基于WRF模式对贵州一次山地暴雨数值模拟研究

黄天福，高 鹏，吴安坤，刘 鹏,陈昌文

(1.贵州省六盘水市气象局，贵州 六盘水 553000；2.贵州省气象灾害防御中心,贵州 贵阳 550081)

1 引言

贵州位于乌蒙山脉南端，云贵高原北部，全省92.5%为山地、丘陵，地形较为复杂。属亚热带湿润季风气候，夏季暴雨时有发生，短时强暴雨和持续性暴雨以及诱发的次生灾害对贵州影响巨大。大量气象学者对贵州暴雨发生、发展以及预报做了相应科学的研究[1]，在暴雨数值模拟预报研究上，张润琼等[2]利用MM5对贵州一次暴雨天气进行数值模拟得出：暴雨中心位于最大垂直速度中心附近，南北两支闭合径向垂直环流对暴雨区低空入流和高空流出具有非常重要的作用。吴哲红等[3],伍红雨等[4]也是采用MM5 V3.6模式对贵州暴雨进行数值模拟研究，并得到了各自的理论。后期乔林等[5]采用WRF模式对黔西南一次中尺度暴雨的数值模拟诊断研究指出，对流层低层的中尺度辐合线造成了初始的上升运动,β中尺度对流系统首先在地面锋线前不稳定的暖区中生长,辐合线南侧的偏南气流对水汽和热量的输送是对流能够持续生长的最重要因素。何玉龙等[6]也采用WRF数值模拟对贵州暴雨展开模拟及诊断分析指出，低涡的时空演变与暴雨中心移动和暴雨强度相一致。结合WRF模式与MM5模式对贵州暴雨模拟情况对比分析上看，WRF模式能更好模拟出不同降水性质的降水天气过程，但是目前贵州山地暴雨的暴雨量级和暴雨落区预报并不是很好,特别是在暴雨落区预报上，很多预报员在暴雨落区上预报不准确，只知道有这么一次天气过程，在落区预报上采取大面积撒网的方式，针对这一问题。本文将采用WRFV3.6.1模式对发生在贵州山区2012年5月21日傍晚到夜间一次大暴雨进行模拟和诊断分析，从中找出一些有利于贵州山地暴雨落区预报的技术指标，进而提高贵州暴雨预报质量。

2 降水实况

2012年5月21日20时—22日20时贵州省境内出现区域性大暴雨天气过程。降雨天气涵盖全省(图1)，强降水主要出现在贵州省的西南部暴雨区。全省共计85个县站、1 690个乡镇出现降雨天气，大暴雨发生主要区域在贵州西南部的六盘水、安顺、黔西南州大部、毕节东南部、黔南西北部和贵阳西部等地区，北部边缘和省中部以东降水量级较小，省东部和东南部个别站点出现暴雨。根据统计：全省有2个乡镇出现特大暴雨，六盘水的板桥镇和毕节市的桂果镇，以板桥镇的208.9 mm为最大降雨。有3县测站达到大暴雨量级，六盘水的六枝站135.8 mm、黔西南的晴隆站128.3 mm和贵阳的平坝站 101.7 mm,69个乡镇达到大暴雨。

由于此次强降水天气过程降水时间短(集中在21日22时—22日04时)(图2)，降雨强度大(最大小时雨量在79.8 mm)，降水范围广(覆盖全省)等特点。根据不完全统计，此次暴雨造成西南部大部分公路与农田被冲毁，农作物受灾面积大，房屋损坏多并且严重。由于强降水诱发的更多的次生灾害，毕节市黔西县城关镇因为强降水渍涝导致一土墙青瓦房倒塌，造成3人死亡5人受伤的伤亡事故[7]。

图1 2012年5月21日20时—22日20时实况降水Fig.1 The actual precipitation from 20 o 'clock May 21 to 20 o 'clock, May 22, 2012

图2 大于150 mm 8站平均降水量时间序列Fig.2 Average precipitation time series for 8 stations greater than 150 mm

3 大气环流及中尺度系统分析

通过对5月21日08时—22日08时高、中、低层和地面演变对此次大暴雨天气的发生发展进行天气学分析。21日08时高空500 hPa(图3a)，欧亚中高纬度为“两槽一脊”环流形势，两长波槽分别位于我国巴尔喀什湖以南和东亚沿海地区，高压脊位于我国的东北一带，低纬呈平直西风带形势。低涡中心位于贝湖东南侧，低槽延伸到我国境内，槽后有强的西北气流引导冷空气南下，高原上为平直的西风气流，四川东部—贵州西北部有一高空槽，贵州位于槽前西南气流影响。21日20时(图3b)高原高空槽加强发展东移南压到川东—贵州省西北部，此时贵州受位于槽前西南气流影响。22日02时(图3c)槽继续东移南压，位于广西西北部，贵州西北部受槽后偏西气流影响，贵州东南部仍然受槽前偏西南气流控制。

图3 500hPa高空环流形势演变图(a.21日08时 b.21日20时 c.22日02时)Fig.3 500 hPa High Altitude Circulation Situation Evolution Map(a. 8 o'clock,May 21; b.20 o'clock,May 21; c.2 o'clock,May 22)

分析700 hPa环流形势演变，21日20时(图4a)贵州全省为强劲的西南气流，四川东部有一低涡，低涡切变沿川东南—贵州西北角延伸至滇东北角，未来南压影响贵州全境。22日02时(图4b)影响贵州的西南气流加强为低空西南急流，低涡继续位于四川省的东部，低涡切变南压到四川东南部—贵州中西部，此时低涡切变完全控制影响贵州全境。850 hPa上(图略)，21日20时贵州为偏南气流，位于贵州省西北角有一低涡，且该低涡位于500 hPa高空槽的前端,槽前的正涡度平流有利于该低涡的发展，未来影响贵州全境。

图4 21日700 hPa高空环流形势演变图(a.08时，b.20时)Fig.4 700 hPa High Altitude Circulation Situation Evolution Map(a. 8 o'clock,May 21; b.20 o'clock,May 21)

4 WRF模式介绍与对比分析

4.1 WRF模式介绍

本文采用中尺度天气模式WRFV3.6.1模拟此次暴雨天气过程，采用墨卡托地图投影的三重嵌套网格[8](图1),从地面到模式层顶分为43个eta层。详细模式设计方案阅表1。

图5 WRF模拟的嵌套区域Fig.5 Interwoven area of WRF Simulation

图5中的d03区域是覆盖了本文所研究的区域，此次模拟客观分析的第一猜测场使用的是NCEP提供的一日4次空间分辨率为1°×1°的NCEPNCAR 全球再分析FNL资料，同时使用RGT的实时变化的海温数据进行海温数据的订正和反馈。3个区域模式开始积分的时间都为2012年5月20日20时，积分到2012年5月22日20时，共积分48 h。

表1 使用的模拟方案Tab.1 Simulation plan adopted

4.2 降水对比

此次强降雨天气过程主要发生在21日夜间—22日凌晨，模拟降水结果如图6所示。可以看出，经过数值模拟的24 h累积降水量级比较一致，都达到大暴雨量级，省西南地区的暴雨落区和大暴雨落区也能模拟出来，但是模拟较实况相比，落区略偏大。此外，省中北部暴雨落区较实况偏大。总体认为模拟结果能够较好的模拟出降水分布情况。

图6 2012年5月21日08时—22日08时24 h降水量 (a.实况累计 b.d02区域模拟累计)Fig.6 The precipitation from 8 o 'clock, May 21 to 8 o 'clock, May 22, 2012(a.the actual accumulative precipitation； b.the accumulative precipitation of WRF Simulation in d02 area)

5 动力作用分析

为了讨论此次强降水过程的动力条件演变特征，以下将对数值模拟暴雨最大降水时段(即5月22日02时)发生之前和发生之时的涡度场、散度场和垂直速度场进行分析。

5.1 涡度分析

从图7中可以看出，在强降水发生最强时(5月22日02时)，850 hPa上贵州省西南部存在零散的涡度中心，但涡度值偏小，在强降水发生时(5月22日08时)，850 hPa上该区域的涡度值增大且涡度高值中心向东移的，这与降雨中心移动是一致的。

5.2 散度分析

分析5月22日02时、08时200 hPa散度场，可以从图8中看出，同涡度存在相同的形势，在强降水过程发生之前，贵州省西南部地区200 hPa存在零散的散度中心，散度值都比较大。

图7 5月22日相对涡度(a.02时 c.08时)和相对涡度垂直剖面(b.02时 d.08时)，等值线为正涡度区Fig.7 The contour represents positive vorticity region on 2 o 'clock, May 22 and and 8 o 'clock, May 22(a,c: the relative vorticity; b,d: the vertical cross section)

图8 5月22日200 hPa散度(a.02时 c.08时)与沿25.5°N散度垂直剖面(b.02时 d.08时)，等值线为正散度区Fig.8 The contour represents positive divergence region on 2 o 'clock, May 22 and 8 o 'clock, May 22 (a,c: the divergence at 200hPa; b, d: the vertical section of divergence along 25.5N)

沿25.5°N作经向剖面之后发现，强降水中心从地面到300 hPa左右散度为负值，即这段垂直区域为辐合区，而300 hPa以上正散度发生发展得比较旺盛，正散度柱一直延伸到150 hPa，在150 hPa上形成一个正散度中心，这说明强降水中心高层为强辐散区，进而形成低层辐合、高层辐散的形势，这种形势十分有利于垂直运动的发展，促进强对流天气的发生发展[8]。随着时间的变化，散度中心沿自西北—东南向移动，在剖面上低层辐合、高层辐散的配置也略微减弱，而且对比两个时刻的散度剖面图可以发现，在高层存在的辐散区随时间有向低层移动的趋势。

6 热力作用分析

6.1 假相当位温和湿度演变特征

分析假相当位温可以判定大气层的稳定性，(图9)给出了5月22日02时、08时假相当位温和相对湿度的高度—经向图，图9a中可以看出在强降水中心上方存在着假相当位温密集区，在密集区中相对湿度伸展高度至250 hPa左右，在降水中心上方，假相当位温形成一个向下凹的舌区，舌区几乎伸展到了200 hPa，表明此时此地的上升对流运动最为剧烈，而中高层中，假相当位温几乎不变，接近中性层结。图9b中，强降雨中心上空都存在着深厚的湿层，但西部的湿区渐渐减弱，并向东移动。假相当位温舌区也向东移动，不稳定层结也有所减弱。湿区和假相当位温舌区的移动与降水中心的移动有着很好的对应关系。可见，大暴雨的发生易在不稳定条件和强上升运动区域中。

6.2 CAPE和比湿分析

大气中的不稳定能量的集聚和释放可以由对流有效位能很好的反映出来，对流有效位能的值越大，强对流发生的可能性就越大[9]。根据模拟所得资料作出22日02时、08时对流有效位能的水平分布情况(图10)，图10 a可以看出CAPE几乎覆盖了整个贵州省，贵州省的中西部地区全部超过1 000 J/kg，黔西南地区有部分地区超过了1 400 J/kg，这说明贵州中西部地区层结不稳定，特别是黔西南州，处于强对流天气极易发生的地区，与大暴雨落区是相一致的。

图9 22日假相当位温(虚线)和相对湿度(阴影区)垂直剖面(a.02时 b.08时)Fig.9 The vertical section of pseudo-equivalent potential temperature (the dotted line) and relative humidity (the shaded area) (a. 2 o 'clock, May 22; b. 8 o 'clock, May 22)

图10b中，CAPE值明显向东移动，已经移动到黔西南东南部和黔南大部，与大暴雨落区东移也是一致的。

从强降水发生前和发生时700 hPa比湿的水平分布图中可以看出，两个时刻贵州中西部的比湿都是一个高比湿区，暴雨最强时，比湿中心主要位于黔西南州，最高达到16 g/kg，整个贵州省的中西部地区都处在贵州暴雨比湿条件(700 hPa上比湿大于8 g/kg)中，在22日08时，比湿中心东移，同样满足贵州暴雨比湿条件。

由此可见，“5.22”大暴雨过程中，低层深厚的湿层为大暴雨发生提供了充足的水汽条件、充足的对流有效位能和比湿提供了能量条件、不稳定层结和强烈的上升运动也给此次大暴雨提供了有利配置，使得中尺度对流系统得到很好地发展，进而引发强降水。

7 垂直螺旋度分析

图10 22日对流有效位能CAPE水平分布(a.02时 b.00时)Fig.10 The horizontal distribution of CAPE. (a. 2 o 'clock, May 22; b. 8 o 'clock, May 22)

许多研究发现，垂直螺旋度较涡度和垂直速度变化更为敏感，且其分布与雨区配合较好[10]，垂直螺旋度与暴雨落区有着一定的对应关系，任轶等[11]使用700 hPa上垂直螺旋度来与暴雨落区做验证对比，发现暴雨落区与700 hPa上的垂直螺旋度有很好地对应关系，垂直螺旋度在大雨以上强对流天气分析、预报中有很好的指示作用。

图11 22日700 hPa垂直螺旋度(a.02时 b.08时)沿垂直螺旋度的垂直剖面(c.02时 d.08时)Fig.11 The vertical helicity at 700 hPa (a. 2 o 'clock, May 22; b. 8 o 'clock, May 22) and the vertical section of the vertical helicity at 700 hPA (c. 2 o 'clock, May 22; d. 8 o 'clock, May 22)

图11a、11b是两个不同时刻(2016年5月21日02时和22日08时)的700 hPa的水平分布，可以发现在第一个时刻在贵州中西部存在着分散的垂直螺旋度高值区，对比降雨分布图(略)，可以发现这些高值区较好的对应着降水落区，但是降水落区比垂直螺旋度略偏大和成片。22日08时图11 b中的垂直螺旋度的高值区也可以和对应时刻的降水落区有一定的对应关系。这与强降水发生的地方是一致的。对应的高度—经度剖面图11c、11d中可以看出在强降雨中心上方，垂直螺旋度伸展到了150 hPa，强度大，在500～200 hPa形成高值区。在下一个时刻，垂直螺旋度高层的高值中心减弱，并逐渐向中低层移动，在水平方向上向东移动，形成了相间的高值中心。

综上所述，700 hPa上的垂直螺旋度与降水落区有着较好的对应关系，在实际业务中可以用来确定降雨落区，为提升预报业务水平提供依据。

8 小结

数值模拟分析可以在一定程度上填补高原上常规观测资料缺乏、分辨率不高的空缺。本文利用中尺度数值模式WRF对2016年5月22日的一次强降水天气过程进行数值模拟研究，将数值模拟结果和观测实况进行对比，同时使用WRF模拟结果分析此次降水过程中动力和热力，以及垂直螺旋度等方面的演变特征，有以下结论：

①WRF能够较好地模拟出此次大暴雨过程的大尺度环境、降水分布，对此次大暴雨天气过程的演变有一个很好的重现，只是在贵州中北部的累计降水略偏大，可认为其9 km和3 km高分辨率资料可以用来对此次暴雨过程系统进行详细的分析研究。

②此次降雨过程存在着明显的低层辐合、高层辐散的形势配置，这有利于垂直运动的发展，进而产生剧烈的强对流天气。垂直速度也体现出在降雨中心存在着强对流发展，伸展高度高，垂直区域广。

③“5.22”大暴雨过程中，低层深厚的湿层为暴雨发生提供了充足的水汽条件、充足的对流有效位能和比湿提供了能量条件、不稳定层结和强烈的上升运动也给此次大暴雨提供了有利配置，使得中尺度对流系统得到很好地发展，进而引发强降水。

④700 hPa上的垂直螺旋度与降水落区有着较好的对应关系，在实际业务中可以用来确定降雨落区，为确定落区提供科学依据。