一次西北雷暴過程分析和數(shù)值模擬

摘 要：2011年9月8日在甘肅中南部地區(qū)發(fā)生了一次強(qiáng)雷暴過程，同時(shí)還伴有冰雹、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣，為探討這次天氣過程的天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理，用WRF模式對(duì)這次過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和研究。利用嵌套網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)，在4km嵌套高分辨模式中選擇多微理過程的微物理量顯示計(jì)算，對(duì)該雷暴過程的天氣系統(tǒng)和形成機(jī)理進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析，獲得了對(duì)流云帶和雷暴強(qiáng)回波中心較好的模擬。分析發(fā)現(xiàn)，新疆干冷空氣南下造成環(huán)境降溫，700hPa切變線激發(fā)對(duì)流的發(fā)展，低層高濕和充足的水汽輸送是本次雷暴過程的重要因素。

關(guān)鍵詞：西北雷暴;數(shù)值模擬;微物理過程

1 緒論

雷暴[1]是伴有雷擊和閃電的局地對(duì)流性天氣，它產(chǎn)生在強(qiáng)烈發(fā)展的積雨云中，因此常伴有強(qiáng)烈的雷電活動(dòng)以及陣雨或暴雨，有時(shí)伴有冰雹和龍卷風(fēng)，是一種中小尺度的對(duì)流天氣系統(tǒng)。雷暴通常在夏季發(fā)生，是夏季的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，而在冬季甚至?xí)殡S暴風(fēng)雪而來，對(duì)農(nóng)林、交通、通信等都容易造成一定不利影響，同時(shí)雷暴也會(huì)對(duì)飛行安全[2-3]產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅，世界上一半的飛機(jī)失事是由雷暴天氣引起的，世界航空史上已經(jīng)有2500多架飛機(jī)遭雷擊毀。

因此，對(duì)雷暴活動(dòng)的監(jiān)測(cè)、預(yù)警以及機(jī)制探索長(zhǎng)期以來一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)，研究雷暴的氣候特征，了解雷暴的形成過程，對(duì)雷暴天氣下減少各行各業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失有著明確的指導(dǎo)作用。眾多學(xué)者為此進(jìn)行了大量的研究：李照榮等[4]認(rèn)為雷暴具有明顯的區(qū)域特點(diǎn)，并研究了西北地區(qū)雷暴的氣候特征;付偉基[5]等通過對(duì)2006年7月13日一次洛陽(yáng)市區(qū)的雷暴進(jìn)行了模擬預(yù)報(bào)，表明WRF模式在預(yù)報(bào)弱強(qiáng)迫天氣系統(tǒng)雷暴時(shí)具有較好的性能。

2011年9月8日蘭州地區(qū)出現(xiàn)了一次強(qiáng)雷暴伴冰雹天氣過程，這次強(qiáng)雷暴冰雹天氣給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)、林業(yè)造成了災(zāi)害，同時(shí)影響了蘭州中川機(jī)場(chǎng)航班起降，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.6億以上，給當(dāng)?shù)厝嗣裆钌a(chǎn)帶來了很大的影響。本文希望通過對(duì)這次強(qiáng)對(duì)流天氣過程的分析和數(shù)值模擬[6-8]研究，探討這次雷暴大風(fēng)伴冰雹的復(fù)雜天氣過程成因和天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以期對(duì)雷暴預(yù)報(bào)提供一些有意義的理論依據(jù)。

2 天氣過程分析

2.1 大尺度環(huán)流特征

2011年9月6日，500hPa中緯度地區(qū)分別在里海、貝加爾湖至新疆北部存在著兩個(gè)低槽，并且依次加深，從西西伯利亞至我國(guó)新疆、河西地區(qū)在東移南下的冷性低槽控制之下，槽后冷空氣不斷的從高緯地區(qū)經(jīng)新疆北部向南輸送，影響我國(guó)西北地區(qū)。由圖1可見，2011年9月6日烏拉爾山附近有一高壓脊，脊前不斷有小槽下滑補(bǔ)充到貝加爾湖大槽中。同時(shí)在西西伯利亞平原上有一股冷空氣開始聚集，冷中心溫度為-21℃，槽后西西伯利亞不斷分裂干冷空氣南下。7日08時(shí)由于烏拉爾山高壓脊繼續(xù)發(fā)展東伸，貝加爾湖至巴爾喀什湖南側(cè)形成了橫槽，不斷有短波冷槽分裂出來，與其相配置的溫度槽落后于高度槽。8日，橫槽東移南壓至新疆北部，槽后冷空氣向南輸送更加強(qiáng)盛，不斷下滑的冷空氣已影響到河西地區(qū)，甘肅中部地區(qū)完全處在較強(qiáng)盛的西北氣流中，槽底部冷平流較強(qiáng)，同時(shí)700hPa河西西部有一明顯輻合式切變線。9日，槽區(qū)東移，冷平流減弱，降水區(qū)域也移到我國(guó)東南地區(qū)和海上。

地面圖上有一條鋒面相配置（圖略），于6日進(jìn)入新疆北部后逐漸東移南下，8日08時(shí)到達(dá)河西中部地區(qū)，14時(shí)左右南壓至本場(chǎng)附近。

可見，伴隨橫槽底部不斷東移南壓的強(qiáng)冷平流和700hPa切變線南側(cè)的東南風(fēng)暖濕平流的配合，以及地面冷鋒是形成這次強(qiáng)對(duì)流天氣的主要影響系統(tǒng)。

2.2 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的衛(wèi)星云圖分析

圖2紅外云圖顯示，9月8日17時(shí)在蘭州北部有較強(qiáng)的對(duì)流云團(tuán)生成，受槽后冷空氣和低空切變線的影響，對(duì)流云團(tuán)不斷的加強(qiáng)，并且東移南壓。到18時(shí)對(duì)流云團(tuán)已移至中川機(jī)場(chǎng)上空，導(dǎo)致中川機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)雷暴大風(fēng)天氣。這些對(duì)流云團(tuán)進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)、向南移動(dòng)，在此期間，中川機(jī)場(chǎng)形成了雷暴天氣。19時(shí)，中川機(jī)場(chǎng)依然是強(qiáng)烈的對(duì)流云團(tuán)。至20時(shí)，隨著對(duì)流云團(tuán)的南移，中川地區(qū)的雷暴天氣也逐漸結(jié)束。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文中采用了區(qū)域非靜力模式WRF-ARW[9]3.5.1作為數(shù)值工具，以NCEP再分析資料為初、邊值，對(duì)這次雷暴伴冰雹天氣過程進(jìn)行了模擬，采用三重雙向嵌套網(wǎng)格，模擬區(qū)域中心取在（103.6°E，36.5°N），水平分辨率分別為36km、12km、4km，格點(diǎn)數(shù)分別為115×86、175×121、250×265。模式中微物理過程采用WSM6微物理過程方案，RRTM長(zhǎng)波輻射傳輸方案，Dudhia短波輻射方案，YSU邊界層過程方案。模擬時(shí)間從2011年9月8日14時(shí)開始，積分12hr，粗網(wǎng)格模式積分時(shí)間步長(zhǎng)固定為60s，模擬結(jié)果輸出間隔為30min。

3.1 雷達(dá)回波強(qiáng)度場(chǎng)檢驗(yàn)

蘭州中川機(jī)場(chǎng)多普勒雷達(dá)回波強(qiáng)度圖可以監(jiān)測(cè)到這次雷暴活動(dòng)的移動(dòng)位置和對(duì)流發(fā)展情況：2011年9月8日15：00（北京時(shí)），在距離雷達(dá)站60—120公里范圍有對(duì)流回波形成，此后其強(qiáng)度不斷加強(qiáng)并逐漸合并。到16：05BLT，在雷達(dá)站西北方向形成了一條西北至東南走向的回波帶，并且整體向東南方向移動(dòng)，16：15BLT最大回波強(qiáng)度超過54dBz。16：35BLT，兩個(gè)回波中心合并成一個(gè)強(qiáng)回波中心，17：05BLT（圖a）強(qiáng)回波中心移至雷達(dá)站西北方向40公里處，中心回波強(qiáng)度達(dá)到60dBz，并伴有勾狀回波特征。18：05BLT（圖b）強(qiáng)回波中心到達(dá)機(jī)場(chǎng)上空，造成機(jī)場(chǎng)強(qiáng)雷暴大風(fēng)和冰雹天氣，隨后強(qiáng)回波中心繼續(xù)南下，持續(xù)到20：00BLT，并影響蘭州，榆中地區(qū)后逐漸減弱。

模擬結(jié)果較好的再現(xiàn)了1500BLT至2000BLT雷暴的演變過程，模式模擬出了對(duì)流單體的位置和回波強(qiáng)度大小，在空間上強(qiáng)回波中心的位置較實(shí)況偏北一些，僅有15km左右的誤差，回波帶的形狀，走向及移動(dòng)方向也基本與實(shí)況一致?？偟膩砜?，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確的再現(xiàn)了這一過程。

3.2 天氣系統(tǒng)和水汽條件

雷暴發(fā)生、發(fā)展和維持的必要條件之一是充足的水汽。圖4給出了2011年9月8日18時(shí)、19時(shí)700hPa模擬的相對(duì)濕度場(chǎng)、水汽通量的分布情況：甘肅中南部的大范圍區(qū)域呈60%以上的高濕區(qū)，其中19時(shí)水汽通量最大值達(dá)到了009kg·m/s，在中川機(jī)場(chǎng)附近也存在水汽通量高值區(qū)，達(dá)到0.06kg·m/s以上。

3.3 垂直速度和散度場(chǎng)分析

垂直上升運(yùn)動(dòng)是雷暴產(chǎn)生的必要條件之一，圖5給出了2011年9月8日16時(shí)、17時(shí)垂直速度場(chǎng)。8日16時(shí)，強(qiáng)上升區(qū)位于37～37.5°N之間，正中心值達(dá)到6m·s-1，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心高度位于500～400hPa之間，這種深厚的上升運(yùn)動(dòng)為雷暴的發(fā)生發(fā)展提供了有利的條件。到17時(shí)，雷暴中心強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)36.8°N附近，中心值約為3m·s-1，上升運(yùn)動(dòng)高度位于550hPa。在16時(shí)至17時(shí)之間，強(qiáng)w值基本在36.5°～37.5°N之間穩(wěn)定且維持少動(dòng)，由此可看出，垂直上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度、中心位置與雷暴強(qiáng)度、中心位置有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，造成了中川機(jī)場(chǎng)強(qiáng)雷暴的發(fā)生發(fā)展。12時(shí)后（圖略），上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度慢慢減弱，雷暴天氣過程也逐漸結(jié)束。

9月8日17時(shí)（圖a），37°N附近的650hPa以上為輻散區(qū)，400hPa以上為強(qiáng)輻散區(qū)，中心值強(qiáng)度為15×10-5s-1，650hPa以下輻合區(qū)中心值強(qiáng)度達(dá)到-15×10-5s-1。18時(shí)（圖b），對(duì)應(yīng)的強(qiáng)雷暴區(qū)36.6°N附近可看到高層輻散，低層輻合的配置，輻合中心強(qiáng)度中心值為-12×10-5s-1，但與圖a相比，高空輻散區(qū)位于550hPa，有所降低。中川機(jī)場(chǎng)在雷暴過程中一直維持低空輻合，高空輻散的配置，有利于上升運(yùn)動(dòng)的維持和加強(qiáng)，而且輻合輻散區(qū)與強(qiáng)雷暴區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.4 假相當(dāng)位溫分析

假相當(dāng)位溫可以表征大氣溫度、濕度的綜合特征，θse的分布反映了大氣中能量的分布[10]。θse的高值區(qū)為高能區(qū)，θse場(chǎng)中等值線密集區(qū)又為能量鋒區(qū)，等θse線密集區(qū)是位勢(shì)不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定集中的區(qū)域，是大氣中濕斜壓不穩(wěn)定能量集中的區(qū)域，蘊(yùn)藏著可供中尺度對(duì)流發(fā)展所必需的不穩(wěn)定能量[11-12]。圖7是模擬的9月8日18時(shí)（北京時(shí)）假相當(dāng)位溫分布圖。甘肅中南部地區(qū)均在325k的高值帶中，最大值為330k，中心位置于甘肅中南部的西側(cè)，為高溫高濕區(qū)，此時(shí)甘肅省的中南部已積蓄了對(duì)流發(fā)展所必需的不穩(wěn)定能量。

4 討論和結(jié)論

利用WRF對(duì)2011年9月8日發(fā)展在甘肅中南部的一次雷暴過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，WRF模式對(duì)此次過程的系統(tǒng)發(fā)展情況具有較好的模擬能力。

（1）這次雷暴過程是受500hPa高空冷槽東移南下，槽后冷空氣不斷向南輸送到達(dá)我國(guó)西北地區(qū)，同時(shí)來自南海的暖濕氣流向西北的中南部輸送，低層切變線及地面鋒面造成了這次強(qiáng)雷暴過程天氣。

（2）模式輸出的雷達(dá)強(qiáng)度圖，能直觀的反映出雷暴發(fā)生的范圍、時(shí)間和地點(diǎn)，捕捉到雷暴單體和強(qiáng)回波中心的有關(guān)信息。

（3）模擬結(jié)果中的垂直運(yùn)動(dòng)、散度場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的落區(qū)有很好的對(duì)應(yīng)，散度場(chǎng)低空輻合，高層輻散的形式，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。

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作者簡(jiǎn)介：常飛（1983— ），女，漢族，湖北棗陽(yáng)人，碩士，工程師，研究方向：航空氣象預(yù)報(bào)。