利用氣象模式WRF對2016年6月23日鹽城強(qiáng)對流風(fēng)暴過程的數(shù)值模擬研究

方鴻俊　方習(xí)生

【摘 要】2016年6月23日發(fā)生在江蘇省鹽城市阜寧縣境內(nèi)的龍卷風(fēng)是近年來發(fā)生在我國的具有巨大破壞力和影響力的龍卷風(fēng)過程。為了研究該龍卷風(fēng)所在的強(qiáng)對流風(fēng)暴中的中層中尺度氣旋的生成因素，本文采用中尺度氣象模式WRF（Weather Research and Forecast）對本次強(qiáng)對流風(fēng)暴過程進(jìn)行了模擬。利用基于后向軌跡法（backward trajectory）的環(huán)流分析法分別對中層中尺度氣旋在發(fā)展和成熟階段的環(huán)量進(jìn)行了計算分析。結(jié)果表明，傾壓項是中層中尺度氣旋環(huán)量的主要來源，摩擦力項具備較大的波動性?？剖搅椩谳^深的對流過程中起作用。

【關(guān)鍵詞】鹽城龍卷風(fēng)；強(qiáng)對流風(fēng)暴；WRF；后向軌跡法

中圖分類號： D632.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）19-0215-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.097

Numerical Simulation Study on June 23， 2016 Yanchen Strong Convective Storm Process by Meteorological Model WRF

FANG Hong-jun1 FANG Xi-sheng2

（1.Qingdao NO.1 Middle School Shandong，Qingdao Shandong 266002，China；2.The First Institute Of Oceanography，Soa，Qingdao Shandong 266061，China）

【Abstract】The tornado happened on June 23，2016 in Funing County，Yanchen City，Jiangsu Province is a tornado process that happened in China recent years which has severe damage and great influence.To investigate the generation factor of the mid-level mesocyclone in the strong convective storm，this research utilizes mesoscale meteorological model WRF（Weather Research and Forecast）to simulate the storm process.The circulations of the mid-level mesocyclone during developing and mature stage are analyzed by using the circulation analysis method based on backward trajectory calculation.The results show that baroclinic terms is the main source of the circulation of mid-level mesocyclone. Friction term has large fluctuation.Coriolis force term is effective when deep convection occurs.

【Key words】Yanchen Tornado；Strong Convective Storm；WRF；Backward Trajectory

0 引言

近年來在我國對龍卷風(fēng)的研究取得了長足的進(jìn)展，然而龍卷風(fēng)由于其突發(fā)性，局域性，在預(yù)報和防災(zāi)方面依然具有極大的難度。中尺度氣旋結(jié)構(gòu)在大量的觀測和模擬中被發(fā)現(xiàn)與龍卷風(fēng)的產(chǎn)生密切相關(guān)[1]。2016年6月23日下午在江蘇省鹽城市阜寧縣境內(nèi)發(fā)生了EF4 （Enhanced Fujita 4） 級的強(qiáng)烈龍卷風(fēng)，該次龍卷風(fēng)過程及冰雹災(zāi)害造成了99人死亡，846人受傷。本文將利用中尺度氣象模式WRF（Weather Research and Forecast）對本次強(qiáng)對流風(fēng)暴過程進(jìn)行模擬。由于本次模擬采用了水平方向4千米的網(wǎng)格分辨率，故本次風(fēng)暴過程中的中層中尺度氣旋結(jié)構(gòu)得以一定程度的解析。為了解該中層中尺度氣旋的渦量來源，采用基于基于后向軌跡法（backward trajectory）的環(huán)量分析法對該中層中尺度氣旋的渦量來源進(jìn)行了計算分析。

1 模式設(shè)置

WRF模式是1997年由美國國家大氣研究中心（NCAR），國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP），預(yù)報系統(tǒng)實驗室的預(yù)報研究處（EMC）和俄克拉荷馬大學(xué)的風(fēng)暴分析預(yù)測中心等四個部門聯(lián)合開發(fā)的中尺度預(yù)報和同化系統(tǒng)[2]。本文利用其中的ARW（Advanced Research WRF）內(nèi)核。WRF在數(shù)值方向上采用地形跟隨的θ坐標(biāo)系，格點(diǎn)采用的Arakawa-C格點(diǎn)定義矢量和標(biāo)量的位置。本次模擬采用NCEP提供的最終分析資料FNL作為初始條件和邊界條件，每6小時更新一次，分辨率為0.5°。模式地表靜態(tài)資料采用美國國家地質(zhì)勘探局USGS資料，包含地面高程和地表覆蓋類別等物理量，其分辨率為30-sec。

本次模擬過程從2012年6月23日8時開始至17時（北京時間UTC+08）結(jié)束，采用單層網(wǎng)格，水平網(wǎng)格間距為4km?；镜膮?shù)設(shè)置如表1所示。計算區(qū)域的選取如圖1所示。

圖1左圖為WRF的計算域，左圖中粉色方框所示位置對應(yīng)右圖所在范圍。兩圖中色彩輪廓所示為2016年6月23日15時4千米高度處的降水粒子混合比，紅色星號標(biāo)記了鹽城龍卷風(fēng)發(fā)生位置。右圖中虛線為以百帕為間隔的等壓線。

2 計算結(jié)果與環(huán)流分析

本次研究中利用WRF模式成功模擬了2016年6月23下午發(fā)生在魯南蘇北地區(qū)的強(qiáng)對流風(fēng)暴過程。伴隨著較強(qiáng)的降水粒子區(qū)域，一個超級單體與12時30分左右出現(xiàn)在安徽省亳州市上空，隨后繼續(xù)向東移動。于13時左右出現(xiàn)一個中層中尺度氣旋結(jié)構(gòu)（圖3）。中尺度氣旋中心伴隨著約3百帕的中心氣壓降和上升氣流。該中層中尺度氣旋于17時發(fā)展至成熟階段。此時的中尺度氣旋具有較高的渦度（大于0.006 s-1），同時氣旋中心壓力降約為6百帕，上升氣流的強(qiáng)度較發(fā)展階段也更大。氣旋結(jié)構(gòu)的直徑約為15千米且隨著時間的推進(jìn)緩慢擴(kuò)大。該氣旋于17時左右進(jìn)入黃海上空。氣旋運(yùn)動的路徑在實際龍卷風(fēng)災(zāi)害發(fā)生地偏北60千米左右。4千米高度處的最大渦度如圖2所示，16時20分左右出現(xiàn)了另一個較大的渦度峰值，其對應(yīng)為該中尺度氣旋西側(cè)的另一個渦度中心。該渦度中心出現(xiàn)時間較短且不具備較強(qiáng)的上升氣流和中心氣壓降故不被認(rèn)為對應(yīng)于本次研究關(guān)心的典型中尺度氣旋結(jié)構(gòu)。

圖2WRF模擬計算的4千米高度處的最大渦度值。最大渦度取值所在的平面覆蓋了整個中尺度氣旋及其超級單體發(fā)展所歷經(jīng)的全域。時間表示以2016年6月23日為起點(diǎn)的小時數(shù)，如時間坐標(biāo)“8”表示“2016年6月23日8時”。最大渦度的計算頻率為每分鐘。

為了解本次強(qiáng)對流風(fēng)暴過程中出現(xiàn)的中層中尺度氣旋的渦量/環(huán)量來源，本研究擬利用環(huán)流分析對環(huán)量中各個源項的進(jìn)行定量分析。環(huán)量C的定義如公式1所示即速度向量對一個有向閉合環(huán)路的積分。

式中，p和ρ分別表示大氣壓力和密度。F表示摩擦力，在WRF中摩擦力由湍流模型和近地面的表面層方案求得。此外由于WRF采用地面參考系，故必須考慮地球自轉(zhuǎn)帶來的科式力的作用。

本研究中的閉合環(huán)路利用沿環(huán)路分布的粒子表征，通過計算各個粒子的運(yùn)動軌跡即可得到閉合環(huán)路的運(yùn)動運(yùn)動軌跡，由于本次研究需要關(guān)注圍繞中尺度氣旋的閉合環(huán)路的來源，故采用后向軌跡法計算閉合環(huán)路的發(fā)展路徑。后向軌跡法采用基于WRF計算得到的速度場進(jìn)行推演，時間迭代采用4階Runge Kutta法，迭代步長為6-sec。WRF的計算結(jié)果以每分鐘頻率保存，采用線性差值來提供時間迭代步中所需的風(fēng)速場和其他物理量?？臻g上粒子所在位置的速度由周圍的64個WRF模型格點(diǎn)的速度插值得到。如果推演過程中兩個相鄰粒子的間距超過4千米，將在二者之間增加一個額外的粒子以保證計算準(zhǔn)確度。公式2右邊的各個物理量也通過周圍的64個WRF模型格點(diǎn)的物理量插值得到。

本研究分別對中層中尺度氣旋在發(fā)展階段和成熟階段的環(huán)量起源進(jìn)行了分析。環(huán)路的初始位置由圖3所示。

環(huán)流分析的計算結(jié)果由圖4所示。環(huán)量計算的準(zhǔn)確性可以通過對比由公式（1）計算得到的環(huán)量和由公式（2）疊加計算得到的積分環(huán)量得知。可知兩個時間點(diǎn)的環(huán)流分析中，環(huán)流和積分環(huán)流具備較為良好的一致性。由于不可避免的插值誤差，二者難以完全一致。在發(fā)展階段，二者的符合程度較好。在成熟階段的計算中，環(huán)量計算的開始階段（15時至13時30分）出現(xiàn)了較為明顯的偏差，這可能是由于一部分環(huán)路位于上升流較劇烈的位置，可能會引起較強(qiáng)的計算誤差。

在發(fā)展階段，傾壓項在環(huán)量源項中占主導(dǎo)作用，摩擦力的作用較弱且具備較大的波動?？紤]到傾壓作用發(fā)生在浮力存在空間梯度的位置，故傾壓項可以聯(lián)系至南風(fēng)方向的暖濕氣流和西北風(fēng)方向的干冷氣流交匯形成的鋒線處所形成的浮力梯度。絕大部分的環(huán)路都位于較高的高度，風(fēng)速的沿空間的變化較小，而科式力的幅值同風(fēng)速成正比，故科式力對環(huán)量變化的作用較小。在成熟階段，傾壓項在模式計算的早期具備較其他量具有較為明顯的作用。摩擦力的作用出現(xiàn)了較大的波動，在13時30分至15時之間，摩擦力項出現(xiàn)了較大的負(fù)作用，這可能是因為一部分環(huán)路由于處于上升流位置，經(jīng)過后跡計算出現(xiàn)在地面附近，故獲得了較大的摩擦力帶來的阻力作用。在該階段，由于環(huán)路靠近中尺度氣旋中冷暖氣流的交匯處，浮力傾壓項也具備較大的正向作用。同時，由于高層大氣的風(fēng)速較大而地表處風(fēng)速較小，這可能是引起科式力項增大的原因。注意到在模式的開始時刻（2016年6月23日8時），環(huán)量的數(shù)值不為零。這預(yù)示著環(huán)境場對中尺度氣旋環(huán)量的來源也有所貢獻(xiàn)。

3 結(jié)論

本次研究利用中尺度氣象模式WRF對2016年6月23日發(fā)生在江蘇省鹽城的強(qiáng)對流風(fēng)暴過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，模式利用4千米的水平計算網(wǎng)格，成功再現(xiàn)了一個強(qiáng)對流風(fēng)暴過程。同時成功解析了該風(fēng)暴中一個超級單體及其包含的中層中尺度氣旋的發(fā)展過程。

利用結(jié)合后向軌跡法的環(huán)流分析，本文揭示了該中尺度氣旋在發(fā)展和成熟階段的環(huán)量起源。傾壓項的作用在各個源項中起主導(dǎo)的作用，摩擦力效應(yīng)隨時間呈現(xiàn)較大的波動，且在靠近地表附近出現(xiàn)負(fù)向的效應(yīng)?？剖搅Φ男?yīng)在上升氣流較為劇烈的情形下呈現(xiàn)較為明顯的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]俞小鼎，鄭媛媛，廖玉芳，等.一次伴隨強(qiáng)烈龍卷的強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴研究[J].大氣科學(xué)，2008，32（3）：508-522.

[2]Skamarock， W. C.， et al.：A description of the Advanced Research WRF version 3. NCAR Tech. Note NCAR/TN-4751STR， 2005.