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摘要 利用完全弹性三维冰雹云模式，模拟研究了山东沾化2008年6月25日的一次冰雹过程，分析该地区冰雹形成的物理机制，在此基础上对雹云进行催化试验并研究催化防雹机制。结果表明，冰雹主要是以冻滴为核心增长的，催化使冻滴浓度增加，粒子质量减小，向雹转化的比例降低，致使冰雹的质量和浓度减小，从而达到防雹目的。
关键词 冰雹；数值模拟；催化防雹；山东
中图分类号 S161 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）27-09445-03
Numerical Study on Mechanism of Hail Formation and Hail Suppression with Seeding in Shandong Province
FAN Mingyue
（Weather Modification Office of Shandong Province， Jinan， Shandong 250031）
Abstract A threedimensional hailstorm numerical model with fully elastic primitive equations is used to simulate a hail cloud occurred in Zhanhua area， Shandong Province on June 25， 2008. The mechanism of hail formation and hail suppression of this cumulus was analyzed. The results showed that most embryos of hail are frozen drops. The increasing of frozen drops concentration and decreasing of its average mass by seeding AgI caused the proportion of conversion from frozen drops into hail descend greatly and all these led the mass and concentration of hailstone to decrease to our purpose of hail suppression.
Key words Hail； Numerical simulation； Hail suppression by seeding； Shandong Province
冰雹是中小尺度强对流云的产物，作为一种短时强烈灾害性天气，其发生、发展和影响过程只有数小时甚至几十分钟，然而冰雹以及与之相伴随的大风、雷暴等剧烈天气过程常常给人类活动造成很大灾害。冰雹是世界范围的气象灾害之一，也是我国农业生产的主要气象灾害之一。在我国北方地区，冰雹灾害频繁，突然的冰雹袭击常给农作物带来毁灭性损失，尤其是维持时间较长的超级单体风暴所造成的灾害更为严重。观测表明，冰雹具有明显的区域特征，冰雹云的结构和运动是相当复杂的，很多现象都具有三维结构特征，如超级单体的三维气流结构等[1]。因此，利用三维云模式模拟冰雹过程，详细了解冰雹云的宏观和微观结构特征以及冰雹形成的微物理过程对于较早识别冰雹云进而进行催化防雹有很重要的意义。人工防雹中，催化技术是影响防雹效果的关键，而与催化技术研究直接有关的是冰雹形成的物理机制和催化防雹机制。笔者利用中国科学院大气物理研究所研制发展的三维冰雹云模式[2-5]研究山东沾化2008年
6月25日的一次冰雹过程，分析该地区冰雹形成的物理机制，并在此基础上对雹云进行催化试验并研究催化防雹机制。
1 个例实况分析
2008年6月25日08：00～20：00，山东东部沿海有一长而稳定的长波槽，山东处于槽后西北气流，蒙古冷涡较偏北偏西，西北气流中有小股的冷空气扩散下来影响山东。根据25日20：00实时探空（图1）可知，对流层中层有明显的垂直风切变，高层干冷低层暖湿，大气层结很不稳定，地面温度高，这种天气形势有利于强对流的发生。根据雷达资料（图2）分析，25日17：30滨州、东营北部有超级单体生成，其综合反射率回波强度达70 dBz，回波顶最大高度达17 km以上，云中最大上升速度达28.3 m/s。滨州市沾化县与东营市利津县和河口区出现雷雨，并伴有较强冰雹。沾化县滨海乡遭受严重雹灾，降雹自北向南持续时间长达45 min，冰雹最大直径达5 cm，个别地段冰雹厚度达5 cm。
2 数值模拟
为了研究这次降雹形成的主要微物理过程及AgI催化对防雹的效果，在此利用完全弹性三维强对流云模式对这次过程进行了数值模拟，模拟云的回波顶高、最大回波强度及模拟云中最大上升速度极值（图3）与雷达探测值较一致，说明此模式对这次过程的模拟效果较好。
3 冰雹形成机制分析
冰雹最初的形成主要由2个过程决定，霰和冻滴增长达
到一定尺度后向雹转化。从冰雹源项中各物理过程总量（表1）可以看出，35～70 min是冰雹质量源项总量增加速度最快时段，从18.0 kt增加至897.7 kt，这从图4可以看出此时冰
雹质量源项总量变化率RQh处于峰值区。在这一时段内，冻滴转化量占冰雹质量源项总量的60%以上，这比霰向雹的转化大得多，说明冻滴向雹的转化对雹质量的贡献比霰转化的贡献大，冰雹主要由冻滴转化而来。这块云中冰雹增长量约占总量的40%左右，增长方式主要是碰并过冷水，其增长量占冰雹碰并所有各类粒子增长量之和50%左右。 冰雹胚胎的形成及其增长是研究冰雹形成机制的重要滴的总质量由11 76.3 kt减小至549.2 kt，减少约53%，冻滴质量减小主要原因是冻滴碰并过冷云水、雨水及其他粒子的增长量明显减小，特别是碰并雨水产生的冻滴约减小541.7 kt。催化后冻滴个数增加了9.0×1014个，约为非催化云的2倍。催化云中冻滴数量增加的主要原因是由于冰晶和雪浓度的大量增加，使尺度较小的过冷雨滴发生接触冻结，活化AgI粒子直接与雨滴的接触冻滴。催化云中冻滴总质量减小，冻滴的平均质量和直径的减小，致使霰向雹转化的比例明显降低（表5）。而60%以上冰雹均来自冻滴的转化过程，因此冰雹的总质量和数量均有明显减小，另外还可以看出，冰雹碰并过冷云水的减小也是冰雹总质量减小的主要原因之一。
从以上分析可知，催化使云中冰晶和雪的质量及数量明显增加，冰晶、雪向霰的转化比例增大，转化形成霰的数量和质量均有所增加；霰雹转化比例增加，实际转化成冰雹的质量和数量均有所增加，但由于总霰量及转化比例小，雹量的增加非常有限；冻滴向雹的转化是冰雹生成及质量增加的主要过程，催化后冻滴向雹的转化比例减小致使雹总量的大幅度减小。
5 总结
利用三维冰雹云模式对山东的一次冰雹过程进行了数值模拟，分析了成雹机制并研究了催化防雹。结果表明，
冻滴和霰均可以转化成冰雹，地面出现降雹前，霰冻滴数量相差不大，但冻滴向冰雹转化的比例比霰大得多，冰雹主要以冻滴为胚胎。催化使冰晶和雪的质量数量均有所增加，向霰转化的比例增加，霰的质量数量有所增加，霰向冰雹转化的比例有所增加，但由于霰总量及转化比例的有限，对冰雹总形成影响不大，冰雹主要以冻滴为核心增长，催化使冻滴质量减小，数量增加，从而向冰雹转化的比例明显降低，因而使冰雹数量和质量上均减小，催化达到了防雹效果。
参考文献
[1] 巢纪平，周晓平.积云动力学[M].北京：科学出版社，1964.
[2] 孔凡铀.冰雹云三维数值模式模拟研究[D].北京：中国科学院大气物理研究所，1991：1-155.
[3] 洪延超.三维冰雹云催化数值模式[J].气象学报，1998，56（6）：641-651.
[4] 洪延超.冰雹形成机制和催化防雹机制研究[J].气象学报，1999，57（1）：30-44.
[5] 肖辉，王孝波，周非非，等.强降水云物理过程的三维数值模拟研究[J].大气科学，2004，28（3）：385-404.
关键词 冰雹；数值模拟；催化防雹；山东
中图分类号 S161 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）27-09445-03
Numerical Study on Mechanism of Hail Formation and Hail Suppression with Seeding in Shandong Province
FAN Mingyue
（Weather Modification Office of Shandong Province， Jinan， Shandong 250031）
Abstract A threedimensional hailstorm numerical model with fully elastic primitive equations is used to simulate a hail cloud occurred in Zhanhua area， Shandong Province on June 25， 2008. The mechanism of hail formation and hail suppression of this cumulus was analyzed. The results showed that most embryos of hail are frozen drops. The increasing of frozen drops concentration and decreasing of its average mass by seeding AgI caused the proportion of conversion from frozen drops into hail descend greatly and all these led the mass and concentration of hailstone to decrease to our purpose of hail suppression.
Key words Hail； Numerical simulation； Hail suppression by seeding； Shandong Province
冰雹是中小尺度强对流云的产物，作为一种短时强烈灾害性天气，其发生、发展和影响过程只有数小时甚至几十分钟，然而冰雹以及与之相伴随的大风、雷暴等剧烈天气过程常常给人类活动造成很大灾害。冰雹是世界范围的气象灾害之一，也是我国农业生产的主要气象灾害之一。在我国北方地区，冰雹灾害频繁，突然的冰雹袭击常给农作物带来毁灭性损失，尤其是维持时间较长的超级单体风暴所造成的灾害更为严重。观测表明，冰雹具有明显的区域特征，冰雹云的结构和运动是相当复杂的，很多现象都具有三维结构特征，如超级单体的三维气流结构等[1]。因此，利用三维云模式模拟冰雹过程，详细了解冰雹云的宏观和微观结构特征以及冰雹形成的微物理过程对于较早识别冰雹云进而进行催化防雹有很重要的意义。人工防雹中，催化技术是影响防雹效果的关键，而与催化技术研究直接有关的是冰雹形成的物理机制和催化防雹机制。笔者利用中国科学院大气物理研究所研制发展的三维冰雹云模式[2-5]研究山东沾化2008年
6月25日的一次冰雹过程，分析该地区冰雹形成的物理机制，并在此基础上对雹云进行催化试验并研究催化防雹机制。
1 个例实况分析
2008年6月25日08：00～20：00，山东东部沿海有一长而稳定的长波槽，山东处于槽后西北气流，蒙古冷涡较偏北偏西，西北气流中有小股的冷空气扩散下来影响山东。根据25日20：00实时探空（图1）可知，对流层中层有明显的垂直风切变，高层干冷低层暖湿，大气层结很不稳定，地面温度高，这种天气形势有利于强对流的发生。根据雷达资料（图2）分析，25日17：30滨州、东营北部有超级单体生成，其综合反射率回波强度达70 dBz，回波顶最大高度达17 km以上，云中最大上升速度达28.3 m/s。滨州市沾化县与东营市利津县和河口区出现雷雨，并伴有较强冰雹。沾化县滨海乡遭受严重雹灾，降雹自北向南持续时间长达45 min，冰雹最大直径达5 cm，个别地段冰雹厚度达5 cm。
2 数值模拟
为了研究这次降雹形成的主要微物理过程及AgI催化对防雹的效果，在此利用完全弹性三维强对流云模式对这次过程进行了数值模拟，模拟云的回波顶高、最大回波强度及模拟云中最大上升速度极值（图3）与雷达探测值较一致，说明此模式对这次过程的模拟效果较好。
3 冰雹形成机制分析
冰雹最初的形成主要由2个过程决定，霰和冻滴增长达
到一定尺度后向雹转化。从冰雹源项中各物理过程总量（表1）可以看出，35～70 min是冰雹质量源项总量增加速度最快时段，从18.0 kt增加至897.7 kt，这从图4可以看出此时冰
雹质量源项总量变化率RQh处于峰值区。在这一时段内，冻滴转化量占冰雹质量源项总量的60%以上，这比霰向雹的转化大得多，说明冻滴向雹的转化对雹质量的贡献比霰转化的贡献大，冰雹主要由冻滴转化而来。这块云中冰雹增长量约占总量的40%左右，增长方式主要是碰并过冷水，其增长量占冰雹碰并所有各类粒子增长量之和50%左右。 冰雹胚胎的形成及其增长是研究冰雹形成机制的重要滴的总质量由11 76.3 kt减小至549.2 kt，减少约53%，冻滴质量减小主要原因是冻滴碰并过冷云水、雨水及其他粒子的增长量明显减小，特别是碰并雨水产生的冻滴约减小541.7 kt。催化后冻滴个数增加了9.0×1014个，约为非催化云的2倍。催化云中冻滴数量增加的主要原因是由于冰晶和雪浓度的大量增加，使尺度较小的过冷雨滴发生接触冻结，活化AgI粒子直接与雨滴的接触冻滴。催化云中冻滴总质量减小，冻滴的平均质量和直径的减小，致使霰向雹转化的比例明显降低（表5）。而60%以上冰雹均来自冻滴的转化过程，因此冰雹的总质量和数量均有明显减小，另外还可以看出，冰雹碰并过冷云水的减小也是冰雹总质量减小的主要原因之一。
从以上分析可知，催化使云中冰晶和雪的质量及数量明显增加，冰晶、雪向霰的转化比例增大，转化形成霰的数量和质量均有所增加；霰雹转化比例增加，实际转化成冰雹的质量和数量均有所增加，但由于总霰量及转化比例小，雹量的增加非常有限；冻滴向雹的转化是冰雹生成及质量增加的主要过程，催化后冻滴向雹的转化比例减小致使雹总量的大幅度减小。
5 总结
利用三维冰雹云模式对山东的一次冰雹过程进行了数值模拟，分析了成雹机制并研究了催化防雹。结果表明，
冻滴和霰均可以转化成冰雹，地面出现降雹前，霰冻滴数量相差不大，但冻滴向冰雹转化的比例比霰大得多，冰雹主要以冻滴为胚胎。催化使冰晶和雪的质量数量均有所增加，向霰转化的比例增加，霰的质量数量有所增加，霰向冰雹转化的比例有所增加，但由于霰总量及转化比例的有限，对冰雹总形成影响不大，冰雹主要以冻滴为核心增长，催化使冻滴质量减小，数量增加，从而向冰雹转化的比例明显降低，因而使冰雹数量和质量上均减小，催化达到了防雹效果。
参考文献
[1] 巢纪平，周晓平.积云动力学[M].北京：科学出版社，1964.
[2] 孔凡铀.冰雹云三维数值模式模拟研究[D].北京：中国科学院大气物理研究所，1991：1-155.
[3] 洪延超.三维冰雹云催化数值模式[J].气象学报，1998，56（6）：641-651.
[4] 洪延超.冰雹形成机制和催化防雹机制研究[J].气象学报，1999，57（1）：30-44.
[5] 肖辉，王孝波，周非非，等.强降水云物理过程的三维数值模拟研究[J].大气科学，2004，28（3）：385-404.