东北地区春季冷锋云系降水个例数值模拟及机理研究

马国忠，银燕，王秋京

（1.黑龙江省气象台，黑龙江哈尔滨 150030；2.南京信息工程大学，江苏南京 210044；3.黑龙江省气象科学研究所，黑龙江哈尔滨 150030）

东北地区春季冷锋云系降水个例数值模拟及机理研究

马国忠1，银燕2，王秋京3

（1.黑龙江省气象台，黑龙江哈尔滨 150030；2.南京信息工程大学，江苏南京 210044；3.黑龙江省气象科学研究所，黑龙江哈尔滨 150030）

本文通过常规天气资料，结合WRF中尺度数值模式，深入研究了2007年5月22～24日一次发生在东北地区的锋面云系降水过程和云宏微观结构特征以及降水产生的物理机制。模拟结果表明冷锋云系降水分布不均匀，锋前中低层有弱的上升气流，云水比含水量较大，雪和霰几乎没有。冷锋过境时，垂直速度迅速增大，中低层有下沉气流，不利于云水形成，出现云水含量几乎没有的干层区，雪水比含水量迅速增加，降水形成应是通过雪和霰的融化过程。处于锋区时，垂直速度和雪比含水量继续增大，降水的形成主要是雪的融化过程。锋后，上升气流迅速减弱，云内雪比含水量减少，降水的形成主要是雪的融化和暖云微物理过程。

中尺度数值模式；双参数微物理方案；冷锋；春季降水

1 引言

20世纪70年代以来，国内外开展了一系列针对层状云系和锋面云系等的外场探测研究。近年来值得关注的工作包括Korolev等［1］对混合相云中微物理特征的综合外场观测研究。Evans等［2］利用IMPROVE-Ⅰ项目对一次太平洋海岸锢囚气旋的综合外场探测资料，详细研究了系统中云结构和降水增长状况。通过对我国北方层状云作了大量研究后，游来光［3］指出，我国北方的降水微物理过程基本符合催化云-供水云相互作用导致降水的总体概念。吉林省多年的观测［4］发现，吉林中部的春季降水常在气旋冷锋前的暖区形成，播撒云是与高空冷锋或冷涌对应的中、高空云带，供水云为暖区中发展的积云性层积云。李宏宇［5］对河南省冷锋云系结构及降水特征作了较为完整的个例分析，指出冷、暖区降水机制主要以冷、暖云降水过程为主，“播撒-供水”的降水机制较为明显。王成恕等［6］利用华北地区一次冷锋降水系统的宏微观观测资料，并结合一个三维三相中尺度云系模式的模拟结果，指出主要云系和地面降水都在锋前，冰相过程重要。胡志晋等［7］对数值预报中云降水方案也进行了研究。刘公波等［8］完成了中尺度模式与层状云微物理模式的耦合，并进行了个例研究。本文利用WRF模式中的Morrison双参数显式云物理方案对东北地区春季一次冷锋云系降水过程进行数值模拟,重点分析了冷锋过境时不同时段的微物理机制。

2 降水特征及天气背景分析

2.1 大范围降水特征

2007年5月24日受高空低涡及地面蒙古气旋共同影响下，冷锋混合云系在我国东北大部地区产生降水，整个降水过程持续时间约48 h，大部地区降水强度为中雨，个别站点达到大雨量级（见图1）。为了解冷锋云系的降水时空分布特征，选取黑龙江省德都、北安、克东、拜泉4站，分析各站的小时雨量演变图（图略），降水主要集中在5月24日08：00～14：00，10：00前1 h各站降水量均达到最大（德都1 h降水量为5 mm，北安1 h降水量为4 mm，克东1 h降水量为7 mm，拜泉1 h降水量为5 mm）。拜泉站13：00降水结束，德都、克东两站到14:00降水已经结束，北安处于低涡云系头部的位置，降水结束时间较晚，13:00依然出现小时降水峰值，14:00冷锋东移，降水迅速减弱。

图1 2007年5月23日20:00～24日20:00降水量（单位：mm）

图2 2007年5月22～24日700 hPa位势高度和温度场（a）22日20:00（b）24日08:00

2.2 环流形势特征分析

2007年5月22日20:00（见图2a）700 hPa主冷空气南伸至天山以北，西风槽位于贝加尔湖，温度槽落后于高度槽,槽前北上的暖平流和槽后南下的冷平流有利于高层扰动的维持和加强。四川盆地生成西南涡，涡前有宽广的西南暖湿气流的输送带，其北端一直延伸至44°附近。23日20:00（图略）高空低槽加强成涡，低涡中心位于贝加尔湖以东，53°以北，低涡后部冷空气侵入低涡底部，并向南伸至河套以南地区，槽前暖平流向北发展，涡东侧形成暖脊，出现西南风与东南风的辐合。24日08:00（见图2b）受鄂霍茨克海高脊的阻挡，低涡维持少动，涡底部冷空气继续东移，低涡槽南端位于辽东半岛以东，黑龙江西南部到吉林西部有一条西北-西南风切变，冷涡较长时间在原地停留造成较大范围的降水。24日20:00（图略）受鄂霍次克海高脊及低涡底部冷平流的共同影响，使得低涡南槽向北移动，槽线呈东西向，黑龙江省大部地区受低涡底部的冷空气控制，降水基本结束。

3 数值模拟方案

利用新一代非静力平衡中尺度数值模式WRF 3.1.1进行模拟，采用坐标，垂直30层。模式区域设置采用3重嵌套，三重格距分别是：27 km、9 km、3 km。微物理过程采用Morrison双参数方案，该方案考虑6种水成物：水汽、云水、雨水、冰晶、雪花、霰。第一层（27 km）及第二层（9 km）网格采用Kain-Fritsch（new ETA）积云对流参数化方案，第三层网格（3 km）不采用积云对流参数化方案，作为模式可分辨过程进行显式方案来进行积分。采用每6 h一次的NCEP 1°×1°全球再分析资料作为背景场，模拟时段为5月24日02 h～14 h（北京时）。粗网格每隔60 min输出一次结果，次网格每30 min输出一次结果，细网格每10 min输出一次结果。

4 模拟结果分析

4.1 地面降水和雷达反射率分析

图3 2007年5月24日14:00前12 h降水量（a）降水实况（b）3 km格距模拟降水量

本次模拟的降水量均与实际观测降水范围、量级较一致。图3所示是细网格模拟的12 h降水合量，模式能够很好的模拟出位于48°、126°附近的降水中心，也较好的模拟出较大降水雨带的分布状况。

模拟的雷达反射率图（图略）上显示，此次降水过程具有典型的冷锋云系回波特征。5月24日02:00～08:00，在较大范围内，回波边缘呈现支离破碎，没有明显的边界，强度<30 dBz的为层状云降水回波；09:00～14:00是典型的冷锋回波带，回波呈窄带状，层状云回波中镶嵌着较强回波，10:00雷达回波上位于吉林中部，黑龙江西北部均出现了>35 dBz的回波，最大回波达到40 dBz；此次冷锋云系发展过程中对流云系较弱。

4.2 模拟的云场结构分析

4.2.1 云微物理水平分布特征

从模拟的5月24日09:00和14:00 850 hPa、700 hPa、500 hPa的云比含水量水平分布可以看出（图略），24日09:00是降水发展阶段，850 hPa黑龙江西部上空云含水量分布不均匀，在0.01～0.2 g/kg之间，46°和48°附近有两个含水量丰富的云团，最大比含水量为0.2g/kg，整个云带表现为混合云特征；700 hPa冷锋云系靠近锋面一侧的云区分布比较均匀，锋线东侧有多个含水量大的云团，位于48°附近的云含水量最大值为0.4 g/kg；500 hPa云比含水量分布非常不均匀，出现无云区，且云比含水量明显减小。14:00是降水减弱阶段，丰水区东移，850 hPa云水出现断裂，主冷锋云系东移，锋后低层有弱的云水含水量区；700 hPa云团主体东移，锋后是冷性干气团控制；500 hPa高度无云区范围加大。

4.2.2 云微物理垂直分布特征

重点分析5月24日08:00～14:00冷锋云系降水过程。为了了解降水云场的二维结构以及云场的变化，给出了克东附近24日07:00和24日10:00各种水凝物粒子比含水量和垂直速度的的垂直剖面分布。5月24日07:00是降水初生区（见图4a），云水十分丰富，云状为层云，云内含水量分布不均匀，有一定数量的过冷水，过冷水区厚度约为2 km。暖层较厚且比含水量大于过冷水区，大值区位于0℃层附近，最大值为0.5 g/kg。暖层云底高约1 km，与高云连在一起。冰晶主要位于9～10 km之间（见图4b），最大比含水量为0.1 g/kg。零度层以下云含水量较高，此时暖云微物理过程对降水有很大的作用。

图4c中雨水的最大含水量为0.24 g/kg，雨水的分布存在不均匀结构。图4d中雪的比含水量最大值为1.0 g/kg，雨水的高值区不仅对应于雪的比含水量，还对应于云水的比含水量高值区，暖云降水微物理过程和雪的融化对降水形成都有贡献，雪的融化还可能起主要贡献。

图4e表明空中霰的分布范围小，最大比含水量为0.15 g/ kg。在124°附近0℃层以下有两个霰比含水量高值区，对应1 km以下有雨水比含水量大值区，126°附近对应霰比含水量高值区2.5 km左右有一个雨水比含水量高值区，霰的融化对降水形成有贡献。

图4f表明0℃层高度以上垂直上升速度高值处（最大为0.4 m/s，126°附近）对应于霰的高值区，可见冷云中较大上升运动对霰的形成有利。0℃层高度以下垂直运动最大为0.2 m/ s，垂直上升运动最大位置对应于雨水和云水的最大值位置，垂直上升运动利于雨水形成和云滴长大。

图4 模拟的5月24日07:00沿48.03°N垂直剖面（a）云水比含水量（g/kg）;（b）冰晶比含水量云;（c）雨水比含水量（g/kg）;（d）雪比含水量（g/kg）;（e）霰比含水量（g/kg）;（f）垂直速度（m/s）;长虚线表示温度（℃）

10:00 为降水发展强盛时期，见图5a，液态云水发展到6 km，积云发展比较旺盛，过冷云水丰富，最大比含水量为0.25 g/kg。过冷水之上有大量的冰晶存在，最大比含水量为0.1 g/ kg。图5d中雪的最大比含水量为2.2 g/kg，雪比含水量高值位置和冰晶比含水量高值位置对应，说明雪通过冰晶自身转化过程形成。雪晶下落碰冻过冷水，在零度层以下形成较多霰粒子（0.1 g/kg），雪霰粒子在0℃层之下融化成雨水。雨水比含水量高值位置对应雪的比含水量高值位置，降水的形成主要是通过雪的融化。

4.3 降水机制和过程分析

图5 模拟的5月24日10:00沿48.03°N垂直剖面（a）云水比含水量（g/kg）;（b）冰晶比含水量云;（c）雨水比含水量（g/kg）;（d）雪比含水量（g/kg）;（e）霰比含水量（g/kg）;（f）垂直速度（m/s）;长虚线表示温度（℃）

本次模拟对于克东（48.03°N、126.25°E）站降水模拟较好，根据卫星云图提供的云系的发展演变情况，克东站地面3 hrs变压、温度露点、气温等气象要素的变化，可以基本确定冷锋系统是在24日08:00前后在克东站站过境的。在02:00～07: 00，克东站处于冷锋的前部，08:00～11:00位于锋区，12:00之后克东站处于冷锋的后部。

图6 模拟的克东站（48.03°、126.25°）2007年5月24日冷锋过境各时段各水凝物粒子比含水量分布廓线

图6为模拟的克东5月24日02:00～14:00冷锋过境时不同时段各种水凝物粒子比含水量分布廓线。对于层状云中降水粒子的形成，顾震潮［9］先生认为存在三个阶段，即上部冰晶区域，起作用的主要是冰晶凝华增长和冰晶在下落过程中相互碰并增长；冰晶落入过冷水区后进入生长的第二阶段，最主要是冰晶的凝华增长（Bergeron过程），这种过程对降水形成很重要。在这个区域如果温度合适，冰晶可以长成枝状的雪花。在过冷水层也能出现冰晶之间的碰并，冰晶也可以与过冷水滴碰并相粘；冰晶落入0℃层时就进入第三阶段，冰相粒子很快融化成水滴，水滴增长主要靠与小云滴的碰并过程。06:00冷锋前云水比含水量较大，第一层和第二层的分界定位6 km，0℃层位于3.1 km高度；第一层有少量冰晶和雪，冰晶比含水量最大为0.1 g/kg；第二层有一定量过冷水，冰晶几乎没有，不利于冰晶和过冷水共存时通过贝吉隆过程使冰晶长大再形成雪，使得雪和霰几乎没有；0℃层以下云水含量较大，出现一个“干层”。冷锋过境时，雪水比含水量迅速增加，08:00第一层和第二层的分界定为4.9 km，0℃层位于3 km高度。第一层有一定量冰晶和雪，冰晶比含水量最大为0.1 g/kg；第二层存在大量的雪和少量过冷水，雪比含水量最大为1.1 g/kg，有很少量的冰晶，说明高空温度快速下降，冰晶在下落过程中在较低的温度环境下，遇到过冷水很快长大形成雪。第三层暖云云水比含水量较低，雨水比含水量高，最大为0.2 g/kg，0℃层附近有较大的霰比含水量，降水形成应是通过雪和霰的融化过程。在1.4 km～4 km云水几乎没有，形成一个“干层”。处于锋区时，0℃层以上雪比含水量继续增大，10:00达到最大为1.8 g/kg，第一和第二层的分界定为3.4 km，0℃层位于3 km高度，第一层冰晶比含水量为0.1 g/kg，第二层几乎全是雪，有很少量的云水。第三层云水比含水量为0.15 g/kg，有较大的雨水比含水量，降水的形成主要是雪的融化过程。冷锋过境后，云内雪比含水量又迅速减少，12:00冷锋已过克东站，雪比含水量降为0.38 g/kg，第一层和第二层的分界定为4.3 km，0℃层位于2.9 km高度，第一层有冰晶和雪共存，第二层有较多的云水和雪，第三层暖云云水含量增加，最大为0.35 g/kg，降水的形成主要是雪的融化和暖云微物理过程。模拟的冷锋过境各时段的垂直速度（见图7）可知，冷锋前中低层有弱的上升气流，5 km处垂直速度最大为0.12 m/s，云层内都为下沉运动，层结稳定。09:00 3.5 km以上为上升运动，有利于云层中粒子的向上抬升。07:00和09:00相当位温分布基本同相，无明显的对流不稳定。过冷锋时垂直速度增大很快，5 km处最大垂直速度为0.5 m/s，1.5 km～3.8 km有下沉气流，下沉运动位置会使云水变干，不利于云水形成，出现云水含量几乎没有的干层区。位于锋区时垂直速度继续增大，且出现最大上升气流的的高度升高，最大垂直速度位于约7 km高度，其值为0.52 m/s。冷锋过境后完全由冷空气控制，上升气流迅速减弱，低层2 km以下开始出现下沉气流，降水逐渐减弱。

图7 模拟的冷锋克东站过境各时段垂直速度分布廓线（06:00：叉号，08:00：虚线空心圆，10:00：实心圆，12:00：空心方框）

5 小结

分析观测结果，2007年5月24日的加密雨量计网资料刻画出了降水分布的时空精细结构，揭示了这次气旋性锋面云系降水的时空不均匀结构。低涡南部的西北-西南风切变以及鄂霍茨克东阻使得冷涡较长时间在原地停留，从而造成较大范围的降水。春季较大降水的形成，水汽条件是非常重要的，冷锋前暖区中低层有明显的偏南急流，形成一条贯通南北的水汽输送带，丰沛的水汽可以源源不断地向北输送，使得低涡得以维持并加强。

高分辨率双参数云物理方案对本次锋面云系降水的模拟结果和地面加密雨量计网资料对比发现，模式的预报较成功。

模拟给出了云场的水平和垂直分布特征，表明黑龙江中西部一带上空云含水量分布不均匀，中低层是大范围的层状云，云顶起伏不平，在较高的高度上还有丰富的云水。模拟冷锋过境时各个时段各种水凝物粒子比含水量和垂直速度分布表明，锋前中低层有弱的上升气流，冷锋前云水比含水量较大，雪和霰几乎没有，0℃层以下云水含量较大。冷锋过境时，垂直速度增大很快，5 km处最大垂直速度为0.5 m/s，1.5 km～3.8 km有下沉气流，不利于云水形成，雪水比含水量迅速增加为1.1 g/kg，有很少量的冰晶，0℃层附近有较大的霰比含水量，降水形成应是通过雪和霰的融化过程。处于锋区时，垂直速度和雪比含水量继续增大，雪比含水量最大为1.8 g/kg，降水的形成主要是雪的融化过程。冷锋过境后，上升气流迅速减弱，低层2 km以下开始出现下沉气流，雪比含水量降为0.38 g/ kg，0℃层以下暖云云水含量增加，最大为0.35 g/kg，降水的形成主要是雪的融化和暖云微物理过程。

[1]Korolev A.V.,Isaac G.A.,Cober S.G.,et al.Microphysical characterization of mixed-phase clouds[J].Quart J Roy Meteor Soc,2003,129:39-65.

[2]Evans A.G.,Locatelli J.D.,Stoelinga M.T.,et al.The IMPROVE-1 storm of 1-2 February 2001.partⅡ:Cloud structures and the growth of precipitation[J].Atmos Sci,2005,62（10）: 3456-3473.

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[4]李大山.2002:人工影响天气现状与展望[M].气象出版社.

[5]李宏宇.河南地区典型降水云系水资源开发和利用基础研究[D].北京:中国科学院大气物理研究所,2003.

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[7]王成恕,胡志晋,游来光.华北地区锋面云系和降水个例研究[J].气象学报,1995,53,增刊,631-640.

[8]刘公波,胡志晋,游来光.混合相层状云模式和中尺度低涡云系的实例模拟[J].气象学报,1994,52（1）:77-88.

[9]顾震潮.云雾降水物理基础[M].北京:科学出版社, 1980.173-177.

Mechanism and Numerical Simulating Study of the Cold Front Precipitation in Northeast China

Ma Guo-zhong1,Yin Yan2,Wang Qiu-jing3
（1.Heilongjiang Provincial Meteorological Observatory,Heilongjiang Harbin 150030；2.NUIST Atmospheric Physics and Key Laboratory of Atmospheric Environment,Jiangsu Nanjing 210044；3.Heilongjiang Institute of Meteorological Sciences,HeiLongjiang Harbin150030）

This Paper analyses some characteristics of the macro-and micro-physical structures and mechanisms of a case of cold front cloud on May 22～24,in 2007,by using different observational data and the middle scale numerical simulation models WRF. Simulated cold front showed that before the front has the weak upflow on the middle-layer,there are lot cloud water and little of snow and graupel.When cold front transit the vertical velocity increases very quickly.Downdraft in the lower level which is not conducive to the formation of cloud water.The precipitation was generated by snow and graupel melted process.When in the cold front vertical velocity and snow mixing ratio continue to increase.The precipitation was generated by snow melted.After the cold front the upflow weakens rapidly,the precipitation was generated by snow melted and worm cloud process.

Numerical simulation;Morrison scheme;cold front;spring rain

P458.1+21

A

1002－252X（2010）04－0004－05

2010－8－6

马国忠（1978-），男，青海省平安县人，南京信息工程大学，研究生，工程师.