西藏林芝地區一次暴雨過程的中尺度模擬與分析

田 暢，隆 霄，韓子霏

（蘭州大學大氣科學學院，甘肅 蘭州730000）

青藏高原平均海拔為4000～5000 m，是世界上面積最大、海拔最高的高原，青藏高原地區的環境變化對高原以及周邊其他地區人類的生存環境和經濟發展能產生非常重要的影響[1]。同時由于青藏高原地形復雜，暴雨具有突發性強，時空分布不均勻的特點，因此如何準確預報發生在該地區的暴雨一直是氣象工作者面臨的難題[2]。

目前對于高原地區暴雨天氣過程已有許多學者進行過研究。屠妮妮[3]等對高原東側一次暴雨過程的研究表明，濕位渦的演變與暴雨發展有很好的對應關系，濕位渦最大值與暴雨過程最強時段的出現時間一致；任余龍[4]等用位渦理論對發生在高原東部的一次暴雨機制進行研究，結果表明：副熱帶高壓邊緣充沛的水汽輸送，暴雨區上空強烈的水汽輻合是暴雨發生的主要原因，暴雨發生前的不穩定能量為暴雨的發生提供有利的熱力條件；何光碧[5]等對三次高原切變線過程的研究指出，切變線附近通常伴有TBB＜－20℃的線狀或塊狀區域，對流活動較為旺盛，由于地形的阻擋和加熱，高原東坡和南坡是大氣不穩定能量聚集地。王志遠[6]對高原東北部一次區域性暴雨的形成機理進行診斷分析，指出高低空系統的合理配置，副高西北側β尺度對流云團發展是造成此次暴雨的主要原因。由于高原地區常規觀測資料的時空分辨率較低，不足以分辨中尺度對流系統的發生發展及演變過程，因而高時空分辨率的數值模擬成為研究中尺度運動的一個重要工具。近十幾年來，已利用高分辨率數值模式對對流降水進行了大量的研究，取得了許多有意義的成果[7-12]，但對于發生在青藏高原地區的暴雨數值模擬研究還相對較少，陳靜[13]等利用中尺度非靜力數值模式MM5，模擬一次青藏高原東側的大暴雨過程，結果表明高分辨率的數值模式對觸發本次暴雨過程的中尺度對流系統具有較好的模擬能力；何光碧[14]等利用WRF模式引入氣象站海拔資料，修改模式局地地形的方法，分析地形因素對數值模式預報效果的影響，得出在模式中引入真實地形可使模擬的降水強度增大、強降水中心落區和發生時間均有所改善；趙玉春[15]等利用WRF模式和地形上游探空垂直廓線在模式真實地形下開展理想數值模擬試驗，得出氣流在遇到高原東坡地形后爬坡和阻滯繞流同時存在，爬升和繞流形成的氣旋性切變有利于對流暴雨的發生和發展。吳勝剛[16]等利用中尺度數值模式WRF對青藏高原南坡地區降水的模擬分析表明：高原南坡的降水對積云對流參數化方案的選擇很敏感，不同方案模擬的結果有顯著的差異。

林芝地區位于高原東南部，該地區夏季降水是西藏地區最多的地區[17]，降水強度較大。本文選取發生在2015年8月19日林芝地區的一次暴雨過程，利用中尺度數值模式WRF對此次降水過程進行數值模擬，并結合常規觀測資料和FY-2E衛星產品，分析此次暴雨過程的天氣學特征、水汽條件及中尺度特征，以加深對青藏高原地區暴雨機制的認識，從而為該地區的暴雨預報提供理論基礎。

1 環流特征及對流云團演變分析

1.1 暴雨過程概述

2015年8月19日00時至20日00時（BT，下同），林芝地區出現了一次暴雨天氣過程，它具有影響范圍大、持續時間長、降水量大等特點。8月17日和18日林芝地區已有多個觀測站出現了大雨，至19日降水量達到最大，由24 h降水量分布（圖1a）可看出此次降水范圍比較集中，林芝地區有8個觀測站都達到暴雨級別（西藏氣象臺給出林芝站暴雨指標為日降水量≥40 mm），其中墨脫站53.7 mm，林芝站66 mm，通麥站58 mm，波密站達到75.9 mm，突破了此地的歷史極值。6 h降水量的分析顯示，此次暴雨過程的強降水時段出現在 14：00—20：00（圖 1b），最大降水量出現在林芝站，6 h降水量達到45 mm。

1.2 環流形勢分析

2015年8月19日08時，在對流層高層200 hPa，南亞高壓中心位于青藏高原的西南側，其東伸脊點位于 78°E 附近，在其東北側（30°～45°N，90°～120°E）區域存在高空急流帶，中心最大風速可達到40 m/s，林芝地區位于南亞高壓的東北部，高空急流入口區右側（圖2a）。林芝地區的海拔平均為3000 m，500 hPa高度相當于該地區的對流層低層。在該高度層，伊朗高壓東伸與西太副高之間形成一條從尼泊爾到西藏東部的橫槽切變線，伴隨在高原中部形成的低渦發展，低渦東移南壓至林芝地區，形成“低渦切變”的天氣形勢（圖2b），這種高原低渦切變形勢有利于此次暴雨過程的形成和發展。

1.3 中尺度對流云團的演變特征分析

由于青藏高原地區的常規觀測資料較為稀疏，以下利用高時空分辨率的氣象衛星觀測資料來分析影響暴雨過程的中尺度對流系統。文中所用的衛星資料為FY-2E衛星9210格式逐小時TBB產品。一般TBB≤－32℃的區域為對流活躍區，TBB溫度越低，對應的云頂高度越高，對流系統的發展越旺盛。從TBB隨時間的演變圖（圖3）上可以看到，在8月19日的14：00時，林芝地區500 hPa高度上出現明顯的氣流輻合，對流云團位于輻合線上（圖3a），其東南部出現TBB值低于－54℃的強對流云團A，此后該強對流云團不斷發展，在其西南部有2個對流云團（B，C）不斷形成發展，它們形成一條東北西南向的線狀對流系統，3個強對流云團A、B和C的TBB 值增強到－58 ℃以下（圖 3b、3c）；到 17：00（ 圖3d），對流云團A不斷消散，對流云團B和C則不斷向東北方向移動并增強，其中心TBB值達－60℃；到18：00，對流云團A幾乎完全消失，對流云團B和C范圍有所擴大，但強度減弱（圖3e）；至20：00（圖3f），對流云團B和C處于槽前，強度明顯減弱。

圖 1 林芝地區 2015 年 8 月 19 日 08：00—20 日 08：00（a）和 19 日 14：00—20：00（b）降水量分布（單位：mm）

圖 2 8 月 19 日 08：00 200 hPa（a）、500 hPa（b）的環流形勢（等值線，單位：gpm）和風場（風羽，單位：m/s）合成

圖3 8月19日FY-2E TBB的演變

以上分析表明，此次暴雨與對流層高層200 hPa南亞高壓與高空急流及500 hPa低渦橫槽切變線的發展密切相關。中尺度對流云團演變特征顯示，暴雨的發生發展過程是線狀對流系統中的對流云團不斷發展演化的結果。有研究表明線狀中尺度對流系統，它是造成暴雨、冰雹、龍卷等災害性天氣的重要系統之一[17]。

2 數值模擬試驗設計及模擬結果檢驗

2.1 模式方案設計

利用中尺度數值模式WRF進行三重嵌套模擬(圖 4），模擬中心點設在（29.5°N ，94.5°E），格點域為147×108、220×175 和 265×220，對應的格距分別為45、15 km和5 km，垂直層次分為30層，模式層頂設在50 hPa，模式的初始場和邊界條件由NCEP提供的每6 h一次的FNL再分析資料（水平分辨率為1°×1°）產生。模擬方案中微物理過程采用WSM6類冰雹方案，長波輻射和短波輻射采用RRTM方案和Dudhia方案，近地面層為Monin-Obukhov的MM5相似方案，陸面過程為Noah陸面參數化方案，行星邊界層采用YSU方案，D01和D02模擬區域采用的積云參數化方案為Kain-Fritsch（new Eta）積云對流參數化方案，D03區域沒有啟動積云對流參數化方案。本次模擬啟動時間為2015年8月18日08時，共積分48 h，時間步長為180 s，模擬結果每1 h輸出一次。

2.2 模擬結果檢驗

D03模擬區域8月19日08時—20日08時的24 h降水量分布（圖5a）和TRMM衛星觀測的24 h降水量的分布（圖5b）的對比可以看出，模擬結果的整體雨帶分布與TRMM衛星觀測降水基本一致。對于此次降水過程，模擬的降水范圍偏大、強度偏小，而在高原南坡降水的范圍和強度都偏大，高原東北至四川青海一帶出現少量虛假降水。考慮到高原地區復雜地形背景，總體來看降水模擬結果較好。模擬的和客觀分析的8月19日08時500 hPa環流形勢和風場的對比分析也表明，模式也較好地模擬出此次暴雨過程的大尺度環流背景。

3 水汽條件分析

圖4 WRF模式三重嵌套網格區域（a）和D03模擬區域的地形分布（b）

圖5 2015年8月19日08：00—20日08：00 24 h累積降水模擬（a）和TRMM衛星觀測（b）的24 h降水量分布（單位：mm）

充足的水汽供應是暴雨的形成和發展的必要條件。圖6為D03模擬域模擬的500 hPa的水汽通量及其散度和3 h降水量的疊加圖，從圖中可以看出：在暴雨發生過程中，在低層500 hPa存在一條東北—西南向的水汽輻合帶，這與TBB的分布特征非常一致。從圖中也可以看出此次暴雨過程的水汽輸送主要為西南氣流，孟加拉灣暖濕空氣被強盛的西南風引導至高原，水汽通量的最大值位于高原東南及東北部，降水量的增加與水汽強度的增強一致。圖7顯示可以看出最強降水區域與500 hPa上升運動的大值區吻合，上升運動可以將低層暖濕氣流帶至高層產生凝結降水，并釋放凝結潛熱，進一步促使垂直運動的發展，有利于強降水的形成。以上分析說明，充足的水汽輸送為暴雨的形成提供了充沛的水汽條件，強烈的垂直上升運動則有利于水汽的抬升凝結，釋放潛熱可促進上升運動的發展，這樣形成的正反饋機制為暴雨的維持和發展提供有利的條件。

4 中尺度系統垂直結構分析

觀測分析顯示，此次暴雨過程的強降水時段出現在8月19日14—20時，為研究中尺度系統的垂直結構，沿圖7黑色實線AB模式模擬的強降水中心作散度、渦度、垂直速度以及假相當位溫等垂直剖面圖（圖8、圖9、圖10），對暴雨形成和發展中的中尺度系統結構進行分析。

圖6 8月19日14：00（a）和18：00（b）500 hPa水汽通量（箭矢，單位：g/（hPa·m2·s）、水汽通量散度

圖 7 8 月 19 日 14：00（a）和 18：00（b）500 hPa風場（箭矢，單位：m/s）、垂直速度（陰影，單位：m/s）及 1 h 降水（等值線，單位：mm）的合成

強烈的垂直上升運動是暴雨過程發生的必要條件。強降水區位于地形的迎風側，由于地形的抬升作用，在地形的迎風坡出現明顯的上升運動，并在其東南側出現明顯的下沉補償氣流（圖8）。由散度場的垂直剖面結構分布顯示，散度場具有低層輻合、高層輻散的特征，500 hPa以下主要為輻合區域，以上為主要輻散區域。低層輻合、高層輻散所造成的抽吸作用可以增強該區域的垂直上升運動，在上升運動附近伴有下沉補償氣流（圖8a）。由渦度場的分布可以看出，在暴雨區存在明顯的正渦度，正渦度區可向高層延伸至300 hPa，正渦度中心值可達到80×10-5s-1，正渦度與強上升運動相伴，配合迎風坡地形的強迫抬升作用，有利于正渦度區的發展并向高空延伸，為暴雨的發生提供了有利的動力條件。

從垂直速度的分布來看，垂直上升運動區域主要位于700～300 hPa，最大的上升運動達1.4 m/s（圖 9）；假相當位溫（θse）是綜合表征大氣溫度和濕度的量，其垂直分布可用來分析大氣的垂直熱力結構及垂直穩定度狀況，假相當位溫等值線斜率大，有利于低層的暖濕空氣向高層抬升，與高層的干冷空氣相遇，形成等假相當位溫線的密集帶，促進氣旋性渦旋的發展[19]。由19日14時（圖9a）的假相當位溫的垂直剖面可以看到，在此次暴雨過程的主要降水區，300～600 hPa等假相當位溫線的斜率很大，θse密集區在迎風坡的上空向東南方向傾斜分布，在強上升運動區，為假相當位溫的高值區，可達356 K。低層暖濕空氣在向高層爬升的過程中釋放凝結潛熱，從而加強大氣的不穩定度，至19日18時，假相當位溫等值線密集帶的斜率以及垂直速度都有所加強，假相當位溫高值區與垂直速度大值區的位置都向高空延伸，且與圖8中所示的正渦度區域一致。大量的暖濕空氣存在于降水區的上空，不穩定層結促進上升運動加強，配合地形的抬升作用，將低層的暖濕水汽帶至高層并釋放潛熱，為此次暴雨過程提供有利的熱力條件。

圖 8 8 月 19 日 14：00（a、c）和 18：00（b、d）沿圖 7 所示直線作散度（陰影，單位：10-5s-1）（a，b）、垂直渦度（c，d）（陰影，單位：10-5s-1）、風場（矢量，單位：m/s）的垂直剖面

圖9 8月19日14：00（a）和18：00（b）沿圖7所示直線作假相當位溫（等值線，單位：K）和垂直速度（陰影，單位：m/s）的垂直剖面

螺旋度的定義式為風速和渦度點積的體積分：

垂直螺旋度為垂直渦度和垂直速度的積，又稱k或z-螺旋度。劇烈的天氣現象中通常存在垂直渦度大的系統，垂直速度又是造成天氣現象的主要原因，垂直速度的大小也反映了天氣現象的劇烈程度，因此垂直螺旋度是綜合反映垂直渦度與垂直速度配合情況的物理量，它可以反映出天氣系統的發展、維持狀況，還能表現天氣現象的劇烈程度。局地垂直螺旋度計算方法為：

W為Z坐標系中的垂直速度，ζ為相對渦度的垂直分量[20-21]。

降雨前期（圖10a、10b），可以看到94.8°E附近，對流層低層存在垂直螺旋度正值區，中高層存在垂直螺旋度負值區，至降雨強盛期（圖10c、10d）正垂直螺旋度區高度延伸至近300 hPa，且強度增大至-70×10-5m/s2。高層輻散促進低層的輻合，配合迎風坡地形的抬升作用，可使低層的正垂直螺旋度區逐漸向高層抬升，并使上升運動加強，有利于暴雨過程的維持和發展。垂直螺旋度中低層正中心、高層負中心的配置使得低層有正渦度的輻合上升區，高層有負渦度的輻散區，這種結構有利于系統自身的發展與維持，垂直螺旋度正大值區與暴雨的落區也有較好的一致性。

5 結論

受特殊地形的影響，青藏高原地區是我國易發生災害性天氣的地區。本文對2015年8月19日發生在林芝地區的一次暴雨過程的大尺度系統和中尺度對流云團進行了分析，然后利用中尺度WRF模式對此次暴雨過程進行數值模擬，模擬結果較好地再現了此次暴雨過程，其環流形勢和降水的落區、強度與實況較為一致。利用WRF模式輸出的高時空分辨率資料對此次暴雨過程的水汽條件以及動力、熱力學特征進行了診斷分析，得到如下主要結論：

（1）天氣分析表明，暴雨過程發生在有利的大尺度環流背景下，林芝地區處于伊朗高壓東伸與西太副高之間形成的橫槽切變線的環流形勢下，受東移南壓的高原低渦影響，伴隨輻合線發展的線狀對流系統是此次暴雨發生的主要原因。

（2）強盛的西南風將孟加拉灣暖濕空氣引導至高原東部，形成一條東北—西南向的水汽輻合帶；強上升運動將低層暖濕空氣向高層抬升釋放潛熱，為暴雨的發生提供有利的熱力條件。

圖 10 8 月 19 日 14：00（a）、15：00（b）、16：00（c）、18：00（d）沿圖 7 所示直線作垂直螺旋度剖面

（3）低層輻合、高層輻散并伴有強烈的上升運動的垂直結構特征，以及有利的大氣熱力結構為此次暴雨過程的發生、發展提供了動力條件。

（4）暴雨過程中垂直螺旋度中低層正中心、高層負中心的結構配置有利于天氣系統的維持和發展，垂直螺旋度正大值區可較好的對應強降水的落區。