受“碧利斯”影响的一次中尺度对流系统模拟研究

闫非，李艳伟，周毓荃，王彦

(1.南京信息工程大学，江苏南京210044;2.中国气象科学研究院，北京100081;3.天津市气象台，天津300074)

受“碧利斯”影响的一次中尺度对流系统模拟研究

闫非1，2，李艳伟1，周毓荃2，王彦3

(1.南京信息工程大学，江苏南京210044;2.中国气象科学研究院，北京100081;3.天津市气象台，天津300074)

利用中尺度数值模式WRF(weather research and forecasting model)对2006年7月16—17日在我国华南沿海地区引发强降水的中尺度对流系统(mesoscale convective systems，MCS)活动进行了数值模拟，并结合观测资料对此次过程进行分析。结果表明，1)此次MCS活动与0604号强热带风暴“碧利斯”减弱而成的热带低气压及西南季风密切相关。热低压为MCS的发生提供了动力抬升条件，西南季风则承担了输送水汽的角色，二者的持续结合，使华南大部地区中尺度对流系统不断发生和发展，形成强降水。2)该MCS具有明显的不对称结构，云体越向上越向南部伸展，云系主要分布在热低压的南部，呈东北—西南走向的带状。3)模式对此次MCS强降水过程的模拟效果较好，客观地反映了此次MCS的发展演变及雨带的分布状况。4)在广西境内的中尺度对流云团中云水含量较少，冰相粒子的比含水量值很大，主要的降水机制为冰晶降水机制。

碧利斯;热低压;中尺度对流系统;暴雨;数值模拟

0 引言

中尺度对流系统(mesoscale convective systems，MCS)泛指由若干对流单体或孤立对流系统及其衍生的层状云系所组成的深厚对流系统，其水平尺度范围大约在十几千米至几百千米，生命期约为十几小时，常带来大范围持续降水。与一般的对流单体不同，MCS的发展更加有组织性，水平尺度更大、维持时间更长，并可在其组织化的发展过程中持续引发新的对流的发展。MCS包括飑线、中尺度对流复合体和对流风暴群，其中线状的飑线和椭圆形的中尺度对流复合体是MCS的两种特殊形态，MCS的普遍形态是介于两者之间的。Maddox(1980)最早提出了中尺度对流复合体(mesoscale convective complexes，MCC)的概念，后来，又通过对10个MCC个例的分析(Maddox，1983)，揭示了它们的动力学和热力学特征。之后，许多学者(Wetzel et al.，1983;Leary and Rappaport，1987;Raymond and Jiang，1990;Augustine and Howard，1991;Nachamkin et al.，1994)利用科学试验观测资料、理论分析、气象观测资料综合分析等方法，广泛而深入地研究了MCS的结构、环境条件和演变特征等。

华南是我国MCS活动比较频繁的地区之一，常常给这一地区带来暴雨和强对流天气。周秀骥(2000)在1998年华南暴雨试验中，通过中尺度外场综合观测试验、数值模拟及天气动力学诊断分析，研究了华南前汛期暴雨及台风暴雨的中尺度结构及演变机制与规律。孙建华和赵思雄(2002a，2002b)对华南“94.6”特大暴雨的中尺度对流系统及其环境场进行了研究。蒙伟光等(2004)对华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡进行了分析。夏茹娣等(2006)分析了华南锋前暖区暴雨β中尺度系统的环境特征，指出季风的活动、边界层的影响、地形的动力作用等对MCS的发生发展具有重要影响。陈敏等(2007)研究了华南前汛期锋面垂直环流及其与中尺度对流系统的相互作用。蒙伟光等(2007)对华南沿海一次暴雨MCS的形成和发展过程进行了分析。以上研究大多着眼于环境场特征和MCS的发生发展机理的研究，而对MCS的宏微观结构及其降水机制的研究相对较少。

2006年7月16日到17日，受0604号强热带风暴“碧利斯”减弱而成的热带低气压和西南季风的共同影响，在我国华南沿海地区MCS活动异常活跃，出现了不同程度的大范围暴雨天气过程。这次暴雨过程总量大、范围广、持续时间长。本文利用WRF(weather research and forecasting model)高分辨率中尺度数值模式的模拟结果和观测资料，主要研究MCS的发展演变过程、空间结构及其降水机制。

1 “碧利斯”概况

0604号强热带风暴“碧利斯”于7月9日14时(北京时间，下同)，在菲律宾以东洋面上生成，之后向西北偏西方向移动。于13日23时前后在台湾省宜兰登陆，登陆时中心附近最大风力为11级(30 m·s－1)。而后穿过台湾北部，于14日03时前后进入台湾海峡，并向福建北部沿海移动，14日中午12时50分在福建省霞浦北壁镇再次登陆，登陆时中心气压975 hPa，近中心最大风力11级(30 m·s－1)。登陆后继续向西北偏西行，于当天下午在福建省闽侯县境内减弱为热带风暴。横穿福建省后，于14日晚上移入江西省，15日下午在江西西南部减弱为热带低气压。而后，该热低压又缓慢向西偏南方向移动，经过湖南、广西到云南，18日在云南东南部消失(图略)。在热低压缓慢西行的过程中，16日至17日，广东、广西受其影响产生强降水天气。

2 天气形势分析

2.1 强大的大陆高压

“碧利斯”移动路径特别、填塞缓慢与当时的大气环流形势密切相关，从7月16日08时500 hPa高空图(图1)可以看出:在我国的高原东部到河套地区为大陆高压控制。在强大的高压阻挡下，“碧利斯”热低压在高压南侧偏东气流的引导下，缓慢向西南方向移动(图略)。

2.2 西南季风

16日至17日从孟加拉湾到南海及华南沿海，盛行强劲的西南暖湿气流，即西南季风。由2006年7月16日14时850 hPa流场(图2)可见，在“碧利斯”热低压的南部存在很强盛的西南风，孟加拉湾北部有一低涡中心，水汽的输送主要来源于该低涡中心，温暖潮湿的水汽沿着强盛的西南气流延伸到台风低压内部，为台风低压附近提供了充足的水汽条件。期间西南季风加强北抬，其原因有两个:一是随着“碧利斯”西移，西南季风与“碧利斯”南侧偏西风同位相叠加;更重要的是，随着“碧利斯”西行，热带低气压与西南季风区之间气压梯度迅速加强，致使西南季风迅速加强并北抬，水汽输送更加充足并直达热低压内部。

图1 2006年7月16日08时500 hPa位势高度场(单位:gpm)Fig.1500 hPa geopotential height field at 08:00 BST 16 July 2006(Units:gpm)

2.3 中尺度辐合中心

流线从各个方向气旋式朝一点辐合形成辐合中心，中尺度辐合中心是常见的暴雨中尺度系统。由16日14时1 000 hPa流场(图3)可见，在湖南与广西交界处存在一个中尺度辐合中心，从而引发强烈的辐合上升运动。

以上分析表明:西南季风的维持为暴雨的发生提供了水汽条件，并使热带低压获得暖湿能量和动量补充，有利于低压环流维持;热低压的气旋式环流形成强辐合中心，为MCS的发生提供了动力抬升条件。从而使华南大部地区中尺度对流系统不断发生和发展。

3 模拟方案

模式使用NCEP/NCAR提供的每6 h一次的水平分辨率为1°×1°的全球分析资料作为初始场。采用二重嵌套方案模拟，模拟区域见图4，中心位置是(110.21°E，25.47°N)。粗网格格点数为147×115，格距为18 km;细网格格点数为214×190，格距为6 km;积分步长分别为120 s和40 s。模拟的时间为2006年7月16日08时至17日08时，共24 h。

微物理过程采用Morrison 2-mon方案，考虑6种水成物:水汽、云水、雨水、冰晶、雪花、霰。该方案是WRF模式中相对复杂的微物理方案，适合于研究云系的详细物理过程。积云对流参数化方案:对第一层网格考虑以Kain-Fritsch(Chen and Sun，2002)为主，第二层网格(6 km)不采用参数化方案，作为模式可分辨过程进行显式化方案来进行积分。积分中采用时变边界条件。

4 数值模拟结果分析

4.1 模拟结果与实况对比

为了检验WRF模式模拟结果的准确性，选用NCEP/NCAR资料绘制的位势高度场和MICAPS降水数据与相应时刻的模拟结果进行对比。

4.1.1 天气形势对比

图5为16日14时500 hPa、700 hPa和850 hPa NCEP/NCAR资料和模拟的位势高度场，模式模拟的位势高度场与实况的基本一致，在华南地区存在一个深厚的低压系统，从高层到低层全部由低压环流所控制。NCEP/NCAR资料为水平分辨率1°×1°的格点数据，模式的网格距为18 km，因此模式模拟的结果更为细致，可以更好地反应一些小尺度位势场的变化。

图2 2006年7月16日14时850 hPa流场Fig.2850 hPa flow field at 14:00 BST 16 July 2006

4.1.2 模拟降水与观测降水对比

16日08时至17日08时24 h的观测降水量分布(图6a)显示雨带整体呈东北—西南走向，降水范围很广，覆盖了广东、广西全省，福建、湖南和贵州的大部分地区，福建、广东和广西部分地区24 h降水量超过50 mm，发生暴雨。模拟的雨带分布(图6b)与实况大体一致，但模拟的暴雨落区较实况范围偏大，模拟的雨带基本反映了这次强降水过程的主要特征，客观地模拟出了这次强降水的主要落区及强度。

综上所述，模式对该次强降水天气过程的模拟较为准确，模拟结果是比较可靠的。可以利用模拟结果进行深入的分析。

图3 2006年7月16日14时1 000 hPa流场Fig.31 000 hPa flow field at 14:00 BST 16 July 2006

图4 模拟区域示意图Fig.4 Sketch map of the simulated area

4.2 水汽场分析

充分的水汽供应是暴雨形成的首要条件，通过分析16—17日的水汽通量(图7)可知，西南季风输送了大量的水汽到华南沿海地区，水汽的输送带随着热低压环流的西移逐渐向西南方向移动。从16—17日整个降水过程中水汽通量值都非常大，部分地区达到了30 g/(s·hPa·cm)。强盛的水汽输送与低压环流相配合很容易产生水汽的辐合，而这种大范围的辐合极有利于云系的发展与强降水的形成。

图5 2006年7月16日14时500 hPa(a，b)、700 hPa(c，d)和850 hPa(e，f)观测(a，c，e)与模拟(b，d，f)的位势高度场(单位:gpm)Fig.5 (a，c，e)Observed and(b，d，f)simulated(a，b)500 hPa，(c，d)700 hPa and(e，f)850 hPa geopotential height fields at 14:00 BST 16 July 2006(Units:gpm)

4.3 中尺度对流系统的发展演变

图8为500 hPa云中水凝物总量分布，由图8可见，云系呈东北—西南走向的带状分布，水平伸展范围很广，带长约1 000 km，带宽约200 km，且随热低压自东北向西南方向移动;热低压环流中MCS非对称分布的特征十分明显，云系主要分布在热低压的南部。

图6 2006年7月16日08时—17日08时观测(a)和模拟(b)的24 h降水量分布(单位:mm)Fig.6 (a)Observed and(b)simulated 24 h rainfall from 08:00 BST 16 to 08:00 BST 17 July 2006(units:mm)

图7 模拟的2006年7月16日12时—17日06时800 hPa水汽通量(阴影;单位:g/(s·hPa·cm))和风场(箭头;单位:m/s)分布a.16日12时;b.16日18时;c.17日00时;d.17日06时Fig.7 Simulated vapor flux(shaded area，units:g/(s·hPa·cm))and wind vector(arrows，units:m/s)of 800 hPa from 12:00 BST 16 to 06:00 BST 17 July 2006a.12:00 BST 16 July 2006;b.18:00 BST 16 July 2006;c.00:00 BST 17 July 2006;d.06:00 BST 17 July 2006

在7月16日至17日的暴雨过程中，有多个中尺度对流云团在我国华南沿海一带生成、发展。其中在低压环流的南部一直存在着一个较强的对流云团，在热低压东部的西南气流中也有对流云团发展。16日白天，广西境内有一个对流云团逐渐发展，16时该云团加强。在该对流云团的西北部不断有新的中-β尺度云团并入到这个中-α尺度对流系统当中，云中的含水量大值区范围不断扩展，20时左右，该系统进一步发展，出现两个强中心，其中西部的云体发展较强(图8a)。到17日02时该中尺度对流系统发展到最强盛的时刻，广西境内的云体分裂为两个对流云团，西部云团中心的含水量超过4 g/kg(图8b)。在16日20时—17日06时，该中尺度对流系统一直维持着动态稳定，云团相当强盛。随着热低压的西移减弱，17日08时，云体逐渐消散(图略)。

在此次强降水过程中，云中总含水量一直保持很大，说明局地水汽供应充足。大的云中含水量一般对应强上升气流，反映了对流活动的旺盛。而且大含水量为降水粒子提供了良好的增长条件，有利于强降水的发生与维持。

图8 模拟的总含水量(阴影;单位:g/kg)及风场(箭头;单位:m/s)沿500 hPa等压面的水平分布(图8b中的线1为23°N剖面位置，线2为108.276°E剖面位置)a.2006年7月16日20时;b.2006年7月17日02时Fig.8 Simulated 500 hPa horizontal cross-section of total hydrometeor content(shaded area，units:g/kg)and wind vector(arrows，units:m/s)(line 1 represents 23°N，and line 2 represents 108.276°E)a.20:00 BST 16 July 2006;b.02:00 BST 17 July 2006

4.4 中尺度对流系统的垂直结构及云中水凝物的分布特征

分析云系的垂直结构及各种水凝物的分布特征可以更深入地了解该中尺度对流系统的结构，进一步研究降水形成的机理。图9为2006年7月17日02时云中总的比含水量及风场沿23°N和108.276°E的垂直剖面。由图9可见，MCS发展得非常强盛，云体伸展到200 hPa高度以上，云中总含水量超过4 g/kg的范围很大;在该对流云团的内部存在两个含水量的大值中心;云体呈不对称结构，上部明显的向南部伸展;(108°E，23.5°N)附近，低层存在偏北风与偏南风的强辐合区，同时在对流层的高层有比较明显的辐散，这种低层辐合、高层辐散的结构对MCS的发展十分有利(陈久康和丁治英，2000)。

低层辐合是西南季风与热低压持续结合的结果，而西南季风为热低压提供暖湿能量和动量补充，使热低压环流维持，其暖心结构有利于高空辐散流场维持，所以西南季风与热低压的相互作用对MCS的发展有重要贡献。

图10为2006年7月17日02时云中各种水凝物含量和冰晶数浓度的垂直分布。由图10a可见，云水含量不多，主要分布在0℃层以下，在0℃层与－10℃之间存在少量的过冷水;在250 hPa高度以上(－40℃以上)，存在大量的冰晶，冰晶数浓度达到106个/kg，且分布范围很广。图10b为雨比含水量的分布情况，雨从500 hPa高度一直延续到地面，其比含水量超过2 g/kg，可见雨水降落到地面，且降水强度较大。图10c、d表明，500～200 hPa之间分布着大量的雪晶和霰粒，雪晶和霰粒含量很高，云体中心区域其比含水量值超过4 g/kg。

以上分析表明，该云团中云水含量较少，冰晶、雪和霰冰相粒子比含水量值很大，云水和雨水分布在冰相粒子的下方。由于云水含量低，云滴的碰并增长不是主要的降水机制，而大量的冰晶在下落过程将团聚形成雪花或淞附成霰，落至零度层以下就会融化，直至降落到地面形成降水，这是典型的冰晶降水机制。

图9 2006年7月17日02时模拟的总含水量(阴影;单位:g/kg)及流场沿23°N(a)和108.276°E(b)的垂直剖面(虚线表示0℃、－10℃、－20℃、－40℃等温层)Fig.9 Simulated vertical cross-section of total hydrometeor content(shaded area，units:g/kg)and flow field along(a)23°N and(b)108.276°E at 02:00 BST 17 July 2006(dotted lines represent isotherm level 0℃，－10℃，－20℃，and－40℃)

图10 2006年7月17日02时模拟的各种水凝物的比含水量(阴影;单位:g/kg)及冰晶数浓度(等值线;单位:105个/kg)沿108.276°E的垂直剖面(虚线表示0℃、－10℃、－20℃、－40℃等温层)a.云水比含量和冰晶数浓度;b.雨比含量;c.雪比含量;d.霰比含量Fig.10 Simulated vertical crosses of hydrometeor content(shaded area，units:g/kg)and ice crystal number concentration(contour，units:105/kg)along 108.276°E at 02:00 BST 17 July 2006(dotted lines represent isotherm level 0℃，－10℃，－20℃，and－40℃)a.cloud water content and ice crystal number concentration;b.rain content;c.snow content;d.graupel content

5 结论

1)西南季风是主要的水汽输送源，为华南沿海地区带来了充足的水汽;热低压为MCS的发生提供了动力抬升条件，强盛的水汽输送与低压环流相配合产生大范围的水汽的辐合上升，而这种大范围的辐合极有利于云系的发展与强降水的形成。

2)WRF模式对该次中尺度对流系统活动模拟效果较好，客观地表述了此次MCS的发展演变及雨带的分布状况。该MCS具有明显的不对称结构，云体越向上越向南部伸展，云系呈东北—西南走向的带状分布，主要在热低压的南部。

3)在广西境内的中尺度对流云团，其云水含量较少，冰晶、雪和霰这些冰相粒子的比含水量值很大，主要的降水机制为冰晶降水机制。

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Numerical simulation on mesoscale convective systems associated with severe tropical storm“Bilis”

YAN Fei1，2，LI Yan-wei1，ZHOU Yu-quan2，WANG Yan3

(1.Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China;2.Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China;3.Meteorological Observatory of Tianjin，Tianjin 300074，China)

The Mesoscale Convective Systems(MCS)in the coastal areas of South China during 16th—17th July 2006 was simulated using mesoscale numerical model WRF(weather research and forecasting model)，and we analyzed the precipitation process combining with observation data.The results show that:1)The activity of MCS was closely related to the remnant of the downgraded severe tropical storm“Bilis”and southwest monsoon.The tropical depression provided dynamic conditions for MCS and southwest monsoon brought plenty of aqueous vapor to South China，the continued combination of tropical depression and southwest monsoon caused the formation and development of MCS;2)The MCS has an obvious asymmetry structure，the upper cloud stretched to south and the nephsystem distributed in a northeast-southwest band and mainly located in the south of tropical depression;3)Using WRF model to simulate the heavy rain process produced good results，which represented the development of MCS and the distribution of rain band;4)The cloud water content was little and ice crystal content was large in the mesoscale convictive cloud cluster，so ice crystal precipitation mechanism was the main precipitation mechanism.

Bilis;tropical depression;MCS;rainstorm;numerical simulation

P444

A

1674-7097(2012)06-0737-09

2011-03-07;改回日期:2012-03-16

公益性行业(气象)科研专项(GYHY(QX)201206025);国家自然科学基金资助项目(40975086;40975026;41275150);国家高技术研究发展计划(2012AA120902)

闫非(1987—)，女，河北赤城人，硕士，研究方向为云物理与人工影响天气，mickeyyanfei@126.com;周毓荃(通信作者)，正研级高工，研究方向为云降水物理、人工影响天气，zhouyq05@163.com.

闫非，李艳伟，周毓荃，等.2012.受“碧利斯”影响的一次中尺度对流系统模拟研究［J］.大气科学学报，35(6):737-745.

Yan Fei，Li Yan-wei，Zhou Yu-quan，et al.2012.Numerical simulation on mesoscale convective systems associated with severe tropical storm“Bilis”［J］.Trans Atmos Sci，35(6):737-745.(in Chinese)

(责任编辑:张福颖)