黄海对流云街数值模拟与敏感性试验

杨依丽雪 袁慧玲 陈勇

(南京大学大气科学学院 中尺度灾害性天气教育部重点实验室，南京 210023)

引言

云街(Cloud Street)是常见的浅边界层对流的形式，通常在冷空气爆发期间发展[1]，可通过卫星云图观察到[2]，显示为白色的线性拉长积云[3]。对流性云街大致与低层风平行排列成行，在垂直于平均风方向上等间距分布排列[4-5]。不同类型云与产生该云的天气系统、地域及所处云系不同的发展阶段等密切相关[6]。云街代表着水平滚涡对流的出现，对热量、水汽、动量的输送有着重要意义[1]。冬季黄海上空云街频繁出现形成不同的云带方向，适当寒冷条件下，强冷空气与黄渤海暖水面相互作用产生大气边界层不稳定从而产生冷流降雪[7-8]，山东半岛的降雪过程一直广受关注[9-11]。此外，云街对强降水中尺度对流系统的维持与发展及极端强降雨的产生也有着重要作用[12]。本文基于2015—2019年冬季的Himawari-8卫星图像资料，对黄海地区的云街进行了统计。

由于云现象尺度从数百至数千公里不等，对其数值模拟仍存在很大挑战[13]。为研究水平滚涡对流的影响，不少学者提出使用更高分辨率的数值模拟[14-15]。冷空气爆发会影响海上大风[16]及污染物扩散[17-18]，为了模拟与冷空气爆发有关的低云，模型空间分辨率需要足够小[19]，更高的分辨率对于再现次级环流和随后的卷云十分重要[20]，而相关的次级环流会导致上升气流和下降气流之间的温度、湿度和动量场有显著差异[21]。但有时更高分辨率的模拟所提供的水平滚涡对流会不太真实[11]，可能会产生更多的胞状对流。通过在足够大的区域内进行高分辨率的三维数值模拟，如大涡模拟(LES)或高分辨率数值天气预报(NWP)模式，可以捕捉到水平滚涡对流的空间发展过程[22-24]。

利用中尺度数值模式开展真实个例的高分辨率数值模拟研究比较少，研究表明采用WRF中尺度数值模式[25]进行数值模拟时，1 km水平格距可以较好再现黄海云街的详细结构，稳定性参数可以阐明水平滚涡对流在下游向胞状对流的转变[19]。但是针对真实个例的高分辨率数值模拟研究仍然面临两个挑战：①次网格尺度大气运动的各种物理过程通过数值模式的积分计算不能得以准确描述；②边界层环境和云结构在灰区和亚千米尺度内的转换尚未得到系统的解决。有研究表明，以灰色区域分辨率表示子网格尺度的湍流传输的行星边界层(Planetary Boundary Layer,PBL)参数化方案[26](以下称为NEW PBL方案)在理想化模拟中对改进边界层的数值模拟有较好的效果。但是NEW PBL方案应用于真实个例的模拟以及对类似云街或对流性滚涡模拟的作用还缺乏更多的研究，例如针对2015年11月一次冷空气爆发产生的黄海云街的数值模拟，依然采用的是基于非局部K理论闭合的YSU(Yonsei University)PBL方案[19]。本文基于WRF模式，分别采用NEW PBL方案[26]和YSU PBL方案，开展冬季冷空气爆发个例数值模拟的敏感性试验，并探究这一类NEW PBL参数化方案对黄海对流性云街特征模拟的影响。

1 云街辨别及走向分类

冬季，偏北风从亚洲大陆内部带来冷空气团，黄海地区海气相互作用强烈，导致其上空云街频繁出现，在卫星云图上可以观察到云街的发生发展。利用来自日本气象厅(JMA)的多功能传输卫星MTSAT间隔1 h的Himawari-8卫星可见光云图，对2015—2019年冬季(11、12、1、2月)黄海上空可见光云图进行主观识别，研究了黄海上空云街的出现频率和主要走向，共辨别紧密排列且走向明显的云街天数70 d。根据积云走向将其分为3类：西北东南向、南北向、东北西南向(图1)，分别占比81.16%(56 d)，15.94%(11 d)，2.9%(2 d)，东北西南向占比较小，故之后对其不做讨论。但对于云街发生和走向识别缺乏客观标准，未来对于卫星图像的客观检索方案仍需进一步研究。

图1 黄海上空不同走向的典型云街卫星云图：(a)西北东南向，(b)南北向，(c)东北西南向

利用来自国家环境预报中心(NCEP)的全球预报系统(GFS)分析数据，对西北东南向和南北向云街的GFS分析数据平均后绘制850 hPa风场高度场及2 m湿度场。二者差别主要为850 hPa风向变化及海陆面温度，西北东南向云街所对应850 hPa几乎为西北风，风向近乎与等位势线相平行，风速为10 m/s左右(图2a)；而南北向云街所对应850 hPa内陆地区风速较小，沿海地区为较弱西北风，但随离岸距离增加，风向逐渐转为偏北风且风速增加，有穿越等位势线的运动(图2b)。此外，南北向云街的海陆面温度较西北东南向的偏小2 ℃。

图2 黄海上空不同走向云街850 hPa风场(风矢)、高度场(等值线)和2 m温度场(填色)：(a)西北东南向，(b)南北向

2 冷空气爆发个例情况

2015年11月25—27日，受强冷空气影响，中国北方地区遭遇暴雪。华北、华东等地平均气温急速下降，113个气象站的最低气温低于1961年以来的记录，此案例发生期间，卫星云图中可观察到西北东南向的条状云带(即云街)在黄海上空大面积密集分布。

25日06:00(UTC,下同)黄渤海上空开始出现条状云带。26日06:00，黄渤海大部分地区被浅积云覆盖，条状云带间距减小分布变密，大致呈西北东南向，其尾部的水平滚涡对流转变为细胞状对流。27日00:00，水平滚涡对流减弱，云带开始合并(图3)。

图3 2015年11月冷空气爆发期间黄海上空卫星云图：(a)25日06:00，(b)26日06:00，(c)27日00:00

冷空气爆发期间黄海上空以西北风为主，位于低压系统的西南部(图4)。25日06:00，黄渤海上空携带干燥空气的冷平流开始加强，由较弱西北风带到较暖海面。26日06:00，西北风明显加强达15 m/s 以上，等位势线变密，等温线与风向几乎垂直，表明黄海上空普遍存在一股强冷平流，同时海陆温差增加。随后等位势线变疏，海陆风向均向偏西风转变，海陆温差减小。

图4 2015年11月冷空气爆发期间黄海区域不同走向云街850 hPa风场(风矢)、高度场(等值线)和2 m温度场(填色)：(a)25日06:00，(b)26日06:00，(c)27日00:00

3 WRF试验设计

试验采用的数值模式为WRFv3.7.1，试验区域为图5所示区域D01(水平分辨率为3 km，水平格点数为599×598)和D02(水平分辨率为1 km，水平格点数为835×877)。模式于2015年11月24日12:00(UTC)开始启动，采用单向嵌套运行96 h。微物理参数化方案采用Lin方案[27]，此方案与YSU PBL方案组合较适合高分辨率模拟和理论研究，被广泛应用于海雾预报[28]。边界层参数化方案采用YSU方案[29-30]和考虑网格大小分辨率的边界层方案[25](NEW PBL)。前者为基于非局部K理论闭合的边界层方案，后者为研究用灰色区域分辨率来表示子网格尺度的湍流传输而引入的一种边界层算法。相比于传统的YSU方案，NEW方案在平均剖面、次网格垂直运输剖面和能量谱上有所改进，在理想对流模拟中，对水平滚涡对流和次级环流的模拟能力更强[25]。

图5 WRF模式模拟区域设置(外层区域D01(3 km)和嵌套域D02(1 km)，阴影表示地形高度(m)，红点表示大连站)

4 WRF高分辨率模拟结果

将考虑网格大小依赖性的NEW PBL方案和基于非局部K理论闭合的YSU PBL方案分别与Lin微物理方案组合为NEW方案和YSU方案，在D01、D02域对黄海区域进行高分辨率模拟。

4.1 基本天气条件

利用YSU方案和NEW方案所模拟的环境场差别较小，天气模式、位势高度及风温变化和GFS结果整体相似(图6)。

图6 2015年11月冷空气爆发期间，NEW方案黄海区域850 hPa风场(风矢)、高度场(等值线)和2 m温度场(填色)：(a)25日06:00，(b)26日06:00，(c)27日00:00

2015年11月25日，大连日最低最高气温均达到当月最小值，分别为-7 ℃和-10 ℃。对大连站(站点号56224，121.63°E，38.90°N)最近网格点进行风速温度模拟。两方案均较好地再现了风速的一般变化和湿度垂直分布情况，但日尺度以下的增减趋势有所差别(图略)。

4.2 水汽条件

两方案均较好地再现了云街的盛行风向(西北东南向)及距海岸一定距离处形成的相似覆盖面积的云街，云街区域1000 m高度总柱云水混合比在1～2 g/kg左右。通过对两方案的1000 m总柱云水混合比进行相减，可看到二者云街情况(云带数量和云带间距)有所差别，在1 km高分率下更为明显(图7)。

对两方案云水混合比相差值较大区域进行垂直剖面分析(图7d红线)，沿着云街走向(东北西南向)取横截面CD(长约40 km)，垂直云街走向(西北东南向)取横截面AB(长约300 km)。

图7 2015年11月NEW方案和YSU方案的黄海上空1000 m总柱云水混合比差值(NEW-YSU):(a)25日06:00 D01，(b)25日06:00 D02，(c)26日06:00 D01，(d)26日06:00 D02，(e)27日00:00 D01，(f)27日00:00 D02；(其中图d红线AB、CD分别沿着和垂直1000 m高度的盛行风风向，为后文垂直剖面分析位置)

对流的变化伴随着云的发展和水汽的变化。模拟结果表明，水凝物主要由过冷水滴、雪和霰组成，三者随云街发展均有所增长，其中云水混合比的变化最为明显，且在两方案的模拟之间差别最大。二者的云水混合比之差在26日12:00达到最大，NEW方案模拟的云水含量最大值出现在1.0 km高度，为0.115 g/kg，相较于YSU方案偏大0.042 g/kg(图8b)。虽然YSU方案模拟的云水含量相较于NEW方案偏少，但雪和霰的含量更大，表明前者的微物理过程模拟中，可能通过Bergeron过程以及云水和雪、霰的碰并过程将更多的云水转化为雪。

图8 2015年11月黄海上空沿横截面CD，云水、雨水、云冰、雪和霰5种水凝物混合比垂直分布:(a)25日12:00，(b)26日12:00

PBL顶部附近的相对湿度随着水平滚涡对流的发展而增加，25日06:00至26日12:00，整层湿度显著增大，在0.8～1.2 km间最明显。26日12:00，沿横截面AB离岸距离50～300 km处，PBL深度附近显示出连续大范围的明显湿润(RH>90%)中心(图9)，两方案关于湿度的模拟基本一致，NEW方案的湿润区在垂直方向上分布更深厚。

4.3 热力条件

沿横截面CD，温度和露点温度的差值随时间推移逐渐减小，即湿度逐渐增大，YSU方案和NEW方案具有相似的垂直温度结构和变化，但NEW方案模拟的露点温度偏高，从而模拟出更大的湿度(图10)。

图10 沿横截面CD，2015年11月25日12:00至26日12：00温度tc和露点温度td垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案(图例中2512表示25日12:00，以此类推，下同)

26日12:00，两个方案模拟的海气温差由10 km的-18 K变化到225 km的-11 K(图略)，表明自西北方向而来的干冷空气在经过黄渤海温暖海面时被加热加湿，海气相互作用明显。沿横截面CD，可以看到云街的发展消亡伴随着潜热感热通量的增大减小，25日12:00潜热通量为320 W/m2，感热通量为270 W/m2，随云街发展潜热感热通量迅速增大，增幅大于150 W/m2，随云街消亡又逐渐减小。

可以看到，YSU方案和NEW方案在云街出生和消亡时的潜热感热通量差别不大，但在云街的发展过程中(25日12:00至26日12:00)，二者模拟的潜热感热通量的差别逐渐增大并在26日18:00达到最大，为20 W/m2左右，且NEW方案模拟的潜热感热通量的趋势相对偏右一些(图11)。

图11 2015年11月沿横截面CD，潜热(LH)和感热(SH)通量(单位：W/m2)垂直分布：(a)25日12:00，(b)26日18:00，(c)27日00:00

4.4 动力条件

两方案在水平及垂直速度的垂直分布上有较大差别。随云街发展，沿横截面AB和CD的平均水平风速均不断增大，25日12:00至26日12:00，风速增幅达到7 m/s。可以看到在云街发展过程中，NEW方案所模拟的平均水平风速在1 km以下时均比YSU方案大0.5 m/s(图12)。水平风速越大，海气温差越大，从而越有利于水平滚涡对流的发展。

图12 2015年11月25日12：00至27日00：00沿横截面，水平速度时间变化：(a)AB，(b)CD

随云街的发生发展消亡，垂直速度有明显的变化，整个过程中NEW方案在1.2 km以下模拟的垂直速度均偏大，云街发展最强时(26日12:00)两方案差别最为明显，NEW方案垂直速度偏大0.1 m/s，在0.8 km最显著(图13)。

图13 2015年11月25—27日沿横截面，垂直速度时间变化：(a)AB，(b)CD

沿横截面CD，26日12:00的上升下降气流达到最强，此时云街也发展至最盛，可以看到两方案均能模拟出垂直气流，但强度有明显差别，NEW方案的上升下降气流强度明显偏大，上升速度最大值达1.2 m/s，上升气流中心对应有更强的云水混合比，下降速度最大值达-0.6 m/s(图14)，同一时刻低层风速也更大(图15)。

图14 沿横截面CD，2015年11月26日12:00垂直速度(填色)、云水混合比(黑色实线)和温度(红色虚线)垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案

图15 沿横截面CD，2015年11月26日12:00水平速度(填色)、云水混合比(黑色实线)和温度(红色虚线)垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案

沿横截面AB，两方案先后在离岸100 km及之后位置产生了上升下降气流，但NEW于25日06:00更先在离岸100 km处产生上升气流(图16)。先前的研究表明对流活动通常与温暖开放的水域上冷空气爆发有关，云街从海岸线下游100 km或更近的地方开始形成[31],上述结果与先前的研究一致。26日12:00的上升下降气流达到最强，此时云街也发展至最盛，可以看到两方案均能模拟出沿AB的垂直气流，但强度有明显差别，NEW方案的上升下降气流强度明显偏大，上升速度最大值大于1.4 m/s(图17)。

图16 沿横截面AB，2015年11月25日06:00垂直速度(填色)和水平速度(风向杆)垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案

图17 沿横截面AB，2015年11月26日12:00垂直速度(填色)和水平速度(风向杆)垂直分布：(a)YSU方案，(b)NEW方案

NEW方案所模拟的水平滚涡对流和上升下降气流的强度更大，持续时间更长，这也将导致其云水混合比更高(图8)，使得更多的云得以发展。

4.5 稳定性参数ζ

云街的带状结构通常与开放或封闭的细胞状结构连接在一个区域，有组织的对流对动量、热量和水分的垂直传输有很大的贡献[32]。之前的研究[19,33-34]提出了从水平滚涡对流向胞状对流过渡的各种标准，表明这种过渡可能与稳定性参数ζ的变化有关。

(1)

(2)

其中，L为Obukhov长度，稳定时L为正值，不稳定时L为负值，Zi为PBL深度，u*为摩擦速度，θ0为表面空气温度，Q0为感热通量，κ为卡尔曼常数(约0.4)，g为重力加速度常数(约9.8)。无量纲稳定性参数ζ表示浮力与垂直剪切或湍流动能消耗(TKE)的相对作用，随着ζ的增加，线形云街向开放的细胞状云过渡，因此模拟时可通过ζ值的变化来研究水平滚涡对流的发生发展。

在云街的初生和消亡时，两方案对于Obukhov长度和PBL深度的模拟差别不大，即稳定性参数ζ相当。云街发展过程中，Obukhov长度逐渐减小即越不稳定，NEW方案模拟的Obukhov长度值更小，PBL深度值更小，导致其稳定性参数ζ更小，模拟的水平滚涡对流强度更大(图18)。

图18 2015年11月沿横截面CD的Obukhov长度L和PBL深度Zi:(a)25日12:00，(b)26日12:00，(c)27日00:00

5 结论与讨论

本文对2015—2019年冬季黄海上空云街Himawari-8卫星可见光云图进行主观识别和走向分类，利用GFS模式的分析场数据对西北东南向和南北向的云街进行分析，发现云街走向与850 hPa风场、海陆温差等条件有关。

2015年11月北方经历了一次强冷空气过程，黄渤海上空为西北东南向条状云带大面积覆盖，在研究区域进行WRF高分辨率数值模拟，采用微物理参数化Lin方案，分别结合基于非局部K理论闭合的YSU边界层参数化方案和考虑垂直热输运的网格大小依赖性的边界层参数化方案(NEW方案)。对比分析两方案的模拟结果，得到以下结论：

(1)两方案均能较好再现了云街出现区域和盛行风向。

(2)由于NEW方案在理想对流模拟中，对水平滚涡对流和次级环流的模拟能力更强，应用于本次云街过程的真实模拟中，其水平和垂直速度偏大，水平滚涡对流和上升下降气流的强度更大，持续时间更长，这也导致其云水混合比更高，促进更多的云得以发展。

(3)采用考虑NEW方案的云街发展过程中，Obukhov长度更小，PBL深度值更小，导致其稳定性参数ζ更小，模拟的水平滚涡对流强度更大。

将来仍需考虑更多云街个例，采用不同微物理参数化方案进行组合，此外对于云街客观识别和模拟结果比对，更为合适的检验评估方法仍有待研究。