1、鄂西北夏季对流云降水微物理过程数值模拟第 27 卷第 1 期2008 年 3 月暴雨灾害ToRRENTIALRAINANDDISASTERSV0I.27No.1Mar.2008文章编号:10049045(2008)01 000908鄂西北夏季对流云降水微物理过程数值模拟王斌,石燕,吴涛,陈宝君(1.中国气象局武汉暴雨研究所,武汉 430074;2.湖北省十堰市气象局 ,十堰 442000;3.南京大学大气科学系.南京 210093)摘要:为了深入研究对流云降水微物理过程特征,为局地对流降水预报和人工增雨提供更多的参考依据.利片 5 维舣参数对流云模式,使用常规单站探空资料,开展湖北两北部山地夏
2、季对流降水实例的批量数值模拟,使用地面降水量和雷达回波资料检验模拟效果.统计分析降水微物理过程特征,归纳总结冰相粒子的形成,增长机制,以及液态水和冰相粒子的相互转化机制.结果表明:(11 对流云模式能够较好地模拟实际对流降水的一些宏观微观特征;(21 当地夏季主要是对流冷云降水.冰相过程是形成降雨的主要物理过程;(3)冰相过程巾过冷水,霰,冰晶之间的相互转化过程是主要的冷云降水形成机制.关键词:对流云;云微物理过程;降水;数值模拟中图分类号:P426.5l 文献标识码 :A1 引言云中降水微物理过程,特别是液态水和冰相粒子之间的相互转化过程,直接影响降水类型和降雨量,还对降水天气系统的热(动)
3、力过程有着重要影响,如决定上升,下沉气流和冷出流的强弱等.开展对流云微物理过程的研究,对于云内成雨机制,人_丁影响天气以及云场模拟等都具有重要的理论和实际意义.受探测手段限制,目前开展对流云降水微物理过程的研究,采用的主要方法是通过数值模式(包括中尺度模式和对流云模式 1 进行模拟分析.相对中尺度模式,对流云模式具有更加完整和完善的显示微物理方案_l1, 可更加细致地模拟降水微物理过程特征,因此得到广泛应用.胡志晋等闭,孔凡铀等 r3_,洪延超等,肖辉等5_,陈宝君等 I63,1 用不同版本的对流云模式,模拟了不同强度对流云降水的微物理过程特征,并对阵雨,雹云,强对流降水云中各种液态水和冰相粒
4、子的生成和演变特征进行了分析,其结果为强对流降水预报,人 t 防雹和人工增雨等业务与服务工作提供了有益的指导.对流降水具有很强的局地性,在不同大气环境中,微物理过程对降水的影响大不相同.因此,有必要针对不同地区的降水特点,开展更多的对流云降水微物理过程的数值模拟,以便加以相互对比和验证.如熊华南等_8l 为给当地开展人工增雨作业提供技术指标,对湖南省 2001 年夏秋季对流云降水潜力进行了批量模拟但该文所用模式为二维单参数对流云模式,只考虑了 10 个微物理过程,未涉及详细的降水微物理过程分析.为了深入研究对流云降水微物理过程特征,为局地对流降水预报和人工增雨提供更多参考依据,本文利用三维双参
5、数对流云模式,针对湖北省西北部山地夏季对流降水特点,开展批量数值模拟,并与地面降水量和雷达回波资料作对比检验,统计分析降水微物理过程特征,归纳总结冰相粒子的形成,增长机制以及液态水和冰相粒=的相互转化机制.2 资料及方法数值模拟所使用的积云模式为中科院大气物理研究所发展的二三维双参数对流云模式 l1.该模式动力框架采用完全弹性大气运动方程组,微物理过程参数化方案采用双参数粒子谱特征和体积水技术模式中考虑了 7 种水物质 f 水汽,云水,雨水,冰晶,雪,霰,雹)的七大类共 46 个微物理过程,即:凝结(华),碰并,核化,繁生,融化,融化蒸发和自动转换过程.在计算时,模式水平网格距 1000Ill
6、,垂直网格距 500Ill,水平模拟范围 30kmx30km,垂直范围根据实际探空资料的100hPa 高度确定,模拟积云发展时间 60 分钟.使用的探空资料是距离鄂西北最近的两个探空站南阳和安康的实测数据,其选择根据雷达回波观测的降水落和移动方向来进行.模拟选取的个例为鄂西北十堰地区 2001-2002年 68 月现降水并有雷达回波观测记录的 79 次对流降水过程.根据雷达回波强度资料,结合地面降水量,将降水个例归类为弱对流降水,强对流降水,混合云降水三类,各有 25,22,32 个实例.根据降水天气收稿日期:20070531:定稿日期:200711-29基金项目:科技部公益性研究专项“南方积
7、云人工催化模型的研究“f2OO1DIB2OlO5)及湖北省气象局气象科技发展基金项目(2004Y06)同资助作者简介:王斌,男,1972 年生,副研究员,主要从事大气物理和大气探测研究 .E-mail:wangbinwhhotmail.COIn10 暴雨灾害第 27 卷实况,使用实际地面降水量,对应的雷达回波发展特征来验证模拟结果,比较分析对流强弱和降水性质不同的对流云降水微物理过程的异同,重点研究冷云冰相过程中的雨水生成过程,过冷水分布,霰和冰晶生成演变过程等.3 积云模式模拟结果与分析3.1 模拟结果由于对流云内观测资料很难获得.要验证模式模拟结果是否正确,主要方法就是用地面气象站降水量资
8、料和雷达回波资料与模式模拟的地面格点降水量,云顶高,最大含水量所在高度等进行比较,定性地检验每次实例模拟的结果.表 1 即为鄂西北对流降水实测和模拟结果的统计特征,各特征量分别为实测平均:最大雷达回波顶高(HM1,实测平均最大雷达回波强度(,实测平均 24h 最大单站降雨量(4),实测平均地面温度(G), 模拟的平均地面降雨总量 (,模拟的平均地面最大格点降雨量(氏),平均地面降雹总量Sc),模拟的平均云内最大上升速度(M),平均最大上升速度出现时间(,模拟的平均最大每分钟降雨量,平均降雨开始时间(,平均最大每分钟降雨量出现时间(,平均模拟的最大云顶高 sM),平均最大云顶高出现时问(唧),平
9、均模拟的云内最大比含水量(psM),平均最大比含水量所在高度(so1),平均最大比含水量出现时间(,平均云内外最大温差(r,等.表 1 鄂西北对流降水实例模拟结果统计而面丽特征量平均值最大值平均值最大值平均值最大值从表 1 中可知,三维积云模式模拟的对流云在地面降水总量(氏,M),云顶高等特征量上与实际降水量(和雷达回波资料统计结果(符合比较好,也反映出三种不同类型对流降水在降水量,上升速度及含水量上存在较为明显的差异.因此,通过数值模拟来研究对流云详细的微物理过程特征是可行的3.2 对流云降水宏观特征3.2.1 地面降水特征对流云降水的普遍特征是阵性强,起伏大.图 1 是模式模拟的弱对流云,
10、强对流云,混合云三种类型对流降水平均每分钟地面降雨强度(以降雨粒子总质量千吨为单位 1 的时间变化曲线.20.010.00.0/,一_,一一.,lI/,:一,一,=35791Il3I5I7I92I232527293I3335373941434547495I53555759时间/rain图 1 各类型对流云平均降雨强度的时间变化弱对流降水强对流降水x 一混合云降水由图 1 可见,就单次过程平均的地面降雨总量而言,强对流降水过程最多,其最大雨强 87x10t;其次是混合云降水,其最大雨强 51xlOt;而弱对流降水则产生降雨最少,其最大雨强 45x10t.模式模拟地面降水一般在第 1314 分钟开
11、始,峰值现时间在 2730分钟之问,其中弱对流降水峰值出现时间相对较早.弱对流降水总量平均为 482x10t,雨强时间变化曲线一般为单峰型,降水时问短,集中;强对流降水总量平均为 1044x10t,降水时间较长,有的个例的雨强时间变化曲线呈双峰型:混合云降水总量平均为 736x10t,降水时间最长,雨强时间变化曲线一般为双峰型模式模拟的结果反映出这三种类型对流降水的不同特点,特别是混合对流降水由于同时包含层云降水和对流云降水,虽然雨强并不大.但降水时间长,地面降水量大,平均单站 24h 降水要高于强对流降水,这一特点在模式模拟中也得到很好体现.3.2.2 对流云生命期特征由于模式模拟采用的是单
12、热湿泡启动,对流云于发展初期 f08 分钟,模式时间,下同)在垂直方向上基本都呈圆柱体形状,云底高度平均 1.5km,云顶高度56km,水物质的平均最大混合比为 35g?k,主要OOOOOOOO如_【避窿世第 1 期王斌等:鄂两北夏季对流云降水微物理过程数值模拟是暖雨过程产生的云水和雨水粒子.在发展强盛期(12-24 分钟),对流云云顶进一步升高( 在此期问一般会达到最大高度 1,不同类型的降水云在宏观特征上也有明显的差异 f 图 21.2ll8言 l5l2萋1215l82l2427/km图 2 弱对流云(a),强对流云(b)和混合对流云(c) 的垂直剖面形状特征(模拟时间 20 分钟)从图
13、2 中可见,弱对流云顶高度小,垂直方向上呈纺锤状,这与雷达回波的 RHI 图像特很相近:强对流云顶高更高,由于环境风场不同,宏观形状也各有不同,云内各种水物质粒子分布也比较复杂,一般在垂直方向上出现 35 个水物质比含水量中 t2,.高度分别在 45km,67km,810km,这与雷达观测中经常遇到的多个强回波中心高度相一致;混合对流云的明显特征之一是具有层云状的云砧.弱对流云平均云顶高为 8km,水物质的平均最大混合比为 8g?kg,高度在云中部:强对流云平均云顶高为 13km,水物质的平均最大混合比为 14g?kg;混合对流云平均云顶高为 11km,水物质的平均最大混合比为 12g?kg.
14、随后的对流云发展特征为.云中上升气流在降水粒子作用下减弱,云顶迅速回落,直至云体消失,这一时期是地面降水高峰期(2436 分钟).3.3 暖云微物理过程特征模式中暖云微物理过程采用 Kessler 参数化方法,包括 4 个主要过程:(1) 水汽凝结形成云滴 (VDve);(2)云水自动转化为雨水(Acr1;(3)雨滴通过重力碰并收集云水(CLcr);(4)云滴和雨滴在云外未饱和区的蒸发 fvDcv,VDrv).云水和雨水粒子的生成时间及通过暖云过程增长特征为:云水粒子在云发展初期主要在 14km 高度上生成,随后雨水粒子生成并迅速增长,12 分钟时积聚在 3-6km 高度上:16 分钟以后雨水
15、粒子主要积聚在0 层附近,且已有雨水落地形成降雨,同时雨水粒子向上扩展到低于 0 的云中上部,成为过冷雨水:几乎全部的云水粒子受上升气流携带进入云顶附近 10km高度上,形成过冷云水,云水粒子在云中下部高于 0oC的区域含量很少模式中 CLcr 过程产量的峰值时间出现在 1216 分钟之问,随后急剧减少,可见该过程的效率很高,可快速将云水粒子消耗形成雨水.通过分析模式中各生成雨水粒子的微物理过程的产量可知,暖云过程生成的雨水粒子最多,其中CLcr 过程是主要的生成雨水的暖云过程.Clcr 过程生成雨水质量的比例,在弱对流降水中占 70%,强对流降水占 60%,混合对流降水占 70%.Acr 则
16、占比例小于1%在对流云发展初始阶段,暖云过程为主要微物理过程.平均雨水粒子直径为 0.581.19mm,Clcr 峰值均出现在 1016 分钟问,平均 13 分钟,一般为单峰值特征,而混合性降水有的表现为多峰值特征.在 79 个降水实例模拟中,纯粹的暖云降水个例并不多,只出现了 7 次,其中 5 次为弱对流降水,另 2次为混合云降水.这说明鄂西北夏季对流降水云主要的还是冷云 f 或暖云底冷云 1.由模拟结果可知,地面降雨由雨水降落形成,生成雨水的过程主要有暖云过12 暴雨灾害第 27 卷程中雨水粒子的碰并增长和冷云过程中冰相粒子融化,图 3 为 CLcr 和 MLgr(霰融化为雨水,为主要形成
17、180160140杏 120100.cL80u6040200雨水的冰相过程,见后文)以及地面每分钟降雨总量的时间变化图.模拟时 PN/min+一弱对流 CLcr?|_一强对流 CLcr?一混合 CIA:r十一弱对流 MLgr强对流 MLgr古_混合 MLgr弱对流 强对流一混合对流图 3CLcr 和 MLgr 过程以及地面降雨分钟强度时间变化由图 3 可知,地面降雨一般在 CLcr 的峰值时间(14 分钟 )开始 ,主要为暖雨降水.之后地面降雨的峰值对应的是 MLgr 峰值,各种类型降水都有相似表现.可见.这两种微物理过程在对流降水的不同阶段起到了重要作用,那么最终地面降雨量的多少与二者的关系
18、密切程度如何呢? 表 2 给出了模式模拟的地面降雨总量与暖云和冷云生成雨水粒子总质量的相关关系.表 2 生成雨水的主要微物理过程与地面降雨的相关关系由表 2 可知,尽管混合对流降水中暖雨过程对地面降雨影响最大,但对流降水中冷雨过程对地面降雨的贡献更大,尤其是在强对流降水中.可见,冰相过程对鄂西北夏季对流降水的影响更加显着.而暖云过程对降雨的作用,一是直接形成暖雨;二是当对流云发展到以冷云微物理过程为主之后,在暖云过程中生成的云水和雨水粒子作为过冷水成为其它冰相微物理过程的源项,在冰相粒子的生成中起到重要作用.3.4 冰相微物理过程3.4.1 总体生成特征各种冰相粒子在整个对流云生命期内不断生成,转化和消散,其生成质量总和反映了与之相关的各冰相微物理过程在对流云发展中的重要程度.表 3 为各类型对流降水冷云过程粒子生成总量的平均结果.表 3 各类型对流降水冷云过程粒子平均生成总量(单位:1O.t)由表 3 中可知.对流降水中,生成的冰相粒子质量以冰晶最多,其次为霰,雪和雹的生成相差不大;在各类型对流降水中.强对流降水云生成的冰相粒子质
