一次飑线过程的数值模拟及诊断分析

２ １ 天气概况和环流背景 在我国中纬度地区常常发生强对流天气， 河南 省商丘地区发生表现强对流天气过程并不少见， 但 ０ ０ ９年 ６月 ３日强飑线过程还不多见。分析发 像２ 现， 该次强对流天气过程与高空东北地区冷涡有密 切关系： 高空东北冷涡后部横槽引导高层冷空气南 下， 近地面从华北到黄淮地区在西北气流控制下气 流下沉增温， 又由于太阳辐射温度明显升高， 气温在
收稿日期： ２ ０ １ ０－ ０ ２－ ０ ３ ； 修订日期： ２ ０ １ ０－ ０ ３－ １ ４ 。 基金项目： 国家科技支撑计划（ ２ ０ ０ ７ Ｂ Ａ Ｃ ２ ９ Ｂ ０ ６ ） 和淮河流域暴雨淮委会（ Ｎ ｏ ： ２ １ ２ ９ ） 共同资助。 作者简介： 孙素琴， 女， １ ９ ８ ３年生， 硕士研究生， 主要从事中尺度天气动力方向研究。
辨率比观测资料要小的缘故， 降水落区范围较实况 偏小， 河南东部及江苏北部出现的两个降水中心均 模拟出现， 西侧降水中心略偏东北， 江苏境内的降水 中心模拟位置较好。 同时将模拟的 ６月 ３日 ２ ０时 ７ ０ ０ｈ Ｐ ａ环流场 （ 图２ ｂ ） 与实况（ 图２ ａ ） 对比可以看出， 环流形势、 反 气旋中心位置非常接近， 模拟效果较好。７ ０ ０ｈ Ｐ ａ 环
苏北部移动。 ５ ３ 动力条件 ５ － ６ ］ ５ ３ １ 高低空急流 ［ 对强对流天气发展影响 ２ ０ ０ｈ Ｐ ａ 急流核始终位于江苏以东黄海洋面上， 急流中心达 ６ ４ｍ／ ｓ ， 轴线位于强对流发生地上空， 风 速达 ４ ０ｍ／ ｓ 。从散度场上可以看出， 当发生强对流 天气的地区高空盛行辐散气流， 低空盛行辐合气流。 高空急流是产生高空辐散的机制之一， 高空急流的 存在有利于上升气流的维持和加强， 对流云中上部 所增加的热量不断被高空强风带走， 起到了通风作 用， 因此有利于对流云的维持和发展。 ６月 ３日午后 ８ ５ ０ —７ ０ ０ｈ Ｐ ａ 高度上， 河南东部、 山东南部及江苏北部风速都较小， 低空急流主要影 响了此次过程的后期一次较弱的对流天气。６月 ４ 日０ ０时， 急流带内有大风速中心的传播， 中低空还 有中尺度的急流（ 风速大于 ２ ２ｍ／ ｓ ） 爆发， 这是形成 苏北地区对流天气的主要动力学条件； 在急流最大 风速中心前方有明显的水汽辐合和质量辐合或强上 升运动， 这对强对流活动的连续发展是有利的。在 急流轴的左前方是正切变涡度区， 有利于对流活动 发生， 这也验证了对流风暴一般产生在急流大风核 的左前方。爆发的大风区开始位于 ７ ０ ０ —５ ０ ０ｈ Ｐ ａ 之 间， 随后快速发展为地面到 ４ ０ ０ｈ Ｐ ａ 之间， 其前部有 一弱风中心， 形成一较厚的锋区。且随着大风区的 迅速倾斜， 强对流天气快速东传减弱。低空急流爆 发对本次强对流天气的快速移动起到了非常重要的 作用。 ５ ３ ２ 涡度场和散度场及垂直速度场分析 ６月 ３日 ２ ２时沿 ３ ４ ４ ５ ° Ｎ 散度（ 图４ ） ， 商丘上 空对流系统在强垂直速度切变下， 低层辐合上升， 高 层辐散下沉， ８ ０ ０ｈ Ｐ ａ 以下有一辐合辐散对， 商丘上 游地区 上 空 ９ ０ ０－４ ０ ０ｈ Ｐ ａ间 为 一 深 厚 的 辐 合 区， ４ ０ ０ｈ Ｐ ａ 以上为强辐散区。在低空急流带动下一前 一后的辐合辐散结构共同促使强对流系统快速向东 南推进。这种结构与出现在中纬度地区常见的风暴 剖面结构相似， 即上升气流从风暴的前方流入， 下沉 气流从风暴的后方流出。通过对高空急流的分析，
１ － ４ ］ 报技术的发展， 气象工作者 ［ 对中小尺度研究特别
３ １℃ 左右， 近地面层温度比较高； 加上低层水汽辐 合， 形成了一上干冷下湿暖的对流不稳定层结， 导致 ６月 ３日从下午开始一直持续至 ４日清晨 ０ ５时， 从 山西南部逐渐向南发展的一次强对流天气。山西南 部和河北南部、 河南北部及东部、 山东南部、 安徽北 部和江苏北部均受到对流天气的影响， 在河南郑州、 开封、 商丘等地出现了强飑线天气， 商丘地区飑线发 展至最强。 ２ ２ Ｔ Ｂ Ｂ资料分析 选用中国卫星遥感服务网上 Ｆ Ｙ ２ Ｃ卫星的 Ｔ Ｂ Ｂ 资料分析， 其时间分辨率为 １ｈ ， 可以发现， 这次强对 流天气的发生发展伴随着一个中尺度雷暴云团向东 南方向移动发展演变的过程。３日 １ １时山西南部有 Ｂ Ｂ值低于 － ４ ０℃对流云团， １ ２时后两 两个孤立的 Ｔ 个对流云团向东南方向移动且合并在一起， 移动到 河北南部强度发展为 － ５ ０℃。１ ４时在山西和河北 南侧交界处出现一东西长近 ２ ０ ０ｋ ｍ、 宽１ ０ ０ｋ ｍ的 Ｔ Ｂ Ｂ值低于 ５ ０℃的强对流核（ 称为低值区） 向东北 向倾斜， 且明显偏向东南方向， 其东南侧 Ｔ Ｂ Ｂ梯度较 大， 低值等值线分布密集， 表明这一侧的对流活动较 旺盛。随后低值区东移南侵范围减小在 １ ７时移至 河北、 河南和山东交界处， 其中在 １ ５时， 低值中心内 出现了一小块大于 － ５ ０℃ 的区域， 且南部有 Ｖ 型缺 口， 这预示了下一时刻的低值区的分裂， １ ９时低值中 心分裂为两个小的云团 Ａ 和云团 Ｂ （ 图１ ） ， 其中云 团 Ａ移向河南北部， 此云团在移入河南境内后对流 云顶变得松散后减弱最后消失， 对应着北侧对流活
１ 引言
强对流天气（ 如大风、 冰雹、 龙卷风和飑线等） 预 报监测是预报业务中的重点， 其中飑线是较强的对 流天气过程。对强对流天气的预报不及时、 不准确， 将会给社会经济和人民生活带来巨大损失。同时由 于其尺度较小、 生命期短、 发展迅速、 强度大和时空 分布不均匀等特点， 使得对爆发强对流的中小尺度 系统的及时预报仍很薄弱。近些年来， 随着多普勒 雷达产品、 卫星产品的广泛运用和中小尺度数值预
单位为℃； 阴影区为 Ｔ－ Ｔ 黑三角位于商丘 １ １ ５ ６ ５ ° Ｅ附近 ≤６℃的区域； ｄ
图３ 沿 ３ ４ ４ ５ ° Ｎ模拟的 ２ ０ ０ ９年 ６月 ３日温度露点差剖面
为界， 以 下 为 一 浅 薄 的 湿 区， 其温度露点差小于 ６℃， 上层则为一深厚的干区， 形成了上干冷下暖湿 的对流不稳定层结， 上空存在 Ｔ－ Ｔ ｄ 等值线密集带，
－ ４ － １ － １ １ ０ ｇ ·ｃ ｍ－２·ｈ Ｐ ａ ·ｓ ， 范围很小且在其西北方 向有一狭长的散度正值区， 与下面动力条件相对应。 ８ ５ ０ｈ Ｐ ａ 水汽分布表现出 ３日水汽高值区是从河南 北部推向河南东部， 进而在 ４日凌晨快速向安徽江
强对流区位于稳定的高空急流的轴线处， 高空急流 的存在有利于高空辐散区的维持。
３ 模式和方案
为了更加细致地分析了解本次强对流过程前后 ０ ０ ９ 各物理量参数随时间变化的情况， 本文选取了 ２ 年 ６月 ３日 ０ ８时—４日 ０ ８时每 ６ｈ １次的水平分辨 Ｃ Ｅ Ｐ再分析资料， 运用 ＷＲ Ｆ Ｖ ２ １ １模式对 率为的 Ｎ 这次影响河南、 安徽及江苏局部地区的强对流天气 过程进行了数值模拟。模式采用双重嵌套网格， 内 层积 分 区 域 中 心 为 （ ３ １ ° Ｎ ， １ ２ ０ ° Ｅ ） ， 网格点数为 １ ３ ３× ２ ２ ３ ， 网格距为 １ ０ｋ ｍ， 垂直方向积分层为 ３ １个 不等距的 σ层， 模式顶气压为 １ ０ ０ｈ Ｐ ａ 。积分时间从 ２ ０ ０ ９年 ６月 ３日 ０ ８时—４日 ０ ８时， 模式结果每 １ｈ 输出 １次。微物理过程运用 Ｌ ｉ ｎ等方案， 积云对流 ｅ ｔ ｔ ｓ －Ｍｉ ｌ ｌ ｅ ｒ －Ｊ ａ ｎ ｊ ｉ ｃ方案， 同时采 参数化方案采用 Ｂ 用了 Ｙ Ｓ Ｕ 边界层方案、 Ｄ ｕ ｄ ｈ ｉ ａ 短波辐射、 Ｒ Ｒ Ｔ Ｍ长 波辐射方案、 Ｍｏ ｎ ｉ ｎ － Ｏ ｂ ｕ ｋ ｈ ｏ ｖ 近地面层方案和热量 扩散陆面过程方案等。
（ １ 南京信息工程大学江苏省气象灾害重点实验室， 江苏 南京 ２ １ ０ ０ ４ ４ ； ２ 南京信息工程大学大气科学学院， 江苏 南京 ２ １ ０ ０ ４ ４ ） 摘 要： 利用 Ｎ Ｃ Ａ Ｒ 、 Ｎ Ｃ Ｅ Ｐ和 Ｆ Ｓ Ｌ ／ Ｎ Ｏ Ａ Ａ等共同研制的 ＷＲ Ｆ中尺度数值模式， 对２ ０ ０ ９年 ６月 ３日河南地区发生的一次 飑线过程进行数值模拟， 并利用模式输出的高分辨率资料对该次过程进行诊断分析。结果表明： ＷＲ Ｆ模式成功地再现了高低 空环流形势演变及强对流的分布发展特征， 高空冷涡后部冷空气南下， 近地层较暖， 形成了上冷下暖的位势不稳定层结及地面 辐合线是这次强对流和飑线天气过程的触发机制。强对流发生时， 该地区出现的低空增温增湿、 低空急流的爆发及低层急流核 向东南快传、 高空急流轴稳定在强对流天气发生地上空， 对流有效位能积累和释放随时间的演变过程及垂直螺旋度大值中心等 对此次强对流天气过程有较好的指示意义。 关键词： 飑线过程； ＷＲ Ｆ中尺度模式； 垂直螺旋度； 数值模拟； 诊断分析 中图分类号： Ｐ ４ ５ ８ ２ 文献标识码： Ａ 文章编号： １ ６ ７ ３－ ５ ０ ３ Ｘ （ ２ ０ １ ０ ） ０ ２－ ０ ０ ２ １－ ０ ６
４ 结果分析
通常评价一个中尺度天气模式及对强对流过程 模拟的效果， 要比较对降水的模拟和预报能力。为
第 ２期
孙素琴等： 一次飑线过程的数值模拟及诊断分析
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了便于比较 ６月 ３日 ０ ８时—４日 ０ ８时 ２ ４ｈ的降水 量实况和模拟结果， 将台站实况降水量插值到 １ ° × １ ° 等经纬度网格点上得到实况降水分布图。将模拟 的 ６ｈ １次降水与实况降水对比， 发现前 １ ２ｈ 对比效 果不明显， 而后 １ ２ｈ降水两者对比效果较吻合。将 模拟的 ２ ４ｈ 降水量与实况对比发现， 降水区域的走 向相似， 中心强度较实况偏强， 这是由于模式资料分
图２ ２ ０ ０ ９年 ６月 ３日 ２ ０时 ７ ０ ０ｈ Ｐ ａ 环流场
流场上， 反气旋中心位于（ １ １ ４ ° Ｅ ， ３ ２ ５ ° Ｎ ） 附近， 其 东北部在西南气流控制下， 输送低空暖湿水汽， 河南 东部及山东西部受其辐合的西南西北气流影响。再 次证明了模式对这次过程模拟的结果是可信的。总 体来看， 该模式对这次强对流天气的模拟是成功的。
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气象与环境学报
第２ ６卷
动减弱。云团 Ｂ移向山东西部， 随后向西向南扩展，
覆盖山东大部、 河南东部及江苏北部。 此后影响河
图１ ２ ０ ０ ９年 ６月 ３日 １ ８ —２ ２时 Ｆ Ｙ ２ Ｃ卫星 Ｔ Ｂ Ｂ演变
南出现此次强对流天气的低值即为云团 Ｂ 。 以下重点分析云团 Ｂ的发展演变及其对强对流 天气的指示意义。云团 Ｂ继续维持发展， 在山东、 河 ０ —２ ２ 南和江苏交界处的位置所停留的时间为 ３日 ２ 时， 影响河南商丘地区时发展为东南—西北的圆形， 为中尺度对流系统， 其最低云顶亮温低于 － ５ ０℃， 对流云团南侧亮温梯度非常大， 说明此时的对流云 团近于垂直发展。２ ３时后， 对流云团依然维持并向 东南方向移动。这个时刻影响范围和影响强度都没 有很大的改变， 与影响河南东部商丘地区的时间吻 合， 说明 Ｔ Ｂ Ｂ低值有利于此次强对流过程， 中高层 ０时后低值中心 为西北方向输送的强冷空气。４日 ０ 沿着江苏与山东交界线向东移动并减弱， 入海后迅 速发展。对比云团 Ｔ Ｂ Ｂ的演变过程和强对流天气 发生的时间及落区， 可以发现， 本次强对流过程主要 Ｂ Ｂ等 值 线 密 集 带 和 发生在 云 团 移 动 的 东 南 方 Ｔ Ｔ Ｂ Ｂ低值出现的区域， 且对 Ｔ Ｂ Ｂ低值及等值线密集 线的分析中发现， 鲁西地区也出现了 Ｔ Ｂ Ｂ低值区， 且维持较长时间， 但未出现像河南地区的强对流天 气， 说明有其他因素影响此次强对流天气。
是对中尺度数值预报研究的重视， 使得中尺度模式 的应用成为揭示强对流天 气 成 因 的 有 效 途 径 和 方 Ｆ模式对 ２ ０ ０ ９年 ６月 ３ —４日影响 法。本文利用 ＷＲ 河南、 安徽及江苏的一次强对流天气过程进行数值 模拟和诊断分析， 以揭示其中尺度系统发生发展的 物理机制。
２ 环流背景和 Ｔ Ｂ Ｂ资料分析
第２ ６卷 第 ２期 ２ ０ １ ０年 ４月
气象与环境学报 Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ ＬＯ ＦＭＥ Ｔ Ｅ Ｏ Ｒ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ ＹＡ Ｎ ＤＥ Ｎ Ｖ Ｉ Ｒ Ｏ Ｎ ＭＥ Ｎ Ｔ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ６Ｎ ｏ ． ２ Ａ ｐ ｒ ｉ ｌ ２ ０ １ ０
一次飑线过程的数值模拟及诊断分析
， ２ ， ２ ， ２ 孙素琴１ 苗春生１ 王坚红１
出现了温度露点锋， 同时也说明此时本地区低层水 汽饱和高空干冷条件已充分具备， 有利于强对流天 气的发生发展。其他时段商丘地区 Ｔ－Ｔ ｄ 差值较
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气象与环境学报
第２ ６卷
大， 水汽条件与可发生暴雨的条件相比较差， 不利于 大范围强降水发生， 但 Ｔ－ Ｔ 仍能 ｄ 差值又不是太大， 满足强对流天气过程所必需的水汽条件， 预示着将 有降水发生。６月 ３日 ２ ２时 ８ ５ ０ｈ Ｐ ａ 商丘附近有一 水汽 通 量 散 度 负 值 大 值 区， 中 心 值 小 于 －２×
５ 物理量场诊断分析
５ １ 辐合线的南压 ６月 ３日 ２ ２时 ９ ２ ５ｈ Ｐ ａ 环流场上， 河南东部有 一条明显的东北西南向的辐合线， 其是由 １ ７ —２ ０时
维持在郑州到商丘一线的中尺度辐合线加强南压形 成的， 商丘处在雷暴高压辐散区的前部， 处于西北大 风和弱的东南风的辐合处， 这些与河南东部发生强 对流天气的地区有很好的对应。近地层辐合线的出 现及加强， 对强对流天气的发生发展及飑线的形成 起着至关重要的作用， 是对流单体加强为飑线的主 要影响系统。 ５ ２ 上干下湿的水汽条件 ６ 月３ 日１ ９ —２ ０时沿 ３ ４ ４ ５ ° Ｎ温度露点差剖面 ） ， 发现１ ９ 时和２ ０ 时商丘地区上空以８ ０ ０ｈ Ｐ ａ 图（ 图３