雷州半島“07.8”致洪特大暴雨的數值模擬

張羽,牛生杰,于華英,張錄青,勞漢瓊

(1.南京信息工程大學中國氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點開發(fā)實驗室,江蘇南京 210044;2.湛江市氣象局,廣東湛江 524001;3.韶關市氣象局,廣東韶關 512026)

0 引言

雷州半島西南部是歷史的苦旱區(qū),年雨量一般1 200 mm左右,干旱年份800 mm左右,是改水治旱的重點地區(qū)。2007年8月8—11日雷州半島西南部出現了致洪特大暴雨(簡稱“07.8”致洪特大暴雨)。村莊被淹,農作物受浸,部分道路被毀、橋梁沖垮,水利設施嚴重受損。

氣象學家已經利用常規(guī)觀測資料和數值模擬手段對暴雨過程中的中小尺度系統結構和發(fā)生發(fā)展的機理做了大量的科學研究[1-3]。1979年,陳聯壽和丁一匯[4]對臺風特大暴雨成因作了系統概述。近10 a來,中尺度數值預報模式的應用為預報以及揭示強降水天氣的成因提供了有效的途徑[5-7]。由于具有較好的穩(wěn)定性和較強的模擬能力,MM5中尺度非靜力模式被氣象科技工作者廣泛使用。高山紅等[8]使用MM5模式對臺風影響下渤海及鄰域海面風場演變的過程進行模擬和分析;劉愛鳴等[9]進行了低空急流對0212號臺風“北冕”后部暴雨影響的分析和數值試驗;許美玲和段旭[10]對云南冬季一次強降水天氣過程進行了模擬和分析,都取得了很好的模擬效果,并研究了天氣過程的形勢和機理。孫健等[11]在分析中發(fā)現了β中尺度線狀強雨帶是該降雨過程中的重要系統。陳永林等[12]研究了上?！?185”特大暴雨的中尺度強對流系統活動特征及其環(huán)流背景。陳忠明等[13]對1998年7月21日發(fā)生在武漢附近地區(qū)的突發(fā)性特大暴雨過程的激發(fā)機制與中尺度環(huán)境場特征進行了診斷。段麗和陳聯壽[14]用PSU/NCAR的中尺度模式對熱帶風暴“菲特”(0114)造成的特大暴雨和M CS作了模擬研究和診斷分析。

本文利用MM5中尺度非靜力模式對2007年8月8—11日雷州半島的致洪特大暴雨天氣過程進行了數值模擬,并對最強降水時段的數值模擬結果進行分析,旨在為預報和防御同類災害性天氣提供參考依據。

1 模式簡介及資料

數值模式選用由美國賓州大學和美國大氣科學研究中心聯合開發(fā)的非靜力中尺度原始方程模式(MM5),模式包含有比較完整的物理過程。模擬試驗區(qū)采用三重嵌套的大小區(qū)域組成(圖1),D01區(qū)域82×101個格點,格距為54km,D02區(qū)域121×121個格點,格距18km,D03區(qū)域178×178個格點,格距為6km。模式垂直方向為地形σ坐標,即用無量綱量來定義模式層,pt、ps和p分別表示模式層頂、地面和某層的氣壓,共取23個不等距的σ層。模式的邊界層物理過程采用B lackadar參數化方案,顯式水汽方案取簡單冰相方案,積云對流參數化D01區(qū)域取KF方案,D02、D03區(qū)域取G rell方案。將日本氣象廳的1.25°×1.25°格點資料直接插值到模式的網格點上作為客觀分析的初估場,加入常規(guī)觀測資料經客觀分析后得到模式的初值。

針對2007年8月8日20時—11日20時(北京時,下同)的致洪特大暴雨天氣過程進行模擬研究,積分時間從8日20時—9日20時,9日20時—10日20時,10日20時—11日20時。

圖1 套網格區(qū)域示意Fig.1 Schematic diagram of nesting grid domains

2 天氣實況

2007年8月8—11日,雷州半島前期受強熱帶風暴“帕布”環(huán)流及其外圍云系影響,普降大到暴雨;后期“帕布”路徑轉向東北,天氣系統調整,強降水中心長時間在雷州半島西南部擺動維持,雷州市龍門鎮(zhèn)(110.0°E,20.7°N)自動氣象站10日05時—11日05時的日雨量為674.9mm,烏石鎮(zhèn)(109.8°E,20.5°N)11日10—12時累計雨量達239.2mm,使雷州半島西南部出現特大暴雨。這場特大暴雨具有降水強度強、持續(xù)時間長、雨量大、地段集中的特點,致使出現嚴重洪災。

在雷州半島致洪特大暴雨過程中,降水強度最大的時段在11日10—12時,落區(qū)位于雷州市西南部的烏石鎮(zhèn)及其附近地區(qū),11日10—11時降雨量為89.1mm,11—12時降雨量為150.1mm,2h累計降雨量239.2mm(圖2a)。

圖2 11日10—12時累積降水量分布(a;單位:mm)及12時紅外衛(wèi)星云圖(b)Fig.2 (a)Cum ulative rainfall(mm)from1000to1200BST11th August and(b)infrared satellite image at1200 BST11th August

由11日12:00紅外衛(wèi)星云圖(圖2b)可見,在雷州半島的中南部有明顯厚實的云層覆蓋,在雷州半島及其附近地區(qū)出現的明顯雨區(qū)和降水中心都有相對應的云體,與實況強降水中心位置相對應的是云圖上的亮溫低值區(qū)。

從11日11:59湛江714SD天氣雷達回波強度、回波等值線圖(圖略)顯示,強回波和等值線的中心位于雷州市西南部及其附近海面,中心位置與實況強降水的中心位置相近,回波分布與降雨區(qū)分布相一致。

從上述實況資料分析,強降水區(qū)有明顯的中尺度對流系統特征。

3 數值模擬結果分析

3.1 對24h累計降水和環(huán)流的模擬概況

圖3 2007年8月10日20時—11日20時模擬的24h累計降水(a;格距6km;單位:mm)和實況分布(b)Fig.3 (a)Sim ulated24-hour rainfall(grid spacing=6km;mm)and(b)observed one from2000BST10th to2000BST11th A ugust2007

分析模式的24h累計降水,模式對降水的強度和落區(qū)有較好的對應關系,尤其是對11日雷州半島降水最強的過程(圖3a)。由圖3a可見,雷州半島110°E附近兩個分別超過400、600mm的降水中心和實況(圖3b)中烏石和龍門附近的強降水有較好的對應關系,而且從探測密度較高的中尺度自動站資料中還發(fā)現龍門附近站點有接近600mm的降水中心。

從模式對過程的環(huán)流模擬結果和客觀分析對比來看,也基本接近。圖4是8月11日08時風場的客觀分析和模擬結果的對比。對比圖4a、4b可以看到,925hPa上空,對“帕布”減弱后環(huán)流中心位置的模擬有所偏差,但是對粵西一帶低空的切變線有較好的模擬效果。對比圖4c、4d可以看到,700hPa上空,對“帕布”減弱后環(huán)流中心位置以及切變線有較好的模擬效果。對比圖4e、4f可以看到,200hPa上空,對香港附近環(huán)流中心位置以及對雷州半島輻散的流場有較好的模擬效果。另外,模式對其他時次的模擬也與實況基本接近(圖略)。

由此可見,模式對這次強降水過程的模擬結果是基本可靠的。

3.2 最強降水時段時雨量的模擬

11日10—13時是這次過程降水最強的時段,從圖5的模擬降水量可以看到,10時降水中心位于雷州半島中南部東西沿海地區(qū),2個中心值時雨量均為25mm;11時強降水中心位于雷州市西南部沿海地區(qū),中心值為50mm;12時強降水中心仍位于雷州市西南部沿海地區(qū),中心位置比11時略偏東南,中心值為50mm;13時強降水中心位于雷州市西南部陸地上,中心值為50mm。

圖4 2007年8月11日08時925、700、200hPa風場的實況(a,c,e)和數值模擬結果(b,d,f;格距18km)Fig.4 Observed/simulated wind(m/s)fields at(a/b)925hPa,(c/d)700hPa,and(e/f)200hPa at1200BST 11th August2007(grid spacing=18km)

模式對實況強降水時段時雨量位置的模擬基本接近實況,11日11—13時3h逐時模擬的強降水中心與雷州半島上實況強降水中心相一致,但模擬強降水的強度和實況有偏差,4h模擬的雷州半島及附近的強降水中心合計值為175mm,比實況明顯偏小105.1mm。分析逐時雨量,發(fā)現主要原因是模擬的降水比實況提前開始出現并且推后結束,跨度時間較實況長。

3.3 風場和位勢高度場的模擬

從MM5模式18km格距模擬的11日12時各高度的風場和位勢高度場模擬結果可分析,在925 hPa(圖6a)、850hPa(圖略)、700hPa(圖略)、500 hPa(圖6c)上,珠江三角洲附近是“帕布”減弱后較為完整的低壓環(huán)流,環(huán)流的西南端至雷州半島南部有條東北—西南走向的低槽,雷州半島南部的位勢高度較低,受“帕布”減弱后的環(huán)流影響,在雷州半島南部風場輻合較強。

在400hPa(圖略)高度,“帕布”環(huán)流最低位勢高度為750gpm,在雷州半島和北部灣附近風場較亂,位勢高度較低,為754gpm左右,雷州半島西部為偏北風,東南部為偏西風,在雷州半島中部風場輻合較強。

在300hPa(圖6e)上,“帕布”環(huán)流中心西南落到珠江口附近,最低位勢高度為967gpm,在雷州半島西南部沿海有968gpm低值中心,雷州半島南部和海南島附近風場較亂。

在200hPa(圖6g)上,珠江口附近的“帕布”環(huán)流最低位勢高度為1 249gpm,而在雷州半島西南部沿海有1 248gpm的低值中心,雷州半島南部風場較亂。

從925hPa到200hPa層,“帕布”減弱后的環(huán)流中心從下向上是往西南方向傾斜,上層比下層中心更為明顯;在低層,雷州半島南部處在“帕布”環(huán)流的東北-西南走向的低槽底,隨著高度增加,氣壓的減小,槽底逐漸西南伸。在300hPa和200hPa高層上,在雷州半島西南部沿海及附近海面出現明顯的低值中心,在200hPa上,雷州半島西南部沿海的低值中心比“帕布”環(huán)流中心值還低。

從MM5模式6km格距模擬的11日12時風場和位勢高度場模擬結果可分析,在低層925hPa(圖6b)上,雷州半島西南部沿海的位勢高度較低,海面上有小的閉合環(huán)流,在該區(qū)風場輻合很強。在500hPa(圖6d)上,雷州半島西南部沿海地區(qū)為位勢高度低值區(qū),風場輻合較強。

在300hPa(圖6f)上,在雷州半島西南部沿海有968gpm低值中心,在北部灣內有低值區(qū),附近風場較亂,低值區(qū)東部為西北風,西部為東北風,北部、南部為偏東風,風場調轉為輻散場。

在200hPa(圖6h)上,在雷州半島西南部沿海有1 248gpm的明顯低值中心,在北部灣附近為低值區(qū),低值中心附近風場較亂,東部為西北風,北部、西部為偏東風,南部為偏北風,風場為明顯輻散場。

圖5 11日10時(a)、11時(b)、12時(c)、13時(d)逐時雨量模擬(單位:mm)Fig.5 Simulated hourly rainfall(mm)at(a)1000BST,(b)1100BST,(c)1200BST,and(d)1300BST11th August2007

上述風場和位勢高度場模擬結果說明,在暴雨過程中,最強降水主要是受“帕布”減弱后的外圍環(huán)流及其西南伸展的輻合槽帶的天氣形勢影響,在雷州半島西南部附近形成風場低層明顯輻合、高層明顯輻散的低值中尺度對流系統而發(fā)生的。

圖6 11日12時925hPa、500hPa、300hPa、200hPa高度層18km格距(a,c,e,g)和6km格距(b,d,f,h)模擬的風場和位勢高度場(單位:gpm)Fig.6 W ind(m/s)and geopotential height(gpm)fields at(a/b)925hPa,(c/d)500hPa,(e/f)300hPa,and(g/h)200hPa sim ulated at18km/6km grid spacing at1200BST11th August2007

3.4 垂直速度場的模擬

雷州半島三面環(huán)海,地形狹長,同時8月正處于西南夏季風爆發(fā)階段,雷州半島及附近海面低層相對濕度大于90%,水汽條件充分。從MM5模式模擬的11日12時的925hPa(圖7a)、850hPa(圖略)、700hPa(圖略)、500hPa(圖7b)、400hPa(圖略)、300hPa(圖7c)、200hPa(圖7d)的垂直速度場模擬結果顯示,在各層上,雷州半島南部都是垂直速度高值區(qū),并且強中心都位于雷州半島西南部,各層的垂直速度場強中心值分別為0.5、1.0、2.4、4.5、4.5、4.5、2.4m/s,其中低層和頂層垂直速度值相對小,中高層值大,并都是正值,說明在雷州半島西南部500hPa至300hPa上升氣流旺盛。

由上述分析,模擬的垂直速度場強中心位置與強降水發(fā)生落區(qū)相一致,說明強的低層風場輻合和高層風場輻散致使產生強烈的對流上升運動,是這場特大暴雨過程中在雷州半島西南部出現降水強度最大的關鍵因素。

3.5 渦度場的模擬

從11日12時925hPa(圖8a)、850hPa(圖略)、700hPa(圖略)、500hPa(圖8b)、400hPa(圖略)、300hPa(圖8c)、200hPa(圖8d)渦度場的模擬結果分析,在925hPa上,在雷州半島南部有正的渦度區(qū),中心位于雷州半島西南部沿海地區(qū),中心值為40×10-5s-1,在該正渦度區(qū)的北側雷州半島中部有-10×10-5s-1的負渦度區(qū),在雷州半島的東部海面上有中心為70×10-5s-1的正渦度區(qū),比雷州半島南部的正渦度區(qū)范圍大、強度強,海南島中南部有20×10-5s-1的正渦度區(qū)。

850hPa高度上,雷州半島南部的正的渦度區(qū)中心值加強為50×10-5s-1,該區(qū)北側的負渦度區(qū)消失。瓊州海峽東部有-10×10-5s-1的負渦度區(qū),雷州半島的東部海面上的正渦度區(qū)中心仍為70×10-5s-1,海南島中南部正渦度區(qū)中心加強為30×10-5s-1。

700hPa層上,雷州半島南部的正的渦度區(qū)中心值加強為60×10-5s-1,范圍增大,該區(qū)南北側的有-10×10-5s-1的負渦度區(qū),雷州半島的東部海面上的正渦度區(qū)中心減弱為60×10-5s-1,海南島中部正渦度區(qū)中心加強為40×10-5s-1。

在500hPa層上,雷州半島的東部海面上的正渦度區(qū)中心再減弱為40×10-5s-1,海南島中部正渦度區(qū)范圍北擴。雷州半島南端和瓊州海峽上出現小于-10×10-5s-1的負渦度區(qū)。

400hPa層上,雷州市南部和徐聞縣北部為正渦度區(qū),中心值為40×10-5s-1,海南島中部正渦度區(qū)西移,雷州半島東部海面上的正渦度區(qū)明顯減弱。徐聞縣南部和瓊州海峽附近為負渦度區(qū),中心位于雷州半島西南端海面上,值為-40×10-5s-1。

300hPa高度上,雷州半島中部為正渦度區(qū),西部沿海和海南島中北部的中心值都為40×10-5s-1。在雷州半島南部、瓊州海峽和海南島東北部海面為呈彎曲帶狀分布的負渦度區(qū),最強中心位于海南島東北部海面上,為-50×10-5s-1,雷州半島南部為-30×10-5s-1。

圖7 11日12時925hPa(a)、500hPa(b)、300hPa(c)、200hPa(d)高度層垂直速度場模擬(單位:cm/s;18km格距)Fig.7 Sim ulated vertical velocity(cm/s)fields at1200BST11th August2007(grid spacing=18km)a.925hPa;b.500hPa;c.300hPa;d.200hPa

圖2 時925hPa(a)、500hPa(b)、300hPa(c)、200hPa(d)高度層渦度場模擬(單位:1;18km格距)Filated vorticity(10-5s-1)fields at1200BST11th August2007(grid spacing=18km)a.925hPa;b.500hPa;c.300hPa;d.200hPa

在200hPa高度上,雷州半島中部和東部海面為正渦度區(qū),較強中心位于西部沿海,海南島中北部轉為負渦度,中心值為-30×10-5s-1。在雷州半島西南部及其附近海面為負渦度區(qū),強中心位于雷州半島西南部海面上,為-30×10-5s-1。

在強降水發(fā)生落區(qū)上,渦度場表現為明顯的螺旋結構。在低層正渦度中心與強降水中心相對應,強降水區(qū)域內的正渦度區(qū)域從低層一直延伸到中層,到中層后再轉為負渦度區(qū),在雷州半島上正渦度最大中心位于700、500hPa高度上。負渦度最小中心位于300、200hPa高度。模擬的渦度場中心位置與強降水發(fā)生落區(qū)相一致,這次強降水落區(qū)與渦度場有著較好的對應關系,渦度的變化也是雷州半島特大暴雨過程中西南部降水強度最大的主要因素。

3.6 散度場的模擬

從11日12時最強降水時段925hPa(圖9a)、850hPa(圖略)、700hPa(圖略)、500hPa(圖9b)、400hPa(圖略)、300hPa(圖9c)、200hPa(圖9d)散度場的模擬結果可見,強降水發(fā)生落區(qū),低層強降水中心與負散度中心相對應,強降水區(qū)域內的負散度區(qū)域從低層一直延伸到中層,到中層后再轉為正散度區(qū),在雷州半島上負散度最小中心位于700hPa上,正散度最大中心位于200hPa高層上。模擬的散度場中心位置與強降水發(fā)生落區(qū)相一致,強降水區(qū)域內低層輻合高層輻散明顯,這種低層輻合高層輻散的分布,利于高空的抽吸作用和低層的輻合抬升作用,加速了強降水區(qū)域內的垂直上升運動,區(qū)域內和附近的暖濕空氣被上升氣流帶到高空,動力和熱力的共同作用造成了這次強降水。這次強降水落區(qū)與散度場有著較好的對應關系,散度的變化也是影響雷州半島特大暴雨在西南部發(fā)生降水強度最大的原因。

3.7 暴雨中心附近主要物理量的垂直分布特征

圖10是2007年8月11日12時暴雨中心附近主要物理量的垂直剖面圖,對比圖10a、10b可以看到,特大暴雨中心附近(110.0°E,20.5°N)低層有強輻合、高層有強輻散;對比圖10c、10d可以看到,特大暴雨中心附近上空的正渦度呈柱狀分布,從低空一直延伸到對流層頂;對比圖10e、10f可以看到,特大暴雨中心附近上空的垂直上升運動很強,中心值出現在400hPa附近,超過5m/s;從圖10g、10h可以清楚地看到暴雨中心附近垂直上升的流場,同時從圖10h還可以看到,20.5°N南北兩側,900hPa以下是南風和北風的輻合,900～700hPa之間,北側是北風的抬升,南側20°N附近有補嘗下沉氣流。

圖9 11日12時925hPa(a)、500hPa(b)、300hPa(c)、200hPa(d)高度層散度場模擬(單位:10-5s-1;18km格距)Fig.9 Sim ulated divergence(10-5s-1)fields at1 200BST11th A ugust2007(grid spacing=18km)a.925hPa;b.500hPa;c.300hPa;d.200hPa

4 水汽通量與水汽通量散度的分布特征

圖11是2007年8月10—11日2d平均水汽通量和水汽通量散度的垂直積分。從圖11a可以看到,這次特大暴雨過程水汽來源于低緯海面,孟加拉灣經中南半島到南海北部是這次過程的水汽通道,并且還可以看到茂名一帶還有一個低值中心,雷州半島一帶輻合明顯。從圖11b可以看到,8月10日到11日雷州半島和南海北部有強的水汽輻合。低緯海面源源不斷的水汽輸送以及水汽在雷州半島的強烈輻合,有利于特大暴雨的出現。

5 結論與討論

(1)MM5模式能基本模擬出2007年8月8—11日雷州半島特大暴雨過程中降水強度的主要特征,模擬的強降水中心與雷州半島上實況相一致,但模擬的強降水時間與實況出現的時間有偏差,模擬的強降水中心量值較實際值明顯偏小。模式采用不同積云對流參數化方案的效果有所不同,積云對流參數化D01區(qū)域取KF方案,D02、D03區(qū)域取G rell方案模擬效果較為理想。

(2)對格距為18km和6km分辨率的風場和位勢高度場的模擬結果分析表明:在雷州半島致洪特大暴雨過程中,最強降水主要是受“帕布”減弱后的外圍環(huán)流及其西南伸展的輻合槽帶的天氣形勢影響,在雷州半島西南部附近形成風場低層輻合、高層輻散的低值中尺度對流系統。6km分辨率的模擬結果能顯示出引發(fā)強降水的中尺度對流系統。由于對流活動對熱量垂直輸送的影響,降水發(fā)生后,潛熱不斷向上輸送,使近地面氣溫明顯降低,對流層高層迅速變暖,而在低層邊界層則變冷,從而使對流上層維持暖心結構,有利于高空反氣旋環(huán)流的發(fā)展和氣流輻散的加強,進而又促進了低空氣流的輻合[15]。在雷州半島西南部附近中尺度對流系統中可能由于降水的作用,大氣中下部為冷性低值區(qū),致使位勢高度場上高層低值中心表現更為明顯,同時由于低層風場為明顯輻合、高層風場為明顯輻散,并位于雷州半島西南部附近,因而強降水發(fā)生在雷州半島西南部。

圖10 11日12時暴雨中心附近散度(單位:10-5s-1)、渦度(單位:10-5s-1)、垂直速度(單位:cm/s)、流場沿20.5°N緯向垂直剖面(a,c,e,g)及沿110°E經向垂直剖面(b,d,f,h)(18km格距)Fig.1 0 (a,c,e,g)Longitude-height cross sections along20.5°N and(b,d,f,h)latitudeheight cross sections along110°E of(a,b)divergence(10-5s-1),(c,d)vorticity(10-5s-1),(e,f)vertical velocity(cm/s),and(g,h)stream line fields at1200BST 11th August2007(grid spacing=18km)

(3)渦度場模擬結果分析表明:強降水發(fā)生落區(qū)渦度場表現為明顯的螺旋結構,在低層為正渦度中心,到中層后再轉為負渦度區(qū),高層為小值負渦度中心。模擬的渦度場中心位置與強降水發(fā)生落區(qū)相一致,有著較好的對應關系。渦度場的正負與6km分辨率的風場模擬結果相對應,強降水發(fā)生落區(qū)低層風場為氣旋環(huán)流方向,渦度場為正值,高層風場為反氣旋環(huán)流方向,渦度場為負值。

(4)散度場模擬結果分析表明:強降水發(fā)生落區(qū)低層與負散度中心相對應,負散度區(qū)域從低層一直延伸到中層,到中層后再轉為正散度區(qū),高層為正散度大值中心。模擬的散度場中心位置與強降水發(fā)生落區(qū)相一致,有著較好的對應關系。散度場的正負與6km分辨率的風場模擬結果相對應,強降水發(fā)生落區(qū)低層風場為輻合區(qū),散度場為負值,高層風場為輻散區(qū),散度場為正值。

圖11 8月10—11日2d平均水汽通量(a;單位:g·s-1·hPa-1·cm-1)與水汽通量散度(b;單位:g·s-1·hPa-1·cm-2)的垂直積分(18km格距)Fig.1 1 (a)Vapor flux(g·s-1·hPa-1·cm-1)vertically integrated from1 000hPa to300hPa and(b)its divergence(g·s-1·hPa-1·cm-2)averaged over10th—11th A ugust2007(grid spacing=18km)

(5)垂直速度場模擬結果分析表明:模擬的位于雷州半島西南部垂直速度強中心位置與強降水發(fā)生落區(qū)相一致,低層和頂層垂直速度值相對小,中高層值大,都為正值,500hPa至300hPa上升氣流最旺盛。6km分辨率的模擬表明,由于強的低層風場輻合抬升作用和高層風場輻散抽吸作用致使產生強烈的上升對流運動。

總之,在“帕布”減弱后的外圍環(huán)流及其西南伸展的輻合槽帶影響下,主要由于中尺度對流系統和各層風場的共同作用,大氣低層輻合、正渦度,高層輻散、負渦度,系統中強烈的對流上升運動,低緯海面源源不斷的水汽輸送以及水汽在雷州半島的強烈輻合引發(fā)了雷州半島西南部發(fā)生特大暴雨。

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