一次积层混合云降水不同尺度结构的数值模拟

张微,周毓荃

(1.南京信息工程大学,江苏 南京 210044;2.中国气象科学研究院,北京 100081)

一次积层混合云降水不同尺度结构的数值模拟

张微1,周毓荃2

(1.南京信息工程大学,江苏 南京 210044;2.中国气象科学研究院,北京 100081)

利用中尺度数值模式WRF-ARW(V3.2)对2009年4月18—19日发生在张家口地区的一次积层混合云降水进行了模拟,并结合观测资料从不同尺度对这次降水过程进行了对比分析。结果表明:700 hPa西风槽、850 hPa低涡是影响这次降水的主要天气系统,来自南方的暖湿空气和西北内蒙古低涡带来的水汽是这次降水的主要水汽来源,两股水汽在张家口附近低层出现了大尺度辐合,有利于该地区云系的发展、降水的形成;降水云系呈东北—西南向带状分布,带长约1 000 km,带宽300 km,在大片的云带中分布着很多个小的高值中心,中心区域一般在几十千米;结合雷达回波可以看到在均匀的回波层中镶嵌着柱状对流回波,具有典型的积层混合云降水回波特征;沿着雷达回波做剖面,发现云中云水含量分布无论是水平方向还是垂直方向都是不均匀的,雨水的大值中心与上层的霰、雪的大值中心相对应,中心水平范围在10～20 km。

WRF模式;积层混合云;不同尺度结构;数值模拟

0 引言

我国全境年平均降水量约为630 mm,人均水资源占有量不到世界平均水平的四分之一,是世界上13个贫水国家之一。其中华北、西北部分地区降水量偏少,分布很不均匀。积层混合云是一种重要的降水云型,在梅雨锋、冷锋、地形云降水等多种天气过程中都会出现(许梓秀和王鹏云,1989;Fabry et al.,1993;刘黎平等,2004;Anagnostou,2004;宫福久等,2005;Fuhrer and Schaer,2005)。很多大范围的降水都是由较为深厚的层状云和嵌入其中的对流云组成的混合云产生的。因此,研究积层混合云自然降水过程的宏、微观特征,对进一步开发利用空中云水资源,提高人工增雨作业的科学水平都有重要意义。

数值模拟是研究云降水系统的重要手段。20世纪80年代后中尺度数值模式得到很大发展,国内外许多学者采用数值模式对积层混合云降水进行研究。Yuter et al.(2005)利用卫星资料等多种资料,结合数值模拟结果,分析了热带大洋上的积层混合云系中的层状云区与对流云区的热力、动力结构;结果表明,热带洋面上的积层混合云中,对流泡附近高层辐散、低层辐合。Orville et al.(1987)利用数值模式,模拟了稳定层状云中催化产生嵌入对流的可能性。Fuhrer and Schaer(2002)在观测的基础上,利用云数值模式,模拟了从均匀的层云降水发展至嵌有对流单体的层云降水的转变过程,结果表明,由于对流云的动力作用,雨强、降水量明显增加,在均匀上升气流的条件下,嵌入的对流泡表现为多单体形式。洪延超(1996a,1996b)用积云对流速度场叠加辐合场的方法,建立了一个二维平面对称积层混合云数值模式,用于模拟研究层状云和嵌入其内的对流云组成的混合云,并用该模式及暴雨云的平均大气层结模拟研究了暴雨积层混合云的演变过程、两种云的相互作用、云体结构及降水特征,分析了暴雨产生的物理原因。王维佳和陶遐龄(2006,2007)建立了一维半地形积层混合云模式,用于对积层混合云降水过程的研究。邹倩等(2008)对三维非静力中尺度模式ARPS的云微物理方案进行了改进,利用改进后的模式模拟了华北地区一次积层混合云降水个例,通过对模拟结果的分析并结合实况资料研究了积层混合云的降水特征、云物理结构特征和微物理过程。于翡和姚展予(2009)利用WRF-ARW中尺度数值模式对发生在华北地区一次积层混合云降水过程进行实例模拟,并结合实测资料,从动力学、热力学和云微物理的角度研究积层混合云的发展机制。

本文利用中尺度数值模式WRF的较新版本WRF-ARW(V3.2),对2009年4月18—19日发生在张家口地区的一次积层混合云降水个例进行实例模拟,并结合观测资料,从天气系统、中尺度云雨带、云中微物理量等不同尺度分析了该次降水过程,有利于加深对积层混合云降水的认识,对播云催化位置选取、人工增雨作业具有一定的指导意义。

1 资料与模拟方案介绍

观测资料主要有:地面雨量资料(1、6、24 h);FY-2C卫星的观测资料及其反演的产品;张家口站多普勒雷达(CB)的观测资料;飞机观测资料。模式的初始场采用2009年4月17—19日的NCEP再分析资料(FNL from GFS),空间分辨率为1°×1°,时间分辨率为6 h。

图1 模拟区域Fig.1 Simulation domains

本文使用WRF的较新版本WRF-ARW(V3.2)进行模拟。模式采用三重双向嵌套方案(图1),分辨率分别为27、9、3 km,分别用于天气系统、局地中尺度系统和对流系统的研究;网格中心位于张家口市(115°E,41°N),垂直方向采用σ坐标,共分27层。对于可分辨尺度降水,云微物理过程均采用Morrison双参数方案,该方案包含6种水成物(雨水、云水、冰晶、霰(雹)、水汽、雪)以及多种液态、固态和混合态过程,是WRF中较为复杂的云微物理过程方案,可以很好地反映云、雨过程。对于不可分辨尺度降水,粗、中网格采用Grell-Devenyi积云对流参数化集合方案,细网格已能分辨一般的对流降水,故本文没有采用积云参数化方案。边界物理过程参数化使用了Yonsei University(YSU)方案。

模拟时段为2009年4月17日20时—19日20时(北京时间),共48 h。粗网格与中网格每小时输出一次结果,细网格每半小时输出一次,以此来研究这次降水过程中云的结构及其发展过程。

图2 NCEP(a,c,e)和模拟(b,d,f)的2009年4月18日08时500 hPa(a,b)、700 hPa(c,d)、850 hPa(e,f)位势高度(单位:gpm)Fig.2 (a,c,e)NCEP and (b,d,f)simulated geopotential height at (a,b)500 hPa,(c,d)700 hPa,and (e,f)850 hPa at 08:00 BST 18 April 2009(units:gpm)

2 天气形势对比分析

2.1 天气形势变化情况

图2为2009年4月18日08时NCEP和模拟的高度场。可以看到,模式较好模拟了500 hPa高度上河北南部至河南东部一带西北走向的槽,及700 hPa高度上内蒙西部的横槽和内蒙中部到山西一带的竖槽。由于地形原因,850 hPa(约1 500 m)部分地区出现了断续,可以看到,模式较好模拟了800 hPa低压中心数值及分布,中心值均为1 400 gpm,低压中心分布在111°E、43°N附近。总的来说,模式模拟的位势高度场与NCEP基本一致,模拟效果较好。

对比分析2009年4月18日02时—19日08时各高度场的变化可知,模式对高度场演变的模拟较好,模拟结果与NCEP基本一致,可以很好地反映这次降水过程中天气系统的演变情况。分析各高度场的变化(图略)可知:在这次过程中,500 hPa上张家口附近较平滑,没有明显的天气形势变化;700 hPa上有西风槽经过张家口地区,18日02时槽线位于内蒙古—陕西境内,呈南北向,02—14时槽线东移,14时槽线移至河北正前方,并与蒙古地区下来的低压结合,槽线加深,此时张家口正处于槽前,14—20时槽线继续东移并转向成东北—西南走向,20时槽线位于张家口境内,20时后槽线继续东移并减弱,次日08时槽线移出张家口地区;850 hPa上18日02时蒙古地区有一低涡,02—14时低涡东移,14时低涡移到内蒙古—河北地区,14—20时低涡向东偏南移动,影响张家口地区,20时后低涡消散。

结合18日08时至19日08时张家口地区的小时加密雨量分布来看,从18日09时起张家口北部地区开始出现零星小雨,16时雨量开始逐渐增大并持续向南移动,18日18时至19日02时降雨量最大,19日03时雨量开始逐渐减小并渐止。由此可知,700 hPa西风槽、850 hPa低涡是影响这次张家口地区降水的主要天气系统。

2.2 水汽场分析

为了对此次过程的水汽条件进行分析,模式模拟了18日08时—19日08时800 hPa水汽通量和风场(图略)。通过对比可知,模拟的水汽通量大小、分布及演变与NCEP基本一致,模拟的风场与NCEP也基本一致,模拟效果较好。

分析18日08时—19日08时水汽通量变化可知,张家口地区的水汽输送主要有两个:一个是来自于南方的暖湿空气,在南风急流的作用下随着时间推移源源不断地向北输送;另一个水汽输送是来自于西北蒙古地区,08—14时水汽随着气旋环流向东移动,14—20时向南移动,14—16时到达张家口地区,受这两股水汽输送的影响,从16时起张家口地区地面降水明显增加。配合800 hPa的高度场可知,14—20时张家口地区有一个低压中心,即在该时段内,张家口地区低层出现了大尺度辐合,有利于云系发展和降水形成。

针对14—20时张家口地区水汽辐合辐散情况做进一步分析。图3为18日16—20时各层水汽通量散度分布。可见,在800 hPa上,18日16时张家口附近已形成一条明显的水汽辐合带,辐合带呈东北—西南走向的带状分布,与卫星观测云带位置对应较好,辐合带长约700～800 km,宽约200～300 km,且随时间向东向张家口地区移动,20时开始减弱,并随时间逐渐缩小、消散。在800 hPa的水汽辐合带位置,500 hPa上对应为辐散,辐散区域也呈东北—西南走向的带状分布。通过分析各层水汽通量散度可知,14—22时张家口附近地区出现了低层水汽辐合、高层水汽辐散的配置,有利于水汽的垂直输送、云系的发展,进而产生降水。

3 中尺度云、降水场对比分析

3.1 云场对比分析

把模式输出的水成物(云水比含量、冰晶比含量)进行垂直积分得到云带的分布,与FY-2C数据反演的光学厚度进行对比。由于FY-2C的反演受可见光通道限制,反演的产品只有在正午前后效果最佳,因此选取离降水时段较近且光学厚度较好的时刻进行比对。图4是18日14时FY-2C反演光学厚度和模拟云带的对比(其中模拟云带采用了模式输出的第二层数据,分辨率为9 km)。比较发现,FY-2C数据反演出的光学厚度与模拟云带的相关性较好,尤其是大值区的分布对应较好。对比多个时次的结果可看到,模式模拟的云带可以较好地反映此次过程中云带的移动、变化,模式对中尺度系统的模拟效果较好。

分析云带变化情况(图略)可知:10时内蒙古中东部与河北北部的光学厚度较厚,且分布着几个高值中心,中心值为30～36 m,山西南部和河南大部的光学厚度也较厚,最大值超过36 m;同时,在模拟云带上,内蒙古中东部及河北北部的水成物较丰富,且水成物总体分布不均匀,存在多个小的高值中心。14时云带发展、东移,此时云带呈东北—西南向带状分布于河北北面,带长约1 000 km,带宽约300 km,在大片的云带中分布着很多个小的高值中心,中心区域一般为几十千米,中心数值为3.0～4.0 g/m2。14—17时云带向东南方向移动,17时移至河北西北部,且覆盖了张家口部分地区;17—22时云带继续东移、发展,22时几乎覆盖了整个张家口地区,17—22时云带中仍分布着很多小的高值中心,22时至次日04时云带继续东移,19日04时云带高值中心移出张家口地区,08时云带移出张家口地区,张家口上空几乎无云带覆盖。

图3 模拟的2009年4月18日16—20时800 hPa(a,c,e)与500 hPa(b,d,f)水汽通量散度分布(单位:g/(s·cm2·hPa)) a,b.16时;c,d.18时;e,f.20时Fig.3 Simulated (a,c,e)800 hPa and (b,d,f)500 hPa moisture flux divergence from 16:00 BST to 20:00 BST 18 April 2009(units:g/(s·cm2·hPa)) a,b.16:00 BST;c,d.18:00 BST;e,f.20:00 BST

图4 2009年4月18日14时FY-2C反演光学厚度(a;单位:m)和模拟云带(b;单位:g/m2)Fig.4 (a)Optical thickness(units:m) retrieved from FY-2C and (b)simulated cloud band(units:g/m2) at 14:00 BST 18 April 2009

3.2 地面降水对比分析

图5为观测与模拟的24 h降水量分布(其中图5b为模式第二层的输出结果)。通过对比可知:模拟的24 h降水量分布与观测结果基本一致,尤其是5 mm以上的降水分布位置、走向与观测结果非常接近;降水中心的分布及强度的模拟效果也较好;从雨带的分布与强降水落区来看,模式具有较好的模拟能力。

分析各时段降水分布(图略)可知:18日08—14时6 h降水呈东北—西南向,带状分布在河北西北地区,且在较大的雨带中分布着三个小的高值中心,中心降水量为5～10 mm,张家口地区降水量较小。14—20时降水量增大,几乎覆盖整个河北地区,且降水量中心扩大南移,模式模拟的降水较连续,此时几个中心区连成一片,形成带状。18日20时—19日08时整个华北地区普遍降水,降水高值分布在河南南部地区,张家口地区降水量较14—20时有所减少,其降水中心也移至张家口南部。对比6、12、24 h降水量可知,张家口地区降水的模拟值比实测值大,且在较大的雨带中分布着若干个小的高值中心,中心区域水平范围在几十千米,中心降水量一般是大范围降水量的3～5倍,降水总体分布不均匀。

图5 观测(a)和模拟(b)的2009年4月18日08时—19日08时24 h降水量分布(单位:mm)Fig.5 (a)Observed and (b)simulated 24 h rainfall distributions from 08:00 BST 18 to 08:00 BST 19 April 2009(units:mm)

图6 观测(a)和模拟(b)的2009年4月18日17时雷达回波反射率(单位:dBz)Fig.6 (a)Observed and (b)simulated radar echo reflectivity at 17:00 BST 18April 2009(units:dBz)

3.3 雷达回波对比分析

图6为观测和模拟的18日17时雷达回波反射率。图6a是张家口站多普勒雷达(CB)的雷达组合反射率因子图,可以看到雷达回波整体边缘呈支离破碎状,强度小于35 dBz的为层状云降水回波,在较均匀的层状云回波中镶嵌着几个柱状对流回波(已标出),回波值超过50 dBz,具有典型的积层混合云降水回波特征。图6b为由模式输出的第三层数据绘制的雷达回波反射率图,分辨率为3 km,用以研究小尺度系统。为了更直观地与观测结果进行对比,根据张家口站中心位置及雷达覆盖范围,在图6b中选取大致相同的区域(红色虚线内)。

通过比较可知,模拟与实测的雷达回波反射率分布位置、形状及最大值较一致,都是在较均匀的回波层中镶嵌着几个柱状的对流回波。对流回波的位置在图6中已标出,模拟位置与实测位置稍偏一点;对流回波呈柱状分布,水平范围一般在10～20 km;回波中心值超过50 dBz。总体而言,模式对小尺度系统的模拟效果较好。

4 小尺度微物理分析

4.1 云中水成物分布特征

图7是模拟的18日17时雷达回波图及沿剖线AB的各物理量的剖面图。图7a给出了模拟的雷达回波平面图及剖线AB的位置,方向是由A指向B,且穿过两个对流云区。图7b是沿直线AB的雷达回波剖面图,可以看到沿着剖线的对流回波较强,最大值超过50 dBz,回波顶高在11 km左右。图7c是云水的垂直分布,可以看到无论是沿着水平方向还是垂直方向都有多个含水量高值中心,中心区域在10 km左右,最大值达到0.5 g/kg,云水含量总体分布不均匀;同时可以看到云水的大值中心分布在零度层以上,即云中存在较丰沛的过冷云水。图7d是冰晶的垂直分布,可以看到冰晶水平分布范围较广,存在多个高值中心,最大值达到0.1 g/kg,垂直分布较窄,主要位于400～200 hPa。图7e—g分别是霰、雪和雨水的垂直分布,可以看到霰、雪和下层的雨水分布是相对应的,霰、雪的大值中心对应着下层雨水的大值中心,水平分布上都存在两个高值中心,水平范围为10～20 km,其位置与图7b中雷达回波相对应,可见霰、雪和雨水是主要的降水粒子,是形成雷达回波的主要影响因子。图7h是总水凝物含量剖面图,可以看到沿直线AB上总的水凝物分布很广,水平方向存在两个大值中心,最大值为5.0 g/kg。

4.2 积层混合云降水讨论

为了进一步研究这次降水过程,沿着云带移动方向做剖面分析。图8是沿云带移动方向做的一组剖面图。图8a给出了模拟的雷达回波平面图及剖线的位置,剖线平行于云带的移动方向;选取剖线穿过的一个对流云区(图中虚线所示),可以看到该对流回波呈椭圆状,水平尺度为10～20 km,内嵌在大片的层状云回波中。图8b是沿着剖线的垂直速度分布,相应的对流云区在图中用虚线标示,可以看到17时在对流云区内以上升气流为主,最大上升速度超过2.5 m/s,但在对流云区的前上部和后下方存在与上升速度同量级的下沉气流,表明此时的对流云正处于成熟阶段。图8c是沿着剖线的云水、冰晶数浓度分布,可以看到云系前部上层存在大量的冰晶,但没有云水,推测云系前部主要由高卷云、高层云组成,随着经纬度变化云系开始出现云水、霰和雪,云系开始出现层云,继续西移后云中开始出现大量的霰、雪和雨水,此时以积雨云、高积云为主,在云系后部又出现大量冰晶但没有云水,也是以卷云为主。图8d是沿剖线的霰、雪和雨水的分布。

结合图8b、c、d可以看到,在对流云区(虚线)内,霰、雪比含量很大,并与下层的雨水分布相对应,而云水比含量并不大,尤其是在霰、雪比含量的大值区几乎没有云水,存在较典型的冷云降水机制;霰、雪比含量大值区的上升速度较强,最大值超过2.5 m/s,霰、雪在上升过程中不断消耗过冷云水,生成较大的降水粒子,大降水粒子下落,落到零度层以下融化成雨水,雨水降落至地面形成降水,因此在对流云区的后部零度层以下由于降水粒子的拖曳出现了下沉气流。结合图8c、d可知,在层状云区内,选定区域(点线内)的下层有雨水分布,而与之对应的上层却没有霰、雪存在,只有一些过冷云水分布,该区域的雨水主要是由过冷云水直接转化而成的,存在着暖云降水过程。

综合所述,此次降水过程中的积层混合云不仅有积状云和层状云形态的混合,在微物理方面还存在冷云过程和暖云过程相态的混合,降水机制较复杂。本研究只针对了一次过程,选取多个个例对积层混合云进行深入研究,对播云催化位置选取、人工增雨作业具有一定的指导意义。

图7 模拟的17:00雷达回波平面图及沿剖线AB各物理量的剖面(图中阴影为雷达回波,单位:dBz;实线为各物理量分布,单位:g/kg;虚线为温度,单位:℃;箭矢为风场,单位:m/s) a.模拟雷达回波平面图及剖线AB;b.沿剖线AB的雷达回波剖面图;c.云水比含量;d.冰晶比含量;e.霰比含水量;f.雨比含量;g.雪比含量;h.总水凝物Fig.7 Horizontal distribution of simulated radar echo and vertical distribution of simulated hydrometeors along line AB at 17:00 BST(shadings are radar echo(units:dBz);solid lines denote distribution of hydrometeors(units:k/kg);dashed lines show temperature(units:℃);arrows are wind field(units:m/s)) a.horizontal distribution of simulated radar echo and position of line AB;b.vertical distribution of simulated radar echo along line AB;c.cloud water mixing ratio;d.ice mixing ratio;e.graupel mixing ratio;f.rain mixing ratio;g.snow mixing ratio;h.total hydrometeors

图8 模拟的17:00雷达回波平面图及沿剖线的各物理量剖面 a.模拟的雷达回波(单位:dBz)平面图及剖线CD;b.垂直速度(阴影,单位:m/s)分布;c.云水比含量(阴影,单位:g/kg)、冰晶数浓度(黑色实线,单位:kg-1)、温度(红色虚线,单位:℃)分布;d.霰、雪和比含量(阴影,单位:g/kg)、雨水比含量(黑色实线,单位:g/kg)、温度(红色虚线,单位:℃)分布Fig.8 Horizontal distribution of simulated radar echo and vertical distribution of simulated hydrometeors at 17:00 BST a.horizontal distribution of simulated radar echo(units:dBz) and position of line CD;b.vertical velocity profile(shadings;units:m/s);c.cloud water mixing ratio(shadings;units:g/kg) and ice number concentration(black solid lines;units:kg-1) and temperature(red dashed lines;units:℃);d.the sum of graupel and snow mixing ratio(shadings;units:g/kg),rain mixing ratio(black solid lines;units:g/kg) and temperature(red dashed lines;units:℃)

5 结论

1)比较分析实测和模拟资料可知:700 hPa西风槽、850 hPa低涡是形成这次降水的主要天气系统,来自南方的暖湿空气和西北内蒙古低涡带来的水汽是这次降水的主要水汽来源,14—20时两股水汽在张家口附近出现低层辐合、中高空辐散的配置,有利于水汽的垂直输送、云系的发展。

2)比较分析中尺度系统可知:张家口附近云系呈东北—西南向带状分布,带长约1 000 km,带宽300 km,在大片的云带中分布着很多个小的高值中心,中心区域一般在几十千米;降水也呈东北—西南向带状分布,在较大的雨带中分布着几个小的雨核,降水总体分布不均匀;结合雷达回波可见整体回波边缘呈支离破碎状,在较均匀的层状云回波中镶嵌着柱状的对流回波,具有典型的积层混合云降水回波特征。

3)比较分析小尺度系统可知:对流云波呈柱状分布,水平范围在10～20 km,回波中心值超过50 dBz;沿对流回波做剖面发现,云系中云水含量在水平方向和垂直方向上都分布不均匀,雨水的大值中心与上层的霰、雪的大值中心相对应,其位置与剖线处雷达回波相对应,表明霰、雪和雨水是主要的降水粒子,是形成雷达回波的主要影响因子。此次积层混合云降水不仅有积状云和层状云形态的混合,在微物理方面还存在着冷云过程和暖云过程相态的混合,降水机制较复杂。

4)WRF模式对此次降水过程的模拟效果较好。对大尺度高度场、水汽场,中尺度云场、降水场,小尺度对流回波及云中各水凝物的分布模拟效果较好。模式对实况的模拟在时间上没有滞后,落区也较准确,具有较好的模拟能力。

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(责任编辑：倪东鸿)

Numericalsimulationonaconvective-stratiformmixedcloudprecipitationindifferentscales

ZHANG Wei1,ZHOU Yu-quan2

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

The precipitation of a convective-stratiform mixed cloud in Zhangjiakou during 18—19 April 2009 is simulated using the mesoscale numerical model WRF-ARW(V3.2) and comparatively analyzed with the observation data in different scales.Results show that the west wind trough at 700 hPa and the low vortex at 850 hPa are the main weather systems responsible for convective-stratiform mixed cloud.The warm wet air from the southern and the low vortex from northwest Inner Mongolia are main water vapor suppliers,which converge in Zhangjiakou region and thus are conducive to cloud system development and precipitation formation.The cloud system shows a NE-SW banded distribution,which is 1 000 km long and 300 km wide,and has lots of cloud water centers,which are about tens of kilometers.The cloud system has the echo characteristics of typical convective-stratiform mixed cloud precipitation,such as columnar echo of cumulus cloud embedded in uniform echo layer.The cross-section of radar echo shows that the cloud water content is heterogeneous either horizontally or vertically.The centers of rainwater are corresponding with the centers of graupel and snow in the upper layer,with horizontal range of 10—20 km.

WRF model;convective-stratiform mixed cloud;structure in different scales;numerical simulation

2012-03-27;改回日期2014-04-22

公益性行业(气象)科研专项(GYHY201206025)

张微，硕士，研究方向为云降水物理和人工影响天气，zhangwei198633@126.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120327002.

1674-7097(2014)04-0459-10

P426.51;P426.611

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120327002

张微,周毓荃.2014.一次积层混合云降水不同尺度结构的数值模拟[J].大气科学学报,37(4):459-468.

Zhang Wei,Zhou Yu-quan.2014.Numerical simulation on a convective-stratiform mixed cloud precipitation in different scales[J].Trans Atmos Sci,37(4):459-468.(in Chinese)