趙德龍，金蓮姬，覃軍，付丹紅

(1.南京信息工程大學中國氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點開放實驗室，江蘇南京210044;2.中國地質(zhì)大學，湖北武漢430074;3.中國科學院大氣物理研究所，北京100029)

0 引言

2008年1—2月，我國南方大部地區(qū)發(fā)生了持續(xù)性嚴重冰凍災害，造成巨大經(jīng)濟損失，其中直接經(jīng)濟損失達到1 500多億元，對人民生活造成了嚴重影響。針對此次持續(xù)性冰凍災害的大尺環(huán)境背景，國內(nèi)進行了大量的研究，結(jié)果表明，歐亞大陸大氣環(huán)流異常、亞洲中高緯阻塞高壓以及切斷低壓穩(wěn)定維持是冰凍天氣形成的重要大尺度環(huán)流背景，而南支槽與長江流域準靜止鋒的共同作用形成了有利于凍雨形成和發(fā)展的大氣層結(jié)條件(丁一匯等，2008;孫建華和趙思雄，2008;陶詩言和衛(wèi)捷，2008;陶祖鈺等，2008;王東海等，2008;楊貴名等，2008;趙思雄和孫建華，2008)。

冰凍天氣作為重要的氣象災害性天氣，國外對其研究相對較早(Brooks，1920;Ronald and King，1987;Huffman and Norman，1988;John，2000;Rauber et al.，2000)，認為凍雨的形成機制可分為融冰機制和過冷云機制(暖云過程)，即通過融化過程形成的凍雨為融冰機制，而云中冰相不發(fā)展，水滴通過碰并過程增長形成的過冷卻雨滴產(chǎn)生的凍雨為過冷云機制。國內(nèi)對于凍雨的研究相對較晚，主要是針對凍雨形成條件的統(tǒng)計分析(陳天錫等，1993;呂勝輝等，2004;周后福等，2004;朱明輝等，2006;何玉龍等，2007)。其中周后福等(2004)簡述了江淮地區(qū)雨凇的時空分布，認為雨凇的形成必須是暖層、冷層同時存在，具有“先暖后冷型”和“先冷后暖型”的特點，即大氣存在逆溫層結(jié)構(gòu)。朱明輝等(2006)統(tǒng)計分析了南岳雨凇，發(fā)現(xiàn)凍雨發(fā)生時地面氣溫一般穩(wěn)定維持在0℃左右。以上這些工作主要研究了我國南方地區(qū)凍雨形成的大氣層結(jié)條件，而針對我國南方地區(qū)凍雨形成的微物理機制以及污染氣溶膠作為云凝結(jié)核(CCN，cloud condensation nuclei)對凍雨天氣的影響的研究相對較少。本文主要通過數(shù)值模擬研究2008年1月18日00時至23日00時(世界時，下同)一次冰凍天氣過程，目的在于分析此次凍雨的微物理形成機制以及污染氣溶膠對云結(jié)構(gòu)和凍雨的影響，這對了解城市污染對冰凍災害天氣的影響以及提高預報水平都有著重要意義。

1 模式設(shè)計

本文采用可分辨云模式(WRF3.1)，對2008年1月18—21日貴陽地區(qū)附近低溫雨雪冰凍天氣過程進行模擬分析，初始場為NCEP 1°×1°GRIB資料。模擬區(qū)域中心位置為106.73°E、26.90°N，水平格距為4 km，格點數(shù)為181×153，垂直方向為η坐標。積云參數(shù)化方案采用Kain-Fritsch方案，顯式方案為WRF Double-Moment 6-class方案，陸面過程采用NLSM(Noah Land Surface Model)。采用LAMBERT地形投影，行星邊界層方案為Yonsei University scheme，以及大氣輻射方案為RRTM和Dudhia scheme，側(cè)邊界為時變松弛邊界條件，下墊面為NCAR 24類地表特征數(shù)據(jù)。顯式云方案(WDM6)包含水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰，考慮了云凝結(jié)核CCN的影響。

其中:SCCN為CCN產(chǎn)生率;Ncact為云凝結(jié)核數(shù)活化率;Ncevp為云滴蒸發(fā)產(chǎn)生的云凝結(jié)核數(shù)濃度。

其中:n為總的CCN數(shù)濃度;NC為云滴數(shù)濃度;SW為過飽和度;Smax為最大過飽和度;k為常數(shù);qc為云水混合比;Pcond為水汽凝結(jié)(云水蒸發(fā))率。初始云凝結(jié)核(CCN)濃度按照數(shù)量濃度分布將其分為清潔型和污染型，分別為1×108m－3和15×108m－3。圖1為模擬區(qū)域及地形高度分布。

圖1 模擬區(qū)域及地形高度分布(單位:m)Fig.1 The simulated field and terrain height distribution(units:m)

2 個例介紹

根據(jù)中國氣象局的觀測資料(圖2)顯示，受貝加爾湖至里海的橫槽和南支槽的共同影響，2008年1月18—23日，江蘇、安徽、湖北、江西北部多為暴雪或者雨夾雪天氣，而我國的貴州、湖南、廣西東北部等地出現(xiàn)了凍雨天氣(圖2中黃色陰影區(qū))。根據(jù)地面資料(圖略)可知，凍雨主要集中18—21日，貴陽持續(xù)凍雨、桂林附近和長沙凍雨伴隨著小雨和雨夾雪天氣。

凍雨的形成與對流層中下層的層結(jié)條件有著必然的關(guān)系。圖3為貴陽和桂林高空站觀測的大氣層結(jié)特征?？梢?，1月18—21日貴陽地區(qū)750 hPa以下為冷層(低于0℃)，存在明顯的逆溫層，750～650 hPa表現(xiàn)為暖層，低層相對濕度達到80%以上，此時貴陽地區(qū)近地面平均溫度為－4℃，相對較低，由于低于0℃的冷層相對淺薄，形成過冷雨水。桂林地區(qū)大氣溫度相對較高，在950～900 hPa出現(xiàn)低于0℃的冷層，相對濕度大于90%，凍雨發(fā)生時，桂林地面平均溫度維持在0℃。

圖2 2008年1月18—23日全國降水量實況(單位:mm)Fig.2 The precipitation from 18 to 23 January 2008 in China(units:mm)

圖3 2008年1月18—21日貴陽(a)和桂林(b)探空觀測的溫度(實線;單位:℃)及相對濕度(虛線;單位:%)Fig.3 Temperature(℃;solid line)and relative humidity(%;dashed line)from sounding from 18 to 21 January 2008 at(a)Guiyang and(b)Guilin

3 模擬結(jié)果分析

3.1 地面降水特征和云結(jié)構(gòu)特征

3.1.1 地面降水特征

從模擬的累積降水量分布(圖4)可以看到，清潔大氣下強降水中心位于貴州東部和廣西東北部地區(qū)，最大累積降水量均達到20 mm以上(圖4a)，污染空氣下貴州東部地區(qū)大于20 mm的強降水范圍略有增大，而廣西東北部降水相對減弱，最大累積降水量約為15 mm(圖4b)。從觀測的降水量分布(圖2)可以看到，在貴州東部(約109°E，27°N)降水量為10 mm以上，而廣西東北部(約109.5°E，5.7°N)降水量小于10 mm。由于觀測站數(shù)量較少而模式分辨率相對較高，模擬的降水量略大于觀測的降水量，但從強降水的位置分布來看，污染大氣條件下的模擬結(jié)果與觀測結(jié)果(圖2)更為接近。

從區(qū)域平均累積降水量隨時間的變化(圖5)可以看到，在降水初期，氣溶膠濃度的增加對區(qū)域降水的影響不大，隨著降水的發(fā)展，污染氣溶膠導致的區(qū)域平均累積降水量減小，污染氣溶膠對區(qū)域降水有一定的抑制作用。

圖4 2008年1月18—21日模擬的累積降水量(單位:mm)a.清潔空氣;b.污染大氣Fig.4 The simulated accumulated precipitation from 18 to 21 January 2008 in(a)clean air and(b)polluted air(units:mm)

圖5 模擬的平均累積降水量隨時間變化Fig.5 The change of the average simulated accumulated precipitation with time

3.1.2 云結(jié)構(gòu)特征

氣溶膠可以通過參與云中的微物理過程來改變云的物理特征，從而影響降水(Ramanathan et al.，2001)。為了驗證上述結(jié)果，同時也為了研究污染氣溶膠對凍雨形成的云特征是否有影響，下面將詳細分析模擬區(qū)域(103.2～110.0°E，24.37～29.50°N)云中云滴、雨滴數(shù)濃度、雪粒子和霰的最大值隨時間高度的演變。

從圖6a、6b可以看出，清潔空氣下的云滴數(shù)濃度最大為8.0×108kg－1，污染空氣下為1.2×1010kg－1，污染氣溶膠的增加有利于云水的形成，導致云滴增多。從雨滴分布(圖6c、6d)來看，清潔大氣的雨滴數(shù)濃度最大達到了8.0×105kg－1，污染大氣的雨滴數(shù)濃度最大為4.0×105kg－1，清潔空氣下的雨滴數(shù)濃度明顯大于污染空氣下的雨滴數(shù)濃度，可見，污染氣溶膠不有利于雨水的形成。

污染氣溶膠的增加對云中冰晶最大含量的影響相對較小(圖略)，這是因為微物理過程中氣溶膠僅作為CCN。在云系發(fā)展初期，污染氣溶膠通過云內(nèi)的微物理過程導致云內(nèi)雪含量最大值減小，隨著云系的發(fā)展，污染氣溶膠對云內(nèi)雪含量最大值的影響相對較小(圖6e、f)。

從霰粒子分布(圖6g、h)可以看到，污染氣溶膠使得云內(nèi)霰粒子含量增多，云滴數(shù)濃度的增加使得冰相粒子撞凍過冷水這一過程進行的更加充分，利于霰的產(chǎn)生。由此可見，污染氣溶膠不利于雨水以過冷卻形式存在，進而抑制了凍雨的產(chǎn)生。

3.2 污染大氣氣溶膠對凍雨及其形成過程的影響

從上述分析可以看出，污染氣溶膠的增加，使得云中冰相粒子增加，相應減少了液態(tài)降水，進而抑制了凍雨的產(chǎn)生。為了進一步分析污染氣溶膠對區(qū)域凍雨的影響，圖7a、7b分別給出了清潔和污染空氣下凍雨累積降水量分布?？梢姡瑑鲇曛饕霈F(xiàn)在貴州地區(qū)的東南部。清潔空氣下，凍雨累積降水量最大達到20 mm以上，而污染大氣情況下，凍雨累積降水量最大僅為12 mm。從凍雨分布來看，清潔空氣下的貴州南部地區(qū)還有零散的降水區(qū)，而污染空氣下很少。由此可見，氣溶膠濃度的增加對凍雨的降水范圍與強度有明顯的抑制作用。從3 h最大凍雨累積強度值隨時間和緯度的變化(圖8)可以看到，降水初期，氣溶膠對凍雨的影響也相對較小，隨著凍雨的發(fā)展，污染氣溶膠使得強凍雨中心的范圍減小，大于2 mm的凍雨降水量明顯減少，氣溶膠濃度的增加對凍雨強度有明顯的減弱作用。

圖6 2008年1月18—21日模擬的清潔(a、c、e、g)、污染(b、d、f、h)空氣下模擬區(qū)域中(103.2～110.0°E，24.37～29.50°N)各個參數(shù)最大值隨時間高度的變化a、b.云滴數(shù)濃度(kg－1);c、d.雨滴數(shù)濃度(kg－1);e、f.雪混合比(g·kg－1);g、h.霰混合比(g·kg－1)Fig.6 Time evolution of(a，b)cloud water number concentration(units:kg－1)，(c，d)rain number concentration(units:kg－1)，(e，f)snow mixing ratio(units:g·kg－1)and(g，h)graupel mixing ratio(units:g·kg－1)in(a，c，e，g)clean and(b，d，f，h)polluted air from 18 to 21 January 2008

凍雨為低于0℃的液態(tài)降水，且局地因素對凍雨的形成有著重要作用(Bernstein，2000)。觀測表明，貴陽地區(qū)的凍雨主要出現(xiàn)在1月19—20日。從清潔大氣的模擬結(jié)果(圖9a)可以看到，云內(nèi)最大云水含量為0.4 g·kg－1，位于18日12時750 hPa左右，最大雨水含量為0.1 g·kg－1，位于18—20日的750 hPa以下，云內(nèi)冰相粒子主要位于低層的冷層，這表明雨水主要通過暖云過程形成，而不是由冰相粒子融化產(chǎn)生，因此貴陽地區(qū)的凍雨主要通過過冷卻暖云機制形成。而在污染大氣條件下，低層過冷云水增加，過冷卻雨水減少，而雪和霰粒子含量均增加，地面以固態(tài)降水為主(圖9b)。因此，污染氣溶膠使得云內(nèi)微物理過程發(fā)生變化，不利于凍雨的形成。

4 結(jié)論

對2008年1月18—21日一次冰凍災害天氣進行數(shù)值模擬，分析了污染氣溶膠對冰凍災害天氣和凍雨形成過程的影響，得到以下結(jié)論:

1)模擬的污染空氣下的降水雖然比實況偏強，但整體分布與實況較接近;而清潔空氣下區(qū)域平均降水量大于污染空氣下情況，污染氣溶膠對此次冰凍天氣的區(qū)域降水有一定的抑制作用。

2)污染氣溶膠對凍雨的影響相對較大，有明顯的抑制作用。污染氣溶膠使得凍雨的降水范圍減小，其次對相對較強的凍雨降水有明顯的消弱作用。

圖7 2008年1月18—21日模擬的清潔(a)和污染(b)大氣下累積凍雨降水量(單位:mm)Fig.7 The simulated accumulated freezing precipitation from 18 to 21 January 2008 in(a)clean air and(b)polluted air(units:mm)

圖8 模擬區(qū)域(103.2～110.0°E)經(jīng)向3 h最大凍雨強度變化(單位:mm)a.清潔大氣;b.污染大氣Fig.8 Changes of the 3 h maximum freezing-rain intensity in the model area(103.2—110.0°E)(units:mm)a.clear air;b.polluted air

3)從云微物理角度考慮，氣溶膠的增加，增大了CCN濃度，使得云內(nèi)最大云水含量增加，最大雨水含量減少，最大雪含量減小，而對于云內(nèi)霰粒子最大含量有明顯的增加作用。

4)貴陽地區(qū)凍雨形成機制為過冷云機制(暖云機制)，污染氣溶膠使得最大云內(nèi)霰粒子含量增多，云滴數(shù)濃度的增加使得冰相粒子撞凍過冷水這一過程進行的更加充分，導致地面以固態(tài)降水為主，抑制了凍雨的產(chǎn)生。

本文嘗試分析了污染氣溶膠對冰凍降水的影響，由于受實測資料和模式限制，尚需更加深入研究。隨著城市化的發(fā)展越來越大，污染氣溶膠對于天氣影響越來越明顯，在進行冰凍天氣預報時，應該考慮到城市氣溶膠的影響。

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