广州机场终端区“4.30”飑线过程的诊断分析和数值模拟

黄奕铭,谢文锋,王刚

(民航中南空管局 气象中心,广东 广州 510405)

黄奕铭,谢文锋,王刚.2015.广州机场终端区“4.30”飑线过程的诊断分析和数值模拟[J].大气科学学报,38(4):557-565.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140303001.

Huang Yi-ming,Xie Wen-feng,Wang Gang.2015.Diagnostic analysis and numerical simulation of the squall line event in Guangzhou airport terminal area on 30 April 2013[J].Trans Atmos Sci,38(4):557-565.(in Chinese).

广州机场终端区“4.30”飑线过程的诊断分析和数值模拟

黄奕铭,谢文锋,王刚

(民航中南空管局 气象中心,广东 广州 510405)

摘要：利用常规观测资料、多普勒天气雷达观测资料、风廓线雷达资料及NCEP/NCAR再分析资料,对2013年4月30日发生在广州白云机场终端区的飑线过程进行了诊断分析和数值模拟。结果表明:此次过程是由高空槽东移带动地面弱冷空气南下造成的;高分辨率WRF(Weather Research and Forecasting)模式较好地模拟出了这次飑线的形态和发展变化过程;飑线内部有较明显的倾斜气流,发展阶段内部以上升气流为主,成熟阶段强的上升运动主要位于600 hPa以上,中低层则由于拖曳作用有显著的下沉气流;此次飑线过程有明显的地面冷池和雷暴高压配合,飑线的强度变化与地面冷池的变化存在明显相关,发展阶段雷暴高压出现在整个飑线的下方及后部,在成熟阶段其下方的正变压与后部的负变压呈对称结构。

关键词：广州机场终端区;飑线;WRF;冷池

0引言

广州机场终端区位于华南地区中部,强对流天气频发,给民航运输的安全和效率带来严重的影响,飑线就是其中重要的强天气之一。国内许多学者应用各种探测资料和数值模式分析了飑线在发生发展过程中一些重要的结构演变特征(潘玉洁等,2008;陈杰等,2012;李娜等,2013)。姚建群等(2005)指出低层急流、地面锋生作用、低层辐合和高层辐散有利于飑线的形成,较强的环境风垂直切变和雷暴内部上升气流与下沉气流的正反馈作用有利于飑线系统维持较长时间,中尺度对流系统多个雷暴单体间的相互作用会影响雷暴单体强度变化和移动方向。慕熙昱等(2007)指出飑线雷达回波呈现波型特征,数值模拟结果中看到在系统发生的带状区域内有多个中尺度涡旋存在,在飑线内有中尺度涡旋簇和弓形回波。谢健标等(2007)指出中高层冷空气的进入和低空西南急流为飑线发生提供有利的环境热力场,飑线发生在高空急流入口辐散区、低空急流辐合区之上,垂直速度、湿静力能和对流有效位能等物理量能有效反映飑线的落区和移动演变。梁建宇和孙建华指出(2012)飑线成熟阶段地面存在明显的雷暴高压、冷池、出流边界、尾流低压等特征,系统由线状转变为人字形系统的原因是由于气旋扰动的冷暖切变的作用,中层入流是地面大风形成的重要原因之一。陈明轩和王迎春(2012)指出低层环境垂直风切变和冷池相互作用对飑线的维持发展和传播起着关键作用。陈涛等(2013)指出冷池边界扩张速度与低层风垂直切变大致相当。于庚康等(2013)指出地面风场中对应一条清晰的辐合线对飑线的触发和维持起着重要的作用。

2013年4月30日,广州机场终端区10—15时(北京时间,下同)自西北向东南经历了一次较长时间强飑线天气过程,影响时间达5 h;广州白云机场出现了长达2 h强雷雨天气,最大阵风达17 m/s,短时最低能见度为1 000 m,广州白云机场当日启动了航班延误最高级别的红色预警。本文通过分析广州地区飑线内部的结构特征和发展变化机理,探讨了广州地区飑线的三维结构和发展变化机制。

1资料

资料包括常规观测资料、FY-2E卫星资料、华南雷达拼图、广州白云机场多普勒天气雷达和风廓线雷达资料,以及每6 h一次的NCEP/NCAR的再分析资料。

2大尺度环流形势和观测分析

2.1　飑线发生的环流背景

4月30日白天,飑线云带自西北向东南横扫广东大部区域,广东省大部分市县先后出现了大雨到暴雨,局部大暴雨到特大暴雨。30日08—16时,海丰县联安镇录得304.3 mm的特大暴雨;有10个气象站录得100～250 mm的大暴雨,有47个气象站录得50～100 mm的暴雨,有465个气象站录得25～50 mm的大雨,珠江三角洲和粤西地区在雷雨过程中普遍伴有8～10级短时大风。

从4月30日08时的形势场(图略)上看,850 hPa切变线位于广西中部、广东北部到江南东部地区,500 hPa高空槽处于广西的东部,850～200 hPa广东都处于深厚的槽前西南气流控制之下;高空槽的东移带动850 hPa切变线的南压,切变线南侧一直维持着强劲的西南急流,充足的水汽输送为飑线的形成和加强提供了有利条件;地面天气图显示,30日白天,华南地区都处于低槽的控制之中,有一股弱冷空气南下影响。

图1是30日10—14时广州白云机场风廓线雷达的风场时间序列,可以看到,12时30分前后,3 000 m高度以下由西南风转西北风,而3 000～5 000 m高度依然维持西南风,此时正是飑线压到广州白云机场上空的时间。这表明地面冷空气、850～700 hPa切变线与这次飑线系统有很好的对应关系,而500 hPa高空槽则有所滞后。

从大气层结情况(图略)看,4月30日08时的清远探空曲线显示在925 hPa以下存在逆温,可能是夜间地面的辐射冷却所致,温度露点差的大值区位于500 hPa以上,说明500 hPa以下有比较充足的水汽储备,上干下湿的层结有利不稳定能量的累积。在稳定度方面,由梧州和清远的K指数(41、37)和SI指数(-3.37、-1.02)可见,两地的层结条件都有利于对流的发生,但是清远的对流有效位能只有1 113.3 J/kg,而此时梧州探空得到的对流有效位能只有215.4 J/kg,这可能是因为此时飑线的前沿刚好到达梧州,部分能量已得到释放。

图1　2013年4月30日10—14时广州白云机场风廓线雷达的风场时间序列(单位:m/s)Fig.1　Time series of wind field observed by the wind profile radar in Guangzhou Baiyun airport from 10:00 BST to 14:00 BST 30 April 2013(units:m/s)

2.2　飑线过程的观测特征

从FY-2E红外云图(图略)中可以看到,08时开始大片对流云团覆盖江南和华南大部地区,但是结构相对松散,到了11时后可以明显地看到云团的东南边界呈线状,边界清楚,云团变得密实。整个云系自西北向东南方向移动,横扫广东大部,到了17时云系又逐渐分裂,对流趋于减弱。

雷达强度图能够更清晰地展示该次飑线的结构特征(图2a),飑线由一排线状排列的对流单体组成,回波梯度很大,强回波带宽度约40 km,长度约350 km,最大回波强度超过60 dBz,最大高度达到15 km(图2e)。在到达广州机场之前,飑线强度迅速增强,移速约为50 km/h。经过广州机场之后,北段移速开始减慢,强度减弱,南段则继续快速的向东南方向移动。

强对流过程经常带来地面大风天气,梁建宇和孙建华(2012)研究指出飑线的发展阶段和成熟阶段对流区的下沉气流比较强烈,同时尾部入流也加强了下沉气流,可能是导致形成地面大风的重要原因。由图2b可以看到,在飑线过境之前机场上空中高层吹的是西北偏西风,低层吹的是西南风,有明显的垂直风切变,地面附近的最大风速约20 m/s,与机场实际观测的风速十分接近,说明飑线过境前的雷达速度图对大风的预报有很好的参考价值。图2d显示,到13时,飑线过境后,低层转成西北风,整个零速度带走向与飑线基本一致,反映了切变线过境时典型的风场变化特征。

由图2e可见,雷达站西南方向65 km处出现最大强度达61 dBz的回波细胞核;图2f是沿图2e的A到B处强度垂直剖面,可看到50 dBz以上强回波核出现在4.5～8 km高度,该强回波核的下方回波明显较弱,呈现悬垂回波特征;图2b的1.2°PPI速度显示,在该强回波核附近出现了明显的中气旋速度图像特征,最大负速度为17 m/s,最大正速度为3 m/s。这表明该单体属于超级单体,即本次飑线上出现了超级单体嵌入的情况。

3飑线过程的数值模拟

为更好地分析飑线内部的结构特征和发展变化机理,利用中尺度数值天气模式WRF(Weather Research and Forecasting)进行高分辨率的模拟试验,探讨了广州地区飑线的三维结构和发展变化机制及广州机场终端区对流天气预报系统的设计。

3.1　模拟方案设计

模式采用WRFV3.3.1版本,采用三重双向嵌套网格,区域的中心位于(112°E,23°N),水平分辨率分别为36、12、4 km,垂直方向有28层。模式的三个模拟区域均采用YSU行星边界层方案及RRTM长波和Dudhia短波辐射参数化方案;在模拟区域D01和D02中采用BMJ积云对流参数化方案,在模拟区域D03的4 km高分辨率网格中,不采用任何积云对流参数化方案;在三个区域均采用WSM6云微物理方案。将NCEP/NCAR提供的6 h一次1°×1°分辨率的FNL再分析资料水平插值到粗网格区域D01,垂直插到28层eta面上作为背景场。D01、D02和D03区域的模拟时间均为2013年4月29日20时—30日20时,共积分24 h。

图2　2013年4月30日广州白云机场雷达回波图　　a.12时1.2°PPI强度;b.12时1.2°PPI速度;c.13时1.2°PPI强度;d.13时1.2°PPI速度;e.12时最大强度回波;f.沿图2e中AB直线的强度剖面Fig.2　Radar echo charts observed by the radar in Guangzhou Baiyun Airport on 30 April 2013　　a.reflectivity of 1.2° PPI at 12:00 BST;b.radial velocity of 1.2° PPI at 12:00 BST;c.reflectivity of 1.2° PPI at 13:00 BST;d.radial velocity of 1.2° PPI at 13:00 BST;e.maximum reflectivity at 12:00 BST;f.vertical section of reflectivity along AB line in Fig.2e at 12:00 BST

3.2　模拟结果的验证

短时强降水是飑线天气带来的主要灾害之一,而在数值模拟中降水既受大尺度环流场影响,又与内部的云微物理过程有关。从D03区域(4 km)4月30日08—14时与14—20时模拟的6 h累积降水与中央气象台发布的实况观测资料的比较(图略)可以看到,08—14时,模拟的雨区分布与实况较吻合,雨带主要位于广西的东南部、广东的中北部、湖南南部和福建中南部一带,但是位于广东北部的强降水中心模拟的位置偏北,强度也偏强。14—20时,位于粤东和福建中南部的降水模拟效果较好,范围和中心基本吻合,但位于湛江、海口一带则有一些虚假的降水出现。总体来说,模式对此次飑线过程的降水范围模拟较好,但强中心位置略有偏差。

图3　2013年4月30日08时(a,b)、11时(c,d)华南雷达拼图(a,c)和模拟的华南地区最大雷达反射率(b,d)(单位:dBz)Fig.3　(a,c)Composition of observed radar echo images in South China and (b,d)simulated maximum radar reflectivity in South China at (a,b)08:00 BST and (c,d)11:00 BST 30 April 2013(units:dBz)

图3是D03区域(4 km)模拟的最大雷达反照率与华南区域雷达拼图的对比,可以看到这次模拟试验比较成功地模拟出了飑线的发展和变化过程。4月30日08时,强对流位于广西的东部和广东的西北部,强回波中心已初显飑线形态,到11时,飑线发展强盛向东南方向移动,12时前后开始影响广州白云机场,与实际影响时间偏差在1 h之内,14时(图略)飑线到达广东沿海地区,之后强度减弱,逐渐消散。从观测结果都可以看出,这次飑线可分为两段,一段位于广东境内,东北—西南向,强度较强,另一段位于江西和福建的南部,呈偏东—西向,强度较弱。相比之下,广东境内的飑线模拟得略偏快一些,模拟的飑线宽度略窄,但强对流位置较准,线形结构明显,效果良好。可见,模式已基本具备了模拟广州地区飑线这种强天气过程的能力,对于提前判断飑线的形成和过境时间有很好的参考价值。

对比D02区域(12 km)模拟的最大雷达反照率(图略),4 km分辨率可以较好地模拟出飑线的形态,效果明显超出12 km分辨率的预报场,这也表明,建设广州机场终端区对流预报系统,满足当前航空业务需求,需要发展高分辨率(3～4 km量级)甚至更高分辨率的数值预报系统,并针对不同的天气背景进行参数设置试验。

3.3　飑线的发展变化和结构分析

飑线天气的发生是上下各层天气系统相互作用下的结果,图4给出了4月30日11时模拟的最大雷达反照率分别与地面、850、700和500 hPa风场的叠加。飑线的南段与北段,其位置与地面辐合线位置十分吻合。飑线的北段则主要受地面辐合线和850 hPa弱切变的影响,而飑线的南段是在地面辐合线、850 hPa切变线以及700 hPa槽线的共同作用下,系统更为深厚,这或许正是飑线的南段比北段更强的原因。整个系统均处于500 hPa高空槽前,使得大气层处于不稳定的状态,高空槽的东移带动了整个系统的南压。

图4　模拟的2013年4月30日11时华南地区最大雷达反射率(阴影;单位:dBz)以及地面(a)、850 hPa(b)、700 hPa(c)和500 hPa(d)风场(单位:m/s)Fig.4　Simulated maximum radar reflectivity(shadings;uints:dBz) and (a)surface,(b)850 hPa,(c)700 hPa and (d)500 hPa wind fields(units:m/s) in South China at 11:00 BST 30 April 2013

图5　模拟的2013年4月30日华南地区地面变温(阴影;单位:℃)、变压(等值线;单位:hPa)和地面风场(单位:m/s)　　a.08时;b.11时;c.14时;d.17时Fig.5　Simulated surface temperature departure(shadings;units:℃),pressure departure(contours;units:hPa) and wind fields(units:m/s) in South China at (a)08:00 BST,(b)11:00 BST,(c)14:00 BST and (d)17:00 BST 30 April 2013

从4月30日11时和14时飑线过境前后模拟的广州白云机场T-lnp探空曲线图(图略)可看到,在11时飑线过境之前,500 hPa以上的温度露点差大于4 K,说明中上层有干空气的入侵,K指数达到39,对流有效位能为1 395 J/kg,而低层则是比较强的暖湿气流,整个层结处于非常不稳定状态。而到了14时飑线过境后,500～300 hPa的温度露点差明显减小,地面温度显著下降,K指数也下降到28,对流有效位能得到完全释放;600 hPa以下由西南风完全转为西北风。

图6　模拟的2013年4月30日沿图4a中AB直线的雷达反射率(阴影;单位:dBz)、温度(等值线;单位:℃)和风场(箭矢;单位:m/s)的垂直剖面　　a.02时;b.05时;c.08时;d.11时;e.14时;f.17时Fig.6　Vertical sections of simulated radar reflectivity(shadings;units:dBz),temperature(contours;units:℃) and wind(arrows;units:m/s) along AB line in Fig.4a at (a)02:00 BST,(b)05:00 BST,(c)08:00 BST,(d)11:00 BST,(e)14:00 BST and (f)17:00 BST 30 April 2013

雷暴高压和地面冷池是强对流天气的重要特征,Nicholas et al.(2008)指出,在对流系统发展的不同阶段,地面气压和冷池的变化表现出不同的特征。图5是4月30日08时、11时、14时、17时华南地区地面1 h变压、1 h变温和地面风场。在飑线加强的过程中,地面冷池越来越显著,飑线前后的温度梯度很大,地面1 h变温超过6 ℃;在11时前飑线发展的过程,整个飑线及其后部都是大范围的正变压,到了11时,南支飑线的南端达到一定强度后,其后部则变成负变压,北端处于正在加强过程中其后部仍是正变压;到了14时整个飑线发展成熟时,飑线低层的正变压与后部的负变压呈对称结构;14时的地面1 h变温(图5c)显示,飑线南端的变温比11时有减弱的趋势,相反飑线北段则有加强的趋势;17时天气实况显示,飑线南端的天气是明显的减弱,北段则略有加强。这表明这次飑线天气的加强和减弱与地面冷池的变化有明显的相关,关注地面冷池的变化对预报飑线的强度变化有一定指示意义。

图6是4月30日飑线强度变化过程中沿图4a中的AB线上的雷达反照率、温度和环流场的垂直剖面,可以看到02—17时0 ℃层位于500～600 hPa之间,强对流区域由于释放更多的潜热其零度层位置更高一些。在02时、05时和08时的发展阶段,飑线前部各层都是逐渐增强的上升气流,而后部中层则有明显的倾斜入流。到了11时和14时的成熟阶段其内部结构则有所不同,在600 hPa以上是很强的上升气流,回波最高到达了200 hPa(约12 km)的高度,而在600 hPa以下的强回波区前的上升运动14时比11时有明显的减弱。上升运动的减弱意味着飑线强度将逐渐减弱,17时的天气实况完全验证了模拟的情况。

图7　模拟的2013年4月30日11时华南地区水平风速散度的水平分布(单位:10-3 s-1)　　a.850 hPa;b.700 hPa;c.500 hPa;d.200 hPaFig.7　Horizontal velocity distributions of simulated divergence at (a)850 hPa,(b)700 hPa,(c)500 hPa and (d)200 hPa in South China at 11:00 BST 30 April 2013(units:10-3 s-1)

图7是2013年4月30日11时散度的水平分布。850 hPa上,飑线的前方辐合、后部辐散(图7a),这与图6d相对应;而700 hPa上前部辐散、后部辐合(图7b);到了500 hPa和200 hPa则前后都是辐散场,对应了图6d中上层的上升运动。这种低层前部的辐合配合后部的倾斜下沉,中高层的辐散抽吸反映了飑线加强过程中的主要环流特征。

4结论与讨论

1)此次飑线过程是高空槽东移带动地面弱冷空气南下,中上层的干冷空气与中低的暖湿气流在华南上空交汇形成,850 hPa切变线和700 hPa的高空槽是最直接的影响系统。

2)数值模拟结果显示WRF模式能比较好地模拟出这次飑线过程的发展变化过程,模拟的位置、移向、移速和强度与观测结果十分接近,对于广州机场终端区区域对流预报系统的设计有很好的参考价值。

3)飑线发展变化的不同阶段其内部表现出不同的结构特征,飑线内部有比较明显的倾斜气流,在其发展阶段内部以上升气流为主,而到了成熟阶段,强的上升运动主要位于600 hPa以上的高层区域,而在中低层则由于拖曳作用有非常显著的下沉气流。

此次飑线过程有非常明显的地面冷池,在飑线发展的不同阶段雷暴高压的分布有不同特征,发展阶段出现在整个飑线的下方及其后部,而在成熟阶段其下方的正变压与后部的负变压呈对称结构;这次飑线天气的加强和减弱与地面冷池的变化有明显的相关,关注地面冷池的变化对预报飑线的强度变化有一定的指示意义。

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(责任编辑：张福颖)

Diagnostic analysis and numerical simulation of the squall line

event in Guangzhou airport terminal area on 30 April 2013

HUANG Yi-ming,XIE Wen-feng,WANG Gang

(Meteorological Center,Air Traffic Administration of Mid-Southern China,Guangdong 510405,China)

Abstract:Based on the conventional observation data,Doppler radar observation data,wind profiler radar data and NCEP/NCAR reanalysis data,a squall line event occurred in Guangzhou Baiyun airport terminal area on 30 April 2013 was analyzed and simulated.Results show that the weather event is caused by the east movement of the upper trough,which drives weak surface cold air southward.The shape and intensity changes of squall line simulated by WRF(Weather Research and Forecasting) model are quite in agreement with the observations.There are obvious tilted updraft in the squall line.In the stage of development,there are updraft in the whole squall line,while in the mature stage,the updraft above 600 hPa and the downdraft in middle and low levels as a result of drag effect of heavy rain.There are obvious surface cold pool and thunderstorm high during the squall line process,and there is an obvious correlation between intensity change of squall line and change of cold pool.In the stage of development,the thunderstorm high locates in the low and back parts of the whole squall line,while in the mature stage,the positive pressure change in the low part and the negative pressure change in the back part are symmetrical.

Key words:Guangzhou airport terminal area;squall line;WRF;cold pool

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140303001

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)04-0557-09P425

文献标志码：A

通信作者：黄奕铭,高级工程师,研究方向为航空天气预报,1452175@qq.com.

基金项目:中国民用航空局安全能力资金项目(TMSA1446)

收稿日期：2014-03-03；改回日期：2014-08-26