新疆地区夏季平流层低层风场特征分析及数值模拟

王晓婷 李森 史小康 黄江平 胡艳冰

(北京航空气象研究所，北京 100085)

引言

平流层是介于对流层与中层之间的大气层，层内气流平稳，没有强烈的对流运动[1]。在平流层冬夏季节转换期间，纬向东西风区之间会存在低风速的纬向风转换层[2]，被称为零风层、弱风层，它是部署平流层飞艇、高空气球等临近空间飞行器执行对地观测、网络通信、环境监测、防灾减灾、预警探测等任务的理想环境[3-5]。吕达仁等[6]针对临近空间飞行器的特点，提出了准零风层(Quasi-Zero Wind Layer，QZWL)的概念，即平流层准零风层一般指平流层下层20 km高度附近的大气层，上、下层纬向风风向相反，同时南北风分量亦很小。平流层准零风层的低风速特点不仅对于平流层飞艇、高空气球等临近空间浮空器有重要的应用价值，同时也是影响临近空间浮空器姿态及动力控制的重要因素[7]。因此，加强平流层准零风层的规律及预报方法研究，对于加强临近空间浮空器的开发及应用具有十分重要的意义。

在准零风层的概念提出后，国内一些学者相继开展了有关准零风层的特征分析和影响机理研究。肖存英等[8]利用ERA-40再分析风场资料首次分析了中国上空平流层准零风层的特点及其随季节和地理位置的变化特征，指出低纬地区一般在冬季和初春存在准零风层；中高纬地区一般在春末和夏季存在准零风层；而中低纬过渡区域准零风层的存在与准两年震荡(QBO)有关。陶梦初等[9]根据不同的形成机制将准零风层划分为2类，即由各高度处于不同准两年振荡QBO位相期间形成的第1类准零风层和由平流层低层经向温度梯度逆转形成的第2类准零风层，并分别研究了2类准零风层的变化规律。杨婷婷[10]分析了北半球平流层准零风层的分布特征，并分别探讨了QBO、平流层经向温度梯度和行星波涡动通量输送对准零风层的影响。陈伯青[11]利用ERA-Interim再分析资料与库尔勒站探空资料，分析了中国上空准零风层的时空分布特征及其影响因素。刘杰等[12]利用NCEP再分析风场资料和探空资料研究了新疆地区平流层底层风场的特征，结果表明从春季到秋季准零风层存在明显的空间变化特征，其起始高度、稳定高度呈“U”型分布。前人的研究结果表明，中国上空准零风层的分布特征随季节和地理位置而变化。中纬度地区的准零风层存续时间最长，其中新疆地区上空准零风层的累计天数可超过100 d[11]，且在夏季稳定存在。

目前可用于风场建模和预测的方法主要包括2类：数值天气预报方法[13-15]和统计模型方法[16-18]。有些学者开展了针对平流层风场预测的研究。陈伯青[11]研究了基于Weibull函数的风速分布拟合模型对于中低纬度地区准零风层分析的适用性，表明根据Weibull 分布计算特定的累积概率风速值，可以作为选取适宜平流层飞艇运行的低风速风场的判据。李魁等[19]提出一种基于本征正交分解(POD)的风场数据降阶方法，并提出一种可以对平流层风场进行预测的Fourier模型。龙远等[20]研究了基于PSO-BP神经网络的平流层区域风场建模与快速预测方法。前人的工作大多侧重于平流层风场的统计建模，有关平流层风场数值预报的研究尚不多见。鉴于此，本文以夏季新疆地区的准零风层为代表，开展平流层低层风场的特征分析与数值模拟研究，探索利用高分辨率数值模式开展平流层风场预报的可行性，为临近空间浮空器的风场预测提供手段。

1 资料

新疆地区夏季平流层低层风场特征分析采用美国国家环境预报中心(NCEP)提供的全球分析资料(FNL)，水平分辨率为0.25°×0.25°，垂直方向31层(1000～1 hPa)，时间分辨率6 h。数值模拟采用NCEP发布的全球预报系统资料(GFS)，水平分辨率为0.25°×0.25°，垂直方向31层(1000～1 hPa)，时间分辨率3 h。采用新疆乌鲁木齐站的探空资料用于模拟结果的检验，该资料包括垂直各层的气压、高度、气温、露点、风向、风速等要素，时间分辨率12 h。

2 新疆地区夏季平流层低层风场的特征分析

2.1 纬向风随纬度时间的变化特征

中纬度地区准零风层的形成主要跟平流层纬向风的季节转换有关，因此从纬向风转换的规律可以分析得到准零风层的变化规律。本文采用FNL资料分析新疆地区纬向风场的转换规律，为进一步说明FNL资料的可信度，选取乌鲁木齐站为代表，对2017年6—8月探空资料与FNL资料平流层纬向风随时间的演变趋势进行对比分析(图1)，二者的演变趋势非常接近，70 hPa、50 hPa、30 hPa二者的相关系数分别为0.89，0.88和0.93，均通过0.05显著性检验，表明利用FNL再分析资料开展平流层低层风场的特征分析是可行的。在此基础上，利用2017年6—8月的FNL再分析资料分析了沿85°E的30 hPa、50 hPa、70 hPa纬向风随纬度和时间的变化(图2)。可以看到，在30 hPa高度上新疆大部分地区整个夏季盛行东风。在50 hPa高度上，纬向风随时间的演变存在明显的经向差异。具体表现为，6月初至8月中旬前后，新疆地区自北向南西风减弱，东风增强；8月下旬开始，南部的东风减弱，北部的西风增强。在70 hPa高度上，除40°N以南地区在6月下旬至8月初受东风控制以外，其余地区和时段主要盛行西风。从夏季50 hPa纬向风随时间的演变情况也可以看出，整个夏季纬向风呈现先西风转东风，再东风转西风的特征。此外，纬向风的转换存在经向差异，西风转东风的起始时间新疆南部地区早于北部地区，而东风转西风的起始时间北部地区早于南部地区。同时也说明，新疆地区准零风层出现的时间南部地区早于北部地区，而准零风层结束的时间则是北部地区早于南部地区。

图1 2017年6—8月乌鲁木齐站探空资料(红色)与FNL再分析资料(蓝色)平流层低层纬向风随时间演变 (图中实线：70 hPa；长虚线：50 hPa；短虚线：30 hPa)

图2 2017年6—8月沿85°E的纬向风随纬度-时间的分布:(a)30 hPa,(b)50 hPa,(c)70 hPa

2.2 纬向风随时间高度的变化特征

为进一步揭示准零风层随时间的变化特征，以乌鲁木齐站为代表利用FNL资料绘制站点上空平流层纬向风随高度和时间的变化图(图3)。图3中零线为纬向风的零风速线，可以表征准零风层高度。可以看到，准零风层在整个夏季均稳定存在。准零风层下方为弱西风层，准零风层上方为弱东风层。整个夏季准零风层处于70～40 hPa之间，准零风层高度随时间存在小幅波动变化，但总体上呈现先降低而后升高的变化趋势，这种变化趋势与平流层纬向风的季节转换有很好的对应关系。夏初平流层中下层由西风转为东风，之后伴随东风逐渐增强准零风层高度逐渐降低，夏末随着东风逐渐减弱，准零风层高度又逐渐恢复到夏初的位置。新疆地区夏季准零风层的形成机制可以用热成风原理来解释。根据热成风原理平流层纬向风的分布取决于对流层上部的纬向风和平流层的纬向温度梯度，北半球夏季在辐射过程的影响下，平流层大气平均纬向温度梯度由低纬指向高纬(为正值)，因此对流层上部的西风会随高度逐渐减小，并在某一高度减小为零，再向上转为东风，在下层西风与上层东风之间形成准零风层[8]。

图3 2017年6—8月乌鲁木齐站纬向风随高度-时间的分布

2.3 水平风速、风向的频率分布

2.3.1 水平风速的频率分布

图4为利用FNL再分析资料统计的夏季新疆地区30 hPa、50 hPa、70 hPa各层水平风速的频率分布。可以看出，整个夏季30 hPa水平风速概率集中分布在5～10 m/s之间；其次6月和8月水平风速落在0～5 m/s区间的频率较高，而7月水平风速落在10～15 m/s区间的频率较高。50 hPa水平风速频率主要集中分布在0～5 m/s，其次是5～10 m/s，各月水平风速频率的分布比较一致。70 hPa水平风速频率主要分布在0～5 m/s和5～10 m/s两个区间，且各月存在明显的差异，低风速出现的频率随月份显著减少，而高风速出现的频率随月份显著增加。对各层次低风速频率分布的对比分析还发现，50 hPa准零风层出现的累计频率最高，是新疆地区夏季准零风层存在的主要层次。30 hPa低风速出现的频率存在先减小而后增大的现象，也从侧面说明夏季准零风层高度随时间的变化存在先降低而后升高的现象。

图4 新疆夏季水平风速的频率分布:(a)30 hPa,(b)50 hPa,(c)70 hPa

2.3.2 水平风向的频率分布

图5为利用FNL再分析资料统计的夏季新疆地区30 hPa、50 hPa、70 hPa各层水平风向的频率分布。可以看到，整个夏季30 hPa的水平风向主要为东南风；50 hPa的水平风向主要为偏东风，其中以东风的频率最大，其次是东北风和东南风；70 hPa的水平风向主要为偏西风，其中以西南风的频率最大，其次是西风和西北风。

图5 2017年新疆地区夏季平流层风向玫瑰图

3 平流层低层风场的数值模拟

3.1 模拟方案

本文数值模拟采用的模式为WRFV4.1.2版本。模式中心点设为(87.32°E，42.4°N)，水平格点数为501×501，水平分辨率为1 km，垂直方向84层。经过多组物理方案的对比试验，最终采用的物理方案包括：NSSL2-moment云微物理过程方案，MYNN地表过程方案，RUC陆面过程方案，MYNN边界层过程方案，rrtmg短波辐射和长波辐射方案。数值模拟试验时间为2019年8月1—10日，每日起报2次，起报时间分别为00:00和12:00(世界时，下同)，模拟时效为12 h。采用GFS资料作为驱动场，每3 h更新1次。

3.2 模拟结果

3.2.1 纬向风、经向风廓线的模拟

利用新疆乌鲁木齐站的探空资料对平流层低层各层经向风和纬向风风速误差进行检验。图6给出了2019年8月1—10日时段内，纬向风和经向风的均方根误差随高度分布，在准零风层高度范围内(一般18～25 km)经向风和纬向风的均方根误差均小于3 m/s。总体来看，平流层中低层纬向风和经向风的模拟误差除个别高度接近或超过3 m/s，其余高度均方根误差在2 m/s左右。

3.2.2 准零风层的模拟

图7给出了乌鲁木齐2019年8月1日00:00—12:00纬向风的模拟结果，从图中可以清晰的看到平流层准零风层位于20 km附近，下层为弱西风，上层为弱东风。为了更精细地刻画准零风层高度、风向、风速等参数的特征，本文在高分辨率数值模拟的基础上对模拟结果在垂直层次上进行了加密插值处理，垂直分辨率达到200 m，并采用如下的判别方法确定准零风层的高度：①对水平方向上的任意格点，从对流层顶开始向上判别是否存在纬向风的转换层(即下层为西风且上层为东风的层次)，同时满足风速小于等于8 m/s。如存在纬向风转换层则将该层的高度确定为准零风层的起始高度；②自准零风层起始高度向上逐层判别，将同时满足风速小于等于8 m/s和风向为偏东风(即U<0)的最大高度，作为准零风层的顶高。

图7 2019年8月1日00:00—12:00乌鲁木齐上空纬向风场模拟

依据准零风层诊断方法，得到2019年8月1—10日准零风层起始高度及其对应风向和风速的模拟与探空资料对比结果(图8)。需要说明的是，2019年8月8日00:00的探空资料因探测高度偏低，未能分析得到实际准零风层的相关参数，其他时次探空数据均可分析得到准零风层。从准零风层起始高度及其对应的风向、风速随时间演变的模拟结果与探空资料对比来看，两者随时间的演变趋势比较一致，但模拟的准零风层风速较实际偏大。整个模拟时段内准零风层起始高度的平均绝对误差为467 m，起始高度对应的风速均方根误差为1.75 m/s。

图8 2019年8月1—10日乌鲁木齐站模拟与观测的准零风层参数随时间演变:(a)准零风层起始高度,(b)风速,(c)风向

4 结论与讨论

本文利用2017年6—8月的FNL再分析风场资料，分析了新疆地区夏季平流层低层风场的时空演变特征，开展了平流层低层风场的高分辨率数值模拟并利用乌鲁木齐站的探空资料对模拟结果进行了检验。

(1)新疆地区夏季平流层纬向风随时间的变化存在经向差异，这一特征在50 hPa高度最为明显；同时准零风层开始和结束的时间也存在经向差异，准零风层的出现时间南部地区早于北部地区，而准零风层的结束时间则相反。

(2)新疆地区夏季准零风层处于70～40 hPa之间，其高度随时间呈先降低而后升高的变化趋势，这种变化趋势与平流层纬向风的季节转换有很好的对应关系。

(3)对各层风速、风向频率分布的统计分析表明，50 hPa准零风层出现的累计频率最高，是新疆地区夏季准零风层存在的主要层次。30 hPa低风速出现的频率存在先减小而后增大的现象，从侧面也说明夏季准零风层高度随时间的变化存在先降低而后升高的现象。

(4)对平流层低层风场的模拟检验结果表明，在准零风层高度范围内(一般18～25 km)经向风和纬向风的均方根误差均小于3 m/s。模拟的准零风层起始高度及其对应的风向、风速随时间演变趋势与探空资料分析的结果比较一致，模拟时段内准零风层起始高度的平均绝对误差为467 m，起始高度对应的风速均方根误差为1.75 m/s。

文中以新疆地区为代表对中纬度地区的准零风层开展了数值模拟，并初步验证了高分辨率数值模式在准零风层预报中的适用性，但由于模拟范围有限，对可能影响准零风层变化的天气系统刻画能力不足，有待后续开展深入研究。