四川盆地一次暴雨过程分析及数值模拟试验

罗 浩，赵润华，宋 静，赵清越

(四川省民航西南空管局气象中心，四川 610202)

1 引言

近几十年以来，有很多的科学工作者对暴雨的形成机制进行了大量的分析研究［1-5］，但其中还有很多的问题亟待解决。四川盆地位于青藏高原东侧，由于特殊的地形地理条件，夏季受暴雨影响较为严重。不同的暴雨类型植根于不同的大尺度环流背景场，在有充足的水汽输送的前提下，中小尺度的扰动往往成为较大范围暴雨的触发机制。陈栋等人对四川盆地1981—2000年夏季暴雨的大尺度环流背景特征作出了分析，认为四川盆地夏季暴雨的发生具有明显的轴向分布性及区域移动性特征，西太平洋副高、伊朗高压及高原东部弱高压、孟加拉湾低压及中高纬长波分裂的低压所形成的鞍型大尺度环流背景场对四川盆地暴雨的发生有着重大的作用［6］，其他的一些科学工作者也总结出了四川盆地暴雨发生的另外一些重要特征［7-9］，在这里就不再列举。然而，从大尺度环流背景对四川盆地暴雨进行物理机制或地形因素的分门别类只是一个宏观的工作，有很多的中小尺度因素所造成的影响仍然有待于逐步地去试验和探索，较多的科技工作者已经就此作出过尝试［5，9，10］。

有研究表明，在中尺度数值模拟过程中，微物理过程对于强降水是较为敏感的，不同的微物理过程可能会模拟出差异较大的降水结果［12，13］，尽管在这方面已经有很多的科研工作者做出过尝试，也有明确的物理基础，但在实际暴雨的预报过程中，究竟应该采取哪一种微物理方案，还是需要更进一步的对比分析和个例研究。

2010年8月，四川全省月平均降水量为212.8 mm，较常年同期偏多19%，全省各地暴雨事件频发。本文对18—19日盆地西部地区一次暴雨过程进行分析和数值模拟，从大尺度环流背景场和中小尺度扰动因子两方面出发，对本次暴雨过程进行追踪分析，使用资料主要为NCEP 1°×1°FNL再分析资料，常规地面及高空资料，多普勒雷达资料及卫星云图，并使用NCEP 1°×1°FNL再分析资料驱动WRF3.5模式，微物理过程方案分别使用Lin等的方案(水汽、雨、雪、云水、冰、冰雹)、WSM3类简单冰方案、Ferrier微物理方案进行数值模拟对比分析，为合理选择中尺度数值模拟微物理方案提供科学依据。

2 天气过程简介

2010年8月18—19日，四川全省14个市州的33个县市降了暴雨到大暴雨，其中大邑、绵竹、都江堰等10个县市降了大暴雨，最大日降水量出现在绵竹县292.5 mm，突破历史极值。最大过程降水量出现在绵竹县331.2 mm，其次大邑282.5 mm;大邑、绵竹、都江堰等16县市出现了一般洪涝。

3 天气过程分析

度来看，盆地西部区域中低层假相当位温随高度上升而减小，说明该层大气处于不稳定状态，但高层假相当位温则随高度上升而增大，说明处于较稳定的状态，而相对涡度的分布也表现出了低层幅合、高层幅散的特征，这十分有利于盆地区域的强对流天气发展。

从2010年8月18日08时高空天气图(图略)上来看，在对流层高层，南亚高压的脊线位于川西高原一带。500 hPa天气图上，四川盆地位于一个鞍型场的大尺度背景环流之下［6］，青藏高原上表现为一高压脊控制，而西太平洋副热带高压588线位于110°E附近，孟加拉湾低压较为活跃，而北部中高纬有一较强低涡位于内蒙古境内，槽线延伸至川西高原与青海省交界处。到了18日20时，副高588线西伸至盆地中部105°E附近，位于青藏高原东坡的盆地西部处于副高外围偏西南气流控制，而内蒙古低涡的南支槽线已经分裂成两部分，一条仍然影响到川西高原西北部，而另一条已经深入盆地西侧的青藏高原东坡上，原先位于此处的高压脊略有西退，到了19日02时，盆地西侧高原上有辐合区形成，而盆地西南部700 hPa、500 hPa均有一中尺度低涡环流生成。但是，低值系统的发展并没有伴随着副高的东退，相反，588线西伸至90°E附近，与高原上的高压脊贯通，在这种高压环境形势下，低涡却在盆地以内继续发展，19日08时，500 hPa在川西高原东部形成一个闭合环流，表现出明显的气旋性特征，为暴雨的持续发生提供了足够的动力机制。从水汽输送来看，来自西太平洋的水汽在700 hPa低空急流的输送作用下，持续绕经云贵高原东部进入青藏高原东侧四川盆地区域，为暴雨的维持带来了充足的水汽供应。

由于此次暴雨呈东北至西南向沿川西高原东麓带状分布于盆地西部，因此沿28°N，101°E ～33°N，106°E对物理量作出随高度变化的斜剖面图，(图略)所示。分析可见，从18日20时—19日08时，盆地西部区域(30°N，103°E ～32°N，105°E)的水汽通量散度在中低层有较强的负值中心，说明这一带有较强的水汽辐合，直到19日08时水汽辐合在盆地西部一带才有所减弱;从假相当位温和相对涡

4 WRF数值模拟试验

4.1 3种微物理方案简介

4.1.1 Lin 等的方案(水汽、雨、雪、云水、冰、冰雹) 该微物理过程中，包括了对水汽、云水、雨、云冰、雪和霰的预报，在结冰点以下，云水处理为云冰，雨水处理为雪。所有的参数化项都是在Lin等人以及Rutledge和Hobbs的参数化方案的基础上得到的，某些地方稍有修改，饱和修正方案采用Tao的方法。

4.1.2 WSM3类简单冰方案 该方案来自于旧的NCEP3方案的修正，包括冰的沉降和冰相的参数化。与其它方案不同的是诊断关系所使用冰的数浓度是基于冰的质量含量而非温度。方案包括3类水物质:水汽、云水或云冰、雨水或雪。在这种被称为是简单的冰方案里面，云水和云冰被作为同一类来计算。它们的区别在于温度，也就是说当温度低于或等于凝结点时冰云存在，否则水云存在，雨水和雪也是这样考虑的。

4.1.3 Ferrier微物理方案 此方案预报模式平流项中水汽和总凝结降水的变化。程序中，用一个局域数组变量来保存初始猜测场信息，然后从中分解出云水，雨水，云冰，以及降冰的变化的密度(冰的形式包括雪、霰或冰雹)。降冰密度是根据存有冰的增长信息的局域数组来估计，其中，冰的增长与水汽凝结和液态水增长有关。沉降过程的处理是将降水时间平均通量分离成格点单元的立体块。

4.2 资料及试验方案设计

用分辨率为1°×1°、时间间隔为6 h的 NCEP全球再分析资料作为背景场，使用WRF3.5模式对此次暴雨过程进行数值模拟分析。所使用的部分参数化方案如表1所示。

表1 WRF数值模拟参数化方案配置

模拟区域为23 km、5 km分辨率的二重嵌套网格，计算范围分别为100×93和171×156格点，外层网格中心为(103.962°E，30.579°N)，内层网格中心为(103.838°E，30.739°N)，垂直方向共取 32 个σ层，积分时间由2010年8月18日00时(UTC)—8月19日18时(UTC)，时间步长为90 s，外内层分别3 h和1 h输出一次模拟结果。

4.3 降水量模拟对比分析

统计时间为2010年8月18日20时—8月19日20时的24 h降水量，从模拟结果来看，在水平分辨率为23 km的模拟结果中(图略)，3种方案均一致地模拟出了此次暴雨的东北—西南走向，且雨带的分布也较为准确。相比较而言，Lin方案更为接近实际情况，3个暴雨中心位置分别为绵竹(31.56°N，104.185°E)，模拟 24 h 降水量为 243 mm，比实况偏小50 mm左右，出现位置在实况暴雨中心 20 km 范围之内;大邑(30.9°N，103.3°E)，模拟24 h降水量为210 mm，比实况偏小70 mm左右，出现位置在实况暴雨中心30 km范围之内;雅安(29.82°N，103.2°E)，模拟 24 h 降水量为154 mm，比实况偏小10 mm左右，出现位置在实况暴雨中心20 km范围之内。不过Lin方案模拟的大邑暴雨区范围明显相对于实况要更小。WSM3方案虽然模拟出了3个暴雨中心的大致位置，但模拟的24 h降水量最大仅为150 mm，出现在绵竹附近，且模拟的3个暴雨区范围均偏小。Ferrier方案模拟的暴雨中心雅安(30.03°N，103.1°E)24 h降水量为166 mm，出现位置在实况暴雨中心10 km范围之内，模拟的整个雅安暴雨区范围偏大于实况，但对于另外两个暴雨中心的雨强和范围模拟则明显偏弱。

下面介绍水平分辨率为5 km的模拟情况(图1)。随着分辨率的提高，3种方案模拟的降雨强度均有着明显的增强，以Lin方案为例，模拟的3个暴雨中心位置变化不大，但强度均增强明显(绵竹:354 mm、大邑:332 mm、雅安:277 mm)，均超过了实况降水量。而WSM3方案5 km分辨率的模拟情况虽然在暴雨区大小的模拟上仍然不够理想，但3个暴雨中心的强度却得到了很大的增强，与实况更为接近(绵竹:234 mm、大邑:235 mm、雅安:177 mm)。Ferrier方案则对分辨率的敏感性相对较低，雅安暴雨中心的降水量增强到了218 mm，大邑附近仍然没能模拟出暴雨中心，绵竹附近则出现了195 mm的暴雨中心。

图1 2010年8月18日20时—19日20时24 h降水量(mm)实况与模拟对比分析(3种方模拟案水平分辨率均为5 km)

通过对比粗细网格的模拟资料发现，随着分辨率的提高，模式识别小范围对流活动的能力大幅度地提升，模拟的暴雨中心降水强度增强明显，但同时伴随着强降水区整体范围的变窄，暴雨带分裂成多个更小的暴雨区。其中，Lin方案和WSM3方案对分辨率的敏感度较高，而Ferrier方案对分辨率的敏感度则相对较低。

4.4 物理量模拟对比分析

为了更好地理解3种不同微物理方案对此次暴雨降水的影响，选取水平分辨率为23 km的模拟数据，通过对探空图的模拟对比，并选取对流指数(TT指数、LI指数、总指数、K指数、对流有效位能)、雨水混合比、水汽通量、相对涡度等基本物理量来做诊断分析。

4.4.1 探空图及对流指数 图2给出了3种方案模拟的成都地区温江站(103.83°E，30.7°N)的温度对数压力图与实况的对比情况，表2则给出了一些物理量的模拟值与实况的对比。TT指数能够较好地反映出大气的温湿状况，而抬升指数和K指数则能够较好地反映出大气的层结稳定度，Cape指数则能表示出整层大气的不稳定能量积聚状况。对比可见，3种方案整体上都很好地模拟出了成都市温江站上空大气层结状况，模拟的对流有效位能较实况略为偏高，而K指数、TT指数及LI指数均较与实况几乎一致。

图2 2010年8月18日20时成都市温江站温度对数压力图模拟与实况对比

表2 部分物理量模拟与实况对比(成都市温江站，时间:2010年8月18日20时)

4.4.2 雨水混合比、水汽通量 图3是3种模拟方案模拟的水汽通量及雨水混合比的对比分析，模拟时间为2010年8月19日02时，水汽通量反映的是水汽输送的状况，而雨水混合比则主要反映降水的量级和分布。由实况雷达及卫星云图可知，该时段正是暴雨较为集中的时段，主要区域位于雅安至大邑一带。因此整体上来看，3种模拟方案都模拟出了水汽大量积聚的区域，第1种方案和第3种方案模拟效果较好，其中第1种方案模拟的水汽集中区分布更为接近实际情况，而第2种方案模拟效果则不太理想。

图3 700 hPa水汽通量及雨水混合比(2010年8月19日02时)

4.4.3 垂直速度、相对涡度、散度 分析3种方案模拟的2010年8月19日02时垂直速度、相对涡度及散度的对比分析情况，可以看出，模拟上升运动区很好地对应着正的相对涡度大值区和高层辐散区，也与强降水中心吻合。与之前的再分析资料相比，3种方案模拟的相对涡度要大一个量级左右，这可能是因为模拟的分辨率(23 km)较再分析资料(110 km)要高很多，加上一些物理参数方案的选取，使得较小的对流活动也可以被识别。3种方案模拟的最大相对涡度均达到或超过了40×10-5/s，在对流层高层与之对应的200 hPa散度则有接近甚至超过20×10-5/s的辐散区，垂直速度则在各个模拟的暴雨中心出现了最大近1 m/s的垂直上升运动。不过对比来看，Lin方案所模拟的结果在整个东北至西南的暴雨带的分布情况要更为接近实况，WSM3方案只是对雅安至大邑一带的模拟效果较为理想，Ferrier方案模拟的强度中心则明显偏南。

通过物理量的对比模拟分析可见，暴雨中心对应着强的水汽通量辐合、正的相对涡度区和高层辐散区以及大的雨水混合比区，同时伴随着强烈的上升运动。对于描摹对流强降水所形成的中尺度背景场，通过较高分辨率的中尺度数值模拟可以得出更为精密的分析资料，而微物理方案的配置以及分辨率的敏感性则各不相同，因此还需要大量地模拟试验来确定更加合理的微物理方案配置。

5 结论

①暴雨的成因分析:此次暴雨的大尺度环流背景符合鞍型场的特征，中高纬低压南下活动诱发川西高原低涡生成，在青藏高原东部弱高压与副高的挤压下，低涡得以维持和发展，而对流层高层的南亚高压的辐散作用则对低涡的持续起着积极的作用。暴雨发生之前，盆地由于持续高温高热，不稳定能量大量积聚，从18—19日，来自西太平洋的水汽沿着700 hPa西南低空急流绕经云贵高原东部持续进入盆地，并在500～700 hPa的低涡辐合及盆地西部地形抬升作用下形成东北至西南向的带状暴雨落区，持续时间长，影响范围大。

②本文使用WRFV3.5版本驱动NCEP再分析资料进行中尺度数值模拟，水平分辨率分别使用23 km和5 km。得到以下结论:

a.对于水平分辨率为23 km的模拟情况，3种模拟方案均较好地模拟出了暴雨带的落区和分布，但整体上模拟强度和范围均较实况要偏小，其中Lin方案最为接近。在暴雨中心的模拟上，Lin方案较好地模拟出了此次暴雨的3个中心:雅安、大邑、绵竹，模拟的降水强度也更接近实况;WSM3方案模拟的暴雨带较准确，但暴雨中心不明显，强度也明显偏弱;Ferrier方案模拟的暴雨中心整体偏南，在雅安附近的模拟与实况接近，而大邑和绵竹则模拟的偏弱。

b.对于水平分辨率为5 km的模拟情况，随着分辨率的提高，3种方案所模拟的降水强度都在增强，其中Lin方案模拟的暴雨中心强度超过了实况降水量，但暴雨带却变得更窄，甚至分裂成多个更小的暴雨中心区，在模拟范围上比粗网格略为偏小。WSM3方案随着分辨率的提高，3个暴雨中心降水强度增强明显，与实况更为接近。分辨率提高后，Ferrier方案模拟的降水强度同样有着明显的增强，绵竹附近的暴雨中心突显了出来，但对于大邑附近的暴雨区仍然模拟得不够理想。可见，Lin方案和WSM3方案对分辨率较为敏感，而Ferrier方案则并不明显。分辨率的提高使得模式对小范围的对流活动拥有了更高的识别能力，对降雨强度的模拟得到了明显的增强，但却也使得对暴雨范围的模拟更为分裂、变窄。

c.通过对模拟的物理量进行诊断分析发现，3种模拟方案均能很好地模拟出暴雨发生的中尺度背景场，但在对一些物理量(比较显著的，如雨水混合比、水汽通量)的模拟上却有着不同程度上的差异，这也导致了降水的模拟差异。

d.不同的微物理方案对四川盆地西部强降水的中尺度数值模拟有着不同的敏感性，通过此次暴雨过程的数值模拟试验可以看到，Lin方案的模拟效果最为理想;WSM3类简单冰方案的模拟随着分辨率的提高有着一定的增强;而Ferrier方案则对分辨率的敏感性不高。不过对于四川盆地西部的中尺度暴雨数值模拟，在各种参数的配置上仍然需要进行大量的试验，对于水平分辨率的敏感度试验也同样需要更进一步的试验论证，另外四川盆地西部地形复杂，对于地形敏感度的试验也是接下来需要开展的研究工作。

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