天津市冰雹天气形成过程及催化数值模拟分析

孟辉+陈超

摘要 应用中国科学院大气物理研究所建立的三维完全弹性冰雹云模式，对2004年6月22日发生在天津市的一次冰雹天气过程及其催化试验进行数值模拟。结果表明，本个例雹云中，冰雹粒子主要由冻滴和霰转化形成，冻滴对冰雹形成的贡献比霰大得多，冰雹主要通过撞冻过冷雨水、过冷云水以及碰并冻滴进一步长大；在冰雹形成前进行催化作业，可达到增雨减雹的目的。

关键词 冰雹；数值模拟；催化试验；防雹 ；天津市

中图分类号 P458.1+21.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）12-0224-01

1 天气背景和实况

受高空冷涡影响，2004年6月22日19：30—20：30，天津市武清区、宝坻区共有32个乡镇遭受冰雹袭击，冰雹最大直径为3～4 cm，造成1.27万hm2农田受灾，经济损失严重。

6月21日20：00 500 hPa高空图上，欧亚大陆高纬地区为两槽一脊型，贝加尔湖附近为一低涡。21日20：00至22日8：00，东南移低涡后部不断分裂的短波槽携带大量冷空气影响华北地区，槽前正涡度平流的输送使得华北地区高空幅散加强，这种高空形势有利于不稳定能量的积累、增强及产生较强上升运动，有利于强对流天气发生。

2 雹云的数值模拟

2.1 数值模式简介

本文所用模式为中国科学院大气物理研究所建立和发展的三维完全弹性冰雹云催化模式。模式计算域为36 km×36 km×18.5 km，水平格距1 km，垂直格距0.5 km，时间积分采用时步分离技术，模拟域随风暴中心移动，以确保冰雹云始终处在模拟场内。将新构建的天津探空资料输入冰雹云模式中，扰动中心位于模式域中央3 km的高度，扰动区域半径为12 km，厚5 km，中心最大位温偏差取3.0 ℃，模拟时间120 min。

2.2 气流场

如图1所示，在第1分钟，冰雹云出现有组织上升气流，随着冰雹云发展，上升气流与下沉气流均随时间增大，但上升气流增加幅度明显大于下沉气流，在第25分钟最大上升速度达到极值，为22.4 m/s；在第19～29分钟这段时间内最大上升速度均>15 m/s。而云内最大下沉气流速度在第9分钟才开始>1 m/s；在第34分钟时达到极值，为14.6 m/s；第35分钟地面降雹通量达到极值。在下沉气流速度达到极值之后，下沉气流速度明显大于上升气流速度，这反映了水成物对气流的拖曳作用[1-2]。

2.3 含水量及雷达回波

模拟结果显示，在第7分钟时0.1 g/m3的含水量中心开始出现在4～5 km，隨着云内上升气流的加强以及水汽凝结潜热释放，云体不断发展，云中含水量中心也向上抬升。第25分钟时，云内上升气流达到最大，云中总含水量中心已超过6.5 g/m3，位于5.0～6.5 km高度之间（-10 ℃温度层），其四周含水量值逐渐递减；相应的雷达回波也体现出类似的分布特征，回波顶位于11 km高度上，尚未及地，雷达回波中心超过65 dBZ，位于5.5～7.0 km高度之间。第26分钟，9 km高度（-35 ℃温度层）出现第2个含水量中心，中心值为5.0 g/m3，此含水量中心位于上升气流区，为雹胚增长提供了有利物质条件[3-4]。第35分钟时，8～9 km高度仍维持着5.5 g/m3的含水量中心，65 dBZ的回波中心已经及地，此时地面降雹通量达到极值。

3 冰雹形成的微物理过程

本例雹云在第19分钟出现冰雹，第28分钟时云中冰雹水含量达到最大，第35分钟时地面出现最强降雹，根据这3个时次冰雹源项微物理过程时空累积总量，表明本例雹云中冰雹粒子由冻滴和霰转化而成，但冻滴对冰雹粒子贡献远大于霰，冰雹粒子在形成初期（第19分钟）完全来源于冻滴自动转化。

4 催化试验

天津市高炮防雹作业的发射仰角一般为55～65°，根据天津市使用的炮弹型号，选定播撒高度4.5 km，碘化银用量60 g，均匀分布在以模式域中央，即格点（18，18）为中心的9个格点上，选择冰雹形成时（第19分钟）、冰雹形成前第5分钟（即第14分钟）、冰雹形成后第5分钟（即第24分钟），进行3次催化试验，催化结果如表1所示。

3次催化试验结果表明，冰雹形成时（第19分钟）及冰雹形成前第5分钟（第14分钟）进行催化，可达到增雨减雹的目的，且在冰雹形成前催化效果最好，在第14分钟催化可使总降雨量增加157.15%，使总降雹量减少66.08%。冰雹形成后第5分钟进行催化，总降雨量增加不大，且总降雹量有所增加，不能达到防雹的目的。因此，应在冰雹形成初期及形成前几分钟进行催化作业，以达到增雨减雹的目的。

5 参考文献

[1] 李兴宇，洪延超.三维冰雹云数值催化模式改进与个例模拟研究[J].气象学报，2005，63（6）：874-888.

[2] 王宏，雷恒池，李书严，等.黄河上游地区强对流云特征的模拟分析[J].气候与环境研究，2002，7（4）：397-408.

[3] 丁建芳，杜春丽，鲍向东，等.一次冰雹云过程及其冰雹形成机制的模拟研究[J].气象与环境科学，2014（2）：49-57.

[4] 李文娟.山东省冰雹云宏微观特征观测及数值模拟研究[D].北京：中国气象科学研究院，2005.