段海霞，劉新偉，蒲朝霞

(1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅蘭州730020;2.中國氣象局蘭州中心氣象臺，甘肅蘭州730020;3.Department of Atmospheric Sciences，University of Utah，Utah Salt Lake City 84112，USA)

0 引言

云微物理過程與降水的形成是密不可分的，降水在合適的環(huán)境場條件下通過云微物理過程機(jī)制產(chǎn)生的，云微物理過程又通過反饋?zhàn)饔糜绊懎h(huán)境場。MM5中尺度數(shù)值模式考慮了較為完善的多種物理過程，能夠預(yù)報從單一的積云尺度到天氣尺度的天氣過程，為研究降水云微物理過程結(jié)構(gòu)和降水機(jī)制提供了很好的途徑。孫建華和趙思雄(2003)通過對華北地區(qū)“12.7”降雪過程做暖云過程和Reisner混合冰相過程的模擬，認(rèn)為冰相云物理過程對成功模擬降雪的作用是不可忽視的。王鵬云等(2002)使用MM5濕物理顯式方案，模擬研究了華南暴雨中的云物理過程，結(jié)果表明由于對流形成的具有冰相參加的冷云過程是華南暴雨形成發(fā)展的主要云物理過程，當(dāng)對流較弱時只有水相而無冰相的暖云過程只造成范圍大但強(qiáng)度弱的降水。遲竹萍和龔佃利(2006)利用MM5模式結(jié)果，采用Reisner混合冰相過程計算云水、雨水、冰晶、雪景等比含水量數(shù)值，對降雪過程的水汽輸送、不同發(fā)展階段微物理參數(shù)的演變特征進(jìn)行了分析。文莉娟等(2006)對“98.5”華南暴雨過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明混合冰相顯式物理方案比其他方案模擬的降水更接近實(shí)況，云微物理場的模擬顯示沒有雪出現(xiàn)，這可能是華南降水云微物理的特點(diǎn)。孫晶等(2007)利用MM5模式分別模擬了北方地區(qū)兩次不同類型降雪過程，指出雪的產(chǎn)生主要來自于水汽凝華增長和雪收集冰晶增長，過冷水對形成霰很關(guān)鍵，冰相粒子融化加強(qiáng)雨的形成，降雪過程對熱力、動力過程具有一定的反饋影響，相變潛熱對上升運(yùn)動和降水有正反饋?zhàn)饔?，降水粒子下落拖曳力對上升運(yùn)動和降水有負(fù)反饋?zhàn)饔谩Ｚw震等(2005)、趙震和雷恒池(2008)、胡朝霞等(2007)采用三層模型分別模擬并分析了西北地區(qū)和東北地區(qū)層狀云降水形成機(jī)制和過程。楊正卿等(2012)通過對2008年1月25—29日南方冰雪天氣進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)云滴數(shù)濃度對降水量的影響是復(fù)雜和非線性的。云滴數(shù)濃度越大，云水混合比就越大，云滴的尺度越小，而雨滴數(shù)濃度則減小，雨水也減少，暖云降水過程受到抑制。除了MM5模式，國內(nèi)外許多學(xué)者還使用其他模式如冰雹云模式(樊明月等，2013)、分檔云模式(Reisin et al.，1996;Yin et al.，2000)等分別對冰雹形成機(jī)制、云凝結(jié)核對降水的影響以及暖對流云的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了分析。以上研究均是通過數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)行分析，國內(nèi)外許多學(xué)者還做過各種云系觀測試驗(yàn)和人工影響試驗(yàn)(Hobbs and Radke，1975;Grabowski and Moncrieff，1999;)。張佃國等(2010)和王慧娟等(2010)還使用飛機(jī)觀測資料分別分析了積層混合云和層狀云降水過程。

目前我國在云物理過程的研究大部分針對華南、華北暴雨，針對西北降水特別是祁連山區(qū)降水的研究卻較少(劉衛(wèi)國和劉奇俊，2007a，2007b)。本文利用中尺度數(shù)值模式MM5V3.7，對2003年7月祁連山地區(qū)一次降水過程進(jìn)行模擬，同時采用了尺度可分辨的云降水物理方案和次尺度對流參數(shù)化方案，模擬結(jié)果將總降水分為顯式降水和參數(shù)化降水，著重討論了云微物理過程對祁連山地區(qū)降水模擬的影響。

1 模式和試驗(yàn)方案

2002年7月12 日08時—13日08時(北京時間，下同)，張掖地區(qū)發(fā)生強(qiáng)降水過程，其中民樂、山丹兩站24 h降水量分別達(dá)到40.1 mm、44.0 mm(圖1)。

本文模擬區(qū)域?yàn)槠钸B山地區(qū)，模擬范圍為(95.8 ～ 104°E，35.4 ～ 41.2°N)。模 擬 采 用NCEP/NCAR再分析資料作為初始場，每6 h更換邊界條件，運(yùn)用MM5v3.7非靜力版本，模擬水平分辨率設(shè)為15 km，格點(diǎn)為46×52，垂直分層23層，積云對流選用Anthes-Kuo方案，邊界層過程選用MRF行星邊界層，輻射過程采用CCM2輻射方案，顯式云物理過程分為Dudhia簡單冰相、Reisner混合相、Reisner2霰以及Schultz微物理4個過程，分別對2002年7月12—13日祁連山區(qū)降水過程進(jìn)行對比試驗(yàn)，探討了各種云物理過程的性能和特點(diǎn)以及它們對祁連山區(qū)降水的模擬能力。

圖1 2002年7月12日08時—13日08時實(shí)況24 h累計降水量的分布(單位:mm;+表示氣象站，數(shù)字表示站點(diǎn)降水量)Fig.1 Observed 24 h accumulated rainfall from 08:00 BST 12 to 08:00 BST 13 July 2002(units:mm;+represents meteorological station，and the number is station rainfall)

2 試驗(yàn)與分析比較

4種云微物理過程(樓小鳳等，2003)描述如下:

Dudhia簡單冰相方案。增加了冰相過程，但不需增加內(nèi)存，沒有過冷水存在，凍結(jié)層以下冰晶和雪全部融化成雨水。

Reisner混合相方案?？捎羞^冷水存在，正溫區(qū)內(nèi)允許雪慢慢融化，冰晶在一時步和一層內(nèi)融化完畢，計算內(nèi)存中增加了冰晶和雪的變量。

Reisner2霰方案。在Reisner混合相的基礎(chǔ)上增加了冰晶數(shù)濃度和霰的預(yù)報。

Schulz微物理方案。沒有冰晶數(shù)濃度的預(yù)報。

2.1 總降水對云微物理過程方案的敏感性

從各方案模擬的24 h累計降水量分布(圖2)來看，4個方案模擬的降水范圍都相差不大，但降水中心位置卻不盡相同:Dudhia簡單冰相、Reisner混合相和Schulz微物理方案的降水中心位置相差不大，基本位于民樂地區(qū)，而Reisner2霰方案卻出現(xiàn)了3個大于40 mm的降水中心，且最大降水中心位于青海省天峻縣北部地區(qū)而不是張掖市民樂地區(qū)。說明從模擬的降水范圍與降水中心來看，Reisner2霰方案對此次過程的模擬效果較差。從其他3個方案模擬情況來看，3個方案模擬的降水范圍和降水中心位置與實(shí)況比較都稍偏南，但模擬的范圍主要呈西北—東南走向，而實(shí)況場降水范圍則呈現(xiàn)南北向，這主要是由于祁連山區(qū)站點(diǎn)稀疏，降水實(shí)況場不能夠完全反映實(shí)際降水狀況，另外由于站點(diǎn)稀疏，降水量插值到格點(diǎn)時的誤差也有一定因素。但4個方案都模擬出了張掖市民樂地區(qū)的降水中心，山丹44 mm的降水中心卻沒有模擬出來。由圖1可以看到實(shí)況降水場有兩個降水中心分別是山丹和民樂，其中山丹位置在民樂北面，且山丹降水量值(44 mm)比民樂降水量值(40 mm)略大，而4個方案模擬的降水范圍東面也有兩個降水中心，其中靠北的降水中心量值較靠南的降水中心量值略大，這種分布跟實(shí)況相符，只是模擬的整個降水范圍較實(shí)況場略偏南，從而導(dǎo)致模擬的降水中心位于民樂，而山丹未出現(xiàn)降水中心。綜上所述，從降水范圍來看，4個方案模擬的結(jié)果均與實(shí)況場分布較為接近。

從降水量級上來看，Dudhia簡單冰相、Reisner混合相和Schulz微物理方案模擬的降水中心最大值均略大于實(shí)況值，其中Reisner混合相方案模擬的24 h總降水量與實(shí)況最為接近，降水中心最大值為44.9 mm(圖2b)，3個方案在青海省北部均存在一個大于25 mm的降水中心，但由于站點(diǎn)稀少，資料缺乏，無法判斷模擬與實(shí)況的接近程度。所以從降水范圍、降水中心位置以及降水中心最大值幾個方面來看，Dudhia簡單冰相、Reisner混合相以及Schultz微物理方案的3種云微物理過程能夠較好地模擬出此次祁連山區(qū)降水過程，但模擬的降水范圍較實(shí)況偏南，最大降水中心略偏大。

此外，實(shí)況場上在青海省興海站還有一個25 mm的弱降水中心，比較模擬結(jié)果來看，4個方案在興海地區(qū)都有一個降水中心，但降水中心量值卻相差很大，其中Dudhia簡單冰相模擬的降水量值最大(大于45 mm)，Reisner混合相、Reisner2霰方案、Schulz微物理方案模擬的降水中心最大值分別為12、16、16 mm。說明Dudhia簡單冰相在此處有較大的虛假降水，Reisner混合相、Reisner2霰、Schulz微物理方案能夠較好地反映此處弱的降水中心。

2.2 云微物理過程方案對顯式降水和對流降水的反映

在MM5模式中反映對流和非參數(shù)化降水的主要是積云參數(shù)化過程，是否云微物理過程對積云對流也有一定的反映呢?本文計算了4種方案模擬的顯式降水和對流降水(圖3)，考察了積云對流對4種云微物理過程是否具有一定的敏感性。

整體來看4個方案模擬的顯式降水和參數(shù)化降水，參數(shù)化降水的數(shù)值均大于顯式降水，但細(xì)節(jié)上4個方案的兩種降水分布卻不盡相同。

圖2 2002年7月12日08時—13日08時模擬的24 h累計降水量的分布(單位:mm) a.Dudhia簡單冰相方案;b.Reisner混合相方案;c.Reisner2 霰方案;d.Schultz微物理方案Fig.2 Simulated 24 h accumulated rainfall from 08:00 BST 12 to 08:00 BST 13 July 2002(units:mm) a.Dudhia simple ice scheme;b.Reisner mix phase scheme;c.Reisner2 graupel scheme;d.Schultz microphysical scheme

圖3 2002年7月12日08時—13日08時模擬的24 h顯式降水(等值線)和參數(shù)化降水(陰影)的分布(單位:mm) a.Dudhia簡單冰相方案;b.Reisner混合相方案;c.Reisner2霰方案;d.Schultz微物理方案Fig.3 Simulated 24 h explicit precipitation(isolines)and parameterize precipitation(shadings)from 08:00 BST 12 to 08:00 BST 13 July 2002(units:mm) a.Dudhia simple ice scheme;b.Reisner mix phase scheme;c.Reisner2 graupel scheme;d.Schultz microphysical scheme

首先討論顯式降水的分布狀況:Dudhia簡單冰相模擬的顯式降水范圍最大，降水量值也最大，中心位于青海省天峻縣北部地區(qū)以及興海站地區(qū)，最大中心值大于20 mm;Reisner混合相的顯式降水范圍明顯比Dudhia簡單冰相小，且格點(diǎn)降水主要在青海省北部地區(qū)，張掖市民樂地區(qū)有一個大于4 mm的格點(diǎn)降水區(qū)，酒泉站地區(qū)有一個大于8 mm的格點(diǎn)降水中心;Reisner2霰顯式降水分布跟Reisner混合相相差不大，但量級上卻較之稍大，有兩個降水中心，民樂地區(qū)和天峻縣北部地區(qū)，兩個降水中心值均大于8 mm;Schultz微物理格點(diǎn)降水范圍最小，比較零散，民樂地區(qū)的格點(diǎn)降水值在4個方案中最大，中心值大于12 mm，另外在青海省最北部也有一個大于8 mm的降水中心。

4個方案模擬的參數(shù)化降水分布也有較大的差別:Dudhia簡單冰相的對流降水范圍較大，主要降水區(qū)位于甘肅省張掖市一帶，最大降水中心位于民樂地區(qū)，中心值為39 mm，另外在青海省的祁連站也存在一個33 mm的降水中心，而青海省天峻縣西北地區(qū)對流降水量級則較小，主要為10 mm的降水區(qū)。Reisner混合相的對流降水分布比較分散，主要有4個降水區(qū)，分別位于張掖市民樂地區(qū)、青海省祁連地區(qū)，甘肅省酒泉地區(qū)和青海省天峻縣最北部與甘肅省交界地區(qū)，對流降水中心值分別為40、25、29、26 mm。Reisner2霰的對流降水主要有兩個區(qū)域:一個位于青海省天峻縣西北地區(qū)一帶，降水中心值為36 mm;一個位于青海省祁連地區(qū)和甘肅省張掖地區(qū)一帶，降水中心位于祁連地區(qū)，中心值達(dá)到40 mm，而張掖地區(qū)降水中心則為35 mm。Schultz微物理在張掖地區(qū)有一個很強(qiáng)的對流降水中心，中心值為50 mm，此外在酒泉地區(qū)、天峻縣西北部與甘肅省交界地區(qū)以及祁連站地區(qū)分別有弱對流降水中心。

上述分析可以發(fā)現(xiàn)，4個方案模擬的降水區(qū)域偏南，且4個方案的降水中心位置均位于張掖市民樂地區(qū)，因此選取民樂站(100.8°E，38.45°N)為下文所分析的降水中心。

由圖2和表1可見，Schultz微物理反映的顯式降水范圍和量級最大，Dudhia簡單冰相、Reisner2霰次之，Reisner混合相反映最弱;Reisner2霰、Schultz微物理反映的參數(shù)化降水范圍和量級最大，但兩者的降水最強(qiáng)中心位置不同，Reisner混合相反映的參數(shù)化降水范圍最小，Dudhia簡單冰相反映的參數(shù)化降水范圍最大，但最強(qiáng)降水中心值較弱。這也間接地說明了4種云微物理過程對顯式降水和參數(shù)化降水的貢獻(xiàn)情況:Schultz微物理方案和Reisner2霰方案對參數(shù)化降水貢獻(xiàn)最大，Reisner混合相方案、Dudhia簡單冰相方案次之;Dudhia簡單冰相方案對顯式降水貢獻(xiàn)最大，Reisner2霰方案次之，Schultz微物理方案和Reisner混合相方案最弱。但此結(jié)論僅代表本次過程，不具有普遍性，還需更多個例的證明。

表1 4個方案模擬的降水中心24 h最大總降水量、最大顯式降水量和最大參數(shù)化降水量Table 1 The 24 h maximum total precipitation，maximum explicit precipitation and maximum parameterize precipitation at precipitaion center(Minle station)simulated by MM5 with the four schemes mm

2.3 云微物理過程方案對逐小時降水量的反映

為了考察4種云微物理過程在降水的啟動時間和最強(qiáng)降水發(fā)生時間上的差別，分析了4個方案模擬的降水中心最大降水量的時間演變(圖4)。由圖4可以看到，4個方案都是在12日13時開始出現(xiàn)微量降水，但降水突變時間卻相差很大，Dudhia簡單冰相方案和Schultz微物理方案最早突變(12日16時)，Reisner2霰方案次之，時間落后1 h，Reisner混合相方案突變最晚(12日18時)。

從逐小時降水演變來看，Dudhia簡單冰相方案呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，降水極值出現(xiàn)在12日18時，次峰值出現(xiàn)在13日00時;Schultz微物理方案呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，極值出現(xiàn)時間也在12日18時，次峰值則出現(xiàn)在13日04時;Reisner2霰方案也呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，降水極值出現(xiàn)在12日19時，次峰值出現(xiàn)在13日03時;Reisner混合相方案與三者不同，呈現(xiàn)三峰結(jié)構(gòu)，極值出現(xiàn)在13日00時，次峰值分別出現(xiàn)在12日19時和13日03時。

3 云微物理過程對動力熱力條件的影響

圖4 2002年7月12日08時—13日08時4個方案模擬的降水中心最大降水量的逐時變化(單位:mm)Fig.4 Hourly maximum precipitation at precipitaion center(Minle station)simulated by MM5 with the four schemes from 08:00 BST 12 to 08:00 BST 13 July 2002(units:mm)

為了反映各種云物理過程對動力條件的影響，通過分析降水中心上空700 hPa和300 hPa的渦度、散度之差(圖5)，討論了4個方案動力條件的差異。由圖5a可見，4個方案模擬的輻合輻散條件在積分8 h之前差別不大，積分8 h之后，出現(xiàn)較大差異。整體來看，4個方案散度差值基本位于0值以下，說明4個方案在模擬過程中，降水中心上空均處于低層輻合、高層輻散的動力條件下，且4個方案散度差均有4次谷值出現(xiàn)，其中Dudhia簡單冰相方案和Schultz微物理方案出現(xiàn)谷值的時刻比Reisner混合相方案和Reisner2霰方案早1 h，說明前兩者低層輻合、高層輻散程度加劇，動力條件加強(qiáng)早于后兩者。對比每小時降水量(圖4)，前兩者最大降水量發(fā)生時刻也早于后兩者。

從700 hPa與300 hPa的渦度差(圖5b)可見，4個方案均呈現(xiàn)單谷型，Dudhia簡單冰相、Reisner混合相方案、Reisner2霰和Schultz微物理方案出現(xiàn)谷值的時間分別在12日20時、21時、23時和20時，說明在這幾個時刻，4個方案的低層正渦度向上發(fā)展的層次最為深厚，且正渦度值在300 hPa高度上強(qiáng)度最強(qiáng)。從谷值出現(xiàn)時間還可以看到，Dudhia簡單冰相和Schultz微物理方案早于Reisner混合相方案和Reisner2霰方案。

由以上分析可見，云微物理過程能夠影響動力條件發(fā)展的時間和強(qiáng)度，從而影響強(qiáng)降水發(fā)生的時間和強(qiáng)度。

由水汽混合比和垂直速度南北向剖面(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，4個方案低層的水汽狀況基本相同，只有Reisner2霰方案低層水汽向南伸展的范圍略大于其他3種方案，這可能是Reisner2霰方案模擬的強(qiáng)降水中心比其他方案偏南的原因之一。但垂直流場和垂直速度的發(fā)展卻相差較大(為方便比較，圖6中選取的時刻分別為4個方案降水最強(qiáng)時刻):12日13時之前，4個方案模擬的垂直速度發(fā)展相差不大，垂直速度在降水中心上空500 hPa層以下有弱上升運(yùn)動發(fā)展;14時，Dudhia簡單冰相和Schultz微物理方案上升運(yùn)動開始加強(qiáng)，山脈北坡由于地形抬升引起的氣流上升運(yùn)動，至18時，兩者的垂直速度均達(dá)到最強(qiáng)，最強(qiáng)中心位于250 hPa左右，中心值分別為0.4、0.5 m·s－1，而 Reisner混合相方案和 Reisner2霰方案上升運(yùn)動則在16時開始加強(qiáng)，至19時兩者垂直速度達(dá)到最強(qiáng)，最強(qiáng)中心值分別為 0.5、1 m·s－1，但Reisner2霰方案強(qiáng)上升運(yùn)動位于37.8°N以南，較其他3個方案強(qiáng)上升運(yùn)動區(qū)域偏南，這也是Reisner2霰方案模擬的強(qiáng)降水較其他方案偏南的原因之一。從垂直流場來看，模式初始時刻至上升運(yùn)動開始發(fā)展(14時)各方案的流場表現(xiàn)基本一致，氣流在山脈北坡的爬升運(yùn)動相似，方向和大小均相差不大，16時以后，Reisner2霰方案表現(xiàn)出與其他方案不同:地形抬升作用較其他方案小，即山脈北坡偏北氣流地形強(qiáng)迫運(yùn)動沒有其他方案明顯，其他方案中偏北氣流地形強(qiáng)迫抬升運(yùn)動則均發(fā)生在地形迎風(fēng)坡至山頂處。

圖5 降水中心的平均散度差(a)和平均渦度差(b)的逐時變化(單位:10－5s－1;差值為700 hPa減去300 hPa)Fig.5 Hourly(a)average divergence and(b)vorticity differences(700 hPa minus 300 hPa)at precipitation center(Minle Station)(units:10 －5s－1)

圖6 2002年7月12日18時、19時降水中心的水汽混合比(等值線;kg/kg)、垂直流場(箭頭;m·s－1)和垂直速度(陰影;m·s－1)的經(jīng)向剖面 a.Dudhia簡單冰相方案(18時);b.Reisner混合相方案(19時);c.Reisner2霰方案(19時);d.Schultz微物理方案(18時)Fig.6 Meridional cross-sections of water vapor mixing ratio(isolines;kg/kg)，vertical flow field(arrows;m·s－1)and vertical velocity(shadings;m·s－1)along precipitation center(Minle Station)at 18:00 BST or 19:00 BST 12 July 2002 a.Dudhia simple ice scheme at 18:00 BST;b.Reisner mix phase scheme at 19:00 BST;c.Reisner2 graupel scheme at 19:00 BST;d.Schultz microphysical scheme at 18:00 BST

4 各云微物理參數(shù)的模擬分析

形成降水的云微物理過程基本分為兩類:暖云過程和冷云過程。本文所選用的4種方案均為冷云過程，即云中除水相以外，還有冰相的作用，即在降水過程中有冰相粒子(雪、雹、霰)的參與。何觀芳和胡志晉(1998)、洪延超(1999)通過研究發(fā)現(xiàn)，初始降水主要由云雨自動轉(zhuǎn)化形成，一旦有霰、雪等冰相粒子出現(xiàn)，它們和云滴、雨滴碰并而迅速增長，待其落入暖區(qū)后則融化成雨水，因而在過冷水與冰相共存的對流云中由于冰相的加入而使地面降水量大大增加。

首先來看4個方案對云水、雨水、冰水、雪水和霰的模擬情況。從整層云水、雨水隨時間的變化(圖7a、b)可見，Dudhia簡單冰相方案模擬的云水和雨水在4個方案中量值最大，且在強(qiáng)降水發(fā)生時段，云水和雨水也是最強(qiáng)的。Reisner2霰方案模擬的云水量值居第二，Reisner混合相方案次之，Schultz微物理方案最低(圖7a)。對整層雨水的模擬，在強(qiáng)降水發(fā)生時段(12日18時、19時)，Reisner混合相方案高于Reisner2霰方案，其他時刻則均低于Reisner2霰方案，Schultz微物理方案的雨水同樣是最低的。另外，Dudhia簡單冰相、Reisner混合相和Reisner2霰方案模擬的云水、雨水在12日18、19時和13日00時都有峰值出現(xiàn)，對比逐小時降水量發(fā)現(xiàn)，在這3個時刻，4個方案均處于較強(qiáng)降水發(fā)生時段，說明這3個方案的整層云水和整層雨水演變基本反映了降水的演變，但Schultz微物理方案則沒有表現(xiàn)出這一點(diǎn)。

圖7 2002年7月12—13日各方案模擬的降水中心上空整層云水(a;mm)、整層雨水(b;mm)、整層冰水(c;kg/kg)、整層雪水(d;kg/kg)和整層霰(e;kg/kg)的逐時變化Fig.7 Hourly variations of(a)integrated cloud water(mm)，(b)integrated rain water(mm)，(c)integrated ice water(kg/kg)，(d)integrated snow water(kg/kg)，and(e)integrated graupel(kg/kg)over precipitation center(Minle station)simulated by MM5 with each scheme during 12—13 July 2002

既然云水和雨水在Schultz微物理方案中不能夠反映出降水狀況，那么接著對其他冰相粒子進(jìn)行分析，找到Schultz微物理方案降水的形成與其他方案的不同。

從各方案整層冰水、雪水、霰的時間演變(圖7c、d、e)來看，Reisner混合相方案模擬的冰水、雪水量值均大于Reisner2霰方案和Schultz微物理方案，尤其是冰水量值遠(yuǎn)大于后兩者，從時間變化來看，Reisner混合相方案模擬的冰水在19時達(dá)到最大，而此時正是垂直速度發(fā)展至最強(qiáng)盛時間(圖6)，也是逐小時降水最強(qiáng)時間(圖4)，而該方案中雪水極值則在18時出現(xiàn)，19時有所降低，20時再次加強(qiáng)，可能是由于雪粒子參與降水后有所減少，這說明冰晶粒子可能最能反映降水的逐小時演變過程，但雪水粒子有可能能夠預(yù)示Reisner混合相方案中強(qiáng)降水發(fā)生的時間，當(dāng)然這只是一個個例反映出來的結(jié)果，有待用更多的個例加以驗(yàn)證。Reisner2霰方案模擬的冰水量值很小，基本在0.03 kg/kg以下，說明在Reisner2霰方案中冰粒子的作用較其他粒子小。另外Reisner2霰方案模擬的雪水演變與降水演變也有差別，21時冰水和雪水才達(dá)到最大，此時降水極值已經(jīng)出現(xiàn)，但霰粒子在18時達(dá)到最大，19時有所減小，可能也是因?yàn)轹绷Ｗ訁⑴c降水過程后有所減少，說明Reisner2霰方案中霰粒子的時間演變更能反映降水的演變，而雪和冰粒子的演變都不能夠反映降水演變過程。Schultz微物理方案對冰水模擬量級較小，且時間變化不大，但對雪水和霰模擬的演變與降水發(fā)生過程基本一致，說明Schultz微物理方案中雪水和霰粒子的變化更能反映降水過程的演變。

下面分析各種降水粒子的垂直分布(圖8)。首先是4個方案的云水粒子的垂直剖面(圖8a)，降水初期在降水區(qū)上空各方案都已經(jīng)開始出現(xiàn)云水，但Reisner混合相方案和Reisner2霰方案的云水范圍較其他方案大，而且這兩個方案模擬的云水粒子垂直分布范圍較其他兩個方案的高，隨著時間的演變，4個方案的云水范圍均有所增大，至12日18時Dudhia簡單冰相和Schultz微物理方案模擬的云水濃度達(dá)到最大，中心位置位于600 hPa左右，垂直分布在750～550 hPa的高度范圍內(nèi)，19時Reisner混合相方案和Reisner2霰方案兩者模擬的云水濃度達(dá)到最大，中心位于650 hPa左右，垂直分布在750～300 hPa之間，說明這兩者模擬的云水高度很厚。

從各方案模擬的冰水垂直分布(圖8b)來看，降水初期4個方案模擬的降水區(qū)上空均沒有冰晶粒子出現(xiàn)，直到14時才開始出現(xiàn)，但范圍在降水區(qū)上空偏南，16時范圍迅速擴(kuò)大，濃度迅速增大，18時Dudhia簡單冰相和Schultz微物理方案模擬的冰水濃度達(dá)到最大，Dudhia簡單冰相模擬的范圍和濃度均最大，中心位于500 hPa左右，垂直分布在700～300 hPa之間，Schultz微物理方案模擬的冰水中心位于600 hPa左右，垂直分布范圍較小，僅在700～650 hPa之間，19時Reisner混合相方案和Reisner2霰兩者模擬的冰水濃度達(dá)到最大，兩者中心均位于600 hPa左右，Reisner2霰方案的冰水濃度較Reisner混合相方案的大，Reisner混合相方案冰水垂直分布高度較Reisner2霰方案深厚。分析可見Dudhia簡單冰相方案模擬的冰水濃度最大且垂直分布高度最為深厚，Reisner混合相方案次之，Schultz微物理方案最小。

由于Dudhia簡單冰相方案沒有對冰水、雪水、霰這些冰相粒子的預(yù)報計算，因此分析除Dudhia簡單冰相方案的其他3個方案的過降水中心的冰水、雪水、霰混合比的垂直剖面(圖8c、d、e)。在降水發(fā)生初期，Reisner混合相方案和Reisner2霰方案兩者在降水區(qū)上空高層350～200 hPa之間有少量冰晶粒子出現(xiàn)，Reisner混合相模擬的冰晶粒子在12日14時消失，直至12日19時再次出現(xiàn)，且冰晶比水含量迅速增加，在250 hPa左右達(dá)到最大值(9×10－5kg/kg)，降水過程發(fā)生后，在13日05時冰晶消失。Reisner2霰方案模擬的冰晶演變同Reisner混合相方案相似，但在量級上較之偏小。而Schultz微物理方案則同前兩者相差較大，降水發(fā)生前期，在36～36.7°N緯度帶上空有大量冰晶粒子出現(xiàn)，且冰晶比水含量遠(yuǎn)大于Reisner混合相和Reisner2霰方案，但Schultz微物理方案模擬的冰晶粒子分布層次卻比它們低，主要分布在中高層500～300 hPa之間，另外降水中心上空并沒有冰晶粒子出現(xiàn)，直至12日14時，冰晶粒子在中層偏南氣流的作用下向偏北方向輸送至降水中心上空，19時冰晶比水含量達(dá)到最強(qiáng)(21×10－5kg/kg)，最大中心位于400 hPa左右(圖8a)，此時逐小時降水量也達(dá)到了最強(qiáng)(圖4)。隨后，降水中心上空冰晶比水含量開始逐漸減小，13日 02時再次加強(qiáng)，03時達(dá)到 15×10－5kg/kg，對應(yīng)圖4的逐小時降水量在03時加強(qiáng)，04時達(dá)到次峰值，說明Schultz微物理方案中冰晶粒子對產(chǎn)生降水的作用是非常明顯的。

從各方案模擬的雪水的分布來看，3者模擬的雪水演變在12日22時之前相差不大，12日15時降水中心上空開始出現(xiàn)固態(tài)的雪，到19時，3者雪比水含量均達(dá)到最大，中心位于500 hPa左右，其中Reisner2霰方案雪比含水量最大，中心最大值達(dá)到27×10－5kg/kg，Schultz微物理方案次之，Reisner混合相方案最小(圖8b)，隨后，3者固態(tài)雪均有所減弱。此后的過程中，Reisner混合相方案模擬的雪比水含量有兩次增強(qiáng)的過程，分別在12日22時—13日00時和13日00—03時，中心值分別達(dá)到10×10－5kg/kg和8×10－5kg/kg。而Reisner2霰方案的雪比水含量則在12日23時開始逐漸增大，直至13日03時達(dá)到最大，中心值達(dá)到16×10－5kg/kg。Schultz微物理方案在13日01時—13日04時也有一次降水增強(qiáng)過程。對比逐小時降水量發(fā)現(xiàn)，3個方案在12日15—20時降水均有一次較強(qiáng)的發(fā)展過程，此外在12日22時—13日00時和13日00—03時的Reisner混合相方案，13日00—03時的 Reis-ner2霰方案，和13日00—04時的Schultz微物理方案分別有降水增強(qiáng)過程，這與它們模擬的雪比水含量的演變基本一致。

圖8 2002年7月12日19時不同云微物理方案降水中心的云水(a)、雨水(b)、冰水(c)、雪水(d)和霰(e)混合比的經(jīng)向剖面(單位:10－5kg/kg;選取的時刻分別為4個方案降水最強(qiáng)時刻:Dudhia簡單冰相方案為18時;Reisner混合相方案為19時;Reisner2霰方案為19時;Schultz微物理方案為18時)Fig.8 Meridional cross-sections of mixing ratios of(a)cloud water，(b)rain water，(c)ice water，(d)snow water，and(e)graupel along precipitation center(Minle station)simulated by MM5 with each scheme at 19:00 BST 12 July 2002(units:10 －5kg/kg.The precipitation is the strongest at the selected times for the four schemes，i.e.Dudhia simple ice scheme at 18:00 BST，Reisner mix phase scheme at 19:00 BST，Reisner2 graupel scheme at 19:00 BST，and Schultz microphysical scheme at 18:00 BST)

接著分析霰的演變情況。4種方案只有Reisner2霰方案和Schultz微物理方案對霰做了預(yù)報，從整個演變過程來看，兩者模擬的霰比水含量的演變情況相似，但Reisner2霰方案的霰比水含量量級大于Schultz微物理方案。12日15時，Reisner2霰方案和Schultz微物理方案降水中心上空600～400 hPa之間開始出現(xiàn)霰粒子，19時兩者的霰比水含量均達(dá)到最大，最大值分別為7×10－5kg/kg、4.5×10－5kg/kg，此時兩者模擬的逐小時降水量也為最大(圖4)。此后兩者模擬的降水中心上空維持少量的霰粒子，直至13日00時霰粒子開始逐漸增加，至04時兩者的霰比水含量再次達(dá)到最大，隨后逐漸減弱。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，Dudhia簡單冰相方案中由于沒有過冷水的存在，凍結(jié)層以下冰晶和雪全部融化成雨水，所以雨水和云水是形成降水的主要過程;Reisner混合相方案中降水的形成主要是由于雨水、云水、雪和霰的碰并過程，冰晶的碰并相對較弱;Reisner2霰方案是4個方案中最為復(fù)雜的，微物理過程也是最詳細(xì)的，雨水、云水、冰晶、雪和霰均參與碰并碰凍過程。Schultz微物理方案中冰晶和雪粒子在降水形成中的作用更加明顯，霰次之，雨水和云水的作用比較微弱，說明有冰相參加的冷云過程是Schultz微物理方案降水的主導(dǎo)過程，冰晶、雪和霰的碰并過程更為重要。

5 結(jié)論

1)從總降水來看，MM5不同云微物理方案在祁連山區(qū)降水的模擬中對降水落區(qū)的模擬均偏南，除Reisner2霰方案外，其他3種方案對降水中心落點(diǎn)的模擬影響不太大，另外對降水中心強(qiáng)度的模擬，對各云微物理方案的依賴也不是很大。

2)顯式降水和參數(shù)化降水對云微物理方案有不同程度的依賴。

3)云微物理過程通過影響動力條件發(fā)生發(fā)展的時間和強(qiáng)度，從而影響強(qiáng)降水發(fā)生的時間和強(qiáng)度。

4)在云微物理過程中云微物理參數(shù)是影響降水的主要因素，對Dudhia簡單冰相方案來說雨水和云水是形成降水的主要過程;Reisner混合相方案中降水的形成主要是由于雨水、云水、雪和霰的碰并過程，冰晶的碰并相對較弱;在Reisner2霰方案中雨水、云水、冰晶、雪和霰均參與碰并碰凍過程;Schultz微物理方案中冰晶、雪和霰的碰并過程更為重要。

本文僅僅是針對一次祁連山區(qū)降水事件對MM5模式中幾種云微物理方案的選擇進(jìn)行的分析研究，結(jié)論只是初步的，且祁連山區(qū)有其特殊的地理?xiàng)l件和天氣氣候條件，引起降水的云物理過程也具有其特殊性和復(fù)雜性，因此有必要進(jìn)行更多個例和試驗(yàn)方案深入考察。

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