辽宁东部地形对降水影响的数值试验

吴荷 谭政华 孙越峰

摘要    利用WRF模式和中国气象数据网降水资料对辽宁东部地区一次暴雨天气个例进行地形敏感性试验，分析模式对辽宁东部暴雨模拟与实况的差异，并分析地形的存在对辽宁东部强降水分布特征的影响。结果表明，WRF模式控制性试验能较好地模拟出强降水的雨带分布和降水量级，对强降水中心范围和落区模拟能力仍需增强;地形对此次强降水的整体雨量和雨带分布影响不大，但对强降水中心的数量和落区有显著影响。

关键词    地形;降水;数值模拟;辽宁东部

中图分类号    P456        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）23-0196-02                                                                                     開放科学（资源服务）标识码（OSID）

辽宁地处东亚季风区，夏季暴雨频发，对人民生命安全和农业粮食生产造成不利影响。辽宁地区地形复杂，夏季降水不仅在时间上有明显的变化特征[1]，在空间分布上也存在显著差异[2]。辽宁夏季年平均降水量由东南向西北递减[3]，且暴雨、大暴雨日数空间分布极不均匀。地形是影响降水的重要因素之一[4]，不仅对环流形势和大范围降水有重要影响[5]，在局地降水形成和发展中也起着重要作用[6-7]。周天军和钱永甫[8]研究指出，在数值模式中引入合理的模式地形是改善降水预报质量的有效途径之一。本文利用WRF模式对辽宁一次暴雨过程进行了地形敏感性试验，以期了解辽宁东部地形对暴雨强度和落区的影响，为提高预报准确度提供参考依据。

1    研究方法

1.1    天气背景及降水实况

本文选取的个例是2015年8月3日20：00至4日20：00（北京时）的一次暴雨过程。此次强降水过程主要受西太平洋副热带高压北侧的西南暖湿气流和高空低涡南侧锋区共同影响，辽宁东部地区出现暴雨到大暴雨过程，其存在1个强降水中心，最大降雨量出现在辽宁省本溪市桓仁县，雨带沿辽宁东部山区迎风坡呈东北—西南带状分布，雨量分布由西北向东南逐渐增强。

1.2    试验方案设计

本文所用模式是WRF3.7.1，格点数74×61，中心点在（42°N，125°E），垂直方向50层，水平分辨率：15 km×15 km，积分时间步长为90 s，模式顶高50 hPa，地形精度30 s，边界条件输入时间为21 600 s，使用兰勃特投影，驱动模式的资料选用NCEP/NCAR提供的1°×1°每日4次的再分析资料作为模式的初始场和侧边界条件。物理过程参数化方案包括WSM3微物理方案、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案（辐射方案时间间隔为15 min）、YSU边界层方案、浅对流Kain-Fritsch（new Eta）积云参数化方案（每5 min调用1次）、Noah陆面参数化方案，考虑地面热量和水汽通量。降水数据为中国自动站与CMORPH降水融合产品，来自中国气象数据网，空间分辨率为0.1°×0.1°，时间分辨率为1 h。敏感性试验是无地形试验，将123°E以东地形高度整体去掉，以便突出地形的整体效果。

2    结果与分析

图1（a）和图1（b）分别是2015年8月3日20：00至4日20：00累积降雨实况和模拟结果。可以看出，WRF模拟的降雨与实况相似，雨带沿东北—西南向分布。实况有1个100 mm以上降水中心，位于本溪市桓仁县为155.4 mm;模拟试验中的第1个降水中心模拟较好，但降水中心范围较实况向东北方向延伸，所模拟的降水中心范围较大。总体来讲，WRF描述了本次暴雨的主要特征，结果比较可靠。

在敏感性试验中，去掉了长白山地形，将范围内地形高度都降为0 m，以此来观察当辽宁东部地区地形去掉后，影响降水的主要物理量变化情况，进而分析对辽宁东部降水的强度和落区的影响。从图1（c）降水分布特征可以看到，去掉地形后降水雨带仍然呈现东北—西南向分布，降水中心向东北方向偏移，强降水中心范围增大。从图1（d）控制试验和敏感性试验降水差值也可以看出，辽宁东部的地形使得辽宁东部降水增多，沿东北方向降水量减少，吉林境内强降水中心消失，即去掉地形后，辽宁东部地区降水减少，沿雨带东北方向降水增多，强降水中心范围向东北方向扩大。综上，辽宁东部地形对整体雨带分布特征影响不大，对强降水中心数量和落区有显著影响。

3    结论与讨论

为分析模式对辽宁东部暴雨模拟与实况的差异，研究辽宁东部地形对强降水的影响，本文利用WRF模式通过对一次暴雨过程进行数值试验研究，得到了一些有意义的结论：一是WRF模式控制性试验能较好地模拟出强降水的雨带分布和降水量级，对强降水中心范围和落区模拟能力仍需增强;二是地形对此次强降水的整体雨量和雨带分布影响不大，但对强降水中心的数量和落区有显著影响。

应当指出的是，由于本文对地形的处理过于理想，且只研究了1个暴雨个例，采用了1种模式进行模拟，必然有其局限性，只有在大量试验的基础上，对模式中地形处理更加完善，才能更清楚地认识地形对暴雨的作用机制，从而提高暴雨的预报准确度。

4    参考文献

[1] 王艳，赵春雨，杨洋.近45a辽宁夏季降水的气候特征[J].黑龙江气象，2008，25（1）：13-16.

[2] 孙莹，万丽岩，江静.辽宁降水分区变化特征及夏季降水影响因子分析[J].气象与环境学报，2008，24（3）：18-23.

[3] 赵春雨，张运福，王颖.辽宁省近44年夏季降水变化及区域特征分析[J].干旱区地理，2008，31（1）：56-61.

[4] 崔春光，闵爱荣，胡伯威.中尺度地形对“98·7”鄂东特大暴雨的动力作用[J].气象学报，2002，60（5）：602-612.

[5] 闵莉，张志刚，刘文菁，等.区域气候模式对地形影响东亚大气环流季节变化的数值模拟研究[J].气象科学，2008，28（2）：155-162.

[6] 廖菲，洪延超，郑国光.地形对降水的影响研究概述[J].气象科技，2007，35（3）：309-316.

[7] 林必元，张维恒.地形对降水影响的研究[M].北京：气象出版社，2001.

[8] 周天军，钱永甫.地形效应影响数值预报结果的试验研究[J].大气科学，1996，20（4）：452-462.