华北地区一次雷雨过程的分析和数值模拟

华北地区一次雷雨过程的分析和数值模拟
梁升;徐记亮;李自鑫
【摘要】本文利用多种资料对华北地区一次雷雨天气过程进行了分析,并采用WRF 中尺度数值模式对本次过程进行了模拟,同时对不同的起报时间、不同的嵌套方式
等进行了敏感性试验.结果表明:(1)WRF模式较好地模拟出了雷雨发生的形势场、
水汽条件和能量条件;(2)起报时间和嵌套方式对形势场预报影响不大;(3)三层双向嵌套和两层双向嵌套相比,对于降水偏大的情况有明显的改善.
【期刊名称】《中国民航飞行学院学报》
【年(卷),期】2017(028)001
【总页数】5页(P14-18)
【关键词】华北地区;雷雨;数值模拟;WRF模式
【作者】梁升;徐记亮;李自鑫
【作者单位】中国民用航空局空中交通管理局航空气象中心北京100122;中国民
用航空局空中交通管理局航空气象中心北京100122;中国民用航空局空中交通管
理局航空气象中心北京100122
【正文语种】中文
雷雨季节的对流天气给航空运行造成了显著的不利影响，是造成航班延误的主要因素之一[1]。

近年来，随着探测手段和预报技术的进步，对于雷暴及其伴随的大风、暴雨等的预报有了一定的发展。

尤其是雷达和卫星等非常规探测技术的发展，为雷雨等对流性天气的预报提供了高时空分辨率的资料，对于提高此类天气的预报有了
极大的促进[2-4]。

然而，利用雷达和卫星等资料进行的预报，通常只能有2小时
左右的预报时效，这对于提前制订航空飞行计划，提供气象服务显然是远远不够的。

而研究发现，中尺度数值模式则可提供更长时效的预报，对于这类对流性天气的预报有重要的意义。

利用中尺度数值模式，提高对强对流天气的预警预报和模拟能力，尽量减少对流性天气对飞行的影响，是当前我国民航气象发展的重要任务，也是提高中小尺度灾害性天气数值预报能力的重要途径。

2013年8 月11日早晨开始华北地区出现间歇性雷雨，一直持续到12日凌晨，
造成了区域多个机场的大面积的航班延误。

这次雷雨过程持续时间长、覆盖范围大、影响严重，是典型的雷雨天气对航空飞行造成重大影响的个例。

对本次区域性的雷雨过程进行分析研究，探索中尺度模式在雷雨等强对流性天气中的预报能力，对于提升民航气象服务水平有重要的现实意义。

本文将利用卫星、雷达等多种资料对本次过程进行分析，并采用WRF中尺度数值模式对本次过程进行模拟，同时进行相关对比试验研究。

本文使用NCEP全球再分析资料FNL资料作为模式的背景场和侧边界条件；同时
还结合机场观测报告（METAR）、常规观测资料、卫星资料、雷达资料等对本次
区域性雷雨天气过程进行分析。

对过程的模拟使用中尺度模式 WRF（Weather Research&Forecasting Model），试验设置了27 km、9 km、3 km三种水平网格分辨率，模拟区域如图1所示。

模式垂直方向取41层，模式层顶高50 hPa。

本文中的试验微物理过程采用Thompson graupel方案（双参，3.1版本引进），3 km区域不使用积云参数化方案。

本文共设计了3个试验，分别研究不同起报时间对预报结果的影响、不同嵌套方
式对于预报结果的影响。

试验1为对照试验，采用两层双向嵌套，起报时间为2013年8月11日00UTC（世界协调时），预报时长24 h；试验2为敏感性试
验a，采用两层双向嵌套，起报时间为2013年8月10日12UTC，预报时长36 h，主要研究不同起报时间对预报结果的影响；试验3为敏感性试验b，采用三层双向嵌套，前两层嵌套与对照试验以及敏感性试验a的区域一致，起报时间为2013年8月11日00UTC，预报时长24 h，主要研究不同嵌套方式对于预报结
果的影响。

3.1 实况及影响
2013年8 月11日，华北地区中南部出现了一次较大范围的雷雨天气过程，首都、天津、石家庄、太原、郑州、济南、长治、大同、运城、鄂尔多斯、邯郸、秦皇岛、海拉尔、乌兰浩特、洛阳、延安、东营、济宁、临沂、青岛、潍坊等机场均出现了雷雨或雷暴天气。

此次雷雨过程共造成首都国际机场45个航班返航备降，443个出港航班延误，473个航班取消；北京管区全天绕航严重，其余机场也均有航班
取消、延误和返航备降。

3.2 形势场分析
从天气形势上看，高层200 hPa区域有明显的急流和辐散区；500 hPa上（图2），10-11日，蒙古地区有一高空槽系统逐渐东移，长江中下游地区和青藏高原受副高控制，副高脊线位于北纬30°附近，11日晚间至12日，副高有所东退控制长江下游地区。

西北地区东部、华北地区位于高空槽底部及两高（青藏高压及西太副高）之间切变线的顶部位置。

高空槽、切变线为雷雨天气的发生发展提供了动力抬升条件。

低层上高空槽自西北地区东部逐渐东移影响华北地区；我国中东大部地区受高压后部、高空槽前的西南暖湿气流控制。

地面上华北地区处于高压顶后部、低压底前部位置。

3.3 水汽条件
700 hPa及850 hPa沿高压外围，有一条水汽通道，中低空风速在8 m/s以上；从水汽通量来看：11日850 hPa及以下高度，沿湖北、河南、山东、河北、辽宁
等地区有一水汽通量的大值区，普遍达到了8g/(cm.hPa.s)以上；700 hPa水汽通量的大值区位于西南东部、陕西及华北地区，水汽通量值也在8g/(cm.hPa.s)以上；500 hPa在11日晚上的水汽通量大值区位于华北地区。

3.4 能量条件
从探空TlogP图（图3）看，北京（54511站）10日12UTC、11日00UTC的CAPE值均达到3 300 J/kg以上；11日12UTC的CAPE值也达到2 100 J/kg。

从探空的中层看，温度露点差较大，说明中层有一定的干冷空气侵入，促发了部分地区雷暴大风的发生。

从再分析FNL资料的CAPE180_0mb值（图4）分布来看，11日边界层CAPE能量的大值区位于副高边缘的华东中北部、中南北部、华北南
部地区，CAPE180_0mb在 1 500 J/kg以上。

其中，河北中南部在11日06UTC 的CAPE180_0mb值达到3 000 J/kg以上。

4.1 形势场
从27 km分辨率区域的形势场预报来看（图略），WRF模式对于形势场的预报与实况基本吻合，对于本次雷雨产生的大尺度背景，即西风带过程配合副高东退有很好的模拟，对于高低压中心的位置和强度也基本与实况一致。

三组试验相比，形势场基本一致，形势场的强度和位置、高低压中心、冷暖中心也都相差无几。

说明起报时间的前后、不同的嵌套方式对于形势场的预报影响较小，也说明模式形势场的预报强烈地依赖于背景场。

4.2 降水
图4是2013年8月11日00UTC到12日 00UTC的9 km分辨率24小时累计
降水量，在实况（图4a）中在华北地区有西南-东北向的雨带，覆盖京津冀以及山西、山东地区，降水的强中心位于河北南部地区。

在三组模拟试验中，预报的降水雨带分布和实况完全一致，但是在覆盖范围上模式输出结果均漏报了山东区域的降水；在降水强度预报上，对照试验（图4b）出现了降水量大于100 mm的虚假中
心，而且对于50-100 mm的降水范围明显偏大；在强降水中心的位置和范围预
报上，三组试验均有不同程度的误差，两层嵌套（图4b和4c）时，强降水中心
的范围偏大，位置偏北，三层嵌套（图4d）时，强降水中心的范围与实况接近，
但是位置位于山西中部，与实况差距较大。

4.3 水汽条件
从通过北京站的纬向、经向以及东北-西南向的垂直水汽剖面上（图略）可以看出，在北京附近的高空中700 hPa及850 hPa沿高压外围，有明显的水汽聚集区，这和实况是一致的，但是量级上比实况偏强。

在敏感性试验a中由于其起报时间较早，对于水汽的预报在量级上和实况最为接近。

而敏感性试验b和降水预报一致，由于第三层区域的反馈机制，使得水汽的调整也明显发生了变化。

4.4 能量条件
表1是2013年11月00UTC到21UTC北京站（54511）站点的CAPE预报值，从表中可以看出在对照试验和敏感性试验b中，CAPE在初始时刻（11日00UTC）最大不到1 600 J/kg，敏感性试验b初始时刻（10日12UTC）的CAPE也只有
1 934 J/kg，而实况诊断在这两个时刻该站的CAPE值均达到了3 000 J/kg以上，说明没有进行同化的初始场从开始就在能量场上出现了偏差，也影响了预报的结果。

11日12UTC实况的CAPE值达到
2 100 J/kg，而在预报中只有27km分辨率的
对照试验达到了2 870 J/kg。

从探空TlogP图（图略）看，不管是对照试验、敏感性试验a还是敏感性试验b，都很好地预报出了不稳定能量区的存在，但是不稳定区的大小上不同试验间相差较大。

本文详细分析了2013年8月11日发生在华北区域的一次雷雨天气过程，并使用中尺度模式WRF进行了模拟研究，主要得到以下结论：
（1）中尺度模式WRF对于雷雨有较好的模拟，尤其是对于雷雨发生的形势场、
水汽条件、能量条件的模拟基本上接近实况，对于进行业务预报有较好的指导作用。

（2）起报时间和不同的嵌套方式对于形势场的预报基本相同，无论是形势场的强度还是高低压中心、冷暖中心都是一致的，也说明模式形势场的预报，或者说最外层区域形势场的预报强烈地依赖于背景场。

（3）采用27 km、9 km、3 km的三层嵌套进行预报，不仅提高了模式预报的分辨率，而且3km分辨率区域对于9 km区域的反馈作用，明显地调整了虚假的降
水中心，对于解决模式降水偏大的问题有很好的作用。

本文得出的结论均是基于对单一个例的研究产生的，可能不具有普适性。

由于计算资源等方面的限制，本文还有相关的问题未能探明，如：双向嵌套中内层区域在外层区域的位置对于模式的预报结果有怎样的影响？单项嵌套与双向嵌套相比对于预报结果会有怎样的影响？等等，这都需要进一步研究。

【相关文献】
[1]王秀春，朱玲怡.雷雨天气的精细服务对集中运行控制决策的影响[J].空中交通管理，2011(7)
[2]冯晋勤，黄爱玉，张治洋，王新强.基于新一代天气雷达产品闽西南强对流天气临近预报方法研
究[J].气象，2012(2)
[3]俞小鼎.强对流天气的多普勒天气雷达探测和预警[J].气象科技进展，2011(3)
[4]YOU Wei,ZANG Zengliang,PAN Xiaobin. Statistical Analysis of Thunderstorms on the Eastern Tibetan Plateau Based on Modified Thunderstorm Indices[J].大气科学进展（英文版）,2015(4)。