5?15廣東大暴雨數值模擬及中尺度分析

張　仲，徐　峰，劉黎平

（1.廣東海洋大學海洋與氣象學院，廣東 湛江 524088；2.廉江市氣象局，廣東 廉江 524400；3.中國氣象科學研究院，北京 100081）

5?15廣東大暴雨數值模擬及中尺度分析

張仲1,2，徐峰1，劉黎平3

（1.廣東海洋大學海洋與氣象學院，廣東 湛江 524088；2.廉江市氣象局，廣東 廉江 524400；3.中國氣象科學研究院，北京 100081）

利用WRF3.5模式對2013年5月15-17日發生在廣東的大暴雨進行了數值模擬，并對大暴雨強降水時段中尺度系統的動力機制、熱力條件及演變做了進一步的分析。結果表明：WRF3.5模式能較好地模擬出大暴雨過程的強降水中心、降水強度及雨帶分布的變化趨勢。穩定的“兩槽一脊”形勢是大暴雨發生的有利背景條件。高空輻散、低空輻合的有利配置及其耦合產生次級環流，同時地形對迎風坡的西南氣流有阻滯和抬升，是大暴雨過程的主要動力機制。爆發的南海夏季風輸送的充沛水汽在強垂直運動和弱冷空氣作用下釋放的大量能量是此次大暴雨過程的熱力條件。中高層弱冷空氣在次級環流的作用下向低層侵入，與上升的暖濕空氣相互作用，促使斜壓不穩定和對流不穩定的釋放和發展，是大暴雨的觸發機制。

暴雨；數值模擬；中尺度系統；濕位渦；南海夏季風

廣東地處中低緯地區，南鄰南海和太平洋，北依南嶺山脈，境內大部分地區為山地和丘陵，受地形影響顯著；又頻受西風槽、西南低渦等西風帶天氣系統和熱帶氣旋、季風等熱帶天氣系統影響，水汽來源豐富，致使降水量十分充沛，暴雨成為廣東最主要的災害性天氣之一。經過多年的研究，關于暴雨的成果已有很多，特別是數值模擬已經成為研究暴雨的重要方法。汪匯潔等[1]用 WRF模式研究了海南瓊海特大暴雨的中尺度對流系統，沿切變線發展的 中尺度對流系統及其上活躍的 中尺度對流單體是造成大暴雨的主要影響系統。何編等[2]用MM5模式對2008年6月11~13日發生在華南地區的持續性暴雨的大尺度背景進行了分析，低空急流的增強改變了大氣斜壓性，促使低渦發展，是造成此次持續性暴雨的重要原因。余卓晟等[3]利用WRF模擬了成都一次暴雨過程，揭示此次暴雨產生的物理機制。黃明策等[4]對一次華南西部低渦切變特大暴雨進行了中尺度特征分析。賴紹鈞等[5]對華南一次特大暴雨過程進行了數值模擬和診斷分析，認為高低空急流及其耦合產生的次級環流的建立是特大暴雨過程的主要動力機制。地面不穩定能量的累積和西南急流輸送的充沛水汽和不穩定能量在強垂直運動作用下形成的濕上升。鄭啟康等[6]利用WRF對廣東一次區域性暴雨進行了數值模擬分析，較好的揭示了暴雨的影響系統和作用機制。丁治英等[7]利用數值模式對1104號臺風“海馬”進行敏感性試驗，認為臺風在 1104暴雨過程中主要通過影響降水區域的水汽通道導致降水增強。周慧等[8]利用 GRAPES_Meso中尺度數值模式，對一次湘北特大致洪暴雨過程進行綜合分析，得出此次大暴雨過程形成的環境條件是低層切變線維持并誘發出地面風場輻合線，產生強烈的垂直上升運動，配合豐沛的水汽輸送和高不穩定能量釋放。吳丹娃等[9]運用中尺度數值模式WRF對江蘇、安徽兩省沿淮地區發生的一次強對流天氣過程進行數值模擬，指出中低層切變線和地面輻合線對強對流系統起組織和加強作用。2013年5月15~17日廣東大暴雨引發粵東、粵北地區嚴重洪災，因災死亡失蹤 38人，受災人口88.4萬人，緊急轉移安置8萬人，農作物受災面積32.3千公頃，倒塌房屋3105間，直接經濟損失4.5億元人民幣。這次大暴雨時間長，降水強度大，具有顯著的中尺度特征，初步分析認為是全面爆發的南海夏季風與東路南下的冷空氣交匯于廣東地區形成大暴雨。現有常規氣象資料、特別是高空氣象資料分辨率難以滿足中尺度系統分析的需要，本文利用高分辨率的模式輸出資料對此次大暴雨過程中強降水時段的水汽條件、熱力條件、動力機制進行分析，試圖揭示此次大暴雨的中尺度特征以及可能成因。

1　資料與實驗設計

1.1資料來源

利用每日4次1°×1°的NCEP再分析資料對降水的大尺度背景場進行分析。本文所用降水資料來源于自動站與CMORPH降水產品融合的逐時降水量網格數據集。該數據集從中國氣象科學數據共享服務網下載；是基于全國3萬余個自動觀測站逐小時降水量和CMORPH衛星反演降水產品，采用PDF+OI 兩步融合方法生成了中國區域逐小時、0.1°×0.1°分辨率的降水量融合產品。融合數據處理過程中使用的自動站逐小時降水數據是經過了包括氣候學界限值、區域界限值、時間一致性、空間一致性檢查等在內的嚴格質量控制的數據，數據質量優。以NCEP FNL 1°×1°再分析資料作為驅動模式的邊界條件和初始條件。

1.2試驗設計方案

使用新一代中尺度天氣預報模式WRF3.5對廣東北部降水進行數值模擬，模式積分時間為 2013年5月14日12時（下文如無特別說明，均為世界時）到17日00時。模式采用雙層嵌套，水平分辨率分別為12 km、4 km，水平格點數分別為108×96、208×187，垂直分辨率為 30層，模式頂氣壓為50 hPa，模擬區域的中心定于24°N，114°E。模式中第一層網格所采用的積云對流參數化方案為Kain-Fritsch（new Eta），第二層嵌套網格沒有積云對流參數化方案，云微物理過程方案均為WSM5-class，邊界層參數化均為YSU方案，長波、短波輻射均采用RRTM方案。

2　天氣過程概況

2.1天氣實況

2013年5月15日00時-17日00時，廣東大部及附近省份出現了持續大暴雨，局地特大暴雨的降水過程，從各臺站錄得的降水數據來看，15日夜間雨勢最大，全省出現暴雨26個縣（市），其中大暴雨10個縣（市），暴雨站點平均降雨量117.6mm，佛岡過程降雨量為343.9mm，為全省最大值，該站5月15日19時-23時（北京時）降水241.5mm。圖2（a）給出了此次降水量的分布情況，可以看出此次強降水暴雨范圍分布在廣東北部和東部、湖南南部、江西西南部，大于100mm的強降水中心集中在廣東北部和東部，呈西北—東南走向。

2.2大暴雨環流特征分析

有利的大尺度環流形勢是大范圍、持續性暴雨發生發展的必要條件。15日00時（圖1（a）），500 hPa中高緯地區表現為“兩槽一脊”形勢。兩槽分別位于巴爾喀什湖附近、朝鮮半島和日本之間，一脊位于我國東北地區。“兩槽一脊”形勢隨時間向東緩慢移動，且脊不斷增強。在低緯地區，副熱帶高壓呈帶狀分布，其脊線維持在18°N附近，且副高北側不斷有短波槽東移。槽后脊前偏北氣流引導冷空氣從東路頻繁侵入華南。國家氣候中心監測顯示（http://cmdp.ncc-cma.net/Monitoring/monsoon.php）5月第3侯南海夏季風已全面爆發，850 hPa風場上，15日00時前，廣東地區已經維持大于12 m/s的西南風，與偏北氣流膠著在廣東及其附近地區，形成切變線。16日12時（圖1b），隨著冷空氣繼續南下，強西南風帶南移出廣東，維持在臺灣附近。從地面圖（圖略）可以得出，整個大暴雨過程中，地面有一條東西向的鋒面自北向南經過廣東及其附近地區。在穩定的大尺度環流形勢下，冷暖空氣在廣東北部地區頻繁交匯，形成鋒面與切變，是此次大范圍暴雨發生的主要原因。

圖1　環流形勢（實線為500 hPa高度場，850 hPa風矢量，陰影部分為風速大于12 m/s區域）Fig.1　represent circulation situation(solid line:geopotential height at 500 hPa , wind (m/s) at 850hPa , the shaded area wind speed greater than 12 m/s )

圖2　a)，b)分別為15日00時-17日00時總降水量實況和模擬降水量Fig.2　The total precipitation and simulated precipitation from 00 UTC 15 to 00 UTC 17 May

3　中尺度特征分析

3.1數值模擬效果檢驗

圖2-4給出了15日00時-17日00時過程總降水量、每12 h降水的實況和模擬。對比實況，可以得出WRF模式對25mm以上的雨帶形狀模擬與實況觀測基本一致，廣東東部和北部的強降水被模擬出來，但范圍偏大，100mm以上降水出現虛假中心。由大暴雨強降水時段（15日12時至16日00時）的模擬效果可知（圖4（b）），廣東北部的模擬降水偏強，100mm以上的降水范圍與實況基本吻合，總之模式較好地模擬出了強降水時段的降水。

圖3　15日00時-17日00時每12h降水量實況Fig.3　The every 12 hours precipitation from 00 UTC 15 to 00 UTC 17 May

圖4　15日00時-17日00時每12h降水量模擬Fig.4　The every 12 hours simulated precipitation from 00 UTC 15 to 00 UTC 17 May

圖5是大暴雨過程的模擬形勢場，15日00時，廣東北部上空500 hPa開始加深形成小槽；850 hPa氣旋性切變出現在湖南、廣東和江西交界處，15日12時，切變線出現在廣東北部，對應著整個最大的降水時段。16日12時，500 hPa小槽已經東移，廣東開始受弱脊控制，同時850 hPa西南風場南移入海，降水過程趨于結束，整個過程演變和實況的形勢場（圖略）基本一致，說明模式對此次暴雨過程的模擬是成功的，利用WRF模式的模擬結果進行計算和診斷分析是可行的。為詳細研究大暴雨發生發展過程，文章選取大暴雨開始前（15日00時）、強降水階段（15日12時）作為主要研究時段。

3.2動力機制分析

在有利的環流背景條件下，高低空急流軸的傾斜配置與低空低值系統和暴雨的發生、發展有重要關系[10,11]。15日00時（圖6（a））暴雨區中心位于26°N附近，范圍在25-27°N，尺度約200km，說明降水系統具有顯著的中尺度特征，其低層有大于20 m/s的低空急流中心。在暴雨區對流層高層200 hPa北側有高空急流中心，急流中心北側附近負渦度中心（輻散）強度大于40×10-5s-1，向下一直延伸到850 hPa；而暴雨區上空 850 hPa附近存在大于60×10-5s-1的正渦度中心（輻合），向上伸展到200 hPa，正負渦度相交，說明此時暴雨區上空高低層的動量交換已經存在，高層輻散、低層輻合形成強烈的垂直運動。15日12時（圖6（b））高低空急流均加強，正負渦度中心增多且強度均已超過50×10-5s-1，說明高低空之間動量傳遞進一步加大，高層輻散和低層輻合增強，垂直運動也得到了進一步發展，此時暴雨中心位于25°N附近，向南移動100 km左右，這一方面是由于鋒面南移的原因，另一方面是西南氣流在廣東北部遇到山區地形的抬升和阻滯，在山地的迎風坡上游促進了中尺度系統發展。

圖5　模擬850 hPa風速、500 hPa高度場Fig.5　850 hPa wind and 500 hPa geopotential height

圖6　沿114°E剖面（實線為風速，陰影區為渦度）Fig.6　the profile along 114°E at 00 UTC 15 May and 12 UTC 15 May.(solid :wind speed , shaded area :vorticity)

從垂直速度剖面圖來看（圖略），垂直運動與輻合輻散是對應的，上升運動對應著低層大的輻合區，下沉運動對應著低層輻散區。15日00時最強上升運動位于暴雨中心，緊挨暴雨中心北側有下沉運動，兩者構成閉合的垂直環流，但此時暴雨中心南側的垂直環流尚未建立起來；15日12時暴雨中心南北兩側的經向閉合垂直環流均已建立。這種次級環流的建立促進了高低層大氣動量、能量的交換，增強了高層輻散、低層輻合，從而構成一個正反饋過程。由高低空急流合適的配置、次級環流的建立、低層輻合和高層輻散的加強所構成的正反饋過程正是這次大暴雨發生、發展的動力機制。

3.3水汽和熱力作用分析

假相當位溫θse能很好的反映大氣的溫濕狀況，可用來分析氣團和鋒區的活動。θse的垂直分布和水平分布還可用來分析大氣中的能量分布垂直穩定度狀況和大氣濕斜壓性，當時，表示大氣對流性不穩定。假相當位溫的密集帶還可表明此區域存在鋒區，且假相當位溫梯度越大代表鋒區越強［5］。15日00時（圖7（a）），暴雨主要發生在廣東湖南交界處，暴雨區有大于30×10-7g?cm-1hPa-1·s-1的水汽通量中心，同時廣東、湖南、江西交界地區處于θse等值線的高能舌區控制。西南暖濕氣流與高空槽后的冷空氣在此處交匯形成鋒區，導致強降水的發生。15日12時（圖7（b）），強水汽通量中心南移到廣東北部，同時θse等值線更加密集，說明鋒面發展強盛，對應著降水的進一步加強。16日12時，廣東地區的強水汽通量中西已經移向東南方，位于福建沿海地區。850 hPa，廣東北部已被西北氣流控制，切變線已移出，伴隨著廣東大部分地區降水的結束。

圖7　850 hpa水汽通量（陰影區），假相當位溫分布（實線）Fig.7　850 hPa vapor flux(shaded area)，equivalent potential temperature (solid)

15日00時（圖8（a）），整個暴雨區700 hPa以下都是，說明低層為不穩定層結，且濕度達到70%以上，暴雨區上方θse等值線密集，θse面十分陡立，甚至出現高低層打通的現象，十分有利于大暴雨發生。隨著切變線的南移發展，15日 12時（圖8（b）），空氣中水汽凝結潛熱已部分得到釋放，切變線上空的不穩定層結高度向上延伸到 250 hPa，不穩定層結加厚，表明暖濕空氣被持續向上抬升，仍然有水汽凝結潛熱繼續釋放，降水過程持續。16日12時開始，底層仍有不穩定層結，但已經移到22°N以南，且降水區濕層厚度減小，θse高低層打通的現象消失，與降水減弱南移入海相應。

圖8　沿114°E剖面，（實線為假相當位溫，陰影區為濕度）Fig.8　the profile along 114°E (solid :equivalent potential temperature , shaded area :humidity)

θse等值線斜率大有利于高層的干冷空氣向低層侵入和低層暖濕空氣沿著θse等值線向高層爬升［11］，兩者在對流層中層相遇，形成等θse線密集帶，促使氣旋性渦度劇烈發展，對暴雨的發展起了巨大作用。整個暴雨過程中，西南氣流輸送的充沛水汽和不穩定能量，在強垂直運動作用下形成上升運動，由弱的干冷空氣激發而潛熱釋放出大量的能量，是大暴雨過程的熱力條件。

3.4濕位渦分析

吳國雄［12］等從完整的原始方程出發，導出精確形式濕位渦方程，并證得絕熱無摩擦的飽和濕空氣具有濕位渦守恒的特性，在低緯天氣系統分析中同樣適用，使得濕位渦在分析暴雨形成機制方面有著廣泛的應用［13-19］。

式中ζp是相對渦度（單位：-1s），θse是假相當位溫（單位：K），f是科氏參數（單位：-1s）。濕位渦方程又可寫成分量形式

暴雨發生前4 h，底層已經出現負MPV1（圖略），且數值逐漸加大，說明此時底層開始出現對流不穩定現象。15日00時（圖9（a）），MPV1負值區維持在暴雨區26°N上空850 hPa-400 hPa之間，400 hPa以上高空出現正負交界，但梯度不大，表明高空有冷暖空氣已交匯。15日12時（圖9（b）），MPV1負值中心南移到25°N，850 hPa高度處產生MPV1負值區，高度上升到300 hPa，其兩側出現正值，正值區延伸到700 hPa的中層大氣，表明干冷空氣與暖濕空氣交匯的加強、加深。MPV1正值區的梯度不大，說明干冷空氣不強，正是這種弱的干冷空氣與西南暖濕氣流在中高層交匯，激發對流不穩定，而不是因為干冷空氣過強破壞對流。

圖9　15日00時，15日12時沿114°E MPV1剖面圖Fig.9　the profile of MPV1 along 114°E at 00 UTC 15 May and 12 UTC 15 May

MPV2是風的垂直切變和θse水平梯度的乘積，代表濕位渦的斜壓項[13]。15日00時（圖10（a）），暴雨區位于26°N，其中低層上空為正值，北側為負值，南側 MPV2負值主要出現在對流層底層。15日12時（圖10（b）），暴雨區位于25°N，在暴雨區上空低層MPV2為正值，兩側為負值，比15日00時表現更加明顯，說明濕位渦在強的垂直風切變作用下，向低層傳遞。對比圖9、10可以看出，MPV1，MPV2正負值的交界處近乎垂直，也說明干冷空氣主要是從對流層高層通過垂直運動與暖濕空氣相互作用，而不是從中低層入侵。

圖10　15日00時，15日12時沿114°E MPV2剖面圖Fig.10　the profile of MPV2 along 114°E at 00 UTC 15 May and 12 UTC 15 May

整個大暴雨過程可以解釋為弱干冷空氣和暖濕空氣在次級環流和上升運動的作用下，在對流層中低層相遇，激發位勢不穩定和對流不穩定，是強降水發生的主要觸發機制。

4　結　論

本文利用WRF3.5模式對2013年5月15-17日發生在廣東北部和東部地區的大暴雨過程進行了數值模擬，并對大暴雨中的強降水時段做了進一步中尺度特征分析，其主要結論如下：

1）此次大暴雨過程是在有利的大尺度環流形勢下發生的，500 hPa具有明顯的“兩槽一脊”形勢，冷空氣從東路南下，同時南海夏季風全面爆發，較強的西南暖濕氣流與冷空氣交匯于廣東北部，形成切變線和鋒區對，觸發中尺度對流系統產生；

2）高低空急流適宜的配置、次級環流的建立、低層輻合和高層輻散的加強所構成的正反饋過程，同時廣東北部山區由于地形對迎風坡西南氣流有抬升和阻滯作用，共同為此次大暴雨的發生、發展提供了動力機制；

3）對流層高層的弱干冷空氣和低層的暖濕空氣在次級環流和上升運動的作用下，在對流層中低層相遇，激發位勢不穩定和對流不穩定，是強降水發生的主要觸發機制；

4）南海夏季風的西南氣流輸送的充沛水汽和不穩定能量，在強垂直運動作用下形成上升運動，與對流層高層的弱干冷空氣相互作用，潛熱釋放出大量的能量，是大暴雨過程的熱力條件，大暴雨的強降水時段對應著高低層假相當位溫的打通現象。

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（責任編輯：任萬森）

Numerical Simulation and Mesoscale Analysis of a Heavy Rainstorm on May 15, 2013 in Guangdong

ZHANG Zhong1,2，XU Feng1，LIU Li-ping3
（1.Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088,China; 2.Lianjiang Meteorological Bureau, Zhanjiang 524088,China; 3.Meteorological science research institute of China, Beijing 100081,China）

By applying WRF model, this study gives detailed diagnosis of a heavy rain that happened in Guangdong from May 15 to 17.The result shows:The WRF model can simulate the heavy rainstorm center, distributed and intensity tendency.The stable “Two troughs and one ridge” circulation was the background condition of this heavy rainstorm.An upper-level jet stream, a lower-level jet stream and a vertical secondary circulation driven by them were the main dynamical mechanism of this process.An ascending wet jet induced by the dry cold air and the warm water vapor transported by south china sea summer monsoon was the thermodynamic condition of this heavy rainstorm.The topographic blocking effect slows down the southeast jet movement, which is beneficial to the formation of the extreme rainfall upstream.The dry cold air from the mid- and upper-levels of the troposphere that invaded the lower level due to the secondary circulation interacted with the ascending warm wet air flow from low levels being conducive to the releasing and development of baraclinic instability and convective instability energy, which was the triggered Mechanism of this heavy rainstorm.

Rainstorm; Numerical simulation; Mesoscale system; Moist potential vorticity; south china sea summer monsoon

P426.62

A

1673-9159（2015）01-0082-08

2014-12-23

國家自然科學基金（41475120），廣東省教育廳科技創新項目科研項目（1209363），災害天氣國家重點實驗室2011開放課題，廣東省研究生教育創新計劃項目（521002025），廣東海洋大學研究生教改重點項目（521002014）

張 仲（1990-），男，碩士研究生，主要從事海洋氣象研究.E-mail:zjzz1990@163.com。

徐 峰，男，博士，教授，研究方向：大氣物理學與大氣環境、海洋氣象.E-mail:gdouxufeng@126.com