楊依麗雪 袁慧玲 陳勇

(南京大學大氣科學學院 中尺度災害性天氣教育部重點實驗室，南京 210023)

引言

云街(Cloud Street)是常見的淺邊界層對流的形式，通常在冷空氣爆發(fā)期間發(fā)展[1]，可通過衛(wèi)星云圖觀察到[2]，顯示為白色的線性拉長積云[3]。對流性云街大致與低層風平行排列成行，在垂直于平均風方向上等間距分布排列[4-5]。不同類型云與產生該云的天氣系統(tǒng)、地域及所處云系不同的發(fā)展階段等密切相關[6]。云街代表著水平滾渦對流的出現，對熱量、水汽、動量的輸送有著重要意義[1]。冬季黃海上空云街頻繁出現形成不同的云帶方向，適當寒冷條件下，強冷空氣與黃渤海暖水面相互作用產生大氣邊界層不穩(wěn)定從而產生冷流降雪[7-8]，山東半島的降雪過程一直廣受關注[9-11]。此外，云街對強降水中尺度對流系統(tǒng)的維持與發(fā)展及極端強降雨的產生也有著重要作用[12]。本文基于2015—2019年冬季的Himawari-8衛(wèi)星圖像資料，對黃海地區(qū)的云街進行了統(tǒng)計。

由于云現象尺度從數百至數千公里不等，對其數值模擬仍存在很大挑戰(zhàn)[13]。為研究水平滾渦對流的影響，不少學者提出使用更高分辨率的數值模擬[14-15]。冷空氣爆發(fā)會影響海上大風[16]及污染物擴散[17-18]，為了模擬與冷空氣爆發(fā)有關的低云，模型空間分辨率需要足夠小[19]，更高的分辨率對于再現次級環(huán)流和隨后的卷云十分重要[20]，而相關的次級環(huán)流會導致上升氣流和下降氣流之間的溫度、濕度和動量場有顯著差異[21]。但有時更高分辨率的模擬所提供的水平滾渦對流會不太真實[11]，可能會產生更多的胞狀對流。通過在足夠大的區(qū)域內進行高分辨率的三維數值模擬，如大渦模擬(LES)或高分辨率數值天氣預報(NWP)模式，可以捕捉到水平滾渦對流的空間發(fā)展過程[22-24]。

利用中尺度數值模式開展真實個例的高分辨率數值模擬研究比較少，研究表明采用WRF中尺度數值模式[25]進行數值模擬時，1 km水平格距可以較好再現黃海云街的詳細結構，穩(wěn)定性參數可以闡明水平滾渦對流在下游向胞狀對流的轉變[19]。但是針對真實個例的高分辨率數值模擬研究仍然面臨兩個挑戰(zhàn)：①次網格尺度大氣運動的各種物理過程通過數值模式的積分計算不能得以準確描述；②邊界層環(huán)境和云結構在灰區(qū)和亞千米尺度內的轉換尚未得到系統(tǒng)的解決。有研究表明，以灰色區(qū)域分辨率表示子網格尺度的湍流傳輸的行星邊界層(Planetary Boundary Layer,PBL)參數化方案[26](以下稱為NEW PBL方案)在理想化模擬中對改進邊界層的數值模擬有較好的效果。但是NEW PBL方案應用于真實個例的模擬以及對類似云街或對流性滾渦模擬的作用還缺乏更多的研究，例如針對2015年11月一次冷空氣爆發(fā)產生的黃海云街的數值模擬，依然采用的是基于非局部K理論閉合的YSU(Yonsei University)PBL方案[19]。本文基于WRF模式，分別采用NEW PBL方案[26]和YSU PBL方案，開展冬季冷空氣爆發(fā)個例數值模擬的敏感性試驗，并探究這一類NEW PBL參數化方案對黃海對流性云街特征模擬的影響。

1 云街辨別及走向分類

冬季，偏北風從亞洲大陸內部帶來冷空氣團，黃海地區(qū)海氣相互作用強烈，導致其上空云街頻繁出現，在衛(wèi)星云圖上可以觀察到云街的發(fā)生發(fā)展。利用來自日本氣象廳(JMA)的多功能傳輸衛(wèi)星MTSAT間隔1 h的Himawari-8衛(wèi)星可見光云圖，對2015—2019年冬季(11、12、1、2月)黃海上空可見光云圖進行主觀識別，研究了黃海上空云街的出現頻率和主要走向，共辨別緊密排列且走向明顯的云街天數70 d。根據積云走向將其分為3類：西北東南向、南北向、東北西南向(圖1)，分別占比81.16%(56 d)，15.94%(11 d)，2.9%(2 d)，東北西南向占比較小，故之后對其不做討論。但對于云街發(fā)生和走向識別缺乏客觀標準，未來對于衛(wèi)星圖像的客觀檢索方案仍需進一步研究。

圖1 黃海上空不同走向的典型云街衛(wèi)星云圖：(a)西北東南向，(b)南北向，(c)東北西南向

利用來自國家環(huán)境預報中心(NCEP)的全球預報系統(tǒng)(GFS)分析數據，對西北東南向和南北向云街的GFS分析數據平均后繪制850 hPa風場高度場及2 m濕度場。二者差別主要為850 hPa風向變化及海陸面溫度，西北東南向云街所對應850 hPa幾乎為西北風，風向近乎與等位勢線相平行，風速為10 m/s左右(圖2a)；而南北向云街所對應850 hPa內陸地區(qū)風速較小，沿海地區(qū)為較弱西北風，但隨離岸距離增加，風向逐漸轉為偏北風且風速增加，有穿越等位勢線的運動(圖2b)。此外，南北向云街的海陸面溫度較西北東南向的偏小2 ℃。

圖2 黃海上空不同走向云街850 hPa風場(風矢)、高度場(等值線)和2 m溫度場(填色)：(a)西北東南向，(b)南北向

2 冷空氣爆發(fā)個例情況

2015年11月25—27日，受強冷空氣影響，中國北方地區(qū)遭遇暴雪。華北、華東等地平均氣溫急速下降，113個氣象站的最低氣溫低于1961年以來的記錄，此案例發(fā)生期間，衛(wèi)星云圖中可觀察到西北東南向的條狀云帶(即云街)在黃海上空大面積密集分布。

25日06:00(UTC,下同)黃渤海上空開始出現條狀云帶。26日06:00，黃渤海大部分地區(qū)被淺積云覆蓋，條狀云帶間距減小分布變密，大致呈西北東南向，其尾部的水平滾渦對流轉變?yōu)榧毎麪顚α鳌?7日00:00，水平滾渦對流減弱，云帶開始合并(圖3)。

圖3 2015年11月冷空氣爆發(fā)期間黃海上空衛(wèi)星云圖：(a)25日06:00，(b)26日06:00，(c)27日00:00

冷空氣爆發(fā)期間黃海上空以西北風為主，位于低壓系統(tǒng)的西南部(圖4)。25日06:00，黃渤海上空攜帶干燥空氣的冷平流開始加強，由較弱西北風帶到較暖海面。26日06:00，西北風明顯加強達15 m/s 以上，等位勢線變密，等溫線與風向幾乎垂直，表明黃海上空普遍存在一股強冷平流，同時海陸溫差增加。隨后等位勢線變疏，海陸風向均向偏西風轉變，海陸溫差減小。

圖4 2015年11月冷空氣爆發(fā)期間黃海區(qū)域不同走向云街850 hPa風場(風矢)、高度場(等值線)和2 m溫度場(填色)：(a)25日06:00，(b)26日06:00，(c)27日00:00

3 WRF試驗設計

試驗采用的數值模式為WRFv3.7.1，試驗區(qū)域為圖5所示區(qū)域D01(水平分辨率為3 km，水平格點數為599×598)和D02(水平分辨率為1 km，水平格點數為835×877)。模式于2015年11月24日12:00(UTC)開始啟動，采用單向嵌套運行96 h。微物理參數化方案采用Lin方案[27]，此方案與YSU PBL方案組合較適合高分辨率模擬和理論研究，被廣泛應用于海霧預報[28]。邊界層參數化方案采用YSU方案[29-30]和考慮網格大小分辨率的邊界層方案[25](NEW PBL)。前者為基于非局部K理論閉合的邊界層方案，后者為研究用灰色區(qū)域分辨率來表示子網格尺度的湍流傳輸而引入的一種邊界層算法。相比于傳統(tǒng)的YSU方案，NEW方案在平均剖面、次網格垂直運輸剖面和能量譜上有所改進，在理想對流模擬中，對水平滾渦對流和次級環(huán)流的模擬能力更強[25]。

圖5 WRF模式模擬區(qū)域設置(外層區(qū)域D01(3 km)和嵌套域D02(1 km)，陰影表示地形高度(m)，紅點表示大連站)

4 WRF高分辨率模擬結果

將考慮網格大小依賴性的NEW PBL方案和基于非局部K理論閉合的YSU PBL方案分別與Lin微物理方案組合為NEW方案和YSU方案，在D01、D02域對黃海區(qū)域進行高分辨率模擬。

4.1 基本天氣條件

利用YSU方案和NEW方案所模擬的環(huán)境場差別較小，天氣模式、位勢高度及風溫變化和GFS結果整體相似(圖6)。

圖6 2015年11月冷空氣爆發(fā)期間，NEW方案黃海區(qū)域850 hPa風場(風矢)、高度場(等值線)和2 m溫度場(填色)：(a)25日06:00，(b)26日06:00，(c)27日00:00

2015年11月25日，大連日最低最高氣溫均達到當月最小值，分別為-7 ℃和-10 ℃。對大連站(站點號56224，121.63°E，38.90°N)最近網格點進行風速溫度模擬。兩方案均較好地再現了風速的一般變化和濕度垂直分布情況，但日尺度以下的增減趨勢有所差別(圖略)。

4.2 水汽條件

兩方案均較好地再現了云街的盛行風向(西北東南向)及距海岸一定距離處形成的相似覆蓋面積的云街，云街區(qū)域1000 m高度總柱云水混合比在1～2 g/kg左右。通過對兩方案的1000 m總柱云水混合比進行相減，可看到二者云街情況(云帶數量和云帶間距)有所差別，在1 km高分率下更為明顯(圖7)。

對兩方案云水混合比相差值較大區(qū)域進行垂直剖面分析(圖7d紅線)，沿著云街走向(東北西南向)取橫截面CD(長約40 km)，垂直云街走向(西北東南向)取橫截面AB(長約300 km)。

圖7 2015年11月NEW方案和YSU方案的黃海上空1000 m總柱云水混合比差值(NEW-YSU):(a)25日06:00 D01，(b)25日06:00 D02，(c)26日06:00 D01，(d)26日06:00 D02，(e)27日00:00 D01，(f)27日00:00 D02；(其中圖d紅線AB、CD分別沿著和垂直1000 m高度的盛行風風向，為后文垂直剖面分析位置)

對流的變化伴隨著云的發(fā)展和水汽的變化。模擬結果表明，水凝物主要由過冷水滴、雪和霰組成，三者隨云街發(fā)展均有所增長，其中云水混合比的變化最為明顯，且在兩方案的模擬之間差別最大。二者的云水混合比之差在26日12:00達到最大，NEW方案模擬的云水含量最大值出現在1.0 km高度，為0.115 g/kg，相較于YSU方案偏大0.042 g/kg(圖8b)。雖然YSU方案模擬的云水含量相較于NEW方案偏少，但雪和霰的含量更大，表明前者的微物理過程模擬中，可能通過Bergeron過程以及云水和雪、霰的碰并過程將更多的云水轉化為雪。

圖8 2015年11月黃海上空沿橫截面CD，云水、雨水、云冰、雪和霰5種水凝物混合比垂直分布:(a)25日12:00，(b)26日12:00

PBL頂部附近的相對濕度隨著水平滾渦對流的發(fā)展而增加，25日06:00至26日12:00，整層濕度顯著增大，在0.8～1.2 km間最明顯。26日12:00，沿橫截面AB離岸距離50～300 km處，PBL深度附近顯示出連續(xù)大范圍的明顯濕潤(RH>90%)中心(圖9)，兩方案關于濕度的模擬基本一致，NEW方案的濕潤區(qū)在垂直方向上分布更深厚。

4.3 熱力條件

沿橫截面CD，溫度和露點溫度的差值隨時間推移逐漸減小，即濕度逐漸增大，YSU方案和NEW方案具有相似的垂直溫度結構和變化，但NEW方案模擬的露點溫度偏高，從而模擬出更大的濕度(圖10)。

圖10 沿橫截面CD，2015年11月25日12:00至26日12：00溫度tc和露點溫度td垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案(圖例中2512表示25日12:00，以此類推，下同)

26日12:00，兩個方案模擬的海氣溫差由10 km的-18 K變化到225 km的-11 K(圖略)，表明自西北方向而來的干冷空氣在經過黃渤海溫暖海面時被加熱加濕，海氣相互作用明顯。沿橫截面CD，可以看到云街的發(fā)展消亡伴隨著潛熱感熱通量的增大減小，25日12:00潛熱通量為320 W/m2，感熱通量為270 W/m2，隨云街發(fā)展?jié)摕岣袩嵬垦杆僭龃?，增幅大?50 W/m2，隨云街消亡又逐漸減小。

可以看到，YSU方案和NEW方案在云街出生和消亡時的潛熱感熱通量差別不大，但在云街的發(fā)展過程中(25日12:00至26日12:00)，二者模擬的潛熱感熱通量的差別逐漸增大并在26日18:00達到最大，為20 W/m2左右，且NEW方案模擬的潛熱感熱通量的趨勢相對偏右一些(圖11)。

圖11 2015年11月沿橫截面CD，潛熱(LH)和感熱(SH)通量(單位：W/m2)垂直分布：(a)25日12:00，(b)26日18:00，(c)27日00:00

4.4 動力條件

兩方案在水平及垂直速度的垂直分布上有較大差別。隨云街發(fā)展，沿橫截面AB和CD的平均水平風速均不斷增大，25日12:00至26日12:00，風速增幅達到7 m/s?？梢钥吹皆谠平职l(fā)展過程中，NEW方案所模擬的平均水平風速在1 km以下時均比YSU方案大0.5 m/s(圖12)。水平風速越大，海氣溫差越大，從而越有利于水平滾渦對流的發(fā)展。

圖12 2015年11月25日12：00至27日00：00沿橫截面，水平速度時間變化：(a)AB，(b)CD

隨云街的發(fā)生發(fā)展消亡，垂直速度有明顯的變化，整個過程中NEW方案在1.2 km以下模擬的垂直速度均偏大，云街發(fā)展最強時(26日12:00)兩方案差別最為明顯，NEW方案垂直速度偏大0.1 m/s，在0.8 km最顯著(圖13)。

圖13 2015年11月25—27日沿橫截面，垂直速度時間變化：(a)AB，(b)CD

沿橫截面CD，26日12:00的上升下降氣流達到最強，此時云街也發(fā)展至最盛，可以看到兩方案均能模擬出垂直氣流，但強度有明顯差別，NEW方案的上升下降氣流強度明顯偏大，上升速度最大值達1.2 m/s，上升氣流中心對應有更強的云水混合比，下降速度最大值達-0.6 m/s(圖14)，同一時刻低層風速也更大(圖15)。

圖14 沿橫截面CD，2015年11月26日12:00垂直速度(填色)、云水混合比(黑色實線)和溫度(紅色虛線)垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案

圖15 沿橫截面CD，2015年11月26日12:00水平速度(填色)、云水混合比(黑色實線)和溫度(紅色虛線)垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案

沿橫截面AB，兩方案先后在離岸100 km及之后位置產生了上升下降氣流，但NEW于25日06:00更先在離岸100 km處產生上升氣流(圖16)。先前的研究表明對流活動通常與溫暖開放的水域上冷空氣爆發(fā)有關，云街從海岸線下游100 km或更近的地方開始形成[31],上述結果與先前的研究一致。26日12:00的上升下降氣流達到最強，此時云街也發(fā)展至最盛，可以看到兩方案均能模擬出沿AB的垂直氣流，但強度有明顯差別，NEW方案的上升下降氣流強度明顯偏大，上升速度最大值大于1.4 m/s(圖17)。

圖16 沿橫截面AB，2015年11月25日06:00垂直速度(填色)和水平速度(風向桿)垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案

圖17 沿橫截面AB，2015年11月26日12:00垂直速度(填色)和水平速度(風向桿)垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案

NEW方案所模擬的水平滾渦對流和上升下降氣流的強度更大，持續(xù)時間更長，這也將導致其云水混合比更高(圖8)，使得更多的云得以發(fā)展。

4.5 穩(wěn)定性參數ζ

云街的帶狀結構通常與開放或封閉的細胞狀結構連接在一個區(qū)域，有組織的對流對動量、熱量和水分的垂直傳輸有很大的貢獻[32]。之前的研究[19,33-34]提出了從水平滾渦對流向胞狀對流過渡的各種標準，表明這種過渡可能與穩(wěn)定性參數ζ的變化有關。

(1)

(2)

其中，L為Obukhov長度，穩(wěn)定時L為正值，不穩(wěn)定時L為負值，Zi為PBL深度，u*為摩擦速度，θ0為表面空氣溫度，Q0為感熱通量，κ為卡爾曼常數(約0.4)，g為重力加速度常數(約9.8)。無量綱穩(wěn)定性參數ζ表示浮力與垂直剪切或湍流動能消耗(TKE)的相對作用，隨著ζ的增加，線形云街向開放的細胞狀云過渡，因此模擬時可通過ζ值的變化來研究水平滾渦對流的發(fā)生發(fā)展。

在云街的初生和消亡時，兩方案對于Obukhov長度和PBL深度的模擬差別不大，即穩(wěn)定性參數ζ相當。云街發(fā)展過程中，Obukhov長度逐漸減小即越不穩(wěn)定，NEW方案模擬的Obukhov長度值更小，PBL深度值更小，導致其穩(wěn)定性參數ζ更小，模擬的水平滾渦對流強度更大(圖18)。

圖18 2015年11月沿橫截面CD的Obukhov長度L和PBL深度Zi:(a)25日12:00，(b)26日12:00，(c)27日00:00

5 結論與討論

本文對2015—2019年冬季黃海上空云街Himawari-8衛(wèi)星可見光云圖進行主觀識別和走向分類，利用GFS模式的分析場數據對西北東南向和南北向的云街進行分析，發(fā)現云街走向與850 hPa風場、海陸溫差等條件有關。

2015年11月北方經歷了一次強冷空氣過程，黃渤海上空為西北東南向條狀云帶大面積覆蓋，在研究區(qū)域進行WRF高分辨率數值模擬，采用微物理參數化Lin方案，分別結合基于非局部K理論閉合的YSU邊界層參數化方案和考慮垂直熱輸運的網格大小依賴性的邊界層參數化方案(NEW方案)。對比分析兩方案的模擬結果，得到以下結論：

(1)兩方案均能較好再現了云街出現區(qū)域和盛行風向。

(2)由于NEW方案在理想對流模擬中，對水平滾渦對流和次級環(huán)流的模擬能力更強，應用于本次云街過程的真實模擬中，其水平和垂直速度偏大，水平滾渦對流和上升下降氣流的強度更大，持續(xù)時間更長，這也導致其云水混合比更高，促進更多的云得以發(fā)展。

(3)采用考慮NEW方案的云街發(fā)展過程中，Obukhov長度更小，PBL深度值更小，導致其穩(wěn)定性參數ζ更小，模擬的水平滾渦對流強度更大。

將來仍需考慮更多云街個例，采用不同微物理參數化方案進行組合，此外對于云街客觀識別和模擬結果比對，更為合適的檢驗評估方法仍有待研究。