層狀云催化宏微觀物理響應(yīng)的數(shù)值模擬研究

劉衛(wèi)國(guó) 陶玥 周毓荃

1 中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

2 中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

1 引言

中國(guó)有42%的國(guó)土處于干旱半干旱區(qū)，包括西北、華北中西部等地區(qū)（劉玉芝等, 2018），這些區(qū)域降水偏少，水資源短缺問(wèn)題嚴(yán)重，而空中云水資源作為地球上淡水資源的重要組成部分，科學(xué)有效地開(kāi)發(fā)和調(diào)控這一資源，是可能解決區(qū)域水資源嚴(yán)重短缺問(wèn)題的重要方法（李澤椿等, 2006）。通過(guò)人工增雨作業(yè)使空中更多的水汽和云水轉(zhuǎn)化為降水，是目前進(jìn)行空中云水資源開(kāi)發(fā)的重要途徑，層狀云系是進(jìn)行人工增雨作業(yè)的主要目標(biāo)之一，也是我國(guó)北方春秋季主要的降水云系（洪延超和周非非, 2006）。蔡淼（2013）研究表明，從水物質(zhì)更新周期和降水效率角度看，與夏季對(duì)流云降水相比，層狀云系降水效率低，具有更高的開(kāi)發(fā)潛力，是開(kāi)發(fā)利用空中云水資源的重要對(duì)象。層狀云系中并不是所有區(qū)域都適合開(kāi)展人工增雨作業(yè)，需要有科學(xué)可行的作業(yè)指標(biāo)體系來(lái)指導(dǎo)作業(yè)的實(shí)施，通過(guò)對(duì)人工增雨作業(yè)后催化效果的分析和評(píng)估，是建立和改進(jìn)作業(yè)指標(biāo)體系的必要途徑。

合理準(zhǔn)確的評(píng)估人工增雨效果仍然是一個(gè)非常困難的課題，由于現(xiàn)實(shí)中無(wú)法獲知受人影作業(yè)影響后的云系原本的自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)，而且云系本身的發(fā)展變化也會(huì)受到多種自然因素的影響，因此將人為播云催化作業(yè)產(chǎn)生的變化與催化目標(biāo)云系的自然變化分離開(kāi)來(lái)是非常困難的，這也是物理檢驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)具有不確定性的重要原因。數(shù)值模式在這一方面則具有一定的優(yōu)勢(shì)，它可以在與自然云相同的氣象條件下重復(fù)進(jìn)行播撒作業(yè)的數(shù)值模擬以分析催化作用的影響鏈條，也可以通過(guò)模擬來(lái)重現(xiàn)實(shí)際發(fā)生的人工增雨作業(yè)過(guò)程以幫助評(píng)估作業(yè)的效果等（National Research Council, 2003; Xue et al., 2016），這也必然對(duì)數(shù)值模式本身提出了要求，即需要建立能夠合理的模擬甚至再現(xiàn)真實(shí)催化過(guò)程的催化模式。

催化模擬研究中，在模擬的云區(qū)中指定的時(shí)空范圍內(nèi)，通過(guò)直接增加冰晶濃度或質(zhì)量來(lái)代表催化過(guò)程是催化模擬研究常采用的一類(lèi)方式（Koenig and Murray, 1983; 何觀芳等, 2001; 孫晶等, 2010），這種方式適合于對(duì)催化效果的一些理論研究，但它忽略了對(duì)催化劑粒子到冰晶這一重要階段的物理過(guò)程描述。Hsie et al.（1980）和Kopp et al.（1983）則較早的在二維對(duì)流云模式的催化模擬中分別采用物理方程顯式描述了AgI（Silver iodide）和干冰兩種播云催化劑的核化，從而使催化模擬更為接近實(shí)際發(fā)生的物理過(guò)程，Orville et al.（1984）采用前述二者的催化模擬方案，在二維云模式中研究了層狀云中播撒AgI 和干冰的催化效果。此后，Hsie 的AgI 催化模擬方案被多個(gè)模式所采用，如黃燕和徐華英（1994）、Guo et al.（2006）、何暉等（2012,2013）分別在二維冰雹云模式、三維對(duì)流云模式以及三維中尺度模式中采用Hsie 方案開(kāi)展了云催化效 果 的 研 究。Meyers et al.（1995）根 據(jù)DeMott（1995）在云室試驗(yàn)中對(duì)AgI 核化的研究結(jié)果，建立了AgI 催化劑核化的參數(shù)化方程并應(yīng)用于RAMS（Regional Atmospheric Modeling System）模式中，對(duì)冬季地形云的催化效果進(jìn)行了數(shù)值模擬評(píng)估，劉詩(shī) 軍 等（2005）、樓 小 鳳 等（2014）、Xue et al.（2013a, 2013b）、劉 衛(wèi) 國(guó) 等（2016）則 分 別 將DeMott 的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于云模式和WRF（Weather Research and Forecasting Model）中尺度數(shù)值模式中進(jìn)行AgI 催化的數(shù)值模擬研究，評(píng)估催化作業(yè)的效果。此外，針對(duì)致冷劑（如液氮、干冰）等的催化模擬也有發(fā)展，Guo et al.（2006）在三維對(duì)流云模式中對(duì)液態(tài)CO2的催化過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)模擬，Hashimoto and Murakami （2016）在JMANHM 模式（Japan Meteorological Agency Non-Hydrostatic Model）中采用了Guo et al.（2006）的液態(tài)CO2的催化方案，同時(shí)采用并改進(jìn)了Kopp et al.（1983）的干冰催化方案，并利用該模式模擬研究了這兩種催化劑在冷云催化作業(yè)中效果的異同?？梢?jiàn)，對(duì)人影作業(yè)中播云催化劑的物理過(guò)程引入?yún)?shù)化方程進(jìn)行詳細(xì)模擬已是催化模式的重要發(fā)展方向之一，這也使得用模式評(píng)估催化作業(yè)的效果在物理基礎(chǔ)上更為合理。除此之外，隨著數(shù)值模式本身的進(jìn)步以及計(jì)算能力的快速發(fā)展，數(shù)值模式的云微物理方案對(duì)云和降水的物理過(guò)程描述更為細(xì)致完整，且數(shù)值模擬計(jì)算已經(jīng)可以達(dá)到很高的模式分辨率，如Xue et al.（2016）、Chu et al.（2017）利用耦合了AgI 催化方案的WRF-LES（Large Eddy Simulation）模式，對(duì)地形云催化作業(yè)中AgI 催化劑的影響進(jìn)行了模擬研究，其模擬分辨率已達(dá)到百米級(jí)，從而使模式能夠顯式分辨催化劑粒子在大氣中的一些湍流擴(kuò)散過(guò)程?？傊?，無(wú)論是對(duì)催化的物理過(guò)程描述，還是模式模擬的精細(xì)度上，數(shù)值模式對(duì)真實(shí)催化過(guò)程的模擬能力都有了較大提高，這使開(kāi)展人工增雨作業(yè)過(guò)程的精細(xì)模擬，包括針對(duì)真實(shí)催化作業(yè)的效果進(jìn)行更為合理的數(shù)值模擬評(píng)估成為可能。

本研究采用基于WRF 發(fā)展的一個(gè)三維中尺度冷云催化模式，對(duì)2014 年河北省一次層狀云降水過(guò)程中的飛機(jī)催化作業(yè)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)改進(jìn)原催化模式，使其能夠根據(jù)實(shí)際作業(yè)信息仿真模擬飛機(jī)的播撒作業(yè)方式，從而使模式模擬的催化作業(yè)過(guò)程更接近于實(shí)際狀況。數(shù)值模擬研究首先將自然云的模擬結(jié)果與實(shí)況觀測(cè)進(jìn)行了對(duì)比，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果開(kāi)展了催化模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)AgI 催化劑在云中的擴(kuò)散傳輸特征進(jìn)行了分析，然后通過(guò)對(duì)比催化云和自然云的發(fā)展演變，分析了催化作業(yè)造成的云和降水宏微觀物理特征的變化即催化的物理響應(yīng)，并探討了變化的原因，最后對(duì)此次作業(yè)的增雨效果進(jìn)行了評(píng)估。

2 天氣背景和飛機(jī)作業(yè)概況

2014 年4 月15 日河北中南部地區(qū)出現(xiàn)一次層狀云降水過(guò)程。此次過(guò)程，河北省受來(lái)自中國(guó)河套地區(qū)的弱高空槽緩慢東移影響，同時(shí)中低層沿河套地區(qū)至河北南部一線(xiàn)有暖式切變線(xiàn)存在，低層存在東北風(fēng)回流將北方冷空氣自遼寧地區(qū)引入河北中部（孫玉穩(wěn)等, 2017）。受此系統(tǒng)控制，河北中南部地區(qū)中高層主要為西南暖濕氣流控制，低層為回流的冷空氣，呈上暖下冷的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；水汽條件上，雖然有西南暖濕氣流輸送水汽，但水汽通量不大，總體水汽條件一般。實(shí)況云系觀測(cè)表明，15 日14:00（北京時(shí)，下同）后，河北大部地區(qū)已被云區(qū)覆蓋，云系以層狀云為主，地面觀測(cè)到河北西部和南部地區(qū)的云系主要為中低云，云底高度0.6～2.5 km，河北北部主要為高云。此次過(guò)程的降水主要位于河北中南部地區(qū)，降水量以小雨為主。

這次降水過(guò)程期間，在河北中南部地區(qū)開(kāi)展了飛機(jī)增雨作業(yè)，并利用飛機(jī)搭載的機(jī)載PMS 系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)云系進(jìn)行了飛行探測(cè)。作業(yè)飛機(jī)于15 日16:55 從石家莊正定機(jī)場(chǎng)起飛，到贊皇后先盤(pán)旋上升后下降至4800 m，然后做S 型飛行并開(kāi)展催化作業(yè)，整個(gè)作業(yè)過(guò)程總計(jì)燃燒19 根AgI 煙條（每根含AgI 催化劑12.5 g），其中在起飛段17:12～17:22 之間（高度約3000～5000 m，溫度?0.5°C～?5.5°C）共燃燒兩根煙條，在平飛段17:45～18:30 之間（高度約4800 m，溫度約?6.0°C），作業(yè)劑量為17 根煙條。作業(yè)后，飛機(jī)進(jìn)行穿云探測(cè)并與20:05 返回機(jī)場(chǎng)。孫玉穩(wěn)等（2017）針對(duì)此次過(guò)程的飛機(jī)探測(cè)情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，并從觀測(cè)角度對(duì)催化作業(yè)的效果進(jìn)行了對(duì)比分析，本文主要從數(shù)值模式角度研究催化作業(yè)引起的云和降水的宏微觀物理變化及其物理機(jī)制，并評(píng)估催化作業(yè)的效果。

3 模式及模擬設(shè)置介紹

本研究采用劉衛(wèi)國(guó)等（2016）發(fā)展的三維中尺度冷云催化模式，該模式在WRF 動(dòng)力框架下耦合了冷云催化模塊，模擬了AgI 催化劑粒子播撒入云后的各種核化過(guò)程，包括凝華核化、凝結(jié)凍結(jié)核化、接觸核化和浸沒(méi)凍結(jié)核化四種微物理過(guò)程，同時(shí)考慮了AgI 粒子核化與環(huán)境場(chǎng)的相互作用，模式可進(jìn)行AgI 類(lèi)催化劑的催化模擬研究。為更合理地模擬實(shí)際飛機(jī)催化作業(yè)中飛行軌跡和真實(shí)作業(yè)情況，對(duì)上述催化模式進(jìn)行了改進(jìn)，建立了催化信息處理及作業(yè)軌跡仿真模塊，使模式可以在催化模擬運(yùn)行時(shí)能將實(shí)際飛行的作業(yè)信息數(shù)據(jù)（包括飛機(jī)軌跡，連續(xù)催化作業(yè)的時(shí)間、水平位置、高度以及當(dāng)時(shí)的催化劑量）適時(shí)導(dǎo)入模式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際飛機(jī)催化作業(yè)過(guò)程的數(shù)值仿真模擬。

數(shù)值模擬試驗(yàn)中，模式水平方向采用3 km 和1 km 的兩層雙向嵌套區(qū)域設(shè)置（圖1），垂直方向65 層，模式層頂取為100 hPa，模式內(nèi)外層區(qū)域的微物理方案均使用CAMS（Chinese Academy of Meteorological Sciences）方 案（Gao et al., 2011;Lou et al., 2012），不使用對(duì)流參數(shù)化，模擬時(shí)段為15 日08:00 至16 日08:00。模式采用的初始場(chǎng)和側(cè)邊界均由LAPS（Local Ananlysis and Prediction System）中尺度分析場(chǎng)提供，該分析場(chǎng)以0.5 度的NCEP-GFS 每3 小時(shí)一次的全球預(yù)報(bào)場(chǎng)作為背景場(chǎng)，使用LAPS 系統(tǒng)同化了華北區(qū)域內(nèi)的9 部多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)、地面觀測(cè)數(shù)據(jù)和探空數(shù)據(jù)，同化后的分析場(chǎng)分辨率為3 km，輸出頻率為每3 小時(shí)一次（張雨芳等, 2017; 李紅莉等, 2009）。如無(wú)具體說(shuō)明，本文的模擬結(jié)果分析均采用1 km 分辨率的d02 區(qū)域的數(shù)據(jù)，催化模擬也在該區(qū)域內(nèi)開(kāi)展，具體的催化設(shè)置參見(jiàn)第5 部分的介紹。

4 自然云模擬結(jié)果與實(shí)況的對(duì)比

圖1 模式3 km（d01）和1 km（d02）模擬區(qū)域設(shè)置Fig.1 Three- (d01) and one-kilometer (d02) domains of the simulation

圖2 為模擬的15 日20:00 不同等壓面形勢(shì)場(chǎng)與實(shí)況的對(duì)比，其中模擬區(qū)域取最外層d01 區(qū)域的結(jié)果?？梢钥吹?，模擬的高度場(chǎng)等高線(xiàn)位置較實(shí)況略偏西，即模擬的天氣系統(tǒng)移動(dòng)稍落后與實(shí)況，但實(shí)況分析中對(duì)于500 hPa 上河北北部的弱波動(dòng)及南部平直的緯向環(huán)流形勢(shì)、700 hPa 河北南部的較強(qiáng)的偏南風(fēng)等特征，在模擬的形勢(shì)場(chǎng)中均有較好的體現(xiàn)，說(shuō)明模式對(duì)天氣系統(tǒng)形勢(shì)能較好地模擬出來(lái)。對(duì)于云系宏觀形態(tài)特征的模擬，模式結(jié)果也與實(shí)況有較好的對(duì)應(yīng)，圖3 為15 日16:00 模擬的d01 區(qū)域云帶與FY2 衛(wèi)星反演的云光學(xué)厚度的對(duì)比。圖中模式的云帶實(shí)際為垂直積分的總水量，它可以反映云中水凝物的分布狀況，總水量大的區(qū)域一般表明云的發(fā)展?fàn)顩r較好。光學(xué)厚度也與云的發(fā)展及降水存在較高的相關(guān)性，光學(xué)厚度較大的區(qū)域往往指示云層較為密實(shí)、發(fā)生降水的概率較大（周毓荃等, 2008, 2011）。圖3 對(duì)比表明，模擬的云帶在山西、河北中南部、天津等地區(qū)發(fā)展較好，與實(shí)況光學(xué)厚度大值區(qū)的分布基本一致。在河北南部及山東西北部區(qū)域，實(shí)況光學(xué)厚度大值區(qū)零散分布的特征在模擬的云系分布中也有較好體現(xiàn)，雖然云系中具體的云區(qū)位置有所偏差，但模擬對(duì)云系總體形態(tài)及其內(nèi)部發(fā)展不均勻的特征都較好地表現(xiàn)了出來(lái)。

圖2 2014 年4 月15 日20:00（北京時(shí)，下同）500 hPa（左列）和700 hPa（右列）天氣形勢(shì)（a1、a2）實(shí)況觀測(cè)和（b1、b2）模擬結(jié)果對(duì)比。圖中等值線(xiàn)為位勢(shì)高度（單位：dagpm）Fig.2 Comparison of 500 hPa (left column) and 700 hPa (right column) synoptic situation at 2000 BT (Beijing time) on April 15, 2014: (a1, a2)Observation; (b1, b2) simulation. The contours represent geopotential height (units: dagpm)

圖3 2014 年4 月15 日16:00（a）模擬的云帶（垂直積分總水量，單位：mm）與（b）FY2 衛(wèi)星反演的云光學(xué)厚度對(duì)比Fig.3 Comparison between (a) the cloud band (vertical integration of liquid water, units: mm) simulated by the model and (b) the cloud optical thickness retrieved from the FY2 satellite at 1600 BT on April 15, 2014

實(shí)況雷達(dá)觀測(cè)表明，15 日下午石家莊以北地區(qū)主要以均勻的層狀云回波為主，回波強(qiáng)度在30 dBZ以下，15:00 后有30 dBZ 以上的回波區(qū)自山西中東部逐漸東移發(fā)展，其強(qiáng)回波中心高度在2 km 左右，強(qiáng)度最高可達(dá)35 dBZ，同時(shí)在河北衡水南部及邢臺(tái)東部地區(qū)也有強(qiáng)回波區(qū)發(fā)展并向西緩慢移動(dòng)，最大回波強(qiáng)度高于35 dBZ，30 dBZ 回波的頂高略高于2 km。18:06 左右東西兩個(gè)強(qiáng)回波區(qū)在石家莊東南部及邢臺(tái)中北部地區(qū)相遇合并，合并后雷達(dá)回波強(qiáng)度增強(qiáng)，最大可達(dá)45 dBZ 以上，30 dBZ 以上的強(qiáng)回波區(qū)范圍也明顯增大，合并后的回波主體自西向東方向緩慢移動(dòng)，19:18 后回波區(qū)強(qiáng)度開(kāi)始逐漸減弱。

對(duì)比圖4 中的模擬雷達(dá)回波與實(shí)況回波，模擬的雷達(dá)回波表現(xiàn)出了15 日下午東西兩個(gè)方向雷達(dá)強(qiáng)回波區(qū)的各自移動(dòng)特征以及合并的過(guò)程，且垂直剖面上（圖略）模擬回波頂高總體與實(shí)況接近，只是回波中心強(qiáng)度較實(shí)況偏弱。從雷達(dá)回波的水平分布位置看，模擬的河北中南部的回波位置較實(shí)況偏南偏東，經(jīng)度和緯度上各自相差0.5 度和0.3 度左右。回波的時(shí)間變化特征表明，模擬回波出現(xiàn)與實(shí)況回波類(lèi)似特征的時(shí)間要晚約60 min，因此在降水的比較上，將模式的降水時(shí)段統(tǒng)一延后60 min，用模式22:00 的4 h 累積降水與實(shí)況21:00 的4 h 累積降水進(jìn)行對(duì)比（圖5）。從圖5a 中可以看到，實(shí)況降水量主要在0.1～8 mm 之間，降水中心主要位于石家莊南部、邢臺(tái)北部到邢臺(tái)中南部的南北走向的區(qū)域，最大降水量在7～8 mm 之間；模擬的降水大部分區(qū)域在0.1～7 mm 之間，降水中心的最大降水量主要在6～7 mm 之間，均與實(shí)況量級(jí)相當(dāng)，僅在邢臺(tái)東南部局部區(qū)域模擬的降水量較實(shí)況偏強(qiáng)。降水的分布上，模擬降水大于2 mm 的區(qū)域較實(shí)況偏大，降水中心區(qū)域的走向與實(shí)況的南北走向一致，但水平位置較實(shí)況偏東偏南。如果參考雷達(dá)回波位置對(duì)比的結(jié)果將實(shí)際雨量站的位置向東向南分別平移0.5 經(jīng)度和0.3 緯度（圖5b），可以看到模擬的降水分布與平移后的“實(shí)況降水”更為相似，特別是降水中心的位置更為接近。雷達(dá)回波與降水的對(duì)比表明，模式模擬的回波發(fā)展和降水結(jié)果總體上反映了實(shí)況雷達(dá)回波和降水的主要特征，只是模擬結(jié)果與實(shí)況相比在時(shí)間和空間上有一定的偏差。

圖4 2014 年4 月15 日（a1–a3）實(shí)況與（b1–b3）模式模擬的不同時(shí)刻的雷達(dá)組合反射率（單位：dBZ）的對(duì)比：（a1）17:30；（a2）18:00；（a3）18:42；（b1）18:35；（b2）19:00；（b3）19:40Fig.4 Comparison of radar compositive reflectivity (units: dBZ) between observation (top line) and simulation (bottom line) results at different moments on April 15, 2014: (a1) 1730 BT, (a2) 1800 BT, (a3) 1842 BT; (b1) 1835 BT, (b2) 1900 BT, and (b3) 1940 BT

圖5 模式模擬的2014 年4 月15 日22:00 的4 h 累積降水與實(shí)況21:00 的4 h 累積降水對(duì)比：（a）雨量站點(diǎn)為實(shí)際位置；（b）雨量站點(diǎn)向東平移0.5 經(jīng)度和向南平移0.3 緯度。圖中填色圓圈表示雨量站點(diǎn)及其降水量，陰影為模擬降水量Fig.5 Comparison between the simulated 4-h accumulative rainfall at 2200 BT and the measured 4-h accumulative rainfall at 2100 BT on April 15,2014: (a) Actual rainfall stations, (b) rainfall stations that were shifted by 0.5 longitude to the east and 0.3 latitude to the south. Colored circles represent stations and the amount of rainfall, and the shaded area represents simulated rainfall

在飛行期間，飛機(jī)起飛后至贊皇進(jìn)行垂直探測(cè)這一時(shí)段（17:12:00～17:36:25）播撒了兩根煙條的催化劑，但由于飛機(jī)一直在爬升且時(shí)間較短，可認(rèn)為這一段是對(duì)自然云的探測(cè)，其數(shù)據(jù)可作為未催化云區(qū)的探測(cè)結(jié)果與模式的自然云模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。機(jī)載探測(cè)儀器中包括2D-C、2D-P 探頭和溫度探頭（孫玉穩(wěn)等，2017），其中2D-C 探頭（量程17.75～1567.75 μm）主要觀測(cè)的是云中幾十微米以上的液相和冰相大云粒子的特征，2D-P 探頭（量程106.50～9406.50 μm）主要觀測(cè)云內(nèi)外液相和冰相降水粒子的特征。機(jī)載觀測(cè)的宏觀記錄表明，上述探測(cè)時(shí)段，云中主要以冰相粒子為主，因此可將模擬的冰晶粒子濃度與2D-C 探頭的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行定性對(duì)比，而模擬的雪、霰和雨滴等降水粒子的濃度則可與2D-P 探頭的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)前述分析，考慮模擬結(jié)果與實(shí)況在空間和時(shí)間上存在的差異，模式中將飛機(jī)軌跡向東向南分別平移0.5 經(jīng)度和0.3 緯度，然后再提取軌跡上所有格點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而時(shí)間上則較實(shí)況延后約一小時(shí)，選取18:15～18:40 時(shí)段每5 min 一次的模式輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間平均，以此代表探測(cè)區(qū)域的平均云垂直狀況。

圖6 為模式模擬的對(duì)應(yīng)于飛機(jī)垂直探測(cè)段（參見(jiàn)圖7）的飛機(jī)軌跡上各物理量數(shù)據(jù)與機(jī)載儀器探測(cè)結(jié)果的對(duì)比。由圖6a 中溫度對(duì)比可看到，模擬的垂直溫度變化趨勢(shì)與實(shí)況飛機(jī)探測(cè)以及臨近時(shí)刻的探空數(shù)據(jù)均有較好的一致性，數(shù)據(jù)顯示零度層高度在2600～3000 m 之間（飛機(jī)探測(cè)有弱逆溫層存在）。在3800～4000 m 高度，飛機(jī)和探空的溫度曲線(xiàn)上均存在逆溫的情況，模擬的溫度變化沒(méi)有體現(xiàn)這一特征。從模式的垂直分辨率看，在這一高度的垂直網(wǎng)格距為200 m 左右，大于實(shí)況逆溫層的厚度，這可能是模式?jīng)]有模擬出逆溫層的原因。孫玉穩(wěn)等（2017）對(duì)該個(gè)例的飛機(jī)探測(cè)資料的分析指出，探測(cè)云區(qū)垂直方向存在分層現(xiàn)象，主要云區(qū)分為上層4525～5903 m、中層2900～4300 m 和2400 m以下有低云存在。圖6b、c 為模擬的冰晶粒子和降水粒子濃度的垂直分布與探測(cè)結(jié)果的對(duì)比，可以看到4000 m 以上，與實(shí)況的上層云區(qū)大致對(duì)應(yīng)的區(qū)域，模式模擬的云粒子（冰晶）和降水粒子（包括雪、霰和雨滴）濃度的垂直變化趨勢(shì)與探測(cè)結(jié)果有較好的一致性，只是在量值上要高于實(shí)況探測(cè)數(shù)據(jù)，但差異大部在一個(gè)量級(jí)以?xún)?nèi)，總體上，模式對(duì)這一部分云區(qū)微物理結(jié)構(gòu)的模擬較好。在4000 m 以下，模式模擬的各粒子濃度明顯下降,遠(yuǎn)低于實(shí)況探測(cè)的粒子濃度，顯然模式對(duì)下層云區(qū)的模擬結(jié)果較差，模擬的云底高度要高于探測(cè)結(jié)果，這可能對(duì)降水和催化增雨的模擬有不利影響。上述對(duì)比的結(jié)果表明，模式雖不能完全復(fù)現(xiàn)探測(cè)云區(qū)的垂直結(jié)構(gòu)，但能較好的模擬出探測(cè)區(qū)域冷云區(qū)的溫度、微物理等的垂直分布特征，而且這一區(qū)域恰好位于飛機(jī)催化作業(yè)的云區(qū)。

5 催化模擬和效果分析

圖6 2014 年4 月15 日 探 測(cè) 云 區(qū) 垂 直 結(jié) 構(gòu) 的 模 式 模 擬 結(jié) 果（18:15～18:40 時(shí)段）與飛機(jī)探測(cè)結(jié)果（17:12～17:36 時(shí)段）的對(duì)比：（a）溫度；（b）模擬的冰晶濃度與2D-C 探測(cè)的大云粒子濃度；（c）模擬的降水粒子（雪+霰+雨）濃度與2D-P 探測(cè)的降水粒子濃度。圖中黑色實(shí)線(xiàn)為飛機(jī)探測(cè)結(jié)果，帶圓圈的黑色實(shí)線(xiàn)為模擬結(jié)果，（a）中的黑色虛線(xiàn)為20:00 的邢臺(tái)探空站的溫度數(shù)據(jù)Fig.6 Comparison between simulated results (time period: 1815 BT?1840 BT) by the model and observed results (time period: 1712 BT?1736 BT) by the aircraft of vertical structure in clouds on April 15,2014: (a) Temperature; (b) simulated concentration of ice crystals and large cloud particles measured by 2D-C probe; (c) simulated total concentration of snow, graupel, and raindrops and concentration of precipitation particles measured by 2D-P probe. The solid lines denote the probe results of the aircraft, and the solid lines with circle represent the simulated results. The dashed line in (a) shows the temperature taken from the sounding of Xingtai station at 2000 BT

第3 節(jié)模擬結(jié)果與實(shí)況的對(duì)比表明，數(shù)值模擬能合理再現(xiàn)實(shí)況云和降水變化的一些主要特征，只是模擬結(jié)果在時(shí)間和水平位置上與實(shí)況有所差異。催化模擬需要選擇與實(shí)際特征相似的模擬云區(qū)，考慮到前述對(duì)比的結(jié)果，模式中的催化作業(yè)需在水平位置和時(shí)間上進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以便使作業(yè)的目標(biāo)云區(qū)與實(shí)況特征接近，即將飛機(jī)催化的軌跡整體向東向南分別平移0.5 經(jīng)度和0.3 緯度，同時(shí)將催化開(kāi)始時(shí)間也統(tǒng)一延后約1 小時(shí)。因此，在模式中的催化作業(yè)是根據(jù)實(shí)際作業(yè)平移調(diào)整后的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模擬。模擬的催化開(kāi)始時(shí)間分別選擇在18:15 和18:48（實(shí)際作業(yè)開(kāi)始時(shí)間為17:12 和17:45），播撒的AgI 總量與實(shí)際作業(yè)一致，共計(jì)237.5 g。催化模擬于18:00 啟動(dòng)，至22:00 結(jié)束，運(yùn)行期間每隔5 min 輸出一次計(jì)算結(jié)果，以便與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的自然云模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，為表述方便，下文將催化模擬稱(chēng)為催化試驗(yàn)（ST），自然云模擬稱(chēng)為控制試驗(yàn)（CT）。

圖7 為模式中第二次催化作業(yè)前（18:45）不同高度上云水和冰晶的水平分布以及與飛機(jī)催化作業(yè)軌跡(調(diào)整后)的疊加。由圖中可看到，整個(gè)云區(qū)的過(guò)冷水區(qū)域范圍較小且分布零散，大部分過(guò)冷云水區(qū)的含水量值在0.1 g kg?1以下，飛機(jī)作業(yè)區(qū)中僅部分區(qū)域有過(guò)冷水，作業(yè)層冰晶濃度大部在1～50 L?1之間，但也有相當(dāng)一部分區(qū)域的冰晶濃度達(dá)到50 L?1以上，甚至有個(gè)別區(qū)域達(dá)到150 L?1以上。對(duì)于層狀云的增雨而言，豐沛的過(guò)冷水和較低的冰晶濃度對(duì)催化是更有利的（胡志晉, 2001），從本個(gè)例云中過(guò)冷水和冰晶的特征看，顯然作業(yè)云區(qū)的過(guò)冷水并不豐沛，且冰晶濃度也有些偏高，這說(shuō)明催化作業(yè)云系的冷云催化潛力是較弱的。云中過(guò)冷水一般隨高度增加而減少，第二次催化作業(yè)的高度為4800 m，由圖7 可見(jiàn)，4800 m 高度上過(guò)冷云水分布狀況要好于更高層的云區(qū)，與低層的4500 m 的過(guò)冷水狀況差別不大，但從溫度上看，4800 m 的溫度（?6°C～?7°C）比4500 m 低，對(duì)催化作業(yè)更為有利，因此作業(yè)高度選擇4800 m 是適宜的。

5.1 AgI 的擴(kuò)散傳輸

模式中的催化方式與實(shí)際作業(yè)一致，分為兩個(gè)階段：第一階段（模式中時(shí)間為18:15～18:25）模擬飛機(jī)爬升階段的播撒，高度從2800 m 的零度層附近到4900 m；第二階段（模式中時(shí)間為18:48～20:00）作業(yè)層高度在4800 m，采用S 型飛行軌跡進(jìn)行催化（圖7），第二階段為實(shí)際作業(yè)的主要階段，本文主要對(duì)第二階段的催化效果進(jìn)行分析（如無(wú)特別說(shuō)明，下文所指均為第二階段的催化）。根據(jù)飛機(jī)觀測(cè)的宏觀記錄，第二階段催化播撒的大部分時(shí)段，飛機(jī)機(jī)身沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的積冰，僅在作業(yè)結(jié)束前發(fā)現(xiàn)有輕微積冰，同時(shí)播撒作業(yè)期間不時(shí)有平飛出云的情況，這說(shuō)明實(shí)際作業(yè)高度處的云層較為分散，過(guò)冷水含量偏低，模式模擬結(jié)果也反映了催化層過(guò)冷云水含量較低且較為分散的狀況（圖8）。實(shí)況和模擬結(jié)果均表明，催化層的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)略偏南，模式模擬的AgI 催化劑在播撒后，其形成的煙羽水平范圍不斷擴(kuò)大并隨主導(dǎo)氣流向東略偏北方向移動(dòng)（圖略）。圖8 為模擬的催化后1 小時(shí)和2 小時(shí)沿主導(dǎo)風(fēng)向和垂直于主導(dǎo)風(fēng)向通過(guò)AgI 煙羽的垂直剖面。從圖中可看到，催化后2 小時(shí)內(nèi)，AgI 煙羽高濃度區(qū)在垂直方向上主要還是集中在作業(yè)層附近，約4500～5000 m 之間（?6°C～?8°C），部分區(qū)域的AgI 煙羽隨上升氣流也可達(dá)到?30°C 層以上較高的區(qū)域（圖8b）；煙羽在水平方向的擴(kuò)展明顯強(qiáng)于垂直方向，催化后2 小時(shí)的煙羽水平尺度最大已達(dá)50 km 左右（圖8d），這與飛機(jī)播撒的軌跡和AgI 粒子所在云區(qū)的動(dòng)力條件是相關(guān)的。此外，從剖面圖中可看到，AgI 煙羽范圍內(nèi)有過(guò)冷水云水分布，主要集中在4000～5000 m 和6000 m以上，過(guò)冷水分布較為分散，模擬數(shù)據(jù)顯示云水混合比值基本低于0.1 g kg?1，說(shuō)明本次作業(yè)云區(qū)的過(guò)冷水條件偏弱，不過(guò)從過(guò)飽和比及上升氣流區(qū)的分布看，AgI 煙羽與這些區(qū)域有較大范圍的重合，大 于0.04 或 更 高 的 冰 面 過(guò) 飽 比（Meyers et al.,1995; Xue et al., 2013a）的水汽環(huán)境是有助于AgI粒子通過(guò)凝華核化過(guò)程形成冰晶的，而水面欠飽和則利于過(guò)冷液水蒸發(fā)，從而增強(qiáng)了云中冰水轉(zhuǎn)化的貝吉龍過(guò)程，促進(jìn)了冰晶粒子快速成長(zhǎng)，加上這些區(qū)域存在上升氣流以及適宜的溫度（低于?6°C），也為AgI 粒子核化和冰晶粒子成長(zhǎng)提供了有利環(huán)境。

圖7 模式模擬的2014 年4 月15 日18:45 不同高度的云水混合比（單位：g kg?1，陰影區(qū)）和冰晶濃度（單位：L?l，綠色等值線(xiàn)）分布與飛機(jī)軌跡：（a）4500 m；（b）4800 m（催化作業(yè)層）；（c）5300 m；（d）5700 m。圖中紅色虛線(xiàn)為第一次催化的作業(yè)軌跡，紅色實(shí)線(xiàn)為第二次催化的作業(yè)軌跡，環(huán)形的黑色虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)為飛機(jī)垂直探測(cè)時(shí)的軌跡Fig.7 Cloud water mixing ratio (units: g kg?1, shaded) and ice crystal number concentration (units: L?1, green contours) simulated by the model on(a) 4500 m, (b) 4800 m (the seeding operation layer), (c) 5300 m, and (d) 5700 m at 1845 BT on April 15, 2014 and overlayed aircraft trajectory. The red dash line denotes the first seeding operation trajectory, the red solid line denotes the second seeding operation trajectory, and the circular black dash line and solid line indicate the vertical detection trajectory of aircraft

圖8 顯示了典型時(shí)刻的AgI 煙羽的瞬時(shí)分布狀態(tài)，使用頻率等值線(xiàn)隨高度分布圖（contoured frequency by altitude diagram，簡(jiǎn)稱(chēng)CFAD）的形式則可從總體上展現(xiàn)AgI 擴(kuò)散傳輸?shù)臅r(shí)空特征（圖9a）。將催化后3 小時(shí)內(nèi)（19:00～22:00）模式每隔5 min輸出的所有AgI 三維數(shù)據(jù)按高度等間隔分為58 層，并將AgI 濃度從100～108m?3分為81 檔，計(jì)算每一高度層中AgI 各濃度分檔中的格點(diǎn)數(shù)，并將每一層每個(gè)分檔的格點(diǎn)數(shù)除以該層總格點(diǎn)數(shù)得到頻率值。圖9a 即為根據(jù)頻率值所得到的CFAD 圖，其中x軸為AgI 數(shù)濃度的對(duì)數(shù)尺度坐標(biāo)，y 軸為海拔高度，填色區(qū)即為頻率值，CFAD 圖從總體上給出了研究對(duì)象的統(tǒng)計(jì)特征（Yuter and Houze, 1995; Chu et al.,2014; Xue et al., 2016）。圖9a 可看出，催化后的3 小時(shí)內(nèi)，大部分AgI（濃度范圍3×104～106m?3）主要分布在4500～5500 m 的高度區(qū)間內(nèi)（見(jiàn)圖中0.5%等值線(xiàn)區(qū)域），這一高度區(qū)域應(yīng)當(dāng)是AgI 催化作用起效的主要區(qū)域；低濃度的AgI 隨氣流向上最高可輸送到接近9000 m，向下最低可到達(dá)3500 m的高度，顯然AgI 的向上輸送明顯要強(qiáng)于向下的輸送。

圖8 2014 年4 月15 日催化作業(yè)開(kāi)始后1 h（19:45，左列）和2 h（20:45，右列），沿播撒層（a、b）主導(dǎo)風(fēng)向（西南—東北）和（c、d）垂直主導(dǎo)風(fēng)向（東南—西北）的垂直剖面（具體位置參見(jiàn)圖14）。其中填色區(qū)為AgI 粒子數(shù)濃度（單位：L?1），藍(lán)色等值線(xiàn)為0.001 g kg?1的云水混合比，綠色等值線(xiàn)為0.04 的冰面過(guò)飽和比，黑色等值線(xiàn)是值為?0.05 和0 的水面過(guò)飽和比，紅色等值線(xiàn)為0.1 m s?1 的上升氣流速度，灰色等值線(xiàn)為溫度（單位：°C）Fig.8 Vertical sections (see Fig.14 for locations) along the (a, b) prevailing wind direction (from southwest to northeast) and (c, d) perpendicular to the prevailing wind direction (from southeast to northwest) of the seeding layer at 1 h (1945 BT, left column) and 2 h (2045 BT, right column) after the seeding operation starts on April 15, 2014 (including the number concentration of AgI (units: L?1, shaded areas), cloud water with a mixing ratio of 0.001 g kg?1 (blue contours), ice supersaturation ratio with a value of 0.04 (green contours), water supersaturation ratio with values of ?0.05 and 0(black contours), updraft speed with a value of 0.1 m s?1 (red contours) and temperature (units: °C, gray contours)

由于模式?jīng)]有對(duì)核化為冰晶的那一部分AgI 粒子分布進(jìn)行預(yù)報(bào)，為了解AgI 消耗的情況，進(jìn)行了AgI 的示蹤模擬試驗(yàn)（即在模擬中，播撒的AgI 粒子除了不參與任何核化過(guò)程外，其他與催化試驗(yàn)完全相同），并計(jì)算了催化試驗(yàn)與示蹤試驗(yàn)中AgI 頻率值的差值（催化試驗(yàn)減示蹤試驗(yàn)），形成CFAD 差值圖（contoured frequency difference by altitude diagram，簡(jiǎn)稱(chēng)CFDAD；圖9b），其結(jié)果可從一定程度上反映AgI 粒子的消耗特征（由于催化試驗(yàn)的AgI 有核化過(guò)程，因此兩個(gè)個(gè)例模擬的環(huán)境背景場(chǎng)上會(huì)有一些差異，但由于目標(biāo)云系為層狀云且并沒(méi)有進(jìn)行集中的大劑量催化，因此實(shí)際催化造成環(huán)境背景場(chǎng)的變化對(duì)AgI 分布特征的總體影響不大）。圖9b 中可看到，催化試驗(yàn)的AgI 在各高度層基本以減少為主（負(fù)頻率差），在4800 m 的作業(yè)層附近（約4700～5300 m）存在最大的AgI消耗峰值（?0.15%等值線(xiàn)區(qū)域），峰值區(qū)域?qū)?yīng)AgI 濃度在5×105～2×106m?3區(qū)間，消耗峰值區(qū)域與圖9a 的大部分AgI 的分布區(qū)域一致。7000 m以上，催化試驗(yàn)的AgI 在各濃度檔均為減少的狀態(tài)，其原因一方面是本地AgI 核化的消耗作用，另一方面應(yīng)當(dāng)是低層AgI 的大量消耗導(dǎo)致垂直輸送減少的緣故。

5.2 云微物理量的變化

本文的效果分析主要針對(duì)催化后3 小時(shí)（19:00～22:00）的云和降水變化，根據(jù)模擬的AgI 煙羽及地面降水變化的范圍，將（37.0°N～37.7°N，114.8°E～116.5°E）的區(qū)域作為催化后3 小時(shí)的評(píng)估區(qū)（圖14），如無(wú)特別說(shuō)明，下文的所有分析均針對(duì)此評(píng)估區(qū)。

圖10 顯示了催化試驗(yàn)和控制試驗(yàn)中各微物理量頻率值相減制作的CFDAD 圖（填色）、控制實(shí)驗(yàn)中各微物理量綜合平均值（綠色實(shí)線(xiàn)，曲線(xiàn)上每個(gè)點(diǎn)的數(shù)值是指在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，在該高度層上，相應(yīng)物理量所有樣本的平均值）以及催化試驗(yàn)對(duì)比控制試驗(yàn)的綜合平均值的相對(duì)變化（黑色實(shí)線(xiàn)）。與圖9 中AgI 主要分布區(qū)和消耗峰值區(qū)的高度對(duì)應(yīng)，圖10a 中4500～5500 m 之間的大混合比值水汽的頻率差為負(fù)，而圖10b 中云水的頻率差幾乎全部為負(fù)值，這說(shuō)明催化云中該范圍內(nèi)的水汽和云水是減少的；平均相對(duì)變化也表明，水汽和云水處于純消耗的狀態(tài)，最大分別減少0.1%和3.5%，絕對(duì)量均在10?4kg kg?1量級(jí)。水汽和云水這種消耗顯然是催化引起的，這一高度層的溫度均低于AgI 催化劑的核化閾溫（約?5°C，對(duì)應(yīng)平均高度約4500 m），AgI 的核化造成水汽和云水的更多消耗，而新增的冰晶粒子的成長(zhǎng)會(huì)進(jìn)一步消耗云水和水汽。從圖10c上可看到，4500 m 以上冰晶混合比值較大的區(qū)域，頻率差均為正值，峰值基本位于4500～5500 m 范圍，平均變化的最大增幅達(dá)到13.7%（5076 m），可見(jiàn)催化使這些高度層的冰晶增加最為顯著。結(jié)合圖7 中云條件分析和圖9a 的碘化銀擴(kuò)散特征，飛機(jī)播撒作業(yè)的位置是適宜的，較好的利用了4500～5500 m 這一適宜碘化銀核化的區(qū)域。比較圖10c–e，4500 m 以上，雪的變化特征與冰晶類(lèi)似，催化云中大混合比值的雪是增加的（圖10d），平均變化的最大增幅達(dá)到3.6%（4458 m）；而霰的變化特征與冰晶和雪的變化相反，催化云中大混合比值的霰是明顯減少的，平均變化的最大降幅達(dá)到4.9%（4664 m）。從雪霰粒子成長(zhǎng)的微物理過(guò)程考慮，雪霰粒子均會(huì)通過(guò)冰相粒子之間碰并聚合過(guò)程、淞附過(guò)程和凝華增長(zhǎng)過(guò)程成長(zhǎng)，其中后兩種過(guò)程分別會(huì)消耗云中的過(guò)冷云水和水汽，但是在催化云中，并沒(méi)有比自然云中有更好的條件使雪霰通過(guò)淞附和凝華過(guò)程成長(zhǎng)為更大尺度的粒子，因?yàn)榇呋瘎┑暮嘶呀?jīng)使催化云中水汽和云水減少，而催化增加的冰晶在成長(zhǎng)過(guò)程中也會(huì)加大對(duì)水汽和云水的消耗，這進(jìn)一步削弱雪霰粒子通過(guò)淞附和凝華過(guò)程成長(zhǎng)的條件。因此，冰相粒子之間的碰并聚合過(guò)程的增強(qiáng)應(yīng)當(dāng)是催化云中雪粒子增加的主要原因，即催化導(dǎo)致冰晶的增加，從而冰晶粒子之間聚合成長(zhǎng)（形成雪）、雪碰并搜集冰晶的過(guò)程增強(qiáng)的作用；冰晶、雪的增加也會(huì)促使霰通過(guò)碰并過(guò)程搜集冰晶/雪而增長(zhǎng)的作用加強(qiáng)，但圖10e 表明霰的增長(zhǎng)顯然受到了抑制，這與催化云中過(guò)冷云水和水汽的更多消耗有關(guān)，其內(nèi)在原因?qū)⒃谙挛淖髟敿?xì)分析。

圖9 2014 年4 月15 日19:00～22:00 的AgI 數(shù)濃度的（a）頻率等值線(xiàn)隨高度分布（CFAD）和（b）CFAD 差值（CFDAD）。（a）中填色區(qū)和等值線(xiàn)為催化試驗(yàn)的AgI 分檔頻率，（b）中填色區(qū)和等值線(xiàn)為催化試驗(yàn)與示蹤試驗(yàn)的AgI 分檔頻率的差值（催化試驗(yàn)減示蹤試驗(yàn)）Fig.9 (a) CFAD (contoured frequency by altitude diagram) and (b) CFDAD (contoured frequency difference by altitude diagram) of the simulated AgI number concentration from 1900 BT to 2200 BT on April 15, 2014. The shaded area and contours indicate the binned frequency of AgI in (a) and AgI binned frequency difference between the seeding and tracer tests in (b)

圖10a、b 中可看到，在4500 m 向下到零度層附近，催化云中水汽的變化不大，而云水仍然有明顯的消耗。由于4500 m 以下的溫度已經(jīng)高于AgI的成核閾溫，因此云水的消耗最大可能是由于冰相粒子的貝吉龍?jiān)鲩L(zhǎng)過(guò)程和雪霰粒子淞附云水過(guò)程的作用，對(duì)比圖15a2、b2 中雪霰淞附過(guò)程的變化可知，冰雪粒子的貝吉龍?jiān)鲩L(zhǎng)過(guò)程應(yīng)當(dāng)起到了更大作用。圖10e 中顯示零度層附近的過(guò)冷區(qū)，催化云中混合比值6×10?6～4×10?4kg kg?1范圍內(nèi)的霰是增加的，其原因可能有兩方面，一是部分霰粒子在零度層附近通過(guò)碰并云水或雨滴增長(zhǎng)；二是零度層附近冰雪粒子通過(guò)淞附成長(zhǎng)為霰的過(guò)程增強(qiáng)，因?yàn)樵诮咏愣葘拥倪^(guò)冷層中，催化云中的冰晶和雪是明顯增長(zhǎng)的（圖10d 正頻率差）。

圖10 2014 年4 月15 日19:00～22:00 評(píng)估區(qū)內(nèi)云中各微物理量的頻率差（CFDAD，填色區(qū)）隨高度的分布。圖中黑色實(shí)線(xiàn)為微物理量混合比綜合平均值的差值相對(duì)控制試驗(yàn)的變化，豎直黑色短劃線(xiàn)對(duì)應(yīng)該相對(duì)變化的零值，綠色實(shí)線(xiàn)為控制試驗(yàn)微物理量混合比的綜合平均值（單位：kg kg?1），水平黑色點(diǎn)劃線(xiàn)為評(píng)估區(qū)平均零度層高度。圖中綜合平均值指在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，在同一高度層上，相應(yīng)物理量所有樣本的平均值Fig.10 CFDADs (shaded areas) of the simulated microphysical parameters in the evaluation area from 1900 BT to 2200 BT on April 15, 2014. Black solid lines denote changes in the difference of the composite averages of every microphysical parameter mixing ratio relative to the control test.Vertical black dash lines correspond to the zero value of relative change above-mentioned. Green solid lines indicate the composite averages of the microphysical parameter mixing ratio (units: kg kg?1) in the control test. Horizontal black dash-dot-lines denote the mean height of zero degree centigrade level in the evaluation area. The composite average in the figure refers to the average value of all samples of corresponding microphysical parameters at the same height level in the whole time period

零度層以下的暖層中，從圖10f 中的雨滴混合比平均相對(duì)變化可看到，催化云中的雨滴混合比值在零度層附近達(dá)到最大的相對(duì)增量0.5%（絕對(duì)增量也達(dá)到最大1.0×10?7kg kg?1，2809 m），這應(yīng)當(dāng)是雪霰粒子融化的綜合作用結(jié)果，之后隨高度降低直到地面附近，雨滴變化減小但基本維持在0.2%的增量（絕對(duì)量均在10?8kg kg?1量級(jí)；最大值相對(duì)變化0.24%，位于1572 m）。霰在暖層的融化是雨滴的重要來(lái)源之一，圖10e 暖層上部霰的平均相對(duì)變化基本是增加的，最大相對(duì)增量達(dá)到1.0%（2190 m，絕對(duì)增量1.4×10?7kg kg?1也為最大值），霰的增加對(duì)雨滴的增加是有利的。從圖10f頻率差分布看，催化云中不同尺度的雨滴的增減不一，按混合比值從小到大依此為增—減—增的分布，即較小的雨滴和大雨滴均有增加，二者對(duì)降水增加均有貢獻(xiàn)，而圖10e 中暖層中霰的頻率差分布特征與雨滴類(lèi)似，這說(shuō)明暖層中雨滴的變化與霰的變化有重要聯(lián)系，霰在暖層的融化過(guò)程可能是影響雨滴變化的主要原因。

在圖10 的CFAD 差值分布中，除具有明顯指示意義的大范圍正變化和負(fù)變化區(qū)域外，還存在一些正負(fù)值隨機(jī)變化的區(qū)域，如圖10e 中云水在6000 m 以上和暖層區(qū)域的一些CFAD 差值變化，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因一方面可能是由于微物理量的變化受云中多個(gè)微物理過(guò)程影響，但并沒(méi)有總體占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)的微物理過(guò)程出現(xiàn)，使得微物理量的分布特征更多的受隨機(jī)的局地條件變化的影響，另一方面是模式受催化劑引入的影響，導(dǎo)致云的發(fā)展在時(shí)間和空間上出現(xiàn)輕微變化造成的（Xue et al., 2016）。

5.3 雷達(dá)回波的變化

沿3 小時(shí)地面累積降水變化中心做西南—東北走向的垂直剖面（位置參見(jiàn)圖14），對(duì)比剖面上催化云和自然云的雷達(dá)回波可以看到，在催化開(kāi)始后的10 分鐘左右，催化云中作業(yè)高度層上方的雷達(dá)回波就開(kāi)始出現(xiàn)微弱的變化，25～30 dBZ 的范圍略有減?。▓D略），此后一直到20:00 左右，剖面上的催化云雷達(dá)回波出現(xiàn)越來(lái)越大的變化，其主要特征是作業(yè)層上方回波增強(qiáng)，而作業(yè)層下方回波減弱，即這一段時(shí)間內(nèi)，催化云的高層降水粒子發(fā)展增強(qiáng)，中下層降水粒子發(fā)展減弱，地面附近的回波減弱也預(yù)示地面降水也會(huì)減弱。在圖11a、b 中灰色框?qū)?yīng)的回波區(qū)域均可看到上述特征，作業(yè)層上方一直到7 km 左右，雷達(dá)回波呈增強(qiáng)趨勢(shì)，表現(xiàn)為較強(qiáng)回波區(qū)（如大于25 dBZ 的區(qū)域）范圍增大，而作業(yè)層下方較強(qiáng)回波區(qū)范圍減弱或消失，如圖11b 中的2 km 高度處，催化云大于30 dBZ 的強(qiáng)回波中心消失[參見(jiàn)坐標(biāo)（37.31°N，115.30°E）所示位置及其左側(cè)的回波]，其下方大于25 dBZ 的回波區(qū)也縮小。模式時(shí)間20:00 后，評(píng)估區(qū)的催化云雷達(dá)回波從云的上層到地面附近總體表現(xiàn)為增強(qiáng)，如圖11c、d 所示灰色條對(duì)應(yīng)的區(qū)域中，催化云大于20 dBZ 強(qiáng)度的回波區(qū)范圍基本是增加的，且在4 km 以上有新的大于20～25 dBZ 的回波中心出現(xiàn)，地面附近大于25 dBZ 的接地降水回波的寬度也明顯增加。上述特征表明，作業(yè)開(kāi)始后到約一個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，受催化影響的目標(biāo)云區(qū)中上部（約4000 m 以上）雷達(dá)回波增強(qiáng)，但云區(qū)下部降水回波減弱，說(shuō)明目標(biāo)云降水減弱；此后，由于云中降水粒子的成長(zhǎng)下落，目標(biāo)云區(qū)從上到下的雷達(dá)回波增強(qiáng)，且接地回波的的強(qiáng)度和范圍均有增大，說(shuō)明催化一個(gè)多小時(shí)后目標(biāo)云降水增強(qiáng)。

圖12 雷達(dá)回波的頻率差和綜合平均值相對(duì)變化表明，催化云的雷達(dá)回波強(qiáng)度比自然云有明顯增強(qiáng)，這種變化趨勢(shì)與孫玉穩(wěn)等（2017）的觀測(cè)分析結(jié)果一致。圖中頻率差的分布表明，冷云區(qū)回波增強(qiáng)最為顯著，基本上在回波強(qiáng)度5～30 dBZ 的范圍、高度在零度層到5500 m 范圍的大部分區(qū)域均為增強(qiáng)；從零度層到地面，催化云在15～35 dBZ 的回波強(qiáng)度也是增強(qiáng)的，只是正頻率差量值偏低。上述特征表明在催化影響下，催化云中的降水粒子及云下降水的發(fā)展總體是增強(qiáng)的。結(jié)合圖10 的分析可推斷，催化云冷云區(qū)雷達(dá)回波的增強(qiáng)主要是雪粒子增加的原因，而在零度層附近和暖層的回波強(qiáng)度增強(qiáng)則主要是霰粒的淞附、融化過(guò)程以及由此導(dǎo)致的大雨滴增加的緣故。

5.4 地面降水的變化及其物理機(jī)制

圖11 2014 年4 月15 日（a）19:20、（b）19:45、（c）20:40 和（d）21:15 沿降水變化中心（西南—東北走向，位置參見(jiàn)圖14）的雷達(dá)反射率垂直剖面對(duì)比。圖中陰影區(qū)和黑色等值線(xiàn)分別為自然云和催化云的雷達(dá)反射率強(qiáng)度（單位：dBZ），等值線(xiàn)值與陰影色標(biāo)等級(jí)一致，灰色等值線(xiàn)為溫度（單位：°C），灰色條帶的位置指示催化云中雷達(dá)反射率的主要變化區(qū)域所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)區(qū)間Fig.11 Comparison of the vertical sections of radar reflectivities (units: dBZ) along the center of precipitation change (form southwest to northeast,see Fig.14 for location) at (a) 1920 BT, (b) 1945 BT, (c) 2040 BT, and (d) 2115 BT on April 15, 2014, including natural cloud (shaded area) and seeding cloud (black contours); all contour values are consistent with the shaded color bar. The gray contours represent temperature (units: °C). The position of gray shaded belts indicates the abscissa range corresponding to the main change region of the radar reflectivity in the seeded cloud

圖12 同圖10a，但為雷達(dá)反射率的CFDADFig.12 Same as in Fig.10a, but for CFDAD of radar reflectivity

圖13 顯示了地面降水、空中微物理量及微物理轉(zhuǎn)化率等相關(guān)特征隨時(shí)間的變化。圖13a 中，地面降水強(qiáng)度在催化開(kāi)始后的30 多分鐘時(shí)間內(nèi)僅有微弱變化，19:20 后降水強(qiáng)度才開(kāi)始呈現(xiàn)出越來(lái)越明顯的持續(xù)減弱的趨勢(shì)，20:10 達(dá)到最大相對(duì)變化量?1.0%。20:15 以后，催化云降水強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，并逐漸超過(guò)自然云的降水強(qiáng)度，21:20 達(dá)到降水率的最大相對(duì)變化量2.0%，之后催化云降水強(qiáng)度增強(qiáng)幅度下降，但其相對(duì)變化量直到22:00 一直維持在1%以上。圖13b 中的地面累積雨量在催化開(kāi)始后出現(xiàn)明顯變化的時(shí)間要略晚于降水強(qiáng)度的變化，二者的變化趨勢(shì)類(lèi)似但存在時(shí)間差，即降水強(qiáng)度首先發(fā)生改變，之后累積降水慢慢發(fā)生相似變化。圖10 的統(tǒng)計(jì)分析已經(jīng)表明催化后暖層中雨滴的增加與霰的增加有密切聯(lián)系，圖13b 中空中微物理總量差的時(shí)間演變也證明了這一點(diǎn)：圖中催化云與自然云霰總量差的時(shí)間變化與云中雨滴總量差、地面累積降水具有相似的變化趨勢(shì)，云中雨滴和霰的總量變化與地面降水變化存在的時(shí)間差，則是因?yàn)樵浦薪邓Ｗ有枰?jīng)過(guò)一段時(shí)間才能下落到地面的原因。圖13b 中催化云中的云水總量在19:30～20:35之間是增加的，其原因主要是由于催化導(dǎo)致這段時(shí)間的降水強(qiáng)度減弱，降水粒子在暖區(qū)對(duì)云水的沖刷作用減弱，導(dǎo)致催化云暖區(qū)出現(xiàn)云水量高于自然云的情況，雖然冷區(qū)中催化云的云水總量一直是減少的（圖略），但冷暖區(qū)疊加的總效果表現(xiàn)為增加。

圖13 2014 年4 月15 日評(píng)估區(qū)內(nèi)（a）區(qū)域平均降水強(qiáng)度、（b）空中水汽和水凝物總量以及地面降水的總量、（c）雨滴主要源匯項(xiàng)總轉(zhuǎn)化率的差值（催化試驗(yàn)減控制試驗(yàn)，以ST?CT 表示，下同）、（d）暖層中霰和雨滴總粒子數(shù)差值（ST?CT）隨時(shí)間的變化。(a) 圖中，黑色實(shí)線(xiàn)和紅色實(shí)線(xiàn)分別為催化云和自然云的區(qū)域平均降水強(qiáng)度，藍(lán)色實(shí)線(xiàn)為催化云降水強(qiáng)度相對(duì)自然云的變化,黑色虛線(xiàn)指示相對(duì)變化為零的位置。(b)中縮寫(xiě)名稱(chēng)分別為降水（Prep.）、水汽（Qv）、云水（Qc）、冰晶（Qi）、雪（Qs）、霰（Qg）和雨水（Qr）。（c）中實(shí)線(xiàn)為雨的源項(xiàng)，虛線(xiàn)為雨的匯項(xiàng)。（b）、（c）和（d）中點(diǎn)劃線(xiàn)為零值對(duì)應(yīng)位置。圖中陰影區(qū)對(duì)應(yīng)第二次催化的作業(yè)時(shí)間段，下同F(xiàn)ig.13 In the evaluation area, time series of (a) regional average precipitation intensity, (b) the total mass of water vapor and hydrometeor in the air,the total mass of precipitation, (c) the difference (seeding test minus control test, expressed in ST–CT, the same below) of the total conversion rate in the main source and sink of raindrops, and (d) the difference (ST–CT) of the total number of graupel and raindrop particles in the warm layer of cloud on April 15, 2014. The lines in (a) represent the average precipitation intensity of seeded (black solid line) and natural clouds (red solid line), the change (blue solid line) of seeded cloud precipitation intensity of natural cloud, and the position (black dotted line) where the relative change is zero.The abbreviations in (b) denote precipitation (Prep.), water vapor (Qv), cloud water (Qc), ice crystal (Qi), snow (Qs), graupel (Qg), and rain (Qr) . The solid line is the source term of rain, and the dotted line is the sink term of rain in (c). The dot-dash lines in (b), (c) and (d) correspond to zero value(zero line). The shaded area denotes the second seeding operation period, the same below

模式采用的CAMS 微物理方案中，雨滴的源匯項(xiàng)包括雨滴與其他水凝物粒子的之間的碰并、云雨自動(dòng)轉(zhuǎn)化、雨滴的蒸發(fā)和雪霰的融化等。對(duì)比各微物理過(guò)程的轉(zhuǎn)化率發(fā)現(xiàn)，霰在暖層的融化（Mgr）過(guò)程是雨滴最主要源項(xiàng)，其次為雨滴碰并云滴（Ccr）以及暖區(qū)中的霰碰并云滴（Ccg）和雨滴碰并雪（Csr）過(guò)程，但這些過(guò)程的轉(zhuǎn)化率量值比Mgr 要低數(shù)倍至1 個(gè)量級(jí)以上，其余源項(xiàng)如云雨自動(dòng)轉(zhuǎn)化（Acr）、雪的融化（Msr）等過(guò)程的量值則更低，可見(jiàn)霰的融化是地面降水的主要來(lái)源。雨滴蒸發(fā)（Svr）和過(guò)冷區(qū)內(nèi)冰晶、雪、霰碰并雨滴過(guò)程（Cri、Crs、Crg）是雨滴的主要匯項(xiàng)，其中Crg 是最主要的匯項(xiàng)，比其他過(guò)程高數(shù)倍至1 個(gè)量級(jí)以上，Cri、Crs 和Crg 同時(shí)也是霰的重要源項(xiàng)。圖13c 中給出了催化試驗(yàn)和控制試驗(yàn)中整個(gè)評(píng)估區(qū)內(nèi)雨滴主要源匯項(xiàng)轉(zhuǎn)化率的差值（ST?CT）隨時(shí)間的演變，可以看到，催化開(kāi)始后約25 分鐘，圖中Crg、Svr 和Mgr 過(guò)程開(kāi)始出現(xiàn)明顯的變化，而其他源匯項(xiàng)直到90 分鐘后的20:20 才開(kāi)始出現(xiàn)明顯變化，這說(shuō)明催化模擬初期，降水的變化主要受到Crg、Svr 和Mgr 過(guò)程的影響。圖13c 中，催化云中雨的三個(gè)源匯項(xiàng)在20:20 前均呈減弱的變化，Mgr 減弱必然影響地面降水的變化，暖層雨滴的減少也會(huì)造成Svr 過(guò)程的減弱。由圖10e 可知，過(guò)冷雨滴主要存在于4000 m 以下的過(guò)冷層中，也就是說(shuō)Crg 過(guò)程主要發(fā)生在過(guò)冷層下部接近零度層的高度范圍內(nèi)，Crg 過(guò)程的減弱顯然會(huì)造成這些高度層中的霰粒增長(zhǎng)減弱，雖然過(guò)冷雨滴可能會(huì)增加，但過(guò)冷層雨滴的成長(zhǎng)過(guò)程即Ccr 的變化要弱得多，對(duì)降水的改變沒(méi)有多大影響，而霰的增長(zhǎng)減弱會(huì)導(dǎo)致能夠落入暖層的霰粒減少（圖13d），從而減弱Mgr 過(guò)程這一主要的降水機(jī)制，導(dǎo)致暖層雨滴減少（圖13d）、降水減弱。大致在20:20 以后，催化云中的Mgr、Crg、Svr 過(guò)程以及其他源匯項(xiàng)均強(qiáng)于自然云，且Mgr 和Crg 過(guò)程的變化明顯強(qiáng)于其他過(guò)程。Mgr 過(guò)程的增強(qiáng)必然會(huì)導(dǎo)致降水的增加，這是催化云降水逐漸超過(guò)自然云的主要原因，Ccr和暖層Ccg 過(guò)程的增強(qiáng)也對(duì)降水增加有利，而暖層雨滴的增加（圖13d）是Svr 過(guò)程增強(qiáng)的重要原因，它對(duì)降水起到一定的抑制作用。雖然Cri、Crs 和Crg 過(guò)程是過(guò)冷層雨滴的匯項(xiàng)，但它們使零度層附近的霰粒增加，從而為暖層提供更多或更大的霰粒（圖13d），這明顯有利于Mgr 過(guò)程，這也印證了前文圖10 的分析，即冰雪霰粒子在零度層附近的淞附過(guò)程的增強(qiáng)使霰的總量增加。總之，此次降水的主要微物理機(jī)制是霰的融化過(guò)程，而AgI催化導(dǎo)致云中霰的總量發(fā)生變化，進(jìn)而影響到了Mgr 過(guò)程出現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)的變化特征，最終導(dǎo)致地面降水特征發(fā)生類(lèi)似的變化。

增雨效果的定量評(píng)估是催化模式的重要功能，圖14 給出了19:00～22:00 期間累積增雨量及自然云累積降水的水平分布。圖中可看到，從飛機(jī)作業(yè)區(qū)（紅色短劃線(xiàn)方框區(qū)域）一直向東，催化引起的降水變化區(qū)域向下游方向擴(kuò)展約1.5 個(gè)經(jīng)度，其中在作業(yè)區(qū)及其東部約0.2 個(gè)經(jīng)度的區(qū)域范圍內(nèi)，地面降水變化主要表現(xiàn)為負(fù)效果，超出該范圍的下游大部分區(qū)域則表現(xiàn)為正效果，僅少量區(qū)域呈現(xiàn)為負(fù)效果，且正負(fù)區(qū)域呈交替出現(xiàn)的分布特征。因?yàn)樵u(píng)估區(qū)內(nèi)并不是所有地方的降水都有改變，因此從地面降水的角度而言，催化的影響區(qū)范圍要小于評(píng)估區(qū)范圍。表1 給出了評(píng)估區(qū)內(nèi)自然云降水及催化作業(yè)對(duì)地面降水影響的相關(guān)數(shù)據(jù)，其中催化影響區(qū)是指評(píng)估區(qū)內(nèi)降水改變的區(qū)域，增雨區(qū)指地面降水增加的區(qū)域，局地增雨率指模式中每個(gè)格點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的降水變化百分率。由表1 可以看到，催化后3 小時(shí)地面降水變化的凈效果是增雨，不過(guò)增雨總量不大，平均增雨率僅為1.1%。

表1 模式時(shí)間2014 年4 月15 日19:00～22:00 的評(píng)估區(qū)內(nèi)自然降水和催化作業(yè)效果統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of natural precipitation and seeding operation effect in the evaluation area during the model time 1900 BT–2200 BT on April 15, 2014

圖14 模式時(shí)間2014 年4 月15 日19:00～22:00 地面降水的累積變化（ST?CT，填色區(qū)，單位：mm）和自然云累積降雨量（等值線(xiàn)，單位：mm）。圖中綠色實(shí)線(xiàn)方框?yàn)楸狙芯看_定的評(píng)估區(qū)范圍，紅色短劃線(xiàn)方框?yàn)轱w機(jī)第二次播撒作業(yè)的區(qū)域，黑色短劃線(xiàn)為圖8中兩個(gè)剖面和圖11、圖16 中剖面所對(duì)應(yīng)的位置Fig.14 Accumulative rainfall difference (ST–CT, shaded area, units:mm) and accumulative rainfall of nature cloud (contours, units: mm)from 0900 BT to 2200 BT in the model on April 15, 2014. The green solid-lined box shows the evaluation area determined in this case, and the red dash-lined box denotes the region of the second seeding operation. Two black dash lines correspond to the positions of the vertical sections in Fig.8, Fig.11, and Fig.16

催化效果的數(shù)值模擬評(píng)估表明此次作業(yè)的增雨效果不大，從宏觀表現(xiàn)上，催化開(kāi)始后地面降水負(fù)增長(zhǎng)的量級(jí)較大且時(shí)間偏長(zhǎng)在很大程度上削弱了后期增雨的效果，而其內(nèi)在原因則與云中雪霰粒子成長(zhǎng)過(guò)程的變化有關(guān)。圖15 為取自過(guò)冷云區(qū)的變量時(shí)間序列，可以看到，雪的主要源項(xiàng)為Svs（雪的凝華增長(zhǎng)）、Ccs（雪碰并云滴）、Ais（冰雪自動(dòng)轉(zhuǎn)化）、Cis（雪碰并冰晶）等過(guò)程（圖15a1）；霰的主要源項(xiàng)有Crg、Csg（霰碰并雪）、Ccg（霰碰并云水）、Cri 和Crs 等過(guò)程（圖15b1）。由圖15b2可知，催化后云中的霰粒平均質(zhì)量始終是減少的，而且催化開(kāi)始后有相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)霰粒子濃度也是減少的，霰粒子質(zhì)量和濃度的同時(shí)減少，導(dǎo)致催化云中霰的總量被大大降低（圖13b），雖然在后期催化云中霰粒子濃度的正增長(zhǎng)逐漸抵消了霰粒子平均質(zhì)量減少的作用，使得云中霰的總量逐漸轉(zhuǎn)為正增長(zhǎng)，但由于正增長(zhǎng)需要抵消前期較大的負(fù)增長(zhǎng)量的影響，導(dǎo)致最終的增雨量偏低。霰的主要源項(xiàng)中，與雨滴相關(guān)的過(guò)程（Crg、Cri、Crs）主要位于過(guò)冷區(qū)的下層，其中Crg 為霰的最主要源項(xiàng)，第二大源項(xiàng)Csg 過(guò)程的轉(zhuǎn)化率雖然低于Crg，但它是在整個(gè)過(guò)冷區(qū)發(fā)生作用，其在催化試驗(yàn)前期的減少量甚至超過(guò)了Crg 的減少量，這是整個(gè)過(guò)冷區(qū)霰粒總質(zhì)量減小的主要原因。從圖13b 和圖15a2 可看到，與自然云相比，催化云中雪的總質(zhì)量和濃度都是增加的，這得益于催化造成的冰晶數(shù)量大量增加，使Ais 和Cis 過(guò)程增強(qiáng)的緣故，但值得注意的是，雪粒子本身的平均質(zhì)量在催化試驗(yàn)前期是降低的，即這一時(shí)期催化云中雪粒子總體的平均尺度是減少的，其原因就是由于雪粒子濃度的增加造成供給雪粒子單體成長(zhǎng)的云水和水汽量減少，導(dǎo)致Ccs 和Svs 過(guò)程減弱，而雪粒子平均質(zhì)量的減少會(huì)造成通過(guò)Csg 過(guò)程向霰粒轉(zhuǎn)化的質(zhì)量減少。催化對(duì)過(guò)冷云水的額外消耗同樣導(dǎo)致了Ccg 過(guò)程的減弱，雖然霰粒的Ccg 過(guò)程減小的量不大（圖15b2），但由于淞附過(guò)冷水對(duì)霰粒下落末速的改變要比冰雪晶的改變大很多（盛裴軒等, 2003），因此Ccg 減弱可能更有效的降低了霰粒的下落末速，這使得霰粒與雪的下落末速速度差變小，導(dǎo)致Csg 過(guò)程減弱，霰?？偭繙p少明顯。此外，整個(gè)過(guò)冷層中霰粒增長(zhǎng)的減弱，也會(huì)造成落入過(guò)冷層下部的霰粒數(shù)目及尺度的減小，從而減弱Crg 過(guò)程，反之，Csg 的增強(qiáng)也會(huì)加強(qiáng)Crg 過(guò)程。綜所上述，催化作業(yè)使得云中冰雪晶數(shù)目大量增加，造成有限的過(guò)冷水和水汽被AgI 和更多的冰雪粒子所消耗，直接或間接導(dǎo)致雪霰粒子尺度和數(shù)目減小，霰的主要增長(zhǎng)源即Csg、Crg 過(guò)程被大幅減弱，霰的總量減少且持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致降水在催化試驗(yàn)前期減弱明顯，這是增雨效果不好的內(nèi)在原因，而此后降水的增加更多是由于霰粒濃度增加的累積效應(yīng)（圖13d 和圖15b2）。

圖15 2014 年4 月15 日，催化云過(guò)冷云區(qū)內(nèi)雪（第一行）和霰（第二行）的（a1, b1）主要源項(xiàng)轉(zhuǎn)化率、（a2, b2）各源項(xiàng)轉(zhuǎn)化率、粒子總數(shù)和平均質(zhì)量與自然云的差值（ST–CT）隨時(shí)間的演變Fig.15 In the supercooled cloud area of the seeding cloud, time series of (a1, b1) conversion rates of main source terms and (a2, b2) the difference(ST–CT) of source term conversion rates, number and average mass of particles for snow (the first row) and graupel (the second row) on April 15,2014

圖16 2014 年4 月15 日催化作業(yè)開(kāi)始后1 h（19:45，第一行）和2 h（20:45，第二行），沿降水變化中心的垂直剖面（西南—東北）。圖中黑色等值線(xiàn)為雨滴混合比的變化（單位：g kg?1，ST?CT），綠色等值線(xiàn)為碘化銀數(shù)濃度（單位：L?1），藍(lán)色等值線(xiàn)為催化云0.001 g kg?1的云水混合比，黑色粗實(shí)線(xiàn)對(duì)應(yīng)作業(yè)區(qū)；紅色等值線(xiàn)分別為（a1，b1）霰粒數(shù)濃度變化（單位：L?1，ST?CT）、（a2，b2）霰粒質(zhì)量中值直徑變化（μm，ST?CT）；填色區(qū)分別對(duì)應(yīng)（a1，b1）催化云霰粒混合比（單位：g kg?1），（a2，b2）催化云雨滴混合比（單位：g kg?1）Fig.16 Vertical sections along the precipitation variation center (from southwest to northeast) at 1 h (19:45, the first row) and 2 h (20:45, the second row) after the seeding operation starts (including rain mixing ratio variation (units: g kg?1, ST–CT, black contours), number concentration of AgI(units: L?1, green contours), cloud water with a mixing ratio of 0.001 g kg?1 (blue contours) and seeding area position (bold black lines). (a1, b1)graupel number concentration variation (units: g kg?1, ST–CT, red contours) and graupel mixing ratio of seeding clouds (units: g kg?1, shaded areas).(a2, b2) mass median diameter variation of graupel (units: μm, ST–CT, red contours) and rain mixing ratio of seeding cloud (units: g kg?1, shaded areas)

從目標(biāo)云系的作業(yè)條件看，飛機(jī)觀測(cè)和模擬結(jié)果（圖7）均證明催化作業(yè)云區(qū)的過(guò)冷水偏少且分布零散，這說(shuō)明作業(yè)云區(qū)的催化潛力較弱，根據(jù)前面的分析，影響降水變化的主要因素是霰的濃度和尺度的改變。圖16 給出了減雨階段（19:45）和增雨階段（20:45）沿降水變化中心（圖14）霰的特征量垂直分布和變化。圖16a1 和a2 中可看到，在減雨階段，云的冷暖層中的霰粒濃度和霰粒尺度幾乎都是減小的，這是造成減雨的主要原因。由前文的分析可知，由于催化使冰晶和雪大量增加，冰雪粒子的增長(zhǎng)額外消耗了云中有限的過(guò)冷水，使霰粒的增長(zhǎng)受到抑制，圖中可看到，催化云中過(guò)冷層中云水已經(jīng)很少，且多集中在過(guò)冷層底部，這會(huì)使過(guò)冷層大部區(qū)域的冰相粒子成長(zhǎng)速度變慢，如貝吉龍過(guò)程、淞附云水等快速增長(zhǎng)過(guò)程減弱，而單靠凝華增長(zhǎng)則速度較慢，這是這一階段減雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的重要原因。圖16b1 和b2 處于增雨階段，此時(shí)可以看到在過(guò)冷層中上層區(qū)域，霰粒濃度和尺度增減的起伏變化較大，但總體上仍是以減小居多，但是在0°C 層附近霰粒的濃度和尺度是明顯增加的，圖中可看到0°C 層附近也存在一定含量的云水，由前文的分析可知，這一階段0°C 層附近的過(guò)冷層中冰相粒子的淞附過(guò)程較強(qiáng)，這是霰粒濃度和尺度增加的主要原因，由圖可知，霰粒在零度層附近的增長(zhǎng)直接造成暖層上部霰粒濃度和尺度的增大，從而降水增加。

綜合上述數(shù)值模擬的分析，本個(gè)例的云降水主要機(jī)制是霰的融化過(guò)程，而催化模擬前期的減雨是由于冰雪晶的大量增加消耗了過(guò)多的水汽及過(guò)冷水資源，抑制了霰的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)而造成減雨。考慮到云區(qū)過(guò)冷水分布零散，含水量偏低的狀況，一方面，這種云條件下催化后的效果應(yīng)該不會(huì)太強(qiáng)，即催化潛力不大，另一方面，飛機(jī)播撒的催化劑劑量可能偏大，適當(dāng)減少播撒的AgI 劑量，在作業(yè)云區(qū)形成更為適宜的冰晶濃度，從而減弱作業(yè)前期對(duì)霰粒增長(zhǎng)的消極作用，是有可能獲得更好的增雨效果，當(dāng)然，定量的催化指標(biāo)還需進(jìn)行如敏感性模擬試驗(yàn)等研究。

6 結(jié)論

本文將一套基于WRF 動(dòng)力框架發(fā)展的三維中尺度冷云催化模式進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)播撒作業(yè)過(guò)程的仿真模擬功能，模式可以更真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)際催化作業(yè)的狀況。使用該催化模式，對(duì)2014年4 月15 日河北省中南部地區(qū)層狀云降水過(guò)程中的一次飛機(jī)催化作業(yè)進(jìn)行了仿真模擬，分析了催化對(duì)云和降水宏微觀特征的影響。由于受多種客觀因素所限，數(shù)值模擬結(jié)果并不能完全再現(xiàn)云和降水的真實(shí)情況，但模擬與實(shí)況觀測(cè)的對(duì)比表明，雖然在時(shí)間和空間上存在一定差異，但模式模擬結(jié)果能夠合理的反映實(shí)況云和降水的一些重要的宏微觀物理特征，基于這一基礎(chǔ)，選取模式中與實(shí)際作業(yè)目標(biāo)云發(fā)展演變特征相似的云區(qū)開(kāi)展催化模擬，以盡可能的接近實(shí)際催化作業(yè)的狀況，達(dá)到合理評(píng)估實(shí)際作業(yè)效果的目的。

通過(guò)對(duì)比分析催化云和自然云的模擬結(jié)果，主要的研究結(jié)論如下：

（1）受作業(yè)云區(qū)動(dòng)力條件和飛機(jī)作業(yè)航線(xiàn)的影響，催化劑播撒后，AgI 煙羽的水平尺度可擴(kuò)展到數(shù)十公里以上，而垂直方向上，大部分AgI 粒子則始終集中在作業(yè)層（4.8 km）上下約1 km 的厚度范圍內(nèi)，少部分AgI 粒子可隨垂直氣流向下向上輸送到3.5～9 km 的海拔高度范圍，且AgI 粒子向上的輸送要明顯強(qiáng)于向下的輸送。

（2）催化后10 分鐘左右冷云區(qū)水凝物即開(kāi)始出現(xiàn)變化，催化云的冰晶和雪粒子明顯增加且始終高于自然云，冰晶和雪的增加使云中過(guò)冷水的消耗增大，導(dǎo)致催化前期霰的增長(zhǎng)過(guò)程受到抑制，催化云中霰總量低于自然云，之后隨著霰碰并雪的過(guò)程以及零度層附近冰晶和雪霰粒子的淞附過(guò)程逐漸增強(qiáng)，催化云中霰的總量逐漸超過(guò)自然云。

（3）與自然云相比，總體上催化云雷達(dá)回波強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)。時(shí)間變化特征上，催化首先導(dǎo)致作業(yè)層附近及其上部的雷達(dá)回波增強(qiáng)，作業(yè)層下部雷達(dá)回波減弱，此后隨著云中降水粒子的發(fā)展，整個(gè)作業(yè)云區(qū)到地面附近的雷達(dá)回波有明顯增強(qiáng)，表現(xiàn)為強(qiáng)回波區(qū)范圍增大，并有新的強(qiáng)回波中心出現(xiàn)。

（4）降水的主要機(jī)制是霰的融化過(guò)程，催化造成降水增加的主要原因是暖層霰粒濃度及尺度增加造成霰的融化過(guò)程增強(qiáng)。催化云的平均降水強(qiáng)度和降水總量出現(xiàn)先減小后增加的時(shí)間變化特征，其主要原因是云中霰的總量受催化影響出現(xiàn)類(lèi)似變化，進(jìn)而影響到霰融化過(guò)程出現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)所導(dǎo)致的。

（5）催化后3 小時(shí)，作業(yè)影響區(qū)向作業(yè)區(qū)下游擴(kuò)展100 km 以上（1.5 個(gè)經(jīng)度），作業(yè)區(qū)及其下游臨近的約20 km（0.2 個(gè)經(jīng)度）區(qū)域內(nèi)累積降水以減少為主，而作業(yè)區(qū)20 km 外的下游影響區(qū)則主要為增雨，整個(gè)作業(yè)影響區(qū)的凈增雨量為3.6×107kg，平均增雨率1.1%，局地增雨率在?12.4%～13%之間。

（6）因?yàn)樽鳂I(yè)云系的過(guò)冷水偏少且較分散，冷云催化條件整體偏弱，而實(shí)際作業(yè)的AgI 劑量偏大，導(dǎo)致對(duì)降水有主要影響的霰的增長(zhǎng)過(guò)程受到過(guò)多抑制，是造成此次作業(yè)增雨效果不大的主要原因。建議針對(duì)此類(lèi)作業(yè)條件一般的云系，應(yīng)實(shí)時(shí)關(guān)注機(jī)載儀器探測(cè)的結(jié)果，謹(jǐn)慎選擇作業(yè)劑量，不宜過(guò)大。另外，采用催化模式通過(guò)事先模擬來(lái)評(píng)估催化的作業(yè)效果，為實(shí)際作業(yè)提供指導(dǎo)，也是一種可行的方式。