劉衛(wèi)國(guó) 陶玥 黨娟 周毓荃

中國(guó)氣象科學(xué)研究院中國(guó)氣象局人工影響天氣中心，北京100081

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2014年春季華北兩次降水過(guò)程的人工增雨催化數(shù)值模擬研究

劉衛(wèi)國(guó) 陶玥 黨娟 周毓荃

中國(guó)氣象科學(xué)研究院中國(guó)氣象局人工影響天氣中心，北京100081

摘 要在 WRF中尺度模式中耦合了中國(guó)氣象科學(xué)研究院發(fā)展的 CAMS（Chinese Academy of Meteorological Sciences）云微物理方案，并在CAMS方案中增加了直接播撒冰晶（S1方案）和播撒碘化銀催化劑（S2方案）兩種云催化方案。利用此模式，對(duì)2014年我國(guó)華北干旱期間開展飛機(jī)增雨作業(yè)的兩次降水過(guò)程（個(gè)例1：5月9～10日；個(gè)例2：5月10～11日）進(jìn)行了云催化數(shù)值模擬研究，分析了催化對(duì)降水和云物理量場(chǎng)影響，對(duì)比了S1 和S2方案催化效果的異同。結(jié)果表明，在云層適當(dāng)部位播撒催化劑，兩種催化方案均會(huì)達(dá)到增雨效果，催化會(huì)引起云中各水凝物的明顯變化，并導(dǎo)致催化區(qū)域溫度、垂直速度的變化。個(gè)例1中，S2方案的催化影響范圍要大于S1方案，在播撒區(qū)下游地區(qū)，S2方案催化效果要強(qiáng)于S1方案；而個(gè)例2中兩方案催化效果沒(méi)有表現(xiàn)出顯著差異。S1和S2方案的催化效果在不同個(gè)例中表現(xiàn)不同，其重要原因在于兩種催化方案的催化機(jī)制差異以及云系動(dòng)力條件、水汽條件的不同。通過(guò)采用適當(dāng)?shù)拇呋瘎┝?，在其他催化設(shè)置條件相同的情況下，S1和S2方案可以取得相似的催化效果，但需注意由于二者催化機(jī)制的差異，在一些具體云系條件下，二者的催化效果會(huì)有一定差異。當(dāng)實(shí)際人工增雨作業(yè)采用碘化銀催化劑時(shí)，相應(yīng)的催化模擬研究使用S2方案更為適合。

關(guān)鍵詞WRF模式 云催化 碘化銀核化 催化效果

劉衛(wèi)國(guó)，陶玥，黨娟，等. 2016. 2014年春季華北兩次降水過(guò)程的人工增雨催化數(shù)值模擬研究 [J]. 大氣科學(xué), 40 (4): 669-688. Liu Weiguo, Tao Yue, Dang Juan, et al. 2016. Seeding modeling study of two precipitation processes over northern China in the spring of 2014 [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (4): 669-688, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15138.

1 引言

進(jìn)入 21世紀(jì)，受全球氣候變化的影響，極端天氣事件增加，水資源日益貧乏，已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。華北地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在全國(guó)占重要地位，該地區(qū)也是我國(guó)水資源嚴(yán)重短缺區(qū)域之一。我國(guó)水資源時(shí)空分布嚴(yán)重不均、氣候變化、環(huán)境變化等因素導(dǎo)致我國(guó)北方近年來(lái)干旱加劇，加上人口增長(zhǎng)過(guò)快、工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，加劇了水資源短缺程度。目前，通過(guò)人工增雨作業(yè)合理地開發(fā)和利用空中水資源，已成為緩解北方水資源欠缺的重要手段之一。

隨著數(shù)值模式分辨率的提高以及數(shù)值模式中云微物理參數(shù)化方案的改進(jìn)，中尺度模式已能較精細(xì)地模擬云和降水特征，成為人工影響天氣理論研究的重要工具之一。近 30多年來(lái)，人工催化數(shù)值模擬技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很快，并在人工增雨、人工減雨、防雹等方面的研究中得到廣泛應(yīng)用，為人工影響天氣作業(yè)提供理論指導(dǎo)。使用數(shù)值模式進(jìn)行催化研究，一種方法是在模擬的特定時(shí)空范圍內(nèi)直接增加冰晶數(shù)濃度和比質(zhì)量，進(jìn)而研究催化對(duì)云和降水的影響。采用此種方法，國(guó)內(nèi)外已開展較多研究，如 Koenig and Murray（1983）、毛玉華和胡志晉（1993)、何觀芳等（2001）通過(guò)在二維、三維云模式中增加冰晶數(shù)濃度研究催化對(duì)降水、降雹的影響，史月琴等（2008）、孫晶等（2010）和高茜等（2011）利用 CAMS 中尺度云模式，通過(guò)在微物理方案中直接改變冰晶數(shù)濃度的方法進(jìn)行了云催化的數(shù)值試驗(yàn)。需要指出的是，直接增加冰晶的方法沒(méi)有考慮催化劑在云中的核化過(guò)程，從物理上而言，更為近似于液氮、液態(tài)二氧化碳等液態(tài)制冷劑的催化過(guò)程，但對(duì)如碘化銀之類催化劑的模擬是不完善的，多用于原理性的試驗(yàn)研究。

Hsie et al.（1980）建立了模擬碘化銀粒子核化的守恒方程，考慮了碘化銀的接觸核化、凝華（和吸附）核化的過(guò)程，并將該方程加入二維時(shí)變對(duì)流云模式，模擬了強(qiáng)對(duì)流云中碘化銀播撒的效果；黃燕和徐華英（1994）發(fā)展了該催化方案，并應(yīng)用于二維冰雹云模式，開展了冰雹云催化研究；崔雅琴等（2007）應(yīng)用該方案并將核化后的人工冰晶作為單獨(dú)預(yù)報(bào)量，使用三維對(duì)流云模式開展了催化研究；Guo et al.（2006）在三維對(duì)流云模式中使用該方案對(duì)比研究了碘化銀與液態(tài)二氧化碳催化的云動(dòng)力和微物理效果；方春剛等（2009）和何暉等（2012，2013）分別在中尺度模式 WRF和 MM5的微物理方案中加入了上述碘化銀催化過(guò)程，并進(jìn)行了對(duì)流云、層狀云的催化模擬研究。總體而言，Hsie方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)碘化銀催化物理過(guò)程的較為詳細(xì)的模擬，相對(duì)于直接增加冰晶的方法，該方案在物理上更為完整，不過(guò)，方案中不能區(qū)分碘化銀冰核的凝華核化和吸附核化過(guò)程，也沒(méi)有考慮碘化銀的浸沒(méi)核化過(guò)程，仍需進(jìn)一步的發(fā)展完善。

Meyers et al.（1995）根據(jù)DeMott（1995）的碘化銀核化試驗(yàn)結(jié)果，建立了一套碘化銀催化的顯式播撒方案，考慮了碘化銀凝華核化、吸附核化和接觸核化三種核化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了碘化銀催化與三維RAMS（Regional Atmospheric Modeling System）中尺度模式的耦合，并使用該模式模擬了一次地形云降水的播撒個(gè)例，模式合理的模擬了與播撒相關(guān)的多個(gè)物理鏈過(guò)程，模擬的催化效果與實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果吻合；劉詩(shī)軍等（2005）將DeMott（1995）的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于一維層狀云和一維對(duì)流云模式，研究了碘化銀在對(duì)流云和層狀云中成核方式的差異；Xue et al.（2013a，2013b）參考Meyers et al.（1995）的結(jié)果，在WRF模式的Thompson方案中實(shí)現(xiàn)了碘化銀播撒的顯式模擬，使用該模式模擬了地基和空基碘化銀播撒對(duì)冬季地形云降水的影響。相對(duì)于 Hsie方案，DeMott的試驗(yàn)結(jié)果更完整的表達(dá)了碘化銀的所有核化過(guò)程，將其試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于數(shù)值模擬試驗(yàn)，對(duì)于促進(jìn)人影催化模式及其研究的發(fā)展是很有意義的，對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際人工增雨作業(yè)也具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文使用耦合了CAMS云微物理方案的WRF中尺度數(shù)值模式，在CAMS微物理方案中增加了直接播撒冰晶和播撒碘化銀兩種云催化方案。利用此模式，針對(duì)2014年5月華北干旱期間開展飛機(jī)增雨作業(yè)的兩次降水過(guò)程（5月9～10日和5月10～11日），進(jìn)行了云催化數(shù)值模擬試驗(yàn)。對(duì)催化后降水、云物理量的變化進(jìn)行了分析，對(duì)比了兩種催化方案的催化效果。兩種催化方案近似模擬了當(dāng)前實(shí)際作業(yè)中使用的液態(tài)制冷劑和碘化銀兩種主要催化劑的催化過(guò)程，通過(guò)模擬研究可為實(shí)際人影作業(yè)提供參考。

2 降水過(guò)程實(shí)況

2.1 天氣背景分析

2014年5月9日08時(shí)（北京時(shí)間，下同），華北地區(qū)位于蒙古低渦東南側(cè)（圖1a）；5月9日20時(shí)，蒙古低渦東移，河套地區(qū)有一高空槽發(fā)展（圖1b）。受低渦系統(tǒng)影響，5月9～10日，內(nèi)蒙古中部、華北西部有小到中雨，局部大雨的降水過(guò)程。

5月10～11日，隨蒙古低渦東移發(fā)展，低渦西部冷空氣南下與偏南暖濕氣流交匯于華北地區(qū)，華北、黃淮等地有中到大雨降水過(guò)程。5 月10 日08時(shí)，500 hPa 天氣圖顯示東亞中高緯度呈兩槽一脊的環(huán)流形勢(shì)（圖1c），蒙古低渦中心位于（47°N，108°E），華北地區(qū)位于低渦南側(cè)高空槽前的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)中。蒙古低渦向東北方向移動(dòng)，5月10日20時(shí)（圖1d），華北地區(qū)位于低渦的西南側(cè)。

2.2 云系的演變特征

從反演的FY-2衛(wèi)星的TBB（等效黑體溫度，Black Body Temperature）云圖（圖2）可見，5月9～11日，受低渦東移影響，大范圍的低渦氣旋云系自西向東移動(dòng)，經(jīng)過(guò)華北移至東北地區(qū)。5月9日08時(shí)，低渦氣旋云系移入華北西北部；隨著系統(tǒng)向東北方向移動(dòng)，10日08時(shí)，云系覆蓋華北西部和北部；隨后，云系減弱東移，11日06時(shí)，低渦氣旋云系移出華北地區(qū)。5月9日08時(shí)至10日08時(shí)，華北地區(qū)的云層較厚，云系主要為積層混合云，對(duì)應(yīng)地面降水也較大；5月10日08時(shí)至11日08時(shí)，華北地區(qū)的云層覆蓋面積減小，云層厚度減小，云系主要為層狀云，對(duì)應(yīng)地面降水也較小。

圖1 2014年5月9、10日500 hPa高空天氣形勢(shì)圖：（a）5月9日08時(shí)；（b）5月9日20時(shí)；（c）5月10日08時(shí)（d）5月10日20時(shí)Fig. 1 500 hPa synoptic situation charts at (a) 0800 BJT (Beijing Time) 9 May, (b) 2000 BJT 9 May, (c) 0800 BJT 10 May, and (d) 2000 BJT 10 May 2014

3 降水過(guò)程的數(shù)值模擬

3.1 模式介紹

本文采用WRF模式進(jìn)行模擬研究。WRF模式是完全可壓縮的、非靜力的三維中尺度模式，可用于從云尺度到天氣尺度等不同尺度天氣特征的模擬研究。在WRF模式中，我們耦合了由中國(guó)氣象科學(xué)研究院開發(fā)的CAMS云微物理方案，該方案為混合相雙參數(shù)雪晶方案（陳德輝等，2004），包括11個(gè)云物理預(yù)報(bào)量，分別為水汽、云水的比質(zhì)量（Qv，Qc），云滴譜拓寬度（Fc），雨水、冰晶、雪和霰的比質(zhì)量和比濃度（Qr；Nr；Qi，Ni；Qs，Ns；Qg，Ng），考慮了31種云微物理過(guò)程，方案采用準(zhǔn)隱式數(shù)值計(jì)算方法，能很好地保證模式計(jì)算的穩(wěn)定性，該方案已在多個(gè)研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用發(fā)揮了很好的作用。

為進(jìn)行云催化數(shù)值模擬研究，我們?cè)贑AMS方案中增加了催化模塊，包括兩種云催化方案和相應(yīng)的微物理預(yù)報(bào)量及微物理過(guò)程。兩種云催化方案分別為直接播撒冰晶催化方案（下文簡(jiǎn)稱 S1方案）和播撒碘化銀催化劑方案（下文簡(jiǎn)稱S2方案）。S1方案是在云中直接增加冰晶數(shù)濃度和比質(zhì)量來(lái)模擬催化過(guò)程，方案中假設(shè)這些冰晶主要通過(guò)凝華和吸附核化過(guò)程形成，因此，在施加催化時(shí)只考慮凝華和吸附核化對(duì)云中水汽、溫度的影響；S1方案近似于液態(tài)制冷劑的催化過(guò)程的模擬。S2方案是在云中播撒碘化銀類催化劑，考慮碘化銀冰核形成冰晶的多種核化過(guò)程，同時(shí)對(duì)碘化銀粒子在云中的平流、擴(kuò)散以及清除過(guò)程也進(jìn)行了相應(yīng)考慮；方案中碘化銀核化的模擬主要基于DeMott（1995）的試驗(yàn)研究結(jié)果。

S2方案中，碘化銀冰核的核化包括凝華核化、吸附核化、浸沒(méi)核化、接觸核化以及作為云凝結(jié)核形成云滴共5種微物理過(guò)程（DeMott，1995；劉衛(wèi)國(guó)和劉奇俊，2007；Xue et al. 2013a），催化方案在模式中增加了2個(gè)新微物理預(yù)報(bào)量Naer和Naim，其中Naer為碘化銀氣溶膠粒子數(shù)濃度，Naim為浸沒(méi)在云滴中的碘化銀氣溶膠粒子數(shù)濃度。S2方案中假設(shè)碘化銀粒子為均一尺度分布，并假設(shè)在條件滿足的情況下，碘化銀粒子按各核化過(guò)程的核化比率瞬時(shí)核化為冰晶，忽略核化過(guò)程所需時(shí)間。碘化銀粒子

不同核化過(guò)程的公式如下：a）凝華核化

其中

b）吸附核化

其中

c）接觸核化

d） 浸沒(méi)核化

其中

e） 凝結(jié)核化

上述方程中，F(xiàn)dep、Fcdf、Fctf、Fimf、Fimd分別為碘化銀的凝華核化比、吸附核化比、接觸凍結(jié)核化比、浸沒(méi)凍結(jié)核化比和凝結(jié)核化比，si和sw分別為冰面和水面過(guò)飽和比，t為溫度（°C）。Fscav為云滴通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)和慣性碰并對(duì)碘化銀氣溶膠粒子的清除比率，其計(jì)算參考Hsie et al.（1980）的方法。 Fc＇tf、Fim＇f分別為被云滴捕獲的碘化銀氣溶膠粒子的接觸核化比和浸沒(méi)凍結(jié)核化比。方案中新增預(yù)報(bào)量 Naer和Naim的源匯項(xiàng)方程如下：

使用上述模式，我們對(duì)2014年5月9～11日華北地區(qū)的大范圍降水過(guò)程進(jìn)行了人工增雨催化數(shù)值模擬試驗(yàn)。將上述過(guò)程分為5月9～10日（個(gè)例1）、5月10～11日（個(gè)例2）兩個(gè)個(gè)例分別進(jìn)行模擬。兩個(gè)個(gè)例模式模擬區(qū)域設(shè)置相同，模式域中心點(diǎn)設(shè)在（39°N，112°E），水平方向采用9～3 km二重雙向嵌套，垂直層數(shù)35層，模式頂氣壓為50 hPa，外層網(wǎng)格使用CAMS方案和Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案，內(nèi)層網(wǎng)格使用CAMS方案。使用每6小時(shí)一次的T639全球分析場(chǎng)為模式提供初始場(chǎng)及側(cè)邊界條件，啟動(dòng)時(shí)間分別為9日08時(shí)和10日02時(shí)，模擬時(shí)長(zhǎng)分別為24小時(shí)和30小時(shí)。

3.2 模擬結(jié)果的驗(yàn)證

圖2 FY-2衛(wèi)星云圖（TBB，單位：°C）：2014年（a）5月9日08時(shí)；（b）5月10日08時(shí)；（c）5月11日08時(shí)Fig. 2 Satellite (FY-2) black body temperature (TBB) image at (a) 0800 BJT 9 May, (b) 0800 BJT 10 May, and (c) 0800 BJT 11 May 2014

圖3 2014年5月9日14時(shí)（a）模擬的云帶（陰影：垂直積分總水量，單位：mm）與（b）衛(wèi)星反演的TBB圖（單位：°C）Fig. 3 The (a) simulated cloud band (Vertically integrated total water, units: mm) and (b) FY-2 satellite TBB (units:°C) image at 1400 BJT 9 May 2014

3.2.1 個(gè)例1云帶與降水模擬驗(yàn)證

5月9日降水主要為積層混合云降水，云層發(fā)展深厚，云區(qū)內(nèi)部分區(qū)域存在較強(qiáng)上升氣流。選取外層網(wǎng)格（注：除云帶對(duì)比選擇外層網(wǎng)格數(shù)據(jù)外，文中其他分析的數(shù)據(jù)均取自內(nèi)層嵌套網(wǎng)格的模擬結(jié)果）模擬的云系演變結(jié)果與實(shí)況進(jìn)行對(duì)比，從對(duì)比情況看，模擬云帶的移動(dòng)方向、云帶形狀、分布范圍與衛(wèi)星反演產(chǎn)品接近，說(shuō)明在該個(gè)例中模式對(duì)大范圍云系的把握還是比較準(zhǔn)確的。圖3為9日14時(shí)模式模擬的云帶（以垂直積分總水量來(lái)表示，下同）與衛(wèi)星反演的TBB產(chǎn)品對(duì)比，從圖中可看出模擬結(jié)果與觀測(cè)實(shí)況基本吻合，對(duì)山西西部及陜西北部云系發(fā)展旺盛的狀況，模擬結(jié)果能夠較好地表現(xiàn)出來(lái)。

圖4為5月10日08時(shí)的24小時(shí)累積降水模擬結(jié)果與實(shí)況的對(duì)比。從圖中可看到，模擬降水的雨區(qū)分布范圍與實(shí)況接近，特別是小于25 mm的降水區(qū)域；實(shí)況25 mm以上降水主要位于山西、陜西境內(nèi)，模擬的相應(yīng)降水帶在內(nèi)蒙古境內(nèi)偏大，但在山西、陜西境內(nèi)與實(shí)況較為一致。從降水中心位置看，模式模擬出了山西西部的50 mm以上降水中心區(qū)，但范圍偏大，局地最大降水量高于實(shí)況；此外，模擬降水在山西東北部有虛假降水中心出現(xiàn)。從整個(gè)雨區(qū)降水量級(jí)的對(duì)比可看到，實(shí)況雨量在 1～75 mm之間，模擬的降水量大部分也在1～75 mm范圍，只是局部地區(qū)有大于75 mm的降水；對(duì)于大于25 mm、50 mm的雨區(qū)范圍，模擬的雨區(qū)則比實(shí)況的分布范圍要大，因此從總體上看，模擬的降水較實(shí)況偏強(qiáng)。

3.2.2 個(gè)例2云帶與降水模擬驗(yàn)證

5月10日過(guò)程以層狀云降水為主，云中上升氣流較弱。從模式模擬的云帶演變（第一層網(wǎng)格模擬結(jié)果）與衛(wèi)星反演的 TBB產(chǎn)品對(duì)比來(lái)看，模擬的云帶移向、移速與實(shí)況基本吻合。在10日14時(shí)的對(duì)比圖上可看到（圖5），模擬云帶的形狀和走向也與實(shí)況云帶基本一致，能較好的表現(xiàn)出陜西、山西和河南境內(nèi)云系發(fā)展?fàn)顩r。

從模擬的5月10日降水情況看（圖6），模擬的 24小時(shí)降水整個(gè)區(qū)域范圍略小于實(shí)況，對(duì)山西境內(nèi)的降水，模式模擬的山西西北部和西南部的兩個(gè)20 mm以上的降水中心位置有偏差，且范圍也偏小，但模擬的10～20 mm降水在山西境內(nèi)的分布與實(shí)況比較接近。從降水量級(jí)上看，山西境內(nèi)實(shí)況降水大部在1～30 mm之間，模擬的降水量級(jí)與實(shí)況接近，其中山西西部、東北部的局部地區(qū)降水模擬偏強(qiáng)?？傮w上，模擬降水能夠表現(xiàn)實(shí)況降水的分布和量級(jí)的主要特征。

4 催化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

人工影響天氣作業(yè)信息顯示，5月9～10日山西中部和北部進(jìn)行了飛機(jī)增雨和地面增雨作業(yè)。9日上午，飛機(jī)共飛行1架次，飛行地區(qū)位于太原西北部臨縣、岢嵐一帶，作業(yè)時(shí)段在 11:30～12:30，作業(yè)區(qū)域位于（37.9°～38.7°N，111.2°～112.4°E）范圍內(nèi)，共播撒碘化銀約720 g（按山西機(jī)載碘化銀焰劑0.2 g s?1的播撒速率計(jì)算）。10日，飛機(jī)增雨作業(yè)位于太原北部的原平、定襄、盂縣一帶，共飛行2架次，其中第一架次飛機(jī)作業(yè)時(shí)段11:45～12:24，作業(yè)區(qū)域位于（37.9°～38.7°N，112.5°～113.0°E）范圍內(nèi)，共播撒碘化銀約480 g。

根據(jù)模式模擬結(jié)果，參考上述兩個(gè)架次飛機(jī)增雨作業(yè)的實(shí)況，選擇山西西北部地區(qū)降水云系進(jìn)行催化模擬，但根據(jù)模擬云系的發(fā)展?fàn)顩r，催化的具體時(shí)間和區(qū)域與實(shí)況有所差異。針對(duì)兩個(gè)降水過(guò)程的個(gè)例，首先進(jìn)行未催化的自然云模擬，然后采用S1和S2方案分別進(jìn)行催化模擬，將催化后模擬結(jié)果與自然云進(jìn)行比較，對(duì)催化效果進(jìn)行分析。

個(gè)例1催化時(shí)間選擇在9日18時(shí)，催化區(qū)域位于山西西北部地區(qū)（圖7），具體經(jīng)緯度坐標(biāo)范圍為（38.6°～38.7°N，110.8°～111.5°E）；催化高度在海拔 4.7～5.5 km 之間，對(duì)應(yīng)溫度范圍?5.8～?10.2°C。催化方法采用了兩種方式：一是直接播撒人工冰晶（下文以S1方案表示），每格點(diǎn)播撒冰晶劑量為2×106kg?1，S1方案在一定程度上近似于液態(tài)制冷劑（如液氮、液態(tài)二氧化碳等）的播撒，上述劑量約合在播撒區(qū)域播撒制冷劑360 kg（按成核率1012g?1計(jì)算）；二是采用播撒碘化銀催化劑的方法（下文以S2方案表示），播撒劑量參考實(shí)際作業(yè)劑量（1小時(shí)播撒720 g碘化銀），按照Meyers et al. （1995）的方法，計(jì)算720 g碘化銀在1小時(shí)后的擴(kuò)散濃度為8×106m?3，模式中即采用這個(gè)劑量進(jìn)行播撒。

個(gè)例2催化時(shí)間為10日11時(shí)，選擇催化區(qū)域位于山西西北部（圖8），經(jīng)緯度坐標(biāo)范圍（38.3°～38.5°N，111.0°～111.5°E）；催化高度選擇在海拔4.4～4.8 km之間，對(duì)應(yīng)溫度范圍?6～?9.2°C之間；催化方法也分別采用播撒人工冰晶（S1）和碘化銀催化劑（S2）兩種方案，播撒劑量在S1方案為每格點(diǎn)播撒冰晶1×106kg?1（總計(jì)約合播撒55 kg液態(tài)制冷劑），S2方案參考實(shí)際作業(yè)播撒的480 g碘化銀，換算出40分鐘后的擴(kuò)散濃度為1.8×107m?3，以其作為播撒用量。

5 催化模擬分析

5.1 催化區(qū)域云發(fā)展?fàn)顩r

圖4 2014年5月10日08時(shí)24小時(shí)累積降水量對(duì)比（單位：mm）：（a）采用S2方案的模擬降水；（b）實(shí)況降水Fig. 4 (a) Simulated (by the S2 scheme) and (b) observed 24-h rainfall (units: mm) at 0800 BJT 10 May 2014

圖5 2014年5月10日14時(shí)（a）模擬的云帶（陰影：垂直積分總水量，單位：mm）與（b）衛(wèi)星反演的TBB圖（單位：°C）Fig. 5 The (a) simulated cloud band (vertically integrated total water, units: mm) and (b) FY-2 satellite TBB (units: °C) image at 1400 BJT 10 May 2014

個(gè)例1中，模擬的降水云系過(guò)冷水區(qū)主體在9日下午開始移入山西境內(nèi)，此時(shí)山西地面已有降水，云體發(fā)展較強(qiáng)，降水量較大，云系向東北方向移動(dòng)，移速較快。從海拔5 km高度過(guò)冷水的水平分布（圖7a）可看到，陜西、山西西部、內(nèi)蒙古中部存在一個(gè)大范圍的過(guò)冷水區(qū)，呈西南—東北的帶狀分布，過(guò)冷水含量豐富，大部分區(qū)域量值在0.1 gkg?1以上，部分區(qū)域甚至高達(dá)1～2 g kg?1，過(guò)冷水區(qū)內(nèi)主要為西南氣流。催化時(shí)刻沿38.65°N的垂直剖面圖（圖7b、c、d）顯示，云區(qū)過(guò)冷水含量高，一些區(qū)域存在較強(qiáng)上升氣流，在上升氣流區(qū)冰相發(fā)展旺盛，冰面過(guò)飽和區(qū)深厚，利于冰相粒子成長(zhǎng)。圖中可看到雪霰層伸展至10 km以上，且雪霰比質(zhì)量高，雨水比質(zhì)量分布也顯示地面降水較大，上述特征表明云系降水發(fā)展較為成熟。從圖7中可看到，在催化區(qū)域內(nèi)（見圖7a、c中黑色方框所示）過(guò)冷水含量大多在0.1～0.3 g kg?1之間，自然冰晶數(shù)濃度在10～50 L?1之間，冰面過(guò)飽和比0.04～0.1之間，催化區(qū)域位于上升氣流區(qū)，最大上升速度可達(dá)1.5 m s?1。

個(gè)例2中，過(guò)冷水區(qū)隨云系的東移逐漸覆蓋山西西北部大片區(qū)域，從海拔4.5 km高度的水平分布看（圖8a），過(guò)冷水含量以0.01～0.05 g kg?1為主，部分區(qū)域過(guò)冷水含量達(dá)0.1～0.3 g kg?1，過(guò)冷水區(qū)主要為西南氣流。從云垂直結(jié)構(gòu)看（圖8b、c、d），過(guò)冷水區(qū)冰晶含量很少，大部分區(qū)域在10 L?1以下，云區(qū)內(nèi)存在上升氣流，云系冰相發(fā)展不充分，地面降水不大。可以看到在垂直方向5～7 km之間存在冰晶、雪、霰含量的低值區(qū)，圖 8b表明，云系在垂直方向有明顯的“干濕”分層，5～7 km之間有一較厚的冰面欠飽和區(qū)，冰相粒子在該層蒸發(fā)較大，不利于下層云區(qū)降水發(fā)展。從圖8可看到，催化區(qū)域（圖中黑色方框所示）過(guò)冷水含量在0.01～0.3 g kg?1，自然冰晶數(shù)濃度1～10 L?1，冰面過(guò)飽和比大于0.04，上升氣流速度最大0.2 m s?1。

圖6 2014年5月11日08時(shí)24小時(shí)累積降水量對(duì)比（單位：mm）：（a）采用S2方案的模擬降水；（b）實(shí)況降水Fig. 6 (a) Simulated (by the S2 scheme) and (b) observed 24-h rainfall (units: mm) at 0800 BJT 11 May 2014

5.2 催化對(duì)降水的影響

5.2.1 個(gè)例1降水變化分析

圖9為S1、S2方案催化后3小時(shí)內(nèi)地面每10分鐘凈增雨量的時(shí)間演變。每 10分鐘凈增雨量是指整個(gè)第二層網(wǎng)格模擬區(qū)域在催化后每 10分鐘的降雨總量與未催化的降雨總量的差值。從圖中可以看到，兩種方案降水變化的演變情況類似，在催化后 10分鐘時(shí)地面均出現(xiàn)輕微增雨，此后地面降水持續(xù)減少，30分鐘時(shí)達(dá)到凈減雨量最大值（S1：3.3 ×105t；S2：3.7×105t），地面減雨持續(xù)至 70分鐘后才開始轉(zhuǎn)為增雨，并在120分鐘時(shí)達(dá)到最大凈增雨量（S1：3.9×105t；S2：3.7×105t）。模擬結(jié)果表明，S1和S2方案在催化后3小時(shí)地面累積凈增雨量分別為 7.8×105t和 7.1×105t，局地最大相對(duì)增雨率分別為1.8%和3.6%，兩方案催化后3小時(shí)的總效果均為增雨，顯然催化后期的增雨效果起到了重要作用。

圖7 2014年5月9日18時(shí)（a）5 km海拔高度云水比質(zhì)量（單位：g kg?1）的水平分布以及（b–d）冰面過(guò)飽和比和云中各水凝物沿38.65°N的垂直剖面，其中，（b）冰面過(guò)飽和比（藍(lán)色等值線）、溫度（黑色等值線，單位：°C）；（c）云水比質(zhì)量（填色陰影，單位：g kg?1）、冰晶數(shù)濃度（紅色等值線，單位：L?1）、溫度（藍(lán)色等值線, 單位：°C）；（d）雪和霰的比質(zhì)量（填色陰影，單位：g kg?1）、雨水比質(zhì)量（藍(lán)色等值線，單位：g kg?1）。（a、c、d）箭頭表示風(fēng)場(chǎng)；（a、c）黑線方框所示為播撒區(qū)域的對(duì)應(yīng)位置Fig. 7 (a) Horizontal distribution of cloud water mixing ratio (g kg?1) at 5 km MSL and (b–d) vertical cross sections along 38.65°N of the ice saturation ratio and hydrometeors at 1800 BJT 9 May 2014: (b) Ice saturation ratio (blue contours) and temperature (black contours; °C); (c) cloud water mixing ratio (color shading; g kg?1), ice number concentration (red contours, L?1), and temperature (blue contours, °C); (d) snow and graupel mixing ratio (color shading; g kg?1) and rain mixing ratio (blue contours; g kg?1). Arrows in (a, c, d) represent the wind field, and the black boxes in (a, c) indicate the seeding area

從催化3小時(shí)后地面累積降水量變化的分布可以看到（圖10），S1和S2方案在播撒區(qū)位置的降水沒(méi)有明顯變化，在播撒區(qū)下游方向到39°N附近主要為減雨區(qū)，39°N以北地區(qū)主要以增雨區(qū)為主。總體上，從播撒區(qū)向下游方向，兩方案的累積降水變化均呈現(xiàn)出減雨—增雨的分布特征。在播撒區(qū)下游39°～39.5°N之間，兩方案的降水都出現(xiàn)大范圍的增雨，且分布區(qū)域類似，但在39.5°N以北地區(qū)，S1方案催化對(duì)降水的影響減弱，降水變化區(qū)域明顯縮減（圖10a），而S2方案則存在一個(gè)較大范圍的增雨區(qū)并一直延伸至40.6°N附近。上述特征說(shuō)明，相對(duì)于S1方案，S2方案播撒區(qū)下游較遠(yuǎn)的區(qū)域仍有較強(qiáng)催化效果，圖9中S2方案在催化160分鐘后凈增雨量再次遞增的變化也說(shuō)明了這一特點(diǎn)，其原因可從兩種方案的催化機(jī)制及云系動(dòng)力特征上來(lái)分析。

圖8 2014年5月10日11時(shí)（a）4.5 km海拔高度云水比質(zhì)量（單位：g kg?1）的水平分布以及（b–d）冰面過(guò)飽和比和云中各水凝物沿38.5°N 的垂直剖面，其中，（b）冰面過(guò)飽和比（藍(lán)色等值線）、溫度（黑色等值線，單位：°C）；（c）云水比質(zhì)量（填色陰影，單位：g kg?1）、冰晶數(shù)濃度（紅色等值線，單位：L?1）、溫度（藍(lán)色等值線，單位：°C）；（d）雪和霰的比質(zhì)量（填色陰影，單位：g kg?1）、雨水比質(zhì)量（藍(lán)色等值線，單位：g kg?1）。（a、c、d）箭頭表示風(fēng)場(chǎng)；（a、c）黑線方框所示為播撒區(qū)域的對(duì)應(yīng)位置Fig. 8 (a) Horizontal distribution of cloud water mixing ratio (g kg?1) at 5 km MSL and (b–d) vertical cross sections along 38.5°N of the ice saturation ratio and hydrometeors at 1800 BJT 10 May 2014: (b) Ice saturation ratio (blue contour) and temperature (black contours); (c) cloud water mixing ratio (color shading; g kg?1), ice number concentration (red contours; L?1), and temperature (blue contours; °C); (d) snow and graupel mixing ratio (color shading; g kg?1), rain mixing ratio (blue contours; g kg?1). Arrows in (a, c, d) represent the wind field, and the black boxes in (a, c) indicate the seeding area

圖9 個(gè)例1催化后 3小時(shí)內(nèi)，S1、S2方案中地面每10分鐘凈增雨量隨時(shí)間變化Fig. 9 Temporal evolution of 10-min net surface rainfall increments in both S1 and S2 schemes during the three hours after the seeding operation in expt CASE1

圖10 個(gè)例1催化后3小時(shí)地面凈增雨量分布：（a）S1方案；（b）S2方案。陰影：3小時(shí)自然降水（單位：mm）；等值線：3小時(shí)累積雨量差（催化－未催化）；等值線間隔（單位：mm）：?0.25、?0.2、?0.1、?0.05、0.05、0.1、0.2、0.25；圖中黑色方框?yàn)椴ト鰠^(qū)Fig. 10 Net 3-h surface rainfall increments after the seeding operation in expt CASE1: (a) S1 scheme; (b) S2 scheme. Shading: 3-h natural rainfall; contours: the differences of 3-h rainfall (seeded rainfall minus natural one); contour values (units: mm): ?0.25, ?0.2, ?0.1, ?0.05, 0.05, 0.1, 0.2, and 0.25; the black boxes indicate the seeding area

催化劑播撒后，對(duì)云的最直接影響是增加冰晶數(shù)濃度，圖11所示為S1、S2方案的催化云相對(duì)自然云的冰晶數(shù)濃度變化。由圖中可看到，在催化的初期（圖11 a1、a2），兩方案的冰晶變化分布和變化量級(jí)均表現(xiàn)出很大的相似性，但隨時(shí)間推移，兩方案表現(xiàn)出明顯差異。S2方案的碘化銀隨氣流不斷向播撒區(qū)下游方向輸送，由于云系存在較強(qiáng)的上升氣流，碘化銀分布在垂直方向也有明顯擴(kuò)展。在輸送擴(kuò)散過(guò)程中，碘化銀濃度逐漸降低，但從圖中可以看到，在催化后110分鐘時(shí)，在碘化銀的分布區(qū)域仍存在最大100 L?1以上的的冰晶增量，說(shuō)明催化的直接影響仍然存在。而S1方案，隨時(shí)間推移，冰晶數(shù)濃度增量急劇減小，到110分鐘時(shí)已經(jīng)很低（圖11b1）。從催化機(jī)制上看，S1方案是直接在云中播撒一定數(shù)量的人工冰晶，無(wú)論在播撒區(qū)還是隨氣流向下游遷移擴(kuò)散，在條件適合時(shí)，人工冰晶都能直接參與云中水汽凝華、過(guò)冷水凝結(jié)碰凍等物理過(guò)程向降水粒子轉(zhuǎn)化，而且該個(gè)例中云區(qū)內(nèi)升速較強(qiáng)，過(guò)冷水含量高，更有利于冰晶成長(zhǎng)；而 S2方案播撒的碘化銀催化劑作為冰核或凝結(jié)核在云中需要經(jīng)歷一個(gè)核化為冰晶或云滴的過(guò)程，因此在播撒位置的環(huán)境條件不合適時(shí)，碘化銀粒子不會(huì)參與云中的微物理過(guò)程，并隨氣流向播撒區(qū)下游方向遷移擴(kuò)散，直至條件適合形成冰晶或云滴，并參與到降水形成的過(guò)程中。由此可見，兩種方案催化機(jī)制的差異是造成催化后期播撒區(qū)下游降水的變化出現(xiàn)不同的一個(gè)重要原因。此外，在本個(gè)例中，云中存在較強(qiáng)的上升氣流，碘化銀在播撒入云后，部分碘化銀很快會(huì)隨上升氣流輸送到播撒區(qū)上空，由于高空風(fēng)速大，向下游輸送能力強(qiáng)，碘化銀能向下游輸送更長(zhǎng)的距離，從而增大催化影響區(qū)的范圍。

圖11 個(gè)例1催化后不同時(shí)刻，S1方案（左）和S2方案（右）冰晶數(shù)濃度變化（催化后的值減去相應(yīng)時(shí)刻自然云的值）的垂直分布（單位：L?1）：（a1、a2）催化后30分鐘，沿38.9°N剖面；（b1、b2）催化后110分鐘，沿39.8°N剖面。剖面位置取自對(duì)應(yīng)時(shí)刻地面降水變化中心（每10分鐘的累積變化）；陰影為碘化銀數(shù)濃度（單位：L?1）Fig. 11 Vertical distribution of ice number concentration variation (L?1, seeding variable minus natural one) in the (a1, b1) S1 and (a2, b2) S2 schemes at different moments after the seeding operation in CASE1 (the cross sections are through the center of 10-min rainfall variation): (a1, a2) Along 38.9°N at 30 min after the seeding operation; (b1, b2) along 39.8°N at 110 min after the seeding operation. Shading: AgI number concentration (L?1)

5.2.2 個(gè)例2降水變化分析

個(gè)例2中，山西主要以穩(wěn)定的層狀云降水為主，云系緩慢向東北方向移動(dòng)，催化時(shí)段云系降水量較小，3小時(shí)累積雨量（10日06時(shí)）為6 mm。從S1、S2方案催化后第二層網(wǎng)格區(qū)域的每10分鐘地面凈增雨量的時(shí)間演變（圖12）可看到，兩種方案的凈增雨量變化特征相似，但與個(gè)例1的變化特征（圖9）有較大區(qū)別。兩方案在催化后地面減雨的持續(xù)時(shí)間不到30分鐘，最大凈減雨量均為5.4×104t。從40分鐘開始，兩方案一直為增雨效果，S1方案在160分鐘時(shí)達(dá)到凈增雨量最大值（2.3×105t），S2方案則在180分鐘達(dá)到最大凈增雨量（1.8×105t）。S1和S2方案在催化后3小時(shí)地面累積凈增雨量分別為 1.8×106t和 1.5×106t，局地最大相對(duì)增雨率分別為33%和30%，催化后3小時(shí)的總效果為增雨。

圖12 個(gè)例2催化后 3小時(shí)內(nèi)，S1、S2方案中地面每10分鐘凈增雨量隨時(shí)間變化Fig. 12 Temporal evolution of 10-min net surface rainfall increments in both S1 and S2 schemes during the three hours after the seeding operation in expt CASE2

圖13 個(gè)例2催化后3小時(shí)地面凈增雨量分布：（a）S1方案；（b）S2方案。陰影：3小時(shí)自然降水；等值線：3小時(shí)累積雨量差（催化－未催化）；等值線間隔（單位：mm）：?0.6、?0.4、?0.2、 ?0.1、?0.05、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6。圖中黑色方框?yàn)椴ト鰠^(qū)域Fig. 13 Net 3-h surface rainfall increments after the seeding operation in expt CASE2: (a) S1 scheme; (b) S2 scheme. Shading: 3-h natural rainfall;countours: the differences of 3-h rainfall (seeded rainfall minus natural one); contour values (units: mm): ?0.6, ?0.4, ?0.2, ?0.1, ?0.05, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4 and 0.6; the black boxes indicate the seeding area

從催化后3小時(shí)降水變化的分布看，S1和S2方案表現(xiàn)出相似的特征（圖13），兩方案整個(gè)催化影響區(qū)范圍接近，且影響區(qū)中增雨區(qū)面積較大，減雨區(qū)面積較小。與個(gè)例1不同，個(gè)例2中S2方案的降水變化區(qū)域相比于 S1方案，沒(méi)有出現(xiàn)向下游方向明顯擴(kuò)展的現(xiàn)象，這與云系本身物理特征有密切關(guān)系。一方面，由于云系屬于較為穩(wěn)定的層狀云，云內(nèi)氣流上升速度不大，不利于碘化銀垂直方向的擴(kuò)散，不易形成類似個(gè)例1中碘化銀隨高空氣流向下游快速輸送擴(kuò)散的情形，這可從圖 14中碘化銀垂直分布的時(shí)間變化看到，隨時(shí)間推移，大部分碘化銀富集在播撒高度附近，垂直擴(kuò)散范圍有限，整體上隨云系的移動(dòng)緩慢向播撒區(qū)下游遷移。另一方面，由圖 8b可知，在播撒云區(qū)，適宜碘化銀核化的區(qū)域有限，垂直方向僅限于過(guò)冷云水區(qū)上層?5～?10°C層之間，在播撒初期，由于環(huán)境條件較好，碘化銀大量核化，增加的冰晶數(shù)濃度與 S1方案相當(dāng)（圖14a1、a2）；但隨時(shí)間推移，由圖14b2中碘化銀仍然保持較高濃度的現(xiàn)象說(shuō)明，碘化銀在后期的核化率顯著降低，從而在冰晶數(shù)濃度上沒(méi)有形成與S1方案顯著的差別，導(dǎo)致其催化效果與S1方案沒(méi)有太大的差異。

圖14 個(gè)例2催化后不同時(shí)刻，S1方案（左）和S2方案（右）冰晶數(shù)濃度變化（催化后的值減去相應(yīng)時(shí)刻自然云的值）的垂直分布（單位：L?1）：（a1、a2）催化后30分鐘，沿38.55oN剖面；（b1、b2）催化后120分鐘，沿38.87oN剖面。剖面位置取自對(duì)應(yīng)時(shí)刻地面降水變化中心（每10分鐘的累積變化），陰影為碘化銀數(shù)濃度（單位L?1）Fig. 14 Vertical distribution of ice number concentration variation (L?1, seeding variable minus natural one) in the (a1, b1) S1 and (a2, b2) S2 schemes at different moments after the seeding operation in CASE2 (the cross sections are through the center of 10-min rainfall variation): (a1, a2) Along 38.55°N at 30 min after the seeding operation; (b1, b2) along 38.87°N at 120 min after the seeding operation; shading. AgI number concentration (L?1)

5.3 催化對(duì)云物理量場(chǎng)的影響

5.3.1 個(gè)例1云物理量場(chǎng)變化分析

當(dāng)人工冰晶或催化劑在云中合適部位播撒后，會(huì)通過(guò)各種微物理過(guò)程與水汽、云中水凝物粒子產(chǎn)生直接或間接作用，造成云微物理特征的改變。由圖15可見，在主要的催化影響區(qū)域（112°～113°N），S1、S2方案均可看出云中微物理量的明顯變化。?15°C層以上的過(guò)冷云水由于冰晶數(shù)濃度的增加以及冰晶、雪晶的增長(zhǎng)被消耗，圖中可看到該區(qū)域冰晶、雪晶明顯增多；?15°C層以下，霰的比質(zhì)量增加，云水減少，顯然霰碰并過(guò)冷云水增長(zhǎng)是云水減少的重要原因。與霰的增加相對(duì)應(yīng)，下層的雨水比質(zhì)量也增加，這說(shuō)明降水增加主要來(lái)源于霰的增加。從圖中微物理變化的垂直分布上看，兩種方案的冰晶、雪晶、霰、雨各物理量的增減變化區(qū)域有很好的對(duì)應(yīng)性，這也體現(xiàn)了通過(guò)催化引進(jìn)冰晶數(shù)濃度變化進(jìn)而影響云和降水的物理鏈條。

圖15 個(gè)例1催化后100分鐘，（a1–g1）S1方案和（a2–g2）S2方案各云物理量差值（催化后的值減去相應(yīng)時(shí)刻自然云的值）及 (h) 碘化銀濃度（單位：L?1）沿降水變化中心（39.62°N）的東西向剖面：（a1、a2）云水比質(zhì)量（單位：g kg?1）；（b1、b2）冰晶數(shù)濃度（單位：L?1）；（c1、c2）雪晶比質(zhì)量（單位：g kg?1）；（d1、d2）霰比質(zhì)量（單位：g kg?1）；（e1、e2）雨水比質(zhì)量（單位：g kg?1）；（f1、f2）溫度（單位：°C）；（g1、g2）垂直速度（單位：cm s?1）。（a1–e1）和（a2–e2）中陰影為該物理量自然云中的值Fig. 15 Vertical cross sections of the cloud physical quantity differences (seeding variables minus natural ones) and (h) AgI number concentration (L?1) at 100 min after the seeding operation along 39.62°N by using both (a1-g1) S1 scheme and (a2-g2) S2 scheme in CASE1: (a1, a2) Cloud water mixing ratio (g kg?1); (b1, b2) ice number concentration (L?1); (c1, c2) snow mixing ratio (g kg?1); (d1, d2) graupel mixing ratio (g kg?1); (e1, e2) rain mixing ratio (g kg?1); (f1, f2) temperature (°C); (g1, g2) vertical velocity (cm s?1). Shading in (a1–e1) and (a2–e2): natural values

圖15 （續(xù)）Fig. 15 (Continued)

從圖15b1、b2可看到，在冰晶增加區(qū)域，S2方案中增加的冰晶數(shù)濃度以及濃度增加范圍均明顯高于S1方案，而這一區(qū)域與碘化銀催化劑的分布區(qū)域相對(duì)應(yīng)（圖15h），這說(shuō)明碘化銀粒子的核化起到了重要作用。由于 S2方案中碘化銀粒子在向下游輸送擴(kuò)散過(guò)程中，在適宜條件下可不斷生成新的冰晶參與到云物理過(guò)程中，從而有利于延長(zhǎng)催化影響的時(shí)效，擴(kuò)展催化影響的范圍。催化不但會(huì)影響云中微物理量特征，而且在催化劑核化及冰相粒子增長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)涉及到潛熱的釋放，這會(huì)引起云中溫度的變化。從圖15f1、f2可看到，催化引起的增溫區(qū)主要位于冰晶、雪晶大量增加的區(qū)域，S1方案最大增溫超過(guò)0.1°C，S2方案由于存在碘化銀大量核化形成較多冰晶的過(guò)程，其增溫幅度和范圍均高于S1方案，最大增溫在0.2°C以上。與增溫區(qū)相對(duì)應(yīng)，云中上升速度也有所增加，從圖 15g1、g2可看到，S2方案的上升速度增加量級(jí)及區(qū)域范圍均高于S1方案。

5.3.2 個(gè)例2云物理量場(chǎng)變化分析

個(gè)例2催化時(shí)段降水較小，云內(nèi)動(dòng)力條件較弱，上層冰云與下層過(guò)冷云水區(qū)之間存在較厚的冰面欠飽和區(qū)（圖 8b），導(dǎo)致下層過(guò)冷水區(qū)冰晶粒子數(shù)濃度低。由圖16可看到，S1、S2兩方案在催化后對(duì)云內(nèi)物理量場(chǎng)的影響非常相似。播撒催化劑后，由于云內(nèi)動(dòng)力條件的限制，催化劑向上輸送擴(kuò)展有限，催化影響主要發(fā)生在下層云區(qū)，增加的冰晶以播撒區(qū)為中心向周圍擴(kuò)散，通過(guò)消耗過(guò)冷云水成長(zhǎng)，最終使得雪、霰增加。從圖 16中霰的增加區(qū)域與其下方雨水的增加區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以判斷該個(gè)例中霰的增加是降水增加的主要來(lái)源。對(duì)應(yīng)冰晶、雪晶的增加區(qū)域，兩方案同樣可以看到由于相態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)潛熱釋放導(dǎo)致的增溫現(xiàn)象（圖16f1、f2），以及增溫區(qū)域的上升速度增加的動(dòng)力場(chǎng)變化特征（圖16g1、g2）。對(duì)于圖16f1、f2中在增溫區(qū)上方出現(xiàn)減溫區(qū)的現(xiàn)象，是因?yàn)榇呋黾拥牟糠直嗔Ｗ与S氣流上升進(jìn)入?10°C層上方的冰面欠飽和區(qū)，冰相粒子蒸發(fā)導(dǎo)致該區(qū)域降溫。

6 結(jié)論

2014年5月9～11日，受低渦系統(tǒng)的影響，華北地區(qū)自西向東經(jīng)歷了一次大范圍降水過(guò)程，針對(duì)這次過(guò)程，山西省進(jìn)行了飛機(jī)增雨催化作業(yè)。本文利用耦合了CAMS微物理方案及催化模塊的WRF模式對(duì)5月9日和10日的降水過(guò)程分別進(jìn)行了模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)況進(jìn)行了對(duì)比，模式模擬的云帶、降水特征與實(shí)況吻合較好。我們結(jié)合山西兩個(gè)架次飛機(jī)增雨作業(yè)實(shí)況與模式模擬結(jié)果，對(duì)山西境內(nèi)的降水云系進(jìn)行了催化模擬試驗(yàn)。催化試驗(yàn)分別采用了直接播撒冰晶（S1方案）和播撒碘化銀催化劑（S2方案）兩種方式進(jìn)行催化模擬，對(duì)兩種方案的催化效果進(jìn)行了分析和對(duì)比，主要研究結(jié)論如下：

（1）在云層適當(dāng)部位播撒催化劑，無(wú)論是 S1方案還是S2方案，都會(huì)對(duì)降水產(chǎn)生明顯影響，兩個(gè)例都達(dá)到了增雨效果。個(gè)例1中，S2方案對(duì)播撒區(qū)下游降水的影響范圍要大于S1方案，主要是因?yàn)閮煞N方案的催化機(jī)制的差異，以及由于云系中動(dòng)力條件較強(qiáng)、水汽條件好，有助于碘化銀催化劑向下游輸送，并在輸送過(guò)程中通過(guò)不斷核化形成冰晶擴(kuò)展了催化影響的范圍，增強(qiáng)了播撒區(qū)下游地區(qū)的催化效果；個(gè)例2中，S1和S2方案的催化影響范圍非常相似，這主要是由于S2方案中增加的大量冰晶主要產(chǎn)生于催化初期，由于云中動(dòng)力條件較弱、水汽條件差，催化后期碘化銀的輸送擴(kuò)散和核化效率均不高，使得S2方案的催化效果與S1方案沒(méi)有太大的差異。

（2）催化會(huì)引起云中各水凝物的比質(zhì)量、數(shù)濃度的明顯變化，同時(shí)，由于水物質(zhì)相態(tài)轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致的潛熱釋放會(huì)造成催化區(qū)域溫度升高，上升速度也會(huì)增加。由于云系動(dòng)力、水汽等條件不同，在不同個(gè)例中，兩類催化方案的表現(xiàn)不同：個(gè)例1中，在播撒區(qū)下游，由于大量碘化銀的核化作用，S2方案在催化區(qū)域引起上述變化普遍強(qiáng)于 S1方案；而個(gè)例2中，由于（1）中提及的原因，S1和S2方案催化對(duì)云物理量場(chǎng)的影響效果沒(méi)有顯著差異。

（3）S1和S2方案分別近似模擬了液態(tài)制冷劑和碘化銀兩種催化劑的催化過(guò)程。通過(guò)采用適當(dāng)?shù)拇呋瘎┝浚谄渌呋O(shè)置條件相同的情況下，S1 和 S2方案可以取得一些相似的催化效果，如絕對(duì)或相對(duì)增雨量，但需注意由于二者在催化機(jī)制上有一些區(qū)別，在一些具體云系條件下，其催化效果會(huì)表現(xiàn)出某些差異，如個(gè)例1中催化影響區(qū)域的差異。目前，實(shí)際人影作業(yè)廣泛采用碘化銀催化劑，因此在對(duì)實(shí)際催化作業(yè)進(jìn)行模擬研究時(shí)，應(yīng)注意兩種方案可能帶來(lái)的差異，針對(duì)碘化銀催化作業(yè)的模擬研究，選擇S2方案更為適合。

圖16 個(gè)例2催化后40分鐘，（a1–g1）S1方案和（a2–g2）S2方案各云物理量差值（催化后的值減去相應(yīng)時(shí)刻自然云的值）及（h）碘化銀濃度（單位：L?1）沿降水變化中心（38.55°N）的東西向剖面：（a1、a2）云水比質(zhì)量（單位：g kg?1）；（b1、b2）冰晶數(shù)濃度（單位：L?1）；（c1、c2）雪晶比質(zhì)量（單位：g kg?1）；（d1、d2）霰比質(zhì)量（單位：g kg?1）；（e1、e2）雨水比質(zhì)量（單位：g kg?1）；（f1、f2）溫度（單位：°C）；（g1、g2）垂直速度（單位：cm s?1）。（a1–e1）和（a2–e2）中陰影為該物理量自然云中的值Fig. 16 Vertical cross sections of the cloud physical quantity differences (seeding variables minus natural ones) and (h) AgI number concentration ( L?1) at 40 min after the seeding operation along 38.55°N by using both (a1-g1) S1 scheme and (a2-g2) S2 scheme in CASE2: (a1, a2) Cloud water mixing ratio (g kg?1); (b1, b2) ice number concentration (L?1); (c1, c2) snow mixing ratio (g kg?1); (d1, d2) graupel mixing ratio (g kg?1); (e1, e2) rain mixing ratio (g kg?1); (f1, f2) temperature (°C); (g1, g2) vertical velocity (cm s?1). Shading in (a1–e1) and (a2–e2): natural values

本文主要針對(duì)催化后降水和云物理場(chǎng)的變化進(jìn)行了初步研究，有關(guān)云催化過(guò)程涉及到的各種問(wèn)題，如催化過(guò)程中催化時(shí)機(jī)、部位、劑量的優(yōu)化選擇、催化過(guò)程對(duì)自然云微物理過(guò)程的具體影響等，仍需進(jìn)一步的深入分析。

圖16 （續(xù)）Fig. 16 (Continued)

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資助項(xiàng)目 公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)GYHY201206025，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41075099

Funded by Special Scientific Research Fund of Meteorological Public Welfare Profession of China (Grant GYHY201206025), National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grant 41075099)

文章編號(hào)1006-9895(2016)04-0669-20 中圖分類號(hào) P401

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15138

收稿日期2015-03-02；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-8-31

作者簡(jiǎn)介劉衛(wèi)國(guó)，男，1973年出生，副研究員，主要從事云降水物理及數(shù)值模式研究。E-mail: liuwg@camscma.cn

Seeding Modeling Study of Two Precipitation Processes over Northern China in the Spring of 2014

LIU Weiguo, TAO Yue, DANG Juan, and ZHOU Yuquan
Weather Modification Center, Chinese Meteorological Administration, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081

AbstractThe CAMS (Chinese Academy of Meteorological Sciences) cloud microphysics scheme, developed by the Weather Modification Center of the China Meteorological Administration, was coupled to the WRF model, and two kinds of cloud seeding schemes—seeding artificial ice crystal (S1) and seeding AgI aerosol particles (S2)—were constructed in the CAMS scheme. Using the WRF model with the new cloud microphysics scheme and cloud seeding scheme, numerical simulations of cloud seeding during two precipitation processes in 2014 (CASE1: 9–10 May; CASE2: 10–11 May) over northern China were conducted. Cloud seeding effects on rainfall and cloud microphysics structure resulting from the S1 and S2 schemes were analyzed separately. The results show that a seeding catalyst in an appropriate part of a precipitating cloudcan lead to a change in precipitation, and precipitation enhancement effects were attained using both S1 and S2. Seeding resulted in evident variation in all kinds of hydrometeors in the seeding area, where it also stirred up change in temperature and updraft. In CASE1, the affected area of S2 was wider than that of S1, and the seeding effect of S2 was also more intense than that of S1 downstream of the seeding area. However, the difference in the seeding effect between S1 and S2 was not obvious in CASE2. The differences in seeding mechanism, cloud dynamics and water vapor were important factors causing different behavior in the seeding effects of both S1 and S2. A similar seeding effect could be attained through employing a proper seeding amount and setting the other seeding conditions the same in S1 and S2. Crucially, the difference in seeding mechanism of the two seeding schemes may result in the change in seeding effects in some clouds. The S2 scheme is more suitable for research on artificial precipitation operations in which AgI seeding agent is employed.

KeywordsWRF, Cloud seeding, AgI nucleation, Seeding effect