080125南方低溫雨雪冰凍天氣持續(xù)降水的數(shù)值模擬

苗春生,趙瑜,2,王堅紅

(南京信息工程大學1.氣象臺;2.氣象災害省部共建教育部重點實驗室;3.大氣科學學院,江蘇南京 210044)

0 引言

2008年1月10日—2月2日,我國長江流域及以南地區(qū)發(fā)生了四次強烈的低溫雨雪冰凍天氣過程,這么大范圍持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣,就全國范圍而言屬于50 a一遇,部分地區(qū)達百年一遇。這次過程給湖南、湖北、安徽、江西、廣西、貴州等省造成重大災害,據(jù)民政部救災救濟司統(tǒng)計受災人口達1億多,直接經(jīng)濟損失達到了500多億元。特別對春運期間的交通運輸、能源供應、電力傳輸、通訊設施、農(nóng)業(yè)及人民群眾生活造成嚴重影響和損失[1-4]。目前已經(jīng)有一些專家對這一次災害天氣過程進行了分析和研究。李崇銀等[5]指出,這次持續(xù)嚴重雨雪冰凍天氣的發(fā)生與多個環(huán)流系統(tǒng)的異常有關,而且更為重要的是它們的異常形成了某種形式的配合,即組合性異常,導致了這次極端天氣氣候災害發(fā)生。宮德吉和李彰俊[6]研究認為,低空偏南急流對暴雪過程起傳輸暖濕水汽、制造上升運動、產(chǎn)生不穩(wěn)定發(fā)展條件等作用。張小玲和程麟生[7-8]、鄧遠平等[9]、王文和程麟生[10-11]對“96·1”暴雪的中尺度切變線的發(fā)生、發(fā)展和結構演變特征進行了研究,認為切變線、條件對稱不穩(wěn)定是“96·1”暴雪發(fā)生和發(fā)展的一種動力機制。楊成芳等[12]認為在特殊的地形條件下,多普勒雷達對冷性降雪具有較強的預報能力。朱愛民和壽紹文[13]對發(fā)生在長江中下游地區(qū)的“84·1”暴雪過程進行分析,認為冷暖空氣在長江中下游地區(qū)交匯、對流層中低層存在正渦度區(qū)以及高低空急流、水汽輸送是這次暴雪發(fā)生的必要條件。楊柳等[14]指出,低空急流對江淮暴雪具有很好的指示作用。崔晶等[15]研究2005年12月威海暴雪發(fā)現(xiàn)山東半島地形抬升以及北岸海陸風與環(huán)境風輻合,導致不穩(wěn)定能量釋放形成連續(xù)性暴雪。這一次冰凍災害主要發(fā)生在南方一些地區(qū),它的特點是一些雪花在降落的空中變?yōu)橐簯B(tài)水,落到電線、公路上后遇冷空氣結成冰,引發(fā)了災害的發(fā)生。造成這次災害的中尺度動力機制如何?這次異常天氣形勢下的物理量場如何變化?就這些問題本文將利用WRF中尺度模式對1月25—29日的冰雪天氣過程進行模擬,探討這次過程的中尺度動力學機制和熱力學條件,為南方冰雪天氣預報提供依據(jù)。

1 天氣實況及背景分析

1.1 低溫雨雪冰凍天氣概況

1月25—29日受冷空氣、南支槽、切變線、高原槽的影響,河南南部、湖北東部、安徽、江蘇和浙江北部出現(xiàn)暴雪,江西、貴州和湖南部分地區(qū)出現(xiàn)或維持凍雨,廣西東南部、廣東和福建部分地區(qū)出現(xiàn)中到大雨。這次過程降溫明顯,江南、華南及西北大部地區(qū)過程最大降溫幅度達10～20℃,華南西北部超過20℃。江淮等地出現(xiàn)了30～50 cm的積雪,浙江暴雪是1984年以來最強的一次,安徽和江蘇的部分地區(qū)積雪深度創(chuàng)近50 a極值,華南大部和云南出現(xiàn)了10～100 mm的降水。冰凍災害中,貴州、湖南的電線結冰直徑達到30～60 mm,為歷史同期所罕見。

1.2 環(huán)流形勢分析

由圖1a可以看出,這次過程中北半球極渦為偶極型分布,較常年同期偏強。從500 hPa平均環(huán)流形勢特征來看,中高緯度歐亞地區(qū)大氣環(huán)流呈西高東低分布,歐亞阻塞高壓穩(wěn)定維持,在蒙古存在一個橫槽,低緯度地區(qū)孟加拉灣南支槽活躍,我國南方地區(qū)處于槽前(圖1b)。西太平洋副熱帶高壓較常年明顯偏強,西伸顯著,脊線位置異常偏北。由850 hPa平均風場(圖1c)來看,長江流域地區(qū)低層盛行偏北氣流,區(qū)域以南為偏南風,該區(qū)域穩(wěn)定存在著東西向的切變線。從地面氣壓場(圖1d)來看,25日12時(世界時,下同)在長江流域以南地區(qū)存在冷鋒南壓,并在湖南、江西一帶擺動和維持。高空孟加拉灣南支槽槽前及副高邊緣輸送的暖濕氣流在低層淺薄冷空氣上形成大范圍云雨區(qū),導致了強降水(雪)發(fā)生。

2 數(shù)值模擬方案設計及效果檢驗

2.1 數(shù)值模擬方案設計

利用NCAR、NCEP等多個部門共同研發(fā)的WRF2.2中尺度數(shù)值模式對這一次南方暴雪冰凍過程進行模擬,模式采用完全可壓縮非靜力方程,選用歐拉質量坐標和Runge-Kutta3階時間積分方案。模式采用兩重雙向嵌套網(wǎng)格,粗細網(wǎng)格中心均為(108°E,32°N),粗網(wǎng)格范圍覆蓋了模擬時段內的主要天氣系統(tǒng),水平格點數(shù)為130×130,格距為45 km,細網(wǎng)格水平格點數(shù)為181×181,格距為15 km。垂直方向層數(shù)為28層,模式頂層氣壓為50 hPa。模式的初始場和側邊界條件模式均采用NECP每6 h一次的全球再分析資料(水平分辨率為1°×1°)。模式的積分步長為90 s。粗網(wǎng)格模擬積分時間長度為120 h,從2008年1月24日12時—29日12時;細網(wǎng)格模擬積分時間長度為108 h,從2008年1月25日00時—29日12時。粗細網(wǎng)格的模擬每2 h輸出一次結果。在模式物理過程和參數(shù)化選擇上,粗網(wǎng)格云微物理過程選用WS M5[16]類微物理方案,細網(wǎng)格云微物理過程選用Ferrier[17](new Eta)微物理方案;粗細網(wǎng)格長波輻射均采用RRT M方案,短波輻射均采用RRT M方案,每分鐘調用一次輻射過程;陸面過程方案采用熱量擴散方案;邊界層采用YSU方案,每個時間步長都調用邊界層物理方案;積云對流采用Kain-Fritsch方案,每5 min調用一次。

圖1 1月25日00時—29日12時500 hPa高度距平場(a;gpm)、500 hPa平均位勢高度場和溫度場(b;實線為高度場,gpm;虛線為溫度場,℃)、850 hPa平均風場(c;m/s)以及25日12時地面氣壓場(d;hPa)Fig.1 (a)500 hPa geopotential height anomaly(solid line:positive;dash line:negative;gpm)field,(b)500 hPa geopotential height(solid line;gpm)and temperature(dash line;℃)fields,and(c)850 hPa wind(m/s)field,averaged over 0000 UTC 25th—1200 UTC 29th January,and(d)surface pressure(hPa)field at 1200 UTC 25th January

2.2 模擬效果檢驗

2.2.1 降水模擬與實況對比

圖2a為1月25日00時—29日12時的M ICAPS降水實況。由圖2a可看出,雨帶位于我國南方的大部分地區(qū),其中強降水中心位于廣西廣東的交界處以及廣西廣東和湖南交界處,最大值達到100 mm。雨區(qū)基本呈西南—東北走向的帶狀分布。圖2b為模式模擬細網(wǎng)格108 h累積降水量,與M ICAPS實況降水量相比,模擬的降水區(qū)域范圍比實際稍微大一些,但是模擬出的中心降雨帶與實況的較為一致,均呈現(xiàn)西南—東北走向的帶狀分布,模擬的最大值降水量與實況一致,由此可見這一次模擬基本再現(xiàn)了實際降水情況,模擬結果還是令人滿意的。

2.2.2 流場模擬與實況對比

圖2c和圖2d分別為1月28日12時850 hPa實況和模擬流場,可以看出它們均存在一條很強的呈東西向的切變線橫穿湖南廣西交界、江西南部、浙江南部,切變線以南吹西南風,以北吹西北風。模擬和實況對比來看,切變線的位置和強度是一致的,實況比模擬的流線稍密些。但這次模擬的流場基本能夠反映出實況的流場,模擬還是比較成功的。

3 WRF模擬結果診斷分析

3.1 低空急流和水汽條件分析

圖2 1月25日00時—29日12時M ICAPS實況降水量(a;mm)、細網(wǎng)格累積降水量(b;mm)和1月28日12時850 hPa實況流場(c;m/s)、模擬流場(d;m/s)Fig.2 (a)M I CAPS observed and(b)simulated cumulative precipitation(mm)from 0000 UTC 25th to 1200 UTC 29th January,and(c)observed and(d)s imulated 850 hPa streamline fields(m/s)at 1200 UTC 28th January

急流不僅能帶來水汽而且會造成大氣不穩(wěn)定,促進強對流天氣。圖3a可看到,在這次暴雪過程中,高層200 hPa高空急流中心位于長江中下游地區(qū),急流核呈帶狀穩(wěn)定地維持在28～34°N,110～124°E,中心風速達65 m/s。低空700 hPa急流中心位于27～29°N,110～124°E,中心風速達25 m/s以上。低空急流位于高空急流中心的西南側,與高空急流帶近似于平行,這是一次典型的高低空急流耦合形勢。Uccellini和Johnson[18]指出高空急流引起低空急流的發(fā)生,并與高空急流相交叉。Sun和Ogura[19]、壽紹文等[20]分析了一個冷鋒二維特征模式,指出低空急流輸送暖濕氣流,高空急流則造成干冷空氣平流,從而加強大氣潛在不穩(wěn)定,而且高低空急流耦合產(chǎn)生的次級環(huán)流上升支將觸發(fā)潛在不穩(wěn)定能量的釋放。而陳秋士[21]指出在我國長江流域發(fā)生暴雨時,低空急流大都位于高空急流入口區(qū)的南面,和高空急流近于平行,暴雨區(qū)一般位于高空急流的入口處以南和低空急流出口區(qū)以北的地區(qū)。這一次冰雪過程低空急流軸與高空急流軸近乎平行,低空急流與高空急流分別處于2個獨立次級環(huán)流中,其上升支重合在一起,低空急流上升支位于低空急流左側,降水中心帶位置與分析基本吻合(圖略)。由此可見,長江中下游地區(qū)及以南地區(qū)長時間存在著高低空急流的耦合是這次冰凍災害的重要原因之一。

圖3 1月25日00時—29日12時200 hPa和700 hPa全風速(a;m/s;實線:200 hPa;陰影:700 hPa上大于20 m/s)、700 hPa水汽通量矢量和水汽通量散度(b;10-6g·cm-2·hPa·s-1)以及相對濕度沿112°E的經(jīng)向垂直剖面(c;%)Fig.3 (a)200 hPa wind speed(solid contours;m/s)overlaid with 700 hPa wind speed(shaded areas:>20 m/s),(b)700 hPa moisture flux vectors and divergence(10-6g·cm-2·hPa·s-1),and(c)latitude-height cross-section of relative humidity(%)along 112°E,averaged over 0000 UTC 25th—1200 UTC 29th January

水汽的輸送是強降水的必要條件,由700 hPa相對濕度場(圖略)來看,從廣西盆地到浙閩丘陵地區(qū)這區(qū)域的相對濕度達到90%以上;從平均相對濕度沿112°E經(jīng)向垂直剖面(圖3c)來看,在南方低緯度地區(qū)的近地面層相對濕度達到了90%以上,特別在降水中心濕度高值區(qū)延伸到700 hPa左右,由此可見這次過程南方充足的水汽為降水提供了有利條件。降水的發(fā)生不但要有充足的水汽,而且強烈的水汽輻合也是很重要的。圖3b為700 hPa平均水汽通量矢量和水汽通量散度,水汽通量散度正好能反映出水汽的輻合情況,由圖可見水汽通量散度高值區(qū)呈東西帶狀分布,分布在華南一帶及長江以南地區(qū),非常有利強降水發(fā)生。由此可見,充足的水汽條件為這一次低溫雨雪冰凍天氣創(chuàng)造了有利條件。

3.2 動力條件

由1月25日00時—29日12時平均850 hPa散度場(圖4a),在廣東、福建、江西、廣西存在明顯的輻合區(qū)。高層200 hPa散度場(圖4b),在貴州、湖南、廣西、江西形成很強的輻散中心,和這次降水過程是吻合的。高層輻散低層輻合是對流系統(tǒng)的特征,而且高層強的輻散起到抽吸的作用,促進了低層氣流的輻合,使對流系統(tǒng)進一步增強。從暴雪中心(112°E,24°N)渦度隨高度的變化(圖4c)可知,25日08時—10時,950～300 hPa為正渦度,最大值為15×10-5s-1。28日00時—29日00時產(chǎn)生了正的渦度柱,從1 000～400 hPa均為正的渦度,最大渦度值25×10-5s-1位于700 hPa。

圖4d為垂直速度的剖面。與散度場相對應,由圖4d可以看出,在24～26°N氣流一直存在著明顯的上升運動,其中在300 hPa高度垂直速度最大,達到了0.1 m/s,氣流上升區(qū)域跟降水區(qū)域相一致,它們的南北兩側為下沉氣流,其中南側的下沉運動最強,與最大上升運動區(qū)構成了一個強的中尺度垂直環(huán)流,為強降水天氣的發(fā)生提供動力機制。

圖4 1月25日00時—29日12時850 hPa(a)、200 hPa(b)散度場(10-5s-1)和(112°E,24°N)渦度(c;10-5s-1)的時空演變以及w沿112°E經(jīng)向垂直剖面(d;cm/s;陰影表示地形)Fig.4 (a)850 hPa and(b)200 hPa divergence(10-5s-1)fields averaged over 0000 UTC 25th—1200 UTC 29th January,(c)spatiotemporal evolution of vorticity(10-5s-1)at the surface precipitation center(24°N,112°E),and(d)Latitude-height cross-section of vertical velocity(cm/s)along 112°E(The shaded area over the abscissa represents the terrain)

綜上所述,由于低空輻合、高空輻散,導致上升運動的加強以及正渦度的維持,垂直方向水汽場與垂直速度場耦合以及水平方向上氣流輻合是這次降水的形成機制。

3.3 熱力條件

通常采用計算各類穩(wěn)定度指數(shù)的方法來診斷大氣中穩(wěn)定度。這類指數(shù)的種類較多,其側重點各有不同。本文使用表征大氣熱力穩(wěn)定度的A指數(shù)[22](氣團指數(shù)):

式中:T850和T500分別表示850hPa和500hPa溫度。A表示除了溫度垂直變化外,還都包含大氣中、低層的濕度條件與飽和程度。A指數(shù)值越大,表示大氣層結越不穩(wěn)定和越潮濕。由25日00時—29日12時平均A指數(shù)分布(圖略)可見,A指數(shù)最大值達到12℃以上,強A指數(shù)中心呈東西向帶狀分布,覆蓋了廣西、廣東、湖南、江西、福建等地,其中最大值分布在廣西東北部、湖南南部、廣東北部、江西南部、福建,這區(qū)域正是強降水中心,也是災害最嚴重的地區(qū)。

3.4 干侵入

干空氣侵入(dry intrusion)是指從對流層頂附近下沉到低層的干空氣,它可以由高位勢渦度(PV)和低相對濕度(RH)兩個特征來表征,其具有低濕和高位渦的特點。Spencer和Stensrud[23]對干冷空氣在暴雨發(fā)展中的作用進行數(shù)值模擬,分析表明考慮干冷空氣作用的滯后下曳氣流對流參數(shù)化方案能夠更好地模擬出暴雨過程,說明干冷空氣在暴雨發(fā)展中所起的作用。姚秀萍和于玉斌[24]對梅雨期暴雨過程干侵入進行研究,得出干侵入使得暴雨產(chǎn)生和發(fā)展,有利于干層的形成和維持,干層的存在加強了暴雨過程的對流不穩(wěn)定。本文所用的位勢渦度(PV)指等壓面上的干位渦。25—29日期間降水存在兩個峰值,分別發(fā)生為25日10時和28日23時,其中28日這次降水明顯存在著干侵入的現(xiàn)象。27日14時(圖5a),在32～40°N上空300hPa明顯存在著高值位渦區(qū),最高值達到5×10-6m2·K·s-1·kg-1,相對濕度小于40%,分布呈漏斗狀,為干侵入的源頭;約為1×10-6m2·K·s-1·kg-1位渦帶不斷地從位渦中心的高值位渦庫分裂出來,并沿等RH密集帶上向降水區(qū)上空傳播,干空氣也伸展到了500 hPa的高度。28日14時(圖5b)下傳的位渦高值已經(jīng)到達了降水中心區(qū)上空900hPa左右,而干空氣也向下傳播到600hPa,向南到了28°N。29日10時(圖5c)高位渦中心分裂出來的高位渦帶向南到達24°N,并在900hPa高度維持,位渦帶的中心值為1×10-6m2·K·s-1·kg-1,同時干空氣也侵入到700 hPa附近低空,此時降水達到了高峰值。

圖5 相對濕度(虛線;%)和位勢渦度(實線;10-6m2·K·s-1·kg-1)沿112°E經(jīng)向高度剖面(陰影表示地形) a.1月27日14時;b.1月28日14時;c.1月29日00時Fig.5 Latitude-height cross-section of relative humidity(dash line;%)and potential vorticity(solid line;10-6m2·s-1·K·kg-1)along112°E at(a)1400U TC27th,(b)1400 UTC28th,and(c)0000U TC29th January(The shaded area over the abscissa represents the terrain)

25日12時(圖6a)來自南海的暖濕水汽與來自北方的干冷空氣在高值位渦區(qū)形成一個順時針渦旋,29日00時(圖6b)來自孟加拉灣的暖濕水汽與北方的干冷空氣在高值位渦區(qū)形成了一條東西向的切變線。而這些區(qū)域正好是暖空氣北上,高位渦冷空氣南下天氣現(xiàn)象極為明顯的區(qū)域對應著降雨區(qū)。從位渦和降水時間演變(圖7)來看,位渦與降水有很好的對應關系,都存在著兩個峰值,25日00時位渦值為0.3×10-6m2·K·s-1·kg-1,開始降水,隨位渦值上升,降水也加大,位渦到10時左右達到了極值,降水隨后也到了峰值,以后同時下降,到28日12時后位渦明顯增加并達到了另外一個峰值,相應降水在28日23時也達到了另一個峰值。

圖6 1月25日12時(a)和1月29日00時(b)500hPa干位渦(10-6m2·K·s-1·kg-1)和850hPa風場(m/s)分布Fig.6 500hPa potential vorticity(10-6m2·K·s-1·kg-1)overlaid w ith850hPa w ind(m/s)field at(a)1200U TC25th and(b)0000UTC29th January

圖7 1月25日00時—29日12時降水中心(112°E,24°N)的位渦(a;10-6m2·K·s-1·kg-1)和降水(b;mm)的時間演變Fig.7 Temporal evolution of(a)the potential vorticity(10-6m2·K·s-1·kg-1)and(b)precipitation(mm)at the center of surface precipitation(24°N,112°E)during0000UTC25th—1200U TC29th January

4 結論

(1)1月25—29日長江中下游地區(qū)及以南地區(qū)長時間存在著高低空急流的耦合形勢,產(chǎn)生次級環(huán)流,導致強對流發(fā)生和維持,是這次雨雪天氣發(fā)生發(fā)展的重要原因之一。

(2)低空急流不斷向長江中下游地區(qū)及以南地區(qū)輸送暖濕水汽,并使這地區(qū)的中低層濕度很大,低層的水汽輻合促進強降水的發(fā)生,穩(wěn)定的水汽輸送為這一次低溫雨雪冰凍天氣維持創(chuàng)造了有利條件。

(3)高空強的輻散起到抽吸的作用,促進低層輻合,導致上升運動的加強以及正渦度的維持,是這次強降水的成因之一。

(4)大氣層結不穩(wěn)定和空氣潮濕,促進了長江中下游地區(qū)及以南地區(qū)強降水的發(fā)生。由于極渦偏強促使冷空氣南下,地面溫度低使雨水結成冰導致災害發(fā)生。

(5)雨雪冰凍過程中存在明顯的干侵入,降水區(qū)北側對流層高層高位渦干冷空氣沿等相對濕度線密集帶侵入低層,并促使雨區(qū)低層位渦中心迅速增大,促進強降水發(fā)生。位渦和降水有很好的對應關系,這為降水預報有很好的指示意義。

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