江西西北部地形对一次大暴雨过程影响的数值模拟分析

刘雅楠 ， 刘熙明 ， 邹海波 ， 吴 静

1. 江西省气象科学研究所， 江西 南昌 330096 2. 江西省气象台， 江西 南昌 330096

0 引 言

暴雨及强降水是中国夏季最主要的气象灾害天气(陶诗言,1980)，引发的洪涝常给人民生命财产和国民经济带来重大损失。因此，暴雨一直是国内外气象学者研究的重点。近年来，随着观测手段的进步和气象资料的丰富，从暴雨的环流背景(秦大河,2015)、多尺度天气系统配置(孙建华等,2013)、动力诊断(丁一汇,1993；Du et al,2019a；Zhang and Meng,2019；Li et al,2020；Shen et al,2020)和中尺度系统(陆汉城,2000；王东海和杨帅,2009；赵庆云等,2017)等方面开展了多角度分析。由此可知，暴雨是发生在有利的大尺度环流背景下的中尺度现象(陶诗言等,2001)，尤其在山脉的迎风坡多发暴雨(Fu et al,2013,2016；雷蕾等，2020)。而地形对大气的作用存在动力、热力两方面：一方面，地形使得低层大气形成动力辐合和水汽、热量集中，从而有利于对流的发展(刘璐等，2015)；另一方面，地形对大气动力不稳定的影响显著(Chen et al,2018；Du and Chen,2019b)。

上述研究对指导暴雨预报无疑具有重要参考价值。然而，各地暴雨特征、影响系统和地形效应不尽相同，仍有必要继续深入研究，特别是一些具有复杂地形区域的极端降水天气过程更值得关注。位于长江中下游地区的江西省，东、西、南三面环山，汛期暴雨多发，往往给地形地貌特殊的江西带来严重的山洪地质灾害。以往针对发生在江西地区暴雨天气的研究主要集中在暴雨发生的机理研究(周芳等，2018；许彬等,2019)和数值模拟分析(张瑛等,2011；刘献耀等,2013)。目前，关注江西山脉地形对局地暴雨影响的数值模拟研究较少。因此，文中选取了2019年6月8—10日江西省西北部大暴雨天气过程，利用实测降水资料、风云卫星资料和NCEP/NCAR再分析资料，采用WRF模式对此次大暴雨过程进行数值模拟，力图揭示江西省西北部地形对暴雨天气形成的影响，为区域暴雨预报提供参考。

1 资料和方法

文中所用资料包括：NCEP/NCAR逐6 h分辨率为1°×1°再分析资料、常规气象资料、逐时分辨率为0.1°×0.1°相当黑体亮温(Black-Body Temperature，TBB)资料。采用WRF模式进行中尺度数值模拟，在实况与模拟结果对比基础上，分析地形对此次江西省西北部持续暴雨天气过程的影响。

2 暴雨过程分析

2.1 降水实况

2019年6月8—10日江西省西北部出现了一次罕见的大暴雨天气过程。分析8日08时—10日08时(北京时，下同)累积降水量分布(图1)发现，最强降水主要分布在罗霄北、中段山脉以东的宜春、吉安、赣州北部和抚州南部一线，强降水带呈西北—东南向分布。江西省日平均降水量达到49.6 mm，其中最强日降水出现在宜春市宜丰县，降水量达152.7 mm。宜丰站的强降水主要集中在8日08—20时，其中降水从08时开始迅速增强，到13时强度达到最大，1 h降水量达到38.6 mm(图略)。此次暴雨天气过程具有降水强度大、强降水时间集中、局地性强的特点。可见江西省西北部罗霄山脉以东地区为主要的强降水区，也是研究的主要区域。

图1 2019年6月8日08时—10日08时江西降水量分布(单位：mm)

2.2 天气形势分析

2019年6月8—9日200—400 hPa层，中国东部沿海为宽广的低压槽区，江西地区受高空槽后部的西北气流控制(图略)。500 hPa层高纬地区环流呈“两槽一脊”形势，高压脊位于乌拉尔山地区，两槽区分别位于巴尔喀什湖和贝加尔湖至中国东部沿海(图2a、b)，江西地区不断受到上游短波槽东移的影响。其中位于中国东北的冷涡、低槽较为深厚且朝东南方向缓慢移动，700—200 hPa层均有所体现，尤其是在500 hPa层以上的中高层，东北冷涡中心至低槽底部南北跨越15个纬距，不利于西太平洋副热带高压北抬，导致8日08时—9日08时588 dagpm线稳定在中国大陆的南界。这样的环流形势有利于槽后冷平流补充南下侵入副热带高压边缘，使得冷暖气流持续交汇于长江以南地区。暴雨期间500 hPa层上共有2支低槽影响江西，其中8日08时—9日08时主要受沿海大槽底部分裂的短波槽影响，之后9日白天，另一支低槽由云贵高原快速东移至江西地区，江西中南部受槽底偏西气流控制，使得暴雨天气持续。8日08时，500 hPa层温度场则表现为一条中心值为-6 ℃的冷舌向江西省东部伸展，热力垂直分布呈现“上冷下暖”结构。

8日08时—9日08时低层切变位于长江流域30°N以北，强降雨发生在切变线南侧的低层风速辐合区附近。8日08时低空急流强盛，850 hPa层西南风达到15 m/s(图2c)，江西省北部位于低空急流的出口区，同时850 hPa层从贵州中部、湖南中部至江西北部有较强辐合线形成，配合925 hPa层上位于罗霄山脉以东的经向辐合线(图2e)，宜春、吉安等地出现大范围的大暴雨。9日08时(图2d、f)，925—850 hPa低层风场上从贵州北部、湖南南部至江西北部有较强辐合线形成，主雨带在不断南压的低层辐合线影响下逐渐南移，此时850 hPa层的西南风达到17 m/s。9日20时，低空急流有所加强，降水强度也随之再度加强。从10日08时开始随着低槽移出和急流的减弱，降雨明显减弱渐止(图略)。

图2 2019年6月8日08时(a、c、e)和9日08时(b、d、f)环流形势场(a、b. 500 hPa层，其中黑实线代表位势高度(dagpm)，红色实线代表温度(℃)；c、d. 850 hPa层，其中填色区代表低空急流(m/s)，红色虚线为辐合线；e、f. 925 hPa层，其中填色区代表低空急流(m/s)，灰色虚线为辐合线)Fig. 2 Circulation fields at (a,c,e) 08:00 BT on 8 June 2019 and (b,d,f) 08:00 BT on 9 June 2019 (a,b. 500 hPa, the black solid line represents the geopotential height (dagpm), and the red solid line represents the temperature (℃); c,d. 850 hPa, the shadow is the low-level jet (m/s), and the red solid line is the convergence line; e,f. 925 hPa, the shadow is the low-level jet (m/s), and the gray dashed line is the convergence line)

图2 (续)Fig. 2 (Continuation)

3 模拟结果分析

3.1 模拟方案设计

文中数值模拟采用WRF模式，模拟中心点(25.58°N，115.90°E)，采用三层双向嵌套方案(图3)。区域1水平分辨率54 km，水平方向格点数100×84；区域2水平分辨率18 km，水平方向格点数142×118；区域3水平分辨率6 km，水平方向格点数154×139。垂直层数取33层，积分步长为60 s。微物理过程采用WSM5方案，近地面层采用MM5方案，行星边界层采用YSU方案，长波辐射采用RRTM方案，短波辐射采用RRTM方案，积云参数化采用Grell-Freitas方案(d3区关闭积云参数化方案)。积分时间从2019年6月7日20时—9日20时，共积分48 h，每1 h输出一次资料。为了验证模式对此次暴雨过程的模拟性能以及罗霄山中、北支地形对暴雨过程的影响，文中设计了2组试验，即控制性试验(CTL)和无罗霄地形的敏感性试验(NOTW)。控制性试验(CTL)采用全物理过程和模式真实地形，重点模拟此次暴雨的细致过程。无罗霄地形的敏感性试验(NOTW)在模式地形中将罗霄山脉所在区域(图3b中d3区内的浅蓝色矩形区域)的地形高度降低为原高度的10%，但不改变地形的下垫面属性。图3b所示的d3区内的浅蓝色矩形区域，即移除地形的范围为(26.2°—28.5°N，113°—116°E)，主要包括罗霄山系的北支武功山、九岭山和中支万洋山，因此文中所述江西省西北部的罗霄山系地形影响主要指上述三条山脉对此次暴雨过程的影响。

图3 WRF模式的三层模拟区域(a)和敏感性试验区地形(b)Fig. 3 Triple-nesting domain of the WRF model (a) and topography in the sensitivity experiments (b)

3.2 模拟降水与实况对比

图4a1、b1、c1为控制性试验(CTL)模拟的江西西北部8日08时—9日20时每12 h的累计降水分布，与实况降水(图4a3、b3、c3)对比发现，含有真实山脉地形的CTL试验模拟结果能够较好地反映出暴雨过程的雨带移动和强度变化过程，模拟的雨带能基本再现实况降水的范围和移动方向，且比实况更能反映出降水的精细化分布。

但也注意到，虽然模式模拟出了大暴雨的雨带位置和西北—东南走向，但是两组试验在细节上仍有一些差异。8日08—20时，CTL试验(图4a1)相较于NOTW试验(图4a2)模拟出的大暴雨区和暴雨区范围更大。8月20时—9日08时，CTL试验(图4a2)基本模拟出了实况中心位于27°N附近的大暴雨中心(图4b3)；直到9日20时，CTL试验模拟的大雨区(图4c1)与实况(图4c3)都呈现一致的西北—东南走向，但模拟的暴雨区呈纬向分布，且较实况位置偏南。此外，8日08时—9日20时NOTW试验(图4a2、b2、c2)模拟的降水区的位置和走向与CTL试验基本一致，但量级明显偏小，如NOTW试验模拟的8日08—20时大暴雨区仅存在于宜春市铜鼓县南部，8日20时—9日08时大暴雨区缩小至抚州南部，而9日08—20时暴雨区范围进一步缩小，西北—东南向分布的主雨带完全消失。以上模拟结果与实况的偏差除了受到模式自身精度的限制外，主要是由于研究区域三面环山的复杂地形，在山区发生的强降水，现有观测站网较难真实再现实际降水的量级和中心。虽然模拟与实况存在一些偏差，但是CTL试验模拟降水的位置、变化趋势和持续时间与实况基本一致。因此，模式能基本模拟此次大暴雨过程的结构特征，可以利用模式输出资料分析此次降水过程受到的地形影响。

图4 2019年6月8日08—20时(a)、8日20时—9日08时(b)，9日08—20时(c)江西地区累计降水量分布(单位：mm；上为CTL试验模拟，中为NOTW试验模拟，下为实况观测)Fig. 4 Distribution of cumulative precipitation (a) from 08:00 BT to 20:00 BT 8, (b) from 20:00 BT 8 to 08:00 BT 9, (c) from 08:00 BT to 20:00 BT 9 June 2019 over Jiangxi area (units：mm； upper indicates CTL experiment simulation; middle indicates NOTW experiment simulation; bottom indicates observation)

图4 (续)Fig. 4 (Continuation)

3.3 中尺度系统结构及发展过程

众所周知，暴雨的产生离不开强烈的上升运动，从CTL试验模拟的雷达组合反射率可以看到，8日08时(图5a1)，江西省西北部较强西南气流遇到九岭山(罗霄山系北支)地形后产生辐合线，其余大部分地区为偏东南风和偏西南风，强度大于45 dBz的强回波区主要位于九岭山地形区。此时，部分偏东南风和偏西南风不断发展从而发展为低空急流。Chen等(2018)指出低空急流除了能在急流左前方产生涡度外，其与高空急流的耦合能加强垂直次级环流的发展和对流的增强，并通过潜热释放进一步加强低空急流，形成有利于强降水产生和维持的正反馈机制。8日14时，925 hPa层的偏南风和偏北风均有所加强,形成的风场辐合线位于江西省中北部(图略)。8日20时(图5b1)，强度大于45 dBz的回波范围进一步扩大，整体呈西北—东南向位于浙赣铁路一线。宜春北部的偏西北风和偏南风不但与罗霄山脉作用而生成明显的地形辐合，而且在吉安、抚州附近二者相遇产生风场辐合，正是持续存在的地形辐合和风场辐合为中尺度系统的生成和发展提供了极为有利的中尺度环境。9日08时，强度大于45 dBz的强回波区位于江西省的吉安东部、抚州南部和赣州东北部；14时，强回波区维持在江西省的吉安东部、抚州南部，范围和强度均有减弱(图略)。与CTL试验相比，NOTW试验(图5a2、b2、c2)模拟的不同时段雷达回波强度均明显减弱，风速减小：8日08时仅宜春市铜鼓县以南存在孤立回波；20时强度大于25 dBz的弱回波区呈西北—东南向位于浙赣铁路一线，不同于CTL试验，赣州东部116°E线附近也有回波，同时因罗霄山脉作用而生成的地形辐合线基本消失；9日08时暴雨区的整体范围大幅缩小。由此可见，江西省西北部的罗霄山脉地形对强回波的持续生成有重要作用，强回波区不断生成并向东移动，这对应于暴雨区整体往东偏南方向移动的趋势。进一步分析可知，强度大于30 dBz回波区的位置和移动方向与暴雨区基本吻合。

图5 模拟的2019年6月8日08时(a)、20时(b)、9日08时(c)雷达组合反射率(填色，单位：dBz)和925 hPa层风场(箭头，单位：m/s)(上为CTL试验，下为NOTW试验)Fig. 5 Simulated radar composite reflectivity (shaded; units:dBz) and wind filed at 925 hPa (vectors; units:m/s) at (a) 08:00 BT 8, (b) 20:00 BT 8, (c) 08:00 BT 9 Jane 2019 (upper indicates CTL experiment; bottom indicates NOTW experiment)

此次暴雨天气过程中6月8—9日的强降水中心表现为呈西北—东南向分布的大暴雨区，位于罗霄山脉地形的东缘，图4a1中黄色实线为暴雨区最强部分，沿黄色实线做水汽条件和动力条件的垂直剖面，能够反映地形变化对降水模拟结果的影响。

图6给出了云水混合比和流场沿图4a1中黄色实线的垂直剖面。分析CTL试验结果发现，8日08时(图6a1)，宜春地区上空2—9 km高度存在一个反气旋式垂直环流中心，其上部为西北气流，下部为东南气流，暴雨区(28.8°N，114.7°E)至(28.2°N，115.2°E)上空3.5—9 km高度层为大面积强上升运动区，此区域又是大范围的云水混合比的高值区，其中0.6 g/kg以上的云水集中在3—6 km高度层。最明显的垂直环流上升支和云水高值中心位于宜春地区东南(28.3°N，115.3°E)附近的迎风坡，垂直运动伸展高度超过9 km，强度达到4.5 m/s，而云水混合比在5 km高度达到最大值1.2 g/kg。8日20时(图6b1)，反气旋式垂直环流消失，上升支和下沉支气流变得不明显，之前大面积的上升区和云水集中区大幅缩小，仅存的宜春地区东北部环流中心下降到6 km高度，其垂直运动强度为1.5 m/s，云水混合比降至0.9 g/kg。暴雨开始后由于降水粒子的拖曳作用，3 km高度以下为下沉气流。9日08时(图6c1)，上升运动向东南方向传播到达吉安、抚州地区中南部，此时宜春地区上空的上升运动大幅减弱，最强上升运动中心位于5 km附近，其强度仅为0.6 m/s，之后上升运动中心进一步向东南方向移动影响赣州地区。与CTL试验相比，NOTW试验(图6a2、b2、c2)模拟的不同时段垂直上升运动明显减弱、云水混合比减小，但二者的空间位置与CTL试验较为一致。由此可知，位于湘、赣交界处的罗霄山脉地形能够影响此次降水天气过程中的江西省西北部地区，尤其宜春、吉安两市的降水强度，即去除地形影响之后，无论是垂直运动表征的动力条件还是云水混合比表征的水汽条件都大大降低。

图6 模拟的2019年6月8日08时(a)、20时(b)、9日08时(c)云水混合比(填色,单位:g/kg)和流场(垂直速度w×20；箭头,单位:m/s)沿图4a1中黄实线的垂直剖面(上为CTL试验，下为NOTW试验；黑色阴影为地形)Fig. 6 Simulated vertical cross sections of cloud water mixed ratio (shaded; units:g/kg) and streamline field (vectors; units:m/s; the vertical velocity is multiplied by 20) along the yellow solid line shown in Fig.4a1 at (a) 08:00 BT 8, (b) 20:00 BT 8, (c) 08:00 BT 9 Jane 2019 (upper indicates CTL experiment, bottom indicates NOTW experiment; black shading denotes terrain)

图7给出了CTL试验模拟的相对湿度和假相当位温(θse)沿图4a1中黄实线的垂直剖面。分析发现，8日08时(图7a1)，整个区域的90%以上为相对饱和区，其中宜春(28.8°N，114.7°E)至(28.2°N，115.2°E)附近上空95%的相对饱和区伸展高度超过7 km；θse自低层向高层呈递减分布，表明此时宜春大部地区上空存在对流不稳定。θse的348 K特征线，在宜春地区西北角(28.9°N，114.5°E)位于3.5 km高度，而在宜春地区中部(28.4°N，115.0°E)达到7 km高度。与θse梯度大值区对应的能量锋区位于罗霄山脉东缘，此处的气团具有更强的高温、高湿和高能特性，有利于对流系统生成。8日20时(图7b1)，4 km高度以下大气相对湿度的水平分布在宜春地区表现为“东南部大、西北部小”，东南部上空相对湿度大于95%的大值区位于2—6 km，比湿在低层达到16 g/kg(图略)。宜春地区上空能量场的南北分布差异明显，宜春西北部θse随高度升高而增大，而宜春东南部(28.4°N，115.0°E)θse随高度升高而减小，说明暴雨发生后降水粒子在下落过程中蒸发吸热而释放能量。此后对流天气系统往东南方向移动，相对湿度大值区和高能带也随之往东南方向移动。9日08时(图7c1)，宜春中南部低层6 km高度以下虽然有较好的相对湿度条件，但是θse随高度的升高而增大，说明对流稳定。与CTL试验相比，8日08时(图7a2)、20时(图7b2)和9日08时(图7b2)NOTW试验模拟的θse均明显减弱、相对湿度大幅减小，但二者的空间位置与CTL试验结果较为一致。

图7 CTL试验模拟的2019年6月8日08时(a)、20时(b)、9日08时(c)相对湿度(阴影，单位:%)和假相当位温θse(紫实线，单位:K)沿图4a1中黄实线的垂直剖面(上为CTL试验，下为NOTW试验；黑色阴影为地形)Fig. 7 Simulated vertical cross sections of relative humidity (shaded; units:%) and pseudo-equivalent temperature (purple solid line; units:K) along the yellow solid line shown in Fig.4a1 at (a) 08:00 BT 8, (b) 20:00 BT 8, (c) 08:00 BT 9, Jane 2019 (upper indicates CTL experiment, bottom indicates NOTW experiment; black shading denotes terrain)

综上所述，大气相对饱和区自江西省西北部向东南部移动，同时也由中高层向低层演进，沿罗霄山脉迎风坡不断上升的气流不断将水汽和能量向上输送，形成中间向上凸起的湿度和温度大值区，使不断在江西省西北部生成的对流系统具有高温、高湿、高能特性，这为暴雨的产生提供了较好的水汽、热力和层结条件。

4 小结与讨论

文中基于NCEP/NCAR再分析资料、常规观测等资料，利用WRF模式进行高分辨数值模拟，设计包含真实地形的控制试验和基本去除地形的敏感性试验，以分析罗霄山脉地形对2019年6月8—10日江西罕见大暴雨天气的影响，得到：

1) 此次大暴雨天气发生在稳定维持的“两槽一脊”环流形势下，高空西风气流、低空西南急流、沿海大槽、上游移来短波槽和近地面辐合线是造成此次大暴雨过程的主要天气系统。各天气系统的持续共同作用，促使低层辐合、高层辐散，利于暴雨的发展和维持。

2) 位于湘、赣交界处的罗霄山脉北支武功山、九岭山和中支万洋山对降水过程有较大影响，在地形的有利抬升作用下，对流系统在地形附近不断生成并持续向东移过江西省西北部，是影响暴雨天气过程的重要原因。

文中只是针对江西省西北部一次大暴雨过程地形影响的初步诊断和模拟，目前还只是对现象的陈述和较为简单的机理分析。在今后的研究中，模拟试验还需要继续改进，比如同化实时的风场观测资料等，以提高地形对暴雨影响的分析精度。