一次冰雹天氣的數(shù)值模擬及地形敏感性試驗研究*

劉 濤，王 瑾

(1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081；2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002)

0 引言

貴州省位于中國西南的高原山地，處于烏蒙橫斷山脈東側(cè)，地勢西高東低，地形多為山地、丘陵，是我國冰雹多發(fā)省份之一，其分布也具有季節(jié)性強、雹日高度集中的特征[1-2]。且研究表明[3]，貴州省冰雹的形成及雹云的生成、發(fā)展與局地中尺度地形和冷鋒低槽等西風帶系統(tǒng)相互作用有關(guān)，初始對流云在源地生成后沿地面輻合線東移，在地面冷鋒作用下輻合線鋒生，動力抬升增強促使對流云強烈發(fā)展成為冰雹云，在冷鋒與地面露點鋒區(qū)之間產(chǎn)生降雹，并可能給貴州、湖南、廣西等省區(qū)造成冰雹天氣。

近年來，國內(nèi)不少研究者采用冰雹云數(shù)值模式在冰雹形成機理方面做了很多工作[4-8]。冰雹云數(shù)值模式大多沒有考慮地形或采用理想地形，很難再現(xiàn)實際冰雹云的形成和發(fā)展過程。而中尺度數(shù)值模式對于地形、輻射、路面過程、邊界層過程以及云微物理過程的考慮更為全面，采用高分辨率的中尺度數(shù)值模式，對于模擬和再現(xiàn)實際冰雹云過程具有較大的優(yōu)勢，已成為研究冰雹云形成、演變的重要手段[9-15]。

本文利用中尺度數(shù)值模式WRF(Weather Research and Forecasting)模擬研究了2020年3月23日貴州省一次持續(xù)時間較長、降雹范圍較大的冰雹天氣過程，并開展地形敏感性試驗，分析了地形對冰雹形成發(fā)展、分布的影響。

1 模式設(shè)計和資料介紹

1.1 模式設(shè)計

WRF模式是美國環(huán)境預測中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)和美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research，NCAR)等聯(lián)合研發(fā)，用于業(yè)務(wù)與研究的新一代高分辨率、完全可壓非靜力的中尺度數(shù)值天氣預報模式，重點解決分辨率1～10 km，時效為60 h以內(nèi)的有限區(qū)域天氣預報和模擬問題。

本文使用的是WRF3.9.1版本，水平格點選用Arakawa-C格點，垂直方向采用地形追隨質(zhì)量坐標(歐拉質(zhì)量坐標)。采用雙向三重嵌套方案，區(qū)域中心為(27°N，107°E)，水平格距分別為9 km、3 km、1 km，實現(xiàn)對貴州省內(nèi)冰雹過程的高分辨率模擬，網(wǎng)格嵌套以及區(qū)域設(shè)計如表1和圖1所示。第1層覆蓋了西南地區(qū)東部、華中地區(qū)中南部、華中地區(qū)中西部和華南地區(qū)大部，這個大網(wǎng)格范圍基本覆蓋了影響貴州冰雹過程的主要天氣尺度系統(tǒng)，有利于提高對細網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)中小尺度系統(tǒng)的模擬能力。第2層覆蓋了貴州不同冰雹路徑的主要源地；最內(nèi)層網(wǎng)格定位則主要為了跟蹤引起貴州冰雹過程的中小尺度對流云團的發(fā)展過程，并便于對對流云系產(chǎn)生冰雹的機制進行分析。

表1 WRF-ARW模式模擬參數(shù)設(shè)置Tab.1 WRF-ARW mode simulation parameter settings

圖1 WRF模式3層嵌套模擬區(qū)域(d01、d02、d03分別代表1、2、3層模擬區(qū)域)Fig.1 Three layer nested simulation area of WRF mode(D01, D02 and D03 represent layer 1, 2 and 3 simulation areas respectively)

1.2 資料介紹

模式初始場采用歐洲中心提供的0.25°×0.25°ERA5再分析資料(the fifth generation ECMWF atmospheric reanalysis of the global climate.)，水平分辨為0.25°×0.25°，初始場資料每6 h更新一次。為驗證模式模擬效果，選用了貴州省10部C波段多普勒雷達資料(貴陽、六盤水、畢節(jié)、興義、遵義、都勻、三穗、銅仁、務(wù)川、榕江)及其產(chǎn)品(如組合雷達反射率等)；風云2G衛(wèi)星資料，由陳英英[16-17]采用的反演方法得到的衛(wèi)星云微物理參數(shù)反演產(chǎn)品。

2 冰雹個例實況及天氣形勢分析

2020年3月23日14時18分—23時02分(北京時，下同)，貴州省受南支槽前西南氣流控制，至14時，南支槽東移、副高東退(圖2)。貴州省中部以西地區(qū)出現(xiàn)大范圍的降雹過程，30個降雹點主要集中在貴州省中部一帶及西南部兩個區(qū)域，且處于烏蒙山東側(cè)下坡處，這兩個降雹區(qū)域的降雹出現(xiàn)時段均呈現(xiàn)西早東晚、南早北晚，由西向東降雹時間逐步推遲的特征(圖3a)；貴州省西南部區(qū)域降雹直徑存在南部為2～4 mm，北部為2 mm或大于4 mm的特點(圖3b)。

圖2 2020年3月23日ERA5再分析資料500 hPa形勢場(a：08時；b：14時；黑色等值線：氣壓場；虛線：溫度場；箭頭：水平風場)Fig.2 500 hPa situation field of era5 reanalysis data on March 23, 2020(a: 08:00; b: 14:00; black isoline: pressure field; dotted line: temperature field; arrow: horizontal wind field)

圖3 2020年3月23日降雹分布(a：降雹時段分布；b：降雹直徑分布)Fig.3 Hail Distribution on March 23, 2020(a: hail period distribution; b: Hail Diameter Distribution)

3 模擬結(jié)果驗證

3.1 形勢場對比

從14時、20時ERA5和模擬的500 hPa形勢場上來看，模式對風場和溫度場的模擬結(jié)果與實況基本一致，模式也模擬出了氣壓場的分布和走向，但模擬的氣壓場比實況約低10 hPa(圖4)。

3.2 冰雹云場對比

從FY-2G衛(wèi)星產(chǎn)品相當黑體溫度(Black-Body Temperature, TBB)與模擬云帶(云水、冰晶、雪晶、霰、雨水、冰雹等6個水凝物比質(zhì)量垂直氣壓加權(quán)累計值)對比可以看出(圖5)，至23日16時，模式基本模擬出了冰雹云的分布，但模擬結(jié)果比實況滯后近3 h；至23日19時，對于貴州省中部以北的冰雹云的分布及移動方向模擬結(jié)果與實況基本一致，但滯后3 h，對于貴州省中部以南的冰雹云，模式模擬出了移動方向，但移速較實況過快，位置較實況偏東。

圖4 2020年3月23日ERA5(a、c)和模擬(b、d)500 hPa形勢場對比(藍線：氣壓場；紅線：溫度場；箭頭：水平風場)Fig.4 Comparison between era5 (left) and simulated (right) 500 hPa situation field(blue line: pressure field; red line: temperature field; arrow: horizontal wind field)

圖5 2020年3月23日衛(wèi)星反演黑體亮溫(a、c)與模擬云帶(b、d，即云水、冰晶、雪晶、霰、雨水、冰雹等6個水凝物垂直累計值，單位：g·kg-1對比)Fig.5 Comparison between blackbody brightness temperature retrieved by satellite and simulated cloud belt (right, i.e. vertical cumulative values of cloud water, ice crystal, snow crystal, graupel, rain and hail,unit∶ g·kg-1)

3.3 雷達回波演變特征對比

圖6給出了實況與模擬雷達組合反射率的演變對比，可得出與圖4相似的結(jié)論，模擬結(jié)果較實況滯后約3 h，對于貴州省中部以北的對流云團，模式可以很好地模擬出其位置及移動方向，回波強度也與實況基本一致；但對于貴州省中部以南的對流云團，模擬結(jié)果較實況偏東，且移速較實況偏快。

圖6 2020年3月23日實況(a、c)與模擬(b、d)雷達組合反射率對比Fig.6 Comparison of combined reflectance of live and simulated radar

3.4 降雹分布特征對比

3月23日08時—24日08時，模式模擬的降雹分布(圖7)與實況(圖3)較一致，模式對于貴州省中部以北的降雹模擬較好，但對于貴州省南部降雹的分布模擬相對較差。從模擬的逐小時降雹分布(圖略)與實況降雹出現(xiàn)時間分布圖(圖3a)對比來看，模式模擬的降雹時段為23日17時—24日05時，模擬開始出現(xiàn)降雹比實況滯后約3 h，模擬降雹持續(xù)時間比實況多3 h，貴州省中部以北降雹分布與實況基本一致，但貴州省南部的降雹分布較實況略偏東。

圖7 模擬23日08時—24日08時降雹量Fig.7 Simulated hailfall from 08:00 on the 23rd to 08:00 on the 24th

通過以上分析可知，模擬與觀測冰雹云移動方向一致，均是從貴州省西部進入向東偏北方向移動，模擬的南部冰雹云移動較實況略快，模擬的降雹點與實況相比較一致，模擬出了南北兩條降雹帶。由于模擬雹云生命史、回波強度、雹云移動方向以及空間位置、降雹時間和冰雹落區(qū)等與觀測有著比較好的一致性，這為進行敏感性試驗奠定了良好的基礎(chǔ)，故而在此基礎(chǔ)上開展地形敏感性試驗研究，以期探討地形對冰雹云發(fā)生發(fā)展及降雹分布的影響。

4 地形敏感性試驗

4.1 敏感性試驗設(shè)計方案

為了研究此次冰雹天氣地形的作用，本文對模擬地形進行了敏感性試驗(test1、test2、test3、test4、test5)，ctrl為原地形控制試驗，test1試驗是將原地形高度降低一半，test2試驗是將原地形高于1 500 m的部分全部改為1 500 m，test3試驗是將原地形高度升高1.2倍，test4試驗是僅將烏蒙山(24.646 1～28.501 2°N，102.533～106.497°E)地形高度降低一半，test5試驗是僅將烏蒙山地形高度升高1.2倍(圖8)。然后將test1、test2、test3、test4、test5和控制試驗ctrl模擬結(jié)果進行對比分析，從而探討地形對此次冰雹天氣的影響。

圖8 模擬采用地形(a：ctl；b：test1；c：test2；d：test3；e：test4；f：test5)Fig.8 Simulated terrain(a: ctl; b: test1; c: test2;d: test3; e: test4; f: test5)

4.2 敏感性試驗結(jié)果分析

4.2.1 地形對降雹的影響 將敏感性試驗與控制試驗的24 h降雹量結(jié)果進行對比(圖9)，可以看出，地形改變后降雹帶的分布及量級均發(fā)生了變化，地形降低的試驗(test1、test4)降雹均減弱，其中test1北部降雹消失，南部降雹減弱且較控制試驗更為偏南，test2南部降雹基本消失，北部降雹減弱。地形升高的試驗(test3、test5)北部降雹均增強，其中test3北部降雹增強，且范圍較控制試驗南北更寬東西更長，并出現(xiàn)了多個降雹強中心，test5北部降雹增強且較控制試驗略微偏南，并向東發(fā)展。西部變?yōu)?500平臺的test4試驗較控制試驗而言，北部的降雹南壓且增強，南部的降雹偏西。從貴州區(qū)域(24.5～29.5°N，103.5～110°E)的降雹量做區(qū)域累計值隨時間變化圖(圖10)，可以看出地形降低試驗的累計總降雹量均低于控制試驗，地形升高試驗的累計總降雹量均高于控制試驗，test3的累計總降雹量最高，test4的累計總降雹量最低(圖10a)，地形的改變使得累計逐小時降雹量的波形發(fā)生了變化，test2、test3、test5的降雹極大值出現(xiàn)的時間接近控制試驗，出現(xiàn)在23日23時—24日00時左右，而test1、test4的降雹極大值出現(xiàn)的時間均晚于控制試驗，但是地形的改變對冰雹的出現(xiàn)時間、持續(xù)時間改變不大(圖10b)。

圖9 2020年3月23日08時—24日08時模擬24 h降雹分布對(a：ctl；b：test1；c：test2；d：test3；e：test4；f：test5)Fig.9 Comparison of simulated 24h Hailfall(a: ctl; b: test1;c: test2; d: test3; e: test4; f: test5)

圖10 貴州區(qū)域累計降雹量時間變化(a：累計總降雹量；b：累計逐小時降雹)Fig.10 Time variation of cumulative hailfall in Guizhou(a: cumulative total hailfall; b: cumulative hourly hailfall)

上述分析可知，地形的改變對冰雹的空間分布和發(fā)展有影響，地形增高會使冰雹分布范圍更廣，發(fā)展更旺盛，甚至會造成多降雹強中心的生成，地形降低反之。

4.2.2 地形對10 m風場的影響 圖11給出了模擬冰雹發(fā)生時，即2020年3月23日18時貴州上空10 m風場。對比控制試驗和敏感性試驗結(jié)果可以看出，地形降低(test1、test4)使得貴州省的風場輻合減弱，地形升高(test3、test5)使得貴州省西部偏南風大幅增強，同時增強了風場輻合，由于風場的變化，敏感性試驗的地面輻合線位置也較控制試驗有所變化。

圖11 2020年3月23日18時10 m風場對比(a：ctl；b：test1；c：test2；d：test3；e：test4；f：test5)Fig.11 Comparison of 10m wind field at 18 on March 23, 2020(a: ctl; b: test1; c: test2; d: test3; e: test4; f: test5)

4.2.3 地形對動力場的影響 對比控制試驗和敏感性試驗貴州區(qū)域最大上升速度隨時間變化結(jié)果(圖12)可知，ctrl控制試驗有3個最大上升速度極值中心，分別出現(xiàn)在23日22時、24日01時和05時，而改變地形的敏感性試驗中最大上升速度最早出現(xiàn)的極值中心均早于控制試驗。地形降低的試驗中最大上升速度極大值均低于24 m·s-1，且相對均勻地出現(xiàn)在傍晚到午夜期間。地形升高的試驗中最大上升速度極大值均高于24 m·s-1，且最大值出現(xiàn)在23日18時左右(模擬降雹開始時刻)。貴州區(qū)域平均相對渦度隨時間變化對比(圖13)可以看出，地形增高的試驗與控制試驗變化不大，但地形降低的試驗在冰雹生成及發(fā)展前期、800～600 hPa區(qū)間出現(xiàn)了輻散，不利于冰雹的生成發(fā)展。

圖12 貴州區(qū)域最大上升速度隨時間變化對比(a：ctl；b：test1；c：test2；d：test3；e：test4；f：test5)Fig.12 Comparison of the maximum vertical velocity with time in Guizhou(a: ctl; b: test1; c: test2; d: test3; e: test4; f: test5)

圖13 貴州區(qū)域平均相對渦度隨時間變化對比(a：ctl；b：test1；c：test2；d：test3；e：test4；f：test5)Fig.13 Comparison of regional average relative vorticity with time in Guizhou(a: ctl; b: test1; c: test2; d: test3; e: test4; f: test5)

4.2.4 地形對微物理場的影響 基于4.2.1的結(jié)果，分別選定控制試驗和各個敏感性試驗貴州區(qū)域累計逐小時降雹量極大值出現(xiàn)的時刻，做水凝物的區(qū)域平均值垂直變化圖(圖14)?？刂圃囼炛?，空中具有相對充沛的過冷水，為貝吉隆過程提供了良好的條件，且雪晶和霰的比水量高(分別大于0.07 g·kg-1、0.09 g·kg-1)，冰雹主要是由雪晶和霰粒子轉(zhuǎn)化而來，降雹的同時伴隨降水。敏感性試驗均是雪晶和霰比水量高，但是test1試驗中雪晶和霰粒子的比水量均小于控制試驗，過冷水也不如控制試驗，這也導致了冰雹和雨水的比水量遜于控制試驗；test2試驗的情況與test1類似；test3試驗的雪晶比水量遠大于控制試驗，霰的比水量小于控制試驗，但有著更為充沛的過冷水，冰雹生成發(fā)展的條件優(yōu)于控制試驗；test4試驗的雪晶和霰的比水量均大于控制試驗(其中雪晶比水量大于0.1 g·kg-1)，但其過冷水含量與控制試驗相當，在一定程度上抑制了冰雹的濕增長；test5試驗的情況與test3類似。

圖14 2020年3月23—24日各試驗降雹極大值時刻貴州區(qū)域平均水凝物垂直變化對比(a：ctl；b：test1；c：test2；d：test3；e：test4；f：test5)Fig.14 Comparison of vertical changes of regional average condensate in Guizhou at the maximum of Hailfall in each test(a: ctl; b: test1; c: test2; d: test3; e: test4; f: test5)

5 結(jié)論與討論

本文利用中尺度數(shù)值模式模擬研究了2020年3月23日貴州一次冰雹天氣過程，并通過開展地形敏感性試驗，分析了地形對冰雹云發(fā)生發(fā)展及降雹分布的影響。主要結(jié)論如下：

①WRF模式模擬冰雹云移動、冰雹落區(qū)和演變特征與觀測有較好的一致性。

②地形的改變對冰雹的空間分布和發(fā)展有影響，地形增高會使冰雹分布范圍更廣、發(fā)展更旺盛，甚至會造成多降雹強中心的生成，地形降低反之。

③地形增高使得貴州省西部的偏南氣流增強，加強輻合，在降雹初期提升垂直上升速度，使得冰雹更加快速地生成、增長；地形降低反之，且會在低層出現(xiàn)輻散，不利于冰雹發(fā)生發(fā)展。

④地形增高試驗中具有更為充沛的過冷水和較豐富的雪晶、霰，為冰雹通過貝吉隆過程及碰并過程的濕、干增長提供了更為優(yōu)越的條件。