2005年一次青藏高原切变线暴风雨的数值模拟

2005年一次青藏高原切变线暴风雨的数值模拟

1能力模型及气候条件研究大雪是中国北方的一场常见的灾难。暴雪对公路交通、畜牧业生产以及特种经济作物的种植有着严重影响。祁连山区的暴雪除了造成以上负面的影响外,也对增加祁连山积雪,减缓由于气候变暖造成的雪线上升的速度有一定的积极意义。一些学者对我国的暴雪进行了研究。王文辉等曾对暴雪个例进行了天气学分析;徐建芬等研究了青藏高原切变线暴雪的中尺度结构及其涡源;邓远平等通过将冰相云微物理过程参数化和三相云显式降水方案引入流体静力模式MM4,对“96.1”暴雪中尺度切变线的发生、发展和结构演变进行了成功的数值模拟;隆霄等利用非静力中尺度模式MM5,对青海“95.1”暴雪过程进行数值模拟;张小玲等诊断分析了暴雪期中尺度切变线的发生发展;周陆生等统计了青藏高原东部暴雪天气及雪灾的分布特征;文献则研究了暴雪天气过程中的不稳定。也有学者介绍或利用WRF模式开展大气科学的研究,章国材介绍了WRF模式的应用前景;孙健等用WRF与MM5模式模拟对比分析了3次暴雨过程;安兴琴等利用WRF研究了金塔绿洲大气边界层特征。但是有关WRF模式模拟暴雪过程的研究还不是很多。本文利用WRF(WeatherResearchForecast)模式,对2005年3月13～15日出现在甘肃河西西部的一次暴雪天气过程进行了数值模拟,分析了造成这次暴雪的中尺度系统的发生、发展和结构演变。2ip资料及变量本文采用的数据是NCEP的GRIB资料和实况资料。NCEP的GRIB资料是1.0°×1.0°实时格点资料,主要的变量包括:TMP(温度)、HGT(高度)、UGRD(U分量)、VGRD(V分量)、RH(相对湿度)等。降雪资料是气象站实际观测资料。3酒泉市农村社会降水情况2005年3月13～15日,河西走廊西部(祁连山西段北坡)出现了一次降雪天气过程,过程降雪量酒泉达18.8mm,玉门镇达13.7mm,金塔达13.4mm,这在历史上是少见的。降雪的主要时段是3月14日14:00(北京时,下同)～15日02:00,在此期间,酒泉站降雪13mm,玉门镇为11mm,金塔为13.4mm。图1是14日的降雪量分布图。这次降雪天气,虽然有效缓解了旱情,增加了祁连山的积雪,但是,由于降雪期间正值酒泉市农区春播和牧区接羔的关键时期,造成的灾害也十分严重。据当地政府部门统计,全市农作物受灾面积达4873hm2,死亡羊只3680只,10万头(只)牲畜缺草少料。另外,地面积雪(60cm厚)阻断部分乡村道路。这次降雪造成的经济损失达3040多万元。4环流演变及地面形势分析分析500hPa高空环流形势,在3月上旬后期到中旬前期,欧亚中高纬度地区由多波动形势演变为两槽一脊型。这次降雪过程前,伴随着西伯利亚阻塞高压的崩溃,欧亚中高纬的环流形势进行了一次明显的调整。10～12日,乌拉尔山以西欧洲平原上的气旋稳定维持(图2a),不断分裂小股较强冷空气(小槽)向西西伯利亚阻塞高压底部移动,使阻塞高压逐渐减弱;到12日20:00,在冷空气不断侵袭之下,阻塞高压崩溃,高压脊减弱并迅速东移到贝加尔湖一带。同时,由于沿青藏高原西侧暖平流的作用,在巴尔喀什湖到乌拉尔山一线形成了一个较弱的暖高压脊,两个弱脊之间(即乌拉尔山和贝加尔湖之间)形成一个较弱的低压槽。东北低涡也迅速东移到朝鲜半岛上空,东亚大槽在朝鲜半岛到中国大陆东岸一线,欧亚中高纬的环流呈三槽两(弱)脊型,欧亚大陆的500hPa环流的经向环流减弱。其后,欧洲的气旋逐渐减弱,东亚大槽以及两个弱脊和两脊之间的小槽继续缓慢东移。到14日(图2b),东移的两个弱脊分别位于新疆和东北,而两脊梁之间的小槽由于不断有北方冷空气的补充,其强度明显加强且南压,西北地区的河西走廊处在小槽底部的强锋区中,导致了这次降雪天气。这种形势维持到15日08:00,随着新疆脊和东北脊的减弱,中国大陆维持大范围的西北气流,河西的降雪逐渐结束。700hPa形势与500hPa基本一致,在11日08:00,欧亚大陆700hPa呈两槽一脊型。其后,欧亚大陆的经向环流减弱,盛行纬向环流,但多小波动。到14日08:00,新疆有一个弱的高压脊,在酒泉到冷湖一线有一条风场切变线。从11～14日,西北地区东部一直维持较强的锋区。地面形势场上,从3月上旬末到中旬初,欧亚大陆自西向东维持低—高—低的形势。中心在贝加尔湖附近的冷高压稳定少动,西北地区东部处在冷高压底部的偏东气流中。随着高空阻塞高压的崩溃,贝加尔湖附近地区的冷高压逐渐减弱,并向东南方向迅速移动。随着高空500hPa上新疆脊的发展,在北疆以北的地区形成一个新的冷高压,中心位置稳定少动,由于不断有较强冷空气从高压西部补充,其强度逐渐加强,同时,不断分裂出小股冷空气向东南方向移动。在地面天气图上反映出河西走廊西部在这次降雪过程中受到多条冷锋的影响,当每条冷锋通过河西走廊西部时,产生相对集中的降雪。图3反映的是2005年3月14日08:00～15日02:00影响河西走廊的冷锋的活动动态图。由图可见,14日08:00,冷锋在新疆天山一线;11:00冷锋已经越过天山,并继续向东南方向移动,且速度加快;到14:00,锋面接近玉门,对应地14:00以后出现明显的降雪;当17:00锋面位于酒泉附近时,酒泉出现降雪强度最大的时段;到20:00,在酒泉一线又形成一条新的冷锋,在该冷锋的作用下,14日20:00～15日02:00,酒泉等地又出现了降雪相对集中的时段。15日02:00,冷锋东移到武威一线,河西走廊西部的降雪减弱。15日北疆以北的冷高压开始向东移动,到16日02:00,随着冷高压对河西走廊的完全控制,这次降雪过程彻底结束。5模拟分析了降雨天气的值5.1wrf模式简介WRF模式系统是由美国许多研究部门及大学的科学家共同研究开发的新一代中尺度预报模式。WRF模式系统具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便等诸多特点。为了比较真实地模拟实际天气,WRF模式中包括了如辐射过程、边界层参数化过程、对流参数化过程、次网格湍流扩散过程,以及微物理过程等物理过程。WRF模式是一个完全可压非静力模式,控制方程组都写为通量形式。网格形式与MM5模式的ArakawaB格点不同,而是采用ArakawaC格点,有利于在高分辨率模拟中提高准确性。5.2网格结构及网格、时间积分方法在本文的模拟试验中,模式的设计如下:采用二重嵌套垂直方向为30层的WRF-V2.0.3.1模式模拟,水平方向采用Arakawa-C型格点,垂直方向选用质量坐标(Eulerianmasscoordinate),二重区域的水平网格点数分别为121×121,151×151。相应的水平网格距分别为45km和15km。在时间积分方案上,使用了WRF推荐的Rung-Kutta的3阶方案,同时采用MRF边界层方案、Dudhia短波辐射和RRTM长波辐射方案。模拟时间为72h,即从2005年3月13日08:00～16日08:00。5.3模拟结果分析5.3.1降水量测定从暴雪落区分布来看,WRF模式细致地模拟出了暴雪的大致区域及暴雪的强中心。图4分别是模拟的3月14日08:00～14:00、14:00～20:00和14日20:00～15日02:00的降水量图。从图中可以看出,大值中心在甘肃酒泉地区及沿祁连山一带,12h(图4b)降雪量最大值为16.27mm。尽管预报量级较实况偏大,中心位置略偏西,降雪次大中心位于乌鲁木齐市,降雪量为12.65mm,模拟结果次大中心位置也略偏西。总体而言,模式还是很好地模拟出了暴雪的范围和14日14:00～15日02:00的降雪集中时段。5.3.2高空切变线—风场的模拟用WRF模式模拟结果讨论暴雪发生时的风场特征。图5是3月14日02:00的600hPa和300hPa两个层次的风场和流场。从图中可看出,风场是在600hPa,从酒泉沿东南方向有一支低空急流,急流核风速达20m·s-1。急流随着高度增强,到500hPa(图略)、300hPa高空,急流轴向北倾斜,酒泉地区处在高空急流入口区南侧,因为在急流入口区,当空气质点向中心移动时不断加速,气块会得到向左偏的非地转分量,结果在急流南侧产生高空辐散,出现上升气流,低层大气会随之发生质量调整,产生辐合区。这种模式模拟的风场结果更加明确的说明,在形成这次暴雪过程中,低空风场切变线与高空强锋区相对应的高空急流的合理配置,加强了酒泉暴雪区的垂直环流的发展,使降雪区域对流更加旺盛。另外,就低层风场而言,祁连山的地形阻挡作用对低层气流的辐合也起到了积极的作用。在3月14日08:00的700hPa实况图(图略)、14日11:00,14:00,17:00地面图(图略)以及模拟的祁连山西段北侧的气流上看,基本上是偏北气流,这种持续的低层的偏北气流受祁连山的阻挡作用,加强了低层气流的辐合上升。5.3.3辐合层与内部辐射的结合在700hPa和500hPa上,降雪区并没有反映出明显的辐散或辐合的特征,而在沿40°N,95°E和40°N,99°E散度垂直剖面上(图6),可以看到明显的低层辐合高层辐散的小尺度的特征。从14日02:00开始,在酒泉上空,从地面(约700hPa)到500hPa之间是辐合层,辐合层东西方向的水平尺度仅200km左右,在400hPa有一个中心为6.7×10-5s-1的辐散中心。这种低层辐合、高层辐散的配制有利于对流的发生且一直维持到15日02:00。值得注意的是,随着14日14:00酒泉降雪强度的增加,虽然在500hPa以上仍然表现为一个深厚的辐散层,在600～500hPa之间辐合的强度也明显增强,但酒泉上空在600hPa以下却逐渐变成辐散层。因此,可以认为,随着强降雪的开始,大量的能量被释放,降雪的影响系统开始减弱,降雪区近地面层由辐合变为辐散,逐渐向消亡阶段发展。5.3.4葡萄酒hpa的垂直运动在这次降雪过程中,酒泉上空维持着很强的垂直上升运动。图7分别是WRF模式预报的3月14日02:00和14:00的垂直速度特征剖面模拟。模拟结果显示:14日02:00,酒泉上空从近地面到100hPa为上升运动,最大上升运动出现在500～400hPa之间,中心值为13.28cm·s-1,垂直运动区的东西方向的水平尺度不足100km;08:00,在酒泉上空依然存在上升运动,但强度有所减弱,上升运动区的顶部下降到350hPa附近。到了14:00,酒泉附近600～100hPa继续维持强盛的上升运动,最大的上升运动在500～400hPa之间,且明显加强,最大速度达18.86cm·s-1;在酒泉西测600～150hPa为一个深厚的下沉运动层,垂直速度为-7.47cm·s-1。可以看出,正是酒泉上空的对流运动的迅速加强,造成了14日14:00～20:00之间的降雪相对集中的时段。图7还显示出降雪增大时,强对流中心持续维持,并逐渐向东运动,直到15日08:00逐步减弱消失,降雪结束。5.3.5u3000相对湿度对酒泉附近相对湿度场进行模拟分析,可以看出,这次降雪的水汽是随着西北气流输送到降雪区的。从3月13日20:00～14日14:00,近地面到500hPa以下的气层中,相对湿度>80%较湿润的气团逐渐向东移动,为降雪提供了比较充沛的水汽。图8分别是3月14日14:00和20:00的相对湿度垂直剖面图。14日08:00(图略),酒泉以西近地面到500hPa之间有一相对湿度>88%的高湿区,最大值为96.3%,在600hPa附近。随着偏西气流的引导,湿气团逐渐向酒泉方向移动,14:00,高湿区向东扩展,酒泉上空500hPa以下的相对湿度也达到了88%以上,为降雪的发生提供了充沛的水汽。到20:00,酒泉上空500hPa以下的气团仍然维持较大的相对湿度。但是,由于14:00～20:00之间,酒泉的降雪强度较大,凝结耗费了大量水汽,在600hPa高度层酒泉上空出现了一个相对的低值区域。6雪暴活动的垂直环流分析通过对河西西部(祁连山西段)的一次暴雪天气过程的数值模拟分析,说明WRF模式对中小尺度暴雪有较强的模拟和预报能力,揭示了影响暴雪发生发展的因子,得到以下结论:(1)在形成这次暴雪过程中,地面