受“碧利斯”影響的一次中尺度對流系統模擬研究

閆非，李艷偉，周毓荃，王彥

(1.南京信息工程大學，江蘇南京210044;2.中國氣象科學研究院，北京100081;3.天津市氣象臺，天津300074)

受“碧利斯”影響的一次中尺度對流系統模擬研究

閆非1，2，李艷偉1，周毓荃2，王彥3

(1.南京信息工程大學，江蘇南京210044;2.中國氣象科學研究院，北京100081;3.天津市氣象臺，天津300074)

利用中尺度數值模式WRF(weather research and forecasting model)對2006年7月16—17日在我國華南沿海地區引發強降水的中尺度對流系統(mesoscale convective systems，MCS)活動進行了數值模擬，并結合觀測資料對此次過程進行分析。結果表明，1)此次MCS活動與0604號強熱帶風暴“碧利斯”減弱而成的熱帶低氣壓及西南季風密切相關。熱低壓為MCS的發生提供了動力抬升條件，西南季風則承擔了輸送水汽的角色，二者的持續結合，使華南大部地區中尺度對流系統不斷發生和發展，形成強降水。2)該MCS具有明顯的不對稱結構，云體越向上越向南部伸展，云系主要分布在熱低壓的南部，呈東北—西南走向的帶狀。3)模式對此次MCS強降水過程的模擬效果較好，客觀地反映了此次MCS的發展演變及雨帶的分布狀況。4)在廣西境內的中尺度對流云團中云水含量較少，冰相粒子的比含水量值很大，主要的降水機制為冰晶降水機制。

碧利斯;熱低壓;中尺度對流系統;暴雨;數值模擬

0 引言

中尺度對流系統(mesoscale convective systems，MCS)泛指由若干對流單體或孤立對流系統及其衍生的層狀云系所組成的深厚對流系統，其水平尺度范圍大約在十幾千米至幾百千米，生命期約為十幾小時，常帶來大范圍持續降水。與一般的對流單體不同，MCS的發展更加有組織性，水平尺度更大、維持時間更長，并可在其組織化的發展過程中持續引發新的對流的發展。MCS包括颮線、中尺度對流復合體和對流風暴群，其中線狀的颮線和橢圓形的中尺度對流復合體是MCS的兩種特殊形態，MCS的普遍形態是介于兩者之間的。Maddox(1980)最早提出了中尺度對流復合體(mesoscale convective complexes，MCC)的概念，后來，又通過對10個MCC個例的分析(Maddox，1983)，揭示了它們的動力學和熱力學特征。之后，許多學者(Wetzel et al.，1983;Leary and Rappaport，1987;Raymond and Jiang，1990;Augustine and Howard，1991;Nachamkin et al.，1994)利用科學試驗觀測資料、理論分析、氣象觀測資料綜合分析等方法，廣泛而深入地研究了MCS的結構、環境條件和演變特征等。

華南是我國MCS活動比較頻繁的地區之一，常常給這一地區帶來暴雨和強對流天氣。周秀驥(2000)在1998年華南暴雨試驗中，通過中尺度外場綜合觀測試驗、數值模擬及天氣動力學診斷分析，研究了華南前汛期暴雨及臺風暴雨的中尺度結構及演變機制與規律。孫建華和趙思雄(2002a，2002b)對華南“94.6”特大暴雨的中尺度對流系統及其環境場進行了研究。蒙偉光等(2004)對華南暴雨中尺度對流系統的形成及濕位渦進行了分析。夏茹娣等(2006)分析了華南鋒前暖區暴雨β中尺度系統的環境特征，指出季風的活動、邊界層的影響、地形的動力作用等對MCS的發生發展具有重要影響。陳敏等(2007)研究了華南前汛期鋒面垂直環流及其與中尺度對流系統的相互作用。蒙偉光等(2007)對華南沿海一次暴雨MCS的形成和發展過程進行了分析。以上研究大多著眼于環境場特征和MCS的發生發展機理的研究，而對MCS的宏微觀結構及其降水機制的研究相對較少。

2006年7月16日到17日，受0604號強熱帶風暴“碧利斯”減弱而成的熱帶低氣壓和西南季風的共同影響，在我國華南沿海地區MCS活動異常活躍，出現了不同程度的大范圍暴雨天氣過程。這次暴雨過程總量大、范圍廣、持續時間長。本文利用WRF(weather research and forecasting model)高分辨率中尺度數值模式的模擬結果和觀測資料，主要研究MCS的發展演變過程、空間結構及其降水機制。

1 “碧利斯”概況

0604號強熱帶風暴“碧利斯”于7月9日14時(北京時間，下同)，在菲律賓以東洋面上生成，之后向西北偏西方向移動。于13日23時前后在臺灣省宜蘭登陸，登陸時中心附近最大風力為11級(30 m·s－1)。而后穿過臺灣北部，于14日03時前后進入臺灣海峽，并向福建北部沿海移動，14日中午12時50分在福建省霞浦北壁鎮再次登陸，登陸時中心氣壓975 hPa，近中心最大風力11級(30 m·s－1)。登陸后繼續向西北偏西行，于當天下午在福建省閩侯縣境內減弱為熱帶風暴。橫穿福建省后，于14日晚上移入江西省，15日下午在江西西南部減弱為熱帶低氣壓。而后，該熱低壓又緩慢向西偏南方向移動，經過湖南、廣西到云南，18日在云南東南部消失(圖略)。在熱低壓緩慢西行的過程中，16日至17日，廣東、廣西受其影響產生強降水天氣。

2 天氣形勢分析

2.1 強大的大陸高壓

“碧利斯”移動路徑特別、填塞緩慢與當時的大氣環流形勢密切相關，從7月16日08時500 hPa高空圖(圖1)可以看出:在我國的高原東部到河套地區為大陸高壓控制。在強大的高壓阻擋下，“碧利斯”熱低壓在高壓南側偏東氣流的引導下，緩慢向西南方向移動(圖略)。

2.2 西南季風

16日至17日從孟加拉灣到南海及華南沿海，盛行強勁的西南暖濕氣流，即西南季風。由2006年7月16日14時850 hPa流場(圖2)可見，在“碧利斯”熱低壓的南部存在很強盛的西南風，孟加拉灣北部有一低渦中心，水汽的輸送主要來源于該低渦中心，溫暖潮濕的水汽沿著強盛的西南氣流延伸到臺風低壓內部，為臺風低壓附近提供了充足的水汽條件。期間西南季風加強北抬，其原因有兩個:一是隨著“碧利斯”西移，西南季風與“碧利斯”南側偏西風同位相疊加;更重要的是，隨著“碧利斯”西行，熱帶低氣壓與西南季風區之間氣壓梯度迅速加強，致使西南季風迅速加強并北抬，水汽輸送更加充足并直達熱低壓內部。

圖1 2006年7月16日08時500 hPa位勢高度場(單位:gpm)Fig.1500 hPa geopotential height field at 08:00 BST 16 July 2006(Units:gpm)

2.3 中尺度輻合中心

流線從各個方向氣旋式朝一點輻合形成輻合中心，中尺度輻合中心是常見的暴雨中尺度系統。由16日14時1 000 hPa流場(圖3)可見，在湖南與廣西交界處存在一個中尺度輻合中心，從而引發強烈的輻合上升運動。

以上分析表明:西南季風的維持為暴雨的發生提供了水汽條件，并使熱帶低壓獲得暖濕能量和動量補充，有利于低壓環流維持;熱低壓的氣旋式環流形成強輻合中心，為MCS的發生提供了動力抬升條件。從而使華南大部地區中尺度對流系統不斷發生和發展。

3 模擬方案

模式使用NCEP/NCAR提供的每6 h一次的水平分辨率為1°×1°的全球分析資料作為初始場。采用二重嵌套方案模擬，模擬區域見圖4，中心位置是(110.21°E，25.47°N)。粗網格格點數為147×115，格距為18 km;細網格格點數為214×190，格距為6 km;積分步長分別為120 s和40 s。模擬的時間為2006年7月16日08時至17日08時，共24 h。

微物理過程采用Morrison 2-mon方案，考慮6種水成物:水汽、云水、雨水、冰晶、雪花、霰。該方案是WRF模式中相對復雜的微物理方案，適合于研究云系的詳細物理過程。積云對流參數化方案:對第一層網格考慮以Kain-Fritsch(Chen and Sun，2002)為主，第二層網格(6 km)不采用參數化方案，作為模式可分辨過程進行顯式化方案來進行積分。積分中采用時變邊界條件。

4 數值模擬結果分析

4.1 模擬結果與實況對比

為了檢驗WRF模式模擬結果的準確性，選用NCEP/NCAR資料繪制的位勢高度場和MICAPS降水數據與相應時刻的模擬結果進行對比。

4.1.1 天氣形勢對比

圖5為16日14時500 hPa、700 hPa和850 hPa NCEP/NCAR資料和模擬的位勢高度場，模式模擬的位勢高度場與實況的基本一致，在華南地區存在一個深厚的低壓系統，從高層到低層全部由低壓環流所控制。NCEP/NCAR資料為水平分辨率1°×1°的格點數據，模式的網格距為18 km，因此模式模擬的結果更為細致，可以更好地反應一些小尺度位勢場的變化。

圖2 2006年7月16日14時850 hPa流場Fig.2850 hPa flow field at 14:00 BST 16 July 2006

4.1.2 模擬降水與觀測降水對比

16日08時至17日08時24 h的觀測降水量分布(圖6a)顯示雨帶整體呈東北—西南走向，降水范圍很廣，覆蓋了廣東、廣西全省，福建、湖南和貴州的大部分地區，福建、廣東和廣西部分地區24 h降水量超過50 mm，發生暴雨。模擬的雨帶分布(圖6b)與實況大體一致，但模擬的暴雨落區較實況范圍偏大，模擬的雨帶基本反映了這次強降水過程的主要特征，客觀地模擬出了這次強降水的主要落區及強度。

綜上所述，模式對該次強降水天氣過程的模擬較為準確，模擬結果是比較可靠的。可以利用模擬結果進行深入的分析。

圖3 2006年7月16日14時1 000 hPa流場Fig.31 000 hPa flow field at 14:00 BST 16 July 2006

圖4 模擬區域示意圖Fig.4 Sketch map of the simulated area

4.2 水汽場分析

充分的水汽供應是暴雨形成的首要條件，通過分析16—17日的水汽通量(圖7)可知，西南季風輸送了大量的水汽到華南沿海地區，水汽的輸送帶隨著熱低壓環流的西移逐漸向西南方向移動。從16—17日整個降水過程中水汽通量值都非常大，部分地區達到了30 g/(s·hPa·cm)。強盛的水汽輸送與低壓環流相配合很容易產生水汽的輻合，而這種大范圍的輻合極有利于云系的發展與強降水的形成。

圖5 2006年7月16日14時500 hPa(a，b)、700 hPa(c，d)和850 hPa(e，f)觀測(a，c，e)與模擬(b，d，f)的位勢高度場(單位:gpm)Fig.5 (a，c，e)Observed and(b，d，f)simulated(a，b)500 hPa，(c，d)700 hPa and(e，f)850 hPa geopotential height fields at 14:00 BST 16 July 2006(Units:gpm)

4.3 中尺度對流系統的發展演變

圖8為500 hPa云中水凝物總量分布，由圖8可見，云系呈東北—西南走向的帶狀分布，水平伸展范圍很廣，帶長約1 000 km，帶寬約200 km，且隨熱低壓自東北向西南方向移動;熱低壓環流中MCS非對稱分布的特征十分明顯，云系主要分布在熱低壓的南部。

圖6 2006年7月16日08時—17日08時觀測(a)和模擬(b)的24 h降水量分布(單位:mm)Fig.6 (a)Observed and(b)simulated 24 h rainfall from 08:00 BST 16 to 08:00 BST 17 July 2006(units:mm)

圖7 模擬的2006年7月16日12時—17日06時800 hPa水汽通量(陰影;單位:g/(s·hPa·cm))和風場(箭頭;單位:m/s)分布a.16日12時;b.16日18時;c.17日00時;d.17日06時Fig.7 Simulated vapor flux(shaded area，units:g/(s·hPa·cm))and wind vector(arrows，units:m/s)of 800 hPa from 12:00 BST 16 to 06:00 BST 17 July 2006a.12:00 BST 16 July 2006;b.18:00 BST 16 July 2006;c.00:00 BST 17 July 2006;d.06:00 BST 17 July 2006

在7月16日至17日的暴雨過程中，有多個中尺度對流云團在我國華南沿海一帶生成、發展。其中在低壓環流的南部一直存在著一個較強的對流云團，在熱低壓東部的西南氣流中也有對流云團發展。16日白天，廣西境內有一個對流云團逐漸發展，16時該云團加強。在該對流云團的西北部不斷有新的中-β尺度云團并入到這個中-α尺度對流系統當中，云中的含水量大值區范圍不斷擴展，20時左右，該系統進一步發展，出現兩個強中心，其中西部的云體發展較強(圖8a)。到17日02時該中尺度對流系統發展到最強盛的時刻，廣西境內的云體分裂為兩個對流云團，西部云團中心的含水量超過4 g/kg(圖8b)。在16日20時—17日06時，該中尺度對流系統一直維持著動態穩定，云團相當強盛。隨著熱低壓的西移減弱，17日08時，云體逐漸消散(圖略)。

在此次強降水過程中，云中總含水量一直保持很大，說明局地水汽供應充足。大的云中含水量一般對應強上升氣流，反映了對流活動的旺盛。而且大含水量為降水粒子提供了良好的增長條件，有利于強降水的發生與維持。

圖8 模擬的總含水量(陰影;單位:g/kg)及風場(箭頭;單位:m/s)沿500 hPa等壓面的水平分布(圖8b中的線1為23°N剖面位置，線2為108.276°E剖面位置)a.2006年7月16日20時;b.2006年7月17日02時Fig.8 Simulated 500 hPa horizontal cross-section of total hydrometeor content(shaded area，units:g/kg)and wind vector(arrows，units:m/s)(line 1 represents 23°N，and line 2 represents 108.276°E)a.20:00 BST 16 July 2006;b.02:00 BST 17 July 2006

4.4 中尺度對流系統的垂直結構及云中水凝物的分布特征

分析云系的垂直結構及各種水凝物的分布特征可以更深入地了解該中尺度對流系統的結構，進一步研究降水形成的機理。圖9為2006年7月17日02時云中總的比含水量及風場沿23°N和108.276°E的垂直剖面。由圖9可見，MCS發展得非常強盛，云體伸展到200 hPa高度以上，云中總含水量超過4 g/kg的范圍很大;在該對流云團的內部存在兩個含水量的大值中心;云體呈不對稱結構，上部明顯的向南部伸展;(108°E，23.5°N)附近，低層存在偏北風與偏南風的強輻合區，同時在對流層的高層有比較明顯的輻散，這種低層輻合、高層輻散的結構對MCS的發展十分有利(陳久康和丁治英，2000)。

低層輻合是西南季風與熱低壓持續結合的結果，而西南季風為熱低壓提供暖濕能量和動量補充，使熱低壓環流維持，其暖心結構有利于高空輻散流場維持，所以西南季風與熱低壓的相互作用對MCS的發展有重要貢獻。

圖10為2006年7月17日02時云中各種水凝物含量和冰晶數濃度的垂直分布。由圖10a可見，云水含量不多，主要分布在0℃層以下，在0℃層與－10℃之間存在少量的過冷水;在250 hPa高度以上(－40℃以上)，存在大量的冰晶，冰晶數濃度達到106個/kg，且分布范圍很廣。圖10b為雨比含水量的分布情況，雨從500 hPa高度一直延續到地面，其比含水量超過2 g/kg，可見雨水降落到地面，且降水強度較大。圖10c、d表明，500～200 hPa之間分布著大量的雪晶和霰粒，雪晶和霰粒含量很高，云體中心區域其比含水量值超過4 g/kg。

以上分析表明，該云團中云水含量較少，冰晶、雪和霰冰相粒子比含水量值很大，云水和雨水分布在冰相粒子的下方。由于云水含量低，云滴的碰并增長不是主要的降水機制，而大量的冰晶在下落過程將團聚形成雪花或淞附成霰，落至零度層以下就會融化，直至降落到地面形成降水，這是典型的冰晶降水機制。

圖9 2006年7月17日02時模擬的總含水量(陰影;單位:g/kg)及流場沿23°N(a)和108.276°E(b)的垂直剖面(虛線表示0℃、－10℃、－20℃、－40℃等溫層)Fig.9 Simulated vertical cross-section of total hydrometeor content(shaded area，units:g/kg)and flow field along(a)23°N and(b)108.276°E at 02:00 BST 17 July 2006(dotted lines represent isotherm level 0℃，－10℃，－20℃，and－40℃)

圖10 2006年7月17日02時模擬的各種水凝物的比含水量(陰影;單位:g/kg)及冰晶數濃度(等值線;單位:105個/kg)沿108.276°E的垂直剖面(虛線表示0℃、－10℃、－20℃、－40℃等溫層)a.云水比含量和冰晶數濃度;b.雨比含量;c.雪比含量;d.霰比含量Fig.10 Simulated vertical crosses of hydrometeor content(shaded area，units:g/kg)and ice crystal number concentration(contour，units:105/kg)along 108.276°E at 02:00 BST 17 July 2006(dotted lines represent isotherm level 0℃，－10℃，－20℃，and－40℃)a.cloud water content and ice crystal number concentration;b.rain content;c.snow content;d.graupel content

5 結論

1)西南季風是主要的水汽輸送源，為華南沿海地區帶來了充足的水汽;熱低壓為MCS的發生提供了動力抬升條件，強盛的水汽輸送與低壓環流相配合產生大范圍的水汽的輻合上升，而這種大范圍的輻合極有利于云系的發展與強降水的形成。

2)WRF模式對該次中尺度對流系統活動模擬效果較好，客觀地表述了此次MCS的發展演變及雨帶的分布狀況。該MCS具有明顯的不對稱結構，云體越向上越向南部伸展，云系呈東北—西南走向的帶狀分布，主要在熱低壓的南部。

3)在廣西境內的中尺度對流云團，其云水含量較少，冰晶、雪和霰這些冰相粒子的比含水量值很大，主要的降水機制為冰晶降水機制。

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Numerical simulation on mesoscale convective systems associated with severe tropical storm“Bilis”

YAN Fei1，2，LI Yan-wei1，ZHOU Yu-quan2，WANG Yan3

(1.Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China;2.Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China;3.Meteorological Observatory of Tianjin，Tianjin 300074，China)

The Mesoscale Convective Systems(MCS)in the coastal areas of South China during 16th—17th July 2006 was simulated using mesoscale numerical model WRF(weather research and forecasting model)，and we analyzed the precipitation process combining with observation data.The results show that:1)The activity of MCS was closely related to the remnant of the downgraded severe tropical storm“Bilis”and southwest monsoon.The tropical depression provided dynamic conditions for MCS and southwest monsoon brought plenty of aqueous vapor to South China，the continued combination of tropical depression and southwest monsoon caused the formation and development of MCS;2)The MCS has an obvious asymmetry structure，the upper cloud stretched to south and the nephsystem distributed in a northeast-southwest band and mainly located in the south of tropical depression;3)Using WRF model to simulate the heavy rain process produced good results，which represented the development of MCS and the distribution of rain band;4)The cloud water content was little and ice crystal content was large in the mesoscale convictive cloud cluster，so ice crystal precipitation mechanism was the main precipitation mechanism.

Bilis;tropical depression;MCS;rainstorm;numerical simulation

P444

A

1674-7097(2012)06-0737-09

2011-03-07;改回日期:2012-03-16

公益性行業(氣象)科研專項(GYHY(QX)201206025);國家自然科學基金資助項目(40975086;40975026;41275150);國家高技術研究發展計劃(2012AA120902)

閆非(1987—)，女，河北赤城人，碩士，研究方向為云物理與人工影響天氣，mickeyyanfei@126.com;周毓荃(通信作者)，正研級高工，研究方向為云降水物理、人工影響天氣，zhouyq05@163.com.

閆非，李艷偉，周毓荃，等.2012.受“碧利斯”影響的一次中尺度對流系統模擬研究［J］.大氣科學學報，35(6):737-745.

Yan Fei，Li Yan-wei，Zhou Yu-quan，et al.2012.Numerical simulation on mesoscale convective systems associated with severe tropical storm“Bilis”［J］.Trans Atmos Sci，35(6):737-745.(in Chinese)

(責任編輯:張福穎)