王巍巍，李艷偉

(南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044)

0 引言

大范圍的暴雨和特大暴雨往往是由較為深厚的層狀云和嵌入其內(nèi)的對(duì)流云組成的積層混合云產(chǎn)生的(黃美元和洪延超，1984;李子華等，1986;Tian，1991;劉黎平等，2004;張?jiān)频龋?008)。從人工增雨作業(yè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，積層混合云是人工增雨作業(yè)的有利對(duì)象(白卡娃，1999;陳寶君等，2005)。對(duì)于積層混合云的降水特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了一系列研究工作。黃美元等(1986)通過二維時(shí)變模擬指出，層狀云環(huán)境給積云提供良好的發(fā)展條件，對(duì)積云的發(fā)展和降水量的增大起促進(jìn)作用，有利于產(chǎn)生高強(qiáng)度的降水。但也有觀測(cè)給出不同的觀點(diǎn)，如Frederic et al.(1993)研究發(fā)現(xiàn)，層狀云降水會(huì)破壞弱對(duì)流云結(jié)構(gòu)，削弱其對(duì)流的發(fā)展。宮福久等(1997)、袁成等(2001)利用地面雨滴譜儀觀測(cè)分析了層狀云、積層混合云、積雨云三種云的雨滴譜特征，結(jié)果表明:積層混合云的雨滴數(shù)密度量級(jí)處于層狀云和積雨云之間，滴譜較寬，云內(nèi)結(jié)構(gòu)不均勻。Houze and Churchill(1987)、崔蓮等(2001)、張佃國(guó)等(2007)、劉瑩瑩等(2012)利用飛機(jī)探測(cè)資料分析了云內(nèi)微物理結(jié)構(gòu)，認(rèn)為云內(nèi)微物理結(jié)構(gòu)在水平和垂直方向上都存在一定的起伏變化，具有明顯的空間分布不均勻性。數(shù)值模擬結(jié)果亦有類似結(jié)論(鄒倩等，2008;于翡和姚展予，2009)。

上述研究多集中于積層混合云成型階段的結(jié)構(gòu)特征和微物理特性。此外，積層混合云形成過程的研究也取得一些有意義的結(jié)果，如:James and Kevin(2003)通過多單體風(fēng)暴的模擬結(jié)果指出，單體間距為行星邊界層厚度的0.75倍有利于并合過程發(fā)生;李艷偉等(2009a，2009b)研究貴州地區(qū)山地對(duì)流云發(fā)現(xiàn)，距離較近的對(duì)流單體在傳播移動(dòng)過程中很容易跨接、合并、擴(kuò)大、層化，并進(jìn)一步發(fā)展形成范圍寬廣的片狀或帶狀云系(即積層混合云)，能夠帶來大面積、長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的降水。

山西省太原市地處山西高原，東、西、北三面環(huán)山，地形復(fù)雜，干旱是該地春夏之交較為多發(fā)的氣象災(zāi)害之一。低壓倒槽系統(tǒng)是有利于形成大范圍降水的天氣條件，研究該天氣條件下云系的形成、發(fā)展特點(diǎn)，抓住有效時(shí)機(jī)，開展人工增雨作業(yè)，能夠有效緩解旱情，減少干旱造成的損失。為此，本文以2009年5月9日下午到10日凌晨發(fā)生在太原及周邊地區(qū)的一次降水過程為例進(jìn)行模擬，利用模擬結(jié)果以及常規(guī)氣象資料、雷達(dá)資料分析了本次降水過程的大氣環(huán)流背景和云系發(fā)展過程。

1 天氣環(huán)流背景及雷達(dá)回波

1.1 影響系統(tǒng)

5月9日500 hPa歐亞大陸中緯度烏拉爾山以東為一阻塞高壓，新疆西北部維持一低壓(圖略)，冷空氣沿槽后西北氣流向內(nèi)陸輸入。青藏高原東部不斷有短波槽產(chǎn)生，9日夜間太原地區(qū)有一短波小槽過境。850 hPa太原地區(qū)位于一東北—西南走向的冷式切變線北側(cè)，該切變線從四川向東北延伸，經(jīng)山西南部、山東和河北交界處，至遼寧境內(nèi)。切變線有利于不穩(wěn)定能量的積累。切變線南側(cè)的低空急流為降水的發(fā)生提供充沛水汽。9日11時(shí)，我國(guó)中東部地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)呈現(xiàn)高—低—高分布(圖1)，內(nèi)蒙古、蒙古交界處有一高壓，四川一直到山西南部、河南、山東等地為一大范圍的低壓倒槽區(qū)，東南部海面為高壓。由于兩處高壓勢(shì)力相當(dāng)(王西磊等，2009)，整個(gè)氣壓場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定。穩(wěn)定的低壓區(qū)為該地區(qū)提供了上升氣流。同時(shí)，華北地區(qū)地面有一條近似東西向分布的弱冷鋒，正緩慢向南移動(dòng)，該冷鋒于9日夜間經(jīng)過太原。上述分析表明，高低空的環(huán)流配置有利大范圍降雨過程發(fā)生。

圖1 2009年5月9日11時(shí)海平面氣壓場(chǎng)(等值線;單位:hPa)、17時(shí)地面冷鋒(粗實(shí)線)以及08時(shí)850 hPa切變線(粗虛線)和850 hPa低空急流(箭矢)Fig.1 The synoptic chart of sea level pressure field(contours;units:hPa)at 11:00 BST，ground cold front(thick solid line)at 17:00 BST，850 hPa shear line(thick dashed line)at 08:00 BST，and 850 hPa low level jet(arrows)at 08:00 BST 9 May 2009

1.2 雷達(dá)回波特征

太原雷達(dá)站位于 112.6°E、37.7°N，海拔高度為817 m，探測(cè)距離為150 km，涵蓋太原及鄰近地區(qū)。9日11時(shí)(圖2a)，太原西南側(cè)開始有強(qiáng)度小于30 dBz的單個(gè)回波生成，并向東偏北方向移動(dòng)。移動(dòng)過程中，距離較近的回波發(fā)生并合。14時(shí)，有一較強(qiáng)回波群向雷達(dá)中心移動(dòng)，并與前方小回波群并合(圖2b)。18:17該回波群與來自太原北部的小回波逐漸并合，并迅速發(fā)展，基本覆蓋整個(gè)雷達(dá)監(jiān)測(cè)界面。但強(qiáng)回波區(qū)(≥30 dBz)較為零碎，一直到22時(shí)在雷達(dá)站西側(cè)才形成兩個(gè)范圍較大的回波區(qū)，23:28強(qiáng)回波覆蓋面積達(dá)到最大(圖2c)。沿圖2c黑色虛線作雷達(dá)回波的垂直剖面(圖2d)，可以看出，有若干強(qiáng)單體回波鑲嵌在層狀云回波中，強(qiáng)回波區(qū)集中在3 km左右的高度，最大回波強(qiáng)度達(dá)到45 dBz，整個(gè)回波頂部較為平坦，無明顯起伏，屬典型的積層混合云降水回波(宮福久等，2006)。

2 模擬方案

單站雷達(dá)探測(cè)范圍有限，難以反映積層混合云完整的發(fā)展過程。而中尺度天氣預(yù)報(bào)模式WRF(Weather Research Forecasting)對(duì)各種中尺度天氣系統(tǒng)有較好的預(yù)報(bào)性能，在業(yè)務(wù)試驗(yàn)預(yù)報(bào)和科學(xué)研究中得到應(yīng)用廣泛，對(duì)積層混合云云系造成的大范圍降水也有較好的模擬能力(Li and Niu，2012)，因此本文采用該模式對(duì)本次過程進(jìn)行模擬。選取相應(yīng)時(shí)段的NCEP/NCAR(the National Centers for Environmental Prediction and the National Center for Atmospheric Research)1°×1°GRIB資料為模式初始場(chǎng)。以112°E、38°N為中心，采用二重嵌套網(wǎng)格，粗、細(xì)網(wǎng)格分辨率分別為12 km和4 km。各方案選擇如下:積云參數(shù)化方案為Kain-Fritsch(new Eta);邊界層方案為Schemeysu scheme;微物理方案采取Lin方案;考慮云和地面湍流通量對(duì)輻射的影響，長(zhǎng)波輻射采用 rrtm scheme方案，短波采用 Dudhia scheme方案。

圖2 2009年5月9日11:49(a)、14:02(b)和23:28(c)太原雷達(dá)回波分布(仰角1.5°)以及沿圖2c中黑色虛線的雷達(dá)回波反射率垂直剖面(單位:dBz)Fig.2 Radar echo reflectivity of Taiyuan at 1.5°elevation at(a)11:49 BST，(b)14:02 BST and(c)23:28 BST 9 May 2009，and(d)PPI radar reflectivity along the black dashed line in Fig.2c(units:dBz)

3 模擬結(jié)果

3.1 模擬的雷達(dá)回波比較

在數(shù)值模式第二層嵌套網(wǎng)格輸出結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文對(duì)雷達(dá)回波的產(chǎn)生、演變情況進(jìn)行了分析，并與實(shí)際雷達(dá)回波特征進(jìn)行比較。為清楚起見，圖3給出了該地區(qū)數(shù)值模式中的地形高度分布，其中南北走向的呂梁山脈位于太原盆地的西側(cè)，太岳山位于盆地的東南側(cè)。受山體熱力對(duì)流的影響，9日10:20有多個(gè)獨(dú)立小回波在太原西部呂梁山脈(111°E左右)和南部太岳山(112°E左右)附近開始生成(圖4a)。呂梁山山脈回波大致分布在一條南北向線上，最大強(qiáng)度可達(dá)40 dBz，水平尺度在幾km至十幾km。小回波不斷發(fā)展、并合，形成兩個(gè)較大回波群。太岳山的回波形狀也與山形類似，由于受到切變氣流影響，回波迅速發(fā)展，回波最強(qiáng)達(dá)50 dBz以上。同時(shí)，受地面低壓倒槽和切變線西部及500 hPa西南向引導(dǎo)氣流影響，大片回波經(jīng)由陜西中部不斷向東北移動(dòng)(圖4a、b左下角回波)。三個(gè)回波區(qū)在向東北方向移動(dòng)的過程中，有逐漸連接成片的趨勢(shì)(圖4c、d)。比較相近時(shí)次的圖2c和圖4g發(fā)現(xiàn)，太原站回波的位置和強(qiáng)度都模擬得比較接近，但西南方向回波偏弱?？傮w來看，模擬的雷達(dá)回波開始生成、移動(dòng)方向、強(qiáng)度、覆蓋面積、消散等基本與實(shí)際降水過程的雷達(dá)回波相匹配。

圖3 模式中地形高度分布(單位:m;陰影處地形高度大于等于1 000 m)Fig.3 Terrain height in the model(units:m;the shadings denote values greater than or equal to 1 000 m)

3.2 并合過程

從整個(gè)降水過程中雷達(dá)回波的演變可以看到，本次積層混合云的形成包括多個(gè)并合過程，主要有對(duì)流單體并合、積云團(tuán)并合、積層混合云內(nèi)強(qiáng)中心的并合。

3.2.1 對(duì)流單體并合

以圖4a的多個(gè)對(duì)流單體發(fā)展為例，可見:受到呂梁山地形抬升作用，A1、A2、A3、A4四個(gè)對(duì)流單體在山體上逐漸發(fā)展起來。垂直方向上以上升氣流為主，對(duì)流層中下層僅有微弱的下沉氣流(圖5a)，隨著上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，對(duì)流加強(qiáng)，有降水產(chǎn)生。由于降水物的拖曳作用，在下部產(chǎn)生下沉氣流(如A1和A2之間，A2和A3之間;圖5b)，相鄰兩個(gè)單體之間的下沉氣流，填補(bǔ)上升氣流造成的“密度流失”，使得相鄰兩個(gè)單體的中上部發(fā)生傾斜，有利于單體的并合過程發(fā)生。A2與A3先并合，后又與A1并合成較大的對(duì)流單體群。并合后，單體上升速度有不同程度的增長(zhǎng)。以A2為例，并合前單體最大速度為1.8 m/s，并合后最大速度為2.7 m/s，有效地延長(zhǎng)了單體生命周期。與大尺度強(qiáng)對(duì)流造成的上升運(yùn)動(dòng)(閻鳳霞等，2005)相比，這種局地發(fā)展的對(duì)流單體垂直速度要比前者低一個(gè)量級(jí)。

從云水總含量隨高度分布(圖6)來看，并合前對(duì)流單體含水量較小，最大值為1.0 g/kg，最大值中心在650 hPa左右(0℃線以下)，云中以云水、雨水含量為主，各個(gè)單體之間，界限明顯(圖6a)。隨著并合過程發(fā)生，并合后的對(duì)流單體最大含水量達(dá)2.0 g/kg，最大值中心高度在650～600 hPa之間，個(gè)別在500 hPa即0℃線以上(圖6b)。如果以0.1 g/kg云總含水量值作為云體輪廓，那么，并合前對(duì)流單體云頂高度不到400 hPa，而并合后的積云團(tuán)云頂高度達(dá)300 hPa左右，個(gè)別可達(dá)200 hPa。并合過程一般在單體行進(jìn)方向的左側(cè)，并合位置發(fā)生在700～500 hPa之間。表1給出了云水、雨水、冰晶、雪、雹等各量混合比。可見，并合后各個(gè)物理量都有不同程度的增長(zhǎng);并合后，由于對(duì)流高度增高，云砧發(fā)展，使得高空300 hPa冰晶含量增多。

圖4 模擬的5 月9 日10:20(a)、11:50(b)、12:40(c)、13:10(d)、19:40(e)、20:20(f)和23:30(g)700 hPa雷達(dá)回波圖及風(fēng)場(chǎng)分布(黑三角號(hào)為太原雷達(dá)所在位置)Fig.4 The simulated 700 hPa radar reflectivity and wind at(a)10:20 BST，(b)11:50 BST，(c)12:40 BST，(d)13:10 BST，(e)19:40 BST，(f)20:20 BST，and(g)23:30 BST 9 May(the black triangle is the location of Taiyuan radar)

圖5 5月9日10:20(a)和11:50(b)風(fēng)矢量(v·5w;箭矢;單位:m/s;)和相對(duì)濕度(實(shí)線;單位:%)沿111.15°E的垂直剖面Fig.5 Vertical sections of wind vector(v·5w;arrows;units:m/s)and relative humidity(solid lines;units:%)along 111.15°E at(a)10:20 BST and(b)11:50 BST 9 May

圖6 5月9日10:20(a)和11:50(b)總云水混合比沿111.15°E垂直剖面(單位:g/kg)以及0℃和－20℃溫度線Fig.6 Vertical sections of total cloud water mixing ratio(units:g/kg)along 111.15°E and the two temperature lines denoting 0℃and－20℃at(a)10:20 BST and(b)11:50 BST 9 May

表1 圖6中各單體對(duì)應(yīng)的云水、雨水、冰晶、雪、霰混合比最大值Table 1 The maximum of cloud water，rain water，ice crystal，snow and graupel mixing ratio of convection cells in Fig.6 g/kg

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)流單體合并后，由于湍流作用，云體外部物理量發(fā)生變化，但各單體的個(gè)體特征仍然明顯，且這種單體之間的并合并不穩(wěn)定，受到環(huán)境影響就會(huì)分開。從不穩(wěn)定能量的計(jì)算結(jié)果來看，以對(duì)流單體A1為例，不穩(wěn)定能量并合時(shí)達(dá)到最大(圖7a)。由該時(shí)段假相當(dāng)位溫隨高度的變化(圖7b)可見，對(duì)流層低層700 hPa以下一直維持大范圍對(duì)流性不穩(wěn)定，有利于對(duì)流的維持和新對(duì)流的產(chǎn)生。

3.2.2 積云團(tuán)合并

圖7 單體A1中心對(duì)流有效位能隨時(shí)間的變化(a;單位:J/kg)以及11:50假相當(dāng)位溫沿115.15°E的垂直剖面(b;單位:K)Fig.7 (a)Temporal evolution of convective available potential energy(units:J/kg)of single cell A1，and(b)vertical section of pseudo-equivalent potential temperature(units:K)along 115.15°E at 11:50 BST

圖4c、4d顯示了在呂梁山脈和太岳山脈上發(fā)展起來的兩個(gè)較大的積云團(tuán) B1、B2的并合過程。12:40呂梁山脈發(fā)展的積云團(tuán)B1已移至海拔高度較低的盆地上空，內(nèi)部正垂直速度分成上下兩個(gè)中心(圖8a)，云體左側(cè)出現(xiàn)較強(qiáng)下沉氣流，正處于減弱階段。由于切變氣流的加強(qiáng)，太岳山脈的積云團(tuán)B2正處于發(fā)展階段。兩個(gè)積云團(tuán)的水平尺度約為1個(gè)經(jīng)緯距。B1積云團(tuán)移動(dòng)較快，13:10追趕上太岳山脈積云團(tuán)B2，兩者連成一體。太岳山脈積云團(tuán)上層的上升氣流與呂梁山脈積云團(tuán)內(nèi)的上升氣流發(fā)生貫通，加劇了太岳山脈積云團(tuán)的上升運(yùn)動(dòng)，B2最大上升速度從2.1 m/s突增到7.0 m/s以上(圖8b)，總云水含量中心較大值面積迅速擴(kuò)大(圖9a、b)。強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)把低層的液態(tài)水帶到高空形成霰粒子，使得B2中霰、雨水的含量增幅較大(表2)，更加有利于強(qiáng)降水發(fā)生。600 hPa以上，在兩積云團(tuán)之間存在著水平風(fēng)場(chǎng)輻合(圖10)，有利于水汽聚集，加快垂直的運(yùn)動(dòng)發(fā)展。積云團(tuán)并合時(shí)也伴隨不穩(wěn)定能量的大幅增長(zhǎng)(圖略)。呂梁山脈積云團(tuán)B1在并合后迅速減弱、消散。

本次過程幾個(gè)積云團(tuán)并合個(gè)例研究表明:如果有兩個(gè)發(fā)展階段接近的云團(tuán)合并，則兩者的強(qiáng)度都有小幅增加;如果是發(fā)展階段和減弱階段的云團(tuán)合并，則發(fā)展階段云團(tuán)瞬間增強(qiáng)，消散階段云團(tuán)漸弱，甚至消亡。在對(duì)流單體、積云團(tuán)逐漸減弱階段，雨水、霰中心逐漸消失，但云水、冰晶和雪中心仍然存在，出現(xiàn)積云層化的特征(圖略)，并與后方云系連接，進(jìn)而擴(kuò)大整個(gè)云系的覆蓋范圍。

3.2.3 積層混合云特征

圖8 垂直速度沿圖4c、4d所示直線的垂直剖面(單位:m/s;陰影表示負(fù)垂直速度) a.12:40;b.13:10Fig.8 Vertical sections of vertical speed(units:m/s)along the lines in(a)Fig.4c at 12:40 BST and(b)Fig.4d at 13:10 BST(shadings denote negative vertical speed)

圖9 總云水混合比沿圖4c、4d所示直線的垂直剖面(單位:g/kg;陰影表示值大于等于0.01 g/kg)以及0℃和－20 ℃溫度線 a.12:40;b.13:10Fig.9 Vertical sections of total cloud water mixing ratio(units:g/kg)along the lines in(a)Fig.4c at 12:40 BST and(b)Fig.4d at 13:10 BST(the shadings denote values greater than or equal to 0.01 g/kg)，and the two temperature lines denoting 0℃and－20℃

表2 圖9中各單體對(duì)應(yīng)的云水、雨水、冰晶、雪、霰混合比最大值Table 2 The maximum of cloud water，rain water，ice crystal，snow，graupel mixing ratio in Fig.9 g/kg

圖10 5月9日13:10散度沿圖4d所示直線的垂直剖面(單位:10－4s－1)Fig.10 Vertical section of divergence along the line inFig.4d at 13:10 BST 9 May(units:10 －4s－1)

因5月9日夜間有弱冷鋒過境，太原北部有較強(qiáng)回波生成，并向偏西方向移動(dòng)，與西南方向移來的地面倒槽系統(tǒng)形成的回波群匯合，形成大片的積層混合云回波，并有多個(gè)大于40 dBz的強(qiáng)中心。沿圖4e、4f所示直線作總含水量的垂直剖面(圖11)，可見云頂(總含水量為0.01 g/kg)較為平坦，垂直方向厚度較大，云內(nèi)鑲嵌多個(gè)對(duì)流中心。地形有利于對(duì)流中心強(qiáng)度增加。對(duì)流中心在云體內(nèi)也不時(shí)發(fā)生并合，并合后中心強(qiáng)度略減，但高值覆蓋面積有所增加，有利于有效降水面積的擴(kuò)大。同時(shí)冰晶數(shù)量明顯多于對(duì)流單體和積云團(tuán)(圖略)。此時(shí)，由于不穩(wěn)定能量要遠(yuǎn)低于日間山體對(duì)流產(chǎn)生回波的不穩(wěn)定能量(圖12)，所以對(duì)流發(fā)展較低。隨冷鋒后冷空氣影響加強(qiáng)，水汽來源被切斷，降水過程結(jié)束，云體消散。

4 結(jié)論

利用雷達(dá)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)發(fā)生在太原及周邊地區(qū)的一次積層混合云的形成過程進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論:

1)低壓倒槽、弱冷鋒是本次積層混合云降水的主要影響系統(tǒng)，山地的存在有利于初始階段對(duì)流單體的生成和加強(qiáng)。積層混合云的形成包括多個(gè)并合過程:對(duì)流單體并合、積云團(tuán)并合、層積云內(nèi)部強(qiáng)中心并合過程。并合過程有利于云系擴(kuò)大。

2)在環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的影響下，距離較近的對(duì)流單體易發(fā)生并合，但此種并合的穩(wěn)定性較差，并合后各單體的個(gè)體特征仍然明顯。積云團(tuán)的并合可以帶來較強(qiáng)烈的天氣，特別是減弱階段的積云團(tuán)和發(fā)展階段的積云團(tuán)并合后可導(dǎo)致爆發(fā)性增長(zhǎng)，垂直速度呈現(xiàn)跨越式增強(qiáng)，總云水含量特別是霰、雨水的含量大幅增長(zhǎng)。并合后對(duì)流單體、積云團(tuán)中心的不穩(wěn)定能量均有大幅增長(zhǎng)。

3)積層混合云強(qiáng)中心的并合特征為，雷達(dá)回波面積增大，而強(qiáng)度增大不明顯，常有多個(gè)中心生成。積層混合云的冰晶數(shù)量多于對(duì)流單體和積云團(tuán)冰晶;積層混合云的不穩(wěn)定能量比對(duì)流單體和積云團(tuán)低很多。

圖11 總云水混合比沿圖4e、4f所示直線的垂直剖面(單位:g/kg;陰影表示值大于等于0.01 g/kg) a.19:40;b.20:20Fig.11 Vertical sections of total cloud water mixing ratio(units:g/kg)along the lines in(a)Fig.4e at 19:40 BST and(b)Fig.4f at 20:20 BST(the shadings denote values greater than or equal to 0.01 g/kg)

圖12 對(duì)流單體、積層混合云內(nèi)強(qiáng)中心處對(duì)流有效位能隨時(shí)間的變化(單位:J/kg;橫坐標(biāo)的時(shí)間間隔:10 min)Fig.12 Temporal evolutions of convective available potential energy of the centers in the convective cell and the convective and stratiform mixed clouds(units:J/kg;time interval of abscissa:10 min)

致謝:山西省人工影響天氣辦公室提供多普勒雷達(dá)資料，謹(jǐn)致謝忱。

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