基于WRF模式對貴州一次山地暴雨數值模擬研究

黃天福，高 鵬，吳安坤，劉 鵬,陳昌文

(1.貴州省六盤水市氣象局，貴州 六盤水 553000；2.貴州省氣象災害防御中心,貴州 貴陽 550081)

1 引言

貴州位于烏蒙山脈南端，云貴高原北部，全省92.5%為山地、丘陵，地形較為復雜。屬亞熱帶濕潤季風氣候，夏季暴雨時有發生，短時強暴雨和持續性暴雨以及誘發的次生災害對貴州影響巨大。大量氣象學者對貴州暴雨發生、發展以及預報做了相應科學的研究[1]，在暴雨數值模擬預報研究上，張潤瓊等[2]利用MM5對貴州一次暴雨天氣進行數值模擬得出：暴雨中心位于最大垂直速度中心附近，南北兩支閉合徑向垂直環流對暴雨區低空入流和高空流出具有非常重要的作用。吳哲紅等[3],伍紅雨等[4]也是采用MM5 V3.6模式對貴州暴雨進行數值模擬研究，并得到了各自的理論。后期喬林等[5]采用WRF模式對黔西南一次中尺度暴雨的數值模擬診斷研究指出，對流層低層的中尺度輻合線造成了初始的上升運動,β中尺度對流系統首先在地面鋒線前不穩定的暖區中生長,輻合線南側的偏南氣流對水汽和熱量的輸送是對流能夠持續生長的最重要因素。何玉龍等[6]也采用WRF數值模擬對貴州暴雨展開模擬及診斷分析指出，低渦的時空演變與暴雨中心移動和暴雨強度相一致。結合WRF模式與MM5模式對貴州暴雨模擬情況對比分析上看，WRF模式能更好模擬出不同降水性質的降水天氣過程，但是目前貴州山地暴雨的暴雨量級和暴雨落區預報并不是很好,特別是在暴雨落區預報上，很多預報員在暴雨落區上預報不準確，只知道有這么一次天氣過程，在落區預報上采取大面積撒網的方式，針對這一問題。本文將采用WRFV3.6.1模式對發生在貴州山區2012年5月21日傍晚到夜間一次大暴雨進行模擬和診斷分析，從中找出一些有利于貴州山地暴雨落區預報的技術指標，進而提高貴州暴雨預報質量。

2 降水實況

2012年5月21日20時—22日20時貴州省境內出現區域性大暴雨天氣過程。降雨天氣涵蓋全省(圖1)，強降水主要出現在貴州省的西南部暴雨區。全省共計85個縣站、1 690個鄉鎮出現降雨天氣，大暴雨發生主要區域在貴州西南部的六盤水、安順、黔西南州大部、畢節東南部、黔南西北部和貴陽西部等地區，北部邊緣和省中部以東降水量級較小，省東部和東南部個別站點出現暴雨。根據統計：全省有2個鄉鎮出現特大暴雨，六盤水的板橋鎮和畢節市的桂果鎮，以板橋鎮的208.9 mm為最大降雨。有3縣測站達到大暴雨量級，六盤水的六枝站135.8 mm、黔西南的晴隆站128.3 mm和貴陽的平壩站 101.7 mm,69個鄉鎮達到大暴雨。

由于此次強降水天氣過程降水時間短(集中在21日22時—22日04時)(圖2)，降雨強度大(最大小時雨量在79.8 mm)，降水范圍廣(覆蓋全省)等特點。根據不完全統計，此次暴雨造成西南部大部分公路與農田被沖毀，農作物受災面積大，房屋損壞多并且嚴重。由于強降水誘發的更多的次生災害，畢節市黔西縣城關鎮因為強降水漬澇導致一土墻青瓦房倒塌，造成3人死亡5人受傷的傷亡事故[7]。

圖1 2012年5月21日20時—22日20時實況降水Fig.1 The actual precipitation from 20 o 'clock May 21 to 20 o 'clock, May 22, 2012

圖2 大于150 mm 8站平均降水量時間序列Fig.2 Average precipitation time series for 8 stations greater than 150 mm

3 大氣環流及中尺度系統分析

通過對5月21日08時—22日08時高、中、低層和地面演變對此次大暴雨天氣的發生發展進行天氣學分析。21日08時高空500 hPa(圖3a)，歐亞中高緯度為“兩槽一脊”環流形勢，兩長波槽分別位于我國巴爾喀什湖以南和東亞沿海地區，高壓脊位于我國的東北一帶，低緯呈平直西風帶形勢。低渦中心位于貝湖東南側，低槽延伸到我國境內，槽后有強的西北氣流引導冷空氣南下，高原上為平直的西風氣流，四川東部—貴州西北部有一高空槽，貴州位于槽前西南氣流影響。21日20時(圖3b)高原高空槽加強發展東移南壓到川東—貴州省西北部，此時貴州受位于槽前西南氣流影響。22日02時(圖3c)槽繼續東移南壓，位于廣西西北部，貴州西北部受槽后偏西氣流影響，貴州東南部仍然受槽前偏西南氣流控制。

圖3 500hPa高空環流形勢演變圖(a.21日08時 b.21日20時 c.22日02時)Fig.3 500 hPa High Altitude Circulation Situation Evolution Map(a. 8 o'clock,May 21; b.20 o'clock,May 21; c.2 o'clock,May 22)

分析700 hPa環流形勢演變，21日20時(圖4a)貴州全省為強勁的西南氣流，四川東部有一低渦，低渦切變沿川東南—貴州西北角延伸至滇東北角，未來南壓影響貴州全境。22日02時(圖4b)影響貴州的西南氣流加強為低空西南急流，低渦繼續位于四川省的東部，低渦切變南壓到四川東南部—貴州中西部，此時低渦切變完全控制影響貴州全境。850 hPa上(圖略)，21日20時貴州為偏南氣流，位于貴州省西北角有一低渦，且該低渦位于500 hPa高空槽的前端,槽前的正渦度平流有利于該低渦的發展，未來影響貴州全境。

圖4 21日700 hPa高空環流形勢演變圖(a.08時，b.20時)Fig.4 700 hPa High Altitude Circulation Situation Evolution Map(a. 8 o'clock,May 21; b.20 o'clock,May 21)

4 WRF模式介紹與對比分析

4.1 WRF模式介紹

本文采用中尺度天氣模式WRFV3.6.1模擬此次暴雨天氣過程，采用墨卡托地圖投影的三重嵌套網格[8](圖1),從地面到模式層頂分為43個eta層。詳細模式設計方案閱表1。

圖5 WRF模擬的嵌套區域Fig.5 Interwoven area of WRF Simulation

圖5中的d03區域是覆蓋了本文所研究的區域，此次模擬客觀分析的第一猜測場使用的是NCEP提供的一日4次空間分辨率為1°×1°的NCEPNCAR 全球再分析FNL資料，同時使用RGT的實時變化的海溫數據進行海溫數據的訂正和反饋。3個區域模式開始積分的時間都為2012年5月20日20時，積分到2012年5月22日20時，共積分48 h。

表1 使用的模擬方案Tab.1 Simulation plan adopted

4.2 降水對比

此次強降雨天氣過程主要發生在21日夜間—22日凌晨，模擬降水結果如圖6所示。可以看出，經過數值模擬的24 h累積降水量級比較一致，都達到大暴雨量級，省西南地區的暴雨落區和大暴雨落區也能模擬出來，但是模擬較實況相比，落區略偏大。此外，省中北部暴雨落區較實況偏大。總體認為模擬結果能夠較好的模擬出降水分布情況。

圖6 2012年5月21日08時—22日08時24 h降水量 (a.實況累計 b.d02區域模擬累計)Fig.6 The precipitation from 8 o 'clock, May 21 to 8 o 'clock, May 22, 2012(a.the actual accumulative precipitation； b.the accumulative precipitation of WRF Simulation in d02 area)

5 動力作用分析

為了討論此次強降水過程的動力條件演變特征，以下將對數值模擬暴雨最大降水時段(即5月22日02時)發生之前和發生之時的渦度場、散度場和垂直速度場進行分析。

5.1 渦度分析

從圖7中可以看出，在強降水發生最強時(5月22日02時)，850 hPa上貴州省西南部存在零散的渦度中心，但渦度值偏小，在強降水發生時(5月22日08時)，850 hPa上該區域的渦度值增大且渦度高值中心向東移的，這與降雨中心移動是一致的。

5.2 散度分析

分析5月22日02時、08時200 hPa散度場，可以從圖8中看出，同渦度存在相同的形勢，在強降水過程發生之前，貴州省西南部地區200 hPa存在零散的散度中心，散度值都比較大。

圖7 5月22日相對渦度(a.02時 c.08時)和相對渦度垂直剖面(b.02時 d.08時)，等值線為正渦度區Fig.7 The contour represents positive vorticity region on 2 o 'clock, May 22 and and 8 o 'clock, May 22(a,c: the relative vorticity; b,d: the vertical cross section)

圖8 5月22日200 hPa散度(a.02時 c.08時)與沿25.5°N散度垂直剖面(b.02時 d.08時)，等值線為正散度區Fig.8 The contour represents positive divergence region on 2 o 'clock, May 22 and 8 o 'clock, May 22 (a,c: the divergence at 200hPa; b, d: the vertical section of divergence along 25.5N)

沿25.5°N作經向剖面之后發現，強降水中心從地面到300 hPa左右散度為負值，即這段垂直區域為輻合區，而300 hPa以上正散度發生發展得比較旺盛，正散度柱一直延伸到150 hPa，在150 hPa上形成一個正散度中心，這說明強降水中心高層為強輻散區，進而形成低層輻合、高層輻散的形勢，這種形勢十分有利于垂直運動的發展，促進強對流天氣的發生發展[8]。隨著時間的變化，散度中心沿自西北—東南向移動，在剖面上低層輻合、高層輻散的配置也略微減弱，而且對比兩個時刻的散度剖面圖可以發現，在高層存在的輻散區隨時間有向低層移動的趨勢。

6 熱力作用分析

6.1 假相當位溫和濕度演變特征

分析假相當位溫可以判定大氣層的穩定性，(圖9)給出了5月22日02時、08時假相當位溫和相對濕度的高度—經向圖，圖9a中可以看出在強降水中心上方存在著假相當位溫密集區，在密集區中相對濕度伸展高度至250 hPa左右，在降水中心上方，假相當位溫形成一個向下凹的舌區，舌區幾乎伸展到了200 hPa，表明此時此地的上升對流運動最為劇烈，而中高層中，假相當位溫幾乎不變，接近中性層結。圖9b中，強降雨中心上空都存在著深厚的濕層，但西部的濕區漸漸減弱，并向東移動。假相當位溫舌區也向東移動，不穩定層結也有所減弱。濕區和假相當位溫舌區的移動與降水中心的移動有著很好的對應關系。可見，大暴雨的發生易在不穩定條件和強上升運動區域中。

6.2 CAPE和比濕分析

大氣中的不穩定能量的集聚和釋放可以由對流有效位能很好的反映出來，對流有效位能的值越大，強對流發生的可能性就越大[9]。根據模擬所得資料作出22日02時、08時對流有效位能的水平分布情況(圖10)，圖10 a可以看出CAPE幾乎覆蓋了整個貴州省，貴州省的中西部地區全部超過1 000 J/kg，黔西南地區有部分地區超過了1 400 J/kg，這說明貴州中西部地區層結不穩定，特別是黔西南州，處于強對流天氣極易發生的地區，與大暴雨落區是相一致的。

圖9 22日假相當位溫(虛線)和相對濕度(陰影區)垂直剖面(a.02時 b.08時)Fig.9 The vertical section of pseudo-equivalent potential temperature (the dotted line) and relative humidity (the shaded area) (a. 2 o 'clock, May 22; b. 8 o 'clock, May 22)

圖10b中，CAPE值明顯向東移動，已經移動到黔西南東南部和黔南大部，與大暴雨落區東移也是一致的。

從強降水發生前和發生時700 hPa比濕的水平分布圖中可以看出，兩個時刻貴州中西部的比濕都是一個高比濕區，暴雨最強時，比濕中心主要位于黔西南州，最高達到16 g/kg，整個貴州省的中西部地區都處在貴州暴雨比濕條件(700 hPa上比濕大于8 g/kg)中，在22日08時，比濕中心東移，同樣滿足貴州暴雨比濕條件。

由此可見，“5.22”大暴雨過程中，低層深厚的濕層為大暴雨發生提供了充足的水汽條件、充足的對流有效位能和比濕提供了能量條件、不穩定層結和強烈的上升運動也給此次大暴雨提供了有利配置，使得中尺度對流系統得到很好地發展，進而引發強降水。

7 垂直螺旋度分析

圖10 22日對流有效位能CAPE水平分布(a.02時 b.00時)Fig.10 The horizontal distribution of CAPE. (a. 2 o 'clock, May 22; b. 8 o 'clock, May 22)

許多研究發現，垂直螺旋度較渦度和垂直速度變化更為敏感，且其分布與雨區配合較好[10]，垂直螺旋度與暴雨落區有著一定的對應關系，任軼等[11]使用700 hPa上垂直螺旋度來與暴雨落區做驗證對比，發現暴雨落區與700 hPa上的垂直螺旋度有很好地對應關系，垂直螺旋度在大雨以上強對流天氣分析、預報中有很好的指示作用。

圖11 22日700 hPa垂直螺旋度(a.02時 b.08時)沿垂直螺旋度的垂直剖面(c.02時 d.08時)Fig.11 The vertical helicity at 700 hPa (a. 2 o 'clock, May 22; b. 8 o 'clock, May 22) and the vertical section of the vertical helicity at 700 hPA (c. 2 o 'clock, May 22; d. 8 o 'clock, May 22)

圖11a、11b是兩個不同時刻(2016年5月21日02時和22日08時)的700 hPa的水平分布，可以發現在第一個時刻在貴州中西部存在著分散的垂直螺旋度高值區，對比降雨分布圖(略)，可以發現這些高值區較好的對應著降水落區，但是降水落區比垂直螺旋度略偏大和成片。22日08時圖11 b中的垂直螺旋度的高值區也可以和對應時刻的降水落區有一定的對應關系。這與強降水發生的地方是一致的。對應的高度—經度剖面圖11c、11d中可以看出在強降雨中心上方，垂直螺旋度伸展到了150 hPa，強度大，在500～200 hPa形成高值區。在下一個時刻，垂直螺旋度高層的高值中心減弱，并逐漸向中低層移動，在水平方向上向東移動，形成了相間的高值中心。

綜上所述，700 hPa上的垂直螺旋度與降水落區有著較好的對應關系，在實際業務中可以用來確定降雨落區，為提升預報業務水平提供依據。

8 小結

數值模擬分析可以在一定程度上填補高原上常規觀測資料缺乏、分辨率不高的空缺。本文利用中尺度數值模式WRF對2016年5月22日的一次強降水天氣過程進行數值模擬研究，將數值模擬結果和觀測實況進行對比，同時使用WRF模擬結果分析此次降水過程中動力和熱力，以及垂直螺旋度等方面的演變特征，有以下結論：

①WRF能夠較好地模擬出此次大暴雨過程的大尺度環境、降水分布，對此次大暴雨天氣過程的演變有一個很好的重現，只是在貴州中北部的累計降水略偏大，可認為其9 km和3 km高分辨率資料可以用來對此次暴雨過程系統進行詳細的分析研究。

②此次降雨過程存在著明顯的低層輻合、高層輻散的形勢配置，這有利于垂直運動的發展，進而產生劇烈的強對流天氣。垂直速度也體現出在降雨中心存在著強對流發展，伸展高度高，垂直區域廣。

③“5.22”大暴雨過程中，低層深厚的濕層為暴雨發生提供了充足的水汽條件、充足的對流有效位能和比濕提供了能量條件、不穩定層結和強烈的上升運動也給此次大暴雨提供了有利配置，使得中尺度對流系統得到很好地發展，進而引發強降水。

④700 hPa上的垂直螺旋度與降水落區有著較好的對應關系，在實際業務中可以用來確定降雨落區，為確定落區提供科學依據。