WRF模式对翁源一次特大暴雨过程的模拟分析

赵亮巨，高翠翠，陈浩伟，汤蓬辉，黄少忠

（1.翁源县气象局，广东翁源 512600；2.韶关市气象局，广东韶关 512000）

前汛期是粤北地区暴雨多发的时期，尤其特大暴雨容易引发成洪涝、山体滑坡和泥石流等次生灾害，造成严重的人员伤亡和财产损失。当前，广东各地前汛期对致灾性暴雨过程有很多研究，林良勋等［1］指出广东前汛期暴雨的环流主要有两脊一槽型、两槽一脊型和中纬多波动型等3种形势；汪海恒等［2］分析韶关市致涝暴雨时认为高层强辐散、低层切变线、低空急流以及有利的水汽条件为该次暴雨的发生提供了有利的环流背景和天气系统；周兆丁等［3］发现珠江口及其东侧的暖区暴雨触发机制为中尺度能量锋、地面辐合线以及地形等；贺发胜等［4］发现强降雨与低空急流的脉动密切相关，暴雨落区与500 hPa上升速度大值区相对应。因此，在不同地区暴雨的影响系统、形势配置、触发机制上存在明显的差异［5－9］。

许多学者对2010年5月6日前后华南大范围暴雨天气进行分析，刘蕾等［10］分析2010年5月6—7日广州地区的大暴雨降水过程，认为500 hPa高空脊前、低空切变线、低涡和锋面是该过程的主要影响系统；朱格利等［11］使用8种云微物理过程参数化方案，模拟了2010年5月6—7日的华南暴雨，结合TS评分和误差分析结果，整体效果最好的是WSM5方案，最差的是Lin方案。目前广东地市使用中尺度数值模式研究暴雨过程较多侧重于台风［12－13］，对山区暴雨过程的高分辨率模拟研究还比较少，故本研究使用中尺度数值模式WRFv4.2对2010年5月5—6日影响韶关翁源的一次特大暴雨过程进行高时空分辨率分析，以期加深对该次强降水过程特点和机理的理解，为当地降水预报提供有意义的参考。

1 特大暴雨概况

图1为2010年5月5日20：00至6日20：00（北京时，下同）翁源县24 h雨量实况。

图1 2010年5月5日20：00—6日20：00 24 h累计雨量（单位：mm）

由图1可以看出，降雨量呈北多南少的分布，其中翁源中北部普遍超过250 mm，翁源南部在100～200 mm之间；强降雨中心位于翁源县新江镇，24 h雨量达411.3 mm（日雨量突破翁源历史极值），最大小时雨量为官渡镇81.2 mm。由此可见，该次特大暴雨过程具有雨强大、范围广、预报难度大、致灾严重的特点。

2 模式和试验方案

本研究试验采用非静力中尺度模式WRFv4.2版本，采用NCEP的1°×1°FNL资料为模式初始场，模拟试验范围主要覆盖华南地区，模拟区域的中心位于24.34°N，114.1°E，采用双重嵌套方式，粗网格格点数300×300，水平格距为9 km；细网格格点数为432×432，水平格距为3 km，垂直方向分为不等距的32层，模式顶气压为50 hPa。本研究模拟起始时间为2010年5月5日08：00，模拟36 h，时间积分步长45 s，每1 h输出一次模拟结果，前12 h的结果作为模式spin－up time结果舍弃，主要分析2010年5月5日20：00—6日20：00细网格（图2中d02范围）的模拟结果。WRF模式对多种物理过程提供了不同的参数化方案，本模拟试验采用WSM7云微物理方案、KFCP积云方案、YSU边界层方案、NOAH陆面方案、RRTMG短波辐射方案、RRTMG长波辐射方案。

图2 模拟试验的嵌套网格范围

3 模拟结果与分析

3.1 降水模拟

从WRF模拟的24 h累计雨量（图3）看，与实况（图1）相比，WRF模式较好地模拟出了翁源地区的强降雨中心和分布，降水量级也一致，其中全县以大暴雨为主，局部特大暴雨；但在韶关和清远的北部地区累计雨量明显偏小，而在广州和惠州一带出现了虚假的强降水中心。对于该次过程3个主要强降水时段（图略），模式成功模拟出第1阶段和第2阶段的强降水落区和量级大小，但漏报了第3阶段的强降水。

图3 2010年5月5日20：00—6日20：00WRF模拟的24 h累计雨量（单位：mm）

3.2 环流形势和动力条件分析

500 hPa上，翁源地区有一小槽从5月5日21：00到6日07：00均处于稳定少动状态（图4a－b）；09：00到13：00小槽东移，翁源境内转吹平直西风；14：00以后翁源地区一直吹强盛的西北风（图4c）。700 hPa上，5月5日21：00到6日00：00翁源地区有小槽缓慢东移（图4d）；6日01：00西南风加大，增强为急流，并一直维持到08：00，期间最大风速达24m／s（图4e）；09：00后西南风逐渐减弱，转为平直西风或西北风（图4f）。850 hPa上，5月5日21：00到23：00西南急流加强维持在翁源上空（图4g），6日01：00到08：00翁源上空逐渐生成中－γ尺度的气旋性环流（图4h）；09：00后该中－γ尺度气旋性环流逐渐移出翁源，并向惠州移动，同时惠州河源一带西南急流再次发展加强（图4i），这可能与惠州的虚假暴雨中心有关。925与850 hPa具有类似的形势分布。

图4 2010年5月5日23：00（a、d、g）、6日07：00（b、e、h）和6日14：00（c、f、i）的500 hPa（a、b、c）、700 hPa（d、e、f）、850 hPa（g、h、i）模拟风场（风向杆，单位：m／s）

对3个强降水阶段的动力条件诊断进行分析（图略），可以看出，在第1阶段，翁源的西部和北部地区均处于850和700 hPa的散度负值区以及200 hPa的散度正值区，存在明显的低层辐合和高层辐散配置，有较强烈的上升运动，对应诊断的最大垂直上升运动速度位于600 hPa附近，速度达3.5 m／s（5日22：00）；在第2阶段，翁源全县处于850和700 hPa的大片散度负值区，200 hPa上的散度正值区范围有所缩小，但仍有明显的辐散，对应诊断的最大垂直上升运动速度也同样位于600 hPa附近，达6.0 m／s（6日06：00）；在第3阶段，低层850和700 hPa的辐合减弱，其辐合中心和高层200 hPa的辐散区向惠州移动，翁源地区的上升运动明显减弱。

低空西南急流的加强与维持和中、高层小波动的稳定少动，配合明显的低层辐合与高层辐散，转换为强烈而持久的垂直上升运动，为该次特大暴雨过程提供了有利的动力抬升条件。

3.3 水汽条件

在强降水第1阶段，850 hPa比湿场上翁源地区处于高湿状态，最大比湿达到14 g／kg；5日23：00翁源西北地区处于水汽输送的主要地区，并且产生了强烈的水汽通量散度辐合，最大强度超过－100×10－7g／（cm2·hPa·s）。第2阶段翁源东部上空850 hPa比湿稍小（12 g／kg），但上游地区的英德超过16 g／kg，同时6日06：00 850 hPa水汽通量和水汽通量散度（图略）显示，翁源不仅处于水汽输送的主要地区，还处于水汽通量散度的辐合中心，最大强度仍超过－100×10－7g／（cm2·hPa·s）。第3阶段，翁源全县虽然仍处于高湿状态，最大比湿达到14 g／kg，但已转为水汽通道和水汽通量辐散地区（6日14：00）。

从相对湿度的厚度（图略）来看，第1阶段翁源在850 hPa以下为高湿区，700 hPa附近出现小范围的相对干区，但600 hPa以上湿层延伸至200 hPa，仍较深厚；第2阶段翁源上空湿层深厚，湿区延伸至400 hPa，其中05：00、06：00和09：00更是超过200 hPa；第3阶段深厚湿层已经南移离开翁源。充沛的水汽含量、持续的水汽输送和强烈的水汽辐合有利于翁源产生持续稳定的暴雨天气。

3.4 热力条件

假相当位温（θse）是体现温度、气压和湿度的综合特征量，能很好地解释暴雨等强对流天气发展。第1阶段，850 hPaθse分布（图5a，5日23：00）显示有高能舌伸至翁源西部，其中心强度达352 K以上，并随时间逐渐东移，使得翁源西北部温湿条件明显改善；同时K指数明显加大，达到40℃（图5d），为第1阶段强降水提供了良好的暖湿条件。6日01：00（间歇期），翁源和始兴交界处出现了θse的低值区，逐渐加强并南压至翁源、连平一带（6日03：00），并在6日05：00到09：00（第2阶段）逐渐加强西伸，与翁源西部的θse高能区形成中尺度能量锋（θse场上的等值线密集区），最大强度达60 km 12 K（图5b，6日05：00）；K指数总体维持在34℃以上（图5e，6日05：00），热力条件仍然很好。在第3阶段，虽然英德和新丰一带的θse高能舌再次自南向北推进（图5c，6日14：00），为翁源地区增温增湿；K指数也在36℃以上（图5f，6日14：00），但由于良好的动力触发抬升和水汽条件已不在翁源地区，未能模拟出第3阶段的强降水。

图5 WRF模拟3个阶段假相当位温（单位：K）（a、b、c）和K指数（单位：℃）（d、e、f）

3.5 降水雷达回波

降水的反射率因子回波可大致分为3类：积云降水回波、层状云降水回波、混合云降水回波。积状云降水通常具有比较密实的结构，反射率因子空间梯度较大，其强度中心的反射率因子通常在35 dBz以上；层状云降水回波比较均匀，反射率因子空间梯度较小，反射率因子一般大于15 dBz［14］。对于该次强降水过程，模式模拟的组合反射率因子均大于35 dBz，因此属于积云为主的降水回波。

5日18：00起（第1阶段前），英德北部不断有回波生成，处于下游的翁源北部山区开始出现降水，22：00到23：00（第1阶段），英德北部回波持续生成并加强东移至翁源西北部地区，形成列车效应（图6a），23：00反射率因子和温度沿24.21°N剖面图显示（图6c）英德东北部和翁源西北部交界地区大于35 dBz的回波延伸至300 hPa（－25℃等温线），大于50 dBz强回波延伸至500 hPa（0℃等温线）。根据云微物理理论，降水系统中的暖云层越厚，越有利于高降水效率的产生［15］，此阶段暖云层厚度最高延伸至500 hPa，明显高于一般认为的600 hPa。列车效应叠加深厚暖云层十分有利于强降水的产生，共同造成此阶段翁源西北部累积雨量超过180 mm。

图6 WRF模拟前2个阶段雷达组合反射率（单位：dBz）（a、b）和沿24.21°N（c）以及沿24.12°N（d）高度－纬度剖面的基本反射率（单位：dBz）及温度（单位：℃）分布

6日00：00到04：00回波逐渐向东南方向缓慢移动，到6日05：00（图6b），韶关中南部和清远中部逐渐有大片回波生成并向东移动，翁源地区上空回波持续至09：00才逐渐减弱。从07：00反射率因子和温度沿24.12°N剖面图（图6d）来看，上游英德地区对流发展极其旺盛，大于35 dBz的回波突破200 hPa（－35℃等温线）以上；大于50 dBz的回波接近500 hPa（0℃等温线），且不断生成往翁源移动；翁源地区上空大于35 dBz的回波也持续接近500 hPa，暖云层仍较深厚。这种暖云层回波影响翁源地区的时间较长，造成该阶段模式累积雨量超过150 mm。

在第3阶段（图略），翁源地区回波减弱消散，强降水回波南移至惠州。

该次特大暴雨过程中，对流云发展旺盛，伸展高度高，具有暖云层剖面结构，属于积云为主的降水过程。

4 结论

1）WRF模式成功地模拟出翁源地区24 h累计雨量和前2个强降水阶段的落区和量级，但在第3阶段出现明显漏报。

2）在强降水前2个阶段，低空西南急流的加强与维持和中、高层小波动的稳定少动，配合明显的低层辐合与高层辐散，转换为强烈而持久的垂直上升运动，为该次特大暴雨过程提供了有利的动力抬升条件；充沛的水汽含量、持续的水汽输送、强烈的水汽辐合和深厚的湿层分布提供了足够的水汽条件；同时850 hPa上存在的高能舌和中尺度能量锋则提供了良好的热力条件；在第3阶段，低层西南气流明显减弱，中高层吹西北风，翁源处于水汽辐散区，热力条件转差是该阶段漏报的重要原因。

3）雷达回波特征显示该次过程对流云发展旺盛，伸展高度高，具有暖云层剖面结构，属于积云为主的暖区暴雨过程。

值得注意的是，由于该次模拟试验采用冷启动，在模式积分到5日12：00（spin－up time）便在韶关中北部产生明显降水，降水的提前预报可能导致该次过程的能量和水汽提前消耗，从而可能引起强降水第3阶段的漏报。