復雜地形強降雪過程中垂直運動診斷分析

馬淑萍 冉令坤 曹潔 ,3

1 中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴重點實驗室（LACS），北京 100029

2 中國科學院大學，北京 100049

3 美國國家海洋大氣總署和俄克拉荷馬大學聯合中尺度氣象研究所，美國俄克拉荷馬州 73072

1 引言

我國地形復雜，青藏高原、云貴高原、太行山脈、祁連山脈等大地形對降水都有顯著影響（景麗等, 2004; 李川等, 2006; 陳貴川等, 2006; 董海萍等,2007; 侯瑞欽等, 2009; 孫晶等, 2009; 何鈺和李國平,2013; 李博等, 2013; 王宇虹等, 2015）。新疆位于我國西北部，具有三山夾兩盆的獨特地形地貌。新疆年降水量分布不均勻，北疆降水多于南疆，山區降水多于盆地。新疆年雨量≥40 mm 的高頻區主要位于天山山區，并以東天山迎風坡出現的頻數最多，其次是準葛爾西部山地迎風坡，昆侖山北坡居第3位（馬淑紅和席元偉, 1997）。天山山區降水量最大，約占全疆雨量的40.4%（史玉光等, 2008）。天山的地形作用是天山山區暴雨形成的主要原因之一（馬玉芬等, 2012a; 郭玉娣等, 2014）。

降雪是新疆降水的一個重要特點。降雪產生的機制有很多，國內外一直開展著研究，Sanders（1986）、Moore and Blakley（1988）提出降雪過程中的鋒生強迫機制，Sanders and Bosart（1985）研究表明華盛頓和波士頓的暴雪主要是鋒生強迫的結果，對稱不穩定可能只對降雪帶的細微結構起作用。Kristovich et al.（2000）研究表明下墊面為大湖區時引起的降雪是多尺度系統相互作用的結果。Ohigashi and Tsuboki（2005）研究了日本Hokuriku沿海一次降雪過程，強降雪與雪帶周圍陸上弱的東南風和歐亞大陸南下的西北風之間形成的強上升運動對應，Tsuboki et al.（1989）揭示了陸上弱風與降雪帶的相互作用。新疆降雪主要發生在北疆，山區和迎風坡是暴雪頻發區，地形是影響暴雪發生發展的一個關鍵因素（張家寶和鄧子風, 1987）。伊犁河谷地區三面環山，是北疆暴雪主要發生區，發生頻次僅次于天山山區（李如琦等, 2015），于碧馨等（2016）研究表明在伊犁河谷特有地形的影響下，穩定維持的山前垂直環流為降雪提供動力抬升條件和不穩定能量觸發機制，促進增強伊犁河谷降雪。楊蓮梅等（2005）、楊蓮梅和劉雯（2016）研究了新疆暴雪的氣候特征和水汽輸送特點，將北疆暴雪分為北疆型、北疆西部北部型、北疆沿天山型和北疆西部型。陳濤和崔彩霞（2012）研究指出北疆強降雪過程中冷鋒強迫的垂直運動與降雪區有較好的對應關系。莊曉翠等（2019）分析了天山北坡兩次暴雪過程，結果表明暴雪區上空鋒區等熵面陡立、條件性對稱不穩定和次級環流是暴雪形成的主要機制。

總體來說，新疆暴雪形成機制很復雜，垂直運動是關鍵影響因素之一，特別是復雜地形處的垂直運動。為此，本文針對新疆強降雪過程，對垂直運動進行診斷分析，研究垂直運動發展變化的動力學機理。本文選取2018 年11 月30 日發生在新疆伊犁河谷和天山北坡的降雪過程，利用WRF 模式輸出的模式層數據計算分析垂直速度和垂直動能收支，研究引起垂直速度和垂直動能局地時間變化的物理原因。

2 天氣形勢

2018 年11 月30 日00 時（協調世界時，下同）至12 月1 日00 時新疆北部出現降雪天氣，其中伊犁河谷、天山地區、塔城和阿勒泰等地有大到暴雪，局地發生大暴雪（22 mm d-1）。此次降雪最早（30 日16 時）出現在天山北坡和伊犁河谷的新源縣（圖1a 中的A點）附近，小時降雪量分別為1 mm 和5.2 mm；隨后降雪帶發展東移，30 日18時位于天山南坡和北坡之間，與天山走向一致；12 月1 日00 時降雪達到強盛階段，雪帶向東擴展，6 h 累計降雪量達到8.4 mm；1 日06 時強降雪中心東移到伊犁河谷以東地區；隨后雪帶范圍縮小，強度減弱，1 日10 時本次降雪結束。隨后伊犁河谷又開始新一輪的強降雪過程。根據中國氣象局降雪等級劃分標準，此次過程屬于強降雪過程。

圖1 2018 年（a）11 月30 日16 時（協調世界時，下同）1 h 累計觀測降雪量（單位：mm），（b）11 月30 日18 時、（c）12 月1 日00 時、（d）12 月1 日06 時6 h 累計觀測降雪（單位：mm）。圖a 中A 點是伊犁河谷的新源縣所在位置Fig. 1 (a) One-hour accumulated observed snowfall (units: mm) at 1600 UTC 30 November, (b) 6-h accumulated observed snowfall (units: mm) at 1800 UTC 30 November, (c) 0000 UTC 1 December, and (d) 0600 UTC 1 December 2018. In Fig. a, point A is the location of Xinyuan County in the Yili River valley

此次過程發生在有利的大尺度環流背景下，如圖2 所示，11 月30 日12 時新疆大部分地區位于200 hPa 高空急流出口區。500 hPa 處于槽前暖濕西南氣流控制中，正渦度平流明顯，溫度場落后于高度場，存在正熱成風渦度平流。700 hPa 盛行偏西風，受地形阻擋抬升影響，氣流在伊犁河谷和天山南坡輻合；相當位溫等值線密集，表明存在冷鋒。850 hPa 存在偏西水汽通道，將水汽從巴爾喀什湖輸送至伊犁河谷。上述高空急流、中層槽前正渦度平流、低層冷鋒和近地面水汽輸送為此次降雪提供有利的熱、動力和水汽條件。

圖2 2018 年11 月30 日12 時（a）200 hPa 風場（陰影區風速≥30 m s-1），（b）500 hPa 位勢高度場（黑色實線，單位：gpm）、溫度場（紅色虛線，單位：°C）、渦度（陰影，單位：10-4 s-1），（c）700 hPa 風場（風向桿）、地形（陰影，單位：km），（d）850 hPa 水汽通量（單位：g cm-1 hPa-1 s-1）Fig. 2 (a) 200-hPa wind field (wind speed in the shaded area is ≥30 m s-1), (b) geopotential height (solid black lines, units: gpm), temperature field(dashed red lines, units: °C), and the vorticity (shadings, units: 10-4 s-1) at 500 hPa, (c) 700-hPa wind field (barbs), terrain (shadings, units: km),(d) 850-hPa water vapor fluxes (units: g cm-1 hPa-1 s-1) at 1200 UTC 30 November 2018

下面利用WRF 模式對此次過程進行數值模擬，并在此基礎上，通過垂直速度和垂直動能收支分析來討論此次降雪垂直運動變化的動力學機理。

3 數值模擬

以 美 國 NCEP GFS（ National Centers for Environmental Prediction Global Forecast System）預報場數據為背景場和側邊界條件，采用GSI（Gridpoint Statistical Interpolation analysis system）同化GDAS（Global Data Assimilation System）觀測數據，利用WRF4.0 模式對此次過程進行高分辨率數值模擬。模式區域采用水平分辨率為3 km 的單層網格設計, 區域中心為（46.5°N，88°E），水平方向為701×701 個格點，垂直層數為44 層，模式頂層氣壓為50 hPa。模擬時間為2018 年11 月30 日00 時至12 月2 日00 時，模擬數據間隔30 min 輸出一次。采用Thompson（云微物理方案）、RRTMG（長短波輻射方案）、Yonsei University scheme（行星邊界層方案）、Mellor-Yamada-Janjic ( η) TKE scheme（近地層方案）和Noah Land Surface Model（陸面過程方案）等物理參數化方案。該模擬采用30 s 地形高程數據，并稱為控制試驗。為了研究天山地形對垂直運動的影響，在其他參數不變的情況下，將天山山脈高于500 m 的地形高度降為500 m（馬玉芬等, 2012b）開展地形敏感性試驗。

如圖3 所示，30 日16 時模擬的小時降雪主要出現在伊犁河谷西北側的天山北坡；18 時模擬的雪帶開始發展，東移至伊犁河谷，與天山南坡和北坡走向基本一致；強降雪中心位于霍城縣（圖3b中B點）和博樂市（圖3b 中C點）之間的天山北坡支脈科古琴山，強度達到15 mm；12 月1 日00時模擬雪帶的范圍擴大，降雪中心向東南方向移動到新源縣（圖3c 中D點）附近，強度為30 mm；12 月1 日06 時模擬的天山北坡雪帶開始減弱，南坡降雪中心降至10 mm。對比觀測（圖1）可看出，模擬雪帶的強度比實況略偏強，但模擬雪帶的變化趨勢和移動演變與實況比較接近。整體上，此次模擬再現了伊犁河谷降雪過程的發展變化。接下來利用該模擬數據進行垂直速度和垂直動能收支分析。

圖3 2018 年（a）11 月30 日16 時1 h 累計模擬降雪（單位：mm），（b）11 月30 日18 時、（c）12 月1 日00 時和（d）12 月1 日06時6 h 累計模擬降雪（單位：mm）。圖b 中的B、C 點分別表示霍城縣、博樂市，圖c 中的D 點表示新源縣Fig. 3 (a) One-hour accumulated simulated snowfall (units: mm) at 1600 UTC 30 November, (b) 6-h accumulated simulated snowfall (units: mm) at 1800 UTC 30 November, (c) 0000 UTC 1 December, and (d) 0600 UTC 1 December 2018. In Fig. b, points B, C indicate the locations of Huocheng County, Bole City, respectively; in Fig. c, point D is the location of Xinyuan County

圖4 為垂直累積水物質含量、小時降水量、擾動氣壓、擾動干空氣質量、水平流場和垂直速度以及700 hPa 相當位溫的分布。如圖所示，30 日18:30 時降雪區相當位溫等值線密集，說明存在冷鋒，這是本次過程的主要影響系統。隨著冷鋒東移侵入伊犁河谷，鋒后冷空氣引起地面氣壓升高，擾動氣壓增大，因此那里擾動氣壓為正值（圖4d）。地面氣壓升高又會引起干空氣氣柱質量的增加，造成正的干空氣質量擾動（圖4e）。在伊犁河谷地區，西南氣流爬過天山北坡的科古琴山（圖4f 中E點）和博羅科努山（圖4f 中F點）后轉為偏北氣流，越過阿拉套山（圖4f 中G點）后轉為偏南氣流；水平風速在山頂和背風坡明顯增大，到背風坡下游后風速迅速減小；偏南和偏北氣流在博羅科努山背風坡后側形成輻合（圖4f）。天山北坡的迎風坡上升運動較弱，背風坡下沉運動較強（圖4g）。云體（垂直累積水物質含量）和降雪區主要位于地形迎風坡和山頂（圖4b、c），未出現在背風坡，這主要與過山氣流在背風坡引起較強下沉運動有關，強烈的下坡大風阻斷云體向背風坡及其下游傳播。上述分析表明，在此次降雪過程中，隨著冷鋒過境，地面氣壓升高，造成正的氣壓擾動和干空氣質量擾動，氣流過山導致氣流抬升和局地輻合，這些都是引起垂直運動變化的關鍵因素，也是影響降雪發生發展的重要動力和熱力因素。

4 垂直速度收支分析

在沿低層過山氣流方向（圖4 中紅色實線，過降水區垂直于山脈的方向）的垂直剖面內（圖5），30 日16:30 時地形上空垂直速度呈正負值相間分布，上升與下沉運動交替出現，傾斜向上伸展，表現出地形重力波特點。垂直運動在迎風坡較弱，在山頂和背風坡較強。隨著雪帶增強東移，18:30 時山頂（44.504°N，81.828°E）中高層上升和下沉運動逐漸減弱，背風坡（44.630°N，82.039°E）低層下沉運動明顯增大，強度小于-5 m s-1，下坡大風顯著，該下坡大風在下游引起強烈輻合，激發出新的上升運動。另外，云體沿著地形迎風坡和山頂發展移動，但未越過地形，主要原因是背風坡強烈的下沉運動切斷了云體向背風坡下游的傳播。

圖4 2018 年11 月30 日（a）18:00 時刻700 hPa 相當位溫（單位：K），18:30（b）垂直累積水物質含量（單位：kg m-2）、近地面（模式層的第一層）（c）1 h 累計降水量（單位：mm）、（d）擾動氣壓（單位：hPa）、（e）擾動干空氣質量（單位：hPa）、（f）水平流場、（g）垂直速度（單位：m s-1）。陰影代表地形高度（單位：km）；圖f、g 中的E、F、G 點風別為科古琴山、博羅科努山、阿拉套山；紅色實線表示下圖中的剖線Fig. 4 (a) Equivalent potential temperature (units: K) at 700 hPa at 1800 UTC, (b) vertically integrated liquid water content (units: kg m-2), (c) 1-h accumulated precipitation (units: mm), (d) perturbation pressure (units: hPa), (e) perturbation dry air mass (units: hPa), (f) horizontal flow field,(g) vertical velocity (units: m s-1) near the ground (the first layer of the model layer) at 1830 UTC 30 November 2018. The shadings denote terrain height (units: km); in Figs. f and g, points E, F, G indicate the locations of Keguqin Mountain, Bolhinur Mountain, Alataw Mountain; the solid red lines represent the section lines in the figure below

圖5 2018 年11 月30 日（a）16:30 時、（b）18:30 時垂直速度（陰影，單位：m s-1）、風矢量（箭頭，單位：m s-1）沿圖4 中紅線的垂直剖面。左縱坐標為 η層數值。綠實線代表30 min 累計降雪量（右側縱坐標，單位：mm），紅色實線代表水成物的混合比含量（單位：10-4 kg kg-1），下方圖代表地形高度（單位：km），下同Fig. 5 Vertical cross sections of vertical velocity (shadings, units: m s-1) and wind vectors (arrows, units: m s-1) along the red line in Fig. 4 at (a)1630 UTC and (b) 1830 UTC 30 November 2018. The left y-axis denotes the value of the η (near-surface scheme) layer. The solid green lines denote the 30-min accumulated snowfall (right y-axis, units: mm), the red solid lines denote the mixing ratio of hydrometeor (units: 10-4 kg kg-1), and the figure below denotes terrain height (units: km), the same below

本文采用WRF 模式地形追隨坐標系垂直運動方程來分析影響垂直運動的主要物理因素，其優勢在于：一是地形追隨坐標系方程隱含地形效應，能夠描述地形對大氣的強迫作用；二是可以直接利用模式層數據計算，避免垂直坐標變換引起的插值誤差以及坐標面與陡峭地形相交的情況。WRF 模式質量地形追隨坐標系下濕大氣垂直運動方程為（詳見附錄）

利用WRF 模式輸出的模式層數據計算上述方程右端項。如圖6a 所示，垂直速度的局地時間變化沿著地形呈現出正—負—正位相分布的波動形態。垂直速度的緯向平流、經向平流和垂直平流在地形平緩處都比較小，但在迎風坡、山頂和背風坡相對較大（圖6b、c 和d）。垂直平流正高值區位于背風坡，削弱近地面層強烈下沉運動。垂直氣壓梯度力在平緩地形處最大，其次是迎風坡，表現為正高值，加強上升運動；在山頂，由于氣壓降低，中低層垂直氣壓梯度力減小；在背風坡及其下游，氣壓逐漸升高，低層垂直氣壓梯度力也逐漸增大（圖6e）。水物質拖曳力不論在低地形還是高地形在中低層都為較大的負值，加強中低層下沉運動；隨著降雪發展，大氣中水汽逐漸消耗，水物質拖曳力也逐漸減弱（圖6f）。擾動干空氣浮力在平緩地形處最大，其次是迎風坡，在山頂處較小，在背風坡及其下游逐漸增大，這是因為在低地形地面氣壓較高，氣柱質量大，而山頂地表氣壓相對較低，氣柱質量也相對較小。擾動干空氣浮力主要為負值，促進下沉運動。氣流爬坡時擾動干空氣浮力逐漸減小，氣流下坡時擾動干空氣浮力逐漸增強（圖6g）。由于邊界層作用，綜合強迫的高值區主要位于低層（圖6h）。

圖6 2018 年11 月30 日18:30（a）方程（1）左端垂直速度局地時間變化項（陰影、黑色等值線，單位：10-4 m s-2）和方程（1）右端強迫項（b）緯向平流（黑色等值線，單位：10-3 m s-2）、（c）經向平流（黑色等值線，單位：10-3 m s-2）、（d）垂直平流（黑色等值線，單位：10-3 m s-2）、（e）垂直氣壓梯度力（黑色等值線，單位：10-2 m s-2）、（f）水物質拖曳力（黑色等值線，單位：10-3 m s-2）、（g）擾動空氣浮力（黑色等值線，單位：10-2 m s-2）、（h）綜合強迫（黑色等值線，單位：10-3 m s-2）沿圖4 中紅線的垂直剖面。彩色陰影表示垂直速度局地時間變化（單位：10-4 m s-2）Fig. 6 Vertical cross sections of (a) the vertical velocity local variation term (shadings, black contours, units: 10-4 m s-2) at the left side of Equation(1) and the forcing terms (b) zonal advection (black contours, units: 10-3 m s-2), (c) meridional advection (black contours, units: 10-3 m s-2), (d) vertical advection (black contours, units: 10-3 m s-2), (e) vertical pressure gradient force (black contours, units: 10-2 m s-2), (f) water material drag force (black contours, units: 10-3 m s-2), (g) perturbation air mass buoyancy (black contours, units: 10-2 m s-2), and (h) comprehensive force (black contours, units:10-3 m s-2) at the right side of Equation (1) along the red line in Fig. 4 at 1830 UTC 30 November 2018. The shadings denote vertical velocity local variation (units: 10-4 m s-2)

整體上看，垂直氣壓梯度力和擾動干空氣浮力是最主要的垂直速度局地時間變化強迫項，其次是水物質拖曳力，垂直速度的緯向平流、經向平流、垂直平流和綜合強迫的強迫作用相對較小。垂直氣壓梯度力與擾動干空氣浮力和水物質拖曳力的作用相反，垂直氣壓梯度力增強上升運動，而擾動干空氣浮力和水物質拖曳力增強下沉運動。在迎風坡和山頂低層垂直氣壓梯度力略強于擾動空氣浮力和水物質拖曳力，形成向上凈浮力，垂直運動發展。在背風坡，低層垂直氣壓梯度力較小，擾動干空氣浮力和水物質拖曳力較大，三者形成向下凈浮力，產生向下加速度，增強下沉運動。下面進一步從垂直動能角度分析垂直運動。

表1 中給出了降水初始時刻（16:30）到降水衰減時刻（20:30）這一時間段內近地面η=0.9177的模式第7 層垂直運動方程右端各項和垂直速度局地時間變化項在不同地形處的平均值。可以看出，垂直擾動氣壓梯度力和擾動干空氣浮力為作用相反的兩個主要強迫項，垂直速度的平流輸送和綜合強迫對垂直速度的貢獻相對較小，這與上述分析一致。

5 垂直動能收支分析

(w2/2)與垂直速度分布相對應，垂直動能 高值區出現在地形上空對流層中低層（圖7），迎風坡較弱，山頂（44.504°N，81.828°E）和背風坡（44.630°N，82.039°E）及其下游（82.039°～82.251°E）較強。

圖7 2018 年11 月30 日（a）16:30 時、（b）18:30 時的垂直動能（陰影，單位：m2 s-2）和垂直動能局地時間變化（黑色等值線，單位：10-4 m2 s-3）沿圖4 中紅線的垂直剖面Fig. 7 Vertical distributions of vertical kinetic energy (shadings, units: m2 s-2) and vertical kinetic energy local variation (black contours, units:10-4 m2 s-3) along the red line in Fig. 4 at (a)1630 UTC and (b)1830 UTC 30 November 2018

利用WRF 模式質量地形坐標系垂直動能方程來分析氣流過山時垂直動能的收支。方程（1）兩端分別乘以垂直速度w，可得到垂直動能方程：

該方程左端項為垂直動能局地時間變化項；右端依次為垂直動能的緯向、經向和垂直平流項，垂直擾動氣壓梯度力做功項、水物質拖曳力做功項、擾動干空氣浮力做功項以及綜合強迫做功項。其中擾動干空氣浮力做功項又可以寫為（詳見附錄）

上式右端第一項為擾動位勢垂直梯度項；第二項為密度擾動引起的浮力做功項，代表有效位能與垂直動能之間的轉化。

利用模式層數據計算方程（2）右端各項，分析氣流過山時垂直動能收支情況。如圖8a 所示，在背風坡的近地面層垂直動能局地時間變化項較強，而山頂中低層的垂直動能局地時間變化呈現增強與衰減間隔分布。垂直動能緯向平流在地形平緩處最小，在迎風坡開始增強，在山頂和背風坡中低層達到最強（圖8b）；經向平流和垂直平流與緯向平流量級相當，具有類似的特點（圖8c、d）。背風坡及其下游的垂直擾動氣壓梯度力做功項比平緩地形、迎風坡和山頂的都大；高值區位于中低層，并隨雪帶移動而逐漸增強；山頂和背風坡垂直擾動氣壓梯度力做功為負值，抑制垂直動能（圖8e）。水物質拖曳力做功項高值區位于低層，與云體的高度一致；在平緩地形、迎風坡和山頂均為負值，抑制垂直動能；但在背風坡為正高值，增強垂直動能，這主要與下坡大風有關（圖8f）。在平緩地形和迎風坡，擾動干空氣浮力做功項為負值，抑制垂直動能；但在背風坡處為正值，增強垂直動能（圖8g）。綜合強迫做功與水物質拖曳力做功量級相當，綜合強迫做功在平緩地形處明顯小于地形復雜處，背風坡低層主要表現為抑制垂直動能的增長（圖8h）。在背風坡強下沉運動區，垂直擾動氣壓梯度力做功項和綜合強迫做功削弱垂直動能，擾動干空氣浮力做功項和水物質拖曳力做功項增強垂直動能，這些強迫項的綜合作用是增強垂直動能。在背風坡下游強上升區，綜合強迫做功項較小，擾動垂直氣壓梯度力做功項為正高值，增強垂直動能，擾動干空氣浮力做功項和水物質拖曳力做功項的作用與之相反。

上述分析表明，垂直動能的變化主要由垂直擾動氣壓梯度力、水物質拖曳力、擾動干空氣浮力和綜合強迫做功項共同決定，其中垂直氣壓梯度力做功項和干空氣浮力做功項量級最大且相當，但是兩者在山頂和背風坡及其下游的作用相反。擾動干空氣浮力做功又可以分為擾動位勢高度垂直梯度項和浮力做功項。如圖9a、b 所示，兩者量級相當，擾動位勢高度梯度項在背風坡低層為負值，減弱垂直動能；而密度擾動浮力做功項為正值，代表有效位能向垂直動能轉化，增強垂直動能。

圖9 2018 年11 月30 日18:30（a）擾動位勢高度梯度力做功（黑色等值線，單位：10-2 m2 s-3）和（b）擾動浮力做功（黑色等值線，10-2 m2 s-3）沿圖4 中紅線的垂直剖面圖。陰影區代表垂直動能局地時間變化（單位：10-4 m2 s3）Fig. 9 Vertical cross sections of the work done by (a) perturbation geopotential height gradient force (black contours, units: 10-2 m2 s-3) and (b)perturbation buoyancy (black contours, units: 10-2 m2 s-3) along the red line in Fig. 4 at 1830 UTC 30 November 2018. The shadings denote vertical kinetic energy local variation (units: 10-4 m2 s-3)

由表1 中垂直動能方程各項在不同地形處的平均值可以看出，垂直動能的平流項較小，垂直動能的變化主要取決于擾動垂直氣壓梯度力、擾動干空氣浮力、水物質拖曳力和綜合強迫的做功項，背風坡處垂直擾動氣壓梯度力做功項的平均值為負值，傾向于削弱垂直動能，而擾動干空氣浮力和水物質拖曳力做功的平均值為正值，傾向于增強垂直動能。此外，背風坡處綜合強迫做功項為負高值，消耗垂直動能。這與上述分析一致。

表1 2018 年11 月30 日16:30～20:30 低層（ η=0.9177）垂直運動方程各項、垂直動能方程各項以及垂直運動方程各項偏差在不同類型地形處的時間平均值Table 1 Time average of each item in the vertical motion equation, each item in the vertical kinetic energy equation, and deviation of each item in the vertical motion equation at the lower layer ( η=0.9177) at different types of terrain during 1630-2030 UTC 30 November 2018

6 地形敏感性試驗

為了進一步檢驗地形效應，設計了一組改變天山地形高度的數值敏感性試驗，將天山山脈高于500 m 的地形高度統一降為500 m（馬玉芬等,2012b）。在此基礎上計算垂直運動方程（1）和垂直動能方程（2）中各項。圖10 為18:30 敏感性試驗的垂直運動方程各項垂直分布。對比圖6 可以發現，降低地形高度后，垂直速度的局地時間變化（圖10a）以及垂直速度的水平平流和垂直平流（圖10b、c 和d）顯著減小。由于地形高度降低，低層氣壓升高，垂直氣壓梯度力增大。氣壓升高導致氣柱質量變大，擾動干空氣浮力增大（圖10g）。同時，中低層水物質拖曳力對垂直運動的貢獻減弱，這主要是因為模擬的垂直累積水物質含量減小（圖10f）。近地面附近的綜合強迫也減弱（圖10h）。圖11 為18:30 敏感性試驗的垂直動能方程各項垂直分布。對比圖8 可以發現，與原始地形高度控制試驗相比，降低地形高度后，垂直動能的局地時間變化項的強度減小兩個量級（圖11a）。垂直動能的水平平流和垂直平流明顯減小，原始地形高度控制試驗中位于背風坡的垂直動能水平平流和垂直平流高值區也消失（圖11b、c 和d）。由于過山氣流減弱，垂直速度顯著減小，垂直擾動氣壓梯度力做功和擾動干空氣浮力做功也都相應地減小（圖11e、g）；模擬的垂直累積水物質含量和綜合強迫以及垂直速度的減小嚴重削弱水物質拖曳力和綜合強迫做功對垂直動能的貢獻（圖11f、h）。

圖8 2018 年11 月30 日18:30（a）方程（2）左端垂直動能局地時間變化項（陰影、黑色等值線，單位：10-4 m2 s-3）和方程（2）右端強迫項（b）緯向平流（黑色等值線，單位：10-3 m2 s-3）、（c）經向平流（黑色等值線，單位：10-3 m2 s-3）、（d）垂直平流（黑色等值線，單位：10-3 m2 s-3）、（e）垂直擾動氣壓梯度力做功（黑色等值線，單位：10-2 m2 s-3）、（f）水物質拖曳力做功（黑色等值線，單位：10-3 m2 s-3）、（g）擾動空氣浮力做功（黑色等值線，單位：10-2 m2 s-3）、（h）綜合強迫做功（黑色等值線，單位：10-3 m2 s-3）沿圖4 中紅線的垂直分布。陰影區代表垂直動能局地時間變化（單位：10-4 m2 s-3）Fig. 8 Vertical cross sections of (a) the vertical kinetic energy local variation term (shadings, black contours, units: 10-4 m2 s-2) at the left side of Equation (2) and the forcing terms (b) zonal advection (black contours, units: 10-3 m2 s-3), (c) meridional advection (black contours, units: 10-3 m2 s-3),(d) vertical advection (black contours, units: 10-3 m2 s-3), (e) vertical pressure gradient force (black contours, units: 10-2 m2 s-3), (f) water material drag force (black contours, units: 10-3 m2 s-3), (g) perturbation dry air mass buoyancy (black contours, units: 10-2 m2 s-3), and (h) comprehensive force(black contours, units: 10-3 m2 s-3) at the right side of Equation (2) along the red line in Fig. 4 at 1830 UTC 30 November 2018. The shadings denote vertical kinetic energy local variation (units: 10-4 m s-2)

圖11 2018 年11 月30 日18:30 時地形敏感性試驗的（a）方程（2）左端垂直動能局地時間變化項（陰影、黑色等值線，單位：10-4 m2 s-3）和方程（2）右端強迫項（b）緯向平流（黑色等值線，單位：10-3 m2 s-3）、（c）經向平流（黑色等值線，單位：10-3 m2 s-3）、（d）垂直平流（黑色等值線，單位：10-3 m2 s-3）、（e）垂直擾動氣壓梯度力做功（黑色等值線，單位：10-2 m2 s-3）、（f）水物質拖曳力做功（黑色等值線，單位：10-3 m2 s-3）、（g）擾動空氣浮力做功（黑色等值線，單位：10-2 m2 s-3）、（h）綜合強迫做功（黑色等值線，單位：10-3 m2 s-3）沿圖4 中紅線的垂直分布。陰影區代表垂直動能局地時間變化（單位：10-4 m2 s-3）Fig. 11 Vertical cross sections of (a) the vertical kinetic energy local variation term (shadings, black contours, units: 10-4 m2 s-2) at the left side of Equation (2) and the forcing terms (b) zonal advection (black contours, units: 10-3 m2 s-3), (c) meridional advection (black contours, units: 10-3 m2 s-3),(d) vertical advection (black contours, units: 10-3 m2 s-3), (e) vertical pressure gradient force (black contours, units: 10-2 m2 s-3), (f) water material drag force (black contours, units: 10-3 m2 s-3), (g) perturbation dry air mass buoyancy (black contours, units: 10-2 m2 s-3), and (h) comprehensive force(black contours, units: 10-3 m2 s-3) at the right side of Equation (2) of topographic sensitive experiment along the red line in Fig. 4 at 1830 UTC 30 November 2018. The shadings denote vertical kinetic energy local variation (units: 10-4 m s-2)

表1 包括控制試驗與敏感性試驗垂直運動方程各項偏差。由于敏感試驗的垂直速度平流相對較小，因此垂直速度平流的偏差與控制試驗的垂直速度平流數值相近；平緩地形處的垂直速度水平平流偏差增強上升運動，垂直平流偏差抑制上升運動，迎風坡處的垂直和水平平流均抑制上升運動，山頂處的垂直速度緯向平流和垂直平流偏差增強下沉運動，經向平流偏差抑制下沉運動，背風坡處情況相反，緯向平流和垂直平流偏差抑制下沉運動，經向平流偏差增強下沉運動。垂直氣壓梯度力偏差在不同地形處均為負值，這是因為地形降低后氣壓更高，垂直氣壓梯度力更強，氣柱質量更大，以至于擾動空氣浮力偏差均為正值。由于原始地形高度模擬的綜合強迫項大于降低地形試驗，因此綜合強迫偏差均為正數；改變地形后垂直累積水物質含量減小，以至于水物質拖曳力偏差均為負值。

綜上所述，天山的復雜地形效應是本次降雪過程中垂直運動的主要影響因素。

基于上述分析，歸納總結本次降雪天氣過程垂直運動發展變化的概念模型。如圖12 所示，背風坡存在強烈下坡大風，切斷了云體向背風坡下游傳播，因此降雪主要出現在迎風坡和山頂。迎風坡上垂直氣壓梯度力和干空氣浮力大于山頂和背風坡，迎風坡上垂直氣壓梯度力、干空氣質浮力和水物質拖曳力的合力為正值，促進上升運動。山頂處三個力都較小，垂直運動較弱。在背風坡，擾動干空氣浮力大于垂直氣壓梯度力，三者合力為負值，促進下沉運動發展。

圖12 2018 年11 月30 日16:00 至12 月1 日06:00 伊犁河谷和天山北坡降雪天氣過程的概念模型。紅色箭頭表示氣流爬升，藍色箭頭表示氣流下沉，白色箭頭表示氣流水平運動；P 表示擾動垂直氣壓梯度力，G 表示擾動干空氣浮力，Q 表示水物質拖曳力；黑色箭頭方向表示力的方向，箭頭長度表示力的相對大小；綠色箭頭方向表征垂直運動方向，長度表征垂直運動的相對大小；藍色曲線表征云體Fig. 12 Conceptual model of the snowy weather process in the Ili River valley and the northern slope of the Tianshan mountains from 1600 UTC 30 November to 0600 UTC 1 December 2018. The red arrows denote the climbing airflow, the blue arrows denote the sinking airflow, the white arrows denote the horizontal movement of the airflow. P denotes the perturbation vertical pressure gradient force, G denotes the perturbation dry air mass buoyancy, Q denotes the water material drag force. The black arrows denote the direction of the force, with its length denoting the relative magnitude of the force. The green arrows denote the direction of vertical movement, with its length denoting the relative magnitude of the vertical movement. The thin blue curve denotes the cloud

7 結論

針對2018 年11 月30 日新疆暴雪過程，通過數值模擬和垂直運動方程以及垂直動能方程計算分析，研究復雜地形下垂直運動和垂直動能的變化機制。此次降雪過程發生在有利的大尺度環流背景下，高空急流、中層槽前正渦度平流、低層冷鋒和近地面水汽輻合為此次降雪提供有利的熱、動力和水汽條件。利用WRF 模式對此次過程進行高分辨率數值模擬，較好地模擬再現此次降雪過程發展演變。在此基礎上，對垂直速度和垂直動能進行收支分析。

本次降雪過程中存在鋒面，鋒后冷空氣引起地面氣壓升高，擾動氣壓增大，進而導致干空氣氣柱質量增加，造成正的干空氣質量擾動。在伊犁河谷地區，西南氣流在山頂和背風坡明顯增強，到背風坡下游后風速迅速減小；偏南和偏北氣流在背風坡后側形成輻合。天山北坡的迎風坡上升運動較弱，背風坡下沉運動較強。此外，云體和降雪區主要位于地形迎風坡和山頂，未出現在背風坡，這主要與過山氣流在背風坡引起較強下沉運動有關，強烈的下坡大風阻斷云體向背風坡及其下游傳播。此次降雪過程中冷鋒過境引起的氣壓擾動和干空氣質量擾動以及氣流過山導致氣流抬升和局地輻合都會引起垂直運動的發展演變。

基于WRF 模式質量地形追隨坐標系濕大氣方程組，推導得到垂直運動方程和垂直動能方程，并診斷分析氣流過山時垂直速度和垂直動能的收支。結果表明，垂直速度局地時間變化取決于垂直氣壓梯度力、水物質拖曳力和干空氣質量浮力，垂直動能局地時間變化取決于垂直氣壓梯度力、水物質拖曳力、干空氣質量浮力和綜合強迫做功。垂直氣壓梯度力增強上升運動，而水物質拖曳力和干空氣質量浮力作用相反，即增強下沉運動。迎風坡垂直氣壓梯度力較大，干空氣質量浮力較小，因此表現為促進上升運動；背風坡相反，垂直氣壓梯度力和擾動空氣質量浮力形成向下凈浮力，產生下沉加速度，使背風坡低層出現較強的下沉大風。背風坡垂直氣壓梯度力做功為負值，抑制垂直動能；干空氣質量浮力做功為正值，增強垂直動能。水物質拖曳力做功主要在低層，在平緩地形、迎風坡和山頂處水物質拖曳力做功都為負值，減小垂直動能，但在背風坡處做功為正值，增強垂直動能。綜合強迫做功項與水物質拖曳力做功項量級相當，在復雜地形處較強，背風坡處做功為負高值，抑制垂直動能。

附錄A