劉善峰，陸正奇，韓永翔*，李哲，梁允

(1.河南省電力公司電力科學研究院，鄭州 450000；2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，中國氣象局氣溶膠-云-降水重點開放實驗室，南京 210044)

隨著配電網容量的日益擴大，大風對配網的影響愈發(fā)嚴重，僅2018年1—8月河南全省10 kV故障停電中，自然因素引發(fā)故障的比例高達31.81%，而在所有自然因素導致的故障停電中，大風導致的故障停電占比34.18%，是自然因素中最主要的原因。因此，準確有效地對大風風速進行預測，對提升電網防災減災能力、提高電網企業(yè)的運營效益，進而保障廣大居民用電具有重要意義。

大風的定性和半定量預報可以追溯到20世紀初，學者們通過分析天氣圖中鋒面的移動對大風預報進行定性預報[1-2]。隨著氣象觀測技術的發(fā)展，衛(wèi)星、雷達等先進的觀測儀器可直觀、大范圍、定量地監(jiān)測氣旋的生成、發(fā)展及移動方向[3-5]，它與天氣圖上鋒面的移動相結合，使得系統(tǒng)性大風的預報技術日趨完美，大區(qū)域的、系統(tǒng)性大風的定性預報準確率有了很大提高，但定量的、高精度的大風預報仍然非常薄弱[6-7]。目前對大風的定量預測主要依靠單站的氣象要素與風速的經驗公式，預報結果具有很強的局地性[8]，很難進行大范圍推廣，僅能作為天氣圖鋒面預報大風技術的補充。

隨著數值模式的發(fā)展，利用中尺度天氣模式進行預測逐漸成為學者們關注的重點，如天氣研究和預報(weather research and forecasting，WRF)模式。由天氣學核心方程組發(fā)展起來的天氣模式本身就帶有預報風的能力[9]，它可以較好地模擬區(qū)域大風的過程，但預報的風速常低于實際的風速[10-11]。Brasseur[12]根據大風產生的物理過程提出了大風預報方法(wind gust estimate method,WGE)，許多學者將其耦合到多個數值天氣預報模式中[13-15]，發(fā)現(xiàn)它可定量地預報大風的風速、時間、地點，具有良好預報系統(tǒng)性大風的能力，如LaCroix對美國境內及海岸線發(fā)生的多個熱帶氣旋及冷空氣過程帶來的大風天氣進行了模擬評估，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性大風過程的模擬結果與觀測匹配[16]；Goyette等[17]利用耦合了WGE方案的加拿大區(qū)域氣候模式對加拿大的2次風暴過程進行了數值模擬，發(fā)現(xiàn)模擬的風速時空分布特征與觀測值基本一致；Stucki等[18]利用WGE方案結合WRF模式對1961年以來歐洲大風風險進行了模擬及評估，認為模擬的風速結果符合歷史記錄。國內Chan等[19]對利用WGE方案結合區(qū)域大氣模式(regional atmospheric modelling system,RAMS)對香港地區(qū)的一次臺風過程中的大風風速進行了模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結果與雷達監(jiān)測結果較為接近。雖然許多國家利用WGE進行了大風的模擬和預測，但其是否適用于中國大陸的系統(tǒng)性大風預報和模擬仍沒有得到很好的驗證。

2018年3月14—16日，受南下冷空氣影響，河南省全境出現(xiàn)了一次大范圍的春季大風過程?，F(xiàn)通過分析本次春季大風的天氣形勢、大氣環(huán)流特征，進而利用耦合WGE方案的WRF模式，對本次春季大風過程出現(xiàn)的時間、風速變化及其空間分布特征進行數值模擬，進而評估WGE方案對本次大風天氣的模擬效果，驗證WGE方案在中國大陸的系統(tǒng)性大風預報和模擬的適用性。

1 資料來源、模式設計及WGE方案簡介

1.1 資料來源及實驗設計

地面氣象觀測資料由河南省氣象局服務中心提供，包括河南及周邊省份的國家氣象基準站、區(qū)域站每日逐小時觀測的平均風速、瞬時極大風速(大風)、風向等氣象要素。1°×1° 的再分析資料(final reanalysis data，F(xiàn)NL)來自美國環(huán)境預報中心和大氣研究中心。

利用WRFV3.8.1對2018年3月14日8:00—17日8:00河南省一次春季大風過程進行數值模擬。模擬區(qū)域如圖1所示，模式采用2層嵌套，水平分辨率分別為12 km和4 km，垂直方向分為43層。每1 h輸出一次模擬結果。模式的初始及邊界條件采用美國大氣環(huán)境預測中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)的FNL資料且每隔6 h更新模式的預報場。使用美國地質調查局(United States Geological Survey，USGS)提供的 2 m和30 s高分辨率地形高程資料及MODIS衛(wèi)星30 s分辨率的下墊面類型作為地形數據。模擬過程中微物理方案采用WSM5方案[20];邊界層方案選取Mellor-Yamada-Janjic(MYJ)方案[21]，該方案能輸出邊界層內的湍流動能，是WGE方案計算的前提。長波輻射選取快速準確輻射傳輸模型(rapid and accurate radiative transfer model，RRTM)方案[22],短波輻射方案選取Dudhia方案[23],陸面過程為Noah方案[24]，僅在第一層嵌套中使用Kain-Fritsch積云對流方案[25]。

圖1 模擬區(qū)域設置Fig.1 Map of model domains

1.2 WGE陣風預報方案介紹

WGE方法由Brasseur提出，認為陣風是邊界層內空氣塊偏轉運動的結果，這一偏轉運動由包含足夠能量的湍流渦旋克服熱浮力作用，將高空中的空氣團輸送至地表引起大風。在邊界層內，當湍流動能大于空氣塊本身的浮力能時，空氣塊被湍流向下輸送到達地面，形成地表大風。具體的算法如下。

假設某一高度Zp的空氣塊可被湍流輸送至地表，則大渦的平均湍流動能大于空氣塊具有的浮力能，即

(1)

式(1)中:Zp為空氣塊的高度；g為重力加速度；E(z)為不同高度處的湍流動能；θv(z)為不同高度處的虛位溫；Δθv(z)為相鄰兩個高度層間的虛位溫差。當模式某一高度滿足式(1)時，該高度處的水平風速能傳輸至地面引發(fā)陣風，陣風風速為

(2)

式(2)中：Wg為不同高度處滿足式(1)的最大風速；U(Zp)、V(Zp)分別為Zp高度處水平風速的U、V分量。

2 結果分析

本次春季大風首先出現(xiàn)在中國東北，3月14日20:00，華北北部出現(xiàn)大風，15日8:00—20:00，河南大部地區(qū)自北向南出現(xiàn)大風、降溫天氣過程。如鄭州等地15日比14日的最高氣溫下降了15 ℃以上，河南省中北地區(qū)風速普遍達到8級以上，新鄉(xiāng)、鶴壁、焦作、嵩山等部分地方風力達10級以上，其中高山氣象站嵩山的極大風速達到了11級。

此次春季大風過程是一次西伯利亞強冷高壓南下由冷鋒形成的系統(tǒng)性大風。從地面冷鋒動態(tài)來看(圖2)，冷鋒14日主要影響東北，14日20：00到達華北地區(qū)，冷鋒移動速度相對較慢，15日8：00冷鋒前鋒抵達河南省北部安陽一線，隨著白天氣溫的升高和高空江淮流域南支槽的接應，冷鋒在河南境內移動速度明顯加快，14：00冷鋒已經到達淮河流域，20：00冷鋒移出河南抵達長江一線，大風天氣過程逐漸減弱結束。

圖2 大風過程中的地面冷鋒示意圖Fig.2 Weather analysis of ground cold front during strong wind

2.1 豫北地區(qū)風核的原因分析

這次大風過程是由于強冷鋒過境引起的，雖然東北、華北、河南、江淮等地均出現(xiàn)了大風，但大風的極值中心卻只出現(xiàn)在豫北地區(qū)，其原因值得探討。

2.1.1 冷鋒的移動速度

冷鋒及其后部常出現(xiàn)大風區(qū)，大風區(qū)隨冷鋒自北向南移動，如圖3所示。冷鋒前后的溫差越大，冷鋒的移動速度越快。根據圖2和圖3可知，14日20:00—15日2:00，冷鋒到達華北地區(qū)，其間華北平原正值夜間，地面氣溫低、空氣密度大，與冷鋒的溫差小，冷暖空氣活動不劇烈，故而移動速度非常慢，華北北部僅出現(xiàn)5級以上的大風區(qū)，到15日2:00，華北大風區(qū)域甚至分裂成兩個小的區(qū)域。15日8:00，冷空氣前鋒抵達河南北部，隨著太陽對鋒前暖濕空氣的加熱上升，使得鋒前空氣的抬升抽吸作用明顯加強，而鋒后冷重空氣加速南下，鋒面移動速度明顯加強，大風區(qū)和極大風速明顯加強增大。15日14:00地面冷鋒到達淮河流域，同3月14日河南大部最高溫度20 ℃以上相比，冷鋒前后溫度差在15 ℃以上，巨大的溫差使得冷鋒前的熱低壓進一步加強，氣壓更低、上升運動及造成的抽吸效果更明顯，為鋒后冷空氣的快速南下起到了引導作用，河南中北部風速加強、區(qū)域變大。其后，隨著鋒前氣溫的逐漸降低，冷鋒前后溫度差逐漸減小，河南境內大風區(qū)域明顯縮小、風力減弱。隨著夜晚的來臨，冷鋒前后溫度差更小，江淮及其以南地區(qū)的大風逐漸減弱。

圖3 大風區(qū)變化示意圖Fig.3 Schematic diagram of the variation of severe wind area

2.1.2 豫北地區(qū)地形和冷鋒入侵方向的關系

冷鋒的移動速度可以解釋此次過程中河南風速較其他地區(qū)大的原因，仍沒有能夠解釋豫北地區(qū)在河南大風區(qū)域中出現(xiàn)風核的原因。

豫北地區(qū)的西北方有太行山、呂梁山、中條山系，西和西南方有自西向東延伸的秦嶺山脈、嵩山等山脈，黃河介于其間,構成東北-西南向狹長河谷,其中鄭州、開封位于河谷東端南岸與平原結合處，新鄉(xiāng)、鶴壁、焦作位于太行山東麓，這種特殊的地形易形成“狹管效應”。如果冷鋒來自西部，坐西向東的大風通過黃河河谷導致鄭州、開封的西北風特大，而新鄉(xiāng)、鶴壁、焦作地區(qū)受太行山東南麓的屏障作用，風速較?。划斃滗h的入侵方向來自華北時，氣流從東北方向灌入太行山東麓、黃河河谷時形成狹管效應，這一區(qū)域的風速將加大。此次大風過程的入侵方向正好是從華北入侵河南，河南本身就處于大風區(qū)域中，加上豫北地區(qū)的“狹管效應”，從而在新鄉(xiāng)、鶴壁、焦作一帶形成了一條極大風速在10級以上的大風帶，使豫北地區(qū)成為此次系統(tǒng)性大風的核心區(qū)，多地出現(xiàn)了25 m/s的瞬時大風。

2.2 大風過程數值模擬與驗證

2.2.1 大風的空間變化特征

首先利用WRF模式對本次河南省的大風過程進行了數值模擬，并與氣象站的觀測的瞬時風速進行比較(圖4)。3月15日6：00，觀測資料顯示冷鋒前端到達36°N～37°N附近，受此影響，河南省以北地區(qū)的瞬時風速達12～16 m/s，而河南省中部及南部地區(qū)的瞬時風力等級較低(4～8 m/s)；WRF模式準確模擬了冷鋒到達前河南省風場的空間分布特征，且風速高值區(qū)的位置與強度與觀測結果匹配較好。15日12:00，隨著冷空氣的快速南下，觀測的大風高值區(qū)域移動到河南省中北部地區(qū)，其中焦作、鶴壁及嵩山等氣象站觀測到30 m/s以上的大風，模擬的風速高值區(qū)位置與觀測結果較為吻合，但最大風速較觀測結果明顯偏低6～12 m/s。15日18:00，隨著冷空氣的進一步南下，河南南部地區(qū)的南陽、駐馬店一帶也出現(xiàn)了20～28 m/s的瞬時大風，WRF模式較好地捕捉到這一大風區(qū)的空間分布特征，但風速強度較觀測結果明顯偏低4～8 m/s。

圖4 河南省3月15日6:00—18:00的風場的空間特征Fig.4 Spatial distribution of the wind field in Henan Province from 6:00 to 18:00,15th March,2018

WRF模式模擬的風場是一個平均值，并不能反映實際瞬時風速的空間變化特征，為了彌補這一缺陷，利用耦合了WGE大風預報方案的WRF-WGE模式，對本次河南省的大風過程中的風速重新進行了數值模擬[圖4(c)、圖4(f)、圖4(i)]。模擬結果顯示，3月15日6:00，大風高值區(qū)域位于河南省北部地區(qū)，最大風速為16～20 m/s，較觀測結果偏高2～4 m/s左右；15日12:00，模擬的大風高值中心移動到河南省中北部地區(qū)，最大風力等級達32～36 m/s，與觀測結果極為匹配，但大風發(fā)生范圍較觀測結果略為偏大；15日18:00，模擬的大風高值中心位于河南南陽和山西運城一帶，與觀測結果較為吻合，最大大風風速達24～28 m/s，較觀測值略為偏高2～4 m/s。

因為研究區(qū)站點眾多，大風出現(xiàn)的時間并不相同。為此，又繪制了3月15日風速的日極值空間分布，并分別與WRF及WRF-WGE的模擬結果進行了比對(圖5)。本次大風過程中，河南省中北部、西南部及太行山東部均出現(xiàn)了風速大于28 m/s的高值區(qū)，且除河南省西部地區(qū)外，河南省其他區(qū)域當日最大風速均超過16 m/s。與觀測結果相比，WRF模式模擬的日最大風速較觀測結果明顯偏低，雖然風速高值區(qū)的位置與觀測結果匹配較好，但無論是風速高值區(qū)還是其他區(qū)域的大風風速均較觀測值明顯偏低4～8 m/s。而WRF-WGE能較好地反映日最大風速的空間分布特征，模擬的各風速高值區(qū)的最大風速均超過28 m/s，與觀測值極為接近，但高值區(qū)范圍略為偏大。這可能是由于模擬分辨率較粗，導致模擬的強風范圍較觀測結果略為偏大。

2.2.2 單站大風風速的時間變化特征

據氣象觀測資料顯示，本次大風過程的風速高值區(qū)主要位于河南省中北部，區(qū)域瞬時風力普遍達到8級以上(>17.2 m/s)，其中新鄉(xiāng)市黃堤站、鶴壁市裕豐站、焦作市東板橋站及嵩山站監(jiān)測到的瞬時風速均超過30 m/s。因此提取了上述4個氣象站3月14日8:00—3月16日20:00瞬時風速的時間序列，并與WRF和WRF-WGE的模擬結果進行了比對(圖6)。結果顯示：除嵩山站外，其他3個氣象站的大風風速呈單峰分布特征，大風極值均出現(xiàn)在中午11:00—13:00，而嵩山站由于海拔較高，大風風速呈雙峰分布，大風極值分別出現(xiàn)在12:00及18:00。僅用WRF也能夠準確地模擬出各氣象站風速的時間變化特征，但模擬的大風風速整體較觀測結果偏低4～10 m/s，大風峰值較觀測結果明顯偏低10～14 m/s。

而WGE同樣能夠準確地模擬出大風出現(xiàn)及結束的時間點，且除嵩山站外，其他3個站點模擬的最大大風風速與觀測值極為接近，其中新鄉(xiāng)站11:00—12:00觀測到30.3 m/s的大風，焦作站13:00監(jiān)測到29.2 m/s的大風，而兩站的模擬結果分別為30.5 m/s及29.3 m/s，與觀測結果的偏差較小；鶴壁站12:00出現(xiàn)了30.6 m/s的大風，而WRF-WGE模擬的風速極值出現(xiàn)在10:00，較觀測結果略為提前了2 h，但模擬的最大風速為29.21 m/s，與觀測結果也即為接近。嵩山站位于高海拔山區(qū)，因此利用WRF-WGE模擬的大風風速較觀測值偏低9 m/s左右，但模擬偏差仍較WRF模擬結果小。

綜上所述，WRF和WRF-WGE均對春季大風有一定的模擬能力，但WRF模擬的最大風速值遠低于觀測值，與其他研究者的結論[18]相同，而WRF-WGE預報的風場與觀測的風場的空間特征較為匹配，特別是單站大風過程的時間變化與觀測更為匹配，其優(yōu)勢主要在于預報大于10 m/s以上的大風，但WRF-WGE也同其他研究者發(fā)現(xiàn)的一樣，存在一些空報弊病[17]，同時，對10 m/s以下的風預測有較大的誤差。對上述4個站點模擬與觀測的統(tǒng)計結果表明(表1)，對于10 m/s以下的大風，WRF與WRF-WGE的模擬結果相差不大，模擬的大風風速均較觀測結果明顯偏低，均方根誤差在3～5 m/s；但對于10 m/s以上的大風，WRF-WGE模擬的均方根誤差(3～5 m/s)明顯小于WRF模式(5～12 m/s)。

表1 WRF及WGE模擬大風風速的誤差統(tǒng)計Table 1 Error statistics for the simulated wind speeds of WRF and WGE

3 結論

通過對2018年3月15日發(fā)生在河南的一次系統(tǒng)大風的天氣學分析，進而利用WRF和WRF-WGE分別模擬了研究區(qū)風場的空間特征，回溯該次大風過程出現(xiàn)的時間、風速變化及其空間分布，評估WGE方法對本次大風天氣的模擬效果，驗證WGE方法在中國大陸的系統(tǒng)性大風預報和模擬的適用性，進而探討了大風極值中心出現(xiàn)在豫北地區(qū)的原因，其主要結論如下。

(1)本次大風由冷鋒過境形成系統(tǒng)性大風，過境河南時正值白天，冷鋒前后溫度差很大，冷鋒移速快，而華北平原和長江流域地區(qū)的過境時間處于夜晚，冷鋒移速慢，導致河南風速高于其他地區(qū)，而豫北地區(qū)因地形的“狹管效應”成為此次系統(tǒng)性大風的核心區(qū)。

(2)WRF模式對本次春季大風有一定的模擬能力，能夠模擬出大風的空間分布特征、單站大風出現(xiàn)和結束的時間，但WRF模擬的大風風速整體較觀測結果偏低4～10 m/s，大風峰值較觀測結果明顯偏低10～14 m/s，暗示WRF模式預報大風有很大的局限性。

(3)WRF-WGE預報的風場與觀測的風場的空間特征較為匹配，特別是單站大風過程的時間變化與觀測更為匹配，其優(yōu)勢主要在于預報大于10 m/s以上的大風，統(tǒng)計結果表明，對于10 m/s以上的大風，WRF-WGE模擬的均方根誤差(3～5 m/s)明顯小于WRF模式(5～12 m/s)，證明WGE方法在中國大陸系統(tǒng)性大風的預報中有一定的適用性。