两次强降水过程数值模拟的对比分析

朱国明　赵家华

摘 要：该文利用中尺度WRF模式，结合实况探空资料，对2次强降水过程进行数值模拟的对比分析，结果表明：不同试验的模拟结果中于高原模拟的大值雨带范围偏大，而盆地的大值雨带整体向西南偏移。模拟结果中出现误差原因之一都表现为500hPa高度场上出现低压中心偏移；在温度和水汽的垂直廓线中，高原和盆地的模拟结果都与实况探空站的变化趋势一致。不同点表现为：温度和水汽模拟的垂直廓线中，高原的平均误差小于盆地。

关键词：垂直廓线；WRF模式；数值模拟

中图分类号 P426.51 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）01-0095-03

数值模式在气象研究中被广泛应用，如魏建苏等[1]利用中尺度WRF模式对发生在江苏地区的一次强降水过程进行模拟分析，结果表明模式能够较好的模拟降水落区，对于强降水系统有较好的预报能力。宋雯雯等[2]利用MM5模式对2009年发生在高原的一次低涡过程进行模拟，结果表明模式能较好的模拟出降水落区、强度和低涡结构。袁有林等[3]利用WRF模式对2013年7月12—13日的一次暴雨过程进行了模拟，结果表明不同资料在次天气尺度中存在着差异，进而造成模拟结果的差异，反映了WRF模式对初、边界条件的敏感性。本文利用中尺度WRF模式，结合实况探空资料，对2次强降水过程进行数值模拟的对比分析，探讨数值的模拟能力。

1 降水过程选取

2011年8月2—5日西藏中东部地区出现了一次强降水过程，8月3日08时，已有8个站24h降水量达到了10mm以上，其中3个站超过了20mm，雨区范围和强度进一步扩大和加强，截至4日08时，14个站24h降水量超过了10mm。5日开始雨区开始减弱消失。选取3日08时至4日08时降水最强的时间段作为高原强降水过程进行模拟。

2010年7月22—25日在四川盆地东北部地区出现了一次强对流过程，22日以中到大雨为主，此后强度和范围不断扩大，24日08时至25日08时，降水的强度和范围达到最大，个别站出现了大暴雨，其中仁寿24h降水量达到了257mm。选取24日08时至25日08时降水最强的时间段作为盆地强降水过程进行模拟。

2 模拟方案设计

本文选取中尺度WRF（Weather Research Forecast）模式进行模拟，采用双重嵌套，水平格距分别为30km和10km，初始场资料采用NCEP资料，短波辐射方案为采用Dudhia方案，长波辐射方案采用RRTM方案，边界层方案采用YSU方案，近地面方案采用Monin-obukhov方案，陆面过程采用热量扩散方案。

通过不同分辨率、微物理过程和积云对流方案的反复模拟，降水量模拟结果略，我们发现在高原水平分辨为10km的LG方案（微物理过程为Lin方案，积云对流方案为Grell-Devenji）模拟的效果要优于其他试验结果，盆地水平分辨为30km的LG3方案（微物理过程为Lin方案，积云对流方案为New Grell）模拟的效果要优于其他试验结果。下面为了进一步分析模拟效果，本文针对上述2个方案进行物理量诊断分析。

3 模拟方案分析

3.1 高原模擬结果的高度场分析 根据高原各时刻500hPa高度场实况和模拟结果，08时在高原中部，存在一个低压中心，模式成功模拟出了低压中心，并且强度相当，因此模拟的降水强度的平均误差较小，但模式在低压的东北部多模拟出一个小的高压中心。14时低压减弱，并向东移，模式模拟出了这一过程，但低压中心开始出现偏移，较实况的中心偏西。20时北方低压南侵，与高原东部低压汇合，模式模拟出这一过程，但模式模拟584线进一步向西伸。4日02时584线开始向西伸，但没有模式模拟的西伸幅度大，并且模式在西藏中部地区模拟出2个小低压，4日08时，这2个低压进一步扩大。低压中心偏移、584线的提前西伸、西伸幅度偏大和西藏中部的两个小低压造成了降水模拟结果中的偏差。

3.2 盆地模拟结果的高度场分析 根据盆地各时刻500hPa高度场实况和模拟结果，08时在盆地北部，成功模拟出了低压中心，但模拟的低压强度偏弱，因此模拟的降水强度的平均误差为负（模拟值小于观测值）。14时低压减弱，范围进一步扩大，模式模拟出了这一过程。20时成功模拟出低压向南发展，但低压中心开始发生偏移，低压在实况低压的西南。25日02时，低压进一步向南发展，低压中心外围的586线与南部的586线合并。模式模拟出了低压发展。25日08时，低压中心发展，南部的584线东伸，而模式将低压中心的584线与南部的584线合并，模拟的低压范围偏大。开始低压中心强度偏弱，随后位置出现偏移，最后模拟范围偏大，这些共同造成了降水模拟结果中的偏差。

3.3 流场分析

3.3.1 高原模拟结果的流场分析 高原各时刻500hPa流场实况和模拟结果可知，08时冷、暖空气汇合主要发生在那曲-索县一带，模式成功模拟出了冷、暖空气汇合带。14时，汇合带向南压，最南在30.5°N附近，而模式模拟的汇合带较实况偏南，在30°N附近。20时，在西藏中部形成了一条横穿西藏地区的一条汇合带，在30°N附近，模式模拟的汇合带仍偏南。4日02时，冷、暖空气汇合带最南端维持在30°N附近，模式模拟的汇合带与实况相近。4日08时，在西藏地区形成大的涡旋，模式也模拟出了这一过程。综上所述，实况中冷、暖空气汇合带主要出现在30°N附近，而模式模拟的汇合带也大致出现30°N附近，因此模拟的雨带与实况相差不错，但由于各时刻中汇合带出现偏差，所以造成了模拟降水中心个数、位置和范围出现偏差。

3.3.2 盆地模拟结果的流场分析 盆地各时刻500hPa流场实况和模拟结果可知，08时在四川北部存在一个气旋性的涡旋，14时涡旋进一步发展，模式成功的模拟出了这一过程。20时涡旋向东南方向发展，而模式模拟出的涡旋向西南发展。25日02时涡旋进一步发展，南方的暖湿空气在四川东部平直的向北输送，而模式模拟的南方暖湿空气先输送到四川中部地区，再转向东北输送，20时和02时的发展这就导致了模式模拟出的雨带向西南偏移。25日20时在四川西部，形成一个水汽汇合带，模式也模拟出了这个汇合带。endprint

3.4 温度垂直廓线分析

3.4.1 高原模拟结果的温度垂直廓线分析 图1给出了高原那曲探空站各时刻温度垂直廓线的实况和模拟结果，探空站模拟结果由模式的格点温度插值得到。从图1可知，模式输出的各层温度廓线与探空站输出结果变化趋势一致，最大平均误差出现在20时，为0.212℃。

3.4.2 盆地模拟结果的温度垂直廓线分析 图2给出了盆地温江探空站各时刻温度垂直廓线的实况和模拟结果，探空站模拟结果由模式的格点温度插值得到。从图2可知，模式输出的各层温度廓线与探空站输出结果变化趋势一致，最大平均误差出现在20时，为0.481℃。

3.5 水汽垂直廓线分析

3.5.1 高原模拟结果的水汽垂直廓线分析 图3给出了高原那曲探空站各时刻混合比垂直廓线的实况和模拟结果，探空站模拟结果由模式的格点温度插值得到。从图3可知，模式输出的各层温度廓线与探空站输出结果变化趋势一致，但在20时模式在300hPa以下，模拟的水汽含量偏少，300hPa以上偏高。

3.5.2 盆地模拟结果的水汽垂直廓线分析 图4给出了盆地探空站各时刻混合比垂直廓线的实况和模拟结果，探空站模拟结果由模式的格点温度插值得到。从图4可知，模式输出的各层温度廓线与探空站输出结果变化趋势一致，但在08时模式在500hPa以下，模拟的水汽含量偏高，500hPa以上偏低。

4 结论

（1）模拟结果中出现误差原因之一都表现为500hPa高度场上出现低压中心偏移；在温度和水汽的垂直廓线中，高原和盆地的模拟结果都与实况探空站的变化趋势一致。

（2）模拟结果中500hPa高度场上高原表现为584线的提前西伸、西伸幅度偏大和在西藏中部形成两个小低压，而盆地表现为模拟中心气压强度偏弱和范围偏大。500hPa流场上，高原表现为在各时刻冷、暖空气汇合带偏移致使模拟降水中心偏差，而盆地表现为水汽输送路径的差异致使出现降水中心偏差；温度和水汽模拟的垂直廓线中，高原的平均误差小于盆地。

参考文献

[1]魏建苏，陈鹏，孙燕，等.WRF模式对江苏一次强降水过程的模拟分析[J].大气科学学报，2011，34（2）：232-238.

[2]宋雯雯，李国平.一次高原低渦过程的数值模拟与结构特征分析[J].高原气象，2011，30（2）：267-276.

[3]袁有林，杨秀洪，杨必华，等.不同初始场及其扰动对WRF模式暴雨的影响[J].沙漠与绿洲气象，2017，11（1）：67-75.

（责编：张宏民）endprint