一次西北雷暴过程分析和数值模拟

摘 要：2011年9月8日在甘肃中南部地区发生了一次强雷暴过程，同时还伴有冰雹、大风等强对流天气，为探讨这次天气过程的天气系统结构和形成机理，用WRF模式对这次过程进行了数值模拟分析和研究。利用嵌套网格计算技术，在4km嵌套高分辨模式中选择多微理过程的微物理量显示计算，对该雷暴过程的天气系统和形成机理进行了模拟计算和分析，获得了对流云带和雷暴强回波中心较好的模拟。分析发现，新疆干冷空气南下造成环境降温，700hPa切变线激发对流的发展，低层高湿和充足的水汽输送是本次雷暴过程的重要因素。

关键词：西北雷暴;数值模拟;微物理过程

1 绪论

雷暴[1]是伴有雷击和闪电的局地对流性天气，它产生在强烈发展的积雨云中，因此常伴有强烈的雷电活动以及阵雨或暴雨，有时伴有冰雹和龙卷风，是一种中小尺度的对流天气系统。雷暴通常在夏季发生，是夏季的主要气象灾害之一，而在冬季甚至会伴随暴风雪而来，对农林、交通、通信等都容易造成一定不利影响，同时雷暴也会对飞行安全[2-3]产生严重的威胁，世界上一半的飞机失事是由雷暴天气引起的，世界航空史上已经有2500多架飞机遭雷击毁。

因此，对雷暴活动的监测、预警以及机制探索长期以来一直是人们关注的重点，研究雷暴的气候特征，了解雷暴的形成过程，对雷暴天气下减少各行各业的经济损失有着明确的指导作用。众多学者为此进行了大量的研究：李照荣等[4]认为雷暴具有明显的区域特点，并研究了西北地区雷暴的气候特征;付伟基[5]等通过对2006年7月13日一次洛阳市区的雷暴进行了模拟预报，表明WRF模式在预报弱强迫天气系统雷暴时具有较好的性能。

2011年9月8日兰州地区出现了一次强雷暴伴冰雹天气过程，这次强雷暴冰雹天气给当地的农、林业造成了灾害，同时影响了兰州中川机场航班起降，造成了严重的经济损失。各项经济损失达1.6亿以上，给当地人民生活生产带来了很大的影响。本文希望通过对这次强对流天气过程的分析和数值模拟[6-8]研究，探讨这次雷暴大风伴冰雹的复杂天气过程成因和天气系统结构特点，以期对雷暴预报提供一些有意义的理论依据。

2 天气过程分析

2.1 大尺度环流特征

2011年9月6日，500hPa中纬度地区分别在里海、贝加尔湖至新疆北部存在着两个低槽，并且依次加深，从西西伯利亚至我国新疆、河西地区在东移南下的冷性低槽控制之下，槽后冷空气不断的从高纬地区经新疆北部向南输送，影响我国西北地区。由图1可见，2011年9月6日乌拉尔山附近有一高压脊，脊前不断有小槽下滑补充到贝加尔湖大槽中。同时在西西伯利亚平原上有一股冷空气开始聚集，冷中心温度为-21℃，槽后西西伯利亚不断分裂干冷空气南下。7日08时由于乌拉尔山高压脊继续发展东伸，贝加尔湖至巴尔喀什湖南侧形成了横槽，不断有短波冷槽分裂出来，与其相配置的温度槽落后于高度槽。8日，横槽东移南压至新疆北部，槽后冷空气向南输送更加强盛，不断下滑的冷空气已影响到河西地区，甘肃中部地区完全处在较强盛的西北气流中，槽底部冷平流较强，同时700hPa河西西部有一明显辐合式切变线。9日，槽區东移，冷平流减弱，降水区域也移到我国东南地区和海上。

地面图上有一条锋面相配置（图略），于6日进入新疆北部后逐渐东移南下，8日08时到达河西中部地区，14时左右南压至本场附近。

可见，伴随横槽底部不断东移南压的强冷平流和700hPa切变线南侧的东南风暖湿平流的配合，以及地面冷锋是形成这次强对流天气的主要影响系统。

2.2 中尺度对流系统的卫星云图分析

图2红外云图显示，9月8日17时在兰州北部有较强的对流云团生成，受槽后冷空气和低空切变线的影响，对流云团不断的加强，并且东移南压。到18时对流云团已移至中川机场上空，导致中川机场出现雷暴大风天气。这些对流云团进一步发展加强、向南移动，在此期间，中川机场形成了雷暴天气。19时，中川机场依然是强烈的对流云团。至20时，随着对流云团的南移，中川地区的雷暴天气也逐渐结束。

3 数值模拟结果分析

本文中采用了区域非静力模式WRF-ARW[9]3.5.1作为数值工具，以NCEP再分析资料为初、边值，对这次雷暴伴冰雹天气过程进行了模拟，采用三重双向嵌套网格，模拟区域中心取在（103.6°E，36.5°N），水平分辨率分别为36km、12km、4km，格点数分别为115×86、175×121、250×265。模式中微物理过程采用WSM6微物理过程方案，RRTM长波辐射传输方案，Dudhia短波辐射方案，YSU边界层过程方案。模拟时间从2011年9月8日14时开始，积分12hr，粗网格模式积分时间步长固定为60s，模拟结果输出间隔为30min。

3.1 雷达回波强度场检验

兰州中川机场多普勒雷达回波强度图可以监测到这次雷暴活动的移动位置和对流发展情况：2011年9月8日15：00（北京时），在距离雷达站60—120公里范围有对流回波形成，此后其强度不断加强并逐渐合并。到16：05BLT，在雷达站西北方向形成了一条西北至东南走向的回波带，并且整体向东南方向移动，16：15BLT最大回波强度超过54dBz。16：35BLT，两个回波中心合并成一个强回波中心，17：05BLT（图a）强回波中心移至雷达站西北方向40公里处，中心回波强度达到60dBz，并伴有勾状回波特征。18：05BLT（图b）强回波中心到达机场上空，造成机场强雷暴大风和冰雹天气，随后强回波中心继续南下，持续到20：00BLT，并影响兰州，榆中地区后逐渐减弱。

模拟结果较好的再现了1500BLT至2000BLT雷暴的演变过程，模式模拟出了对流单体的位置和回波强度大小，在空间上强回波中心的位置较实况偏北一些，仅有15km左右的误差，回波带的形状，走向及移动方向也基本与实况一致。总的来看，模拟结果较为准确的再现了这一过程。

3.2 天气系统和水汽条件

雷暴发生、发展和维持的必要条件之一是充足的水汽。图4给出了2011年9月8日18时、19时700hPa模拟的相对湿度场、水汽通量的分布情况：甘肃中南部的大范围区域呈60%以上的高湿区，其中19时水汽通量最大值达到了009kg·m/s，在中川机场附近也存在水汽通量高值区，达到0.06kg·m/s以上。

3.3 垂直速度和散度场分析

垂直上升运动是雷暴产生的必要条件之一，图5给出了2011年9月8日16时、17时垂直速度场。8日16时，强上升区位于37～37.5°N之间，正中心值达到6m·s-1，强上升运动中心高度位于500～400hPa之间，这种深厚的上升运动为雷暴的发生发展提供了有利的条件。到17时，雷暴中心强上升运动区36.8°N附近，中心值约为3m·s-1，上升运动高度位于550hPa。在16時至17时之间，强w值基本在36.5°～37.5°N之间稳定且维持少动，由此可看出，垂直上升运动的强度、中心位置与雷暴强度、中心位置有很好的对应关系，造成了中川机场强雷暴的发生发展。12时后（图略），上升运动强度慢慢减弱，雷暴天气过程也逐渐结束。

9月8日17时（图a），37°N附近的650hPa以上为辐散区，400hPa以上为强辐散区，中心值强度为15×10-5s-1，650hPa以下辐合区中心值强度达到-15×10-5s-1。18时（图b），对应的强雷暴区36.6°N附近可看到高层辐散，低层辐合的配置，辐合中心强度中心值为-12×10-5s-1，但与图a相比，高空辐散区位于550hPa，有所降低。中川机场在雷暴过程中一直维持低空辐合，高空辐散的配置，有利于上升运动的维持和加强，而且辐合辐散区与强雷暴区有较好的对应关系。

3.4 假相当位温分析

假相当位温可以表征大气温度、湿度的综合特征，θse的分布反映了大气中能量的分布[10]。θse的高值区为高能区，θse场中等值线密集区又为能量锋区，等θse线密集区是位势不稳定和斜压不稳定集中的区域，是大气中湿斜压不稳定能量集中的区域，蕴藏着可供中尺度对流发展所必需的不稳定能量[11-12]。图7是模拟的9月8日18时（北京时）假相当位温分布图。甘肃中南部地区均在325k的高值带中，最大值为330k，中心位置于甘肃中南部的西侧，为高温高湿区，此时甘肃省的中南部已积蓄了对流发展所必需的不稳定能量。

4 讨论和结论

利用WRF对2011年9月8日发展在甘肃中南部的一次雷暴过程进行了数值模拟，结果表明，WRF模式对此次过程的系统发展情况具有较好的模拟能力。

（1）这次雷暴过程是受500hPa高空冷槽东移南下，槽后冷空气不断向南输送到达我国西北地区，同时来自南海的暖湿气流向西北的中南部输送，低层切变线及地面锋面造成了这次强雷暴过程天气。

（2）模式输出的雷达强度图，能直观的反映出雷暴发生的范围、时间和地点，捕捉到雷暴单体和强回波中心的有关信息。

（3）模拟结果中的垂直运动、散度场的结构和强对流天气发生的落区有很好的对应，散度场低空辐合，高层辐散的形式，产生了强烈的上升运动。

参考文献：

[1]顾雷，陈露，陶祖钰，等.影响首都机场的一次雷暴过程的红外云图和闪电分析[J].高原气象，1998，02：3-5.

[2]史丹妮，等.2009.3.23东经成田机场坠机的气象条件分析与数值模拟[J].气象，2010，36（9）：9-13.

[3]李秀莲，等.风切变对飞行的影响及其预报时效分析[J].气象科技，2010，38（2）：170-174.

[4]李照荣，康凤琴，马胜萍.西北地区雷暴气候特征分析[J].灾害学，2005，20（2）：83-88.

[5]付伟基，陆汉城，王亮，等.WRF模式对弱强迫系统中雷暴预报个例研究[J].气象科学，2009，29（3）：323-329.

[6]常飞.华南前汛期降水特征及典型暴雨个例数值模拟[D].兰州大学硕士学位论文，2012.

[7]常飞，杨德保，王式功，等.一次鄂北春季降雪过程分析和数值模拟[J].高原气象，2012，31（5）：1294-1301.

[8]林明丽，欧阳也能，屈佑铭，等.2009年一次连续性暴雨过程的诊断分析和数值模拟[J].气象水文海洋仪器，2013，30（1）：36-40.

[9]Skamarock，W.C.，J.B.Klemp，et al.A description of the Advanced Research WRF version 3[R].NCAR technical note，2008.

[10]谢梦梨.江西“98.6”连续大暴雨过程的θse场特征.气象，1999，25（9）：49-51.

[11]郑仙照，寿绍文，沈新勇.一次暴雨天气过程的物理量分析[J].气象，2006，32（1）：105-106.

[12]施新民，姚宗国，黄峰.2006年1月19日宁夏北部暴雪成因分析[J].干旱气象，2006，24（2）：30.

作者简介：常飞（1983— ），女，汉族，湖北枣阳人，硕士，工程师，研究方向：航空气象预报。