張凌云，劉 蕾，王 藝，李宜爽

（柳州市氣象局，廣西 柳州 545001）

前言

強對流天氣是我國一類比較常見的氣象災(zāi)害，是由強對流系統(tǒng)引發(fā)的劇烈天氣現(xiàn)象，通常發(fā)生在特殊的天氣背景下。近年來，隨著多種新型遙感觀測系統(tǒng)開始建立和完善，特別是分辨率較好的雷達、衛(wèi)星資料的出現(xiàn)，為分析和監(jiān)測強對流天氣提供了更為詳盡的資料和可靠的手段，國內(nèi)外許多學者［1－5］利用這些高分辨率資料，針對不同地區(qū)的強對流天氣開展了大量研究。就冰雹而言，許煥斌等［6］利用冰雹云模式和冰雹運行增長模式，經(jīng)過一系列系統(tǒng)研究，提出了新的“穴道”動力與微物理相往耦合的概念模型，探究了冰雹形成和增長致災(zāi)的機理?？跌P琴等［7］利用三維冰雹云分檔模式，模擬研究了各類冰雹形成和增長的過程，探究青藏高原地區(qū)冰雹形成的機制。華南地區(qū)是冰雹高發(fā)區(qū)，許多學者也對出現(xiàn)在廣東、廣西地區(qū)的一些冰雹天氣的形成機制、環(huán)流背景、雷達特征［8－18］等進行了比較深入的分析，這些成果為研究和了解冰雹天氣的形成和發(fā)生機制提供了很好的理論依據(jù)。

2012年4月12日傍晚到夜間，柳州市遭受了一次冰雹災(zāi)害天氣襲擊，冰雹主要出現(xiàn)在市境北部的三江、融安、融水縣，冰雹最大直徑20㎜，降雹時間持續(xù)20min左右，局地伴有6～7級雷雨大風和短歷時強降水，災(zāi)情損失較嚴重。本文將運用數(shù)值模擬方法，深入探討此次強對流過程的發(fā)生機制及地形對強對流的影響，為柳州強對流天氣的短期預報提供一些理論支撐。

1 環(huán)流背景

4月 12日 08時 （圖 1a），200hPa桂北處于≥40m·s－1的高空偏西南急流中，500hPa 南支槽位于云南中部，廣西位于南支槽前暖濕氣流中，而溫度槽則已到達桂西，超前于高度槽，850hPa廣西處于西南急流左側(cè)比濕大于12g·g－1的濕區(qū)中，24h變溫大于0℃，有明顯的暖平流，地面廣西受強大的暖低壓控制，冷鋒在河套以南至長江以北地區(qū)。到了20時（圖 1b），桂北－桂中仍位于≥40m·s－1的高空西風急流中，500hPa南支槽中段已東移到河池，溫度槽則移到了湖南東南部，此時，桂北已開始有干冷平流侵入，850hPa切變線和地面冷鋒剛剛到達黔桂交界，桂北仍處于低空西南急流左側(cè)高溫高濕區(qū)。中層干冷平流的侵入造成了上層干冷、下層暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)，20時以后，500hPa南支槽繼續(xù)東移引導850hPa切變線和地面冷空氣逐漸侵入桂北，觸發(fā)了強烈的中尺度對流上升運動，最終導致了柳州“2012·4·12”強對流天氣的暴發(fā)。

圖1 2012年4月12日08時（a）和20時（b）環(huán)境場分析

2 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬所用模式是由美國環(huán)境預測中心（NCEP）、美國國家大氣研究中心（NCAR）等美國科研機構(gòu)中心共同開發(fā)的非靜力中尺度模式WRFV3.2.1版本。 利用 2012年 4月 12日 00時－2012年4月13日12時的每6h一次的NCEP全球客觀分析資料（水平分辨為 1°×1°）積分36小時對此次強對流過程進行模擬?？刂圃囼灧桨覆捎萌厍短拙W(wǎng)格，水平分辨率分別為D01：45km×45km，D02：15km×15km，D03：5km×5km，中心均定于 110°E、25°N（圖 2），垂直分 28 層，模式頂為 50hPa。D01、D02、D03 分別用精度為 10m、5m、2m （即大約為18km、9km、3.6km）的地形資料。 模式的參數(shù)化方案設(shè)計具體參照表1。

圖2 模式模擬區(qū)域（D02為第二重網(wǎng)格，D03為第三重網(wǎng)格）

表1 模式參數(shù)化方案設(shè)計

3 數(shù)值模擬結(jié)果對比檢驗

3.1 降雨量的檢驗

從過程雨量實況與模擬結(jié)果對比圖（圖3，見彩頁）可以看出，模擬出的雨帶范圍、形狀、雨量極值中心和位置跟實況均較一致，雨量極值中心位于融水附近，只是中心強度值模擬結(jié)果較實況略偏大，但仍在暴雨量級范圍內(nèi)。因此，總體而言，過程雨量的模擬結(jié)果與實況吻合度較好。

3.2 環(huán)流形勢檢驗

圖4給出的是4月12日20時850hPa流場實況（a）和數(shù)值模擬結(jié)果（b）對比，可以看出，模擬出的切變線位置、走向跟實況基本一致。同時對比分析了模擬的500hPa、700hPa、以及10m流場的形勢演變圖與實況圖（圖略），發(fā)現(xiàn)500hPa南支槽的位置與移速、700hPa低渦切變線的位置變化、以及近地面輻合線的位置與南壓的時間、冷空氣的強度和路徑，模擬結(jié)果與實況也基本一致，說明模擬方案較合理，模擬結(jié)果較成功。

圖4 2012年4月12日20時850hPa流場實況（a）與數(shù)值模擬結(jié)果（b）對比

4 數(shù)值模擬結(jié)果診斷分析

4.1 充足的水汽條件

低空急流的維持為強對流天氣的發(fā)生提供水汽供應(yīng)。從模擬出的850hPa風場演變來看，12日08時（圖5a）至20時（圖5b），廣西中東部一直維持較強的西南風低空急流，為強對流天氣的發(fā)生提供了充足的水汽條件，直至22時強對流天氣結(jié)束以后，柳州上空的西南風低空急流才逐漸南壓。

圖5 2012年4月12日08時（a）和20時（b）850hpa模擬流場圖（陰影部分為風速≥12m·s-1的區(qū)域）

4.2 較大的對流不穩(wěn)定能量

從模擬cape值的演變情況來看 （圖6），12日08時以后，柳州上空的不穩(wěn)定能量開始逐漸積累，14時左右達到最大值，接近2100m2·s2，其后不穩(wěn)定能量有所釋放，但釋放速度緩慢，直到19時以后，高低空急流的耦合和冷空氣的觸發(fā)，強對流天氣爆發(fā)，不穩(wěn)定能量開始迅速釋放，至20時cape值迅速降到100m2·s2左右，23時以后cape值降到0附近，與強對流天氣的發(fā)生和結(jié)束時間對應(yīng)較好。

圖6 2012年4月12日08時至13日08時模擬融水站 cape 值時間剖面圖（單位：m2·s2）

4.3 上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)

從模擬的相對濕度演變（圖7，見彩頁）來看，在強對流天氣發(fā)生前，柳州上空維持上干下濕的層結(jié)分布，12日14前，干冷層基本維持在500hPa以上，500hPa以下為暖濕層。14時以后，干冷層逐漸向500hPa以下擴展，同時低層的暖濕氣流也逐漸增強，說明柳州上空中低層逐漸有干冷平流的侵入，17時左右入侵到700hPa左右，低層的暖濕氣流也發(fā)展到最強盛，大氣層結(jié)不穩(wěn)定性也達到最強烈。20時前后，強對流觸發(fā)，由于上升運動的發(fā)展，上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)被破壞，低層的暖濕氣流被強迫抬升，濕層瞬間增厚。說明在強對流天氣發(fā)生時段，低層的暖濕氣流強盛，中高層則有干冷空氣侵入，中層較強的干冷空氣在鋒區(qū)上波動，通過斜壓擾動產(chǎn)生垂直環(huán)流，為強對流的的觸發(fā)提供動力條件。

4.4 強的垂直風切變

圖8是模擬的垂直速度（w）演變圖，正值代表上升運動，負值代表下沉運動。由圖可見，在強對流天氣發(fā)生前的能量積聚階段，12日17時以前，對流層中低層以上升運動為主，有利于不穩(wěn)定能量的積聚，特別是在14時前后，上升運動明顯增強，與cape值在14時左右達到最高峰相對應(yīng)。17時以后，對流層中下層（300hpa以下）開始出現(xiàn)下沉運動，說明中層已經(jīng)開始有干冷平流侵入，與濕度層結(jié)變化有較好的對應(yīng)。20時前后，隨著低層切變線和地面冷空氣的南壓，垂直運動方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，整個對流層都轉(zhuǎn)為上升運動，上升運動在300hpa附近達到最大，超過了2m·s－1，上下層出現(xiàn)了強的垂直風切變，強的垂直風切變觸發(fā)了強對流的爆發(fā)。23時，中低層轉(zhuǎn)為明顯的下沉運動，強對流天氣結(jié)束。

圖8 2012年4月12日08時至13日08時融水站垂直速度（w）時間剖面圖（單位：m·s-1）

4.5 較好的動力抬升條件

圖9為模擬的區(qū)域平均渦度（109°E～110°E，24°N～26°N）時間剖面圖。由圖可見，12日14時前，柳州上空對流層低層為正渦度，對流層中上層為負渦度，從14時開始，正渦度區(qū)擴展到對流層上部，強渦度柱伸展到250hpa左右，500hPa～400hPa渦度中心達到 5×10－5s－1以上，表明 12 日 14 時以后柳州地區(qū)的上升運動明顯增強。17時開始到20時前后，對流層上部的負渦度區(qū)向下侵入，表明對流層中上部出現(xiàn)下沉運動，與17時以后對流層中層的干侵入相對應(yīng)。20時左右，正渦度區(qū)明顯增強，強渦度一直伸展到 150hpa以上，900hpa～500hpa、和 200hpa附近分別出現(xiàn)了 6×10－5s－1和 4×10－5s－1的強渦度中心，表明20時上升運動發(fā)展最強烈階段，與強對流爆發(fā)的時間對應(yīng)較好。

圖9 模擬區(qū)域平均渦度（109°E～110°E，24°N～26°N）的時間剖面圖（單位：10-5s-1）

5 地形敏感性試驗

5.1 敏感性試驗設(shè)計方案

為了研究此次強對流天氣過程中柳州西北部山脈的作用，本文對柳州西北部的山脈高度進行了敏感性試驗（TER1、TER2），試驗范圍為：24.9°N～25.6°N，108.3°E～109.3°E （圖 10）。 TER 為原地形控制試驗，TER1試驗是將地形高度降至300m，TER2是將地形按比例增高到原地形的2倍（圖11，見彩頁）。然后將TER1、TER2和控制試驗（CTRL）模擬結(jié)果進行對比分析，從而探討柳州西北部山脈對柳州強對流天氣的影響。

圖10 柳州北部地形高度圖（單位：m）“▲”為柳州市政府所在地（圖中矩形所示區(qū)域為地形敏感性試驗中地形改變的區(qū)域）

5.2 敏感性試驗結(jié)果分析

5.2.1 地形對降水的影響

將敏感性試驗與控制試驗的過程降雨量結(jié)果進行對比（圖12，見彩頁），可以看出，地形改變后雨帶的分布形狀及范圍變化不大，降水中心強度也沒有明顯變化，只是強中心的形狀和位置出現(xiàn)了一些較小的改變。將地形降低至300米后（圖12b），山脈東南側(cè)降水量略有減?。欢鴮⒌匦胃叨仍黾?倍后（圖12c），強降水中心略有南落，且山脈東南側(cè)降水有較所增強，在山脈東側(cè)還出現(xiàn)了一個次強中心。從動力氣象學的角度分析，當西北部山脈變成“平臺”后，氣流可以平坦地流過山脈，沒有地形的強迫和氣流的堆積，因此山脈附近降水強度應(yīng)變??；而當?shù)匦胃叨壬吆?，西南暖濕氣流?jīng)過水汽通道被輸送到其迎風坡處，受到地形的阻擋，使得水汽和熱量堆積，并在地形強迫作用下產(chǎn)生迎風坡降水，降水量級應(yīng)增大。對于此次強對流天氣過程而言，強天氣以冰雹和雷雨大風為主，過程降水量級不大，只有很小的局部地方出現(xiàn)了暴雨，因此，地形對降水的影響不十分顯著，敏感性試驗也恰好說明了這一點。

5.2.2 地形對水汽條件的影響

診斷分析結(jié)果表明，此次強對流天氣醞釀和爆發(fā)期間，廣西上空中低層一直維持東北－西南走向的急流帶，柳州處于這支急流帶的左側(cè)，低空急流一方面為強對流天氣輸送水汽和能量，另一方面其與高空急流的耦合也是此次強對流的重要觸發(fā)機制。圖13給出的是12日20時850hPa流場與全風速≥12m·s－1疊加圖，CTRL 試驗（圖 13a）結(jié)果表明，廣西上空風速≥12m·s－1的西南急流帶涵蓋了除桂西北以外的大部地區(qū)，最風速中心達18m·s－1以上，在山脈的西面有一個低渦。與控制試驗相比，地形降低后（圖13b），急流的總體影響范圍變化不大，但在山脈南部，也就是柳州西北部，風速有一塊明顯增大，24°～25°N 之間出現(xiàn)了≥12m·s－1的風速區(qū)，最大風速中心≥14m·s－1，急流軸的影響范圍也略向北擴展，這說明柳州西北部山脈降低至“平臺”后，強盛的西南氣流可以越過山脈向北推進，地形抬升作用減弱。而由于低渦位于山脈西部，因此，地形降低對低渦位置和強度影響不大。與控制試驗相比，地形升高后（圖13c），急流的強度有所減弱，表現(xiàn)在≥18m·s－1的風速中心明顯縮小，山脈南部的急流影響范圍稍有南落，山脈西側(cè)的低渦也減弱消失，這表明地形升高以后，由于受到地形的阻擋，其南側(cè)的偏南風風速減小，西南暖濕氣流被山脈隔斷，因此通過急流輸送的水汽和能量只能被輸送到其迎風坡，在此水汽和熱量堆積，地形強迫抬升作用增強，對強對流的觸發(fā)更有利。對比圖a、b、c還可以看出，地形對山脈北部氣流的影響不大。

圖13 2012年4月12日20時850hPa流場與全風速≥12m·s-1疊加圖（陰影）CTRL 試驗（a），TER1 試驗（b），TER2 試驗（c）

5.2.3 地形對冷空氣路徑的影響

圖14給出的是12日20時廣西上空10m高度的流場圖。對比控制試驗和敏感性試驗結(jié)果可以看出，地形改變前后，近地層輻合線的走向、位置、形態(tài)都沒有明顯的改變，這與前文分析的“地形對山脈北部氣流的影響不大”相吻合。診斷分析表明，此次強對流天氣過程冷空氣較深厚，到達500hpa以上，而在此次敏感性試驗中，地形抬高至兩倍后，柳州西北部山脈的高度也只有2000m左右，低于冷空氣的厚度，因此地形改變對深厚的冷空氣路徑影響不大。

圖14 2012年4月12日20時10m流場圖CTRL 試驗（a），TER1 試驗（b），TER2 試驗（c）

5.2.4 地形對動力條件的影響

圖15a、15b、圖15c分別為TER試驗、TER1試驗和 TER2 試驗的區(qū)域平均渦度（109°E～110°E，24°N～26°N）時間剖面圖。對比圖15b和圖15a可以看出，當?shù)匦蜗鳛椤捌脚_”以后（圖15b），強渦度柱出現(xiàn)的時間、伸展高度變化不大，但正渦度中心的強度稍有增強，正渦度中心值為 6×10－5s－1變?yōu)?7×10－5s－1，正渦度中心高度略有增高，由900hpa～hpa500hpa變?yōu)?00hpa～hpa400hpa之間。由前文分析可知，此次強對流天氣過程冷空氣較深厚，地形變化對冷空氣影響不大，但地形對西南急流影響較明顯，因此地形高度降低后，由于山脈南部偏南急流有所增強，與南下的冷空氣輻合也有所增強，動力條件反而比地形改變前略好。對比圖15c和圖15a可以看出，地形升高以后，強渦度柱出現(xiàn)的時間和伸展高度變化也不大，但中低層正渦度中心有了明顯增強，低層渦度大值區(qū)由 6×10－5s－1增加到 9×10－5s－1，且在 900hpa～800hpa之間還出現(xiàn)了中心值為 8×10－5s－1的次渦度中心，表明地地形升高以后，暖濕氣流被山脈的強迫抬升作用增強，輻合上升運動更強烈，形成的正渦度中心也更大，因此對強對流的發(fā)生更有利。

圖15 2012 年 4 月 12 日 20 時區(qū)域平均渦度（109°E～110°E，24°N～26°N）的時間剖面圖（單位：10-5s-1），TER 試驗（a）TER1 試驗（b），TER2 試驗（c）

6 結(jié)論與討論

（1）數(shù)模擬結(jié)果和診斷分析表明，此次冰雹強對流天氣發(fā)生在典型的上層干冷下層暖濕的不穩(wěn)定大氣層結(jié)中，強對流天氣發(fā)生需要較長的能量積累時間，但強對流爆發(fā)后能量釋放迅速且時間短暫。強對流發(fā)生前上升運動較弱，且當中層有“干侵入”時會出現(xiàn)較弱的下沉運動，但在強對流爆發(fā)時上升運動瞬間突增，強上升運動到達對流層上部，并出現(xiàn)強的垂直風切變。渦度條件與垂直運動有類似的變化特點，強對流發(fā)生前正渦度較小，伸展高度較低，強對流爆發(fā)時正渦度迅速增加，強渦度柱伸展到對流層上部。

（2）地形敏感性試驗結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn)，因此次過程降水強度較小且局地性較強，地形變化對過程降水量的總體分布影響不大，而由于山脈北部氣流較強，冷空氣較深厚，因此，地形變化對冷空氣路徑和南下時間的影響也不大。但地形變化對山脈南部氣流的影響相對較明顯，地形降低使山脈南部急流強度有所加大，地形升高使山脈南部急流強度有所減弱，急流核有所南落。地形變化對動力條件的影響有些特殊，表現(xiàn)在地形升高使正渦度中心強度明顯增強，但地形降低也使正渦度中心稍有增強，這主要與冷空氣較強且不受地形影響有關(guān)。

（3）數(shù)值模擬和地形敏感性試驗個例較少，更多關(guān)于強對流天氣的發(fā)生機制以及地形影響機制的研究，還有待在今后的工作中不斷完善。

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