2011, Vol. 37 
2. 北京市人工影响天气办公室，北京 100089
2. Beijing Weather Modification Office, Beijing 100089
我国全境年平均降水量630 mm左右，人均水资源占有量不到世界平均水平的四分之一，是世界上13个贫水国家之一。华北、西北大部分地区降水量偏少，而且分布很不均匀。同时，人类活动、温室效应等因素引起全球气候变暖，可能使中纬度地区降水减少、干旱频率增加，旱情加剧。为了更加合理地开发、利用和改善我国的水资源，我们需要大力开展人工影响天气工作。层状云系是我国北方一种主要的大范围降水系统，也是冬半年的主要降水源，是为缓解北方春季干旱而开展的人工增雨的主要作业对象。对层云人工催化进行数值模拟可以帮助我们了解云中各种粒子的分布以及粒子之间的转化过程，分析动力和热力机制，更合理地选择播撒时机、播撒区和播撒剂量，为外场试验提供参考依据。
Farley等[1]利用三维云模式对引晶催化进行数值模拟，Meyers等[2]用显式云模式对催化和未催化地形云进行数值模拟，模拟结果显示增雨效果明显，该区域人工冰核播撒后成核效应得到优化；胡志晋等[3-5]、Hu等[6]、Wand等[7]、You等[8]、王成恕等[9]等用中尺度数值模式同云分辨方案相结合的方式对层状云系人工引晶的中尺度影响做了数值模拟，得出结论：催化有明显的动力效应和区域时空整体的增雨量。楼小凤[10]将比较完善的云物理过程耦合到中尺度模式MM5中，利用准隐式格式，建立一套比较完善全面的混合相双参数微物理雪晶方案，史月琴[11]利用该模式对华南一次冷锋云降水过程进行数值模拟，在模拟天气过程与实测一致的基础上通过人工引入冰晶进行催化试验，结果表明在云体发展早期引入冰晶催化效果较好，催化后有下风方效应。孙晶等[12-13]利用该模式对祁连山冬季降雪个例进行人工催化试验。胡志晋[14]提出催化引入人工冰晶可将过饱和水汽转化为降水，在发展阶段有深厚上升气流的云体进行播撒，且播撒区域应选择过饱和水汽值高、冰晶数浓度低的位置。近年来对层状云系增雨潜力特别是环北京地区的模拟还较少，本文在对自然云系降水机制进行模拟的基础上，设计不同催化剂量和高度的催化试验，并对催化后降水的演变、云中各降水粒子的垂直分布、动力热力特征以及源汇项的转化过程进行分析，可以为实际播撒提供作业依据，帮助更好的理解云中的微物理过程。
1 模式试验方案和资料选用耦合了CAMS详尽云方案和非静力中尺度数值模式MM5V3的CAMS中尺度云分辨模式，该方案预报量包括各种水成物的比质量和比数浓度及云滴谱拓宽度，共有11个预报量，考虑了31个云物理过程，能更合理地模拟各种云降水过程，并具有进行人工引晶催化数值试验的能力。中心点设在(41°N、114°E)，采用双向反馈的三重嵌套模式，三重网格水平格距分别为45、15和5 km；格点数分别为55×55、91×91、112×124，垂直方向为23层，顶层气压为100 hPa。采用CAMS云物理方案，Grell积云参数化方案，Blackdar高分辨率PBL方案和云辐射方案。模式采用NCEP 6小时一次的1°×1°再分析资料。模拟时间从2008年3月20日08时到2008年3月21日08时，模式在360分钟时重启动，重启动后10分钟输出一次。
2 实测和模拟结果的对比分析 2.1 实测和模拟的天气形势分析模拟所得形势场与NCEP再分析数据形势场基本一致，在河西走廊附近，有一低压槽，这个低压槽向东移动，在20时移动到河套地区，北京、河北、山西均处于槽前。模式较好地模拟了500 hPa河西走廊附近的槽及其向东的移动。
2.2 模拟和实测的云场为了与卫星云图进行比较，我们把700 hPa高度以上各格点水成物比质量做垂直相加，得出云带的分布。从MICAPS红外云图可以看出，3月20日08时，有一云系以银川为中心，另外，在陕西南部，还有一较小的云系分布在西安附近。从12时开始，云系不断向东移动，且范围扩大，到16时左右，开始产生降水，21日08时，云系消散，范围变小且基本移出北京河北。从图 1可以看出，模拟的主要云系的分布和走向较好。
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图 1 2008年3月20日22时实测(a)和模拟(b)云场 Fig. 1 MICAPS infrared images: (a) observed at 22 BT 20 March 2008, and (b) simulated |
图 2给出3月21日08时实测和模拟的24小时降水量。从图 2看出，模拟所得24小时降水的位置与实测大致相同，高值区都集中在山西地区。降水量10 mm以下的分布区域模拟所得结果大于实测，但15mm以上降水的分布范围模拟小于实测，总的来说，模拟所得降水偏弱，但降水系统的分布是大致相同的。
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图 2 2008年3月21日08时实测(a)和模拟(b)的24小时降水量(单位：mm) Fig. 2 The 24 hour precipitation (unit: mm) at 08 BT 21 March 2008 for (a) observed and (b) simulated results of 15 km grid |
为了进一步分析此次降雨过程的微物理和动力特征，选取降水较强的时刻与位置做剖面，图 3a是2008年3月20日16时的组合反射率图，选取A1—A2做剖面，此时处于云系发展阶段，所取剖面位于一个小的回波中心，分析其微物理特征是否适合进行催化试验。
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图 3 5 km网格模拟的2008年3月20日20时雷达组合反射率(a，单位：dBz) 冰雪晶(b)，冰晶数浓度(c)，霰(d)，云水(e)，雨水(f)，过饱和比湿(g)各物理量沿图(a)中模拟雷达回波上直线A1—A2的垂直剖面 实线代表比含水量(单位：g·kg-1), 虚线温度(单位：℃), 箭头为流场 Fig. 3 The simulated composite reflectivity and physical quantity distribution across A1-A2 at 20 BT 20 March 2008 (a) composite reflectivity (unit: dBz), (b) ice and snow, (c) numerical concentration of ice, (d) graupel, (e) cloud water, (f) rain water, (g) saturation specific humidity |
图 3给出了各种降水粒子的垂直分布，云中冰雪晶分布较广，从750 hPa一直伸展到250 hPa(图 3b)，从图 3c可以看出，冰晶在550 hPa高度-10℃附近存在两个高值中心，分别位于110.4°E到110.5°E之间和110.7°E到110.8°E之间。云水主要分布在500 hPa以下，在650 hPa位置也就是零度层之上110.5°E到110.75°E之间存在一个高值区，最大值0.24 g·kg-1，在零度层以下750 hPa高度存在两个高值中心，分别在110.4°E到110.5°E之间和110.65°E到110.8°E之间，最大值分别为0.27 g·kg-1和0.33 g·kg-1, 云底高度为850 hPa左右(图 3e)。冰晶数浓度分布和云水分布对比来看，在110.4°~110.5°E、110.7°~110.8°E之间冰晶粒子的分布和云水的分布位置是对应的，而在110.5°~110.75°E这个位置冰晶数浓度很小但存在一个云水高值区，适宜进行播撒试验。霰的比质量大值区分布在零度层(图 3d)，最大为0.1 g·kg-1, 雨水比质量相对较小，最大为0.07 g·kg-1，高值区与霰的高值区对应(图 3f)。冰雪晶在下落过程中碰冻过冷云水，形成霰粒子，霰粒子在零度层下融化为雨水，此时处于云系发展阶段，冰相过程将进一步发展。在对流云降水中，云水更丰富，雨水和霰的比质量较高，且垂直运动发展非常旺盛, 冰晶粒子分布在较高的位置[15]。本次过程为典型的层云降水过程，且层状云系中存在适合作业位置，进行人工增雨催化数值试验，会取得好的效果。
3.2 模拟的动力场特征在110.4°~110.5°E之间存在一个上升气流区，气流沿东北方向上升，到达550 hPa位置，遇到一个下沉气流中心，并且在下沉气流之下形成一个上升速度高值区，位于110.5°~110.7°E之间，对应冰晶数浓度低但云水丰富区。而在110.7°~110.8°E之间也存在一个上升气流中心，而且这个区域上升速度最大可以达到9 cm·s-1。上升速度高值区都与云水的高值区相对应。
4 人工引晶催化试验 4.1 催化试验设计云中微物理量的水平和垂直特征具有明显的不均匀性，因此在不同时刻、不同区域进行人工引晶催化试验会产生不同的效果[16-18]。在云降水发展和持续阶段，云中有上升气流且对过冷水丰富的地区进行催化可以得到较好的催化效果[14]。在此基础上，设计不同催化剂量和不同催化高度的人工引晶方案，对其效果进行比较。选取区域34.2°~34.5°N、110.2°~110.7°E进行催化，该区过冷云水丰富且存在上升气流，该区域的微物理特征在第3节已分析过，这一时刻云中冰晶主要存在于400 hPa高度以上，冰雪晶的比质量都不是很高，云水丰富，存在明显的上升气流区，处于降水系统发展状态，适合进行催化。催化时间选取1到2分钟，每分钟播撒4次，因模式采取的是蛙跳格式，所以每分钟实际播撒的次数约大于两次，每次播撒冰晶1.0×106个·kg-1。
4.2 催化后的降水演变选取垂直层k=12(温度t=-7.8℃)时进行催化，催化时间为470~471 min、475~476 min，一共催化2分钟，播撒次数略大于4次，每次播撒冰晶1.0×106个·kg-1，对应的AgI成冰粒子剂量为1.0×10-14~1.0×10-15 g，单个格点(25 km2)增加冰晶4×104 kg，对应需要播撒的AgI成冰粒子质量为400~40 g，全区域用量24~2.4 kg。图 4显示了催化后降水量较自然云降水的差值。可以看出，催化后5 min，催化区域的10 min增雨量为负值，最大减少雨量0.018 mm。催化后15 min开始出现增雨效果，25 min时区域内增雨量最大可达0.18 mm，之后慢慢出现减雨区，但以增雨为主，催化后95 min时，消雨效果大于增雨，最大约为-0.04 mm。
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图 4 催化后降水量与自然降水量差值(实线为正值，虚线为负值，单位：mm)和自然降水量(阴影, 单位：mm)演变 (a)催化后5 min的10 min降水量; (b)催化后15 min的10 min降水量; (c)催化后25 min的10 min降水量; (d)催化后95 min的10 min降水量 Fig. 4 The rainfall variation (positive for enhancement, negative for decrease, unit: mm) in 10 min and natural rainfall (shaded, unit: mm) (a) 5 min after seeding, (b) 15 min after seeding, (c) 25 min after seeding, and (d) 95 min after seeding |
催化后前15 min为第一阶段，减雨为主，催化后15~65 min为第二阶段，增雨为主，之后为第三阶段减雨期。
4.3.1 第一阶段减雨区的微物理及热力动力特征图 5为沿34.41°N的东西向剖面，催化区域水汽明显减少，最大减少0.1 g·kg-1，位于550 hPa附近，过冷云水最大减少0.06 g·kg-1。冰晶比质量增加0.035 g·kg-1，数浓度最多增加800个·L-1，雪的比质量增加明显，最大增加0.12 g·kg-1，霰比质量变化不大，雨水在700 hPa零度层高度略有增加。可以看出，水汽和过冷云水最大共减少0.16 g·kg-1，而冰晶粒子和雪粒子最大增加共0.16 g·kg-1，四者在量上基本平衡。同时注意到，催化区域水汽减少的量明显大于过冷云水减少的量，说明过冷云水对增雨的贡献要小于水汽的贡献，3.2节模拟动力场特征时注意到550 hPa附近为下沉气流中心，但此时下沉气流已变为上升气流，温度开始增加，催化的动力、热力效应明显，这与胡志晋、汪小斌[3, 6-7, 14]等得出的结论一致。
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图 5 催化后5 min沿34.41°N催化云和自然云各物理量的差值(实线为正值，虚线为负值)和自然云各物理量(阴影)垂直分布 (a)水汽比质量(单位：g·kg-1)；(b)云水比质量(单位：g·kg-1)；(c)冰晶比质量(单位：g·kg-1)；(d)冰晶数浓度(单位：个·m-3)；(e)雪比质量(单位：g·kg-1)；(f)霰比质量(单位：g·kg-1)；(g)雨水比质量(单位：g·kg-1)；(h)雷达反射率因子(单位：dBz)；(i)垂直速度(单位：cm·s-1); (j)温度(单位：℃) Fig. 5 Hydrometeors distribution of seeding and nonseeding 5 min after seeding: (a) mix ratio (unit: g·kg-1), (b) cloud water (unit: g·kg-1), (c) ice (unit: g·kg-1), (d) numerical concentration of ice (unit: m-3), (e) snow (unit: g·kg-1), (f) graupel (unit: g·kg-1), (g) rain water (unit: g·kg-1), (h) reflectivity (unit: dBz), (i) vertical velocity (unit: cm·s-1), and (j) temperature (unit: ℃) |
分析减雨中心(34.41°N、110.7°E)各降水粒子源汇项转化过程，如图 6所示。雪源项中，雪碰并过冷云滴增长(ccs)在催化区域减少，在催化区域下方增加，说明催化后在催化区域过冷云滴减少，而在其下方由于雪的增加雪碰并过冷云滴增长(ccs)增加，雪碰并冰晶增长(cis)明显增加，冰晶转化成雪增长(ais)略有增加。霰源项中，雪碰并雨水增长(crs)增加，霰碰并雨水增长(crg)减少。在催化高度雨滴碰并雪(csr)和雪融化为雨滴(msr)有明显增加，从700 hPa高度开始基本为零，而霰的融化增长(mgr)在催化后有很大幅度的减少，减少的范围一致从600~900 hPa，使得地面降水减少。
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图 6 催化后5 min减雨中心(34.41°N、110.7°E)催化试验(实线)和自然模拟(虚线)的各物理量垂直分布 (a)雪源项; (b)雪源项差值; (c)霰源项; (d)霰源项差值; (e)雨滴源项; (f)雨滴源项差值 Fig. 6 Hydrometeors distribution at rain reduction center for seeding and nonseeding 5 min after seeding: (a) snow origin, (b) snow origin difference, (c) graupel origin, (d) graupel origin difference, (e) rain origin, and (f) rain origin difference |
催化后25 min地面降水量有很大增加，图 7给出沿34.41°N的东西向剖面，催化后水汽减少的范围变大且向东移动，云水的减少区域也有所东移。冰晶比质量和数浓度增加值与催化后5 min相比大幅减少，雪的比质量增加值也减少至0.07 g·kg-1，霰开始增加，雨水比质量最大增加0.014 g·kg-1，且雨水降落到地面。沿着34.41°N剖面雨水存在两个高值中心，110.7°E西侧雨水最大增加值约为0.016 g·kg-1，此处降水的增加主要是因为高层霰的增加，霰在降落过程中融化使得雨水增加。而110.7°E东侧降水的增加主要来自于雪晶的增加，雪晶在零度以下融化使得降水增加。催化区域上升气流加强，最大增加3.5 cm·s-1，上升气流强于下沉气流。温度最大升高0.35℃。
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图 7 催化后25 min沿34.41°N催化云和自然云各物理量的差值(实线为正值，虚线为负值)和自然云各物理量(阴影)垂直分布 (a)水汽比质量(单位: g·kg-1); (b)云水比质量(单位: g·kg-1); (c)冰晶比质量(单位: g·kg-1); (d)冰晶数浓度(单位:个/m3); (e)雪比质量(单位: g·kg-1); (f)霰比质量(单位: g·kg-1); (g)雨水比质量(单位: g·kg-1); (h)雷达反射率因子(单位: dBz); (i)垂直速度(单位: cm·s-1); (j)温度(单位: ℃) Fig. 7 Hydrometeors distribution of seeding and nonseeding 25 min after seeding: (a) mix ratio (unit: g·kg-1), (b) cloud water (unit: g·kg-1), (c) ice (unit: g·kg-1), (d) numerical concentration of ice (unit: m-3), (e) snow (unit: g·kg-1), (f) graupel (unit: g·kg-1), (g) rain water (unit: g·kg-1), (h) reflectivity (unit: dBz), (i) vertical velocity (unit: cm·s-1), and (j) temperature (unit: ℃) |
图 8是增雨中心(34.41°N、110.7°E)各降水粒子源汇项转化过程，可以看出，雪源项中雪碰并冰晶增长(cis)与催化后5 min相比减少。霰源项中雪碰并雨滴(crs)明显增加，霰碰并雨滴(crg)减少。在650~730 hPa之间，雨滴碰并雪(csr)和雪的融化增长(msr)都有增加，而垂直层k=10(650 hPa)到k=6(800 hPa)之间，霰融化增长(mgr)减少很大，从800 hPa向下，霰融化增长(mgr)差值为正且越来越来大，地面降水增加。可以看出，此处降水的增加是由于播撒后雪晶明显增加，使得雪碰并过冷雨滴增加，也就是说霰得到增加，而霰在零度层之下融化成雨水从而使得降水增加。
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图 8 催化后25 min增雨中心(34.41°N、110.7°E)催化试验(实线)和自然模拟(虚线)的各物理量垂直分布 (a)雪源项；(b)雪源项差值；(c)霰源项；(d)霰源项差值；(e)雨滴源项；(f)雨滴源项差值 Fig. 8 Hydrometeors distribution at rain reduction center for seeding and nonseeding 5 min after seeding: (a) snow origin, (b) snow origin difference, (c) graupel origin, (d) graupel origin difference, (e) rain origin, and (f) rain origin difference |
将催化试验区域的累积降水量与自然云模拟相应区域(33.2°~35°N、110°~112.4°E)的累计降水量相减，得到区域累积增雨量。在模拟开始后470 min即2008年3月20日15时50分引入人工冰晶，催化时间为1 min，催化剂量不同时，累计增雨量发生变化，催化后20 min累计增雨量为负值，当催化剂量小于105 g·kg-1时，催化效果不明显，当催化剂量为106 g·kg-1时，区域增雨量在催化后40分钟接近1500 kt，之后有所减少，当催化剂量增加到107 g·kg-1时，虽然区域增雨量最大值较106 g·kg-1大，但是在实际操作中这个剂量很难实现，因此我们选取106 g·kg-1作为催化剂量。
4.4.2 不同高度催化时间不变，催化剂量为106 g·kg-1，在不同的高度进行催化试验，效果也不同。从表 1可以看出，垂直层为11(温度t=-5.3℃，气压p=610 hPa)时，区域增雨量最小，78.3 kt；垂直层为12(温度t=-7.8℃，气压p=570 hPa)时，区域增雨量最大为1432.7 kt; 垂直层为13(温度t=-10.9℃，气压p=530 hPa)时区域增雨量也很大，为1417.7 kt; 垂直层为14(温度t=-14.4℃，气压p=500 hPa)时区域增雨量550.8 kt。对照图 3g可以看出，在570~470 hPa之间存在一个过饱和比湿值较大的区域，在k=11层之上进行催化会得到较好的效果。垂直层为13时，虽然冰晶数浓度与k=11时接近，但是冰晶比质量要远大于其比质量，说明在第13层催化前冰晶尺度都比较大，且过饱和比湿值高，催化后加入小冰晶效果较好。而k=12与k=11相比，虽然云水比质量和冰晶数浓度都近似，除过饱和比湿值的差别外，k=11时，催化区域虽为上升气流，其周围环绕着较强的下沉气流，从剖面图可以可出，催化区域上方有一强的下沉气流区，冰晶无法随上升气流向上扩散，因此催化效果不明显。在k=12层进行催化，冰雪晶粒子增加，霰粒子的增加非常明显，而在k=13层进行催化，雪粒子的增加占主要方面，霰粒子增加很少。在k=14层进行催化也会取得一定的效果，因为此处虽然云水含量低，但还有较高的过饱和比湿值，播撒后可以转化为降水。这符合胡志晋[14]所给出的结论。在k=12高度进行催化，人工引入的冰晶粒子可在催化区域及其上方传播，停留较长时间，且云水丰富、冰晶含量较低，因此选择k=12作为催化高度。
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表 1 不同催化高度试验的催化前物理量区域平均值和1小时区域累积增雨量 Table 1 Regional mean value of different height and 1 h regional accumulated rainfall enhancement |
(1) 不同剂量和不同高度催化结果表明，106~108 g·kg-1催化效果都比较明显，当催化剂量选择107 g·kg-1和108 g·kg-1时，虽然在开始阶段累积降水量增加明显，但后期消雨也多，而且在现实操作中难以实现。催化高度k=12(t=-7.8℃, p=570 hPa)和k=13(t=-10.9℃, p=530 hPa)时，催化效果较好，因此应选择过冷云水含量较高、过饱和比湿值高且冰晶粒子较少的层次进行播撒。
(2) 在过冷水含量高且冰晶含量低的区域引入人工冰晶可使地面降水增加。催化后20 min出现降水量增加，50 min后出现减雨中心，但仍以增雨为主，80 min后催化效果减雨大于增雨，130 min地面累积增雨量达到最小值。引入人工冰晶后催化区域水汽明显减少，云水也有减少，冰晶粒子和雪粒子增加，四者在量上基本达到平衡，而且水汽减少的量明显大于过冷云水的减少量，水汽对增雨的贡献大于过冷云水的贡献。同时催化后550 hPa附近的下沉气流中心变为上升气流，动力、热力效应明显。
(3) 加入人工冰晶催化后过冷云水减少，冰晶和雪增加，霰略有增加。雪碰并冰晶增长、冰晶转化成雪增长是催化高度附近雪增长的主要过程，而催化高度以下，雪碰并过冷云滴增长是雪增长的主要过程；雪晶碰并过冷雨滴增长是霰增长的主要过程；雨滴碰并云滴增长是雨滴增长的主要过程。催化后由于催化区域云水减少而下方雪增加，雪碰并过冷云滴增长(ccs)在催化区域减少，在其下方增加，特别是催化前期现象明显。由于雪粒子的增多，雪碰并过冷雨水增长(crs)在霰源项中所占比例也增加，而霰碰并过冷雨水增长(crg)减少，雪碰并过冷雨滴增长(crs)是霰增长的主要过程。雨滴碰并雪增长(csr)和雪的融化(msr)都是雨滴增长的重要过程，主要发生在650~730 hPa之间，霰的融化增长是雨滴增长的主要过程，催化后第一阶段霰的融化增长(mgr)有很大幅度的减少，使得地面降水减少，第二阶段垂直层在6~10层(800~650 hPa)减少很大，6层以下增大，且越接近地面增长越明显，地面降水增加。
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