2011年秦巴山區(qū)秋季區(qū)域性暴雨數(shù)值模擬及診斷分析

馬曉華，梁生俊

(陜西省氣象臺(tái)，西安 710014)

2011年秦巴山區(qū)秋季區(qū)域性暴雨數(shù)值模擬及診斷分析

馬曉華，梁生俊

(陜西省氣象臺(tái)，西安 710014)

利用WRF對(duì)秦巴山區(qū)秋季一次區(qū)域性暴雨進(jìn)行了數(shù)值模擬，在模擬結(jié)果與實(shí)況相一致的情況下，進(jìn)行了秋季暴雨機(jī)理的研究，結(jié)果表明：秦巴山區(qū)暴雨落區(qū)位于500 hPa槽前、700 hPa冷式切變的暖區(qū)、低空急流軸的左前側(cè)；低空急流攜帶的暖濕空氣與西北路冷空氣在陜南秦巴山區(qū)形成穩(wěn)定維持的冷式切變是本次暴雨的主要原因；700 hPa西南低空急流與850 hPa偏東急流是本次過程的水汽和能量來源；K指數(shù)大值中心的出現(xiàn)在秦巴山區(qū)秋季暴雨預(yù)報(bào)中應(yīng)予以重視，600～800 hPa高對(duì)流有效位能維持為暴雨的發(fā)生提供了充足的能量。

秦巴山區(qū)；暴雨；數(shù)值模擬

2011年秋季，中國(guó)華西秋雨較為典型，影響范圍偏大，主要表現(xiàn)為降水異常偏多、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、階段性突出等特點(diǎn)。期間共出現(xiàn)兩個(gè)明顯降水階段。前期(9月2—20日)華西地區(qū)平均降水量為98.5 mm，為1951年以來同期最多，受強(qiáng)降水影響，陜西、四川、重慶等省遭受嚴(yán)重洪澇、滑坡、泥石流等災(zāi)害[1]。由于秋季暴雨發(fā)生的熱力條件與夏季相比較差，在相似的天氣形勢(shì)下暴雨落區(qū)難以判斷，因此深入研究華西秋季暴雨的特征及異常成因可為今后華西秋季暴雨預(yù)報(bào)提供有利參考依據(jù)。

近50年來華西秋雨有南北兩大極值中心，強(qiáng)度和范圍存在明顯的年際變化，進(jìn)入21世紀(jì)，其北部秋雨區(qū)位置偏北、范圍增大、強(qiáng)度增強(qiáng)[2]。林紓等[3]指出，西太平洋副熱帶高壓偏北、西伸，是西北地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)降水的大尺度背景之一。王毅榮[4]指出黃土高原秋季降水異常與西太副高的夏季位置聯(lián)系緊密。湯懋蒼[5]指出，9月以后隨著青藏高原夏季風(fēng)南撤，雨區(qū)南退后形成“華西秋雨”。蔡薌寧[6]對(duì)2011年9月華西秋雨進(jìn)行了機(jī)理研究，認(rèn)為巴爾喀什湖以北的高壓脊穩(wěn)定維持，脊前西北氣流攜帶的冷空氣與副高外圍東南氣流長(zhǎng)時(shí)間交匯是造成華西秋雨的主要原因。韓潔[7]認(rèn)為2011年陜西強(qiáng)秋淋天氣期間副高較常年同期強(qiáng)度偏強(qiáng)、位置偏西偏北，印緬槽偏強(qiáng)，陜西持續(xù)受冷暖空氣交匯影響，能量鋒區(qū)與雨帶對(duì)應(yīng)較好。劉慧敏[8]認(rèn)為登陸臺(tái)風(fēng)北側(cè)的東風(fēng)氣流可為陜西連陰雨期間發(fā)生暴雨提供有利的水汽和不穩(wěn)定能量。方建剛等[9]認(rèn)為螺旋度強(qiáng)度變化對(duì)暴雨發(fā)生發(fā)展有一定指示意義。

學(xué)者們對(duì)華西秋雨特征和機(jī)理研究基本上是基于氣候方面，天氣學(xué)方面研究甚少，本文選取2011年華西秋季暴雨中秦巴山區(qū)暴雨天氣，利用WRF數(shù)值模擬產(chǎn)品，結(jié)合常規(guī)觀測(cè)資料對(duì)其進(jìn)行診斷，以期對(duì)秦巴山區(qū)秋季暴雨過程的預(yù)報(bào)提供參考。

1 過程簡(jiǎn)介

2011年9月4—7日陜西遭受了一次嚴(yán)重的秋淋天氣，西安、銅川、寶雞、咸陽、商洛等5市12個(gè)縣(區(qū))遭受秋淋災(zāi)害，4.8萬人受災(zāi)，因?yàn)?zāi)死亡5人，緊急轉(zhuǎn)移安置2 842人，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。2011-09-06T08—07T08秦巴山區(qū)出現(xiàn)了區(qū)域性暴雨,其中6站暴雨，2站大暴雨，漢中鎮(zhèn)巴114.3 mm、安康紫陽127.2 mm。這次過程為華西秋季連陰雨中的暴雨天氣，過程特點(diǎn)為持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、逐小時(shí)雨強(qiáng)均勻。

2 數(shù)值模式及模擬試驗(yàn)方案

利用中尺度數(shù)值模式WRFV3,采用雙向二重嵌套網(wǎng)格,模式區(qū)域以34°N、109°E為中心,垂直方向?yàn)?1層,水平分辨率為27 km和9 km,粗網(wǎng)格格點(diǎn)數(shù)149×134,細(xì)網(wǎng)格格點(diǎn)數(shù)為288×255,使用空間分辨率為1°×1°,時(shí)間間隔為6 h的NCEP資料做為模式初始場(chǎng),模式網(wǎng)格初始時(shí)間為2011-09-05T18,積分30 h(本文所用時(shí)間均為北京時(shí))。粗細(xì)網(wǎng)格微物理過程均采用WSM 6類冰雹方案,RRTM長(zhǎng)波輻射方案,Dudhia短波輻射方案,采用Monin-Obukhov地面層方案,Noah路面過程,YSU邊界層方案,粗網(wǎng)格不采用積云參數(shù)化方案，細(xì)網(wǎng)格采用淺對(duì)流Kain-Fritsch(new Eta)方案。

3 模擬結(jié)果檢驗(yàn)

3.1 環(huán)流場(chǎng)特征

5日20：00(圖略)500 hPa貝加爾湖冷槽加深，副熱帶高壓迅速東退，主體仍位于大陸，脊線西伸至28°N，700 hPa南風(fēng)氣流發(fā)展。6日20：00(圖1a)500 hPa陜西位于短波槽前西南氣流中，副熱帶高壓脊線東退到24°N，主體位于華南地區(qū)。7日08：00(圖1c)，500 hPa陜西位于西南氣流中，副熱帶高壓5 880 gpm在華南地區(qū)減弱消失。與相對(duì)應(yīng)時(shí)刻實(shí)況結(jié)果對(duì)比，6日20時(shí)數(shù)值模擬圖(圖1b)上，500 hPa東亞維持“兩槽一脊”形勢(shì)，高空冷渦、脊區(qū)及副熱帶高壓5 880 gpm位置及強(qiáng)度與實(shí)況完全一致，20時(shí)至7日02時(shí)副熱帶高壓在華南地區(qū)范圍減小、強(qiáng)度減弱，7日03時(shí)后副高5 880 gpm線從華南消失，7日08時(shí)(圖1d)模擬結(jié)果與實(shí)況仍完全吻合。

圖1 500 hPa高度場(chǎng)實(shí)況及模擬(單位為gpm；a、c為實(shí)況；b、d為模擬；a、b為2011-09-06-T20；c、d為2011-09-07-T08)

3.2 降水特征

2011-09-06T08—07T08降水量實(shí)況(圖2a)，秦巴山區(qū)24 h最大降水量位于32.5°N、108°E處，達(dá)100 mm以上。細(xì)網(wǎng)格第二重嵌套模擬降水落區(qū)及其強(qiáng)度與實(shí)況基本吻合(圖2b)。模擬實(shí)驗(yàn)中降水在陜南秦巴山區(qū)有一個(gè)強(qiáng)降水中心，呈東西向帶狀分布。

本次數(shù)值模擬環(huán)流形勢(shì)、雨帶分布、降水中心位置及強(qiáng)度與實(shí)況接近，因此，模擬結(jié)果基本可信，可用于對(duì)暴雨機(jī)理的進(jìn)一步分析。

圖2 2011-09-06T08—07T08降水量(a 實(shí)況；b 模擬)

4 水汽特征分析

4.1 低空急流對(duì)暴雨的作用

水汽輸送是持續(xù)性暴雨維持的必要條件，本次過程700 hPa低空急流的維持為暴雨提供了能量和水汽條件。

6日02時(shí)低空急流已經(jīng)建立，6日08時(shí)(圖略)來自孟加拉灣的西南氣流攜帶水汽到達(dá)陜西地區(qū)，漢中地區(qū)出現(xiàn)風(fēng)速中心大于16 m/s的急流核，整個(gè)低空急流軸位于四川東部到陜南地區(qū)，此時(shí)西北路冷空氣勢(shì)力較弱，還未進(jìn)入陜西。6日12時(shí)(圖3a)，低空急流核風(fēng)速仍維持16 m/s，西北氣流與西南暖濕氣流在陜南西部形成了明顯的切變，16：00(圖3b)冷空氣勢(shì)力增強(qiáng)，低空急流核風(fēng)速增強(qiáng)到18 m/s，20時(shí)(圖3c)安康和商洛地區(qū)維持西南低空急流，陜西省其余地區(qū)處于西北氣流控制下，漢中和安康地區(qū)之間有一明顯的切變線，7日00時(shí)(圖3d)低空急流主體東移，急流軸位于陜南東部到河南之間，冷空氣主體進(jìn)入陜西，漢中、安康之間的冷式切變?nèi)跃S持，7日04時(shí)(圖3e)低空急流主體移出陜南，冷空氣大規(guī)模進(jìn)入陜西境內(nèi)，降水趨于結(jié)束；7日08時(shí)(圖3e)冷空氣強(qiáng)度加強(qiáng)，暖濕空氣移出陜西，降水結(jié)束。

從低空急流的演變過程可以看出低空急流強(qiáng)度經(jīng)歷了“弱—強(qiáng)—弱”的變化過程，它為暴雨區(qū)提供了充足的水汽。在700 hPa比濕圖(圖略)上，低空急流軸左側(cè)的濕度條件要好于右側(cè)。整個(gè)降水過程中，急流軸左側(cè)比濕場(chǎng)維持在12 g/kg，其右側(cè)比濕在11 g/kg以下，隨著低空急流軸的東移，12 g/kg的濕區(qū)也在逐漸東移。由于低空急流的超地轉(zhuǎn)作用，急流軸左側(cè)易形成超地轉(zhuǎn)風(fēng)，并在流場(chǎng)上形成輻合。分析700 hPa水汽通量散度和垂直速度，6日12：00，水汽輻合達(dá)到了-0.6×10-7kg/(m2·hPa·s)，上升速度為1 m/s，水汽輻合和垂直上升運(yùn)動(dòng)的維持是降水持續(xù)到7日凌晨的重要原因。

圖3 700 hPa模擬風(fēng)場(chǎng)(單位為m/s；陰影區(qū)風(fēng)速gt;10 m/s；a 2011-09-06T12；b 2011-09-06T16；c 2011-09-06T20；d 2011-09-07T00；e 2011-09-07T04；f 2011-09-07T08)

本次降水落區(qū)位于低空急流軸的左前側(cè)，低空急流攜帶的暖濕氣流與西北氣流在陜南秦巴山區(qū)形成穩(wěn)定維持的冷式切變是本次過程的主要原因，低空急流為本次暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了充足的水汽和能量，并為暴雨的發(fā)生提供了動(dòng)力作用。

4.2 偏東氣流對(duì)暴雨的作用

本次過程中偏東氣流為暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了充沛的水汽。6日08時(shí)，850 hPa華北地區(qū)維持一明顯的反氣旋環(huán)流，環(huán)流中心位于河北和山東交界處，反氣旋環(huán)流底部的偏東氣流在經(jīng)過渤海灣時(shí)將海上的暖濕氣流輸送到陸地上，偏東風(fēng)在陜西南部風(fēng)速達(dá)到低空急流量級(jí)，12時(shí)反氣旋環(huán)流底部偏東氣流明顯加強(qiáng)(圖4a)，陜南達(dá)到14 m/s，偏東低空急流一直維持到夜間，7日00時(shí)，偏東氣流逐漸減弱，04時(shí)反氣旋環(huán)流迅速東移，底部偏東氣流東退到河南、江蘇一帶(圖4b)，08時(shí)，反氣旋環(huán)流東移入海，對(duì)陜西的影響也逐漸結(jié)束。從850 hPa過33°N暴雨中心緯向風(fēng)的緯向剖面可以看出(圖4c)，整個(gè)降水期間850 hPa均維持偏東氣流，6日白天，低空偏東氣流最強(qiáng)達(dá)到14 m/s，20時(shí)之后偏東氣流逐漸減弱，暴雨結(jié)束時(shí)，偏東氣流減弱到4 m/s。可見850 hPa反氣旋性環(huán)流底部的偏東氣流將渤海灣的水汽輸送到暴雨區(qū)，為暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了充足的水汽。

圖4 850 hPa模擬風(fēng)場(chǎng)(陰影區(qū)為風(fēng)速gt;10 m/s；a 2011-09-06T12；b 2011-09-07T04；c 850 hPa沿33°N緯向風(fēng)緯向剖面隨時(shí)間變化)

4.3 水汽通量散度

暴雨發(fā)生時(shí)暴雨區(qū)上空出現(xiàn)明顯的水汽輻合。6日08時(shí)(圖略)，在800 hPa 32.4°N和32.9°N上空分別有中心值為-0.7×10-7kg/(m2·hPa·s)和-0.4×10-7kg/(m2·hPa·s)水汽輻合中心，整個(gè)水汽輻合區(qū)主要集中在700 hPa以下；11時(shí)水汽輻合場(chǎng)伸展到400 hPa以下；14時(shí)(圖5)暴雨區(qū)上空水汽通量輻合中心值迅速增加到-0.8×10-7kg/(m2·hPa·s)，300 hPa以下均為輻合區(qū)；20時(shí)之前(圖略)，31°N～33.5°N低層均出現(xiàn)水汽輻合，7日01時(shí)，低層水汽輻合減弱，降水也逐漸減弱。

圖5 2011-09-06T14108°E水汽通量散度徑向剖面圖(單位為10-7 kg/(m2·hPa·s))

5 動(dòng)力條件

沿暴雨區(qū)108°E的垂直速度剖面圖可以明顯看出，從6日08時(shí)(圖略)開始在低層600 hPa以下沿著山地走勢(shì)已有緩慢的上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，且上升運(yùn)動(dòng)的垂直分量隨時(shí)間逐漸加強(qiáng)，13時(shí)(圖略)32.5°N～33°N的區(qū)域有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，冷空氣沿著河西走廊南下強(qiáng)迫抬升來自南方的西南暖濕氣流，在秦巴山區(qū)形成顯著的上升氣流，上升氣流發(fā)展的比較深厚，到達(dá)對(duì)流層頂部，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)為暴雨的形成提供了良好的動(dòng)力條件。14時(shí)(圖6a)32°N附近的徑向下沉氣流補(bǔ)充了其北部上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，在32.2°N附近形成了一個(gè)徑向環(huán)流圈，其上升支為暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了良好的動(dòng)力抬升作用。對(duì)應(yīng)此時(shí)刻的散度剖面(圖6b)在32.4°N上空700 hPa有-0.6×10-5s-1的輻合中心，400 hPa和150 hPa附近分別有0.8×10-5s-1和1.0×10-5s-1的輻散中心，這種高層輻散低層輻合的配置對(duì)上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和維持非常有利。

圖6 2011-09-06T14沿108°E徑向風(fēng)垂直環(huán)流(a)和散度徑向剖面(b)(單位：10-5s-1)

6 熱力條件

計(jì)算整層大氣的K指數(shù)分布，可以看出，整個(gè)降水過程中暴雨區(qū)K指數(shù)值維持在26～30 ℃(圖略)，繪制過暴雨中心鎮(zhèn)巴、紫陽單站K指數(shù)分布圖(圖7a)，6日08時(shí)至7日08時(shí)鎮(zhèn)巴和紫陽兩個(gè)強(qiáng)降水中心的K指數(shù)值維持在26 ℃左右，與夏季相比明顯數(shù)值偏低，從圖也可看出兩個(gè)站的K指數(shù)變化趨勢(shì)較為一致，但存在3～4 h的時(shí)間差，鎮(zhèn)巴K指數(shù)最大值出現(xiàn)在6日08時(shí)，而紫陽K指數(shù)最大值出現(xiàn)在6日12時(shí)，查看單站降水量分布，鎮(zhèn)巴和紫陽兩個(gè)站的暴雨時(shí)段分布基本在6日白天，鎮(zhèn)巴08時(shí)降水量最大為23.5 mm，紫陽12時(shí)降水量最大為24.4 mm，最大降水量出現(xiàn)時(shí)段也相差4 h，可見在秋季雖然K指數(shù)量值比夏季偏低很多，但大值出現(xiàn)對(duì)大降水的發(fā)生仍有一定的指示意義。

從鎮(zhèn)巴和紫陽兩個(gè)站CAPE值隨時(shí)間的變化(圖7b)來看，700 hPa附近CAPE值從暴雨發(fā)生直到晚上23時(shí)一直維持在200 J/kg，23時(shí)后CAPE迅速減小到20 J/kg ，CAPE的大小與此時(shí)段降水的強(qiáng)弱相對(duì)應(yīng)，強(qiáng)降水主要集中在6日上半天，6日20時(shí)以后降水量維持在1～2 mm/h。

圖7 2011-09-06T08—07T08 K指數(shù)時(shí)間演變(a)和CAPE值時(shí)間演變(b)(單位為J/kg)

7 小結(jié)

(1)WRF成功模擬了秦巴山區(qū)秋季暴雨落區(qū)及強(qiáng)度，模擬過程所采用的參數(shù)方案值得進(jìn)一步試驗(yàn)。

(2)500 hPa短波槽后的冷空氣東移與850 hPa偏東、700 hPa西南暖濕氣流在秦巴山區(qū)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)峙造成了本次暴雨的發(fā)生，降水落區(qū)位于700 hPa冷式切變的暖區(qū)、低空急流軸的左前側(cè)，低空急流攜帶的暖濕空氣與西北路冷空氣在秦巴山區(qū)形成的冷式切變是本次過程的主要影響系統(tǒng)，這可作為秋季暴雨預(yù)報(bào)的模型之一。

(3)在整層大氣趨于對(duì)流穩(wěn)定的形勢(shì)下，700 hPa低空偏南急流與850 hPa偏東急流為本次過程的發(fā)生發(fā)展提供了水汽和能量供應(yīng)；由于秦巴山區(qū)特殊的地形地貌，水汽輻合主要發(fā)生在700～800 hPa之間，強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，水汽輻合沿著山脈伸展到高層，在秋季暴雨的預(yù)報(bào)中應(yīng)予以重視。

(4)比濕大于12 g/kg及K指數(shù)強(qiáng)中心的形成，在秦巴山區(qū)秋季暴雨預(yù)報(bào)中應(yīng)予以重視，600～800 hPa之間高對(duì)流有效位能也為暴雨的發(fā)生提供了有利的環(huán)境場(chǎng)。

[1] 柳艷菊，孫冷，孫丞虎，等.2011年秋季華西秋雨異常及成因分析[J].氣象，2012，38(4)：456-463.

[2] 羅霄，李棟梁，王慧，等.華西秋雨演變的新特征及其對(duì)大氣環(huán)流的響應(yīng)[J]．高原氣象，2013，32(4)：1019-1031.

[3] 林紓，趙建華，瞿汶．2003年夏秋季大氣環(huán)流異常對(duì)西北地區(qū)降水的影響[J]．災(zāi)害學(xué)，2004，19(3)：62-67.

[4] 王毅榮．黃土高原秋季氣候?qū)θ蛟雠呐苫瘏^(qū)域響應(yīng)[J]．高原氣象，2008，27(1)：104-112.

[5] 湯懋蒼．高原季風(fēng)研究的若干進(jìn)展[J]．高原氣象，1993，12(1)：95-101.

[6] 蔡薌寧，康志明，牛若蕓，等.2011年華西秋雨特征及成因分析[J]．氣象，2012，38(7)：828-833.

[7] 韓潔，李建芳.2011年陜西省強(qiáng)秋淋天氣分析[J]．陜西氣象，2012，283(6)：5-9.

[8] 劉慧敏，魏娜，萬宏衛(wèi).陜北一次秋季連陰雨過程的天氣動(dòng)力學(xué)分析[J]．陜西氣象，2010(1)：10-13.

[9] 方建剛，侯建忠，陶建玲，等.秦嶺近郊地區(qū)秋季暴雨的天氣動(dòng)力學(xué)分析[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，43(4)：31-36.

馬曉華，梁生俊.2011年秦巴山區(qū)秋季區(qū)域性暴雨數(shù)值模擬及診斷分析[J].陜西氣象，2014(5)：14-20.

1006-4354(2014)05-0014-07

2014-04-11

馬曉華(1986—)，女，陜西寶雞人，碩士，工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)理論及方法研究。

收稿日期：陜西省氣象局博士基金(2012B-2)

P458.121.1

A