)間演變、水平分布和垂直分布特征進(jìn)行分析。選取湘中以南區(qū)域(111°E—114°E、24.5°N—27°N)作為研究區(qū)域。

3.1 水成物混合比時(shí)間變化

圖3為2013年8月13日水成物混合比區(qū)域平均值的時(shí)間-高度剖面和加權(quán)垂直積分區(qū)域平均值隨時(shí)間變化?？梢钥闯觯谠葡蛋l(fā)展前期的12:00—15:00，500 hPa附近有云水分布，即存在過冷水；14:00—16:00，有一云水混合比大值區(qū)出現(xiàn)在750 hPa附近，最大混合比超過6.5×10-5kg·kg-1·m-2；18:00以后，云水幾乎全部分布在零度層以下，混合比也有所減小。雨水從13日12:00開始出現(xiàn)，至17日00:00基本消失，13日13:00出現(xiàn)混合比最大值，分布在750 hPa附近。冰晶主要出現(xiàn)在13日12:00—17:00，分布在500～200 hPa，對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間為-40～0 ℃，14:00有混合比最大值，位于300 hPa。雪晶主要出現(xiàn)在13日12:00—17:00，15:00有混合比最大值，分布在600～300 hPa，450 hPa附近出現(xiàn)一雪晶混合比大值區(qū)。云系發(fā)展初期，700～400 hPa都有霰的分布， 13日13:00，500 hPa附近出現(xiàn)霰混合比最大值，此高度層上有較為豐沛的過冷水，對(duì)于霰淞增長極為有利，雨水的分布和趨勢(shì)與霰一致，可見霰對(duì)雨水的形成有主要貢獻(xiàn)，16:00后霰的含量迅速減少直至基本消失。

各類水成物混合比變化趨勢(shì)基本一致，均呈單峰型。云水于14:00達(dá)最大值，而后迅速減少，18:00后云水混合比有輕微波動(dòng)。雨水和霰混合比均于13:00達(dá)峰值，隨后迅速減少，于18:00開始維持相對(duì)平穩(wěn)小值。冰晶混合比在各類水成物中最小，冰晶和雪晶混合比分別于14:00、15:00達(dá)峰值，隨后迅速減小，18:00開始維持平穩(wěn)小值趨勢(shì)?？傊?，各類水成物混合比加權(quán)垂直積分區(qū)域平均值的最大值都出現(xiàn)在13日14:00左右，降水過程表現(xiàn)為積層混合云降水；19:00后雨水、冰晶、雪晶和霰基本消失，還存在少量的云水，說明研究區(qū)域內(nèi)的云體演變以暖性層云為主。

3.2 水成物混合比水平分布

選取2013年8月13日13:00、15:00和19:00分別作為積層混合云發(fā)展階段、成熟階段和積云擴(kuò)展層化階段。圖4給出2013年8月13日13:00、15:00和19:00 600 hPa云水混合比空間分布。可以看出，13:00云水混合比大值區(qū)位于郴州東南部和永州南部；15:00郴州東南部云水混合比大值區(qū)向西北方向移動(dòng)到郴州西部上空，永州南部云水混合比大值區(qū)西移出境；19:00郴州境內(nèi)的云水繼續(xù)向西北方向移動(dòng)，到永州西北部，且云水混合比明顯減小。

圖5為2013年8月13日13:00、15:00和19:00 700 hPa雨水混合比空間分布?？梢钥闯?，13:00雨水分布與同時(shí)刻云水的分布一致，混合比大值區(qū)位于郴州東南部和永州南部；15:00郴州東南部雨水混合比大值區(qū)向西北方向移到郴州西部上空，混合比有所減小，永州南部雨水混合比大值區(qū)西移出境；19:00研究區(qū)域北部有新生雨水混合比大值區(qū)，湘南地區(qū)已無明顯雨水混合比大值區(qū)。

圖6為2013年8月13日13:00、15:00、19:00 300 hPa冰晶混合比空間分布。可以看出，13:00冰晶主要分布在研究區(qū)東部；15:00云系發(fā)展到成熟階段，區(qū)域內(nèi)自然冰晶覆蓋面積明顯擴(kuò)大，但混合比仍然較小，符合冷云人工增雨催化條件，最佳催化時(shí)機(jī)應(yīng)選擇在云系發(fā)展成熟前；19:00冰晶混合比已經(jīng)明顯減小，永州和郴州交界區(qū)域上空還存在一個(gè)冰晶混合比相對(duì)大值區(qū)。

圖3 2013年8月13日水成物混合比的區(qū)域平均值時(shí)間-高度剖面(左，單位：10-5 kg·kg-1·m-2)和加權(quán)垂直積分區(qū)域平均值隨時(shí)間變化(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

圖4 2013年8月13日13:00(a)、15:00(b)、19:00(c) 600 hPa云水混合比空間分布(單位：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)

圖5 2013年8月13日13:00(a)、15:00(b)、19:00(c) 700 hPa雨水混合比空間分布(單位：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)

圖6 2013年8月13日13:00(a)、15:00(b)、19:00(c) 300 hPa冰晶混合比空間分布(單位：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)

雪晶含量最豐富的高度在450 hPa，圖7給出了2013年8月13日13:00、15:00、19:00 450 hPa雪晶混合比空間分布。可以看出，云系的發(fā)展-成熟階段，雪晶分布主要呈西移和混合比增大且大值區(qū)面積擴(kuò)大的特點(diǎn)；15:00郴州西部有一雪晶混合比大值區(qū)； 19:00研究區(qū)域雪晶混合比基本為零。

霰的含量在500 hPa最為豐沛。圖8給出了2013年8月13日13:00、15:00、19:00 500 hPa霰混合比空間分布?？梢钥闯?，其與雨水演變情況基本一致。13:00，霰混合比大值區(qū)位于郴州東南部； 15:00霰的混合比分布區(qū)覆蓋范圍較前期明顯擴(kuò)大東移，郴州大部、永州西部上空都有覆蓋，但霰混合比的最大值較前期有所減小；19:00云系已經(jīng)演變?yōu)閷訝钤疲被旌媳蕊@著減小，除研究區(qū)域北部邵陽與永州交界處有新生霰混合比大值區(qū)生成外，僅永州西南角還有小塊霰的混合比小值區(qū)，其余地區(qū)霰混合比基本為零。

綜上所述，隨著云系的發(fā)展，各類水成物都有明顯的西移趨勢(shì)。在云系的成熟階段，各類水成物覆蓋范圍最大，隨著臺(tái)風(fēng)進(jìn)一步登陸西移，19:00，目標(biāo)區(qū)域(郴州、永州區(qū)域)各類水成物混合比顯著減小，僅有少量冰晶和雨水存在。雨水和霰的混合比分布演變規(guī)律基本一致，表明霰對(duì)雨水的形成有主要貢獻(xiàn)。

圖7 2013年8月13日13:00(a)、15:00(b)、19:00(c) 450 hPa雪晶混合比空間分布(單位：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)

圖8 2013年8月13日13:00(a)、15:00(b)、19:00(c) 500 hPa霰混合比空間分布(單位：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

根據(jù)各類水成物混合比水平分布特征可以看出，在積云發(fā)展旺盛的15:00，各類水成物在郴州上空(25.8°N、112.5°E)附近有一個(gè)共同高值。分析逐小時(shí)降水可知，15:00—18:00湘中以南有連續(xù)強(qiáng)降水，強(qiáng)降水中心位于郴州西南部。為進(jìn)一步分析積層混合云強(qiáng)對(duì)流時(shí)期的微物理結(jié)構(gòu)，圖9給出了8月13日15:00各類水成物混合比沿25.8°N的經(jīng)度-高度剖面?？梢钥闯觯藭r(shí)云水經(jīng)向分布范圍不大，約 50 km，云水分布區(qū)和強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)基本吻合，垂直發(fā)展很旺盛，達(dá)400 hPa附近，有過冷水存在，云水混合比大值區(qū)處于 600 hPa附近。冰晶基本分布在零度層以上，水平分布范圍較廣，云水分布區(qū)域上空500～300 hPa及云水分布區(qū)域東側(cè)300～200 hPa，也有自然冰晶的存在，但混合比較小。

雨水主要分布在零度層以下，混合比大值區(qū)位于700 hPa；雨水和霰的分布對(duì)應(yīng)很好，雨水混合比的大值區(qū)處于霰和雪晶大值區(qū)下方，說明霰的融化是形成雨水的主要來源；雪晶分布區(qū)域和冰晶分布區(qū)域基本吻合，在垂直方向上與云水分布對(duì)應(yīng)很好，混合比大值中心位于500～400 hPa，有過冷云水的存在?？傊黝愃晌锏姆植荚诖怪狈较蛏吓浜虾芎?，有利于降水形成。

4 人工增雨作業(yè)時(shí)機(jī)和區(qū)域選擇

積層混合云降水效率通常較高，適合人工增雨作業(yè)。 AgI 在-10 ℃左右過冷水含量豐沛區(qū)催化效果最佳，由于云中動(dòng)力場(chǎng)的作用，選擇積狀云的入流上升區(qū)播撒，將AgI或冰晶帶入-10～0 ℃的過冷水含量豐沛區(qū)可以獲得最佳催化效果。

圖10為8月13日13:00、15:00、19:00垂直累積過冷水混合比的空間分布?？梢钥闯?，在積層混合云的發(fā)展階段垂直累積過冷水混合比較大，故以13:00為例來分析人工增雨作業(yè)條件和位置。

圖11為2013年8月13日13:00云水、冰晶混合比及u、w合成沿25.4°N的經(jīng)度-高度剖面?？梢钥闯?，過冷水分布不均勻，經(jīng)向跨度約60 km，云水層很深厚，113.1°E —113.6°E 過冷水伸展到400 hPa以上，過冷水分布區(qū)域和強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)相吻合，而對(duì)應(yīng)500～300 hPa有自然冰晶存在，冰晶混合比最大值僅為1×10-4kg·kg-1，自然冰晶偏少。由此可見，該區(qū)域內(nèi)過冷水豐富，上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，上風(fēng)方偏東氣流有充足的水汽補(bǔ)充，可進(jìn)行人工引晶或AgI催化。在積層混合云的發(fā)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業(yè)時(shí)，可直接將催化劑送入有強(qiáng)上升氣流的過冷層云水中可獲得最佳人工增雨催化效果。

圖9 2013年 8月13日15:00云水(陰影)和冰晶(黑色等值線)(a)、雨水(陰影)、 雪晶(藍(lán)色等值線)、霰(紅色等值線)(b)混合比(單位：10-5 kg·kg-1)和u、w合成(a、b，綠色箭頭，w×0.1，單位：m·s-1)沿25.8°N的經(jīng)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

圖10 2013年8月13日13:00(a)、15:00(b)、19:00(c)垂直累積過冷水混合比空間分布(單位：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)

圖11 2013年8月13日13:00云水(陰影)、冰晶(黑色等值線)混合比(單位：10-4 kg·kg-1)及u、w合成(綠色箭頭，w×0. 1，單位：m·s-1)沿25.4°N的經(jīng)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

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)域內(nèi)各種水成物含量隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，均呈單峰型，最大值均出現(xiàn)在13日14:00左右。其中，雨水和霰的分布和變化趨勢(shì)一致，說明霰的融化是此次降水的主要來源。

(2)在云系整個(gè)發(fā)展過程中，各類水成物分布不均勻，積云部分呈明顯塊狀分布；隨著云系發(fā)展，各種水成物都有明顯的西移趨勢(shì)；到積云擴(kuò)張層化階段，目標(biāo)區(qū)域各類水成物混合比顯著減小，僅有少量冰晶和雨水存在。

(3)在積層混合云發(fā)展成熟階段，云水經(jīng)向分布范圍不大，約60 km，各類水成物在垂直方向吻合很好，有利于降水形成；云水垂直發(fā)展很旺盛，有過冷水存在。

(4)在積層混合云發(fā)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業(yè)時(shí)，可直接將催化劑送入有強(qiáng)上升氣流的過冷層云水中可獲得最佳人工增雨催化效果。

文中僅用MM5模式對(duì)一次臺(tái)風(fēng)外圍云系降水過程的云微物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬及增雨條件分析，考慮到不同天氣過程主要影響因素不同，該模式對(duì)其他積層混合云、對(duì)流云等過程模擬效果如何及不同分辨率的模式模擬有何差別還有待進(jìn)一步探討。