新疆地區(qū)夏季平流層低層風(fēng)場特征分析及數(shù)值模擬

王曉婷 李森 史小康 黃江平 胡艷冰

(北京航空氣象研究所，北京 100085)

引言

平流層是介于對流層與中層之間的大氣層，層內(nèi)氣流平穩(wěn)，沒有強(qiáng)烈的對流運動[1]。在平流層冬夏季節(jié)轉(zhuǎn)換期間，緯向東西風(fēng)區(qū)之間會存在低風(fēng)速的緯向風(fēng)轉(zhuǎn)換層[2]，被稱為零風(fēng)層、弱風(fēng)層，它是部署平流層飛艇、高空氣球等臨近空間飛行器執(zhí)行對地觀測、網(wǎng)絡(luò)通信、環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、預(yù)警探測等任務(wù)的理想環(huán)境[3-5]。呂達(dá)仁等[6]針對臨近空間飛行器的特點，提出了準(zhǔn)零風(fēng)層(Quasi-Zero Wind Layer，QZWL)的概念，即平流層準(zhǔn)零風(fēng)層一般指平流層下層20 km高度附近的大氣層，上、下層緯向風(fēng)風(fēng)向相反，同時南北風(fēng)分量亦很小。平流層準(zhǔn)零風(fēng)層的低風(fēng)速特點不僅對于平流層飛艇、高空氣球等臨近空間浮空器有重要的應(yīng)用價值，同時也是影響臨近空間浮空器姿態(tài)及動力控制的重要因素[7]。因此，加強(qiáng)平流層準(zhǔn)零風(fēng)層的規(guī)律及預(yù)報方法研究，對于加強(qiáng)臨近空間浮空器的開發(fā)及應(yīng)用具有十分重要的意義。

在準(zhǔn)零風(fēng)層的概念提出后，國內(nèi)一些學(xué)者相繼開展了有關(guān)準(zhǔn)零風(fēng)層的特征分析和影響機(jī)理研究。肖存英等[8]利用ERA-40再分析風(fēng)場資料首次分析了中國上空平流層準(zhǔn)零風(fēng)層的特點及其隨季節(jié)和地理位置的變化特征，指出低緯地區(qū)一般在冬季和初春存在準(zhǔn)零風(fēng)層；中高緯地區(qū)一般在春末和夏季存在準(zhǔn)零風(fēng)層；而中低緯過渡區(qū)域準(zhǔn)零風(fēng)層的存在與準(zhǔn)兩年震蕩(QBO)有關(guān)。陶夢初等[9]根據(jù)不同的形成機(jī)制將準(zhǔn)零風(fēng)層劃分為2類，即由各高度處于不同準(zhǔn)兩年振蕩QBO位相期間形成的第1類準(zhǔn)零風(fēng)層和由平流層低層經(jīng)向溫度梯度逆轉(zhuǎn)形成的第2類準(zhǔn)零風(fēng)層，并分別研究了2類準(zhǔn)零風(fēng)層的變化規(guī)律。楊婷婷[10]分析了北半球平流層準(zhǔn)零風(fēng)層的分布特征，并分別探討了QBO、平流層經(jīng)向溫度梯度和行星波渦動通量輸送對準(zhǔn)零風(fēng)層的影響。陳伯青[11]利用ERA-Interim再分析資料與庫爾勒站探空資料，分析了中國上空準(zhǔn)零風(fēng)層的時空分布特征及其影響因素。劉杰等[12]利用NCEP再分析風(fēng)場資料和探空資料研究了新疆地區(qū)平流層底層風(fēng)場的特征，結(jié)果表明從春季到秋季準(zhǔn)零風(fēng)層存在明顯的空間變化特征，其起始高度、穩(wěn)定高度呈“U”型分布。前人的研究結(jié)果表明，中國上空準(zhǔn)零風(fēng)層的分布特征隨季節(jié)和地理位置而變化。中緯度地區(qū)的準(zhǔn)零風(fēng)層存續(xù)時間最長，其中新疆地區(qū)上空準(zhǔn)零風(fēng)層的累計天數(shù)可超過100 d[11]，且在夏季穩(wěn)定存在。

目前可用于風(fēng)場建模和預(yù)測的方法主要包括2類：數(shù)值天氣預(yù)報方法[13-15]和統(tǒng)計模型方法[16-18]。有些學(xué)者開展了針對平流層風(fēng)場預(yù)測的研究。陳伯青[11]研究了基于Weibull函數(shù)的風(fēng)速分布擬合模型對于中低緯度地區(qū)準(zhǔn)零風(fēng)層分析的適用性，表明根據(jù)Weibull 分布計算特定的累積概率風(fēng)速值，可以作為選取適宜平流層飛艇運行的低風(fēng)速風(fēng)場的判據(jù)。李魁等[19]提出一種基于本征正交分解(POD)的風(fēng)場數(shù)據(jù)降階方法，并提出一種可以對平流層風(fēng)場進(jìn)行預(yù)測的Fourier模型。龍遠(yuǎn)等[20]研究了基于PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平流層區(qū)域風(fēng)場建模與快速預(yù)測方法。前人的工作大多側(cè)重于平流層風(fēng)場的統(tǒng)計建模，有關(guān)平流層風(fēng)場數(shù)值預(yù)報的研究尚不多見。鑒于此，本文以夏季新疆地區(qū)的準(zhǔn)零風(fēng)層為代表，開展平流層低層風(fēng)場的特征分析與數(shù)值模擬研究，探索利用高分辨率數(shù)值模式開展平流層風(fēng)場預(yù)報的可行性，為臨近空間浮空器的風(fēng)場預(yù)測提供手段。

1 資料

新疆地區(qū)夏季平流層低層風(fēng)場特征分析采用美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)提供的全球分析資料(FNL)，水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向31層(1000～1 hPa)，時間分辨率6 h。數(shù)值模擬采用NCEP發(fā)布的全球預(yù)報系統(tǒng)資料(GFS)，水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向31層(1000～1 hPa)，時間分辨率3 h。采用新疆烏魯木齊站的探空資料用于模擬結(jié)果的檢驗，該資料包括垂直各層的氣壓、高度、氣溫、露點、風(fēng)向、風(fēng)速等要素，時間分辨率12 h。

2 新疆地區(qū)夏季平流層低層風(fēng)場的特征分析

2.1 緯向風(fēng)隨緯度時間的變化特征

中緯度地區(qū)準(zhǔn)零風(fēng)層的形成主要跟平流層緯向風(fēng)的季節(jié)轉(zhuǎn)換有關(guān)，因此從緯向風(fēng)轉(zhuǎn)換的規(guī)律可以分析得到準(zhǔn)零風(fēng)層的變化規(guī)律。本文采用FNL資料分析新疆地區(qū)緯向風(fēng)場的轉(zhuǎn)換規(guī)律，為進(jìn)一步說明FNL資料的可信度，選取烏魯木齊站為代表，對2017年6—8月探空資料與FNL資料平流層緯向風(fēng)隨時間的演變趨勢進(jìn)行對比分析(圖1)，二者的演變趨勢非常接近，70 hPa、50 hPa、30 hPa二者的相關(guān)系數(shù)分別為0.89，0.88和0.93，均通過0.05顯著性檢驗，表明利用FNL再分析資料開展平流層低層風(fēng)場的特征分析是可行的。在此基礎(chǔ)上，利用2017年6—8月的FNL再分析資料分析了沿85°E的30 hPa、50 hPa、70 hPa緯向風(fēng)隨緯度和時間的變化(圖2)?？梢钥吹?，在30 hPa高度上新疆大部分地區(qū)整個夏季盛行東風(fēng)。在50 hPa高度上，緯向風(fēng)隨時間的演變存在明顯的經(jīng)向差異。具體表現(xiàn)為，6月初至8月中旬前后，新疆地區(qū)自北向南西風(fēng)減弱，東風(fēng)增強(qiáng)；8月下旬開始，南部的東風(fēng)減弱，北部的西風(fēng)增強(qiáng)。在70 hPa高度上，除40°N以南地區(qū)在6月下旬至8月初受東風(fēng)控制以外，其余地區(qū)和時段主要盛行西風(fēng)。從夏季50 hPa緯向風(fēng)隨時間的演變情況也可以看出，整個夏季緯向風(fēng)呈現(xiàn)先西風(fēng)轉(zhuǎn)東風(fēng)，再東風(fēng)轉(zhuǎn)西風(fēng)的特征。此外，緯向風(fēng)的轉(zhuǎn)換存在經(jīng)向差異，西風(fēng)轉(zhuǎn)東風(fēng)的起始時間新疆南部地區(qū)早于北部地區(qū)，而東風(fēng)轉(zhuǎn)西風(fēng)的起始時間北部地區(qū)早于南部地區(qū)。同時也說明，新疆地區(qū)準(zhǔn)零風(fēng)層出現(xiàn)的時間南部地區(qū)早于北部地區(qū)，而準(zhǔn)零風(fēng)層結(jié)束的時間則是北部地區(qū)早于南部地區(qū)。

圖1 2017年6—8月烏魯木齊站探空資料(紅色)與FNL再分析資料(藍(lán)色)平流層低層緯向風(fēng)隨時間演變 (圖中實線：70 hPa；長虛線：50 hPa；短虛線：30 hPa)

圖2 2017年6—8月沿85°E的緯向風(fēng)隨緯度-時間的分布:(a)30 hPa,(b)50 hPa,(c)70 hPa

2.2 緯向風(fēng)隨時間高度的變化特征

為進(jìn)一步揭示準(zhǔn)零風(fēng)層隨時間的變化特征，以烏魯木齊站為代表利用FNL資料繪制站點上空平流層緯向風(fēng)隨高度和時間的變化圖(圖3)。圖3中零線為緯向風(fēng)的零風(fēng)速線，可以表征準(zhǔn)零風(fēng)層高度。可以看到，準(zhǔn)零風(fēng)層在整個夏季均穩(wěn)定存在。準(zhǔn)零風(fēng)層下方為弱西風(fēng)層，準(zhǔn)零風(fēng)層上方為弱東風(fēng)層。整個夏季準(zhǔn)零風(fēng)層處于70～40 hPa之間，準(zhǔn)零風(fēng)層高度隨時間存在小幅波動變化，但總體上呈現(xiàn)先降低而后升高的變化趨勢，這種變化趨勢與平流層緯向風(fēng)的季節(jié)轉(zhuǎn)換有很好的對應(yīng)關(guān)系。夏初平流層中下層由西風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)，之后伴隨東風(fēng)逐漸增強(qiáng)準(zhǔn)零風(fēng)層高度逐漸降低，夏末隨著東風(fēng)逐漸減弱，準(zhǔn)零風(fēng)層高度又逐漸恢復(fù)到夏初的位置。新疆地區(qū)夏季準(zhǔn)零風(fēng)層的形成機(jī)制可以用熱成風(fēng)原理來解釋。根據(jù)熱成風(fēng)原理平流層緯向風(fēng)的分布取決于對流層上部的緯向風(fēng)和平流層的緯向溫度梯度，北半球夏季在輻射過程的影響下，平流層大氣平均緯向溫度梯度由低緯指向高緯(為正值)，因此對流層上部的西風(fēng)會隨高度逐漸減小，并在某一高度減小為零，再向上轉(zhuǎn)為東風(fēng)，在下層西風(fēng)與上層?xùn)|風(fēng)之間形成準(zhǔn)零風(fēng)層[8]。

圖3 2017年6—8月烏魯木齊站緯向風(fēng)隨高度-時間的分布

2.3 水平風(fēng)速、風(fēng)向的頻率分布

2.3.1 水平風(fēng)速的頻率分布

圖4為利用FNL再分析資料統(tǒng)計的夏季新疆地區(qū)30 hPa、50 hPa、70 hPa各層水平風(fēng)速的頻率分布。可以看出，整個夏季30 hPa水平風(fēng)速概率集中分布在5～10 m/s之間；其次6月和8月水平風(fēng)速落在0～5 m/s區(qū)間的頻率較高，而7月水平風(fēng)速落在10～15 m/s區(qū)間的頻率較高。50 hPa水平風(fēng)速頻率主要集中分布在0～5 m/s，其次是5～10 m/s，各月水平風(fēng)速頻率的分布比較一致。70 hPa水平風(fēng)速頻率主要分布在0～5 m/s和5～10 m/s兩個區(qū)間，且各月存在明顯的差異，低風(fēng)速出現(xiàn)的頻率隨月份顯著減少，而高風(fēng)速出現(xiàn)的頻率隨月份顯著增加。對各層次低風(fēng)速頻率分布的對比分析還發(fā)現(xiàn)，50 hPa準(zhǔn)零風(fēng)層出現(xiàn)的累計頻率最高，是新疆地區(qū)夏季準(zhǔn)零風(fēng)層存在的主要層次。30 hPa低風(fēng)速出現(xiàn)的頻率存在先減小而后增大的現(xiàn)象，也從側(cè)面說明夏季準(zhǔn)零風(fēng)層高度隨時間的變化存在先降低而后升高的現(xiàn)象。

圖4 新疆夏季水平風(fēng)速的頻率分布:(a)30 hPa,(b)50 hPa,(c)70 hPa

2.3.2 水平風(fēng)向的頻率分布

圖5為利用FNL再分析資料統(tǒng)計的夏季新疆地區(qū)30 hPa、50 hPa、70 hPa各層水平風(fēng)向的頻率分布。可以看到，整個夏季30 hPa的水平風(fēng)向主要為東南風(fēng)；50 hPa的水平風(fēng)向主要為偏東風(fēng)，其中以東風(fēng)的頻率最大，其次是東北風(fēng)和東南風(fēng)；70 hPa的水平風(fēng)向主要為偏西風(fēng)，其中以西南風(fēng)的頻率最大，其次是西風(fēng)和西北風(fēng)。

圖5 2017年新疆地區(qū)夏季平流層風(fēng)向玫瑰圖

3 平流層低層風(fēng)場的數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

本文數(shù)值模擬采用的模式為WRFV4.1.2版本。模式中心點設(shè)為(87.32°E，42.4°N)，水平格點數(shù)為501×501，水平分辨率為1 km，垂直方向84層。經(jīng)過多組物理方案的對比試驗，最終采用的物理方案包括：NSSL2-moment云微物理過程方案，MYNN地表過程方案，RUC陸面過程方案，MYNN邊界層過程方案，rrtmg短波輻射和長波輻射方案。數(shù)值模擬試驗時間為2019年8月1—10日，每日起報2次，起報時間分別為00:00和12:00(世界時，下同)，模擬時效為12 h。采用GFS資料作為驅(qū)動場，每3 h更新1次。

3.2 模擬結(jié)果

3.2.1 緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)廓線的模擬

利用新疆烏魯木齊站的探空資料對平流層低層各層經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)風(fēng)速誤差進(jìn)行檢驗。圖6給出了2019年8月1—10日時段內(nèi)，緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)的均方根誤差隨高度分布，在準(zhǔn)零風(fēng)層高度范圍內(nèi)(一般18～25 km)經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)的均方根誤差均小于3 m/s?？傮w來看，平流層中低層緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)的模擬誤差除個別高度接近或超過3 m/s，其余高度均方根誤差在2 m/s左右。

3.2.2 準(zhǔn)零風(fēng)層的模擬

圖7給出了烏魯木齊2019年8月1日00:00—12:00緯向風(fēng)的模擬結(jié)果，從圖中可以清晰的看到平流層準(zhǔn)零風(fēng)層位于20 km附近，下層為弱西風(fēng)，上層為弱東風(fēng)。為了更精細(xì)地刻畫準(zhǔn)零風(fēng)層高度、風(fēng)向、風(fēng)速等參數(shù)的特征，本文在高分辨率數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上對模擬結(jié)果在垂直層次上進(jìn)行了加密插值處理，垂直分辨率達(dá)到200 m，并采用如下的判別方法確定準(zhǔn)零風(fēng)層的高度：①對水平方向上的任意格點，從對流層頂開始向上判別是否存在緯向風(fēng)的轉(zhuǎn)換層(即下層為西風(fēng)且上層為東風(fēng)的層次)，同時滿足風(fēng)速小于等于8 m/s。如存在緯向風(fēng)轉(zhuǎn)換層則將該層的高度確定為準(zhǔn)零風(fēng)層的起始高度；②自準(zhǔn)零風(fēng)層起始高度向上逐層判別，將同時滿足風(fēng)速小于等于8 m/s和風(fēng)向為偏東風(fēng)(即U<0)的最大高度，作為準(zhǔn)零風(fēng)層的頂高。

圖7 2019年8月1日00:00—12:00烏魯木齊上空緯向風(fēng)場模擬

依據(jù)準(zhǔn)零風(fēng)層診斷方法，得到2019年8月1—10日準(zhǔn)零風(fēng)層起始高度及其對應(yīng)風(fēng)向和風(fēng)速的模擬與探空資料對比結(jié)果(圖8)。需要說明的是，2019年8月8日00:00的探空資料因探測高度偏低，未能分析得到實際準(zhǔn)零風(fēng)層的相關(guān)參數(shù)，其他時次探空數(shù)據(jù)均可分析得到準(zhǔn)零風(fēng)層。從準(zhǔn)零風(fēng)層起始高度及其對應(yīng)的風(fēng)向、風(fēng)速隨時間演變的模擬結(jié)果與探空資料對比來看，兩者隨時間的演變趨勢比較一致，但模擬的準(zhǔn)零風(fēng)層風(fēng)速較實際偏大。整個模擬時段內(nèi)準(zhǔn)零風(fēng)層起始高度的平均絕對誤差為467 m，起始高度對應(yīng)的風(fēng)速均方根誤差為1.75 m/s。

圖8 2019年8月1—10日烏魯木齊站模擬與觀測的準(zhǔn)零風(fēng)層參數(shù)隨時間演變:(a)準(zhǔn)零風(fēng)層起始高度,(b)風(fēng)速,(c)風(fēng)向

4 結(jié)論與討論

本文利用2017年6—8月的FNL再分析風(fēng)場資料，分析了新疆地區(qū)夏季平流層低層風(fēng)場的時空演變特征，開展了平流層低層風(fēng)場的高分辨率數(shù)值模擬并利用烏魯木齊站的探空資料對模擬結(jié)果進(jìn)行了檢驗。

(1)新疆地區(qū)夏季平流層緯向風(fēng)隨時間的變化存在經(jīng)向差異，這一特征在50 hPa高度最為明顯；同時準(zhǔn)零風(fēng)層開始和結(jié)束的時間也存在經(jīng)向差異，準(zhǔn)零風(fēng)層的出現(xiàn)時間南部地區(qū)早于北部地區(qū)，而準(zhǔn)零風(fēng)層的結(jié)束時間則相反。

(2)新疆地區(qū)夏季準(zhǔn)零風(fēng)層處于70～40 hPa之間，其高度隨時間呈先降低而后升高的變化趨勢，這種變化趨勢與平流層緯向風(fēng)的季節(jié)轉(zhuǎn)換有很好的對應(yīng)關(guān)系。

(3)對各層風(fēng)速、風(fēng)向頻率分布的統(tǒng)計分析表明，50 hPa準(zhǔn)零風(fēng)層出現(xiàn)的累計頻率最高，是新疆地區(qū)夏季準(zhǔn)零風(fēng)層存在的主要層次。30 hPa低風(fēng)速出現(xiàn)的頻率存在先減小而后增大的現(xiàn)象，從側(cè)面也說明夏季準(zhǔn)零風(fēng)層高度隨時間的變化存在先降低而后升高的現(xiàn)象。

(4)對平流層低層風(fēng)場的模擬檢驗結(jié)果表明，在準(zhǔn)零風(fēng)層高度范圍內(nèi)(一般18～25 km)經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)的均方根誤差均小于3 m/s。模擬的準(zhǔn)零風(fēng)層起始高度及其對應(yīng)的風(fēng)向、風(fēng)速隨時間演變趨勢與探空資料分析的結(jié)果比較一致，模擬時段內(nèi)準(zhǔn)零風(fēng)層起始高度的平均絕對誤差為467 m，起始高度對應(yīng)的風(fēng)速均方根誤差為1.75 m/s。

文中以新疆地區(qū)為代表對中緯度地區(qū)的準(zhǔn)零風(fēng)層開展了數(shù)值模擬，并初步驗證了高分辨率數(shù)值模式在準(zhǔn)零風(fēng)層預(yù)報中的適用性，但由于模擬范圍有限，對可能影響準(zhǔn)零風(fēng)層變化的天氣系統(tǒng)刻畫能力不足，有待后續(xù)開展深入研究。