管 琴,徐 亮,李青平,祁 艷,尤桑杰,馮曉麗,彭英超

(1.青海省氣象臺,西寧 811000;2.黃南州氣象局,青海同仁 811399)

青海初秋一次雨雪天氣過程數(shù)值模擬分析

管 琴1,徐 亮1,李青平2,祁 艷1,尤桑杰1,馮曉麗2,彭英超2

(1.青海省氣象臺,西寧 811000;2.黃南州氣象局,青海同仁 811399)

利用中尺度數(shù)值模式WRFV3.6對2014年10月10—11日發(fā)生在青海省境內(nèi)的一次雨雪天氣進(jìn)行了數(shù)值模擬及實況對比分析。研究表明,模式對造成此次雨雪相態(tài)變化降水過程的500 hPa及地面天氣影響系統(tǒng)的位置及移動路徑模擬效果較好,并成功模擬出15日青海省雨雪天氣過程雨帶、雨雪強度中心。通過對模式每小時輸出物理量的分析發(fā)現(xiàn),此次雨雪相態(tài)的變化主要是由地面冷空氣引起;雨雪過程的水汽來源主要為近地層的偏東氣流和500 hPa的偏南氣流;雨雪天氣過程中上升運動不強;出現(xiàn)降雨天氣時,近地層 (100 m以下)的雨水含量比較大;出現(xiàn)雨夾雪時,近地層有少量的冰晶含量,但未接地;出現(xiàn)降雪天氣時,近地層雪晶及霰含量較大,并且接地;利用地面大氣層中凍結(jié)部分降水混合比在可凝結(jié)成降水的水汽混合比中的比例作為降水相態(tài)判據(jù)指標(biāo),進(jìn)行青海地區(qū)降水相態(tài)的預(yù)報是可行的。

青海;雨雪;相態(tài);層結(jié);微物理量

在秋末冬初或冬末春初轉(zhuǎn)換季節(jié),青海省境內(nèi)冷暖空氣活動較為頻繁,溫度變化常常會使降水相態(tài)發(fā)生改變。降水量級相同,但降水相態(tài)不同,降水過程的影響差異很大,因此降水相態(tài)的預(yù)報至關(guān)重要[1]。李江波等[2]對2007年3月一次春季強寒潮的降水相態(tài)變化結(jié)合歷史個例做了分析,認(rèn)為多普勒天氣雷達(dá)反射率回波圖上零度層亮帶高度迅速下降,可作為從液態(tài)降水向固態(tài)降水轉(zhuǎn)換的判據(jù)之一。白惠星等[3]研究了北疆地區(qū)一次雨轉(zhuǎn)雪天氣過程,認(rèn)為高空橫槽轉(zhuǎn)豎時所攜帶的強烈冷平流造成了雨轉(zhuǎn)雪天氣的發(fā)生。許彤等[4]對仙桃機場的2次雷雨轉(zhuǎn)雨夾雪天氣進(jìn)行了分析,認(rèn)為850 hPa溫度場0℃線經(jīng)過本機場可作為降水相態(tài)發(fā)生變化的一個判定依據(jù)。孫晶等[5]利用中尺度模式MM5,模擬了1999年11月23—24日遼寧雨轉(zhuǎn)雪過程,認(rèn)為遼寧雨轉(zhuǎn)雪為氣、液、固三相粒子相互作用的過程。全國廣大氣象工作者從不同角度對其當(dāng)?shù)卮杭净虺醵贽D(zhuǎn)雪天氣進(jìn)行了分析,對當(dāng)?shù)赜贽D(zhuǎn)雪預(yù)測提供了很好的依據(jù)。

本文利用WRF中尺度數(shù)值預(yù)報模式產(chǎn)品和NCEP 1°×1°再分析資料,對2014年10月10—13日青海省出現(xiàn)的一次雨轉(zhuǎn)大到暴雪天氣過程進(jìn)行了診斷分析,為今后青海地區(qū)雨轉(zhuǎn)雪天氣過程的預(yù)報和服務(wù)提供有益參考。

1 模式簡介及資料來源

利用中尺度數(shù)值模式WRFV3.6,采用雙向二重嵌套網(wǎng)格,水平分辨率分別為21 km、7 km;模擬區(qū)域以(35.32°N,96.50°E)為中心,垂直方向為31層;粗網(wǎng)格格點數(shù)124×91,覆蓋中國西北地區(qū),細(xì)網(wǎng)格格點數(shù)為274×205,覆蓋青海省;采用Purdue Lin微物理過程方案, rrtm長波輻射方案,Dudhia短波輻射方案, Monin-Obukhov地面層方案,Noah陸面過程, YSU邊界層參數(shù)方案,淺對流Kain-FritSch (new Eta)積云參數(shù)化方案;積分步長為60 S。使用空間分辨率為1°×1°、時間間隔為6 h的NCEP資料作為初始場和背景場,模擬時間為2014-10-10T20—11T20(北京時),同時利用MICAPS資料和青海省50個地面自動氣象站的觀測資料作為實況分析數(shù)據(jù)。

2 天氣過程概述

2.1 天氣實況

10月10日08時,青海省境內(nèi)出現(xiàn)了降水天氣 (除海西西部和玉樹南部外),較大降水出現(xiàn)在西寧、海東、海北、海南和黃南地區(qū)。截止13日08時,累計過程降水量最大值為30.9 mm,出現(xiàn)在湟中,其次是互助和貴南,分別為27.6 mm和24.7 mm,西寧二十里鋪、大通、澤庫等10個測站降水量超過15 mm,其中全省16個測站累計降水量超過10 mm,其余測站為0.2～9.9 mm。13日08時青海省內(nèi)大部分積雪已經(jīng)融化,只有互助和久治分別有7 cm和5 cm的積雪。雨雪天氣時伴隨降溫,西寧、海東、海北等地區(qū)72 h內(nèi)日平均氣溫下降8℃以上,出現(xiàn)寒潮[6]108(青海標(biāo)準(zhǔn))。在該降水、降溫天氣過程中,10日20時—11日08時,同仁觀測站記錄的天氣現(xiàn)象有陣雨(10日20—21時)、雨(10日21—23時)、雨夾雪(10日23日-11日02時)、雪(11日02—05時)、陣雪(11日05—08時)及結(jié)冰,10日夜間到11日凌晨,同仁出現(xiàn)明顯降水相態(tài)轉(zhuǎn)變。

2.2 天氣形勢分析

2014年10月9日08時,500 hPa天氣圖(圖略)上,歐亞大陸為兩槽一脊型,巴爾喀什湖有一低槽發(fā)展,槽內(nèi)冷中心強度為-40℃,東亞蒙古國上空為高壓脊控制,東北地區(qū)到日本海有一低槽存在,南疆到青海省唐古拉山區(qū)間有一高空鋒區(qū),若羌與沱沱河兩測站溫差8℃。20時,巴爾喀什湖低槽東移至新疆一帶,槽內(nèi)冷中心強度達(dá)-42℃,青海省西部高空鋒區(qū)明顯加強,若羌與沱沱河兩測站溫差達(dá)11℃。10日08時,高原東部受西南氣流控制,巴爾喀什湖低槽及其冷中心位置略有北抬,鋒區(qū)進(jìn)一步加強,若羌與沱沱河兩測站溫差達(dá)13℃,同時青海西部受巴爾喀什湖低槽底部冷空氣和西南氣流的影響,開始出現(xiàn)降水。從地面天氣圖的冷高壓演變來看,此次過程前期(8日08時—9日14時),冷空氣在巴爾喀什湖堆積加強,9日20時,冷空氣翻越阿爾金山,經(jīng)茫崖進(jìn)入柴達(dá)木盆地 (西路)開始影響青海省大部分地區(qū),10日08時,另一股冷空氣沿河西走廊向東南方向移動,從祁連山東西兩邊入侵并南壓擴(kuò)散 (西北路徑)影響青海省大部分地區(qū),兩股冷空氣在高空槽配合下形成此次雨雪及降溫天氣過程。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 高度場及風(fēng)矢量場

高度場和風(fēng)矢量場能直觀地反映出冷空氣移動和水汽來源,對青海高原上中小尺度系統(tǒng)的反映也更明顯。圖1為模式輸出的10日20時、11日20時500 h Pa高度場、風(fēng)矢量場。10日20時500 hPa(圖略)上模式基本模擬出了影響此次過程的貝加爾湖大槽及其底部分裂出的小槽、大風(fēng)帶及高空槽等系統(tǒng),其位置與實況場十分接近,但較實況更為詳細(xì)的是在唐古拉山北側(cè)(36°N)有明顯的偏北風(fēng)與偏西風(fēng)切變,在柴達(dá)木盆地東部、青海湖附近有氣旋性輻合,玉樹的東北部有溫度槽;11日08時500 h Pa模式模擬的貝加爾湖大槽東移,大槽底部分裂小槽移至祁連山東段,青海西北部大部分地區(qū)冷平流比較明顯,但是較實況更為詳細(xì)的是切變線東部、格爾木附近高原低值系統(tǒng)形成,柴達(dá)木盆地東部有一弱的高原淺槽,同時冷暖平流交匯在西寧—貴德—果洛西部一線;11日20時,500 hPa模式模擬出高原上多高空短波槽活動,其中一短波槽在青海省西部,另一個短波槽在青海省的東北部,但是較實況更為明顯的是西藏東北部的高原低值系統(tǒng),青海省阿尼瑪卿雪山北部的東西向切變線及海南州與黃南州交界的弱低值系統(tǒng)?？傮w來看此次雨雪天氣個例形勢模擬基本與實況一致,但比實況更為詳細(xì)。

3.2 降水量

從模擬降水量(圖2)與實況降水量(圖略)對比分析可以看出,模式基本上模擬出本次雨雪過程強降水(雪)區(qū)的走向及降水(雪)中心的位置。本次降水 (雪)呈東北—西南走向,降水(雪)中心在青海省東北部地區(qū),其中玉樹中部的降水 (雪)相對比較大,模擬結(jié)果顯示海西西部未出現(xiàn)降水,模擬結(jié)果基本與實況吻合。

通過以上分析,可以認(rèn)為本次模擬試驗對此次雨雪天氣過程的主要影響系統(tǒng)及其移動路徑和移動速度、24 h降水量預(yù)報都有較成功的模擬,下面利用WRF模式輸出結(jié)果,對該次過程的降水相態(tài)變化特征進(jìn)一步診斷分析。

4 雨雪天氣過程的診斷分析

4.1 溫度及層結(jié)

從地面2 m溫度模擬值與實況值對比分析結(jié)果來看,2 m溫度的模擬值與實況溫度值的相關(guān)性為0.90,也就是說模擬值與實況值之間的變化趨勢基本一致。但是2 m溫度的模擬值比實況值整體偏低1℃左右,存在系統(tǒng)性誤差。從模擬結(jié)果上看,地面冷空氣的入侵及夜間輻射降溫是降水相態(tài)發(fā)生變化的原因之一,尤其是在青海省的北部地區(qū)。

沿36.82°N做時間-高度溫度剖面圖(圖略),98°E～104°E溫度變幅較大,其余地區(qū)溫度變幅較小。從模擬的溫度平流演變來看, 600 hPa以下以冷平流為主,500 hPa及以上青海北部以弱的冷平流為主,其余大部分地區(qū)以暖平流為主。從單站氣象要素模擬結(jié)果來看,北部的祁連山區(qū)(如海北州托勒)600 hPa以下基本以冷平流為主,溫度一直比較低,10日20時—11日08時基本維持在-5℃左右,且溫度變化較為平緩,該地的降水相態(tài)為雪;中部 (如黃南州同仁站,因500 h Pa以上溫度變化平緩,故只給出500 h Pa以下溫度變化,如圖3)及東北部地區(qū)(如海東市互助站)10日20時—11日08時,地面不斷有冷空氣入侵,暖平流底部不斷被抬升,10日20時—11日02時近地層0℃層迅速降低,11日02時—11日20時600 hPa及以下溫度一直低于0℃,在0℃層高度迅速降低期間,該地區(qū)的降水相態(tài)發(fā)生了變化,由雨轉(zhuǎn)為雨夾雪再轉(zhuǎn)為降雪天氣;南部 (如玉樹州囊謙) 600 h Pa及以下溫度一直在0℃以上,0℃層高度基本維持在500 m,近地層溫度變化比較平緩,以暖平流為主,降水相態(tài)以雨為主。

從不同高度層氣象要素模擬的結(jié)果來看, 600 hPa及以下有冷平流活動,500 hPa以上溫度變化比較平緩,因此此次青海大范圍降溫主要來源于近地層冷空氣,近地層冷空氣造成的0℃層高度迅速降低[2]是降水相態(tài)發(fā)生變化的原因之一,同時0℃高度也決定了降水相態(tài)的類型。

4.2 水汽條件

從模擬比濕和風(fēng)向風(fēng)速疊加圖來看,10日20—23時黃南南部—果洛北部—柴達(dá)木盆地東部有一來自東南方向的地面水汽輸送通道,并且隨著溫度逐步降低,空氣的水汽含量不斷增加; 11日00時沿河湟谷地、青海湖北部又有弱偏東水汽輸送,兩支氣流源源不斷地輸送水汽至青海東北部地區(qū),造成青海省東北部暴雪天氣過程。10日20時,500 h Pa模擬(高原上水汽來源分析500 h Pa[6]251-252)圖上存在兩條水汽輸送帶(圖4),其中一條從玉樹西南部到柴達(dá)木盆地東部 (西北部水汽帶),另一條從果洛南部經(jīng)黃南到祁連山區(qū) (東部水汽帶),并且水汽通量的大值區(qū)與低層輻合線位置一致;隨著時間的推移(10日21時—11日01時),西北部水汽帶變窄東移,與東部水汽帶有合并的趨勢。11日02—03時兩支水汽在青海省東北部和烏鞘嶺一帶輻合,04—08時東部水汽帶逐漸消失,西北部水汽帶東移且北段變窄。在500 hPa平均水汽通量圖上,水汽基本上由孟加拉灣經(jīng)玉樹西南部輸送到青海東北部地區(qū) (圖略)。從互助測站相對濕度隨時間變化來看,降水發(fā)生前低層濕度在70%以下,隨著西部水汽輸送帶東移,500～600 hPa水汽向下傳送,低層水汽加強,互助站10日夜間到11日早晨出現(xiàn)大到暴雪天氣。

4.3 垂直速度場

從500 hPa及以下層次模擬的垂直速度場上來看,青海西北部地區(qū)在初期(10日20時—11日01時)以弱上升運動為主,后期(11日13—20時)以弱下沉運動為主;其他地區(qū)在模擬期間基本以弱上升運動為主。沿36.82°N的垂直速度剖面圖上,10日20時(圖5a)500 hPa以下,91°E以西以上升運動為主,92°E(柴達(dá)木盆地東部邊緣)附近有一狹窄的下沉運動區(qū)域, 102°E附近有一弱的垂直風(fēng)向切變區(qū)域,其余大部分地區(qū)以上升運動為主;隨著冷空氣的東移(10日21時—11日01時),96°E以西地區(qū)上升運動減弱,下沉運動逐漸被上升運動代替,同時98°E～104°E中小尺度系統(tǒng)比較活躍;11日02時500 hPa以下有三個較狹窄下沉區(qū)域(98°E、101°E、103°E附近);后期(11日15—20時) 500 hPa以下除柴達(dá)木盆地附近外其余大部分地區(qū)維持弱上升運動。從互助站模擬結(jié)果來看 (圖5b),10日20時—11日08時,600 hPa以下以弱的上升運動為主,上升速度為0～0.05 m/S,期間10日20—23時降水相態(tài)以雨為主、10日23時—11日02時降水相態(tài)以雨加雪為主、10日23時—11日02時降水相態(tài)以雪為主;11日白天,高層以下沉氣流為主,中低層以弱的上升氣流為主,期間降水相態(tài)以雪為主。整個模擬期間,互助站500～600 h Pa上升速度較大,其中最大上升速度出現(xiàn)在11日02時550 hPa左右,同時伴隨0℃層氣溫的迅速下降。總體來看,此次降水相態(tài)轉(zhuǎn)換過程中垂直速度的絕對值基本維持在0.2 m/S以內(nèi),垂直上升運動范圍及風(fēng)向切變區(qū)域基本在地面到500 hPa左右,同時降雨期間的垂直上升速度要大于降雪期間的垂直上升速度。

4.4 云微物理量特征

根據(jù)模擬地面大氣層云微物理量中凍結(jié)部分降水粒子在可凝結(jié)成降水的水汽粒子中的比例(簡稱“SNF值”[1])可知,若該值為0,則降水類型為純雨;若該值為1,則降水類型為純雪或冰粒。從最低Sigma level[7](25 m左右高度層)模擬的不同云微物理量含量與實況降水相態(tài)做對比分析 (圖略)可以看出,雨水含量在可凝結(jié)成降水的水汽粒子中占的比例較大時,降水相態(tài)以降雨為主,而冰晶、雪晶及霰含量在可凝結(jié)成降水的水汽粒子中占的比例較大時,降水相態(tài)以降雪為主。如10日21時,雨水含量的大值區(qū)主要在海西東部、海北南部、西寧、海東西南部、黃南、海南北部,實況為這些地區(qū)此時出現(xiàn)降雨天氣;冰晶、雪晶及霰含量大值區(qū)主要在唐古拉山北部及祁連山區(qū),實況為這些地區(qū)主要出現(xiàn)降雪天氣;同時10日22時—11日08時,青海省東北部雨水含量明顯減少,同時冰晶、雪晶及霰等含量明顯增加,這也說明在此期間該地出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪相態(tài)的轉(zhuǎn)變,模擬基本與實況相符。

從同仁站微物理量剖面圖隨時間演變結(jié)果來看(圖略),模擬的初始時刻(10日20—23時)雨水含量比較高,且與地面相接,降水相態(tài)以雨為主;11日02時—11日08時,霰粒子增加明顯,并且冰晶粒子接地,降水相態(tài)以雪為主;10日23時—11日02時、11日09—17時,近地層中含有冰晶,但是沒有接地,此階段測站降水相態(tài)以雨夾雪為主。由此可見:出現(xiàn)降雨天氣的時候,近地層的雨水含量比較大;出現(xiàn)雨夾雪的時候,近地層有少量的冰晶含量,但是沒有接地;出現(xiàn)降雪天氣的時候,雪晶及霰含量比較大,并且接地。

5 降水相態(tài)預(yù)報方法

崔錦等[1]針對SNF值進(jìn)行了大量試驗,認(rèn)為比值在0.85以上,降水相態(tài)為雪;而介于0到0.85之間,降水類型為雨夾雪或者雨、雪(霰、冰粒等)混合態(tài);比值為0,降水類型為雨。從本個例模擬的SNF值來看,初始時刻(10日21時,圖6),柴達(dá)木盆地大部,海西東部、海南、西寧、海東大部、黃南、果洛大部地區(qū)、玉樹部分地區(qū)以降雨天氣為主,隨著時間的推移,青海省東北部地區(qū)降雪的可能性明顯增加,11日08時,除了玉樹南部、果洛中南部以降雨的形式為主,其他大部分地區(qū)以降雪天氣為主。整個模擬期間,果洛的南部SNF值＜0.85,說明該地以降雨為主,從模擬結(jié)果還可以看出青海省東北部在10日20時—11日08時出現(xiàn)明顯降水相態(tài)轉(zhuǎn)變,從與實況的對比結(jié)果來看,雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)變時段和出現(xiàn)范圍與模擬結(jié)果吻合,但是SNF值在青海的閾值還有待通過大量的個例分析來進(jìn)一步驗證。

6 結(jié)論

(1)模式對這次降水過程500 h Pa及地面影響系統(tǒng)的位置、移動路徑,雨帶及強度中心的模擬較為理想。

(2)從溫度及溫度層結(jié)等方面可以得出,此次降水相態(tài)的變化主要是前期氣溫偏高,后期地面有冷空氣侵入,加之夜間輻射降溫導(dǎo)致青海省東北部局地出現(xiàn)大到暴雪天氣過程,而非高層冷平流影響。

(3)從500 hPa層及以下的水汽條件來看,地面2 m的偏東氣流源源不斷將暖區(qū)的水汽輸送到青海省東北部地區(qū),同時500 h Pa的偏南氣流越過巴顏喀拉山脈向青海省的東北部輸送,其中水汽來源以2 m的偏東氣流為主。

(4)從垂直速度場的模擬結(jié)果來看,大到暴雪天氣過程中整層的上升運動不強,降水相態(tài)的變化主要由于0℃層高度的迅速下降引起。

(5)從模擬的微物理量并結(jié)合地面天氣現(xiàn)象觀測結(jié)果來看,出現(xiàn)降雨時,近地層雨水混合比較大;出現(xiàn)雨夾雪時,近地層有少量的冰晶含量,但是沒有接地;出現(xiàn)降雪天氣時,雪晶及霰含量比較大,并且接地。利用SNF值作為判據(jù)指標(biāo)進(jìn)行青海地區(qū)降水相態(tài)預(yù)報是可行的。

[1] 崔錦,周曉珊,陳力強,等.利用WRF模式制作東北地區(qū)冬季降水相態(tài)預(yù)報 [J].氣象與環(huán)境學(xué)報,2011,27(6):1-6.

[2] 李江波,李根娥,裴雨杰,等.一次春季強寒潮天氣的降水相態(tài)分析[J].山東氣象,2010,30 (3):15-18.

[3] 白惠星,王旭.2000年北疆地區(qū)初雪天氣分析[J].新疆氣象,2001,24(1):7-8.

[4] 許彤,田豐.仙桃機場雷雨轉(zhuǎn)雨夾雪天氣的分析[J].廣西氣象,2001,27(4):34-36.

[5] 孫晶,王鵬云,李想,等.北方兩次不同類型降雪過程的微物理模擬研究 [J].氣象學(xué)報, 2007,65(1):29-43.

[6] 王江山.青海天氣氣候[M].北京:氣象出版社,2004:108、251-252.

[7] WRF ARW USerS GuideV3[EB/OL].(2014-09-18)[2015-03-28].http://www2.mmm.ucar.edu/ wrf/uSerS/SupportS/tutorial.html.

P435

:A

管琴,徐亮,李青平,等.青海初秋一次雨雪天氣過程數(shù)值模擬分析[J].陜西氣象,2015(5):9-14.

1006-4354(2015)05-0009-06

2015-04-07

管琴(1977—),女,漢族,江蘇如皋人,碩士,工程師,主要從事數(shù)值模擬及天氣預(yù)報。