黃奕銘,謝文鋒,王剛

(民航中南空管局 氣象中心,廣東 廣州 510405)

黃奕銘,謝文鋒,王剛.2015.廣州機場終端區(qū)“4.30”颮線過程的診斷分析和數值模擬[J].大氣科學學報,38(4):557-565.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140303001.

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廣州機場終端區(qū)“4.30”颮線過程的診斷分析和數值模擬

黃奕銘,謝文鋒,王剛

(民航中南空管局 氣象中心,廣東 廣州 510405)

摘要：利用常規(guī)觀測資料、多普勒天氣雷達觀測資料、風廓線雷達資料及NCEP/NCAR再分析資料,對2013年4月30日發(fā)生在廣州白云機場終端區(qū)的颮線過程進行了診斷分析和數值模擬。結果表明:此次過程是由高空槽東移帶動地面弱冷空氣南下造成的;高分辨率WRF(Weather Research and Forecasting)模式較好地模擬出了這次颮線的形態(tài)和發(fā)展變化過程;颮線內部有較明顯的傾斜氣流,發(fā)展階段內部以上升氣流為主,成熟階段強的上升運動主要位于600 hPa以上,中低層則由于拖曳作用有顯著的下沉氣流;此次颮線過程有明顯的地面冷池和雷暴高壓配合,颮線的強度變化與地面冷池的變化存在明顯相關,發(fā)展階段雷暴高壓出現(xiàn)在整個颮線的下方及后部,在成熟階段其下方的正變壓與后部的負變壓呈對稱結構。

關鍵詞：廣州機場終端區(qū);颮線;WRF;冷池

0引言

廣州機場終端區(qū)位于華南地區(qū)中部,強對流天氣頻發(fā),給民航運輸的安全和效率帶來嚴重的影響,颮線就是其中重要的強天氣之一。國內許多學者應用各種探測資料和數值模式分析了颮線在發(fā)生發(fā)展過程中一些重要的結構演變特征(潘玉潔等,2008;陳杰等,2012;李娜等,2013)。姚建群等(2005)指出低層急流、地面鋒生作用、低層輻合和高層輻散有利于颮線的形成,較強的環(huán)境風垂直切變和雷暴內部上升氣流與下沉氣流的正反饋作用有利于颮線系統(tǒng)維持較長時間,中尺度對流系統(tǒng)多個雷暴單體間的相互作用會影響雷暴單體強度變化和移動方向。慕熙昱等(2007)指出颮線雷達回波呈現(xiàn)波型特征,數值模擬結果中看到在系統(tǒng)發(fā)生的帶狀區(qū)域內有多個中尺度渦旋存在,在颮線內有中尺度渦旋簇和弓形回波。謝健標等(2007)指出中高層冷空氣的進入和低空西南急流為颮線發(fā)生提供有利的環(huán)境熱力場,颮線發(fā)生在高空急流入口輻散區(qū)、低空急流輻合區(qū)之上,垂直速度、濕靜力能和對流有效位能等物理量能有效反映颮線的落區(qū)和移動演變。梁建宇和孫建華指出(2012)颮線成熟階段地面存在明顯的雷暴高壓、冷池、出流邊界、尾流低壓等特征,系統(tǒng)由線狀轉變?yōu)槿俗中蜗到y(tǒng)的原因是由于氣旋擾動的冷暖切變的作用,中層入流是地面大風形成的重要原因之一。陳明軒和王迎春(2012)指出低層環(huán)境垂直風切變和冷池相互作用對颮線的維持發(fā)展和傳播起著關鍵作用。陳濤等(2013)指出冷池邊界擴張速度與低層風垂直切變大致相當。于庚康等(2013)指出地面風場中對應一條清晰的輻合線對颮線的觸發(fā)和維持起著重要的作用。

2013年4月30日,廣州機場終端區(qū)10—15時(北京時間,下同)自西北向東南經歷了一次較長時間強颮線天氣過程,影響時間達5 h;廣州白云機場出現(xiàn)了長達2 h強雷雨天氣,最大陣風達17 m/s,短時最低能見度為1 000 m,廣州白云機場當日啟動了航班延誤最高級別的紅色預警。本文通過分析廣州地區(qū)颮線內部的結構特征和發(fā)展變化機理,探討了廣州地區(qū)颮線的三維結構和發(fā)展變化機制。

1資料

資料包括常規(guī)觀測資料、FY-2E衛(wèi)星資料、華南雷達拼圖、廣州白云機場多普勒天氣雷達和風廓線雷達資料,以及每6 h一次的NCEP/NCAR的再分析資料。

2大尺度環(huán)流形勢和觀測分析

2.1　颮線發(fā)生的環(huán)流背景

4月30日白天,颮線云帶自西北向東南橫掃廣東大部區(qū)域,廣東省大部分市縣先后出現(xiàn)了大雨到暴雨,局部大暴雨到特大暴雨。30日08—16時,海豐縣聯(lián)安鎮(zhèn)錄得304.3 mm的特大暴雨;有10個氣象站錄得100～250 mm的大暴雨,有47個氣象站錄得50～100 mm的暴雨,有465個氣象站錄得25～50 mm的大雨,珠江三角洲和粵西地區(qū)在雷雨過程中普遍伴有8～10級短時大風。

從4月30日08時的形勢場(圖略)上看,850 hPa切變線位于廣西中部、廣東北部到江南東部地區(qū),500 hPa高空槽處于廣西的東部,850～200 hPa廣東都處于深厚的槽前西南氣流控制之下;高空槽的東移帶動850 hPa切變線的南壓,切變線南側一直維持著強勁的西南急流,充足的水汽輸送為颮線的形成和加強提供了有利條件;地面天氣圖顯示,30日白天,華南地區(qū)都處于低槽的控制之中,有一股弱冷空氣南下影響。

圖1是30日10—14時廣州白云機場風廓線雷達的風場時間序列,可以看到,12時30分前后,3 000 m高度以下由西南風轉西北風,而3 000～5 000 m高度依然維持西南風,此時正是颮線壓到廣州白云機場上空的時間。這表明地面冷空氣、850～700 hPa切變線與這次颮線系統(tǒng)有很好的對應關系,而500 hPa高空槽則有所滯后。

從大氣層結情況(圖略)看,4月30日08時的清遠探空曲線顯示在925 hPa以下存在逆溫,可能是夜間地面的輻射冷卻所致,溫度露點差的大值區(qū)位于500 hPa以上,說明500 hPa以下有比較充足的水汽儲備,上干下濕的層結有利不穩(wěn)定能量的累積。在穩(wěn)定度方面,由梧州和清遠的K指數(41、37)和SI指數(-3.37、-1.02)可見,兩地的層結條件都有利于對流的發(fā)生,但是清遠的對流有效位能只有1 113.3 J/kg,而此時梧州探空得到的對流有效位能只有215.4 J/kg,這可能是因為此時颮線的前沿剛好到達梧州,部分能量已得到釋放。

圖1　2013年4月30日10—14時廣州白云機場風廓線雷達的風場時間序列(單位:m/s)Fig.1　Time series of wind field observed by the wind profile radar in Guangzhou Baiyun airport from 10:00 BST to 14:00 BST 30 April 2013(units:m/s)

2.2　颮線過程的觀測特征

從FY-2E紅外云圖(圖略)中可以看到,08時開始大片對流云團覆蓋江南和華南大部地區(qū),但是結構相對松散,到了11時后可以明顯地看到云團的東南邊界呈線狀,邊界清楚,云團變得密實。整個云系自西北向東南方向移動,橫掃廣東大部,到了17時云系又逐漸分裂,對流趨于減弱。

雷達強度圖能夠更清晰地展示該次颮線的結構特征(圖2a),颮線由一排線狀排列的對流單體組成,回波梯度很大,強回波帶寬度約40 km,長度約350 km,最大回波強度超過60 dBz,最大高度達到15 km(圖2e)。在到達廣州機場之前,颮線強度迅速增強,移速約為50 km/h。經過廣州機場之后,北段移速開始減慢,強度減弱,南段則繼續(xù)快速的向東南方向移動。

強對流過程經常帶來地面大風天氣,梁建宇和孫建華(2012)研究指出颮線的發(fā)展階段和成熟階段對流區(qū)的下沉氣流比較強烈,同時尾部入流也加強了下沉氣流,可能是導致形成地面大風的重要原因。由圖2b可以看到,在颮線過境之前機場上空中高層吹的是西北偏西風,低層吹的是西南風,有明顯的垂直風切變,地面附近的最大風速約20 m/s,與機場實際觀測的風速十分接近,說明颮線過境前的雷達速度圖對大風的預報有很好的參考價值。圖2d顯示,到13時,颮線過境后,低層轉成西北風,整個零速度帶走向與颮線基本一致,反映了切變線過境時典型的風場變化特征。

由圖2e可見,雷達站西南方向65 km處出現(xiàn)最大強度達61 dBz的回波細胞核;圖2f是沿圖2e的A到B處強度垂直剖面,可看到50 dBz以上強回波核出現(xiàn)在4.5～8 km高度,該強回波核的下方回波明顯較弱,呈現(xiàn)懸垂回波特征;圖2b的1.2°PPI速度顯示,在該強回波核附近出現(xiàn)了明顯的中氣旋速度圖像特征,最大負速度為17 m/s,最大正速度為3 m/s。這表明該單體屬于超級單體,即本次颮線上出現(xiàn)了超級單體嵌入的情況。

3颮線過程的數值模擬

為更好地分析颮線內部的結構特征和發(fā)展變化機理,利用中尺度數值天氣模式WRF(Weather Research and Forecasting)進行高分辨率的模擬試驗,探討了廣州地區(qū)颮線的三維結構和發(fā)展變化機制及廣州機場終端區(qū)對流天氣預報系統(tǒng)的設計。

3.1　模擬方案設計

模式采用WRFV3.3.1版本,采用三重雙向嵌套網格,區(qū)域的中心位于(112°E,23°N),水平分辨率分別為36、12、4 km,垂直方向有28層。模式的三個模擬區(qū)域均采用YSU行星邊界層方案及RRTM長波和Dudhia短波輻射參數化方案;在模擬區(qū)域D01和D02中采用BMJ積云對流參數化方案,在模擬區(qū)域D03的4 km高分辨率網格中,不采用任何積云對流參數化方案;在三個區(qū)域均采用WSM6云微物理方案。將NCEP/NCAR提供的6 h一次1°×1°分辨率的FNL再分析資料水平插值到粗網格區(qū)域D01,垂直插到28層eta面上作為背景場。D01、D02和D03區(qū)域的模擬時間均為2013年4月29日20時—30日20時,共積分24 h。

圖2　2013年4月30日廣州白云機場雷達回波圖　　a.12時1.2°PPI強度;b.12時1.2°PPI速度;c.13時1.2°PPI強度;d.13時1.2°PPI速度;e.12時最大強度回波;f.沿圖2e中AB直線的強度剖面Fig.2　Radar echo charts observed by the radar in Guangzhou Baiyun Airport on 30 April 2013　　a.reflectivity of 1.2° PPI at 12:00 BST;b.radial velocity of 1.2° PPI at 12:00 BST;c.reflectivity of 1.2° PPI at 13:00 BST;d.radial velocity of 1.2° PPI at 13:00 BST;e.maximum reflectivity at 12:00 BST;f.vertical section of reflectivity along AB line in Fig.2e at 12:00 BST

3.2　模擬結果的驗證

短時強降水是颮線天氣帶來的主要災害之一,而在數值模擬中降水既受大尺度環(huán)流場影響,又與內部的云微物理過程有關。從D03區(qū)域(4 km)4月30日08—14時與14—20時模擬的6 h累積降水與中央氣象臺發(fā)布的實況觀測資料的比較(圖略)可以看到,08—14時,模擬的雨區(qū)分布與實況較吻合,雨帶主要位于廣西的東南部、廣東的中北部、湖南南部和福建中南部一帶,但是位于廣東北部的強降水中心模擬的位置偏北,強度也偏強。14—20時,位于粵東和福建中南部的降水模擬效果較好,范圍和中心基本吻合,但位于湛江、?？谝粠t有一些虛假的降水出現(xiàn)?？傮w來說,模式對此次颮線過程的降水范圍模擬較好,但強中心位置略有偏差。

圖3　2013年4月30日08時(a,b)、11時(c,d)華南雷達拼圖(a,c)和模擬的華南地區(qū)最大雷達反射率(b,d)(單位:dBz)Fig.3　(a,c)Composition of observed radar echo images in South China and (b,d)simulated maximum radar reflectivity in South China at (a,b)08:00 BST and (c,d)11:00 BST 30 April 2013(units:dBz)

圖3是D03區(qū)域(4 km)模擬的最大雷達反照率與華南區(qū)域雷達拼圖的對比,可以看到這次模擬試驗比較成功地模擬出了颮線的發(fā)展和變化過程。4月30日08時,強對流位于廣西的東部和廣東的西北部,強回波中心已初顯颮線形態(tài),到11時,颮線發(fā)展強盛向東南方向移動,12時前后開始影響廣州白云機場,與實際影響時間偏差在1 h之內,14時(圖略)颮線到達廣東沿海地區(qū),之后強度減弱,逐漸消散。從觀測結果都可以看出,這次颮線可分為兩段,一段位于廣東境內,東北—西南向,強度較強,另一段位于江西和福建的南部,呈偏東—西向,強度較弱。相比之下,廣東境內的颮線模擬得略偏快一些,模擬的颮線寬度略窄,但強對流位置較準,線形結構明顯,效果良好?？梢?模式已基本具備了模擬廣州地區(qū)颮線這種強天氣過程的能力,對于提前判斷颮線的形成和過境時間有很好的參考價值。

對比D02區(qū)域(12 km)模擬的最大雷達反照率(圖略),4 km分辨率可以較好地模擬出颮線的形態(tài),效果明顯超出12 km分辨率的預報場,這也表明,建設廣州機場終端區(qū)對流預報系統(tǒng),滿足當前航空業(yè)務需求,需要發(fā)展高分辨率(3～4 km量級)甚至更高分辨率的數值預報系統(tǒng),并針對不同的天氣背景進行參數設置試驗。

3.3　颮線的發(fā)展變化和結構分析

颮線天氣的發(fā)生是上下各層天氣系統(tǒng)相互作用下的結果,圖4給出了4月30日11時模擬的最大雷達反照率分別與地面、850、700和500 hPa風場的疊加。颮線的南段與北段,其位置與地面輻合線位置十分吻合。颮線的北段則主要受地面輻合線和850 hPa弱切變的影響,而颮線的南段是在地面輻合線、850 hPa切變線以及700 hPa槽線的共同作用下,系統(tǒng)更為深厚,這或許正是颮線的南段比北段更強的原因。整個系統(tǒng)均處于500 hPa高空槽前,使得大氣層處于不穩(wěn)定的狀態(tài),高空槽的東移帶動了整個系統(tǒng)的南壓。

圖4　模擬的2013年4月30日11時華南地區(qū)最大雷達反射率(陰影;單位:dBz)以及地面(a)、850 hPa(b)、700 hPa(c)和500 hPa(d)風場(單位:m/s)Fig.4　Simulated maximum radar reflectivity(shadings;uints:dBz) and (a)surface,(b)850 hPa,(c)700 hPa and (d)500 hPa wind fields(units:m/s) in South China at 11:00 BST 30 April 2013

圖5　模擬的2013年4月30日華南地區(qū)地面變溫(陰影;單位:℃)、變壓(等值線;單位:hPa)和地面風場(單位:m/s)　　a.08時;b.11時;c.14時;d.17時Fig.5　Simulated surface temperature departure(shadings;units:℃),pressure departure(contours;units:hPa) and wind fields(units:m/s) in South China at (a)08:00 BST,(b)11:00 BST,(c)14:00 BST and (d)17:00 BST 30 April 2013

從4月30日11時和14時颮線過境前后模擬的廣州白云機場T-lnp探空曲線圖(圖略)可看到,在11時颮線過境之前,500 hPa以上的溫度露點差大于4 K,說明中上層有干空氣的入侵,K指數達到39,對流有效位能為1 395 J/kg,而低層則是比較強的暖濕氣流,整個層結處于非常不穩(wěn)定狀態(tài)。而到了14時颮線過境后,500～300 hPa的溫度露點差明顯減小,地面溫度顯著下降,K指數也下降到28,對流有效位能得到完全釋放;600 hPa以下由西南風完全轉為西北風。

圖6　模擬的2013年4月30日沿圖4a中AB直線的雷達反射率(陰影;單位:dBz)、溫度(等值線;單位:℃)和風場(箭矢;單位:m/s)的垂直剖面　　a.02時;b.05時;c.08時;d.11時;e.14時;f.17時Fig.6　Vertical sections of simulated radar reflectivity(shadings;units:dBz),temperature(contours;units:℃) and wind(arrows;units:m/s) along AB line in Fig.4a at (a)02:00 BST,(b)05:00 BST,(c)08:00 BST,(d)11:00 BST,(e)14:00 BST and (f)17:00 BST 30 April 2013

雷暴高壓和地面冷池是強對流天氣的重要特征,Nicholas et al.(2008)指出,在對流系統(tǒng)發(fā)展的不同階段,地面氣壓和冷池的變化表現(xiàn)出不同的特征。圖5是4月30日08時、11時、14時、17時華南地區(qū)地面1 h變壓、1 h變溫和地面風場。在颮線加強的過程中,地面冷池越來越顯著,颮線前后的溫度梯度很大,地面1 h變溫超過6 ℃;在11時前颮線發(fā)展的過程,整個颮線及其后部都是大范圍的正變壓,到了11時,南支颮線的南端達到一定強度后,其后部則變成負變壓,北端處于正在加強過程中其后部仍是正變壓;到了14時整個颮線發(fā)展成熟時,颮線低層的正變壓與后部的負變壓呈對稱結構;14時的地面1 h變溫(圖5c)顯示,颮線南端的變溫比11時有減弱的趨勢,相反颮線北段則有加強的趨勢;17時天氣實況顯示,颮線南端的天氣是明顯的減弱,北段則略有加強。這表明這次颮線天氣的加強和減弱與地面冷池的變化有明顯的相關,關注地面冷池的變化對預報颮線的強度變化有一定指示意義。

圖6是4月30日颮線強度變化過程中沿圖4a中的AB線上的雷達反照率、溫度和環(huán)流場的垂直剖面,可以看到02—17時0 ℃層位于500～600 hPa之間,強對流區(qū)域由于釋放更多的潛熱其零度層位置更高一些。在02時、05時和08時的發(fā)展階段,颮線前部各層都是逐漸增強的上升氣流,而后部中層則有明顯的傾斜入流。到了11時和14時的成熟階段其內部結構則有所不同,在600 hPa以上是很強的上升氣流,回波最高到達了200 hPa(約12 km)的高度,而在600 hPa以下的強回波區(qū)前的上升運動14時比11時有明顯的減弱。上升運動的減弱意味著颮線強度將逐漸減弱,17時的天氣實況完全驗證了模擬的情況。

圖7　模擬的2013年4月30日11時華南地區(qū)水平風速散度的水平分布(單位:10-3 s-1)　　a.850 hPa;b.700 hPa;c.500 hPa;d.200 hPaFig.7　Horizontal velocity distributions of simulated divergence at (a)850 hPa,(b)700 hPa,(c)500 hPa and (d)200 hPa in South China at 11:00 BST 30 April 2013(units:10-3 s-1)

圖7是2013年4月30日11時散度的水平分布。850 hPa上,颮線的前方輻合、后部輻散(圖7a),這與圖6d相對應;而700 hPa上前部輻散、后部輻合(圖7b);到了500 hPa和200 hPa則前后都是輻散場,對應了圖6d中上層的上升運動。這種低層前部的輻合配合后部的傾斜下沉,中高層的輻散抽吸反映了颮線加強過程中的主要環(huán)流特征。

4結論與討論

1)此次颮線過程是高空槽東移帶動地面弱冷空氣南下,中上層的干冷空氣與中低的暖濕氣流在華南上空交匯形成,850 hPa切變線和700 hPa的高空槽是最直接的影響系統(tǒng)。

2)數值模擬結果顯示WRF模式能比較好地模擬出這次颮線過程的發(fā)展變化過程,模擬的位置、移向、移速和強度與觀測結果十分接近,對于廣州機場終端區(qū)區(qū)域對流預報系統(tǒng)的設計有很好的參考價值。

3)颮線發(fā)展變化的不同階段其內部表現(xiàn)出不同的結構特征,颮線內部有比較明顯的傾斜氣流,在其發(fā)展階段內部以上升氣流為主,而到了成熟階段,強的上升運動主要位于600 hPa以上的高層區(qū)域,而在中低層則由于拖曳作用有非常顯著的下沉氣流。

此次颮線過程有非常明顯的地面冷池,在颮線發(fā)展的不同階段雷暴高壓的分布有不同特征,發(fā)展階段出現(xiàn)在整個颮線的下方及其后部,而在成熟階段其下方的正變壓與后部的負變壓呈對稱結構;這次颮線天氣的加強和減弱與地面冷池的變化有明顯的相關,關注地面冷池的變化對預報颮線的強度變化有一定的指示意義。

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(責任編輯：張福穎)

Diagnostic analysis and numerical simulation of the squall line

event in Guangzhou airport terminal area on 30 April 2013

HUANG Yi-ming,XIE Wen-feng,WANG Gang

(Meteorological Center,Air Traffic Administration of Mid-Southern China,Guangdong 510405,China)

Abstract:Based on the conventional observation data,Doppler radar observation data,wind profiler radar data and NCEP/NCAR reanalysis data,a squall line event occurred in Guangzhou Baiyun airport terminal area on 30 April 2013 was analyzed and simulated.Results show that the weather event is caused by the east movement of the upper trough,which drives weak surface cold air southward.The shape and intensity changes of squall line simulated by WRF(Weather Research and Forecasting) model are quite in agreement with the observations.There are obvious tilted updraft in the squall line.In the stage of development,there are updraft in the whole squall line,while in the mature stage,the updraft above 600 hPa and the downdraft in middle and low levels as a result of drag effect of heavy rain.There are obvious surface cold pool and thunderstorm high during the squall line process,and there is an obvious correlation between intensity change of squall line and change of cold pool.In the stage of development,the thunderstorm high locates in the low and back parts of the whole squall line,while in the mature stage,the positive pressure change in the low part and the negative pressure change in the back part are symmetrical.

Key words:Guangzhou airport terminal area;squall line;WRF;cold pool

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140303001

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)04-0557-09P425

文獻標志碼：A

通信作者：黃奕銘,高級工程師,研究方向為航空天氣預報,1452175@qq.com.

基金項目:中國民用航空局安全能力資金項目(TMSA1446)

收稿日期：2014-03-03；改回日期：2014-08-26