利用气象模式WRF对2016年6月23日盐城强对流风暴过程的数值模拟研究

方鸿俊　方习生

【摘 要】2016年6月23日发生在江苏省盐城市阜宁县境内的龙卷风是近年来发生在我国的具有巨大破坏力和影响力的龙卷风过程。为了研究该龙卷风所在的强对流风暴中的中层中尺度气旋的生成因素，本文采用中尺度气象模式WRF（Weather Research and Forecast）对本次强对流风暴过程进行了模拟。利用基于后向轨迹法（backward trajectory）的環流分析法分别对中层中尺度气旋在发展和成熟阶段的环量进行了计算分析。结果表明，倾压项是中层中尺度气旋环量的主要来源，摩擦力项具备较大的波动性。科式力项在较深的对流过程中起作用。

【关键词】盐城龙卷风；强对流风暴；WRF；后向轨迹法

中图分类号： D632.5 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）19-0215-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.097

Numerical Simulation Study on June 23， 2016 Yanchen Strong Convective Storm Process by Meteorological Model WRF

FANG Hong-jun1 FANG Xi-sheng2

（1.Qingdao NO.1 Middle School Shandong，Qingdao Shandong 266002，China；2.The First Institute Of Oceanography，Soa，Qingdao Shandong 266061，China）

【Abstract】The tornado happened on June 23，2016 in Funing County，Yanchen City，Jiangsu Province is a tornado process that happened in China recent years which has severe damage and great influence.To investigate the generation factor of the mid-level mesocyclone in the strong convective storm，this research utilizes mesoscale meteorological model WRF（Weather Research and Forecast）to simulate the storm process.The circulations of the mid-level mesocyclone during developing and mature stage are analyzed by using the circulation analysis method based on backward trajectory calculation.The results show that baroclinic terms is the main source of the circulation of mid-level mesocyclone. Friction term has large fluctuation.Coriolis force term is effective when deep convection occurs.

【Key words】Yanchen Tornado；Strong Convective Storm；WRF；Backward Trajectory

0 引言

近年来在我国对龙卷风的研究取得了长足的进展，然而龙卷风由于其突发性，局域性，在预报和防灾方面依然具有极大的难度。中尺度气旋结构在大量的观测和模拟中被发现与龙卷风的产生密切相关[1]。2016年6月23日下午在江苏省盐城市阜宁县境内发生了EF4 （Enhanced Fujita 4） 级的强烈龙卷风，该次龙卷风过程及冰雹灾害造成了99人死亡，846人受伤。本文将利用中尺度气象模式WRF（Weather Research and Forecast）对本次强对流风暴过程进行模拟。由于本次模拟采用了水平方向4千米的网格分辨率，故本次风暴过程中的中层中尺度气旋结构得以一定程度的解析。为了解该中层中尺度气旋的涡量来源，采用基于基于后向轨迹法（backward trajectory）的环量分析法对该中层中尺度气旋的涡量来源进行了计算分析。

1 模式设置

WRF模式是1997年由美国国家大气研究中心（NCAR），国家环境预报中心（NCEP），预报系统实验室的预报研究处（EMC）和俄克拉荷马大学的风暴分析预测中心等四个部门联合开发的中尺度预报和同化系统[2]。本文利用其中的ARW（Advanced Research WRF）内核。WRF在数值方向上采用地形跟随的θ坐标系，格点采用的Arakawa-C格点定义矢量和标量的位置。本次模拟采用NCEP提供的最终分析资料FNL作为初始条件和边界条件，每6小时更新一次，分辨率为0.5°。模式地表静态资料采用美国国家地质勘探局USGS资料，包含地面高程和地表覆盖类别等物理量，其分辨率为30-sec。

本次模拟过程从2012年6月23日8时开始至17时（北京时间UTC+08）结束，采用单层网格，水平网格间距为4km。基本的参数设置如表1所示。计算区域的选取如图1所示。

图1左图为WRF的计算域，左图中粉色方框所示位置对应右图所在范围。两图中色彩轮廓所示为2016年6月23日15时4千米高度处的降水粒子混合比，红色星号标记了盐城龙卷风发生位置。右图中虚线为以百帕为间隔的等压线。

2 计算结果与环流分析

本次研究中利用WRF模式成功模拟了2016年6月23下午发生在鲁南苏北地区的强对流风暴过程。伴随着较强的降水粒子区域，一个超级单体与12时30分左右出现在安徽省亳州市上空，随后继续向东移动。于13时左右出现一个中层中尺度气旋结构（图3）。中尺度气旋中心伴随着约3百帕的中心气压降和上升气流。该中层中尺度气旋于17时发展至成熟阶段。此时的中尺度气旋具有较高的涡度（大于0.006 s-1），同时气旋中心压力降约为6百帕，上升气流的强度较发展阶段也更大。气旋结构的直径约为15千米且随着时间的推进缓慢扩大。该气旋于17时左右进入黄海上空。气旋运动的路径在实际龙卷风灾害发生地偏北60千米左右。4千米高度处的最大涡度如图2所示，16时20分左右出现了另一个较大的涡度峰值，其对应为该中尺度气旋西侧的另一个涡度中心。该涡度中心出现时间较短且不具备较强的上升气流和中心气压降故不被认为对应于本次研究关心的典型中尺度气旋结构。

图2WRF模拟计算的4千米高度处的最大涡度值。最大涡度取值所在的平面覆盖了整个中尺度气旋及其超级单体发展所历经的全域。时间表示以2016年6月23日为起点的小时数，如时间坐标“8”表示“2016年6月23日8時”。最大涡度的计算频率为每分钟。

为了解本次强对流风暴过程中出现的中层中尺度气旋的涡量/环量来源，本研究拟利用环流分析对环量中各个源项的进行定量分析。环量C的定义如公式1所示即速度向量对一个有向闭合环路的积分。

式中，p和ρ分别表示大气压力和密度。F表示摩擦力，在WRF中摩擦力由湍流模型和近地面的表面层方案求得。此外由于WRF采用地面参考系，故必须考虑地球自转带来的科式力的作用。

本研究中的闭合环路利用沿环路分布的粒子表征，通过计算各个粒子的运动轨迹即可得到闭合环路的运动运动轨迹，由于本次研究需要关注围绕中尺度气旋的闭合环路的来源，故采用后向轨迹法计算闭合环路的发展路径。后向轨迹法采用基于WRF计算得到的速度场进行推演，时间迭代采用4阶Runge Kutta法，迭代步长为6-sec。WRF的计算结果以每分钟频率保存，采用线性差值来提供时间迭代步中所需的风速场和其他物理量。空间上粒子所在位置的速度由周围的64个WRF模型格点的速度插值得到。如果推演过程中两个相邻粒子的间距超过4千米，将在二者之间增加一个额外的粒子以保证计算准确度。公式2右边的各个物理量也通过周围的64个WRF模型格点的物理量插值得到。

本研究分别对中层中尺度气旋在发展阶段和成熟阶段的环量起源进行了分析。环路的初始位置由图3所示。

环流分析的计算结果由图4所示。环量计算的准确性可以通过对比由公式（1）计算得到的环量和由公式（2）叠加计算得到的积分环量得知。可知两个时间点的环流分析中，环流和积分环流具备较为良好的一致性。由于不可避免的插值误差，二者难以完全一致。在发展阶段，二者的符合程度较好。在成熟阶段的计算中，环量计算的开始阶段（15时至13时30分）出现了较为明显的偏差，这可能是由于一部分环路位于上升流较剧烈的位置，可能会引起较强的计算误差。

在发展阶段，倾压项在环量源项中占主导作用，摩擦力的作用较弱且具备较大的波动。考虑到倾压作用发生在浮力存在空间梯度的位置，故倾压项可以联系至南风方向的暖湿气流和西北风方向的干冷气流交汇形成的锋线处所形成的浮力梯度。绝大部分的环路都位于较高的高度，风速的沿空间的变化较小，而科式力的幅值同风速成正比，故科式力对环量变化的作用较小。在成熟阶段，倾压项在模式计算的早期具备较其他量具有较为明显的作用。摩擦力的作用出现了较大的波动，在13时30分至15时之间，摩擦力项出现了较大的负作用，这可能是因为一部分环路由于处于上升流位置，经过后迹计算出现在地面附近，故获得了较大的摩擦力带来的阻力作用。在该阶段，由于环路靠近中尺度气旋中冷暖气流的交汇处，浮力倾压项也具备较大的正向作用。同时，由于高层大气的风速较大而地表处风速较小，这可能是引起科式力项增大的原因。注意到在模式的开始时刻（2016年6月23日8时），环量的数值不为零。这预示着环境场对中尺度气旋环量的来源也有所贡献。

3 结论

本次研究利用中尺度气象模式WRF对2016年6月23日发生在江苏省盐城的强对流风暴过程进行了数值模拟研究，模式利用4千米的水平计算网格，成功再现了一个强对流风暴过程。同时成功解析了该风暴中一个超级单体及其包含的中层中尺度气旋的发展过程。

利用结合后向轨迹法的环流分析，本文揭示了该中尺度气旋在发展和成熟阶段的环量起源。倾压项的作用在各个源项中起主导的作用，摩擦力效应随时间呈现较大的波动，且在靠近地表附近出现负向的效应。科式力的效应在上升气流较为剧烈的情形下呈现较为明显的作用。

【参考文献】

[1]俞小鼎，郑媛媛，廖玉芳，等.一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体风暴研究[J].大气科学，2008，32（3）：508-522.

[2]Skamarock， W. C.， et al.：A description of the Advanced Research WRF version 3. NCAR Tech. Note NCAR/TN-4751STR， 2005.