朱好奇, 平凡, 谭桂容, 等. 2024. 一次北京冰雹形成的数值模拟及微物理机制研究[J]. 大气科学, 48(5): 1796−1816. ZHU Haoqi, PING Fan, TAN Guirong, et al. 2024. Numerical Simulation and the Microphysical Mechanism of Hail Formation in Beijing [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 48(5): 1796−1816.
DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2303.22123
关于北京地区的冰雹天气的研究多以多源观测资料分析为主，而冰雹的数值模拟研究较少。此外，因季节、天气背景和冰雹云个例之间的差异，有关冰雹形成的微物理数值模拟研究结果不完全相同。因此本文利用WRF中尺度数值模式模拟2021年6月25日发生在北京地区的一次冰雹天气，选择WRF模式WDM6方案（Double Moment 6-class scheme）作为本次研究的云微物理方案，此微物理方案可以明确地预测霰（软雹）或冰雹的混合比，在以往的研究中普遍用于冰雹或者强风暴的模拟，并取得了不错的模拟效果。
本文利用中尺度数值模式WRF模拟了2021年6月25日发生在北京地区的一次冰雹天气，主要分析了冰雹风暴的宏观特征，包括雷达反射率和降水，以及风暴的中尺度热力、动力特征。通过修改WRF程序代码，输出WDM6云微物理方案中微物理过程中间转化项，进而研究冰雹形成的微物理机制，最后综合天气形势和中尺度系统的演变，提出冰雹天气发生发展的概念模型。本文得到的结论如下：
图 ERA5再分析资料2021年6月25日00:00（协调世界时，下同）天气形势图：（a）200 hPa位势高度、温度和高空急流；（b）500 hPa位势高度、温度；（c）700 hPa位势高度、温度和低空急流；（d）850 hPa位势高度、温度和水汽通量。蓝星代表北京的位置。
（1）利用ERA5再分析资料、探空资料和风廓线雷达探究了此次北京地区冰雹天气的发生的天气背景和环境条件。500 hPa上内蒙古和东北交界处的闭合低涡及短波槽是制约北京地区局地强对流天气的直接影响系统。天气环境配置为：（i）中层的涡旋及其短波槽能够将中层的干冷空气直接侵入到暖湿气流中，直接造成不稳定能量的堆积；（ii）对流层高层北京位于高空急流的出口区，该处强辐散出流造成的抽吸作用是引发此次对流关键影响因子；（iii）中低层垂直风切变是维持本次强对流系统的重要机制。由上述分析可知，该天气环境配置有利于北京地区强对流天气的发生发展，但因其空间尺度范围小，这种局地的强对流的数值模拟和预报仍具有相当大的挑战性。
（2）从雷达回波组合反射率图来看，利用WRF模式基本上模拟出此次冰雹风暴的发生发展的三个阶段：多单体回波阶段、线状对流阶段和飑线阶段，但位置上略有偏差并且具有两个半小时的时间差。从对流系统的雷达反射率垂直剖面图来看，基本模拟出了冰雹风暴三个阶段的回波强度和发展高度，但是模拟的回波强中心的高度低于观测。从地面累积降水量来看，基本上模拟出了雨带的大致走向和落区，模拟的降水中心偏强，可能是由于分辨率引起的虚假的强降水中心。
图 2021年6月25日09:30公式（4）等号右端（a）纬向平流项、（b）经向平流项、（c）垂直平流项、（d）扰动气压梯度力、（e）水物质拖曳力项和（f）扰动干空气浮力项的垂直剖面，填色为垂直速度局地时间变化项。
（3）对三个阶段的对流系统作垂直剖面发现：高空两个正散度中心和低层两个负散度中心不断的合并加强，到了飑线阶段风暴低层强烈辐合、高层强烈辐散，因此三个阶段的垂直上升气流也依次增强。由垂直运动诊断方程可知，水凝物的拖曳力促进低层空气下沉，强上升气流可以将低层水汽向上输送凝结为云水或者凝华为雪和云冰粒子，支撑空中雹粒子的增长，促进云中水凝物的相互转化，吸收或释放大量潜热，形成了强的位温扰动中心，在相应位置产生强的浮力扰动进而又对垂直运动产生强迫作用。
（4）本次研究修改了WRF程序代码，输出微物理过程中间转化项，定量地分析此次冰雹天气过程中雹和雨水的源汇项和潜热收支情况。仅有少量的冰晶直接与雨水、云水发生撞冻作用形成雹粒子，而大量冰晶通过聚并作用形成雪粒子，以雪粒子作为雹胚在对流层中高层与雨水和云水发生撞冻作用形成雹粒子，雹通过撞冻雨水和云水继续增长。水汽被上升气流抬升以及与中高层流入的干冷空气相遇过程中凝结为云水和凝华为冰相粒子，释放大量潜热，导致云内浮力增强，促进云内气流强烈上升，将更多的水汽抬升凝结为云水或凝华为冰晶或雪，同时促进了雹粒子的生成和累积，因此存在更多雪粒子和雹粒子降落至融化层高度以下形成短时强降水。低层的雪和雹融化以及雨水的蒸发吸收大量潜热，导致融化层升高，因此飑线阶段形成过冷水累积中心与雪粒子进行撞冻作用形成更多的雹粒子，大雹粒子降落产生的更强的水物质拖曳力将促进低层下沉气流的增强。下沉运动导致低层雨水蒸发冷却，在近地面形成冷池，与高层的潜热加热相互作用，如此反复，形成热动力场与云微物理之间相互反馈的过程，产生降雹和强降水。
图 2021年6月25日北京冰雹的云微物理概念模型图。
由于本次研究缺乏对冰雹的尺寸、数浓度和落区的观测，无法与模拟结果进行对比。本次研究是基于WDM6云微物理方案对北京一次夏初的冰雹天气进行模拟，模拟的效果还有待改进，今后将从霰和雹粒子的下落末速度、云水凝结公式、气溶胶浓度等方面改进此微物理方案的模拟效果，并利用拉格朗日方法对雹粒子的运行增长模式进行追踪。本文提出的冰雹模型仅是针对这一次冰雹过程总结出来的，还需要更多的冰雹天气个例进行验证和支撑，特别是华北地区的冰雹天气发生是否具有相同的天气背景、中尺度和微物理特征还需要进一步的验证。
