六盘山地区一次低槽低涡云系结构及其降水机制的数值模拟研究

高亮书姚展予贾烁张沛安琳常倬林桑建人赵文慧王伟健

1中国气象科学研究院中国气象局云雾物理环境重点实验室，北京100081

2宁夏气象防灾减灾重点实验室，银川750002

1 引言

国内外大量播云试验结果表明，只要云物理条件、催化部位和催化剂量选择合适，地形云是人工增雨效果较好的云系，雨量可增加15%以上（孙晶等,2009a;Pokharel et al.,2014;Jing et al.,2016;Xue et al.,2016）。因此，地形云被视为最具有催化潜力和催化可行性的人工影响云系。不同尺度、不同形态特征的地形，与天气系统相互作用，产生的动力、热力效应，对云和降水形成过程有显著影响且十分复杂（廖菲等, 2007; 朱素行等, 2010; Houze,2012;王凌梓等,2018）。加之六盘山地区是我国西北地形云人工增雨重点试验示范区，因此深入研究六盘山降水云系的微物理结构、降水形成机制及地形对云系和降水的影响，对于人工增雨技术研究很有必要。

随着中尺度数值模式的不断发展和完善，数值模拟在云降水的研究中发挥着越来越大的优势，尤其针对山地降水，国内外学者都开展了大量的数值试验。Buzzi et al.（1998）利用BOLAM模式进行敏感性试验发现，地形对降雨的量级和分布起决定性作用。Ćurićet al.（2003）使用云分辨模式ARPS研究Western Morava Valley 的河谷地形对孤立积雨云发展、传播的影响，指出地形在积雨云的发展中起到了重要作用，当有地形存在时，积雨云的对流加强，传播速度更快。Kirshbaum et al.（2007）通过在俄勒冈州的观测和数值模拟，认为气流通过小尺度障碍物后，地形背风波会在地形云的前缘形成上升气流，触发并形成背风坡雨带。Zäng（2007）利用MM5模式对两次阿尔卑斯山暴雨个例进行了动力和云物理研究，指出强的环境风场及较低的冻结层高度有利于山脉迎风坡大范围强降水的产生。刘玉宝等（1995）利用非静力平衡中尺度大气模式MBG（二维云模式）对沙特阿拉伯ASIR 山区的一次混合相对流云降水个例进行模拟分析，发现“seeder-feeder”降水机制普遍存在于ASIR 山区对流降水中，它对后期新生对流和山脊处长生命对流降水发展有较大影响。在国内，针对地形作用下云降水系统的特征也开展了较多数值模拟研究。楼小凤等（2001）使用三维云模式，对发生在湖北的一次对流降水进行平坦地面和理想斜坡地形的模拟，结果发现地形的作用与地形的陡峭程度有关，坡度较大时，产生较强的上升气流，从而使系统对流发展旺盛，产生较大的降水和较强的回波。刘卫国和刘奇俊（2007a,2007b）利用改进后的ARPS研究祁连山的两个夏季降水个例发现，地形的存在使云的宏微观结构发生了较大变化，云的主要降水机制也受到影响甚至被改变。其他模拟结果还发现祁连山北坡陡峭的地形是祁连山云系降水的主要动力机制，气流除在山前有绕流外同时沿北坡爬升；祁连山地形对大范围的降雪落区影响不明显，但对北坡降雪中心形成有直接影响（孙晶等,2009b; 邵元亭等,2013）。马玉芬等（2012）采用中尺度数值模式WRF，对发生在天山地区的一次强天气过程进行地形敏感试验发现，天山山脉对西南暖湿气流有分流和阻挡抬升作用，容易在迎风坡形成降水，增加地形高度，迎风坡降雨量有明显增幅。

随着微物理方案的不断改进，利用模式研究地形影响下云和降水的微物理过程也有了一定的进展。对青藏高原的模拟研究发现，冰相过程在高原云和降水过程中起着重要的作用，地面降水主要由霰粒子的融化产生，暖云过程对降水的直接贡献很小，但却是霰胚的主要源项（刘黎平等,1999;唐洁等,2018）。廖菲等（2009）研究华北地形对暴雨的影响发现，地形高度的增加有利于迎风坡附近水平风场辐合和垂直上升运动发展，促进冰相粒子（雪和霰）的增多，但不会明显改变云内降水机制。侯瑞钦等（2010）对太行山迎风坡降水的云微物理结构研究发现，降水过程既包含地形作用造成的暖云降水，又包含汽、水、冰三相混合的冷云降水，且当冰相粒子与液态水的中心上下接近垂直时，1 h 降水量最大。郭欣等（2013）对北京地区地形云和降水的研究指出，在弱湿条件不稳定大气层流下，地形降水主要由地形动力抬升造成的暖云微物理过程产生，地形重力波形成的波状云几乎不产生降水，而在较强气流速度下，冷云微物理过程会大幅度增强，但整体来看，暖云微物理过程都占主导地位。于晓晶和赵勇（2016）认为，天山地形对高层雪晶和冰晶的高度分布影响不大，但对二者的中心值和维持时间影响显著。

六盘山位于西北地区东南部，陕甘宁交界处，是全国为数不多的近南北走向的狭长山地，相对于其西部的祁连山、青藏高原，以及南部的秦岭大巴山，六盘山属于小尺度地形，东西跨度50公里左右，南北跨度100多公里（范围约为34.9°N～36.13°N，105.6°E～106.7°E），山地东坡陡峭，西坡和缓，六盘山将该区域分为东西两壁，呈南高北低之势，海拔大部分在1500～2200 m（地形高度分布见图4）。已有统计结果发现，宁夏南部山区（六盘山）年降水量在500 mm 以上，远远高于宁夏中部和北部100～300 mm 的年降水量，这除了与西北地区大气可降水量由东南向西北递减的分布特征有关，还与南部山区地形影响下的云系可能产生更丰沛的降水有关。关于六盘山地区云降水的时空分布特征以及地形对降水的影响，近年来已有部分学者利用观测和再分析资料开展了研究，但由于山区地面测站和天气雷达的布设较为稀疏和不均匀，观测数据缺乏，对云降水微物理特征及降水机理的研究还较少。

为了开发六盘山区的云水资源，有效缓解邻近区域水资源短缺状况，改善生态环境，在该地区开展人工增雨是有效途径之一。但到目前为止，对地形云系的人工增雨作业技术还不成熟，需要加强研究。作为研究人工增雨技术的基础，有必要对该地区降水云系的微物理结构、降水机制以及地形的影响开展深入的研究。本文利用中尺度数值模式WRF，选取2018年夏季发生在六盘山区的一次降水过程进行高分辨率数值模拟，利用实测资料、NCEP再分析资料、FY-2G 卫星亮温数据以及多普勒雷达数据检验模拟结果。在此基础上重点分析六盘山区域降水云系的微物理结构、降水形成机制及地形对其的影响。

2 降水天气过程简析

从2018年8月21日08:00（北京时，下同）500 hPa 形势场（图1a）可以看到，位于甘肃南部有一个短波槽，宁夏南部受短波槽槽前西南暖湿气流影响，同时，在宁夏南部有风速辐合，动力条件良好。700 hPa（图1b）上，在甘肃中部有低涡环流发展，宁夏南部处低涡前部偏南气流中。近地面（750 hPa）水汽通量场（图1c）显示，在宁夏南部及甘肃的交界地区水汽充沛。水汽条件和动力条件都有利于宁夏南部地区对流性降水的产生。

从风云二号卫星（FY-2G）TBB（Black-Body Temperature）图（图2）上看，8月21日12:00宁夏南部上空出现弱对流云团，出现位置在750 hPa水汽通量大值区，云顶亮温值在-30°C～-50°C之间，云顶较高，云层深厚。此后，云系缓慢向东南偏南方向移动，到15:00（图2b），对流云团依然位于宁夏南部偏西部地区，云区南端向南扩展，对流增强，中心亮温值低于-50°C。到18:00（图2c），云系强区移出六盘山区，在甘肃与陕西的交界处形成了一条较强的对流云带，随后这条云带移入了陕西境内。结合图3a 的12小时地面累积降水，可以看出此次降水主要发生在宁夏南部、宁夏与甘肃交界以及甘肃与陕西的交界位置上，部分地区12小时累积降水达到70 mm 以上，六盘山山区降水持久，降水较强，山脉东坡降水强于西坡，东北—西南的带状强降水区（红色）与图2c显示的强对流云带位置和走向一致，强降水区的分布可能与山区地形有关。这次降水过程是在高空500 hPa 短波槽和700 hPa 低涡共同作用下形成的，降水云系是低槽低涡云系。

图1 2018年08月21日08:00（北京时，下同）（a）500 hPa 和（b）700 hPa 高度场（蓝线，单位：dagpm）、温度场（红线，单位：°C）、流场（黑色箭头）分布以及（c）750 hPa 水汽通量场（阴影，单位：g s-1 cm-1 hPa-1）和流场（黑色箭头）分布Fig.1 Geopotential height (blue lines,units:dagpm),temperature(red lines,units:°C)and wind field (black barb)at (a)500 hPa and (b)700 hPa and(c)vapor flux (shaded,units:g s-1 cm-1 hPa-1)and wind field (black barb)at 750 hPa at 0800 BJT (Beijing time)on August 21,2018

图2 2018年8月21日（a）12:00、（b）15:00、（c）18:00 FY-2G 卫星观测的TBB（Black-Body Temperature；阴影，单位：°C）分布。“＋”代表六盘山自动气象站位置，红色方框为六盘山区域，下同Fig.2 TBB(Black-Body Temperature;shaded, units:°C)observed by satellite FY-2G at(a)1200 BJT,(b)1500 BJT,and(c)1800 BJT on August 21,2018.The symbol “＋”indicates the location of Liupan Mountain station,red box is Liupan Mountain area,similarly hereinafter

3 云系的数值模拟

3.1 模式参数设置

本文采用中尺度数值模式WRF（V3.9.1.1版本），以时间分辨率为6 h，空间分辨率为1°×1°的NCEP再分析资料作为模式初始场和侧边界条件，模拟了2018年08月21日发生在六盘山区域的一次降水过程。

模拟区域以（36.00°N，106.10°E）为中心，设置为三重嵌套网格（图4所示），格距分别为18 km、6 km、2 km，垂直方向上分为不等间距的30层，水平格点数分别为100×100、151×151、217×217，时间步长为54 s、18 s、6 s。选取适合高分率模拟的四种显示云分辨方案（朱士超等,2011）：Thompson 方案、Lin 方案、WSM6方案、Morrison2方案，进行云微物理方案的敏感性试验，综合地面降水量和雷达回波的模拟结果，通过与观测结果进行对比，选择出模拟六盘山区云降水过程的最优云微物理方案Lin 方案，下面的分析将采用Lin 方案的模拟结果。其他物理过程参数化方案设置：长波辐射RRTM方案，短波辐射Dudhia 方案，积云对流参数化Kain-Fritsch（最里层关闭）方案。此外，近地面层方案为修正的MM5 Monin-Obukhov 方案，陆面过程方案为Noah land-surface model 方案，边界层方案为YSU 方案，本文研究主要采用最里层模拟结果，10 min 输出一次。

3.2 模拟结果检验

利用实测的地面降水和雷达回波来检验模拟结果。从图3a、b模拟与实测的12 h 累积降水分布可以看出，模拟云系的雨带形状、走向、降水量级与观测结果基本一致，只是模拟的雨带位置偏西偏南。另外，将模拟的3 h 累积降水与实测降水进行对比（图略），发现降水自六盘山的西北侧生成，随着系统东移，降水区向东南方向移动，降水区域有所扩展，降水强度也略有增加，模拟结果也再现了这一演变特征，同时与图2卫星观测到的对流云带移动方向也较为一致，但模拟降水相对实测降水移动速度更为缓慢。

图5给出了不同时刻（12:00、15:00、18:00）观测与模拟的雷达组合反射率图。模式基本模拟出了回波的位置、强度和移动方向。大部分地区的组合反射率在25～35 dB Z 之间，在宁夏南部和甘肃的东南部地区，出现了大于40 dB Z 的强回波，回波向东南方向移动，但模拟的回波移动稍滞后于观测结果。

图6是模式与观测对比的崆峒站08:00和12:00温度和露点温度图，黑色代表观测结果，红色代表模拟结果，模式可以比较准确的模拟出温度和大气湿度的变化，模拟的3 km 以上的风速风向及变化趋势与实测非常相似（未能准确模拟出3 km以下风的变化）。

对模拟云系演变过程的分析（第4节图7）表明，模拟云系的动力场与实际天气形势场非常吻合，500 hPa 存在高空低槽，700 hPa 是低涡，属低槽低涡云系。

总体而言，模式基本再现了此次降水过程的降水强度、落区和系统移动方向以及环境背景场。在此基础上，本文将利用模拟结果，进一步分析本次低槽低涡降水云系的微物理结构、降水机制以及六盘山地形对降水的影响。

图3 2018年8月21日12 h（08:00～20:00）研究区域累积降水分布（单位：mm，“＋”代表六盘山自动气象站位置）：（a）观测降水；（b）模拟降水（降低地形前）；（c）模拟降水（降低地形后）。黑色虚线为1900 米以上地形高度Fig.3 12-h cumulative rainfall(units:mm)(a)observed,(b)simulated,and (c)simulated with lower altitude from 0800 BJT to 2000 BJT on August 21,2018.The black dotted line indicates altitude over 1900 m

4 模拟云系的演变过程

图4 三层嵌套模拟区域（彩色阴影：地形高度）Fig.4 Three-nested simulation domains(color shadings indicate the terrain height)

本次降水过程主要受高空短波槽和地面气旋的影响，随着系统向东南移动，经过六盘山，在山区产生了强降水。通过分析模拟各时次各高度上的云场可以发现，模拟云系也是在高空槽配合低涡这样的动力场作用下形成的，随着系统东南移，云系也向东南移动。由于受到低层低涡风场的影响，在山脉西侧有来自西南偏南的气流，山脉东侧有来自东南方向的气流，且随着气旋移近六盘山，东侧的低层风逐渐偏东，山脉东侧成为文中所指的迎风坡。由700 hPa（及以下）云场可见，受六盘山阻挡，低层东南方向输送来的水汽在山的迎风坡一侧形成了地形云。

12:00，500 hPa 低槽位于六盘山的西部，大范围的西南气流流过山脉，高空云系出现在槽前位置西南气流中（图7a），而低空（700 hPa）有低涡与高空槽配合（图7b），山脉东西两侧都为南向气流，从西侧的南向气流向东侧的东南向气流变化，六盘山区域出现一些零散分布的云区，还没有形成云系。云系出现在低涡流场的辐合场中，即在低涡移向前部形成了云系。

图5 2018年08月21日（a、d）12:00、（b、e）15:00、（c、f）18:00观测（第一行）和模拟（第二行）的雷达组合反射率（阴影，单位：dB Z）对比Fig.5 Observed(top line)and simulated (bottom line)combined reflectivity(shaded,units:dB Z)at (a,d)1200 BJT,(b,e)1500 BJT,and (c,f)1800 BJT on August 21,2018

图6 2018年08月21日（a）08:00和（b）20:00崆峒（53915）站探空曲线对比（黑色代表观测，红色代表模拟，实线为温度，虚线为露点温度）Fig.6 Observed(black)and simulated(red)sounding profiles(solid lines:temperature,dotted lines:dew point temperature)of Kongtong(53915)station at (a) 0800 BJT,(b)2000 BJT on August 21,2018

14:30（图7c、7d），低槽东移接近六盘山区，低涡东南移也向山脉接近，但和12:00相比，高空槽和低涡的相对位置发生了变化，槽的东移速度快于低涡。山体西侧南部，高空是西南气流，低层几乎是南向气流，在槽前和低涡南向与西南向的气流辐合区中，形成了较强的带状云区（红色）。而山体东侧的偏北部，低层东南气流使东侧成为迎风坡，也形成一条南北向的较强带状云区（红色）。

随着系统移入六盘山区，降水云系也覆盖山区上空，水凝物混合比明显增大，尤其是东侧迎风坡。到了17:00，槽移动到山区上空，受系统和地形共同的影响，山区降水达到最强。700 hPa 云系图（图7f）显示，迎风坡水凝物含水量明显高于周边（图7d），此时迎风坡的小时降水达20 mm 以上，明显高于西侧山区。

云系的水平分布演变显示，500 hPa 槽与700 hPa低涡相互配合，但随着移近六盘山区，高空槽移动速度明显快于地面气旋，12:00槽与气旋所在位置近似。14:30和低涡相比低槽位置偏东。17:00低槽已移到六盘山区上空，而低涡东移不明显，相对位置偏后。到20:00，槽移到了六盘山东部，而气旋仍在山区西部，没有能越过山脊，应该是六盘山的地形阻挡了低层气旋东移，云系在山区上空移动缓慢，造成山区降水持久，尤其是迎风坡小时降水强度达暴雨级别，累积降水超过70 mm。

从云系的发展演变过程可以看出，此次低槽低涡云系受到地形的明显影响，尤其是动力场，地形影响了低涡东移速度并最终阻挡低层低涡越过山脊，使得高低层有组织的低值动力系统相脱离，这不利于云和降水的发展；此外，山体东侧的迎风坡效应可能有利于降水的形成。

5 云降水微物理结构及降水形成机制

5.1 云系的垂直微物理结构

根据前文分析，本次降水主要集中在宁夏南部六盘山区，下面将利用模式格距2 km 计算域输出的不同水凝物（云水、云冰、雪、霰、雨水）的含水量来了解云降水的微物理结构特征。图8是12:00和17:00通过六盘山站（35.67°N，106.2°E）水凝物含水量的纬向剖面图。

从图8a、b可见，不同云区云体中的垂直微物理结构是不同的。105.05°E上空有一个单体存在，云水区较厚，含水量较高，但其高层几乎没有冰晶（或者只存在含水量低于0.01 g kg-1的微量冰晶），雪和霰的含水量也较低，但地面产生了较强降水，说明暖云过程对降水贡献较大。山的东侧106.3°E上空也存在一单体，云水含水量较高，云底高度较低，主要分布在零度层以下，为地形暖云。

图7 2018年08月21日（a、b）12:00、（c、d）14:30、（e、f）17:00、（g、h）20:00模拟的500 hPa（左列）和700 hPa（右列）的风场（单位：m s-1）和水凝物混合比（阴影，单位：g kg-1）空间分布。黑色虚线为1900米以上地形高度，黑色粗实线表示槽线，字母“D”表示低涡位置Fig.7 Space distribution of simulated wind(units: m s-1)and hydrometeors mixing ratio(shaded, units:g kg-1)field of 500 hPa(left column)and 700 hPa(right column)at(a, b)1200 BJT,(c,d)1430 BJT,(e,f)1700 BJT,and (g, h)2000 BJT on August 21,2018.The black dotted line indicates altitudeover 1900 m,and black heavy linesindicatestrough-lines,and “D”indicates the location of vortex

图8 2018年08月21日（a、b）12:00和（c、d）17:00水凝物含水量（单位：g kg-1）沿六盘山站（35.67°N）的纬向—垂直剖面：（a、c）冰晶（红线）和云水（阴影）；（b、d）雨水（绿线）、霰（红线）和雪（阴影）。黑色虚线：温度（单位：°C）；箭头：风场（单位：m s-1）Fig.8 Vertical sections of the water content(units:g kg-1)of hydrometeors in simulated cloud along Liupan Mountain station(35.67°N)at(a, b)1200 BJT and(c,d)1700 BJT:(a,c)Ice crystal(red solid line)and cloud water(shaded);(b,d)rain(green solid line),graupel(red solid line),and snow (shaded).Black line:isotherm (units:°C);arrow:wind field

在105.2°E～105.8°E上空云层较为深厚，存在多个单体。冰晶主要分布在8～12 km 处，温度达到-40°C，最大含水量为0.14 g kg-1。雪、霰区域的顶高与冰晶近似一致，最大含水量分别达到0.19 g kg-1和0.65 g kg-1，雪的区域下沿在6 km 高度，霰已降到4 km 高度附近。云水区分布在3～8 km高度，高含水量区位于云的暖区，最大含水量约0.7 g kg-1，5～8 km（0°C～-15°C）之间存在过冷云水，雨水主要在云的暖区。可见在云中各水凝物主要分布高度不同。8 km 高度以上的最高层为冰晶、雪和霰粒子的共存区，0°C 层高度（5 km）以上的过冷区，同时存在过冷水、雪和霰，其中雪的含水量中心在云的高层，而霰的高含水量区靠近0°C层，云的暖区存在霰粒子、云水和雨水。高层是冰相、0°C以上过冷区是冰水混合相而暖区以液相为主的云体被称为“催化—供给”云，此种结构是重要的人工增雨条件（洪延超和周非非,2005;洪延超和李宏宇,2011）。在冰水混合层，冰晶、过冷水和水汽共存产生的贝吉龙过程以及高层向冰水混合层提供的冰相粒子与过冷水的撞冻增长过程都有利于降水的形成。

此外，在六盘山站东侧（106.5°E～107°E之间），高空存在冰雪组成的云，低层有云水，而中间存在无云区，地面降水极少甚至没有降水产生。

结合图8云系垂直剖面的分析可以看出，在云系不同部位，单体之间在垂直结构上存在较大差异，如图8a、c，选出对应地面降水较强三个云单体，分别是12:00的点A（35.67°N，105.75°E）、B（35.67°N，106.3°E）以及17:00的点C（35.67°N，106.25°E）三处，进一步分析六盘山不同云区的云体垂直结构的微观差异。

图9 2018年08月21日六盘山区云系不同部位（图8中的A、B、C 三点）水凝物含水量（单位：g kg-1，红色虚线为零度层）廓线分 布：（a）点A（35.67°N，105.75°E）；（b）点B（35.67°N，106.3°E）；（c）点C（35.67°N，106.25°E）Fig.9 Vertical profiles of total water content(units:g kg-1)of hydrometeors in different places of Liupan Mountain cloud system(A,B,and C in Fig.8,red dotted line:0°C):(a)Point A(35.67°N,105.75°E);(b) point B (35.67°N,106.3°E);(c) point C (35.67°N,106.25°E)

图9给出了三个格点上空水凝物含水量的垂直分布情况。由图9可见，12:00，A处云中各水凝物含水量最大值出现的高度不同，由高到低依次是冰晶和雪、霰、云水和雨水。0°C层在5.1 km 左右，高层冰相粒子含量较丰富，同时存在丰富的过冷云水，霰粒子含水量最大值位于紧靠0°C层上方的过冷区，并下落到4 km 左右的云暖区。雨水与云水含水量极大值都在云的暖区。因此水凝物的垂直分布可以分成三层：高层是完全由冰相粒子组成的冰相层；中层是冰水混合层，由雪、霰和过冷水组成；低层在云的暖区，是液水层。而山脉东侧B 处云中存在的主要水凝物是云水和雨水。0°C层高度（4.9 km）略低于西侧，高层冰晶、雪、霰冰相粒子含量极小，云水雨水都主要分布在零度层下方。水凝物的垂直分布也可分成三层，但冰相层中的冰粒子含水量极低，混合层中的过冷水含量也较低。17:00，C 处云中水凝物垂直分布与A点类似，可分为三层。冰相层中冰晶和雪的含水量很低，但混合层中过冷云水和过冷雨水含量较高，因此霰的含水量也较高。在云的液水层存在丰富的云水和雨水，尤其是雨水含量比结构类似的A点的0.7 g kg-1要高很多，为1.92 g kg-1，对应迎风坡一侧出现了强降水（图8d）。

由上可见，A、B和C 三处云中，尽管垂直微物理结构都可分成三层，属于“催化—供给”云，但各层含水量的配置有很大区别，因此造成降水强度也有较大差别。下面将进一步分析不同云系结构造成地面降水差异的具体机理。

5.2 云系降水机制

由前文分析可知，12:00高空槽与低层气旋所在位置近似，在垂直方向上相互对应，这样的配置有利于垂直运动的产生。到17:00低槽已移到六盘山区上空，而低涡由于地形阻挡东移不明显，相对位置偏后，产生对流的条件变差，但低层气旋系统的东南向气流通过地形的抬升有利于地形云的形成。

在这样的天气背景下，如图8a、b可见，12:00六盘山站西部云体深厚，尤其是冰相粒子含水量较高，地面产生降水较强。冰晶、雪和霰粒子分布都存在重叠区域，含水量中心在垂直方向上相互对应，同时霰的高含水量中心对应着雨水高值区（如A处）。在0°C以下，仍有霰存在，说明霰粒子融化对雨水的形成有较大贡献。而在六盘山的东部迎风坡（B 处）存在含水量较高的云水层，位于零度层下方，为地形暖云，由低层气旋系统的东南向气流通过地形的抬升形成，高空冰相粒子含量较少，地面雨水最大含水量达到0.6 g kg-1，说明降水以暖云过程为主。

到了17:00（图8c,d），低层暖云含水量较高，高含水量云层厚度较大，0～-10°C之间的云水含量较12:00丰富，而-10°C层高度以上的过冷云水含量较12时少。高层冰晶粒子主要位于10～12 km，分布范围及含水量都相对变小，山区云中产生的冰晶和雪不多。霰含量较丰富，其含水量中心对应着丰富的过冷云水，并有过冷雨水存在。两个强降雨区（106.25°E 和106.85°E）都位于六盘山站东侧迎风坡，与上层霰粒子高值区和高云水区相对应，也与暖层高云水含量区对应，说明有冷暖云过程共同参与降水的形成；在山的西侧（如A处）上空云水层深厚，含水量高，但云底离地高度相对东侧迎风坡（C 处）更高，霰粒子高值中心在7 km 左右，下落到暖区的霰粒子极少。冷云过程减弱，低层碰并过程不足加上云底蒸发，因此地面产生降水相对较弱。下面重点分析六盘山东侧迎风坡（C 处）降水形成机制以及迎风坡与非迎风坡产生降水机制的差异。图10和图11给出了A、C 点云中水凝物的源项分布。

12:00，C 处的雨水（图10a）由霰粒子融化（GMLT）和云水向雨水的自动转化（RAUT）产生，然后雨滴碰并云滴（RACW）进一步增长，碰并云滴贡献更大，但产生总量都较小。17:00，C处雨水（图10b）源项在垂直方向上可分为两部分，上层主要来自霰的融化，下层主要依靠云雨碰并过程，霰融化产生量极大值比雨水碰并产生量极大值高，但产生的总量更小。可见冷云和暖云过程对降水的形成都很重要，其中暖云过程贡献更大，且在零度层上方也存在暖云过程。霰胚（图11b）主要由雪撞冻过冷雨水（SACR）形成，从图11d 霰增长源项可见，淞附过冷云水（GACW）和碰冻过冷雨水（GACR）是霰增长的主要微物理过程，其中碰冻过冷雨水占主导地位。

17:00，A处地面降水（图10c）的产生也主要来源于霰粒子的融化和云雨碰并过程，碰并过程占主导，且云底存在雨滴蒸发过程。霰胚（图11a）主要通过雪撞冻过冷雨水形成，高层霰粒子（图11c）通过碰并雪（GACS）和水汽凝华（GDEP）增长，落入过冷云水区，凇附过冷云水和碰冻过冷雨水依次成为霰主要增长源项。与东侧迎风坡的C 处相比较，产生降水的主要微物理过程相同，但贡献量都低于C 处，尤其表现在低层的云雨碰并过程，C 处碰并产生量的极大值（4.48×10-3g kg-1s-1）位于3.26 km 左右，A处碰并产生量的极大值（2.3×10-3g kg-1s-1）位于4.48 km 左右，C 处近地暖云层中的碰并过程对降水的贡献远大于A处。尽管A处高层霰胚产量更丰富，但冰水混合层中撞冻过冷水对霰粒子增长的贡献较小，极少霰粒子下落到暖区，因此霰粒子融化对降水的贡献也相对更小，冷云过程偏弱。

图10 2018年08月21日（a）12:00 C 点上空、17:00（b）C 点上空和（c）A点上空雨水源项（单位：10-3 g kg-1 s-1）廓线分布Fig.10 Vertical profiles of rain sources(units:10-3 g kg-1 s-1)in the air above point C (a)at 1200 BJT, point C (b)and point A(c)at 1700 BJT on August 21,2018

图11 2018年08月21日17:00 A点上空（左列）和C 点上空（右列）（a、b）霰胚源项和（c、d）霰增长源项（单位：10-3 g kg-1 s-1）廓线分布Fig.11 Vertical profiles of (a, b)graupel formation sources and(c,d)graupel growth sources(units:10-3 g kg-1 s-1)in the air above point point A(left column)and point C (right column)at 1700 BJT on August 21,2018

由上可见，在六盘山东侧迎风坡，地形云有利于降水的产生。12:00，C 处云水层发展高度不高，云水层基本位于暖区，高层冰相粒子极少，地面降水主要来源于暖云过程。到了17:00，近地暖云向上发展，与上部云层连成一体，云中丰富的过冷云水和过冷雨水促进了高层冰相粒子的产生和快速增长，冰相粒子的参与使得冷云过程对降水做出更大贡献；同时暖云层含水量充沛，为降水粒子碰并增长提供有利的云水条件，且云底高度低，雨滴在下落至地面时蒸发较少。因此在冷暖云过程共同作用下，迎风坡降水达到最强。

综上所述，山区上空云体在垂直方向上基本满足“催化—供给”云结构，但云区中不同部位的微物理结构是不同的。各层不同的水凝物配置结构使得各微物理过程对降水的贡献不同，高层冰相粒子较丰富时，以冷云过程为主，高层冰相粒子较少而暖区液水含量丰富时，以暖云过程为主。另外在山体的东部迎风坡，地形云一方面促进了过冷层冰相粒子的增长，增强了冷云过程，另一方面深厚的暖云层又保障了暖云降水过程的发展，使得在冷暖云的共同作用下，山区东部产生较强降水。

6 六盘山地形对降水的影响

前文对云系发展演变的讨论发现，低层低涡在东移过程中，受到六盘山地形阻挡，移动速度明显落后于高空槽，在靠近山脊的过程中，移动路径逐渐偏南，使得相互配合的低涡低槽系统逐步脱离，这不利于云和降水的发展。同时，低层气旋的东南向气流在山体东侧受地形抬升形成地形云，在东部迎风坡沿着地形高度出现了一条明显的地形云带。通过对微物理结构和降水机制的分析得出，地形云使得东坡前期以暖云降水为主，随后地形云向上发展，增加了冰水混合层中液水含量，为冰相粒子提供有利的增长条件，从而增强了冷云过程。为了进一步分析六盘山地形对降水的影响，将宁夏南部山区（包括六盘山在内）内高于1900 m 的地形高度统一设定为1900 m（如图3中黑色虚线），进行地形敏感试验，其他方案不变。当降低地形高度后，山脉东部迎风坡一侧水汽辐合减弱，更多水汽集中到西侧（图略），使得迎风坡累积降水减少，背风坡累积降水略有增加（见图3b和c）。下面选取迎风坡的一个云单体对其结构和降水源项进行重点讨论。

图12给出了17:00水凝物比含水量沿六盘山站（35.67°N）的纬向垂直剖面图，可以看出，气流在越过迎风坡时出现了明显的爬升运动，水凝物在山前聚集，迎风坡出现了较强降水。降低地形高度后，迎风坡近地层的水平风速减小，上升气流减弱，低层水汽向上输送减少，不利于云层的形成发展。对比降低地形前后迎风坡C 处上空水凝物的垂直廓线分布（图9c和图13a）可以看出，降低地形高度后，主要影响了零度层下方暖云的形成，低层云水没有足够的动力向上发展，云水呈现两层结构，低层最大云水含量仅有去掉地形前的七分之一左右，零度层上方霰粒子的含量也受到影响。由前文分析可知，与过冷雨水的碰冻是霰粒子增长的主要源项过程，降低地形高度后，虽然高层的冰晶和雪粒子含量略有增加，即霰胚的源项转化率增加，但过冷云区的暖云过程减弱，过冷雨水的匮乏限制了霰粒子的进一步增长。最终地面产生的雨水最大含水量仅为原本的五分之一。对比图10b和图13b C 处雨水的源项分布，降低地形高度后，迎风坡降水基本来源于霰粒子的融化，云雨碰并增长过程大大减弱。因此六盘山地形主要影响了迎风坡的暖云降水过程，同时通过影响霰粒子的增长间接影响了冷云过程。

由此可见，六盘山地形对该地区降水的影响十分明显。近似南北走向的山脉，一方面影响了低层系统的移动；另一方面地形的抬升促使迎风坡水汽上升凝结，促进云和降水的发展，增强暖云降水过程同时也增强冷云过程。

7 结论

图12 2018年08月20日（a）降低地形前、（b）降低地形后17:00总的水凝物含水量（单位：g kg-1，阴影）、温度（单位：°C，黑色虚线）和风矢量（u,w×50）沿六盘山站（35.67°N）的纬向—垂直剖面Fig.12 Vertical sections of total water content(units:g kg-1,shaded)of hydrometeors,temperature(units:°C, black line)and wind(u,w×50)in simulated cloud along Liupan Mountain station (35.67°N)at 1700 BJT on August 21,2018:(a)Original altitude;(b)lower altitude

图13 2018年08月21日17:00 C 点（降低地形后）上空（a）水凝物含水量（单位：g kg-1，红色虚线为零度层）和（b）雨水源汇项垂直廓线分布（单位：10-3 g kg-1 s-1）Fig.13 Vertical profiles of (a) total water content (units:g kg-1)of hydrometeors and (b) rain sources(units:10-3 g kg-1 s-1)in the air above point C with lower altitudeat 1700 BJT on August 21,2018

本文应用中尺度数值模式WRF对2018年8月21日发生在宁夏南部六盘山的一次强降水天气过程进行数值模拟试验，利用模拟结果进行微物理量场的分析，探讨六盘山区降水微物理结构特征以及地形影响下的山地降水机制，初步得到以下结论：（1）本次降水过程在高空槽配合低涡的动力场作用下形成，且随着系统移动，降水云系向东南移动。强降水主要发生在宁夏南部六盘山区，降水持久，部分站点12小时累积降水达暴雨级别，山脉东侧降水强于西侧。（2）模拟云系分为高空的槽前云系与近地面的低涡云系，移动方向为自西北向东南，与实况一致。系统移动过程中，受六盘山地形阻挡，低涡逐步落后于高空槽，降水云系形成条件变差。同时受低涡风场的影响，在六盘山体东侧迎风坡，有东南并逐渐偏东向气流经地形抬升形成较强的地形云带。（3）云体在垂直方向上呈现“催化—供给”的分层结构：云内高层是冰相，零度层上方是冰水混合相，暖区以液相为主，这样结构的云有利于降水的形成，是人工增雨作业的条件之一。但在云系的不同部位，水凝物垂直微物理结构又存在较大差异，各层水凝物配置的不同，造成各微物理过程对产生降水的贡献不同。（4）六盘山的迎风坡效应有利于山体东侧降水的形成。云系发展初期，迎风坡以暖云降水为主。随着云系发展，上下云水层连成一体，过冷水含量丰富，碰冻过冷雨水是霰粒子增长的主要来源；以霰粒子融化为主的冷云过程对降水有较大贡献，同时低层丰富的云水区为降水粒子提供了有利的生长条件，即在冷暖云过程共同参与下，迎风坡产生较强降水。（5）六盘山地形对云和降水的形成发展有较明显的影响。地形抬升作用促使迎风坡水汽上升凝结，形成深厚的云水层。降低地形高度后，水汽没有足够的动力向上输送，云水层含水量减少，暖云过程减弱，同时过冷水含量减少限制了冰相粒子的增长，从而也影响了冷云过程。