1 引言
在全球氣候變暖的背景下，大氣中能量分布也發生了變化，海洋和大氣循環、大氣中溫度場分布出現了紊亂，使得天氣氣候變化規律被打亂，極端天氣變得越來越頻繁。2009 年 11 月，華北地區出現了有氣象記錄以來的特大暴雪天氣，據統計，9-13 日河北省共有 82 站出現 10 mm 以上的降雪，其中石家莊地區有 8 站超過 50 mm，石家莊測站降雪最多為 93.3 mm。受降雪天氣影響，石家莊大部、邢臺西部、邯鄲西部累計積雪深度超過 30 cm，石家莊市區積雪最深達 55 cm。據省民政部門統計，此次暴雪共致 328.4 萬人受災，直接經濟損失達 15.2743 億元。
這次極端天氣事件發生在 10 月下旬到 11 月上旬北半球環流指數明顯偏高，全國大部分地區異常偏暖的背景下，暴雪伴隨劇烈降溫天氣；10 月 30 日到 11 月 2 日，西風環流指數變化曲線處于低值區域。高空 500 hPa 圖上西伯利亞地區為一高壓脊，鄂霍次克海地區為低渦區并與南掉的極渦打通，鄂海低壓橫槽轉豎，東亞大槽建立，冷空氣沿槽后脊前偏北氣流大舉南下形成入秋以來最強冷空氣入侵中國北方地區，京津地區提前一個月出現降雪天氣。侯瑞欽等分析了本次暴雪的天氣成因，張迎新等使用 MM5 數值試驗結果分析了中小尺度地形對本次降雪的影響，吳偉等對本次暴雪過程進行數值模擬研究，診斷分析結果表明，700 hPa 西南低空急流對水汽的輸送使得華北地區成為很強的濕度區，為強降雪的發生提供了充足的水汽條件。由于低空輻合，高空輻散，導致上升運動加強以及低層正渦度中心的產生和維持，由此產生的垂直方向上水汽凝結是此次暴雪的形成機制。借助新型衛星 CloudSat 的星載云廓線雷達（CPR）資料對比分析模擬的雪水和冰水含量。但是對本次極端天氣過程微物理降水形成機制的研究還不多見，回流天氣是造成華北冬、春、秋季節較強降水的主要天氣類型，也是人工增雨作業的主要對象之一，研究本次暴雪的云微物理過程，對開發空中云水資源、提高極端天氣預報準確率都有積極意義。
本文利用ARPS中尺度模式，對本次暴雪過程進行三重嵌套單向模擬，以2009年11月11日00：00 UTC河北中南部 6 h 累積強降水中心為例，分析本次暴雪過程的云微物理降水形成機制。
2 模擬方案及模擬效果檢驗
2.1 模擬方案設計
利用修改后的高分辨率非靜力平衡 ARPS（Advanced Regional Prediction System）模式，利用美國國家環境預報中心（NCEP）逐 6 h 全球最終分析資料（FNL）與 Micaps 系統下全球地面資料和探空資料進行資料同化，做為初始場和邊界條件，進行三重嵌套細網格模擬，網格格距分別為 27、9 和 3 km，在 3 km模擬時關閉積云對流參數化方案，僅采用 Lin-Tao 顯式云微物理方案，輸出水凝物場及云中各種粒子源項微物理過程產生量和它們的時間、空間累積量等，這對研究云系微觀過程和降水機理有重要作用
本研究采用三重單向嵌套數值模擬，主要參數如下：
第一層 dtbig=30，中心（40°N，116.5°E），格距：27 km×27 km×500 m，格點：77×77×43第二層 dtbig=15，中心（38°N，116°E），格距：9 km×9 km×500 m，格點：177×157×43第三層 dtbig=8，中心（38°N，116°E），格距：3 km×3 km×500 m，格點：157×177×43其中第一層模擬區域包括整個天氣系統主要發展移動區域，第二層模擬區域包括整個華北地區，第三層模擬區域集中在河北省中南部地區，這種選擇有利于提高數值模擬效果。模擬時間為 2009 年 11 月 9 日0600 UTC 至 2009 年 11 月 11 日 0600 UTC，每 6 h 輸出一次模擬結果。
2.2 模擬效果檢驗
將模式模擬的風場與 NCEP/NCAR 全球最終分析資料（FNL）風場 U、V 分速度場強度進行對比檢驗（圖略）。2009 年 11 月 9 日 0600 UTC 河北中南部地面為負的 U 風速控制，中心達到-7 m/s，模擬的風場移動比實況較慢；9 日 1200 UTC-7 m/s 中心范圍增大并移動到天津、冀東一帶；9 日 1800 UTC -6 m/s 風速等值線斜穿過河北中南部，模擬結果與實況非常一致；10 日 0000 UTC 的模擬結果與實況非常一致，10日 0600 UTC～11 日 0000 UTC 模擬的 U 風速較實況偏弱，V 風速的對比分析類似，綜合分析表明，模式較好地模擬出河北中南部的風場。
將 2009 年 11 月 10 日 0000 UTC 模擬的云頂高度和雷達回波對比（圖 1），可以看出經過強降水中心的云頂高度在 8 km 以下，與雷達觀測情況基本一致。
將模擬的 6 小時累積降水量與觀測資料進行對比檢驗（圖略），呈現如下特點：模擬的降水落區較觀測值移動快，模擬的降水強度偏弱，10 日 1200 UTC 是 6 小時累積降水量最大的時次，強降水中心達到16 mm，但是模擬的強降水中心強度僅為 8 mm，說明普通的模擬方法對極端天氣過程的模擬效果較差，可調整模式初始水汽場和側邊界提高模擬準確率。圖 2 為 2009 年 11 月 11 日 0000 UTC 模擬的 6 小時累積降水量與觀測資料對比檢驗，圖中可見模式較好地模擬出了降水落區和強降水中心強度，選擇本時次 8 mm強降水中心（37°N，115°E），進行微物理降水形成機制研究。
3 強降水中心微物理降水形成機制分析
3.1 水汽場和溫度場垂直結構特征
沿 2009 年 11 月 11 日 0000 UTC 8mm 強降水中心（37°N，115°E），做經向剖面，分析水汽場和溫度場垂直結構。圖 3 可見水汽主要位于 8 km 高度以下，水汽含量自低層向高層逐漸減小，8 km 高度位于-35℃附近，零度層位于地面至 1 km 高度，云中過冷水汽含量豐富。
3.2 強降水中心微物理降水形成機制
3.2.1 冰晶形成機制
ARPS 模式 Lin-Tao 冰相微物理方案中冰晶的微物理增長過程包括：云水均質核化（pihom），云冰凝華增長同時消耗云水（pidw）和云冰初生（pint）。如圖 4 所示，云水均質核化峰值出現在 8 km 高度，溫度位于-35℃～-40℃，云冰產生后消耗云水凝華增長，非均質核化（pint）峰值約位于 6 km 高度。
3.2.2 雪形成機制
層狀云中冰晶在下落過程中長大成雪，ARPS 模式中雪的形成和增長主要有 9 個過程：冰晶向雪的自動轉化（psaut），冰晶通過貝吉龍過程凝華增長成雪（psfi）；云水通過貝吉龍過程凝華繁生形成雪（psfw）；冰晶接觸雨水轉化為雪（piacr）；雨水收集冰晶產生雪（praci）；雪的凝華增長（psdep）、雪收集冰晶增長（psaci）、雪撞凍雨水增長（psacr）和雪撞凍云水增長（psacw）。圖 5 為強降水中心點的雪形成機制，圖中可見，冰晶通過貝吉龍過程生長為雪和雪的凝華增長是雪形成的兩個重要微物理機制，貝吉龍過程的峰值位于 6 km 高度，雪凝華增長峰值位于 5 km 高度附近，貝吉龍過程和雪的凝華增長異?；钴S，峰值分別達到 250×10-5g·kg-1s-1和 430×10-5g·kg-1s-1。
3.2.3 霰形成機制
雪繼續生長會成為霰，ARPS 數值模式中考慮了 14 個霰的形成和增長微物理過程：冰晶接觸雨水使其成霰（piacr），雨水凍結為霰（pgfr），雪自動轉化為霰（pgaut），雨水收集云冰轉化成霰（praci），霰收集云冰干增長（dgaci）和濕增長（wgaci），霰撞凍云滴增長（dgacw），霰撞凍雨水干增長（dgacr）和濕增長（wgacr），雪撞凍云水使其成霰（psacr），霰收集雪增長（pgacs），霰收集雪干增長（dgacs）和濕增長（wgacs），雨水接觸雪使其成霰（pracs）。如圖 6 所示，霰收集雪干增長（dgacs）、雨水接觸雪使其成霰（pracs）和霰撞凍云滴增長（dgacw）是最主要的 3 種霰產生機制，霰收集雪干增長（dgacs）峰值位于 4～4.5 km 高度，雨水接觸雪使其成霰（pracs）峰值位于 2 km 高度附近，溫度位于-5℃附近，楊文霞等用雷達高顯資料觀測到冰相粒子尺度在 0～-5℃溫度區間快速增長①，數值試驗表明是由于較高溫度下雨水接觸雪使其成霰（pracs）微物理過程所致。
3.2.4 云水形成機制
冷云中冰相粒子的增長以消耗過冷云水和過冷水汽做為基礎，ARPS 模式 Lin-Tao 冰相微物理方案中云水微物理增長主要包括 2 個微物理過程：水汽凝結（蒸發）（cnd，＞0 時為凝結，＜0 時為蒸發）和冰晶融化（pimlt）。圖 7 為強降水中心的云水形成機制。云水產生的峰值位于 6 km 高度左右，與貝吉龍過程的峰值出現高度一致。
4 小結
云冰初生（pint）和云水均質核化（pihom）是本次暴雪過程產生冰晶的主要微物理機制，云水均質核化過程（pihom）峰值發生在 8 km 高度，溫度為-35℃～-40℃，云冰初生（pint）峰值約出現在 6 km 高度。
雪形成機制以冰晶通過貝吉龍過程生長為雪，雪通過凝華過程進一步增長為主，貝吉龍過程的峰值位于 6 km 高度，雪凝華增長峰值位于 5 km 高度附近。
霰收集雪干增長（dgacs）、雨水接觸雪使其成霰（pracs）和霰撞凍云滴增長（dgacw）是最主要的 3種霰產生機制，霰收集雪干增長（dgacs）峰值位于 4～4.5 km 高度，雨水接觸雪使其成霰（pracs）峰值位于 2 km 高度附近，游來光等用雷達高顯資料觀測到冰相粒子尺度在 0～-5℃溫度區間快速增長，數值試驗表明是由于較高溫度下雨水接觸雪使其成霰（pracs）微物理過程所致。
云水形成以水汽凝結為主，云水產生的峰值位于 6 km 高度左右，與冰晶貝吉龍過程的峰值出現高度一致。云中 6 km 高度水汽凝結產生豐富的過冷水，使貝吉龍過程和雪的凝華增長過程異?；钴S，是產生本次暴雪過程的原因之一。
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