云南一次致灾暴雨过程WRF模式模拟分析*

张思豆, 张 杰, 曹 杰

(1.云南大学 国际河流与生态安全研究院，云南 昆明 650500;2.云南省气象信息中心,云南 昆明 6500343.云南大学 大气科学系,云南 昆明 650500；)

暴雨是不同尺度天气系统有利配合下形成的强降水天气过程，由于降水系统相互作用复杂且种类繁多，使得暴雨过程的预报与研究极为困难。长期以来气象工作者采用常规观测资料对暴雨过程特点、环流形势、形成条件以及发展过程进行研究，并取得了一些结果[1-2]，但由于常规资料时空分辨率低，对暴雨过程的研究、预报具有一定局限性。随着高分辨率中尺度数值模式发展，现在可通过数值模拟来展现暴雨过程的演变、结构特征和相伴的中尺度系统的发生发展[3-4]。特别是近年来中尺度WRF(Weather Research Forecast)模式系统不仅在预报各种天气中具有较好的性能[5]，而且已成为暴雨研究的重要工具[6-7]，丁治英等[8]利用实况资料和WRF模式对华南一次双雨带暴雨过程进行了数值模拟与诊断分析，认为南压锋面的西南方向(广西沿海)生成一低涡成为位涡的输送源，对双雨带形成有重要作用；张芳华等[9]、Liu等[10]和Wang等[11]对2003年6月24-25日江南特大暴雨、2003年夏季江淮强降水和2011年3-7月长江流域强降水进行模拟研究表明WRF模式能较好地模拟降水的演变、大小、分布及环流形势；尹洁等[12]对江西北部一次罕见大暴雨过程的WRF模式模拟表明与特大暴雨区相吻合的β中尺度低涡形成与暖湿气流和弱冷空气共同作用有关；王宁等[13]用WRF模式能够成功模拟出2012年7月21日北京特大暴雨过程，特别是认为对100 mm以上的大暴雨也有较强的模拟能力，徐之骁等[14]研究不同积云对流参数化方案对“7.21”北京特大暴雨模拟的影响后认为KF和BMJ方案模拟的深对流区域降水效率高，张杰等[15]进一步使用WRF V3.7对“7.21” 北京特大暴雨极端天气过程的发生发展机制进行对比研究认为暴雨过程主要由低空中尺度系统造成，暴雨的落区和强度是由中尺度系统随时间的移动而决定。

云南地理位置特殊，暴雨具有明显的地域性、突发性和群发性特点，云南气象工作者针对云南暴雨及其时空分布和造成的地质灾害开展过大量研究工作[16-19]，特别是近年WRF模式开始在云南预报业务中本地化应用和研究[20]，明显改善了对暴雨天气过程预报能力及对影响系统和强降水的模拟研究能力[21-23]，但总体上针对云南特殊区域的中尺度数值模式在致灾暴雨中的应用和研究仍然较少。本文基于WRF模式输出资料和NCEP的1°×1°再分析资料，模拟2014年川滇切变影响下云南的一次致灾暴雨过程，并对结果进行诊断分析，探讨中尺度天气系统发生发展的物理机制，以期为WRF模式在低纬度高原地区致灾暴雨预报提供参考。

1 资料与模拟方案

1.1 实况观测资料

选取云南省125个国家级自动气象站的08:00-08:00地面实况降水资料和FY2E卫星云图资料。依据全省125气象站中有12个及以上24 h降水量≥50 mm称为一次全省性暴雨天气过程的业务规定，选取2014年6月6日08:00-7日08:00(北京时，下同)暴雨过程。

1.2 NCEP/NCAR再分析资料

NCEP/NCAR再分析资料是每日4个时次(北京时02、08、14、20)、每隔6 h一次的(1°×1°)格点数据，包括位势高度、相对湿度、uv风速、垂直运动、涡度等97个物理参量，从1 000 hPa到10 hPa共设置26层。

1.3 模拟方案

细网格中尺度WRF数值模式采用全可压、非静力方程和Arakawa C格点方案，使用NCEP再分析资料作为边界条件和天气背景场进行模拟试验，使用Lambert地图投影显示。采用的方案及物理过程如下。

(1)采用三重嵌套网格分层(图略)，中心位于99.0°E、26.0°N，母网格有237×189个格点，格距27 km；一层子网格有219×219个格点，格距9 km；二层子网格有330×330个格点，格距3 km。

(2)模式顶层气压为100 hPa，垂直分层19层。

(3)积云对流化参数方案：粗网格是Kain/Fritsch方案，细网格是Grell方案。

利用WRFV3.5.1 版本，采用RRTM、Dudhia、YSU方案分别作为长波辐射、短波辐射、边界层方案，并采用Betts-Miller-Janjic、浅对流Kain-Fritsch (new Eta)、Grell-Devenyi集合方案作为积云对流参数化方案，陆面过程为热量扩散方案，云辐射采用Monin_Obukhov方案，微物理参数化方案采用Ferrier(new Eta)方案(水汽、云水)。

(4)模拟时间:2014年6月6日08:00-8日08:00，积分时间均为48 h，每1 h和每3 h输出一次模拟结果。

2 降水实况和灾情

2014年6月6日08:00-7日08:00全省有3站大暴雨、13站暴雨和16站大雨，降水强度大，短时强降水特征明显，产生严重洪涝灾害，据不完全统计，粮食作物、经济作物、蔬菜、烤烟受灾面积达3 406 hm2，1.7万人受灾。强降水主要分布在丽江、楚雄、玉溪、红河和文山一带，表现为一条西北-东南走向的中尺度雨带，其中24 h降水量易门县达134.3 mm，禄丰县达122.8 mm，同时伴随有强烈闪电活动。从易门县和禄丰县逐小时降水量分布随时间演变(图1a)也可以看出，降水量分布随时间起伏较大，相对最强的降水时

图1 逐小时降水量和红外云图

图2 2014年6月6日08:00-7日08:00降水实况与模拟结果比较(单位:mm)

图3 2014年6月6日20:00 500hPa高度(单位：dagpm)和温度(单位：℃)形势场实况与模拟结果比较(实线为等高线、点线为等温线、粗实线为低槽)

段持续时间在1～3 h之间，其中易门县6日22:00-7日01:00的3 h降水量达91.0 mm，占日降水量的68%；禄丰县6日19:00-20:00降水量达92.9 mm，1 h降水量占日降水量的76%。分析6日20:00 FY2E红外卫星(图1b)发现，从四川南部、大理东部、楚雄、昆明、玉溪、红河、文山有一条西北-东南走向的带状对流云系，由5个不同大小云顶亮温≤-60 ℃的中-β尺度云团组成，其中昆明到楚雄椭圆形结构的中-β对流云团A发展最强，云顶亮温≤-70 ℃，带状对流云系西南移沿途产生短时强降水，其上中-β尺度对流云团A直接导致禄丰19:00-20:00的92.9 mm短时强降水，此次暴雨过程对流性强和短时强降水特征明显。

3 模拟结果与实况的对比

3.1 24 h累积降水量

图2给出6月6日08:00-7日08:00的降水实况和模拟结果，图中阴影区表示降水量≥10 mm、≥25 mm、≥50 mm、≥100 mm，分别代表中雨、大雨、暴雨和大暴雨。

比较分析6月6日08:00-7日08:00降水实况(图2a)和模拟结果(图2b)可以看出，模拟雨带位置整体为西北-东南走向，其中强降水区域(雨量大于50 mm)位于滇中以南地区(101°E以东、25°N以南)，与实况降水相比，模拟结果基本体现了这次强降水过程的主要特征，即模拟的雨带位置和走向基本一致，而且模拟的降水区域和降水强度与实际也基本一致，区别主要在于模拟雨量大于50 mm的暴雨带略有南偏、西偏以及更狭长一些，滇西北丽江境内的暴雨区没有模拟出来；模拟出雨量大于100 mm 的2个大暴雨中心，其中模拟结果在(101.6°E、23.8°N)附近大暴雨中心和实况大暴雨中心(102°E、23.8°N)位置相近，但在(102°E、24.5°～25.3°N)附近的大暴雨区没有模拟出来，而在南部(103°E、22.3°N)附近模拟出一个大暴雨中心，且模拟的大暴雨范围偏小一些。

总而言之，虽然WRF模式模拟的暴雨区位置较实况稍偏南和偏西以及大暴雨范围稍偏小，但模式对强降水雨带位置和强度的模拟比较理想，基本体现了这次致灾暴雨过程的落区、强度和主要特征。

3.2 500 hPa形势场对比

从2014年6月6日20:00 FNL再分析资料的500 hPa高度场和温度场(图3a)与同时次模拟场(图3b)比较可以看出，WRF模式模拟的高度场与温度场均与实际情况相似，等高线和等温线走向基本一致，两者585 dagpm等高线控制滇西和滇南地区，只是模式预报控制范围偏小一些和云南境内多了一条584 dagpm等高线，且南海一带表现为相同的586 dagpm等高线控制；模式预报在甘肃、陕西、四川到云南西北部有一低槽，配合存在密集的等温线和冷温度槽，最低温度达-5 ℃，与实况场青藏高原东南侧低槽东南移到的位置和配合的冷温度槽位置以及降温幅度相近，只是模拟低槽584和583 dagpm等高线更偏南到云南境内，这可能也是模拟降水比实况稍偏南的原因，进一步说明低槽东南移引导高层冷空气南下为暴雨提供动力扰动条件，且模式预报和实况场在青藏高原东南侧都存在一暖中心，在云南境内都表现出为一致-2～-1 ℃的冷温区，只是实况降温稍强于预报场，这也是模式预报大暴雨区范围稍偏小的原因。因此，虽然WRF模式对500 hPa高度场和温度场的模拟与实况相比有一定偏差，但总体能较好地模拟出等高线和等温线走向、结构、系统位置和强度。

3.3 700 hPa流场对比

由于本文模拟过程未考虑地形作用，青藏高原到云南西北部海拔高度高于700 hPa高度的区域未能进行模拟。

比较分析6月6日20:00再分析资料的700hPa流场(图4a)与同时次模拟场(图4b)可以看出，对云南流场分布包括周边环境的模拟都非常准确，与实况基本相同，其中在云南境内两者都可以清晰地看到一条西北-东南向的切变线，在切变线周围还伴有气旋式的风向转变，切变线东侧为偏东风和反气旋流场形势，而西侧是偏西风和气旋性流场形势，这便是此次降水过程的主要影响系统川滇切变线，造成的风切变加强了这一地区的大气上升运动，促成了暴雨天气的产生与发展，只是模拟的切变线位置较实况场偏西偏南一些，这也是模拟暴雨区偏西偏南的原因。可见WRF模式较好地模拟了此次暴雨过程的切变线影响系统的位置，模拟的切变线走向和分布与暴雨带几乎一致。

4 数值模拟结果诊断分析

根据6日08:00起报每3 h 1次的模拟结果，选取6-7日暴雨发生过程中相对湿度、涡度、垂直速度和螺旋度诊断分析暴雨形成的水汽和动力条件。

4.1 水汽条件

图5给出WRF模式模拟的6月6-7日暴雨区上空(102°E、24.5°N)相对湿度垂直剖面随时间演变(a)和6日23:00沿24.5°N相对湿度的经度-高度剖面(b)。从图5a看出，6日08:00开始550 hPa以下相对湿度大于90 %的高湿度层逐渐向高层扩展，到17:00-23:00强降水开始时段扩展到400 hPa，暴雨区上空为深厚湿层，75 %相对湿度扩展至250 hPa，7日02:00之后高湿层降低，强降水逐渐减弱；从图5b可以看出，在云南100°～106 °E范围内整层为深厚高湿层，从低到高各层相对湿度相比其它区域都很大，直至200 hPa大气相对湿度也达到60 %，尤其400 hPa以下中低层大气相对湿度大于90 %，甚至达到95～100 %，接近或达到饱和，高湿度环境为暴雨天气过程的形成提供了充足的水汽条件，有助于降水持续和加强，也进一步促成了持续时间长的暴雨天气发生，正好对应着暴雨过程的强降水时段。可见，WRF模式模拟出了此次暴雨过程发生所必需的充沛水汽条件，较好地再现了强降水发生时相对湿度演变、大小与垂直分布情况。

4.2 涡度

从WRF模式模拟的2014年6月6-7日暴雨区上空(102°E、24.5°N)涡度随时间演变的垂直剖面(图6)来看，6日08:00-17:00降水区域虽然中低层450 hPa以下为正涡度，但正涡度的强度比较小，在3×10-5/s以下，6日17:00开始，正涡度迅速发展，并一直延伸至到450 hPa，在暴雨区形成了从下到上延伸到450 hPa的正涡管，6日18:00-7日05:00中低层正涡度达12×10-5/s以上，最大达15×10-5/s，表示在该区域中有气旋型旋转和辐合上升运动，有利于天气系统发展和降水发生，并能促进强对流天气的发展，而在高层450 hPa以上则出现一负涡度区，表明高层存在反气旋旋转和辐散，这种垂直结构分布形势进一步对暴雨过程的形成发展起到了一定的促进作用，这一涡度垂直结构一直持续到了7日05:00之后才逐渐减弱，正好与6月6-7日强降水时间相吻合；分析23:00强降水时700 hPa涡度(图6b)水平分布发现，云南境内形成一条西北-东南向的正涡度带，与切变线系统位置和走向基本一致，正涡度在3～6×10-5/s之间，较好地指示暴雨带，进一步表明切变线附近存在气旋型旋转和辐合上升运动利于强降水发生。因此WRF模式完整地重现了促使暴雨发生的正涡管效应及涡度水平、垂直分布和强度，形成低层正涡度辐合而高层负涡度辐散的现象，有利于大气抽吸作用，促使暴雨的形成和对流性短时强降水的发生，700 hPa正涡度水平分布与暴雨带带状走向一致。

图4 2014年6月6日20:00 700hPa流场实况和模拟结果比较，粗实线为切变线

图5 WRF模式模拟的6月6-7日(102°E、24.5°N)上空相对湿度的时间-高度剖面、6日23:00沿24.5°N相对湿度垂直剖面(单位：%)

4.3 垂直运动

垂直运动是大气中能量转换的重要方式，它的强弱与水汽、流场、涡度等物理量的强弱息息相关。图7给出WRF模式模拟的6-7日暴雨区(102°E、24.5°N)上空垂直速度垂直剖面随时间演变(a)和6日23:00沿24.5°N暴雨区上空垂直速度的经度-高度剖面(b)。从图7a看出，6日11:00开始从低层一直延伸到200 hPa为深厚上升运动区，17:00上升运动最强，上升速度均在12×10-3hPa/s 以上，其中250 hPa附近达28×10-3hPa/s 以上，随后强降水发生，强烈上升运动一直持续到7日05:00才减弱，与强降水发生时段对应，期间20:00可能是由于强降水引起下沉气流导致出现短暂下沉运动；从图7b可以更清楚看出，100°～102°E为非常强深厚上升运动区，上升运动一直延伸至200 hPa以上，最强出现在101°～102°E之间的350 hPa附近，上升速度达95×10-3hPa/s，垂直结构的形成与切变线自身的环流结构有关，说明WRF模式很好地模拟出切变线系统是深厚发展的对流系统，强烈上升运动为强降水过程提供充足的动力条件，能较好地预示强降水发生，但模拟的强上升运动区域比实况强降水位置也略偏西一些，与WRF模拟的切变线系统稍偏西有关。

4.4 螺旋度

螺旋度为风速矢和涡度矢点积的体积分[24]，反映旋转与沿旋转轴方向运动的强弱。

(1)

图6 WRF模式模拟的6月6-7日(102°E、24.5°N)上空涡度的时间-高度剖面、6日23:00 700 hPa涡度分布(单位:10-5/s)

图7 WRF模式模拟的6月6-7日(102°E、24.5°N)上空垂直速度的时间-高度剖面和6日23:00沿24.5°N垂直速度垂直剖面(单位：10-3 hPa/s)

图8 WRF模式模拟的6月6-7日(102°E、24.5°N)上空垂直螺旋度的时间-高度剖面、6日23:00垂直螺旋度沿24.5°N垂直剖面和700 hPa水平分布(单位：10-7hPa/s2)

=ξ×u+η×v-ω×ζ。

(2)

式中：右端三项分别与x、y、p方向的风速u、v、ω和涡度ξ、η、ζ分量相联系，分别称为x螺旋度(hx)、y螺旋度(hy)、p螺旋度(hp)，前两项为水平螺旋度，后一项为垂直螺旋度，其中垂直螺旋度是垂直速度与垂直涡度乘积，与强天气密切相关，反映天气系统维持状况及系统发展和天气强度，本文重点对垂直螺旋度进行分析。

从WRF模式模拟的6-7日暴雨区(102°E、24.5°N)上空垂直螺旋度垂直剖面随时间演变(图8a)看，6日14:00-7日02:00形成下正上负的垂直螺旋度柱，450 hPa以下为正值，最大达5～6×10-7hPa/s2，450 hPa以上为负值，最大达10×10-7hPa/s2，高层负值明显大于低层正值，而在6日23:00沿24.5°N垂直螺旋度垂直剖面(图8b)上，在100°～102 °E暴雨区上空下正上负且高层负值更大的垂直螺旋度柱结构特征更加明显，仅存在模拟的区域比实况强降水位置略偏西，说明低层为气旋性涡度辐合区，高层为反气旋涡度辐散区；进一步从23:00垂直螺旋度的水平分布(图8c)看出，在云南形成的一条西北-东南走向的正垂直螺旋带与暴雨带及切变线位置和走向相近，最大值达17×10-7hPa/s2，对应强降水区。因此，暴雨区低层为气旋性正涡度辐合而高层为更强的反气旋负涡度辐散垂直结构，导致大气抽吸作用和强烈辐合上升运动，为强对流暴雨的维持和发展创造有利的动力条件，700 hPa正垂直螺旋度带较好指示了暴雨落区和强度。

5 结论

(1)川滇切变线加强发展西南移导致暴雨天气过程，具有对流性和短时强降水特点。除模拟的暴雨区位置较实况稍偏南和偏西外，基本体现了暴雨过程的主要特征，模拟的雨带位置和走向以及降水区域和强度与实况基本一致。

(2)WRF模式较好地模拟出500 hPa等高线和等温线走向、结构、系统位置和强度，模拟的高空低槽配合冷温度槽位置和强度与实况场基本一致，低槽东南移引导高层冷空气南下为暴雨提供动力扰动条件。

(3)WRF模式除了模拟的700 hPa切变线位置稍偏西偏南而使模拟的暴雨区略偏西偏南外，模拟出西北-东南向切变线及其周边流场与实况场分布形势基本一致，风切变加强大气上升运动促成暴雨天气的产生与发展。

(4)WRF模式再现了强降水发生时相对湿度大小与垂直分布，深厚高湿度环境为暴雨天气过程的形成提供了充足的水汽条件，有助于降水持续和加强。

(5)WRF模式能很好地指示出强降水发生正涡度发展、强烈上升运动和下正上负垂直螺旋度结构，有利于大气抽吸作用和提供充足动力条件，促使暴雨形成和对流性短时强降水发生，模拟的上升运动位置及700 hPa正涡度带和正垂直螺旋带对强降水落区有很好指示性。