雷暴相关微下击暴流数值模拟的技术可行性——案例研究

《Applied Sciences》：Technical Feasibility of Simulating Thunderstorm-Related Microbursts–Case Studies Hiu Fai Law, Kai Kwong Lai, Pak Wai Chan and Hoi Ching Chau

　　

香港国际机场（HKIA）当前对微下击暴流的告警采用基于探测的方式。本研究通过4个实例检验了在业务运行环境中预报微下击暴流的技术可行性：其中3个个例为强对流带过程，另1个个例为强烈飑线过程。研究采用空间分辨率为40 m的天气研究与预报（WRF）模式进行模拟，并利用三维变分（3DVar）方法将多个天气雷达资料整合进入WRF模式。研究设定8 h预报时效，并将预报得到的反射率场和速度场输入业务中使用的微下击暴流探测算法，以预报微下击暴流的强度、符号和位置，随后与香港国际机场终端多普勒天气雷达（TDWR）的实际观测结果进行比较。结果显示，微下击暴流的模拟效果优劣并存。总体而言，对流带内部的垂直速度能够得到较为准确的模拟。然而，在下击暴流强度量级的预报方面仍可能存在困难，因此预报的微下击暴流强度与实际观测相比仍有偏差。本研究属于初步探索，未来将结合更多具有可用飞行资料的个例开展进一步研究。

该文发表于《Applied Sciences》，围绕香港国际机场（HKIA）雷暴相关微下击暴流的业务化预报可行性展开。微下击暴流是与强对流天气密切相关的小尺度灾害性下沉气流，可在机场近地层形成显著风切变，对进近和着陆航空器构成直接威胁。香港位于中国南部沿海，春夏季常受西南季风影响，雷暴活动频繁，机场周边又受大屿山复杂地形制约，使低空风场和对流演变更为复杂。当前香港国际机场主要依赖终端多普勒天气雷达（TDWR）对微下击暴流进行实时探测和告警，这种方式具有时效性，但本质上属于“事后探测”。因此，是否能够借助高分辨率数值天气预报（NWP）模式和多源观测资料同化，在机场业务环境中提前预报微下击暴流，成为该研究试图回答的核心问题。

现有研究已表明，利用高时空分辨率模式能够在一定程度上重现微下击暴流结构，而雷达资料同化或自动气象站（AWS）资料同化也可改善低层风场模拟；但同时融合业务雷达与地面自动站观测，并在接近机场运行需求的精细尺度上检验微下击暴流预报能力的研究仍相对有限。基于这一背景，研究人员选取4个香港国际机场典型个例开展数值试验，包括3个强对流带过程和1个严重飑线过程，其中包含已有飞行资料记录的典型事件。研究的目标不是建立成熟业务系统，而是评估高分辨率WRF模式结合资料同化和现有微下击暴流识别算法后，能否在技术上实现对微下击暴流出现位置、符号与强度的前瞻性预报，并总结当前方案的能力边界与主要局限。

研究人员采用天气研究与预报模式（WRF）4.5.2版本，对2024年4月30日、2025年3月15日、2024年5月4日和2023年7月15日4次过程进行模拟。模式设置5重嵌套区域，最内层覆盖香港国际机场，最精细水平分辨率达到40 m，垂直方向共83层，模式顶高为100 hPa，且在2 km以下保持优于50 m的细致垂直分辨率，以更好描述边界层风场、对流单体和地形诱导湍流。模式物理方案包括辐射、陆面、积云参数化、边界层和微物理方案等；其中第3个个例还额外测试了建筑效应参数化（BEP）城市方案对风场和对流模拟的影响。研究发现，不同微物理方案对下击暴流量级再现能力有明显影响，例如在第2个个例中，WRF单矩六分类微物理方案（WSM6）比双矩六分类方案更能接近观测中的下击暴流强度。

研究使用欧洲中期天气预报中心再分析资料（ERA5）作为驱动场，模拟时长为8 h，其中包含6 h spin-up。资料同化采用三维变分（3DVar）方法，主要在d03和d04两个中间嵌套区域实施，以兼顾飑线表征能力和计算成本。参与同化的观测资料包括大帽山天气雷达、终端多普勒天气雷达（TDWR）、沙螺湾相控阵雷达（SLW）、自动气象站、风廓线仪及探空资料。研究人员将不同时间窗内的雷达与常规观测资料按循环方式同化进模式，随后将模拟得到的反射率场与多普勒速度场输入业务上使用的MIT-Lincoln Laboratory（MIT-LL）微下击暴流识别算法，从而把“模式模拟结果”转换成与实际机场告警形式一致的“预报微下击暴流产品”。最后，再将这些预报结果与TDWR实际观测告警及相关飞行资料进行对比。这一流程体现出研究的重要意义：它不仅考察模式是否能再现对流系统，还进一步检验其能否在机场实际运行语境中生成可用的微下击暴流告警信息。

主要技术方法概括如下：研究基于WRF 4.5.2建立5重嵌套高分辨率模拟系统，最内层水平分辨率40 m；采用三维变分资料同化（3DVar），融合大帽山雷达、TDWR、沙螺湾相控阵雷达（SLW）以及自动气象站、风廓线仪、探空等观测资料；通过双向嵌套实现d04与d05精细风场和对流结构耦合；对第3个个例测试建筑效应参数化（BEP）；再将预报反射率和速度场输入MIT-LL微下击暴流算法。样本队列为香港国际机场4个典型微下击暴流个例，其中前两个个例具有文中注明的飞行资料支持。

以下结合论文主体结果进行分项解读。

引言
论文首先指出，雷暴相关微下击暴流是机场低空风切变中最危险的形式之一，能够在航空器进近阶段造成显著性能损失。香港国际机场已部署TDWR并通过多普勒速度场进行微下击暴流识别，因此目前告警体系建立在探测基础之上。论文的创新点在于尝试把高分辨率数值模拟、雷达资料同化和业务探测算法衔接起来，探讨由“实时探测”向“提前预报”推进的技术可能性。

Weather Model and Data Assimilation（天气模式与资料同化）
本节详细说明了模式框架与资料同化设计。研究建立了多层嵌套WRF系统，并对地形、下垫面和垂直分层进行精细化处理，以适应香港国际机场及大屿山周边复杂地形环境。为改善对流结构与低层风场，研究采用3DVar同化多源雷达和常规观测资料。不同个例中还对方差尺度等参数进行了敏感性调节。该部分表明，研究重点并非单纯提高网格分辨率，而是在有限计算资源约束下，通过嵌套设计和多源资料同化提升对流系统和微尺度风场的可预报性。不过论文也明确指出，该方案计算代价极高，1 h的最内层双向嵌套模拟需耗费9个实际时钟小时，业务推广面临现实限制。

First Microburst Case—30 April 2024
第1个个例为一条东北—西南向强对流带自西向东穿过机场附近，并导致航空器两次遭遇微下击暴流。研究通过与雷达插值反射率场比较发现，模式较好再现了对流带北部回波形态和强度，尽管客观评分如命中率（POD）仅约0.44，但作者指出小尺度空间偏移会对评分产生明显惩罚。沿飞行路径构建的垂直剖面显示，d05中最大上升速度为10.2 m/s、最大下沉速度为?4.58 m/s，在另一处遭遇中最大上升速度约13.3 m/s、最大下沉速度约?16.0 m/s，与雷达反演和机载资料总体一致。将模拟多普勒速度与反射率输入MIT-LL算法后，大多数实况告警时次均可在预报场中触发相似告警，微下击暴流强度约为20–30 kn，接近观测结果。该个例还分析了相当位温（?e）亏损与雨、冰、雪、霰等水成物混合比垂直结构，发现近地最大与中层最小?e之差超过?20 °C，接近强湿微下击暴流阈值，说明显著蒸发冷却和冷池形成有利于产生强下沉气流。该个例是全文中模拟效果最成功的案例，支持了高分辨率模拟在特定条件下具备再现微下击暴流的能力。

Second Microburst Case—15 March 2025
第2个个例为东移严重飑线过程。模拟对对流带时序把握总体合理，3 km高度回波带的临界成功指数（CSI）达到0.617，但飑线组织结构不如实况清晰，且后部回波偏强。TDWR观测显示存在约30 kn的正微下击暴流，而由预报场识别出的微下击暴流多为15–20 kn，明显偏弱，不过符号以正值为主，与实况一致。进一步分析显示，3 km高度的上升气流可达到15–20 m/s，与机载观测相符，但位置向机场东南方向偏移，而关键的下沉气流强度明显低于实况。这种偏弱与冷池结构不足相对应：剖面中?e亏损仅约10 °C，弱于前一案例，意味着中层水成物蒸发冷却较弱，负浮力不足，从而削弱了下击暴流和近地入流速度。该结果表明，即使对流系统的大致时空演变被模式捕捉，若对云微物理过程、冷池形成和下沉气流量级描述不足，微下击暴流强度预报仍会失真。

Third Microburst Case—4 May 2024
第3个个例为向西南移动的对流带。无论是否启用BEP城市方案，模式对机场附近最强回波单体的再现均不理想，d04中各时次POD均低于0.35。启用BEP后，模拟回波总体进一步减弱，POD和CSI约降至0.2左右，尽管香港东南部最强单体仍被保留，但机场附近主回波仍未能成功重现。由预报场识别出的微下击暴流强度一般为10–15 m/s，最大正微下击暴流约18 m/s。热力结构分析表明，BEP方案使近低层温度略高，导致对流有效位能（CAPE）增加至1170 J/kg，较未启用BEP时高约270 J/kg；但这并未转化为更强或更持久的机场附近上升气流。相反，在后期时次中，启用BEP的试验上升速度减弱更快。作者据结果指出，这可能与BEP结合非尺度感知边界层方案（YSU）后，对灰区（grey zone）次网格湍流和动量通量输送表征不足有关。与此同时，两组试验的水成物垂直廓线较为相似，?e亏损均约10 °C，明显低于20 °C阈值，再加上模拟水成物数量有限，蒸发冷却不足，最终导致微下击暴流预报偏弱。该个例说明，城市参数化并不必然改善机场微尺度对流和风切变预报，甚至可能引入额外偏差。

Fourth Microburst Case—15 July 2023
第4个个例中，模式对香港国际机场附近东北移对流带的总体形态把握尚可，但回波偏弱并略向西北偏移，因此POD仅约0.3，虚警率（FAR）较高。预报微下击暴流强度与第2、3个个例相似，多为10–15 m/s。3 km高度西跑道西端附近可见约10 m/s上升气流，水平风速约40 kn，与雷达记录到超过20 m/s的多普勒速度量级基本相符。然而，热力与微物理剖面显示，尽管?e亏损约15 °C，较第3个个例更接近20 °C阈值，但高空预测水成物仍然不足，抑制了强蒸发冷却的发展，从而可能导致垂直速度和微下击暴流强度被低估。该个例进一步强化了前述结论：对回波位置、冷池强度以及中低层水成物分布的偏差，会直接限制微下击暴流的强度预报能力。

讨论部分总结
论文讨论部分的核心观点是：在香港国际机场这样受复杂地形影响显著的环境中，微下击暴流预报不仅依赖对流系统位置和演变的准确模拟，更高度依赖云微物理过程、蒸发冷却、冷池强度和边界层风场结构的精确表征。研究中既出现了较成功的案例，也出现了明显偏弱或组织结构失真的案例，说明该技术路线具有可行性，但稳定性和鲁棒性尚不足。BEP城市方案未表现出一致的正面作用；SMS-3DTKE边界层方案在香港国际机场区域还可能低估低层风速，这与复杂地形条件下现有参数化方案对微尺度预报场表征不足的问题相一致。此外，高分辨率嵌套和密集雷达资料同化带来的计算成本极高，也是业务应用的重要限制。因此，论文强调当前结果仅为初步研究，后续仍需在更多具有飞行资料支持的个例上系统归纳经验。

研究结论翻译
研究人员针对香港国际机场4个典型微下击暴流个例评估了微下击暴流数值模拟的技术可行性。第1个个例中，航空器因微下击暴流而复飞，模拟得到的对流带相关垂直速度及微下击暴流强度与实际雷达观测总体一致。相比之下，第2个严重飑线个例的模拟表现较差，尽管采用了不同微物理方案和天气雷达资料同化方法，但飑线组织结构及下击暴流量级均未得到良好再现。第3和第4个个例虽然在实际回波附近模拟出了相应回波，但整体偏弱。基于这项初步研究，研究表明微下击暴流强度的精确模拟仍然具有挑战性，因为其准确预报高度依赖云微物理过程及相关参数的精确表征。研究结果既有成功也有不足。BEP城市方案的应用并不一定改善模拟结果；此外，SMS-3DTKE方案可能导致香港国际机场微下击暴流强度偏弱。由于大屿山地形复杂，该方案倾向于低估低层风，尤其是在复杂地形区域。这种低估与既往研究结论相呼应，也可能意味着WRF现有参数化方案在微尺度预报场表征上仍存在不足。另一个限制因素是计算资源需求极高：在高分辨率并结合天气雷达资料同化的条件下，单个个例模拟的计算代价十分昂贵。尽管如此，该研究仍是对捕捉此类高影响天气可能性的积极探索，未来有必要开展更多试验，以总结机场业务环境下微下击暴流预报的经验。