王秀英，廖留峰，段　鶴

(1.云南省普洱市氣象局,云南　普洱　665000;2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州　貴陽　550002；3.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州　貴陽　550002)

1　引言

降雪是一種重要的天氣現(xiàn)象，在我國北方冬季常有大雪，而在中低緯度的滇西南大部地區(qū)年平均氣溫高于18℃，最冷月平均氣溫接近12℃，大量種植咖啡、橡膠、香蕉等熱帶經(jīng)濟(jì)作物，畜牧業(yè)主要為露天放養(yǎng)。自1961年以來，滇西南共出現(xiàn)4次降雪記錄。滇西南降雪天氣較為罕見，雪后低溫天氣可使熱帶經(jīng)濟(jì)作物及牲畜凍傷、凍死，給農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)帶來巨大損失。因此，對滇西南降雪發(fā)生機(jī)理的研究具有重要意義。

國內(nèi)外很多學(xué)者對降雪天氣進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)[1-5]認(rèn)為鋒生強(qiáng)迫、超低空急流、強(qiáng)的斜壓性是降雪天氣發(fā)生的主要強(qiáng)迫因素。王東勇[3]等研究表明在強(qiáng)降雪發(fā)生時(shí)近地面925 hPa附近伴有很強(qiáng)的超低空急流，低空垂直切變明顯，有很強(qiáng)的斜壓性。李兆慧[4]等指出暴雪與準(zhǔn)靜止鋒關(guān)系密切，鋒生、鋒消變化與降雪天氣的出現(xiàn)和停止一致。近年來隨著數(shù)值模式的發(fā)展，中尺度WRF數(shù)值模式廣泛運(yùn)用于天氣預(yù)報(bào)中[9-13]。章國材[6]等指出WRF模式系統(tǒng)在中尺度渦旋對流系統(tǒng)、干線、鋒、颮線、孤立的超級單體風(fēng)暴等天氣系統(tǒng)中都具有較好的預(yù)報(bào)性能，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)在線完全嵌套大氣化學(xué)模式，不僅能較好地預(yù)報(bào)天氣，而且具有預(yù)報(bào)空氣質(zhì)量的能力，應(yīng)用前景廣闊。

到現(xiàn)在為止，WRF模式主要用于中尺度強(qiáng)降水的分析研究，在降雪天氣中的運(yùn)用相對較少。文獻(xiàn)[7,8]將WRF模式用于降雪的模擬預(yù)報(bào)，文獻(xiàn)[7]得出WRF模式能較好地模擬出河西暴雪的區(qū)域，對中尺度天氣系統(tǒng)的暴雪具有良好的預(yù)報(bào)能力；文獻(xiàn)[8]使用WRF模式模擬湖北降雪，結(jié)果表明產(chǎn)生暴雪的上升運(yùn)動(dòng)要遠(yuǎn)小于產(chǎn)生暴雨的上升運(yùn)動(dòng)，且在暴雪過程中，中層為上升運(yùn)動(dòng)，近地層和高層伴隨著下沉運(yùn)動(dòng)。

鑒于滇西南降雪天氣預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)少，降雪發(fā)生的機(jī)理研究少，預(yù)報(bào)降雪的區(qū)域及強(qiáng)度難度較大。本文使用WRF模式對2013年12月15—16日滇西南的降雪及17日雪后出現(xiàn)的霜凍天氣進(jìn)行模擬，結(jié)合模式輸出資料分析此次降雪過程中尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展機(jī)理，檢驗(yàn)WRF模式對滇西南降雪天氣的模擬預(yù)報(bào)能力，并為當(dāng)?shù)亟笛┨鞖忸A(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

2　資料及方法

文獻(xiàn)[1-5]利用實(shí)況資料從鋒生強(qiáng)迫、超低空急流、斜壓性等因素對降雪天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展機(jī)制做了分析。宮德吉[2]等利用低空急流來揭示暴雪發(fā)生機(jī)制，王東勇[3]等利用超低空急流，低空垂直切變及強(qiáng)的斜壓性來研究強(qiáng)降雪發(fā)生。李兆慧[4]等利用準(zhǔn)靜止鋒的鋒生、鋒消來研究降雪天氣起止時(shí)間。近年來，許多學(xué)者[7,8]開始使用數(shù)值模擬的方法來模擬降雪天氣過程。

本文利用常規(guī)氣象觀測資料，NCEP初始場、實(shí)況場資料，采用二重嵌套方式的WRF 3.2 (Weather Research Forecasting)模式模擬2013年12月15—16日滇西南的降雪及17日雪后出現(xiàn)的低溫霜凍天氣。二重區(qū)域的水平網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)均為61×61，相應(yīng)的水平網(wǎng)格距分別為60 km和20 km，中心經(jīng)緯度為100.8°E，23.2°N，二重區(qū)域物理過程一致,垂直方向采用地形追隨質(zhì)量坐標(biāo)共19層。微物理過程方案采用Lin方案、rrtm長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、YSU邊界層方案、Betts-Miller-Janjic積云參數(shù)化方案，以及Noah陸面方案。模擬時(shí)間為48 h，即從2013年12月15日20時(shí)—17日20時(shí)。

3　天氣實(shí)況及災(zāi)情

普洱市位于云貴高原西南部，南部海拔高度不足500 m，北部海拔高度超過3 km。1961年以來普洱市出現(xiàn)的4次降雪記錄中，2013年12月15—16日的降雪范圍最大,普洱市共有34個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)雪或雨夾雪，降雪量級為小雪。雪后降溫天氣使得最低氣溫下降10～14 ℃，全市大部最低氣溫低于3 ℃，局部低于0 ℃。造成大牲畜死亡近200頭，生豬死亡近150頭，咖啡、橡膠、香蕉等熱帶作物遭受嚴(yán)重凍害。據(jù)當(dāng)?shù)卣块T統(tǒng)計(jì)，這次降雪天氣給普洱市造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)7億多元。

4　環(huán)流特征分析

500 hPa高度場上，過程前期極渦南壓到西伯利亞北部地區(qū)，歐洲平原上的氣旋維持，中高緯環(huán)流形勢從多波動(dòng)形勢轉(zhuǎn)為兩槽一脊形勢。12月10日極渦分裂出的冷渦與東移至鄂霍次克海的冷渦匯合，冷渦增強(qiáng)，全國大部地區(qū)爆發(fā)寒潮。在此次降雪過程發(fā)生前，主要受南支槽及弱冷空氣影響，滇西南出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。13—14日由歐洲氣旋分裂出的小波動(dòng)受青藏高原及副熱帶高壓影響，青藏高原東南側(cè)滇緬間逐漸形成南支槽，影響我國西南地區(qū)。北側(cè)形成北支西風(fēng)槽，有利于引導(dǎo)北方冷空氣南下與南支槽前的西南暖濕氣流交匯，有利于西南地區(qū)陰冷天氣的維持。青藏高原東部為弱脊控制，于中低緯地區(qū)形成“兩槽一脊”的環(huán)流形勢，東北冷渦中心位于黑龍江，且高空冷渦槽底延伸至渤海，給西南地區(qū)帶來源源不斷的冷空氣。副熱帶高壓脊線位于15°N，西脊點(diǎn)伸至116°E，副熱帶高壓位置及強(qiáng)度長時(shí)間維持，阻擋上游南支槽東移，使南支槽加深且移速較慢。14日20時(shí)(以下均為北京時(shí))低空切變線位于滇中；受南支槽前西南暖濕空氣與冷空氣影響，在西南地區(qū)形成冷暖氣團(tuán)交匯，南支槽前氣流系統(tǒng)性上升及地形抬升作用配合充足的水汽條件，14日夜間滇南出現(xiàn)暴雨局部大暴雨。

在此次降雪天氣過程中，15日(圖1a)北支槽東北移并入東北冷渦，使高空冷渦槽底延伸至30°N，給西南地區(qū)帶來強(qiáng)冷空氣。同時(shí)受動(dòng)力及熱力作用減弱影響，云南大部對流減弱。15日20時(shí)—16日14時(shí)冷空氣自東向西逐漸加強(qiáng)西進(jìn)，與此同時(shí)南支槽維持，強(qiáng)冷空氣輸送使得南支槽前對流減弱，槽前轉(zhuǎn)為穩(wěn)定性層結(jié)。16日20時(shí)(圖1b)以后副熱帶高壓減弱，南支槽迅速東移，滇西南轉(zhuǎn)為槽后西北氣流，滇西南降雪天氣結(jié)束。700 hPa形勢圖(圖略)相較500 hPa，東北冷渦從高到低向西傾斜。14—15日由于受青藏高原大地形影響，700 hPa上南支槽較500 hPa上略淺，且南支槽北部出現(xiàn)兩個(gè)小波動(dòng)(高原波動(dòng))。從風(fēng)場上分析得出，700 hPa上15日08時(shí)低空切變線位于滇中，20時(shí)已達(dá)滇西南。切變線北部為偏北氣流，南部為回流的西南氣流。切變線南壓使得滇西南冷空氣加強(qiáng)，同時(shí)由于切變線附近溫度梯度、氣壓梯度偏小，熱力條件弱，大氣穩(wěn)定度增加。

17日西太平洋副熱帶高壓繼續(xù)東退，東北冷渦南壓，滇西南槽后西北氣流加強(qiáng)。由于受南支槽后西北氣流影響(圖略)，滇西南輻射降溫明顯，加之15日20時(shí)以來的強(qiáng)冷空氣帶來的平流降溫作用，形成了平流霜凍與輻射霜凍結(jié)合成的混合型霜凍，滇西南最低氣溫下降10～14 ℃，大部分地區(qū)最低氣溫低于3 ℃，局部在0 ℃以下，滇西南出現(xiàn)大范圍凍害。

圖1　2013年12月500 hPa位勢高度場(實(shí)線；單位：dagpm)，溫度場(虛線；單位：℃)(a) 15日20時(shí) (b) 16日20時(shí)Fig.1　500 hPa potential height(the solid line,unit：dagpm) and emperature(the dotted line,unit：℃) In December 2013.(a) at 20∶00 on the 15th.(b) at 20∶00 on the 16th

5　滇西南降雪天氣的模擬分析

5.1　高度場模擬

圖2a給出了16日08時(shí)80～120°E，5～40°N實(shí)況高度場(NCEP再分析資料)，及同時(shí)次模式輸出的500 hPa高度場(圖2b)。對比槽線的位置，實(shí)況場與模擬場相一致，模擬輸出的等高線較實(shí)況略偏北，564dagpm、560dagpm等值線上的北支西風(fēng)槽與實(shí)況接近。為深入對比分析，分別做出每6 h的實(shí)況與模擬的500 hPa、700 hPa、850 hPa高度場圖(圖略)，同樣得出模擬輸出結(jié)果與實(shí)況場相一致。表明WRF模式對此次天氣過程有很好的模擬預(yù)報(bào)能力。

5.2　降水的模擬

通過使用模擬試驗(yàn)中的微物理過程方案對此次降水天氣過程進(jìn)行模擬，根據(jù)模式輸出結(jié)果提取降水及降雪預(yù)報(bào)產(chǎn)品。圖3、圖4分別為WRF模式模擬的過程累積降水及降雪預(yù)報(bào)結(jié)果，降水主要模擬15日20時(shí)—16日14時(shí)，滇西南為小雨天氣(圖3a)，與降水實(shí)況(圖3b)相比，僅滇西南降水略偏小，省內(nèi)其他區(qū)域降水預(yù)報(bào)效果好；15日23時(shí)至16日14時(shí)滇西南自北向南出現(xiàn)一次小雪天氣過程，降雪量小于0.2 mm(圖4b)。通過對比分析，降水的模擬與實(shí)況相吻合，表明WRF模式降水預(yù)報(bào)能力好。降雪起止時(shí)間模擬結(jié)果與實(shí)況較為吻合，普洱北部模擬出的降雪范圍較實(shí)況略偏大，其余大部分地區(qū)模擬結(jié)果與實(shí)況接近?？傮w而言，模式可模擬出此次歷史罕見的滇西南降雪天氣過程的降雪時(shí)段及降雪強(qiáng)度，WRF模式對此次滇西南降雪過程有較好的模擬預(yù)報(bào)能力。

圖2　2013年12月16日08時(shí),500 hPa高度場：(a)實(shí)況場(NCEP再分析資料)；(b)模擬場(單位：dagpm)Fig.2　500 hPa potential height(unit：dagpm) at 08∶00 on December 16, 2013.(a)observations(NCEP reanalysis data).(b)forecast field

圖3　2013年12月15日20時(shí)—16日14時(shí)的模式模擬結(jié)果：(a)降水的模擬；(b)2013年12月15日20時(shí)—16日14時(shí)降水實(shí)況(單位：mm)Fig.3　The simulated of precipitation(a) during December 15-16, 2013.(unit:mm) ; The precipitation (b)during December 15-16, 2013.(unit:mm)

圖4　(a):2013年12月15日20時(shí)—16日14時(shí)降雪的模擬(單位：mm)(b):2013年12月16日14時(shí)積雪分布(陰影區(qū)為積雪分布區(qū);單位：mm)Fig.4　The simulated of snowfall (a) during December 15-16, 2013.(unit:mm) ; (b):The distribution characteristics of snow at 14∶00 on December 16, 2013.(the shadow area is the snow cover, unit：mm)

5.3　溫度場模擬

模式輸出結(jié)果顯示，17日05時(shí)以后普洱市大部地區(qū)氣溫維持在3 ℃以下(圖略)。08時(shí)氣溫達(dá)到最低，與最低氣溫較為接近的模擬時(shí)段。由模式輸出08時(shí)的2 m溫度場(圖5a)可知，云南大部17日08時(shí)氣溫低于0 ℃，普洱市北部及瀾滄東部氣溫低于0 ℃，其它地區(qū)氣溫低于3 ℃。與實(shí)況(圖5b)相比，普洱市小于0℃的區(qū)域模式輸出結(jié)果范圍較實(shí)況略偏大?？偟膩碚fWRF模式對普洱市的溫度模擬結(jié)果與實(shí)況接近，WRF模式對此次強(qiáng)降溫天氣過程的氣溫有很好的模擬能力。

圖5　(a)2013年12月17日08時(shí)2 m溫度場模擬(單位：℃), (b)2013年12月17日最低氣溫(單位：℃)Fig.5　(a)The temperatures of above ground 2m at 08∶00 on December 17, 2013.(unit:℃)(b)The minimum air temperature on December 17, 2013.(unit：℃)

5.4　南支槽與強(qiáng)冷空氣分析

分析模式輸出的流場及風(fēng)場(圖6)，可以看出16日08時(shí)南支槽仍位于滇緬之間，滇西南為槽前西南氣流控制，為降水提供充足的水汽來源。由于受哀牢山地形阻擋作用，歷來影響滇西南的冷空氣主要以回流冷空氣為主，冷空氣相對較弱。在此次天氣過程中由于北支西風(fēng)槽匯入東北冷渦，使得冷空氣加強(qiáng)西進(jìn)。從16日08時(shí)的800 hPa圖(圖6b)上可以看出，影響滇西南的冷空氣直接由冷渦外圍南下，在低層越過哀牢山，進(jìn)而影響滇西南地區(qū)。東北氣流已達(dá)滇西南以南地區(qū)，給滇西南帶來大幅度的降溫天氣。此次試驗(yàn)，WRF模式成功地模擬出了南支槽位置和冷空氣的強(qiáng)度。

圖6　WRF模擬的2013年12月16日08時(shí)風(fēng)場和流場(a.500 hPa； b.800 hPa)(單位：m/s)Fig.6　The Wind field and flow field of WRF model at 08∶00 on December 16, 2013.(a.500 hPa,b.800 hPa,unit:m/s)

5.5　濕位渦診斷分析

吳國雄等[14]從完整的原始方程出發(fā)，在導(dǎo)出精確的濕位渦方程的基礎(chǔ)上，證得絕熱無摩擦的飽和濕空氣具有濕位渦(MPV)守恒的特性。通過引進(jìn)靜力近似，取P為垂直坐標(biāo)，并假定垂直速度的水平變化比水平速度的垂直切變小得多，由此可得濕位渦的表達(dá)式：

(1)

將(1)式寫為分量形式有：

(2)

(3)

(2)式和(3)式中,MPV1為濕正壓項(xiàng)，是空氣塊絕對渦度的垂直分量與熵的垂直梯度的乘積，表示慣性穩(wěn)定性和對流穩(wěn)定性的作用。當(dāng)?shù)褥孛媾c等壓面近似平行的時(shí)候，MPV1是MPV的主要部分；MPV2為濕斜壓項(xiàng)，是由風(fēng)的垂直切變和濕假相當(dāng)位溫水平梯度決定，它包含了濕斜壓性和水平風(fēng)垂直切變的作用(其中ζP是垂直方向渦度，f是地轉(zhuǎn)渦度，θse為相當(dāng)位溫)。所以，濕位渦這一物理量揭示了大氣熱力和動(dòng)力及水汽條件與降水之間的關(guān)系。濕位渦單位為PVU，1PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1。

垂直渦度增長的充分條件[15]為：若大氣處于對流穩(wěn)定條件下，?θse/?P<0(即MPV1>0)，只有MPV2<0垂直渦度才能得到較大的增長；若大氣處于對流不穩(wěn)定條件下, ?θse/?P>0(即MPV1<0)，只有MPV2>0垂直渦度才能得到較大的增長。

計(jì)算分析了此次降雪天氣過程的MPV1、MPV2的垂直剖面特征。16日02時(shí)23°N的MPV1垂直剖面圖(圖7)上，除105°E以西地區(qū)對流層中下層為弱的負(fù)值區(qū)外，105°E以東地區(qū)為弱的正值區(qū)及對流層中上層為較強(qiáng)的正值控制，高值中心位于對流層頂達(dá)6.5PVU；16日08時(shí)以后80～120°E區(qū)域內(nèi)低層為弱的正值區(qū)控制，MPV1<1.0 PVU，高層維持較強(qiáng)的正值。由此可見，16日02時(shí)低層仍有較弱的不穩(wěn)定條件，其后逐漸轉(zhuǎn)為弱穩(wěn)定性層結(jié)，高層有強(qiáng)的對流穩(wěn)定及慣性穩(wěn)定條件。對流層高層有向下伸展的冷空氣，從時(shí)間序列圖上可以看出300 hPa上滇緬間仍存在高空槽，MPV1高值中心的移動(dòng)與南支槽的移動(dòng)相對應(yīng)，主要位于高空槽后部。對流層上層冷空氣向下延伸的主要影響天氣系統(tǒng)為南支槽。此特征在17日凌晨霜凍發(fā)生時(shí)仍然維持。

從MPV2的時(shí)間序列圖上可以得出(圖7b)，在降雪及雪后低溫天氣發(fā)生時(shí)，100～115°E區(qū)域內(nèi)MPV2<0，500 hPa以下最大負(fù)值中心達(dá)到-0.2 PVU，負(fù)值區(qū)所對應(yīng)的經(jīng)度與低空切變的位置相對應(yīng)，500 hPa以下等值線較密集。由此可見，受強(qiáng)冷空氣南下影響，大氣斜壓性增強(qiáng)，冷鋒對干冷空氣的輸送可達(dá)對流層中層，并在500 hPa以下為干冷空氣輸送的較強(qiáng)區(qū)域。500 hPa以上出現(xiàn)次負(fù)值中心可達(dá)-0.15 PVU；表明對流層上層因冷空氣的向下輸送大氣斜壓性增強(qiáng)。

綜上所述，在此次降雪天氣過程中|MPV1|>|MPV2|，MPV1為濕位渦的主要組成成分，即等熵面與等壓面近似平行。由于南支槽的作用，在垂直剖面圖上，對流層上層有強(qiáng)冷空氣向?qū)α鲗又袑友由欤?00 hPa以下MPV1主要以弱的正值為主，表征大氣具有慣性穩(wěn)定性和對流穩(wěn)定性。MPV2負(fù)值區(qū)與冷空氣南下形成的低空切變位置相對應(yīng)，干冷空氣的輸送造成濕斜壓性增強(qiáng)。此形勢不利于對流性降水的出現(xiàn)，但有利于高層冷空氣向下延伸，濕斜壓性向上輸送，對流層處于慣性穩(wěn)定性和對流穩(wěn)定及濕斜壓性增強(qiáng)的條件之下。因此，雖然有南支槽的維持，但主要以小雨(雪)天氣為主。MPV2所對應(yīng)的干冷空氣的輸送造成局地平流降溫。南支槽東移出境后，MPV1所對應(yīng)的高層冷空氣向下輸送再次出現(xiàn)降溫機(jī)理。此次霜凍天氣就是平流霜凍和輻射霜凍疊加形成的較強(qiáng)混合型霜凍。

6　結(jié)論與討論

本文采用WRF 3.2中尺度模式模擬滇西南降雪及雪后低溫天氣，模式方案設(shè)計(jì)主要著重于對降雪區(qū)域及雪后低溫天氣的模擬，可得出以下結(jié)論：

①本次模擬試驗(yàn)成功地再現(xiàn)了此次過程的主要影響系統(tǒng)：滇緬間為南支槽控制，為暴雨提供充足的水汽條件及槽前系統(tǒng)性上升機(jī)制。北支西風(fēng)槽匯入東北冷渦，有利于冷空氣向西、向南發(fā)展，冷空氣以東北路徑南下影響滇西南以南地區(qū)，平流降溫顯著。強(qiáng)冷空氣配合南支槽水汽輸送，形成降雪發(fā)生的機(jī)理。

②這次罕見降雪及雪后霜凍天氣過程的模擬試驗(yàn)中，WRF模式能夠很好的模擬出滇西南普洱的降雪范圍、大小和降雪起止時(shí)段，同時(shí)模式輸出的溫度場也與實(shí)況場相吻合。

③通過診斷分析得出降雪過程出現(xiàn)時(shí)，等熵面與等壓面近似平行，大氣層結(jié)具有穩(wěn)定性及濕斜壓性。南支槽東移出境后，MPV1正值對應(yīng)的層結(jié)穩(wěn)定性及高層冷空氣的向下輸送，大氣濕斜壓性減弱(MPV2負(fù)值中心-0.05 PVU)；前期大氣濕斜壓性造成局地平流降溫，與其后的對流穩(wěn)定性及高層冷空氣的向下輸送引起輻射降溫，共同造成了較強(qiáng)的混合型霜凍。

圖7　2013年12月16日08時(shí)與14時(shí)23°N MPV1(單位：PVU) (a)及MPV2(b)緯向剖面(單位：0.1PVU)Fig.7　(a)The latitudinal section of 23 degrees north latitude about MPV1(unit:PVU) and MPV2(unit:0.1PVU) at 08∶00 and 14∶00 on December 16, 2013.(unit:0.1PVU)