2012, 23 (3): 331-339
2. 南京信息工程大学，南京 210044;
3. 中国科学院大气物理研究所，北京 100029;
4. 中国气象局武汉暴雨研究所，武汉 430074
2. Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044;
3. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
4. Wuhan Institute of Heavy Rain, CMA, Wuhan 430074
三维对流云模式是研究冰雹云宏观动力过程和微物理过程并进行冰雹预报的有效手段。许焕斌等[1-2]、孔凡铀[3]、周玲等[4]、洪延超等[5]分别应用三维对流云模式开展了冰雹云发生发展机制研究，李淑日等[6]利用改进的三维对流云催化模式研究雹云催化的动力、微物理过程，李江波等[7]应用三维对流云模式开展了河北省冰雹预报研究。三维对流云模式依赖于详细的大气层结分布信息，通常情况下应用常规探空资料作为云模式的初始场[2-8]，然而常规探空资料由于其时空分辨率较低，仅08：00(北京时，下同)、20：00两个时次，空间分辨率达几十甚至数百公里，常常用1个探空站代表1个区域。由于很多冰雹天气过程是在弱的大尺度强迫下发展起来的，对低层局地温、湿度的变化和环境风场[9]非常敏感，常规探空资料不能满足云模式模拟局地性强的冰雹天气过程的需要。
LAPS[10-12](Local Analysis and Prediction System) 是美国国家海洋大气管理局NOAA下属的ESRL (EarthSystem Research Laboratory) 研究开发的, 中国气象局武汉暴雨研究所引进并进行了本地化移植[13-14]，LAPS将各种气象观测系统中获取的资料如雷达、卫星、GPS、探空等多源数据同化到高分辨率网格上，刘瑞霞等[15]还专门研究了多源观测数据在LAPS三维云量场分析中的应用，LAPS可捕捉详细的地形作用，时间分辨率可达1 h，应该更能满足局地性强的冰雹天气研究和预报的需要，用于对流云云数值模式也应该有其时空上的优势[16-17]。
因此，本研究主要是应用LAPS输出的高时空分辨率的产品结合三维对流云模式模拟冰雹云发生发展特点，探讨LAPS分析场用于冰雹分析和云模式初始场的优越性。
1 资料和方法 1.1 LAPS简介LAPS资料同化包括模式初始场融合、雷达资料融合、云导风融合、地面资料融合、探空资料融合、GOES卫星资料、GPS水汽等探测资料的融合。LAPS分析系统包括风分析、温度-高度分析、云分析、水汽分析以及根据输出场反演其他物理量的导出分析等。本文应用的LAPS输出产品垂直方向共21层，顶层为100 hPa，每层间隔50 hPa，水平格距取10 km×l0 km，分析区域的中心位于30.0°N，113.0°E。LAPS不仅给出一些基本物理量的分析场资料，还可以提供一些由分析量导出的衍生产品，包括高度场、风场、温度、垂直速度、相对湿度、比湿、反射率、云量、云分类、云水含量、云冰、雪含量、雨水含量、云底高度、云顶高度、可降水量、液态水含量、抬升指数、对流有效位能、对流抑制能量、肖沃特指数、K指数、抬升凝结高度等33种产品。
1.2 云模式简介应用中国科学院大气物理研究所发展的三维冰粒子分档强对流云模式[18-19]，该模式包括云滴、雨滴、冰晶、雪晶、雪团、霰、雹共7种水成物场及凝结、撞冻等37种主要微物理过程，并对霰、雹按照指数分档方法划分为21个尺度范围，能够比较完善地描述强对流云的宏观动力特征和微物理机制[20-21]。
1.3 资料本文所用资料为水平格距10 km、垂直格距50 hPa，每小时1次的LAPS输出产品，恩施探空站的常规探空资料、恩施雷达站6 min 1次的多普勒雷达资料以及地面观测资料。
本文对恩施站的探空资料和降雹点的LAPS分析场的温湿层结和环境风场信息进行了比较，并分别应用恩施站的探空资料和不同时次的降雹点的LAPS分析场作为云模式的初始场对2008年7月27日、28日冰雹过程进行数值模拟，并将模拟结果与观测实况进行了对比分析，最后对应用LAPS资料作为模式初始场模拟的回波、风场和气流变化特点进行了分析。
2 冰雹过程湖北省恩施地区2008年7月27日16:27—17:15(恩施市)、28日16:03—16:23(咸丰县) 降了冰雹。这两日均为晴空天气，地面升温迅速，午后发生冰雹。从天气形势看，27日500 hPa有东风波倒槽，700 hPa有西南急流，200 hPa 109°E以西为一致的偏北气流，高层冷空气流入，中低层辐合、高层辐散明显，天气形势有利于对流天气的发生。降雹前天气晴热，降雹均发生在午后，地面升温剧烈引起能量聚集，上空南风气流、冷涡、东风波倒槽等天气系统像个盖子，对流抑制能量也较大，使不稳定能量不容易释放，因此能量一直聚积，中低空西南急流加强了层结不稳定和低层的扰动，在山区地形强迫下产生的局地热力抬升，触发了不稳定能量的释放，启动对流的发生，从而造成了较强的地面降雹。
从27日降雹前后雷达回波组合反射率因子 (图 1) 可以看出，这次降雹过程强回波区域较小，回波梯度大，发展旺盛时 (16：33) 最大回波强度达到68 dBZ。从反射率因子垂直剖面图 (图 2为沿图 1中箭头线方向反射率因子的垂直剖面) 演变可以看出，15:37—16:14回波强度和高度变化不大，回波强度为20 dBZ左右，之后回波从20 dBZ发展到65 dBZ以上仅用了13 min。这期间，回波强度和强回波区域及高度均迅速增大，40 dBZ以上的回波中心伸展到2~10 km。16:27，55 dBZ回波接近地面，说明冰雹迅速增长并开始降落地面；16:33，最大回波强度有所降低，60 dBZ回波顶高和回波强度均下降，此后回波又经历了2次向上发展、降低、减弱的循环过程，17:15基本上全部减弱为降水回波，此次降雹持续时间约48 min，降雹时间较长。
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| 图 1. 2008年7月27日16：33恩施站雷达组合反射率因子 Fig 1. Combination of radar reflectivity at 1633 BT 27 July 2008 at Enshi Radar Station | |
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| 图 2. 2008年7月27日恩施雷达反射率因子垂直剖面 Fig 2. Vertical section of Enshi radar reflectivity on 27 July 2008 | |
3 LAPS温度、湿度分析 3.1 地面温度分析
图 3为LAPS输出的7月27—28日2次过程降雹前3个时次 (即14：00, 15：00, 16：00)、降雹后1个时次 (17：00) 共4个时次的地面温度，降雹点海拔较恩施站高，所以温度较恩施站偏低。27日、28日降雹点降雹前1 h (15：00—16：00) 地面温度增幅分别为0.7℃和1.3℃，28日温度增幅较大，而恩施站的增幅分别为0.3℃和0.6℃，即降雹点温度升高幅度比恩施站大，且从14：00—15：00降雹点温度是降低的，而15：00—16：00气温反而升高，说明由于地形强迫、局地热力条件促使地面升温，有利于引发局地对流。而27日17：00(降雹后) 降雹点气温仍在继续升高，说明热力条件仍然存在，对流仍在维持，而恩施站则降低了3.6℃。28日17：00降雹点和恩施站气温均下降，说明热力条件减弱，对流已经或即将减弱、消散。可以看出，用降雹点的资料能更好地反映局地温度变化。
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| 图 3. LAPS输出的2008年7月27日、28日降雹前后的地面温度 Fig 3. Surface temperature before and after the occurrence of hail on 27 July and 28 July in 2008 by LAPS data | |
3.2 地面湿度分析
由2008年7月27日700 hPa 08:00—17:00的相对湿度演变可以看出，相对湿度不低于85%的高值区在30.5°N以北、108°~117°E之间，且湿舌向北移动，这与高空天气形势西南暖湿气流向北输送水汽是匹配的。由16:00, 17:00的LAPS相对湿度图 (图 4) 可以看出，17:00在降雹点附近出现了一个小尺度的高相对湿度区，说明水汽在这里产生了辐合聚集。
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| 图 4. LAPS输出的2008年7月27日16：00(a) 与17：00(b)700 hPa相对湿度产品 白色圆圈指示降雹区域 Fig 4. The relative humidity products by LAPS data at 700 hPa at 1600 BT and 1700 BT on 27 July 2008 (white circles indicate hail area) | |
4 模拟分析 4.1 两种初始场比较分析
表 1给出了LAPS分析的2008年7月27日08：00探空资料以及当日08：00，16：00温度、温度露点差，图 5为当日08：00探空资料和16：00 LAPS资料的温度、露点温度和风廓线，也即模式所用的两种初始场。可以看出，08：00探空测得的温度垂直分布与08：00降雹点LAPS的温度垂直分布十分接近，而从露点温度可以看出，自700 hPa至250 hPa，降雹点的温度露点差更小，说明降雹点的湿度更大。而比较08：00与16：00降雹点的温度廓线，发现自地面至250 hPa，温度均有所升高；200 hPa以上，温度降低，即高空有冷空气流入。地面至850 hPa层，16：00温度露点差较08：00有所减小；700 hPa至200 hPa温度露点差增大；而200 hPa以上，温度露点差减小，表明随着降雹的临近，降雹点上空近地面湿度在增大，中高层湿度减小，高层湿度增大，其中，250 hPa与200 hPa温度露点差为0，湿空气达到饱和。LAPS资料显示出降雹点的层结状况越来越有利于降雹的发生，比08：00探空资料更能反映出降雹时的大气层结信息。
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表 1 2008年7月27日不同高度层探空和LAPS资料的温度与温度露点差 Table 1 Temperature and the difference between dew point and temperature at different heights with soundings and LAPS data on 27 July 2008 |
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| 图 5. 2008年7月27日08:00探空资料 (a) 和16:00 LAPS资料 (b) 的温度、露点温度和风廓线 Fig 5. The temperature, dew point temperature and wind profile of sounding at 0800 BT (a) and LAPS data at 1600 BT (b) on 27 July 2008 | |
环境场风速的垂直切变对于局地强风暴发生发展有着重要的作用，垂直切变通常用风矢量差来表示。风矢量可以分解为纬向风和经向风。纬向风表示东西向风，西风为正；经向风表示南北向风，南风为正。08:00探空资料与16:00 LAPS资料850 hPa与地面的风矢量差相当，分别为5.42 m·s-1和5.45 m·s-1, 500 hPa与地面的风矢量差分别为5.49 m·s-1，4.53 m·s-1, 700 hPa与地面风矢量差分别为5.9 m·s-1，7.8 m·s-1，250 hPa与地面风矢量差均最大，分别为6.81 m·s-1，8.26 m·s-1。16：00 LAPS资料各层与地面风矢量差除在500 hPa层比08：00探空风矢量差小以外，其他各层均大，且变化明显，说明16：00除500 hPa风切变变小以外，其他各层风切变均在加强。可见，临近时次的LAPS资料在一定程度上能更真实地反应冰雹发生的环境风。
4.2 探空资料和LAPS初始场模拟结果比较分别应用当日08:00的探空资料和LAPS输出结果以及冰雹发生前的临近时次 (7月27日、28日均为当日16:00) 的LAPS输出场为云模式初始场对27日、28日两次冰雹过程进行数值模拟，如表 2所示，除28日08:00探空资料不能模拟出降雹外，27日08:00的探空资料和两个时次的LAPS资料、28日两个时次的LAPS资料均模拟出地面降雹，且模拟降雹时间27日与实际降雹时间相当，28日大于实际降雹时间，模拟的回波高度与雷达观测相近。
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表 2 应用2008年7月探空和LAPS资料为初始场的数值模拟结果与观测对比 Table 2 The comparison of simulation results initiated by sounding data and LAPS data to observations in July 2008 |
8月27日08:00的LAPS资料和同一时次的探空资料模拟出的结果非常接近，前者模拟的最大上升气流速度和下沉气流速度略大于后者，回波顶高、回波强度和地面累积降雹量略小于后者，可见，当日08:00，降雹点上空的层结状况与探空站的相当。而28日08:00降雹点的LAPS资料模拟出的回波强度、垂直气流速度、最大风速、地面降雹量均比探空站资料模拟结果大，说明当日08:00降雹点上空低层温、湿度状况与探空站的差别较大。也在一定程度上说明，28日降雹的局地性更强，云模式须依赖于高空间分辨率的初始场才能模拟出降雹。
而临近降雹时8月27日 (16：00)、28日 (16：00) 的LAPS资料模拟出的最大上升气流和最大下沉气流速度、最大风速、地面最大累积降雹量均较08：00 LAPS资料模拟出的结果大，模拟的地面最大累积降雹量与观测更加接近，这是因为临近降雹时的层结更不稳定，且风速、风向发生了较大变化，临近时次的LAPS资料更能反映降雹前的大气层结和动力状况。可以看出，用临近时次的LAPS资料作为云模式初始场能更好地模拟出午后冰雹云发生发展过程，对冰雹云的维持时间、降雹强度和分布、降雹大小等模拟的结果与观测基本一致，为局地灾害性冰雹预报提供参考。
对8月27日16：00 LAPS资料作为模式初始场模拟27日降雹过程结果进行分析，27日模拟到第34分钟地面开始出现降雹，第76分钟结束，持续时间42 min, 而实况降雹48 min，实况和模拟非常接近。模拟地面降水从第20分钟开始，第78分钟结束。
4.3 数值模拟与多普勒雷达回波对比在多普勒雷达反射率因子垂直剖面图上 (图 2)，15:32初形成的雷达回波产生于2~7 km的高度上，最大回波为20 dBZ，而数值模拟在对流启动后第6分钟出现初始回波，此时回波强度15 dBZ，初始回波高度仅2~3 km。实况雷达回波直至16:08，变化不大，之后回波强度迅速增大，并向上向下发展，在发展的过程中，回波的东侧形成悬垂回波，在16:27回波强度达到最强盛，但是强回波高度较高，55 dBZ强回波已经开始及地，说明地面开始出现了降雹。16:33—16:39强回波高度下降，最大回波强度值有所减小，而此时悬垂回波和回波穹隆更加明显，说明冰雹云仍然在发展，此后又经历了减弱、增强、减弱的过程，直到17:21雷达回波减弱，悬垂回波和穹隆不再明显，回波顶高降低，强回波中心也越来越低，回波墙瓦解，强对流减弱消散。而模拟的回波也成相同的特征，对流泡初生之后，由于强大的上升气流作用，主体回波于第18分钟被抬升至4~10 km，回波向上向下发展，反射率因子也迅速增大，在第34分钟强回波及地，地面开始降雹，并在第38分钟开始出现明显的回波悬垂 (图 6，图中x, y分别表示水平距离)，第44分钟开始减弱，第50分钟强回波又有所增强抬升，第60分钟强回波降落及地。回波顶高最高在11~12 km之间，与雷达观测一致，至第78分钟时强回波减弱。模拟的气流在风暴底部辐合、在顶部向两侧辐散的特点与多普勒雷达观测也是一致的, 这与朱君鉴等[22]和王令等[23]分析冰雹天气过程的多普勒雷达径向速度特征也是一致的。基于LAPS初始场的三维对流云模式较好地模拟出了这次降雹过程。
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| 图 6. 模拟不同时刻的回波反射率因子垂直剖面 Fig 6. The vertical section of simulated echo reflectivity at different times | |
4.4 垂直速度
强烈的垂直运动是积云得以发展成冰雹云的重要因素。图 7为模拟的最大上升气流和下沉气流速度。对流启动后，最大上升速度开始迅速增大，云顶不断抬升，第16分钟时达到最大65 m·s-1，对流得到充分发展，有利于冰雹的生成、长大。之后，由于降水粒子不断形成，在重力拖曳的作用下，上升气流开始减小至第20分钟，此时地面降水开始。随后上升气流又开始小幅增大，第2次增大过程时间较短，仅4 min。第24分钟开始最大上升气流开始减小，第60分钟后开始增大，6 min后减小。可见，上升速度经历了3次增大、减小的过程，且自第8分钟增大到18 m·s-1后直至第76分钟，一直在15 m·s-1以上，说明整个过程中对流能量很强盛，不断转换为上升运动，使得对流得以维持较长时间。下沉气流速度在第20分钟达到较大值19 m·s-1，随后又经历了减小—增大—减小—增大的波动过程，第40分钟下沉气流速度达到本次过程最大，为22 m·s-1，此时也是降雹最强的时刻，随后有所减小，但一直保持较大值，直至结束。这与雷达观测冰雹云经历了3次发展是比较一致的。
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| 图 7. 模拟的最大上升气流和下沉气流速度 Fig 7. The maximum of simulated updraft and downdraft | |
5 小结
1) LAPS由于其时空分辨率的优势，可以作为对流云模式初始场，以弥补探空资料时空分辨率的不足，LAPS为云模式提供了空间和时间分辨率更详细的大气层结分布信息和环境风场信息，能更好地模拟出山区午后的局地降雹。
2) LAPS输出场启动三维对流云模式模拟的冰雹云发生发展风场和回波强度变化特点、降雹与多普勒雷达和地面观测比较一致，冰雹云发展过程中低层风场辐合、高层辐散，降雹前回波强度和强回波区域及高度均迅速增大，利用LAPS启动云模式模拟和雷达观测相结合的方法可以提高冰雹预警的时效和准确率。
3) 应用临近时次的LAPS分析场作为云模式初始场的冰雹云数值模拟再现了冰雹云生命史中不同发展时期流场、垂直运动特点，且能够体现出生命史过程中多次增强这些细节，与多普勒雷达观测比较一致, 有利于人工防雹作业预警和催化方案的确定。
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