雷州半岛“07.8”致洪特大暴雨的数值模拟

张羽,牛生杰,于华英,张录青,劳汉琼

(1.南京信息工程大学中国气象局大气物理与大气环境重点开发实验室,江苏南京 210044;2.湛江市气象局,广东湛江 524001;3.韶关市气象局,广东韶关 512026)

0 引言

雷州半岛西南部是历史的苦旱区,年雨量一般1 200 mm左右,干旱年份800 mm左右,是改水治旱的重点地区。2007年8月8—11日雷州半岛西南部出现了致洪特大暴雨(简称“07.8”致洪特大暴雨)。村庄被淹,农作物受浸,部分道路被毁、桥梁冲垮,水利设施严重受损。

气象学家已经利用常规观测资料和数值模拟手段对暴雨过程中的中小尺度系统结构和发生发展的机理做了大量的科学研究[1-3]。1979年,陈联寿和丁一汇[4]对台风特大暴雨成因作了系统概述。近10 a来,中尺度数值预报模式的应用为预报以及揭示强降水天气的成因提供了有效的途径[5-7]。由于具有较好的稳定性和较强的模拟能力,MM5中尺度非静力模式被气象科技工作者广泛使用。高山红等[8]使用MM5模式对台风影响下渤海及邻域海面风场演变的过程进行模拟和分析;刘爱鸣等[9]进行了低空急流对0212号台风“北冕”后部暴雨影响的分析和数值试验;许美玲和段旭[10]对云南冬季一次强降水天气过程进行了模拟和分析,都取得了很好的模拟效果,并研究了天气过程的形势和机理。孙健等[11]在分析中发现了β中尺度线状强雨带是该降雨过程中的重要系统。陈永林等[12]研究了上海“0185”特大暴雨的中尺度强对流系统活动特征及其环流背景。陈忠明等[13]对1998年7月21日发生在武汉附近地区的突发性特大暴雨过程的激发机制与中尺度环境场特征进行了诊断。段丽和陈联寿[14]用PSU/NCAR的中尺度模式对热带风暴“菲特”(0114)造成的特大暴雨和M CS作了模拟研究和诊断分析。

本文利用MM5中尺度非静力模式对2007年8月8—11日雷州半岛的致洪特大暴雨天气过程进行了数值模拟,并对最强降水时段的数值模拟结果进行分析,旨在为预报和防御同类灾害性天气提供参考依据。

1 模式简介及资料

数值模式选用由美国宾州大学和美国大气科学研究中心联合开发的非静力中尺度原始方程模式(MM5),模式包含有比较完整的物理过程。模拟试验区采用三重嵌套的大小区域组成(图1),D01区域82×101个格点,格距为54km,D02区域121×121个格点,格距18km,D03区域178×178个格点,格距为6km。模式垂直方向为地形σ坐标,即用无量纲量来定义模式层,pt、ps和p分别表示模式层顶、地面和某层的气压,共取23个不等距的σ层。模式的边界层物理过程采用B lackadar参数化方案,显式水汽方案取简单冰相方案,积云对流参数化D01区域取KF方案,D02、D03区域取G rell方案。将日本气象厅的1.25°×1.25°格点资料直接插值到模式的网格点上作为客观分析的初估场,加入常规观测资料经客观分析后得到模式的初值。

针对2007年8月8日20时—11日20时(北京时,下同)的致洪特大暴雨天气过程进行模拟研究,积分时间从8日20时—9日20时,9日20时—10日20时,10日20时—11日20时。

图1 套网格区域示意Fig.1 Schematic diagram of nesting grid domains

2 天气实况

2007年8月8—11日,雷州半岛前期受强热带风暴“帕布”环流及其外围云系影响,普降大到暴雨;后期“帕布”路径转向东北,天气系统调整,强降水中心长时间在雷州半岛西南部摆动维持,雷州市龙门镇(110.0°E,20.7°N)自动气象站10日05时—11日05时的日雨量为674.9mm,乌石镇(109.8°E,20.5°N)11日10—12时累计雨量达239.2mm,使雷州半岛西南部出现特大暴雨。这场特大暴雨具有降水强度强、持续时间长、雨量大、地段集中的特点,致使出现严重洪灾。

在雷州半岛致洪特大暴雨过程中,降水强度最大的时段在11日10—12时,落区位于雷州市西南部的乌石镇及其附近地区,11日10—11时降雨量为89.1mm,11—12时降雨量为150.1mm,2h累计降雨量239.2mm(图2a)。

图2 11日10—12时累积降水量分布(a;单位:mm)及12时红外卫星云图(b)Fig.2 (a)Cum ulative rainfall(mm)from1000to1200BST11th August and(b)infrared satellite image at1200 BST11th August

由11日12:00红外卫星云图(图2b)可见,在雷州半岛的中南部有明显厚实的云层覆盖,在雷州半岛及其附近地区出现的明显雨区和降水中心都有相对应的云体,与实况强降水中心位置相对应的是云图上的亮温低值区。

从11日11:59湛江714SD天气雷达回波强度、回波等值线图(图略)显示,强回波和等值线的中心位于雷州市西南部及其附近海面,中心位置与实况强降水的中心位置相近,回波分布与降雨区分布相一致。

从上述实况资料分析,强降水区有明显的中尺度对流系统特征。

3 数值模拟结果分析

3.1 对24h累计降水和环流的模拟概况

图3 2007年8月10日20时—11日20时模拟的24h累计降水(a;格距6km;单位:mm)和实况分布(b)Fig.3 (a)Sim ulated24-hour rainfall(grid spacing=6km;mm)and(b)observed one from2000BST10th to2000BST11th A ugust2007

分析模式的24h累计降水,模式对降水的强度和落区有较好的对应关系,尤其是对11日雷州半岛降水最强的过程(图3a)。由图3a可见,雷州半岛110°E附近两个分别超过400、600mm的降水中心和实况(图3b)中乌石和龙门附近的强降水有较好的对应关系,而且从探测密度较高的中尺度自动站资料中还发现龙门附近站点有接近600mm的降水中心。

从模式对过程的环流模拟结果和客观分析对比来看,也基本接近。图4是8月11日08时风场的客观分析和模拟结果的对比。对比图4a、4b可以看到,925hPa上空,对“帕布”减弱后环流中心位置的模拟有所偏差,但是对粤西一带低空的切变线有较好的模拟效果。对比图4c、4d可以看到,700hPa上空,对“帕布”减弱后环流中心位置以及切变线有较好的模拟效果。对比图4e、4f可以看到,200hPa上空,对香港附近环流中心位置以及对雷州半岛辐散的流场有较好的模拟效果。另外,模式对其他时次的模拟也与实况基本接近(图略)。

由此可见,模式对这次强降水过程的模拟结果是基本可靠的。

3.2 最强降水时段时雨量的模拟

11日10—13时是这次过程降水最强的时段,从图5的模拟降水量可以看到,10时降水中心位于雷州半岛中南部东西沿海地区,2个中心值时雨量均为25mm;11时强降水中心位于雷州市西南部沿海地区,中心值为50mm;12时强降水中心仍位于雷州市西南部沿海地区,中心位置比11时略偏东南,中心值为50mm;13时强降水中心位于雷州市西南部陆地上,中心值为50mm。

图4 2007年8月11日08时925、700、200hPa风场的实况(a,c,e)和数值模拟结果(b,d,f;格距18km)Fig.4 Observed/simulated wind(m/s)fields at(a/b)925hPa,(c/d)700hPa,and(e/f)200hPa at1200BST 11th August2007(grid spacing=18km)

模式对实况强降水时段时雨量位置的模拟基本接近实况,11日11—13时3h逐时模拟的强降水中心与雷州半岛上实况强降水中心相一致,但模拟强降水的强度和实况有偏差,4h模拟的雷州半岛及附近的强降水中心合计值为175mm,比实况明显偏小105.1mm。分析逐时雨量,发现主要原因是模拟的降水比实况提前开始出现并且推后结束,跨度时间较实况长。

3.3 风场和位势高度场的模拟

从MM5模式18km格距模拟的11日12时各高度的风场和位势高度场模拟结果可分析,在925 hPa(图6a)、850hPa(图略)、700hPa(图略)、500 hPa(图6c)上,珠江三角洲附近是“帕布”减弱后较为完整的低压环流,环流的西南端至雷州半岛南部有条东北—西南走向的低槽,雷州半岛南部的位势高度较低,受“帕布”减弱后的环流影响,在雷州半岛南部风场辐合较强。

在400hPa(图略)高度,“帕布”环流最低位势高度为750gpm,在雷州半岛和北部湾附近风场较乱,位势高度较低,为754gpm左右,雷州半岛西部为偏北风,东南部为偏西风,在雷州半岛中部风场辐合较强。

在300hPa(图6e)上,“帕布”环流中心西南落到珠江口附近,最低位势高度为967gpm,在雷州半岛西南部沿海有968gpm低值中心,雷州半岛南部和海南岛附近风场较乱。

在200hPa(图6g)上,珠江口附近的“帕布”环流最低位势高度为1 249gpm,而在雷州半岛西南部沿海有1 248gpm的低值中心,雷州半岛南部风场较乱。

从925hPa到200hPa层,“帕布”减弱后的环流中心从下向上是往西南方向倾斜,上层比下层中心更为明显;在低层,雷州半岛南部处在“帕布”环流的东北-西南走向的低槽底,随着高度增加,气压的减小,槽底逐渐西南伸。在300hPa和200hPa高层上,在雷州半岛西南部沿海及附近海面出现明显的低值中心,在200hPa上,雷州半岛西南部沿海的低值中心比“帕布”环流中心值还低。

从MM5模式6km格距模拟的11日12时风场和位势高度场模拟结果可分析,在低层925hPa(图6b)上,雷州半岛西南部沿海的位势高度较低,海面上有小的闭合环流,在该区风场辐合很强。在500hPa(图6d)上,雷州半岛西南部沿海地区为位势高度低值区,风场辐合较强。

在300hPa(图6f)上,在雷州半岛西南部沿海有968gpm低值中心,在北部湾内有低值区,附近风场较乱,低值区东部为西北风,西部为东北风,北部、南部为偏东风,风场调转为辐散场。

在200hPa(图6h)上,在雷州半岛西南部沿海有1 248gpm的明显低值中心,在北部湾附近为低值区,低值中心附近风场较乱,东部为西北风,北部、西部为偏东风,南部为偏北风,风场为明显辐散场。

图5 11日10时(a)、11时(b)、12时(c)、13时(d)逐时雨量模拟(单位:mm)Fig.5 Simulated hourly rainfall(mm)at(a)1000BST,(b)1100BST,(c)1200BST,and(d)1300BST11th August2007

上述风场和位势高度场模拟结果说明,在暴雨过程中,最强降水主要是受“帕布”减弱后的外围环流及其西南伸展的辐合槽带的天气形势影响,在雷州半岛西南部附近形成风场低层明显辐合、高层明显辐散的低值中尺度对流系统而发生的。

图6 11日12时925hPa、500hPa、300hPa、200hPa高度层18km格距(a,c,e,g)和6km格距(b,d,f,h)模拟的风场和位势高度场(单位:gpm)Fig.6 W ind(m/s)and geopotential height(gpm)fields at(a/b)925hPa,(c/d)500hPa,(e/f)300hPa,and(g/h)200hPa sim ulated at18km/6km grid spacing at1200BST11th August2007

3.4 垂直速度场的模拟

雷州半岛三面环海,地形狭长,同时8月正处于西南夏季风爆发阶段,雷州半岛及附近海面低层相对湿度大于90%,水汽条件充分。从MM5模式模拟的11日12时的925hPa(图7a)、850hPa(图略)、700hPa(图略)、500hPa(图7b)、400hPa(图略)、300hPa(图7c)、200hPa(图7d)的垂直速度场模拟结果显示,在各层上,雷州半岛南部都是垂直速度高值区,并且强中心都位于雷州半岛西南部,各层的垂直速度场强中心值分别为0.5、1.0、2.4、4.5、4.5、4.5、2.4m/s,其中低层和顶层垂直速度值相对小,中高层值大,并都是正值,说明在雷州半岛西南部500hPa至300hPa上升气流旺盛。

由上述分析,模拟的垂直速度场强中心位置与强降水发生落区相一致,说明强的低层风场辐合和高层风场辐散致使产生强烈的对流上升运动,是这场特大暴雨过程中在雷州半岛西南部出现降水强度最大的关键因素。

3.5 涡度场的模拟

从11日12时925hPa(图8a)、850hPa(图略)、700hPa(图略)、500hPa(图8b)、400hPa(图略)、300hPa(图8c)、200hPa(图8d)涡度场的模拟结果分析,在925hPa上,在雷州半岛南部有正的涡度区,中心位于雷州半岛西南部沿海地区,中心值为40×10-5s-1,在该正涡度区的北侧雷州半岛中部有-10×10-5s-1的负涡度区,在雷州半岛的东部海面上有中心为70×10-5s-1的正涡度区,比雷州半岛南部的正涡度区范围大、强度强,海南岛中南部有20×10-5s-1的正涡度区。

850hPa高度上,雷州半岛南部的正的涡度区中心值加强为50×10-5s-1,该区北侧的负涡度区消失。琼州海峡东部有-10×10-5s-1的负涡度区,雷州半岛的东部海面上的正涡度区中心仍为70×10-5s-1,海南岛中南部正涡度区中心加强为30×10-5s-1。

700hPa层上,雷州半岛南部的正的涡度区中心值加强为60×10-5s-1,范围增大,该区南北侧的有-10×10-5s-1的负涡度区,雷州半岛的东部海面上的正涡度区中心减弱为60×10-5s-1,海南岛中部正涡度区中心加强为40×10-5s-1。

在500hPa层上,雷州半岛的东部海面上的正涡度区中心再减弱为40×10-5s-1,海南岛中部正涡度区范围北扩。雷州半岛南端和琼州海峡上出现小于-10×10-5s-1的负涡度区。

400hPa层上,雷州市南部和徐闻县北部为正涡度区,中心值为40×10-5s-1,海南岛中部正涡度区西移,雷州半岛东部海面上的正涡度区明显减弱。徐闻县南部和琼州海峡附近为负涡度区,中心位于雷州半岛西南端海面上,值为-40×10-5s-1。

300hPa高度上,雷州半岛中部为正涡度区,西部沿海和海南岛中北部的中心值都为40×10-5s-1。在雷州半岛南部、琼州海峡和海南岛东北部海面为呈弯曲带状分布的负涡度区,最强中心位于海南岛东北部海面上,为-50×10-5s-1,雷州半岛南部为-30×10-5s-1。

图7 11日12时925hPa(a)、500hPa(b)、300hPa(c)、200hPa(d)高度层垂直速度场模拟(单位:cm/s;18km格距)Fig.7 Sim ulated vertical velocity(cm/s)fields at1200BST11th August2007(grid spacing=18km)a.925hPa;b.500hPa;c.300hPa;d.200hPa

图2 时925hPa(a)、500hPa(b)、300hPa(c)、200hPa(d)高度层涡度场模拟(单位:1;18km格距)Filated vorticity(10-5s-1)fields at1200BST11th August2007(grid spacing=18km)a.925hPa;b.500hPa;c.300hPa;d.200hPa

在200hPa高度上,雷州半岛中部和东部海面为正涡度区,较强中心位于西部沿海,海南岛中北部转为负涡度,中心值为-30×10-5s-1。在雷州半岛西南部及其附近海面为负涡度区,强中心位于雷州半岛西南部海面上,为-30×10-5s-1。

在强降水发生落区上,涡度场表现为明显的螺旋结构。在低层正涡度中心与强降水中心相对应,强降水区域内的正涡度区域从低层一直延伸到中层,到中层后再转为负涡度区,在雷州半岛上正涡度最大中心位于700、500hPa高度上。负涡度最小中心位于300、200hPa高度。模拟的涡度场中心位置与强降水发生落区相一致,这次强降水落区与涡度场有着较好的对应关系,涡度的变化也是雷州半岛特大暴雨过程中西南部降水强度最大的主要因素。

3.6 散度场的模拟

从11日12时最强降水时段925hPa(图9a)、850hPa(图略)、700hPa(图略)、500hPa(图9b)、400hPa(图略)、300hPa(图9c)、200hPa(图9d)散度场的模拟结果可见,强降水发生落区,低层强降水中心与负散度中心相对应,强降水区域内的负散度区域从低层一直延伸到中层,到中层后再转为正散度区,在雷州半岛上负散度最小中心位于700hPa上,正散度最大中心位于200hPa高层上。模拟的散度场中心位置与强降水发生落区相一致,强降水区域内低层辐合高层辐散明显,这种低层辐合高层辐散的分布,利于高空的抽吸作用和低层的辐合抬升作用,加速了强降水区域内的垂直上升运动,区域内和附近的暖湿空气被上升气流带到高空,动力和热力的共同作用造成了这次强降水。这次强降水落区与散度场有着较好的对应关系,散度的变化也是影响雷州半岛特大暴雨在西南部发生降水强度最大的原因。

3.7 暴雨中心附近主要物理量的垂直分布特征

图10是2007年8月11日12时暴雨中心附近主要物理量的垂直剖面图,对比图10a、10b可以看到,特大暴雨中心附近(110.0°E,20.5°N)低层有强辐合、高层有强辐散;对比图10c、10d可以看到,特大暴雨中心附近上空的正涡度呈柱状分布,从低空一直延伸到对流层顶;对比图10e、10f可以看到,特大暴雨中心附近上空的垂直上升运动很强,中心值出现在400hPa附近,超过5m/s;从图10g、10h可以清楚地看到暴雨中心附近垂直上升的流场,同时从图10h还可以看到,20.5°N南北两侧,900hPa以下是南风和北风的辐合,900～700hPa之间,北侧是北风的抬升,南侧20°N附近有补尝下沉气流。

图9 11日12时925hPa(a)、500hPa(b)、300hPa(c)、200hPa(d)高度层散度场模拟(单位:10-5s-1;18km格距)Fig.9 Sim ulated divergence(10-5s-1)fields at1 200BST11th A ugust2007(grid spacing=18km)a.925hPa;b.500hPa;c.300hPa;d.200hPa

4 水汽通量与水汽通量散度的分布特征

图11是2007年8月10—11日2d平均水汽通量和水汽通量散度的垂直积分。从图11a可以看到,这次特大暴雨过程水汽来源于低纬海面,孟加拉湾经中南半岛到南海北部是这次过程的水汽通道,并且还可以看到茂名一带还有一个低值中心,雷州半岛一带辐合明显。从图11b可以看到,8月10日到11日雷州半岛和南海北部有强的水汽辐合。低纬海面源源不断的水汽输送以及水汽在雷州半岛的强烈辐合,有利于特大暴雨的出现。

5 结论与讨论

(1)MM5模式能基本模拟出2007年8月8—11日雷州半岛特大暴雨过程中降水强度的主要特征,模拟的强降水中心与雷州半岛上实况相一致,但模拟的强降水时间与实况出现的时间有偏差,模拟的强降水中心量值较实际值明显偏小。模式采用不同积云对流参数化方案的效果有所不同,积云对流参数化D01区域取KF方案,D02、D03区域取G rell方案模拟效果较为理想。

(2)对格距为18km和6km分辨率的风场和位势高度场的模拟结果分析表明:在雷州半岛致洪特大暴雨过程中,最强降水主要是受“帕布”减弱后的外围环流及其西南伸展的辐合槽带的天气形势影响,在雷州半岛西南部附近形成风场低层辐合、高层辐散的低值中尺度对流系统。6km分辨率的模拟结果能显示出引发强降水的中尺度对流系统。由于对流活动对热量垂直输送的影响,降水发生后,潜热不断向上输送,使近地面气温明显降低,对流层高层迅速变暖,而在低层边界层则变冷,从而使对流上层维持暖心结构,有利于高空反气旋环流的发展和气流辐散的加强,进而又促进了低空气流的辐合[15]。在雷州半岛西南部附近中尺度对流系统中可能由于降水的作用,大气中下部为冷性低值区,致使位势高度场上高层低值中心表现更为明显,同时由于低层风场为明显辐合、高层风场为明显辐散,并位于雷州半岛西南部附近,因而强降水发生在雷州半岛西南部。

图10 11日12时暴雨中心附近散度(单位:10-5s-1)、涡度(单位:10-5s-1)、垂直速度(单位:cm/s)、流场沿20.5°N纬向垂直剖面(a,c,e,g)及沿110°E经向垂直剖面(b,d,f,h)(18km格距)Fig.1 0 (a,c,e,g)Longitude-height cross sections along20.5°N and(b,d,f,h)latitudeheight cross sections along110°E of(a,b)divergence(10-5s-1),(c,d)vorticity(10-5s-1),(e,f)vertical velocity(cm/s),and(g,h)stream line fields at1200BST 11th August2007(grid spacing=18km)

(3)涡度场模拟结果分析表明:强降水发生落区涡度场表现为明显的螺旋结构,在低层为正涡度中心,到中层后再转为负涡度区,高层为小值负涡度中心。模拟的涡度场中心位置与强降水发生落区相一致,有着较好的对应关系。涡度场的正负与6km分辨率的风场模拟结果相对应,强降水发生落区低层风场为气旋环流方向,涡度场为正值,高层风场为反气旋环流方向,涡度场为负值。

(4)散度场模拟结果分析表明:强降水发生落区低层与负散度中心相对应,负散度区域从低层一直延伸到中层,到中层后再转为正散度区,高层为正散度大值中心。模拟的散度场中心位置与强降水发生落区相一致,有着较好的对应关系。散度场的正负与6km分辨率的风场模拟结果相对应,强降水发生落区低层风场为辐合区,散度场为负值,高层风场为辐散区,散度场为正值。

图11 8月10—11日2d平均水汽通量(a;单位:g·s-1·hPa-1·cm-1)与水汽通量散度(b;单位:g·s-1·hPa-1·cm-2)的垂直积分(18km格距)Fig.1 1 (a)Vapor flux(g·s-1·hPa-1·cm-1)vertically integrated from1 000hPa to300hPa and(b)its divergence(g·s-1·hPa-1·cm-2)averaged over10th—11th A ugust2007(grid spacing=18km)

(5)垂直速度场模拟结果分析表明:模拟的位于雷州半岛西南部垂直速度强中心位置与强降水发生落区相一致,低层和顶层垂直速度值相对小,中高层值大,都为正值,500hPa至300hPa上升气流最旺盛。6km分辨率的模拟表明,由于强的低层风场辐合抬升作用和高层风场辐散抽吸作用致使产生强烈的上升对流运动。

总之,在“帕布”减弱后的外围环流及其西南伸展的辐合槽带影响下,主要由于中尺度对流系统和各层风场的共同作用,大气低层辐合、正涡度,高层辐散、负涡度,系统中强烈的对流上升运动,低纬海面源源不断的水汽输送以及水汽在雷州半岛的强烈辐合引发了雷州半岛西南部发生特大暴雨。

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