贵州威宁雹暴微物理特征的观测及数值模拟研究.pdf

第39卷 第4期2023年8月热 带 气 象 学 报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.39,No.4Aug.,2023周峰，周筠珺，邹书平，等.贵州威宁雹暴微物理特征的观测及数值模拟研究J.热带气象学报，2023，39(4)：551-566.文章编号：1004-4965(2023)04-0551-16贵州威宁雹暴微物理特征的观测及数值模拟研究周峰1，2，周筠珺1,3，邹书平4，杨哲4，曾勇4(1.成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都 610225；2.山西省大气探测技术保障中心，山西 太原 030002；3.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044；4.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081)摘要：利用位于贵州威宁雪山镇的X波段双偏振雷达，在观测资料质量控制的基础上，结合基于模糊逻辑的水凝物粒子识别算法(HID)以及中尺度数值模式WRF，对2018年6月28日贵州威宁羊街镇的一次强雹暴天气过程进行分析。结果表明：此次冰雹过程，观测识别与模式模拟结果具有较好的一致性，主要经历发展、成熟(孕育)、成熟(降雹)、衰减(消亡)四个阶段。(1)发展阶段：低密度霰(LDG)初生于-20 层附近(5.06.8 km)，是冰晶(CR)与周围过冷云水的凇附作用所致；高密度霰(HDG)初生于2.64.2 km，由聚合物(AG)凇附周围过冷云水所形成。(2)成熟(孕育)阶段：LDG、HDG以AG粒子为主要霰胚源进行凇附增长；雨夹雹(RH)初始形成在-20 层附近(4.26.8 km)，由周围少量HDG为雹胚源碰冻过冷云水所致。(3)成熟(降雹)阶段：LDG通过碰并作用大量形成，HDG产生有两种源项，一是由AG粒子(3.46.0 km)为高密度霰胚源的凇附作用，二是由上方的LDG粒子(6.89.3 km)，因重力沉降作用，在下沉中撞冻过冷水所形成，并最终由HDG为主要雹胚源形成RH。(4)衰减(消亡)阶段：在0 层附近(3.4 km)，零星HDG撞冻过冷雨水(RN)保持缓慢增长，继续下沉的LDG、HDG因融化作用明显，逐步转变为液态降水。关键词：双偏振；粒子识别；WRF数值模拟；雹；云微物理机制中图分类号：P456.7文献标志码：ADoi：10.16032/j.issn.1004-4965.2023.049收稿日期：2021-12-28；修订日期：2022-12-30基金项目：国家自然科学基金项目（41875169）；第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0104）；贵州省科技计划项目（黔科合支撑（2022）一般 206）；四川省重点研发项目（2022YFS0545）；贵州省科技计划项目（黔科合支撑（2023）一般 193）；云南省重点研发项目（202203AC100006）共同资助通讯作者：周筠珺，男，甘肃省人，博士，教授，主要从事大气物理与大气环境研究。E-mail：1 1 引引言言在全球气候变化的背景下，气候变暖加剧，据世界气象组织(WMO)发布的 全球气候状况申明1表明：2019年是有记录以来温度第二高的年份，由气候变暖导致的一系列极端天气事件，包括冰雹、龙卷、台风等极端天气变化频发，如2019年美国遭受了2011年以来最高频次的龙卷风，欧洲强风暴雪造成21人死亡，在亚洲发生的一次强雷暴天气过程造成89人死亡2。在我国，由应急管理部-教育部减灾与应急管理研究院等单位联合发布的 2019 全球自然灾害评估报告3中显示19892019年全球较大自然灾害频次年均约320次，其中强风暴和洪涝灾害最频发，占比超过60%。雹暴就属于这类极端危险的天气过程之一，强冰雹会对建筑物、农业、车辆带来严重危害，造成巨大的经济损失。中国是世界上雹灾最严重的国家之一，每年受灾县数接近全国县数的一半以上，覆盖从东北至西南涉及8个雹灾区的雹灾带4。因此，从机制层面对雹暴发生的成因进行研究，将对雹灾的提前预防和人工防雹消雹有重要意义。以地基为主，空基、天基为辅的空间立体化系统构成了雹暴系统的主要观测体系。雷达因具有热 带 气 象 学 报第39卷高时空分辨率和精度，成为主要的雹暴地面观测手段。特别是双偏振雷达对冰雹的观测具有普通多普勒雷达(单偏振)所不具有的优势5，在空基和天基层面以飞机和卫星为主要观测手段。张鸿发等6运用C波段双线偏振雷达对雹云发展不同阶段的演变特征进行分析，认为偏振量ZH和ZDR的变化对雹云发展的宏观特征有一定指示作用。李晓敏等7利用X波段双偏振雷达对一次雹云过程的微物理特征进行粒子识别，得出在宏观特征下水成物粒子的演变特征。王洪等8利用S波段双偏振雷达，分析了降雹时刻的微物理特征，认为偏振参量对冰液相粒子的定性识别有指示作用。梅垚9利用C波段双偏振数据对那曲地区的两次冰雹个例进行微物理成因分析，认为高原地区的冰雹过程多具有生消发展快，且湿雪的出现是雹云进入发展阶段的标志之一。飞机观测作为雷达观测的补充手段也是探究雹云过程和降水机理的重要方式10，但与雷达的远距离观测不同的是，它能够贴近云顶或者进入云内获取特定时段的实测数据。朱士超等11利用三架飞机的联合探云实验数据，对一次积层混合云特定温度层的液态水浓度进行观测，并与WRF模式模拟结果进行对比，取得较好的一致性。蔡兆鑫等12在山西忻州开展了国内首次大陆性积云飞机穿云探测实验，得到积云发展各阶段的水平尺度和云体厚度。作为地基与空基的重要观测补充，卫星观测能够从上至下得到云顶及云层垂直结构的相关数据，同时也能够弥补地面站对边远地区覆盖度不够的缺陷。张杰等13利用NOAA系列卫星资料对一次冰雹过程进行分析，通过云顶亮温和温度梯度资料对降雹过程进行动态监测，结合气象卫星MSG资料对雹云内部云滴粒子半径进行了推算，获取了云降水路径，这对后续人工影响天气指挥工作提供了有效量化指标。何文英等14利用TRMM卫星资料监测的微波量温、降雨厚度等资料综合分析，得出在降雹阶段云体高层存在大量固态粒子。况祥等15利用CloudSat卫星资料对一次深对流云内部某一阶段的微物理过程进行研究，认为冰晶粒子的垂直分布特征能够反映云微物理机制。但是上述对雹云微物理特征的观测研究中，基本是基于雹云发展特定时刻或某一阶段的分析结果，缺乏对雹云发展全阶段的系统观测。特别是在整个降雹过程中，针对雹胚及冰雹的演变特征并没有系统完整的研究。由于受观测水平的限制，完全依赖观测资料很难详尽地分析雹暴微物理的全部过程。随着计算机的更新发展，数值模式的计算能力显著提高，较高时空分辨率的数值模式能够对雹云内部的云微物理机制进行分析。其中，相关模式主要有两类：一类是云模式，另一类是中尺度数值模式。云模式可模拟出中尺度云系和小尺度的雹云系统，分辨率达到1 km。Takahashi16利用一个二维轴对称积云动力学模式模拟了雹云内部冰相粒子间的转化情况，并且特别考虑了冰雹谱的演变过程。胡志晋等17利用二维云模式研究了一次雹云过程，认为雹胚以霰粒为主。洪延超18利用双参谱的三维弹性冰雹云催化数值模式，分析了陕西省旬邑防雹试验区的一次雹云过程并探究了冰雹形成的机制，认为97%的雹块是以冻滴为胚。但云模式一般采用单站探空作为初始场，而且启动方式也相对单一，没有考虑地形因素或者只采用理想地形，无法贴近实际分析雹云在降雹前后的微物理机制19-20。另一类是中尺度数值模式，如ARPS、MM5、WRF等，特别是WRF中尺度数值模式，由于模式本身具有较高的时空分辨率(110km)，且采用非均匀初始场，能够充分考虑下垫面对天气过程的影响。Gilmore等21、付伟基等22都曾利用WRF模式模拟了雷暴深对流系统，验证了WRF模式模拟小尺度深对流系统的能力。付烨等23通过 WRF模式对浙江省的一次冰雹天气过程进行雹云内部微物理结构的模拟，认为当雹云发展进入成熟阶段以后，霰粒子含量开始迅速增加，垂直分布范围也开始较发展阶段有所扩大，过冷云滴及雨滴所存在的累积带范围开始缩小。张小娟等24利用 WRF中尺度数值模式对贵州西南部的一次天气过程进行模拟，认为雹云发展进入成熟阶段，云中以霰粒子为主，且上升气流较明显。但是前人基于模式的相关研究缺乏实际系统的对比验证，使得模拟结果的可靠性值得商榷。同时，利用模式对雹云微物理机制的探索也缺乏系统性、连续性的研究。因此本文针对上述问题，利用X波段双偏振雷达的偏振观测数据，通过模糊逻辑粒子相态识别算法(HID)对雹云过程全阶段，特别是针对雹胚552第4期周峰等：贵州威宁雹暴微物理特征的观测及数值模拟研究及冰雹的演变特征进行粒子识别。同时，利用WRF3.4.1中尺度数值模式从微物理层面，对观测识别结果进行数值模拟，保证观测与模拟结果的一致性和准确性。冰雹作为贵州省主要的气象灾害之一，贵州省的降雹过程具有生消演变快，降雹频次高，突发性强等特点，因此难以捕捉，防范难度极大，所造成的局地灾害也相对较重。这对当地农业、经济发展以及人民的生命财产安全都产生了严重影响。威宁县作为贵州省面积最大的县，位于贵州省西北部，地处云贵高原的乌蒙山系，平均海拔2 200 m，具有典型的高原台地特征。由于海拔高、地形复杂且气候多变，冰雹灾害频发，全省五个冰雹源地，威宁占其二25，因此本文以贵州省威宁县的一次强雹暴过程为研究对象。2 2 数据来源及方法介绍数据来源及方法介绍2.1 数据来源本文所使用雷达数据来自贵州省威宁县雪山镇的X波段全固态全相参双偏振多普勒天气雷达(YLD1-D)，具体技术指标主要参数如表 1 所示。并使用当地地面站观测资料和探空资料。模式背景场输入资料为美国国家大气研究中心 FNL(Final Operational Global Analysis)再分析资料，时间分辨率为 6 h，空间分辨率为 1 1。研究方法包括X波段偏振参量质量控制、模糊逻辑粒子相态识别(HID)，并对识别结果利用 WRF模式对雹云内部热动力及微物理过程进行模拟。表1YLD1-D型X波段双线偏振雷达主要参数技术指标天线增益波束宽度天线直径雷达波极化状态采样方式主要探测量探测范围/km库长/m波长/cm参数44 dB0.97 2.4 m水平、垂直PPI、RHI、VOLZH、ZDR、DP、KDP、HV、V、W0150753.22.2 研究方法2.2.1 方法流程整体研究流程主要包括X波段偏振参量的质量控制、模糊逻辑粒子相态识别(HID)，并对识别结果利用WRF中尺度数值模式对雹云内部热动力及微物理过程进行模拟。数据质量控制：位于贵州威宁雪山镇的双偏振雷达属于X波段，波长较短，在强对流天气过程中，电磁波在散射传播中的衰减作用不能忽略。因此，本文针对所用双偏振雷达资料的数据质量进行了一系列质量控制。包括：差分相移(DP)退折叠、DP的滤波、反射率(ZH)和差分反射率(ZDR)的衰减订正三个步骤。第一步，DP进行径向连续性检查，即将同一径向相邻的差分相移差值 DP(DP-DP-1)限制在180 以内26。第二步，滤波方法采用赵川鸿等27通过改进的综合小波去噪算法，滤波效果良好。第三步，衰减订正采用目前广泛运用的自适应约束算法(SCWC)28。2.2.2 模糊逻辑粒子相态识别算法(HID)模糊逻辑算法是由Zadeh29在1968年提出，在2009年，Dolan等30将基于T矩阵散射模式的模糊逻辑算法成功应用于 X 波段双偏振雷达。2010年，由Snyder等31将雨夹雹粒子的识别引入到S波段双偏振雷达中，并用于多次强降雹过程的粒子识别，取得较好效果。由于该方法本身并不完全依赖于某个具体的参量值，而是由隶属函数确定参数的阈值范围来进行限定。因此某个参数设置不精确，对最终水成物粒子的识别结果不会产生特别大的影响。目前，隶属函数的选取主要包括Beta型函数，对称T形函数及不对称T形函数，由于在使用范围上，不对称T型函数具有更广泛的粒子识别范围，更加符合实际情况，因此本文采用不对称T型函数。模糊逻辑方法主要涉及三个步骤，包括模糊化、集成聚合、退模糊。本文选择四个偏振参数(ZH、ZDR、KDP、HV)来构建粒子识别模型，同时，在对雨夹雹粒子的识别中，引入上述Snyder的方法，将SKDP替代差分相移率 KDP(SKDP=10 lg(KDP)，并引入环境温度参量T，对冰液相粒子的相态进行合理环境约束。模糊化：结合经验和观测统计，对偏振输入参量进行模糊化并建立隶属函数，隶属函数如公式553热 带 气 象 学 报第39卷(1)所示：T(x，X1，X2，X3，X4)=0,x X1x-X1X2-X1,X1 x X21,X2 x X3X4-xX4-X3,X3 x X40,x X4(1)其中X1、X2、X3、X4为函数阈值，x为双偏振雷达输入参量，具体函数阈值设定如表2所示。集成聚合：根据偏振参量X1X4区间内获得的观测落区值，对每一个成员函数值进行累加并得到聚合值。这个值代表了所有观测量的权重贡献，并决定了输出哪一个分类。退模糊：将每种分类聚合结果进行比较，最大值的分类即为最终识别量。本文根据贵州特殊地域环境下的成雹特点进行了7类输出，包括：毛毛雨(DR，Drizzle)、雨(RN，Rain)、聚 合 物(AG，Aggregation)、冰晶(CR，Crystal)、低密度霰(LDG，Low Density Graupel)、高 密 度 霰(HDG，HighDensity Graupel)、雨夹雹(RH，Rain and Hail)。表2YLD1-D型X波段双线偏振雷达主要参数参数ZH/dBZZDR/dBKDP/(/km)SKDPHVX1X2X3X4X1X2X3X4X1X2X3X4X1X2X3X4X1X2X3X4DR-27-2731310.00.00.90.90.010.010.060.060.990.9911RN252559590.0950.0955.65.60.0030.00325.525.50.9820.98211CR-25-2519190.60.65.85.80.00.00.30.30.9680.96811AG-1-133330.00.01.41.40.00.00.40.40.9790.97911LDG23234444-0.7-0.71.31.3-1.4-1.42.82.80.9860.98611HDG33335454-1.3-1.33.73.7-2.5-2.57.67.60.9650.96511RH40456570-1.00.0A1A1+0.5-10-4B1B1+10.8300.8600.9501其中：A1=3.210-5ZH3-0.001 7 ZH2+0.042ZH-0.39，B1=0.7ZH-42。3 3 实况天气及观测结果实况天气及观测结果双偏振雷达的偏振参量能够对水成物粒子的形状、大小、相态等进行探测，前人利用偏振资料进行算法反演。曹俊武等32利用模糊逻辑算法，使用相关偏振参数对降雹过程进行水成物粒子识别，取得良好效果。Park等33利用模糊逻辑算法对一次中尺度对流系统做了相态识别。张秉祥等34建立了一个基于模糊逻辑原理的冰雹识别算法对华北地区103个冰雹样本进行检验。该识别算法对冰雹的落区、识别准确率有一定效果，并且能够提前30 min做出预判。郭凤霞等35用引入温度参数(T)的模糊逻辑方法对西北地区夏季的一次554第4期周峰等：贵州威宁雹暴微物理特征的观测及数值模拟研究雷暴云进行粒子反演并得到识别结果，并利用三维电耦合模式对识别结果进行验证，认为模糊逻辑算法能够识别出雷暴云内水成物粒子的相态分布。在利用模糊逻辑方法实现粒子识别的研究中，国内学者冯亮等36、杨磊等37也都做了相关研究。3.1 天气形势分析受冷空气与低层西南暖湿气流共同影响，2018年6月28日14时(北京时间，下同)，威宁县气象台发布雷电黄色预警，当地已局部出现强雷达回波，预计未来12小时内将出现雷暴、大风、冰雹等强对流天气。威宁站探空数据显示：降雹前强对流区CAPE值为1 401.7 J/kg，SI指数为-2.7，热力条件有利于强对流发生。从图1a中看到：14时，500 hPa环流形势中，亚洲中高纬是典型的两槽一脊型，贵州地区受亚洲东部西风槽后冷空气的影响。西南涡是发生在我国西南地区700 hPa及850 hPa的低涡闭合系统，在图1b中850 hPa天气系统中，西南涡位于贵州西北部，威宁县上空存在明显的切变线，而低涡切变线系统是贵州经常出现的一种降雹天气类型，即低压辐合线降雹。威宁县处在切变线一侧区域，水汽从切变线右侧的西南暖湿气流中输送到此，低涡中心及切变线附近存在强的辐合上升气流，将水汽抬升到威宁县上空。图1b中叠加的绝对正涡度场(填色)得到威宁县上空存在强的辐合抬升气流。对应地面天气(图1c)中，位于贵州北部存在一个低压气旋。因此，高层辐散、中低层低涡切变和地面气旋辐合系统的配置，以及高层干冷，低层暖湿的不稳定层结背景下，共同触发了此次强降雹过程。图1 2018年6月28日14:00高低空天气形势a.500 hPa环流形势；b.850 hPa环流形势；c.地面天气形势。a、b黑色实线代表等高线(单位：gpm)，c黑色实线代表等压线(单位：hPa)；a、c填色代表温度场(单位：)，b填色代表涡度场(单位：s-1)。3.2 雹暴系统的演变特征此次雹暴过程为雨夹雹过程，雹云单体生成于羊街镇上空，整体稳定少动；在羊街镇与小海镇交界上空，强回波区迅速加强并逐渐向西发展，且有向南延伸的趋势。从图 2中各时刻回波PPI可看到：单体生成于 15:00(图 2a)。发展阶段(15:0715:13)，在羊街镇与小海镇交界上空回波强度逐渐增强(图2b)；进入成熟(孕育)阶段(15:1315:27)后如图 2c，强回波中心范围(ZH45 dBZ)继续扩大，并在 15:27(图 2d)达到最强；进入成熟(降雹)阶段(15:2715:40)，单体强中心范围开始缩小，但整体回波范围有增大趋势；进入衰减(消亡)阶段(15:4016:01)，雹云开始有减弱趋势，并最终趋于结束。3.3 HID降雹反演本次选取粒子识别仰角层较低(1.45)且雹云单体离雷达站较近，因此识别结果位于0 层(3.4 km)下方，主要以 RH、HDG、雨滴(RN)、毛毛雨(DZ)为主。在15:00(图3a)，羊街镇西南侧上空0.6 km位置识别出零星RH粒子；在15:07雹云单体进入发展阶段(图 3b)，RH 主体位置生成于距雪山镇雷达站东偏南方向28 km处，羊街镇与盐仓镇交界处上空约 0.7 km 的位置，周围有零星HDG 粒子存在，外围是大量 RN 和 DR；在 15:13雹云进入成熟(孕育)阶段(图3c)，RH粒子识别范围进一步扩大但仍未及地，地面亦无观测记录；60N50N40N30N20N33N31N29N27N25N23N33N31N29N27N25N23N70E90E110E130E150E100E 102E104E106E108E110E100E 102E104E106E108E110E-18-16-14-12-10-8-6-4-20-40-224681012 14-40-32-24-16-8081624(a)(b)(c)555热 带 气 象 学 报第39卷当单体发展进入成熟(降雹)阶段后，在羊街镇中南部上空，RH 粒子识别区(图 3d)出现大面积散点分布，并有部分RH向南移动进入草海镇，此时地面出现降雹。图22018年6月28日雹云单体发展各时刻雷达反射率PPI(仰角1.45)d中黑线为沿径向114 单体强反射率中心所做。图32018年6月28日雹云单体发展各时刻水成物粒子识别结果PPI(仰角1.45)27.2N27.0N26.8N26.6N104.1E104.3E104.5E104.7E104.1E104.3E104.5E104.7E104.1E104.3E104.5E104.7E104.1E104.3E104.5E104.7E104.1E104.3E104.5E104.7E104.1E104.3E104.5E104.7E757065605550454035302520151050(a)15:00(b)15:07(c)15:13(d)15:27(e)15:40(f)16:01(a)15:00(b)15:07(c)15:13(d)15:27(e)15:40(f)16:0127.2N27.0N26.8N26.6N104.1E104.3E104.5E104.7E104.1E104.3E104.5E104.7E104.1E104.3E104.5E104.7E104.1E104.3E104.5E104.7E104.1E104.3E104.5E104.7E104.1E104.3E104.5E104.7ERHHDGLDGCRAGRNDZdBZ27.2N27.0N26.8N26.6N27.2N27.0N26.8N26.6N27.2N27.0N26.8N26.6N27.2N27.0N26.8N26.6N27.2N27.0N26.8N26.6N27.2N27.0N26.8N26.6N27.2N27.0N26.8N26.6N27.2N27.0N26.8N26.6N27.2N27.0N26.8N26.6N27.2N27.0N26.8N26.6N556第4期周峰等：贵州威宁雹暴微物理特征的观测及数值模拟研究4 4HIDHID 粒子反演结果微物理特征分粒子反演结果微物理特征分析析HID识别结果：在0 层(3.4 km)以下为液态水，0 层-20 层(6.8 km)以AG粒子为主，此区域为 HDG、LDG粒子主要生成区，-20 层以上为CR粒子(识别结果为离地高度，海拔高度为2.472 km)。发展阶段(图4a，见下页)，单体强回波中心高度位于5 km附近，ZH45 dBZ。回波顶高上升到10 km以上。HID识别结果(图4b)，在0 层上方5 km附近识别出部分过冷水，是因发展阶段，单体内部存在上升气流，将0 层下方部分液态水带入上方所致。此阶段 LDG 粒子较少，分布在-20 层(5.06.8 km)附近，在-20 层上方也有少量形成，是由CR在凝华增长过程中，凇附周围过冷云水所形成。HDG粒子分布在 0 层附近(2.64.2 km)，由0 层上方处于3.64.3 km范围内的 AG 粒子为高密度霰胚；在混合层内(0-20 层)，AG的形成前期主要以冰晶间的聚并作用所致，在后期的增长中，则以贝吉龙过程为主。成熟(孕育)阶段：在 15:13(图 4c)回波范围较发展阶段有所扩大，回波主体首次出现ZH50 dBZ的强中心，且强中心高度接近-20 层(6.8 km)。HID识别结果(图4d)：进入孕育阶段，以AG为主要霰胚源参与LDG、HDG粒子的增长，RH初始形成于孕育阶段，初始形成位置在-20 层附近(4.26.8 km)，由周围少量HDG为雹胚源碰冻过冷云水所致。成熟(降雹)阶段：15:27(图4e)单体进入降雹阶段，回波顶高度增至13 km，强回波中心范围继续扩大，ZH55 dBZ。HID 识别结果(图 4f)：LDG 粒子在-2-40 层(6.89.3 km)之间大量形成；HDG数量和分布范围较上阶段增长明显，主要有两种源项，一是继续由AG粒子(3.46.0 km)为高密度霰胚源的凇附作用，二是由上方的LDG粒子在下沉中撞冻过冷水，转化为HDG粒子的速率大大增强；RH粒子以HDG为主要雹胚源，在上升与下沉气流中不断撞冻周围过冷云水循环增长38，当上升气流浮力无法承托RH自身重力时，在15:27以后产生降雹，特别是在15:40的降雹识别结果(图4h)与地面观测站的降雹记录15:4115:43基本一致。衰减(消亡)阶段：处于衰减阶段的雹云单体(图 4i)，强回波中心高度下降到 0 层以下 2 km左右，ZH30 dBZ。HID识别结果(图4j)，各冰相粒子基本消失，少量 HDG 以撞冻过冷雨水缓慢增长，LDG及HDG在下沉中因温度较高，逐步转变为液态降水，但有极少量及地。5 5 模拟结果的验证及分析模拟结果的验证及分析5.1 模式介绍和模拟方案本文采用模式为中尺度数值模式 WRF3.4.1(Weather Research Forecast)，分辨率 110 km，模式采用三层双向嵌套。具体设计方案如表3所示。表3模拟方案设计模拟方案分辨率/km格点数微物理方案长波辐射方案短波辐射方案积云对流参数化方案近地面层方案陆面方案行星边界层方案垂直层数(eta)模拟区域19160160Morrison-two-momRRTMDudhiaKFetaMM5NoahYSU50模拟区域23154154Morrison-two-momRRTMDudhiaKFetaMM5NoahYSU50模拟区域317979Morrison-two-momRRTMDudhiaMM5NoahYSU50557热 带 气 象 学 报第39卷积云对流参数化方案只在最外层和第二层开启。模拟时段为2018年6月27日20时29日08时(BJT)，共36 h，考虑到模式初始磨合期，将spin-up时间设为12小时，初始背景场采用FNL 1 1 全球再分析资料，第二层嵌套区域为研究区域。图42018年6月28日雹云单体发展各时刻沿图2d黑线方向的垂直剖面雷达反射率RHI(左列)以及水成物粒子识别结果RHI(右列)。151050010 20 30 40 50 60 70 80 90RHGDGLDGCRAGRNDZX/km100010 20 30 40 50 60 70 80 90X/km100010 20 30 40 50 60 70 80 90X/km100010 20 30 40 50 60 70 80 90X/km100010 20 30 40 50 60 70 80 90X/km100010 20 30 40 50 60 70 80 90X/km100010 20 30 40 50 60 70 80 90X/km100010 20 30 40 50 60 70 80 90X/km100010 20 30 40 50 60 70 80 90X/km100010 20 30 40 50 60 70 80 90X/km100(a)15:00(b)15:07(c)15:13(d)15:13(e)15:27(f)15:27(g)15:40(h)15:40(i)16:01(j)16:01H/km151050H/km151050H/km151050H/km151050H/km151050H/km151050H/km151050H/km151050H/km151050H/kmRHGDGLDGCRAGRNDZRHGDGLDGCRAGRNDZRHGDGLDGCRAGRNDZRHGDGLDGCRAGRNDZ7065605550454035302520151050dBZ7065605550454035302520151050dBZ7065605550454035302520151050dBZ7065605550454035302520151050dBZ7065605550454035302520151050dBZ558第4期周峰等：贵州威宁雹暴微物理特征的观测及数值模拟研究5.2 雹云单体模拟最大反射率模拟结果：雹云单体在发展过程整体稳定少动，强中心位于 27 N 附近，各阶段均模拟出45 dBZ以上的强中心，单体生成于 15:00(图 5a)。发展阶段(15:1015:20)：15:10(图5b)回波范围处于104.6104.8 E，26.927.1 N；成熟(孕育)阶段(15:2015:30)：在 15:20(图 5c)强回波中心(ZH45 dBZ)呈团块状扩大；成熟(降雹)阶段(15:3015:40)：15:30(图5d)雹云范围进一步扩大，强回波中心区(ZH45 dBZ)达到最大，强中心由团块状向东北西南向带状倾斜；进入衰减阶段(15:4016:00，图5e)，单体分裂为两个中心，有减弱趋势。回波范围较上一阶段继续扩大(图5f)，但已向层状云发展。对比观测结果如图2a2f所示：模式结果完整模拟出雹云单体回波范围、走势、强度。回波强中心反射率，观测与模拟结果均达45 dBZ以上，强中心位置都位于27 N附近，只是在经度范围上模拟结果较实况向东有少许偏移。图52018年6月28日雹云单体发展各时刻WRF模式输出最大反射率单位：dBZ。d中黑线为沿径向114 单体强反射率中心所做。(a)15:0027.3N27.2N27.1N27.0N26.9N26.8N26.7N26.6N104.1E104.3E104.5E104.7E27.3N27.2N27.1N27.0N26.9N26.8N26.7N26.6N27.3N27.2N27.1N27.0N26.9N26.8N26.7N26.6N27.3N27.2N27.1N27.0N26.9N26.8N26.7N26.6N104.1E104.3E104.5E104.7E104.1E104.3E104.5E104.7E104.1E104.3E104.5E104.7E104.1E104.3E104.5E104.7E104.1E104.3E104.5E104.7E27.3N27.2N27.1N27.0N26.9N26.8N26.7N26.6N27.3N27.2N27.1N27.0N26.9N26.8N26.7N26.6N(b)15:10(c)15:20(d)15:30(e)15:40(f)16:00706560555045403530252015105706560555045403530252015105706560555045403530252015105559热 带 气 象 学 报第39卷5.3 模式热动力场分析单体内部最大上升气流作为动力直接输入，对过冷水的垂直输送以及水成物粒子间的相互转化具有重要作用。在图6中：发展阶段，最大上升速度(Wmax)达7 m/s，霰粒子与过冷云水增长较快，说明上升气流对过冷云水的垂直输送逐渐增强，促进了霰粒子的增长；成熟(孕育)阶段，Wmax达到峰值12.1 m/s，霰胚持续增长；整个孕育阶段，过冷水质量混合比值都在1.6 g/kg以上，这将为下阶段的降雹提供有利的增长条件；进入降雹阶段后，由于冰雹的下沉拖曳作用使得上升气流逐渐减弱。图6对流区域内各水成物粒子最大质量混合比(左轴，单位:g/kg)与最大上升速度(右轴，单位:m/s)随时间变化风切变对较弱对流存在抑制作用39-40，但强风暴云的稳定维持和发展离不开环境风场的强垂直切变41，它能使雹云内部上升气流产生倾斜，有助于对流的稳定维持和发展42。风暴相对螺旋度SRH(Storm Relative Helicity)作为一种表征风暴内部强旋转切变的诊断量，可以确定雹云内部旋转 切 变 程 度，进 而 确 定 雹 云 发 展 趋 势43-44。Davies-Jones等45给出SRH作为强风暴云各发展阶段的阈值，认为以150 m2/s2为界，在发展及成熟阶段 SRH值大于 150 m2/s2，进入衰减(消亡)阶段普遍小于150 m2/s2。由图7可看到，发展阶段SRH值存在明显跃增，15:20达到峰值186.3 m2/s2，并延续到15:40的151.4 m2/s2，进入消亡阶段后迅速减至86.5 m2/s2，变化趋势与前人研究结果相吻合。在发展阶段(图 7)，SRH值迅速增加，霰粒子跃增幅度较大，成熟(孕育)阶段SRH达到峰值，随后降低。表明在发展阶段：雹云内部低层(03km)旋转切变逐渐增强，雪晶作为主要霰胚源有所减少，保证了霰的持续增长。成熟(孕育)阶段，SRH旋转切变形势减弱，但雪晶及冰晶作为霰胚源增幅明显，降雹后，霰作为雹胚源增幅减缓。整个降雹过程，雹云低层先保持稳定的顺时针切变，在15:40迅速减弱，但整体仍维持在151.4 m2/s2，保证了雹云倾斜对峙气流，促进水成物粒子间的微物理转化。图7对流区域内各水成物粒子最大质量混合比(左轴，单位:g/kg)与最大风暴相对螺旋度(右轴，单位:m2/s2)随时间变化109876543210最大质量混合比14:5015:0015:1015:2015:3015:4015:5016:00时间15141312111098765最大上升速度霰云滴雨滴冰晶雪晶最大上升速度最大质量混合比7654321014:5015:0015:1015:2015:3015:4015:5016:00时间2001801601401201008060最大风暴相对螺旋度霰云滴雨滴冰晶雪晶最大风暴相对螺旋度560第4期周峰等：贵州威宁雹暴微物理特征的观测及数值模拟研究5.4 模式微物理特征场分析5.4.1 发展阶段在发展初期(图8a)，云水分布以0 层为界存在两个大值区。在0 层下方2.65.1 km范围内的大值区中心值为1.6 g/kg；在-5-15 层的位置上方的次大值区中心值为1 g/kg。霰(图8c)分布范围(-5-15)与过冷云水的次大值区(-5-10)整体对应较好(模拟结果中霰主要对应粒子识别结果中 LDG)，同时与冰晶的次大值区(-5-15)分布位置相吻合(图8e)。表明在雹云发展初期，霰的形成由冰晶为霰胚，雪晶占比较小。雨滴(图 8b)整体位于 0 层以下，中心值为1 g/kg，没有参与霰的增长过程。5.4.2 成熟(孕育)阶段成熟(孕育)阶段(图9a)：云水大值区分布形式与发展阶段一致。处于次大值区域内的过冷云水出现在-5-15 层，中心值为1.4 g/kg。雪晶大值区分布在-5-30 层之间，而霰粒子分布在-5-25 层之间，分布区间基本一致(图 9c、9d)。表明在孕育阶段，雹胚以霰胚为主要胚源，霰以雪晶为主要霰胚源，通过凇附在 0 层上方次大值区内的过冷云水所形成，冰晶参与较少；雨滴分布区间没有明显变化，量值增加到1.8 g/kg(图9b)。5.4.3 成熟(降雹)阶段成熟(降雹)阶段：单体内部上升气流达到9 m/s(图略)以上，将更多过冷云水带入0 层上方，云水中心合并为一个(图 10a)。如图 10c 中，霰质量混合比达最大值 6.5 g/kg，大值区分布在-15-35 层之间，与雪晶和过冷云水的共存区(-5-35 层)一致(图 10a、10d)。表明在降雹阶段：霰的形成以雪晶为主要胚源并有过冷云水参与，进行凇附增长。当增长到一定程度时，将转为以碰并增长为主。在-35 层以上的少量霰粒子由此层的冰晶通过凝华作用增长为雪晶。图8 6月28日15:10 WRF模式输出各水成物粒子质量混合比沿图5d黑线所做垂直剖面单位：g/kg。a.云水；b.雨水；c.霰；d.雪晶；e.冰晶。18.015.412.910.37.75.12.60.0H/km18.015.412.910.37.75.12.60.018.015.412.910.37.75.12.60.018.015.412.910.37.75.12.60.018.015.412.910.37.75.12.60.0104.2E 104.4E 104.6E 104.8E104.2E 104.4E 104.6E 104.8E104.2E 104.4E 104.6E 104.8E104.2E 104.4E 104.6E 104.8E104.2E 104.4E 104.6E 104.8E(a)(b)(c)(d)(e)0.20.40.60.81.01.21.41.60.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.40.02 0.06 0.10 0.14 0.18 0.220.002 0.006 0.010 0.014 0.018 0.022 0.026H/kmH/kmH/kmH/km561热 带 气 象 学 报第39卷图9同图8，但为6月28日15:20图10同图8，但为6月28日15:3018.015.412.910.37.75.12.60.0H/km104.2E 104.4E 104.6E104.8E18.015.412.910.37.75.12.60.0104.2E 104.4