WRF模式对乌鲁木齐机场终端区一次强对流天气过程的模拟分析

陈阳权，杜安妮，丁 旭，秦 贺，张利平

（1.民航新疆空中交通管理局气象中心，新疆 乌鲁木齐 830016；2.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002）

强对流天气是严重影响我国的灾害性天气之一，常带来雷暴、大风、冰雹、暴雨等极端天气，破坏力巨大。强对流天气由于其空间尺度小、生命期短等特点，常常造成预报失败而产生严重的损失。在机场，强对流天气带来的雷暴、大风、风切变等天气，严重威胁飞行安全、效率。因此，加强对强对流天气的监测、分析和预报，减轻强对流天气灾害造成的损失，无论是对整个社会还是民航来讲都具有非常现实的社会意义和经济价值。

强对流天气的分析和预报是日常气象预报业务的重点和难点，也是研究人员研究的重点领域之一，国内外许多专家学者对强对流的发生、发展都进行了大量的研究。沈杭锋等[1]利用多种资料从热力不稳定、水汽条件和触发机制分析了浙江盛夏强对流天气的成因。许爱华等[2]对中国近百次强对流天气进行分析，对强对流的生成环境和主要触发条件进行阐述。但由于资料时间和空间分辨率的限制，在实际业务中强对流天气的预报效果并不是十分理想。随着大气探测技术、计算机技术的不断提高，数值模式也得到了迅速的发展。WRF（Weather Research and Forcasting）模式凭借其较为详细的物理过程，提供了丰富的物理参数化方案，成为当今数值天气预报中广泛应用的一种数值模式，也是大量学者进行理论实践研究的重要工具之一。已有研究表明WRF模式对中尺度系统具有良好的模拟效果[3-6]。梁升等[7]利用WRF模式对华北一次雷雨过程进行模拟分析，探索中尺度模式在雷雨等强对流中的预报能力。吴福浪等[8]对杭州湾一次海风锋触发的雷暴进行数值模拟，利用模式作为工具对其触发机制进行研究。在新疆地区由于地理环境条件限制，地形复杂，地面高空观测资料较为稀少，为天气分析和预报带来了挑战，新疆气象领域专家学者利用中尺度模式对如高温、暴雨、暴雪、大风以及地理环境对天气事件的影响等方面做了研究[9-13]，取得了较好的效果。可见，中尺度数值模式能够提供更高时空分辨率的资料，弥补了常规探测资料时空分辨率不足的缺陷，为强天气事件发生发展机制的研究提供了条件。

机场终端区是设在一个或者几个主要机场附近的空中交通服务航路汇合处的管制区。空中交通网络拥堵的主要原因在于机场、终端区以及航路交叉点的容量限制引发的“瓶颈”效应，而就中国的空中交通系统而言，容量限制情况最严重的部分往往是终端区，当重要天气发生在机场终端区关键航路或关键点时，往往导致航班无法进港或出港，从而造成航班延误、备降或返航，乌鲁木齐机场终端区主要覆盖乌鲁木齐机场为中心的100 km范围。在2020年6月5日（文章所用时间均为协调世界时UTC）在乌鲁木齐机场终端区发生了一次强对流天气过程，对航空安全造成了较大影响，本文利用WRF模式对此次强对流天气过程进行模拟分析，研究WRF模式的模拟效果，对其成因进行诊断分析。

1 资料与方法

文章所使用的资料包括2020年6月5—6日FNL 0.25°×0.25°再分析资料、自动站累积降水及乌鲁木齐机场METAR报文资料。以FNL资料作为初始场和边界条件，利用WRF模式对过程进行数值模拟，对模拟结果与实况进行验证和对比分析，并利用模拟结果对成因进行诊断分析。

2 天气实况分析

2020年6月5日，受较强冷空气东移影响，北疆大部、天山山区出现了一次大范围的大风、雷暴、局地冰雹和暴雨等灾害性天气过程，冰雹主要发生在克拉玛依、阿勒泰。在乌鲁木齐机场终端区内发生了强对流天气过程，出现了西北大风和弱雷雨天气。机场10：30出现小阵雨，11∶00出现西北大风和主导能见度500 m的短时沙尘暴天气，瞬时最大风速达19 m/s，平均最大风速为13 m/s，11：34—12：30出现雷雨天气，12：30转为积雨云伴有小阵雨，主要降水时间为12∶00—16∶00，17：30降水结束，过程降水量为7.4 mm。在乌鲁木齐机场终端区内偏南及偏东方向的小渠子、乌鲁木齐牧试站、天池、阜康等地降水达到了大到暴雨或暴雨量级，5日06∶00—18∶00累积降水量分别为27、19、36.5、26.3 mm。

此次天气发生在西西伯利亚低涡分裂低槽东移影响新疆的过程中。前期500 hPa上乌拉尔山脊迅速发展，脊前北风带加强并引导北方冷空气南下，在西西伯利亚地区有低涡稳定维持。5日，低涡后部分裂低槽沿偏北气流南下，携带冷空气迅速影响新疆地区。700 hPa中纬度有一支偏西低空急流携带暖湿气流进入北疆区域，为对流和降水提供了水汽。850 hPa在伊犁河谷至阿勒泰一带有较强高空锋区，温度梯度大，在温度梯度区前部形成了明显的冷式切变，对强对流的触发有利。可见在该环流形势下有发生区域性对流天气的潜势。

此次强对流天气对飞行造成了较大影响，受机场雷雨大风及其终端区强对流天气共同影响，造成了33架航班延误，11架航班备降，2架航班返航。此次天气过程虽然持续时间短，但强度较强。

3 模拟方案及结果验证

3.1 模拟方案设计

使用非静力数值模式WRF4.0版本对此次强对流天气进行模拟分析，模拟时间为2020年6月4日12时—6日00时。由于乌鲁木齐机场终端区（主要以机场为中心100 km范围）内下垫面复杂，机场附近站点降水差异大，因此采用四重双向嵌套网格，中心点位于乌鲁木齐机场附近（43.91°N，87.47°E），网格分辨率分别为27、9、3、1 km，其中1 km分辨率主要覆盖乌鲁木齐机场终端区，区域设计如图1所示。垂直层次为45层。以FNL0.25°×0.25°再分析资料作为初始和边界条件，积分步长90 s，积分36 h，d01～d03区域逐小时输出结果，d04区域每半小时输出结果。

图1 模拟区域

物理过程参数化方案中，采用RRTM长波辐射、Dudhia短波辐射、SLAB（5-layer thermal diffusion scheme）陆面过程、Monin-Obukhov近地层、MYJ方案（Mellor-Yamada-Janjic TKE scheme）边界层、Kain-Fritsch积云对流以及Thompson云微物理等方案进行模拟分析，d03和d04区不使用积云对流方案。

3.2 模拟效果验证

环流形势模拟是整个模拟分析的基础。以6月5日00时500、700、850 hPa FNL再分析数据环流形势和模拟d01区环流形势进行对比分析。500 hPa上西西伯利亚有低涡，从低涡中分裂出低槽是此次天气过程的影响系统之一，该系统呈东北西南向，其西南端位于巴尔喀什湖以北，对比同时刻模拟结果，低涡位置、强度，分裂低槽的位置、走向与再分析资料基本一致。700 hPa上巴尔喀什湖以北有低槽，从巴尔喀什湖至天山以北地区有偏西急流，急流最大风速达28 m/s，中纬度的暖湿平流向北疆区域输送，对热力不稳定的累积有利，同时也向该区域输送了水汽，对比此时模拟结果，巴尔喀什湖北部的低槽与再分析资料的基本一致，偏西急流区位置和强度也基本一致。850 hPa上西部国境线附近有切变辐合区存在，与同时刻模拟结果一致。较一致的环流形势模拟为后续利用模拟资料进行诊断分析提供了基础。

图2为乌鲁木齐国际机场多普勒雷达组合反射率与模拟d04区组合反射率的对比分析图。在强对流发展初期，5日10∶00前后（图2a、2b）在乌鲁木齐机场终端区偏南、偏西150 km范围内有较多的对流单体发展，单体尺度较小，强度多为30～40 dBZ，此时模拟的组合反射率上，在乌鲁木齐机场西南、偏西可见多个对流单体发展，这些单体的位置与实况基本一致，尺度较实况偏大，强度偏强。11∶00（图2c、2d），实况组合反射率已经临近乌鲁木齐机场，回波尺度明显增大，回波轴向为西北东南向，强度为30～45 dBZ，此时模拟组合反射率回波已经影响到了乌鲁木齐机场，较实况略偏快，从回波尺度上看，模拟结果较实际偏大，强度偏强。12∶00实况组合反射率回波为两部分（图2e），一部分为西部新生成的多单体回波，另一部分为前期东移的回波，此刻已经东移至乌鲁木齐机场以东及东北方向，对比模拟结果（图2f），能够反映出两部分组合反射率，但西部组合反射率范围偏大，东部组合反射率回波主体位置偏南，强度偏强。

图2 2020年6月5日乌鲁木齐机场多普勒雷达组合反射率与模拟d04区雷达组合反射率（单位：dBZ）

图3为6月5日00时—6日00时实况和模拟累积降水量。在乌鲁木齐机场终端区偏南、偏东方向出现累积降水量达到暴雨量级的区域，且暴雨区与实况基本一致，暴雨中心位于天池附近，与实况相比，东部暴雨区域范围偏小，未覆盖到阜康一线，南部暴雨区覆盖略偏北，小渠子站位于暴雨区域的边缘，降水量比实况偏小，未模拟出乌鲁木齐牧试站的暴雨量，而暴雨中心天池站模拟降水量比实况偏大，西南方向以及偏西方向由于没有实况与之对比，无法对其准确性进行分析。图4为单站累积降水量和逐小时降水量，06∶00—18∶00单站模拟降水与实际降水的对比分析发现，乌鲁木齐站模拟累积降水与实况基本一致，为10.8 mm，但模拟的降水结束时间比实况偏早，在降水前期模拟降水较实况偏大。除天池站外，其余各站模拟累积降水均较实况偏小，阜康站降水量级偏差最大，模拟结果为中雨量级，实况达到了暴雨量级，而天池站模拟结果达大暴雨量级，实况为暴雨量级。分析逐小时降水发现，各个站对集中降水时段模拟较好，基本集中在12∶00—16∶00，但结束时间均较实际偏早。

图3 2020年6月5日00时—6日00时累积降水量

图4 2020年6月5日06∶00—18∶00 d04区单站模拟降水量与实况降水量

由于此次强对流天气对乌鲁木齐机场影响较大，对乌鲁木齐机场的降水和风单独进行对比分析，图5为乌鲁木齐机场模拟和实况的累积降水和风速。由图5a可知，模拟累积总降水量为5.5 mm，而实际降水量为7.4 mm，模拟降水量偏小，降水开始时间与实况基本一致，结束时间偏早2 h，模拟的降水集中时段为11∶00—15∶00，实况为12∶00—17∶00，12∶00—16∶00模拟小时降水量与实况偏差较小。由图5b可知，模拟大风出现在11∶00，平均最大风速为13.5 m/s，实况风速为13 m/s，出现时段和量级与实况一致，风速变化趋势也与实况基本一致。可见模式对此次乌鲁木齐机场降水和大风有一定的模拟能力。

图5 2020年6月5日06∶00—18∶00 d04区乌鲁木齐机场模拟和实况的降水量及风速

各个站点模拟降水量与实况降水量有一定偏差，主要表现为模拟降水开始较实况偏早0～1 h，除阜康站外模拟降水较实况偏大，模拟降水结束较实况偏晚1～2 h，集中降水时段也有一定的偏差。对比雷达组合反射率因子的模拟，模拟的回波移入各个站点的时间比实况偏早，且回波形态偏大，移动路径比实况偏南偏东，可能是造成模拟站点降水偏差的原因。而造成以上偏差可能与模式所用下垫面分辨率和未进行背景场的资料同化等因素有关，需要将来进一步研究分析。

通过模拟结果与实况对比发现，WRF模式对此次强对流天气过程有较好的模拟能力。模式能够较好地模拟出环流形势及影响系统的位置和强度。对组合反射率也有一定的模拟能力，尤其在对流发生初期，回波发展和移动与实况基本一致，但强度和尺度偏大，速度偏快，在对流发展后期，模拟组合反射率强度偏强，位置偏南。模式能够较好地模拟出暴雨区的位置，但模拟暴雨中心天池一带的降水量偏大，未能模拟出乌鲁木齐牧试站和阜康附近的暴雨。对单站而言，模拟降水的集中时段与实况较为一致，但累计降水量和小时降水量均有一定的偏差。对乌鲁木齐机场而言，模拟风速与实况基本一致，模拟降水量较实况偏小，降水开始时间模拟较好，结束时间偏早。

4 模拟结果成因诊断分析

强对流天气的发展需要在一定的环流形势下，具备不稳定条件、水汽条件和抬升触发条件。在对这些条件进行诊断分析时，常规资料由于其时空分辨率不足的限制，难以细致地分析过程的演变、揭示成因的细节，而数值预报模拟结果时空分辨率均较高，可弥补常规资料的不足。通过对模拟效果的分析发现，模式对此次天气过程有较好的模拟能力，利用模拟结果对此次天气过程的成因进行诊断分析。

4.1 天气形势

图6为模拟d01区11∶00的500、700、850 hPa环流形势。500 hPa上西西伯利亚低涡是此次强对流天气的大尺度影响系统，其分裂波动东移南下，造成了北疆区域大范围的对流、大风、降水过程。5日11∶00（图6），影响系统移至西部国境线，对北疆大部分地区造成影响。700、850 hPa上前期中亚至北疆地区有明显的偏西急流，700 hPa风速普遍达到20 m/s以上，850 hPa风速普遍在12 m/s以上，使得中纬度暖湿气流源源不断地向北疆盆地输送，对北疆盆地热力不稳定能量的累积非常有利。11∶00在乌鲁木齐机场附近，700 hPa上有短波槽影响，850 hPa上存在明显的冷式切变线。可见，整层的大尺度环流背景非常有利于区域出现强对流天气。

图6 模拟d01区5日11∶00风场（风杆，单位：m/s）、温度场（红色等值线，单位：℃）、相对湿度（填色，单位：%）

4.2 热力不稳定条件

5日午后，北疆西部及沿天山一带已经累积了大量的对流有效位能，尤其是北疆沿天山一带，存在对流有效位能的大值区，具有很强的对流潜势。5日06∶00—09∶00，随着影响系统东移，北疆西部地区产生了明显的对流天气，对流有效位能逐渐被释放。由乌鲁木齐机场对流有效位能的时序图（图7a）可知，对流有效位能在5日下午不断得到累积，09∶00—10∶00时达到最大，约1 500 J/kg，而对流抑制能CIN处于较小的水平，只需要合适的触发机制，强对流就容易发展起来。10∶00—12∶00对流有效位能迅速减小，表明对流有效位能被释放，这与乌鲁木齐机场出现雷雨大风天气是一致的。假相当位温综合反映了大气的温湿状况，通常假相当位温随高度增加而增大，若其随高度增加而减小时，表明大气处于不稳定状态。由乌鲁木齐机场假相当位温时空剖面图（图7b）可知，5日下午在600 hPa以下假相当位温随高度增加而减小，表明气层处于不稳定状态，10∶00—11∶00能量锋区进入乌鲁木齐机场，假相当位温随高度增加而增大，气层逐渐变得稳定。

图7 模拟d04区乌鲁木齐机场对流有效位能CAPE（黑色曲线）和对流抑制能（红色曲线，单位：J/kg）（a）和模拟d01区乌鲁木齐机场上空假相当位温剖面（b，单位：K）

4.3 水汽条件

充沛的水汽是暴雨形成的必要条件[14]。图8a、8b为模拟5日06∶00 700和850 hPa风场和水汽通量，中低层前期有一条偏西路径的水汽输送带，这条水汽输送带在700 hPa表现得更加清晰，中纬度的水汽随偏西急流进入北疆盆地，为北疆出现强对流、降水等天气提供了基本的水汽来源。在乌鲁木齐机场终端区内，由700 hPa（图8c）和850 hPa（图8d）的水汽通量散度可知，在强降水发生前，水汽主要在终端区的偏南、东南、偏东方向辐合，与模拟的强降水落区基本一致，850 hPa的水汽通量散度较700 hPa更加明显。

图8 模拟5日06∶00 700 hPa（a）和850 hPa（b）风场（单位：m/s）和水汽通量（填色，单位：g·（cm·hPa·s）-1）及5日11∶00 700 hPa（c）和850 hPa（d）水汽通量散度（填色，单位：10-6·g·（cm2·hPa·s）-1）

4.4 动力触发条件

通过对环流形势、热力不稳定条件、水汽条件的分析可知，北疆地区有很强的对流潜势，在乌鲁木齐机场终端区偏西、偏南、偏东出现短时强降水的可能性也很大。强对流的发生除了需要不稳定层结和湿度条件外，还需要抬升触发条件。对流天气的抬升触发机制主要有三类：一类是天气系统造成的系统性上升运动，如高空槽、锋面、切变线、低涡、辐合线等；二是地形强迫抬升作用；三是局地热力作用[15]。

图9a、9b为模拟d01区5日10∶00、11∶00 850 hPa风场和温度场。从风场上看，10∶00乌鲁木齐机场偏西、偏北地区有明显的冷式切变，切变线的南端位于乌鲁木齐机场至石河子，另外从伊犁河谷至石河子有明显的低空偏西气流，从塔城经过克拉玛依至石河子有低空西北急流，两支气流在石河子至乌鲁木齐汇合，低空切变和低空气流汇合区均有利于强对流天气发生，这与实际天气过程的发生和发展是吻合的。11∶00，低空切变和气流汇合区均东移至乌鲁木齐机场附近，为后续对流的发展和局地强降水的出现提供了动力条件。

图9c、9d为模拟5日10∶00、11∶00的地面风场。5日10∶00在乌鲁木齐机场终端区西部呼图壁一带、南部小渠子一带有明显的地面风向风速的中尺度辐合区存在，此时在西部中尺度辐合区的南端以及小渠子附近有对流云团发展。11∶00，西部的中尺度辐合带明显东移，天池至小渠子一线也有中尺度辐合线，使得天池至小渠子一带触发出新的对流云团。从雷达组合反射率演变及模拟的组合反射率可知，强对流云团发展得更加旺盛、尺度更大，云团更具有组织化。中尺度辐合线为对流云团的组织化发展提供了较好的条件。

图9 模拟d01区850 hPa的10∶00（a）和11∶00（b）风场（风杆，单位：m/s）、温度场（红色等值线，单位：℃）及模拟d04区10∶00（c）和11∶00（d）地面10 m风场（风杆，单位：m/s）

5 结论

对2020年6月5日乌鲁木齐机场终端区强对流天气过程进行模拟分析，得到以下结论：

（1）WRF模式对此次强对流天气有较强的模拟能力。能够较准确地模拟出环流形势，对组合反射率有一定的模拟能力，在强对流发展初期模拟较好，后期回波范围偏大，强度偏强。能较好地模拟出机场终端区内强降雨落区及强降水集中时段，但中心强度偏强，未能模拟出牧试站、阜康一带的暴雨落区，对乌鲁木齐机场集中降水时段和大风风速模拟与实况基本一致，但降水强度较实况偏小。

（2）对模拟结果分析发现，对流有效位能和假相当位温随时间的演变能够较好地描述此次强对流天气的能量累积和释放过程，对流发生前期暖湿平流的输送对热力不稳定能量的累积非常有利。在强对流发生前，对流有效位能明显增大，当对流有效位能开始迅速降低时，表明能量开始释放，强对流天气即将发生，可作为强对流发生的指标之一。

（3）此次强对流天气是在低层切变辐合、偏西和西北两支气流汇合等条件下发生的，地面中尺度辐合线对强对流的组织化发展有一定的作用。前期偏西路径的水汽输送为区域降水提供了充足的水汽，而水汽最终在机场终端区内偏南、偏东区域辐合为短时强降水提供了条件。