一次降水過程的數(shù)值模擬與診斷分析

辛 悅

(內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象科學研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

1 研究背景

復雜地形條件下暴雨的形成是氣象條件和復雜地形相互作用的結(jié)果。暴雨和對流天氣出現(xiàn)的時間、地點、強度除與天氣因子有關(guān)外,受到地形的影響也很顯著。研究表明，山脈對天氣有顯著影響[1-3]。在迎風坡，由于地形的動力抬升及屏障作用，使得氣流被迫爬升，大氣的水汽在抬升過程中凝結(jié)產(chǎn)生降水；另一方面，在地形的背風坡由于抬升氣流在回復力的作用下在垂直方向產(chǎn)生振蕩，形成背風波，它對降水有明顯的影響[4]；肖慶農(nóng)等[5]研究表明，地形對上游氣流的阻擋受山頂高度、大氣層結(jié)以及地形非對稱性等因子有明顯的影響，并分析指出了背風側(cè)形成背風波及強下坡風的有利條件。李江林[6]等利用中尺度數(shù)值模式RAMS，采用三重嵌套的方法，模擬研究了某山谷地區(qū)局地環(huán)流特征。

在局地性暴雨的研究工作中，尤其是發(fā)生在復雜山地地形中的中尺度暴雨過程的觀測分析和數(shù)值模擬工作都相對較少，高分辨率數(shù)值模式為中尺度暴雨發(fā)展機理提供了有力的技術(shù)手段。筆者選擇一次山地地區(qū)典型的暴雨過程作為研究對象，利用WRF模式進行數(shù)值模擬實驗，從風場變化、能量場變化等方面對該次降水過程進行診斷分析。

2 研究過程

2.1 天氣分析

2.1.1 環(huán)流背景。500 hPa整體受西風氣流控制，并不斷有小波擾動，西太平洋副熱帶高壓呈現(xiàn)塊狀分布。700 hPa在西南地區(qū)存在低渦，受低渦氣旋帶來的東南氣流影響，水汽條件較為充沛。在高空槽和中層低渦北部東南氣流的共同影響下，造成了該次降水過程。

2.1.2 衛(wèi)星云圖分析。風云2號衛(wèi)星云圖產(chǎn)品顯示，14時30分時，該地區(qū)位于云系的前沿地區(qū)，還未受到對流云團影響。15時30分，對流云團的邊緣已經(jīng)移入該地區(qū)，帶來微量降水，且南部不斷有新云系生成。之后云系不斷發(fā)展東移，于17時30分完全移入，此時該地區(qū)完全被對流云團所覆蓋，對流過程達到極盛階段，此時降水過程最為劇烈。參考17時的地面填圖資料，地面風向轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂巷L。18時—20時，通過觀察衛(wèi)星云圖，發(fā)現(xiàn)云系不斷向東移動，逐步退出該區(qū)境內(nèi)。地面風向逐步變?yōu)闁|南風，切變線過境，降水過程也逐漸趨于結(jié)束。

2.1.3 雨情分析。在當日該地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性強降水天氣過程，這次強降雨具有強度大、時間集中和局地性強的特點。08時—14時，該地區(qū)外圍大部分地區(qū)均已晴空為主，部分地區(qū)有微量降水。14時—20時，該地區(qū)出現(xiàn)了強降水過程，6 h累計降水量達到了45 mm。

2.2 數(shù)值試驗設(shè)計

本文采用的模式為中尺度數(shù)值預報模式(Weather Research Forecast Model，WRF)。WRF是由美國NCAR等聯(lián)合開發(fā)的高分辨中尺度模式，與以前的中尺度模式相比，模式精度高，重點解決水平分辨率為1 km～10 km、時效在60 h以內(nèi)的有限區(qū)域天氣預報和模擬問題。模式的初始場和邊界條件由NCEP全球分析資料(FNL)，全球1°×1°再分析資料(時間分辨率為6 h)產(chǎn)生，數(shù)值試驗采用三重嵌套網(wǎng)格，水平分辨率分別為25 km，5 km，1 km，模擬時段為當日00∶00至次日00∶00。模擬時間24 h，模擬結(jié)果每1 h輸出一次。

2.3 暴雨的診斷分析

2.3.1 風場分析。500 hPa流場顯示:當日下午一直處于槽前位置，自14時—16時，主導風向為西南風，之后的主導風向為西風。700 hPa風場顯示:當日該地區(qū)的降水過程是由于在地區(qū)上空出現(xiàn)的輻合流場所造成的。14時該地區(qū)主要受北風控制。16時，受西南方向的低渦影響，該地區(qū)的風向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅憋L。17時，風向逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槲黠L，地面處于一個輻合流場之中，等風速線密集，這種流場上的輻合形勢有利于這次暴雨過程的產(chǎn)生。18時之后，該地區(qū)則處于單一的北風的控制下，此次降水過程結(jié)束。模式模擬結(jié)果與天氣圖及衛(wèi)星觀測基本吻合。

2.3.2 垂直速度場分析。強降水出現(xiàn)前，數(shù)值模式模擬的垂直速度基本在0.2 m/s左右，上升運動較弱。從經(jīng)向垂直環(huán)流(見圖1)可以清晰地看到，在大暴雨區(qū)低層出現(xiàn)西南風暖濕氣流與來自北方的冷空氣的輻合，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，強勁的垂直上升氣流將低層的水汽向高空輸送，強降水發(fā)生時段整個暴雨區(qū)上空有著深厚的濕層，自地面至400 hPa高空相對濕度均在80%以上。在山脈的背風坡一側(cè)，在600 hPa左右的高度上，產(chǎn)生了很強的垂直上升運動，在上升運動的南北兩側(cè)，產(chǎn)生了相應(yīng)的次級環(huán)流和rotor轉(zhuǎn)子，改變了該地區(qū)上空的環(huán)流形勢。這種在過山氣流輻合下沉區(qū)上空所產(chǎn)生的異常環(huán)流形勢，是影響該地區(qū)河谷盆地降水的關(guān)鍵因素。

圖1 經(jīng)向垂直環(huán)流

2.3.3 水汽分析。水汽的持續(xù)輸送和輻合是形成暴雨的必要條件。在實驗中，可以看到明顯的水汽輸送和利于暴雨發(fā)生的輻合條件。根據(jù)模式模擬結(jié)果，500 hPa和700 hPa上的相對濕度均很大，均達到了80%以上。在17時以前，500 hPa的相對濕度均在92%以上，在暴雨發(fā)生的17時左右，至以后的時間段內(nèi)，相對濕度不斷下降，高層的水汽不斷凝結(jié)，以降水的形式脫離云團，至20時，該地區(qū)及周邊地區(qū)的相對濕度下降至83%左右。在700 hPa，整天的相對濕度變化不大。

通過分析當日700 hPa的水汽通量和水汽通量散度來了解低層水汽輸送和輻合演變情況。當日水汽通量大值區(qū)最大值為65 g·s-1·cm-1·hPa-1，且不斷自西向東移動，17時出現(xiàn)在該地區(qū)南部上空，之后不斷向南撤離。在低空700 hPa，從14時至20時，水汽通量散度在該地區(qū)及附近區(qū)域，主體上幾乎均為負值，即在低空，水汽一直是輻合的。而在500 hPa上，在14時—16時，水汽為輻合狀態(tài)，整層大氣均為輻合狀態(tài)，沒有產(chǎn)生降水；在17時，該地南部地區(qū)出現(xiàn)大范圍的輻散運動。低層輻合，高層輻散的配置，有利于產(chǎn)生水汽的垂直上升運動，利于暴雨的產(chǎn)生及發(fā)展。

2.3.4 能量分析。對流有效位能(CAPE)是一個同時包含低層高層空氣特性的參數(shù)，被認為能較真實地描述探空資料所代表的大氣不穩(wěn)定度(見圖2)。當日15時，對流有效位能中心位于該地區(qū)南部，南部地區(qū)位于高能舌附近CAPE值為50 J/kg～90 J/kg區(qū)域內(nèi)，表明具有發(fā)生強對流的潛能。17時，隨著強降水的發(fā)生，不穩(wěn)定能量得到快速釋放，此時強降水區(qū)域的CAPE值減小為5 J/kg～20 J/kg。18時，隨著降水趨于結(jié)束，強降水區(qū)域的CAPE值銳減為10 J/kg以下。

通過對比對流有效位能和降水強度的演變趨勢發(fā)現(xiàn)，在強降水開始前CAPE值達到最大，隨著強降水的發(fā)生，CAPE值銳減，說明對流不穩(wěn)定能量得到快速釋放，加劇了降水強度。所以CAPE值的銳減時段對應(yīng)著最強降水時段。

(a)降水前

(b)降水中

(c)降水后 圖2 700 hPa對流有效位能(CAPE)分布

3 結(jié)論

①水汽的持續(xù)輸送和輻合是形成暴雨的必要條件，低層輻合，高層輻散的配置，有利于產(chǎn)生水汽的垂直上升運動，利于暴雨的產(chǎn)生及發(fā)展。②對流有效位能變化隨降水過程演變具有明顯變化特征，在強降水開始前對流有效位能達到最大，隨著強降水的發(fā)生，對流有效位能銳減，對流不穩(wěn)定能量得到快速釋放，加劇了降水強度，對流有效位能的銳減時段對應(yīng)著最強降水時段。