2005年一次青藏高原切變線暴風(fēng)雨的數(shù)值模擬

2005年一次青藏高原切變線暴風(fēng)雨的數(shù)值模擬

1能力模型及氣候條件研究大雪是中國北方的一場(chǎng)常見的災(zāi)難。暴雪對(duì)公路交通、畜牧業(yè)生產(chǎn)以及特種經(jīng)濟(jì)作物的種植有著嚴(yán)重影響。祁連山區(qū)的暴雪除了造成以上負(fù)面的影響外,也對(duì)增加祁連山積雪,減緩由于氣候變暖造成的雪線上升的速度有一定的積極意義。一些學(xué)者對(duì)我國的暴雪進(jìn)行了研究。王文輝等曾對(duì)暴雪個(gè)例進(jìn)行了天氣學(xué)分析;徐建芬等研究了青藏高原切變線暴雪的中尺度結(jié)構(gòu)及其渦源;鄧遠(yuǎn)平等通過將冰相云微物理過程參數(shù)化和三相云顯式降水方案引入流體靜力模式MM4,對(duì)“96.1”暴雪中尺度切變線的發(fā)生、發(fā)展和結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了成功的數(shù)值模擬;隆霄等利用非靜力中尺度模式MM5,對(duì)青?！?5.1”暴雪過程進(jìn)行數(shù)值模擬;張小玲等診斷分析了暴雪期中尺度切變線的發(fā)生發(fā)展;周陸生等統(tǒng)計(jì)了青藏高原東部暴雪天氣及雪災(zāi)的分布特征;文獻(xiàn)則研究了暴雪天氣過程中的不穩(wěn)定。也有學(xué)者介紹或利用WRF模式開展大氣科學(xué)的研究,章國材介紹了WRF模式的應(yīng)用前景;孫健等用WRF與MM5模式模擬對(duì)比分析了3次暴雨過程;安興琴等利用WRF研究了金塔綠洲大氣邊界層特征。但是有關(guān)WRF模式模擬暴雪過程的研究還不是很多。本文利用WRF(WeatherResearchForecast)模式,對(duì)2005年3月13～15日出現(xiàn)在甘肅河西西部的一次暴雪天氣過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了造成這次暴雪的中尺度系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和結(jié)構(gòu)演變。2ip資料及變量本文采用的數(shù)據(jù)是NCEP的GRIB資料和實(shí)況資料。NCEP的GRIB資料是1.0°×1.0°實(shí)時(shí)格點(diǎn)資料,主要的變量包括:TMP(溫度)、HGT(高度)、UGRD(U分量)、VGRD(V分量)、RH(相對(duì)濕度)等。降雪資料是氣象站實(shí)際觀測(cè)資料。3酒泉市農(nóng)村社會(huì)降水情況2005年3月13～15日,河西走廊西部(祁連山西段北坡)出現(xiàn)了一次降雪天氣過程,過程降雪量酒泉達(dá)18.8mm,玉門鎮(zhèn)達(dá)13.7mm,金塔達(dá)13.4mm,這在歷史上是少見的。降雪的主要時(shí)段是3月14日14:00(北京時(shí),下同)～15日02:00,在此期間,酒泉站降雪13mm,玉門鎮(zhèn)為11mm,金塔為13.4mm。圖1是14日的降雪量分布圖。這次降雪天氣,雖然有效緩解了旱情,增加了祁連山的積雪,但是,由于降雪期間正值酒泉市農(nóng)區(qū)春播和牧區(qū)接羔的關(guān)鍵時(shí)期,造成的災(zāi)害也十分嚴(yán)重。據(jù)當(dāng)?shù)卣块T統(tǒng)計(jì),全市農(nóng)作物受災(zāi)面積達(dá)4873hm2,死亡羊只3680只,10萬頭(只)牲畜缺草少料。另外,地面積雪(60cm厚)阻斷部分鄉(xiāng)村道路。這次降雪造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3040多萬元。4環(huán)流演變及地面形勢(shì)分析分析500hPa高空環(huán)流形勢(shì),在3月上旬后期到中旬前期,歐亞中高緯度地區(qū)由多波動(dòng)形勢(shì)演變?yōu)閮刹垡患剐?。這次降雪過程前,伴隨著西伯利亞阻塞高壓的崩潰,歐亞中高緯的環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行了一次明顯的調(diào)整。10～12日,烏拉爾山以西歐洲平原上的氣旋穩(wěn)定維持(圖2a),不斷分裂小股較強(qiáng)冷空氣(小槽)向西西伯利亞阻塞高壓底部移動(dòng),使阻塞高壓逐漸減弱;到12日20:00,在冷空氣不斷侵襲之下,阻塞高壓崩潰,高壓脊減弱并迅速東移到貝加爾湖一帶。同時(shí),由于沿青藏高原西側(cè)暖平流的作用,在巴爾喀什湖到烏拉爾山一線形成了一個(gè)較弱的暖高壓脊,兩個(gè)弱脊之間(即烏拉爾山和貝加爾湖之間)形成一個(gè)較弱的低壓槽。東北低渦也迅速東移到朝鮮半島上空,東亞大槽在朝鮮半島到中國大陸東岸一線,歐亞中高緯的環(huán)流呈三槽兩(弱)脊型,歐亞大陸的500hPa環(huán)流的經(jīng)向環(huán)流減弱。其后,歐洲的氣旋逐漸減弱,東亞大槽以及兩個(gè)弱脊和兩脊之間的小槽繼續(xù)緩慢東移。到14日(圖2b),東移的兩個(gè)弱脊分別位于新疆和東北,而兩脊梁之間的小槽由于不斷有北方冷空氣的補(bǔ)充,其強(qiáng)度明顯加強(qiáng)且南壓,西北地區(qū)的河西走廊處在小槽底部的強(qiáng)鋒區(qū)中,導(dǎo)致了這次降雪天氣。這種形勢(shì)維持到15日08:00,隨著新疆脊和東北脊的減弱,中國大陸維持大范圍的西北氣流,河西的降雪逐漸結(jié)束。700hPa形勢(shì)與500hPa基本一致,在11日08:00,歐亞大陸700hPa呈兩槽一脊型。其后,歐亞大陸的經(jīng)向環(huán)流減弱,盛行緯向環(huán)流,但多小波動(dòng)。到14日08:00,新疆有一個(gè)弱的高壓脊,在酒泉到冷湖一線有一條風(fēng)場(chǎng)切變線。從11～14日,西北地區(qū)東部一直維持較強(qiáng)的鋒區(qū)。地面形勢(shì)場(chǎng)上,從3月上旬末到中旬初,歐亞大陸自西向東維持低—高—低的形勢(shì)。中心在貝加爾湖附近的冷高壓穩(wěn)定少動(dòng),西北地區(qū)東部處在冷高壓底部的偏東氣流中。隨著高空阻塞高壓的崩潰,貝加爾湖附近地區(qū)的冷高壓逐漸減弱,并向東南方向迅速移動(dòng)。隨著高空500hPa上新疆脊的發(fā)展,在北疆以北的地區(qū)形成一個(gè)新的冷高壓,中心位置穩(wěn)定少動(dòng),由于不斷有較強(qiáng)冷空氣從高壓西部補(bǔ)充,其強(qiáng)度逐漸加強(qiáng),同時(shí),不斷分裂出小股冷空氣向東南方向移動(dòng)。在地面天氣圖上反映出河西走廊西部在這次降雪過程中受到多條冷鋒的影響,當(dāng)每條冷鋒通過河西走廊西部時(shí),產(chǎn)生相對(duì)集中的降雪。圖3反映的是2005年3月14日08:00～15日02:00影響河西走廊的冷鋒的活動(dòng)動(dòng)態(tài)圖。由圖可見,14日08:00,冷鋒在新疆天山一線;11:00冷鋒已經(jīng)越過天山,并繼續(xù)向東南方向移動(dòng),且速度加快;到14:00,鋒面接近玉門,對(duì)應(yīng)地14:00以后出現(xiàn)明顯的降雪;當(dāng)17:00鋒面位于酒泉附近時(shí),酒泉出現(xiàn)降雪強(qiáng)度最大的時(shí)段;到20:00,在酒泉一線又形成一條新的冷鋒,在該冷鋒的作用下,14日20:00～15日02:00,酒泉等地又出現(xiàn)了降雪相對(duì)集中的時(shí)段。15日02:00,冷鋒東移到武威一線,河西走廊西部的降雪減弱。15日北疆以北的冷高壓開始向東移動(dòng),到16日02:00,隨著冷高壓對(duì)河西走廊的完全控制,這次降雪過程徹底結(jié)束。5模擬分析了降雨天氣的值5.1wrf模式簡介WRF模式系統(tǒng)是由美國許多研究部門及大學(xué)的科學(xué)家共同研究開發(fā)的新一代中尺度預(yù)報(bào)模式。WRF模式系統(tǒng)具有可移植、易維護(hù)、可擴(kuò)充、高效率、方便等諸多特點(diǎn)。為了比較真實(shí)地模擬實(shí)際天氣,WRF模式中包括了如輻射過程、邊界層參數(shù)化過程、對(duì)流參數(shù)化過程、次網(wǎng)格湍流擴(kuò)散過程,以及微物理過程等物理過程。WRF模式是一個(gè)完全可壓非靜力模式,控制方程組都寫為通量形式。網(wǎng)格形式與MM5模式的ArakawaB格點(diǎn)不同,而是采用ArakawaC格點(diǎn),有利于在高分辨率模擬中提高準(zhǔn)確性。5.2網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格、時(shí)間積分方法在本文的模擬試驗(yàn)中,模式的設(shè)計(jì)如下:采用二重嵌套垂直方向?yàn)?0層的WRF-V2.0.3.1模式模擬,水平方向采用Arakawa-C型格點(diǎn),垂直方向選用質(zhì)量坐標(biāo)(Eulerianmasscoordinate),二重區(qū)域的水平網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)分別為121×121,151×151。相應(yīng)的水平網(wǎng)格距分別為45km和15km。在時(shí)間積分方案上,使用了WRF推薦的Rung-Kutta的3階方案,同時(shí)采用MRF邊界層方案、Dudhia短波輻射和RRTM長波輻射方案。模擬時(shí)間為72h,即從2005年3月13日08:00～16日08:00。5.3模擬結(jié)果分析5.3.1降水量測(cè)定從暴雪落區(qū)分布來看,WRF模式細(xì)致地模擬出了暴雪的大致區(qū)域及暴雪的強(qiáng)中心。圖4分別是模擬的3月14日08:00～14:00、14:00～20:00和14日20:00～15日02:00的降水量圖。從圖中可以看出,大值中心在甘肅酒泉地區(qū)及沿祁連山一帶,12h(圖4b)降雪量最大值為16.27mm。盡管預(yù)報(bào)量級(jí)較實(shí)況偏大,中心位置略偏西,降雪次大中心位于烏魯木齊市,降雪量為12.65mm,模擬結(jié)果次大中心位置也略偏西?？傮w而言,模式還是很好地模擬出了暴雪的范圍和14日14:00～15日02:00的降雪集中時(shí)段。5.3.2高空切變線—風(fēng)場(chǎng)的模擬用WRF模式模擬結(jié)果討論暴雪發(fā)生時(shí)的風(fēng)場(chǎng)特征。圖5是3月14日02:00的600hPa和300hPa兩個(gè)層次的風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)。從圖中可看出,風(fēng)場(chǎng)是在600hPa,從酒泉沿東南方向有一支低空急流,急流核風(fēng)速達(dá)20m·s-1。急流隨著高度增強(qiáng),到500hPa(圖略)、300hPa高空,急流軸向北傾斜,酒泉地區(qū)處在高空急流入口區(qū)南側(cè),因?yàn)樵诩绷魅肟趨^(qū),當(dāng)空氣質(zhì)點(diǎn)向中心移動(dòng)時(shí)不斷加速,氣塊會(huì)得到向左偏的非地轉(zhuǎn)分量,結(jié)果在急流南側(cè)產(chǎn)生高空輻散,出現(xiàn)上升氣流,低層大氣會(huì)隨之發(fā)生質(zhì)量調(diào)整,產(chǎn)生輻合區(qū)。這種模式模擬的風(fēng)場(chǎng)結(jié)果更加明確的說明,在形成這次暴雪過程中,低空風(fēng)場(chǎng)切變線與高空強(qiáng)鋒區(qū)相對(duì)應(yīng)的高空急流的合理配置,加強(qiáng)了酒泉暴雪區(qū)的垂直環(huán)流的發(fā)展,使降雪區(qū)域?qū)α鞲油?。另?就低層風(fēng)場(chǎng)而言,祁連山的地形阻擋作用對(duì)低層氣流的輻合也起到了積極的作用。在3月14日08:00的700hPa實(shí)況圖(圖略)、14日11:00,14:00,17:00地面圖(圖略)以及模擬的祁連山西段北側(cè)的氣流上看,基本上是偏北氣流,這種持續(xù)的低層的偏北氣流受祁連山的阻擋作用,加強(qiáng)了低層氣流的輻合上升。5.3.3輻合層與內(nèi)部輻射的結(jié)合在700hPa和500hPa上,降雪區(qū)并沒有反映出明顯的輻散或輻合的特征,而在沿40°N,95°E和40°N,99°E散度垂直剖面上(圖6),可以看到明顯的低層輻合高層輻散的小尺度的特征。從14日02:00開始,在酒泉上空,從地面(約700hPa)到500hPa之間是輻合層,輻合層?xùn)|西方向的水平尺度僅200km左右,在400hPa有一個(gè)中心為6.7×10-5s-1的輻散中心。這種低層輻合、高層輻散的配制有利于對(duì)流的發(fā)生且一直維持到15日02:00。值得注意的是,隨著14日14:00酒泉降雪強(qiáng)度的增加,雖然在500hPa以上仍然表現(xiàn)為一個(gè)深厚的輻散層,在600～500hPa之間輻合的強(qiáng)度也明顯增強(qiáng),但酒泉上空在600hPa以下卻逐漸變成輻散層。因此,可以認(rèn)為,隨著強(qiáng)降雪的開始,大量的能量被釋放,降雪的影響系統(tǒng)開始減弱,降雪區(qū)近地面層由輻合變?yōu)檩椛?逐漸向消亡階段發(fā)展。5.3.4葡萄酒hpa的垂直運(yùn)動(dòng)在這次降雪過程中,酒泉上空維持著很強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)。圖7分別是WRF模式預(yù)報(bào)的3月14日02:00和14:00的垂直速度特征剖面模擬。模擬結(jié)果顯示:14日02:00,酒泉上空從近地面到100hPa為上升運(yùn)動(dòng),最大上升運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在500～400hPa之間,中心值為13.28cm·s-1,垂直運(yùn)動(dòng)區(qū)的東西方向的水平尺度不足100km;08:00,在酒泉上空依然存在上升運(yùn)動(dòng),但強(qiáng)度有所減弱,上升運(yùn)動(dòng)區(qū)的頂部下降到350hPa附近。到了14:00,酒泉附近600～100hPa繼續(xù)維持強(qiáng)盛的上升運(yùn)動(dòng),最大的上升運(yùn)動(dòng)在500～400hPa之間,且明顯加強(qiáng),最大速度達(dá)18.86cm·s-1;在酒泉西測(cè)600～150hPa為一個(gè)深厚的下沉運(yùn)動(dòng)層,垂直速度為-7.47cm·s-1?？梢钥闯?正是酒泉上空的對(duì)流運(yùn)動(dòng)的迅速加強(qiáng),造成了14日14:00～20:00之間的降雪相對(duì)集中的時(shí)段。圖7還顯示出降雪增大時(shí),強(qiáng)對(duì)流中心持續(xù)維持,并逐漸向東運(yùn)動(dòng),直到15日08:00逐步減弱消失,降雪結(jié)束。5.3.5u3000相對(duì)濕度對(duì)酒泉附近相對(duì)濕度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析,可以看出,這次降雪的水汽是隨著西北氣流輸送到降雪區(qū)的。從3月13日20:00～14日14:00,近地面到500hPa以下的氣層中,相對(duì)濕度>80%較濕潤的氣團(tuán)逐漸向東移動(dòng),為降雪提供了比較充沛的水汽。圖8分別是3月14日14:00和20:00的相對(duì)濕度垂直剖面圖。14日08:00(圖略),酒泉以西近地面到500hPa之間有一相對(duì)濕度>88%的高濕區(qū),最大值為96.3%,在600hPa附近。隨著偏西氣流的引導(dǎo),濕氣團(tuán)逐漸向酒泉方向移動(dòng),14:00,高濕區(qū)向東擴(kuò)展,酒泉上空500hPa以下的相對(duì)濕度也達(dá)到了88%以上,為降雪的發(fā)生提供了充沛的水汽。到20:00,酒泉上空500hPa以下的氣團(tuán)仍然維持較大的相對(duì)濕度。但是,由于14:00～20:00之間,酒泉的降雪強(qiáng)度較大,凝結(jié)耗費(fèi)了大量水汽,在600hPa高度層酒泉上空出現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)的低值區(qū)域。6雪暴活動(dòng)的垂直環(huán)流分析通過對(duì)河西西部(祁連山西段)的一次暴雪天氣過程的數(shù)值模擬分析,說明WRF模式對(duì)中小尺度暴雪有較強(qiáng)的模擬和預(yù)報(bào)能力,揭示了影響暴雪發(fā)生發(fā)展的因子,得到以下結(jié)論:(1)在形成這次暴雪過程中,地面