（气象学专业论文）2008年初中国南方冻雨天气的边界层条件分析.pdf

摘要 本文利用2 0 0 8 年1 月1 0 日2 月2 日地面观测、探空资料以及n c e p n c a r 的1 。x1 0 再分析资料，应用非静力中尺度模式w r f ，对2 0 0 8 年初中国南方的 冻雨过程进行统计和数值模拟分析，研究引发冻雨形成的边界层条件及其成因， 并讨论了地形与地面雪盖对冻雨天气的影响。 分析表明：大于8 0 的冻雨天气出现时，地面条件多为地面潮湿，湿度接 近饱和，温度稳定维持在一3 o 。大风速情况出现较少。同时发现地面温度大 于o c 也有可能发生冻雨，这可能是在具有高空的冻雨层结结构情况下，地面 覆盖有一薄暖层的特殊层结结构造成的。迸一步分析发现这次过程中，冻雨天 气发生时，还应具有逆温层的逆温梯度大于l l e v ( 大约2 l ( 1 1 1 ) 这一特征。 而且，它和持续的地面低温是冻雨发生的充分条件。 地形是冻雨生成的重要影响因子，中国南方地区的“喇叭口 地形是引起 2 0 0 8 年初大面积持续的冻雨过程出现的重要因素。本研究通过地形对冻雨的敏 感性试验发现地形对冻雨的温度结构特征的影响为：山脉和高原的阻挡作用可 能与逆温梯度的加强有关。仅靠南岭山脉的阻挡作用可能产生冻雨天气，但是 冷空气将无法爬升至高原形成冻雨。山脉对冷暖空气的限制堆积作用可能是引 起云贵高原冻雨大面积出现的一个重要因素。 另外，本文通过分类统计和对两个个例的模拟分析，发现在这次过程中， 地面雪盖对冻雨灾害的出现和持续也有一定影响。雪盖可为冻雨产生提供持续 有利的低温条件。有雪盖时，冻雨可能有较大降水量出现，从某种程度上，有 利于冻雨形成灾害。在大尺度影响系统减弱的情况下，雪盖有利于维持局地冻 雨发生的边界层条件，对冻雨长时间的维持有贡献作用。在一定条件下，雪盖 有利于在地形或大尺度形势不利于冻雨产生的地区产生冻雨天气。 关键词：冻雨，边界层条件，数值模拟，地形，雪盖 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ef r e e z i n gr a i ni ns o u t h e r nc h i n ai ne a r l y2 0 0 8h a sb e e n i n v e s t i g a t e d t h ep a p e rc o n c e n t r a t e s o nt h ed i s t r i b u t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so f m e t e o r o l o g i c a ld e m e n t si ni t sb o u n d a r yl a y e ra n dt h er e s u l t ss h o wt h a t , o v e r8 0 f r e e z i n gr a i no c c u r si nw e tw e a t h e r , m a n y c l o s et os a t u r a t i o n , t h eg r o u n dt e m p e r a t u r e r e m a i l l e ds t a b l ea t 3 1 2 3 m sw i n ds p e e dm o r ec o n d u d v et o t h e o c c u l t c n c co ff r e e z i n gr a i n f r e e z i n gr a i ni sa l s ol i k e l yt oo c c u rw h e ns u l 蕾a e e t e m p e r a t u r ei sg r e a t e rt h a n0 t h i si sb e c a u s et h eg r o u n dc o v e r e dw i t ha t h i n w a r ml a y e r w h e nf r e e z i n gr a i no c c u r s ，t h et e m p e r a t u r ei n v e r s i o no ft h ei n v e r s i o n g r a d i e n ts h o u l db em o r et h a n1 l c v ( a b o u t2 k m ) t h i sc o n d i t i o na n d w h e t h e rt h eg r o u n dt e m p e r a t u r ec a nb ec o n t i n u e du n d e r0 a r ct od e t e r m i n et h e s u f f i c i e n tc o n d i t i o n sf o rf r e e z i n gr a i no c c u r s t h et r u m p e t 1 i k e dt e r r a i ni ns o u t hc h i n am a y b eo n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r s w h i c hc a u s e dl a r g ea r e a so fc o n t i n u e df r e e z i n gr a i ni ne a r l y2 0 0 8 i t sb l o c k i n ge f f e c t i sc o n d u c i v et oo c c u l t e n c co ff r e e z i n g 咖h o w e v e r , n ov u n g u ip l a t e a u i t sl i m i t i n g e f f e c ti sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ee m e r g e n c eo ft e m p e r a t u r es t r u c t u r eo fl a r g ea r e a f r e e z i n gr a i no ny u n g u ip l a t e a u s n o wc o v e rc a nb ep r o v i d e dl o w - t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n sf o rt h ef r e e z i n gr a i nt o b ec o n t i n u e d w h e nt h e r ei ss n o wc o v e r , f r e e z i n gr a i np r e c i p r a t i o ng a nb eg r e a t e r i t i sb e n e f i c i a lt ot h ef r e e z i n gr a i nd i s a s t e r w h e nl a r g e - s c a l es y s t e mb e c o m ew e a k , s n o wc o v e ri sc o n d u c i v et oo c c u r r e n c eo ff r e e z i n gr a i n t h em a i n t e n a n c ea n d o c c r i t e n c co ff r e e z i n gr a i n i ns o m ec a s e ，s n o wc o v e ri si nf a v o u ro fo c c l l r r e n c eo f f r e e z i n gr a i nw h e r e t h e r ea r en e g a t i v es i t u a t i o ni nt h et e r r a i no rt h el a r g e - s c a l e k e yw o r d s ：f r e e z i n gr a i n ，b o u n d a r yl a y e rc o n d i t i o n s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t e r r a i n , n n o wc o v e r i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 b ， 学位论文作者签名： 乏至聱：i2 签字日期：2 翌z 翌：兰 关于论文使用授权的说明 本学位论文是在南京信息工程大学攻读学位期间在导师指导下完成的博士 学位论文。本论文的研究成果归南京信息工程大学所有，本论文的研究内容不 得以其它单位的名义发表。本人完全了解南京信息工程大学关于保存、使用学 位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允 许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入中国优秀博硕士学位论文全文数 据库和编入中国知识资源总库，同意按中国优秀博硕士学位论文全文数 据库出版章程规定享受相关权益。本人授权南京信息工程大学，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 口公开口保密( 年月) ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： 1 1 研究意义 第一章前言 2 0 0 8 年初我国南方出现y 5 0 年一遇( 局部地区为百年一遇) 的大范围持续低温雨雪冰冻 天气。这次灾害过程对农业、林业、交通运输、电力供应及人民生产生活造成了严重的影 响。其中，以电力系统的损害最为突出。根据中国电力企业联合会发布的电力系统受低 温雨雪冰冻灾害影响情况报告显示，这次灾害性天气过程中全国线路电网受损停运供电 线路2 7 8 0 5 条，变电站1 4 9 7 座。导致湖南、江西、贵州、广西等受灾严重的几省局部地区电 力供应中断长达l o 余天之久。由于供电线路的受损，铁路运输也受到了不同程度的波及， 导致部分铁路线路中断，加上时值春节前夕，这无疑对交通运输是雪上加霜。根据赵琳娜 等的研究n 1 指出2 0 0 8 年初我国南方大范围持续低温雨雪冰冻灾害中电力供应系统的损害主 要是由于大面积冻雨天气带来的雨淞，使供电铁塔和导线上出现大量覆冰造成的。因此， 对冻雨的研究是一个非常值得关注的课题。 过去我国对冻雨天气的研究关注较少，主要是由于冻雨是冬半年降水中的一种特殊情 况，在我国出现较少，持续时间不长，主要分布在贵州、湖南、湖北、河南、江西等省， 山东、河北、辽东半岛、陕西和甘肃地区也有出现瞌1 。但随着全球气候持续变暖，全球正 处于极端天气气候事件的频发期，不单易于遭受高温干旱、暴雨洪涝等夏季灾害的袭击， 暴风雪、冷冻灾害等冬季灾害也愈来愈频繁。而且，冻雨天气虽然出现不多，但是严重的 冻雨对国民经济和国防建设危害很大，特别对通讯、电力、铁路和公路交通有破坏性的影 响【副。不止2 0 0 8 年1 月l o 日2 月2 日的这次冻雨过程造成了大范围的灾害性影响，历史上 1 9 6 9 年1 月底2 月初一次冻雨天气过程也曾使近半个中国范围通讯停顿和黄河以南的铁路 交通中蚓到。如果我们对冻雨天气的温湿配置、发生机制及成因等问题有更多的研究，就 能为冻雨天气灾害的预报预警提供有力的理论依据，进一步减小此类灾害发生所造成的损 失。所以，对冻雨天气的研究是十分必要的。 1 2 冻雨天气研究进展 1 2 1 国内对冻雨天气的研究现状 我国对冻雨的研究并不多，只针对个别地区( 如我国冻雨出现最多的贵州省) 和机场的 冻雨预报，主要以对现象的描述和统计为主。出现冻雨天气时，地面气温在0 以下h q ， 且大气中有逆温层出现( 例如：杨向东，1 9 9 9 ；吕胜辉等，2 0 0 4 ；何玉龙等，2 0 0 7 ) i s - r 。 且逆温层主要存在于中低空8 5 0h p a 到地面的范围内伯一1 ，增温在5 c 左右陋3 。冻雨与降雪 的主要区别在于降雪时中高层气温比冻雨要低，冻雨和降雪天气的大气层结均比较稳定哺1 。 根据上述研究贵州建立了凝冻天气陋9 1 预警系统。吕胜辉等 1 对天津机场地区的3 次冻雨天 气进行对比分析，总结出了该地冻雨发生的天气形势特点主要包括高空槽前明显的增温， 槽前西南暖湿气流强盛等，为冻雨天气预报提供了参考。那么通过上述研究，是否足以对 冻雨天气进行预报呢? 通过2 0 0 8 年的这次过程的验证，这些研究工作的成果显然是远远不 足的。我国的冻雨发生最多的是贵州地区，四十年平均冻雨日数为5 9 天n 们，贵州的冻雨多 发生于西北部海拔较高的地区n 。而2 0 0 8 年初中国南方的冻雨过程中，贵州的冻雨天气也 始终存在，这一现象是否与贵州的高原地形和海拔高度有关呢? 这些也都是需要进一步研 究解决的问题。 1 2 2 国外对冻雨天气的研究现状 国外对冻雨天气的研究远比国内要早，在冻雨的发生及其形成机理方面也有较多的研 究。早在2 0 世纪初期即有学者注意到了冻雨天气并对其进行了研究n 别。欧洲和美国对冻雨 的研究主要以气旋式冻雨为主n 朝，其研究主要集中在研究冻雨的预报方法以提高冻雨的短 期预报n 4 1 引、冻雨的气候态分布n 7 1 钉和一些冻雨个例的天气分析研究屹1 。 2 0 世纪7 0 年代发现冬季降雨系统中存在降水形态的过渡带隆引，即：介于降雨与降雪 之间的l h n 到l o o k m 有雨、冻雨、雪和小冰粒等多种降水形式的区域乜引。而过度带中降水 类型及其位置的预报则主要依靠大气厚度技术乜卜勰1 。自此，对冻雨的预报转为对过渡带预 报。很快人们发现过渡带往往处在冬季风暴的特殊区域，与地面条件和8 5 k p a 低压中心有 关瞳吼删，它邻近低压中心，在离低压中心路径左边约2 0 0 k m 的位置3 0 、3 4 1 ，有时也在低压中心 2 附近南面出现，并伴有冰雹或龙卷哺引。雨型过渡带的位置还有时与海岸线有关潍捌。 降水过渡区可能发生于其他地面引子附近。在美国东部，过渡区往往与阿巴拉契亚山 脉背风坡浅薄的冷空气和空中的暖空气结构有关。相反的热力结构也有可能产生过渡区。 例如：倾斜的山谷，或山脉地形可能引起降水过渡带的特征通过高海拔冷、过冷的条件和 低海拔冷或过冷的条件啪1 。l u m b 指出绝热冷却的上升空气即使遇到较低的屏障都有可能加 强或产生这样的温度结构m 4 。m a r w i t z n 1 发现内华达山脉上的风暴也具有这样的特征， 同样指出过渡带与边界雪盖有关，使雪上的冷空气持续低温而邻近陆地温度更暖。 b e r s t e i n h 们对美国冻雨的分布和其发生条件进行了总结，指出在冻雨的预报中应考 虑天气系统、局地因素、过冷却水的厚度和层结廓线等。 但国外的冻雨天气研究中主要考虑欧美的锋面气旋模型，尤其强调暖锋和输送带的作 用h 副。这对于我国的冻雨，尤其是像今年这样持续性的横跨整个中国南方的准静止锋冻雨 天气是难于完全适用的。 1 32 0 0 8 年初中国南方冻雨过程概况及研究现状 2 0 0 8 年初我国南方受到了5 0 年一遇的暴雪和冻雨灾害天气的袭击。此次灾害发生的 低温、雨雪、冰冻灾害持续时间长、降温幅度大、降雪强度大、覆盖地域广，对我国南方 地区的人民生活和社会经济发展造成了严重的损失。 1 3 1 气候背景 2 0 0 8 年1 月1 0 日2 月2 日大气环流为持续异常状态。中高纬度阻塞高压稳定维持 于西伯利亚2 0 多天；副热带高压明显偏强且位置偏西偏北；在阻高与副高之间有一横槽维 持。环流系统较为深厚。南支高空西风急流异常偏强且持续活跃。 1 3 2 天气形势 这次过程是从1 月1 0 日开始至t j 2 ) 9 2 日结束。其间分为4 次天气过程m 1 ： 第l 阶段发生在1 月1 0 1 6 日，降水的主要地区为长江中游地区，为冷锋降水过程。1 3 月上旬中国上空气温偏高，上旬末有一次强冷空气南侵，气温剧烈下降。地面气温零线向 南到达3 0 。n 附近，以后一直到2 月初，地面气温零线一直维持在3 0 。n 附近，对比气候 平均地面气温零线的分布，可看出地面气温零线比气候平均偏南i 0 1 2 个纬距，表示在 南方近地面有一层“冷空气垫”，也表示有静止锋在华南沿海持续。第1 次降水过程主要 集中在河南省、江淮流域以及湖南和贵州，个别地区开始出现冻雨。 第2 阶段为1 月1 8 2 1 日，强降水中心在长江中下游地区。这次降水过程是由于里海附 近的切断低压分裂出来的小股冷空气沿着高原向东移到冷锋锋区上空时出现的。这次过程 与i 月2 5 - - - 2 9 目的第3 次过程类似。在第2 和3 次降水过程，南方近地面的冷垫一直维持。 第3 阶段的降水强度最大，造成的灾害也最严重，发生在1 月2 5 - 2 9 日，强降水中心在华南一 长江流域一带。来自孟加拉湾的暖湿气流活跃，西太平洋副热带高压西北侧的西南气流也 将暖湿空气输送到中国南方地区。这时7 0 0h p a 的温度零线位于气候平均温度零线以北2 3 个纬距，并在地面冷垫上空形成温度高于0 1 2 的逆温层暖盖。在四川、贵州一带，冻雨主要 集中在1 月2 4 - - - 2 8 日：在华南地区冻雨主要集中在1 月2 0 日2 月1 日的时段内。 第4 阶段为1 月3 1 日 - - 2 月2 日，强降水中心主要集中于江南。2 月初随着里海附近切断低 涡的崩溃，引起一次强冷空气侵入到静止锋，南方地区的暖盖和冷垫消失，同时亚洲上空 的阻塞形势也消失。南方地区持续2 0 余天的冰雪天气结束。 在2 0 0 8 年1 月中下旬南方持续性低温雨雪冰冻天气过程中，第1 次降水过程是在北方冷 空气爆发南下过程中产生的冷锋前降水；第2 - 4 次降水过程出现在“冷垫”和“暖盖”形 成后，从里海附近的切断低涡分裂出来的高位涡舌与静止锋相互作用而形成的冻雨和降雪 过程。其中1 月2 5 - - - 2 9 日的暴雪和冻雨天气降水范围最广、强度最大、降水相态多样。h 刀 这次降水地区涉及我国西北东部、西南东部以及秦岭和黄河下游以南地区，江淮流域 和江南大部出现大雪，局部地区出现暴雪；冻雨区出现在贵州全省、广西东北部、湖南大 部、江西大部、浙江北部和安徽南部，而华南地区出现雨区。这次南方低温雨雪冰冻天气 的突出特点是：江淮、江南和华南等地总降水量达5 0 2 5 0 舳，降水日数比常年同期偏多9 1 5 d ，降水过程频繁、基本无间歇，类似于夏季梅雨期降水m ，江南地区降水包括雨、雨夹 雪、冻雨和雪等多种相态，贵州、江南及华南北部的冻雨为历史上少见。位于长江或江南 4 地区的准静止锋或切变线是雨雪冰冻天气的重要影响系统怕也3 。 1 3 3 研究现状 在2 0 0 8 年初暴雪和冻雨灾害天气结束后，不少学者、专家和研究机构对此次灾害过程 予以关注，并针对这次过程的各个方面开展了诊断分析和数值模拟研究。最初有学者认为 此次过程与l an i n a 年有关。但就目前看来，与l an i n a 的关系各方所持观点不一。张庆云 墙朝等认为l an i n a 气候背景与此次过程有关。顾雷泓1 等认为l an i n a 事件对我国冬季气候 异常的影响并不能很好地说明此次灾害的发生。常蕊和付建健刚等则认为2 0 0 8 年1 月雪灾 的形成是包括强l an ia 事件和北大西洋增暖等因素共同作用的结果。这样就有学者认为： 在l an i n a 气候背景下我国南方低温、雨雪、冰冻极端灾害事件的发生是热带西太平洋和 西北大西洋海温异常导致的泓1 ；且可能与北大西洋中纬度附近以及赤道印度洋哺钉、我国南 海和东海海温都出现正异常有关刚；黑潮区海温升高导致冷空气在我国长江流域及其以南 地区堆积有利于我国南方低温、雨雪、冰冻天气的持续旧1 。 层结上看，具有最有利于冻雨产生的层结条件即有中层冻结层、暖层、逆温层，且这 些层结的强度和厚度要适当h 7 1 ：持久的温度高于0 c 的逆温层和暖盖；地面温度在一1 一3 ，变化非常小，温度、露点差都在1 3 接近饱和，风速较弱1 。低层浅薄的冷空气垫 与其上的暖湿空气形成了特有结构逆温层，并有暖鼻配合m 1 。 1 4 研究目的和内容 1 4 1 研究目的 通过上述研究，可以发现目前对2 0 0 8 年初中国南方这次过程的研究主要集中在大尺度 方面。且对冻雨发生条件的研究方面与前人相比也并无太大改进。因此，我们有必要对2 0 0 8 年的冻雨天气过程做进一步研究。总结到目前为止对冻雨层结结构的研究发现，冻雨区别 于其他冬季降水形式的特征是存在于地面边界层内的逆温层结构。那么，是不是存在逆温 层就会发生冻雨呢? 是什么导致了逆温层的出现? 除了逆温层这一特点，冻雨天气是否还 具有其他特征? 又是什么导致了这些特征的出现? 冻雨天气的发生是否与地形有关昵? s 针对上述问题，本文的研究目的主要有以下几个方面： ( 1 ) 研究冻雨发生时的地面及边界层内的温湿配置，及其特征。 ( 2 ) 研究不同下垫面类型对导致冻雨发生的温湿条件的影响。 1 4 2 研究方法和内容 南方冰雪灾害天气过程中，近地层气象要素具有温度低、水汽长期处于饱和状态的特 征，对道路结冰、电线覆冰产生了极为有利的条件，但是在相同的大气环流背景下，不同 地区的冰冻灾害发生的程度有较大的差异，说明局地的近地层温度层结和温湿度配置存在 差异。本研究将利用各种常规，分析南方冰雪天气边界层气象要素分布和异常特征，研究 不同下垫面对近地层气象要素的影响。具体技术方法为： 1 采用的资料包括：地面常规观测的温、压、湿资料、台站探空资料、n c e p 再分析资料 等。对于近地面非常规气象观测资料的获取，尽可能收集湖北、湖南、江西、贵州等地有 冻雨发生地区的探空资料。 2 采用的模式：中小尺度模式w e a t h e rr e s e a r c ha n df o r e c a s t i n gm o d e l ( w r f ) 被誉为 是次世代的中尺度天气预报模式。由美国环境预测中心( n c e p ) ，美国国家大气研究中心 ( n c a r ) 等美国的科研机构为中心手开发。w r f 模式为完全可压缩以及非静力模式，采用f 9 0 语言编写。水平方向采用a r a k a w ac ( 荒川c ) 网格点，垂直方向则采用地形跟随质量坐标。 w r f 模式在时间积分方面采用三阶或者四阶的r u n g e - k u t t a 算法。w r f 模式不仅可以用于 真实天气的个案模拟，也可以用其包含的模块组作为基本物据。 3 处理方法：利用常规观测资料，采用统计的方法，分析冻雨天气出现时的地面气象要 素特征。主要有风向风速、降水、温度、气压、温度露点差等，了解局地冰雪冻害天气的 出现与要素之间的联系。再根据探空资料，结合w r f 模式的模拟资料，比照实际观测资料， 分析南方冰雪天气边界层气象要素分布和异常的特征。研究大气边界层的热力结构，分析 温度层结和温湿度配置及其演变规律。了解南方冰雪冻害天气发生和维持的原因。并利用 敏感性试验分析地形对冻雨产生条件的影响，找出冻雨特殊层结结构产生的原因。并就雪 盖对冻雨的影响进行分析。 6 第二章w r f 模式物理方案的选择及模拟结果验证 2 1w r f 中尺度模式介绍 w r f ( w e a t h e rr e s e a r c hf o r e c a s t ) 模式系统是由美国研究、业务及大学的科学家共同 参与开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统。w r f 模式系统的开发计划是1 9 9 7 年由 美国国家大气研究中心( n c a r ) 中小尺度气象处、国家环境预报中心( n c e p ) 环境模拟中心、 预报系统实验室( f s l ) 的预报研究处和奥克拉荷马大学的风暴分析预报中心四单位联合发 起建立的，由国家自然科学基金和国家海洋大气局( n o a a ) 共同支持。该项计划发起后，得到 其它研究部门、大学、美国宇航局( n a s a ) 、美国空军和海军、环保局等单位的响应，并共同 参与开发研究工作，为新的科研成果运用于科研和业务、促进各单位的合作，正在起到积极 的作用 5 9 o w r f 模式系统将成为改进从云尺度到天气尺度等不同尺度重要天气特征预报精度的工 具。水平分辨率重点考虑l - - - l o k m 。因此，模式包含高分辨率非静力应用的优先级设计、大 量的物理选择、与模式本身相协调的先进的资料同化系统。模式将结合先进的数值方法和 资料同化技术，采用经过改进的物理过程方案，同时具有多重嵌套及易于定位于不同地理 位置的能力。它将很好的适应从理想化的研究到业务预报等应用的需要，并具有便于进一 步加强完善的灵活性。 w r f 2 2 初始化部分为w r f s i ( w r fs t a n d a r di n i t i a l i z a t i o n ) 的进化版w p s ，由其确定 地图投影、模式区域、模式分辨率与格点数、地形高度、下垫面特征等模式参数。在w r f 中包含两个动力模块，a r w ( t h ea d v a n c e dr e s e a r c hw r f ) 是由n c a r 基于e u l e r i a n 质量坐标 开发的模式架构，n 协l ( n o n h y d r o s t a t i cm e s o s c a l em o d e l ) 是由n c e p 开发的模式架构。本研 究所使用的是a r w 模块。a r w 目前为显式分离的欧拉模式，它分为地形追随质量( 气压) 坐标 和高度坐标( 理想模块) ，其中气压和温度是由热动力方程诊断出来的模式的控制方程是全 弹性的欧拉非静力平衡方程，但仍保留有静力平衡选项水平方向采用a r a k a w ac 型跳点网 格，运用了高分辨率的地形和下垫面分类资料，采用时间分裂积分的3 阶r u n g e k u t t a 方案， 7 太阳短波辐射方案和大气长波辐射方案等模式的水平分辨率、垂直方向层次、积分区域及 各种物理过程可根据用户需求调整。 w r f 中尺度模式采用地形追随的静力气压垂直坐标，这个坐标也被称为质量垂直坐标。 w r f 模式水平格点采用a r a k a w ac 格式。模式的时间积分方案采用的是时间分裂的积分方 案，即低频波部分采用3 阶r u n g e - k u t t a 时间积分方案，高频声波部分采用小时间步长积分 扰动变量控制方程组以保证数值稳定性。另外，模式离散化格点方案采用a a k a w a - c 格式。 2 2w r f 主要物理方案及物理方案的选择 在w r f 模式中包含了辐射、边界层、陆面过程参数化、积云对流参数化和微物理过程 等多种适合研究和预报应用的方案可供选择。 2 2 1 微物理过程参数化方案 模式的微物理过程中共包含了7 个基本方案：( 1 ) k e s s l e r 方案( 暖云方案) ；( 2 ) e t a n e w 方案( e t a 模式的改进方案) ；( 3 ) w s m 3 方案；( 4 ) w s m 5 方案：( 5 ) w s m 6 方案；( 6 ) l i n 方案；( 7 ) t h o m p s o n 方案。7 个方案中考虑的微物理过程简介如下： ( 1 ) k e s s l e r 方案( k e s s l e r ，1 9 6 9 ) 嵋0 1 ，这是一个简单的暖云方案，来自于c o m m a s 模式， 忽略了液体水与冰相之间的相变过程，它包括水汽、云水和雨它含有雨的产生、降 落和蒸发过程，云水的增长和合并过程以及凝结产生云水等微物理过程 ( 2 ) e t an e w 方案是n c e p e t a 模式中的改进方案。在e t an e w 方案以前的方案( z h a o - c a r r 方案哺u ) 中，模式变量中与水相物质有关的预报量有两类：云水( 或云冰) 、水汽的 混合比。降水是由云水或云冰通过诊断关系计算出来的，计算过程中考虑了较为简 单的微物理过程。在e t an e w 方案中水物质的预报变量也有两类，一类是水汽混合 比，而另一类是云水、雨水、冰、雪、雹等的水凝物总量，由于方案中考虑的水凝 物变量较多，用到的微物理过程也比早期方案更为复杂，其中包括：( 1 ) 大气饱和 凝结产生云水、冰的过程：( 2 ) 自动转换过程( 包括多种转换过程，例如：云水向 雨水的转换，冰向雪的转换，雪向霰的转换等) ；( 3 ) 碰并过程( 包括雨与云，雪与 8 冰，雪与云，雪与雨，雪与霰等的碰并) ；( 4 ) 冰的升华、凝华；( 5 ) 雪融及融雪的 再蒸发；( 6 ) 雨水的蒸发等。水汽的凝结方案中在较冷的温度层( - 3 0 以上) 也考虑 了冰面饱和过程的影响。 ( 3 ) w s m 3 方案( h o n g ，e ta l ，2 0 0 4 ) 魄1 ，这是一个简单冰相方案。包括i c es e d i m e n t a t i o n 以及另外一些冰相过程，方案中根据冰晶质量比含水量对冰晶数浓度进行诊断。水物 质主要有三类包括：水汽、云水冰和雨雪这个方案被称为简单冰相方案，是因为云 冰和云水大体上被认为是同一种物质，仅由温度来区分他们，即认为在温度小于等于 冰冻温度的情况下只能有云冰存在，否则认为只有云水存在雨和雪的处理也是类似。 尽管包括了冰相过程，但是它的运行效率仍然很高，可以用于业务运行。 ( 4 ) w s m 5 方案，与w s m 3 类似也包含了简单的冰相过程，但它允许过冷水存在以及雪下落 到融化层下时缓慢融化。 ( 5 ) w s m 6 方案，是在w s m 5 方案的基础上增加了预报变量霰，使水相物质的预报量达到 了6 个，由于预报量的增加，微物理过程较w s m 5 方案更为复杂。方案中基本微物理 过程与l i n ( 1 9 8 3 ) 哺3 3 相似，但碰并过程和一些经验参数的选择有所不同；可降冰( 水) 的融化( 冻结) 项的计算在下落质量通量的小步长中进行，这样可以增加过程加热项 的计算精度和计算稳定度。 ( 6 ) l i n 方案( l i ne t a l ，1 9 8 3 玎；t a o ，1 9 8 9 泓1 ) ：各种产生项的参数化方案来自于 p u r d u e 云模式嵋羽，主要由l i n 和r u t l e d g e 及h o b b s 汹1 ，并作了适当修改，包括饱和 调整和冰晶沉降( t a oe ta 1 m 1 ，1 9 8 9 ) ，主要包含六类水汽相态：水汽、云水、雨、 云冰、雪和霰这个方案是w r f 模式中相对成熟的微物理方案，比较适合于研究应用。 ( 7 ) t h o m p s o n 方案( t h o m p s o ne ta l ，2 0 0 4 嘲1 ) ，包括6 种水物质。是r e i s n e r ( 1 9 9 8 ) 方案 6 7 的改进方案。该方案中预报变量在w s m 6 的基础上增加了冰的数浓度预报。 由于数浓度不再通过经验关系计算，微物理过程的计算更为准确。另外，单参数总体 微物理方案都简单地使用了与m a r s h a l l - - p a l m e r 分布有关的云水向雨水的突然转 换。因此，液体水滴经历了一个从无沉降( 大多数总体微物理方案不考虑云滴的沉降 作用) 云滴即刻转换到雨滴状态。这种假定几乎没给作为毛毛雨滴的液体水滴与其它 9 微物理变量如雪、霰和云水进行相互作用的时间。代替这种过程的是雨滴作为降水 快速落向地面，很少有机会悬浮在上升运动较为缓慢的层云中。该方案中雨滴分布函 数依赖于雨水混合比，这样就假定水滴经历一个从云滴尺度通过毛毛雨滴最终变成 雨滴的逐渐转换过程，使得雨滴的下落速度较为连续、合理。 2 2 2 积云对流参数化方案 ( 1 ) 新k a i n - f r i t s c h 方案( k a i na n df r i t s c h ，1 9 9 0 ，1 9 9 3 ) 旧3 ，是i ( f 方案的修正方案此 方案使用一个包含湿上升和下沉气流的简单云模式，包括卷出、卷吸、气流上升和气 流下沉现象以及相对简单的微物理过程 ( 2 ) b e t t s - m i l l e r j a n j i c 方案，这个方案来自e t a 模式，是从b e t t s - m i l l e r 对流调整 方案陷吖2 发展而来，它在决定热量和湿度的目标廓线上规定引入额外自由度的“云 效率”，浅对流调整是该参数化方案的一个重要部分。 ( 3 ) g r e l l - d e v e n y i 集合方案，该方案在每个格点上运行多个积云对流参数化方案和变量， 对结果做一个平均反馈给模式睁嘲。 2 2 3 近地面层方案 ( 1 ) 相似理论：此方案运用稳定性函数( p a u l s o n ；d y e ra n dh i c k s 口7 1 ；w e b b 7 8 ) 来计 算热量、水汽和动量的表面交换系数 ( 2 ) 姗j 方案：此方案的实现也是基于相似理论。此方案包括亚表层的粘性参数化。表面 通量采用迭代法计算，并用b e l j a a r s 修正法口钟来避免在不稳定表面层和无风时出现的 奇异性。 2 2 4 边界层参数化方案 ( 1 ) m r f 方案：此方案采用h o n g & p a n 啪3 描述的方法。他利用不稳定状态下热量个水汽的 所谓的反梯度通量理论。它运用了加大的边界层垂直通量系数，且边界层高度由临 界理查逊数决定。 1 0 ( 2 ) m e l ! o r y a m a d a - j a n j i c 湍流动能方案：此反感用边界才能和自由大气中的湍流参数 化过程代替m e ll o r - y a m a d a 的2 5 阶湍流闭合模型。 2 2 5 物理方案的选择 由于本研究主要的研究对象为冬季过程中的冻雨这一特殊的冬季降水形式，在微物理 方案中，考虑到冻雨主要是过冷水或冰水混合物，只有e t an e w 方案、w s m 6 方案、l i n 方 案和t h o m p s o n 方案可能符合要求，而e t an e w 方案和l i n 方案对降水的预报位置偏差较 大阳 ，则排除e t an e w 方案和l i n 方案该方案t h o m p s o n 方案易报大雪和霰的总量，报小 出流区的含冰量阳，较难准确预报冻雨位置。因此，微物理方案选择w s m 6 方案。 积云对流参数化方案中g d 方案和b l u 方案在降水预报中模拟的降水位置、强度和面积 都有偏差埔，k f 和n k f 则相对好一些。辐射的影响，长波辐射采用了r r t m 方案，短波辐 射采用了d u d h i a 方案，近地面层采用了m y j 方案，边界层方案采用m e ll o r y a m a d a j a n jic 湍流动能方案。 2 3 垂直坐标的选择 2 0 0 8 年1 月1 0 日2 月2 日中国南方的这次冻雨过程影响范围遍部河南东南部、山东西 部、江南大部、湖北东部、贵州大部、安徽南部、湖南、江西北部、浙江北部等地区。4 次冻雨过程涉及南方大部分地区，集中在黄淮南部及江淮、江汉、江南北部一带，其所分 布地区地形极其复杂，包括平原、山地、高原、河谷等复杂地形。加上我国西高东低，东 西海拔差距极大。这必然给垂直方向上天气系统层结结构的研究带来困难。因此，本研究 选择w r f 中尺度模式中的仿地形0 垂直坐标系，以解决层结分析时地形的海拔差异所带来的 问题。由于冻雨发生的尺度较小，其特殊的层结特点主要集中在近地面8 5 0 h p a 以下，如使 用普通的分层方案则仅地面将只有1 2 层，远远无法满足研究的需要。所以，在垂直方向 上设定分层为3 5 层。 2 4 模拟方案及模拟结果的验证 本研究采用n c e p n c a r 的积f 模式对2 0 9 8 年初的持续性冰冻灾害天气过程中冻雨发生 较为集中的1 月1 3 日1 5 日、1 8 日2 0 日、2 5 2 7 日和3 1 日2 月2 日四个时段进行 模拟。模拟采用非静力平衡动力框架单向双重嵌套方案中心位置为( i i 0 。e ，3 0 。n ) ，水 平格距分别为9 h 、3 k m ，格点数分别为2 6 4 x 2 0 4 和3 8 5 x 2 8 9 ，整层。坐标垂直分为3 5 层。采用n c e p i 。r 再分析资料，微物理方案采用w s m o 类冰雹物理方案；边界层方案 采用t 跹湍流动能方案；陆面方案为a l l 陆面方案；长波辐射采用了r r t m 方案；短波辐 射采用了d u d h i a 方案。 2 乒2 产习争_ ，r z = 】2 ；2 8 _ _ 一一。e l 目_ p 一 图2 l2 0 0 8 年1 月1 4 日c 0 0 0 u t c 观测( 右列) 、模拟( 左列) 的8 5 0 h p a 和地面的温度场( 黑色实线为0 线单位：) f i g2 10 0 0 0 u t c l 4j a n2 0 0 88 5 0 h p a m d p u d t e m p e r a t u r e f i e l do f o b s e r v a t i o n ( r i _ 女tr o w ) a n da n a l o g a c i t r o w ) 0 l a c ks o l i d l i n e bo l i n e ，岫i t = ) 本研究主要对温度场进行了验证。图21 给出了观测和模拟的2 0 0 8 年1 月1 4 日 0 0 0 0 u t c 的8 5 0 h p a 和地面的温度场。从图上来看，模拟资料基本上能反映出的o c 线所在 的位置和温度场的基本分布情况与实际情况基本一致。大于0 的温度场模拟较好，而小 于o c 的温度场摸拟值较观测值要高。对地面场的模拟较高空场要好。由于冻雨发生的敏 感温度带大都在o c 左右，且本研究主要对边界层部分的层结进行分析，因此，模拟资料 符合基本符合本研究的要求。 1 3 第三章2 0 0 8 年初中国南方冻雨的边界层条件分析 3 1 冻雨地面要素条件的统计分析 首先利用4 次日的地面常规观测资料，采用统计的方法，分析2 0 0 8 年1 月1 0 日 - - 2 月2 日中国南方冰冻雨雪过程中持续的冻雨天气出现时的地面气象要素特征。 图3 1 给出了2 0 0 8 年1 月1 0 日2 月2 日的地面观测气象要素统计。由图3 i 可以 看出2 0 0 8 年的这次过程中8 0 以上的冻雨天气发生时地面温度在一3 0 ，风速为0 m s - - 4 m s ，未来6 小时变温主要集中在一l 1 范围内，温度露点差为0 2 。这表 明冻雨天气发生时，地面附近为持续的低温，极为潮湿，湿度基本处于饱和状态，且风速 较小，大风速的情况极少。这与过去我国发生的冻雨天气的地面条件相似。 蛞 智 s 智 t e m p e r a t u r e ( ) g 智 蛞 智 w i n d ( m e ) d c h a n g et e m p e r a t u r ep e r6 h r ( ) d e wp o i n tt e m p e r a t u r ed i f l e r e n c e ( ) 图3 1 冻雨站地面条件统计图：y 轴为符合条件的站次 f i g 3 1t h eg r o u n dc o n d i t i o n ss t a t i s t i c so f f r e e z i n gr a i ns t o p s ：y - a x i sf o rn u m b e ro f s t a t i o na n dt i m e s 1 4 但同时，由图3 1 a 还可以发现，在冻雨发生时，有大约2 的台站地面温度是大于o c 的。 考虑到冻雨发生时，地表面应为结冰的情况，理论上温度应小于o c 。而这一情况明显与理 论不符。那么是什么原因造成了这一情况的出现? 宣 _ 卫 一 卫 c h e n z h o u t e m p e r a t u r e 厂c _ 上 哺 一 u 卫 t e m p e r a t u r e 厂c 图3 2 冻雨站的探空曲线( 实线为温度，点线为露点) ：a 1 2 0 0 u t c 2 1 j a n 2 0 0 8 郴州，b 0 0 0 0 u t c l 9 j a n 2 0 0 8 贵阳 f i g 3 2t h et e m p e r a t u r es o u n d i n gc t n v co f f r e e z i n gr a i ns t a t i o n s ( t h es o l i dl i n ef o rt e m p e r a t u r e ，p o i n tl i n ef o r d e wp o i n tt e m p e r a t u r e ) ：a 1 2 0 0 u t c 2 1 j a n 2 0 0 s c h e n z h o u ，b 0 0 0 0 u t c l 9 j a n 2 0 0 8 g u i y a n g 为进一步弄清这一现象出现的原因，分别对冻雨时地面温度大于o c 和小于o c 台站的 温度的垂直分布进行对比分析。采用的资料为台站探空观测资料。图3 2 分别为郴州、贵阳 两站分别在其冻雨时刻2 0 0 8 年1 月2 1 日1 2 0 0 u t c 、2 0 0 8