基于WRF模式模拟研究天山山脉地形对降水过程的影响

谢梦瑗,赵德龙,成 鹏

(乌鲁木齐市气象局,乌鲁木齐 830039)

天山山脉作为新疆的南北分界线,由于复杂的地形地貌特征及其横跨新疆全境的庞大山系,导致不同区域降水强度和落区有明显差异[1]。选取伊犁河谷地区2016年7月一次夏季极端降水过程为研究对象,分别设计控制试验和平滑削减天山山脉海拔高度的对照试验,即地形敏感性试验,基于WRF模式模拟不同地形条件下的降水天气过程,对比分析天山山脉地形对伊犁河谷地区降水的影响,从天气学角度分析产生结果的原因。

1 降水过程

新疆属于典型的干旱半干旱地区,与我国东部地区的气候差异很大,最显著的特点是降水稀少,因此《新疆气象手册》中规定的新疆降水量等级标准与中国气象局制定的降水量等级标准存在明显差异[2]。新疆降水量等级标准(24 h标准)如表1、表2所示。

表1 新疆降水量等级24 h标准:降雨

表2 新疆降水量等级24 h标准:降雪

根据新疆现行降水量等级标准,将选取的夏季极端降水天气过程概述如下:

受中亚低槽缓慢东移的影响,2016年7月31日08时—8月2日08时,新疆地区出现了一次大范围的降水天气。由于南北两支低槽相互结合,高空偏西急流、中层偏南急流及850 hPa高度上偏东风的相互配合,为此次降水天气提供了较好的水汽条件,其中伊犁地区多站出现大暴雨,降水量位居历史首位,伊犁河谷、博州、塔城、阿克苏及克州等地的局部295站降水量超过24.0 mm,113站出现48.0 mm以上的大暴雨, 伊犁河谷有2站出现96.0 mm以上的特大暴雨。查阅资料得知,此次连续性降水持续了近27 h。

2 模式试验方案设计

如表3,设置以下两个试验:控制试验(Summer):选取2016年7月31日—8月1日伊犁河谷地区一次极端降水过程,在不改变地形高度的条件下,利用WRF模式对该天气过程进行模拟,作为控制试验。地形敏感性试验(Modify_Summer):选取同一次降水过程,将天山山脉地形高度平滑降低至1000 m以下,再次对天气过程进行模拟。

表3 WRF模式试验方案设计

在WRF模式模拟试验中,选取的具体物理参数化方案如表4所示。

表4 WRF选取的物理参数化方案

3 试验结果及分析

3.1 降水情况分析

如图1,由2016年7月31日20时—8月1日20时伊犁河谷地区间隔3 h累积降水量分布模拟图可以看出,此次降水过程具有降水量大、持续时间长的特点,其中最大降水中心位于河谷南部山脉,24 h累积降水达到98 mm以上,北侧山脉最大降水量96 mm左右,河谷平原大部区域降水30 mm左右。模拟与实况较为符合。

图1 7月31日20时—8月1日20时间隔3 h累积降水量分布模拟图Fig.1 Simulation diagram of cumulative precipitation distribution at a time interval of 3 hours from 20:00 on July 31 to 20:00 on August 1

如图2,削减地形后,伊犁河谷及附近山区降水量明显减少,甚至出现降水消失现象,降水范围较削减之前减小很多,但在南疆的西南方位大部地区出现18 mm左右的降水。

注:原始地形(左),削减地形(中),二者之差(右)

3.2 地面形势场、温度场分析

如图3,削减地形后,由于海拔高度平滑降低,使得原来山地地区能够吸收更多来自地面的长波辐射,导致河谷及附近山地地表温度明显升高。31日和1日20时,河谷附近山地显著升温,最大增幅达16 ℃,南疆大部区域温度略降。

图3 31日20时(左)和1日20时(右)地形修改前后地表气温之差Fig.3 Difference of surface air temperature before and after terrain modification at 20:00 on 31 (left) and 20:00 on 1 (right)

3.3 低空形势场、水汽条件分析

如图4,原始地形下,31日20时,河谷内850 hPa上存在8 m/s左右的西风气流,南疆中部地区存在一细长的南北向急流带。河谷大部区域气温18 ℃左右,比湿13 g/kg左右,南部山脉温度较河谷内偏高,在30 ℃左右,湿度较低,在8 g/kg左右。

注:原始地形(左),削减地形(中),二者之差(右)

削减地形后,850 hPa上南疆降水增加区域有弱的气流辐合现象出现,河谷及附近大部区域西风消失,北风加强,南疆中部地区急流强度减弱,范围变宽。河谷及附近山地温度均降低,比湿略增,南疆大部区域降温明显,最大降温幅度12 ℃左右,湿度明显增加,最大增幅达5 g/kg以上,为南疆降水增加提供良好的水汽条件。

如图5,原始地形下,31日20时,河谷内700 hPa上依旧为西风控制,风速较850 hPa偏小,河谷西北方位存在切变线,南部山脉南侧有小范围的风速大于12 m/s的南风,东疆地区存在东风急流,有利于东部水汽输送。河谷内温度在28 ℃左右,湿度较850 hPa偏低。

注:原始地形(左),削减地形(中),二者之差(右)

削减地形后,西风消失,转变为偏北风,西北方向切变线消失,南疆原大风速带处出现一个低槽扰动。河谷内冷空气范围扩大,水汽大值区范围扩大,南疆降温增湿更明显。

1日20时在地形修改前后,850 hPa、700 hPa上风向风速的变化与温度场及湿度场的变化都和前一日变化趋势相似。

3.4 高空形势场、冷暖平流分析

如图6,原始地形下,500 hPa高度上河谷位于槽前,河谷上空存在18 m/s以上偏南气流,北部有风速超过20 m/s大风速带,河谷上空存在弱冷平流。

注:原始地形(左),削减地形(中),二者之差(右)

削减地形后,影响河谷地区的低槽强度略减,大风速中心向北移动,河谷地区基本位于槽线附近。地形对冷平流强度影响不大,但冷空气范围略增。

如图7,原始地形下,前一日影响河谷地区的低槽已东移并开始减弱,河谷上空转变为西风控制。地形改变对槽脊的位置和强度影响不大,冷暖平流较前一日变化不大,但南疆降水增加区域出现弱的气流辐散现象。削减地形高度后降水增加区域低层出现气流辐合现象,高层气流出现弱的辐散现象,有利于该区域垂直上升运动的发生发展,从而产生少量降水。

注:原始地形(左),削减地形(中),二者之差(右)

如图8,削减地形高度后,河谷及附近区域高空急流强度增大,位置变化不大,降水增加区所在位置的气流辐散更为明显。

图8 31日20时(左)和1日20时(右)200 hPa风场地形修改前后之差Fig.8 Difference before and after modification of the 200 hPa wind field at 20:00 (left) on 31 and 20:00 (right) on 1

此次降水前期,新疆西北部的长波槽脊系统移动缓慢,为伊犁河谷地区的降水提供了大的环流背景。伊犁河谷中低层在切变线、低槽的影响下气流辐合,高层在急流的影响下气流辐散,高低空的共同作用为河谷内的降水提供了良好的动力条件,有利于垂直上升运动的发展和维持。南疆翻山的偏南风、新疆东部的东风急流及河谷西部的偏西风使得水汽和气流在河谷地区汇聚,河谷地区中低层存在明显的饱和湿区,为降水提供了良好的水汽条件,结合大地形的动力抬升作用,更有利于该地降水的发生发展。

在削减地形高度之后发现,伊犁河谷及附近山区的降水量明显减少,甚至出现降水消失现象,降水范围较削减地形之前减小很多,但在南疆西南方位大部地区出现了少量降水[3],分析原因可能是:地形的削减使得中低层风向、风速发生了很大变化,地形的阻挡和绕流作用对气流几乎没有影响,增加的较强偏北风将原来可以积聚在河谷内部的水汽向南大量输送,使得河谷地区水汽减少,水汽条件变差,缺少了地形的抬升作用,且中低层气流辐合,高层气流辐散被破坏,垂直运动难以发展,最终导致降水明显减少[4]。而南疆西南方位由于水汽含量增多,低层风速出现弱的辐合现象,各种因素的共同作用导致该区域出现少量降水[5]。

4 结论

天山山脉地形通过对气流的阻挡、绕流等作用影响伊犁河谷地区的降水过程。地形的动力作用能够改变伊犁河谷及其附近区域中低层的风向和风速,尤其在低层表现得更为明显,两组地形敏感性试验都体现出了地形的阻挡和绕流作用。在削减地形后,河谷附近区域700 hPa和850 hPa上经向风明显增大,南疆水汽增多,南疆降水增加的区域在低空出现了弱的气流辐合现象。新疆西部天山山脉特殊的地形使得水汽在山脉迎风坡一侧堆积,阻碍降水落区向东扩展。伊犁河谷地区三面环山且向西开口的“喇叭口”地形能够阻挡西风气流,使得西风气流携带的少量水汽在河谷平原积聚,为降水在河谷内的产生提供了良好的水汽条件。此外,大地形对水汽的抬升作用为降水在河谷内的产生提供了良好的动力抬升条件,有利于河谷地区降水天气的发生发展。天山山脉的海拔高度会影响地表及中高层的气温,进而改变各层温压场配置,影响气块垂直运动,通过热力作用影响降水过程。试验结果表明,地形高度与其附近区域中高层气温呈正相关,表现为海拔高度降低,中高层气温略微下降。海拔高度的改变会对高低空急流的位置、强度产生影响,使各层气流的辐合辐散及垂直运动发生改变,通过影响不稳定能量的释放影响降水的形成。

大地形可通过阻挡、绕流等动力作用影响山脉附近的风速、风向及高低空急流的强度和位置,改变大范围的水汽输送情况,不同的海拔高度会对各层气温产生不同的影响,修改地形会影响各层温压场的配置,进而影响整个降水过程。