祁璇 平凡 沈新勇 1,,3

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044

2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LACS），北京 100029

3 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東珠海 519082

4 浙江省氣象安全技術(shù)中心，杭州 310008

1 引言

近年來(lái)隨著全球氣候變暖加劇，我國(guó)暴雨及強(qiáng)對(duì)流等極端天氣頻發(fā)，其中暖區(qū)降水作為近年來(lái)致災(zāi)嚴(yán)重、預(yù)測(cè)難度大的一種典型降水類(lèi)型，呈現(xiàn)出時(shí)空分布廣、降水頻次多的趨勢(shì)，如2012 年7 月21 日北京暖區(qū)降水（周玉淑等, 2014; Zhong et al.,2015）、2016 年5 月7 日廣州暖區(qū)降水（伍志方等, 2018; Huang et al., 2018）以及2015 年5 月16日粵西暖區(qū)降水（吳亞麗等, 2018）。上述暖區(qū)降水過(guò)程都有一個(gè)顯著特點(diǎn)，即引發(fā)暖區(qū)暴雨的降水系統(tǒng)都是由局地觸發(fā)及組織化發(fā)展的中尺度對(duì)流系統(tǒng)（諶蕓等, 2018），同時(shí)云微物理過(guò)程在暖區(qū)降水過(guò)程中有重要影響，可顯著得引起暖區(qū)降水的增幅（Mao et al., 2018）。因此，利用數(shù)值模式，準(zhǔn)確模擬再現(xiàn)暖區(qū)降水過(guò)程、細(xì)致探究云微物理對(duì)暖區(qū)降水的影響將加深對(duì)暖區(qū)降水的形成及演變機(jī)制的理解，提高暖區(qū)降水的預(yù)測(cè)能力。

暖區(qū)降水的多尺度環(huán)境特征及分布特點(diǎn)已有了大量研究。1970 年前后，Nozumi and Arakawa (1968)提出鋒面氣旋中還存在暖區(qū)雨帶。Matejka et al.（1980）通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)暖區(qū)暴雨位于冷鋒前部和暖鋒后部，多表現(xiàn)為線狀對(duì)流系統(tǒng)，降水雨帶也呈帶狀分布。國(guó)內(nèi)關(guān)于暖區(qū)暴雨的研究剛開(kāi)始主要集中在華南地區(qū)，黃士松（1986）對(duì)發(fā)生在華南的暖區(qū)暴雨進(jìn)行定義，認(rèn)為發(fā)生在地面暖區(qū)的距鋒面200～300 km 位置的雨帶稱(chēng)為暖區(qū)暴雨。暖區(qū)暴雨具有明顯的中尺度特征，常常伴隨著強(qiáng)對(duì)流天氣，容易引發(fā)洪澇災(zāi)害（陶詩(shī)言, 1980; 何立富等,2016），因此正確理解暖區(qū)暴雨并對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)具有重要的實(shí)際意義。

暴雨及強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的中尺度特征、觸發(fā)及組織化機(jī)制的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。Huang et al.（2018）應(yīng)用觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)同化模擬了廣州“5.7”降水過(guò)程，指出中尺度地形強(qiáng)迫、地面冷池的出流與暖濕的南風(fēng)交匯作用以及城市效應(yīng)是造成廣州這次暴雨的主要原因。Mao et al.（2018）結(jié)合多源觀測(cè)資料及同化技術(shù)對(duì)2012 年北京“721”暴雨進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)該次暖區(qū)降水過(guò)程中河套氣旋發(fā)揮了非常重要的作用。因此，引發(fā)暴雨和強(qiáng)對(duì)流的中尺度系統(tǒng)的觸發(fā)及組織化發(fā)展是發(fā)生在特定的多尺度天氣環(huán)境下，由干線、海風(fēng)鋒、冷鋒、陣風(fēng)鋒、靜止鋒等天氣及中尺度系統(tǒng)所觸發(fā)及組織化發(fā)展而成（Weiss and Bluestein, 2002; Wilson and Roberts, 2006; Xue and Martin, 2006; Su and Zhai,2017）。

云微物理過(guò)程對(duì)暴雨及中尺度系統(tǒng)的影響一直是暴雨研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。中高緯度降水主要由冷云過(guò)程產(chǎn)生（Schlamp et al., 1975），那么冷云過(guò)程中冰相粒子的凝華、撞凍以及淞附等現(xiàn)象在我國(guó)大部分地區(qū)的降水過(guò)程中都發(fā)揮著極其重要的作用?？追测櫟龋?991）的研究指出：冰相微物理過(guò)程在風(fēng)暴的發(fā)展演變過(guò)程中不可忽視，通過(guò)凝結(jié)、凝華和凍結(jié)等冰相粒子的形成過(guò)程釋放大量潛熱加熱大氣，從而加強(qiáng)大氣的正浮力以維持強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展。洪延超（2012）模擬研究了一次“催化—供給”冷鋒層狀云降水的微物理過(guò)程，發(fā)現(xiàn)水汽凝華和冰晶撞凍增長(zhǎng)形成的冰相粒子降落到云的暖區(qū)中融化形成雨水，是降水形成的主要物理機(jī)制。Yin et al.（2018）研究發(fā)現(xiàn)冰雹胚胎主要在垂直上升氣流的“胚胎簾”中收集冰晶、雨水和霰粒子，胚胎通過(guò)上下循環(huán)收集云滴和雨滴增長(zhǎng)。由此可知，云微物理過(guò)程不僅改變降水形成過(guò)程，而且會(huì)對(duì)降水系統(tǒng)的熱動(dòng)力過(guò)程產(chǎn)生重要的影響（Van Weverberg et al., 2011）。

暖區(qū)降水發(fā)生在濕梯度和熱梯度較小的區(qū)域中，與冷鋒降水相比，暖區(qū)降水有其特有的云微物理特性。目前暖區(qū)暴雨的的云微物理特征已有了一些研究成果，Hobbs（1980）研究了暖區(qū)雨帶的結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生降水的機(jī)制，指出“播撒—供給”云機(jī)制以及強(qiáng)對(duì)流對(duì)于暖區(qū)降水的產(chǎn)生都有非常重要的作用。茅家華和平凡（2015）研究了北京“721”暴雨過(guò)程中暖區(qū)降水和冷鋒降水階段的云微物理差異，發(fā)現(xiàn)水汽凝結(jié)為云水、雪和霰收集云水后融化為雨水以及雨水蒸發(fā)為水汽的反饋?zhàn)饔檬桥瘏^(qū)降水階段雨水含量明顯高于冷鋒降水階段的主要原因。傅佩玲等（2018）研究了2017 年中國(guó)廣州一次特大暖區(qū)暴雨的微物理特征，發(fā)現(xiàn)雨滴總體濃度強(qiáng)，低質(zhì)心與暖區(qū)降水特征是產(chǎn)生短時(shí)暴雨的重要原因。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)暖區(qū)降水的多尺度環(huán)境特征、中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)及組織化、云微物理對(duì)降水過(guò)程的影響的研究都取得了一定的進(jìn)展，但目前關(guān)于暖區(qū)降水云微物理特征方面的研究仍存在很多不足，其模擬預(yù)測(cè)及形成和演變機(jī)制的研究亟待深入，突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）數(shù)值模式能否準(zhǔn)確模擬再現(xiàn)暖區(qū)降水過(guò)程?（2）能否準(zhǔn)確模擬再現(xiàn)造成暖區(qū)降水的中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)及組織化的細(xì)致過(guò)程?（3）在此基礎(chǔ)上，能否揭示云微物理過(guò)程對(duì)暖區(qū)降水的影響并探究其影響的可能機(jī)制?

2017 年7 月13 日吉林永吉爆發(fā)一次強(qiáng)的暖區(qū)特大暴雨過(guò)程，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。本文將以此次永吉降水過(guò)程為研究個(gè)例，模擬和再現(xiàn)暴雨過(guò)程，特別是細(xì)致模擬和再現(xiàn)此次暖區(qū)降水的觸發(fā)及組織化發(fā)展演變過(guò)程；在此基礎(chǔ)上，著重研究云微物理過(guò)程對(duì)降水的影響，探究其影響暖區(qū)降水的可能機(jī)制。本文其余章節(jié)組織如下：第二部分，介紹此次暴雨個(gè)例，分析其形成的大氣環(huán)流背景和層結(jié)條件；第三部分，簡(jiǎn)要敘述本文涉及的資料以及WRF 中尺度模式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，了解中尺度系統(tǒng)實(shí)際發(fā)展演變過(guò)程，同時(shí)用模擬的雨帶分布、降水量和雷達(dá)回波與其進(jìn)行對(duì)比，選擇最優(yōu)方案得到云分辨尺度模擬數(shù)據(jù)；第四部分，基于云分辨尺度模擬數(shù)據(jù)，剖析中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的云微物理特征；第五部分，利用數(shù)值模式輸出結(jié)果，通過(guò)分析云水物質(zhì)的質(zhì)量和熱量收支情況，探討云微物理過(guò)程對(duì)此次暖區(qū)暴雨的可能影響機(jī)制；第六部分，總結(jié)主要科學(xué)結(jié)論，并討論文章的創(chuàng)新點(diǎn)和不足。

2 個(gè)例介紹及天氣學(xué)分析

2.1 個(gè)例介紹

2017 年7 月13 日吉林省中部的永吉縣發(fā)生了一次罕見(jiàn)的暖區(qū)暴雨過(guò)程，降水主要集中在地面冷鋒前部的四平市、長(zhǎng)春南部以及吉林中南部地區(qū)（圖1），是典型的暖區(qū)降水過(guò)程（探空觀測(cè)見(jiàn)圖2）。因永吉處于長(zhǎng)白山西側(cè)的平原向山地的過(guò)渡地帶，水汽以及氣流的輔合作用造成中尺度對(duì)流系統(tǒng)在四平市東部地區(qū)觸發(fā)，在大尺度天氣系統(tǒng)的東移背景下，中尺度對(duì)流系統(tǒng)組織化發(fā)展為強(qiáng)烈的弓狀降水雨帶，給吉林市永吉縣（圖1 的黑色五角星位置）造成嚴(yán)重的暴雨災(zāi)害，7 月13 日的日累計(jì)降水量達(dá)到295.7 mm，是吉林省自1951 年以來(lái)最強(qiáng)暴雨過(guò)程，此次降水過(guò)程具有時(shí)間短，強(qiáng)度大，落區(qū)重復(fù)的特點(diǎn)，致使18 人遇難，26 萬(wàn)人受災(zāi)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失（王寧等, 2018; 于佳含等, 2019）。

圖1 2017 年7 月13 日00:00（左列；協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）和12:00（右列）天氣尺度背景場(chǎng)分布：（a，e）200 hPa 高空急流（填色陰影區(qū)域，單位：m s-1），500 hPa 位勢(shì)高度（藍(lán)色實(shí)線，單位：dagpm）、溫度（紅色實(shí)線，單位：K）、槽線（紅色粗實(shí)線）和西太平洋副熱帶高壓（588 黑色實(shí)線，單位：10 gpm）；（b，f）700 hPa 位勢(shì)高度（藍(lán)色實(shí)線，單位：10 gpm），廣義位溫（紅色虛線，單位：K）、底層切變線（紅色實(shí)線）和風(fēng)場(chǎng)（矢量箭頭，單位：m s-1）；（c，g）850 hPa 水汽通量（綠色陰影區(qū)，單位：g s-1 hPa-1 cm-1）、位勢(shì)高度（藍(lán)色實(shí)線，單位：10 gpm）、廣義位溫（GPT，紅色虛線，單位：K）、風(fēng)場(chǎng)（矢量箭頭，單位：m s-1；打點(diǎn)區(qū)為低空急流區(qū)）和底層切變線（紅色實(shí)線）；（d，h）地面氣壓場(chǎng)（藍(lán)色細(xì)實(shí)線，單位：hPa）、風(fēng)場(chǎng)（矢量箭頭，單位m s-1）和地面冷鋒（藍(lán)色粗實(shí)線）。圖中五角星代表永吉，下同；字母“H”、“L”分別代表高壓中心和低壓中心位置Fig. 1 Background circulation fields at 0000 UTC (left column) and 1200 UTC (right column) on July 13, 2017 : (a, e) High-level jet (shaded, units:m s-1) at 200 hPa; geopotential height (blue solid contours, units: 10 gpm), temperature (red solid contours, units: K), trough line (red bold line), the western Pacific subtropical high (black contours; units: 10 gpm) at 500 hPa. (b, f) Geopotential height (blue solid contours, units: dagpm), generalized potential temperature (red dash contours, units: K), trough-line (thick red solid line), and winds (vectors; units: m s-1; dotted areas denote lower-level jet) at 700 hPa. (c, g) Water vapor flux (shaded; units: g s-1 hPa-1 cm-1), geopotential height (blue solid contours; units: dagpm), generalized potential temperature (red dashed contours; unis: K), wind field (vectors; units: m s-1) and trough-line(red solid line) at 850 hPa. (d, h) Sea level pressure (blue thin solid contours, units: hPa), 10-m winds (vectors; units: m s-1), and cold front (blue bold solid line). Position of Yongji is marked by the star, the same below. Letters “H” and “L” denote high-pressure and low-pressure centers, respectively

圖2 2017 年7 月13 日（a）00:00、（b）06:00、（c）12:00 長(zhǎng)春站（54161）的探空觀測(cè)以及（d）模式模擬區(qū)域。層結(jié)曲線（藍(lán)色粗實(shí)線），狀態(tài)曲線（黑色粗實(shí)線）。Fig. 2 Atmospheric sounding data as observed at Changchun station (54161) at (a) 0000 UTC, (b) 0600 UTC, and (c) 1200 UTC on July13, 2017,The location of the model domain is shown in (d). stratification curve (thick blue solid line), state curve (thick black solid line).

2.2 天氣學(xué)分析

2.2.1 大氣環(huán)流分析

此次暴雨過(guò)程發(fā)生在多尺度天氣背景條件下，本節(jié)著重對(duì)其發(fā)生的大氣環(huán)流及大氣層結(jié)條件進(jìn)行分析，以探討中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變的天氣學(xué)背景?；趯?shí)際降水的發(fā)生發(fā)展情況，選用0.5°×0.5°的NCEP/NCAR 每6 小時(shí)一次的再分析資料，2017 年7 月13 日00:00（對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)前）和12:00（中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展旺盛階段）為典型時(shí)次（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同），根據(jù)不同等壓面上的特征物理量分析中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的大氣環(huán)境條件。

圖1 是2017 年7 月13 日00:00（左 列）與12:00（右列）不同高度的天氣尺度背景場(chǎng)分析。由此可見(jiàn)，13 日00:00，500 hPa（圖1a）上中國(guó)東北地區(qū)存在強(qiáng)的冷渦中心，永吉位于槽前西南氣流中，脊前有弱冷空氣輸送；至12:00（圖1e），東部槽線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，永吉上空出現(xiàn)200 hPa 急流區(qū)，冷平流強(qiáng)，因此此時(shí)高空處于干冷狀態(tài)且抽吸作用強(qiáng)，有利于強(qiáng)烈垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)生和維持。700 hPa上，13 日00:00（圖1b），從冷渦中心伸出的切變線呈東北—西南走向，此時(shí)廣義位溫（Gao et al.,2004）所代表的高溫高濕舌（廣義位溫的316 K 特征線）位于中國(guó)中部地區(qū)；至13 日12:00（圖1f），永吉地區(qū)完全處于切變線前部西南氣流控制之下，此時(shí)高溫高濕舌東伸至吉林中部地區(qū)，永吉相比于12 小時(shí)前處于暖的廣義位溫梯度密集區(qū)，為中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展增強(qiáng)提供充足的能量供應(yīng)。850 hPa 等壓面上，13 日00:00（圖1c），降水中心位于西南急流（打點(diǎn)陰影區(qū)）出口區(qū)左側(cè)、兩條急流帶交匯區(qū)，底層輻合作用強(qiáng)，水汽條件充沛。12 小時(shí)后（圖1g），低層南海的充沛水汽源源不斷地向降水區(qū)域輸送，配合此時(shí)永吉上空的低空急流增大，輻合作用增強(qiáng)，永吉產(chǎn)生強(qiáng)降水過(guò)程。地面圖上13 日00:00 和12:00（圖1d 和h），東北地區(qū)存在閉合的氣旋中心，冷鋒從氣旋中心伸展出來(lái)，永吉始終位于鋒前暖區(qū)的西南氣流控制之下。

2.2.2 大氣層結(jié)條件分析

除了有利的天氣學(xué)環(huán)境以外，大氣層結(jié)條件也為該次暴雨提供了有利的發(fā)展背景。由于臺(tái)站實(shí)況資料不完整，我們?nèi)赃x用0.5°×0.5°的NCEP/NCAR再分析資料來(lái)分析中尺度系統(tǒng)不同發(fā)展階段（發(fā)生前00:00、觸發(fā)時(shí)06:00 以及發(fā)展旺盛階段12:00）的大氣層結(jié)條件。

圖2 是長(zhǎng)春站探空觀測(cè)。在00:00 即對(duì)流觸發(fā)前（圖2a），大氣由低到高為濕—干—濕的分布，此時(shí)對(duì)流不穩(wěn)定能量較大。6 小時(shí)后（圖2b），高層變干，覆蓋在700 hPa 附近的濕層上，底層不穩(wěn)定能量的堆積，一旦觸發(fā)對(duì)流的條件滿(mǎn)足，中尺度對(duì)流系統(tǒng)將突破濕暖蓋向高層發(fā)展增強(qiáng)。12:00（圖2c），不穩(wěn)定能量減小，說(shuō)明此時(shí)該站附近有強(qiáng)烈的對(duì)流發(fā)生；低層濕空氣匯合且向上輸送，整層空氣濕度增加，對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展強(qiáng)烈，相變潛熱的釋放有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展維持。

綜合上述分析可知，此次暖區(qū)降水發(fā)生在深厚的東北冷渦維持階段，始終位于地面冷鋒前部暖區(qū)中。暴雨發(fā)生前（13 日00:00）降水區(qū)上空從低層到高層呈前傾槽結(jié)構(gòu)，高空干冷空氣疊加在低層暖濕氣流之上，使得不穩(wěn)定能量在永吉上空堆積。暴雨過(guò)程中（13 日12:00）500 hPa 槽線逆時(shí)針轉(zhuǎn)豎，永吉位于槽底冷平流中，低層由于充沛的水汽供應(yīng)變?yōu)楦邼駞^(qū)，配合高層急流增強(qiáng)形成強(qiáng)烈的抽吸作用，有利于永吉地區(qū)強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展及維持，中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展增強(qiáng)從而產(chǎn)生暴雨過(guò)程。

3 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果驗(yàn)證

如上節(jié)所述，此次暴雨發(fā)生在底層濕暖且抽吸作用強(qiáng)烈的天氣背景條件下，由實(shí)況累計(jì)降水量（圖3）和實(shí)況雷達(dá)拼圖（圖4）可知，造成此次暖區(qū)降水過(guò)程的中尺度對(duì)流系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)階段：觸發(fā)（07:00～08:00）、組織化發(fā)展（08:00～13:00）、弓狀回波（13:00～15:00）以及消亡（15:00～19:00），因此本節(jié)擬利用數(shù)值模式對(duì)此次降水過(guò)程進(jìn)行模擬，再現(xiàn)暖區(qū)暴雨的細(xì)致過(guò)程，特別是再現(xiàn)中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變的典型階段，這是進(jìn)行云微物理研究的前提和基礎(chǔ)。

圖3 2017 年7 月13 日中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變過(guò)程中觀測(cè)（左列，obs）和模擬（右列，wrf）的累計(jì)降水分布（填色，單位：mm）對(duì)比：（a、b）07:00～13:00 6 小時(shí)累計(jì)；（c、d）13:00～19:00 的6 小時(shí)累計(jì)；（e、f）07:00～19:00 的12 小時(shí)累計(jì)Fig. 3 Comparison of the observed (left column; obs) and simulated (right column; wrf) accumulative precipitation distributions (shaded, units: mm)during the evolution of the mesoscale convective systems: (a, b) 6-h period from 0700 UTC to 1300 UTC; (c, d) 6-h period from 1300 UTC to 1900 UTC; (e, f) 12-h period from 0700 UTC to 1900 UTC on July 13, 2017

圖4 2017 年7 月13 日中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變過(guò)程中的（a-f）實(shí)況雷達(dá)拼圖和（g-l）模擬綜合雷達(dá)反射率（填色，單位：dBZ）：（a，g）07:30；（b，h）09:30；（c，i）11:30；（d，j）13:30；（e，k）15:30；（f，l）17:30。黑色五角形代表永吉所在位置Fig. 4 The (a-f) observed and (g-l)simulated composite radar reflectivity (shaded; units: dBZ) during the evolution of the mesoscale convective system, at (a, g) 0730 UTC, (b, h) 0930 UTC, (c, i) 1130 UTC, (d, j) 1330 UTC, (e, k) 1530 UTC, and (f, l) 1730 UTC on July 13, 2017, respectively.Yongji's location is indicated by the star

3.1 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文使用的常規(guī)資料包括：2017 年7 月13 日00:00 至14 日00:00 探空資料，1000～100 hPa 溫度、高度、風(fēng)場(chǎng)及溫度露點(diǎn)差；該時(shí)段地面加密觀測(cè)資料和24 小時(shí)累計(jì)降水量資料；該時(shí)段長(zhǎng)春站、白山站以及延邊站C 波段雷達(dá)資料；同時(shí)，利用7 月13 日00:00 至14 日00:00 的一天4 次、垂直方向19 層的0.5°×0.5° NCEP/NCAR 再分析資料作為模式初始場(chǎng)和邊界條件，利用WRFV3.9 模擬此次暖區(qū)降水過(guò)程，模式在垂直方向上設(shè)置為37 層，模式層頂氣壓10 hPa，水平方向設(shè)定三層嵌套網(wǎng)格，網(wǎng)格中心為（43.42°N，126.31°E），最外層網(wǎng)格距為9 km，最內(nèi)層網(wǎng)格距為1 km（圖2d），每5 分鐘輸出一次計(jì)算結(jié)果。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。

表1 WRFV3.9 模式物理參數(shù)化方案配置Table 1 Physical parameterization scheme configurations of WRFV3.9 mode

本文數(shù)值模擬采用的是Morrison 2-mom 混合雙參方案，該方案包括水汽qv 及5 種水物質(zhì)混合比：云水（qc）、雨水（qr）、冰晶（qi）、雪（qs）、霰（qg）以及4 種水物質(zhì)數(shù)濃度：雨水（Nr）、冰晶（Ni）、雪（Ns）、霰（Ng）；考慮了暖云和冷云過(guò)程中精細(xì)全面的云微物理過(guò)程，因此對(duì)復(fù)雜的對(duì)流過(guò)程適應(yīng)程度較高（袁敏, 2018;），用該云微物理方案來(lái)模擬研究此次永吉暖區(qū)降水過(guò)程能最大程度再現(xiàn)降水的云微物理過(guò)程，便于進(jìn)行后續(xù)云微物理機(jī)制的研究。

3.2 模擬結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)以上模式輸出結(jié)果，我們分別對(duì)實(shí)況與模擬的累計(jì)降水量、中尺度系統(tǒng)演變過(guò)程的雷達(dá)反射率進(jìn)行對(duì)比分析，著重比較了中尺度系統(tǒng)的觸發(fā)、組織化以及弓狀回波等典型階段的雷達(dá)回波特征。

3.2.1 降水實(shí)況與模擬對(duì)比

根據(jù)實(shí)際降水情況，我們將暖區(qū)降水中尺度系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程分為觸發(fā)及組織化發(fā)展階段（07:00～13:00）與弓狀回波至消亡（13:00～19:00）。圖3為實(shí)況與模擬的降水累計(jì)分布對(duì)比。中尺度對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)及組織化階段（07:00～13:00）的6 小時(shí)實(shí)況累計(jì)降水（圖3a）可見(jiàn)，雨帶呈東西帶狀分布，累計(jì)降水最大值區(qū)位于永吉北側(cè)，累計(jì)降水量大于102.4 mm；模擬累計(jì)降水雨帶和最大降水中心（圖3b）與實(shí)況對(duì)應(yīng)情況較好。弓狀回波以及消亡階段（13:00～19:00）的6 小時(shí)模式模擬的累計(jì)降水（圖3d）的雨帶方向與實(shí)況（圖3c）基本一致，最大降水中心比實(shí)況略微偏南。模擬的07:00～19:00 的12 小時(shí)累計(jì)降水（圖3f）的雨帶和強(qiáng)降水中心位置強(qiáng)度與實(shí)況（圖3e）對(duì)應(yīng)情況良好。

3.2.2 雷達(dá)回波的實(shí)況與模擬結(jié)果對(duì)比

基于累計(jì)降水情況，本節(jié)討論此次暖區(qū)降水整體過(guò)程（每?jī)尚r(shí)一次）的實(shí)況雷達(dá)反射率，以便詳細(xì)了解此次暖區(qū)降水中尺度系統(tǒng)的發(fā)展演變情況，同時(shí)用模擬輸出結(jié)果與實(shí)況進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證模式模擬效果。

圖4 是暖區(qū)降水中尺度系統(tǒng)發(fā)展演變過(guò)程的雷達(dá)反射率的實(shí)況與模擬情況對(duì)比分析。由實(shí)況雷達(dá)拼圖可知，中尺度對(duì)流系統(tǒng)在四平市東部和長(zhǎng)春南部地區(qū)觸發(fā)（圖4a），其在東移過(guò)程中組織化合并增強(qiáng)，形成的主要雨帶呈東西帶狀分布，橫跨吉林省中部地區(qū)（圖4b、c），此時(shí)永吉地區(qū)開(kāi)始產(chǎn)生小雨；至13:00 左右，在四平市東部地區(qū)形成強(qiáng)烈的弓狀回波（圖4d），并逐漸向東南部移動(dòng)、發(fā)展增強(qiáng)，永吉地區(qū)重復(fù)受災(zāi)；兩小時(shí)后（圖4e），主要降水系統(tǒng)移動(dòng)到吉林省東南部地區(qū)，此時(shí)永吉降水減弱，隨后中尺度系統(tǒng)東移消亡（圖4f），降水過(guò)程結(jié)束。用模擬的雷達(dá)反射率（圖4g-l）與實(shí)況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果可得：模擬的各時(shí)段中尺度系統(tǒng)的演變狀態(tài)、位置以及回波強(qiáng)度都能很好地與實(shí)況對(duì)應(yīng)。

3.2.3 暖區(qū)降水中尺度系統(tǒng)的觸發(fā)及組織化過(guò)程模擬對(duì)比

根據(jù)上節(jié)反映的中尺度系統(tǒng)的總體演變過(guò)程，我們從中挑選了幾個(gè)典型時(shí)次來(lái)代表其發(fā)展演變的不同階段：07:05 代表單體觸發(fā)階段，07:15 代表線狀對(duì)流群觸發(fā)階段，08:00 代表組織化發(fā)展階段，14:00 代表弓狀回波階段，并利用這些典型時(shí)次重點(diǎn)分析暖區(qū)降水中尺度系統(tǒng)的觸發(fā)及組織化的細(xì)致過(guò)程。

圖5a-d 分別代表中尺度系統(tǒng)不同發(fā)展階段典型時(shí)次的實(shí)況雷達(dá)拼圖，圖5e-h 為模擬的典型時(shí)次雷達(dá)反射率。由圖可知，07:00 長(zhǎng)春南部、四平市東部地區(qū)觸發(fā)團(tuán)狀小面積的對(duì)流單體（圖5a），大約15 分鐘后在單體觸發(fā)區(qū)出現(xiàn)呈東北—西南向的線狀群體觸發(fā)現(xiàn)象（圖5b），經(jīng)過(guò)1 小時(shí)發(fā)展，這些小的對(duì)流單體開(kāi)始增強(qiáng)并組織化合并（圖5c），在東移動(dòng)過(guò)程中發(fā)展為強(qiáng)烈的弓狀回波（圖5d）。通過(guò)與模擬的雷達(dá)反射率進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬的雷達(dá)反射率在云分辨尺度上也能與實(shí)況對(duì)應(yīng)。

通過(guò)以上累計(jì)降水量及雷達(dá)回波的對(duì)比表明：數(shù)值模式能夠準(zhǔn)確模擬再現(xiàn)此次暖區(qū)降水過(guò)程，特別是能夠再現(xiàn)造成此次暴雨過(guò)程的中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)、組織化發(fā)展以及弓狀回波等典型階段的細(xì)致過(guò)程，可用模式輸出的高分辨率資料來(lái)研究此次暖區(qū)降水中尺度系統(tǒng)的云微物理特征及其對(duì)降水過(guò)程的可能影響機(jī)制。

4 暖區(qū)暴雨中的云微物理特征

暖區(qū)降水作為一種典型的降水類(lèi)型，其區(qū)域平均的粒子混合比以及粒子數(shù)濃度影響著粒子蒸發(fā)/凝結(jié)、垂直運(yùn)動(dòng)以及碰并等過(guò)程（Gao et al., 2005; Fan et al., 2007），因此本節(jié)擬利用第三節(jié)中模式輸出結(jié)果，著重分析暖區(qū)降水中的云微物理的時(shí)空演變，特別是暖區(qū)降水的中尺度系統(tǒng)的發(fā)展演變的云微物理時(shí)空分布，探究暖區(qū)降水過(guò)程的云微物理特征。

4.1 云微物理特征隨時(shí)間的演變

本小節(jié)通過(guò)分析雨滴、云滴、雪、冰晶、霰等主要水物質(zhì)組成成分隨時(shí)間高度的演變特征，討論其在中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變過(guò)程中的含量及分布情況，揭示不同水物質(zhì)在中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用。通過(guò)第三節(jié)討論發(fā)現(xiàn)：造成此次暖區(qū)降水中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)和發(fā)展都在圖6a 黑色方框中進(jìn)行，故本小節(jié)選取了該區(qū)域?yàn)榈湫蛥^(qū)域；圖6 是各種水成物混合比和數(shù)濃度在圖6a 中黑色方框內(nèi)的區(qū)域平均值的時(shí)空變化，用虛線將中尺度系統(tǒng)發(fā)展演變過(guò)程分割為三部分：對(duì)流觸發(fā)階段、組織化發(fā)展階段、弓狀回波階段。

圖6 表明各種水物質(zhì)在空間中由高到低依次分布為：冰晶、雪、霰、云滴和雨滴。冰相粒子（雪、冰晶、霰）分布位置較高，混合比均值較大，因此此次暖區(qū)降水中尺度系統(tǒng)主要是冷云系統(tǒng)。值得注意的是，冰晶的數(shù)濃度顯著大于其他水物質(zhì)，是其他水物質(zhì)的103倍，但其混合比相對(duì)較少，且其混合比及數(shù)濃度區(qū)域均值的最值都出現(xiàn)在強(qiáng)降水發(fā)生之前，所以大量的冰晶粒子是強(qiáng)降水的發(fā)生的基礎(chǔ)（圖6e）。霰粒子混合比平均值的峰值集中在400 hPa附近，且在弓狀回波階段最強(qiáng)（圖6f）。霰粒子與雪粒子混合比的區(qū)域均值在弓狀回波時(shí)段達(dá)到峰值，因此其在云中的形成、增長(zhǎng)和融化過(guò)程勢(shì)必會(huì)影響地面降水。

圖6 2017 年7 月13 日（a）14:00 模擬的雷達(dá)反射率（填色，單位：dBZ，黑色方框區(qū)域?yàn)檫x取的典型區(qū)域），（b）模擬的云滴混合比在（a）方框內(nèi)的區(qū)域均值（填色，單位：10-3 kg kg-1）隨時(shí)間—?dú)鈮旱淖兓?，（c）模擬的雨滴混合比區(qū)域均值（填色，單位：10-3 kg kg-1）和雨滴數(shù)濃度區(qū)均值（黑色實(shí)線，單位：m-3）隨時(shí)間—?dú)鈮旱淖兓?；（d）同（c），但為雪；（e）同（c），但為冰晶；（f）同（c），但為霰；虛線用來(lái)分割不同階段Fig. 6 (a) The simulated composite radar reflectivity at 1400 UTC on July 13, 2017 (shaded; units: dBZ), the black box represent the selected typical area; (b) the change of simulated cloud regional average mixing ratios (shaded; units: 10-6 kg kg-1 s-1) with time and pressure over the box on (a);(c) the change of simulated rain regional average mixing ratios(shaded; units: 10-6 kg kg-1 s-1) and number concentration (black solid line; units: m-3)with time and pressure over the box in (a). (d) Same as (c), but for snow. (e) Same as (c), but for ice. (f) Same as (c), but for graupel. Dotted lines are used to divide the different stages

4.2 暖區(qū)降水中尺度系統(tǒng)云微物理特征

暖區(qū)降水的觸發(fā)及組織化發(fā)展是模擬和預(yù)報(bào)此次降水過(guò)程的關(guān)鍵，本節(jié)在第三節(jié)細(xì)致模擬降水過(guò)程的基礎(chǔ)上，我們選取圖5e-h 中不同發(fā)展階段典型剖面（黑色箭頭位置）和典型區(qū)域（黑色方框），重點(diǎn)探究中尺度系統(tǒng)中各水物質(zhì)的時(shí)空分布特征及云微物理的中尺度細(xì)致結(jié)構(gòu)。

圖5 2017 年7 月13 日實(shí)際觀測(cè)（a）07:00、（b）07:18、（c）08:42 和（d）13:54 雷達(dá)回波拼圖（填色，單位：dBZ）以及模擬的（e）07:05、（f）07:15、（g）08:00 和（h）14:00 雷達(dá)綜合雷達(dá)回波（填色，單位：dBZ）分布。黑色箭頭代表選取的剖面位置，黑色方框代表選取的典型區(qū)域Fig. 5 The observed composite radar reflectivity (shaded; units: dBZ) at (a) 0700 UTC, (b) 0718 UTC, (c) 0842 UTC, and (d)1354 UTC on July 13,2017, and the simulated composite radar reflectivity (shaded; units: dBZ) at (e) 0705 UTC, (f) 0715 UTC, (g) 0800 UTC, and (h) 1400 UTC on July 13,2017, respectively. The black arrows indicate the positions of selected cross sections, and the black boxes indicate the typical areas

圖7 展示了不同階段雷達(dá)回波及風(fēng)場(chǎng)的垂直剖面。由圖可知：對(duì)流單體觸發(fā)階段（圖7a），雷達(dá)回波還未觸地，地面降水較少或沒(méi)降水，低層為一致的偏西風(fēng)，觸發(fā)區(qū)域存在弱的上升運(yùn)動(dòng)。10分鐘以后，在圖7a 生成的對(duì)流單體上下游有眾多小對(duì)流單體呈東北—西南向線狀群體觸發(fā)（圖7b），此時(shí)雷達(dá)回波最大值位于4 km 高度上，地面仍保持偏西風(fēng)，上升運(yùn)動(dòng)相比較單體觸發(fā)階段有明顯增強(qiáng)，每個(gè)對(duì)流單體上升區(qū)后部開(kāi)始出現(xiàn)弱下沉運(yùn)動(dòng)，上升和下沉運(yùn)動(dòng)交錯(cuò)出現(xiàn)，有波動(dòng)特征。群體觸發(fā)后各單體分別增長(zhǎng)并組織化合并發(fā)展為空間尺度較大的中尺度對(duì)流系統(tǒng)（圖7c），雷達(dá)回波向上伸展到14 km 高度，地面附近回波較強(qiáng)，開(kāi)始產(chǎn)生降水；此時(shí)中層風(fēng)向?yàn)槠黠L(fēng)，相對(duì)于觸發(fā)階段，低層風(fēng)向開(kāi)始出現(xiàn)弱的偏東風(fēng)，回波中心區(qū)域上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。在高低空不同尺度環(huán)境場(chǎng)作用下，中尺度系統(tǒng)逐漸發(fā)展為雷達(dá)反射率大于55 dBZ的弓狀回波（圖7d），其后部存在大面積的層狀云，前部偏東風(fēng)較上一階段范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度增強(qiáng)，與后部的后向入流在弓狀回波區(qū)匯合上升，形成強(qiáng)烈的輔合作用，可能是輻合區(qū)上升運(yùn)動(dòng)維持且增強(qiáng)的原因。

圖7 2017 年7 月13 日模擬的（a）07:05、（b）07:15、（c）08:00 和（d）14:00 沿圖5e-h 箭頭位置的雷達(dá)反射率（填色，單位：dBZ）和風(fēng)場(chǎng)（矢量箭頭，水平分量單位：m s-1；垂直分量單位：0.2 m s-1）的剖面Fig. 7 The simulated vertical cross sections of radar reflectivity (shaded; units: dBZ) and flow vectors (vector arrow, horizontal component unit:m s-1; vertical component unit: 0.2 m s-1) following the black arrows at the corresponding times given in Fig. 5e-h at (a) 0705 UTC, (b) 0715 UTC,(c) 0800 UTC and (d) 1400 UTC on July 13, 2017

圖8 與圖9 反映了不同階段垂直速度與各種水成物混合比在垂直剖面上的分布情況，圖10 是不同階段各水成物混合比的區(qū)域平均值垂直廓線。由圖8a、圖9a 和圖10a 的對(duì)流觸發(fā)階段水物質(zhì)對(duì)比可知，該階段水物質(zhì)主要由液相粒子（云水和雨水）構(gòu)成，其中雨滴混合比較大，高度較低；冰相粒子含量較少，主要由冰晶組成，分布高層。線狀對(duì)流群觸發(fā)階段，水成物大部分位于4～6 km 高度上，液相水物質(zhì)分布在10 km 高度以下（圖8b、圖9b），此時(shí)地面有少量降水（圖10b）；該階段出現(xiàn)少量雪粒子和霰粒子。至組織化發(fā)展階段，由圖8c 可得：最大上升速度在8～12 km 之間，對(duì)流后部有弱下沉運(yùn)動(dòng)且存在層狀云砧，圖9c 表示-20°C 以上存在液態(tài)水，由于暖區(qū)溫度高，因此過(guò)冷水范圍大，伸展高度高，侵入高層冰晶分布區(qū)域，造成大量冰晶粒子與過(guò)冷水共存。冰相粒子是水物質(zhì)的主要組成部分（圖9c），表明中尺度系統(tǒng)是冷云系統(tǒng)。弓狀回波階段，從圖8d、圖9d 可知：在特征剖面上水物質(zhì)主要分布在4 km 以上的中高層，弓狀回波區(qū)上空的水物質(zhì)含量最大，“播種”效應(yīng)（Mao et al., 2018）使得冰晶粒子與云水的碰并作用顯著，在共存區(qū)下方生成大量霰粒子，弓狀回波階段強(qiáng)降水的產(chǎn)生與霰向雨水的轉(zhuǎn)化有關(guān)。

圖8 同圖7，但為垂直速度（填色，單位：m s-1）、水成物總量混合比（黑色等值線，單位：g kg-1）剖面。細(xì)實(shí)線代表0°C 等溫線，細(xì)虛線代表-20°C。Fig. 8 Same as Fig. 7, but for vertical velocity (shaded; units: m s-1) and total amount of hydrometeors (bold black contours; units: g kg-1). The thin black lines denote the 0°C (solid) and -20°C (dashed) isotherms

圖9 同圖7，但為液態(tài)水成物總量（填色，單位：g kg-1）和冰相粒子總量（黑色等值線，單位：g kg-1）混合比的剖面Fig. 9 Same as Fig. 7, but for the total amount of liquid hydrometeors (shaded; units: g kg-1) and total amount of ice particles (bold solid contours;units: g kg-1)

圖10 2017 年7 月13 日模擬的（a）07:05、（b）07:15、（c）08:00 和（d）14:00 對(duì)應(yīng)的圖5e-h 典型區(qū)域內(nèi)各水物質(zhì)混合比區(qū)域平均值（單位：g kg-1）的垂直廓線。符號(hào)說(shuō)明見(jiàn)附錄，下同F(xiàn)ig. 10 Vertical profiles of the simulated mixing ratio of hydrometeors (units: g kg-1) averaged over the boxes at the corresponding times given in Fig. 5e-h at (a) 0705 UTC, (b) 0715 UTC, (c) 0800 UTC and (d) 1400 UTC on July 13, 2017. See the appendix for the symbols in the chart, the same below

綜合以上兩節(jié)討論可知，中尺度對(duì)流單體發(fā)展演變過(guò)程中，在對(duì)流觸發(fā)階段，水物質(zhì)主要由云滴和雨滴構(gòu)成，冰相粒子含量較少；至對(duì)流組織化發(fā)展階段，上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，使水汽凝結(jié)速度加快，霰粒子與雪粒子開(kāi)始增多，“播種”效應(yīng)生成大量雪和霰；在弓狀回波階段，弓狀回波區(qū)大量霰向雨水的轉(zhuǎn)化可能是強(qiáng)降水產(chǎn)生的主要原因。

5 云微物理過(guò)程對(duì)暖區(qū)暴雨的影響機(jī)制

上節(jié)細(xì)致分析了觸發(fā)和組織化過(guò)程中云微物理的時(shí)空演變，探究了關(guān)鍵時(shí)刻云微物理的細(xì)致結(jié)構(gòu)，推測(cè)冰相粒子尤其是霰粒子對(duì)于強(qiáng)降水的產(chǎn)生具有極其重要的作用。在此基礎(chǔ)上，為了細(xì)致探究云微物理的可能影響機(jī)制，本節(jié)我們首先討論不同發(fā)展階段雨水的質(zhì)量轉(zhuǎn)化，得到雨水的主要源匯；其次針對(duì)暖區(qū)降水中尺度對(duì)流系統(tǒng)的不同發(fā)展階段，著重對(duì)其熱量源匯項(xiàng)的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致分析，得到由于相變轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的潛熱釋放對(duì)于降水的可能影響；最后在上述分析的基礎(chǔ)上，得到此次暖區(qū)降水的云微物理概念模型，綜合探討云微物理過(guò)程對(duì)暖區(qū)降水的可能影響機(jī)制。

5.1 雨水的質(zhì)量收支

圖11 為典型區(qū)域內(nèi)的中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，不同階段雨水混合比源匯項(xiàng)區(qū)域平均的垂直廓線。由圖11a、b 可知：在單體觸發(fā)和線狀群體觸發(fā)階段，雨滴的主要源項(xiàng)是中低層的云滴碰并增長(zhǎng)（pra），線狀群體觸發(fā)階段雨水的主要匯項(xiàng)是冰晶碰并雨滴轉(zhuǎn)為霰（piacr），霰收集雨滴（pracg_r2g）與雪收集雨滴（pracg_r2s）是次要匯項(xiàng)，匯項(xiàng)主要分布在5～7 km 高度上。組織化發(fā)展階段（圖11c），雨水蒸發(fā)作用（pre）是低層的主要匯項(xiàng)，5 km 以上雨水的匯項(xiàng)是冰晶收集雨滴轉(zhuǎn)化為霰（piacr）以及霰（pracg_r2g）和雪（pracg_r2s）收集雨滴，且相較上一階段有所增強(qiáng)；此時(shí)雨水源項(xiàng)中較觸發(fā)階段增加了霰融化（pgmlt），分布在3～6 km 高度上。弓狀回波階段（圖11d）的云水碰并形成雨水（pra）仍舊為主要源項(xiàng)，霰融化作用（pgmlt）增強(qiáng)，表明弓狀回波階段霰融化對(duì)降水的增強(qiáng)發(fā)揮著非常重要的作用；此時(shí)低層雨水蒸發(fā)消耗雨滴的作用（pre）明顯增強(qiáng)，高層雨水的消耗主要是霰對(duì)雨滴的收集（pracg_r2g）。

圖11 同圖10，但為雨水質(zhì)量收支的垂直廓線（單位：10-6 kg kg-1 s-1）Fig. 11 Same as Fig. 10, but for the mean conversion rate (units: 10-6 kg kg-1 s-1) related to rain

綜合降水過(guò)程的雨水質(zhì)量收支情況可知，雨水的源項(xiàng)在降水前期主要是云水碰并作用轉(zhuǎn)化為雨滴（pra），而弓狀回波階段除了云水碰并作用以外，還增加了霰融化（pgmlt）。在對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，雨水的匯項(xiàng)在高層主要由霰收集雨水（pracg_r2g），低層匯項(xiàng)是雨水的蒸發(fā)（pre）。由此可知，霰的相態(tài)轉(zhuǎn)化是弓狀回波階段降水量顯著增加的主要原因。

5.2 熱量收支

云微物理過(guò)程對(duì)暖區(qū)降水系統(tǒng)及環(huán)境的影響主要通過(guò)相變潛熱釋放進(jìn)行的，而冰相粒子的相變潛熱對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展演變過(guò)程具有特殊的意義。本節(jié)主要通過(guò)研究永吉暖區(qū)降水過(guò)程的非絕熱加熱/冷卻項(xiàng)，以期探討影響暖區(qū)降水的特殊云微物理機(jī)制。圖12 反映了不同時(shí)次大氣的熱量收支情況，并從中挑選了不同發(fā)展演變階段，對(duì)大氣加熱/冷卻起主要作用的轉(zhuǎn)化項(xiàng)做垂直剖面形成圖13，以探討這些轉(zhuǎn)換項(xiàng)的三維分布特征極其對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的影響機(jī)制。

由圖12a、b 可知，在對(duì)流觸發(fā)階段，水汽凝結(jié)為云滴（pcc_pos）釋放大量潛熱加熱低層大氣，對(duì)流單體后部云滴蒸發(fā)作用（pcc_neg）冷卻大氣（圖13a 和b），兩者的共同的作用使對(duì)流觸發(fā)期低層大氣加熱（tot 為正）。組織化階段以及發(fā)展為弓狀回波時(shí)（圖12c、d），降水增強(qiáng)且出現(xiàn)多種冰質(zhì)粒子，雨水的蒸發(fā)（pre）分布在最強(qiáng)上升位置的近地面層（圖13c），其作用使得該階段大氣低層冷卻（tot 小于0）；此時(shí)由于大氣中水汽充沛，1 km 以上大氣的主要熱源仍為水汽的凝結(jié)作用（pcc_pos），中高層水汽凝華為霰粒子（prdg）、水汽的凝華為冰晶（prd）的作用對(duì)大氣的加熱作用貢獻(xiàn)較??；低層雨水的蒸發(fā)（pre）、中層霰粒子的升華（eprdg）、融化（pgmlt）也起到冷卻大氣的作用，圖13d 中藍(lán)色虛線主要分布在層狀云區(qū)，表示雨水蒸發(fā)作用（pre）在弓狀回波后部的層云區(qū)起到了主要的冷卻作用。

圖12 同圖10，但為熱量收支的垂直廓線（單位：10-3 K s-1）Fig. 12 Same asFig. 10, but for the latent heating rate (units: 10-3 K s-1)

圖13 2017 年7 月13 日模擬的（a）07:05、（b）07:15、（c）08:00 和（d）14:00 沿對(duì)應(yīng)的圖5e-h 箭頭方向剖面上的總絕熱加熱率（陰影；單位：K s-1）、水汽凝結(jié)為云滴pcc_pos（黑色等值線；0.01～0.1，間隔為0.02 K s-1）、水汽凝華為霰粒子prdg（紫色等值線；0.0005～0.0065，間隔為0.002 K s-1）以及雨水蒸發(fā)pre（藍(lán)色等值線；-0.002～-0.008，間隔為-0.002 K s-1）加熱率的垂直剖面Fig. 13 Vertical cross sections along the black arrows at the corresponding times given in Fig. 5e-h at (a) 0705 UTC, (b) 0715 UTC, (c) 0800 UTC and (d) 1400 UTC on July 13, 2017: the total diabatic heating rate (shaded; units: K s-1), heating rate via condensation of cloud droplet (pcc_pos)(black solid contours; 0.01 to 0.1, at intervals of 0.02; units: K s-1), deposition of graupel (prdg) (purple contours; 0.0005 to 0.05, at intervals of 0.002;units: K s-1), and evaporation of rain (pre) (blue contours; -0.002 to -0.008, at intervals of -0.002; units: K s-1)

5.3 云微物理過(guò)程影響暖區(qū)降水系統(tǒng)的可能機(jī)制

以上兩節(jié)細(xì)致分析了雨水的主要質(zhì)量收支以及由此產(chǎn)生的潛熱釋放在中尺度系統(tǒng)演變過(guò)程中的時(shí)空分布，在此基礎(chǔ)上，本節(jié)對(duì)上述質(zhì)量及熱量收支情況進(jìn)行總結(jié)，分別陳列了中尺度系統(tǒng)不同發(fā)展階段雨水的主要質(zhì)量收支項(xiàng)（表2）以及熱量的主要收支項(xiàng)（表3）區(qū)域平均的整層積分，并對(duì)雨水的主要源項(xiàng)做了敏感性試驗(yàn)，同時(shí)給出了此次暖區(qū)降水過(guò)程云微物理概念模型，以期探究云微物理對(duì)暖區(qū)降水中尺度系統(tǒng)的可能影響機(jī)制。

表2 中尺度系統(tǒng)不同發(fā)展階段，雨水的主要質(zhì)量收支項(xiàng)區(qū)域平均值的垂直積分總量（單位：10-6 kg kg-1 s-1）Table 2 Total vertically integrated regional average values of the main mass sources and sinks (units: 10-6 kg kg-1 s-1) related to rain during different stages of the mesoscale system development

表3 中尺度系統(tǒng)不同發(fā)展階段主要熱量收支項(xiàng)區(qū)域平均值的整層積分總量(單位：10-3 K s-1)Table 3 The total integrated regional average values of primary sources and sinks of latent heat (units: 10-3 K s-1) during different stages of the mesoscale system development

表2 表示中尺度系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中雨水的主要質(zhì)量收支項(xiàng)區(qū)域平均的整層積分總量，可以得到，觸發(fā)及組織化發(fā)展階段降水產(chǎn)生的主要來(lái)源是云水碰并增長(zhǎng)為雨水（pra），到弓狀回波階段，霰粒子融化為雨水（pgmlt）成為降水的主要來(lái)源之一。在對(duì)流組織化發(fā)展階段，雨水的最大匯項(xiàng)是冰晶粒子對(duì)雨水的收集（piacr），同時(shí)，霰粒子含量的增加使得其碰并雨滴的作用（pracg_r2g）開(kāi)始增強(qiáng)；至弓狀回波階段，冰晶對(duì)雨水的收集作用大幅減弱，高層霰粒子收集雨滴（pracg_r2g）以及低層雨水的蒸發(fā)（pre）都是主要匯項(xiàng)。

表3 是中尺度對(duì)流系統(tǒng)不同發(fā)展階段的主要熱量收支項(xiàng)區(qū)域平均的整層積分總量。由此可知，水汽凝結(jié)為云滴加熱大氣的作用（pcc_pos）與云滴蒸發(fā)為水汽的冷卻作用（pcc_neg）是對(duì)流觸發(fā)階段主要的源項(xiàng)和匯項(xiàng)，此時(shí)凝結(jié)加熱作用大于蒸發(fā)冷卻作用使得大氣升溫。隨著對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展增強(qiáng)，低層雨水（pre）蒸發(fā)以及高層霰粒子的融化（evpmg）吸熱作用增強(qiáng)，表明此時(shí)霰粒子為強(qiáng)降水的產(chǎn)生有很大的貢獻(xiàn)。

為驗(yàn)證霰融化對(duì)于弓狀回波階段暖區(qū)降水的增幅作用，在保證雨水其他源匯項(xiàng)不變的前提下，將模式中霰粒子融化項(xiàng)乘以2 后重新模擬，得到弓狀回波階段雨水的源匯如表4 與圖14，由圖表可得，相較于表2 與圖11，霰融化（pgmlt）擴(kuò)大后，雨水的總量和主要質(zhì)量源項(xiàng)都產(chǎn)生了一定的增幅。因此，除云水碰并（pra）外，霰大量融化確實(shí)是此次暖區(qū)降水增強(qiáng)的主要原因。

表4 霰粒子融化項(xiàng)擴(kuò)大兩倍后，弓狀回波階段雨水的主要質(zhì)量收支項(xiàng)區(qū)域平均值的垂直積分總量（單位：10-6 kg kg-1 s-1）Table 4 Total vertically integrated regional average values of the main mass sources and sinks (units: 10-6kg kg-1 s-1) related to rain during the bow-shaped echo stage after the hail is doubled

圖14 同圖10a，但為雨水質(zhì)量收支的垂直廓線（pgmlt 數(shù)值擴(kuò)大兩倍，單位：10-6 kg kg-1 s-1）Fig. 14 Same as Fig. 10a, but for the mean conversion rate (the pgmlt value is doubled, units: 10-6 kg kg-1 s-1) related to the rain

圖15 為此次永吉暖區(qū)降水的云微物理概念模型，由此來(lái)綜合分析中尺度系統(tǒng)動(dòng)熱力結(jié)構(gòu)及其云微物理機(jī)制。研究表明：觸發(fā)及組織化發(fā)展階段，對(duì)流單體前部入流較弱，其內(nèi)部上升氣流將云滴托舉到高層快速生成大量冰晶，“播種”機(jī)制使冰晶層下方生成大量霰；云滴碰并成雨滴是強(qiáng)降水的主要來(lái)源，主要由水汽的凝結(jié)作用加熱大氣。弓狀回波階段，強(qiáng)降水主要由云滴碰并增長(zhǎng)以及霰融化過(guò)程產(chǎn)生，該階段中尺度系統(tǒng)前部低層存在入流，后部層狀云區(qū)低層為冷墊，中層存在后向入流；前部低層?xùn)|向入流遇到地面冷墊后，與后向入流匯合產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，上升氣流攜帶水汽快速穿過(guò)混合層到達(dá)高層，故暖區(qū)暴雨的冷云頂很高，高空大量的冰晶收集雨水、霰收集雨水以及水汽快速凝華，使霰粒子含量顯著增多；由于對(duì)流旺盛，水汽凝結(jié)釋放大量潛熱，云體內(nèi)部溫度高、濕度大，霰粒子混合比最值區(qū)與高溫區(qū)重合，故霰粒子在該處大量融化，產(chǎn)生強(qiáng)降水過(guò)程。

圖15 2017 年7 月13 日永吉暖區(qū)降的云微物理機(jī)制概念模型Fig. 15 Conceptual model of cloud microphysics mechanisms related to the warm sector precipitation over Yongji

6 結(jié)論及討論

本文運(yùn)用WRF3.9 區(qū)域數(shù)值模式，模擬了2017 年7 月13 日吉林省永吉縣暖區(qū)暴雨過(guò)程，再現(xiàn)了造成暖區(qū)降水的中尺度系統(tǒng)發(fā)展演變的細(xì)致過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，分析了造成暖區(qū)降水的中尺度對(duì)流系統(tǒng)的的云微物理特征，探討了其影響降水的可能機(jī)制。本文的主要結(jié)論概括如下：

（1）2017 年7 月13 日吉林省永吉縣的暖區(qū)降水過(guò)程發(fā)生在多尺度環(huán)流背景下。降水過(guò)程處于東北冷渦維持階段，雨帶位于地面冷鋒前部暖區(qū)中，是典型的暖區(qū)降水過(guò)程。本文的數(shù)值試驗(yàn)較準(zhǔn)確地模擬和再現(xiàn)了此次暖區(qū)暴雨的落區(qū)、強(qiáng)度以及雨帶方向，并能夠很好地再現(xiàn)其中尺度對(duì)流系統(tǒng)的單體觸發(fā)、線狀群體觸發(fā)、組織化發(fā)展以及弓狀回波等典型階段的細(xì)致過(guò)程。

（2）此次暖區(qū)降水中尺度系統(tǒng)是冷云系統(tǒng)，冰相粒子是水凝物的主要組成部分，其峰值分布在200 hPa 附近，主要是冰晶粒子。暖區(qū)溫度高，過(guò)冷水范圍大，伸展高度高，侵入高層冰晶分布區(qū)域，造成大量冰晶與過(guò)冷水共存，共存區(qū)的“播種”效應(yīng)使得在冰晶層下方生成大量霰。

（3）綜合降水過(guò)程的雨水質(zhì)量和熱量收支情況可知，觸發(fā)及組織化階段，雨水的主要源項(xiàng)是云滴碰并增長(zhǎng)為雨滴，此時(shí)雨水的匯項(xiàng)在高層是冰晶收集雨滴以及霰收集雨滴，造成霰含量增加，低層匯項(xiàng)為雨水的蒸發(fā)；在弓狀回波階段，雨水的源項(xiàng)是霰融化與云滴碰并增長(zhǎng)，主要匯項(xiàng)是雨水蒸發(fā)。中尺度系統(tǒng)的主要熱源是水汽凝結(jié)為云滴釋放的潛熱，雨水的蒸發(fā)、云水的蒸發(fā)是熱量的主要匯項(xiàng)。

（4）綜合云微物理概念模型可知，觸發(fā)和組織化發(fā)展階段，云滴碰并成雨滴是雨水的主要來(lái)源，主要由水汽的凝結(jié)作用加熱大氣；弓狀回波階段，強(qiáng)回波前方的入流遇到地面冷墊后與層狀云中層的后向入流匯合產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，氣流攜帶低層水汽快速進(jìn)入高層生成大量冰晶，“播種”機(jī)制以及霰收集雨滴的作用使冰晶層下方生成大量霰且在垂直方向上分布較廣，霰粒子含量最值區(qū)與高溫區(qū)重合，故霰粒子在該處大量融化，產(chǎn)生強(qiáng)降水過(guò)程。

本文根據(jù)暖區(qū)降水不同發(fā)展階段，研究了暖區(qū)降水關(guān)鍵的雨水相變物理過(guò)程，所給出的各水物質(zhì)的時(shí)空演變，為分析暖區(qū)降水中尺度系統(tǒng)發(fā)展演變的云微物理特征提供了新的科學(xué)認(rèn)識(shí)。同時(shí)建立了暖區(qū)降水云微物理概念模型，分別從動(dòng)熱力角度和云微物理角度分析了暴雨產(chǎn)生的主要原因，為暖區(qū)降水的觸發(fā)和強(qiáng)降水過(guò)程的影響提供了新的思路；

然而，本文還存在以下一些不足：由于資料的限制，本文關(guān)于永吉暖區(qū)降水中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制以及云微物理機(jī)制的研究缺乏偏振雷達(dá)觀測(cè)資料的佐證。應(yīng)用雙偏振雷達(dá)觀測(cè)可以觀測(cè)到云微物理粒子的尺寸、形狀、降水類(lèi)型，更準(zhǔn)確地估計(jì)降水區(qū)域。后期工作將加入雙偏振雷達(dá)資料同化，更準(zhǔn)確地模擬和再現(xiàn)降水過(guò)程，以揭示其觸發(fā)和云微物理機(jī)制。

本文研究主要應(yīng)用bulk 云微物理方案（即體積水方法），該方案雖然程序處理便捷，計(jì)算要求低，但在一定程度上對(duì)粒子之間的相互作用即運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述上有一定的歪曲（許煥斌和段英,1999），因此，后續(xù)工作將考慮使用bin 云微物理方案（即分檔法）進(jìn)行分檔研究，根據(jù)水凝物的相態(tài)、形狀、密度和大小將水凝物分成幾十或者幾百檔（郭學(xué)良等, 1999; 楊潔帆等, 2010），以便更加細(xì)致得分析暖區(qū)降水的云微物理特征和機(jī)制。

本文所有研究結(jié)果都是基于吉林永吉2017 年7 月13 日一次個(gè)例所得，未來(lái)考慮研究更多北方暖區(qū)降水個(gè)例并進(jìn)行模擬驗(yàn)證，以期找到暖區(qū)暴雨的一個(gè)共性和個(gè)性特征問(wèn)題，不斷加深對(duì)我國(guó)暖區(qū)暴雨的認(rèn)識(shí)，能為提高我國(guó)暖區(qū)暴雨暴雨的預(yù)測(cè)能力提供線索。

附錄A

表A1 本文中符號(hào)說(shuō)明Table A1 Description of symbols in the paper