Page 238 - 《高原气象》2022年第6期
P. 238

6 期                      朱皓清等：江苏阜宁EF4级龙卷的高分辨率数值模拟研究                                        1601
                                                                ［图 2（d）］（380 hPa 以上数据缺失，使用当日 08:00
                                                                 的数据进行订正）可以看到，CAPE 增大到 1573
                                                                 J·kg ，对流抑制能量（CIN）只有 120 J·kg ，LCL
                                                                     -1
                                                                                                        -1
                                                                 为 985 hPa，大气具有很强的不稳定和较低的 CIN；
                                                                 0~1 km 和 0~6 km 的垂直风切变分别为 8 m·s 和
                                                                                                           -1
                                                                 27 m·s ［图 2（d）］，低层 1 km 有很强的风向切变。
                                                                       -1
                                                                 可见，阜宁龙卷发生前，大气不稳定性强，LCL 较
                                                                 低，低层垂直风切变较大，满足龙卷产生所需要的
                                                                 环境条件。

                                                                 3   模拟试验方案设计

                                                                     模拟选用美国俄克拉荷马大学风暴分析和预
                                                                 测 中 心（Center for Analysis and Prediction of
               图1   阜宁龙卷灾害路径（灰色线）和模式75 m网格模拟的                    Storms，CAPS）开发的 ARPS5. 3. 4 进行数值模拟。
                              龙卷路径（黑色点线）                         ARPS 模式是一个三维、多尺度、非静力平衡和可
                 Fig. 1  The observed damage path of the Funing tornado  压缩的大气模式，常被用于龙卷的数值模拟研究
                 （gray line）and the path of the simulated tornado on the  （Xue et al，2001，2003）。ARPS 的同化系统包括资
                           75-m grid（black dotted line）          料分析系统（ARPS Data Analysis System，ADAS）和

               后部的低槽携带冷空气东移南下，影响华北平原                             三维变分（three-dimensional variational data assimi‐
              ［图 2（a）］；850 hPa上，河南东北部有一低压，从低                     lation，3DVAR）模块。ADAS 包含一个复杂的云分
               压中心向东伸展的暖切变线到达连云港附近，切变                            析系统，可以利用雷达反射率反演降水类型并估计
                                                         -1
               线南侧湖北到安徽北部有一支风速大于 12 m·s 的                        云水和云冰混合比，进而调整云内温度；ARPS-
               西南低空急流，最大风速为 20 m·s ，江苏北部处                        3DVAR可利用常规观测、雷达径向速度、卫星等资
                                               -1
               于低空急流出口区及切变线附近，有较好的不稳定                            料，通过连续方程的质量约束对风场进行调整。
               和动力抬升条件［图 2（b）］；地面上有气旋发展，冷                            模拟采用四重单向嵌套网格，水平分辨率分别
               锋伸向长江中游，暖锋伸向江苏北部［图 2（c）］，盐                        为 9，1，250 和 75 m，水平格点数分别为 523×523、
               城附近 0~6 km 的垂直风切变达 24 m·s 。暖锋南                    523×523、843×483 和 1333×668［图 4（a）］。模式顶
                                                   -1
               侧的暖区中，山东南部到江苏北部，生成一西北-                            高 21. 1 km，所有嵌套网格垂直方向均为 53 个 σ
               东南向的带状中尺度对流系统（图 3），龙卷就在中                          层，平均格距为 420 m，采用 3 次函数插值，近地面
               尺度对流系统南侧的超级单体中产生。该龙卷风                             最小网格间距为 20 m，模式顶附近约为 770 m。所
               暴在 12:00 为一孤立的块状回波 A，位于新沂县附                       有嵌套网格的主要参数设置基本一致，选用 Lin 微
               近［图 3（a）］，14:00 风暴东移到阜宁县西部［图 3                    物理方案（Lin et al，1983）、两层土壤模式、PBL 参
              （b）］，14:03 在风暴 A 西南端出现明显的钩状回波，                     数化、完全的长波和短波辐射以及 1. 5 阶 TKE 次网
               在径向速度图上出现一个弱中气旋（图略），风暴具                           格湍流闭合方案（Deardorff，1980）等。除了 9 km
               有超级单体特征，14:31风暴发展最强。之后，龙卷                         网格采用 Kain-Fritsch 积云对流参数化方案，其余
               风暴逐渐减弱并向东偏北方向移动，14:00-15:00                       各层均不使用积云对流参数化方案。
               影响阜宁后，经射阳于16:00入海。                                    9 km 网格的初始场由 23 日 08:00 NCEP 的全球
                   研究表明，较强的对流不稳定、较大的低层垂                          预 报 系 统 （Global Forecasting System，GFS）的
               直风切变和较低的抬升凝结高度（Lifting Condensa‐                  0. 5°×0. 5°分析资料插值，并通过 ARPS-3DVAR 同
               tion Level，LCL）是龙卷产生的有利条件（俞小鼎                     化常规地面和探空资料得到，侧边界由 GFS的预报
               等，2006；刘娟等，2009；周后福等，2014；袁潮                      每3 h加入一次，模拟积分12 h到23日20:00。1 km
               等，2021）。距离阜宁站 36 km 的射阳站 23 日 08:00               网格的初始背景和侧边界由 9 km 网格插值得到，
               的探空显示，该地区低层大气接近饱和，中层较                             23 日 12:00 为模式的初始时间，通过 ARPS-3DVAR
                                                 -1
               干，对流有效位能（CAPE）为 767 J·kg ，风随高度                    同化了徐州、连云港、泰州、淮安和盐城 5 部多普
               顺转，风切变不是很大（图略）。从 14:00 射阳探空                       勒雷达［雷达位置见图4（a）］的反射率［图3（a）］和径
   233   234   235   236   237   238   239   240   241   242   243