一次飑线过程的数值模拟及诊断分析

书书书第２６卷第２期２０１０年４月气象与环境学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＶｏｌ．２６Ｎｏ．２Ａｐｒｉｌ２０１０收稿日期：２０１０－０２－０３；修订日期：２０１０－０３－１４。基金项目：国家科技支撑计划（２００７ＢＡＣ２９Ｂ０６）和淮河流域暴雨淮委会（Ｎｏ：２１２９）共同资助。作者简介：孙素琴，女，１９８３年生，硕士研究生，主要从事中尺度天气动力方向研究。一次飑线过程的数值模拟及诊断分析孙素琴１，２　苗春生１，２　王坚红１，２（１南京信息工程大学江苏省气象灾害重点实验室，江苏南京２１００４４；２南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京２１００４４）　　摘　要：利用ＮＣＡＲ、ＮＣＥＰ和ＦＳＬ／ＮＯＡＡ等共同研制的ＷＲＦ中尺度数值模式，对２００９年６月３日河南地区发生的一次飑线过程进行数值模拟，并利用模式输出的高分辨率资料对该次过程进行诊断分析。结果表明：ＷＲＦ模式成功地再现了高低空环流形势演变及强对流的分布发展特征，高空冷涡后部冷空气南下，近地层较暖，形成了上冷下暖的位势不稳定层结及地面辐合线是这次强对流和飑线天气过程的触发机制。强对流发生时，该地区出现的低空增温增湿、低空急流的爆发及低层急流核向东南快传、高空急流轴稳定在强对流天气发生地上空，对流有效位能积累和释放随时间的演变过程及垂直螺旋度大值中心等对此次强对流天气过程有较好的指示意义。关键词：飑线过程；ＷＲＦ中尺度模式；垂直螺旋度；数值模拟；诊断分析　　中图分类号：Ｐ４５８２　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－５０３Ｘ（２０１０）０２－００２１－０６１　引言强对流天气（如大风、冰雹、龙卷风和飑线等）预报监测是预报业务中的重点，其中飑线是较强的对流天气过程。对强对流天气的预报不及时、不准确，将会给社会经济和人民生活带来巨大损失。同时由于其尺度较小、生命期短、发展迅速、强度大和时空分布不均匀等特点，使得对爆发强对流的中小尺度系统的及时预报仍很薄弱。近些年来，随着多普勒雷达产品、卫星产品的广泛运用和中小尺度数值预报技术的发展，气象工作者［１－４］对中小尺度研究特别是对中尺度数值预报研究的重视，使得中尺度模式的应用成为揭示强对流天气成因的有效途径和方法。本文利用ＷＲＦ模式对２００９年６月３—４日影响河南、安徽及江苏的一次强对流天气过程进行数值模拟和诊断分析，以揭示其中尺度系统发生发展的物理机制。２　环流背景和ＴＢＢ资料分析２１　天气概况和环流背景在我国中纬度地区常常发生强对流天气，河南省商丘地区发生表现强对流天气过程并不少见，但像２００９年６月３日强飑线过程还不多见。分析发现，该次强对流天气过程与高空东北地区冷涡有密切关系：高空东北冷涡后部横槽引导高层冷空气南下，近地面从华北到黄淮地区在西北气流控制下气流下沉增温，又由于太阳辐射温度明显升高，气温在３１℃左右，近地面层温度比较高；加上低层水汽辐合，形成了一上干冷下湿暖的对流不稳定层结，导致６月３日从下午开始一直持续至４日清晨０５时，从山西南部逐渐向南发展的一次强对流天气。山西南部和河北南部、河南北部及东部、山东南部、安徽北部和江苏北部均受到对流天气的影响，在河南郑州、开封、商丘等地出现了强飑线天气，商丘地区飑线发展至最强。２２　ＴＢＢ资料分析选用中国卫星遥感服务网上ＦＹ２Ｃ卫星的ＴＢＢ资料分析，其时间分辨率为１ｈ，可以发现，这次强对流天气的发生发展伴随着一个中尺度雷暴云团向东南方向移动发展演变的过程。３日１１时山西南部有两个孤立的ＴＢＢ值低于－４０℃对流云团，１２时后两个对流云团向东南方向移动且合并在一起，移动到河北南部强度发展为－５０℃。１４时在山西和河北南侧交界处出现一东西长近２００ｋｍ、宽１００ｋｍ的ＴＢＢ值低于５０℃的强对流核（称为低值区）向东北向倾斜，且明显偏向东南方向，其东南侧ＴＢＢ梯度较大，低值等值线分布密集，表明这一侧的对流活动较旺盛。随后低值区东移南侵范围减小在１７时移至河北、河南和山东交界处，其中在１５时，低值中心内出现了一小块大于－５０℃的区域，且南部有Ｖ型缺口，这预示了下一时刻的低值区的分裂，１９时低值中心分裂为两个小的云团Ａ和云团Ｂ（图１），其中云团Ａ移向河南北部，此云团在移入河南境内后对流云顶变得松散后减弱最后消失，对应着北侧对流活２２　　　气象与环境学报第２６卷　动减弱。云团Ｂ移向山东西部，随后向西向南扩展，覆盖山东大部、河南东部及江苏北部。此后影响河图１　２００９年６月３日１８—２２时ＦＹ２Ｃ卫星ＴＢＢ演变南出现此次强对流天气的低值即为云团Ｂ。　　以下重点分析云团Ｂ的发展演变及其对强对流天气的指示意义。云团Ｂ继续维持发展，在山东、河南和江苏交界处的位置所停留的时间为３日２０—２２时，影响河南商丘地区时发展为东南—西北的圆形，为中尺度对流系统，其最低云顶亮温低于－５０℃，对流云团南侧亮温梯度非常大，说明此时的对流云团近于垂直发展。２３时后，对流云团依然维持并向东南方向移动。这个时刻影响范围和影响强度都没有很大的改变，与影响河南东部商丘地区的时间吻合，说明ＴＢＢ低值有利于此次强对流过程，中高层为西北方向输送的强冷空气。４日００时后低值中心沿着江苏与山东交界线向东移动并减弱，入海后迅速发展。对比云团ＴＢＢ的演变过程和强对流天气发生的时间及落区，可以发现，本次强对流过程主要发生在云团移动的东南方ＴＢＢ等值线密集带和ＴＢＢ低值出现的区域，且对ＴＢＢ低值及等值线密集线的分析中发现，鲁西地区也出现了ＴＢＢ低值区，且维持较长时间，但未出现像河南地区的强对流天气，说明有其他因素影响此次强对流天气。３　模式和方案为了更加细致地分析了解本次强对流过程前后各物理量参数随时间变化的情况，本文选取了２００９年６月３日０８时—４日０８时每６ｈ１次的水平分辨率为的ＮＣＥＰ再分析资料，运用ＷＲＦＶ２１１模式对这次影响河南、安徽及江苏局部地区的强对流天气过程进行了数值模拟。模式采用双重嵌套网格，内层积分区域中心为（３１°Ｎ，１２０°Ｅ），网格点数为１３３×２２３，网格距为１０ｋｍ，垂直方向积分层为３１个不等距的σ层，模式顶气压为１００ｈＰａ。积分时间从２００９年６月３日０８时—４日０８时，模式结果每１ｈ输出１次。微物理过程运用Ｌｉｎ等方案，积云对流参数化方案采用Ｂｅｔｔｓ－Ｍｉｌｌｅｒ－Ｊａｎｊｉｃ方案，同时采用了ＹＳＵ边界层方案、Ｄｕｄｈｉａ短波辐射、ＲＲＴＭ长波辐射方案、Ｍｏｎｉｎ－Ｏｂｕｋｈｏｖ近地面层方案和热量扩散陆面过程方案等。４　结果分析通常评价一个中尺度天气模式及对强对流过程模拟的效果，要比较对降水的模拟和预报能力。为　第２期孙素琴等：一次飑线过程的数值模拟及诊断分析２３　　　了便于比较６月３日０８时—４日０８时２４ｈ的降水量实况和模拟结果，将台站实况降水量插值到１°×１°等经纬度网格点上得到实况降水分布图。将模拟的６ｈ１次降水与实况降水对比，发现前１２ｈ对比效果不明显，而后１２ｈ降水两者对比效果较吻合。将模拟的２４ｈ降水量与实况对比发现，降水区域的走向相似，中心强度较实况偏强，这是由于模式资料分辨率比观测资料要小的缘故，降水落区范围较实况偏小，河南东部及江苏北部出现的两个降水中心均模拟出现，西侧降水中心略偏东北，江苏境内的降水中心模拟位置较好。同时将模拟的６月３日２０时７００ｈＰａ环流场（图２ｂ）与实况（图２ａ）对比可以看出，环流形势、反气旋中心位置非常接近，模拟效果较好。７００ｈＰａ环图２　２００９年６月３日２０时７００ｈＰａ环流场流场上，反气旋中心位于（１１４°Ｅ，３２５°Ｎ）附近，其东北部在西南气流控制下，输送低空暖湿水汽，河南东部及山东西部受其辐合的西南西北气流影响。再次证明了模式对这次过程模拟的结果是可信的。总体来看，该模式对这次强对流天气的模拟是成功的。５　物理量场诊断分析５１　辐合线的南压６月３日２２时９２５ｈＰａ环流场上，河南东部有一条明显的东北西南向的辐合线，其是由１７—２０时维持在郑州到商丘一线的中尺度辐合线加强南压形成的，商丘处在雷暴高压辐散区的前部，处于西北大风和弱的东南风的辐合处，这些与河南东部发生强对流天气的地区有很好的对应。近地层辐合线的出现及加强，对强对流天气的发生发展及飑线的形成起着至关重要的作用，是对流单体加强为飑线的主要影响系统。５２　上干下湿的水汽条件６月３日１９—２０时沿３４４５°Ｎ温度露点差剖面图（图３），发现１９时和２０时商丘地区上空以８００ｈＰａ单位为℃；阴影区为Ｔ－Ｔｄ≤６℃的区域；黑三角位于商丘１１５６５°Ｅ附近图３　沿３４４５°Ｎ模拟的２００９年６月３日温度露点差剖面为界，以下为一浅薄的湿区，其温度露点差小于６℃，上层则为一深厚的干区，形成了上干冷下暖湿的对流不稳定层结，上空存在Ｔ－Ｔｄ等值线密集带，出现了温度露点锋，同时也说明此时本地区低层水汽饱和高空干冷条件已充分具备，有利于强对流天气的发生发展。其他时段商丘地区Ｔ－Ｔｄ差值较２４　　　气象与环境学报第２６卷　大，水汽条件与可发生暴雨的条件相比较差，不利于大范围强降水发生，但Ｔ－Ｔｄ差值又不是太大，仍能满足强对流天气过程所必需的水汽条件，预示着将有降水发生。６月３日２２时８５０ｈＰａ商丘附近有一水汽通量散度负值大值区，中心值小于－２×１０－４ｇ·ｃｍ－２·ｈＰａ－１·ｓ－１，范围很小且在其西北方向有一狭长的散度正值区，与下面动力条件相对应。８５０ｈＰａ水汽分布表现出３日水汽高值区是从河南北部推向河南东部，进而在４日凌晨快速向安徽江苏北部移动。５３　动力条件５３１　高低空急流［５－６］对强对流天气发展影响２００ｈＰａ急流核始终位于江苏以东黄海洋面上，急流中心达６４ｍ／ｓ，轴线位于强对流发生地上空，风速达４０ｍ／ｓ。从散度场上可以看出，当发生强对流天气的地区高空盛行辐散气流，低空盛行辐合气流。高空急流是产生高空辐散的机制之一，高空急流的存在有利于上升气流的维持和加强，对流云中上部所增加的热量不断被高空强风带走，起到了通风作用，因此有利于对流云的维持和发展。６月３日午后８５０—７００ｈＰａ高度上，河南东部、山东南部及江苏北部风速都较小，低空急流主要影响了此次过程的后期一次较弱的对流天气。６月４日００时，急流带内有大风速中心的传播，中低空还有中尺度的急流（风速大于２２ｍ／ｓ）爆发，这是形成苏北地区对流天气的主要动力学条件；在急流最大风速中心前方有明显的水汽辐合和质量辐合或强上升运动，这对强对流活动的连续发展是有利的。在急流轴的左前方是正切变涡度区，有利于对流活动发生，这也验证了对流风暴一般产生在急流大风核的左前方。爆发的大风区开始位于７００—５００ｈＰａ之间，随后快速发展为地面到４００ｈＰａ之间，其前部有一弱风中心，形成一较厚的锋区。且随着大风区的迅速倾斜，强对流天气快速东传减弱。低空急流爆发对本次强对流天气的快速移动起到了非常重要的作用。５３２　涡度场和散度场及垂直速度场分析６月３日２２时沿３４４５°Ｎ散度（图４），商丘上空对流系统在强垂直速度切变下，低层辐合上升，高层辐散下沉，８００ｈＰａ以下有一辐合辐散对，商丘上游地区上空９００－４００ｈＰａ间为一深厚的辐合区，４００ｈＰａ以上为强辐散区。在低空急流带动下一前一后的辐合辐散结构共同促使强对流系统快速向东南推进。这种结构与出现在中纬度地区常见的风暴剖面结构相似，即上升气流从风暴的前方流入，下沉气流从风暴的后方流出。通过对高空急流的分析，强对流区位于稳定的高空急流的轴线处，高空急流的存在有利于高空辐散区的维持。图４　沿３４４５°Ｎ模拟的２００９年６月３日２２时散度剖面　　６月３日０８时—４日０８时商丘地区散度变化，发现６月３日２０时开始强对流天气影响商丘地区，３日２０—２３时对商丘影响最大。５４　能量分析对流有效位能是一个从自由对流高度到平衡高度测量自由对流层的累积浮力能垂直积分指数。其数值越大，则对流有效位能能量释放后形成的上升气流强度越强，对流发展形成的对流天气可能性越大。２００９年６月３日１９时ＣＡＰＥ的空间分布图（图５ａ）６月３日１９时开始或更早，不稳定能量在