2007—07—07江淮地區(qū)特大暴雨過程的地形敏感性試驗(yàn)分析

趙瑜等

摘 要：為了更好地探究暴雨強(qiáng)度和落區(qū)對(duì)農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)工作的重要性，利用WRF模式對(duì)2007-07-07—08江淮地區(qū)的特大暴雨進(jìn)行了地形人為變化的影響和模式地形分辨率影響的地形敏感性試驗(yàn)。由此得出，控制試驗(yàn)和3個(gè)對(duì)比試驗(yàn)的雨帶均呈現(xiàn)西北—東南走向帶狀分布。在此次暴雨過程中，九華山、天目山、黃山一帶的地形對(duì)江蘇西部強(qiáng)降水中心位置的影響很大，使得其位置向東偏移了1個(gè)緯度左右，但是，對(duì)安徽境內(nèi)的暴雨落區(qū)影響不大；幕阜山對(duì)此次暴雨過程的影響最??；大別山一帶的地形對(duì)安徽西北部的降雨量影響較大。采用較低分辨率的地形時(shí)，安徽西北部的強(qiáng)降雨中心降雨量明顯偏少，而對(duì)江蘇北部的強(qiáng)降雨中心降雨量并無影響；采用較高分辨率的地形時(shí)，2個(gè)強(qiáng)降雨中心的降雨量均未發(fā)生變化。

關(guān)鍵詞：WRF模式；暴雨落區(qū)；地形影響試驗(yàn)；降雨量

中圖分類號(hào)：P43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.028

暴雨會(huì)使得農(nóng)田積水、沖毀作物，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。因此，暴雨研究一直受到了氣象科技工作者的高度重視。研究表明，暴雨與地形有密切的關(guān)系。一般來講，地形對(duì)暴雨動(dòng)力的影響主要表現(xiàn)為地形的強(qiáng)迫抬升和地形輻合。地形的迎風(fēng)坡使得氣流繞地形流動(dòng)或被迫爬升，并且暖濕氣流常在地形迎風(fēng)坡造成氣旋性輻合，暴雨系統(tǒng)易發(fā)展。江淮地區(qū)地形復(fù)雜，而且多是中小尺度地形，所以，對(duì)暴雨有很大的影響。2007-07-07—08，在梅雨期的暴雨過程中，江蘇西部和安徽西北部發(fā)生了特大暴雨，24 h最大降雨量達(dá)到了233 mm，如圖1所示，造成了較大的影響。本研究則利用WRF中尺度模式對(duì)此次暴雨過程進(jìn)行數(shù)值模擬和地形敏感性試驗(yàn)，以探討江淮中尺度地形對(duì)此次暴雨過程的影響，為做好暴雨的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)、以便農(nóng)田可以提前做好排水準(zhǔn)備提供參考。

1 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

在本研究中采用中尺度數(shù)值模式WRF（Weather Research and Forecast），數(shù)值模擬2007-07-07—08梅雨期暴雨情況。采用NECP每隔6 h一次的全球再分析資料（水平分辨率為1°×1°）作為模式的初始場和側(cè)邊界條件，不使用嵌套方案，模擬區(qū)域的中心位置為（118°E ，32°N），格點(diǎn)數(shù)為100×100，格距為10 km，積分步長為90 s。模式垂直方向?yàn)?8層，模式頂氣壓為50 hPa。另外，在云微物理過程中，選用Ferrier（new Eta）微物理方案，長波輻射選用RRTM方案，短波輻射采用RRTM方案，每分鐘調(diào)用一次輻射過程；積云對(duì)流采用Kain～Fritsch方案，每隔5 min 調(diào)用一次；陸面過程方案采用熱量擴(kuò)散方案。從2007-07-06T18：00—2007-07-08T06：00，共計(jì)36 h，每隔1 h 輸出一次結(jié)果。

地形敏感性試驗(yàn)主要包括兩方面的內(nèi)容：①地形人為變化的影響?？刂圃囼?yàn)地形，分別去除幕阜山地區(qū)地形（幕阜山）、大別山地區(qū)地形（大別山）、黃山地區(qū)地形（包括九華山、黃山和天目山），并將其分別記為試驗(yàn)二、試驗(yàn)三 、試驗(yàn)四。試驗(yàn)二、試驗(yàn)三、試驗(yàn)四與控制試驗(yàn)均采用相同的模擬時(shí)間和積分方案。各地形高度和位置如圖2所示。②模式地形分辨率的影響。在盡可能不改變初始時(shí)刻模式大氣的動(dòng)力和熱力協(xié)調(diào)性前提下，進(jìn)行不同地形分辨率影響的敏感性試驗(yàn)，研究地形對(duì)暴雨發(fā)生發(fā)展的影響。試驗(yàn)五、試驗(yàn)六、試驗(yàn)七采用與控制試驗(yàn)相同的模擬方案。在模擬初始時(shí)刻，分別引入模式地形分辨率為30 s（地形分辨率約為1 km）、2 m（地形分辨率約為22 km）、5 m（地形分辨率約為55 km）、10 m（地形分辨率約為110 km）。試驗(yàn)方案如表1所示。

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 地形人為變化的影響

為了探索3個(gè)地區(qū)的地形對(duì)暴雨的影響，人為地改變地形，并對(duì)比、分析了模擬結(jié)果，主要包括：①在不改變各要素場和模式地形的前提下，模擬了2007-07-07的暴雨降水過程；②不改變大尺度環(huán)境的各要素場，依次將長江中游大別山、幕阜山、九華山、天目山、黃山等地的海拔高度降為0 m，如表1所示，將新生成的模式地形輸入WRF模式，并模擬2007-07-07的暴雨天氣過程。

在圖3中，（a）（b）（c）（d）分別為控制試驗(yàn)、3個(gè)對(duì)比試驗(yàn)的24 h累積降水量?？刂圃囼?yàn)表明，2007-07-07T06：00—2007-07-08T06：00天氣過程的形勢預(yù)報(bào)和降水預(yù)報(bào)與實(shí)際情況基本上一致，如圖1所示，雨帶呈東北—西南走向；安徽境內(nèi)的暴雨中心位置略偏西；2個(gè)強(qiáng)降雨中心的雨量均比實(shí)際降雨量偏少——位于安徽境內(nèi)強(qiáng)降雨中心的降水量為180 mm，比實(shí)際降雨量少了50 mm；而位于江蘇西部強(qiáng)降雨中心的降水量為150 mm，比實(shí)際降雨量少30 mm。造成雨量偏少的原因可能是模式模擬區(qū)域中心位置位于2個(gè)強(qiáng)暴雨中心之間，所以，降雨量的在這一降雨帶偏少。

從圖3中可以看出，控制試驗(yàn)和3個(gè)對(duì)比試驗(yàn)均模擬出了2個(gè)強(qiáng)降水中心，雨帶均呈西北—東南走向帶狀分布，與實(shí)際情況一致。試驗(yàn)二（圖3b）的2個(gè)強(qiáng)降水中心分別位于（115.2°E ，32.6°N）（119.5°E ，31.7°N），2個(gè)強(qiáng)降水中心降水量分別為180 mm、150 mm，與控制試驗(yàn)基本相同。去掉幕阜山一帶的地形后，并沒有使西南暖濕氣流向北運(yùn)動(dòng)，切變線仍然維持在32°N附近，并且呈東西走向，因此，幕阜山地形對(duì)這次降雨過程起到的作用很小。試驗(yàn)三（圖3c）的2個(gè)強(qiáng)降水中心位于（114.7°E ，32.7°N）（118.5°E ，31.5°N），2個(gè)強(qiáng)降水中心降水量分別為160 mm、150 mm，與控制試驗(yàn)相比明顯偏少。去掉大別山一帶的地形后，使得西南暖濕氣流繼續(xù)向北行進(jìn)，切變線向北偏移了1個(gè)緯度，位于33°N附近，但是，仍然呈東西走向。由于去掉了大別山，失去了氣流的爬坡效應(yīng)，使得位于安徽西北的降雨量明顯偏少。試驗(yàn)四（圖3d）的2個(gè)強(qiáng)降水中心位置分別位于（115.6°E ，32.7°N）（120°E ，31.5°N）。其中，位于江蘇西部的強(qiáng)降水中心位置明顯偏東，2個(gè)強(qiáng)降水中心的降水量分別為150 mm、150 mm，與控制試驗(yàn)相比，位于安徽西北部的強(qiáng)降雨中心雨量偏少。由于去掉九華山、天目山、黃山地形，使得這一帶的地形變得平坦，南海源源不斷的暖濕空氣輸送，繼續(xù)向東行進(jìn)。受地形改變的影響，江蘇西部強(qiáng)降水中心的位置向東漂移。

綜合以上4個(gè)試驗(yàn)方案可以看出，去掉黃山、九華山地形，此次降水中位于江蘇西部的強(qiáng)降水中心發(fā)揮了極大的作用，其位置明顯偏東；去掉大別山，使得位于安徽西北部的強(qiáng)降雨中心雨量偏少；去掉幕阜山，并沒有對(duì)此次降水起到作用，幾乎沒有改變強(qiáng)降雨中心的位置。

2.2 模式地形分辨率的影響

在盡可能不改變初始時(shí)刻模式大氣的動(dòng)力和熱力協(xié)調(diào)性的前提下，進(jìn)行了不同地形分辨率影響的敏感性試驗(yàn)，研究了地形對(duì)暴雨發(fā)生發(fā)展的影響。試驗(yàn)五、試驗(yàn)六和試驗(yàn)七采用了與控制試驗(yàn)相同的模式方案，分別在模擬初始時(shí)刻引入30 s（地形分辨率約為1 km）、2 m（地形分辨率約為22 km）、5 m（地形分辨率約為55 km）、10 m（地形分辨率約為110 km）進(jìn)行24 h降水量模擬試驗(yàn)。

在圖4中，（a）（b）（c）（d）分別為控制試驗(yàn)、試驗(yàn)五、試驗(yàn)六、試驗(yàn)七的24 h累積降水量。從其與江淮地區(qū)的實(shí)際降水分布的比較中可以看出，4個(gè)試驗(yàn)?zāi)M2007-07-07T06：00—2007-07-08T06：00天氣過程的形勢預(yù)報(bào)和降水預(yù)報(bào)與實(shí)際情況基本一致，安徽境內(nèi)的暴雨中心位置有些偏西，雨帶呈現(xiàn)西北—東南走向的帶狀分布。試驗(yàn)六和試驗(yàn)七2個(gè)強(qiáng)降水位置比控制試驗(yàn)和試驗(yàn)五的強(qiáng)降水位置要大，位于安徽西部強(qiáng)降雨中心的降水量與控制試驗(yàn)相比少30 mm左右。由于江蘇境內(nèi)地勢平坦，絕大部分地區(qū)在海拔50 m以下，因此，改變模式地形分辨率對(duì)江蘇西部的強(qiáng)降雨中心并無影響。而安徽地形地貌呈現(xiàn)多樣性，長江和淮河自西向東橫貫全境，淮河以北地勢平坦遼闊，是華北大平原的一部分。中部江淮之間，山地崗丘逶迤曲折，丘波起伏，崗沖相間，長江兩岸和巢湖周圍地勢低平，屬于著名的長江中下游平原，而南部以山地、丘陵為主。另外，從控制試驗(yàn)和試驗(yàn)六的地形差值圖（圖略）中可以看出，模擬區(qū)域內(nèi)正差值中心值平均在0～50 m之間，負(fù)差值中心在-60～0 m之間。從圖5中可以看出，主要的差值區(qū)分布在安徽大別山一帶和安徽南部區(qū)域，并且差值中心呈明顯的小尺度多中心分布。在模擬區(qū)域內(nèi)的正差值中心值平均在50～200 m之間，負(fù)差值中心值平均在-150～-50 m之間。

因此，采用較低分辨的模式地形時(shí)，位于安徽境內(nèi)的強(qiáng)降雨中心降水量明顯偏少，而對(duì)于地勢平坦的江蘇西部的降雨則沒有明顯的影響。由此可見，分辨率越高的模式地形模擬的降水量越準(zhǔn)確。不同的模式地形分辨率對(duì)暴雨落區(qū)的影響不大，這可能是因?yàn)榻吹貐^(qū)一帶的地形偏低，平均海拔不到500 m，所以，需要采用更高、更精確的地形分辨率更為精確的預(yù)報(bào)暴雨的情況。

3 結(jié)論

人為改變地形后，控制試驗(yàn)和3個(gè)對(duì)比試驗(yàn)?zāi)芎芎玫啬M出在此次暴雨過程中，雨帶呈西北—東南的走向帶狀分布，并能確定2個(gè)暴雨中心。

九華山、天目山、黃山等山脈呈東北—西南向走向，與暖濕水汽輸送方向一致。去掉九華山、天目山、黃山后，導(dǎo)致暖濕水汽進(jìn)一步向東北方向移動(dòng)，使得此次暴雨天氣過程中江蘇西部的強(qiáng)降水中心位置向東偏移了1個(gè)緯度左右，但是，對(duì)安徽境內(nèi)的暴雨落區(qū)影響不大。大別山山脈呈西北—東南走向，與雨帶走向一致，去掉大別山后，切變線向北偏移了1個(gè)緯度。由于沒有山脈阻擋，就沒有氣流的爬坡效應(yīng)，使得位于安徽西北部的降雨量明顯偏少。幕阜山脈呈東北—西南走向，平均海拔較低，去掉幕阜山后，暖濕氣流并沒有進(jìn)一步向北輸送，對(duì)此次暴雨過程影響最小。

模式地形分辨率對(duì)暴雨落區(qū)的影響不大，但對(duì)強(qiáng)降水中心的降水量影響較大。地形越復(fù)雜，模式地形分辨率則需要越高；模式地形分辨率越高，模擬的降水量越接近實(shí)際情況。

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〔編輯：白潔〕