基于WRF模式對貴州一次山地暴雨數(shù)值模擬研究

黃天福，高 鵬，吳安坤，劉 鵬,陳昌文

(1.貴州省六盤水市氣象局，貴州 六盤水 553000；2.貴州省氣象災(zāi)害防御中心,貴州 貴陽 550081)

1 引言

貴州位于烏蒙山脈南端，云貴高原北部，全省92.5%為山地、丘陵，地形較為復(fù)雜。屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，夏季暴雨時有發(fā)生，短時強(qiáng)暴雨和持續(xù)性暴雨以及誘發(fā)的次生災(zāi)害對貴州影響巨大。大量氣象學(xué)者對貴州暴雨發(fā)生、發(fā)展以及預(yù)報做了相應(yīng)科學(xué)的研究[1]，在暴雨數(shù)值模擬預(yù)報研究上，張潤瓊等[2]利用MM5對貴州一次暴雨天氣進(jìn)行數(shù)值模擬得出：暴雨中心位于最大垂直速度中心附近，南北兩支閉合徑向垂直環(huán)流對暴雨區(qū)低空入流和高空流出具有非常重要的作用。吳哲紅等[3],伍紅雨等[4]也是采用MM5 V3.6模式對貴州暴雨進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并得到了各自的理論。后期喬林等[5]采用WRF模式對黔西南一次中尺度暴雨的數(shù)值模擬診斷研究指出，對流層低層的中尺度輻合線造成了初始的上升運動,β中尺度對流系統(tǒng)首先在地面鋒線前不穩(wěn)定的暖區(qū)中生長,輻合線南側(cè)的偏南氣流對水汽和熱量的輸送是對流能夠持續(xù)生長的最重要因素。何玉龍等[6]也采用WRF數(shù)值模擬對貴州暴雨展開模擬及診斷分析指出，低渦的時空演變與暴雨中心移動和暴雨強(qiáng)度相一致。結(jié)合WRF模式與MM5模式對貴州暴雨模擬情況對比分析上看，WRF模式能更好模擬出不同降水性質(zhì)的降水天氣過程，但是目前貴州山地暴雨的暴雨量級和暴雨落區(qū)預(yù)報并不是很好,特別是在暴雨落區(qū)預(yù)報上，很多預(yù)報員在暴雨落區(qū)上預(yù)報不準(zhǔn)確，只知道有這么一次天氣過程，在落區(qū)預(yù)報上采取大面積撒網(wǎng)的方式，針對這一問題。本文將采用WRFV3.6.1模式對發(fā)生在貴州山區(qū)2012年5月21日傍晚到夜間一次大暴雨進(jìn)行模擬和診斷分析，從中找出一些有利于貴州山地暴雨落區(qū)預(yù)報的技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)而提高貴州暴雨預(yù)報質(zhì)量。

2 降水實況

2012年5月21日20時—22日20時貴州省境內(nèi)出現(xiàn)區(qū)域性大暴雨天氣過程。降雨天氣涵蓋全省(圖1)，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在貴州省的西南部暴雨區(qū)。全省共計85個縣站、1 690個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)降雨天氣，大暴雨發(fā)生主要區(qū)域在貴州西南部的六盤水、安順、黔西南州大部、畢節(jié)東南部、黔南西北部和貴陽西部等地區(qū)，北部邊緣和省中部以東降水量級較小，省東部和東南部個別站點出現(xiàn)暴雨。根據(jù)統(tǒng)計：全省有2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)特大暴雨，六盤水的板橋鎮(zhèn)和畢節(jié)市的桂果鎮(zhèn)，以板橋鎮(zhèn)的208.9 mm為最大降雨。有3縣測站達(dá)到大暴雨量級，六盤水的六枝站135.8 mm、黔西南的晴隆站128.3 mm和貴陽的平壩站 101.7 mm,69個鄉(xiāng)鎮(zhèn)達(dá)到大暴雨。

由于此次強(qiáng)降水天氣過程降水時間短(集中在21日22時—22日04時)(圖2)，降雨強(qiáng)度大(最大小時雨量在79.8 mm)，降水范圍廣(覆蓋全省)等特點。根據(jù)不完全統(tǒng)計，此次暴雨造成西南部大部分公路與農(nóng)田被沖毀，農(nóng)作物受災(zāi)面積大，房屋損壞多并且嚴(yán)重。由于強(qiáng)降水誘發(fā)的更多的次生災(zāi)害，畢節(jié)市黔西縣城關(guān)鎮(zhèn)因為強(qiáng)降水漬澇導(dǎo)致一土墻青瓦房倒塌，造成3人死亡5人受傷的傷亡事故[7]。

圖1 2012年5月21日20時—22日20時實況降水Fig.1 The actual precipitation from 20 o 'clock May 21 to 20 o 'clock, May 22, 2012

圖2 大于150 mm 8站平均降水量時間序列Fig.2 Average precipitation time series for 8 stations greater than 150 mm

3 大氣環(huán)流及中尺度系統(tǒng)分析

通過對5月21日08時—22日08時高、中、低層和地面演變對此次大暴雨天氣的發(fā)生發(fā)展進(jìn)行天氣學(xué)分析。21日08時高空500 hPa(圖3a)，歐亞中高緯度為“兩槽一脊”環(huán)流形勢，兩長波槽分別位于我國巴爾喀什湖以南和東亞沿海地區(qū)，高壓脊位于我國的東北一帶，低緯呈平直西風(fēng)帶形勢。低渦中心位于貝湖東南側(cè)，低槽延伸到我國境內(nèi)，槽后有強(qiáng)的西北氣流引導(dǎo)冷空氣南下，高原上為平直的西風(fēng)氣流，四川東部—貴州西北部有一高空槽，貴州位于槽前西南氣流影響。21日20時(圖3b)高原高空槽加強(qiáng)發(fā)展東移南壓到川東—貴州省西北部，此時貴州受位于槽前西南氣流影響。22日02時(圖3c)槽繼續(xù)東移南壓，位于廣西西北部，貴州西北部受槽后偏西氣流影響，貴州東南部仍然受槽前偏西南氣流控制。

圖3 500hPa高空環(huán)流形勢演變圖(a.21日08時 b.21日20時 c.22日02時)Fig.3 500 hPa High Altitude Circulation Situation Evolution Map(a. 8 o'clock,May 21; b.20 o'clock,May 21; c.2 o'clock,May 22)

分析700 hPa環(huán)流形勢演變，21日20時(圖4a)貴州全省為強(qiáng)勁的西南氣流，四川東部有一低渦，低渦切變沿川東南—貴州西北角延伸至滇東北角，未來南壓影響貴州全境。22日02時(圖4b)影響貴州的西南氣流加強(qiáng)為低空西南急流，低渦繼續(xù)位于四川省的東部，低渦切變南壓到四川東南部—貴州中西部，此時低渦切變完全控制影響貴州全境。850 hPa上(圖略)，21日20時貴州為偏南氣流，位于貴州省西北角有一低渦，且該低渦位于500 hPa高空槽的前端,槽前的正渦度平流有利于該低渦的發(fā)展，未來影響貴州全境。

圖4 21日700 hPa高空環(huán)流形勢演變圖(a.08時，b.20時)Fig.4 700 hPa High Altitude Circulation Situation Evolution Map(a. 8 o'clock,May 21; b.20 o'clock,May 21)

4 WRF模式介紹與對比分析

4.1 WRF模式介紹

本文采用中尺度天氣模式WRFV3.6.1模擬此次暴雨天氣過程，采用墨卡托地圖投影的三重嵌套網(wǎng)格[8](圖1),從地面到模式層頂分為43個eta層。詳細(xì)模式設(shè)計方案閱表1。

圖5 WRF模擬的嵌套區(qū)域Fig.5 Interwoven area of WRF Simulation

圖5中的d03區(qū)域是覆蓋了本文所研究的區(qū)域，此次模擬客觀分析的第一猜測場使用的是NCEP提供的一日4次空間分辨率為1°×1°的NCEPNCAR 全球再分析FNL資料，同時使用RGT的實時變化的海溫數(shù)據(jù)進(jìn)行海溫數(shù)據(jù)的訂正和反饋。3個區(qū)域模式開始積分的時間都為2012年5月20日20時，積分到2012年5月22日20時，共積分48 h。

表1 使用的模擬方案Tab.1 Simulation plan adopted

4.2 降水對比

此次強(qiáng)降雨天氣過程主要發(fā)生在21日夜間—22日凌晨，模擬降水結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，經(jīng)過數(shù)值模擬的24 h累積降水量級比較一致，都達(dá)到大暴雨量級，省西南地區(qū)的暴雨落區(qū)和大暴雨落區(qū)也能模擬出來，但是模擬較實況相比，落區(qū)略偏大。此外，省中北部暴雨落區(qū)較實況偏大?？傮w認(rèn)為模擬結(jié)果能夠較好的模擬出降水分布情況。

圖6 2012年5月21日08時—22日08時24 h降水量 (a.實況累計 b.d02區(qū)域模擬累計)Fig.6 The precipitation from 8 o 'clock, May 21 to 8 o 'clock, May 22, 2012(a.the actual accumulative precipitation； b.the accumulative precipitation of WRF Simulation in d02 area)

5 動力作用分析

為了討論此次強(qiáng)降水過程的動力條件演變特征，以下將對數(shù)值模擬暴雨最大降水時段(即5月22日02時)發(fā)生之前和發(fā)生之時的渦度場、散度場和垂直速度場進(jìn)行分析。

5.1 渦度分析

從圖7中可以看出，在強(qiáng)降水發(fā)生最強(qiáng)時(5月22日02時)，850 hPa上貴州省西南部存在零散的渦度中心，但渦度值偏小，在強(qiáng)降水發(fā)生時(5月22日08時)，850 hPa上該區(qū)域的渦度值增大且渦度高值中心向東移的，這與降雨中心移動是一致的。

5.2 散度分析

分析5月22日02時、08時200 hPa散度場，可以從圖8中看出，同渦度存在相同的形勢，在強(qiáng)降水過程發(fā)生之前，貴州省西南部地區(qū)200 hPa存在零散的散度中心，散度值都比較大。

圖7 5月22日相對渦度(a.02時 c.08時)和相對渦度垂直剖面(b.02時 d.08時)，等值線為正渦度區(qū)Fig.7 The contour represents positive vorticity region on 2 o 'clock, May 22 and and 8 o 'clock, May 22(a,c: the relative vorticity; b,d: the vertical cross section)

圖8 5月22日200 hPa散度(a.02時 c.08時)與沿25.5°N散度垂直剖面(b.02時 d.08時)，等值線為正散度區(qū)Fig.8 The contour represents positive divergence region on 2 o 'clock, May 22 and 8 o 'clock, May 22 (a,c: the divergence at 200hPa; b, d: the vertical section of divergence along 25.5N)

沿25.5°N作經(jīng)向剖面之后發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降水中心從地面到300 hPa左右散度為負(fù)值，即這段垂直區(qū)域為輻合區(qū)，而300 hPa以上正散度發(fā)生發(fā)展得比較旺盛，正散度柱一直延伸到150 hPa，在150 hPa上形成一個正散度中心，這說明強(qiáng)降水中心高層為強(qiáng)輻散區(qū)，進(jìn)而形成低層輻合、高層輻散的形勢，這種形勢十分有利于垂直運動的發(fā)展，促進(jìn)強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展[8]。隨著時間的變化，散度中心沿自西北—東南向移動，在剖面上低層輻合、高層輻散的配置也略微減弱，而且對比兩個時刻的散度剖面圖可以發(fā)現(xiàn)，在高層存在的輻散區(qū)隨時間有向低層移動的趨勢。

6 熱力作用分析

6.1 假相當(dāng)位溫和濕度演變特征

分析假相當(dāng)位溫可以判定大氣層的穩(wěn)定性，(圖9)給出了5月22日02時、08時假相當(dāng)位溫和相對濕度的高度—經(jīng)向圖，圖9a中可以看出在強(qiáng)降水中心上方存在著假相當(dāng)位溫密集區(qū)，在密集區(qū)中相對濕度伸展高度至250 hPa左右，在降水中心上方，假相當(dāng)位溫形成一個向下凹的舌區(qū)，舌區(qū)幾乎伸展到了200 hPa，表明此時此地的上升對流運動最為劇烈，而中高層中，假相當(dāng)位溫幾乎不變，接近中性層結(jié)。圖9b中，強(qiáng)降雨中心上空都存在著深厚的濕層，但西部的濕區(qū)漸漸減弱，并向東移動。假相當(dāng)位溫舌區(qū)也向東移動，不穩(wěn)定層結(jié)也有所減弱。濕區(qū)和假相當(dāng)位溫舌區(qū)的移動與降水中心的移動有著很好的對應(yīng)關(guān)系?？梢?，大暴雨的發(fā)生易在不穩(wěn)定條件和強(qiáng)上升運動區(qū)域中。

6.2 CAPE和比濕分析

大氣中的不穩(wěn)定能量的集聚和釋放可以由對流有效位能很好的反映出來，對流有效位能的值越大，強(qiáng)對流發(fā)生的可能性就越大[9]。根據(jù)模擬所得資料作出22日02時、08時對流有效位能的水平分布情況(圖10)，圖10 a可以看出CAPE幾乎覆蓋了整個貴州省，貴州省的中西部地區(qū)全部超過1 000 J/kg，黔西南地區(qū)有部分地區(qū)超過了1 400 J/kg，這說明貴州中西部地區(qū)層結(jié)不穩(wěn)定，特別是黔西南州，處于強(qiáng)對流天氣極易發(fā)生的地區(qū)，與大暴雨落區(qū)是相一致的。

圖9 22日假相當(dāng)位溫(虛線)和相對濕度(陰影區(qū))垂直剖面(a.02時 b.08時)Fig.9 The vertical section of pseudo-equivalent potential temperature (the dotted line) and relative humidity (the shaded area) (a. 2 o 'clock, May 22; b. 8 o 'clock, May 22)

圖10b中，CAPE值明顯向東移動，已經(jīng)移動到黔西南東南部和黔南大部，與大暴雨落區(qū)東移也是一致的。

從強(qiáng)降水發(fā)生前和發(fā)生時700 hPa比濕的水平分布圖中可以看出，兩個時刻貴州中西部的比濕都是一個高比濕區(qū)，暴雨最強(qiáng)時，比濕中心主要位于黔西南州，最高達(dá)到16 g/kg，整個貴州省的中西部地區(qū)都處在貴州暴雨比濕條件(700 hPa上比濕大于8 g/kg)中，在22日08時，比濕中心東移，同樣滿足貴州暴雨比濕條件。

由此可見，“5.22”大暴雨過程中，低層深厚的濕層為大暴雨發(fā)生提供了充足的水汽條件、充足的對流有效位能和比濕提供了能量條件、不穩(wěn)定層結(jié)和強(qiáng)烈的上升運動也給此次大暴雨提供了有利配置，使得中尺度對流系統(tǒng)得到很好地發(fā)展，進(jìn)而引發(fā)強(qiáng)降水。

7 垂直螺旋度分析

圖10 22日對流有效位能CAPE水平分布(a.02時 b.00時)Fig.10 The horizontal distribution of CAPE. (a. 2 o 'clock, May 22; b. 8 o 'clock, May 22)

許多研究發(fā)現(xiàn)，垂直螺旋度較渦度和垂直速度變化更為敏感，且其分布與雨區(qū)配合較好[10]，垂直螺旋度與暴雨落區(qū)有著一定的對應(yīng)關(guān)系，任軼等[11]使用700 hPa上垂直螺旋度來與暴雨落區(qū)做驗證對比，發(fā)現(xiàn)暴雨落區(qū)與700 hPa上的垂直螺旋度有很好地對應(yīng)關(guān)系，垂直螺旋度在大雨以上強(qiáng)對流天氣分析、預(yù)報中有很好的指示作用。

圖11 22日700 hPa垂直螺旋度(a.02時 b.08時)沿垂直螺旋度的垂直剖面(c.02時 d.08時)Fig.11 The vertical helicity at 700 hPa (a. 2 o 'clock, May 22; b. 8 o 'clock, May 22) and the vertical section of the vertical helicity at 700 hPA (c. 2 o 'clock, May 22; d. 8 o 'clock, May 22)

圖11a、11b是兩個不同時刻(2016年5月21日02時和22日08時)的700 hPa的水平分布，可以發(fā)現(xiàn)在第一個時刻在貴州中西部存在著分散的垂直螺旋度高值區(qū)，對比降雨分布圖(略)，可以發(fā)現(xiàn)這些高值區(qū)較好的對應(yīng)著降水落區(qū)，但是降水落區(qū)比垂直螺旋度略偏大和成片。22日08時圖11 b中的垂直螺旋度的高值區(qū)也可以和對應(yīng)時刻的降水落區(qū)有一定的對應(yīng)關(guān)系。這與強(qiáng)降水發(fā)生的地方是一致的。對應(yīng)的高度—經(jīng)度剖面圖11c、11d中可以看出在強(qiáng)降雨中心上方，垂直螺旋度伸展到了150 hPa，強(qiáng)度大，在500～200 hPa形成高值區(qū)。在下一個時刻，垂直螺旋度高層的高值中心減弱，并逐漸向中低層移動，在水平方向上向東移動，形成了相間的高值中心。

綜上所述，700 hPa上的垂直螺旋度與降水落區(qū)有著較好的對應(yīng)關(guān)系，在實際業(yè)務(wù)中可以用來確定降雨落區(qū)，為提升預(yù)報業(yè)務(wù)水平提供依據(jù)。

8 小結(jié)

數(shù)值模擬分析可以在一定程度上填補(bǔ)高原上常規(guī)觀測資料缺乏、分辨率不高的空缺。本文利用中尺度數(shù)值模式WRF對2016年5月22日的一次強(qiáng)降水天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，將數(shù)值模擬結(jié)果和觀測實況進(jìn)行對比，同時使用WRF模擬結(jié)果分析此次降水過程中動力和熱力，以及垂直螺旋度等方面的演變特征，有以下結(jié)論：

①WRF能夠較好地模擬出此次大暴雨過程的大尺度環(huán)境、降水分布，對此次大暴雨天氣過程的演變有一個很好的重現(xiàn)，只是在貴州中北部的累計降水略偏大，可認(rèn)為其9 km和3 km高分辨率資料可以用來對此次暴雨過程系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分析研究。

②此次降雨過程存在著明顯的低層輻合、高層輻散的形勢配置，這有利于垂直運動的發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生劇烈的強(qiáng)對流天氣。垂直速度也體現(xiàn)出在降雨中心存在著強(qiáng)對流發(fā)展，伸展高度高，垂直區(qū)域廣。

③“5.22”大暴雨過程中，低層深厚的濕層為暴雨發(fā)生提供了充足的水汽條件、充足的對流有效位能和比濕提供了能量條件、不穩(wěn)定層結(jié)和強(qiáng)烈的上升運動也給此次大暴雨提供了有利配置，使得中尺度對流系統(tǒng)得到很好地發(fā)展，進(jìn)而引發(fā)強(qiáng)降水。

④700 hPa上的垂直螺旋度與降水落區(qū)有著較好的對應(yīng)關(guān)系，在實際業(yè)務(wù)中可以用來確定降雨落區(qū)，為確定落區(qū)提供科學(xué)依據(jù)。