WRF模式對翁源一次特大暴雨過程的模擬分析

趙亮巨，高翠翠，陳浩偉，湯蓬輝，黃少忠

（1.翁源縣氣象局，廣東翁源 512600；2.韶關(guān)市氣象局，廣東韶關(guān) 512000）

前汛期是粵北地區(qū)暴雨多發(fā)的時期，尤其特大暴雨容易引發(fā)成洪澇、山體滑坡和泥石流等次生災(zāi)害，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。當(dāng)前，廣東各地前汛期對致災(zāi)性暴雨過程有很多研究，林良勛等［1］指出廣東前汛期暴雨的環(huán)流主要有兩脊一槽型、兩槽一脊型和中緯多波動型等3種形勢；汪海恒等［2］分析韶關(guān)市致澇暴雨時認(rèn)為高層強(qiáng)輻散、低層切變線、低空急流以及有利的水汽條件為該次暴雨的發(fā)生提供了有利的環(huán)流背景和天氣系統(tǒng)；周兆丁等［3］發(fā)現(xiàn)珠江口及其東側(cè)的暖區(qū)暴雨觸發(fā)機(jī)制為中尺度能量鋒、地面輻合線以及地形等；賀發(fā)勝等［4］發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降雨與低空急流的脈動密切相關(guān)，暴雨落區(qū)與500 hPa上升速度大值區(qū)相對應(yīng)。因此，在不同地區(qū)暴雨的影響系統(tǒng)、形勢配置、觸發(fā)機(jī)制上存在明顯的差異［5－9］。

許多學(xué)者對2010年5月6日前后華南大范圍暴雨天氣進(jìn)行分析，劉蕾等［10］分析2010年5月6—7日廣州地區(qū)的大暴雨降水過程，認(rèn)為500 hPa高空脊前、低空切變線、低渦和鋒面是該過程的主要影響系統(tǒng)；朱格利等［11］使用8種云微物理過程參數(shù)化方案，模擬了2010年5月6—7日的華南暴雨，結(jié)合TS評分和誤差分析結(jié)果，整體效果最好的是WSM5方案，最差的是Lin方案。目前廣東地市使用中尺度數(shù)值模式研究暴雨過程較多側(cè)重于臺風(fēng)［12－13］，對山區(qū)暴雨過程的高分辨率模擬研究還比較少，故本研究使用中尺度數(shù)值模式WRFv4.2對2010年5月5—6日影響韶關(guān)翁源的一次特大暴雨過程進(jìn)行高時空分辨率分析，以期加深對該次強(qiáng)降水過程特點(diǎn)和機(jī)理的理解，為當(dāng)?shù)亟邓A(yù)報(bào)提供有意義的參考。

1 特大暴雨概況

圖1為2010年5月5日20：00至6日20：00（北京時，下同）翁源縣24 h雨量實(shí)況。

圖1 2010年5月5日20：00—6日20：00 24 h累計(jì)雨量（單位：mm）

由圖1可以看出，降雨量呈北多南少的分布，其中翁源中北部普遍超過250 mm，翁源南部在100～200 mm之間；強(qiáng)降雨中心位于翁源縣新江鎮(zhèn)，24 h雨量達(dá)411.3 mm（日雨量突破翁源歷史極值），最大小時雨量為官渡鎮(zhèn)81.2 mm。由此可見，該次特大暴雨過程具有雨強(qiáng)大、范圍廣、預(yù)報(bào)難度大、致災(zāi)嚴(yán)重的特點(diǎn)。

2 模式和試驗(yàn)方案

本研究試驗(yàn)采用非靜力中尺度模式WRFv4.2版本，采用NCEP的1°×1°FNL資料為模式初始場，模擬試驗(yàn)范圍主要覆蓋華南地區(qū)，模擬區(qū)域的中心位于24.34°N，114.1°E，采用雙重嵌套方式，粗網(wǎng)格格點(diǎn)數(shù)300×300，水平格距為9 km；細(xì)網(wǎng)格格點(diǎn)數(shù)為432×432，水平格距為3 km，垂直方向分為不等距的32層，模式頂氣壓為50 hPa。本研究模擬起始時間為2010年5月5日08：00，模擬36 h，時間積分步長45 s，每1 h輸出一次模擬結(jié)果，前12 h的結(jié)果作為模式spin－up time結(jié)果舍棄，主要分析2010年5月5日20：00—6日20：00細(xì)網(wǎng)格（圖2中d02范圍）的模擬結(jié)果。WRF模式對多種物理過程提供了不同的參數(shù)化方案，本模擬試驗(yàn)采用WSM7云微物理方案、KFCP積云方案、YSU邊界層方案、NOAH陸面方案、RRTMG短波輻射方案、RRTMG長波輻射方案。

圖2 模擬試驗(yàn)的嵌套網(wǎng)格范圍

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 降水模擬

從WRF模擬的24 h累計(jì)雨量（圖3）看，與實(shí)況（圖1）相比，WRF模式較好地模擬出了翁源地區(qū)的強(qiáng)降雨中心和分布，降水量級也一致，其中全縣以大暴雨為主，局部特大暴雨；但在韶關(guān)和清遠(yuǎn)的北部地區(qū)累計(jì)雨量明顯偏小，而在廣州和惠州一帶出現(xiàn)了虛假的強(qiáng)降水中心。對于該次過程3個主要強(qiáng)降水時段（圖略），模式成功模擬出第1階段和第2階段的強(qiáng)降水落區(qū)和量級大小，但漏報(bào)了第3階段的強(qiáng)降水。

圖3 2010年5月5日20：00—6日20：00WRF模擬的24 h累計(jì)雨量（單位：mm）

3.2 環(huán)流形勢和動力條件分析

500 hPa上，翁源地區(qū)有一小槽從5月5日21：00到6日07：00均處于穩(wěn)定少動狀態(tài)（圖4a－b）；09：00到13：00小槽東移，翁源境內(nèi)轉(zhuǎn)吹平直西風(fēng)；14：00以后翁源地區(qū)一直吹強(qiáng)盛的西北風(fēng)（圖4c）。700 hPa上，5月5日21：00到6日00：00翁源地區(qū)有小槽緩慢東移（圖4d）；6日01：00西南風(fēng)加大，增強(qiáng)為急流，并一直維持到08：00，期間最大風(fēng)速達(dá)24m／s（圖4e）；09：00后西南風(fēng)逐漸減弱，轉(zhuǎn)為平直西風(fēng)或西北風(fēng)（圖4f）。850 hPa上，5月5日21：00到23：00西南急流加強(qiáng)維持在翁源上空（圖4g），6日01：00到08：00翁源上空逐漸生成中－γ尺度的氣旋性環(huán)流（圖4h）；09：00后該中－γ尺度氣旋性環(huán)流逐漸移出翁源，并向惠州移動，同時惠州河源一帶西南急流再次發(fā)展加強(qiáng)（圖4i），這可能與惠州的虛假暴雨中心有關(guān)。925與850 hPa具有類似的形勢分布。

圖4 2010年5月5日23：00（a、d、g）、6日07：00（b、e、h）和6日14：00（c、f、i）的500 hPa（a、b、c）、700 hPa（d、e、f）、850 hPa（g、h、i）模擬風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m／s）

對3個強(qiáng)降水階段的動力條件診斷進(jìn)行分析（圖略），可以看出，在第1階段，翁源的西部和北部地區(qū)均處于850和700 hPa的散度負(fù)值區(qū)以及200 hPa的散度正值區(qū)，存在明顯的低層輻合和高層輻散配置，有較強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，對應(yīng)診斷的最大垂直上升運(yùn)動速度位于600 hPa附近，速度達(dá)3.5 m／s（5日22：00）；在第2階段，翁源全縣處于850和700 hPa的大片散度負(fù)值區(qū)，200 hPa上的散度正值區(qū)范圍有所縮小，但仍有明顯的輻散，對應(yīng)診斷的最大垂直上升運(yùn)動速度也同樣位于600 hPa附近，達(dá)6.0 m／s（6日06：00）；在第3階段，低層850和700 hPa的輻合減弱，其輻合中心和高層200 hPa的輻散區(qū)向惠州移動，翁源地區(qū)的上升運(yùn)動明顯減弱。

低空西南急流的加強(qiáng)與維持和中、高層小波動的穩(wěn)定少動，配合明顯的低層輻合與高層輻散，轉(zhuǎn)換為強(qiáng)烈而持久的垂直上升運(yùn)動，為該次特大暴雨過程提供了有利的動力抬升條件。

3.3 水汽條件

在強(qiáng)降水第1階段，850 hPa比濕場上翁源地區(qū)處于高濕狀態(tài)，最大比濕達(dá)到14 g／kg；5日23：00翁源西北地區(qū)處于水汽輸送的主要地區(qū)，并且產(chǎn)生了強(qiáng)烈的水汽通量散度輻合，最大強(qiáng)度超過－100×10－7g／（cm2·hPa·s）。第2階段翁源東部上空850 hPa比濕稍?。?2 g／kg），但上游地區(qū)的英德超過16 g／kg，同時6日06：00 850 hPa水汽通量和水汽通量散度（圖略）顯示，翁源不僅處于水汽輸送的主要地區(qū)，還處于水汽通量散度的輻合中心，最大強(qiáng)度仍超過－100×10－7g／（cm2·hPa·s）。第3階段，翁源全縣雖然仍處于高濕狀態(tài)，最大比濕達(dá)到14 g／kg，但已轉(zhuǎn)為水汽通道和水汽通量輻散地區(qū)（6日14：00）。

從相對濕度的厚度（圖略）來看，第1階段翁源在850 hPa以下為高濕區(qū)，700 hPa附近出現(xiàn)小范圍的相對干區(qū)，但600 hPa以上濕層延伸至200 hPa，仍較深厚；第2階段翁源上空濕層深厚，濕區(qū)延伸至400 hPa，其中05：00、06：00和09：00更是超過200 hPa；第3階段深厚濕層已經(jīng)南移離開翁源。充沛的水汽含量、持續(xù)的水汽輸送和強(qiáng)烈的水汽輻合有利于翁源產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的暴雨天氣。

3.4 熱力條件

假相當(dāng)位溫（θse）是體現(xiàn)溫度、氣壓和濕度的綜合特征量，能很好地解釋暴雨等強(qiáng)對流天氣發(fā)展。第1階段，850 hPaθse分布（圖5a，5日23：00）顯示有高能舌伸至翁源西部，其中心強(qiáng)度達(dá)352 K以上，并隨時間逐漸東移，使得翁源西北部溫濕條件明顯改善；同時K指數(shù)明顯加大，達(dá)到40℃（圖5d），為第1階段強(qiáng)降水提供了良好的暖濕條件。6日01：00（間歇期），翁源和始興交界處出現(xiàn)了θse的低值區(qū)，逐漸加強(qiáng)并南壓至翁源、連平一帶（6日03：00），并在6日05：00到09：00（第2階段）逐漸加強(qiáng)西伸，與翁源西部的θse高能區(qū)形成中尺度能量鋒（θse場上的等值線密集區(qū)），最大強(qiáng)度達(dá)60 km 12 K（圖5b，6日05：00）；K指數(shù)總體維持在34℃以上（圖5e，6日05：00），熱力條件仍然很好。在第3階段，雖然英德和新豐一帶的θse高能舌再次自南向北推進(jìn)（圖5c，6日14：00），為翁源地區(qū)增溫增濕；K指數(shù)也在36℃以上（圖5f，6日14：00），但由于良好的動力觸發(fā)抬升和水汽條件已不在翁源地區(qū)，未能模擬出第3階段的強(qiáng)降水。

圖5 WRF模擬3個階段假相當(dāng)位溫（單位：K）（a、b、c）和K指數(shù)（單位：℃）（d、e、f）

3.5 降水雷達(dá)回波

降水的反射率因子回波可大致分為3類：積云降水回波、層狀云降水回波、混合云降水回波。積狀云降水通常具有比較密實(shí)的結(jié)構(gòu)，反射率因子空間梯度較大，其強(qiáng)度中心的反射率因子通常在35 dBz以上；層狀云降水回波比較均勻，反射率因子空間梯度較小，反射率因子一般大于15 dBz［14］。對于該次強(qiáng)降水過程，模式模擬的組合反射率因子均大于35 dBz，因此屬于積云為主的降水回波。

5日18：00起（第1階段前），英德北部不斷有回波生成，處于下游的翁源北部山區(qū)開始出現(xiàn)降水，22：00到23：00（第1階段），英德北部回波持續(xù)生成并加強(qiáng)東移至翁源西北部地區(qū)，形成列車效應(yīng)（圖6a），23：00反射率因子和溫度沿24.21°N剖面圖顯示（圖6c）英德東北部和翁源西北部交界地區(qū)大于35 dBz的回波延伸至300 hPa（－25℃等溫線），大于50 dBz強(qiáng)回波延伸至500 hPa（0℃等溫線）。根據(jù)云微物理理論，降水系統(tǒng)中的暖云層越厚，越有利于高降水效率的產(chǎn)生［15］，此階段暖云層厚度最高延伸至500 hPa，明顯高于一般認(rèn)為的600 hPa。列車效應(yīng)疊加深厚暖云層十分有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生，共同造成此階段翁源西北部累積雨量超過180 mm。

圖6 WRF模擬前2個階段雷達(dá)組合反射率（單位：dBz）（a、b）和沿24.21°N（c）以及沿24.12°N（d）高度－緯度剖面的基本反射率（單位：dBz）及溫度（單位：℃）分布

6日00：00到04：00回波逐漸向東南方向緩慢移動，到6日05：00（圖6b），韶關(guān)中南部和清遠(yuǎn)中部逐漸有大片回波生成并向東移動，翁源地區(qū)上空回波持續(xù)至09：00才逐漸減弱。從07：00反射率因子和溫度沿24.12°N剖面圖（圖6d）來看，上游英德地區(qū)對流發(fā)展極其旺盛，大于35 dBz的回波突破200 hPa（－35℃等溫線）以上；大于50 dBz的回波接近500 hPa（0℃等溫線），且不斷生成往翁源移動；翁源地區(qū)上空大于35 dBz的回波也持續(xù)接近500 hPa，暖云層仍較深厚。這種暖云層回波影響翁源地區(qū)的時間較長，造成該階段模式累積雨量超過150 mm。

在第3階段（圖略），翁源地區(qū)回波減弱消散，強(qiáng)降水回波南移至惠州。

該次特大暴雨過程中，對流云發(fā)展旺盛，伸展高度高，具有暖云層剖面結(jié)構(gòu)，屬于積云為主的降水過程。

4 結(jié)論

1）WRF模式成功地模擬出翁源地區(qū)24 h累計(jì)雨量和前2個強(qiáng)降水階段的落區(qū)和量級，但在第3階段出現(xiàn)明顯漏報(bào)。

2）在強(qiáng)降水前2個階段，低空西南急流的加強(qiáng)與維持和中、高層小波動的穩(wěn)定少動，配合明顯的低層輻合與高層輻散，轉(zhuǎn)換為強(qiáng)烈而持久的垂直上升運(yùn)動，為該次特大暴雨過程提供了有利的動力抬升條件；充沛的水汽含量、持續(xù)的水汽輸送、強(qiáng)烈的水汽輻合和深厚的濕層分布提供了足夠的水汽條件；同時850 hPa上存在的高能舌和中尺度能量鋒則提供了良好的熱力條件；在第3階段，低層西南氣流明顯減弱，中高層吹西北風(fēng)，翁源處于水汽輻散區(qū)，熱力條件轉(zhuǎn)差是該階段漏報(bào)的重要原因。

3）雷達(dá)回波特征顯示該次過程對流云發(fā)展旺盛，伸展高度高，具有暖云層剖面結(jié)構(gòu)，屬于積云為主的暖區(qū)暴雨過程。

值得注意的是，由于該次模擬試驗(yàn)采用冷啟動，在模式積分到5日12：00（spin－up time）便在韶關(guān)中北部產(chǎn)生明顯降水，降水的提前預(yù)報(bào)可能導(dǎo)致該次過程的能量和水汽提前消耗，從而可能引起強(qiáng)降水第3階段的漏報(bào)。