一次江西特大暴雨过程的数值模拟

一次江西特大暴雨过程的数值模拟
周祖刚;姜勇强;张高英;张文军;王成林
【摘要】[Objective] The aim was to discuss the heavy rainfall formation mechanism and to reveal the causes of rainstorm. [ Method] Based on the conventional ground observational data, a numerical simulation and diagnosis analysis had been carried on heavy rainfall event over Jiangxi province from 16 June to 20 June 2010, with a meso-scale REM model. The results showed that this rare rainstorm was a typical heavy rainfall over Meiyu front. The cold air flew behind the 500 hPa East Asia trough and 700 hPa North China vortex joined up the southwestern flow located in the northwest part of the strong and stable subtropical high, thus the cold air and warm air converged and maintained over the northern part of Hunan and Jiangxi province. Since the area that cold air and warm air joined up was stable and the southwestern warm and wet flow was abnormally strong, the vapor, dynamical, and thermodynamic conditions was leading to the trigger the strongly development of meso-scale convection systems. The extraordinary rainstorm was caused by the interaction of many factors such as strong vapor and convergence ascending motion, weak cold air activities in middle-levels, the strengthening of southwestern low-level jet, the formation and maintenance of southwestern vortexes, etc. The simulated precipitation of the high resolution model was very similar with the observational rainfall. The model had a good predictive skill for the location, intensity and center of heavy rainfall. By diagnosing the physical
variables, it found that the distribution characteristic of the physical variables had an obvious indication for precipitation forecast. [Conclusion] The study provided reference to improve rainstorm forecast.%[目的]探讨特大暴雨的形成机制,并揭示特大暴雨的成因.[方法]采用常规报文资料作为初始场,运用改进的中尺度REM模式,对2010年6月16 ～20日一次江西特大暴雨过程进行了数值模拟和诊断分析,研究了改进的中尺度模式对此次暴雨过程的降水模拟能力,探讨特大暴雨的形成机制,揭示特大暴雨的成因.[结果]这次特大暴雨是一次典型的梅雨暴雨,500 hPa东亚大槽槽后、700 hPa华北低涡后冷平流与强盛稳定的副高西北侧西南气流汇合,导致梅雨锋在江南北部维持；梅雨锋的稳定和西南暖湿气流的异常强盛,使暴雨的水汽、动力、热力条件十分充足,非常有利于触发中尺度对流系统强烈发展；强盛水汽输送及辐合上升运动、中层弱冷空气活动、高层强辐散等多种因素的共同影响导致了特大暴雨发生；改进的中尺度模式对降水场模拟结果与实况基本相似,模式对暴雨的位置、强度、中心均有较好的模拟；物理量分布和局地中心对暴雨预报有明显的指示意义.[结论]该研究为提高暴雨预报能力提供参考.【期刊名称】《安徽农业科学》
【年(卷),期】2012(040)033
【总页数】4页(P16244-16247)
【关键词】特大暴雨;数值模拟;诊断分析;江西
【作者】周祖刚;姜勇强;张高英;张文军;王成林
【作者单位】解放军理工大学气象学院,江苏南京211101;解放军理工大学气象学院,江苏南京211101;61741部队,北京100094;北京航空气象研究所,北京100085;解放军理工大学气象学院,江苏南京211101
【正文语种】中文
【中图分类】S161.6;P458
经过多年的研究和野外试验，我国对暴雨的发生机制和预报研究取得长足的进展［1－4］。

梅雨锋是东亚夏季的一个重要的天气系统，梅雨锋及其引起的降水一
直是气象学家关心的问题［5］。

由于β中尺度对流性暴雨具有局地性、突发性、多发性，到目前为止，这类降水的形成机理问题尚未彻底解决，相应也是一个预报难点［6－7］。

2010年6月16～20日，江西中北部出现一次有记录以来罕见连续暴雨过程，最
强的降水出现在19日，19日08:00～20日08:00，江西、福建等地多站出现大
暴雨，江西和福建的部分站出现特大暴雨，其中24 h累积观测降水量江西的进贤为329 mm、南昌县为278 mm，福建的武夷山市为324 mm。

罕见的强降雨致使赣北出现严重洪涝灾害，并导致抚州市唱凯堤决堤［8］。

尹洁等用WRF模式
对此次过程进行了数值模拟，并指出β中尺度低涡对此次特大暴雨有重要的影响［7］。

笔者采用姜勇强等改进的中尺度REM(Regional Eta-coordinate Model，简称为 REM)模式［4，9］对 2010年6月 16 ～20 日江西特大暴雨过程进行数
值模拟和诊断分析，进一步来探讨此次特大暴雨的形成机制，揭示特大暴雨的成因，为提高暴雨预报能力提供参考。

1 资料与方法
1.1 改进的中尺度REM模式简介改进的中尺度REM模式是在宇如聪等研制的适
用于陡峭地形的区域η坐标模式(简称REM)［9］的基础上，经过多年试验研制而成的。

模式采用IAP—GCM动力框架，有较好的稳定性和精度，模式的水平变量分布采用E网格，垂直方向变量采用交错分布。

模式顶取为100 hPa，从模式顶
到海平面按η分段不等距分成23层，且低层分层较细。

采用这种下密上疏的不等距分层法，一方面使地形描述更细致，另一方面也是引入细致边界层所必须的。

对于垂直方向的不等距差分格式采用了加权平均法。

该模式选用高分辨率的Blackadar边界层参数化方案。

地面温度Tg模拟采用地面热平衡方程，考虑了地面对长、短波辐射的能量收支以及地面的感热、潜热通量输送。

模式大尺度降水采用饱和凝结函数法，对过饱和空气做大尺度凝结调整。

积云对流参数化方案采用Betts方案［10］。

模式中采用了适用于经纬网格的质量散度修正方案［4］以及水汽平流的正定保形差分方案［11］。

模式的水平计算范围取90°～130°E、15°～50°N，模式水平分辨率约18 km。

模式初始场资料取自中国气象台站日常业务使用的地面、高空报文资料。

通过自动解报，提出气象要素，再进行地面、高空要素的检误，然后采用最优插值法进行客观分析，得到各标准等压面上的水平网格点的气象要素值，再把这样得出的等压面资料线性插值到各模式层。

没有任何的初始化过程。

模式启动时间为每天08:00，积分24 h。

1.2 模式检验为了客观定量地检验降水预报的效果，了解模式对暴雨过程的降水模拟能力，实际计算中对24 h降雨量，按小雨以上(≥1 mm)、中雨以上(≥10 mm)、大雨以上(≥25 mm)、暴雨以上(≥50 mm)和大暴雨以上(≥100 mm)5个级别进行TS评分统计检验，其计算公式如下:
式中，F为降水预报范围;O为降水观测范围;H为F和O重合部分，即预报正确部分。

降水TS评分采用格点检验法，考虑到观测站的实际分布情况，扫描半径R取为75 km，评分区域选取为110°～122°E、22°～32°N。

2 特大暴雨过程的数值模拟
2.1 天气形势分析这次暴雨过程是在非常有利的大尺度环流背景和天气系统共同
影响下发生的。

500 hPa，16日20:00～19日08:00我国华北上空一直维持一个稳定的低涡，此华北低涡在整个暴雨过程中缓慢东移，直到19日20:00才开始逐渐东移入海。

而在华北低涡底部的30°N附近，多短波槽东移。

槽后冷平流引导冷空气南下至长江中下游地区，提供冷空气来源。

与此同时，西太平洋副热带高压自太平洋中部西伸至中南半岛，呈带状分布，强大且稳定，副高脊线位于20°N附近，是汛期江西北部出现暴雨带的有利脊线位置。

副高北侧盛行强西南气流，暖湿气流将水汽向江南北部输送。

中低层切变线在江南中北部维持，暴雨带即位于切变线附近，地面上表现为近东西向的梅雨锋。

对流层中低层700和850 hPa可以看到一个西南涡明显的东移活动(图1)。

图1 2010年6月19日08:00(a)和20:00(b)700 hPa天气形势注:实线为等位势
高度线，单位为gpm;虚线为等温度线，单位为℃;箭头为风矢量，阴影区为超过
12 m/s风速。

图2 2010年6月19日08:00～20日08:00 24 h累积观测降水(a)与模拟降水(b)水平分布(单位:mm)
2.2 降水模拟分析由2010年6月19日08:00～20日08:00 24 h地面累积观测
降水与模式模拟降水分布(图2)可见，改进的中尺度模式模拟的雨带分布与湖南、
江西地区的降水实况基本相似，模式对暴雨的位置、强度、中心均有较好的模拟。

为了客观定量地检验降水预报的效果，了解模式对此次暴雨过程的降水模拟能力，实际计算中对24 h降雨量进行TS评分统计检验。

结果发现(表1)，模式对1 mm 小雨TS平均值为0.70，对50 mm暴雨TS平均值为0.22，说明改进的模式对此次过程降水有较好的预报能力;与TS评分相类似，BS评分具有类似的结果。

为了
进一步评估模式对降水的预报能力，分析改进的中尺度模式对此次暴雨过程逐日每6小时的TS评分、BS评分平均结果(表2)发现，模式对0.1 mm的降水TS平均
值超过0.50，说明改进的模式对雨区的预报有较好的表现;模式对各降水阈值的BS
平均值大部分超过1.30，说明改进的模式对降水的预报存在一定的湿偏差。

表1 2010年6月16～20日逐日模拟降水的TS值和BS值16日17日降水阈值mm 18日19日20日平均TS BS 1 0.73 0.93 0.73 1.10 0.59 0.85 0.76 1.00
0.70 1.TS BS TS BS TS BS TS BS TS BS 12 0.70 1.00 10 0.49 0.69 0.53 0.98
0.43 0.61 0.67 0.94 0.54 1.16 0.53 0.88 25 0.35 0.89 0.36 0.77 0.34 0.49 0.60
1.02 0.38 1.03 0.41 0.84 50 0.15 0.75 0.16 0.36 0.15 0.38 0.45 0.82 0.21 0.57 0.22 0.58 100 0.09 0.45 0.06 0.36 0.08 0.27 0.20 0.45 0.090.37 0.10 0.38
表2 2010年6月16～20日逐日每6小时模拟降水的TS和BS平均值0.1 0.53 1.59 0.52 1.14 0.50 1.28 0.52 1.34 1 0.45 1.60 0.42 1.17 0.36 1.34 0.45 1.37 5
0.19 1.80 0.32 0.89 0.27 1.28 0.24 1.90 10 0.08 1.31 0.23 0.78 0.14 1.36 0.09
1.88
尽管个别地方模拟的暴雨中心位置同实况有一定的偏差，无论从降水带分布和降水强度预报还是TS评分统计检验，改进的模式对此次暴雨过程均有较好的预报能力。

其原因可能是:①垂直方向采用上疏下密不等距分层的η坐标，模式对地形描述更
加细致，特别是中尺度地形得到更好描述，较好地反映了下垫面的强迫作用。

②模式对700 hPa西南涡的东移过程模拟与实况基本相似，从而使模式对此次暴雨过
程模拟得较好。

3 物理量诊断分析
3.1 水汽通量散度和垂直速度由模式模拟的2010年6月19日08:00～20日
08:00南昌附近(28.7°N、116°E)水汽通量散度和垂直速度时空演变(图3)可见，南昌附近水汽通量辐合逐渐增强，到19日12:00在900 hPa形成一个中心值＜－
18×10－5g/(s·cm2·hPa)的水汽辐合中心，且在600 hPa形成一个中心值＞6×10－5g/(s·cm2·hPa)的水汽辐散中心，这种低层强辐合、中高层辐散的垂直分布形
势非常有利于特大暴雨的产生;随后南昌附近上空水汽通量辐合逐渐减弱，到19日
17:00，在950 hPa形成一个中心值＞2×10－5g/(s·cm2·hPa)的水汽辐散中心，
此后南昌附近上空水汽通量辐合再次逐渐增强，到20日02:00在900 hPa形成
一个中心值＜－10×10－5g/(s·cm2·hPa)的水汽辐合中心，对未来南昌县的特大
暴雨预报有明显的指示作用。

南昌附近垂直上升运动逐渐增强，到19日12:00在700 hPa形成一个中心值＜－18×10－3hPa/s的上升中心，这种低层强上升运动非常有利于特大暴雨的产生;随后南昌附近上空上升运动逐渐减弱，到20日00:00，南昌附近上空上升运动再次逐渐增强，出现了整层上升运动，到20日03:00在300 hPa形成一个中心值＜－16×10－3hPa/s的上升运动中心，对未来南昌县的特大暴雨预报有明显的指示性。

图3 2010年6月19日08:00～20日08:00模拟的南昌附近水汽通量散度［a，10－5g/(s·cm2·hPa)］和垂直速度(b，10－3hPa/s)时空演变
3.2 涡度场和散度场由图4a可见，2010年6月19日08:00～20日08:00南昌
附近涡度逐渐增强，到19日13:00在850 hPa形成一个中心值＞6×10－5s－1
的正涡度中心，且在550和250 hPa分别形成一个中心值＜－4×10－5和－
8×10－5s－1的负涡度中心，随后南昌附近低空正涡度逐渐减弱，到20日00:00，南昌附近低空正涡度再次逐渐增强，到20日03:00在900 hPa形成一个中心值
＞10×10－5s－1的正涡度中心，对未来南昌县的特大暴雨预报有明显的指示作用。

图4b显示，南昌附近低空散度逐渐减弱，到19日12:00在900 hPa形成一个中心值＜－8×10－5s－1的负散度中心，在600 hPa形成一个中心值＞8×10－5s
－1的散度中心，这种低层强辐合、中高层辐散的垂直分布形势非常有利于特大暴雨的产生;随后南昌附近负散度逐渐减弱，到20日00:00南昌附近低空负散度再次逐渐增强，到20日02:00在950 hPa形成一个中心值＜－6×10－5s－1的辐合
中心，对未来南昌县的特大暴雨预报有明显的指示性。

图4 2010年6月19日08:00～20日08:00模拟的南昌附近涡度(a)和散度(b)时
空演变(单位:10－5s－1)
4 结论
(1)这次特大暴雨是一次典型的梅雨暴雨，500 hPa东亚大槽槽后、700 hPa华北
低涡后冷平流与强盛稳定的副高西北侧西南气流汇合，导致梅雨锋在江南北部维持。

(2)梅雨锋的稳定和西南暖湿气流的异常强盛，使暴雨的水汽、动力、热力条件十
分充足，非常有利于触发中尺度对流系统强烈发展。

(3)强盛水汽输送及辐合上升运动、中层弱冷空气活动、高层强辐散等多种因素的
共同影响导致了特大暴雨发生。

(4)改进的中尺度模式对降水场模拟结果与实况基本相似，模式对暴雨的位置、强度、中心均有较好的模拟。

(5)物理量分布和局地中心对暴雨预报有明显的指示意义。

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