WRF模拟强对流云周边晴空大气对飞行的影响

刘丽敏，黄 剑，石 磊，凌宏伟，赵 波

（1.黑龙江省龙云气象科技有限责任公司气象院士工作站，黑龙江 哈尔滨150030；2.伊春市气象局，黑龙江 伊春153000）

1 引言

1.1 研究区简介

伊春林都机场地处山谷交汇漫滩处，呈东西走向，机场以南地形逐步增高，场地以北地形平缓，周围群山环绕，其特殊的地理位置，造就机场天气比较复杂多变，往往观测时机场上空晴空万里，而积雨云就在附近。飞机在积状云周边飞行过程中会出现强烈颠簸，并且这种影响范围可达到CB周围30km，由于雷达回波和多普勒速度不能探测到积雨云周边晴空大气的结构，飞机在CB周边的晴空区飞行产生的颠簸现象机组人员无法预知，这就对飞行安全造成了极大的安全隐患。近年来随着航空活动的快速发展，飞机遭受强对流天气干扰的次数越来越多。因此，研究航线上在强对流天气影响下，晴空大气中飞机颠簸产生的原因以及其分布规律，是非常迫切的。

1.2 研究现状

国内学者对于飞机为什么会颠簸，飞机颠簸形成的机制，以及预报方法等各方面进行了大量的研究[1]。基本来说，飞机在晴空大气中的颠簸是由一种没有明显天气现象相伴的湍流运动（比如：风切变，大气波动，静力不稳定的上升运动等），晴空大气中的颠簸因为其以上特征，故而难以察觉，是影响飞行安全的主要危险天气之一[2-3]。近年来随着观测仪器的发展，雷达回波资料，地面激光雷达反演资料，加密观测网等观测资料在不同尺度天气系统的预报和研究中已经得到广泛应用。但是积雨云周边晴空大气没有雷达回波，中尺度对流系统也很难“被控制”运动到地面激光雷达，观测得到的资料结果往往是靠运气，很难得到满意的资料[4]。加密观测网的密度对于中小尺度来说还是很粗糙。这些观测条件的限制，造成对流云结构以及产生湍流对飞机降落起飞影响的研究很难得到突破。

目前，国内外有关强对流天气预报方法的研究已有很多成果，如Ravi等1999年首先从274个潜势预报因子中进行逐步筛选，筛选出9个重要因子建立1个多元回归方程进行概率预报。周毓荃等和欧建军采用WR95法，利用我国探空秒数据，计算分析了不同云垂直结构，将得到的分析结构同CloudSat卫星实测云垂直结构进行多个个例的对比分析，验证了相对湿度阈值判断云垂直结构方法的可行性，及利用我国业务探空资料分析云垂直结构的可用性[5]。周非非等研究探讨了FY-2卫星反演的云顶高度与多普勒雷达回波顶高的关系。郝莹等用T213数值预报产品计算物理量进行雷暴潜势预报。还有诸多相关专家学者也对此做了一定研究。从以上研究成果可以看出，各有不同的优势和不足。通过研究强对流云的形成与其周边环境的相互作用，从中探究强对流云周围晴空大气的运动规律和湍流形成的原因，为飞机的飞行、起飞和降落提供参考。

1.3 研究方法

采用2015年美国中部进行的大型观测试验PECAN(Plains Elevated Convection at Night)中的飞机观测资料作为参考资料。通过飞机在飞行时靠近中尺度对流系统，直接观测积雨云周边低空晴空大气的基本特征。选取积雨云周边晴空大气中飞机飞行高度的高分辨率（1 HZ）风矢量、温度和相对湿度，以及机载激光雷达反演出飞机高度以下的湿度、气溶胶和温度的垂直结构。主要分析当飞机在积雨云周边晴空大气边界层飞行时获取的飞行高度上温度、湿度和风场，以及激光雷达探测到的飞机下面的湿度、气溶胶和温度的二维垂直结构。通过飞机飞行高度上的气象要素场的变化以及激光雷达反演数据，可以了解积雨云周围晴空大气中环境风场与积雨云的风场的相互作用，水汽传输结构，及其产生湍流对于飞机飞行的影响。以此为依据来探讨飞机在飞行过程中产生颠簸的原理，为描述晴空大气周边的复合气流结构以及复合气流产生湍流进而影响飞机飞行提供参考。这在中尺度气象研究上具有特殊的意义。利用全球预报系统（GFS）数据作为初始值和边界值，用WRF-ARW在两种不同微物理方案和三种边界层方案的条件下进行六种不同组合的模拟，模拟一次积雨云过境伊春地区，以模拟的积雨云周边晴空低空大气场作为基础，绘制与飞机观测相同的区域水汽场并与机载激光雷达数据进行对比，评价模式模拟结果，为机场的强对流天气降落预报提供重要信息。分析其周边晴空大气结构，并与飞机观测结果进行对比。如果模拟结果与观测结果有着高度的耦合性，那么就可以为以后积雨云过境林都机场飞机降落或者起飞提供安全预警。

2 模拟方案

WRF-ARW模式模拟过程主要选取了全球预报系统2014年07月14日00世界时到12世界时（时间间隔6 h）且水平分辨率为0.5°的数据作为模拟的初始场和边界层条件。模式使用三层嵌套方案。外层水平尺度为18km，中层为6km，内层为2km。模式的垂直方案为84层。外层模式为3 h一个输出值（00，03，06，09和12世界时），中层和内层嵌套为1 h一个输出值。外层嵌套主要观测中尺度气流和气压场对强对流天气系统的影响，内层嵌套主要分析强对流天气系统周边晴空大气剖面的环境和垂直速度，与观测结果做对比。

微物理方案，选择包含冰晶、雪和霰的形成过程，适用于高分辨率发展旺盛的云的模拟New Thompson方案；以及包含冰晶、雪和霰的形成过程，适用于使用实时数据模拟高分辨率发展旺盛云的Lin方案。边界层方案采用了三种不同的方案：分别是包含非局地K方案（包含了显著夹卷层和垂直抛物线k分布的混合层的方案）的YSU方案；第二个是MYJ方案，其通过一维预测的湍流动能方程，包含了局地混合效应；以及包含了非局地上升混合效应和局地下层效应的非对称对流模式方案的ACM2方案。其对比详见表1。

3 PECAN观测的结果

图1展示了对应于2015年07月01日世界标准时04时24分至05时25分飞机飞行轨道的位置和紧凑型拉曼激光雷达(Compact Raman Lidar;CRL)反演的水汽、气溶胶、温度和位温。飞机于04时24分开始从强对流云的南边飞向夜间的强对流云。最初，飞行高度的垂直速度、温度、相对湿度变化不大，飞机飞行高度上的大气的环境相对稳定且相对温暖干燥。水汽（图1c）、气溶胶度含量（图1d）和温度（图1f）横截面显示环境边界干燥，气溶胶含量少并且相对温暖。而靠近雷达回波的边界大概50km处，垂直速度的变化增大，湍流加强，相对湿度变化也增加，结合飞行员在靠近对流云颠簸加强的体验，在这个区域内，飞机飞行颠簸明显，飞行体验相对较差。从激光雷达反演数据可以看到，对流云和周围环境的温度的梯度很大，在靠近对流云时，1.0km高度上温度大约从30℃降到20℃，强温度梯度会使对流云下沉高压气流流出（在图1f虚位温中描绘出的外流气流），水蒸气和气溶胶的横截面（图1d）描绘了在对流云周围环境的水蒸气被对流云外流气流抬升，抬升气流上有很多湍流使得水汽和气溶胶层边缘有小尺度的波动变化。这种对流云形成的高压外流（干燥，寒冷的气流），与周围环境的气流相互作用（相对湿度较大且温暖的气流），使周围环境入流抬升，从而增大了垂直方向的水汽，温度的传输，并且使得垂直方向的湍流增强。这种抬升作用的范围非常广，会产生强风切变，垂直通量，使得周围的空气产生小尺度的运动和湍流。垂直速度（图1a）可以看出，这种相互作用会产生垂直抬升速度和湍流影响飞行体验。所以飞机要远离大概雷达回波周围50km左右来避免颠簸区域。

表1 WRF模拟边界层方案的对比

图1 （a）飞行高度空气垂直速度，（b）温度和相对湿度，（c）CRL水蒸气混合比（WVMR），（d）CRL气溶胶激光雷达散射比（LSR），（e）CRL温度，（f）计算出来的位温度。（g）飞行轨道（长折线），飞行高度的水平风向量（短箭头），沿着飞机下方飞行轨道的CRL水汽横断面，以及2.25km平均水平面高度的雷达图像显示为（g）05:26:39世界标准时间

4 模拟结果及对比分析

4.1 雷达模拟结果对比

在缺乏飞机飞行观测的条件下，将模式模拟的结果和雷达观测结果进行对比，选择出与观测结果相近的模拟结果，进而来分析模式模拟的垂直剖面，从而达到分析对流系统周边晴空大气的特征。分析伊春气象局2014年07月23日北京时09时57分-12时44分的雷达回波图（略），北京时间09时57分一个弓形回波在伊春的西部被探测到，最强回波强度达到55-60 dBZ，它整体向东东北方向发展和移动，回波的弓形特征明显。在11时36分移动到伊春的上空后，速度渐渐变缓慢，回波范围扩大，从中间向周围扩散。12时44分回波中心强度减弱，到14时以后移出伊春气象站雷达观测范围。

在2014年7月23日16时北京时的雷达回波中（图略）可以发现，Lin微物理方案和MYJ边界层参数化方案的模拟的雷达回波呈现弓形回波且模拟效果最好。

4.2 MYJ_L高空流场

虽然用WRF模拟出来的雷达反射率因子很难与观测的雷达反射率因子相同。相对来说，MYJ_L的方案模拟的雷达回波与观测的雷达回波相近。将这个方案得到的气象场进行分析可以得到此次对流云周围晴空大气的特征和变化。图4a中可以看到07时在（123°00′E，48°00′N）周围有一个低压气旋中心(在伊春的西部)，随着时间的推移，运动到伊春的正上方（16时）。水汽场显示水汽南多北少的变化趋势，而且随着气流的移动，有更多的水汽运动到伊春地区周围，说明周边的水汽在向气旋中心汇集，而这个汇集的过程将是讨论的重点，即对流云周边气流和对流云内部下沉高压形成的气流的相互作用影响周边晴空大气的结构。接下来将讨论对流云周围晴空大气和对流云的关系，探讨飞机距离中尺度对流系统的距离与颠簸的关系。

4.3 MYJ_L的垂直剖面图

WVMR剖面在环境中显示出周围环境的水汽含量趋近于8 g/kg。当富含水汽的气流流入对流云的时候，气流被雷暴下部形成的雷暴高压外流气流引导而抬升，由于对流气流的相互作用，相当位温和水汽在边界层中有波动的形状，这是由于气流随着高度发生变化形成的风切变形成湍流运动。相对湿度场和水汽场有相同的结构。温度场中可以看出对流云的周围环境的温度相对于对流云内部的温度是偏高的，这种结构会形成温度梯度，使得对流云内部的空气向外部移动，对流云周围又是复合气流。这两种气流相互作用之后，会使得对流云周围的空气抬升，从而影响其周围晴空大气的垂直速度。图2b中的垂直速度可以看到，在对流云周围晴空大气中垂直速度变化明显，上升气流和下沉气流在水平方向上交叉出现，这个现象与激光雷达观测数据几乎相同。飞机观测受到天气条件和观测时间限制，而WRF模拟的优势在于可以根据需要显示对流云周围的任何横截面来研究气象要素的变化。接下来将要看07-10世界时的对流云周边晴空大气整个对流层垂直剖面图来具体分析哪些地方需要飞机避免。

07时剖面图（略）的长度约为300km，剖面前少半部分处于强对流云内，后多半部分处于晴空大气。剖面从地面延伸到距地面高度10km，此时的强对流云正在发展，还没有到达成熟阶段。从垂直速度剖面可以发现靠近对流云内部和其周围20km左右且高度在2-4km处有很强的对流和湍流运动。这些强湍流区域对于飞行的体验很不好。超过20km湍流逐渐减弱，通过分析位温，水汽混合比剖面和相对湿度场可以看出，强湍流区域内水汽被抬升后使得相对湿度达到100%，即到达了抬升凝结高度（LCL），水汽凝结成水滴，释放潜热，从而造成了不稳定气流。从图中还可以看出湍流发生区域和高相对湿度区域是高度耦合的。

08时剖面图（略）随着强对流云的发展与增强，对流云已经发展到了成熟阶段。对流云的内部和周围的对流增强，在这个时候，靠近对流云50km的水平距离的整个对流层都不适合飞机飞行。从低层大气水汽和位温结构可以看出，位温300 K线代表了从对流云流出去的气流，当水汽靠近对流系统的时候，含有水汽的复合气流被对流云下部形成的雷暴高压外流引导而抬升，进入到了对流系统中，与飞机观测到的结果相同。从相对湿度场可以看出，这个抬升使得相对湿度急剧增加，水汽凝结释放潜热，使得空气中浮力增加，湍流增强。而相对湿度超过100%的区域都是颠簸的潜在区域。而在成熟的对流云50-100km周围，距地面高度2-5km的区域，湍流增强，飞机应该尽量避免这个区域，在成熟的中尺度对流系统中可以得出：靠近中尺度对流系统50km，整个对流层都不适合飞行，特别是在距离中尺度对流系统50-100km，飞行高度2-5km这个区域。

09时剖面图（略）与前面分析相似，这个时候的坡面对应的对流云已经开始减弱，但是低层还是有水汽辐合抬升来维持对流云。对流云周围的晴空大气距离对流云系统水平150km左右，且高度在2-5km的中层有强烈的湍流运动，这个区域与高相对湿度是也是重合的，可以说靠近对流云周围晴空大气对流层的中层不适合飞机飞行。

10时剖面图（略），这个时候对流云减弱，从相对湿度图可以看出，周围晴空大气不适合飞机飞行的区域在减少，高相对湿度的区域相对于前一个小时已经减弱，这是由于低层水汽抬升减弱，没有足够的水汽凝结释放潜热来维持对流云的发生发展。在对流云减弱的同时，对流云对周围晴空大气的影响明显减弱。从而使得适合飞机飞行的区域增加。

总的来说，当对流云发生发展的时候，周围含有水汽的复合气流靠近对流云，与对流云内部下沉高压形成的外流气流相互左右，会使得对流系统周围的空气抬升，而影响其周围晴空大气的垂直速度，并且水汽被辐合气流引导而抬升，到达抬升凝结高度，从而凝结释放潜热，对流运动中湍流运动加强，使得这个区域不适合飞机飞行。也就是说，在飞机飞行、起飞和降落过程中，要尽量避免对流系统周边的这种湍流运动。

图2 嵌套第三层的模拟从（47°15'N,129°00'E到49°00'N,132°.00'E）的垂直剖面（a）水汽混合比（g/kg）；（b）垂直速度（m/s）；（c）温度场（℃）；（d）相对湿度场（%）

5 结论

本研究是通过对伊春地区一次对流系统进行WRF-ARW模式在不同微物理方案和边界条件下的模拟，通过对比对流云周围晴空大气的观测和模拟截面可以发现，WRF模拟仍然很难描述对流云的发展和传播。然而，用3种边界层方案和2种微物理方案进行了6次对流云的模拟，模拟的边界层的气象参数表明WRF-ARW仍具有良好的结果。WRF模拟的对流云-环境相互作用中，本地方案比非本地方案更能代表对流系统环境交互。在气象观测条件不足的情况下WRF模拟是具有优势的。通过模拟温度场和水汽场的垂直剖面图，可以得到以下结论：

（1）对流云下部形成的下沉冷高压与周围环境温度有很大的偏差，这种偏差会形成温度梯度，使得对流系统内部的空气向外部移动。对流云的外流和周围的辐合气流相互作用，使得对流系统周围的空气抬升，到达抬升凝结高度，水蒸气达到饱和凝结成水滴，从而释放凝结潜热，使得抬升中湍流加强，这个抬升区域不适合飞机飞行。

（2）在对流系统从初始到成熟的过程中，要尽量避免飞机飞入距离对流云周围50km的对流层，因为在这个区域内大气不稳定，在对流的作用下凝结潜热释放量大，使得周围整个对流层对流湍流强，特别是在距离对流云50-100km，高度在2-5km的晴空大气也是飞机需要避免飞行的区域，而在对流云减弱后，距离对流云周围50-100km的中层对流层中颠簸会逐渐减弱，逐渐适合飞机飞行。所以，从这次研究可以得出结论，对流云周围50km内晴空大气，不适合飞机飞行、起飞和降落。在距离对流云50-100km范围内尽量避免飞机起飞降落(飞机起飞降落会经过距地面2-5km高度)，以达到更好的飞行体验和更安全的飞行。

（3）研究中发现强湍流的区域与高相对湿度的区域是高度耦合。因为在常规观测中垂直速度相对难以获得，而相对湿度容易得到，以后可以通过探空资料进一步来验证高相对湿度和湍流之间的关系，为伊春本地飞机飞过对流云周围晴空大气来做进一步探讨。