山東沾化一次冰雹過程的數值模擬及催化防雹探討

樊明月

摘要 利用完全彈性三維冰雹云模式，模擬研究了山東沾化2008年6月25日的一次冰雹過程，分析該地區冰雹形成的物理機制，在此基礎上對雹云進行催化試驗并研究催化防雹機制。結果表明，冰雹主要是以凍滴為核心增長的，催化使凍滴濃度增加，粒子質量減小，向雹轉化的比例降低，致使冰雹的質量和濃度減小，從而達到防雹目的。

關鍵詞 冰雹；數值模擬；催化防雹；山東

中圖分類號 S161 文獻標識碼 A 文章編號 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

冰雹是中小尺度強對流云的產物，作為一種短時強烈災害性天氣，其發生、發展和影響過程只有數小時甚至幾十分鐘，然而冰雹以及與之相伴隨的大風、雷暴等劇烈天氣過程常常給人類活動造成很大災害。冰雹是世界范圍的氣象災害之一，也是我國農業生產的主要氣象災害之一。在我國北方地區，冰雹災害頻繁，突然的冰雹襲擊常給農作物帶來毀滅性損失，尤其是維持時間較長的超級單體風暴所造成的災害更為嚴重。觀測表明，冰雹具有明顯的區域特征，冰雹云的結構和運動是相當復雜的，很多現象都具有三維結構特征，如超級單體的三維氣流結構等^[1]。因此，利用三維云模式模擬冰雹過程，詳細了解冰雹云的宏觀和微觀結構特征以及冰雹形成的微物理過程對于較早識別冰雹云進而進行催化防雹有很重要的意義。人工防雹中，催化技術是影響防雹效果的關鍵，而與催化技術研究直接有關的是冰雹形成的物理機制和催化防雹機制。筆者利用中國科學院大氣物理研究所研制發展的三維冰雹云模式^[2-5]研究山東沾化2008年

6月25日的一次冰雹過程，分析該地區冰雹形成的物理機制，并在此基礎上對雹云進行催化試驗并研究催化防雹機制。

1 個例實況分析

2008年6月25日08：00～20：00，山東東部沿海有一長而穩定的長波槽，山東處于槽后西北氣流，蒙古冷渦較偏北偏西，西北氣流中有小股的冷空氣擴散下來影響山東。根據25日20：00實時探空（圖1）可知，對流層中層有明顯的垂直風切變，高層干冷低層暖濕，大氣層結很不穩定，地面溫度高，這種天氣形勢有利于強對流的發生。根據雷達資料（圖2）分析，25日17：30濱州、東營北部有超級單體生成，其綜合反射率回波強度達70 dBz，回波頂最大高度達17 km以上，云中最大上升速度達28.3 m/s。濱州市沾化縣與東營市利津縣和河口區出現雷雨，并伴有較強冰雹。沾化縣濱海鄉遭受嚴重雹災，降雹自北向南持續時間長達45 min，冰雹最大直徑達5 cm，個別地段冰雹厚度達5 cm。

2 數值模擬

為了研究這次降雹形成的主要微物理過程及AgI催化對防雹的效果，在此利用完全彈性三維強對流云模式對這次過程進行了數值模擬，模擬云的回波頂高、最大回波強度及模擬云中最大上升速度極值（圖3）與雷達探測值較一致，說明此模式對這次過程的模擬效果較好。

3 冰雹形成機制分析

冰雹最初的形成主要由2個過程決定，霰和凍滴增長達

到一定尺度后向雹轉化。從冰雹源項中各物理過程總量（表1）可以看出，35～70 min是冰雹質量源項總量增加速度最快時段，從18.0 kt增加至897.7 kt，這從圖4可以看出此時冰

雹質量源項總量變化率RQh處于峰值區。在這一時段內，凍滴轉化量占冰雹質量源項總量的60%以上，這比霰向雹的轉化大得多，說明凍滴向雹的轉化對雹質量的貢獻比霰轉化的貢獻大，冰雹主要由凍滴轉化而來。這塊云中冰雹增長量約占總量的40%左右，增長方式主要是碰并過冷水，其增長量占冰雹碰并所有各類粒子增長量之和50%左右。

冰雹胚胎的形成及其增長是研究冰雹形成機制的重要滴的總質量由11 76.3 kt減小至549.2 kt，減少約53%，凍滴質量減小主要原因是凍滴碰并過冷云水、雨水及其他粒子的增長量明顯減小，特別是碰并雨水產生的凍滴約減小541.7 kt。催化后凍滴個數增加了9.0×1014個，約為非催化云的2倍。催化云中凍滴數量增加的主要原因是由于冰晶和雪濃度的大量增加，使尺度較小的過冷雨滴發生接觸凍結，活化AgI粒子直接與雨滴的接觸凍滴。催化云中凍滴總質量減小，凍滴的平均質量和直徑的減小，致使霰向雹轉化的比例明顯降低（表5）。而60%以上冰雹均來自凍滴的轉化過程，因此冰雹的總質量和數量均有明顯減小，另外還可以看出，冰雹碰并過冷云水的減小也是冰雹總質量減小的主要原因之一。

從以上分析可知，催化使云中冰晶和雪的質量及數量明顯增加，冰晶、雪向霰的轉化比例增大，轉化形成霰的數量和質量均有所增加；霰雹轉化比例增加，實際轉化成冰雹的質量和數量均有所增加，但由于總霰量及轉化比例小，雹量的增加非常有限；凍滴向雹的轉化是冰雹生成及質量增加的主要過程，催化后凍滴向雹的轉化比例減小致使雹總量的大幅度減小。

5 總結

利用三維冰雹云模式對山東的一次冰雹過程進行了數值模擬，分析了成雹機制并研究了催化防雹。結果表明，

凍滴和霰均可以轉化成冰雹，地面出現降雹前，霰凍滴數量相差不大，但凍滴向冰雹轉化的比例比霰大得多，冰雹主要以凍滴為胚胎。催化使冰晶和雪的質量數量均有所增加，向霰轉化的比例增加，霰的質量數量有所增加，霰向冰雹轉化的比例有所增加，但由于霰總量及轉化比例的有限，對冰雹總形成影響不大，冰雹主要以凍滴為核心增長，催化使凍滴質量減小，數量增加，從而向冰雹轉化的比例明顯降低，因而使冰雹數量和質量上均減小，催化達到了防雹效果。

參考文獻

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