昆明準(zhǔn)靜止鋒移動(dòng)影響因子數(shù)值模擬試驗(yàn)

王曼 朱莉 段旭 李華宏 陳新梅 李璠

(1 云南省氣象科學(xué)研究所，昆明 650034; 2 云南省氣象臺(tái)，昆明 650034; 3 云南省楚雄市氣象局，楚雄 675000)

引言

昆明準(zhǔn)靜止鋒是指東亞冷空氣爆發(fā)并向南擴(kuò)展時(shí)，受西南高原地形和南支西風(fēng)阻擋形成的一種獨(dú)特的鋒面系統(tǒng)，最早由我國(guó)氣象學(xué)家張丙辰于20世紀(jì)40年代提出，昆明準(zhǔn)靜止鋒兩側(cè)的天氣氣候迥然不同，冷空氣控制一側(cè)覆蓋層狀云，有時(shí)有夜雨，總是陰暗、潮濕和寒冷，而暖氣團(tuán)控制的一側(cè)則是天氣晴朗、溫暖和舒適[1-2]。它和華南準(zhǔn)靜止鋒是冬半年影響中國(guó)西南地區(qū)的重要天氣系統(tǒng)，中國(guó)近1/5的區(qū)域受它們的影響[3]。2008年冬季和2011年冬季中國(guó)南方出現(xiàn)的2次嚴(yán)重的低溫雨雪冰凍災(zāi)害都和昆明準(zhǔn)靜止鋒系統(tǒng)相關(guān)[4-5]。同時(shí)，昆明準(zhǔn)靜止鋒常誘發(fā)暴雨、短時(shí)強(qiáng)降水、霧等災(zāi)害天氣[6-8]。因此，研究昆明準(zhǔn)靜止鋒的生消和移動(dòng)十分有必要。

早期許多學(xué)者[9-12]指出昆明準(zhǔn)靜止鋒是高原地形的產(chǎn)物，地形對(duì)它的移動(dòng)和維持作用顯著。因此，近年來(lái)對(duì)昆明準(zhǔn)靜止鋒的研究均涉及了地形作用的討論。段旭等[13]合成分析10次典型昆明準(zhǔn)靜止鋒個(gè)例，得到昆明準(zhǔn)靜止鋒是地面冷高壓沿青藏高原東側(cè)運(yùn)動(dòng)遇高原阻擋而形成，受高原地形影響其溫濕場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)特征與一般冷鋒有明顯差異。杜正靜等[14]分析2001年1月的滇黔準(zhǔn)靜止鋒在演變過(guò)程中的溫濕結(jié)構(gòu)和大氣環(huán)流特征,得到滇黔準(zhǔn)靜止鋒表現(xiàn)為濕度鋒，其大氣環(huán)流特征與高原地形關(guān)系密切。楊貴名等[15]和孫建華等[16]認(rèn)為2008年初中國(guó)南方發(fā)生的持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣一個(gè)重要的原因是準(zhǔn)靜止鋒長(zhǎng)時(shí)間維持，鋒面在地形抬升作用下，冷氣團(tuán)一側(cè)存在過(guò)冷云(霧)環(huán)境下較均勻冷凍過(guò)程，導(dǎo)致凍雨形成。曾明劍等[17]利用數(shù)值模式開(kāi)展地形對(duì)2008年初中國(guó)南方持續(xù)冰凍災(zāi)害分布影響的數(shù)值模擬，得到橫斷山脈和南嶺山脈及鄰近的山區(qū)，通過(guò)對(duì)鋒區(qū)特征的改變，從而對(duì)凍雨的形成和維持產(chǎn)生重要影響。王曼等[18]利用中尺度MM5模式，進(jìn)行2008年1月昆明準(zhǔn)靜止鋒移動(dòng)過(guò)程的模擬，并進(jìn)行地形高度減半的試驗(yàn)，驗(yàn)證了高原地形阻擋作用是昆明準(zhǔn)靜止鋒形成和維持的必要條件。

高原地形對(duì)昆明準(zhǔn)靜止鋒的作用顯著，但地形是固定不變的，昆明準(zhǔn)靜止鋒是變化的，因此，除了地形作用外，昆明準(zhǔn)靜止鋒的移動(dòng)還取決于鋒面前后冷暖氣團(tuán)相對(duì)勢(shì)力的對(duì)比。張精華等[19]指出對(duì)昆明準(zhǔn)靜止鋒形成的前期，地形的作用是主要的，后期以暖空氣的作用為主。段旭等[20]利用1961—2010年地面觀測(cè)資料討論了昆明準(zhǔn)靜止鋒、云貴高原地形和鋒面附近大氣要素3者之間的關(guān)系，得到了鋒面在云貴高原東部位置取決于冷氣團(tuán)的厚度，而當(dāng)鋒面到達(dá)云貴高原西部后，地形的阻擋作用顯著減弱和消失，鋒面位置取決于冷暖氣團(tuán)強(qiáng)弱對(duì)比。

上述研究大多定性地分析昆明準(zhǔn)靜止鋒維持和移動(dòng)是受地形和冷暖氣團(tuán)勢(shì)力影響，但對(duì)準(zhǔn)靜止鋒移動(dòng)速度影響因子的定量分析較少。在日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)昆明準(zhǔn)靜止鋒位置和強(qiáng)度仍然是一個(gè)難題，由于鋒面兩側(cè)的天氣現(xiàn)象截然不同、氣溫差異明顯，靜止鋒天氣系統(tǒng)的預(yù)報(bào)不精確經(jīng)常導(dǎo)致精細(xì)化要素預(yù)報(bào)出現(xiàn)較大偏差，因此精細(xì)定量地研究昆明準(zhǔn)靜止鋒的位置、強(qiáng)度等變化機(jī)理十分迫切。索渺清等[21]對(duì)昆明準(zhǔn)靜止鋒的研究進(jìn)行了全面回顧和總結(jié)，并對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行了展望,闡述了昆明準(zhǔn)靜止鋒的維持和進(jìn)退機(jī)理為未來(lái)研究方向之一。前人研究表明，利用數(shù)值模式進(jìn)行敏感試驗(yàn)是開(kāi)展定量分析和驗(yàn)證的有效手段[22-26]。因此，本文利用中尺度WRF模式對(duì)2016年1月20—26日昆明準(zhǔn)靜止鋒主要移動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并針對(duì)地形和暖氣團(tuán)2個(gè)重要因子開(kāi)展敏感試驗(yàn)，定量分析影響昆明準(zhǔn)靜止鋒活動(dòng)因子，以期為昆明準(zhǔn)靜止鋒的精細(xì)化預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐。

1 天氣過(guò)程

2016年1月20—26日，云貴高原出現(xiàn)1次昆明準(zhǔn)靜止鋒增強(qiáng)西進(jìn)的天氣過(guò)程，影響云南的主要時(shí)段在1月22—24日，受昆明準(zhǔn)靜止鋒及南支槽前西南暖濕氣流的共同影響，云南省自東向西出現(xiàn)1次較大范圍雨雪天氣過(guò)程，降雪主要出現(xiàn)在滇中及以東以南地區(qū)。1月22日昆明平均氣溫為9.8 ℃，23日平均氣溫為-0.4 ℃，平均氣溫下降10 ℃以上，24日平均氣溫-3.8 ℃。此次過(guò)程冷空氣影響時(shí)間長(zhǎng)，降溫幅度大，降雪范圍廣，是云南一次罕見(jiàn)的寒潮天氣過(guò)程。

圖1為昆明(102.7°E，25°N)、會(huì)澤(103.3°E，26.4°N)和貴陽(yáng)(106.7°E，26.3°N)在2016年1月22日08:00至24日20:00的逐6 h氣溫變化。它們分別代表鋒前、鋒面附近及鋒后的天氣演變?？芍?自1月22日08:00，一直處于昆明準(zhǔn)靜止鋒后的貴陽(yáng)站氣溫長(zhǎng)時(shí)間維持在一個(gè)較低的狀況，日變化不明顯，所有時(shí)次的最大溫差為5.2 ℃。天空狀況為大片中低云覆蓋，除22日14:00氣溫為0.5 ℃，其他時(shí)次的氣溫一直處于0 ℃以下，其中最低氣溫為23日08:00的-4.7 ℃，表明冷氣團(tuán)長(zhǎng)時(shí)間維持。昆明的氣溫，從1月22日14:00的14.7 ℃下降至1月23日14:00的1.1 ℃，降溫幅度達(dá)13.6 ℃。隨后至24日20:00的氣溫持續(xù)下降，且氣溫始終穩(wěn)定維持在0 ℃下，說(shuō)明冷空氣較強(qiáng)。從氣溫變化幅度看，從1月22日20:00之后昆明準(zhǔn)靜止鋒開(kāi)始影響昆明。會(huì)澤氣溫的變化趨勢(shì)與昆明類似，氣溫曲線與昆明基本平行，只是氣溫更低，22日14:00，氣溫為13.1 ℃，到20:00，氣溫下降為1.3 ℃，溫差達(dá)到11.8 ℃，說(shuō)明1月22日20:00昆明準(zhǔn)靜止鋒已開(kāi)始影響會(huì)澤。23日08:00至24日08:00，氣溫除了23日20:00為-4.1 ℃，其他時(shí)刻均在-5 ℃以下，其中24日08:00氣溫最低為-9.9 ℃，比貴陽(yáng)同時(shí)刻的氣溫低6.2 ℃。說(shuō)明冷空氣較強(qiáng)，且冷空氣主體西移到會(huì)澤附近。根據(jù)以上鋒面移動(dòng)情況分析，取鋒面快速西進(jìn)的時(shí)段，即2016年1月22日08:00至23日20:00進(jìn)行模擬和試驗(yàn)。

圖1 2016年1月22日08:00至24日20:00昆明、會(huì)澤和貴陽(yáng)逐6 h氣溫演變

2 數(shù)值模擬及敏感試驗(yàn)

2.1 模式參數(shù)及試驗(yàn)方案

利用由美國(guó)多單位聯(lián)合開(kāi)發(fā)的新一代細(xì)網(wǎng)格中尺度WRF(Weather Research Forecast)模式(V3.4.1)，并利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料作為模式初始場(chǎng)和邊界條件。模式模擬的區(qū)域中心(103°E，27.5°N)，水平格距15 km，格點(diǎn)數(shù)南北為248，東西為320，模擬的區(qū)域范圍(72.68°～133.25°E；8.97°～45.0°N)，垂直方向35層，模式地形數(shù)據(jù)選取為10′×10′，相當(dāng)于18.5 km。微物理過(guò)程為Ferrier(new Eta)方案，長(zhǎng)波輻射為RRTM方案，短波輻射為Duhia方案，地面為Monin-Obukhov方案，陸面為thermal diffusion方案，邊界層為YSU方案，積云參數(shù)化為Kain-Fritsch(new Eta)方案，模擬的積分步長(zhǎng)為90 s。

昆明準(zhǔn)靜止鋒是受地形影響而產(chǎn)生的天氣系統(tǒng)，為討論地形對(duì)昆明準(zhǔn)靜止鋒的影響，其他參數(shù)不變，進(jìn)行地形高度增加到原地形1.2倍，以及地形高度分別增加100 m，200 m，300 m，400 m和500 m，以及降低100 m，200 m，300 m，400 m和500 m的模擬試驗(yàn)。驗(yàn)證地形對(duì)昆明準(zhǔn)靜止鋒的移動(dòng)速度影響。

影響昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面移動(dòng)的因素除了地形，另一個(gè)因素為鋒前暖氣團(tuán)的強(qiáng)弱。為認(rèn)知暖氣團(tuán)的作用，對(duì)初始場(chǎng)中暖氣團(tuán)進(jìn)行氣溫、氣壓和風(fēng)場(chǎng)的敏感試驗(yàn)。設(shè)計(jì)的具體方案如表1，其中方案2，僅增加了暖氣團(tuán)500 hPa(無(wú)輻散層)以下的氣溫，為熱力試驗(yàn)。方案3，僅增加了暖氣團(tuán)的氣壓，為弱動(dòng)力試驗(yàn)。方案4，除了增加暖氣團(tuán)的氣壓，同時(shí)把西風(fēng)和南風(fēng)分別增加了2 m·s-1和1 m·s-1，為強(qiáng)動(dòng)力試驗(yàn)。設(shè)計(jì)以上方案，驗(yàn)證暖氣團(tuán)中氣溫、氣壓和風(fēng)場(chǎng)的變化對(duì)鋒面移動(dòng)產(chǎn)生的影響。

表1 暖氣團(tuán)敏感試驗(yàn)方案

2.2 控制試驗(yàn)結(jié)果分析

為了解模式對(duì)昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面移動(dòng)過(guò)程的模擬情況，圖2為位溫沿26°N剖面垂直分布。初始時(shí)刻(圖2a)，位溫等值線相對(duì)密集的區(qū)域在105.5°E附近，位溫鋒區(qū)不明顯。積分6 h(圖2b)，位溫鋒區(qū)明顯，在104.3°E附近，303 K的位溫等值線與地面垂直，291～303 K的位溫線密集。積分12 h(圖2c)，位溫鋒面移動(dòng)到烏蒙山地形最高的103°E附近，鋒面位置與圖1昆明和會(huì)澤站氣溫變化一致，22日20:00，鋒面在昆明和會(huì)澤站之間，會(huì)澤氣溫已經(jīng)下降，即將影響昆明站。與NCEP/NCAR再分析資料(圖3a)相比，鋒面位置基本一致，到達(dá)地形最高位置。積分18 h(圖2d)，位溫鋒面越過(guò)了最高地形，繼續(xù)西移到101°E附近，鋒區(qū)減弱。積分24 h(圖2e)、30 h和36 h(圖略),鋒面不明顯，位置在100°E附近。這次過(guò)程，昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面明顯，冷空氣勢(shì)力較強(qiáng)，西移速度較快，數(shù)值模擬鋒面位置與實(shí)況站點(diǎn)氣溫(圖1)變化較一致。

圖2 2016年1月22日08:00(a),14:00(b),20:00(c)及23日02:00(d),08:00(e)位溫(單位:K)沿26°N垂直剖面數(shù)值模擬(黑色陰影為模式地形高度;模式初始時(shí)刻為22日08:00,下同)

以上從熱力場(chǎng)分析了這次靜止鋒的鋒面移動(dòng)和結(jié)構(gòu)分布。在昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒區(qū)形成及冷暖氣團(tuán)移動(dòng)中動(dòng)力場(chǎng)也有較大影響。圖4為u風(fēng)沿26°N的垂直剖面，模擬初始時(shí)刻(圖4a)，東風(fēng)氣流在105.5°E以東。隨著積分時(shí)間的增長(zhǎng)，積分6 h(圖4b)，東風(fēng)氣流迅速向西推進(jìn)，使鋒面西推，東風(fēng)氣流達(dá)104.5°E，u風(fēng)的鋒區(qū)明顯，且與靜止鋒的鋒區(qū)位置一致。積分12 h(圖4c)，東風(fēng)繼續(xù)向西推進(jìn)，東西風(fēng)界面在103.3°E附近，東風(fēng)中心風(fēng)速增強(qiáng)，達(dá)9 m·s-1。在650 hPa以上層次，西風(fēng)氣流102.6°E附近出現(xiàn)“V”形狀，表明了大氣中高層強(qiáng)盛西風(fēng)氣流向低層傳送，冷暖氣流形成對(duì)峙。低層u風(fēng)的鋒面明顯，但u風(fēng)等值線沒(méi)有前一時(shí)刻密集。模擬的結(jié)果與NCEP/NCAR再分析資料相比(圖3b)，風(fēng)的鋒面位置和“V”型特征一致，只是鋒面強(qiáng)度和東西風(fēng)界面具體位置有所偏差，相對(duì)再分析資料的鋒面強(qiáng)度較弱，可能跟資料的分辨率有一定的關(guān)系。積分18 h(圖4d)，東風(fēng)氣流繼續(xù)西進(jìn)，接近地面為東風(fēng)氣流，且風(fēng)速增大，108°E附近的東風(fēng)中心風(fēng)速達(dá)到12 m·s-1。說(shuō)明鋒后的冷空氣補(bǔ)充增強(qiáng)。u風(fēng)鋒面不明顯。后面的模擬時(shí)刻風(fēng)的鋒區(qū)不明顯，圖略。從u風(fēng)看，低層?xùn)|風(fēng)不斷向西推進(jìn)，使冷氣團(tuán)向西推進(jìn)，地面氣溫下降迅速，且氣溫下降到0 ℃以下，造成降雪和冰凍。14:00—20:00風(fēng)的鋒面相對(duì)明顯，而在其他時(shí)刻相對(duì)不明顯。u風(fēng)的東風(fēng)氣流到達(dá)的位置偏西，且中心位置的風(fēng)速較大，使冷氣團(tuán)的勢(shì)力加強(qiáng)西進(jìn)，因此該個(gè)例昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面能夠越過(guò)較高地形到達(dá)100°E附近。

圖3 NCEP/NCAR再分析資料2016年1月22日20:00位溫(單位:K)(a)及u風(fēng)(單位:m·s-1)(b)沿26°N垂直剖面(黑色陰影為0.05°分辨率真實(shí)地形高度)

圖4 2016年1月22日08:00(a),14:00(b),20:00(c)及23日02:00(d)水平u風(fēng)(單位：m·s-1)沿26°N垂直剖面數(shù)值模擬

從控制試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果看，這次昆明準(zhǔn)靜止鋒冷空氣較強(qiáng)，冷空氣得到較強(qiáng)的補(bǔ)充，靜止鋒面在模擬時(shí)段向西移動(dòng)較快，能夠越過(guò)103°E附近最高地形。模擬的位溫鋒面移動(dòng)位置與地面站點(diǎn)氣溫的變化比較一致，u風(fēng)的特征與再分析資料特征一致，模擬結(jié)果可以用于敏感試驗(yàn)。

2.3 地形敏感試驗(yàn)結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證地形在2016年1月22—23日昆明準(zhǔn)靜止鋒中所起的作用，增高阻擋的地形，使地形高度為原地形的1.2倍，靜止鋒面是否能越過(guò)高地形？同時(shí)逐100 m增高和降低100～500 m地形高度，得到變化后的鋒面位置以分析僅改變地形高度，其他參數(shù)不變，昆明準(zhǔn)靜止鋒的移動(dòng)情況。

圖5為地形增高后模擬的位溫沿26°N剖面垂直分布，起始時(shí)刻(圖5a)，位溫的分布與未修改地形(圖2a)的位溫分布比較，鋒面位置無(wú)明顯差別。積分6 h(圖5b)，鋒面明顯，位置在104.8°E附近，位溫306 K等值線與地面基本垂直，厚度達(dá)650 hPa附近，鋒面發(fā)展旺盛。較未修改地形的控制試驗(yàn)鋒面偏東約0.6°(圖2b)，鋒面移動(dòng)速度受地形阻擋明顯。積分12 h(圖5c)，鋒面西進(jìn)到104.1°E附近，鋒面明顯，較控制試驗(yàn)鋒面偏東約為0.8°(圖2c)。積分18 h(圖5d)，鋒面西進(jìn)到103.5°E附近，相對(duì)控制試驗(yàn)鋒面偏東約為1.0°(圖2d)。受地形阻擋，鋒面移動(dòng)速度減慢，差異越來(lái)越大。積分24 h(圖5e)，鋒面繼續(xù)西進(jìn)，冷氣團(tuán)勢(shì)力較強(qiáng)，越過(guò)了103°E最高地形處，鋒面強(qiáng)度減弱，鋒區(qū)不明顯，鋒面位置在102°E附近。積分30 h(圖略)，鋒面相對(duì)明顯，位置在101.2°E附近。積分36 h(圖略)，昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面位置較上一個(gè)時(shí)刻略西進(jìn)。因此，2016年1月22日昆明準(zhǔn)靜止鋒個(gè)例，當(dāng)?shù)匦胃叨仍黾拥?.2倍時(shí)，受地形的阻擋，昆明準(zhǔn)靜止鋒向西進(jìn)的速度減慢，越過(guò)最高地形的時(shí)間推遲了9～12 h。但冷空氣勢(shì)力較強(qiáng)，鋒面最終越過(guò)103°E最高地形阻擋，影響以西的區(qū)域。積分36 h，鋒面到達(dá)最西的位置較控制試驗(yàn)的位置偏東約1°。地形對(duì)鋒面的阻擋作用明顯。

圖5 2016年1月22日08:00(a),14:00(b),20:00(c)及23日02:00(d),08:00(e)1.2倍地形下位溫(單位：K)沿26°N垂直剖面數(shù)值模擬

為進(jìn)一步分析地形對(duì)昆明準(zhǔn)靜止鋒的移動(dòng)產(chǎn)生的作用，對(duì)地形分別進(jìn)行增高100 m，200 m，300 m，400 m和500 m，以及降低100 m，200 m，300 m，400 m和500 m的模擬試驗(yàn)。模擬初始時(shí)刻為2016年1月22日08:00，圖6給出2016年1月22日14:00(積分6 h)不同地形高度下，位溫沿26°N剖面得到的昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面位置分布。可以看出，當(dāng)?shù)匦卧龈邥r(shí)，每增高100 m，鋒面位置偏東一段距離;當(dāng)增高100 m時(shí)，鋒面位置相差相對(duì)較大，為0.15°，增加200～500 m，鋒面位置基本都是相差0.09°，變化的幅度基本一致。同時(shí)地形高度越高等位溫線越陡峭(圖略)，隨著地形的升高，冷空氣不斷堆積并在地形抬升作用下產(chǎn)生了越厚的逆溫層。當(dāng)?shù)匦胃叨冉档蜁r(shí)，變化幅度較大，當(dāng)?shù)匦谓档?00 m時(shí)，鋒面位置偏西0.3°;地形降低200 m時(shí)，較降低100 m時(shí)又偏西0.45°，鋒面變化幅度較大；地形降低300 m、400 m變化幅度均為0.09°，地形降低500 m，鋒面位置偏西0.37°。地形降低時(shí)，鋒面位置的差異較地形增高時(shí)鋒面位置差異大。積分6 h，鋒面除了地形高度降低500 m到達(dá)了地形最高的103°E附近，其他地形高度，鋒面均在103°E以東。

圖6 2016年1月22日14:00(積分6 h)不同地形高度昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面位置

圖7為2016年1月22日20:00(積分12 h)不同地形高度下，位溫沿26°N剖面得到的昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面位置分布。從圖上看，積分12 h，未修改地形高度，鋒面西移到103°E地形最高處，地形增高，昆明準(zhǔn)靜止鋒位置在103°E以東，每增高100 m，鋒面位置偏東一段距離，當(dāng)增高100 m、200 m、400 m和500 m時(shí)，鋒面位置變化相對(duì)較小，為0.18°左右，當(dāng)?shù)匦胃叨仍黾?00 m，鋒面位置變化為0.36°左右，鋒面位置變化相對(duì)較大。地形高度降低，昆明準(zhǔn)靜止鋒位置越過(guò)103°E最高地形西進(jìn)，當(dāng)?shù)匦胃叨冉档蜁r(shí)，變化幅度較大，當(dāng)?shù)匦谓档?00 m時(shí)，鋒面位置偏西0.45°;地形降低200 m時(shí)，較降低100 m時(shí)偏西0.27°;地形降低300 m時(shí)，較地形降低200 m時(shí)偏西1.28°，從鋒面具體位置變化看，鋒面過(guò)了地形相對(duì)高的102.5°～103.5°E區(qū)域，鋒面位置差別相對(duì)大;地形降低400 m、500 m變化幅度均為0.36°左右。從地形高度變化后鋒面的位置差別看，當(dāng)鋒面到達(dá)地形相對(duì)低的位置，地形高度相差100 m時(shí)，鋒面位置差別相對(duì)大，而當(dāng)鋒面達(dá)到地形相對(duì)高的位置，地形高度相差100 m時(shí)，鋒面位置差別相對(duì)小。地形降低時(shí)，鋒面位置的差異較地形增高時(shí)鋒面位置差異大。

圖7 2016年1月22日20:00(積分12 h)不同地形高度昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面位置

從地形高度逐100 m增加500 m和降低500 m，昆明準(zhǔn)靜止鋒位置的差異看，地形改變后，模擬積分時(shí)間越長(zhǎng)，鋒面位置差別越大。地形增高后，鋒面在相對(duì)高地形的103°E以東的位置，受地形阻擋，鋒面位置差異相對(duì)小。表明地形對(duì)冷氣團(tuán)阻擋作用巨大。當(dāng)?shù)匦胃叨冉档秃螅肯陆?00 m，鋒面位置差異相對(duì)大。各個(gè)積分時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，鋒面位置均偏西。再次證實(shí)了高原大地形對(duì)冷氣團(tuán)有著巨大的影響。

2.4 暖氣團(tuán)敏感試驗(yàn)結(jié)果分析

鋒面是冷暖氣團(tuán)之間的交界面，高原雖然對(duì)冷氣團(tuán)產(chǎn)生巨大的阻擋作用，但鋒面畢竟是冷暖氣團(tuán)之間的交界面，暖氣團(tuán)的勢(shì)力較強(qiáng)時(shí)也有可能阻擋冷氣團(tuán)西進(jìn)。通過(guò)數(shù)值敏感試驗(yàn)，改變暖氣團(tuán)的強(qiáng)度，模擬鋒面情況，了解暖氣團(tuán)在其中所起的作用，敏感試驗(yàn)主要增加暖氣團(tuán)的強(qiáng)度，分熱力、弱動(dòng)力、強(qiáng)動(dòng)力試驗(yàn)(表1)。僅對(duì)鋒面西側(cè)暖氣團(tuán)熱力和動(dòng)力初始場(chǎng)進(jìn)行修改，模式其他參數(shù)與控制試驗(yàn)一致。

圖8給出了初始時(shí)刻2016年1月22日08:00,不同方案積分6 h位溫沿26°N的垂直分布?？刂圃囼?yàn)(圖2b)和熱力試驗(yàn)(圖8a)，鋒面位置分別在104.3°E和103.7°E附近。熱力試驗(yàn)與控制試驗(yàn)相比，積分6 h，鋒面西進(jìn)速度加快，增強(qiáng)暖氣團(tuán)的熱力場(chǎng)不會(huì)阻止冷氣團(tuán)西進(jìn)的速度，反而由于暖氣團(tuán)氣溫增加，冷暖氣團(tuán)的氣溫梯度增大，鋒面強(qiáng)度增強(qiáng)，使鋒面移動(dòng)速度加快。弱動(dòng)力(圖8b)和強(qiáng)動(dòng)力試驗(yàn)(圖8c)的鋒面位置分別為104.4°E和104.7°E附近。與控制試驗(yàn)相比，鋒面位置偏東，增強(qiáng)暖氣團(tuán)的氣壓和風(fēng)場(chǎng)，鋒面移動(dòng)的速度減慢。

圖8 初始時(shí)刻2016年1月22日08:00熱力試驗(yàn)(a)、弱動(dòng)力試驗(yàn)(b)及強(qiáng)動(dòng)力試驗(yàn)(c)積分6 h位溫(單位：K)沿26°N的垂直剖面

圖9給出了初始時(shí)刻2016年1月22日08:00,不同方案積分12 h位溫沿26°N的垂直分布?？刂圃囼?yàn)(圖2c)，鋒面位置到達(dá)最高地形103°E附近，鋒區(qū)位溫梯度約每110 km 12 K左右。熱力試驗(yàn)(圖9a)，鋒面位置在102.8°E附近，鋒區(qū)位溫梯度約每110 km 12 K。303 K位溫線越過(guò)地形最高線，到達(dá)地形相對(duì)低的區(qū)域。熱力試驗(yàn)與控制試驗(yàn)相比，積分12 h，鋒面西進(jìn)的速度略快、位溫梯度基本一致。弱動(dòng)力試驗(yàn)(圖9b)和強(qiáng)動(dòng)力試驗(yàn)(圖9c)位溫鋒面位置分別位于103.4°E和103.45°E附近，差別較小。與控制試驗(yàn)相比，鋒面位置明顯偏東，未達(dá)地形最高處。與積分6 h分析結(jié)果基本相同，增強(qiáng)暖氣團(tuán)氣壓和風(fēng)場(chǎng)，鋒面移動(dòng)速度明顯減慢。積分18 h， 由3種敏感試驗(yàn)的位溫分布(圖略)可知，鋒區(qū)減弱，鋒面均越過(guò)相對(duì)高的地形，到達(dá)101°E附近，3種敏感試驗(yàn)的位溫分布差別很小。

圖9 初始時(shí)刻2016年1月22日08:00熱力試驗(yàn)(a)、弱動(dòng)力試驗(yàn)(b)、強(qiáng)動(dòng)力試驗(yàn)(c)積分12 h位溫(單位：K)沿26°N的垂直剖面

從以上暖氣團(tuán)要素敏感試驗(yàn)的模擬結(jié)果看，當(dāng)暖氣團(tuán)氣溫增加2 ℃，增強(qiáng)熱力場(chǎng)對(duì)冷氣團(tuán)無(wú)阻擋作用，冷暖氣團(tuán)溫差的加大，對(duì)鋒區(qū)的增強(qiáng)和西進(jìn)反而有利，昆明準(zhǔn)靜止鋒向西移動(dòng)的速度增快，與控制試驗(yàn)相比，積分18 h內(nèi)差異較明顯，隨著積分時(shí)間增長(zhǎng)，差異縮小。增強(qiáng)暖氣團(tuán)的動(dòng)力場(chǎng)，對(duì)減慢冷氣團(tuán)西進(jìn)速度有一定作用，同樣積分18 h之后，鋒面的狀況與未改變初始場(chǎng)的鋒面狀況基本一致。

3 結(jié)論

利用中尺度WRF模式，對(duì)2016年1月22—24日昆明準(zhǔn)靜止鋒主要移動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬、地形和暖氣團(tuán)敏感試驗(yàn)，分析昆明準(zhǔn)靜止鋒的移動(dòng)速度和鋒面強(qiáng)度，得到以下主要結(jié)論：

(1)2016年1月22—24日昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面強(qiáng)度強(qiáng)，西進(jìn)速度快，到達(dá)100°E附近。中尺度模式WRF能夠再現(xiàn)昆明準(zhǔn)靜止鋒的移動(dòng)過(guò)程和鋒面結(jié)構(gòu)。

(2)地形對(duì)昆明準(zhǔn)靜止鋒面的移動(dòng)速度有顯著作用。當(dāng)?shù)匦胃叨仍黾拥?.2倍時(shí)， 昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面西進(jìn)的速度減慢，鋒面越過(guò)103°E附近最高地形的時(shí)間推后了9～12 h，鋒面到達(dá)最西邊的位置偏東1°左右。對(duì)地形進(jìn)行逐100 m至增高和降低500 m的模擬試驗(yàn)，地形高度改變后，模擬積分時(shí)間越長(zhǎng)，鋒面位置差別越大。地形增高后，鋒面在相對(duì)高地形的103°E以東的位置，受地形阻擋，鋒面位置差異相對(duì)小，差異在0.5°以內(nèi)，地形高度越增高，鋒面位置越偏東。當(dāng)?shù)匦胃叨冉档秃螅肯陆?00 m，鋒面位置差異相對(duì)大，最大差異可達(dá)1.28°，地形高度越降低，鋒面位置越偏西。

(3)改變暖氣團(tuán)的熱力場(chǎng)，增加暖氣團(tuán)氣溫2 ℃，鋒面強(qiáng)度增強(qiáng)，同時(shí)昆明準(zhǔn)靜止鋒西移速度增快。增強(qiáng)暖氣團(tuán)的動(dòng)力場(chǎng)，對(duì)冷空氣西進(jìn)有阻擋作用，使昆明準(zhǔn)靜止鋒西進(jìn)的速度減慢。該個(gè)例熱力條件、弱動(dòng)力和強(qiáng)動(dòng)力條件敏感試驗(yàn)中，6 h積分后，熱力條件和強(qiáng)動(dòng)力條件改變下，鋒面位置與控制試驗(yàn)差異均為0.6°左右，對(duì)鋒面移動(dòng)速度的影響相當(dāng)，弱動(dòng)力條件改變下，鋒面位置與控制試驗(yàn)差異僅有0.1°左右，對(duì)鋒面移動(dòng)速度較??；12 h積分后，鋒面位置與控制試驗(yàn)相比，改變熱力條件下，鋒面位置東進(jìn)0.2°左右，弱動(dòng)力條件和強(qiáng)動(dòng)力條件下，鋒面西退分別為0.4°和0.45°左右，強(qiáng)弱動(dòng)力條件對(duì)鋒面位置改變的差異減小，隨著積分時(shí)間增長(zhǎng)，動(dòng)力條件對(duì)鋒面的移動(dòng)速度影響相對(duì)大。

從地形和暖氣團(tuán)敏感試驗(yàn)的模擬結(jié)果看，昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面的移動(dòng)速度和到達(dá)最西的位置是高原大地形和暖氣團(tuán)的勢(shì)力共同決定，比較而言，高原大地形的作用顯著，而冷暖氣團(tuán)之間的勢(shì)力對(duì)比對(duì)昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面的移動(dòng)速度影響相對(duì)小。日常天氣預(yù)報(bào)中，預(yù)報(bào)昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面移動(dòng)速度的關(guān)鍵因素有昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面所處的地形高度和鋒面附近冷暖氣團(tuán)溫度梯度大小。本個(gè)例敏感試驗(yàn)中地形高度降低200 m和冷暖氣團(tuán)增大2 ℃溫差變化條件下，昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒面6 h后位置差異分別為0.75°和0.6°，從位置變化看，地形高度變化200 m比冷暖氣團(tuán)2 ℃溫差對(duì)昆明準(zhǔn)靜止鋒的位置影響更大。