引言

我国是水资源缺乏的国家，人均水资源占有量不到世界平均水平的四分之一。其中华北、西北部分地区降水量偏少，分布很不均匀。为了更加合理地开发、利用水资源，我国需要大力开展人工增雨工作。积层混合云是一种重要的降水云型，在梅雨锋、冷锋、地形云降水等多种天气过程中都会出现^[1-6]。积层混合云降水在华北地区春夏季的降水中起着非常重要的作用，也是为缓解北方春季干旱开展人工增雨的主要作业对象。使用WRF对积层混合云降水进行数值模拟，可以得出各个要素的分布，进一步的分析天气形势，了解积层混合云系的降水机制和微物理特征，为外场试验提供参考依据。

在数值模拟分析方面，国内外进行了很多研究。Farley等^[7]利用三维云模式对引晶催化进行数值模拟。Meyers等^[8]用显式云模式对催化和未催化地形云进行数值模拟。黄美元等^[9]利用二维时变积云降水模式讨论了积层混合云中层状云对对流云发展和降水的影响。许焕斌等^[10]设计了一个β中尺度数值模式，并用来试验模拟一次京津地区暖区锋生降水过程。其结果不仅给出了暖锋式锋面垂直环流，而且还给出了叠加在其上的次级中尺度环流结构。由于对流云的动力过程，降水量和云的分布将会被改变。Yuter等^[11]利用卫星资料等多种资料结合数值模拟分析热带大洋上的积层混合云系中的层状云区与对流云区的热力、动力结构，结果表明，热带洋面上的积层混合云中，对流泡附近高层辐散、低层辐合。Orville等^[12]利用数值模式模拟了稳定层状云中催化产生嵌入对流的可能性。Fuhrer等^[13]在观测的基础上，用云数值模式模拟了从均匀的层云降水发展至嵌有对流单体的层云降水的转变过程，其结果表明，由于对流云的动力作用，雨强、降水量明显增加，在均匀上升气流的条件下，嵌入对流泡表现为多单体形式。洪延超^[14-15]用积云对流速度场叠加辐合场的方法建立二维平面对称积层混合云模式。结果表明，层状云为积状云提供了良好的发展条件，层状云中饱和环境和辐合场使积状云具有长生命期，产生持续的降水。王维佳等^[16-17]也建立了一维半地形积层混合云模式用于对积层混合云降水过程的研究。于翡等^[18]、于丽娟等^[19]和辛乐等^[20]利用数值模式对积层混合云降水过程进行了研究。过去对积层混合云的研究多集中在梅雨锋等暴雨天气过程中的云系，数值模拟研究也大多不是实例模拟，而且对华北地区的积层混合云系的微物理过程和降水机制的数值模拟研究相对较少。

本文通过对2009年4月18日发生在华北地区的一次积层混合云降水过程进行数值模拟，分析积层混合云系发展过程的环流形势和天气实况，并通过分析各个要素的分布，了解积层混合云系的降水机制、微物理特征和动力特征，为外场试验提供参考依据。

1 个例实况的分析 1.1 环流形势和天气实况

在2009年4月18日08时和20时500 hPa图(图略)上，贝加尔湖附近呈两槽一脊型，有弱的冷平流从新疆北部向华北输送，内蒙古到四川一带有高空槽发展并向东移动，华北地区处于槽前，四川盆地至山东处于西南暖湿气流输送带。

4月18日08时850 hPa形势图(图略)上，贵州、湖南、湖北至安徽南部存在一条明显东北—西南向切变线，河南、河北和山东有西南急流输送水汽。高空形势的发展有利于华北地区降水。

在地面图(图略)上，内蒙古一带有低压发展并向东南方向移动，4月18日20时，华北有不稳定低压环流，带着潮湿的水汽缓慢移动，从内蒙古到陕西有一条锋面，锋面的移动前方有对流出现。在这种有利的大尺度条件下，地面的中尺度低压及相伴的中尺度辐合区对降水有重要作用。

1.2 雷达组合反射率分析

雷达组合反射率可以很好地反映出系统的发展。图 1给出了4月18日17—18时张家口雷达站的雷达组合反射率图。从17—18时的雷达回波看，山西北部、河北西北部、内蒙古的小部分地区出现东北—西南向的带状雷达回波。17—18时，雨带向东南方向移动约40 km。部分对流云区域回波有所减弱，范围有所缩小，对流云区域向东北方向移动。此次降水过程具有典型的混合云降水回波特征，在较均匀的回波层中镶嵌着柱状对流云回波，在较大范围内，回波边缘呈现支离破碎，强度小于25 dBz的为层状云降水回波，层状云回波中镶嵌着团块状强回波，回波最大值为50 dBz。

1.3 雷达反射率垂直剖面的分析

图 2给出了4月18日17:00、17:30和18:00的张家口雷达站的雷达反射率垂直剖面。这三个垂直剖面是随着云带的移动移速确定的同一剖面，剖面位置是相应左图中的实直线，该剖面反映的是积层混合云的某一剖面的垂直结构及随时间的变化。这一剖面能够很好地反映出积层混合云相互跨接粘连的结构，大片层状云区域中镶嵌了几个对流云区域。从云系结构的变化看，积层混合云是由对流云和层状云之间相互粘连跨接形成，然后水平方向各对流云之间相互并合并充分混合，而且，几个对流云回波中心相互并合形成一个较大的对流回波中心。从垂直剖面图可以看出，层状云区中镶嵌多个对流云的回波中心，中心最大值45 dBz。这反映，云水总体分布不均，存在多个含水量中心。

1.4 物理特征垂直概念图

通过分析张家口雷达站的雷达反射率的垂直剖面结构，可以大致判断该云系的流场结构特征。如图 3所示，该云系是积层连接式的积层混合云。积层连接型积层混合云的发展过程主要是先出现积云对流，然后经过跨接、并合、扩展层化而具有层状云特征，在低层水平混合的同时，垂直方向的上的对流得到一定的发展，从而形成低层水平混合、垂直方向上的积下层形态的积层混合云。从图 3可以看出，在对流云区域，也就是含水量的大值中心区存在上升气流。而在对流云中心的连接处，积云与层云跨接粘连的区域存在相对下沉气流。

2 数值模拟方案介绍

本文使用新一代非静力平衡中尺度数值模式WRF的最新版本WRF V3.2进行模拟。WRF模式对各种天气和中小尺度系统都具有较强的模拟能力。

如图 4显示，模式区域设置采用三重嵌套，三重嵌套区域的格距各为：27、9和3 km。积云对流参数化方案，对第一层区域及第二层区域采用New Grell方案，第三层区域不采用积云对流参数化方案。云微物理过程方案采用Morrison双参数方案，包含六种水成物：雨水、云水、冰晶、霰(雹)、水汽、雪花以及多种液态、固态和混合态过程。该方案是WRF中较为复杂的云微物理过程方案，可以很好地反映云雨过程。边界层参数化方案选择MYJ方案。

本文所用的背景场资料为NCEP再分析资料。时间分辨率6小时，空间分辨率1°×1°。模拟时间2009年4月18日08：00到19日08：00。模拟区域如图 4所示。模拟区域中心点设在40.5°N、114°E。模式每隔半小时输出一次结果，以此来研究积层混合云降水发生发展的过程及其结构。

3 模拟结果对比及分析 3.1 地面降水特征对比与分析

如图 5所示，通过对比降水实况图与24 h模拟结果，WRF比较成功地模拟了降水的级别以及雨带的分布，模式模拟的降水落区与实况比较接近，模拟的雨带是沿着西南—东北分布的，也与实况接近，降水中心强度的模拟也比较一致，实际降水中心位于河南南部地区，模拟区域与实际降水区域吻合，中心最大降水分别为实际45 mm，模拟值为40 mm以上。目标区域山西北部和河北交界处降水5 mm。

3.2 雷达组合反射率及雷达反射率垂直剖面对比与分析

图 6是模式模拟的17时和17时30分的雷达组合反射率及雷达反射率垂直剖面，分别与图 2实测的雷达反射率及垂直剖面相对应。模拟的雷达的组合反射率与实况对应较好，也是东北—西南方向的带状云系，反映了积层混合云降水回波特征。均匀的回波层中镶嵌着柱状对流云回波，回波最大值为45 dBz，与实况基本一致。垂直剖面图也与实测结果基本一致，很好地反映出积层混合云相互跨接粘连的结构。从云系结构变化来看，对流云和层状云之间相互粘连跨接形成，然后水平方向各对流云之间相互并合，而且，几个对流云回波中心有相互并合形成一个较大的对流回波中心的趋势。垂直剖面的回波形状、中心值分布与实测的垂直剖面较一致。

3.3 微物理模拟结果分析

云的微物理场是没有观测资料的，但在模拟结果接近实况的前提下，模拟给出的云的微物理场是有参考价值的，为此对微物理模拟结果进行分析是可行的。

为了更好地了解此次积层混合云的结构，选取对流云和层状云结合较多的区域做一剖面。取4月18日17时的雷达组合反射率图(如图 7所示)，以41°N、113.7°E，与经线方向48°夹角做直线，沿这条直线做垂直剖面分析此次积层混合云的详细结构。图 8可以看出，此次积层混合云系云顶并不是很高，云顶在11 km左右，云顶的起伏并不是很大，云系内部分布有多个对流中心，各对流中心相互粘连、跨接，并与云系在水平方向上充分地混合。各对流中心区域的最大回波基本在45 dBz左右，发展最旺盛的对流中心最大回波在50 dBz左右。如图 9所示，此次积层混合云降水云系水成物含量总体分布不均，存在多个含水量中心。大片层状云区域中镶嵌了多个对流云区域，云中液态云水最高至7 km的-20℃层，其上含水量很小。云水的含水量高值区出现在0~-10℃之间，约为0.9 g·kg^-1。-10℃层附近存在少量的冰晶，最大含水量值约为0.03 g·kg^-1，高层分布几个冰晶的大值区，在9 km左右，最大含水量约为0.16 g·kg^-1。与下层的云水中心对应，存在播撒-供给机制。在各对流中心区域，在0℃层到-5℃层之间存在霰含水量高值区，最大值达到1.4 g·kg^-1，说明该层存在较多的霰粒子。在0℃层到5℃层区域还存有尚未完全融化的霰粒子，霰粒子在0℃层下融化转化为雨水。雨水主要在0℃层以下，雨水的大值中心与云水、霰的大值中心相对应，为0.9 g·kg^-1。因此，高层向中层掉落的冰晶和0℃层到-5℃层的霰粒子，通过Begeron过程，不断地消耗过冷云水，成为雨水的主要来源。可见，播撒-供给机制是该云系主要降水机制。0℃层以上，也有少量过冷雨水存在，存在云水向雨水的直接转换。可见，该降水云系中暖云降水机制共存也发挥了作用。

3.4 动力场特征模拟结果分析

图 10是图 7所取剖面的垂直速度分布情况，在低层对流云区域，垂直上升速度较大，约为0.4 m·s^-1，在400至200 hPa对流云区域的旁侧有较明显的下沉气流，约为0.15 m·s^-1。结合500和700 hPa散度场分析，云区低层存在辐合，高层存在辐散。此种配置有利于维持云系的发展。对流云区域辐合较强，700 hPa辐合是最强的。

3.5 层积混合云的降水机制特点的探讨

在一般的层状云中，由于层状云范围宽广，垂直上升气流相对较小且较为均匀，云中下部过冷云水粒子上升的运行轨迹是简单的先上升再下降的曲线。在上升中, 水粒子可凝结增长, 在低于0℃时, 一些粒子可转化为冰晶, 在高于冰面饱和的情况下凝华增长, 在存在过冷水的云区，还可经过贝吉隆过程，迅速长大成大冰晶，还可发生凇附增长, 长大的粒子向下落时, 对下层云播撒，再通过冲并和凝结增长，继续长大，掉落出云形成降水。这样的“播撒-供给”机制相对简单。在积层混合云系中，在对流云区的气流上升不均匀，且在对流泡旁也有下沉气流，降水粒子的增长运行轨迹不再是简单的上升，可以发生上下多次循环增长，“播撒-供给”机制可在云的上下层间双向进行，云中粒子群可以长得更大。层状云中的已有的水凝物粒子进入内嵌的积云对流泡中，能增长得更为充分。在本例中，根据高层冰晶大值区和低层云水大值区的对应情况，可以看出高层的一些冰晶掉入0℃层到-10℃层之间，并与该层丰富的霰粒子一起消耗过冷水，凝结增长形成降水。因此，积层混合云不仅在层状云区有层状云的简单的“播撒-供给”机制，或在积状云区有粒子群的循环增长机制，而且可以发生层云—积云间的粒子群交换。从而，积层混合云系充分发挥了层状云和对流云各自的优势，降水效率较高。

4 结论与讨论

(1) 观测结果表明，高层槽前，中层切变线，地面锋面，形成此次降水过程。降水云系呈西南—东北分布，均匀的回波层中镶嵌着柱状对流云回波，雨带向东南方向移动。

(2) WRF模拟得到的结果基本反映出此次积层混合云降水的实况雨量及降水回波特征。

(3) 此次积层混合云的水凝物含水量分布不均匀，对流云和层状云相互粘连跨接，水平方向充分混合，雨水的大值中心、云水的大值中心及冰晶的大值区相互对应，存在播撒-供给机制。

(4) 从动力场来看，在低层对流云区域，垂直上升速度较大。高层对流云区域的旁侧有较明显的下沉气流。云区低层存在辐合，高层存在辐散。此种配置有利于维持云系的发展。

(5) 积层混合云不仅在层状云区有层状云的简单的“播撒-供给”机制，或在积状云区有粒子群的循环增长机制，而且可以发生层云—积云间的粒子群交换。