WRF模式对贵州地区一次冻雨过程的数值模拟研究

吴建蓉,文屹,杨涛,肖书舟,黄军凯

(贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵阳 550000)

雨雪冰冻灾害是对电力系统影响最大的自然灾害之一，轻则发生冰闪，重则导致杆塔坍塌、断线，甚至致使电网瘫痪。随着全球气候变暖，极端灾害性天气频发，低温雨雪冰冻事件往往造成输电线路覆冰，对电力系统形成不可估量的损失[1-5]。冻雨是过冷却水滴在降落过程中与低于0℃的物体相互碰撞后产生冻结的一种灾害性天气现象，是产生线路覆冰的主要天气过程。2008年的一次历史罕见凝冻灾害性天气造成贵州省直接经济损失198亿元，主要电力输送线路出现大面积瘫痪，持久的冻雨过程为线路覆冰的增长构建了有利条件，使得最大覆冰厚度超过100 mm[6-7]。

贵州省位于云贵高原东侧，平均海拔达1100 m，地势西高东低，复杂的地理环境使其成为国内冻雨事件频发的主要区域，而冻雨天气往往导致线路覆冰现象，造成不可估量的电力灾害，因此对该区域进行冻雨相关研究是当前重要的探讨课题之一。国内外学者对冻雨天气的研究主要分为三个方面：一是研究冻雨形成的物理机制，主要包括云水、云冰等不同相态水成物之间的相互转换过程。文献[8-11]提出冻雨形成机制主要为“融化机制”，该机制指出，当近地面温度低于0℃，而高空中存在一个温度大于0℃的暖层整个大气层结呈现“冷-暖-冷”的结构。但同时，前人也有研究发现冻雨发生时大气层结中没有暖层，因此提出对于云顶高度高于-10℃的云中，云滴主要以液态形式存在，云中冰晶和霰粒子的融化是降水的主要来源。二是研究冻雨发生时的大气环流状况和天气形势，夏季西北太平洋的海温距平通过影响大气环流，间接导致了冬季我国南方地区低温冰冻灾害的发生、超长波是低温冰冻天气的背景条件以及青藏高原地区低层偏冷和西太平洋副热带偏强为冻雨过程提供充足的水汽和动力条件，逆温层是冻雨发生的必要条件，而且能调节冻雨发生的强度。[12-25]。三是通过数值模拟来研究冻雨各个微物理参量间的关系，随着计算机的快速发展，算力得到了极大的提升，通过对大气运动方程组和热力方程组的高分辨数值计算能够对大气运动过程进行一定程度的预报，当前国际上较为通用的ARPS(The Advanced Regional Prediction System)和WRF(The Weather Research and Forecasting Model)等中尺度数值预报模式研发了不同微物理方案，前人研究表面这些方案针对不同天气系统能模拟出大致的雨带分布，但对大气的热力结构和近地面温度的模拟有所差异，对不同地区发生的不同天气过程所使用的微物理方案存在着一定差别[26-34]。

外推等天气预报方法往往较依赖于经验，因此利用数值模式提高对冻雨天气的预报是当前发展的主要趋势，WRF作为当前国内外发展较为成熟的数值预报模式，其包含了丰富的微物理方案，能够对不同的天气过程进行高时空分辨率模拟，进而得到良好的预报结果。国内外目前有相关研究利用WRF对冻雨过程进行数值模拟， 但不同地区的微地形、微气候存在着较大差别，从而使得具体模拟效果产生了不同，并且国内针对冻雨过程的研究多集中于冻雨天气发生发展的物理机制，关于对冻雨的预报鲜有研究，因此目前针对贵州区域进行相关模拟研究有着较为重要的意义[35-36]。

本文采用全球预报系统GFS发布的预报场数据作为模式初始场和边界场，利用WRF中尺度数值模式对贵州省2018年1月24日的一次较强雨雪凝冻事件进行了数值模拟，通过对该冻雨个例的深入探讨为贵州地区冻雨天气的数值预报积累经验，本文所构建理论体系能够电力系统覆冰现象的小尺度预报提供重要理论支撑。

1 资料与方法

1.1 个例回顾

GFS全球预报系统是由美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合制作的，利用当今最先进的全球资料同化系统对地面、船舶、无线电探空、测风气球、飞机、卫星等观测资料进行质量控制和同化处理，最终输出一套完整的再分析资料集，其涵盖的气象要素丰富，覆盖范围广，且延伸时段长，是一个综合且可靠的数据集，因此本文利用该再分析数据集作为观测对比。

贵州地区是每年冻雨天气的频发区域，冬季云贵准静止锋的长时间维持与地形作用相结合，使得冻雨过程强度增强，往往产生较严重的线路覆冰现象，对线路的维护提出了较高的要求。2018年1月初发生了一次低温雨雪天气，此次过程维持了10天，冷空气于1月24日(北京时)夜间开始影响贵州地区，1月26日时(北京时)，全省冻雨站数达到近50站，此次强冻雨事件主要集中于贵州中部地区。25日20时(北京时)，准静止锋系统在贵州西部区域形成，随后向西移动，使低温雨雪天气不断变强，造成了大范围的线路覆冰灾害，因此针对此次个例进行深入探讨具有一定研究意义。

分析此次过程的大尺度环流背景场，如图1所示，2018年1月25日00 UTC(世界时，下同)时刻，500hPa位势高度场上为两槽一脊的天气形势，该环流场分布十分有利于北方冷空气与南方暖湿气流的交汇，我国高空风场呈现一致的西风急流，贵州地区位于急流轴的右后方，存在高空辐散，利于低空气旋系统的发生发展，北方强冷高压天气系统不断分裂冷空气向我国南方侵袭，引起大幅度降温。

图1 2018年1月25日00 UTC时的500hPa大气环流背景场Fig.1 500hPa atmospheric circulation background fieldat 00 UTC on January 25, 2018

1.2 试验设置

WRF模式是由美国国家大气研究中心(NCAR)、美国环境预测中心(NCEP)和俄克拉荷马大学的风暴预测中心等研究机构共同开发的新一代非静力平衡、高分辨率、完全可压缩的中尺度预报模式和资料同化系统。该模式主要应用于云尺度到天气尺度的重要天气过程的预报，具有可移植、高度模块化、并行化、分层设计的特点。WRF模式包含两种不同的版本，一种是由NCAR研发的ARW，另一种为NCEP开发的NMM，前者主要应用于科学研究，后者主要应用于实际业务预报，两者主要区别在于使用的预报方程有所不同。本文选用的ARW模式以全弹性大气非静力平衡原始方程作为控制方程，是一个完全可压缩的非静力模式。垂直方向采用Arakawa C网格点，使用Runge-Kutta的二阶和三阶时间积分方案进行时间积分。

本文使用WRF v4.0中尺度数值预报模式，采用NCEP/NCAR发布的全球预报数据作为模式初始场和边界场，该数据分辨率为1°×1°，选择模拟时间为2018年1月25日00世界时(UTC)至2018年1月28日00 UTC，模拟中心经纬度为(27.43°N，106.19°E)。模式采用双层嵌套，区域1覆盖了中国西南大部分区域，区域2主要针对贵州地区进行了高空间分辨率分析，两层格距分别为9 km和3 km，网格点数分别为155×163和247×244，模式顶高为50hPa，采用的地形数据分辨率为30s，模拟区域如图2所示。第一层区域采用Kain-Fritsch积云参数化方案，第二层区域由于具有高空间分辨率足以解析对流降水，因此关闭积云参数化选项，对于其余微物理过程参数化方案，两层区域均采用同样的设置，云微物理参数化方案为WSM5方案，该方案包含混合相态、过冷水滴的生成过程。大气长波辐射方案为RRTM方案，太阳短波辐射方案为Dudhia方案，行星边界层方案为YSU方案，陆面过程方案为Noah方案(表1)。

图2 模式双重嵌套区域设置Fig.2 WRF model domain design of nested areas

表1 WRF-ARW模式模拟参数设置Tab.1 WRF-ARW experimental design

2 结果分析

2.1 模式模拟结果可信性研究

GFS全球预报系统每日发布四次的分析场数据同化了气象卫星、雷达、遥感等实际观测资料，因此具有一定的可信度，本文利用GFS发布的2018年1月26日00 UTC的分析场资料和同时刻下WRF模式的模拟结果进行对比以探讨本次试验中模式结果的可信度。针对此次过程的动力原因进行讨论，GFS分析场资料显示，在850hPa高度上，贵州地区位于偏南气流的辐合处，源源不断的暖湿气流汇集于此，为此次过程的大范围降水提供了充足的水汽。700hPa 气压场上的0℃等温线已南压至贵州中部偏南地区，北部区域出现了-2℃的等温线，表明中低层北方冷空气势力强劲，南压至贵州区域。分析相对湿度也可发现该区域相对湿度大范围超过90%，在冷空气的入侵和高湿度的环境场形势下，满足冻雨天气形成的必要条件。将分析场结果与模式数值模拟结果进行对比，可以看到模式对850hPa上风场的模拟结果与分析场结果一致，均呈现偏南暖湿气流与北方干冷空气的气流场分布，并且700hPa高度的0℃等温线覆盖范围也接近一致，模式模拟出了冷空气的南侵强度(图3)，以上结果表明此次过程在温度场和湿度场上均符合冻雨事件发生的必要条件，因此十分有利于系统的长时间发生发展，并且通过对比模式和分析场可以看出模拟结果是可信的，模式在本文试验涉及中的参数方案具有一定的合理性，因此可以继续利用该模拟结果进行深入讨论。

(a)GFS 2018年1月26日 (b)WRF模式模拟结果00 UTC分析场 (a)GFS UTC analysis field on (b)Simulation resultsJanuary 26, 2018 of WRF model)图3 850hPa位势高度场与风场和700hPa0℃等温线Fig.3 850hPa geopotential height field and wind field, 700hPa 0℃ isotherm

2.2 降水场分布研究

此次雨雪冰冻灾害天气特点主要体现在冷空气强度大、降水量大、降水时间长，以及暖湿气流充沛。因此本文首先针对降水情况对此次过程进行分析。基于此次个例实际观测资料的相关分析，结果表明到1月26日冻雨站数达到近50站，线路覆冰范围达到了较严重程度，因此本文选择该时刻下模式模拟的1月26日00UTC前6h降水进行分析。如图4(a)所示，此次降水主要分布在贵州中部及东部，符合分析场分析结果，这是由于东北偏北方向的气流向中国南部入侵导致。在贵州少数地区6h累积降水量达到25.6mm，表明该区域对流系统旺盛发展，产生了较大强度降水。

造成覆冰现象的往往是冻雨过程，因此为了进一步明确冻雨含量在此次降水中的占比，本文进一步分析2018年1月26日00 UTC时刻下模式输出冻雨百分比含量值的分布(图4b)，可以看到贵州中部及东北部地区冻雨含量占比达90%以上，这表明此次过程中地面降水主要表现形式为冻雨，这是由于冷空气强度极大，造成地面大幅度降温，促进了液态水成物形成冻雨，增大了过冷水滴的占比。综上所述，基于模式输出的冻雨百分比可以更直接地得到降水覆盖区域的冻雨分布具体情况，通过分析进而能对相应区域的线路维护提出有效措施建议。

(a)6h累积降水模拟 (b)冻雨百分比(a)6h accumulated precipitation (b) Fraction of freezing rain图4 2018年1月26日00 UTC地面降水分布Fig.4 Distribution of surface precipitation at 00 UTC on January 26, 2018

2.3 动力机制模拟

由于此次降水过程维持时间长达十天，因此该雨雪凝冻个例存在一种动力机制维持系统的发生发展，为了进一步探讨，本文选择模式输出的绝对涡度进行分析，绝对涡度往往能清晰地反映天气系统的动力机制(图5)，当绝对涡度为正值时，表明利于气旋系统的发生发展，当绝对涡度为负值时，表明利于反气旋系统的生成。

为了深入研究此次冻雨的动力机制，横跨贵州中部地区沿26°N作一垂直剖面，如图5所示，可以看到垂直剖面上正负涡度交替分布，沿着地表气旋与反气旋强烈发展，绝对正涡度最大值达到了60×10-5s-1，绝对负涡度最大值达到了40×10-5s-1，并且绝对涡度大值区在垂直方向上伸展到了450hPa高空处，上升运动与下沉运动交替发展，表明贵州中部区域的动力场利于气旋系统的旺盛对流发展。并且由对此次个例的大尺度背景场分析可知，贵州地区在此次过程中位于高空急流轴的右前方，急流附近存在风速的强切变，使得重力波不稳定发展，能对低空系统对流形成触发作用，造成急流右前方的动力抬升作用增强，而低空充足的高湿气流对流上升凝结，非常利于降水的长时间维持，该动力机制模拟结果也表明此次冷空气入流导致逆温不稳定的垂直大气层结构，热力作用下产生了较强的垂直强对流运动，使得降水强度增大，利于此次冻雨过程的形成与维持。考虑地形因素，从模拟结果也可看出，贵州位于青藏高原东侧，地势西高东低，海拔高度相对较高，从贵州东部到西部地区，随着地形的抬升，对流活动也伸展得更高，且绝对涡度出现了极大值中心，这表明地形对于对流活动的触发有较大影响，其有利于垂直对流活动的发生和天气系统的发展。

图5 2018年1月26日00 UTC绝对涡度垂直剖面(横跨贵州地区沿26°N作一垂直剖面)Fig.5 The absolute vorticity vertical profile at 00 UTC on January 26, 2018 (A vertical section along 26°N across the Guizhou area)

2.4 云物理结构

冻雨的生成主要是由于当近地面气温低于0℃时，降落的水成物发生相态变化，进而在地面覆盖物上形成一层覆冰，因此研究天气过程的物理过程能更深入理解冻雨的形成机制。云微物理过程主要反映了云中水汽和不同相态水成物之间的转换过程，直接决定了降水粒子的生成与发展，而WRF中尺度数值预报模式中含有多种云微物理方案能够模拟不同类型的水成物分布，本文选用的WSM6微物理方案包括了云滴凝结、云雨自动转化、云滴同雨滴的碰并、雨滴凝结蒸发和重力沉降以及混合相态水成物生成等微物理过程，因此通过WRF模式进行数值模拟可以输出云水混合比和雨水混合比。

在经典覆冰预测模型中，液态含水量往往是关键输入因子，因此本文沿横跨贵州中部地区26°N的垂直剖面，通过垂直叠加液态水成物混合比得到垂直剖面上的液态水成物分布结构。如图6所示，600hPa气压层以上由于温度偏低，水成物表现形式主要为固态，因此不存在液态水分布，此次过程中的液态水含量主要集中于中低层，含量最大可达0.35g/kg，极大值出现在贵州东部地区，西部液态水含量也在逐渐加强，这与此次过程系统由贵州东北部向中西部移动的实际情况相吻合。而在850hPa以下液态水含量值几乎为0g/kg，这表明中低层几乎不含液态形式的水成物，这主要是由于垂直高空存在温度高于0℃的暖层，将高空固相水成物融化成液相状态，因此此次冻雨过程符合经典的“冷-暖-冷”垂直温度层结机制。低空由于存在大量冷空气的入侵，源源不断的偏南暖湿气流被抬升到中高空高度形成一定厚度的暖层，当高空形成的固相水成物降落到暖层区域时发生融化，生成液态形式的水成物，而后由于近地面强冷空气作用，其再次凝结成固态水成物生成冻雨，进而容易形成雨凇，当冻雨凝结在电线上时，则易产生电线覆冰的灾害现象(图6)，此结果与前文降水场和冻雨占比的分析结果相符合，表明此次过程中贵州中部地区由于“冷-暖-冷”的垂直温度层结分布，存在的降水中大部分由冻雨形式组成，因此实际观测中冻雨站数达到了较广泛的范围。

图6 2018年1月26日00 UTC液态水含量垂直剖面(横跨贵州地区沿26°N作一垂直剖面)Fig.6 The liquid water content vertical profile at 00 UTC on January 26, 2018 (A vertical section along 26°N across the Guizhou area)

3 结论

本文首先回顾了发生在贵州区域的一次较强冻雨个例，并基于中尺度数值预报模式WRF对该个例进行了模拟，并利用NCEP再分析资料进行模拟结果的检验。具体结果如下。

(1)通过对GFS分析场数据的分析可知，此次个例主要由于阻塞高压形势下，造成冻雨过程的长时间维持，且贵州省处于高空急流右前方及低空暖湿气流的辐合处，高低空系统的配合导致了此次过程的发生。而前人许多个例研究也均表明乌拉尔山阻塞高压和高空两槽一脊的阻塞形势是贵州地区冻雨天气维持的常见大气环流背景场。

(2)WRF中尺度数值模式能基本再现此次过程的动力及微物理机制，通过高时空分辨率模拟，输出结果能揭示贵州地区发生冻雨事件的风场和气压场结构，可知此次过程存在强烈的北方寒冷气流与偏南方的暖湿急流在贵州地区的交汇动力场分布。

(3)通过对此次冻雨天气的微物理过程和动力机制进行分析，可知低空和高空没有液态水成物的分布，液态水含量主要位于垂直上空中高层，高空和低空种水的相态主要呈现为固相，表明此次过程辐合 “冷-暖-冷” 经典冻雨垂直结构分布机制，且由于贵州地区地势分布及大尺度背景场的原因，对流单体旺盛发展式此次过程长时间维持。

(4)冬季时期，贵州地区主要由单一系统控制，冷高压天气系统不断分裂的冷空气造成地面大幅降温，低空暖湿急流北上，两者相互配合形成准静止锋导致长时间维持的冻雨事件，这或许是贵州区域雨雪凝冻天气常见的一种天气形势。