辛 悅

(內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

1 研究背景

復(fù)雜地形條件下暴雨的形成是氣象條件和復(fù)雜地形相互作用的結(jié)果。暴雨和對(duì)流天氣出現(xiàn)的時(shí)間、地點(diǎn)、強(qiáng)度除與天氣因子有關(guān)外,受到地形的影響也很顯著。研究表明，山脈對(duì)天氣有顯著影響[1-3]。在迎風(fēng)坡，由于地形的動(dòng)力抬升及屏障作用，使得氣流被迫爬升，大氣的水汽在抬升過(guò)程中凝結(jié)產(chǎn)生降水；另一方面，在地形的背風(fēng)坡由于抬升氣流在回復(fù)力的作用下在垂直方向產(chǎn)生振蕩，形成背風(fēng)波，它對(duì)降水有明顯的影響[4]；肖慶農(nóng)等[5]研究表明，地形對(duì)上游氣流的阻擋受山頂高度、大氣層結(jié)以及地形非對(duì)稱性等因子有明顯的影響，并分析指出了背風(fēng)側(cè)形成背風(fēng)波及強(qiáng)下坡風(fēng)的有利條件。李江林[6]等利用中尺度數(shù)值模式RAMS，采用三重嵌套的方法，模擬研究了某山谷地區(qū)局地環(huán)流特征。

在局地性暴雨的研究工作中，尤其是發(fā)生在復(fù)雜山地地形中的中尺度暴雨過(guò)程的觀測(cè)分析和數(shù)值模擬工作都相對(duì)較少，高分辨率數(shù)值模式為中尺度暴雨發(fā)展機(jī)理提供了有力的技術(shù)手段。筆者選擇一次山地地區(qū)典型的暴雨過(guò)程作為研究對(duì)象，利用WRF模式進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，從風(fēng)場(chǎng)變化、能量場(chǎng)變化等方面對(duì)該次降水過(guò)程進(jìn)行診斷分析。

2 研究過(guò)程

2.1 天氣分析

2.1.1 環(huán)流背景。500 hPa整體受西風(fēng)氣流控制，并不斷有小波擾動(dòng)，西太平洋副熱帶高壓呈現(xiàn)塊狀分布。700 hPa在西南地區(qū)存在低渦，受低渦氣旋帶來(lái)的東南氣流影響，水汽條件較為充沛。在高空槽和中層低渦北部東南氣流的共同影響下，造成了該次降水過(guò)程。

2.1.2 衛(wèi)星云圖分析。風(fēng)云2號(hào)衛(wèi)星云圖產(chǎn)品顯示，14時(shí)30分時(shí)，該地區(qū)位于云系的前沿地區(qū)，還未受到對(duì)流云團(tuán)影響。15時(shí)30分，對(duì)流云團(tuán)的邊緣已經(jīng)移入該地區(qū)，帶來(lái)微量降水，且南部不斷有新云系生成。之后云系不斷發(fā)展東移，于17時(shí)30分完全移入，此時(shí)該地區(qū)完全被對(duì)流云團(tuán)所覆蓋，對(duì)流過(guò)程達(dá)到極盛階段，此時(shí)降水過(guò)程最為劇烈。參考17時(shí)的地面填圖資料，地面風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂巷L(fēng)。18時(shí)—20時(shí)，通過(guò)觀察衛(wèi)星云圖，發(fā)現(xiàn)云系不斷向東移動(dòng)，逐步退出該區(qū)境內(nèi)。地面風(fēng)向逐步變?yōu)闁|南風(fēng)，切變線過(guò)境，降水過(guò)程也逐漸趨于結(jié)束。

2.1.3 雨情分析。在當(dāng)日該地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性強(qiáng)降水天氣過(guò)程，這次強(qiáng)降雨具有強(qiáng)度大、時(shí)間集中和局地性強(qiáng)的特點(diǎn)。08時(shí)—14時(shí)，該地區(qū)外圍大部分地區(qū)均已晴空為主，部分地區(qū)有微量降水。14時(shí)—20時(shí)，該地區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)降水過(guò)程，6 h累計(jì)降水量達(dá)到了45 mm。

2.2 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用的模式為中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式(Weather Research Forecast Model，WRF)。WRF是由美國(guó)NCAR等聯(lián)合開發(fā)的高分辨中尺度模式，與以前的中尺度模式相比，模式精度高，重點(diǎn)解決水平分辨率為1 km～10 km、時(shí)效在60 h以內(nèi)的有限區(qū)域天氣預(yù)報(bào)和模擬問(wèn)題。模式的初始場(chǎng)和邊界條件由NCEP全球分析資料(FNL)，全球1°×1°再分析資料(時(shí)間分辨率為6 h)產(chǎn)生，數(shù)值試驗(yàn)采用三重嵌套網(wǎng)格，水平分辨率分別為25 km，5 km，1 km，模擬時(shí)段為當(dāng)日00∶00至次日00∶00。模擬時(shí)間24 h，模擬結(jié)果每1 h輸出一次。

2.3 暴雨的診斷分析

2.3.1 風(fēng)場(chǎng)分析。500 hPa流場(chǎng)顯示:當(dāng)日下午一直處于槽前位置，自14時(shí)—16時(shí)，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，之后的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)。700 hPa風(fēng)場(chǎng)顯示:當(dāng)日該地區(qū)的降水過(guò)程是由于在地區(qū)上空出現(xiàn)的輻合流場(chǎng)所造成的。14時(shí)該地區(qū)主要受北風(fēng)控制。16時(shí)，受西南方向的低渦影響，該地區(qū)的風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅憋L(fēng)。17時(shí)，風(fēng)向逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槲黠L(fēng)，地面處于一個(gè)輻合流場(chǎng)之中，等風(fēng)速線密集，這種流場(chǎng)上的輻合形勢(shì)有利于這次暴雨過(guò)程的產(chǎn)生。18時(shí)之后，該地區(qū)則處于單一的北風(fēng)的控制下，此次降水過(guò)程結(jié)束。模式模擬結(jié)果與天氣圖及衛(wèi)星觀測(cè)基本吻合。

2.3.2 垂直速度場(chǎng)分析。強(qiáng)降水出現(xiàn)前，數(shù)值模式模擬的垂直速度基本在0.2 m/s左右，上升運(yùn)動(dòng)較弱。從經(jīng)向垂直環(huán)流(見圖1)可以清晰地看到，在大暴雨區(qū)低層出現(xiàn)西南風(fēng)暖濕氣流與來(lái)自北方的冷空氣的輻合，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，強(qiáng)勁的垂直上升氣流將低層的水汽向高空輸送，強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段整個(gè)暴雨區(qū)上空有著深厚的濕層，自地面至400 hPa高空相對(duì)濕度均在80%以上。在山脈的背風(fēng)坡一側(cè)，在600 hPa左右的高度上，產(chǎn)生了很強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)，在上升運(yùn)動(dòng)的南北兩側(cè)，產(chǎn)生了相應(yīng)的次級(jí)環(huán)流和rotor轉(zhuǎn)子，改變了該地區(qū)上空的環(huán)流形勢(shì)。這種在過(guò)山氣流輻合下沉區(qū)上空所產(chǎn)生的異常環(huán)流形勢(shì)，是影響該地區(qū)河谷盆地降水的關(guān)鍵因素。

圖1 經(jīng)向垂直環(huán)流

2.3.3 水汽分析。水汽的持續(xù)輸送和輻合是形成暴雨的必要條件。在實(shí)驗(yàn)中，可以看到明顯的水汽輸送和利于暴雨發(fā)生的輻合條件。根據(jù)模式模擬結(jié)果，500 hPa和700 hPa上的相對(duì)濕度均很大，均達(dá)到了80%以上。在17時(shí)以前，500 hPa的相對(duì)濕度均在92%以上，在暴雨發(fā)生的17時(shí)左右，至以后的時(shí)間段內(nèi)，相對(duì)濕度不斷下降，高層的水汽不斷凝結(jié)，以降水的形式脫離云團(tuán)，至20時(shí)，該地區(qū)及周邊地區(qū)的相對(duì)濕度下降至83%左右。在700 hPa，整天的相對(duì)濕度變化不大。

通過(guò)分析當(dāng)日700 hPa的水汽通量和水汽通量散度來(lái)了解低層水汽輸送和輻合演變情況。當(dāng)日水汽通量大值區(qū)最大值為65 g·s-1·cm-1·hPa-1，且不斷自西向東移動(dòng)，17時(shí)出現(xiàn)在該地區(qū)南部上空，之后不斷向南撤離。在低空700 hPa，從14時(shí)至20時(shí)，水汽通量散度在該地區(qū)及附近區(qū)域，主體上幾乎均為負(fù)值，即在低空，水汽一直是輻合的。而在500 hPa上，在14時(shí)—16時(shí)，水汽為輻合狀態(tài)，整層大氣均為輻合狀態(tài)，沒有產(chǎn)生降水；在17時(shí)，該地南部地區(qū)出現(xiàn)大范圍的輻散運(yùn)動(dòng)。低層輻合，高層輻散的配置，有利于產(chǎn)生水汽的垂直上升運(yùn)動(dòng)，利于暴雨的產(chǎn)生及發(fā)展。

2.3.4 能量分析。對(duì)流有效位能(CAPE)是一個(gè)同時(shí)包含低層高層空氣特性的參數(shù)，被認(rèn)為能較真實(shí)地描述探空資料所代表的大氣不穩(wěn)定度(見圖2)。當(dāng)日15時(shí)，對(duì)流有效位能中心位于該地區(qū)南部，南部地區(qū)位于高能舌附近CAPE值為50 J/kg～90 J/kg區(qū)域內(nèi)，表明具有發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的潛能。17時(shí)，隨著強(qiáng)降水的發(fā)生，不穩(wěn)定能量得到快速釋放，此時(shí)強(qiáng)降水區(qū)域的CAPE值減小為5 J/kg～20 J/kg。18時(shí)，隨著降水趨于結(jié)束，強(qiáng)降水區(qū)域的CAPE值銳減為10 J/kg以下。

通過(guò)對(duì)比對(duì)流有效位能和降水強(qiáng)度的演變趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)降水開始前CAPE值達(dá)到最大，隨著強(qiáng)降水的發(fā)生，CAPE值銳減，說(shuō)明對(duì)流不穩(wěn)定能量得到快速釋放，加劇了降水強(qiáng)度。所以CAPE值的銳減時(shí)段對(duì)應(yīng)著最強(qiáng)降水時(shí)段。

(a)降水前

(b)降水中

(c)降水后 圖2 700 hPa對(duì)流有效位能(CAPE)分布

3 結(jié)論

①水汽的持續(xù)輸送和輻合是形成暴雨的必要條件，低層輻合，高層輻散的配置，有利于產(chǎn)生水汽的垂直上升運(yùn)動(dòng)，利于暴雨的產(chǎn)生及發(fā)展。②對(duì)流有效位能變化隨降水過(guò)程演變具有明顯變化特征，在強(qiáng)降水開始前對(duì)流有效位能達(dá)到最大，隨著強(qiáng)降水的發(fā)生，對(duì)流有效位能銳減，對(duì)流不穩(wěn)定能量得到快速釋放，加劇了降水強(qiáng)度，對(duì)流有效位能的銳減時(shí)段對(duì)應(yīng)著最強(qiáng)降水時(shí)段。