陶俞锋

(中国民用航空宁波空中交通管理站，浙江 宁波 315000)

浙北地区一次飑线天气的数值模拟分析

陶俞锋

(中国民用航空宁波空中交通管理站，浙江 宁波 315000)

利用NCEP1°×1°的再分析资料对2014年3月29日发生在浙北地区的一次飑线天气过程进行诊断分析，并用中尺度数值模式WRF3.2.1对该过程进行数值模拟。结果表明,高空槽、低层冷涡和地面气旋为这次飑线天气的主要影响系统；K指数和θse等值线反映了浙北地区大气层结的不稳定性。此外，WRF模式基本上能模拟出本次飑线过程的中β尺度结构特征。数值模拟结果显示，低层正涡度，高层负涡度的配置有利于强对流的产生和发展；850 hPa的流场特征能够很好地分析出飑线系统经历发生、发展到消亡的演变过程。

飑线；中β尺度；WRF模式

0 引 言

飑线是一种中小尺度天气系统，是在有利的条件下发展起来的雷暴云，由许多个雷暴单体(其中包括若干超级单体)侧向排列而形成的强对流云带[1]，一般长约几十至几百千米，宽约几十至二百千米，时间可持续几小时至十几小时。沿着飑线可出现雷暴、暴雨、大风、冰雹和龙卷等剧烈的天气现象，是一种很具有破坏力的严重灾害性天气。

近年来，随着计算机技术的飞速发展，数值模拟试验已成为研究飑线的重要手段。国外已广泛地开展了飑线的数值模拟试验，取得了一定的科研成果[2-3]，国内在这方面也做了一些有益的研究[4-6]。由于飑线是中β尺度强对流天气系统，形成、发展非常迅速，在时空上难以为常规气象观测网所识别，受高时空分辨率观测资料的制约，目前国内飑线数值模拟试验工作尚不多见。本文采用高分辨率中尺度模式WRF3.2.1对2014年3月29日浙北地区一次飑线过程进行数值模拟，并利用模拟结果对飑线过程进行诊断分析，探讨其触发和维持的机制。

1 天气概况及环流背景

2014年3月29日，受高空槽东移，低层和地面低涡南压影响，下午14时(北京时，下同)至晚上19时一次飑线天气自西北向东南影响浙江北部地区，飑线的移动速度较快，所经过的地方均出现了不同程度的强对流天气。从宁波机场自观系统(AWOS)上气象要素显示可见，气压16—17时踊升，升幅达3 hPa；气温16—17时骤降5℃；风向风速变化也很剧烈，风向由之前的VRB(风向不定)转为西北风，风速急增，平均风由2 m/s变为13 m/s，且阵风为22 m/s。此次飑线过程，在雷达回波图上呈明显的弓状形态，总长度超过300 km，并伴随雷暴和冰雹等剧烈天气现象。

这次飑线过程发生的大尺度环流背景是，从3月29日08时的图来看，500 hPa上(图1a)整个大气环流呈一槽一脊型，其中在华东地区的高空槽比较深，以径向环流为主，V风分量偏大，西北气流强盛，风速大于20 m/s，同时从温度场上看，温度槽是落后于高度槽；700 hPa上南支西风槽加强东移；850 hPa形势场上(图1b)，江浙皖一带为闭合的低压中心，且在其后部有分散的暖中心与之配合，形成一个热低压，温度垂直分布上有不稳定层结。另外，在近地层江浙地区有明显的气旋辐合，导致强烈的抬升运动并触发不稳定能量释放，从而产生强对流性天气。

(实线为等高线，单位：dagpm；虚线为等温线，单位：℃；棕色线为500 hPa槽线)图1 2014年3月29日08时500 hPa(a)、850 hPa(b)高度场和温度场

2 对流条件分析

2.1 水汽条件

分析3月29日08时950 hPa上的比湿(图2a)可知，飑线天气发生前，在浙江中部和福建北部分别有中心值为10 g·kg-1和12 g·kg-1的高比湿中心，远远高于同纬度的其他地区。在安徽中部和江苏南部一带，比湿等值线分布相对比较密集，也即湿度梯度大的地方，被称作“干线”。在干线附近有明显的风场辐合，极易形成中小尺度垂直环流，地面干线附近是雷暴和飑线的高发区。另外，从850 hPa风场矢量及水汽通量图上(图2b)可以看到，水汽通量的大值中心区基本分布在沿海洋面上，呈西南—东北分布，与风场走向基本一致。同时在浙北地区水汽通量场分布相对密集，表明受北方冷空气影响，西南暖湿气流在该地区逐渐累积，形成深厚的高湿气层，为强对流的发展创造了水汽条件。

2.2K指数及假相当位温

中尺度对流系统发生的必要条件是大气层结的不稳定。K指数是综合了垂直温度梯度、低层水汽含量和湿层厚度的一个物理量。利用3月29日08—14时K指数场和假相当位温场资料，对这次飑线天气的大气层结稳定度和大气不稳定能量进行分析。从图3a中可以看出，08时在江浙皖交界处出现一K值大于36℃的闭合高中心，说明已具备发生对流性天气的不稳定层结；到了14时(图略)，随高空引导气流作用下，此高中心值已位于浙北地区，而江浙皖一带的K值小于25 ℃，层结趋于稳定。分析沿121.5°E的假相当位温(θse)场垂直剖面可知，29日14时(图3b)，在28°N～32°N之间θse最低值为324 K以下，出现在500 hPa附近，500 hPa层以上θse增大，层结稳定，500 hPa层以下θse也增大，到近地面层θse基本在334 K左右，表明大气处于上干冷、下暖湿的对流不稳定层结状态。同时可以看出在30°N～32°N附近θse线有倾斜现象，特别是在低层θse线基本与等压面垂直，对流不稳定度呈中性，说明对流层低层的对流稳定度很小，由湿斜压涡度发展理论[7]，当具有较高湿位涡值得冷空气向下入侵时，极易造成暴雨天气。

图3 2014年3月29日08时K指数图(a)(单位：℃)和14时沿121.5°E的假相当位温(θse)垂直剖面图(b)(单位：K)

3 WRF模式数值模拟分析

3.1 资料及试验方案

文中采用中尺度数值模式WRF3.2.1，对2014年3月29日浙北地区强飑线过程进行了数值模拟。模式使用NCEP提供的水平分辨率为1°×1°的再分析资料作为初始场。在模式中采用了双重嵌套方案，模拟区域的中心位置为(30°N，121.5°E)，粗网格格点数为100×90，格距27 km，细网格格点数为91×91，格距为9 km。垂直方向为30个σ层，积分时间由2014年3月29日08时到30日02时，时间步长为180 s，每1 h输出一次模拟结果。

WRF模式所选用的物理过程参数为：LIN云微物理过程方案；RRTM长波辐射方案，Dudhia短波辐射方案，每10 min调用一次辐射过程；积云对流采用Kain-Fritsch方案，每5 min调用一次。

3.2 涡度和散度模拟分析

这次强飑线过程发生在非常有利的天气形势背景下，从地面到中高层500 hPa的形势配置都有利于强对流的发生发展。3月29日08时，地面低涡南压至江浙皖一带，开始影响浙江北部地区。由于低涡的抬升作用明显，低层为辐合上升运动，而高层则存在明显的辐散区。图4分别给出了29日16时沿121.5°E的涡度和散度垂直剖面模拟图，由图4(a)可知，在31°N附近从近地面一直延伸到700 hPa均为正涡度密集区，其中大值中心位于850 hPa，中心值为24×10-5s-1，表明该地区辐合上升运动明显；700～400 hPa之间为负涡度区，中心值为-18×10-5s-1，位于550 hPa层上，说明高层存在明显的辐散运动。

从同期的散度模拟场看，在31°N附近中低层同样存在强辐合，高层为辐散，但与涡度场特征不同的是，散度的辐合区最高的高度达到500 hPa左右，极值中心位于700 hPa附近，范围明显大于辐散区。这种低层正涡度，高层负涡度的配置有利于维持较强的上升运动，对强对流的产生和发展有着重要的作用。

3.3 垂直速度场模拟分析

由于垂直速度的分布特征表明了飑线的结构特征，在模拟29日08时850 hPa上垂直速度场时(图略)，结果显示，在苏皖交界处存在一条孤形垂直速度密集带，这是飑线前沿的强对流带。此后，该强对流带不断向东南移动和发展，中心强度增强，到16时(图5)，最大垂直上升速度为0.4 m/s，并由原先的一个中心位置分裂成若干个，表明在飑线发展过程中不断有新的云体生成。孤形强对流带与飑线发生区域相比，两者均呈东北—西南走向，但强中心位置模拟略偏西南，总体来说，模拟效果较好。随飑线的消亡，强对流带也基本消失。

图4 2014年3月29日16时沿121.5°E的涡度(a)和散度模拟(b)(单位：10-5s-1)

图5 2014年3月29日16时850 hPa垂直速度模拟(单位：m/s)

3.4 飑线的发展过程分析

对比各个时刻的低层850 hPa流线分布特征，发现强对流带与低层气流汇合线或切变线有很好的对应关系。从图中可以看出，模式时间在08时(图6a)江浙皖交界处有一闭合流场，西北高压有一定的加强，与海上高压之间的流场线曲率有一定的增大，表明辐合加强，切变线加深，为飑线的触发形成做前期准备。与图6a相比，图6b中西北高压开始南下，两高之间的流场曲率再次增大，辐合进一步加强，此时浙北地区存在与飑线强对流对应的东北—西南走向的气流汇合线，汇合线的北侧为偏北气流，南侧为西南气流。图6c与图6b相比，流场汇合线略有向南扩散，该时间段正是强飑线对流天气影响浙北地区，另外，南海低压开始东伸，西南气流加强。图6d中，由于受西北高压南压和西南气流共同影响，海上高压逐渐东退，两高之间的流场线曲率开始减小，由此可见，此时的飑线正处于消亡阶段。

以上模拟结果表明，WRF模式能够较好地模拟出飑线系统中β尺度850 hPa的流场特征，并由850 hPa的流场特征能够较好地分析出飑线系统所经历发生、发展和消亡的演变过程。

4 结 语

利用WRF模式对2014年3月29日发生在浙北地区一次飑线过程进行数值模拟，结果显示，WRF模式对此次过程发生发展机制具有较好的模拟能力。

1)这次飑线过程是在比较有利的天气背景下发生的，高空槽、低层冷涡和地面气旋为主要的影响系统。干冷空气从中高层的入侵加深了浙北地区的不稳定，形成下湿上干的层结，导致强对流产生和发展。

图6 2014年3月29日850hPa流场模拟08时(a)；14时(b)；16时(c)；18时(d)

2)水汽输送是通过高空3层的西南暖湿气流来实现的，受干冷空气影响，暖湿气流在浙北地区累积；同时，K指数和θse等值线反映了大气层结的不稳定性，容易产生中尺度对流系统。

3)高分辨率中尺度数值模式WRF基本上能模拟出本次飑线过程的中β尺度结构特征。数值模拟结果显示，这种低层正涡度，高层负涡度的配置有利于上升运动，对强对流的产生和发展有着重要的作用。

4)强对流带与低层的流场有较好的对应关系，其中850 hPa的流场特征能够很好地分析出飑线系统经历发生、发展到消亡的演变过程。

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2014-10-25