浙北地區(qū)一次颮線天氣的數(shù)值模擬分析

陶俞鋒

(中國民用航空寧波空中交通管理站，浙江 寧波 315000)

浙北地區(qū)一次颮線天氣的數(shù)值模擬分析

陶俞鋒

(中國民用航空寧波空中交通管理站，浙江 寧波 315000)

利用NCEP1°×1°的再分析資料對2014年3月29日發(fā)生在浙北地區(qū)的一次颮線天氣過程進行診斷分析，并用中尺度數(shù)值模式WRF3.2.1對該過程進行數(shù)值模擬。結果表明,高空槽、低層冷渦和地面氣旋為這次颮線天氣的主要影響系統(tǒng)；K指數(shù)和θse等值線反映了浙北地區(qū)大氣層結的不穩(wěn)定性。此外，WRF模式基本上能模擬出本次颮線過程的中β尺度結構特征。數(shù)值模擬結果顯示，低層正渦度，高層負渦度的配置有利于強對流的產(chǎn)生和發(fā)展；850 hPa的流場特征能夠很好地分析出颮線系統(tǒng)經(jīng)歷發(fā)生、發(fā)展到消亡的演變過程。

颮線；中β尺度；WRF模式

0 引 言

颮線是一種中小尺度天氣系統(tǒng)，是在有利的條件下發(fā)展起來的雷暴云，由許多個雷暴單體(其中包括若干超級單體)側向排列而形成的強對流云帶[1]，一般長約幾十至幾百千米，寬約幾十至二百千米，時間可持續(xù)幾小時至十幾小時。沿著颮線可出現(xiàn)雷暴、暴雨、大風、冰雹和龍卷等劇烈的天氣現(xiàn)象，是一種很具有破壞力的嚴重災害性天氣。

近年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬試驗已成為研究颮線的重要手段。國外已廣泛地開展了颮線的數(shù)值模擬試驗，取得了一定的科研成果[2-3]，國內(nèi)在這方面也做了一些有益的研究[4-6]。由于颮線是中β尺度強對流天氣系統(tǒng)，形成、發(fā)展非常迅速，在時空上難以為常規(guī)氣象觀測網(wǎng)所識別，受高時空分辨率觀測資料的制約，目前國內(nèi)颮線數(shù)值模擬試驗工作尚不多見。本文采用高分辨率中尺度模式WRF3.2.1對2014年3月29日浙北地區(qū)一次颮線過程進行數(shù)值模擬，并利用模擬結果對颮線過程進行診斷分析，探討其觸發(fā)和維持的機制。

1 天氣概況及環(huán)流背景

2014年3月29日，受高空槽東移，低層和地面低渦南壓影響，下午14時(北京時，下同)至晚上19時一次颮線天氣自西北向東南影響浙江北部地區(qū)，颮線的移動速度較快，所經(jīng)過的地方均出現(xiàn)了不同程度的強對流天氣。從寧波機場自觀系統(tǒng)(AWOS)上氣象要素顯示可見，氣壓16—17時踴升，升幅達3 hPa；氣溫16—17時驟降5℃；風向風速變化也很劇烈，風向由之前的VRB(風向不定)轉(zhuǎn)為西北風，風速急增，平均風由2 m/s變?yōu)?3 m/s，且陣風為22 m/s。此次颮線過程，在雷達回波圖上呈明顯的弓狀形態(tài)，總長度超過300 km，并伴隨雷暴和冰雹等劇烈天氣現(xiàn)象。

這次颮線過程發(fā)生的大尺度環(huán)流背景是，從3月29日08時的圖來看，500 hPa上(圖1a)整個大氣環(huán)流呈一槽一脊型，其中在華東地區(qū)的高空槽比較深，以徑向環(huán)流為主，V風分量偏大，西北氣流強盛，風速大于20 m/s，同時從溫度場上看，溫度槽是落后于高度槽；700 hPa上南支西風槽加強東移；850 hPa形勢場上(圖1b)，江浙皖一帶為閉合的低壓中心，且在其后部有分散的暖中心與之配合，形成一個熱低壓，溫度垂直分布上有不穩(wěn)定層結。另外，在近地層江浙地區(qū)有明顯的氣旋輻合，導致強烈的抬升運動并觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，從而產(chǎn)生強對流性天氣。

(實線為等高線，單位：dagpm；虛線為等溫線，單位：℃；棕色線為500 hPa槽線)圖1 2014年3月29日08時500 hPa(a)、850 hPa(b)高度場和溫度場

2 對流條件分析

2.1 水汽條件

分析3月29日08時950 hPa上的比濕(圖2a)可知，颮線天氣發(fā)生前，在浙江中部和福建北部分別有中心值為10 g·kg-1和12 g·kg-1的高比濕中心，遠遠高于同緯度的其他地區(qū)。在安徽中部和江蘇南部一帶，比濕等值線分布相對比較密集，也即濕度梯度大的地方，被稱作“干線”。在干線附近有明顯的風場輻合，極易形成中小尺度垂直環(huán)流，地面干線附近是雷暴和颮線的高發(fā)區(qū)。另外，從850 hPa風場矢量及水汽通量圖上(圖2b)可以看到，水汽通量的大值中心區(qū)基本分布在沿海洋面上，呈西南—東北分布，與風場走向基本一致。同時在浙北地區(qū)水汽通量場分布相對密集，表明受北方冷空氣影響，西南暖濕氣流在該地區(qū)逐漸累積，形成深厚的高濕氣層，為強對流的發(fā)展創(chuàng)造了水汽條件。

2.2K指數(shù)及假相當位溫

中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生的必要條件是大氣層結的不穩(wěn)定。K指數(shù)是綜合了垂直溫度梯度、低層水汽含量和濕層厚度的一個物理量。利用3月29日08—14時K指數(shù)場和假相當位溫場資料，對這次颮線天氣的大氣層結穩(wěn)定度和大氣不穩(wěn)定能量進行分析。從圖3a中可以看出，08時在江浙皖交界處出現(xiàn)一K值大于36℃的閉合高中心，說明已具備發(fā)生對流性天氣的不穩(wěn)定層結；到了14時(圖略)，隨高空引導氣流作用下，此高中心值已位于浙北地區(qū)，而江浙皖一帶的K值小于25 ℃，層結趨于穩(wěn)定。分析沿121.5°E的假相當位溫(θse)場垂直剖面可知，29日14時(圖3b)，在28°N～32°N之間θse最低值為324 K以下，出現(xiàn)在500 hPa附近，500 hPa層以上θse增大，層結穩(wěn)定，500 hPa層以下θse也增大，到近地面層θse基本在334 K左右，表明大氣處于上干冷、下暖濕的對流不穩(wěn)定層結狀態(tài)。同時可以看出在30°N～32°N附近θse線有傾斜現(xiàn)象，特別是在低層θse線基本與等壓面垂直，對流不穩(wěn)定度呈中性，說明對流層低層的對流穩(wěn)定度很小，由濕斜壓渦度發(fā)展理論[7]，當具有較高濕位渦值得冷空氣向下入侵時，極易造成暴雨天氣。

圖3 2014年3月29日08時K指數(shù)圖(a)(單位：℃)和14時沿121.5°E的假相當位溫(θse)垂直剖面圖(b)(單位：K)

3 WRF模式數(shù)值模擬分析

3.1 資料及試驗方案

文中采用中尺度數(shù)值模式WRF3.2.1，對2014年3月29日浙北地區(qū)強颮線過程進行了數(shù)值模擬。模式使用NCEP提供的水平分辨率為1°×1°的再分析資料作為初始場。在模式中采用了雙重嵌套方案，模擬區(qū)域的中心位置為(30°N，121.5°E)，粗網(wǎng)格格點數(shù)為100×90，格距27 km，細網(wǎng)格格點數(shù)為91×91，格距為9 km。垂直方向為30個σ層，積分時間由2014年3月29日08時到30日02時，時間步長為180 s，每1 h輸出一次模擬結果。

WRF模式所選用的物理過程參數(shù)為：LIN云微物理過程方案；RRTM長波輻射方案，Dudhia短波輻射方案，每10 min調(diào)用一次輻射過程；積云對流采用Kain-Fritsch方案，每5 min調(diào)用一次。

3.2 渦度和散度模擬分析

這次強颮線過程發(fā)生在非常有利的天氣形勢背景下，從地面到中高層500 hPa的形勢配置都有利于強對流的發(fā)生發(fā)展。3月29日08時，地面低渦南壓至江浙皖一帶，開始影響浙江北部地區(qū)。由于低渦的抬升作用明顯，低層為輻合上升運動，而高層則存在明顯的輻散區(qū)。圖4分別給出了29日16時沿121.5°E的渦度和散度垂直剖面模擬圖，由圖4(a)可知，在31°N附近從近地面一直延伸到700 hPa均為正渦度密集區(qū)，其中大值中心位于850 hPa，中心值為24×10-5s-1，表明該地區(qū)輻合上升運動明顯；700～400 hPa之間為負渦度區(qū)，中心值為-18×10-5s-1，位于550 hPa層上，說明高層存在明顯的輻散運動。

從同期的散度模擬場看，在31°N附近中低層同樣存在強輻合，高層為輻散，但與渦度場特征不同的是，散度的輻合區(qū)最高的高度達到500 hPa左右，極值中心位于700 hPa附近，范圍明顯大于輻散區(qū)。這種低層正渦度，高層負渦度的配置有利于維持較強的上升運動，對強對流的產(chǎn)生和發(fā)展有著重要的作用。

3.3 垂直速度場模擬分析

由于垂直速度的分布特征表明了颮線的結構特征，在模擬29日08時850 hPa上垂直速度場時(圖略)，結果顯示，在蘇皖交界處存在一條孤形垂直速度密集帶，這是颮線前沿的強對流帶。此后，該強對流帶不斷向東南移動和發(fā)展，中心強度增強，到16時(圖5)，最大垂直上升速度為0.4 m/s，并由原先的一個中心位置分裂成若干個，表明在颮線發(fā)展過程中不斷有新的云體生成。孤形強對流帶與颮線發(fā)生區(qū)域相比，兩者均呈東北—西南走向，但強中心位置模擬略偏西南，總體來說，模擬效果較好。隨颮線的消亡，強對流帶也基本消失。

圖4 2014年3月29日16時沿121.5°E的渦度(a)和散度模擬(b)(單位：10-5s-1)

圖5 2014年3月29日16時850 hPa垂直速度模擬(單位：m/s)

3.4 颮線的發(fā)展過程分析

對比各個時刻的低層850 hPa流線分布特征，發(fā)現(xiàn)強對流帶與低層氣流匯合線或切變線有很好的對應關系。從圖中可以看出，模式時間在08時(圖6a)江浙皖交界處有一閉合流場，西北高壓有一定的加強，與海上高壓之間的流場線曲率有一定的增大，表明輻合加強，切變線加深，為颮線的觸發(fā)形成做前期準備。與圖6a相比，圖6b中西北高壓開始南下，兩高之間的流場曲率再次增大，輻合進一步加強，此時浙北地區(qū)存在與颮線強對流對應的東北—西南走向的氣流匯合線，匯合線的北側為偏北氣流，南側為西南氣流。圖6c與圖6b相比，流場匯合線略有向南擴散，該時間段正是強颮線對流天氣影響浙北地區(qū)，另外，南海低壓開始東伸，西南氣流加強。圖6d中，由于受西北高壓南壓和西南氣流共同影響，海上高壓逐漸東退，兩高之間的流場線曲率開始減小，由此可見，此時的颮線正處于消亡階段。

以上模擬結果表明，WRF模式能夠較好地模擬出颮線系統(tǒng)中β尺度850 hPa的流場特征，并由850 hPa的流場特征能夠較好地分析出颮線系統(tǒng)所經(jīng)歷發(fā)生、發(fā)展和消亡的演變過程。

4 結 語

利用WRF模式對2014年3月29日發(fā)生在浙北地區(qū)一次颮線過程進行數(shù)值模擬，結果顯示，WRF模式對此次過程發(fā)生發(fā)展機制具有較好的模擬能力。

1)這次颮線過程是在比較有利的天氣背景下發(fā)生的，高空槽、低層冷渦和地面氣旋為主要的影響系統(tǒng)。干冷空氣從中高層的入侵加深了浙北地區(qū)的不穩(wěn)定，形成下濕上干的層結，導致強對流產(chǎn)生和發(fā)展。

圖6 2014年3月29日850hPa流場模擬08時(a)；14時(b)；16時(c)；18時(d)

2)水汽輸送是通過高空3層的西南暖濕氣流來實現(xiàn)的，受干冷空氣影響，暖濕氣流在浙北地區(qū)累積；同時，K指數(shù)和θse等值線反映了大氣層結的不穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生中尺度對流系統(tǒng)。

3)高分辨率中尺度數(shù)值模式WRF基本上能模擬出本次颮線過程的中β尺度結構特征。數(shù)值模擬結果顯示，這種低層正渦度，高層負渦度的配置有利于上升運動，對強對流的產(chǎn)生和發(fā)展有著重要的作用。

4)強對流帶與低層的流場有較好的對應關系，其中850 hPa的流場特征能夠很好地分析出颮線系統(tǒng)經(jīng)歷發(fā)生、發(fā)展到消亡的演變過程。

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2014-10-25