崔宜少

（威海市氣象局，山東 威海 264200）

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山東半島冷流暴雪的WRF數(shù)值模擬方案研究

崔宜少

（威海市氣象局，山東 威海 264200）

摘要：采用WRF數(shù)值模式，選擇2005年12月6—7日和21日兩次冷流暴雪天氣過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)有Kessler微物理方案和無(wú)微物理方案進(jìn)行了敏感性試驗(yàn)對(duì)比分析。結(jié)果表明，有Kessler微物理方案對(duì)冷流降雪過(guò)程模擬效果好，模擬的降雪量和降雪落區(qū)更接近于實(shí)況，對(duì)流層低層溫度平流和風(fēng)場(chǎng)輻合能夠揭示冷流暴雪產(chǎn)生的原因。而無(wú)微物理方案模擬的山東半島降雪量較實(shí)況明顯偏少，850 hPa溫度冷平流的絕對(duì)值偏小，且風(fēng)向輻合的交角偏小，輻合強(qiáng)度偏小。

關(guān)鍵詞：冷流暴雪；微物理方案；數(shù)值模擬

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（41175044）資助

引言

“海效應(yīng)降雪”是指冬季冷空氣流經(jīng)暖海面后產(chǎn)生的降雪，包括海面上和陸上降雪。海效應(yīng)降雪通常發(fā)生在中高緯度沿海特定的區(qū)域，如大西洋西岸的加拿大魁北克地區(qū)和大西洋東部的英格蘭島、日本海東部的日本西海岸等[1]。中國(guó)的“海效應(yīng)降雪”產(chǎn)生在環(huán)渤海地區(qū)，以山東半島最為顯著，當(dāng)?shù)胤Q為“冷流降雪”，相應(yīng)的暴雪稱為“冷流暴雪”[2]。冬季，當(dāng)高空槽過(guò)境后，山東西部地區(qū)相繼轉(zhuǎn)晴，山東半島處在槽后西北冷平流控制之下，冷空氣從北方經(jīng)過(guò)渤海暖濕海面進(jìn)行能量交換之后形成降雪天氣，常出現(xiàn)陣性降雪，以微量居多。在適宜的溫度和流場(chǎng)下，也會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)降雪。每年11月—次年2月是冷流降雪發(fā)生的主要時(shí)期。喬林和林建[3]認(rèn)為強(qiáng)降雪是低層飽和濕空氣受地形強(qiáng)迫、鋒生強(qiáng)迫的抬升作用及濕對(duì)稱不穩(wěn)定能量釋放的共同作用造成的，而干冷空氣的侵入觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放；楊成芳等[4]認(rèn)為有利的大氣環(huán)流形勢(shì)造成強(qiáng)冷空氣頻繁，經(jīng)過(guò)渤海暖海面時(shí)產(chǎn)生較大海氣溫差，是降雪持續(xù)長(zhǎng)、強(qiáng)度大的直接原因；暖海面對(duì)冷流降雪的作用非常重要。作為一種中尺度特征明顯的天氣現(xiàn)象，數(shù)值模擬是研究其產(chǎn)生機(jī)制的重要手段，而模擬時(shí)選取何種參數(shù)化方案影響到模擬結(jié)果。迄今為止，關(guān)于對(duì)暴雨的數(shù)值模擬研究較多[5-7]，對(duì)冷流暴雪的模擬研究較少。此文通過(guò)利用WRF中尺度數(shù)值模式敏感性模擬試驗(yàn)對(duì)比分析，試圖找到合適的冷流暴雪模擬方案，為今后開(kāi)展此類(lèi)天氣的數(shù)值模擬提供參考。

1 冷流暴雪個(gè)例選擇

選擇了2005年12月6—7日和21日兩次冷流暴雪天氣過(guò)程進(jìn)行分析。圖1為降雪實(shí)況。這兩次過(guò)程山東半島北部均為西北氣流下的冷流降雪，降雪僅出現(xiàn)在山東半島北部。12月6—7日的強(qiáng)降雪出現(xiàn)在6日夜間至7日白天，煙臺(tái)、威海北部3個(gè)國(guó)家級(jí)觀測(cè)站日降雪量超過(guò)10mm，威海站超過(guò)20mm，煙臺(tái)2個(gè)大雪站，其中煙臺(tái)站最大，為19mm。此過(guò)程發(fā)生時(shí)，500hPa東北冷渦位于北緯50oN以北，山東位于東北冷渦后部，500hPa以下為西北氣流，地面為冷高壓；濰坊以西地區(qū)均為晴好天氣，在低層冷空氣的影響下，海氣溫差加大，山東半島北部的煙臺(tái)威海地區(qū)出現(xiàn)了冷流暴雪天氣過(guò)程。21日降雪過(guò)程的500hPa為橫槽影響，對(duì)流層底層環(huán)流形勢(shì)與12月6—7日降雪過(guò)程類(lèi)似，暴雪出現(xiàn)在威海站和榮成站，威海站最大降雪量為18mm，煙臺(tái)有3站出現(xiàn)大雪，強(qiáng)降雪時(shí)段出現(xiàn)在20日夜間—21日白天。

圖1　2005年12月6日08時(shí)—7日08時(shí)（a）和20日20時(shí)—21日20時(shí)（b）降雪量實(shí)況（單位：mm）

2 資料與方法

采用WRF3.0數(shù)值模式進(jìn)行模擬。所用初始場(chǎng)為1°× 1°的NCEP逐6h再分析資料，觀測(cè)站實(shí)況為micaps資料。模式區(qū)域的中心位置為37.1oN，121.7oE，水平格點(diǎn)數(shù)為101，76，格距為12.7 km；模式采用非靜力平衡方案，積云過(guò)程采用Grell-Devenyiensemble 方案。模式的初始時(shí)間為2005年12月6日08時(shí)和12月20日20時(shí)（北京時(shí)，下同），積分時(shí)間24h，計(jì)算結(jié)果間隔時(shí)間為1h。

為了檢驗(yàn)WRF模式中不同的微物理參數(shù)化方案對(duì)冷流暴雪的模擬效果，對(duì)2次暴雪過(guò)程進(jìn)行了微物理參數(shù)化的敏感性試驗(yàn)，分別進(jìn)行了有微物理Kessler方案和無(wú)微物理方案的數(shù)值模擬。

3 結(jié)果對(duì)比分析

3.1 累積降雪量對(duì)比

首先對(duì)2005年12月6—7日的降雪過(guò)程進(jìn)行模擬試驗(yàn)。從模擬的過(guò)程累積降雪量來(lái)看，有微物理參數(shù)方案時(shí)，模擬出在半島東北部海陸交界處有中心值為30 mm的降雪量，與實(shí)況最大值22 mm較為接近，且中心位置基本相同；主要降雪帶位于半島東北部及沿海，在半島南部降雪量迅速減小，與實(shí)況較吻合（圖2a）。無(wú)微物理過(guò)程的模擬結(jié)果為半島東北部，降雪中心值為10mm，降雪中心帶位置模擬與圖2a基本上一致，整體降雪量較實(shí)況明顯偏小（圖2b）?？梢钥闯鑫⑽锢鞬essler方案模擬的降雪量與實(shí)況基本一致，無(wú)微物理方案摸擬山東半島的降雪量明顯偏小，且在山東半島北部渤海上的降雪量也明顯偏少，因此有微物理方案對(duì)模擬冷流降雪過(guò)程效果更好。

對(duì)2005年12月21日的暴雪過(guò)程進(jìn)行了同樣的微物理參數(shù)化敏感性試驗(yàn)。從模擬的累積降雪量來(lái)看，模擬的降雪中心在海上，最大值為20mm，半島東北部降雪量為10mm，比測(cè)站實(shí)況18mm偏小8mm；降雪帶集中在半島北部及東部海區(qū)（圖2c）。無(wú)微物理過(guò)程的模擬結(jié)果為東部海上降雪中心值為10mm，相比于Kessler微物理方案模擬的降雪量偏小，同時(shí)渤海海區(qū)5 mm、10 mm等值線范圍均變?。▓D2d）。

比較兩次過(guò)程、兩種模擬方案的模擬結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)兩種模擬方案模擬的降雪落區(qū)與實(shí)況基本吻合，但模擬的降雪量較實(shí)況均偏小，無(wú)微物理方案時(shí)偏小的程度更大，而有微物理方案時(shí)偏小的程度小，更接近于實(shí)況。因此，就降雪落區(qū)和降雪量的模擬效果來(lái)看，使用微物理方案進(jìn)行模擬優(yōu)于無(wú)微物理方案。

圖2　2005年12月6日有（a）、無(wú)（b）微物理方案和21日有（c）、無(wú)（d）微物理方案降水量模擬結(jié)果（單位：mm）

3.2 10 m風(fēng)場(chǎng)對(duì)比

文獻(xiàn)[8]認(rèn)為，對(duì)于冷流暴雪過(guò)程，對(duì)流層低層的東北風(fēng)與西北風(fēng)之間的切變線決定強(qiáng)降雪的落區(qū)，是冷流降雪的動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制。從此文模擬的10 m風(fēng)場(chǎng)對(duì)比可以看出，近地面以西北風(fēng)為主，在發(fā)生冷流降雪的區(qū)域存在風(fēng)場(chǎng)輻合。對(duì)于12月6—7日降雪過(guò)程，有微物理方案的風(fēng)向輻合帶位于遼東半島西海岸至山東半島北部（圖3a），無(wú)微物理方案的風(fēng)向輻合帶位置（圖3b）與圖3a基本一致，但風(fēng)向輻合的交角偏小，輻合強(qiáng)度偏小。類(lèi)似的，12月21日降雪過(guò)程，有微物理方案的主要風(fēng)向輻合帶位于山東半島北部（圖3c），無(wú)微物理方案的風(fēng)向輻合的交角仍較有微物理方案的交角偏小，輻合強(qiáng)度變?。▓D3d）。

故從遼東半島西海岸至山東半島北部近地面10 m風(fēng)場(chǎng)輻合強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，加入了云微物理方案的模擬結(jié)果較無(wú)云方案增強(qiáng)。

圖3　2005年12月6日有（a）、無(wú)（b）微物理方案和21日有（c）、無(wú)（d）微物理方案 10m風(fēng)場(chǎng)模擬

3.3 溫度平流對(duì)比

渤海上空的冷空氣的強(qiáng)度對(duì)冷流降雪有重要影響[9]，通常采用850hPa的冷平流來(lái)分析。從數(shù)值模擬的兩個(gè)個(gè)例的850hPa溫度平流來(lái)看，未采用微物理方案模擬的溫度冷平流較采用Kessler方案的絕對(duì)值偏小。圖4a在120—121oE附近存在-30×10-5℃/s的冷平流中心，圖4b則未達(dá)到此值。同樣圖4c于遼東半島和山東半島之間的渤海區(qū)域存在明顯冷平流，圖4d則不存在。從兩個(gè)個(gè)例還可看出，除了山東半島北部及渤海區(qū)域外，其他區(qū)域冷平流強(qiáng)度及等值線在有無(wú)微物理方案的模擬中基本沒(méi)有差別，也說(shuō)明在內(nèi)陸地區(qū)沒(méi)有受到渤海暖海面的作用，對(duì)流層低層的溫度平流不會(huì)發(fā)生改變。

圖4　2005年12月6日有（a）、無(wú)（b）微物理方案和21日有（c）、無(wú)（d）微物理方案850 hPa溫度平流（單位：10-5 ℃/s）模擬

4 小結(jié)

采用WRF模式對(duì)2005年12月6—7日和21日兩次冷流暴雪過(guò)程進(jìn)行了有無(wú)微物理參數(shù)化的敏感性試驗(yàn)，對(duì)比分析模擬效果。結(jié)果如下：

（1）有微物理Kessler方案的模擬降雪量大于無(wú)微物理方案模擬的降雪量，更接近于降雪量實(shí)況值。

（2）未采用微物理方案模擬的850 hPa溫度冷平流的絕對(duì)值偏小。

（3）未采用微物理方案模擬的風(fēng)向輻合帶位置與Kessler方案基本一致，但風(fēng)向輻合的交角偏小，輻合強(qiáng)度偏小，有Kessler方案的風(fēng)向輻合能夠揭示強(qiáng)降雪產(chǎn)生的動(dòng)力原因。

總之，采用WRF模式對(duì)冷流暴雪過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，采用微物理Kessler方案的模擬效果優(yōu)于無(wú)微物理方案。

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作者簡(jiǎn)介：崔宜少（1978—），男，漢族，山東萊西人，本科，工程師，主要從事氣象預(yù)報(bào)服務(wù)與管理。

收稿日期：2014-08-18

中圖分類(lèi)號(hào)：P456.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1005–0582（2016）01–0008–05