WRF模式对一次中低纬降雪天气的数值模拟分析

王秀英，廖留峰，段　鹤

(1.云南省普洱市气象局,云南　普洱　665000;2.贵州省山地环境气候研究所，贵州　贵阳　550002；3.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵州　贵阳　550002)

1　引言

降雪是一种重要的天气现象，在我国北方冬季常有大雪，而在中低纬度的滇西南大部地区年平均气温高于18℃，最冷月平均气温接近12℃，大量种植咖啡、橡胶、香蕉等热带经济作物，畜牧业主要为露天放养。自1961年以来，滇西南共出现4次降雪记录。滇西南降雪天气较为罕见，雪后低温天气可使热带经济作物及牲畜冻伤、冻死，给农业及畜牧业带来巨大损失。因此，对滇西南降雪发生机理的研究具有重要意义。

国内外很多学者对降雪天气进行了大量的研究，文献[1-5]认为锋生强迫、超低空急流、强的斜压性是降雪天气发生的主要强迫因素。王东勇[3]等研究表明在强降雪发生时近地面925 hPa附近伴有很强的超低空急流，低空垂直切变明显，有很强的斜压性。李兆慧[4]等指出暴雪与准静止锋关系密切，锋生、锋消变化与降雪天气的出现和停止一致。近年来随着数值模式的发展，中尺度WRF数值模式广泛运用于天气预报中[9-13]。章国材[6]等指出WRF模式系统在中尺度涡旋对流系统、干线、锋、飑线、孤立的超级单体风暴等天气系统中都具有较好的预报性能，同时可实现在线完全嵌套大气化学模式，不仅能较好地预报天气，而且具有预报空气质量的能力，应用前景广阔。

到现在为止，WRF模式主要用于中尺度强降水的分析研究，在降雪天气中的运用相对较少。文献[7,8]将WRF模式用于降雪的模拟预报，文献[7]得出WRF模式能较好地模拟出河西暴雪的区域，对中尺度天气系统的暴雪具有良好的预报能力；文献[8]使用WRF模式模拟湖北降雪，结果表明产生暴雪的上升运动要远小于产生暴雨的上升运动，且在暴雪过程中，中层为上升运动，近地层和高层伴随着下沉运动。

鉴于滇西南降雪天气预报经验少，降雪发生的机理研究少，预报降雪的区域及强度难度较大。本文使用WRF模式对2013年12月15—16日滇西南的降雪及17日雪后出现的霜冻天气进行模拟，结合模式输出资料分析此次降雪过程中尺度天气系统的发生发展机理，检验WRF模式对滇西南降雪天气的模拟预报能力，并为当地降雪天气预报提供科学依据。

2　资料及方法

文献[1-5]利用实况资料从锋生强迫、超低空急流、斜压性等因素对降雪天气系统的发生发展机制做了分析。宫德吉[2]等利用低空急流来揭示暴雪发生机制，王东勇[3]等利用超低空急流，低空垂直切变及强的斜压性来研究强降雪发生。李兆慧[4]等利用准静止锋的锋生、锋消来研究降雪天气起止时间。近年来，许多学者[7,8]开始使用数值模拟的方法来模拟降雪天气过程。

本文利用常规气象观测资料，NCEP初始场、实况场资料，采用二重嵌套方式的WRF 3.2 (Weather Research Forecasting)模式模拟2013年12月15—16日滇西南的降雪及17日雪后出现的低温霜冻天气。二重区域的水平网格点数均为61×61，相应的水平网格距分别为60 km和20 km，中心经纬度为100.8°E，23.2°N，二重区域物理过程一致,垂直方向采用地形追随质量坐标共19层。微物理过程方案采用Lin方案、rrtm长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案、YSU边界层方案、Betts-Miller-Janjic积云参数化方案，以及Noah陆面方案。模拟时间为48 h，即从2013年12月15日20时—17日20时。

3　天气实况及灾情

普洱市位于云贵高原西南部，南部海拔高度不足500 m，北部海拔高度超过3 km。1961年以来普洱市出现的4次降雪记录中，2013年12月15—16日的降雪范围最大,普洱市共有34个乡镇出现雪或雨夹雪，降雪量级为小雪。雪后降温天气使得最低气温下降10～14 ℃，全市大部最低气温低于3 ℃，局部低于0 ℃。造成大牲畜死亡近200头，生猪死亡近150头，咖啡、橡胶、香蕉等热带作物遭受严重冻害。据当地政府部门统计，这次降雪天气给普洱市造成的经济损失高达7亿多元。

4　环流特征分析

500 hPa高度场上，过程前期极涡南压到西伯利亚北部地区，欧洲平原上的气旋维持，中高纬环流形势从多波动形势转为两槽一脊形势。12月10日极涡分裂出的冷涡与东移至鄂霍次克海的冷涡汇合，冷涡增强，全国大部地区爆发寒潮。在此次降雪过程发生前，主要受南支槽及弱冷空气影响，滇西南出现强对流天气。13—14日由欧洲气旋分裂出的小波动受青藏高原及副热带高压影响，青藏高原东南侧滇缅间逐渐形成南支槽，影响我国西南地区。北侧形成北支西风槽，有利于引导北方冷空气南下与南支槽前的西南暖湿气流交汇，有利于西南地区阴冷天气的维持。青藏高原东部为弱脊控制，于中低纬地区形成“两槽一脊”的环流形势，东北冷涡中心位于黑龙江，且高空冷涡槽底延伸至渤海，给西南地区带来源源不断的冷空气。副热带高压脊线位于15°N，西脊点伸至116°E，副热带高压位置及强度长时间维持，阻挡上游南支槽东移，使南支槽加深且移速较慢。14日20时(以下均为北京时)低空切变线位于滇中；受南支槽前西南暖湿空气与冷空气影响，在西南地区形成冷暖气团交汇，南支槽前气流系统性上升及地形抬升作用配合充足的水汽条件，14日夜间滇南出现暴雨局部大暴雨。

在此次降雪天气过程中，15日(图1a)北支槽东北移并入东北冷涡，使高空冷涡槽底延伸至30°N，给西南地区带来强冷空气。同时受动力及热力作用减弱影响，云南大部对流减弱。15日20时—16日14时冷空气自东向西逐渐加强西进，与此同时南支槽维持，强冷空气输送使得南支槽前对流减弱，槽前转为稳定性层结。16日20时(图1b)以后副热带高压减弱，南支槽迅速东移，滇西南转为槽后西北气流，滇西南降雪天气结束。700 hPa形势图(图略)相较500 hPa，东北冷涡从高到低向西倾斜。14—15日由于受青藏高原大地形影响，700 hPa上南支槽较500 hPa上略浅，且南支槽北部出现两个小波动(高原波动)。从风场上分析得出，700 hPa上15日08时低空切变线位于滇中，20时已达滇西南。切变线北部为偏北气流，南部为回流的西南气流。切变线南压使得滇西南冷空气加强，同时由于切变线附近温度梯度、气压梯度偏小，热力条件弱，大气稳定度增加。

17日西太平洋副热带高压继续东退，东北冷涡南压，滇西南槽后西北气流加强。由于受南支槽后西北气流影响(图略)，滇西南辐射降温明显，加之15日20时以来的强冷空气带来的平流降温作用，形成了平流霜冻与辐射霜冻结合成的混合型霜冻，滇西南最低气温下降10～14 ℃，大部分地区最低气温低于3 ℃，局部在0 ℃以下，滇西南出现大范围冻害。

图1　2013年12月500 hPa位势高度场(实线；单位：dagpm)，温度场(虚线；单位：℃)(a) 15日20时 (b) 16日20时Fig.1　500 hPa potential height(the solid line,unit：dagpm) and emperature(the dotted line,unit：℃) In December 2013.(a) at 20∶00 on the 15th.(b) at 20∶00 on the 16th

5　滇西南降雪天气的模拟分析

5.1　高度场模拟

图2a给出了16日08时80～120°E，5～40°N实况高度场(NCEP再分析资料)，及同时次模式输出的500 hPa高度场(图2b)。对比槽线的位置，实况场与模拟场相一致，模拟输出的等高线较实况略偏北，564dagpm、560dagpm等值线上的北支西风槽与实况接近。为深入对比分析，分别做出每6 h的实况与模拟的500 hPa、700 hPa、850 hPa高度场图(图略)，同样得出模拟输出结果与实况场相一致。表明WRF模式对此次天气过程有很好的模拟预报能力。

5.2　降水的模拟

通过使用模拟试验中的微物理过程方案对此次降水天气过程进行模拟，根据模式输出结果提取降水及降雪预报产品。图3、图4分别为WRF模式模拟的过程累积降水及降雪预报结果，降水主要模拟15日20时—16日14时，滇西南为小雨天气(图3a)，与降水实况(图3b)相比，仅滇西南降水略偏小，省内其他区域降水预报效果好；15日23时至16日14时滇西南自北向南出现一次小雪天气过程，降雪量小于0.2 mm(图4b)。通过对比分析，降水的模拟与实况相吻合，表明WRF模式降水预报能力好。降雪起止时间模拟结果与实况较为吻合，普洱北部模拟出的降雪范围较实况略偏大，其余大部分地区模拟结果与实况接近。总体而言，模式可模拟出此次历史罕见的滇西南降雪天气过程的降雪时段及降雪强度，WRF模式对此次滇西南降雪过程有较好的模拟预报能力。

图2　2013年12月16日08时,500 hPa高度场：(a)实况场(NCEP再分析资料)；(b)模拟场(单位：dagpm)Fig.2　500 hPa potential height(unit：dagpm) at 08∶00 on December 16, 2013.(a)observations(NCEP reanalysis data).(b)forecast field

图3　2013年12月15日20时—16日14时的模式模拟结果：(a)降水的模拟；(b)2013年12月15日20时—16日14时降水实况(单位：mm)Fig.3　The simulated of precipitation(a) during December 15-16, 2013.(unit:mm) ; The precipitation (b)during December 15-16, 2013.(unit:mm)

图4　(a):2013年12月15日20时—16日14时降雪的模拟(单位：mm)(b):2013年12月16日14时积雪分布(阴影区为积雪分布区;单位：mm)Fig.4　The simulated of snowfall (a) during December 15-16, 2013.(unit:mm) ; (b):The distribution characteristics of snow at 14∶00 on December 16, 2013.(the shadow area is the snow cover, unit：mm)

5.3　温度场模拟

模式输出结果显示，17日05时以后普洱市大部地区气温维持在3 ℃以下(图略)。08时气温达到最低，与最低气温较为接近的模拟时段。由模式输出08时的2 m温度场(图5a)可知，云南大部17日08时气温低于0 ℃，普洱市北部及澜沧东部气温低于0 ℃，其它地区气温低于3 ℃。与实况(图5b)相比，普洱市小于0℃的区域模式输出结果范围较实况略偏大。总的来说WRF模式对普洱市的温度模拟结果与实况接近，WRF模式对此次强降温天气过程的气温有很好的模拟能力。

图5　(a)2013年12月17日08时2 m温度场模拟(单位：℃), (b)2013年12月17日最低气温(单位：℃)Fig.5　(a)The temperatures of above ground 2m at 08∶00 on December 17, 2013.(unit:℃)(b)The minimum air temperature on December 17, 2013.(unit：℃)

5.4　南支槽与强冷空气分析

分析模式输出的流场及风场(图6)，可以看出16日08时南支槽仍位于滇缅之间，滇西南为槽前西南气流控制，为降水提供充足的水汽来源。由于受哀牢山地形阻挡作用，历来影响滇西南的冷空气主要以回流冷空气为主，冷空气相对较弱。在此次天气过程中由于北支西风槽汇入东北冷涡，使得冷空气加强西进。从16日08时的800 hPa图(图6b)上可以看出，影响滇西南的冷空气直接由冷涡外围南下，在低层越过哀牢山，进而影响滇西南地区。东北气流已达滇西南以南地区，给滇西南带来大幅度的降温天气。此次试验，WRF模式成功地模拟出了南支槽位置和冷空气的强度。

图6　WRF模拟的2013年12月16日08时风场和流场(a.500 hPa； b.800 hPa)(单位：m/s)Fig.6　The Wind field and flow field of WRF model at 08∶00 on December 16, 2013.(a.500 hPa,b.800 hPa,unit:m/s)

5.5　湿位涡诊断分析

吴国雄等[14]从完整的原始方程出发，在导出精确的湿位涡方程的基础上，证得绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡(MPV)守恒的特性。通过引进静力近似，取P为垂直坐标，并假定垂直速度的水平变化比水平速度的垂直切变小得多，由此可得湿位涡的表达式：

(1)

将(1)式写为分量形式有：

(2)

(3)

(2)式和(3)式中,MPV1为湿正压项，是空气块绝对涡度的垂直分量与熵的垂直梯度的乘积，表示惯性稳定性和对流稳定性的作用。当等熵面与等压面近似平行的时候，MPV1是MPV的主要部分；MPV2为湿斜压项，是由风的垂直切变和湿假相当位温水平梯度决定，它包含了湿斜压性和水平风垂直切变的作用(其中ζP是垂直方向涡度，f是地转涡度，θse为相当位温)。所以，湿位涡这一物理量揭示了大气热力和动力及水汽条件与降水之间的关系。湿位涡单位为PVU，1PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1。

垂直涡度增长的充分条件[15]为：若大气处于对流稳定条件下，∂θse/∂P<0(即MPV1>0)，只有MPV2<0垂直涡度才能得到较大的增长；若大气处于对流不稳定条件下, ∂θse/∂P>0(即MPV1<0)，只有MPV2>0垂直涡度才能得到较大的增长。

计算分析了此次降雪天气过程的MPV1、MPV2的垂直剖面特征。16日02时23°N的MPV1垂直剖面图(图7)上，除105°E以西地区对流层中下层为弱的负值区外，105°E以东地区为弱的正值区及对流层中上层为较强的正值控制，高值中心位于对流层顶达6.5PVU；16日08时以后80～120°E区域内低层为弱的正值区控制，MPV1<1.0 PVU，高层维持较强的正值。由此可见，16日02时低层仍有较弱的不稳定条件，其后逐渐转为弱稳定性层结，高层有强的对流稳定及惯性稳定条件。对流层高层有向下伸展的冷空气，从时间序列图上可以看出300 hPa上滇缅间仍存在高空槽，MPV1高值中心的移动与南支槽的移动相对应，主要位于高空槽后部。对流层上层冷空气向下延伸的主要影响天气系统为南支槽。此特征在17日凌晨霜冻发生时仍然维持。

从MPV2的时间序列图上可以得出(图7b)，在降雪及雪后低温天气发生时，100～115°E区域内MPV2<0，500 hPa以下最大负值中心达到-0.2 PVU，负值区所对应的经度与低空切变的位置相对应，500 hPa以下等值线较密集。由此可见，受强冷空气南下影响，大气斜压性增强，冷锋对干冷空气的输送可达对流层中层，并在500 hPa以下为干冷空气输送的较强区域。500 hPa以上出现次负值中心可达-0.15 PVU；表明对流层上层因冷空气的向下输送大气斜压性增强。

综上所述，在此次降雪天气过程中|MPV1|>|MPV2|，MPV1为湿位涡的主要组成成分，即等熵面与等压面近似平行。由于南支槽的作用，在垂直剖面图上，对流层上层有强冷空气向对流层中层延伸，500 hPa以下MPV1主要以弱的正值为主，表征大气具有惯性稳定性和对流稳定性。MPV2负值区与冷空气南下形成的低空切变位置相对应，干冷空气的输送造成湿斜压性增强。此形势不利于对流性降水的出现，但有利于高层冷空气向下延伸，湿斜压性向上输送，对流层处于惯性稳定性和对流稳定及湿斜压性增强的条件之下。因此，虽然有南支槽的维持，但主要以小雨(雪)天气为主。MPV2所对应的干冷空气的输送造成局地平流降温。南支槽东移出境后，MPV1所对应的高层冷空气向下输送再次出现降温机理。此次霜冻天气就是平流霜冻和辐射霜冻叠加形成的较强混合型霜冻。

6　结论与讨论

本文采用WRF 3.2中尺度模式模拟滇西南降雪及雪后低温天气，模式方案设计主要着重于对降雪区域及雪后低温天气的模拟，可得出以下结论：

①本次模拟试验成功地再现了此次过程的主要影响系统：滇缅间为南支槽控制，为暴雨提供充足的水汽条件及槽前系统性上升机制。北支西风槽汇入东北冷涡，有利于冷空气向西、向南发展，冷空气以东北路径南下影响滇西南以南地区，平流降温显著。强冷空气配合南支槽水汽输送，形成降雪发生的机理。

②这次罕见降雪及雪后霜冻天气过程的模拟试验中，WRF模式能够很好的模拟出滇西南普洱的降雪范围、大小和降雪起止时段，同时模式输出的温度场也与实况场相吻合。

③通过诊断分析得出降雪过程出现时，等熵面与等压面近似平行，大气层结具有稳定性及湿斜压性。南支槽东移出境后，MPV1正值对应的层结稳定性及高层冷空气的向下输送，大气湿斜压性减弱(MPV2负值中心-0.05 PVU)；前期大气湿斜压性造成局地平流降温，与其后的对流稳定性及高层冷空气的向下输送引起辐射降温，共同造成了较强的混合型霜冻。

图7　2013年12月16日08时与14时23°N MPV1(单位：PVU) (a)及MPV2(b)纬向剖面(单位：0.1PVU)Fig.7　(a)The latitudinal section of 23 degrees north latitude about MPV1(unit:PVU) and MPV2(unit:0.1PVU) at 08∶00 and 14∶00 on December 16, 2013.(unit:0.1PVU)