2013年7.18四川暴雨分析

廖文超,劉海文②*,朱玉祥,梁寧

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2013年7.18四川暴雨分析

廖文超①,劉海文①②*,朱玉祥③,梁寧④

① 成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610225;

② 重慶市氣象科學(xué)研究所,重慶 401147;

③ 中國(guó)氣象局 氣象干部培訓(xùn)學(xué)院,北京 100081;

④ 青海省海南州氣象局,青海 共和 813000

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91337215;41305131);重慶市氣象局開放式研究基金項(xiàng)目(KFJJ-201102);博士后科研項(xiàng)目特別資助項(xiàng)目(渝xm201103028);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201406020)

利用地面觀測(cè)資料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料,對(duì)2013年7月17—18日四川境內(nèi)的區(qū)域暴雨(7.18暴雨)進(jìn)行了分析,并用WRF模式對(duì)該次暴雨過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究表明:7.18暴雨是一次典型的低渦暴雨,其主要強(qiáng)降水時(shí)段發(fā)生在北京時(shí)間18日凌晨01—02時(shí),具有明顯的夜雨特征;WRF模式對(duì)夜雨的模擬效果要好于白天,這說明WRF模式對(duì)地形復(fù)雜的四川地區(qū)白天降水的模擬能力尚需進(jìn)一步提高;導(dǎo)致7.18暴雨的中尺度低渦具有類似鋒區(qū)的斜壓特征,異常陡峭的θse的分布,使得傾斜不穩(wěn)定渦旋發(fā)展;較強(qiáng)的正渦度中心大值區(qū)有利于中小尺度低渦的形成。

四川暴雨

數(shù)值模擬

WRF模式

四川是一個(gè)多暴雨的省份,比如1981年7月11—15日的四川特大暴雨(81.7暴雨)、2004年9月2—6日的四川暴雨(何光碧和曹杰,2008)以及2010年7月16—18日地形作用下的四川盆地的一次暴雨過程(王成鑫等,2013),都給當(dāng)?shù)貛砹司薮髶p失。

對(duì)于81.7暴雨,Kuo et al.(1986)研究認(rèn)為,該次暴雨過程與四川盆地上空持續(xù)強(qiáng)烈發(fā)展的西南渦密切相關(guān)。Anthes and Haagenson(1984)、Hovermale(1984)、Zhou and Hu(1984)、Chen and Dell’ Osso(1984)以及Kuo and Cheng(1985,1986)都對(duì)該個(gè)例進(jìn)行了數(shù)值模擬和診斷分析研究。程麟生和郭英華(1988)進(jìn)一步對(duì)導(dǎo)致該次暴雨的西南渦發(fā)生發(fā)展機(jī)制進(jìn)行了研究。針對(duì)2004年9月2—6日四川盆地東北部一次持續(xù)性暴雨過程,何光碧和曹杰(2008)使用不同的對(duì)流參數(shù)化方案,對(duì)該次暴雨進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,Kuo方案優(yōu)于其他方案。矯梅燕等(2005)對(duì)該次暴雨研究認(rèn)為,中緯度短波低壓槽東移與西伸加強(qiáng)的副熱帶高壓在高原北部地區(qū)形成了有利于高原切變線生成發(fā)展的條件。陳永仁和李躍清(2013)對(duì)2012年7月21—22日四川盆地出現(xiàn)的暴雨研究表明,該次暴雨主要受中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)所影響。由于四川處于青藏高原東麓這一地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的地區(qū),其暴雨突發(fā)性強(qiáng),時(shí)空分布不均勻,使得四川暴雨的預(yù)報(bào)和研究顯得尤其重要。葛晶晶等(2008)以NCEP資料為初值場(chǎng),對(duì)2004年9月3—5日地形作用下四川省一次暴雨過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)大巴山地形使得西南暖濕氣流所帶來的水汽和熱量在迎風(fēng)坡堆積,從而在迎風(fēng)坡和山頂出現(xiàn)較強(qiáng)的降水中心。王成鑫等(2013)分析了2010年7月16—18日地形作用下四川盆地的一次持續(xù)性暴雨過程,指出此次暴雨過程是在高低層系統(tǒng)配置較好的情況下發(fā)生的。

WRF(Weather Research Forecast)模式系統(tǒng)是美國(guó)氣象界聯(lián)合開發(fā)的新一代中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式,廣泛地應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)、暴雨研究以及區(qū)域氣候模擬等方面(章國(guó)材,2004)。許多學(xué)者用WRF模式來模擬暴雨天氣過程(沈桐立等,2010;王文和程攀,2013)。高篤鳴等(2016)使用WRF模式,采用不同的邊界層方案,對(duì)發(fā)生在四川盆地的不同等級(jí)的降水進(jìn)行了模擬,認(rèn)為對(duì)于四川盆地這個(gè)地形比較復(fù)雜的地區(qū),在選擇邊界層參數(shù)化方案上還有許多事情要做。魏建蘇等(2011)使用WRF模擬了2008年7月22—23日出現(xiàn)在江蘇的一次強(qiáng)降水天氣過程,結(jié)果表明:WRF模式能較好地模擬出這次降水的區(qū)域,對(duì)這種中尺度天氣系統(tǒng)具有良好的預(yù)報(bào)能力。

2013年7月四川省發(fā)生了連續(xù)的強(qiáng)降水事件,與1981年7月四川大洪水時(shí)期的降雨量相差不大,其中7月18日降水量為7月最大(圖1),此次降水給當(dāng)?shù)卦斐闪司薮鬄?zāi)害。四川盆地是夜雨比較多的地區(qū)之一(胡迪和李躍清,2015),對(duì)于7.18暴雨,該次暴雨是否也具有夜雨特征,如果具有夜雨特征,WRF模式對(duì)四川盆地夜雨的模擬能力又怎樣,而且Wang and Oranski(1987)認(rèn)為,在青藏高原東側(cè),在對(duì)流層中低層的大氣斜壓性較弱,不利于背風(fēng)坡氣旋的生成,那么,導(dǎo)致這次暴雨的天氣系統(tǒng)是否也具有弱斜壓性?為了回答這兩個(gè)問題,本文擬對(duì)7.18暴雨通過診斷分析和數(shù)值模擬進(jìn)行研究,試圖分析和研究導(dǎo)致7.18暴雨的天氣形勢(shì)和主要天氣系統(tǒng),并且檢驗(yàn)數(shù)值模式WRF對(duì)這次降水過程的模擬能力,以便為當(dāng)?shù)氐姆罏?zāi)減災(zāi)提供更好的科學(xué)依據(jù)。

圖1　2013年7月四川地區(qū)日降水量時(shí)間序列(單位:mm)Fig.1　Time series of daily precipitation over the Sichuan region in July 2013(units:mm)

1　資料

1)常規(guī)觀測(cè)資料和降水資料,來自中國(guó)氣象局業(yè)務(wù)系統(tǒng)Micaps(Meteorological information combine analysis and process system);其中降水資料包括常規(guī)臺(tái)站降水資料和加密自動(dòng)站降水資料,選取2013年7月17日12時(shí)—18日12時(shí)四川地區(qū)出現(xiàn)降水的3 556個(gè)加密自動(dòng)站和常規(guī)氣象觀測(cè)站作為四川地區(qū)降水分析臺(tái)站,四川地區(qū)某時(shí)次的降水為這3 556個(gè)氣象臺(tái)站在該時(shí)次的降水量之和。

哥們兒朝洛蒙在六環(huán)外的郊區(qū)租了房子。是兩間平房，破破爛爛的，七八十年代“大集體”留下的那種土磚混建結(jié)構(gòu)產(chǎn)物。紅松木門經(jīng)風(fēng)吹日曬，天長(zhǎng)日久，漆皮翹著瓦，像是患著鱗癬病的老人。外間是廚房，從街對(duì)面剛建起的樓群縫隙透過的一點(diǎn)陽光，穿過滿是污垢的門玻璃直接照進(jìn)鍋里。里屋是臥室，四面墻壁，沒有窗子流通空氣，整個(gè)屋子就變得陰暗潮濕。一只角柜，一張滿是鐵銹的雙人床。床上鋪著的草墊里散發(fā)著霉味兒。據(jù)說這地區(qū)已經(jīng)在城市規(guī)劃中，只是還沒有拆遷。但是哥們兒朝洛蒙租了這房子，美得合不攏嘴，像得到個(gè)寶似的。

2)大氣環(huán)流資料來自1日4次的NCEP/NCAR再分析資料集,其水平分辨率為1°×1°,垂直分辨率為26層,氣象要素包括風(fēng)場(chǎng)、位勢(shì)高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、相對(duì)濕度場(chǎng)、垂直速度場(chǎng)等資料。另外,文中所指的18日的天氣形勢(shì)是17日18時(shí)、18日00時(shí)、18日06時(shí)和18日12時(shí)(世界時(shí),下同)的平均。

2　四川7.18暴雨降水特征及天氣形勢(shì)分析

圖2a給出了2013年7月17日12時(shí)—18日12時(shí)四川地區(qū)逐時(shí)降水量,可見,7.18降水從17日13時(shí)已經(jīng)開始發(fā)生,隨著時(shí)間的推移,降水量逐步增大,強(qiáng)降水時(shí)段主要發(fā)生在7月17日19—21時(shí)(北京時(shí)間7月18日凌晨03—05時(shí)),具有明顯的夜雨特征,隨后降水量又開始逐漸減小,直到在18日8—9時(shí)降水量又比05—06時(shí)降水量略有增加外,降水量再次開始減少,直到18日12時(shí)降水量達(dá)到最小?？傊?7.18整個(gè)降水過程除了具有明顯的日變化以外,最重要的是具有明顯的夜雨特征。

圖3a給出了2013年7月17日12時(shí)—18日12時(shí)24 h降水量空間分布,可見,整個(gè)雨帶成東北—西南走向分布,存在兩個(gè)降水中心,一個(gè)位于廣元附近,降水量超過120 mm;另一個(gè)降水中心位于資陽附近,該處的降水量要小于廣元附近的降水,中心降水量值大于60 mm而達(dá)不到大暴雨的降水量級(jí)。

圖2　2013年7月17日12時(shí)—18日12時(shí)實(shí)況(a)和模擬的(b)四川地區(qū)逐時(shí)降水量時(shí)間演變(單位:mm)Fig.2　The (a)observed and (b)simulated hourly precipitation over the Sichuan region from 1200 UTC 17 July 2013 to 1200 UTC 18 July 2013(units:mm)

圖3　2013年7月17日12時(shí)—18日12時(shí)24 h實(shí)況(a)和模擬的(b)累積降水量(單位:mm;方框表示四川所在區(qū)域)Fig.3　The (a)observed and (b)simulated 24 h accumulated precipitation at 1200 UTC 17—18 July 2013(units:mm;rectanglular area indicates Sichuan Province)

暴雨是在一定的大尺度環(huán)流形勢(shì)下出現(xiàn)的(陶詩言,1980)。為了揭示影響7.18暴雨的主要天氣形勢(shì)和影響系統(tǒng),圖4給出了17日18時(shí)—18日12時(shí)的500 hPa天氣形勢(shì)演變,可見,中高緯最顯著的特征是受低壓帶控制,存在3個(gè)明顯的低值中心,這3個(gè)低值中心分別位于咸海以北、烏拉爾山以東,貝加爾湖以東以及日本島以北地區(qū),這些低值系統(tǒng)的分布表明冷空氣在中高緯地區(qū)盤踞,為冷空氣的南下提供了有利的條件。在7月17日18時(shí),四川盆地上空為低槽控制,副熱帶高壓成南北經(jīng)向分布,自7月18日00時(shí),隨著四川盆地北部5 820等位勢(shì)線的南壓和副熱帶高壓經(jīng)向度的進(jìn)一步增強(qiáng),四川盆地上空形成一個(gè)中尺度低渦,該中尺度低渦和副熱帶高壓的對(duì)峙,在四川盆地東部形成一個(gè)θse密集區(qū)(圖5),表明影響四川盆地的中尺度低渦斜壓性增強(qiáng)。四川盆地上空具有斜壓性的中尺度低渦形成的過程,正是四川盆地降水增加的時(shí)刻(圖2a)。到了7月18日06—12時(shí),高緯度環(huán)流以及副熱帶高壓都穩(wěn)定少變,5 840等位勢(shì)線基本位于四川盆地的東邊界,副熱帶高壓的穩(wěn)定少變,使得四川盆地的降水時(shí)間能夠長(zhǎng)時(shí)間的維持,只是由于位于四川盆地上空的中尺度低渦減弱消失,四川盆地自18日00時(shí)的降水強(qiáng)度開始減弱(圖2a)。

綜上所述,影響四川7.18暴雨的主要天氣形勢(shì)是在高緯度穩(wěn)定的環(huán)流形勢(shì)下,在中緯度受穩(wěn)定少變的經(jīng)向型分布的副熱帶高壓阻擋,使得四川上空的中尺度低渦以及低槽不能快速東移,而中尺度低渦和低槽能較長(zhǎng)時(shí)間地停留在四川盆地上空,十分有利于四川7.18暴雨的發(fā)生。

圖4　500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線;單位:gpm)和850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)(箭矢;單位:m/s)疊加(方框表示四川所在區(qū)域)　　a.2013年7月17日18時(shí);b.7月18日00時(shí);c.7月18日06時(shí);d.7月18日12時(shí)Fig.4　The 500 hPa observed geopotential height fields(isolines;;units:gpm) and 850 hPa horizontal wind field (vectors;units:m·s-1)(rectangular area indicates Sichuan Province):(a)1800 UTC 17 July 2013;(b)0000 UTC 18 July 2013;(c)0600 UTC 18 July 2013;(d)1200 UTC 18 July 2013

圖5　2013年7月17日12時(shí)—18日12時(shí)模擬的24 h 700 hPa 平均θse(單位:K)Fig.5　The simulated 24 h 700 hPa average potential pseudo-equivalent temperature at 1200 UTC 17—18 July 2013(units:K)

3　中尺度WRF模式模擬方案設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步研究影響7.18降水的可能物理機(jī)制,選用了美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和大氣研究中心(NCAR)等研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的非靜力平衡中尺度數(shù)值模式WRF_V3.4.1版本(the advanced research WRF)來加以驗(yàn)證。其中用一日4次的NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料作為模式初始場(chǎng)和邊界條件。數(shù)值模擬采用雙向兩重嵌套,模擬區(qū)域選取(103°E,30°N)為中心。模式水平分辨率分別為30、10 km,格點(diǎn)數(shù)分別為169×147、133×112,粗網(wǎng)格覆蓋中國(guó)大部分區(qū)域,細(xì)網(wǎng)格第一個(gè)格點(diǎn)位于母區(qū)域(62,55),細(xì)網(wǎng)格覆蓋四川全部及其周邊地區(qū),地形分辨率均為10′,垂直方向均為28層。模式模擬的起始時(shí)間為2013年7月17日00時(shí),積分步長(zhǎng)60 s,共積分36 h,每1 h輸出1次結(jié)果。各區(qū)域使用的模式參數(shù)化方案見表1。數(shù)值模擬區(qū)域及地形高度分布如圖6所示,文中均選取數(shù)值試驗(yàn)的粗網(wǎng)格區(qū)域D01模擬結(jié)果進(jìn)行分析討論。

4　模式結(jié)果診斷分析

圖2b和圖3b分別給出了WRF模式模擬的2013年7月17日12時(shí)—18日12時(shí)逐時(shí)降水以及24 h降水量的空間分布。由圖2b可見,雖然WRF模式模擬的逐時(shí)降水量在整個(gè)24 h內(nèi)都偏強(qiáng),但是WRF模式對(duì)于夜間降水模擬的效果要比白天降水模擬的效果好,WRF模式是否對(duì)四川盆地夜間發(fā)生的暴雨的模擬能力都好于白天,仍值得通過更多的降水個(gè)例加以驗(yàn)證。從WRF模擬的24 h累積降水來看(圖3b),數(shù)值模式能夠較好地模擬出四川范圍內(nèi)東北—西南帶狀分布的雨區(qū),但是模擬的降水強(qiáng)度普遍大于實(shí)況降水。WRF結(jié)果與實(shí)況的對(duì)比:位于資陽附近的實(shí)況降水中心,模式結(jié)果卻位于其以西2個(gè)經(jīng)距的雅安附近(103°E,29.5°N),模擬的降水中心超過200 mm,其降水強(qiáng)度較實(shí)況更強(qiáng),雨帶位置的模擬效果較好;但是對(duì)四川廣元雨帶的模擬降水量偏大,位置偏東偏北?？傮w而言,WRF模式對(duì)復(fù)雜的地形條件下的四川地區(qū)的強(qiáng)降水的模擬能力尚需進(jìn)一步提高。

表1各區(qū)域的模式參數(shù)化方案

Table 1Model parameterization schemes in each domain

長(zhǎng)波輻射短波輻射積云對(duì)流近地面層陸面過程邊界層微物理過程D01RRTMDudhiaKain?FritschMonin?ObukhovNoahYSUFerrierD02RRTMDudhiaKain?FritschMonin?ObukhovNoahYSULin

圖6　數(shù)值模擬區(qū)域及地形高度分布(陰影;單位:m)Fig.6　Illustration of the numerical simulation domains(shaded;units:m)

圖7　2013年7月17日12時(shí)—18日12時(shí)24 h 700 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線;單位:gpm)和平均水平風(fēng)場(chǎng)(箭矢;單位:m/s)　　a.實(shí)況;b.模擬Fig.7　The 24 h 700 hPa average geopotential height fields(isolines;units:gpm) and average horizontal wind field (vectors;units:m·s-1) at 1200 UTC 17—18 July 2013:(a)observed;(b)simulated

陶詩言(1980)指出,造成暴雨的直接天氣系統(tǒng)是中、小尺度天氣系統(tǒng)。圖7給出了2013年7月17日12時(shí)—18日12時(shí)實(shí)況和由WRF模擬的18日700 hPa天氣形勢(shì)。由圖7可見,模式基本能夠模擬出位于四川盆地的中尺度低渦,低渦的強(qiáng)度和18日12時(shí)的強(qiáng)度基本接近,位置和12時(shí)相比,略偏東偏南。另外,模式還能夠很好地模擬出福建省南部的熱帶氣旋結(jié)構(gòu)。研究表明(陳忠明等,2002;周國(guó)賓等,2006),沿海熱帶氣旋和四川盆地的中尺度低渦通過遠(yuǎn)距離作用,可為四川暴雨的形成提供有利的降水條件。因此,副熱帶高壓對(duì)該熱帶氣旋的阻擋,使得其為四川暴雨的形成提供較好的降水條件。

圖8　D01范圍內(nèi)700 hPa高度場(chǎng)(等值線;單位:gpm)和渦度場(chǎng)(陰影;單位:10-5 s-1)的疊加a.2013年7月17日12時(shí);b.7月17日18時(shí);c.7月18日00時(shí);d.7月18日06時(shí)Fig.8　The simulated 700 hPa height fields(isolines;units:gpm) and vorticity(shaded;units:10-5 s-1):(a)1200 UTC 17 July 2013;(b)1800 UTC 17 July 2013;(c)0000 UTC 18 July 2013;(d)0600 UTC 18 July 2013

為了進(jìn)一步分析位于四川上空的中尺度低渦的空間結(jié)構(gòu),圖8示出了2013年7月17日12時(shí)、18時(shí)和18日00時(shí)、12時(shí)模擬的700 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和渦度場(chǎng)疊加的空間分布,可見,在17日18時(shí),呈東北—西南走向的正的渦度中心主要位于四川北部地區(qū),這個(gè)與圖4由貝加爾湖延伸至四川北部的大槽的分布有關(guān)。到了7月17日18時(shí),東北—西南向分布的正的渦度發(fā)生“破碎”,其主要大值區(qū)和位于影響四川上空的中尺度低渦相對(duì)應(yīng),這說明正的渦度非常有利于該中尺度低渦的形成。到了7月18日00時(shí),渦度的空間分布又表現(xiàn)為東北—西南向分布,這和圖4c的高空槽的位置相對(duì)應(yīng),因此,在該時(shí)刻,四川上空主要表現(xiàn)為由貝加爾湖過四川至孟加拉灣的深槽。最后,到18日06時(shí),700 hPa上空的正的渦度分布也表現(xiàn)為東西向的帶狀分布。需要指出的是,在700 hPa高度場(chǎng)上,除了圖8a在四川北部有個(gè)較小的正的渦度中心但沒有對(duì)應(yīng)有中小尺度低值系統(tǒng)存在以外,圖8中其余圖中與四川東北部較大的正的渦度中心值相對(duì)應(yīng),都有一個(gè)中小尺度的低渦存在。伍榮生等(1983)指出,對(duì)于小尺度運(yùn)動(dòng)而言,一定有較大的氣壓變化來適應(yīng)流場(chǎng),這充分說明,較強(qiáng)的正的渦度中心值非常有利于該中小尺度低渦(壓)的形成。

強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)是形成暴雨的一個(gè)重要條件。圖9b給出了18日沿圖3b中CD線的垂直速度剖面,可見,雅安降水中心上空整層對(duì)應(yīng)上升運(yùn)動(dòng)大值區(qū),上升運(yùn)動(dòng)大值中心位于對(duì)流層高層300～250 hPa,其上升速度最大值達(dá)0.8 m/s以上,經(jīng)向剖面中的另一垂直速度大值中心則位于27°N的200 hPa附近。雅安地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)從對(duì)流層低層一直延伸至200 hPa層以上,低層上升速度達(dá)0.3 m/s 以上,中層上升速度約為0.5 m/s。由此可知,在此次強(qiáng)降水過程中,正是上述中尺度低渦的存在,使得雅安及附近地區(qū)上空大氣有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。

圖9　2013年7月17日12時(shí)—18日12時(shí)模擬的24 h平均v、w合成矢量場(chǎng)(a;垂直速度放大100倍;箭矢;單位:m/s)和24 h平均垂直速度(b;單位:m/s)沿圖3b中CD線的垂直剖面(黑色陰影表示地形)Fig.9　Vertical cross-section of the simulated 24 h average (a)wind vector fields(100 times of vertical velocity;vectors;units:m·s-1) and (b)vertical velocities (units:m·s-1),at 1200 UTC 17—18 July 2013,along line CD in Fig.3b(black shaded area represents the terrain)

圖10　2013年7月17日12時(shí)—18日12時(shí)模擬的24 h平均θse沿圖3b中AB線的垂直剖面(單位:K;黑色陰影表示地形)Fig.10　Vertical cross-section of the simulated 24 h average potential pseudo-equivalent temperature at 1200 UTC 17—18 July 2013 along line AB in Fig.3b(units:K;black shaded area represents the terrain)

假相當(dāng)位溫θse是溫度、壓力和濕度都包含在一起的一個(gè)綜合物理量(北京大學(xué)地球物理系氣象教研室,1976)。研究表明,傾斜不穩(wěn)定渦旋發(fā)展在暴雨發(fā)生、發(fā)展中起著重要作用(劉還珠和張紹晴,1996),圖10給出了18日沿圖3b中AB線的θse垂直結(jié)構(gòu),可見,356 K等熵面變得異常陡峭,表明垂直渦度迅速增大(劉還珠和張紹晴,1996),使得18日的暴雨得以發(fā)生。劉還珠和張紹晴(1996)在研究1993年6月26日造成雅安、成都一帶大暴雨的過程時(shí),也得到類似的結(jié)果。由2013年7月18日700 hPaθse的水平分布(圖5)可見,四川盆地地區(qū)東部存在一個(gè)θse大值中心,在大值中心的東部,有一近似南北走向的等θse密集帶,這個(gè)等值線密集帶正是冷暖空氣團(tuán)所交界的鋒區(qū)所在(劉還珠和張紹晴,1996)。因此,位于四川上空的中尺度低渦,具有明顯的斜壓特征,異常陡峭的θse分布,使得傾斜不穩(wěn)定渦旋發(fā)展(劉還珠和張紹晴,1996),并導(dǎo)致強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)的維持。

5　討論和結(jié)論

利用地面觀測(cè)資料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料,分析了2013年7月17—18日四川暴雨,通過WRF模式模擬了7.18暴雨,并對(duì)高時(shí)空分辨率的模擬結(jié)果進(jìn)行了診斷分析,得到如下結(jié)論:

1)7.18暴雨強(qiáng)降水時(shí)段主要受西南低渦影響,發(fā)生在北京時(shí)間18日凌晨01—02時(shí),具有明顯的夜雨特征,隨著西南低渦的消失,降水強(qiáng)度也逐漸減弱。

2)由于受穩(wěn)定少變的經(jīng)向型分布的副熱帶高壓阻擋,四川上空的中尺度低渦以及低槽不能夠快速地東移,使得中尺度低渦和低槽能夠長(zhǎng)時(shí)間停留在四川盆地上空,最終導(dǎo)致了四川7.18暴雨的發(fā)生。

3)WRF模式對(duì)兩個(gè)雨帶的降水量值模擬的都偏強(qiáng),其中對(duì)位于資陽附近的雨帶位置模擬的較好,但是對(duì)廣元附近的雨帶位置模擬的偏東偏北。從對(duì)降水時(shí)間分布的模擬效果來看,對(duì)夜雨的模擬效果較好,對(duì)18日白天的降水模擬的過強(qiáng)。

4)影響7.18暴雨的中尺度低渦具有類似鋒區(qū)的斜壓特征,異常陡峭θse的分布,使得傾斜不穩(wěn)定渦旋發(fā)展,并導(dǎo)致強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng),而該上升氣流主要由來自于南方的暖濕空氣和北方的冷干空氣輻合所導(dǎo)致。

5)強(qiáng)的正渦度中心大值區(qū)有利于中小尺度低渦的形成,而中小尺度低渦的存在,為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了很好的動(dòng)力條件。

最后需要指出的是,本文僅對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了初步分析,為什么同樣的參數(shù)化方案模式對(duì)四川盆地夜雨模擬的較好,而對(duì)白天降水模擬的效果不好的原因,值得我們進(jìn)一步分析和研究。

References)

Anthes R A,Haagenson P L,1984.A comparative numerical simulation of the Sichuan flooding catastrophe(11—15 July,1981)[J].Proceedings,First Sino-American Workshop on Mountain Meteorology:519-524.

北京大學(xué)地球物理系氣象教研室,1976.天氣分析和預(yù)報(bào)[M].北京:科學(xué)出版社.Department of Geophysics,Peking University Department of Meteorology,1976.Weather analysis and forecasting[M].Bejing:Science Press.(in Chinese).

Chen S J,Dell’Osso L,1984.Numerical prediction of heavy rainfall vortex over Eastern Asia monsoon region[J].J Meteor Soc Japan,62:730-747.

陳永仁,李躍清,2013.“12.7.22”四川暴雨的MCS特征及對(duì)短時(shí)強(qiáng)降雨的影響[J].氣象,39(7):848-860.Chen Y R,Li Y Q,2013.Charaeteristies of mesoseale conveetive system and its effects on short-time severe rainfall in Sichuan basin during 21—22 July 2012[J].Meteor Mag,39(7):848-860.(in Chinese).

陳忠明,黃福均,何光碧,2002.熱帶氣旋與西南低渦相互作用的個(gè)例研究[J].大氣科學(xué),26(3):353-360.Chen Z M,Huang F J,He G B,2002.A case study of interactions between the tropical cyclone and the southwest vortex[J].Chin J Atmos Sci,26(3):353-360.(in Chinese).

程麟生,郭英華,1988.“81.7”四川暴雨期西南渦生成和發(fā)展的渦源診斷[J].大氣科學(xué),12(1):18-26.Cheng L S,Guo Y H,1988.Southwest vortex source of formation and development of vorticity diagnostics during torrential rainfall in Sichuan in July 1981[J].Chin J Atmos Sci,12(1):18-26.(in Chinese).

高篤鳴,李躍清,蔣興文,等,2016.WRF模式多種邊界層參數(shù)化方案對(duì)四川盆地不同量級(jí)降水影響的數(shù)值試驗(yàn)[J].大氣科學(xué),40(2):371-389.Gao D M,Li Y Q,Jiang X W,et al.,2016.Influence of planetary boundary layer parameterization schemes on prediction of rainfall with different magnitude in the Sichuan basin by WRF model[J].Chin J Atmos Sci,.40(2):371-389.(in Chinese).

葛晶晶,鐘瑋,杜楠,等,2008.地形影響下四川暴雨的數(shù)值模擬分析[J].氣象科學(xué),28(2):176-183.Ge J J,Zhong W,Du N,et al.,2008.Numerical simulation and analysis of Sichuan rainstorm under terrain influence[J].Scientia Meteor Sinica,28(2):176-183.(in Chinese).

何光碧,曹杰,2008.不同對(duì)流參數(shù)化方案和初值場(chǎng)組合對(duì)四川兩次暴雨影響的數(shù)值模擬[J].高原氣象,27(4):787-795.He G B,Cao J,2008.Numerical simulation for impact of combination of different cumulus parameterization schemes and initial fields on twice heave rain in Sichuan province[J].Plateau Meteor,27(4):787-795.(in Chinese).

Hovermale J B,1984.Numerical experiments with the Sichuan flooding catastrophe(11—15 July,1981)[C]//First sino-American workshop on mountain meteorology.Beijing:243-264.

胡迪,李躍清,2015.青藏高原東側(cè)四川地區(qū)夜雨時(shí)空變化特征[J].大氣科學(xué),39(1):161-179.Hu D,Li Y Q,2015.Spatial and temporal variations of nocturnal precipitation in Sichuan over the eastern side of the Tibetan Plateau[J].Chin J Atmos Sci,39(1):161-179.(in Chinese).

矯梅燕,李川,李延香,2005.一次川東大暴雨過程的中尺度分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),16(5):699-704.Jiao M Y,Li C,Li Y X,2005.Mesoscale analyses of a Sichuan heavy rainfall[J].J Appl Meteor Sci,16(5):699-704.(in Chinese).

Kuo Y H,Cheng L,1985.The effects of the Tibetan plateau on the evolution and development of a mesoscale vortex over Southwestern China[R].Res.Rept.MRS/APP,NCAR.

Kuo Y H,Cheng L,1986.Numerical simulation of the Sichuan flood catastrophe:11—15 July 1981[R].Res Rept.MRS/AAP,NCAR.

Kuo Y H,Cheng L,Anthes R A,1986.Mesoscale analyses of the Sichuan flood catastrophe,11—15 July 1981[J].Mon Wea Rev,114:1984-2003.

劉還珠,張紹晴,1996.濕位渦與鋒面強(qiáng)降水天氣的三維結(jié)構(gòu)[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),7(3):275-283.Liu H Z,Zhang S Q,1996.Moist potential vorticity and the three dimensional structure of a cold front with heavy rainfall[J].J Appl Meteor Sci,7(3):275-283.(in Chinese).

沈桐立,曾瑾瑜,朱偉軍,等,2010.2006年6月6—7日福建特大暴雨數(shù)值模擬和診斷分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),33(1):14-24.Shen T L,Zeng J Y,Zhu W J,et al.,2010.Numerical simulation and diagnostic analysis of a heavy rainfall in Fujian during 6—7 June 2006[J].Trans Atmos Sci,33(1):14-24.(in Chinese).

陶詩言,1980.中國(guó)之暴雨[M].北京:科學(xué)出版社:35.Tao S Y,1980.Heavy rainfall in China[M].Beijing:Science Press:35.(in Chinese).

Wang B,Oranski I,1987.Study of a heavy rain vortex formed over the eastern flank of the Tibetan Plateau[J].Mon Wea Rev,115:1370-1393.

王成鑫,高守亭,梁莉,等,2013.動(dòng)力因子對(duì)地形影響下的四川暴雨落區(qū)的診斷分析[J].大氣科學(xué),37(5):1099-1110.Wang C X,Gao S T,Liang L,et al.,2013.Diagnostic analysis of dynamical parameters for Sichuan rainstorm influenced by terrain[J].Chin J Atmos Sci,37(5):1099-1110.(in Chinese).

王文,程攀,2013.“7.27”陜北暴雨數(shù)值模擬與診斷分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),36(2):174-183.Wang W,Cheng P,2013.Numerical simulation and diagnostic analysis of heavy rainstorm on 27 July 2012 in north Shaanxi[J].Trans Atmos Sci,36(2):174-183.(in Chinese).

魏建蘇,陳鵬,孫燕,等,2011.WRF模式對(duì)江蘇一次強(qiáng)降水過程的模擬分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),34(2):232-238.Wei J S,Chen P,Sun Y,et al.,2011.A case study of a heavy rainfall in Jiangsu with WRF model[J].Trans Atmos Sci,34(2):232-238.(in Chinese).

伍榮生,黨人慶,余志豪,等,1983.動(dòng)力氣象學(xué)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.Wu R S,Dang R Q,Yu Z H,et al.,1983.Dynamic meteorology[M].Shanghai:Shanghai Science and Technology Press.(in Chinese).

章國(guó)材,2004.美國(guó)WRF模式的進(jìn)展和應(yīng)用前景[J].氣象,30(12):27-31.Zhang G C,2004.Progress of weather research and forecast(WRF) model and application in the United States[J].Meteor Mag,30(12):27-31.(in Chinese).

周國(guó)賓,沈桐立,韓余,2006.重慶“9.4”特大暴雨天氣過程數(shù)值模擬分析[J].氣象科學(xué),26(5):572-577.Zhou G B,Shen T L,Han Y,2006.Numerical simulation analysis of a heavy rainfall in Chongqing area on 4 september 2004[J].Scientia Meteor Sinica,26(5):572-577.(in Chinese).

Zhou X P,Hu X F,1984.A brief analysis and numerical simulation of the Sichuan extraordinarily heavy rainfall event[C]//First sino-American workshop on mountain meteorology.Beijing:555-564.(in Chinese).

In China,the Southwest Vortex(a special type of mesoscale convective system) is second only to that caused by tropical cyclones when it comes to the severity of heavy precipitation.During 11—12 July 2013,heavy rainfall(referred to as the “7.18 rainfall” hereafter) occurred over Sichuan Province in China,resulting in catastrophic flooding.Based on rain gauge data—including conventional meteorological observations and those of automatic weather stations—provided by the Meteorological Information Center of the China Meteorological Administration,and NCEP FNL(Final) Operational Global Analysis data with a horizontal resolution of 1°×1° and prepared operationally every six hours,synoptic diagnostic methods and mesoscale numerical modeling were used to study the 7.18 heavy rainfall with the Weather Research and Forecasting(WRF) model.Numerical experiments were performed to (1)test the capability of WRF in simulating nighttime precipitation over complex terrain,such as that of Sichuan Province;(2)examine the characteristics of the Southwest Vortex;and (3)elucidate the cause of the 7.18 heavy rainfall with respect to the large-scale precipitation conditions.The main results can be summarized as follows:

(1)The 7.18 heavy rainfall was influenced by a typical mesoscale vortex,and the period of the largest amount of precipitation was 0100—0200 Beijing standard time(BST) 18 July 2013.Accompanying the development and disappearance of the mesoscale vortex at 500 hPa,the intensity of precipitation gradually changed from strong to weak and,finally,stable,meaning the 7.18 heavy rainfall possessed obvious characteristics of nighttime rainfall.

(2)The main weather systems of influence were a westerly trough at 500 hPa(nearby at 0000 UTC) and a mesoscale vortex at 700 hPa over Sichuan Province.Meanwhile,meridionally,the western Pacific subtropical high(WPSH) extended towards the west and formed a typical “western trough—eastern high” pattern;and under the obstruction of the stable WPSH,the westerly trough at 500 hPa developed a low pressure vortex,before weakening gradually and ultimately disappearing.Sichuan Province suffered long-duration precipitation during 11—12 July 2013 because there was a westerly trough at 500 hPa and a mesoscale vortex at 700 hPa stagnated over Sichuan Province for a long period under the blocking of the WPSH.The typical “western trough-eastern high” pattern allowed warm and wet flow to arrive from the ocean to the south,and dry and cold flow from the north,which converged over Sichuan Province.In addition,Sichuan Province was influenced by strong atmospheric upward motion,and these conditions led to the occurrence of the 7.18 heavy rainfall.

(3)The low vortex at 700 hPa had a baroclinic feature similar to that of a frontal zone,and was under the influence of unusually steep potential pseudo-equivalent temperature(θse),meaning slantwise and unstable vorticity could develop gradually.As the stronger and higher value positive vorticity center would have been beneficial to the formation of small and mesoscale vortexes,the formation and development of such vortexes could have provided favorable dynamic conditions for the heavy rainfall.

(4)The simulation results from the WRF model showed that WRF was able to simulate the location of the rain belt near Ziyang well,but the location of the rain belt near Guangyuan was shifted to the north and east.Moreover,the intensity of the simulated precipitation was greater than observed.Regarding the temporal evolution of precipitation occurrence,the simulation results of WRF were better for nighttime than daytime,indicating that WRF needs to be further improved for simulating daytime precipitation over complex terrain like that of Sichuan Province.

Sichuan Province;heavy rainfall;numerical simulation;WRF model

(責(zé)任編輯：張福穎)

Analysis of heavy rainfall over Sichuan during 17—18 July 2013

LIAO Wenchao1,LIU Haiwen1,2,ZHU Yuxiang3,LIANG Ning4

1CollegeofAtmosphericSciences,ChengduUniversityofInformationTechnology,Chengdu610225,China;2ChongqingInstituteofMeteorologicalSciences,Chongqing401147,China;3ChinaMeteorologicalAdministrationTrainingCentre,Beijing100081China;4HainanPrefectureinQinghaiProvinceMeteorologicalBureau,Gonghe813000,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150408002

引用格式：廖文超,劉海文,朱玉祥,等,2016.2013年7.18四川暴雨分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(5):702-711.

Liao W C,Liu H W,Zhu Y X,et al.,2016.Analysis of heavy rainfall over Sichuan during 17—18 July 2013[J].Trans Atmos Sci,39(5):702-711.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150408002.(in Chinese).

*聯(lián)系人，E-mail:lhw499@126.com