WRF模式對一次中低緯降雪天氣的數值模擬分析

王秀英，廖留峰，段　鶴

(1.云南省普洱市氣象局,云南　普洱　665000;2.貴州省山地環境氣候研究所，貴州　貴陽　550002；3.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州　貴陽　550002)

1　引言

降雪是一種重要的天氣現象，在我國北方冬季常有大雪，而在中低緯度的滇西南大部地區年平均氣溫高于18℃，最冷月平均氣溫接近12℃，大量種植咖啡、橡膠、香蕉等熱帶經濟作物，畜牧業主要為露天放養。自1961年以來，滇西南共出現4次降雪記錄。滇西南降雪天氣較為罕見，雪后低溫天氣可使熱帶經濟作物及牲畜凍傷、凍死，給農業及畜牧業帶來巨大損失。因此，對滇西南降雪發生機理的研究具有重要意義。

國內外很多學者對降雪天氣進行了大量的研究，文獻[1-5]認為鋒生強迫、超低空急流、強的斜壓性是降雪天氣發生的主要強迫因素。王東勇[3]等研究表明在強降雪發生時近地面925 hPa附近伴有很強的超低空急流，低空垂直切變明顯，有很強的斜壓性。李兆慧[4]等指出暴雪與準靜止鋒關系密切，鋒生、鋒消變化與降雪天氣的出現和停止一致。近年來隨著數值模式的發展，中尺度WRF數值模式廣泛運用于天氣預報中[9-13]。章國材[6]等指出WRF模式系統在中尺度渦旋對流系統、干線、鋒、颮線、孤立的超級單體風暴等天氣系統中都具有較好的預報性能，同時可實現在線完全嵌套大氣化學模式，不僅能較好地預報天氣，而且具有預報空氣質量的能力，應用前景廣闊。

到現在為止，WRF模式主要用于中尺度強降水的分析研究，在降雪天氣中的運用相對較少。文獻[7,8]將WRF模式用于降雪的模擬預報，文獻[7]得出WRF模式能較好地模擬出河西暴雪的區域，對中尺度天氣系統的暴雪具有良好的預報能力；文獻[8]使用WRF模式模擬湖北降雪，結果表明產生暴雪的上升運動要遠小于產生暴雨的上升運動，且在暴雪過程中，中層為上升運動，近地層和高層伴隨著下沉運動。

鑒于滇西南降雪天氣預報經驗少，降雪發生的機理研究少，預報降雪的區域及強度難度較大。本文使用WRF模式對2013年12月15—16日滇西南的降雪及17日雪后出現的霜凍天氣進行模擬，結合模式輸出資料分析此次降雪過程中尺度天氣系統的發生發展機理，檢驗WRF模式對滇西南降雪天氣的模擬預報能力，并為當地降雪天氣預報提供科學依據。

2　資料及方法

文獻[1-5]利用實況資料從鋒生強迫、超低空急流、斜壓性等因素對降雪天氣系統的發生發展機制做了分析。宮德吉[2]等利用低空急流來揭示暴雪發生機制，王東勇[3]等利用超低空急流，低空垂直切變及強的斜壓性來研究強降雪發生。李兆慧[4]等利用準靜止鋒的鋒生、鋒消來研究降雪天氣起止時間。近年來，許多學者[7,8]開始使用數值模擬的方法來模擬降雪天氣過程。

本文利用常規氣象觀測資料，NCEP初始場、實況場資料，采用二重嵌套方式的WRF 3.2 (Weather Research Forecasting)模式模擬2013年12月15—16日滇西南的降雪及17日雪后出現的低溫霜凍天氣。二重區域的水平網格點數均為61×61，相應的水平網格距分別為60 km和20 km，中心經緯度為100.8°E，23.2°N，二重區域物理過程一致,垂直方向采用地形追隨質量坐標共19層。微物理過程方案采用Lin方案、rrtm長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、YSU邊界層方案、Betts-Miller-Janjic積云參數化方案，以及Noah陸面方案。模擬時間為48 h，即從2013年12月15日20時—17日20時。

3　天氣實況及災情

普洱市位于云貴高原西南部，南部海拔高度不足500 m，北部海拔高度超過3 km。1961年以來普洱市出現的4次降雪記錄中，2013年12月15—16日的降雪范圍最大,普洱市共有34個鄉鎮出現雪或雨夾雪，降雪量級為小雪。雪后降溫天氣使得最低氣溫下降10～14 ℃，全市大部最低氣溫低于3 ℃，局部低于0 ℃。造成大牲畜死亡近200頭，生豬死亡近150頭，咖啡、橡膠、香蕉等熱帶作物遭受嚴重凍害。據當地政府部門統計，這次降雪天氣給普洱市造成的經濟損失高達7億多元。

4　環流特征分析

500 hPa高度場上，過程前期極渦南壓到西伯利亞北部地區，歐洲平原上的氣旋維持，中高緯環流形勢從多波動形勢轉為兩槽一脊形勢。12月10日極渦分裂出的冷渦與東移至鄂霍次克海的冷渦匯合，冷渦增強，全國大部地區爆發寒潮。在此次降雪過程發生前，主要受南支槽及弱冷空氣影響，滇西南出現強對流天氣。13—14日由歐洲氣旋分裂出的小波動受青藏高原及副熱帶高壓影響，青藏高原東南側滇緬間逐漸形成南支槽，影響我國西南地區。北側形成北支西風槽，有利于引導北方冷空氣南下與南支槽前的西南暖濕氣流交匯，有利于西南地區陰冷天氣的維持。青藏高原東部為弱脊控制，于中低緯地區形成“兩槽一脊”的環流形勢，東北冷渦中心位于黑龍江，且高空冷渦槽底延伸至渤海，給西南地區帶來源源不斷的冷空氣。副熱帶高壓脊線位于15°N，西脊點伸至116°E，副熱帶高壓位置及強度長時間維持，阻擋上游南支槽東移，使南支槽加深且移速較慢。14日20時(以下均為北京時)低空切變線位于滇中；受南支槽前西南暖濕空氣與冷空氣影響，在西南地區形成冷暖氣團交匯，南支槽前氣流系統性上升及地形抬升作用配合充足的水汽條件，14日夜間滇南出現暴雨局部大暴雨。

在此次降雪天氣過程中，15日(圖1a)北支槽東北移并入東北冷渦，使高空冷渦槽底延伸至30°N，給西南地區帶來強冷空氣。同時受動力及熱力作用減弱影響，云南大部對流減弱。15日20時—16日14時冷空氣自東向西逐漸加強西進，與此同時南支槽維持，強冷空氣輸送使得南支槽前對流減弱，槽前轉為穩定性層結。16日20時(圖1b)以后副熱帶高壓減弱，南支槽迅速東移，滇西南轉為槽后西北氣流，滇西南降雪天氣結束。700 hPa形勢圖(圖略)相較500 hPa，東北冷渦從高到低向西傾斜。14—15日由于受青藏高原大地形影響，700 hPa上南支槽較500 hPa上略淺，且南支槽北部出現兩個小波動(高原波動)。從風場上分析得出，700 hPa上15日08時低空切變線位于滇中，20時已達滇西南。切變線北部為偏北氣流，南部為回流的西南氣流。切變線南壓使得滇西南冷空氣加強，同時由于切變線附近溫度梯度、氣壓梯度偏小，熱力條件弱，大氣穩定度增加。

17日西太平洋副熱帶高壓繼續東退，東北冷渦南壓，滇西南槽后西北氣流加強。由于受南支槽后西北氣流影響(圖略)，滇西南輻射降溫明顯，加之15日20時以來的強冷空氣帶來的平流降溫作用，形成了平流霜凍與輻射霜凍結合成的混合型霜凍，滇西南最低氣溫下降10～14 ℃，大部分地區最低氣溫低于3 ℃，局部在0 ℃以下，滇西南出現大范圍凍害。

圖1　2013年12月500 hPa位勢高度場(實線；單位：dagpm)，溫度場(虛線；單位：℃)(a) 15日20時 (b) 16日20時Fig.1　500 hPa potential height(the solid line,unit：dagpm) and emperature(the dotted line,unit：℃) In December 2013.(a) at 20∶00 on the 15th.(b) at 20∶00 on the 16th

5　滇西南降雪天氣的模擬分析

5.1　高度場模擬

圖2a給出了16日08時80～120°E，5～40°N實況高度場(NCEP再分析資料)，及同時次模式輸出的500 hPa高度場(圖2b)。對比槽線的位置，實況場與模擬場相一致，模擬輸出的等高線較實況略偏北，564dagpm、560dagpm等值線上的北支西風槽與實況接近。為深入對比分析，分別做出每6 h的實況與模擬的500 hPa、700 hPa、850 hPa高度場圖(圖略)，同樣得出模擬輸出結果與實況場相一致。表明WRF模式對此次天氣過程有很好的模擬預報能力。

5.2　降水的模擬

通過使用模擬試驗中的微物理過程方案對此次降水天氣過程進行模擬，根據模式輸出結果提取降水及降雪預報產品。圖3、圖4分別為WRF模式模擬的過程累積降水及降雪預報結果，降水主要模擬15日20時—16日14時，滇西南為小雨天氣(圖3a)，與降水實況(圖3b)相比，僅滇西南降水略偏小，省內其他區域降水預報效果好；15日23時至16日14時滇西南自北向南出現一次小雪天氣過程，降雪量小于0.2 mm(圖4b)。通過對比分析，降水的模擬與實況相吻合，表明WRF模式降水預報能力好。降雪起止時間模擬結果與實況較為吻合，普洱北部模擬出的降雪范圍較實況略偏大，其余大部分地區模擬結果與實況接近。總體而言，模式可模擬出此次歷史罕見的滇西南降雪天氣過程的降雪時段及降雪強度，WRF模式對此次滇西南降雪過程有較好的模擬預報能力。

圖2　2013年12月16日08時,500 hPa高度場：(a)實況場(NCEP再分析資料)；(b)模擬場(單位：dagpm)Fig.2　500 hPa potential height(unit：dagpm) at 08∶00 on December 16, 2013.(a)observations(NCEP reanalysis data).(b)forecast field

圖3　2013年12月15日20時—16日14時的模式模擬結果：(a)降水的模擬；(b)2013年12月15日20時—16日14時降水實況(單位：mm)Fig.3　The simulated of precipitation(a) during December 15-16, 2013.(unit:mm) ; The precipitation (b)during December 15-16, 2013.(unit:mm)

圖4　(a):2013年12月15日20時—16日14時降雪的模擬(單位：mm)(b):2013年12月16日14時積雪分布(陰影區為積雪分布區;單位：mm)Fig.4　The simulated of snowfall (a) during December 15-16, 2013.(unit:mm) ; (b):The distribution characteristics of snow at 14∶00 on December 16, 2013.(the shadow area is the snow cover, unit：mm)

5.3　溫度場模擬

模式輸出結果顯示，17日05時以后普洱市大部地區氣溫維持在3 ℃以下(圖略)。08時氣溫達到最低，與最低氣溫較為接近的模擬時段。由模式輸出08時的2 m溫度場(圖5a)可知，云南大部17日08時氣溫低于0 ℃，普洱市北部及瀾滄東部氣溫低于0 ℃，其它地區氣溫低于3 ℃。與實況(圖5b)相比，普洱市小于0℃的區域模式輸出結果范圍較實況略偏大。總的來說WRF模式對普洱市的溫度模擬結果與實況接近，WRF模式對此次強降溫天氣過程的氣溫有很好的模擬能力。

圖5　(a)2013年12月17日08時2 m溫度場模擬(單位：℃), (b)2013年12月17日最低氣溫(單位：℃)Fig.5　(a)The temperatures of above ground 2m at 08∶00 on December 17, 2013.(unit:℃)(b)The minimum air temperature on December 17, 2013.(unit：℃)

5.4　南支槽與強冷空氣分析

分析模式輸出的流場及風場(圖6)，可以看出16日08時南支槽仍位于滇緬之間，滇西南為槽前西南氣流控制，為降水提供充足的水汽來源。由于受哀牢山地形阻擋作用，歷來影響滇西南的冷空氣主要以回流冷空氣為主，冷空氣相對較弱。在此次天氣過程中由于北支西風槽匯入東北冷渦，使得冷空氣加強西進。從16日08時的800 hPa圖(圖6b)上可以看出，影響滇西南的冷空氣直接由冷渦外圍南下，在低層越過哀牢山，進而影響滇西南地區。東北氣流已達滇西南以南地區，給滇西南帶來大幅度的降溫天氣。此次試驗，WRF模式成功地模擬出了南支槽位置和冷空氣的強度。

圖6　WRF模擬的2013年12月16日08時風場和流場(a.500 hPa； b.800 hPa)(單位：m/s)Fig.6　The Wind field and flow field of WRF model at 08∶00 on December 16, 2013.(a.500 hPa,b.800 hPa,unit:m/s)

5.5　濕位渦診斷分析

吳國雄等[14]從完整的原始方程出發，在導出精確的濕位渦方程的基礎上，證得絕熱無摩擦的飽和濕空氣具有濕位渦(MPV)守恒的特性。通過引進靜力近似，取P為垂直坐標，并假定垂直速度的水平變化比水平速度的垂直切變小得多，由此可得濕位渦的表達式：

(1)

將(1)式寫為分量形式有：

(2)

(3)

(2)式和(3)式中,MPV1為濕正壓項，是空氣塊絕對渦度的垂直分量與熵的垂直梯度的乘積，表示慣性穩定性和對流穩定性的作用。當等熵面與等壓面近似平行的時候，MPV1是MPV的主要部分；MPV2為濕斜壓項，是由風的垂直切變和濕假相當位溫水平梯度決定，它包含了濕斜壓性和水平風垂直切變的作用(其中ζP是垂直方向渦度，f是地轉渦度，θse為相當位溫)。所以，濕位渦這一物理量揭示了大氣熱力和動力及水汽條件與降水之間的關系。濕位渦單位為PVU，1PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1。

垂直渦度增長的充分條件[15]為：若大氣處于對流穩定條件下，?θse/?P<0(即MPV1>0)，只有MPV2<0垂直渦度才能得到較大的增長；若大氣處于對流不穩定條件下, ?θse/?P>0(即MPV1<0)，只有MPV2>0垂直渦度才能得到較大的增長。

計算分析了此次降雪天氣過程的MPV1、MPV2的垂直剖面特征。16日02時23°N的MPV1垂直剖面圖(圖7)上，除105°E以西地區對流層中下層為弱的負值區外，105°E以東地區為弱的正值區及對流層中上層為較強的正值控制，高值中心位于對流層頂達6.5PVU；16日08時以后80～120°E區域內低層為弱的正值區控制，MPV1<1.0 PVU，高層維持較強的正值。由此可見，16日02時低層仍有較弱的不穩定條件，其后逐漸轉為弱穩定性層結，高層有強的對流穩定及慣性穩定條件。對流層高層有向下伸展的冷空氣，從時間序列圖上可以看出300 hPa上滇緬間仍存在高空槽，MPV1高值中心的移動與南支槽的移動相對應，主要位于高空槽后部。對流層上層冷空氣向下延伸的主要影響天氣系統為南支槽。此特征在17日凌晨霜凍發生時仍然維持。

從MPV2的時間序列圖上可以得出(圖7b)，在降雪及雪后低溫天氣發生時，100～115°E區域內MPV2<0，500 hPa以下最大負值中心達到-0.2 PVU，負值區所對應的經度與低空切變的位置相對應，500 hPa以下等值線較密集。由此可見，受強冷空氣南下影響，大氣斜壓性增強，冷鋒對干冷空氣的輸送可達對流層中層，并在500 hPa以下為干冷空氣輸送的較強區域。500 hPa以上出現次負值中心可達-0.15 PVU；表明對流層上層因冷空氣的向下輸送大氣斜壓性增強。

綜上所述，在此次降雪天氣過程中|MPV1|>|MPV2|，MPV1為濕位渦的主要組成成分，即等熵面與等壓面近似平行。由于南支槽的作用，在垂直剖面圖上，對流層上層有強冷空氣向對流層中層延伸，500 hPa以下MPV1主要以弱的正值為主，表征大氣具有慣性穩定性和對流穩定性。MPV2負值區與冷空氣南下形成的低空切變位置相對應，干冷空氣的輸送造成濕斜壓性增強。此形勢不利于對流性降水的出現，但有利于高層冷空氣向下延伸，濕斜壓性向上輸送，對流層處于慣性穩定性和對流穩定及濕斜壓性增強的條件之下。因此，雖然有南支槽的維持，但主要以小雨(雪)天氣為主。MPV2所對應的干冷空氣的輸送造成局地平流降溫。南支槽東移出境后，MPV1所對應的高層冷空氣向下輸送再次出現降溫機理。此次霜凍天氣就是平流霜凍和輻射霜凍疊加形成的較強混合型霜凍。

6　結論與討論

本文采用WRF 3.2中尺度模式模擬滇西南降雪及雪后低溫天氣，模式方案設計主要著重于對降雪區域及雪后低溫天氣的模擬，可得出以下結論：

①本次模擬試驗成功地再現了此次過程的主要影響系統：滇緬間為南支槽控制，為暴雨提供充足的水汽條件及槽前系統性上升機制。北支西風槽匯入東北冷渦，有利于冷空氣向西、向南發展，冷空氣以東北路徑南下影響滇西南以南地區，平流降溫顯著。強冷空氣配合南支槽水汽輸送，形成降雪發生的機理。

②這次罕見降雪及雪后霜凍天氣過程的模擬試驗中，WRF模式能夠很好的模擬出滇西南普洱的降雪范圍、大小和降雪起止時段，同時模式輸出的溫度場也與實況場相吻合。

③通過診斷分析得出降雪過程出現時，等熵面與等壓面近似平行，大氣層結具有穩定性及濕斜壓性。南支槽東移出境后，MPV1正值對應的層結穩定性及高層冷空氣的向下輸送，大氣濕斜壓性減弱(MPV2負值中心-0.05 PVU)；前期大氣濕斜壓性造成局地平流降溫，與其后的對流穩定性及高層冷空氣的向下輸送引起輻射降溫，共同造成了較強的混合型霜凍。

圖7　2013年12月16日08時與14時23°N MPV1(單位：PVU) (a)及MPV2(b)緯向剖面(單位：0.1PVU)Fig.7　(a)The latitudinal section of 23 degrees north latitude about MPV1(unit:PVU) and MPV2(unit:0.1PVU) at 08∶00 and 14∶00 on December 16, 2013.(unit:0.1PVU)