西南渦發(fā)生發(fā)展機(jī)制中熱力強(qiáng)迫作用的數(shù)值試驗(yàn)

張政泰，林明宇，亓　鵬，陳圣哲，王澄海

(蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅　蘭州　730000)

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西南渦發(fā)生發(fā)展機(jī)制中熱力強(qiáng)迫作用的數(shù)值試驗(yàn)

張政泰，林明宇，亓鵬，陳圣哲，王澄海

(蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730000)

摘要：利用WRF模式對(duì)2011年6月16—17日由西南低渦觸發(fā)的一次四川盆地強(qiáng)降雨過程進(jìn)行模擬分析，從邊界層內(nèi)的熱力學(xué)特征角度分析西南渦發(fā)生、發(fā)展成因。結(jié)果表明：如不考慮地面熱通量，雖然能模擬出西南渦，但西南渦的強(qiáng)度和位置與實(shí)際情況相差較大，且模擬結(jié)果基本沒有再現(xiàn)降水；地面加熱在西南渦的發(fā)展過程中起維持作用，西南渦的發(fā)展主要受降水凝結(jié)潛熱的加熱作用，降水凝結(jié)潛熱的釋放在很大程度上決定西南渦能否形成。

關(guān)鍵詞：西南渦；WRF模式；暴雨；熱力因子

引言

西南渦是產(chǎn)生于我國(guó)西南地區(qū)對(duì)流層低層的一種中尺度低壓渦旋系統(tǒng)，它是青藏高原東坡特殊地形和有利的大氣環(huán)流共同作用下的產(chǎn)物。它在生成初期是一個(gè)十分淺薄的中尺度系統(tǒng)，但其發(fā)生東移所帶來的劇烈天氣影響甚為嚴(yán)重，在影響我國(guó)的眾多重大暴雨洪澇過程中，西南渦扮演了重要角色。研究認(rèn)為：西南渦造成的暴雨天氣強(qiáng)度、頻數(shù)和范圍僅次于臺(tái)風(fēng)及殘余低壓，是重要性位居第二的暴雨系統(tǒng)[1]。對(duì)西南渦的成因及影響已有很多研究，如趙玉春等[2]指出地面熱通量對(duì)西南渦的發(fā)展有重要影響，地形能夠影響西南渦和暴雨的位置；陳伯民等[3]認(rèn)為青藏高原低渦(高原渦、西南渦、西北渦)可看作是一種強(qiáng)烈依賴于青藏高原地形，同時(shí)又受層結(jié)穩(wěn)定度、地面熱通量和凝結(jié)潛熱控制的局地性低壓渦旋；何光碧[4]認(rèn)為西南渦是特殊地形與環(huán)流作用下的產(chǎn)物；陳志昆等[5]的研究也表明高原地形對(duì)于西南渦在四川盆地700 hPa的維持以及發(fā)展非常重要。

目前對(duì)西南渦的研究大多集中在其移動(dòng)路徑[6-8]、結(jié)構(gòu)特征[9-11]及在東移過程中給四川盆地和下游地區(qū)帶來的暴雨天氣[12-16]，但對(duì)西南渦發(fā)生、發(fā)展的機(jī)制原理研究相對(duì)較少。本文利用WRF模式對(duì)四川盆地一次由西南渦引起的強(qiáng)降雨進(jìn)行模擬分析，診斷西南渦發(fā)生發(fā)展過程中的熱力機(jī)制。

1資料及WRF模式的基本參數(shù)設(shè)置

1.1資料

選取2011年6月16日的西南渦活動(dòng)過程進(jìn)行模擬分析。WRF模式的初始與側(cè)邊界場(chǎng)資料來自NCEP的FNL資料，水平分辨率為1°×1°，時(shí)間間隔為6 h；地形資料來源于WRF官方網(wǎng)站(http://www.wrfmodel.org/)；觀測(cè)降水資料為TRMM衛(wèi)星3B42降水?dāng)?shù)據(jù)集，該資料為全球0.25°×0.25°每3 h平均降雨量產(chǎn)品。

1.2WRF模式簡(jiǎn)介

WRF(Weather Research and Forecasting)模式是NCAR(National Center for Atmospheric Research)及NCEP(National Centers for Environmental Prediction)等許多美國(guó)研究部門及大學(xué)的科學(xué)家共同參與研究開發(fā)的新一代中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式及同化系統(tǒng)，它集科研與業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)于一體，為理想化的動(dòng)力學(xué)研究、業(yè)務(wù)天氣預(yù)報(bào)、區(qū)域氣候模擬及空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)提供了一個(gè)公用的模式框架[17]。WRF模式分為研究(ARW)和業(yè)務(wù)(NMM)2種形式，分別由NCEP和NCAR管理維護(hù)，這里使用WRF-ARW。WRF模式的控制方程是全彈性大氣非靜力平衡原始方程，水平方向采用Arwkrawa-C型網(wǎng)格，垂直方向采用地形追隨坐標(biāo)，運(yùn)用高分辨率地形和土地利用分類資料，采用時(shí)間分裂積分方案。物理過程包括：大氣水平和垂直渦動(dòng)擴(kuò)散、積云對(duì)流參數(shù)化方案、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種云微物理方案、太陽短波輻射和大氣長(zhǎng)波輻射方案等。模式的水平分辨率、垂直方向?qū)哟巍⒎e分區(qū)域及各種物理過程參數(shù)化方案可根據(jù)研究需要進(jìn)行調(diào)整。

1.3基本參數(shù)設(shè)置

使用NCEP的全球再分析資料作為背景場(chǎng)，積分時(shí)間為2011年6月15日08:00—19日08:00，模擬6月16日08:00—17日08:00的大暴雨以及西南渦的發(fā)生發(fā)展過程。模擬采用雙向二重嵌套，模擬區(qū)域中心點(diǎn)為(31°N、105°E)，外層區(qū)域的水平網(wǎng)格距為30 km×30 km，子區(qū)域?yàn)?0 km×10 km，垂直方向?yàn)?1層σ坐標(biāo)，時(shí)間積分步長(zhǎng)為180 s。參數(shù)化方案設(shè)置如下：長(zhǎng)波與短波輻射方案采用RRTMG方案，地表層方案為訂正的MM5方案，陸面過程為Noah-MP方案，邊界層方案為YSU方案，投影方式為L(zhǎng)ambert。對(duì)于WRF模式參數(shù)化方案在青藏高原地區(qū)的適用已有很多研究，如王坤等[18]選取WRF模式WSM3微物理方案對(duì)高原地區(qū)一次暴雪進(jìn)行模擬，指出WSM3微物理方案在高原地區(qū)有較大誤差。因此本試驗(yàn)的微物理方案選取目前應(yīng)用比較廣泛的New Thompson、Lin與Eta 3種參數(shù)化方案，積云參數(shù)化方案選取GF與KF(new Eta)[19-20]，通過對(duì)微物理方案與積云參數(shù)化方案的6種組合進(jìn)行模擬效果分析，探討模式在四川盆地最適用的參數(shù)化方案組合。各組合方案按照微物理方案與積云參數(shù)化方案首字母縮寫命名，如表1所示。對(duì)6種組合的輸出結(jié)果與實(shí)際降水進(jìn)行比較，得出WRF模式在四川盆地適用的參數(shù)化方案。

2天氣背景

2011年6月16日08:00—17日08:00，四川盆地發(fā)生特大暴雨。西南渦于17日04:00在29.0°N、100.2°E處生成，19日04:00消失。分析700 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)，6月17日02:00四川盆地已經(jīng)有小的低渦形成(圖1a)，500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上四川盆地處在一個(gè)明顯的大槽之前(圖1b)，槽前強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)正是造成這次暴雨的主要成因。之后此槽不斷東移，至19日02:00，700 hPa(圖1c)西南低渦趨于消亡，500 hPa上槽已經(jīng)消失(圖1d)。

表1　各參數(shù)化方案命名規(guī)則

3診斷分析

3.1WRF模式對(duì)四川盆地降水的模擬

圖2為TRMM衛(wèi)星測(cè)得的16日08:00—17日08:00的實(shí)際降雨量，圖3為6種參數(shù)化方案組合模擬的此時(shí)段降水分布?？梢钥闯?，所有組合方案的模擬結(jié)果與實(shí)際降水均有一定誤差：對(duì)強(qiáng)降水中心位置的模擬均偏西北，對(duì)降水位置的模擬整體偏西，降水強(qiáng)度整體偏大。從圖2看出此次降水的強(qiáng)降水中心位于29°N、106°E,NG方案模擬的強(qiáng)降水中心為31°N、105°E，且降水中心強(qiáng)度比實(shí)況偏大(圖3a)；NK方案模擬的強(qiáng)降水中心區(qū)域與實(shí)況面積比較接近，但位置偏西北，與實(shí)況相差較大(圖3b)；LG方案的模擬結(jié)果與NG方案比較接近(圖3c)；LK方案對(duì)整個(gè)四川盆地降水的模擬比實(shí)況偏大，且模擬的整體降水區(qū)域比實(shí)況偏西(圖3d)；EG方案與NG、LG的模擬效果比較接近(圖3e)；EK方案與LK方案結(jié)果相近，只表現(xiàn)為個(gè)別區(qū)域降雨量的不同(圖3f)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)降水預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)使用最多的是ETS 評(píng)分方法，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度對(duì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確、空?qǐng)?bào)、漏報(bào)站點(diǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，能較好地指示模式降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，另外ETS 還考慮了隨機(jī)降水預(yù)報(bào)概率，但該客觀檢驗(yàn)方法缺乏天氣學(xué)意義，即缺乏對(duì)雨帶位置、范圍、形態(tài)、結(jié)構(gòu)等方面的預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)。為了更客觀地確定最優(yōu)參數(shù)化方案，這里應(yīng)用SAL方法[21-22]對(duì)6組方案的降水模擬進(jìn)行評(píng)估。SAL方法以研究范圍內(nèi)的降水為目標(biāo)物，根據(jù)分布情況將降水主體劃分為不同降水個(gè)體，對(duì)雨帶的預(yù)報(bào)從結(jié)構(gòu)(Structure，簡(jiǎn)稱S)、強(qiáng)度(Amplitude，簡(jiǎn)稱A)、位置(Location，簡(jiǎn)稱L)3個(gè)降水預(yù)報(bào)的最關(guān)鍵因素進(jìn)行效果檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果為S、A、L 3個(gè)值，值域范圍分別為[-2,2]、[-2,2]、[0,2]。A=0 表示預(yù)報(bào)強(qiáng)度與實(shí)況一致，A>0(A<0)表示預(yù)報(bào)較實(shí)況強(qiáng)度偏強(qiáng)(偏弱)；L值越接近0，則預(yù)報(bào)降水與實(shí)況降水位置越接近，當(dāng)L為0時(shí)，預(yù)報(bào)與實(shí)況降水主體中心重合，預(yù)報(bào)效果最好；預(yù)報(bào)的降水范圍相對(duì)實(shí)況較小或預(yù)報(bào)的降水中心雨量值相對(duì)實(shí)況偏大或2種情況同時(shí)存在時(shí)S為負(fù)值，反之，S>0。如果實(shí)況為小范圍對(duì)流性強(qiáng)降水，而預(yù)報(bào)為大范圍強(qiáng)降水，則S為較大的正值。

圖1　2011年6月17日02:00(a, b)及19日02:00(c, d)700 hPa(a, c)

圖2　TRMM衛(wèi)星實(shí)測(cè)的2011年6月16日

對(duì)6種組合用SAL方法進(jìn)行評(píng)分，結(jié)果見圖4?？梢钥闯龈鹘M合方案模擬的降水強(qiáng)度都偏大，降水中心位置均與實(shí)況有較大偏離，而降水結(jié)構(gòu)與實(shí)況較接近，但降水中心雨量值相對(duì)實(shí)況偏大。綜合考慮S、A、L，NG組合的模擬效果最好，即微物理方案為New Thompson方案、積云參數(shù)化方案采用GF方案時(shí)，WRF模式對(duì)四川盆地降水的模擬效果最好。

圖3　WRF模式模擬的四川盆地2011年6月16日08:00—17日08:00降水量分布(單位：mm)

圖4　6種組合方案的SAL檢驗(yàn)結(jié)果

3.2降水凝結(jié)潛熱在西南渦形成中的作用

王澄海等[23]對(duì)青藏高原西部地區(qū)熱力強(qiáng)迫機(jī)制研究時(shí)指出：在高原西部地表能量平衡過程中，感熱通量占主要地位，潛熱通量較小。為探討西南渦發(fā)生的熱力因子，設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)：選用最優(yōu)參數(shù)化方案NG組合，但在模擬過程中從開始就去掉每一層的降水凝結(jié)潛熱，模擬結(jié)果見圖5?？梢钥闯?，模式不僅沒有模擬出強(qiáng)降水區(qū)域，而且模擬出的降水強(qiáng)度要比實(shí)況小很多。

圖5　去掉降水凝結(jié)潛熱后模式模擬的16日

圖6是考慮與關(guān)閉降水凝結(jié)潛熱作用且選用NG方案模擬出的700 hPa天氣形勢(shì)。可以看出，考慮降水凝結(jié)潛熱作用時(shí)(圖6a和圖6b)，西南渦17日05:00已經(jīng)發(fā)展成形，18日23:00消失，基本反映了西南渦的發(fā)展過程；當(dāng)去掉降水凝結(jié)潛熱作用時(shí)(圖6c,圖6d)，17日05:00 700 hPa沒有出現(xiàn)西南渦，之后西南渦也沒有出現(xiàn)，說明降水凝結(jié)潛熱是西南渦形成過程中最主要的熱力因子。

3.3地面感熱通量在西南渦形成中的作用

進(jìn)一步分析熱力作用在西南渦發(fā)展中的作用，選用相同的最優(yōu)參數(shù)化方案組合(NG)，模擬開始至結(jié)束關(guān)閉地面感熱通量，模擬出的降水分布如圖7所示。與實(shí)況降水相比，關(guān)閉地面感熱通量后，對(duì)降水的模擬效果比關(guān)閉降水凝結(jié)潛熱更加失真，模式幾乎模擬不出降水。

圖6　2011年6月17日05:00(a, c)和18日23:00(b, d)考慮(a, b)

圖7　去掉地面感熱通量后模擬的16日

圖8是關(guān)閉地面感熱通量后模擬的700 hPa天氣形勢(shì)?？梢钥闯?，17日00:00西南渦出現(xiàn)且于06:00消失，比實(shí)際低渦過程時(shí)間短、誤差較大，表明地面感熱通量在西南渦的發(fā)生發(fā)展過程中起著維持作用，即當(dāng)?shù)蜏u形成后，如果沒有地面加熱的作用，則低渦很快填塞消失。說明地面感熱通量雖然不是西南渦發(fā)生的必要條件，卻是其發(fā)展維持的主要因素。

3.4西南渦熱力作用的整體檢驗(yàn)

設(shè)計(jì)試驗(yàn)從積分開始就從每一層同時(shí)去掉降水凝結(jié)潛熱與地面感熱通量的作用，模擬出的降水分布如圖9所示?？梢钥闯觯サ艚邓Y(jié)潛熱與地面感熱通量后模式對(duì)降水的模擬完全失真，對(duì)西南渦的發(fā)展過程也完全沒有模擬出來(圖略)。表明降水凝結(jié)潛熱與地面感熱通量是引發(fā)四川盆地降雨、西南渦發(fā)生發(fā)展的熱力因子，降水凝結(jié)潛熱加熱和地面感熱通量對(duì)西南渦的發(fā)展加強(qiáng)具有重要作用。

圖8　關(guān)閉地面感熱通量后模擬的6月17日00:00(a)和06:00(b)的700 hPa天氣形勢(shì)

圖9　關(guān)閉降水凝結(jié)潛熱與地面感熱通量后的

4小結(jié)

(1)地面感熱通量在西南渦的發(fā)生發(fā)展過程中起維持作用，數(shù)值模擬試驗(yàn)雖然在不考慮地面感熱通量后能夠模擬出西南渦的形成發(fā)展，但其維持時(shí)間與位置與實(shí)況相差較大，另外，當(dāng)不考慮地面感熱通量后對(duì)暴雨的模擬完全不成功。

(2)不考慮降水凝結(jié)潛熱時(shí)，無論西南渦還是降雨，模式模擬都完全不成功，說明降水凝結(jié)潛熱是誘導(dǎo)西南渦發(fā)生發(fā)展的最主要熱力因子，在西南渦的發(fā)生發(fā)展過程中有重要作用。

(3)同時(shí)去掉降水凝結(jié)潛熱與地面感熱通量后，對(duì)降水和西南渦的模擬都完全失真，說明降水凝結(jié)潛熱的釋放與地表加熱是西南渦形成發(fā)展過程中的熱力因子，兩者共同的熱力作用促進(jìn)西南渦的形成發(fā)展，只是在不同階段兩者所起的主要作用有所不同。

需要強(qiáng)調(diào)的是本文對(duì)西南渦發(fā)生發(fā)展的數(shù)值模擬只是針對(duì)個(gè)例進(jìn)行的試驗(yàn)，研究結(jié)果是否具有普適性有待進(jìn)一步討論。

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Numerical Simulation About Thermal Forcing Effect on Southwest Vortex’s Developing Mechanism

ZHANG Zhengtai, LIN Mingyu, QI Peng, CHEN Shengzhe, WANG Chenghai

(CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Abstract:The WRF model was used to simulate a heavy rain process occurring in the Sichuan basin caused by the southwest vortex from June 16 to 17, 2011. The reasons for the appearance and development of the southwest vortex were analyzed from the aspects of thermodynamics in boundary layer. The result shows that the ground heat flux maintained the southwest vortex during the process of southwest vortex’s development. Although the southwest vortex could be simulated by ignoring the ground heat flux, its intensity and position simulated by the model had a great difference compared with the results considering the real conditions, and the simulated results couldn’t present the actual precipitation. The development of the southwest vortex was mainly affected by the precipitation condensation latent heat, to a large extent, it determined whether a southwest vortex would form or not.

Key words:southwest vortex; WRF model; rainstorm; thermal factors

收稿日期：2015-08-20；改回日期：2015-09-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(91337215)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(lzujbky-2015-k03)和蘭州大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510730114)共同資助

作者簡(jiǎn)介：張政泰(1994-)，男，甘肅定西人，本科，主要從事數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的相關(guān)研究. E-mail:zhangzht2012@lzu.edu.cn 通訊作者：王澄海. E-mail:wch@lzu.edu.cn

文章編號(hào)：1006-7639(2016)-03-07-0533

DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0533

中圖分類號(hào)：P458.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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