污染大气对冻雨过程影响的数值模拟

赵德龙，金莲姬，覃军，付丹红

(1.南京信息工程大学中国气象局大气物理与大气环境重点开放实验室，江苏南京210044;2.中国地质大学，湖北武汉430074;3.中国科学院大气物理研究所，北京100029)

0 引言

2008年1—2月，我国南方大部地区发生了持续性严重冰冻灾害，造成巨大经济损失，其中直接经济损失达到1 500多亿元，对人民生活造成了严重影响。针对此次持续性冰冻灾害的大尺环境背景，国内进行了大量的研究，结果表明，欧亚大陆大气环流异常、亚洲中高纬阻塞高压以及切断低压稳定维持是冰冻天气形成的重要大尺度环流背景，而南支槽与长江流域准静止锋的共同作用形成了有利于冻雨形成和发展的大气层结条件(丁一汇等，2008;孙建华和赵思雄，2008;陶诗言和卫捷，2008;陶祖钰等，2008;王东海等，2008;杨贵名等，2008;赵思雄和孙建华，2008)。

冰冻天气作为重要的气象灾害性天气，国外对其研究相对较早(Brooks，1920;Ronald and King，1987;Huffman and Norman，1988;John，2000;Rauber et al.，2000)，认为冻雨的形成机制可分为融冰机制和过冷云机制(暖云过程)，即通过融化过程形成的冻雨为融冰机制，而云中冰相不发展，水滴通过碰并过程增长形成的过冷却雨滴产生的冻雨为过冷云机制。国内对于冻雨的研究相对较晚，主要是针对冻雨形成条件的统计分析(陈天锡等，1993;吕胜辉等，2004;周后福等，2004;朱明辉等，2006;何玉龙等，2007)。其中周后福等(2004)简述了江淮地区雨凇的时空分布，认为雨凇的形成必须是暖层、冷层同时存在，具有“先暖后冷型”和“先冷后暖型”的特点，即大气存在逆温层结构。朱明辉等(2006)统计分析了南岳雨凇，发现冻雨发生时地面气温一般稳定维持在0℃左右。以上这些工作主要研究了我国南方地区冻雨形成的大气层结条件，而针对我国南方地区冻雨形成的微物理机制以及污染气溶胶作为云凝结核(CCN，cloud condensation nuclei)对冻雨天气的影响的研究相对较少。本文主要通过数值模拟研究2008年1月18日00时至23日00时(世界时，下同)一次冰冻天气过程，目的在于分析此次冻雨的微物理形成机制以及污染气溶胶对云结构和冻雨的影响，这对了解城市污染对冰冻灾害天气的影响以及提高预报水平都有着重要意义。

1 模式设计

本文采用可分辨云模式(WRF3.1)，对2008年1月18—21日贵阳地区附近低温雨雪冰冻天气过程进行模拟分析，初始场为NCEP 1°×1°GRIB资料。模拟区域中心位置为106.73°E、26.90°N，水平格距为4 km，格点数为181×153，垂直方向为η坐标。积云参数化方案采用Kain-Fritsch方案，显式方案为WRF Double-Moment 6-class方案，陆面过程采用NLSM(Noah Land Surface Model)。采用LAMBERT地形投影，行星边界层方案为Yonsei University scheme，以及大气辐射方案为RRTM和Dudhia scheme，侧边界为时变松弛边界条件，下垫面为NCAR 24类地表特征数据。显式云方案(WDM6)包含水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰，考虑了云凝结核CCN的影响。

其中:SCCN为CCN产生率;Ncact为云凝结核数活化率;Ncevp为云滴蒸发产生的云凝结核数浓度。

其中:n为总的CCN数浓度;NC为云滴数浓度;SW为过饱和度;Smax为最大过饱和度;k为常数;qc为云水混合比;Pcond为水汽凝结(云水蒸发)率。初始云凝结核(CCN)浓度按照数量浓度分布将其分为清洁型和污染型，分别为1×108m－3和15×108m－3。图1为模拟区域及地形高度分布。

图1 模拟区域及地形高度分布(单位:m)Fig.1 The simulated field and terrain height distribution(units:m)

2 个例介绍

根据中国气象局的观测资料(图2)显示，受贝加尔湖至里海的横槽和南支槽的共同影响，2008年1月18—23日，江苏、安徽、湖北、江西北部多为暴雪或者雨夹雪天气，而我国的贵州、湖南、广西东北部等地出现了冻雨天气(图2中黄色阴影区)。根据地面资料(图略)可知，冻雨主要集中18—21日，贵阳持续冻雨、桂林附近和长沙冻雨伴随着小雨和雨夹雪天气。

冻雨的形成与对流层中下层的层结条件有着必然的关系。图3为贵阳和桂林高空站观测的大气层结特征。可见，1月18—21日贵阳地区750 hPa以下为冷层(低于0℃)，存在明显的逆温层，750～650 hPa表现为暖层，低层相对湿度达到80%以上，此时贵阳地区近地面平均温度为－4℃，相对较低，由于低于0℃的冷层相对浅薄，形成过冷雨水。桂林地区大气温度相对较高，在950～900 hPa出现低于0℃的冷层，相对湿度大于90%，冻雨发生时，桂林地面平均温度维持在0℃。

图2 2008年1月18—23日全国降水量实况(单位:mm)Fig.2 The precipitation from 18 to 23 January 2008 in China(units:mm)

图3 2008年1月18—21日贵阳(a)和桂林(b)探空观测的温度(实线;单位:℃)及相对湿度(虚线;单位:%)Fig.3 Temperature(℃;solid line)and relative humidity(%;dashed line)from sounding from 18 to 21 January 2008 at(a)Guiyang and(b)Guilin

3 模拟结果分析

3.1 地面降水特征和云结构特征

3.1.1 地面降水特征

从模拟的累积降水量分布(图4)可以看到，清洁大气下强降水中心位于贵州东部和广西东北部地区，最大累积降水量均达到20 mm以上(图4a)，污染空气下贵州东部地区大于20 mm的强降水范围略有增大，而广西东北部降水相对减弱，最大累积降水量约为15 mm(图4b)。从观测的降水量分布(图2)可以看到，在贵州东部(约109°E，27°N)降水量为10 mm以上，而广西东北部(约109.5°E，5.7°N)降水量小于10 mm。由于观测站数量较少而模式分辨率相对较高，模拟的降水量略大于观测的降水量，但从强降水的位置分布来看，污染大气条件下的模拟结果与观测结果(图2)更为接近。

从区域平均累积降水量随时间的变化(图5)可以看到，在降水初期，气溶胶浓度的增加对区域降水的影响不大，随着降水的发展，污染气溶胶导致的区域平均累积降水量减小，污染气溶胶对区域降水有一定的抑制作用。

图4 2008年1月18—21日模拟的累积降水量(单位:mm)a.清洁空气;b.污染大气Fig.4 The simulated accumulated precipitation from 18 to 21 January 2008 in(a)clean air and(b)polluted air(units:mm)

图5 模拟的平均累积降水量随时间变化Fig.5 The change of the average simulated accumulated precipitation with time

3.1.2 云结构特征

气溶胶可以通过参与云中的微物理过程来改变云的物理特征，从而影响降水(Ramanathan et al.，2001)。为了验证上述结果，同时也为了研究污染气溶胶对冻雨形成的云特征是否有影响，下面将详细分析模拟区域(103.2～110.0°E，24.37～29.50°N)云中云滴、雨滴数浓度、雪粒子和霰的最大值随时间高度的演变。

从图6a、6b可以看出，清洁空气下的云滴数浓度最大为8.0×108kg－1，污染空气下为1.2×1010kg－1，污染气溶胶的增加有利于云水的形成，导致云滴增多。从雨滴分布(图6c、6d)来看，清洁大气的雨滴数浓度最大达到了8.0×105kg－1，污染大气的雨滴数浓度最大为4.0×105kg－1，清洁空气下的雨滴数浓度明显大于污染空气下的雨滴数浓度，可见，污染气溶胶不有利于雨水的形成。

污染气溶胶的增加对云中冰晶最大含量的影响相对较小(图略)，这是因为微物理过程中气溶胶仅作为CCN。在云系发展初期，污染气溶胶通过云内的微物理过程导致云内雪含量最大值减小，随着云系的发展，污染气溶胶对云内雪含量最大值的影响相对较小(图6e、f)。

从霰粒子分布(图6g、h)可以看到，污染气溶胶使得云内霰粒子含量增多，云滴数浓度的增加使得冰相粒子撞冻过冷水这一过程进行的更加充分，利于霰的产生。由此可见，污染气溶胶不利于雨水以过冷却形式存在，进而抑制了冻雨的产生。

3.2 污染大气气溶胶对冻雨及其形成过程的影响

从上述分析可以看出，污染气溶胶的增加，使得云中冰相粒子增加，相应减少了液态降水，进而抑制了冻雨的产生。为了进一步分析污染气溶胶对区域冻雨的影响，图7a、7b分别给出了清洁和污染空气下冻雨累积降水量分布。可见，冻雨主要出现在贵州地区的东南部。清洁空气下，冻雨累积降水量最大达到20 mm以上，而污染大气情况下，冻雨累积降水量最大仅为12 mm。从冻雨分布来看，清洁空气下的贵州南部地区还有零散的降水区，而污染空气下很少。由此可见，气溶胶浓度的增加对冻雨的降水范围与强度有明显的抑制作用。从3 h最大冻雨累积强度值随时间和纬度的变化(图8)可以看到，降水初期，气溶胶对冻雨的影响也相对较小，随着冻雨的发展，污染气溶胶使得强冻雨中心的范围减小，大于2 mm的冻雨降水量明显减少，气溶胶浓度的增加对冻雨强度有明显的减弱作用。

图6 2008年1月18—21日模拟的清洁(a、c、e、g)、污染(b、d、f、h)空气下模拟区域中(103.2～110.0°E，24.37～29.50°N)各个参数最大值随时间高度的变化a、b.云滴数浓度(kg－1);c、d.雨滴数浓度(kg－1);e、f.雪混合比(g·kg－1);g、h.霰混合比(g·kg－1)Fig.6 Time evolution of(a，b)cloud water number concentration(units:kg－1)，(c，d)rain number concentration(units:kg－1)，(e，f)snow mixing ratio(units:g·kg－1)and(g，h)graupel mixing ratio(units:g·kg－1)in(a，c，e，g)clean and(b，d，f，h)polluted air from 18 to 21 January 2008

冻雨为低于0℃的液态降水，且局地因素对冻雨的形成有着重要作用(Bernstein，2000)。观测表明，贵阳地区的冻雨主要出现在1月19—20日。从清洁大气的模拟结果(图9a)可以看到，云内最大云水含量为0.4 g·kg－1，位于18日12时750 hPa左右，最大雨水含量为0.1 g·kg－1，位于18—20日的750 hPa以下，云内冰相粒子主要位于低层的冷层，这表明雨水主要通过暖云过程形成，而不是由冰相粒子融化产生，因此贵阳地区的冻雨主要通过过冷却暖云机制形成。而在污染大气条件下，低层过冷云水增加，过冷却雨水减少，而雪和霰粒子含量均增加，地面以固态降水为主(图9b)。因此，污染气溶胶使得云内微物理过程发生变化，不利于冻雨的形成。

4 结论

对2008年1月18—21日一次冰冻灾害天气进行数值模拟，分析了污染气溶胶对冰冻灾害天气和冻雨形成过程的影响，得到以下结论:

1)模拟的污染空气下的降水虽然比实况偏强，但整体分布与实况较接近;而清洁空气下区域平均降水量大于污染空气下情况，污染气溶胶对此次冰冻天气的区域降水有一定的抑制作用。

2)污染气溶胶对冻雨的影响相对较大，有明显的抑制作用。污染气溶胶使得冻雨的降水范围减小，其次对相对较强的冻雨降水有明显的消弱作用。

图7 2008年1月18—21日模拟的清洁(a)和污染(b)大气下累积冻雨降水量(单位:mm)Fig.7 The simulated accumulated freezing precipitation from 18 to 21 January 2008 in(a)clean air and(b)polluted air(units:mm)

图8 模拟区域(103.2～110.0°E)经向3 h最大冻雨强度变化(单位:mm)a.清洁大气;b.污染大气Fig.8 Changes of the 3 h maximum freezing-rain intensity in the model area(103.2—110.0°E)(units:mm)a.clear air;b.polluted air

3)从云微物理角度考虑，气溶胶的增加，增大了CCN浓度，使得云内最大云水含量增加，最大雨水含量减少，最大雪含量减小，而对于云内霰粒子最大含量有明显的增加作用。

4)贵阳地区冻雨形成机制为过冷云机制(暖云机制)，污染气溶胶使得最大云内霰粒子含量增多，云滴数浓度的增加使得冰相粒子撞冻过冷水这一过程进行的更加充分，导致地面以固态降水为主，抑制了冻雨的产生。

本文尝试分析了污染气溶胶对冰冻降水的影响，由于受实测资料和模式限制，尚需更加深入研究。随着城市化的发展越来越大，污染气溶胶对于天气影响越来越明显，在进行冰冻天气预报时，应该考虑到城市气溶胶的影响。

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