六盤山地區(qū)一次低槽低渦云系結(jié)構(gòu)及其降水機(jī)制的數(shù)值模擬研究

高亮?xí)φ褂栀Z爍張沛安琳常倬林桑建人趙文慧王偉健

1中國(guó)氣象科學(xué)研究院中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081

2寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川750002

1 引言

國(guó)內(nèi)外大量播云試驗(yàn)結(jié)果表明，只要云物理?xiàng)l件、催化部位和催化劑量選擇合適，地形云是人工增雨效果較好的云系，雨量可增加15%以上（孫晶等,2009a;Pokharel et al.,2014;Jing et al.,2016;Xue et al.,2016）。因此，地形云被視為最具有催化潛力和催化可行性的人工影響云系。不同尺度、不同形態(tài)特征的地形，與天氣系統(tǒng)相互作用，產(chǎn)生的動(dòng)力、熱力效應(yīng)，對(duì)云和降水形成過(guò)程有顯著影響且十分復(fù)雜（廖菲等, 2007; 朱素行等, 2010; Houze,2012;王凌梓等,2018）。加之六盤山地區(qū)是我國(guó)西北地形云人工增雨重點(diǎn)試驗(yàn)示范區(qū)，因此深入研究六盤山降水云系的微物理結(jié)構(gòu)、降水形成機(jī)制及地形對(duì)云系和降水的影響，對(duì)于人工增雨技術(shù)研究很有必要。

隨著中尺度數(shù)值模式的不斷發(fā)展和完善，數(shù)值模擬在云降水的研究中發(fā)揮著越來(lái)越大的優(yōu)勢(shì)，尤其針對(duì)山地降水，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都開(kāi)展了大量的數(shù)值試驗(yàn)。Buzzi et al.（1998）利用BOLAM模式進(jìn)行敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地形對(duì)降雨的量級(jí)和分布起決定性作用。?uri?et al.（2003）使用云分辨模式ARPS研究Western Morava Valley 的河谷地形對(duì)孤立積雨云發(fā)展、傳播的影響，指出地形在積雨云的發(fā)展中起到了重要作用，當(dāng)有地形存在時(shí)，積雨云的對(duì)流加強(qiáng)，傳播速度更快。Kirshbaum et al.（2007）通過(guò)在俄勒岡州的觀測(cè)和數(shù)值模擬，認(rèn)為氣流通過(guò)小尺度障礙物后，地形背風(fēng)波會(huì)在地形云的前緣形成上升氣流，觸發(fā)并形成背風(fēng)坡雨帶。Z?ng（2007）利用MM5模式對(duì)兩次阿爾卑斯山暴雨個(gè)例進(jìn)行了動(dòng)力和云物理研究，指出強(qiáng)的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)及較低的凍結(jié)層高度有利于山脈迎風(fēng)坡大范圍強(qiáng)降水的產(chǎn)生。劉玉寶等（1995）利用非靜力平衡中尺度大氣模式MBG（二維云模式）對(duì)沙特阿拉伯ASIR 山區(qū)的一次混合相對(duì)流云降水個(gè)例進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)“seeder-feeder”降水機(jī)制普遍存在于ASIR 山區(qū)對(duì)流降水中，它對(duì)后期新生對(duì)流和山脊處長(zhǎng)生命對(duì)流降水發(fā)展有較大影響。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)地形作用下云降水系統(tǒng)的特征也開(kāi)展了較多數(shù)值模擬研究。樓小鳳等（2001）使用三維云模式，對(duì)發(fā)生在湖北的一次對(duì)流降水進(jìn)行平坦地面和理想斜坡地形的模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地形的作用與地形的陡峭程度有關(guān)，坡度較大時(shí)，產(chǎn)生較強(qiáng)的上升氣流，從而使系統(tǒng)對(duì)流發(fā)展旺盛，產(chǎn)生較大的降水和較強(qiáng)的回波。劉衛(wèi)國(guó)和劉奇?。?007a,2007b）利用改進(jìn)后的ARPS研究祁連山的兩個(gè)夏季降水個(gè)例發(fā)現(xiàn)，地形的存在使云的宏微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，云的主要降水機(jī)制也受到影響甚至被改變。其他模擬結(jié)果還發(fā)現(xiàn)祁連山北坡陡峭的地形是祁連山云系降水的主要?jiǎng)恿C(jī)制，氣流除在山前有繞流外同時(shí)沿北坡爬升；祁連山地形對(duì)大范圍的降雪落區(qū)影響不明顯，但對(duì)北坡降雪中心形成有直接影響（孫晶等,2009b; 邵元亭等,2013）。馬玉芬等（2012）采用中尺度數(shù)值模式WRF，對(duì)發(fā)生在天山地區(qū)的一次強(qiáng)天氣過(guò)程進(jìn)行地形敏感試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，天山山脈對(duì)西南暖濕氣流有分流和阻擋抬升作用，容易在迎風(fēng)坡形成降水，增加地形高度，迎風(fēng)坡降雨量有明顯增幅。

隨著微物理方案的不斷改進(jìn)，利用模式研究地形影響下云和降水的微物理過(guò)程也有了一定的進(jìn)展。對(duì)青藏高原的模擬研究發(fā)現(xiàn)，冰相過(guò)程在高原云和降水過(guò)程中起著重要的作用，地面降水主要由霰粒子的融化產(chǎn)生，暖云過(guò)程對(duì)降水的直接貢獻(xiàn)很小，但卻是霰胚的主要源項(xiàng)（劉黎平等,1999;唐潔等,2018）。廖菲等（2009）研究華北地形對(duì)暴雨的影響發(fā)現(xiàn)，地形高度的增加有利于迎風(fēng)坡附近水平風(fēng)場(chǎng)輻合和垂直上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，促進(jìn)冰相粒子（雪和霰）的增多，但不會(huì)明顯改變?cè)苾?nèi)降水機(jī)制。侯瑞欽等（2010）對(duì)太行山迎風(fēng)坡降水的云微物理結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，降水過(guò)程既包含地形作用造成的暖云降水，又包含汽、水、冰三相混合的冷云降水，且當(dāng)冰相粒子與液態(tài)水的中心上下接近垂直時(shí)，1 h 降水量最大。郭欣等（2013）對(duì)北京地區(qū)地形云和降水的研究指出，在弱濕條件不穩(wěn)定大氣層流下，地形降水主要由地形動(dòng)力抬升造成的暖云微物理過(guò)程產(chǎn)生，地形重力波形成的波狀云幾乎不產(chǎn)生降水，而在較強(qiáng)氣流速度下，冷云微物理過(guò)程會(huì)大幅度增強(qiáng)，但整體來(lái)看，暖云微物理過(guò)程都占主導(dǎo)地位。于曉晶和趙勇（2016）認(rèn)為，天山地形對(duì)高層雪晶和冰晶的高度分布影響不大，但對(duì)二者的中心值和維持時(shí)間影響顯著。

六盤山位于西北地區(qū)東南部，陜甘寧交界處，是全國(guó)為數(shù)不多的近南北走向的狹長(zhǎng)山地，相對(duì)于其西部的祁連山、青藏高原，以及南部的秦嶺大巴山，六盤山屬于小尺度地形，東西跨度50公里左右，南北跨度100多公里（范圍約為34.9°N～36.13°N，105.6°E～106.7°E），山地東坡陡峭，西坡和緩，六盤山將該區(qū)域分為東西兩壁，呈南高北低之勢(shì)，海拔大部分在1500～2200 m（地形高度分布見(jiàn)圖4）。已有統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，寧夏南部山區(qū)（六盤山）年降水量在500 mm 以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于寧夏中部和北部100～300 mm 的年降水量，這除了與西北地區(qū)大氣可降水量由東南向西北遞減的分布特征有關(guān)，還與南部山區(qū)地形影響下的云系可能產(chǎn)生更豐沛的降水有關(guān)。關(guān)于六盤山地區(qū)云降水的時(shí)空分布特征以及地形對(duì)降水的影響，近年來(lái)已有部分學(xué)者利用觀測(cè)和再分析資料開(kāi)展了研究，但由于山區(qū)地面測(cè)站和天氣雷達(dá)的布設(shè)較為稀疏和不均勻，觀測(cè)數(shù)據(jù)缺乏，對(duì)云降水微物理特征及降水機(jī)理的研究還較少。

為了開(kāi)發(fā)六盤山區(qū)的云水資源，有效緩解鄰近區(qū)域水資源短缺狀況，改善生態(tài)環(huán)境，在該地區(qū)開(kāi)展人工增雨是有效途徑之一。但到目前為止，對(duì)地形云系的人工增雨作業(yè)技術(shù)還不成熟，需要加強(qiáng)研究。作為研究人工增雨技術(shù)的基礎(chǔ)，有必要對(duì)該地區(qū)降水云系的微物理結(jié)構(gòu)、降水機(jī)制以及地形的影響開(kāi)展深入的研究。本文利用中尺度數(shù)值模式WRF，選取2018年夏季發(fā)生在六盤山區(qū)的一次降水過(guò)程進(jìn)行高分辨率數(shù)值模擬，利用實(shí)測(cè)資料、NCEP再分析資料、FY-2G 衛(wèi)星亮溫?cái)?shù)據(jù)以及多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析六盤山區(qū)域降水云系的微物理結(jié)構(gòu)、降水形成機(jī)制及地形對(duì)其的影響。

2 降水天氣過(guò)程簡(jiǎn)析

從2018年8月21日08:00（北京時(shí)，下同）500 hPa 形勢(shì)場(chǎng)（圖1a）可以看到，位于甘肅南部有一個(gè)短波槽，寧夏南部受短波槽槽前西南暖濕氣流影響，同時(shí)，在寧夏南部有風(fēng)速輻合，動(dòng)力條件良好。700 hPa（圖1b）上，在甘肅中部有低渦環(huán)流發(fā)展，寧夏南部處低渦前部偏南氣流中。近地面（750 hPa）水汽通量場(chǎng)（圖1c）顯示，在寧夏南部及甘肅的交界地區(qū)水汽充沛。水汽條件和動(dòng)力條件都有利于寧夏南部地區(qū)對(duì)流性降水的產(chǎn)生。

從風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星（FY-2G）TBB（Black-Body Temperature）圖（圖2）上看，8月21日12:00寧夏南部上空出現(xiàn)弱對(duì)流云團(tuán)，出現(xiàn)位置在750 hPa水汽通量大值區(qū)，云頂亮溫值在-30°C～-50°C之間，云頂較高，云層深厚。此后，云系緩慢向東南偏南方向移動(dòng)，到15:00（圖2b），對(duì)流云團(tuán)依然位于寧夏南部偏西部地區(qū)，云區(qū)南端向南擴(kuò)展，對(duì)流增強(qiáng)，中心亮溫值低于-50°C。到18:00（圖2c），云系強(qiáng)區(qū)移出六盤山區(qū)，在甘肅與陜西的交界處形成了一條較強(qiáng)的對(duì)流云帶，隨后這條云帶移入了陜西境內(nèi)。結(jié)合圖3a 的12小時(shí)地面累積降水，可以看出此次降水主要發(fā)生在寧夏南部、寧夏與甘肅交界以及甘肅與陜西的交界位置上，部分地區(qū)12小時(shí)累積降水達(dá)到70 mm 以上，六盤山山區(qū)降水持久，降水較強(qiáng)，山脈東坡降水強(qiáng)于西坡，東北—西南的帶狀強(qiáng)降水區(qū)（紅色）與圖2c顯示的強(qiáng)對(duì)流云帶位置和走向一致，強(qiáng)降水區(qū)的分布可能與山區(qū)地形有關(guān)。這次降水過(guò)程是在高空500 hPa 短波槽和700 hPa 低渦共同作用下形成的，降水云系是低槽低渦云系。

圖1 2018年08月21日08:00（北京時(shí)，下同）（a）500 hPa 和（b）700 hPa 高度場(chǎng)（藍(lán)線，單位：dagpm）、溫度場(chǎng)（紅線，單位：°C）、流場(chǎng)（黑色箭頭）分布以及（c）750 hPa 水汽通量場(chǎng)（陰影，單位：g s-1 cm-1 hPa-1）和流場(chǎng)（黑色箭頭）分布Fig.1 Geopotential height (blue lines,units:dagpm),temperature(red lines,units:°C)and wind field (black barb)at (a)500 hPa and (b)700 hPa and(c)vapor flux (shaded,units:g s-1 cm-1 hPa-1)and wind field (black barb)at 750 hPa at 0800 BJT (Beijing time)on August 21,2018

圖2 2018年8月21日（a）12:00、（b）15:00、（c）18:00 FY-2G 衛(wèi)星觀測(cè)的TBB（Black-Body Temperature；陰影，單位：°C）分布?！埃贝砹P山自動(dòng)氣象站位置，紅色方框?yàn)榱P山區(qū)域，下同F(xiàn)ig.2 TBB(Black-Body Temperature;shaded, units:°C)observed by satellite FY-2G at(a)1200 BJT,(b)1500 BJT,and(c)1800 BJT on August 21,2018.The symbol “＋”indicates the location of Liupan Mountain station,red box is Liupan Mountain area,similarly hereinafter

3 云系的數(shù)值模擬

3.1 模式參數(shù)設(shè)置

本文采用中尺度數(shù)值模式WRF（V3.9.1.1版本），以時(shí)間分辨率為6 h，空間分辨率為1°×1°的NCEP再分析資料作為模式初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件，模擬了2018年08月21日發(fā)生在六盤山區(qū)域的一次降水過(guò)程。

模擬區(qū)域以（36.00°N，106.10°E）為中心，設(shè)置為三重嵌套網(wǎng)格（圖4所示），格距分別為18 km、6 km、2 km，垂直方向上分為不等間距的30層，水平格點(diǎn)數(shù)分別為100×100、151×151、217×217，時(shí)間步長(zhǎng)為54 s、18 s、6 s。選取適合高分率模擬的四種顯示云分辨方案（朱士超等,2011）：Thompson 方案、Lin 方案、WSM6方案、Morrison2方案，進(jìn)行云微物理方案的敏感性試驗(yàn)，綜合地面降水量和雷達(dá)回波的模擬結(jié)果，通過(guò)與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選擇出模擬六盤山區(qū)云降水過(guò)程的最優(yōu)云微物理方案Lin 方案，下面的分析將采用Lin 方案的模擬結(jié)果。其他物理過(guò)程參數(shù)化方案設(shè)置：長(zhǎng)波輻射RRTM方案，短波輻射Dudhia 方案，積云對(duì)流參數(shù)化Kain-Fritsch（最里層關(guān)閉）方案。此外，近地面層方案為修正的MM5 Monin-Obukhov 方案，陸面過(guò)程方案為Noah land-surface model 方案，邊界層方案為YSU 方案，本文研究主要采用最里層模擬結(jié)果，10 min 輸出一次。

3.2 模擬結(jié)果檢驗(yàn)

利用實(shí)測(cè)的地面降水和雷達(dá)回波來(lái)檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果。從圖3a、b模擬與實(shí)測(cè)的12 h 累積降水分布可以看出，模擬云系的雨帶形狀、走向、降水量級(jí)與觀測(cè)結(jié)果基本一致，只是模擬的雨帶位置偏西偏南。另外，將模擬的3 h 累積降水與實(shí)測(cè)降水進(jìn)行對(duì)比（圖略），發(fā)現(xiàn)降水自六盤山的西北側(cè)生成，隨著系統(tǒng)東移，降水區(qū)向東南方向移動(dòng)，降水區(qū)域有所擴(kuò)展，降水強(qiáng)度也略有增加，模擬結(jié)果也再現(xiàn)了這一演變特征，同時(shí)與圖2衛(wèi)星觀測(cè)到的對(duì)流云帶移動(dòng)方向也較為一致，但模擬降水相對(duì)實(shí)測(cè)降水移動(dòng)速度更為緩慢。

圖5給出了不同時(shí)刻（12:00、15:00、18:00）觀測(cè)與模擬的雷達(dá)組合反射率圖。模式基本模擬出了回波的位置、強(qiáng)度和移動(dòng)方向。大部分地區(qū)的組合反射率在25～35 dB Z 之間，在寧夏南部和甘肅的東南部地區(qū)，出現(xiàn)了大于40 dB Z 的強(qiáng)回波，回波向東南方向移動(dòng)，但模擬的回波移動(dòng)稍滯后于觀測(cè)結(jié)果。

圖6是模式與觀測(cè)對(duì)比的崆峒站08:00和12:00溫度和露點(diǎn)溫度圖，黑色代表觀測(cè)結(jié)果，紅色代表模擬結(jié)果，模式可以比較準(zhǔn)確的模擬出溫度和大氣濕度的變化，模擬的3 km 以上的風(fēng)速風(fēng)向及變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)非常相似（未能準(zhǔn)確模擬出3 km以下風(fēng)的變化）。

對(duì)模擬云系演變過(guò)程的分析（第4節(jié)圖7）表明，模擬云系的動(dòng)力場(chǎng)與實(shí)際天氣形勢(shì)場(chǎng)非常吻合，500 hPa 存在高空低槽，700 hPa 是低渦，屬低槽低渦云系。

總體而言，模式基本再現(xiàn)了此次降水過(guò)程的降水強(qiáng)度、落區(qū)和系統(tǒng)移動(dòng)方向以及環(huán)境背景場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，本文將利用模擬結(jié)果，進(jìn)一步分析本次低槽低渦降水云系的微物理結(jié)構(gòu)、降水機(jī)制以及六盤山地形對(duì)降水的影響。

圖3 2018年8月21日12 h（08:00～20:00）研究區(qū)域累積降水分布（單位：mm，“＋”代表六盤山自動(dòng)氣象站位置）：（a）觀測(cè)降水；（b）模擬降水（降低地形前）；（c）模擬降水（降低地形后）。黑色虛線為1900 米以上地形高度Fig.3 12-h cumulative rainfall(units:mm)(a)observed,(b)simulated,and (c)simulated with lower altitude from 0800 BJT to 2000 BJT on August 21,2018.The black dotted line indicates altitude over 1900 m

4 模擬云系的演變過(guò)程

圖4 三層嵌套模擬區(qū)域（彩色陰影：地形高度）Fig.4 Three-nested simulation domains(color shadings indicate the terrain height)

本次降水過(guò)程主要受高空短波槽和地面氣旋的影響，隨著系統(tǒng)向東南移動(dòng)，經(jīng)過(guò)六盤山，在山區(qū)產(chǎn)生了強(qiáng)降水。通過(guò)分析模擬各時(shí)次各高度上的云場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，模擬云系也是在高空槽配合低渦這樣的動(dòng)力場(chǎng)作用下形成的，隨著系統(tǒng)東南移，云系也向東南移動(dòng)。由于受到低層低渦風(fēng)場(chǎng)的影響，在山脈西側(cè)有來(lái)自西南偏南的氣流，山脈東側(cè)有來(lái)自東南方向的氣流，且隨著氣旋移近六盤山，東側(cè)的低層風(fēng)逐漸偏東，山脈東側(cè)成為文中所指的迎風(fēng)坡。由700 hPa（及以下）云場(chǎng)可見(jiàn)，受六盤山阻擋，低層?xùn)|南方向輸送來(lái)的水汽在山的迎風(fēng)坡一側(cè)形成了地形云。

12:00，500 hPa 低槽位于六盤山的西部，大范圍的西南氣流流過(guò)山脈，高空云系出現(xiàn)在槽前位置西南氣流中（圖7a），而低空（700 hPa）有低渦與高空槽配合（圖7b），山脈東西兩側(cè)都為南向氣流，從西側(cè)的南向氣流向東側(cè)的東南向氣流變化，六盤山區(qū)域出現(xiàn)一些零散分布的云區(qū)，還沒(méi)有形成云系。云系出現(xiàn)在低渦流場(chǎng)的輻合場(chǎng)中，即在低渦移向前部形成了云系。

圖5 2018年08月21日（a、d）12:00、（b、e）15:00、（c、f）18:00觀測(cè)（第一行）和模擬（第二行）的雷達(dá)組合反射率（陰影，單位：dB Z）對(duì)比Fig.5 Observed(top line)and simulated (bottom line)combined reflectivity(shaded,units:dB Z)at (a,d)1200 BJT,(b,e)1500 BJT,and (c,f)1800 BJT on August 21,2018

圖6 2018年08月21日（a）08:00和（b）20:00崆峒（53915）站探空曲線對(duì)比（黑色代表觀測(cè)，紅色代表模擬，實(shí)線為溫度，虛線為露點(diǎn)溫度）Fig.6 Observed(black)and simulated(red)sounding profiles(solid lines:temperature,dotted lines:dew point temperature)of Kongtong(53915)station at (a) 0800 BJT,(b)2000 BJT on August 21,2018

14:30（圖7c、7d），低槽東移接近六盤山區(qū)，低渦東南移也向山脈接近，但和12:00相比，高空槽和低渦的相對(duì)位置發(fā)生了變化，槽的東移速度快于低渦。山體西側(cè)南部，高空是西南氣流，低層幾乎是南向氣流，在槽前和低渦南向與西南向的氣流輻合區(qū)中，形成了較強(qiáng)的帶狀云區(qū)（紅色）。而山體東側(cè)的偏北部，低層?xùn)|南氣流使東側(cè)成為迎風(fēng)坡，也形成一條南北向的較強(qiáng)帶狀云區(qū)（紅色）。

隨著系統(tǒng)移入六盤山區(qū)，降水云系也覆蓋山區(qū)上空，水凝物混合比明顯增大，尤其是東側(cè)迎風(fēng)坡。到了17:00，槽移動(dòng)到山區(qū)上空，受系統(tǒng)和地形共同的影響，山區(qū)降水達(dá)到最強(qiáng)。700 hPa 云系圖（圖7f）顯示，迎風(fēng)坡水凝物含水量明顯高于周邊（圖7d），此時(shí)迎風(fēng)坡的小時(shí)降水達(dá)20 mm 以上，明顯高于西側(cè)山區(qū)。

云系的水平分布演變顯示，500 hPa 槽與700 hPa低渦相互配合，但隨著移近六盤山區(qū)，高空槽移動(dòng)速度明顯快于地面氣旋，12:00槽與氣旋所在位置近似。14:30和低渦相比低槽位置偏東。17:00低槽已移到六盤山區(qū)上空，而低渦東移不明顯，相對(duì)位置偏后。到20:00，槽移到了六盤山東部，而氣旋仍在山區(qū)西部，沒(méi)有能越過(guò)山脊，應(yīng)該是六盤山的地形阻擋了低層氣旋東移，云系在山區(qū)上空移動(dòng)緩慢，造成山區(qū)降水持久，尤其是迎風(fēng)坡小時(shí)降水強(qiáng)度達(dá)暴雨級(jí)別，累積降水超過(guò)70 mm。

從云系的發(fā)展演變過(guò)程可以看出，此次低槽低渦云系受到地形的明顯影響，尤其是動(dòng)力場(chǎng)，地形影響了低渦東移速度并最終阻擋低層低渦越過(guò)山脊，使得高低層有組織的低值動(dòng)力系統(tǒng)相脫離，這不利于云和降水的發(fā)展；此外，山體東側(cè)的迎風(fēng)坡效應(yīng)可能有利于降水的形成。

5 云降水微物理結(jié)構(gòu)及降水形成機(jī)制

5.1 云系的垂直微物理結(jié)構(gòu)

根據(jù)前文分析，本次降水主要集中在寧夏南部六盤山區(qū)，下面將利用模式格距2 km 計(jì)算域輸出的不同水凝物（云水、云冰、雪、霰、雨水）的含水量來(lái)了解云降水的微物理結(jié)構(gòu)特征。圖8是12:00和17:00通過(guò)六盤山站（35.67°N，106.2°E）水凝物含水量的緯向剖面圖。

從圖8a、b可見(jiàn)，不同云區(qū)云體中的垂直微物理結(jié)構(gòu)是不同的。105.05°E上空有一個(gè)單體存在，云水區(qū)較厚，含水量較高，但其高層幾乎沒(méi)有冰晶（或者只存在含水量低于0.01 g kg-1的微量冰晶），雪和霰的含水量也較低，但地面產(chǎn)生了較強(qiáng)降水，說(shuō)明暖云過(guò)程對(duì)降水貢獻(xiàn)較大。山的東側(cè)106.3°E上空也存在一單體，云水含水量較高，云底高度較低，主要分布在零度層以下，為地形暖云。

圖7 2018年08月21日（a、b）12:00、（c、d）14:30、（e、f）17:00、（g、h）20:00模擬的500 hPa（左列）和700 hPa（右列）的風(fēng)場(chǎng)（單位：m s-1）和水凝物混合比（陰影，單位：g kg-1）空間分布。黑色虛線為1900米以上地形高度，黑色粗實(shí)線表示槽線，字母“D”表示低渦位置Fig.7 Space distribution of simulated wind(units: m s-1)and hydrometeors mixing ratio(shaded, units:g kg-1)field of 500 hPa(left column)and 700 hPa(right column)at(a, b)1200 BJT,(c,d)1430 BJT,(e,f)1700 BJT,and (g, h)2000 BJT on August 21,2018.The black dotted line indicates altitudeover 1900 m,and black heavy linesindicatestrough-lines,and “D”indicates the location of vortex

圖8 2018年08月21日（a、b）12:00和（c、d）17:00水凝物含水量（單位：g kg-1）沿六盤山站（35.67°N）的緯向—垂直剖面：（a、c）冰晶（紅線）和云水（陰影）；（b、d）雨水（綠線）、霰（紅線）和雪（陰影）。黑色虛線：溫度（單位：°C）；箭頭：風(fēng)場(chǎng)（單位：m s-1）Fig.8 Vertical sections of the water content(units:g kg-1)of hydrometeors in simulated cloud along Liupan Mountain station(35.67°N)at(a, b)1200 BJT and(c,d)1700 BJT:(a,c)Ice crystal(red solid line)and cloud water(shaded);(b,d)rain(green solid line),graupel(red solid line),and snow (shaded).Black line:isotherm (units:°C);arrow:wind field

在105.2°E～105.8°E上空云層較為深厚，存在多個(gè)單體。冰晶主要分布在8～12 km 處，溫度達(dá)到-40°C，最大含水量為0.14 g kg-1。雪、霰區(qū)域的頂高與冰晶近似一致，最大含水量分別達(dá)到0.19 g kg-1和0.65 g kg-1，雪的區(qū)域下沿在6 km 高度，霰已降到4 km 高度附近。云水區(qū)分布在3～8 km高度，高含水量區(qū)位于云的暖區(qū)，最大含水量約0.7 g kg-1，5～8 km（0°C～-15°C）之間存在過(guò)冷云水，雨水主要在云的暖區(qū)?？梢?jiàn)在云中各水凝物主要分布高度不同。8 km 高度以上的最高層為冰晶、雪和霰粒子的共存區(qū)，0°C 層高度（5 km）以上的過(guò)冷區(qū)，同時(shí)存在過(guò)冷水、雪和霰，其中雪的含水量中心在云的高層，而霰的高含水量區(qū)靠近0°C層，云的暖區(qū)存在霰粒子、云水和雨水。高層是冰相、0°C以上過(guò)冷區(qū)是冰水混合相而暖區(qū)以液相為主的云體被稱為“催化—供給”云，此種結(jié)構(gòu)是重要的人工增雨條件（洪延超和周非非,2005;洪延超和李宏宇,2011）。在冰水混合層，冰晶、過(guò)冷水和水汽共存產(chǎn)生的貝吉龍過(guò)程以及高層向冰水混合層提供的冰相粒子與過(guò)冷水的撞凍增長(zhǎng)過(guò)程都有利于降水的形成。

此外，在六盤山站東側(cè)（106.5°E～107°E之間），高空存在冰雪組成的云，低層有云水，而中間存在無(wú)云區(qū)，地面降水極少甚至沒(méi)有降水產(chǎn)生。

結(jié)合圖8云系垂直剖面的分析可以看出，在云系不同部位，單體之間在垂直結(jié)構(gòu)上存在較大差異，如圖8a、c，選出對(duì)應(yīng)地面降水較強(qiáng)三個(gè)云單體，分別是12:00的點(diǎn)A（35.67°N，105.75°E）、B（35.67°N，106.3°E）以及17:00的點(diǎn)C（35.67°N，106.25°E）三處，進(jìn)一步分析六盤山不同云區(qū)的云體垂直結(jié)構(gòu)的微觀差異。

圖9 2018年08月21日六盤山區(qū)云系不同部位（圖8中的A、B、C 三點(diǎn)）水凝物含水量（單位：g kg-1，紅色虛線為零度層）廓線分 布：（a）點(diǎn)A（35.67°N，105.75°E）；（b）點(diǎn)B（35.67°N，106.3°E）；（c）點(diǎn)C（35.67°N，106.25°E）Fig.9 Vertical profiles of total water content(units:g kg-1)of hydrometeors in different places of Liupan Mountain cloud system(A,B,and C in Fig.8,red dotted line:0°C):(a)Point A(35.67°N,105.75°E);(b) point B (35.67°N,106.3°E);(c) point C (35.67°N,106.25°E)

圖9給出了三個(gè)格點(diǎn)上空水凝物含水量的垂直分布情況。由圖9可見(jiàn)，12:00，A處云中各水凝物含水量最大值出現(xiàn)的高度不同，由高到低依次是冰晶和雪、霰、云水和雨水。0°C層在5.1 km 左右，高層冰相粒子含量較豐富，同時(shí)存在豐富的過(guò)冷云水，霰粒子含水量最大值位于緊靠0°C層上方的過(guò)冷區(qū)，并下落到4 km 左右的云暖區(qū)。雨水與云水含水量極大值都在云的暖區(qū)。因此水凝物的垂直分布可以分成三層：高層是完全由冰相粒子組成的冰相層；中層是冰水混合層，由雪、霰和過(guò)冷水組成；低層在云的暖區(qū)，是液水層。而山脈東側(cè)B 處云中存在的主要水凝物是云水和雨水。0°C層高度（4.9 km）略低于西側(cè)，高層冰晶、雪、霰冰相粒子含量極小，云水雨水都主要分布在零度層下方。水凝物的垂直分布也可分成三層，但冰相層中的冰粒子含水量極低，混合層中的過(guò)冷水含量也較低。17:00，C 處云中水凝物垂直分布與A點(diǎn)類似，可分為三層。冰相層中冰晶和雪的含水量很低，但混合層中過(guò)冷云水和過(guò)冷雨水含量較高，因此霰的含水量也較高。在云的液水層存在豐富的云水和雨水，尤其是雨水含量比結(jié)構(gòu)類似的A點(diǎn)的0.7 g kg-1要高很多，為1.92 g kg-1，對(duì)應(yīng)迎風(fēng)坡一側(cè)出現(xiàn)了強(qiáng)降水（圖8d）。

由上可見(jiàn)，A、B和C 三處云中，盡管垂直微物理結(jié)構(gòu)都可分成三層，屬于“催化—供給”云，但各層含水量的配置有很大區(qū)別，因此造成降水強(qiáng)度也有較大差別。下面將進(jìn)一步分析不同云系結(jié)構(gòu)造成地面降水差異的具體機(jī)理。

5.2 云系降水機(jī)制

由前文分析可知，12:00高空槽與低層氣旋所在位置近似，在垂直方向上相互對(duì)應(yīng)，這樣的配置有利于垂直運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生。到17:00低槽已移到六盤山區(qū)上空，而低渦由于地形阻擋東移不明顯，相對(duì)位置偏后，產(chǎn)生對(duì)流的條件變差，但低層氣旋系統(tǒng)的東南向氣流通過(guò)地形的抬升有利于地形云的形成。

在這樣的天氣背景下，如圖8a、b可見(jiàn)，12:00六盤山站西部云體深厚，尤其是冰相粒子含水量較高，地面產(chǎn)生降水較強(qiáng)。冰晶、雪和霰粒子分布都存在重疊區(qū)域，含水量中心在垂直方向上相互對(duì)應(yīng)，同時(shí)霰的高含水量中心對(duì)應(yīng)著雨水高值區(qū)（如A處）。在0°C以下，仍有霰存在，說(shuō)明霰粒子融化對(duì)雨水的形成有較大貢獻(xiàn)。而在六盤山的東部迎風(fēng)坡（B 處）存在含水量較高的云水層，位于零度層下方，為地形暖云，由低層氣旋系統(tǒng)的東南向氣流通過(guò)地形的抬升形成，高空冰相粒子含量較少，地面雨水最大含水量達(dá)到0.6 g kg-1，說(shuō)明降水以暖云過(guò)程為主。

到了17:00（圖8c,d），低層暖云含水量較高，高含水量云層厚度較大，0～-10°C之間的云水含量較12:00豐富，而-10°C層高度以上的過(guò)冷云水含量較12時(shí)少。高層冰晶粒子主要位于10～12 km，分布范圍及含水量都相對(duì)變小，山區(qū)云中產(chǎn)生的冰晶和雪不多。霰含量較豐富，其含水量中心對(duì)應(yīng)著豐富的過(guò)冷云水，并有過(guò)冷雨水存在。兩個(gè)強(qiáng)降雨區(qū)（106.25°E 和106.85°E）都位于六盤山站東側(cè)迎風(fēng)坡，與上層霰粒子高值區(qū)和高云水區(qū)相對(duì)應(yīng)，也與暖層高云水含量區(qū)對(duì)應(yīng)，說(shuō)明有冷暖云過(guò)程共同參與降水的形成；在山的西側(cè)（如A處）上空云水層深厚，含水量高，但云底離地高度相對(duì)東側(cè)迎風(fēng)坡（C 處）更高，霰粒子高值中心在7 km 左右，下落到暖區(qū)的霰粒子極少。冷云過(guò)程減弱，低層碰并過(guò)程不足加上云底蒸發(fā)，因此地面產(chǎn)生降水相對(duì)較弱。下面重點(diǎn)分析六盤山東側(cè)迎風(fēng)坡（C 處）降水形成機(jī)制以及迎風(fēng)坡與非迎風(fēng)坡產(chǎn)生降水機(jī)制的差異。圖10和圖11給出了A、C 點(diǎn)云中水凝物的源項(xiàng)分布。

12:00，C 處的雨水（圖10a）由霰粒子融化（GMLT）和云水向雨水的自動(dòng)轉(zhuǎn)化（RAUT）產(chǎn)生，然后雨滴碰并云滴（RACW）進(jìn)一步增長(zhǎng)，碰并云滴貢獻(xiàn)更大，但產(chǎn)生總量都較小。17:00，C處雨水（圖10b）源項(xiàng)在垂直方向上可分為兩部分，上層主要來(lái)自霰的融化，下層主要依靠云雨碰并過(guò)程，霰融化產(chǎn)生量極大值比雨水碰并產(chǎn)生量極大值高，但產(chǎn)生的總量更小?？梢?jiàn)冷云和暖云過(guò)程對(duì)降水的形成都很重要，其中暖云過(guò)程貢獻(xiàn)更大，且在零度層上方也存在暖云過(guò)程。霰胚（圖11b）主要由雪撞凍過(guò)冷雨水（SACR）形成，從圖11d 霰增長(zhǎng)源項(xiàng)可見(jiàn)，淞附過(guò)冷云水（GACW）和碰凍過(guò)冷雨水（GACR）是霰增長(zhǎng)的主要微物理過(guò)程，其中碰凍過(guò)冷雨水占主導(dǎo)地位。

17:00，A處地面降水（圖10c）的產(chǎn)生也主要來(lái)源于霰粒子的融化和云雨碰并過(guò)程，碰并過(guò)程占主導(dǎo)，且云底存在雨滴蒸發(fā)過(guò)程。霰胚（圖11a）主要通過(guò)雪撞凍過(guò)冷雨水形成，高層霰粒子（圖11c）通過(guò)碰并雪（GACS）和水汽凝華（GDEP）增長(zhǎng)，落入過(guò)冷云水區(qū)，凇附過(guò)冷云水和碰凍過(guò)冷雨水依次成為霰主要增長(zhǎng)源項(xiàng)。與東側(cè)迎風(fēng)坡的C 處相比較，產(chǎn)生降水的主要微物理過(guò)程相同，但貢獻(xiàn)量都低于C 處，尤其表現(xiàn)在低層的云雨碰并過(guò)程，C 處碰并產(chǎn)生量的極大值（4.48×10-3g kg-1s-1）位于3.26 km 左右，A處碰并產(chǎn)生量的極大值（2.3×10-3g kg-1s-1）位于4.48 km 左右，C 處近地暖云層中的碰并過(guò)程對(duì)降水的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于A處。盡管A處高層霰胚產(chǎn)量更豐富，但冰水混合層中撞凍過(guò)冷水對(duì)霰粒子增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)較小，極少霰粒子下落到暖區(qū)，因此霰粒子融化對(duì)降水的貢獻(xiàn)也相對(duì)更小，冷云過(guò)程偏弱。

圖10 2018年08月21日（a）12:00 C 點(diǎn)上空、17:00（b）C 點(diǎn)上空和（c）A點(diǎn)上空雨水源項(xiàng)（單位：10-3 g kg-1 s-1）廓線分布Fig.10 Vertical profiles of rain sources(units:10-3 g kg-1 s-1)in the air above point C (a)at 1200 BJT, point C (b)and point A(c)at 1700 BJT on August 21,2018

圖11 2018年08月21日17:00 A點(diǎn)上空（左列）和C 點(diǎn)上空（右列）（a、b）霰胚源項(xiàng)和（c、d）霰增長(zhǎng)源項(xiàng)（單位：10-3 g kg-1 s-1）廓線分布Fig.11 Vertical profiles of (a, b)graupel formation sources and(c,d)graupel growth sources(units:10-3 g kg-1 s-1)in the air above point point A(left column)and point C (right column)at 1700 BJT on August 21,2018

由上可見(jiàn)，在六盤山東側(cè)迎風(fēng)坡，地形云有利于降水的產(chǎn)生。12:00，C 處云水層發(fā)展高度不高，云水層基本位于暖區(qū)，高層冰相粒子極少，地面降水主要來(lái)源于暖云過(guò)程。到了17:00，近地暖云向上發(fā)展，與上部云層連成一體，云中豐富的過(guò)冷云水和過(guò)冷雨水促進(jìn)了高層冰相粒子的產(chǎn)生和快速增長(zhǎng)，冰相粒子的參與使得冷云過(guò)程對(duì)降水做出更大貢獻(xiàn)；同時(shí)暖云層含水量充沛，為降水粒子碰并增長(zhǎng)提供有利的云水條件，且云底高度低，雨滴在下落至地面時(shí)蒸發(fā)較少。因此在冷暖云過(guò)程共同作用下，迎風(fēng)坡降水達(dá)到最強(qiáng)。

綜上所述，山區(qū)上空云體在垂直方向上基本滿足“催化—供給”云結(jié)構(gòu)，但云區(qū)中不同部位的微物理結(jié)構(gòu)是不同的。各層不同的水凝物配置結(jié)構(gòu)使得各微物理過(guò)程對(duì)降水的貢獻(xiàn)不同，高層冰相粒子較豐富時(shí)，以冷云過(guò)程為主，高層冰相粒子較少而暖區(qū)液水含量豐富時(shí)，以暖云過(guò)程為主。另外在山體的東部迎風(fēng)坡，地形云一方面促進(jìn)了過(guò)冷層冰相粒子的增長(zhǎng)，增強(qiáng)了冷云過(guò)程，另一方面深厚的暖云層又保障了暖云降水過(guò)程的發(fā)展，使得在冷暖云的共同作用下，山區(qū)東部產(chǎn)生較強(qiáng)降水。

6 六盤山地形對(duì)降水的影響

前文對(duì)云系發(fā)展演變的討論發(fā)現(xiàn)，低層低渦在東移過(guò)程中，受到六盤山地形阻擋，移動(dòng)速度明顯落后于高空槽，在靠近山脊的過(guò)程中，移動(dòng)路徑逐漸偏南，使得相互配合的低渦低槽系統(tǒng)逐步脫離，這不利于云和降水的發(fā)展。同時(shí)，低層氣旋的東南向氣流在山體東側(cè)受地形抬升形成地形云，在東部迎風(fēng)坡沿著地形高度出現(xiàn)了一條明顯的地形云帶。通過(guò)對(duì)微物理結(jié)構(gòu)和降水機(jī)制的分析得出，地形云使得東坡前期以暖云降水為主，隨后地形云向上發(fā)展，增加了冰水混合層中液水含量，為冰相粒子提供有利的增長(zhǎng)條件，從而增強(qiáng)了冷云過(guò)程。為了進(jìn)一步分析六盤山地形對(duì)降水的影響，將寧夏南部山區(qū)（包括六盤山在內(nèi)）內(nèi)高于1900 m 的地形高度統(tǒng)一設(shè)定為1900 m（如圖3中黑色虛線），進(jìn)行地形敏感試驗(yàn)，其他方案不變。當(dāng)降低地形高度后，山脈東部迎風(fēng)坡一側(cè)水汽輻合減弱，更多水汽集中到西側(cè)（圖略），使得迎風(fēng)坡累積降水減少，背風(fēng)坡累積降水略有增加（見(jiàn)圖3b和c）。下面選取迎風(fēng)坡的一個(gè)云單體對(duì)其結(jié)構(gòu)和降水源項(xiàng)進(jìn)行重點(diǎn)討論。

圖12給出了17:00水凝物比含水量沿六盤山站（35.67°N）的緯向垂直剖面圖，可以看出，氣流在越過(guò)迎風(fēng)坡時(shí)出現(xiàn)了明顯的爬升運(yùn)動(dòng)，水凝物在山前聚集，迎風(fēng)坡出現(xiàn)了較強(qiáng)降水。降低地形高度后，迎風(fēng)坡近地層的水平風(fēng)速減小，上升氣流減弱，低層水汽向上輸送減少，不利于云層的形成發(fā)展。對(duì)比降低地形前后迎風(fēng)坡C 處上空水凝物的垂直廓線分布（圖9c和圖13a）可以看出，降低地形高度后，主要影響了零度層下方暖云的形成，低層云水沒(méi)有足夠的動(dòng)力向上發(fā)展，云水呈現(xiàn)兩層結(jié)構(gòu)，低層最大云水含量?jī)H有去掉地形前的七分之一左右，零度層上方霰粒子的含量也受到影響。由前文分析可知，與過(guò)冷雨水的碰凍是霰粒子增長(zhǎng)的主要源項(xiàng)過(guò)程，降低地形高度后，雖然高層的冰晶和雪粒子含量略有增加，即霰胚的源項(xiàng)轉(zhuǎn)化率增加，但過(guò)冷云區(qū)的暖云過(guò)程減弱，過(guò)冷雨水的匱乏限制了霰粒子的進(jìn)一步增長(zhǎng)。最終地面產(chǎn)生的雨水最大含水量?jī)H為原本的五分之一。對(duì)比圖10b和圖13b C 處雨水的源項(xiàng)分布，降低地形高度后，迎風(fēng)坡降水基本來(lái)源于霰粒子的融化，云雨碰并增長(zhǎng)過(guò)程大大減弱。因此六盤山地形主要影響了迎風(fēng)坡的暖云降水過(guò)程，同時(shí)通過(guò)影響霰粒子的增長(zhǎng)間接影響了冷云過(guò)程。

由此可見(jiàn)，六盤山地形對(duì)該地區(qū)降水的影響十分明顯。近似南北走向的山脈，一方面影響了低層系統(tǒng)的移動(dòng)；另一方面地形的抬升促使迎風(fēng)坡水汽上升凝結(jié)，促進(jìn)云和降水的發(fā)展，增強(qiáng)暖云降水過(guò)程同時(shí)也增強(qiáng)冷云過(guò)程。

7 結(jié)論

圖12 2018年08月20日（a）降低地形前、（b）降低地形后17:00總的水凝物含水量（單位：g kg-1，陰影）、溫度（單位：°C，黑色虛線）和風(fēng)矢量（u,w×50）沿六盤山站（35.67°N）的緯向—垂直剖面Fig.12 Vertical sections of total water content(units:g kg-1,shaded)of hydrometeors,temperature(units:°C, black line)and wind(u,w×50)in simulated cloud along Liupan Mountain station (35.67°N)at 1700 BJT on August 21,2018:(a)Original altitude;(b)lower altitude

圖13 2018年08月21日17:00 C 點(diǎn)（降低地形后）上空（a）水凝物含水量（單位：g kg-1，紅色虛線為零度層）和（b）雨水源匯項(xiàng)垂直廓線分布（單位：10-3 g kg-1 s-1）Fig.13 Vertical profiles of (a) total water content (units:g kg-1)of hydrometeors and (b) rain sources(units:10-3 g kg-1 s-1)in the air above point C with lower altitudeat 1700 BJT on August 21,2018

本文應(yīng)用中尺度數(shù)值模式WRF對(duì)2018年8月21日發(fā)生在寧夏南部六盤山的一次強(qiáng)降水天氣過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，利用模擬結(jié)果進(jìn)行微物理量場(chǎng)的分析，探討六盤山區(qū)降水微物理結(jié)構(gòu)特征以及地形影響下的山地降水機(jī)制，初步得到以下結(jié)論：（1）本次降水過(guò)程在高空槽配合低渦的動(dòng)力場(chǎng)作用下形成，且隨著系統(tǒng)移動(dòng)，降水云系向東南移動(dòng)。強(qiáng)降水主要發(fā)生在寧夏南部六盤山區(qū)，降水持久，部分站點(diǎn)12小時(shí)累積降水達(dá)暴雨級(jí)別，山脈東側(cè)降水強(qiáng)于西側(cè)。（2）模擬云系分為高空的槽前云系與近地面的低渦云系，移動(dòng)方向?yàn)樽晕鞅毕驏|南，與實(shí)況一致。系統(tǒng)移動(dòng)過(guò)程中，受六盤山地形阻擋，低渦逐步落后于高空槽，降水云系形成條件變差。同時(shí)受低渦風(fēng)場(chǎng)的影響，在六盤山體東側(cè)迎風(fēng)坡，有東南并逐漸偏東向氣流經(jīng)地形抬升形成較強(qiáng)的地形云帶。（3）云體在垂直方向上呈現(xiàn)“催化—供給”的分層結(jié)構(gòu)：云內(nèi)高層是冰相，零度層上方是冰水混合相，暖區(qū)以液相為主，這樣結(jié)構(gòu)的云有利于降水的形成，是人工增雨作業(yè)的條件之一。但在云系的不同部位，水凝物垂直微物理結(jié)構(gòu)又存在較大差異，各層水凝物配置的不同，造成各微物理過(guò)程對(duì)產(chǎn)生降水的貢獻(xiàn)不同。（4）六盤山的迎風(fēng)坡效應(yīng)有利于山體東側(cè)降水的形成。云系發(fā)展初期，迎風(fēng)坡以暖云降水為主。隨著云系發(fā)展，上下云水層連成一體，過(guò)冷水含量豐富，碰凍過(guò)冷雨水是霰粒子增長(zhǎng)的主要來(lái)源；以霰粒子融化為主的冷云過(guò)程對(duì)降水有較大貢獻(xiàn)，同時(shí)低層豐富的云水區(qū)為降水粒子提供了有利的生長(zhǎng)條件，即在冷暖云過(guò)程共同參與下，迎風(fēng)坡產(chǎn)生較強(qiáng)降水。（5）六盤山地形對(duì)云和降水的形成發(fā)展有較明顯的影響。地形抬升作用促使迎風(fēng)坡水汽上升凝結(jié)，形成深厚的云水層。降低地形高度后，水汽沒(méi)有足夠的動(dòng)力向上輸送，云水層含水量減少，暖云過(guò)程減弱，同時(shí)過(guò)冷水含量減少限制了冰相粒子的增長(zhǎng)，從而也影響了冷云過(guò)程。