北京一次下?lián)舯┝鞯娜S數(shù)值模擬分析

李夢婕，申雙和，李雨鴻，陶蘇林

（1.南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇南京 210044；2.遼寧省氣象科學研究所，遼寧沈陽 110016）

北京一次下?lián)舯┝鞯娜S數(shù)值模擬分析

李夢婕1，申雙和1，李雨鴻2，陶蘇林1

（1.南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇南京 210044；2.遼寧省氣象科學研究所，遼寧沈陽 110016）

應用中尺度氣象數(shù)值模式WRF模擬再現(xiàn)了2001年8月23日北京時間14時至24日00時發(fā)生在北京密云縣附近的一次典型強對流風暴天氣，重點發(fā)掘并分析了密云水庫附近一次β中尺度下?lián)舯┝鞯男纬膳c演變過程。研究表明：（1）WRF模擬結(jié)果顯示該β中尺度下?lián)舯┝鞯纳跒? h左右，水平尺度約為20 km，其水平和垂直流場與下?lián)舯┝髁鲌龅睦碚摻Y(jié)構(gòu)基本一致，但輻散氣流流速在近地面層未能達到下?lián)舯┝鞫x的18 m/s；（2）模擬的下?lián)舯┝鳝h(huán)境場中擾動位溫、各水成物的比含水量與層結(jié)不穩(wěn)定性以及上升氣流的聯(lián)系緊密，并可推斷強下沉氣流主要由雨水粒子拖曳作用產(chǎn)生，較大的位溫擾動則加強了氣流上升運動，迫使暖濕氣塊更大程度抬升，進一步維持和發(fā)展下?lián)舯┝飨到y(tǒng)。

β中尺度下?lián)舯┝?；WRF模式；三維數(shù)值模擬；北京

下?lián)舯┝魇抢妆┨鞖庵袕娏业南鲁翚饬髅土易矒舻孛嫘纬傻牟⒀氐乇韨鞑サ臉O具突發(fā)性和破壞性的一種強風，其破壞范圍約為幾十米至幾百千米，可分為微尺度、中尺度和大尺度三類。下?lián)舯┝鞣譃棣轮谐叨认聯(lián)舯┝骱挺麓蟪叨认聯(lián)舯┝鲀深?，其中β中尺度下?lián)舯┝鞯乃椒秶鸀?0～100 km。在離地100 m高度上的下沉速度可達1～10 m/s，地面風速可達18 m/s以上[1]。因其具備很強的下沉氣流和強低空風切變，極易造成飛機墜毀、大樹連根拔起、輸電塔倒塌等惡性事故，造成巨大的生命與財產(chǎn)損失。

Fujita等[2]自20世紀70年代中期，利用飛機、多普勒天氣雷達監(jiān)測網(wǎng)對下?lián)舯┝鬟M行了系統(tǒng)的具有奠基性的研究。當然這種通過實地觀測進行的研究方式在實際研究中是受人力、物力等因素的制約的。折中的辦法是利用觀測結(jié)果研究形成機制，然后構(gòu)建數(shù)值模型進行模擬，再與實測對比獲得改進，理想的結(jié)果是最后的模型可用于下?lián)舯┝鞯哪M和預報。目前針對下?lián)舯┝鞯臄?shù)值模擬研究主要在兩個領(lǐng)域：一是風工程領(lǐng)域，二是氣象領(lǐng)域。在風工程領(lǐng)域，基于CFD方法的數(shù)值模擬在研究下?lián)舯┝鹘孛骘L場特征中得到積極應用。在氣象領(lǐng)域，基于下?lián)舯┝餍纬蓹C理構(gòu)建的微小尺度數(shù)值模式得到廣泛應用：Srivastawa應用一維不完全彈性云模式模擬了云下由降水的蒸發(fā)冷卻和降水拖曳作用引起的下?lián)舯┝?，Hjelmfelt等運用一個二維云模式模擬了產(chǎn)生微下?lián)舯┝鞯娘L暴云，Proctor則運用一個考慮了冰相微物理過程的軸對稱模式，通過水凝物從云頂降落模擬研究了微下?lián)舯┝鞯男纬蓹C制[3]。孔凡鈾等[4]利用美國丹佛探空資料結(jié)合二維面對稱微下?lián)舯┝鲾?shù)值模式分別對干、濕兩類微下?lián)舯┝骶€在云下的生成和演變過程進行了模擬實驗。模擬結(jié)果顯示，對濕微下?lián)舯┝骶€的模擬結(jié)果好于對干型的微下?lián)舯┝?。同時表明，微弱的穩(wěn)定層也會對干微下?lián)舯┝鞯膹姸犬a(chǎn)生削弱作用。郭學良等[5]利用三維冰雹云分檔模式對發(fā)生在東京的微下?lián)舯┝鬟M行了模擬研究，指出對于伴有強風暴的下?lián)舯┝鳎北⒌男纬蓪ζ湫纬蛇^程有重要作用。劉洪恩[6]使用非靜力全彈性γ中尺度模式研究了1997年7月22日發(fā)生在北京地區(qū)的下?lián)舯┝鳎赋鼋邓弦妨ο聯(lián)舯┝髌鹬鲗ё饔?。李健群[7]則利用WRF中尺度模式模擬了2007年發(fā)生在武漢的一個下?lián)舯┝鲗嵗M所得流場與實際下?lián)舯┝髁鲌鼋Y(jié)構(gòu)很接近，與實地調(diào)查結(jié)果基本吻合。

基于數(shù)值模式的下?lián)舯┝餮芯恐饾u成為下?lián)舯┝鞯闹髁餮芯拷嵌?，對深入揭示下?lián)舯┝鞯男纬蓹C制起到了極大的推動作用。也不可否認，目前的數(shù)值模式仍然存在很多缺陷，譬如基于CFD方法的數(shù)值模式與實際氣象場資料的結(jié)合并不完美，可模擬要素（溫度、氣壓等）比較局限，不易獲取。

相比而言，新一代中尺度數(shù)值天氣預報系統(tǒng)WRF則適用于米級直至幾千公里的模擬尺度，研究中可結(jié)合較易獲取的全球再分析資料對β中尺度下?lián)舯┝鬟M行模擬研究。本文意在通過WRF模式，得到具體的下?lián)舯┝靼l(fā)生的中心經(jīng)緯度、時間等信息，并通過對模式模擬的宏微物理過程進行分析，推測下沉氣流產(chǎn)生的原因，以及維持和發(fā)展下?lián)舯┝飨到y(tǒng)的主要因子。

1 研究方法及數(shù)據(jù)

圖1 研究區(qū)地理概況

受西北氣流和冷渦影響，2001年8月23日14時至24日00時北京出現(xiàn)強對流天氣，北京城區(qū)突降暴雨，部分地區(qū)還降了冰雹，并伴有6～8級以上的大風，致使部分公共設施被損壞，電力中斷等。本文應用中尺度氣象數(shù)值模式WRF模擬再現(xiàn)了這次發(fā)生在北京密云縣附近的一次典型強對流風暴天氣，重點發(fā)掘并分析了密云水庫附近的一次β中尺度下?lián)舯┝鞯男纬膳c演變過程。主要步驟：利用WRF模式模擬密云縣附近強對流風暴；基于GrADS 和Matlab提取密云水庫附近的下?lián)舯┝魉?、垂直速度矢量場，擾動位勢溫度場以及雨水混合比，分析下?lián)舯┝鞯男纬膳c演變過程。研究區(qū)概況見圖1。

研究中初始場數(shù)據(jù)是由美國國家環(huán)境預報中心（NCEP，NationalCentersforEnvironmental Prediction）提供的全球?qū)α鲗舆\行模式分析數(shù)據(jù)（下載地址http://dss.ucar.edu/datasets/ds083.2/），空間分辨率1°×1°，由24層等壓面數(shù)據(jù)組成。

2 WRF模式及參數(shù)設定

WRF模式是美國國家氣象研究中心（NCAR）、美國國家環(huán)境預測中心（NCEP）等多家機構(gòu)通力合作開發(fā)而成的。該模式提供了較MM5更完善的物理過程參數(shù)化、數(shù)據(jù)處理算法和資料同化系統(tǒng)，使得模擬更加精確和有效。

區(qū)域氣候模式針對各地區(qū)的適用性很強，但在不同地理區(qū)域模擬能力卻有所差異[8]。模式對模擬區(qū)域的選擇[9]、初邊值條件[10]、側(cè)邊界嵌套方案[11]及模式中一些主要物理過程參數(shù)化方案[12-13]（如積云對流參數(shù)化和陸面過程方案選擇）很敏感。本文參考李健群[7]基于WRF模式的數(shù)值模擬試驗設定了參數(shù)化方案：WSM3類簡單冰微物理過程方案、rrtm長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、Monin-Obukhov近地面層方案、熱量擴散方案、YSU邊界層方案以及淺對流Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案。模式中其他輸入?yún)?shù)見表1。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 天氣背景

用NCEP再分析資料繪制2001年8月23日北京時間（下文如不特殊指出均為北京時間）14:00時500 hPa與850 hPa的高空形勢圖（圖2、3）。從500 hPa形勢圖中可以看到北京密云地區(qū)（圖2、3實心點：40.10°N，116.50°E）及其北部大部地區(qū)正遭受強寒冷空氣控制，高緯地區(qū)冷空氣正源源不斷地向研究區(qū)輸送。相比之下，850 hPa環(huán)流形勢圖上更清晰地反映了低空溫度場、流場分布態(tài)勢，溫度場上（圖3紅線）一個準東西走向的暖舌正伸向研究區(qū)，配合南北在此交匯的流場形勢（圖3黑線），西南部暖濕氣流和北部冷氣流不斷向研究區(qū)輸送、匯合，形成對流不穩(wěn)定狀態(tài)，利于下?lián)舯┝鞯葘α餍蕴鞖獾漠a(chǎn)生和加強。

3.2 下?lián)舯┝魉剿俣仁噶繄?/p>

下?lián)舯┝鞯娘@著特征是近地面層產(chǎn)生的強輻散流場。圖4是研究區(qū)8月23日18:00近地面水平速度矢量場。圖中幾處氣流輻散區(qū)清晰可見，它們的水平尺度較大，可以判定為較大尺度下?lián)舯┝靼l(fā)生區(qū)，也就是說，此刻研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了下?lián)舯┝魅?。此外，研究區(qū)高緯地區(qū)出現(xiàn)了極明顯的、呈向四周輻散氣流，此處同時為速度的高值區(qū)，水平尺度在20 km左右，表明已經(jīng)出現(xiàn)β中尺度下?lián)舯┝飨到y(tǒng)且其中心大致在40.44°N，116.95°E位置。

圖2 2001年8月23日14:00北京上空500 hPa高度場、溫度場和流場，等高線（藍色，單位：gpm），等溫線（紅色，單位：℃），流場（黑色）

圖3 2001年8月23日14:00北京上空850 hPa高度場、溫度場和流場，等高線（藍色，單位：gpm），等溫線（紅色，單位：℃），流場（黑色）

圖4 18:00北京市密云地區(qū)近地面水平速度矢量場（單位：m/s）

圖4已經(jīng)可以較好的展現(xiàn)這次強風暴天氣系統(tǒng)的宏觀結(jié)構(gòu)，因此本文將研究區(qū)其中心位置控制在40.44°N，116.95°E位置，水平尺度30 km×30 km。

圖5～9是研究中重點模擬分析的β中尺度下?lián)舯┝餍纬杉把葑冞^程。

18:10 （圖5），近地面輻散特征明顯而且雙中心并存，分別在密云水庫西側(cè)40.49°N，116.86°E和40.48°N，116.93°E附近，該下?lián)舯┝鬟€處于爆發(fā)生成階段，水平尺度20 km左右，總體輻散氣流速度較小，但中心附近最大風速已達到6 m/s。

18:20 （圖6），雙中心合二為一，下?lián)舯┝髦饾u發(fā)展起來，且向東南方向也即密云水庫上空移動，中心位置大概在40.47°N，116.95°E，總體輻散氣流速度開始增加，下?lián)舯┝髦行闹車畲箫L速在7 m/s左右。

18:30 （圖7），下?lián)舯┝飨到y(tǒng)繼續(xù)向東南移動，得到進一步發(fā)展，中心處在40.44°N，116.97°E附近，中心周圍最大風速達到9 m/s。近地面輻散場近乎圓形，表明其結(jié)構(gòu)比較完整、典型。

18:40 （圖8），此時下?lián)舯┝靼l(fā)展到成熟階段，近地面流場輻散特征顯著，中心周圍最大風速為8 m/ s，中心位置較前一時刻仍然有所南移，大概在40.42°N，117.01°E位置。

18:50 （圖9），下?lián)舯┝骼^續(xù)南移至40.41°N，117.02°E附近，水平尺度有所減小，中心周圍最大水平速度減至5 m/s，表明下?lián)舯┝飨到y(tǒng)開始減弱。

19:00，原先近地面流場輻散特征明顯的下?lián)舯┝髟趫D上已經(jīng)體現(xiàn)不出來，下?lián)舯┝髦行囊矡o法準確判定，表明這個下?lián)舯┝飨到y(tǒng)已接近消亡，但原先較大尺度的下?lián)舯┝魅阂廊皇只钴S。

圖5 18:10水平速度矢量場（單位：m/s）

圖6 18:20水平速度矢量場（單位：m/s）

圖7 18:30水平速度矢量場（單位：m/s）

圖8 18:40水平速度矢量場（單位：m/s）

圖9 18:50水平速度矢量場（單位：m/s）

3.3 下?lián)舯┝鞔怪彼俣仁噶繄?/p>

下?lián)舯┝魉剿俣仁噶繄鰞H描述了下?lián)舯┝髟诮孛娴妮椛⑻卣饕约坝绊懛秶?，不利于深入理解下?lián)舯┝魃^程及結(jié)構(gòu)特征。圖10～14是跟隨下?lián)舯┝髦行膹?8:10—19:00每隔10 min提取的垂直速度矢量場。

18:10 40.48°N處（圖10），116.86°～116.96°E范圍內(nèi)出現(xiàn)了從800～1 000 hPa流速較大的下沉氣流，下沉速度的極大值為9 m/s。該下沉氣流觸地后輻散出流，形成地面大風。此外，兩個較強的氣流上升區(qū)分布在下沉氣流兩側(cè)，上升氣流從低層的1 000 hPa一直發(fā)展到700 hPa以上，整個對流得到充分發(fā)展。

18:20 40.46°N處（圖11），對流系統(tǒng)得到加強和鞏固：氣流下沉區(qū)迅速收縮同時貫穿1 000～800 hPa氣層，氣流觸地中心點在116.96°E附近，1 000 hPa有明顯的極小流速區(qū)（流速小于1 m/s），近地面水平尺度在20 km左右。較上一時刻，氣流下沉區(qū)后部上升氣流流速得到顯著加強，形成了自低層1 000 hPa至高層800 hPa較完整的氣流輻合上升區(qū)，區(qū)內(nèi)最大上升流速為7 m/s。

18:30 40.44°N處（圖12），下沉氣流跟上升氣流構(gòu)成完整、閉合的環(huán)流系統(tǒng)，主要位于1 000～900 hPa氣層間而且上升和下沉氣流流速均不大（2 m/s左右）。不過這種垂直氣流速度和水平尺度均不大的對流系統(tǒng)倒是對下?lián)舯┝飨到y(tǒng)起到了穩(wěn)定甚至加強作用，因為近地面的冷氣塊在對流系統(tǒng)作用下重新被抬升到一定高度降溫甚至凝結(jié)生成冰雹而后再次隨下沉氣流觸地。此外圖中可以發(fā)現(xiàn)116.97°～ 117.00°E范圍內(nèi)近地面氣流速度得到了加強，表明下?lián)舯┝鏖_始處于前部爆發(fā)階段，相應的在下?lián)舯┝髑安? 000～960 hPa氣層間出現(xiàn)了較弱的上升氣流。

圖10 18:10 40.48°N處垂直速度矢量場（單位：m/s）

圖11 18:20 40.46°N處垂直速度矢量場（單位：m/s）

圖12 18:30 40.44°N處垂直速度矢量場（單位：m/s）

圖13 18:40 40.43°N處垂直速度矢量場（單位：m/s）

18:40 40.43°N處（圖13），下?lián)舯┝髡w移動速度減慢，形成一個準靜止的下?lián)舯┝?，近地面水平尺度仍然維持在20 km左右，下?lián)舯┝髦行臍饬飨鲁羺^(qū)間同樣達到一個較大水平尺度。氣流下沉區(qū)后側(cè)的閉合對流系統(tǒng)氣流速度和結(jié)構(gòu)較上一時刻基本保持穩(wěn)定，倒是下沉氣流觸地后前后兩側(cè)均出現(xiàn)了高流速區(qū)，一個在116.93°～116.96°E范圍（最大流速為6 m/s），另一個在116.97°～117.20°E范圍（最大流速為7 m/s）。從整個垂直速度矢量場來看，此刻處于準靜止狀態(tài)的下?lián)舯┝髡幵诎l(fā)展過程中的鋪墊階段。

18:50 40.40°N處（圖14），垂直速度矢量場發(fā)生了較大的變化，氣流下沉區(qū)逐漸消亡，近地面輻散氣流流速也逐漸減小，比較明顯的是原來下?lián)舯┝髑皞?cè)的一個輻散氣流流速高值區(qū)已經(jīng)消亡了。而后側(cè)的輻散氣流流速高值區(qū)其最大速度較前一時刻顯然已經(jīng)減弱不少，但在之前一直保持穩(wěn)定、此刻仍然處在較穩(wěn)定狀態(tài)的閉合對流系統(tǒng)作用下仍有一定活力。此外，一個比較顯著的特點就是隨著下?lián)舯┝鞯南?，對流系統(tǒng)的頂部高度也開始降低下來，已經(jīng)到達880 hPa高度，該高度以上基本受背景流場控制。

圖14 18:50時刻40.40°N處垂直速度矢量場（單位：m/s）

19:00 40.38°N處，下沉氣流基本消失，意味著一直跟蹤研究的β中尺度下?lián)舯┝饕呀?jīng)消亡，930 hPa以上高空已經(jīng)處在背景流場控制之中，原先下?lián)舯┝骱髠?cè)比較穩(wěn)定的閉合對流系統(tǒng)也崩潰殆盡，近地層水平速度基本在1～2 m/s，可認為此次下?lián)舯┝鬟^程已經(jīng)完畢。

3.4 微物理過程分析

從云微物理學角度分析伴隨強風暴過程所產(chǎn)生的局地大風和強下?lián)舯┝鞯男纬蓹C理，可認為首先是由于雨水和冰雹粒子的拖曳作用觸發(fā)產(chǎn)生并由冰雹和雨水粒子的融化蒸發(fā)作用得到加強[14]。研究中沒有能夠獲取有關(guān)冰雹垂直分布數(shù)據(jù)，本文的微物理過程分析主要依據(jù)擾動位溫垂直分布、雨水比垂直分布、云水比垂直分布以及水汽比垂直分布數(shù)據(jù)進行。

圖15為18:40 40.43°N處擾動位溫垂直分布。圖中高層具備較大的位溫擾動量，800 hPa高度的位溫擾動在7～8 K之間，表明該處層結(jié)有較強的斜壓性，這種斜壓不穩(wěn)定會在下?lián)舯┝靼l(fā)展過程中增長更迅速，使等位溫線更快變密集，有利于下?lián)舯┝鞯倪M一步發(fā)展。此外也有尺度分析表明，在中β尺度，由位溫擾動所誘導的溫度和垂直速度擾動是有效的，而且淺的、寬的擾動比高的、窄的擾動更有效地誘導雨帶。如果一個位溫擾動所對應的溫度擾動為正，那么該位溫擾動將引起上升運動，反之亦然[15]。

圖15 18:40 40.43°N處擾動位溫垂直分布（單位：K）

圖16為18:40 40.43°N處雨水比垂直分布圖，雨水的分布主要集中在下?lián)舯┝髦小⑶安?，與氣流下沉區(qū)位置較吻合，雨水比高值主要在高層，最大值位于800 hPa左右，達到0.001 6 kg/kg，表明雨水粒子的拖曳作用對下?lián)舯┝鞯纳?、發(fā)展具有重要作用。

圖16 18:40 40.43°N處雨水比垂直分布圖（單位：kg/kg）

圖17為18:40 40.43°N處云水比垂直分布圖，云水比的極值中心主要位于上升氣流較大的位置，約為0.000 6 kg/kg，相對較小。圖18則是18:40時刻40.43°N處水汽比垂直分布圖，可以發(fā)現(xiàn)水汽比高值區(qū)主要位于最大上升氣流的下方，可達0.015 kg/kg。隨著這種較強上升運動，大量的水分凝結(jié)出來并釋放潛熱，使得云內(nèi)外溫差加大，上升氣流迅速加大促使云梯的不斷發(fā)展。

圖17 18:40 40.43°N處云水比垂直分布圖（單位：kg/kg）

圖18 18:40 40.43°N處水汽比垂直分布圖（單位：kg/kg）

4 結(jié)論

應用中尺度氣象數(shù)值模式WRF模擬再現(xiàn)了2001年8月23日午后至子夜發(fā)生在北京密云縣附近的一次典型強對流風暴天氣，重點發(fā)掘并分析了密云水庫附近一次β中尺度下?lián)舯┝鞯男纬膳c演變過程。研究所得結(jié)論主要包含兩方面：

（1）中尺度氣象數(shù)值模式WRF能夠較好模擬此下?lián)舯┝鞯陌l(fā)展過程。模擬結(jié)果顯示，該β中尺度下?lián)舯┝鞯纳跒? h左右，水平尺度約為20 km，其水平和垂直流場與下?lián)舯┝髁鲌龅睦碚摻Y(jié)構(gòu)基本一致，但輻散氣流流速在近地面層未能達到下?lián)舯┝鞫x的18 m/s。

（2）模式模擬的下?lián)舯┝鳝h(huán)境場中擾動位溫、各水成物的比含水量清晰反映了層結(jié)的不穩(wěn)定性以及上升氣流與各水成物比含水量的聯(lián)系。由此可以推斷強下沉氣流主要由雨水粒子拖曳作用產(chǎn)生，同時較大的位溫擾動加強了氣流上升運動，迫使暖濕氣塊更大程度地抬升，進一步維持和發(fā)展下?lián)舯┝飨到y(tǒng)。

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Three-Dimensional Numerical Simulation of a Downburst in Beijing

LI Mengjie1，SHEN Shuanghe1，LI Yuhong2，TAO Sulin2
（1.School of Applied Meteorology，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China；2.Liaoning Institute of Meteorological Science，Shengyang 110016，China）

A typical severe convective storm on August 23rd,2001 in Miyun District,Beijing was firstly simulated via the Weather Research and Forecasting（WRF）model and then the focus was taken on the extraction of a β meso-cale downburst near Miyun reservoir as well as the analysis on its evolution.The results showed as follows.（1）The horizontal and vertical stream structure of the downburst whose life was about 1 hour and horizontal scale was about 20km,was generally consistent with the theoretical structure of downburst while the divergent flow velocity near surface was slower than 18m/s,which did not meet the definition of downburst.（2）The perturbation potential temperature and water mixing ratio were highly interrelated with the instability of stratification profiles and updraft,and their relationship also confirmed that the downburst was primarily produced by rain loading and enhanced by the updraft motion caused by high perturbation potential temperature and the warm and damp mass.

β meso-scale downburst；WRF model；three-dimensional numerical simulation；Beijing

P435

B

1002-0799（2013）06-0022-08

10.3969/j.issn.1002-0799.2013.06.004

2013-07-08；

2013-09-09

國家自然基金項目（41271098）；2007年城市氣象科學研究基金（UMRF 200703）；江蘇省自然科學基金資助項目（BK2006227）；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程（PAPD）項目共同資助。

李夢婕(1988-)，女，碩士研究生，主要從事地形降水與城市氣象研究。E-mail：ys.mlittlej@gmail.com