WRF模擬強對流云周邊晴空大氣對飛行的影響

劉麗敏，黃 劍，石 磊，凌宏偉，趙 波

（1.黑龍江省龍云氣象科技有限責任公司氣象院士工作站，黑龍江 哈爾濱150030；2.伊春市氣象局，黑龍江 伊春153000）

1 引言

1.1 研究區簡介

伊春林都機場地處山谷交匯漫灘處，呈東西走向，機場以南地形逐步增高，場地以北地形平緩，周圍群山環繞，其特殊的地理位置，造就機場天氣比較復雜多變，往往觀測時機場上空晴空萬里，而積雨云就在附近。飛機在積狀云周邊飛行過程中會出現強烈顛簸，并且這種影響范圍可達到CB周圍30km，由于雷達回波和多普勒速度不能探測到積雨云周邊晴空大氣的結構，飛機在CB周邊的晴空區飛行產生的顛簸現象機組人員無法預知，這就對飛行安全造成了極大的安全隱患。近年來隨著航空活動的快速發展，飛機遭受強對流天氣干擾的次數越來越多。因此，研究航線上在強對流天氣影響下，晴空大氣中飛機顛簸產生的原因以及其分布規律，是非常迫切的。

1.2 研究現狀

國內學者對于飛機為什么會顛簸，飛機顛簸形成的機制，以及預報方法等各方面進行了大量的研究[1]。基本來說，飛機在晴空大氣中的顛簸是由一種沒有明顯天氣現象相伴的湍流運動（比如：風切變，大氣波動，靜力不穩定的上升運動等），晴空大氣中的顛簸因為其以上特征，故而難以察覺，是影響飛行安全的主要危險天氣之一[2-3]。近年來隨著觀測儀器的發展，雷達回波資料，地面激光雷達反演資料，加密觀測網等觀測資料在不同尺度天氣系統的預報和研究中已經得到廣泛應用。但是積雨云周邊晴空大氣沒有雷達回波，中尺度對流系統也很難“被控制”運動到地面激光雷達，觀測得到的資料結果往往是靠運氣，很難得到滿意的資料[4]。加密觀測網的密度對于中小尺度來說還是很粗糙。這些觀測條件的限制，造成對流云結構以及產生湍流對飛機降落起飛影響的研究很難得到突破。

目前，國內外有關強對流天氣預報方法的研究已有很多成果，如Ravi等1999年首先從274個潛勢預報因子中進行逐步篩選，篩選出9個重要因子建立1個多元回歸方程進行概率預報。周毓荃等和歐建軍采用WR95法，利用我國探空秒數據，計算分析了不同云垂直結構，將得到的分析結構同CloudSat衛星實測云垂直結構進行多個個例的對比分析，驗證了相對濕度閾值判斷云垂直結構方法的可行性，及利用我國業務探空資料分析云垂直結構的可用性[5]。周非非等研究探討了FY-2衛星反演的云頂高度與多普勒雷達回波頂高的關系。郝瑩等用T213數值預報產品計算物理量進行雷暴潛勢預報。還有諸多相關專家學者也對此做了一定研究。從以上研究成果可以看出，各有不同的優勢和不足。通過研究強對流云的形成與其周邊環境的相互作用，從中探究強對流云周圍晴空大氣的運動規律和湍流形成的原因，為飛機的飛行、起飛和降落提供參考。

1.3 研究方法

采用2015年美國中部進行的大型觀測試驗PECAN(Plains Elevated Convection at Night)中的飛機觀測資料作為參考資料。通過飛機在飛行時靠近中尺度對流系統，直接觀測積雨云周邊低空晴空大氣的基本特征。選取積雨云周邊晴空大氣中飛機飛行高度的高分辨率（1 HZ）風矢量、溫度和相對濕度，以及機載激光雷達反演出飛機高度以下的濕度、氣溶膠和溫度的垂直結構。主要分析當飛機在積雨云周邊晴空大氣邊界層飛行時獲取的飛行高度上溫度、濕度和風場，以及激光雷達探測到的飛機下面的濕度、氣溶膠和溫度的二維垂直結構。通過飛機飛行高度上的氣象要素場的變化以及激光雷達反演數據，可以了解積雨云周圍晴空大氣中環境風場與積雨云的風場的相互作用，水汽傳輸結構，及其產生湍流對于飛機飛行的影響。以此為依據來探討飛機在飛行過程中產生顛簸的原理，為描述晴空大氣周邊的復合氣流結構以及復合氣流產生湍流進而影響飛機飛行提供參考。這在中尺度氣象研究上具有特殊的意義。利用全球預報系統（GFS）數據作為初始值和邊界值，用WRF-ARW在兩種不同微物理方案和三種邊界層方案的條件下進行六種不同組合的模擬，模擬一次積雨云過境伊春地區，以模擬的積雨云周邊晴空低空大氣場作為基礎，繪制與飛機觀測相同的區域水汽場并與機載激光雷達數據進行對比，評價模式模擬結果，為機場的強對流天氣降落預報提供重要信息。分析其周邊晴空大氣結構，并與飛機觀測結果進行對比。如果模擬結果與觀測結果有著高度的耦合性，那么就可以為以后積雨云過境林都機場飛機降落或者起飛提供安全預警。

2 模擬方案

WRF-ARW模式模擬過程主要選取了全球預報系統2014年07月14日00世界時到12世界時（時間間隔6 h）且水平分辨率為0.5°的數據作為模擬的初始場和邊界層條件。模式使用三層嵌套方案。外層水平尺度為18km，中層為6km，內層為2km。模式的垂直方案為84層。外層模式為3 h一個輸出值（00，03，06，09和12世界時），中層和內層嵌套為1 h一個輸出值。外層嵌套主要觀測中尺度氣流和氣壓場對強對流天氣系統的影響，內層嵌套主要分析強對流天氣系統周邊晴空大氣剖面的環境和垂直速度，與觀測結果做對比。

微物理方案，選擇包含冰晶、雪和霰的形成過程，適用于高分辨率發展旺盛的云的模擬New Thompson方案；以及包含冰晶、雪和霰的形成過程，適用于使用實時數據模擬高分辨率發展旺盛云的Lin方案。邊界層方案采用了三種不同的方案：分別是包含非局地K方案（包含了顯著夾卷層和垂直拋物線k分布的混合層的方案）的YSU方案；第二個是MYJ方案，其通過一維預測的湍流動能方程，包含了局地混合效應；以及包含了非局地上升混合效應和局地下層效應的非對稱對流模式方案的ACM2方案。其對比詳見表1。

3 PECAN觀測的結果

圖1展示了對應于2015年07月01日世界標準時04時24分至05時25分飛機飛行軌道的位置和緊湊型拉曼激光雷達(Compact Raman Lidar;CRL)反演的水汽、氣溶膠、溫度和位溫。飛機于04時24分開始從強對流云的南邊飛向夜間的強對流云。最初，飛行高度的垂直速度、溫度、相對濕度變化不大，飛機飛行高度上的大氣的環境相對穩定且相對溫暖干燥。水汽（圖1c）、氣溶膠度含量（圖1d）和溫度（圖1f）橫截面顯示環境邊界干燥，氣溶膠含量少并且相對溫暖。而靠近雷達回波的邊界大概50km處，垂直速度的變化增大，湍流加強，相對濕度變化也增加，結合飛行員在靠近對流云顛簸加強的體驗，在這個區域內，飛機飛行顛簸明顯，飛行體驗相對較差。從激光雷達反演數據可以看到，對流云和周圍環境的溫度的梯度很大，在靠近對流云時，1.0km高度上溫度大約從30℃降到20℃，強溫度梯度會使對流云下沉高壓氣流流出（在圖1f虛位溫中描繪出的外流氣流），水蒸氣和氣溶膠的橫截面（圖1d）描繪了在對流云周圍環境的水蒸氣被對流云外流氣流抬升，抬升氣流上有很多湍流使得水汽和氣溶膠層邊緣有小尺度的波動變化。這種對流云形成的高壓外流（干燥，寒冷的氣流），與周圍環境的氣流相互作用（相對濕度較大且溫暖的氣流），使周圍環境入流抬升，從而增大了垂直方向的水汽，溫度的傳輸，并且使得垂直方向的湍流增強。這種抬升作用的范圍非常廣，會產生強風切變，垂直通量，使得周圍的空氣產生小尺度的運動和湍流。垂直速度（圖1a）可以看出，這種相互作用會產生垂直抬升速度和湍流影響飛行體驗。所以飛機要遠離大概雷達回波周圍50km左右來避免顛簸區域。

表1 WRF模擬邊界層方案的對比

圖1 （a）飛行高度空氣垂直速度，（b）溫度和相對濕度，（c）CRL水蒸氣混合比（WVMR），（d）CRL氣溶膠激光雷達散射比（LSR），（e）CRL溫度，（f）計算出來的位溫度。（g）飛行軌道（長折線），飛行高度的水平風向量（短箭頭），沿著飛機下方飛行軌道的CRL水汽橫斷面，以及2.25km平均水平面高度的雷達圖像顯示為（g）05:26:39世界標準時間

4 模擬結果及對比分析

4.1 雷達模擬結果對比

在缺乏飛機飛行觀測的條件下，將模式模擬的結果和雷達觀測結果進行對比，選擇出與觀測結果相近的模擬結果，進而來分析模式模擬的垂直剖面，從而達到分析對流系統周邊晴空大氣的特征。分析伊春氣象局2014年07月23日北京時09時57分-12時44分的雷達回波圖（略），北京時間09時57分一個弓形回波在伊春的西部被探測到，最強回波強度達到55-60 dBZ，它整體向東東北方向發展和移動，回波的弓形特征明顯。在11時36分移動到伊春的上空后，速度漸漸變緩慢，回波范圍擴大，從中間向周圍擴散。12時44分回波中心強度減弱，到14時以后移出伊春氣象站雷達觀測范圍。

在2014年7月23日16時北京時的雷達回波中（圖略）可以發現，Lin微物理方案和MYJ邊界層參數化方案的模擬的雷達回波呈現弓形回波且模擬效果最好。

4.2 MYJ_L高空流場

雖然用WRF模擬出來的雷達反射率因子很難與觀測的雷達反射率因子相同。相對來說，MYJ_L的方案模擬的雷達回波與觀測的雷達回波相近。將這個方案得到的氣象場進行分析可以得到此次對流云周圍晴空大氣的特征和變化。圖4a中可以看到07時在（123°00′E，48°00′N）周圍有一個低壓氣旋中心(在伊春的西部)，隨著時間的推移，運動到伊春的正上方（16時）。水汽場顯示水汽南多北少的變化趨勢，而且隨著氣流的移動，有更多的水汽運動到伊春地區周圍，說明周邊的水汽在向氣旋中心匯集，而這個匯集的過程將是討論的重點，即對流云周邊氣流和對流云內部下沉高壓形成的氣流的相互作用影響周邊晴空大氣的結構。接下來將討論對流云周圍晴空大氣和對流云的關系，探討飛機距離中尺度對流系統的距離與顛簸的關系。

4.3 MYJ_L的垂直剖面圖

WVMR剖面在環境中顯示出周圍環境的水汽含量趨近于8 g/kg。當富含水汽的氣流流入對流云的時候，氣流被雷暴下部形成的雷暴高壓外流氣流引導而抬升，由于對流氣流的相互作用，相當位溫和水汽在邊界層中有波動的形狀，這是由于氣流隨著高度發生變化形成的風切變形成湍流運動。相對濕度場和水汽場有相同的結構。溫度場中可以看出對流云的周圍環境的溫度相對于對流云內部的溫度是偏高的，這種結構會形成溫度梯度，使得對流云內部的空氣向外部移動，對流云周圍又是復合氣流。這兩種氣流相互作用之后，會使得對流云周圍的空氣抬升，從而影響其周圍晴空大氣的垂直速度。圖2b中的垂直速度可以看到，在對流云周圍晴空大氣中垂直速度變化明顯，上升氣流和下沉氣流在水平方向上交叉出現，這個現象與激光雷達觀測數據幾乎相同。飛機觀測受到天氣條件和觀測時間限制，而WRF模擬的優勢在于可以根據需要顯示對流云周圍的任何橫截面來研究氣象要素的變化。接下來將要看07-10世界時的對流云周邊晴空大氣整個對流層垂直剖面圖來具體分析哪些地方需要飛機避免。

07時剖面圖（略）的長度約為300km，剖面前少半部分處于強對流云內，后多半部分處于晴空大氣。剖面從地面延伸到距地面高度10km，此時的強對流云正在發展，還沒有到達成熟階段。從垂直速度剖面可以發現靠近對流云內部和其周圍20km左右且高度在2-4km處有很強的對流和湍流運動。這些強湍流區域對于飛行的體驗很不好。超過20km湍流逐漸減弱，通過分析位溫，水汽混合比剖面和相對濕度場可以看出，強湍流區域內水汽被抬升后使得相對濕度達到100%，即到達了抬升凝結高度（LCL），水汽凝結成水滴，釋放潛熱，從而造成了不穩定氣流。從圖中還可以看出湍流發生區域和高相對濕度區域是高度耦合的。

08時剖面圖（略）隨著強對流云的發展與增強，對流云已經發展到了成熟階段。對流云的內部和周圍的對流增強，在這個時候，靠近對流云50km的水平距離的整個對流層都不適合飛機飛行。從低層大氣水汽和位溫結構可以看出，位溫300 K線代表了從對流云流出去的氣流，當水汽靠近對流系統的時候，含有水汽的復合氣流被對流云下部形成的雷暴高壓外流引導而抬升，進入到了對流系統中，與飛機觀測到的結果相同。從相對濕度場可以看出，這個抬升使得相對濕度急劇增加，水汽凝結釋放潛熱，使得空氣中浮力增加，湍流增強。而相對濕度超過100%的區域都是顛簸的潛在區域。而在成熟的對流云50-100km周圍，距地面高度2-5km的區域，湍流增強，飛機應該盡量避免這個區域，在成熟的中尺度對流系統中可以得出：靠近中尺度對流系統50km，整個對流層都不適合飛行，特別是在距離中尺度對流系統50-100km，飛行高度2-5km這個區域。

09時剖面圖（略）與前面分析相似，這個時候的坡面對應的對流云已經開始減弱，但是低層還是有水汽輻合抬升來維持對流云。對流云周圍的晴空大氣距離對流云系統水平150km左右，且高度在2-5km的中層有強烈的湍流運動，這個區域與高相對濕度是也是重合的，可以說靠近對流云周圍晴空大氣對流層的中層不適合飛機飛行。

10時剖面圖（略），這個時候對流云減弱，從相對濕度圖可以看出，周圍晴空大氣不適合飛機飛行的區域在減少，高相對濕度的區域相對于前一個小時已經減弱，這是由于低層水汽抬升減弱，沒有足夠的水汽凝結釋放潛熱來維持對流云的發生發展。在對流云減弱的同時，對流云對周圍晴空大氣的影響明顯減弱。從而使得適合飛機飛行的區域增加。

總的來說，當對流云發生發展的時候，周圍含有水汽的復合氣流靠近對流云，與對流云內部下沉高壓形成的外流氣流相互左右，會使得對流系統周圍的空氣抬升，而影響其周圍晴空大氣的垂直速度，并且水汽被輻合氣流引導而抬升，到達抬升凝結高度，從而凝結釋放潛熱，對流運動中湍流運動加強，使得這個區域不適合飛機飛行。也就是說，在飛機飛行、起飛和降落過程中，要盡量避免對流系統周邊的這種湍流運動。

圖2 嵌套第三層的模擬從（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）溫度場（℃）；（d）相對濕度場（%）

5 結論

本研究是通過對伊春地區一次對流系統進行WRF-ARW模式在不同微物理方案和邊界條件下的模擬，通過對比對流云周圍晴空大氣的觀測和模擬截面可以發現，WRF模擬仍然很難描述對流云的發展和傳播。然而，用3種邊界層方案和2種微物理方案進行了6次對流云的模擬，模擬的邊界層的氣象參數表明WRF-ARW仍具有良好的結果。WRF模擬的對流云-環境相互作用中，本地方案比非本地方案更能代表對流系統環境交互。在氣象觀測條件不足的情況下WRF模擬是具有優勢的。通過模擬溫度場和水汽場的垂直剖面圖，可以得到以下結論：

（1）對流云下部形成的下沉冷高壓與周圍環境溫度有很大的偏差，這種偏差會形成溫度梯度，使得對流系統內部的空氣向外部移動。對流云的外流和周圍的輻合氣流相互作用，使得對流系統周圍的空氣抬升，到達抬升凝結高度，水蒸氣達到飽和凝結成水滴，從而釋放凝結潛熱，使得抬升中湍流加強，這個抬升區域不適合飛機飛行。

（2）在對流系統從初始到成熟的過程中，要盡量避免飛機飛入距離對流云周圍50km的對流層，因為在這個區域內大氣不穩定，在對流的作用下凝結潛熱釋放量大，使得周圍整個對流層對流湍流強，特別是在距離對流云50-100km，高度在2-5km的晴空大氣也是飛機需要避免飛行的區域，而在對流云減弱后，距離對流云周圍50-100km的中層對流層中顛簸會逐漸減弱，逐漸適合飛機飛行。所以，從這次研究可以得出結論，對流云周圍50km內晴空大氣，不適合飛機飛行、起飛和降落。在距離對流云50-100km范圍內盡量避免飛機起飛降落(飛機起飛降落會經過距地面2-5km高度)，以達到更好的飛行體驗和更安全的飛行。

（3）研究中發現強湍流的區域與高相對濕度的區域是高度耦合。因為在常規觀測中垂直速度相對難以獲得，而相對濕度容易得到，以后可以通過探空資料進一步來驗證高相對濕度和湍流之間的關系，為伊春本地飛機飛過對流云周圍晴空大氣來做進一步探討。