天津市冰雹天氣形成過程及催化數值模擬分析

孟輝+陳超

摘要 應用中國科學院大氣物理研究所建立的三維完全彈性冰雹云模式，對2004年6月22日發生在天津市的一次冰雹天氣過程及其催化試驗進行數值模擬。結果表明，本個例雹云中，冰雹粒子主要由凍滴和霰轉化形成，凍滴對冰雹形成的貢獻比霰大得多，冰雹主要通過撞凍過冷雨水、過冷云水以及碰并凍滴進一步長大；在冰雹形成前進行催化作業，可達到增雨減雹的目的。

關鍵詞 冰雹；數值模擬；催化試驗；防雹 ；天津市

中圖分類號 P458.1+21.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）12-0224-01

1 天氣背景和實況

受高空冷渦影響，2004年6月22日19：30—20：30，天津市武清區、寶坻區共有32個鄉鎮遭受冰雹襲擊，冰雹最大直徑為3～4 cm，造成1.27萬hm2農田受災，經濟損失嚴重。

6月21日20：00 500 hPa高空圖上，歐亞大陸高緯地區為兩槽一脊型，貝加爾湖附近為一低渦。21日20：00至22日8：00，東南移低渦后部不斷分裂的短波槽攜帶大量冷空氣影響華北地區，槽前正渦度平流的輸送使得華北地區高空幅散加強，這種高空形勢有利于不穩定能量的積累、增強及產生較強上升運動，有利于強對流天氣發生。

2 雹云的數值模擬

2.1 數值模式簡介

本文所用模式為中國科學院大氣物理研究所建立和發展的三維完全彈性冰雹云催化模式。模式計算域為36 km×36 km×18.5 km，水平格距1 km，垂直格距0.5 km，時間積分采用時步分離技術，模擬域隨風暴中心移動，以確保冰雹云始終處在模擬場內。將新構建的天津探空資料輸入冰雹云模式中，擾動中心位于模式域中央3 km的高度，擾動區域半徑為12 km，厚5 km，中心最大位溫偏差取3.0 ℃，模擬時間120 min。

2.2 氣流場

如圖1所示，在第1分鐘，冰雹云出現有組織上升氣流，隨著冰雹云發展，上升氣流與下沉氣流均隨時間增大，但上升氣流增加幅度明顯大于下沉氣流，在第25分鐘最大上升速度達到極值，為22.4 m/s；在第19～29分鐘這段時間內最大上升速度均>15 m/s。而云內最大下沉氣流速度在第9分鐘才開始>1 m/s；在第34分鐘時達到極值，為14.6 m/s；第35分鐘地面降雹通量達到極值。在下沉氣流速度達到極值之后，下沉氣流速度明顯大于上升氣流速度，這反映了水成物對氣流的拖曳作用[1-2]。

2.3 含水量及雷達回波

模擬結果顯示，在第7分鐘時0.1 g/m3的含水量中心開始出現在4～5 km，隨著云內上升氣流的加強以及水汽凝結潛熱釋放，云體不斷發展，云中含水量中心也向上抬升。第25分鐘時，云內上升氣流達到最大，云中總含水量中心已超過6.5 g/m3，位于5.0～6.5 km高度之間（-10 ℃溫度層），其四周含水量值逐漸遞減；相應的雷達回波也體現出類似的分布特征，回波頂位于11 km高度上，尚未及地，雷達回波中心超過65 dBZ，位于5.5～7.0 km高度之間。第26分鐘，9 km高度（-35 ℃溫度層）出現第2個含水量中心，中心值為5.0 g/m3，此含水量中心位于上升氣流區，為雹胚增長提供了有利物質條件[3-4]。第35分鐘時，8～9 km高度仍維持著5.5 g/m3的含水量中心，65 dBZ的回波中心已經及地，此時地面降雹通量達到極值。

3 冰雹形成的微物理過程

本例雹云在第19分鐘出現冰雹，第28分鐘時云中冰雹水含量達到最大，第35分鐘時地面出現最強降雹，根據這3個時次冰雹源項微物理過程時空累積總量，表明本例雹云中冰雹粒子由凍滴和霰轉化而成，但凍滴對冰雹粒子貢獻遠大于霰，冰雹粒子在形成初期（第19分鐘）完全來源于凍滴自動轉化。

4 催化試驗

天津市高炮防雹作業的發射仰角一般為55～65°，根據天津市使用的炮彈型號，選定播撒高度4.5 km，碘化銀用量60 g，均勻分布在以模式域中央，即格點（18，18）為中心的9個格點上，選擇冰雹形成時（第19分鐘）、冰雹形成前第5分鐘（即第14分鐘）、冰雹形成后第5分鐘（即第24分鐘），進行3次催化試驗，催化結果如表1所示。

3次催化試驗結果表明，冰雹形成時（第19分鐘）及冰雹形成前第5分鐘（第14分鐘）進行催化，可達到增雨減雹的目的，且在冰雹形成前催化效果最好，在第14分鐘催化可使總降雨量增加157.15%，使總降雹量減少66.08%。冰雹形成后第5分鐘進行催化，總降雨量增加不大，且總降雹量有所增加，不能達到防雹的目的。因此，應在冰雹形成初期及形成前幾分鐘進行催化作業，以達到增雨減雹的目的。

5 參考文獻

[1] 李興宇，洪延超.三維冰雹云數值催化模式改進與個例模擬研究[J].氣象學報，2005，63（6）：874-888.

[2] 王宏，雷恒池，李書嚴，等.黃河上游地區強對流云特征的模擬分析[J].氣候與環境研究，2002，7（4）：397-408.

[3] 丁建芳，杜春麗，鮑向東，等.一次冰雹云過程及其冰雹形成機制的模擬研究[J].氣象與環境科學，2014（2）：49-57.

[4] 李文娟.山東省冰雹云宏微觀特征觀測及數值模擬研究[D].北京：中國氣象科學研究院，2005.