樊明月

摘要 利用完全彈性三維冰雹云模式，模擬研究了山東沾化2008年6月25日的一次冰雹過(guò)程，分析該地區(qū)冰雹形成的物理機(jī)制，在此基礎(chǔ)上對(duì)雹云進(jìn)行催化試驗(yàn)并研究催化防雹機(jī)制。結(jié)果表明，冰雹主要是以?xún)龅螢楹诵脑鲩L(zhǎng)的，催化使凍滴濃度增加，粒子質(zhì)量減小，向雹轉(zhuǎn)化的比例降低，致使冰雹的質(zhì)量和濃度減小，從而達(dá)到防雹目的。

關(guān)鍵詞 冰雹；數(shù)值模擬；催化防雹；山東

中圖分類(lèi)號(hào) S161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）27-09445-03

Numerical Study on Mechanism of Hail Formation and Hail Suppression with Seeding in Shandong Province

FAN Mingyue

（Weather Modification Office of Shandong Province， Jinan， Shandong 250031）

Abstract A threedimensional hailstorm numerical model with fully elastic primitive equations is used to simulate a hail cloud occurred in Zhanhua area， Shandong Province on June 25， 2008. The mechanism of hail formation and hail suppression of this cumulus was analyzed. The results showed that most embryos of hail are frozen drops. The increasing of frozen drops concentration and decreasing of its average mass by seeding AgI caused the proportion of conversion from frozen drops into hail descend greatly and all these led the mass and concentration of hailstone to decrease to our purpose of hail suppression.

Key words Hail； Numerical simulation； Hail suppression by seeding； Shandong Province

冰雹是中小尺度強(qiáng)對(duì)流云的產(chǎn)物，作為一種短時(shí)強(qiáng)烈災(zāi)害性天氣，其發(fā)生、發(fā)展和影響過(guò)程只有數(shù)小時(shí)甚至幾十分鐘，然而冰雹以及與之相伴隨的大風(fēng)、雷暴等劇烈天氣過(guò)程常常給人類(lèi)活動(dòng)造成很大災(zāi)害。冰雹是世界范圍的氣象災(zāi)害之一，也是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。在我國(guó)北方地區(qū)，冰雹災(zāi)害頻繁，突然的冰雹襲擊常給農(nóng)作物帶來(lái)毀滅性損失，尤其是維持時(shí)間較長(zhǎng)的超級(jí)單體風(fēng)暴所造成的災(zāi)害更為嚴(yán)重。觀測(cè)表明，冰雹具有明顯的區(qū)域特征，冰雹云的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)是相當(dāng)復(fù)雜的，很多現(xiàn)象都具有三維結(jié)構(gòu)特征，如超級(jí)單體的三維氣流結(jié)構(gòu)等^[1]。因此，利用三維云模式模擬冰雹過(guò)程，詳細(xì)了解冰雹云的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)特征以及冰雹形成的微物理過(guò)程對(duì)于較早識(shí)別冰雹云進(jìn)而進(jìn)行催化防雹有很重要的意義。人工防雹中，催化技術(shù)是影響防雹效果的關(guān)鍵，而與催化技術(shù)研究直接有關(guān)的是冰雹形成的物理機(jī)制和催化防雹機(jī)制。筆者利用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所研制發(fā)展的三維冰雹云模式^[2-5]研究山東沾化2008年

6月25日的一次冰雹過(guò)程，分析該地區(qū)冰雹形成的物理機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上對(duì)雹云進(jìn)行催化試驗(yàn)并研究催化防雹機(jī)制。

1 個(gè)例實(shí)況分析

2008年6月25日08：00～20：00，山東東部沿海有一長(zhǎng)而穩(wěn)定的長(zhǎng)波槽，山東處于槽后西北氣流，蒙古冷渦較偏北偏西，西北氣流中有小股的冷空氣擴(kuò)散下來(lái)影響山東。根據(jù)25日20：00實(shí)時(shí)探空（圖1）可知，對(duì)流層中層有明顯的垂直風(fēng)切變，高層干冷低層暖濕，大氣層結(jié)很不穩(wěn)定，地面溫度高，這種天氣形勢(shì)有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生。根據(jù)雷達(dá)資料（圖2）分析，25日17：30濱州、東營(yíng)北部有超級(jí)單體生成，其綜合反射率回波強(qiáng)度達(dá)70 dBz，回波頂最大高度達(dá)17 km以上，云中最大上升速度達(dá)28.3 m/s。濱州市沾化縣與東營(yíng)市利津縣和河口區(qū)出現(xiàn)雷雨，并伴有較強(qiáng)冰雹。沾化縣濱海鄉(xiāng)遭受?chē)?yán)重雹災(zāi)，降雹自北向南持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)45 min，冰雹最大直徑達(dá)5 cm，個(gè)別地段冰雹厚度達(dá)5 cm。

2 數(shù)值模擬

為了研究這次降雹形成的主要微物理過(guò)程及AgI催化對(duì)防雹的效果，在此利用完全彈性三維強(qiáng)對(duì)流云模式對(duì)這次過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬云的回波頂高、最大回波強(qiáng)度及模擬云中最大上升速度極值（圖3）與雷達(dá)探測(cè)值較一致，說(shuō)明此模式對(duì)這次過(guò)程的模擬效果較好。

3 冰雹形成機(jī)制分析

冰雹最初的形成主要由2個(gè)過(guò)程決定，霰和凍滴增長(zhǎng)達(dá)

到一定尺度后向雹轉(zhuǎn)化。從冰雹源項(xiàng)中各物理過(guò)程總量（表1）可以看出，35～70 min是冰雹質(zhì)量源項(xiàng)總量增加速度最快時(shí)段，從18.0 kt增加至897.7 kt，這從圖4可以看出此時(shí)冰

雹質(zhì)量源項(xiàng)總量變化率RQh處于峰值區(qū)。在這一時(shí)段內(nèi)，凍滴轉(zhuǎn)化量占冰雹質(zhì)量源項(xiàng)總量的60%以上，這比霰向雹的轉(zhuǎn)化大得多，說(shuō)明凍滴向雹的轉(zhuǎn)化對(duì)雹質(zhì)量的貢獻(xiàn)比霰轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)大，冰雹主要由凍滴轉(zhuǎn)化而來(lái)。這塊云中冰雹增長(zhǎng)量約占總量的40%左右，增長(zhǎng)方式主要是碰并過(guò)冷水，其增長(zhǎng)量占冰雹碰并所有各類(lèi)粒子增長(zhǎng)量之和50%左右。

冰雹胚胎的形成及其增長(zhǎng)是研究冰雹形成機(jī)制的重要滴的總質(zhì)量由11 76.3 kt減小至549.2 kt，減少約53%，凍滴質(zhì)量減小主要原因是凍滴碰并過(guò)冷云水、雨水及其他粒子的增長(zhǎng)量明顯減小，特別是碰并雨水產(chǎn)生的凍滴約減小541.7 kt。催化后凍滴個(gè)數(shù)增加了9.0×1014個(gè)，約為非催化云的2倍。催化云中凍滴數(shù)量增加的主要原因是由于冰晶和雪濃度的大量增加，使尺度較小的過(guò)冷雨滴發(fā)生接觸凍結(jié)，活化AgI粒子直接與雨滴的接觸凍滴。催化云中凍滴總質(zhì)量減小，凍滴的平均質(zhì)量和直徑的減小，致使霰向雹轉(zhuǎn)化的比例明顯降低（表5）。而60%以上冰雹均來(lái)自?xún)龅蔚霓D(zhuǎn)化過(guò)程，因此冰雹的總質(zhì)量和數(shù)量均有明顯減小，另外還可以看出，冰雹碰并過(guò)冷云水的減小也是冰雹總質(zhì)量減小的主要原因之一。

從以上分析可知，催化使云中冰晶和雪的質(zhì)量及數(shù)量明顯增加，冰晶、雪向霰的轉(zhuǎn)化比例增大，轉(zhuǎn)化形成霰的數(shù)量和質(zhì)量均有所增加；霰雹轉(zhuǎn)化比例增加，實(shí)際轉(zhuǎn)化成冰雹的質(zhì)量和數(shù)量均有所增加，但由于總霰量及轉(zhuǎn)化比例小，雹量的增加非常有限；凍滴向雹的轉(zhuǎn)化是冰雹生成及質(zhì)量增加的主要過(guò)程，催化后凍滴向雹的轉(zhuǎn)化比例減小致使雹總量的大幅度減小。

5 總結(jié)

利用三維冰雹云模式對(duì)山東的一次冰雹過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了成雹機(jī)制并研究了催化防雹。結(jié)果表明，

凍滴和霰均可以轉(zhuǎn)化成冰雹，地面出現(xiàn)降雹前，霰凍滴數(shù)量相差不大，但凍滴向冰雹轉(zhuǎn)化的比例比霰大得多，冰雹主要以?xún)龅螢榕咛?。催化使冰晶和雪的質(zhì)量數(shù)量均有所增加，向霰轉(zhuǎn)化的比例增加，霰的質(zhì)量數(shù)量有所增加，霰向冰雹轉(zhuǎn)化的比例有所增加，但由于霰總量及轉(zhuǎn)化比例的有限，對(duì)冰雹總形成影響不大，冰雹主要以?xún)龅螢楹诵脑鲩L(zhǎng)，催化使凍滴質(zhì)量減小，數(shù)量增加，從而向冰雹轉(zhuǎn)化的比例明顯降低，因而使冰雹數(shù)量和質(zhì)量上均減小，催化達(dá)到了防雹效果。

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