黃海對流云街?jǐn)?shù)值模擬與敏感性試驗

楊依麗雪 袁慧玲 陳勇

(南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院 中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點實驗室，南京 210023)

引言

云街(Cloud Street)是常見的淺邊界層對流的形式，通常在冷空氣爆發(fā)期間發(fā)展[1]，可通過衛(wèi)星云圖觀察到[2]，顯示為白色的線性拉長積云[3]。對流性云街大致與低層風(fēng)平行排列成行，在垂直于平均風(fēng)方向上等間距分布排列[4-5]。不同類型云與產(chǎn)生該云的天氣系統(tǒng)、地域及所處云系不同的發(fā)展階段等密切相關(guān)[6]。云街代表著水平滾渦對流的出現(xiàn)，對熱量、水汽、動量的輸送有著重要意義[1]。冬季黃海上空云街頻繁出現(xiàn)形成不同的云帶方向，適當(dāng)寒冷條件下，強(qiáng)冷空氣與黃渤海暖水面相互作用產(chǎn)生大氣邊界層不穩(wěn)定從而產(chǎn)生冷流降雪[7-8]，山東半島的降雪過程一直廣受關(guān)注[9-11]。此外，云街對強(qiáng)降水中尺度對流系統(tǒng)的維持與發(fā)展及極端強(qiáng)降雨的產(chǎn)生也有著重要作用[12]。本文基于2015—2019年冬季的Himawari-8衛(wèi)星圖像資料，對黃海地區(qū)的云街進(jìn)行了統(tǒng)計。

由于云現(xiàn)象尺度從數(shù)百至數(shù)千公里不等，對其數(shù)值模擬仍存在很大挑戰(zhàn)[13]。為研究水平滾渦對流的影響，不少學(xué)者提出使用更高分辨率的數(shù)值模擬[14-15]。冷空氣爆發(fā)會影響海上大風(fēng)[16]及污染物擴(kuò)散[17-18]，為了模擬與冷空氣爆發(fā)有關(guān)的低云，模型空間分辨率需要足夠小[19]，更高的分辨率對于再現(xiàn)次級環(huán)流和隨后的卷云十分重要[20]，而相關(guān)的次級環(huán)流會導(dǎo)致上升氣流和下降氣流之間的溫度、濕度和動量場有顯著差異[21]。但有時更高分辨率的模擬所提供的水平滾渦對流會不太真實[11]，可能會產(chǎn)生更多的胞狀對流。通過在足夠大的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行高分辨率的三維數(shù)值模擬，如大渦模擬(LES)或高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(NWP)模式，可以捕捉到水平滾渦對流的空間發(fā)展過程[22-24]。

利用中尺度數(shù)值模式開展真實個例的高分辨率數(shù)值模擬研究比較少，研究表明采用WRF中尺度數(shù)值模式[25]進(jìn)行數(shù)值模擬時，1 km水平格距可以較好再現(xiàn)黃海云街的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性參數(shù)可以闡明水平滾渦對流在下游向胞狀對流的轉(zhuǎn)變[19]。但是針對真實個例的高分辨率數(shù)值模擬研究仍然面臨兩個挑戰(zhàn)：①次網(wǎng)格尺度大氣運動的各種物理過程通過數(shù)值模式的積分計算不能得以準(zhǔn)確描述；②邊界層環(huán)境和云結(jié)構(gòu)在灰區(qū)和亞千米尺度內(nèi)的轉(zhuǎn)換尚未得到系統(tǒng)的解決。有研究表明，以灰色區(qū)域分辨率表示子網(wǎng)格尺度的湍流傳輸?shù)男行沁吔鐚?Planetary Boundary Layer,PBL)參數(shù)化方案[26](以下稱為NEW PBL方案)在理想化模擬中對改進(jìn)邊界層的數(shù)值模擬有較好的效果。但是NEW PBL方案應(yīng)用于真實個例的模擬以及對類似云街或?qū)α餍詽L渦模擬的作用還缺乏更多的研究，例如針對2015年11月一次冷空氣爆發(fā)產(chǎn)生的黃海云街的數(shù)值模擬，依然采用的是基于非局部K理論閉合的YSU(Yonsei University)PBL方案[19]。本文基于WRF模式，分別采用NEW PBL方案[26]和YSU PBL方案，開展冬季冷空氣爆發(fā)個例數(shù)值模擬的敏感性試驗，并探究這一類NEW PBL參數(shù)化方案對黃海對流性云街特征模擬的影響。

1 云街辨別及走向分類

冬季，偏北風(fēng)從亞洲大陸內(nèi)部帶來冷空氣團(tuán)，黃海地區(qū)海氣相互作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致其上空云街頻繁出現(xiàn)，在衛(wèi)星云圖上可以觀察到云街的發(fā)生發(fā)展。利用來自日本氣象廳(JMA)的多功能傳輸衛(wèi)星MTSAT間隔1 h的Himawari-8衛(wèi)星可見光云圖，對2015—2019年冬季(11、12、1、2月)黃海上空可見光云圖進(jìn)行主觀識別，研究了黃海上空云街的出現(xiàn)頻率和主要走向，共辨別緊密排列且走向明顯的云街天數(shù)70 d。根據(jù)積云走向?qū)⑵浞譃?類：西北東南向、南北向、東北西南向(圖1)，分別占比81.16%(56 d)，15.94%(11 d)，2.9%(2 d)，東北西南向占比較小，故之后對其不做討論。但對于云街發(fā)生和走向識別缺乏客觀標(biāo)準(zhǔn)，未來對于衛(wèi)星圖像的客觀檢索方案仍需進(jìn)一步研究。

圖1 黃海上空不同走向的典型云街衛(wèi)星云圖：(a)西北東南向，(b)南北向，(c)東北西南向

利用來自國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)的全球預(yù)報系統(tǒng)(GFS)分析數(shù)據(jù)，對西北東南向和南北向云街的GFS分析數(shù)據(jù)平均后繪制850 hPa風(fēng)場高度場及2 m濕度場。二者差別主要為850 hPa風(fēng)向變化及海陸面溫度，西北東南向云街所對應(yīng)850 hPa幾乎為西北風(fēng)，風(fēng)向近乎與等位勢線相平行，風(fēng)速為10 m/s左右(圖2a)；而南北向云街所對應(yīng)850 hPa內(nèi)陸地區(qū)風(fēng)速較小，沿海地區(qū)為較弱西北風(fēng)，但隨離岸距離增加，風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)且風(fēng)速增加，有穿越等位勢線的運動(圖2b)。此外，南北向云街的海陸面溫度較西北東南向的偏小2 ℃。

圖2 黃海上空不同走向云街850 hPa風(fēng)場(風(fēng)矢)、高度場(等值線)和2 m溫度場(填色)：(a)西北東南向，(b)南北向

2 冷空氣爆發(fā)個例情況

2015年11月25—27日，受強(qiáng)冷空氣影響，中國北方地區(qū)遭遇暴雪。華北、華東等地平均氣溫急速下降，113個氣象站的最低氣溫低于1961年以來的記錄，此案例發(fā)生期間，衛(wèi)星云圖中可觀察到西北東南向的條狀云帶(即云街)在黃海上空大面積密集分布。

25日06:00(UTC,下同)黃渤海上空開始出現(xiàn)條狀云帶。26日06:00，黃渤海大部分地區(qū)被淺積云覆蓋，條狀云帶間距減小分布變密，大致呈西北東南向，其尾部的水平滾渦對流轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞狀對流。27日00:00，水平滾渦對流減弱，云帶開始合并(圖3)。

圖3 2015年11月冷空氣爆發(fā)期間黃海上空衛(wèi)星云圖：(a)25日06:00，(b)26日06:00，(c)27日00:00

冷空氣爆發(fā)期間黃海上空以西北風(fēng)為主，位于低壓系統(tǒng)的西南部(圖4)。25日06:00，黃渤海上空攜帶干燥空氣的冷平流開始加強(qiáng)，由較弱西北風(fēng)帶到較暖海面。26日06:00，西北風(fēng)明顯加強(qiáng)達(dá)15 m/s 以上，等位勢線變密，等溫線與風(fēng)向幾乎垂直，表明黃海上空普遍存在一股強(qiáng)冷平流，同時海陸溫差增加。隨后等位勢線變疏，海陸風(fēng)向均向偏西風(fēng)轉(zhuǎn)變，海陸溫差減小。

圖4 2015年11月冷空氣爆發(fā)期間黃海區(qū)域不同走向云街850 hPa風(fēng)場(風(fēng)矢)、高度場(等值線)和2 m溫度場(填色)：(a)25日06:00，(b)26日06:00，(c)27日00:00

3 WRF試驗設(shè)計

試驗采用的數(shù)值模式為WRFv3.7.1，試驗區(qū)域為圖5所示區(qū)域D01(水平分辨率為3 km，水平格點數(shù)為599×598)和D02(水平分辨率為1 km，水平格點數(shù)為835×877)。模式于2015年11月24日12:00(UTC)開始啟動，采用單向嵌套運行96 h。微物理參數(shù)化方案采用Lin方案[27]，此方案與YSU PBL方案組合較適合高分辨率模擬和理論研究，被廣泛應(yīng)用于海霧預(yù)報[28]。邊界層參數(shù)化方案采用YSU方案[29-30]和考慮網(wǎng)格大小分辨率的邊界層方案[25](NEW PBL)。前者為基于非局部K理論閉合的邊界層方案，后者為研究用灰色區(qū)域分辨率來表示子網(wǎng)格尺度的湍流傳輸而引入的一種邊界層算法。相比于傳統(tǒng)的YSU方案，NEW方案在平均剖面、次網(wǎng)格垂直運輸剖面和能量譜上有所改進(jìn)，在理想對流模擬中，對水平滾渦對流和次級環(huán)流的模擬能力更強(qiáng)[25]。

圖5 WRF模式模擬區(qū)域設(shè)置(外層區(qū)域D01(3 km)和嵌套域D02(1 km)，陰影表示地形高度(m)，紅點表示大連站)

4 WRF高分辨率模擬結(jié)果

將考慮網(wǎng)格大小依賴性的NEW PBL方案和基于非局部K理論閉合的YSU PBL方案分別與Lin微物理方案組合為NEW方案和YSU方案，在D01、D02域?qū)S海區(qū)域進(jìn)行高分辨率模擬。

4.1 基本天氣條件

利用YSU方案和NEW方案所模擬的環(huán)境場差別較小，天氣模式、位勢高度及風(fēng)溫變化和GFS結(jié)果整體相似(圖6)。

圖6 2015年11月冷空氣爆發(fā)期間，NEW方案黃海區(qū)域850 hPa風(fēng)場(風(fēng)矢)、高度場(等值線)和2 m溫度場(填色)：(a)25日06:00，(b)26日06:00，(c)27日00:00

2015年11月25日，大連日最低最高氣溫均達(dá)到當(dāng)月最小值，分別為-7 ℃和-10 ℃。對大連站(站點號56224，121.63°E，38.90°N)最近網(wǎng)格點進(jìn)行風(fēng)速溫度模擬。兩方案均較好地再現(xiàn)了風(fēng)速的一般變化和濕度垂直分布情況，但日尺度以下的增減趨勢有所差別(圖略)。

4.2 水汽條件

兩方案均較好地再現(xiàn)了云街的盛行風(fēng)向(西北東南向)及距海岸一定距離處形成的相似覆蓋面積的云街，云街區(qū)域1000 m高度總柱云水混合比在1～2 g/kg左右。通過對兩方案的1000 m總柱云水混合比進(jìn)行相減，可看到二者云街情況(云帶數(shù)量和云帶間距)有所差別，在1 km高分率下更為明顯(圖7)。

對兩方案云水混合比相差值較大區(qū)域進(jìn)行垂直剖面分析(圖7d紅線)，沿著云街走向(東北西南向)取橫截面CD(長約40 km)，垂直云街走向(西北東南向)取橫截面AB(長約300 km)。

圖7 2015年11月NEW方案和YSU方案的黃海上空1000 m總柱云水混合比差值(NEW-YSU):(a)25日06:00 D01，(b)25日06:00 D02，(c)26日06:00 D01，(d)26日06:00 D02，(e)27日00:00 D01，(f)27日00:00 D02；(其中圖d紅線AB、CD分別沿著和垂直1000 m高度的盛行風(fēng)風(fēng)向，為后文垂直剖面分析位置)

對流的變化伴隨著云的發(fā)展和水汽的變化。模擬結(jié)果表明，水凝物主要由過冷水滴、雪和霰組成，三者隨云街發(fā)展均有所增長，其中云水混合比的變化最為明顯，且在兩方案的模擬之間差別最大。二者的云水混合比之差在26日12:00達(dá)到最大，NEW方案模擬的云水含量最大值出現(xiàn)在1.0 km高度，為0.115 g/kg，相較于YSU方案偏大0.042 g/kg(圖8b)。雖然YSU方案模擬的云水含量相較于NEW方案偏少，但雪和霰的含量更大，表明前者的微物理過程模擬中，可能通過Bergeron過程以及云水和雪、霰的碰并過程將更多的云水轉(zhuǎn)化為雪。

圖8 2015年11月黃海上空沿橫截面CD，云水、雨水、云冰、雪和霰5種水凝物混合比垂直分布:(a)25日12:00，(b)26日12:00

PBL頂部附近的相對濕度隨著水平滾渦對流的發(fā)展而增加，25日06:00至26日12:00，整層濕度顯著增大，在0.8～1.2 km間最明顯。26日12:00，沿橫截面AB離岸距離50～300 km處，PBL深度附近顯示出連續(xù)大范圍的明顯濕潤(RH>90%)中心(圖9)，兩方案關(guān)于濕度的模擬基本一致，NEW方案的濕潤區(qū)在垂直方向上分布更深厚。

4.3 熱力條件

沿橫截面CD，溫度和露點溫度的差值隨時間推移逐漸減小，即濕度逐漸增大，YSU方案和NEW方案具有相似的垂直溫度結(jié)構(gòu)和變化，但NEW方案模擬的露點溫度偏高，從而模擬出更大的濕度(圖10)。

圖10 沿橫截面CD，2015年11月25日12:00至26日12：00溫度tc和露點溫度td垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案(圖例中2512表示25日12:00，以此類推，下同)

26日12:00，兩個方案模擬的海氣溫差由10 km的-18 K變化到225 km的-11 K(圖略)，表明自西北方向而來的干冷空氣在經(jīng)過黃渤海溫暖海面時被加熱加濕，海氣相互作用明顯。沿橫截面CD，可以看到云街的發(fā)展消亡伴隨著潛熱感熱通量的增大減小，25日12:00潛熱通量為320 W/m2，感熱通量為270 W/m2，隨云街發(fā)展?jié)摕岣袩嵬垦杆僭龃?，增幅大?50 W/m2，隨云街消亡又逐漸減小。

可以看到，YSU方案和NEW方案在云街出生和消亡時的潛熱感熱通量差別不大，但在云街的發(fā)展過程中(25日12:00至26日12:00)，二者模擬的潛熱感熱通量的差別逐漸增大并在26日18:00達(dá)到最大，為20 W/m2左右，且NEW方案模擬的潛熱感熱通量的趨勢相對偏右一些(圖11)。

圖11 2015年11月沿橫截面CD，潛熱(LH)和感熱(SH)通量(單位：W/m2)垂直分布：(a)25日12:00，(b)26日18:00，(c)27日00:00

4.4 動力條件

兩方案在水平及垂直速度的垂直分布上有較大差別。隨云街發(fā)展，沿橫截面AB和CD的平均水平風(fēng)速均不斷增大，25日12:00至26日12:00，風(fēng)速增幅達(dá)到7 m/s?？梢钥吹皆谠平职l(fā)展過程中，NEW方案所模擬的平均水平風(fēng)速在1 km以下時均比YSU方案大0.5 m/s(圖12)。水平風(fēng)速越大，海氣溫差越大，從而越有利于水平滾渦對流的發(fā)展。

圖12 2015年11月25日12：00至27日00：00沿橫截面，水平速度時間變化：(a)AB，(b)CD

隨云街的發(fā)生發(fā)展消亡，垂直速度有明顯的變化，整個過程中NEW方案在1.2 km以下模擬的垂直速度均偏大，云街發(fā)展最強(qiáng)時(26日12:00)兩方案差別最為明顯，NEW方案垂直速度偏大0.1 m/s，在0.8 km最顯著(圖13)。

圖13 2015年11月25—27日沿橫截面，垂直速度時間變化：(a)AB，(b)CD

沿橫截面CD，26日12:00的上升下降氣流達(dá)到最強(qiáng)，此時云街也發(fā)展至最盛，可以看到兩方案均能模擬出垂直氣流，但強(qiáng)度有明顯差別，NEW方案的上升下降氣流強(qiáng)度明顯偏大，上升速度最大值達(dá)1.2 m/s，上升氣流中心對應(yīng)有更強(qiáng)的云水混合比，下降速度最大值達(dá)-0.6 m/s(圖14)，同一時刻低層風(fēng)速也更大(圖15)。

圖14 沿橫截面CD，2015年11月26日12:00垂直速度(填色)、云水混合比(黑色實線)和溫度(紅色虛線)垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案

圖15 沿橫截面CD，2015年11月26日12:00水平速度(填色)、云水混合比(黑色實線)和溫度(紅色虛線)垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案

沿橫截面AB，兩方案先后在離岸100 km及之后位置產(chǎn)生了上升下降氣流，但NEW于25日06:00更先在離岸100 km處產(chǎn)生上升氣流(圖16)。先前的研究表明對流活動通常與溫暖開放的水域上冷空氣爆發(fā)有關(guān)，云街從海岸線下游100 km或更近的地方開始形成[31],上述結(jié)果與先前的研究一致。26日12:00的上升下降氣流達(dá)到最強(qiáng)，此時云街也發(fā)展至最盛，可以看到兩方案均能模擬出沿AB的垂直氣流，但強(qiáng)度有明顯差別，NEW方案的上升下降氣流強(qiáng)度明顯偏大，上升速度最大值大于1.4 m/s(圖17)。

圖16 沿橫截面AB，2015年11月25日06:00垂直速度(填色)和水平速度(風(fēng)向桿)垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案

圖17 沿橫截面AB，2015年11月26日12:00垂直速度(填色)和水平速度(風(fēng)向桿)垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案

NEW方案所模擬的水平滾渦對流和上升下降氣流的強(qiáng)度更大，持續(xù)時間更長，這也將導(dǎo)致其云水混合比更高(圖8)，使得更多的云得以發(fā)展。

4.5 穩(wěn)定性參數(shù)ζ

云街的帶狀結(jié)構(gòu)通常與開放或封閉的細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)連接在一個區(qū)域，有組織的對流對動量、熱量和水分的垂直傳輸有很大的貢獻(xiàn)[32]。之前的研究[19,33-34]提出了從水平滾渦對流向胞狀對流過渡的各種標(biāo)準(zhǔn)，表明這種過渡可能與穩(wěn)定性參數(shù)ζ的變化有關(guān)。

(1)

(2)

其中，L為Obukhov長度，穩(wěn)定時L為正值，不穩(wěn)定時L為負(fù)值，Zi為PBL深度，u*為摩擦速度，θ0為表面空氣溫度，Q0為感熱通量，κ為卡爾曼常數(shù)(約0.4)，g為重力加速度常數(shù)(約9.8)。無量綱穩(wěn)定性參數(shù)ζ表示浮力與垂直剪切或湍流動能消耗(TKE)的相對作用，隨著ζ的增加，線形云街向開放的細(xì)胞狀云過渡，因此模擬時可通過ζ值的變化來研究水平滾渦對流的發(fā)生發(fā)展。

在云街的初生和消亡時，兩方案對于Obukhov長度和PBL深度的模擬差別不大，即穩(wěn)定性參數(shù)ζ相當(dāng)。云街發(fā)展過程中，Obukhov長度逐漸減小即越不穩(wěn)定，NEW方案模擬的Obukhov長度值更小，PBL深度值更小，導(dǎo)致其穩(wěn)定性參數(shù)ζ更小，模擬的水平滾渦對流強(qiáng)度更大(圖18)。

圖18 2015年11月沿橫截面CD的Obukhov長度L和PBL深度Zi:(a)25日12:00，(b)26日12:00，(c)27日00:00

5 結(jié)論與討論

本文對2015—2019年冬季黃海上空云街Himawari-8衛(wèi)星可見光云圖進(jìn)行主觀識別和走向分類，利用GFS模式的分析場數(shù)據(jù)對西北東南向和南北向的云街進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)云街走向與850 hPa風(fēng)場、海陸溫差等條件有關(guān)。

2015年11月北方經(jīng)歷了一次強(qiáng)冷空氣過程，黃渤海上空為西北東南向條狀云帶大面積覆蓋，在研究區(qū)域進(jìn)行WRF高分辨率數(shù)值模擬，采用微物理參數(shù)化Lin方案，分別結(jié)合基于非局部K理論閉合的YSU邊界層參數(shù)化方案和考慮垂直熱輸運的網(wǎng)格大小依賴性的邊界層參數(shù)化方案(NEW方案)。對比分析兩方案的模擬結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1)兩方案均能較好再現(xiàn)了云街出現(xiàn)區(qū)域和盛行風(fēng)向。

(2)由于NEW方案在理想對流模擬中，對水平滾渦對流和次級環(huán)流的模擬能力更強(qiáng)，應(yīng)用于本次云街過程的真實模擬中，其水平和垂直速度偏大，水平滾渦對流和上升下降氣流的強(qiáng)度更大，持續(xù)時間更長，這也導(dǎo)致其云水混合比更高，促進(jìn)更多的云得以發(fā)展。

(3)采用考慮NEW方案的云街發(fā)展過程中，Obukhov長度更小，PBL深度值更小，導(dǎo)致其穩(wěn)定性參數(shù)ζ更小，模擬的水平滾渦對流強(qiáng)度更大。

將來仍需考慮更多云街個例，采用不同微物理參數(shù)化方案進(jìn)行組合，此外對于云街客觀識別和模擬結(jié)果比對，更為合適的檢驗評估方法仍有待研究。