昆明准静止锋移动影响因子数值模拟试验

王曼 朱莉 段旭 李华宏 陈新梅 李璠

(1 云南省气象科学研究所，昆明 650034; 2 云南省气象台，昆明 650034; 3 云南省楚雄市气象局，楚雄 675000)

引言

昆明准静止锋是指东亚冷空气爆发并向南扩展时，受西南高原地形和南支西风阻挡形成的一种独特的锋面系统，最早由我国气象学家张丙辰于20世纪40年代提出，昆明准静止锋两侧的天气气候迥然不同，冷空气控制一侧覆盖层状云，有时有夜雨，总是阴暗、潮湿和寒冷，而暖气团控制的一侧则是天气晴朗、温暖和舒适[1-2]。它和华南准静止锋是冬半年影响中国西南地区的重要天气系统，中国近1/5的区域受它们的影响[3]。2008年冬季和2011年冬季中国南方出现的2次严重的低温雨雪冰冻灾害都和昆明准静止锋系统相关[4-5]。同时，昆明准静止锋常诱发暴雨、短时强降水、雾等灾害天气[6-8]。因此，研究昆明准静止锋的生消和移动十分有必要。

早期许多学者[9-12]指出昆明准静止锋是高原地形的产物，地形对它的移动和维持作用显著。因此，近年来对昆明准静止锋的研究均涉及了地形作用的讨论。段旭等[13]合成分析10次典型昆明准静止锋个例，得到昆明准静止锋是地面冷高压沿青藏高原东侧运动遇高原阻挡而形成，受高原地形影响其温湿场和风场特征与一般冷锋有明显差异。杜正静等[14]分析2001年1月的滇黔准静止锋在演变过程中的温湿结构和大气环流特征,得到滇黔准静止锋表现为湿度锋，其大气环流特征与高原地形关系密切。杨贵名等[15]和孙建华等[16]认为2008年初中国南方发生的持续低温雨雪冰冻天气一个重要的原因是准静止锋长时间维持，锋面在地形抬升作用下，冷气团一侧存在过冷云(雾)环境下较均匀冷冻过程，导致冻雨形成。曾明剑等[17]利用数值模式开展地形对2008年初中国南方持续冰冻灾害分布影响的数值模拟，得到横断山脉和南岭山脉及邻近的山区，通过对锋区特征的改变，从而对冻雨的形成和维持产生重要影响。王曼等[18]利用中尺度MM5模式，进行2008年1月昆明准静止锋移动过程的模拟，并进行地形高度减半的试验，验证了高原地形阻挡作用是昆明准静止锋形成和维持的必要条件。

高原地形对昆明准静止锋的作用显著，但地形是固定不变的，昆明准静止锋是变化的，因此，除了地形作用外，昆明准静止锋的移动还取决于锋面前后冷暖气团相对势力的对比。张精华等[19]指出对昆明准静止锋形成的前期，地形的作用是主要的，后期以暖空气的作用为主。段旭等[20]利用1961—2010年地面观测资料讨论了昆明准静止锋、云贵高原地形和锋面附近大气要素3者之间的关系，得到了锋面在云贵高原东部位置取决于冷气团的厚度，而当锋面到达云贵高原西部后，地形的阻挡作用显著减弱和消失，锋面位置取决于冷暖气团强弱对比。

上述研究大多定性地分析昆明准静止锋维持和移动是受地形和冷暖气团势力影响，但对准静止锋移动速度影响因子的定量分析较少。在日常预报业务中，准确地预报昆明准静止锋位置和强度仍然是一个难题，由于锋面两侧的天气现象截然不同、气温差异明显，静止锋天气系统的预报不精确经常导致精细化要素预报出现较大偏差，因此精细定量地研究昆明准静止锋的位置、强度等变化机理十分迫切。索渺清等[21]对昆明准静止锋的研究进行了全面回顾和总结，并对未来研究方向进行了展望,阐述了昆明准静止锋的维持和进退机理为未来研究方向之一。前人研究表明，利用数值模式进行敏感试验是开展定量分析和验证的有效手段[22-26]。因此，本文利用中尺度WRF模式对2016年1月20—26日昆明准静止锋主要移动过程进行数值模拟，并针对地形和暖气团2个重要因子开展敏感试验，定量分析影响昆明准静止锋活动因子，以期为昆明准静止锋的精细化预报提供技术支撑。

1 天气过程

2016年1月20—26日，云贵高原出现1次昆明准静止锋增强西进的天气过程，影响云南的主要时段在1月22—24日，受昆明准静止锋及南支槽前西南暖湿气流的共同影响，云南省自东向西出现1次较大范围雨雪天气过程，降雪主要出现在滇中及以东以南地区。1月22日昆明平均气温为9.8 ℃，23日平均气温为-0.4 ℃，平均气温下降10 ℃以上，24日平均气温-3.8 ℃。此次过程冷空气影响时间长，降温幅度大，降雪范围广，是云南一次罕见的寒潮天气过程。

图1为昆明(102.7°E，25°N)、会泽(103.3°E，26.4°N)和贵阳(106.7°E，26.3°N)在2016年1月22日08:00至24日20:00的逐6 h气温变化。它们分别代表锋前、锋面附近及锋后的天气演变。可知,自1月22日08:00，一直处于昆明准静止锋后的贵阳站气温长时间维持在一个较低的状况，日变化不明显，所有时次的最大温差为5.2 ℃。天空状况为大片中低云覆盖，除22日14:00气温为0.5 ℃，其他时次的气温一直处于0 ℃以下，其中最低气温为23日08:00的-4.7 ℃，表明冷气团长时间维持。昆明的气温，从1月22日14:00的14.7 ℃下降至1月23日14:00的1.1 ℃，降温幅度达13.6 ℃。随后至24日20:00的气温持续下降，且气温始终稳定维持在0 ℃下，说明冷空气较强。从气温变化幅度看，从1月22日20:00之后昆明准静止锋开始影响昆明。会泽气温的变化趋势与昆明类似，气温曲线与昆明基本平行，只是气温更低，22日14:00，气温为13.1 ℃，到20:00，气温下降为1.3 ℃，温差达到11.8 ℃，说明1月22日20:00昆明准静止锋已开始影响会泽。23日08:00至24日08:00，气温除了23日20:00为-4.1 ℃，其他时刻均在-5 ℃以下，其中24日08:00气温最低为-9.9 ℃，比贵阳同时刻的气温低6.2 ℃。说明冷空气较强，且冷空气主体西移到会泽附近。根据以上锋面移动情况分析，取锋面快速西进的时段，即2016年1月22日08:00至23日20:00进行模拟和试验。

图1 2016年1月22日08:00至24日20:00昆明、会泽和贵阳逐6 h气温演变

2 数值模拟及敏感试验

2.1 模式参数及试验方案

利用由美国多单位联合开发的新一代细网格中尺度WRF(Weather Research Forecast)模式(V3.4.1)，并利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料作为模式初始场和边界条件。模式模拟的区域中心(103°E，27.5°N)，水平格距15 km，格点数南北为248，东西为320，模拟的区域范围(72.68°～133.25°E；8.97°～45.0°N)，垂直方向35层，模式地形数据选取为10′×10′，相当于18.5 km。微物理过程为Ferrier(new Eta)方案，长波辐射为RRTM方案，短波辐射为Duhia方案，地面为Monin-Obukhov方案，陆面为thermal diffusion方案，边界层为YSU方案，积云参数化为Kain-Fritsch(new Eta)方案，模拟的积分步长为90 s。

昆明准静止锋是受地形影响而产生的天气系统，为讨论地形对昆明准静止锋的影响，其他参数不变，进行地形高度增加到原地形1.2倍，以及地形高度分别增加100 m，200 m，300 m，400 m和500 m，以及降低100 m，200 m，300 m，400 m和500 m的模拟试验。验证地形对昆明准静止锋的移动速度影响。

影响昆明准静止锋锋面移动的因素除了地形，另一个因素为锋前暖气团的强弱。为认知暖气团的作用，对初始场中暖气团进行气温、气压和风场的敏感试验。设计的具体方案如表1，其中方案2，仅增加了暖气团500 hPa(无辐散层)以下的气温，为热力试验。方案3，仅增加了暖气团的气压，为弱动力试验。方案4，除了增加暖气团的气压，同时把西风和南风分别增加了2 m·s-1和1 m·s-1，为强动力试验。设计以上方案，验证暖气团中气温、气压和风场的变化对锋面移动产生的影响。

表1 暖气团敏感试验方案

2.2 控制试验结果分析

为了解模式对昆明准静止锋锋面移动过程的模拟情况，图2为位温沿26°N剖面垂直分布。初始时刻(图2a)，位温等值线相对密集的区域在105.5°E附近，位温锋区不明显。积分6 h(图2b)，位温锋区明显，在104.3°E附近，303 K的位温等值线与地面垂直，291～303 K的位温线密集。积分12 h(图2c)，位温锋面移动到乌蒙山地形最高的103°E附近，锋面位置与图1昆明和会泽站气温变化一致，22日20:00，锋面在昆明和会泽站之间，会泽气温已经下降，即将影响昆明站。与NCEP/NCAR再分析资料(图3a)相比，锋面位置基本一致，到达地形最高位置。积分18 h(图2d)，位温锋面越过了最高地形，继续西移到101°E附近，锋区减弱。积分24 h(图2e)、30 h和36 h(图略),锋面不明显，位置在100°E附近。这次过程，昆明准静止锋锋面明显，冷空气势力较强，西移速度较快，数值模拟锋面位置与实况站点气温(图1)变化较一致。

图2 2016年1月22日08:00(a),14:00(b),20:00(c)及23日02:00(d),08:00(e)位温(单位:K)沿26°N垂直剖面数值模拟(黑色阴影为模式地形高度;模式初始时刻为22日08:00,下同)

以上从热力场分析了这次静止锋的锋面移动和结构分布。在昆明准静止锋锋区形成及冷暖气团移动中动力场也有较大影响。图4为u风沿26°N的垂直剖面，模拟初始时刻(图4a)，东风气流在105.5°E以东。随着积分时间的增长，积分6 h(图4b)，东风气流迅速向西推进，使锋面西推，东风气流达104.5°E，u风的锋区明显，且与静止锋的锋区位置一致。积分12 h(图4c)，东风继续向西推进，东西风界面在103.3°E附近，东风中心风速增强，达9 m·s-1。在650 hPa以上层次，西风气流102.6°E附近出现“V”形状，表明了大气中高层强盛西风气流向低层传送，冷暖气流形成对峙。低层u风的锋面明显，但u风等值线没有前一时刻密集。模拟的结果与NCEP/NCAR再分析资料相比(图3b)，风的锋面位置和“V”型特征一致，只是锋面强度和东西风界面具体位置有所偏差，相对再分析资料的锋面强度较弱，可能跟资料的分辨率有一定的关系。积分18 h(图4d)，东风气流继续西进，接近地面为东风气流，且风速增大，108°E附近的东风中心风速达到12 m·s-1。说明锋后的冷空气补充增强。u风锋面不明显。后面的模拟时刻风的锋区不明显，图略。从u风看，低层东风不断向西推进，使冷气团向西推进，地面气温下降迅速，且气温下降到0 ℃以下，造成降雪和冰冻。14:00—20:00风的锋面相对明显，而在其他时刻相对不明显。u风的东风气流到达的位置偏西，且中心位置的风速较大，使冷气团的势力加强西进，因此该个例昆明准静止锋锋面能够越过较高地形到达100°E附近。

图3 NCEP/NCAR再分析资料2016年1月22日20:00位温(单位:K)(a)及u风(单位:m·s-1)(b)沿26°N垂直剖面(黑色阴影为0.05°分辨率真实地形高度)

图4 2016年1月22日08:00(a),14:00(b),20:00(c)及23日02:00(d)水平u风(单位：m·s-1)沿26°N垂直剖面数值模拟

从控制试验模拟结果看，这次昆明准静止锋冷空气较强，冷空气得到较强的补充，静止锋面在模拟时段向西移动较快，能够越过103°E附近最高地形。模拟的位温锋面移动位置与地面站点气温的变化比较一致，u风的特征与再分析资料特征一致，模拟结果可以用于敏感试验。

2.3 地形敏感试验结果分析

为进一步验证地形在2016年1月22—23日昆明准静止锋中所起的作用，增高阻挡的地形，使地形高度为原地形的1.2倍，静止锋面是否能越过高地形？同时逐100 m增高和降低100～500 m地形高度，得到变化后的锋面位置以分析仅改变地形高度，其他参数不变，昆明准静止锋的移动情况。

图5为地形增高后模拟的位温沿26°N剖面垂直分布，起始时刻(图5a)，位温的分布与未修改地形(图2a)的位温分布比较，锋面位置无明显差别。积分6 h(图5b)，锋面明显，位置在104.8°E附近，位温306 K等值线与地面基本垂直，厚度达650 hPa附近，锋面发展旺盛。较未修改地形的控制试验锋面偏东约0.6°(图2b)，锋面移动速度受地形阻挡明显。积分12 h(图5c)，锋面西进到104.1°E附近，锋面明显，较控制试验锋面偏东约为0.8°(图2c)。积分18 h(图5d)，锋面西进到103.5°E附近，相对控制试验锋面偏东约为1.0°(图2d)。受地形阻挡，锋面移动速度减慢，差异越来越大。积分24 h(图5e)，锋面继续西进，冷气团势力较强，越过了103°E最高地形处，锋面强度减弱，锋区不明显，锋面位置在102°E附近。积分30 h(图略)，锋面相对明显，位置在101.2°E附近。积分36 h(图略)，昆明准静止锋锋面位置较上一个时刻略西进。因此，2016年1月22日昆明准静止锋个例，当地形高度增加到1.2倍时，受地形的阻挡，昆明准静止锋向西进的速度减慢，越过最高地形的时间推迟了9～12 h。但冷空气势力较强，锋面最终越过103°E最高地形阻挡，影响以西的区域。积分36 h，锋面到达最西的位置较控制试验的位置偏东约1°。地形对锋面的阻挡作用明显。

图5 2016年1月22日08:00(a),14:00(b),20:00(c)及23日02:00(d),08:00(e)1.2倍地形下位温(单位：K)沿26°N垂直剖面数值模拟

为进一步分析地形对昆明准静止锋的移动产生的作用，对地形分别进行增高100 m，200 m，300 m，400 m和500 m，以及降低100 m，200 m，300 m，400 m和500 m的模拟试验。模拟初始时刻为2016年1月22日08:00，图6给出2016年1月22日14:00(积分6 h)不同地形高度下，位温沿26°N剖面得到的昆明准静止锋锋面位置分布。可以看出，当地形增高时，每增高100 m，锋面位置偏东一段距离;当增高100 m时，锋面位置相差相对较大，为0.15°，增加200～500 m，锋面位置基本都是相差0.09°，变化的幅度基本一致。同时地形高度越高等位温线越陡峭(图略)，随着地形的升高，冷空气不断堆积并在地形抬升作用下产生了越厚的逆温层。当地形高度降低时，变化幅度较大，当地形降低100 m时，锋面位置偏西0.3°;地形降低200 m时，较降低100 m时又偏西0.45°，锋面变化幅度较大；地形降低300 m、400 m变化幅度均为0.09°，地形降低500 m，锋面位置偏西0.37°。地形降低时，锋面位置的差异较地形增高时锋面位置差异大。积分6 h，锋面除了地形高度降低500 m到达了地形最高的103°E附近，其他地形高度，锋面均在103°E以东。

图6 2016年1月22日14:00(积分6 h)不同地形高度昆明准静止锋锋面位置

图7为2016年1月22日20:00(积分12 h)不同地形高度下，位温沿26°N剖面得到的昆明准静止锋锋面位置分布。从图上看，积分12 h，未修改地形高度，锋面西移到103°E地形最高处，地形增高，昆明准静止锋位置在103°E以东，每增高100 m，锋面位置偏东一段距离，当增高100 m、200 m、400 m和500 m时，锋面位置变化相对较小，为0.18°左右，当地形高度增加300 m，锋面位置变化为0.36°左右，锋面位置变化相对较大。地形高度降低，昆明准静止锋位置越过103°E最高地形西进，当地形高度降低时，变化幅度较大，当地形降低100 m时，锋面位置偏西0.45°;地形降低200 m时，较降低100 m时偏西0.27°;地形降低300 m时，较地形降低200 m时偏西1.28°，从锋面具体位置变化看，锋面过了地形相对高的102.5°～103.5°E区域，锋面位置差别相对大;地形降低400 m、500 m变化幅度均为0.36°左右。从地形高度变化后锋面的位置差别看，当锋面到达地形相对低的位置，地形高度相差100 m时，锋面位置差别相对大，而当锋面达到地形相对高的位置，地形高度相差100 m时，锋面位置差别相对小。地形降低时，锋面位置的差异较地形增高时锋面位置差异大。

图7 2016年1月22日20:00(积分12 h)不同地形高度昆明准静止锋锋面位置

从地形高度逐100 m增加500 m和降低500 m，昆明准静止锋位置的差异看，地形改变后，模拟积分时间越长，锋面位置差别越大。地形增高后，锋面在相对高地形的103°E以东的位置，受地形阻挡，锋面位置差异相对小。表明地形对冷气团阻挡作用巨大。当地形高度降低后，每下降100 m，锋面位置差异相对大。各个积分时间节点上，锋面位置均偏西。再次证实了高原大地形对冷气团有着巨大的影响。

2.4 暖气团敏感试验结果分析

锋面是冷暖气团之间的交界面，高原虽然对冷气团产生巨大的阻挡作用，但锋面毕竟是冷暖气团之间的交界面，暖气团的势力较强时也有可能阻挡冷气团西进。通过数值敏感试验，改变暖气团的强度，模拟锋面情况，了解暖气团在其中所起的作用，敏感试验主要增加暖气团的强度，分热力、弱动力、强动力试验(表1)。仅对锋面西侧暖气团热力和动力初始场进行修改，模式其他参数与控制试验一致。

图8给出了初始时刻2016年1月22日08:00,不同方案积分6 h位温沿26°N的垂直分布。控制试验(图2b)和热力试验(图8a)，锋面位置分别在104.3°E和103.7°E附近。热力试验与控制试验相比，积分6 h，锋面西进速度加快，增强暖气团的热力场不会阻止冷气团西进的速度，反而由于暖气团气温增加，冷暖气团的气温梯度增大，锋面强度增强，使锋面移动速度加快。弱动力(图8b)和强动力试验(图8c)的锋面位置分别为104.4°E和104.7°E附近。与控制试验相比，锋面位置偏东，增强暖气团的气压和风场，锋面移动的速度减慢。

图8 初始时刻2016年1月22日08:00热力试验(a)、弱动力试验(b)及强动力试验(c)积分6 h位温(单位：K)沿26°N的垂直剖面

图9给出了初始时刻2016年1月22日08:00,不同方案积分12 h位温沿26°N的垂直分布。控制试验(图2c)，锋面位置到达最高地形103°E附近，锋区位温梯度约每110 km 12 K左右。热力试验(图9a)，锋面位置在102.8°E附近，锋区位温梯度约每110 km 12 K。303 K位温线越过地形最高线，到达地形相对低的区域。热力试验与控制试验相比，积分12 h，锋面西进的速度略快、位温梯度基本一致。弱动力试验(图9b)和强动力试验(图9c)位温锋面位置分别位于103.4°E和103.45°E附近，差别较小。与控制试验相比，锋面位置明显偏东，未达地形最高处。与积分6 h分析结果基本相同，增强暖气团气压和风场，锋面移动速度明显减慢。积分18 h， 由3种敏感试验的位温分布(图略)可知，锋区减弱，锋面均越过相对高的地形，到达101°E附近，3种敏感试验的位温分布差别很小。

图9 初始时刻2016年1月22日08:00热力试验(a)、弱动力试验(b)、强动力试验(c)积分12 h位温(单位：K)沿26°N的垂直剖面

从以上暖气团要素敏感试验的模拟结果看，当暖气团气温增加2 ℃，增强热力场对冷气团无阻挡作用，冷暖气团温差的加大，对锋区的增强和西进反而有利，昆明准静止锋向西移动的速度增快，与控制试验相比，积分18 h内差异较明显，随着积分时间增长，差异缩小。增强暖气团的动力场，对减慢冷气团西进速度有一定作用，同样积分18 h之后，锋面的状况与未改变初始场的锋面状况基本一致。

3 结论

利用中尺度WRF模式，对2016年1月22—24日昆明准静止锋主要移动过程进行数值模拟、地形和暖气团敏感试验，分析昆明准静止锋的移动速度和锋面强度，得到以下主要结论：

(1)2016年1月22—24日昆明准静止锋锋面强度强，西进速度快，到达100°E附近。中尺度模式WRF能够再现昆明准静止锋的移动过程和锋面结构。

(2)地形对昆明准静止锋面的移动速度有显著作用。当地形高度增加到1.2倍时， 昆明准静止锋锋面西进的速度减慢，锋面越过103°E附近最高地形的时间推后了9～12 h，锋面到达最西边的位置偏东1°左右。对地形进行逐100 m至增高和降低500 m的模拟试验，地形高度改变后，模拟积分时间越长，锋面位置差别越大。地形增高后，锋面在相对高地形的103°E以东的位置，受地形阻挡，锋面位置差异相对小，差异在0.5°以内，地形高度越增高，锋面位置越偏东。当地形高度降低后，每下降100 m，锋面位置差异相对大，最大差异可达1.28°，地形高度越降低，锋面位置越偏西。

(3)改变暖气团的热力场，增加暖气团气温2 ℃，锋面强度增强，同时昆明准静止锋西移速度增快。增强暖气团的动力场，对冷空气西进有阻挡作用，使昆明准静止锋西进的速度减慢。该个例热力条件、弱动力和强动力条件敏感试验中，6 h积分后，热力条件和强动力条件改变下，锋面位置与控制试验差异均为0.6°左右，对锋面移动速度的影响相当，弱动力条件改变下，锋面位置与控制试验差异仅有0.1°左右，对锋面移动速度较小；12 h积分后，锋面位置与控制试验相比，改变热力条件下，锋面位置东进0.2°左右，弱动力条件和强动力条件下，锋面西退分别为0.4°和0.45°左右，强弱动力条件对锋面位置改变的差异减小，随着积分时间增长，动力条件对锋面的移动速度影响相对大。

从地形和暖气团敏感试验的模拟结果看，昆明准静止锋锋面的移动速度和到达最西的位置是高原大地形和暖气团的势力共同决定，比较而言，高原大地形的作用显著，而冷暖气团之间的势力对比对昆明准静止锋锋面的移动速度影响相对小。日常天气预报中，预报昆明准静止锋锋面移动速度的关键因素有昆明准静止锋锋面所处的地形高度和锋面附近冷暖气团温度梯度大小。本个例敏感试验中地形高度降低200 m和冷暖气团增大2 ℃温差变化条件下，昆明准静止锋锋面6 h后位置差异分别为0.75°和0.6°，从位置变化看，地形高度变化200 m比冷暖气团2 ℃温差对昆明准静止锋的位置影响更大。