一次西北雷暴過程分析和數值模擬

摘 要：2011年9月8日在甘肅中南部地區發生了一次強雷暴過程，同時還伴有冰雹、大風等強對流天氣，為探討這次天氣過程的天氣系統結構和形成機理，用WRF模式對這次過程進行了數值模擬分析和研究。利用嵌套網格計算技術，在4km嵌套高分辨模式中選擇多微理過程的微物理量顯示計算，對該雷暴過程的天氣系統和形成機理進行了模擬計算和分析，獲得了對流云帶和雷暴強回波中心較好的模擬。分析發現，新疆干冷空氣南下造成環境降溫，700hPa切變線激發對流的發展，低層高濕和充足的水汽輸送是本次雷暴過程的重要因素。

關鍵詞：西北雷暴;數值模擬;微物理過程

1 緒論

雷暴[1]是伴有雷擊和閃電的局地對流性天氣，它產生在強烈發展的積雨云中，因此常伴有強烈的雷電活動以及陣雨或暴雨，有時伴有冰雹和龍卷風，是一種中小尺度的對流天氣系統。雷暴通常在夏季發生，是夏季的主要氣象災害之一，而在冬季甚至會伴隨暴風雪而來，對農林、交通、通信等都容易造成一定不利影響，同時雷暴也會對飛行安全[2-3]產生嚴重的威脅，世界上一半的飛機失事是由雷暴天氣引起的，世界航空史上已經有2500多架飛機遭雷擊毀。

因此，對雷暴活動的監測、預警以及機制探索長期以來一直是人們關注的重點，研究雷暴的氣候特征，了解雷暴的形成過程，對雷暴天氣下減少各行各業的經濟損失有著明確的指導作用。眾多學者為此進行了大量的研究：李照榮等[4]認為雷暴具有明顯的區域特點，并研究了西北地區雷暴的氣候特征;付偉基[5]等通過對2006年7月13日一次洛陽市區的雷暴進行了模擬預報，表明WRF模式在預報弱強迫天氣系統雷暴時具有較好的性能。

2011年9月8日蘭州地區出現了一次強雷暴伴冰雹天氣過程，這次強雷暴冰雹天氣給當地的農、林業造成了災害，同時影響了蘭州中川機場航班起降，造成了嚴重的經濟損失。各項經濟損失達1.6億以上，給當地人民生活生產帶來了很大的影響。本文希望通過對這次強對流天氣過程的分析和數值模擬[6-8]研究，探討這次雷暴大風伴冰雹的復雜天氣過程成因和天氣系統結構特點，以期對雷暴預報提供一些有意義的理論依據。

2 天氣過程分析

2.1 大尺度環流特征

2011年9月6日，500hPa中緯度地區分別在里海、貝加爾湖至新疆北部存在著兩個低槽，并且依次加深，從西西伯利亞至我國新疆、河西地區在東移南下的冷性低槽控制之下，槽后冷空氣不斷的從高緯地區經新疆北部向南輸送，影響我國西北地區。由圖1可見，2011年9月6日烏拉爾山附近有一高壓脊，脊前不斷有小槽下滑補充到貝加爾湖大槽中。同時在西西伯利亞平原上有一股冷空氣開始聚集，冷中心溫度為-21℃，槽后西西伯利亞不斷分裂干冷空氣南下。7日08時由于烏拉爾山高壓脊繼續發展東伸，貝加爾湖至巴爾喀什湖南側形成了橫槽，不斷有短波冷槽分裂出來，與其相配置的溫度槽落后于高度槽。8日，橫槽東移南壓至新疆北部，槽后冷空氣向南輸送更加強盛，不斷下滑的冷空氣已影響到河西地區，甘肅中部地區完全處在較強盛的西北氣流中，槽底部冷平流較強，同時700hPa河西西部有一明顯輻合式切變線。9日，槽區東移，冷平流減弱，降水區域也移到我國東南地區和海上。

地面圖上有一條鋒面相配置（圖略），于6日進入新疆北部后逐漸東移南下，8日08時到達河西中部地區，14時左右南壓至本場附近。

可見，伴隨橫槽底部不斷東移南壓的強冷平流和700hPa切變線南側的東南風暖濕平流的配合，以及地面冷鋒是形成這次強對流天氣的主要影響系統。

2.2 中尺度對流系統的衛星云圖分析

圖2紅外云圖顯示，9月8日17時在蘭州北部有較強的對流云團生成，受槽后冷空氣和低空切變線的影響，對流云團不斷的加強，并且東移南壓。到18時對流云團已移至中川機場上空，導致中川機場出現雷暴大風天氣。這些對流云團進一步發展加強、向南移動，在此期間，中川機場形成了雷暴天氣。19時，中川機場依然是強烈的對流云團。至20時，隨著對流云團的南移，中川地區的雷暴天氣也逐漸結束。

3 數值模擬結果分析

本文中采用了區域非靜力模式WRF-ARW[9]3.5.1作為數值工具，以NCEP再分析資料為初、邊值，對這次雷暴伴冰雹天氣過程進行了模擬，采用三重雙向嵌套網格，模擬區域中心取在（103.6°E，36.5°N），水平分辨率分別為36km、12km、4km，格點數分別為115×86、175×121、250×265。模式中微物理過程采用WSM6微物理過程方案，RRTM長波輻射傳輸方案，Dudhia短波輻射方案，YSU邊界層過程方案。模擬時間從2011年9月8日14時開始，積分12hr，粗網格模式積分時間步長固定為60s，模擬結果輸出間隔為30min。

3.1 雷達回波強度場檢驗

蘭州中川機場多普勒雷達回波強度圖可以監測到這次雷暴活動的移動位置和對流發展情況：2011年9月8日15：00（北京時），在距離雷達站60—120公里范圍有對流回波形成，此后其強度不斷加強并逐漸合并。到16：05BLT，在雷達站西北方向形成了一條西北至東南走向的回波帶，并且整體向東南方向移動，16：15BLT最大回波強度超過54dBz。16：35BLT，兩個回波中心合并成一個強回波中心，17：05BLT（圖a）強回波中心移至雷達站西北方向40公里處，中心回波強度達到60dBz，并伴有勾狀回波特征。18：05BLT（圖b）強回波中心到達機場上空，造成機場強雷暴大風和冰雹天氣，隨后強回波中心繼續南下，持續到20：00BLT，并影響蘭州，榆中地區后逐漸減弱。

模擬結果較好的再現了1500BLT至2000BLT雷暴的演變過程，模式模擬出了對流單體的位置和回波強度大小，在空間上強回波中心的位置較實況偏北一些，僅有15km左右的誤差，回波帶的形狀，走向及移動方向也基本與實況一致。總的來看，模擬結果較為準確的再現了這一過程。

3.2 天氣系統和水汽條件

雷暴發生、發展和維持的必要條件之一是充足的水汽。圖4給出了2011年9月8日18時、19時700hPa模擬的相對濕度場、水汽通量的分布情況：甘肅中南部的大范圍區域呈60%以上的高濕區，其中19時水汽通量最大值達到了009kg·m/s，在中川機場附近也存在水汽通量高值區，達到0.06kg·m/s以上。

3.3 垂直速度和散度場分析

垂直上升運動是雷暴產生的必要條件之一，圖5給出了2011年9月8日16時、17時垂直速度場。8日16時，強上升區位于37～37.5°N之間，正中心值達到6m·s-1，強上升運動中心高度位于500～400hPa之間，這種深厚的上升運動為雷暴的發生發展提供了有利的條件。到17時，雷暴中心強上升運動區36.8°N附近，中心值約為3m·s-1，上升運動高度位于550hPa。在16時至17時之間，強w值基本在36.5°～37.5°N之間穩定且維持少動，由此可看出，垂直上升運動的強度、中心位置與雷暴強度、中心位置有很好的對應關系，造成了中川機場強雷暴的發生發展。12時后（圖略），上升運動強度慢慢減弱，雷暴天氣過程也逐漸結束。

9月8日17時（圖a），37°N附近的650hPa以上為輻散區，400hPa以上為強輻散區，中心值強度為15×10-5s-1，650hPa以下輻合區中心值強度達到-15×10-5s-1。18時（圖b），對應的強雷暴區36.6°N附近可看到高層輻散，低層輻合的配置，輻合中心強度中心值為-12×10-5s-1，但與圖a相比，高空輻散區位于550hPa，有所降低。中川機場在雷暴過程中一直維持低空輻合，高空輻散的配置，有利于上升運動的維持和加強，而且輻合輻散區與強雷暴區有較好的對應關系。

3.4 假相當位溫分析

假相當位溫可以表征大氣溫度、濕度的綜合特征，θse的分布反映了大氣中能量的分布[10]。θse的高值區為高能區，θse場中等值線密集區又為能量鋒區，等θse線密集區是位勢不穩定和斜壓不穩定集中的區域，是大氣中濕斜壓不穩定能量集中的區域，蘊藏著可供中尺度對流發展所必需的不穩定能量[11-12]。圖7是模擬的9月8日18時（北京時）假相當位溫分布圖。甘肅中南部地區均在325k的高值帶中，最大值為330k，中心位置于甘肅中南部的西側，為高溫高濕區，此時甘肅省的中南部已積蓄了對流發展所必需的不穩定能量。

4 討論和結論

利用WRF對2011年9月8日發展在甘肅中南部的一次雷暴過程進行了數值模擬，結果表明，WRF模式對此次過程的系統發展情況具有較好的模擬能力。

（1）這次雷暴過程是受500hPa高空冷槽東移南下，槽后冷空氣不斷向南輸送到達我國西北地區，同時來自南海的暖濕氣流向西北的中南部輸送，低層切變線及地面鋒面造成了這次強雷暴過程天氣。

（2）模式輸出的雷達強度圖，能直觀的反映出雷暴發生的范圍、時間和地點，捕捉到雷暴單體和強回波中心的有關信息。

（3）模擬結果中的垂直運動、散度場的結構和強對流天氣發生的落區有很好的對應，散度場低空輻合，高層輻散的形式，產生了強烈的上升運動。

參考文獻：

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作者簡介：常飛（1983— ），女，漢族，湖北棗陽人，碩士，工程師，研究方向：航空氣象預報。