溫州地區一次暴雨過程分析及數值模擬

侯思遠, 薛羽君, 于亞薇

(1.民航溫州空中交通管理站,浙江溫州325000;2.成都信息工程學院,四川成都610225;3.葫蘆島市氣象局,遼寧葫蘆島125000)

0 引言

暴雨的預警預報一直是航空氣象的重點研究問題,強降水能引起能見度短時間內的劇烈變化,在大雨中飛行時,水平能見度只有幾十米。飛機在著陸階段,強降水有可能造成發動機熄火,而雨滴在飛機表面形成一層水膜,影響飛機空氣動力性能,計算表明機身和機翼兩者的阻力增加約5%～20%[1],雨滴撞擊飛機時,造成飛機動量損耗,嚴重時可能使飛機失速。且濕滑的跑道可能造成飛機產生滑水現象,使飛機方向操縱和剎車作用減弱,容易沖出或偏離跑道。每年因為強降水引起的航班返航備降對航空公司造成巨大的經濟損失。溫州位于浙江省東南部,境內地勢是由西南向東北呈現梯形傾斜,雁蕩、括蒼山脈綿亙整個浙南地區。由于浙南山區地形復雜,是檢驗數值模式中地形處理技術的理想實驗對象。WRF模式是由美國多所科研機構共同研發的新一代高分辨率中尺度預報模式[2-3],具有在長時間積分步長下也能保證計算的穩定性的優勢。但WRF模式在浙南地區的應用較少,因此使用該模式模擬這一地區復雜的降水過程對于了解數值模式的參數化方案的可行性是十分必要的,并為改進數值模擬的應用提供依據。

1 資料選取、模式簡介和試驗方案

1.1 資料選取與方法介紹

2010年5月13～14日,受靜止鋒和急流、切變線共同影響,溫州地區出現了一次大到暴雨的天氣過程。全市9個氣象觀測站中有7個站點的24小時(23日08時～24日08時)降水量超過50mm,最少的站點為泰順站,但也達41.1mm,最多的文成站則達95.9mm。此次暴雨具有降水強度強、范圍集中、持續時間長等特點,而且西部山區降水量明顯超過東部沿海地區。利用WRF模式對此次暴雨過程進行數值模擬和診斷分析,將模擬結果與逐時降水觀測資料進行對比,分析模式對此次天氣過程降水日變化特征以及形成機制的模擬能力,檢驗WRF數值模式在中尺度強對流天氣系統中的預報能力,藉以提高模式對中尺度天氣系統預報的準確率。

1.2 WRF模式簡介

采用WRF(Weather Research and Forecasting)中尺度數值模式是由美國國家大氣研究中心(NCAR)等科研機構的科學家共同開發研究的新一代中尺度預報模式系統。WRF模式在全國各地應用情況表明,對各種降水過程、臺風個例的研究都取得較好的結果,與MM5相比更具有以下優勢:計算網格采用Arakawa C網格;網格分辨率更高(1～10km);并且在長時間積分步長下也能保證計算的穩定性。最近幾年的研究結果表明[4-6]:WRF模式各氣象要素模擬的準確性均優于MM5模式。

1.3 試驗方案

此次數值模擬試驗的初始場和側邊界條件選用的是NCAR/NCEP水平分辨率為1°×1°的再分析資料[7],時間間隔為6h。模式框架選用了歐拉質量坐標(非靜力),選取一層網格,水平分辨率為1km。垂直分辨率采用28層等σ層,模式層頂為50hPa,時間積分方案采用三階精度Runge-Kutta積分方案,模擬積分時間為:2010年5月12日20時到14日14時(北京時),共42小時,每1小時輸出1次結果。以下是各種方案的選取,主要物理過程為:微物理過程:Lin;長波輻射方案:rrtmg;短波輻射方案:Dudhia;邊界層方案:YSU;陸面過程方案:Noah;近地面層方案:Monin-Obukhov。

2 天氣形勢分析

2.1 地面形勢

5月12日地面圖上大陸冷高壓入海,西南倒槽開始發展并東伸北抬,靜止鋒生成(圖略)。同時與高空槽相配合,在西南地區東部有降水區生成并開始逐漸東移。13日靜止鋒從江西中東部一直延伸到廣西桂林地區,浙江東部沿海有弱冷空氣從海上擴散南下,與靜止鋒前的暖濕氣流交匯于浙南地區產生暴雨。14日隨著新一股弱冷空氣從河套地區補充南下,靜止鋒逐漸南壓,降水過程結束。

2.2 高空形勢

從5月13日08時500hPa位勢高度場(圖1)分析,中國及周邊地區處于兩槽一脊的形勢,貝加爾湖以東地區處于高壓脊的控制,在西西伯利亞和日本海地區為低槽,中國中南部地區處于平直的西風氣流中,東部沿海地區處于東亞大槽底后部的西北偏西氣流中,槽后的冷空氣從東路擴散南下侵入東部沿海地區。而此時如華南沿海一帶西南季風活躍,低空急流活動頻繁,則易在華南沿海地區形成暴雨。

圖1 2010年5月13日08時500hPa位勢高度場

圖2 2010年5月13日08時850hPa流場和風速大于12m/s的急流區(單位:m/s)

低空急流為暴雨區提供了低空對流不穩定層結,低空急流的左側為氣旋性切變區,當上游有正渦度平流時,可以引發較強的上升氣流,并進而觸發不穩定能量的釋放。圖2是2010年5月13日08時850hPa流場和風速大于12m/s的急流區,從圖中可以看出,850hPa上急流區占據20°N～30°N的大部分地區,并一直向北延伸到浙江省的西南部,大陸高壓底部的偏東氣流和西南暖濕氣流在浙南地區交匯,形成一條切變線,為暴雨的發生發展提供有利的動力條件。

3 模擬結果分析

3.1 模擬性能評估

為更好地利用WRF模式對暴雨發生和發展的全過程進行分析研究,在此先評估該模式對降水量和降水日變化模擬的準確性。圖3給出浙江地區2010年5月13日08時至14日08時的24小時累計降水量分布圖,與圖4(此圖使用micaps不規則分布站點資料繪制,經過插值后降水強度比實況偏小)觀測的累計降水量分布相比,模式對主要降水帶模擬得較好,27°N～29°N雨帶的走向和范圍與實況相比較略為偏南,但對浙江中部地區中等強度降水的模擬值偏小,尤其在中部沿海地區。對照實況降水量,還可以得知,模式對溫州東部沿海地區的降水量模擬效果很好,但在溫州西部的山區,尤其是在麗水南部,與觀測的降水量相比,峰值偏高,模擬的強降水中心24小時累計降水比觀測的強中心(27.7°N ～28.2°N,120.4°E～120.5°E,即溫州文成站)高出近 20mm,且強降水的范圍明顯大于實際的范圍。

圖3 模擬的2010年5月14日08時24h累計降水分布(單位:mm)

圖4 觀測的2010年5月14日08時24h累計降水分布(單位:mm)

降水量的空間分布可以作為評估數值模式優劣性的標準之一,但在數值模擬效果較差的浙南山區,對降水隨時間變化特征的模擬也可以檢驗數值模式的應用水平。為了說明暴雨中心區域的變化過程,選取實況的強降水中心,兩者在位置上雖然略有偏差,但模式較好地反映了此次降水連續的日變化特征。從圖5知,實況降水中心的降水峰值出現在14日01時,模擬的降水峰值發生時間與實測基本吻合,但在強度上有偏差,偏強2mm左右。模擬的結果在午后開始降水量就逐漸增大,而實況顯示在傍晚前降水出現次峰值,傍晚后降水偏弱,直到午夜降水量才陡然增加。通過分析可以看出降水隨時間變化的模擬效果較為理想。

圖5 模式(虛線)和觀測(實線)的2010年5月13日08時到14日08時的暴雨中心的降水日變化特征(單位:mm)

3.2 高低空急流的模擬分析

由于浙南地區地形復雜,只有依賴高分辨率的降水資料,才能有助于理解復雜地形地區的降水活動,選用數值模式分析和解釋特殊地形下的大氣環流特征。利用WRF模式輸出的高時空分辨率模擬結果對此次暴雨過程做進一步分析。

暴雨的形成往往離不開高低空急流帶來的作用,特別是當高低空急流耦合時,兩條急流出口區的重疊區域是暴雨發生的“重災區”[8-9]。當高空為西北風急流時,傾斜的急流軸輸送了更多的輻散,更有利于暴雨發生[10]。當高低空急流的出口區所處區域相互重疊時,低空急流向暴雨區域輸送大量的位勢不穩定能量,高空急流則向暴雨區域帶來位勢不穩定能量的觸發機制,在高低空急流的共同作用下暴雨區域的大氣層結更加不穩定,與此同時高低空急流出口區的耦合在對流層中形成垂直的次級環流,而暴雨的發生則必須將積累在大氣中的不穩定能量大量釋放,而次級環流中的上升運動扮演了這一重要的觸發機制[11]。

3.2.1 低空急流的動力、熱力作用

在此次強降水過程中,850hPa的西南風從12日的20時開始逐漸加強,隨之建立起低空急流,而通過低空急流輸送的水汽使大氣中的濕度迅速加大。13日08時西南低空急流已伸至閩北與浙南的交界處(圖2),相對濕度大于90%的濕舌從福建西部伸向浙南地區,與低空急流的配合,使得浙南地區在暴雨期間一直維持著高濕環境。

暴雨的發生發展需要充足的水汽供應和源源不斷的上升運動,而這兩個條件對應著高濕高溫的高能量環境場。θse(假相當位溫)是表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合特征量,θse的分布反映了大氣中濕度和能量的分布。θse的高值區即表征著高濕高能區,θse場中等值線的密集的區域又被稱之為能量鋒區,而通過研究表明暴雨的發生必要條件即要有能量鋒區的存在[12]。

13日08時開始,浙南地區各層均存在一個高θse的區域(圖6),說明浙江南部區域的上空具有很高的能量級別。特別是在低層(850～700hPa)θse最高達342K,說明在對流層的低層是高溫高濕的高能量區,它不但具有暴雨發生所需要的水汽條件,還使位勢不穩定能量在低層的大量積聚。

14日凌晨01時,此次暴雨過程中單小時降水量最大的時刻(圖7),在對應著溫州地區的121°E附近,假相當位溫等值線更加密集,說明該區域正處于高溫、高濕且極不穩定的暖濕氣團中。而在圖中的對流層的中高層,稀疏的等值線對應能量的低值區域,表明對流層的中高層為干冷氣團,通過高層的抽吸作用,上升運動得到進一步的加強,同時也促使潛熱和對流不穩定能量的釋放,從而形成強降水。綜上所述,在暴雨發生前溫州地區的能量形勢十分有利,同時表明低空急流為浙江南部地區帶來暴雨發生與發展所必須的高能高濕的不穩定層結條件。

圖6 模擬的2010年5月13日08時假相當位溫沿28°N的垂直剖面(單位:K)

圖7 模擬的2010年5月14日01時假相當位溫沿28°N的垂直剖面(單位:K)

3.2.2 垂直運動和高低空急流的耦合

高空200hPa上有一條強盛的西北風急流帶(圖8),急流軸的寬度達兩個緯度,而浙江中南部地區正處于急流軸的最大風速區域,最大風速達50m/s,而浙江南部及福建北部正處于西北風急流出口區南側(右前方)。在高空急流的動力作用下,急流軸的氣旋性曲率最大區域的東南側形成一個負渦度中心,負渦度中心為高層帶來大量的輻散作用,在高層的強輻散場的抽吸作用下,低層的輻合加強,同時也使低層的切變線得到進一步的維持。從低空(圖略)與高空急流軸分布的位置看,高空急流位于低空急流的北側,正好是有利于暴雨發生的理想配置。

圖8 模擬的2010年5月13日08時200hPa流場和風速大于30m/s的急流區(單位:m/s)

圖9 模擬的2010年5月13日20時垂直速度沿28°N的垂直剖面(單位:cm/s)

強降雨的發生、維持需要強烈的上升運動。圖9是13日20時垂直速度沿28°N的經向剖面圖。(由于單小時降水量較大的時刻均在午夜前后,而降水產生的拖曳作用會影響低層的垂直速度,所以選取雨量較小的13日20時分析),圖中劇烈的上升運動位于118°E上空,導致模擬的降水與實況的存在偏差,該發生強降水的121°E附近上升運動則較弱,造成該地區降水的錯報。午夜后,上升運動仍在維持,但強度逐漸減弱,暴雨也隨之減弱。

由垂直剖面圖可以看出從對流層的中低層一直到高層都是上升運動區,而在上升運動中心區域的兩側則是下沉運動,這證明了垂直環流的存在。為更直觀地了解垂直環流分布的情況,選擇上升運動最強烈的區域繪制南北向的垂直運動剖面圖(圖10),從圖中可以看到上升運動大值區域的左側存在著垂直運動的負值區,該區域是下沉運動強烈的區域,這說明在對流層中存在著明顯的垂直環流。

在整個暴雨發生的過程中,垂直速度的大值區即上升運動較強的區域均處在暴雨區附近,當垂直運動增強時降雨量也隨之增大,而在暴雨過程的后期隨著垂直運動的減弱降雨量也隨之減小。綜上所述,暴雨區的高低層配置存在低層輻合高層輻散的有利形勢,通過分析垂直速度場也發現暴雨區的兩側存在著垂直的次級環流。正是高低空急流存在耦合才使動力場形勢有利于暴雨的形成。

圖10 模擬的2010年5月13日20時垂直速度沿118°E的經向剖面(單位:cm/s)

4 結束語

選用WRF中尺度數值模式對2010年5月13～14日溫州地區出現的一次暴雨天氣過程進行分析和數值模擬,并使用天氣動力學診斷分析的方法對模式輸出的結果進行分析。主要結論如下:

(1)試驗較好地模擬了溫州地區2010年5月13～14日降水過程的時空分布特征,但在溫州西部的山區仍存在降水量偏高,暴雨落區偏差等誤差。

(2)WRF模式對于此次暴雨過程的模擬效果與水汽、垂直速度及大氣層結等要素的模擬密切相關;降水區域的高濕大氣環境為暴雨的發生提供了有利的水汽條件,同時能量在該區域的累積也為暴雨提供了充足的能量條件;模式在水汽、垂直速度及大氣層結等要素方面出現的位置偏差同時也導致了暴雨中心的分布與降水量極值模擬的偏差。

(3)通過對WRF中尺度模式輸出的高時空分辨率的模擬結果分析得出:當高低空同時存在急流時;低空急流為低層輸送大量的對流不穩定能量;高低空急流的耦合的配置是暴雨區域高層輻散、低層輻合的有利動力條件。同時在低層存在切變線,在切變線上的輻合上升運動的共同作用下,產生了劇烈的對流上升運動,綜上所述高低空急流的耦合是此次暴雨發生及發展的重要機制。

(4)此次暴雨發生前,溫州地區低層處于高溫高濕區的高能量區,在暴雨期間850hPa假相當位溫場一直維持在較高水平,而隨著暴雨的結束能量也隨之釋放,能量形勢的變化和強降水的變化非常一致。

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