WRF模式對貴州地區(qū)一次凍雨過程的數(shù)值模擬研究

吳建蓉,文屹,楊濤,肖書舟,黃軍凱

(貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，貴陽 550000)

雨雪冰凍災(zāi)害是對電力系統(tǒng)影響最大的自然災(zāi)害之一，輕則發(fā)生冰閃，重則導(dǎo)致桿塔坍塌、斷線，甚至致使電網(wǎng)癱瘓。隨著全球氣候變暖，極端災(zāi)害性天氣頻發(fā)，低溫雨雪冰凍事件往往造成輸電線路覆冰，對電力系統(tǒng)形成不可估量的損失[1-5]。凍雨是過冷卻水滴在降落過程中與低于0℃的物體相互碰撞后產(chǎn)生凍結(jié)的一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，是產(chǎn)生線路覆冰的主要天氣過程。2008年的一次歷史罕見凝凍災(zāi)害性天氣造成貴州省直接經(jīng)濟損失198億元，主要電力輸送線路出現(xiàn)大面積癱瘓，持久的凍雨過程為線路覆冰的增長構(gòu)建了有利條件，使得最大覆冰厚度超過100 mm[6-7]。

貴州省位于云貴高原東側(cè)，平均海拔達1100 m，地勢西高東低，復(fù)雜的地理環(huán)境使其成為國內(nèi)凍雨事件頻發(fā)的主要區(qū)域，而凍雨天氣往往導(dǎo)致線路覆冰現(xiàn)象，造成不可估量的電力災(zāi)害，因此對該區(qū)域進行凍雨相關(guān)研究是當前重要的探討課題之一。國內(nèi)外學者對凍雨天氣的研究主要分為三個方面：一是研究凍雨形成的物理機制，主要包括云水、云冰等不同相態(tài)水成物之間的相互轉(zhuǎn)換過程。文獻[8-11]提出凍雨形成機制主要為“融化機制”，該機制指出，當近地面溫度低于0℃，而高空中存在一個溫度大于0℃的暖層整個大氣層結(jié)呈現(xiàn)“冷-暖-冷”的結(jié)構(gòu)。但同時，前人也有研究發(fā)現(xiàn)凍雨發(fā)生時大氣層結(jié)中沒有暖層，因此提出對于云頂高度高于-10℃的云中，云滴主要以液態(tài)形式存在，云中冰晶和霰粒子的融化是降水的主要來源。二是研究凍雨發(fā)生時的大氣環(huán)流狀況和天氣形勢，夏季西北太平洋的海溫距平通過影響大氣環(huán)流，間接導(dǎo)致了冬季我國南方地區(qū)低溫冰凍災(zāi)害的發(fā)生、超長波是低溫冰凍天氣的背景條件以及青藏高原地區(qū)低層偏冷和西太平洋副熱帶偏強為凍雨過程提供充足的水汽和動力條件，逆溫層是凍雨發(fā)生的必要條件，而且能調(diào)節(jié)凍雨發(fā)生的強度。[12-25]。三是通過數(shù)值模擬來研究凍雨各個微物理參量間的關(guān)系，隨著計算機的快速發(fā)展，算力得到了極大的提升，通過對大氣運動方程組和熱力方程組的高分辨數(shù)值計算能夠?qū)Υ髿膺\動過程進行一定程度的預(yù)報，當前國際上較為通用的ARPS(The Advanced Regional Prediction System)和WRF(The Weather Research and Forecasting Model)等中尺度數(shù)值預(yù)報模式研發(fā)了不同微物理方案，前人研究表面這些方案針對不同天氣系統(tǒng)能模擬出大致的雨帶分布，但對大氣的熱力結(jié)構(gòu)和近地面溫度的模擬有所差異，對不同地區(qū)發(fā)生的不同天氣過程所使用的微物理方案存在著一定差別[26-34]。

外推等天氣預(yù)報方法往往較依賴于經(jīng)驗，因此利用數(shù)值模式提高對凍雨天氣的預(yù)報是當前發(fā)展的主要趨勢，WRF作為當前國內(nèi)外發(fā)展較為成熟的數(shù)值預(yù)報模式，其包含了豐富的微物理方案，能夠?qū)Σ煌奶鞖膺^程進行高時空分辨率模擬，進而得到良好的預(yù)報結(jié)果。國內(nèi)外目前有相關(guān)研究利用WRF對凍雨過程進行數(shù)值模擬， 但不同地區(qū)的微地形、微氣候存在著較大差別，從而使得具體模擬效果產(chǎn)生了不同，并且國內(nèi)針對凍雨過程的研究多集中于凍雨天氣發(fā)生發(fā)展的物理機制，關(guān)于對凍雨的預(yù)報鮮有研究，因此目前針對貴州區(qū)域進行相關(guān)模擬研究有著較為重要的意義[35-36]。

本文采用全球預(yù)報系統(tǒng)GFS發(fā)布的預(yù)報場數(shù)據(jù)作為模式初始場和邊界場，利用WRF中尺度數(shù)值模式對貴州省2018年1月24日的一次較強雨雪凝凍事件進行了數(shù)值模擬，通過對該凍雨個例的深入探討為貴州地區(qū)凍雨天氣的數(shù)值預(yù)報積累經(jīng)驗，本文所構(gòu)建理論體系能夠電力系統(tǒng)覆冰現(xiàn)象的小尺度預(yù)報提供重要理論支撐。

1 資料與方法

1.1 個例回顧

GFS全球預(yù)報系統(tǒng)是由美國氣象環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合制作的，利用當今最先進的全球資料同化系統(tǒng)對地面、船舶、無線電探空、測風氣球、飛機、衛(wèi)星等觀測資料進行質(zhì)量控制和同化處理，最終輸出一套完整的再分析資料集，其涵蓋的氣象要素豐富，覆蓋范圍廣，且延伸時段長，是一個綜合且可靠的數(shù)據(jù)集，因此本文利用該再分析數(shù)據(jù)集作為觀測對比。

貴州地區(qū)是每年凍雨天氣的頻發(fā)區(qū)域，冬季云貴準靜止鋒的長時間維持與地形作用相結(jié)合，使得凍雨過程強度增強，往往產(chǎn)生較嚴重的線路覆冰現(xiàn)象，對線路的維護提出了較高的要求。2018年1月初發(fā)生了一次低溫雨雪天氣，此次過程維持了10天，冷空氣于1月24日(北京時)夜間開始影響貴州地區(qū)，1月26日時(北京時)，全省凍雨站數(shù)達到近50站，此次強凍雨事件主要集中于貴州中部地區(qū)。25日20時(北京時)，準靜止鋒系統(tǒng)在貴州西部區(qū)域形成，隨后向西移動，使低溫雨雪天氣不斷變強，造成了大范圍的線路覆冰災(zāi)害，因此針對此次個例進行深入探討具有一定研究意義。

分析此次過程的大尺度環(huán)流背景場，如圖1所示，2018年1月25日00 UTC(世界時，下同)時刻，500hPa位勢高度場上為兩槽一脊的天氣形勢，該環(huán)流場分布十分有利于北方冷空氣與南方暖濕氣流的交匯，我國高空風場呈現(xiàn)一致的西風急流，貴州地區(qū)位于急流軸的右后方，存在高空輻散，利于低空氣旋系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，北方強冷高壓天氣系統(tǒng)不斷分裂冷空氣向我國南方侵襲，引起大幅度降溫。

圖1 2018年1月25日00 UTC時的500hPa大氣環(huán)流背景場Fig.1 500hPa atmospheric circulation background fieldat 00 UTC on January 25, 2018

1.2 試驗設(shè)置

WRF模式是由美國國家大氣研究中心(NCAR)、美國環(huán)境預(yù)測中心(NCEP)和俄克拉荷馬大學的風暴預(yù)測中心等研究機構(gòu)共同開發(fā)的新一代非靜力平衡、高分辨率、完全可壓縮的中尺度預(yù)報模式和資料同化系統(tǒng)。該模式主要應(yīng)用于云尺度到天氣尺度的重要天氣過程的預(yù)報，具有可移植、高度模塊化、并行化、分層設(shè)計的特點。WRF模式包含兩種不同的版本，一種是由NCAR研發(fā)的ARW，另一種為NCEP開發(fā)的NMM，前者主要應(yīng)用于科學研究，后者主要應(yīng)用于實際業(yè)務(wù)預(yù)報，兩者主要區(qū)別在于使用的預(yù)報方程有所不同。本文選用的ARW模式以全彈性大氣非靜力平衡原始方程作為控制方程，是一個完全可壓縮的非靜力模式。垂直方向采用Arakawa C網(wǎng)格點，使用Runge-Kutta的二階和三階時間積分方案進行時間積分。

本文使用WRF v4.0中尺度數(shù)值預(yù)報模式，采用NCEP/NCAR發(fā)布的全球預(yù)報數(shù)據(jù)作為模式初始場和邊界場，該數(shù)據(jù)分辨率為1°×1°，選擇模擬時間為2018年1月25日00世界時(UTC)至2018年1月28日00 UTC，模擬中心經(jīng)緯度為(27.43°N，106.19°E)。模式采用雙層嵌套，區(qū)域1覆蓋了中國西南大部分區(qū)域，區(qū)域2主要針對貴州地區(qū)進行了高空間分辨率分析，兩層格距分別為9 km和3 km，網(wǎng)格點數(shù)分別為155×163和247×244，模式頂高為50hPa，采用的地形數(shù)據(jù)分辨率為30s，模擬區(qū)域如圖2所示。第一層區(qū)域采用Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案，第二層區(qū)域由于具有高空間分辨率足以解析對流降水，因此關(guān)閉積云參數(shù)化選項，對于其余微物理過程參數(shù)化方案，兩層區(qū)域均采用同樣的設(shè)置，云微物理參數(shù)化方案為WSM5方案，該方案包含混合相態(tài)、過冷水滴的生成過程。大氣長波輻射方案為RRTM方案，太陽短波輻射方案為Dudhia方案，行星邊界層方案為YSU方案，陸面過程方案為Noah方案(表1)。

圖2 模式雙重嵌套區(qū)域設(shè)置Fig.2 WRF model domain design of nested areas

表1 WRF-ARW模式模擬參數(shù)設(shè)置Tab.1 WRF-ARW experimental design

2 結(jié)果分析

2.1 模式模擬結(jié)果可信性研究

GFS全球預(yù)報系統(tǒng)每日發(fā)布四次的分析場數(shù)據(jù)同化了氣象衛(wèi)星、雷達、遙感等實際觀測資料，因此具有一定的可信度，本文利用GFS發(fā)布的2018年1月26日00 UTC的分析場資料和同時刻下WRF模式的模擬結(jié)果進行對比以探討本次試驗中模式結(jié)果的可信度。針對此次過程的動力原因進行討論，GFS分析場資料顯示，在850hPa高度上，貴州地區(qū)位于偏南氣流的輻合處，源源不斷的暖濕氣流匯集于此，為此次過程的大范圍降水提供了充足的水汽。700hPa 氣壓場上的0℃等溫線已南壓至貴州中部偏南地區(qū)，北部區(qū)域出現(xiàn)了-2℃的等溫線，表明中低層北方冷空氣勢力強勁，南壓至貴州區(qū)域。分析相對濕度也可發(fā)現(xiàn)該區(qū)域相對濕度大范圍超過90%，在冷空氣的入侵和高濕度的環(huán)境場形勢下，滿足凍雨天氣形成的必要條件。將分析場結(jié)果與模式數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，可以看到模式對850hPa上風場的模擬結(jié)果與分析場結(jié)果一致，均呈現(xiàn)偏南暖濕氣流與北方干冷空氣的氣流場分布，并且700hPa高度的0℃等溫線覆蓋范圍也接近一致，模式模擬出了冷空氣的南侵強度(圖3)，以上結(jié)果表明此次過程在溫度場和濕度場上均符合凍雨事件發(fā)生的必要條件，因此十分有利于系統(tǒng)的長時間發(fā)生發(fā)展，并且通過對比模式和分析場可以看出模擬結(jié)果是可信的，模式在本文試驗涉及中的參數(shù)方案具有一定的合理性，因此可以繼續(xù)利用該模擬結(jié)果進行深入討論。

(a)GFS 2018年1月26日 (b)WRF模式模擬結(jié)果00 UTC分析場 (a)GFS UTC analysis field on (b)Simulation resultsJanuary 26, 2018 of WRF model)圖3 850hPa位勢高度場與風場和700hPa0℃等溫線Fig.3 850hPa geopotential height field and wind field, 700hPa 0℃ isotherm

2.2 降水場分布研究

此次雨雪冰凍災(zāi)害天氣特點主要體現(xiàn)在冷空氣強度大、降水量大、降水時間長，以及暖濕氣流充沛。因此本文首先針對降水情況對此次過程進行分析?；诖舜蝹€例實際觀測資料的相關(guān)分析，結(jié)果表明到1月26日凍雨站數(shù)達到近50站，線路覆冰范圍達到了較嚴重程度，因此本文選擇該時刻下模式模擬的1月26日00UTC前6h降水進行分析。如圖4(a)所示，此次降水主要分布在貴州中部及東部，符合分析場分析結(jié)果，這是由于東北偏北方向的氣流向中國南部入侵導(dǎo)致。在貴州少數(shù)地區(qū)6h累積降水量達到25.6mm，表明該區(qū)域?qū)α飨到y(tǒng)旺盛發(fā)展，產(chǎn)生了較大強度降水。

造成覆冰現(xiàn)象的往往是凍雨過程，因此為了進一步明確凍雨含量在此次降水中的占比，本文進一步分析2018年1月26日00 UTC時刻下模式輸出凍雨百分比含量值的分布(圖4b)，可以看到貴州中部及東北部地區(qū)凍雨含量占比達90%以上，這表明此次過程中地面降水主要表現(xiàn)形式為凍雨，這是由于冷空氣強度極大，造成地面大幅度降溫，促進了液態(tài)水成物形成凍雨，增大了過冷水滴的占比。綜上所述，基于模式輸出的凍雨百分比可以更直接地得到降水覆蓋區(qū)域的凍雨分布具體情況，通過分析進而能對相應(yīng)區(qū)域的線路維護提出有效措施建議。

(a)6h累積降水模擬 (b)凍雨百分比(a)6h accumulated precipitation (b) Fraction of freezing rain圖4 2018年1月26日00 UTC地面降水分布Fig.4 Distribution of surface precipitation at 00 UTC on January 26, 2018

2.3 動力機制模擬

由于此次降水過程維持時間長達十天，因此該雨雪凝凍個例存在一種動力機制維持系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，為了進一步探討，本文選擇模式輸出的絕對渦度進行分析，絕對渦度往往能清晰地反映天氣系統(tǒng)的動力機制(圖5)，當絕對渦度為正值時，表明利于氣旋系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，當絕對渦度為負值時，表明利于反氣旋系統(tǒng)的生成。

為了深入研究此次凍雨的動力機制，橫跨貴州中部地區(qū)沿26°N作一垂直剖面，如圖5所示，可以看到垂直剖面上正負渦度交替分布，沿著地表氣旋與反氣旋強烈發(fā)展，絕對正渦度最大值達到了60×10-5s-1，絕對負渦度最大值達到了40×10-5s-1，并且絕對渦度大值區(qū)在垂直方向上伸展到了450hPa高空處，上升運動與下沉運動交替發(fā)展，表明貴州中部區(qū)域的動力場利于氣旋系統(tǒng)的旺盛對流發(fā)展。并且由對此次個例的大尺度背景場分析可知，貴州地區(qū)在此次過程中位于高空急流軸的右前方，急流附近存在風速的強切變，使得重力波不穩(wěn)定發(fā)展，能對低空系統(tǒng)對流形成觸發(fā)作用，造成急流右前方的動力抬升作用增強，而低空充足的高濕氣流對流上升凝結(jié)，非常利于降水的長時間維持，該動力機制模擬結(jié)果也表明此次冷空氣入流導(dǎo)致逆溫不穩(wěn)定的垂直大氣層結(jié)構(gòu)，熱力作用下產(chǎn)生了較強的垂直強對流運動，使得降水強度增大，利于此次凍雨過程的形成與維持?？紤]地形因素，從模擬結(jié)果也可看出，貴州位于青藏高原東側(cè)，地勢西高東低，海拔高度相對較高，從貴州東部到西部地區(qū)，隨著地形的抬升，對流活動也伸展得更高，且絕對渦度出現(xiàn)了極大值中心，這表明地形對于對流活動的觸發(fā)有較大影響，其有利于垂直對流活動的發(fā)生和天氣系統(tǒng)的發(fā)展。

圖5 2018年1月26日00 UTC絕對渦度垂直剖面(橫跨貴州地區(qū)沿26°N作一垂直剖面)Fig.5 The absolute vorticity vertical profile at 00 UTC on January 26, 2018 (A vertical section along 26°N across the Guizhou area)

2.4 云物理結(jié)構(gòu)

凍雨的生成主要是由于當近地面氣溫低于0℃時，降落的水成物發(fā)生相態(tài)變化，進而在地面覆蓋物上形成一層覆冰，因此研究天氣過程的物理過程能更深入理解凍雨的形成機制。云微物理過程主要反映了云中水汽和不同相態(tài)水成物之間的轉(zhuǎn)換過程，直接決定了降水粒子的生成與發(fā)展，而WRF中尺度數(shù)值預(yù)報模式中含有多種云微物理方案能夠模擬不同類型的水成物分布，本文選用的WSM6微物理方案包括了云滴凝結(jié)、云雨自動轉(zhuǎn)化、云滴同雨滴的碰并、雨滴凝結(jié)蒸發(fā)和重力沉降以及混合相態(tài)水成物生成等微物理過程，因此通過WRF模式進行數(shù)值模擬可以輸出云水混合比和雨水混合比。

在經(jīng)典覆冰預(yù)測模型中，液態(tài)含水量往往是關(guān)鍵輸入因子，因此本文沿橫跨貴州中部地區(qū)26°N的垂直剖面，通過垂直疊加液態(tài)水成物混合比得到垂直剖面上的液態(tài)水成物分布結(jié)構(gòu)。如圖6所示，600hPa氣壓層以上由于溫度偏低，水成物表現(xiàn)形式主要為固態(tài)，因此不存在液態(tài)水分布，此次過程中的液態(tài)水含量主要集中于中低層，含量最大可達0.35g/kg，極大值出現(xiàn)在貴州東部地區(qū)，西部液態(tài)水含量也在逐漸加強，這與此次過程系統(tǒng)由貴州東北部向中西部移動的實際情況相吻合。而在850hPa以下液態(tài)水含量值幾乎為0g/kg，這表明中低層幾乎不含液態(tài)形式的水成物，這主要是由于垂直高空存在溫度高于0℃的暖層，將高空固相水成物融化成液相狀態(tài)，因此此次凍雨過程符合經(jīng)典的“冷-暖-冷”垂直溫度層結(jié)機制。低空由于存在大量冷空氣的入侵，源源不斷的偏南暖濕氣流被抬升到中高空高度形成一定厚度的暖層，當高空形成的固相水成物降落到暖層區(qū)域時發(fā)生融化，生成液態(tài)形式的水成物，而后由于近地面強冷空氣作用，其再次凝結(jié)成固態(tài)水成物生成凍雨，進而容易形成雨凇，當凍雨凝結(jié)在電線上時，則易產(chǎn)生電線覆冰的災(zāi)害現(xiàn)象(圖6)，此結(jié)果與前文降水場和凍雨占比的分析結(jié)果相符合，表明此次過程中貴州中部地區(qū)由于“冷-暖-冷”的垂直溫度層結(jié)分布，存在的降水中大部分由凍雨形式組成，因此實際觀測中凍雨站數(shù)達到了較廣泛的范圍。

圖6 2018年1月26日00 UTC液態(tài)水含量垂直剖面(橫跨貴州地區(qū)沿26°N作一垂直剖面)Fig.6 The liquid water content vertical profile at 00 UTC on January 26, 2018 (A vertical section along 26°N across the Guizhou area)

3 結(jié)論

本文首先回顧了發(fā)生在貴州區(qū)域的一次較強凍雨個例，并基于中尺度數(shù)值預(yù)報模式WRF對該個例進行了模擬，并利用NCEP再分析資料進行模擬結(jié)果的檢驗。具體結(jié)果如下。

(1)通過對GFS分析場數(shù)據(jù)的分析可知，此次個例主要由于阻塞高壓形勢下，造成凍雨過程的長時間維持，且貴州省處于高空急流右前方及低空暖濕氣流的輻合處，高低空系統(tǒng)的配合導(dǎo)致了此次過程的發(fā)生。而前人許多個例研究也均表明烏拉爾山阻塞高壓和高空兩槽一脊的阻塞形勢是貴州地區(qū)凍雨天氣維持的常見大氣環(huán)流背景場。

(2)WRF中尺度數(shù)值模式能基本再現(xiàn)此次過程的動力及微物理機制，通過高時空分辨率模擬，輸出結(jié)果能揭示貴州地區(qū)發(fā)生凍雨事件的風場和氣壓場結(jié)構(gòu)，可知此次過程存在強烈的北方寒冷氣流與偏南方的暖濕急流在貴州地區(qū)的交匯動力場分布。

(3)通過對此次凍雨天氣的微物理過程和動力機制進行分析，可知低空和高空沒有液態(tài)水成物的分布，液態(tài)水含量主要位于垂直上空中高層，高空和低空種水的相態(tài)主要呈現(xiàn)為固相，表明此次過程輻合 “冷-暖-冷” 經(jīng)典凍雨垂直結(jié)構(gòu)分布機制，且由于貴州地區(qū)地勢分布及大尺度背景場的原因，對流單體旺盛發(fā)展式此次過程長時間維持。

(4)冬季時期，貴州地區(qū)主要由單一系統(tǒng)控制，冷高壓天氣系統(tǒng)不斷分裂的冷空氣造成地面大幅降溫，低空暖濕急流北上，兩者相互配合形成準靜止鋒導(dǎo)致長時間維持的凍雨事件，這或許是貴州區(qū)域雨雪凝凍天氣常見的一種天氣形勢。