江西中西部地区一次暴雨过程的地形敏感性试验

江西中西部地区一次暴雨过程的地形敏感性试验
李侃;戴晶晶;彭义峰;叶小峰
【摘要】利用常规观测、加密自动站资料和NCEP再分析资料,分析2005年5月江西萍乡地区春季一次暴雨过程发现,该过程仅萍乡南部地区出现暴雨,而中北部地区为小到中雨.考虑到萍乡中南部特殊地形,通过WRF中尺度模式模拟再现这次暴雨过程,并设计降低、增高和移除地形三组敏感性试验探究地形对降水的影响.结果表明:(1)萍乡地形的屏障作用在南部地区造成的风场辐合是南部产生暴雨的重要原因;(2)地形通过影响切变线附近风场辐合以及水汽汇集的位置和强度来改变暴雨的落区与强度;(3)较高的地形造成气流在山前堆积,造成明显的水平气压梯度,使局地气流与背景气流在山前辐合,有利于山前降水增强.
【期刊名称】《暴雨灾害》
【年(卷),期】2014(033)004
【总页数】6页(P386-391)
【关键词】暴雨;地形作用;数值模拟;敏感性试验
【作者】李侃;戴晶晶;彭义峰;叶小峰
【作者单位】江西省萍乡市气象局,萍乡337002;江西省萍乡市气象局,萍乡337002;江西省萍乡市气象局,萍乡337002;江西省萍乡市气象局,萍乡337002【正文语种】中文
【中图分类】P458.1+21.1
引言
暴雨是引发洪涝、泥石流等次生灾害的重要诱因，往往对人民群众生命和财产造成重大损失，加强其触发和发展机制的研究很有必要。

不同天气尺度系统受地形影响，往往会产生暴雨甚至特大暴雨，由于暴雨、特大暴雨的形成机理通常较复杂，给预报服务带来很大困难。

而在一定天气条件下，地形对暴雨的影响一直是广大气象工作者关注的热点。

陶诗言[1]曾指出，地形因素对中国各地夏季大到暴雨的日频分
布和雨量分布都有很大影响。

李岩瑛等[2]分析了祁连山地区不同降水强度的时空
分布特征及其与海拔高度的关系，并指出不同降水强度以及不同季节最大降水总量出现的海拔高度，其中暴雨的最大雨量海拔出现在2 400m左右。

随着观测资料
的丰富和数值模式的发展，可从更小时空尺度上研究中小尺度地形对暴雨雨量及落区的影响[3-4]。

葛晶晶等[5]对四川省一次受地形影响的暴雨过程进行数值模拟指出，大巴山地形使得西南暖湿气流所带来的水汽和热量在迎风坡堆积，从而在迎风坡和山顶出现较强降水中心。

尹宜舟等[6]对淮河流域一次梅雨锋暴雨过程进行数
值模拟及相关地形敏感性试验表明，大别山地形可影响江苏地区降水的发生、发展，皖东南地形则影响到江苏中部的降水范围。

盛春岩等[7]对北京门头沟一次大暴雨
过程进行数值模拟试验表明，地形的动力作用是大暴雨的触发机制，山坡和山顶的对流不稳定大气是导致大暴雨的必要条件。

赵玉春等[8]研究指出，大别山和皖南
山区中尺度地形对暴雨强度和分布有明显影响，其构成的中尺度组合地形效应是皖南特大暴雨形成的重要原因。

此外，赵玉春等[9]还设计了一系列中尺度地形的三
维理想数值试验来探讨风垂直切变对中尺度地形对流性降水的影响。

由于每一次地形强降水过程的特点不同，且各地区的地形尺度和地形高度存在差异，要寻找地形强降水的共性并提高其预报能力尚需针对大量个例进行研究。

2005年5 月江西省萍乡市南部地区出现一次强降水过程，位于该市南部的莲花县
出现12 h降雨量达76mm的大暴雨，而中北部地区仅为小到中雨。

考虑到萍乡
中南部地区特殊地形可能是造成降水南北差异明显的重要原因，本文针对该个例设计地形敏感性试验，并对试验结果进行分析，以期揭示萍乡地形在强降水过程中的作用，为提高当地暴雨预报的业务质量和服务水平提供有益的参考依据。

1 资料与方法
天气形势和大尺度实况降水分析使用常规探空观测资料和地面观测资料；小尺度实况雨量分析采用萍乡加密自动气象站资料；数值模拟采用WRF3.3.1中尺度非静力模式[10]，以2005年5月11日08时(北京时，下同)为初始时刻，模拟时长为
42 h，模式初始场和边界条件采用美国国家环境预报中心(NCEP)分辨率为1°×1°
每6 h一次的再分析资料。

模拟采用双重嵌套网格方案，水平范围以(25°N，115°E)为中心，粗、细网格格距分别为27 km和9 km，格点数分别为150×140、361×301，垂直方向为35层。

模拟区域的范围:粗网格(6.8°—42.9°N，89.6°—140.2°E)，细网格(12.0°—37.4°N，96.1°—133.5°E)。

粗、细网格均采用BMJ积云对流参数化方案[11]，WSM3微物理方案[12]，YonseiUniversity行星边界层
参数化方案[13]，RRTM长波辐射方案[14]，Dud⁃hia短波辐射方案[15]。

2 天气形势及降水实况
2005年5月11日20时—12日20时500 hPa副热带高压(以下简称副高)脊线
稳定维持在16°N附近并西伸至泰国，副高北缘584 dagpm线则从24°N北抬至26°N附近(图1)；此外700 hPa南支槽位于滇黔桂交界附近，孟加拉湾地区500 hPa南支槽稳定少动，但径向度明显加大，有利于低层系统的发展。

南支槽与强
盛的副高配合造成低层西南气流明显加强，850 hPa西南急流从两广指向赣南，
而后指向赣中北部，急流核风速从8m·s-1骤增至16m·s-1，之后减弱为12m·s-1。

强盛的西南急流为暴雨的生成提供了动力和水汽条件；850 hPa暖式切变线先从
赣南移至赣中，再北抬至赣北，萍乡市处于暖切变南侧的强辐合区中，有较好的动
力辐合抬升条件。

11日20时地面有倒槽从西南地区开始伸向赣西，12日08时
倒槽发展最明显，此时850 hPa急流也发展至最强，指向赣中南部地区(图1a)。

12日20时，850 hPa暖切变已抬至赣北，急流分为两支分别指向赣西北和湘西(图1b)。

对应急流和切变位置的变动，降水带相应发生变化。

图1 2005年5月12日08时(a)和20时(b)天气系统综合配置紫色实线为500 hPa位势高度（单位：dagpm），棕色实线为槽线，红色双实线为切变线，红色
箭头为急流Fig.1 The geopotential heightat500 hPaand wind field at850 hPaat(a)08:00BTand(b)20:00 BTon May 12,2005.The purple line,brown line,red double lineand red arrow denotege opotential height(unit：dagpm)at500 hPa,trough line,shear lineand jetstream,respectively
11日20时—12日08时强降水带位于湘赣粤三省交界处并呈东西走向，暴雨中
心分别位于粤北和赣南，粤北出现12 h降雨量达70mm以上的大暴雨中心(图略)。

萍乡市位于赣中西部地区，12日08—20时(图2)，随着切变线北抬，雨带也北抬至湘中东部至赣中西部地区，降水强度有所减弱，暴雨中心处于萍乡市南部地区。

该暴雨过程为2005年萍乡地区发生的第三次暴雨过程，降水强度并非最大(在2005年其降水强度排第6)，但降雨量南北差异明显，南部莲花县12 h降雨量为76mm（图3），而萍乡中北部地区降雨量仅10～20mm。

萍乡中南部地形是否
是造成此次暴雨南北降水差异明显的原因，值得探讨。

图2 2005年5月12日08—20时12 h累积降水量分布(单位：mm)PX表示萍
乡市区，LH表示莲花县，下同Fig.2The12 h accumulative
precipitation(unit:mm)from 08:00BT to20:00BTon May 12,2005.PX and LH denote Pingxiangand Lianhua county,respectively.The same for figureshereafter
3 降水与地形分布关系
萍乡大部分地区为海拔100～200m的丘陵地带，中部地区则为呈东北—西南向的武功山脉，平均海拔约1 000m，主峰白鹤峰海拔高达1 918.3m；南部莲花县西面为罗霄山脉，地势较高区域的海拨可达1 000m以上；莲花县东侧还有若干分散山脉，平均海拔约500m。

图3为萍乡山地地形与降雨量的分布图，从中可见，20mm以上的降水主要分布在武功山以南地区，最大降水区位于距山脉约50 km的莲花县，而山脉背风一侧降水则急剧减少。

4 数值模拟与结果分析
图3 2005年5月12日08—20时萍乡12 h的累积降雨量（实线，单位：mm）及地形高度（阴影，单位：m）Fig.3 The12 h accumulative precipitation(solid line,unit:mm)from 08:00BT to20:00BTonMay 12,2005 and the terrain height(shaded,unit:m)in Pingxiang city
以上分析表明，萍乡中南部山地地形可能是造成2005年5月12日暴雨过程降水南北明显差异的关键因素。

基于此，本文将运用WRF模式对此次暴雨过程进行数值模拟，并设计三组敏感性试验，即地形降低100m试验(简称SEN1试验)，地形升高100m试验(简称SEN2试验)，移除地形试验(简称SEN3试验)，且地形的增减仅针对27.107 85°—28.060 2°N，113.565 9°—114.635 6°E区域内的格点。

通过开展本试验来探讨地形通过何种方式影响降水。

4.1 模拟降水结果分析
从模拟的12 h降雨量(图4a)与实况降水(图3)的对比可知，模拟的降水中心位置与实况一致，均位于莲花县城。

模拟的中心降雨量与实况较接近，只是模拟的雨带呈西北—东南向，且雨带较实况略偏南。

可见，这次模拟基本上再现了该暴雨过程南北分布差异的特征，可作为控制试验(CTL)。

图4b—d为三组敏感性试验模拟的萍乡市12 h降雨量。

降低地形的敏感性试验模拟的雨带(SEN1，图4b)相较于控制试验(CTL，图4a)明显北抬，且降水中心强
度有所减弱；升高地形的敏感性试验模拟的雨带(SEN2，图4c)则明显南压，强降水带(≥50mm)范围扩大，降水中心分裂为两个且强度有所加强；移除地形试验中降水带(SEN3，图4d)基本移出萍乡市且范围明显缩小。

比较SEN1、SEN2、SEN3三组试验发现，降低地形后雨带北抬且降水强度有所减弱，升高地形后雨带南压且降水强度增强，这表明萍乡山地地形对降水的中小尺度系统有阻碍作用，且地形高低将会影响降水落区及其强度。

此外，对比CTL和SEN3试验模拟的降水可知，移除地形后暴雨带减弱且移出萍乡，表明萍乡的山地地形对降水具有明显的增幅作用。

图4 控制试验与敏感性试验模拟的萍乡市2005年5月12日08—20时12 h降雨量(阴影区，≥20mm)(a)CTL;(b)SEN1;(c)SEN2;(d)SEN3Fig.4 The12 h accumulative precipitation(the shaded,≥20mm)in the control and sensitivity experiments from 08:00BT to20:00BTon May 12,2005.(a)CTL，
(b)SEN1，(c)SEN2，and(d)SEN3.
4.2 模拟的风场、垂直运动和水汽通量散度分析
图5为CTL、SEN1、SEN2和SEN3四组试验模拟的12日10时(积分26 h)萍乡市925 hPa风场和水汽通量散度以及500 hPa垂直速度场。

CTL试验模拟的12日08时(积分24 h)低层切变开始北抬至萍乡市南部且急流强度明显加强(图略)。

12日10时(积分26 h，图5a)925 hPa西南风急流位于莲花县城南部，受地形阻挡在山脉迎风坡处开始逐渐转为偏东南风且风速急剧减小，形成了一条西北—东南向的切变线，与雨带走向一致(图4a)，并在莲花县形成了一个风速辐合区，辐合区南侧有一条西北—东南向的水汽通量散度辐合带，为降水提供了充足的水汽条件。

此外500 hPa的上升运动中心也处于莲花县，这种形势有利于莲花县产生较强降水，且此次过程的降水中心(图4a)也正好是处于莲花县城。

切变维持一段时间后逐渐北抬，上升运动中心也随之消失(图略)，降水逐渐减
弱。

SEN1降低地形的试验中(图5b)，由于试验中将莲花县西部的罗霄山脉及其东部的三尖峰和秋山高度降低，925 hPa山脉附近的西南风和东南风有所增强，且在莲花县形成切变。

低层东南风的水汽输送使莲花县北部形成一个-4×10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽通量辐合中心，相对于CTL试验中-5×10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽辐合中心强度偏弱，降水强度也有所减弱（图4b）。

此外该试验中，500 hPa上升运动中心位置相对于CTL试验偏北，与水汽辐合中心基本重合，相应的雨带北抬(图4b)。

SEN2升高地形的试验中(图5c)，受莲花县西部罗霄山脉的阻滞作用，925 hPa西南急流在莲花西南部有明显的减弱，形成西南风的风速辐合区；莲花县东部山脉升高地形后仍偏低，对东南风影响不大，而西南风有所减弱，东南风较强从而引导西南风和东南风之间的切变线偏向西南方向，相应的雨带也偏南（图4c）。

此外受切变线南压影响，水汽辐合带南压且中心强度达到-8×10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1，500 hPa上升运动中心也位于此水汽辐合中心附近，强盛的水汽输送有利于形成强降水，该试验中模拟的暴雨强度最强，暴雨中心雨量达70mm（图4）。

SEN3移除地形的试验中(图5d)，925 hPa虽然有弱切变在莲花县北部维持，但西南风以偏西分量为主，水汽输送偏弱，且西南风与偏南风的辐合中心、水汽辐合中心以及500 hPa上升运动中心均偏东偏南，处于萍乡市东南侧的吉安市境内；850 hPa莲花县境内则为偏西风，切变消失，且风速辐合带范围明显缩小，强度减弱(图略)。

因此主要的降水带也移出萍乡市，且降水强度有所减弱（图4d）。

图5 控制试验与敏感性试验模拟的萍乡市2005年12日10时925 hPa风场(矢量箭头)和水汽通量散度(虚线，≤-1×10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1)及500 hPa垂直速度(阴影，≥0m·s-1)(a)CTL;(b)SEN1;(c)SEN2;(d)SEN3Fig.5 Thewind
field(arrow)and thewater vapor flux divergence(dashed line,≤-1×10-6
g·cm-2·hPa-1·s-1)at925 hPaand verticalvelocity(shaded,≥0m·s-1)at500 hPa in the controland sensitivity experimentsat10:00BTon May 12,2005.(a)CTL，(b)SEN1，(c)SEN2，and(d)SEN3.
以上分析表明，地形通过影响山脉迎风坡处切变线附近风场辐合位置和强度，从而改变水汽在迎风坡处汇集的位置和强度，这也说明地形通过对低空风场的扰动来影响水汽的辐合。

4.3 地形阻滞作用推算
Pierrhumbert等[16]研究认为，当无量纲数F r=Nh/U＜1时(h为山的高度，N
为层结稳定度，U为垂直山体的迎风风速)，气流易爬升翻越山体，反之则不易翻
越山体。

实际上考虑到各层气流自身的海拔高度(用h'表示)，那么当h＜(h'+U/N)时，气流易翻越山体，反之则不易。

武功山主体海拔高度多在1 000m以上，平均而言，取地形高度h=1 000m。

由
于900 hPa以上海拔高度大于900m，气流均能越过，所以本文分析层次取975—925 hPa。

各组试验中降水集中时段(12日08—12时)稳定度以及迎风坡风速均变化不大，以图5a中黑色方块为地形阻滞作用的计算点，以12日08—12
时平均稳定度和平均迎风风速作为依据计算气流理论爬升高度和上升最大海拔高度(表1)。

从表中可见，CTL试验中950 hPa和925 hPa上气流理论爬升高度分别
为340.3m和368.7m，而950 hPa和925 hPa的海拔高度约为517m和630m，这样在950 hPa和925 hPa上的气流上升最大海拔高度分别约为857.3m和998.7m，比武功山脉平均高度1 000m低，也就是说近地层气流基本上不能越过武功山。

同样的SEN2试验中，925 hPa以下的气流也不能越过武功山。

由此可见，CTL和SEN2试验中武功山山脉对萍乡市南部的近地层气流阻滞作用显著，
使得在925 hPa层以下的气流回涌至离山一定距离处，造成明显的水平气压梯度力，在水平气压梯度力作用下气流在山前辐合，有利于山前降水强度增强。

相对于
CTL试验，SEN2试验的雨带更偏南(图4a、c)，这可能与SEN2试验中近地层气
流爬坡高度较低有关。

SEN1降低地形的试验中，950 hPa和925 hPa上的气流
上升最大海拔高度分别约为1 103.6m和1 182.1m，近地层气流基本都能越过山脉，相应的SEN1试验中雨带偏北，降水强度也有所减弱(图4b)。

表1 CTL、SEN1和SEN2三组试验的低层平均稳定度、平均迎风风速、理论爬升高度以及气流上升最大海拔高度Table.1 The low-levelmean stability，themeanwindward speed，the theoreticalclimbingaltitudeand themaximum ascendingheightof flow in theexperimentsof CTL，SEN1 and SEN2注：N为12日08—12时975—925 hPa平均稳定度，U为平均迎风风速，H=U/N为理论爬升高度，H'=h'+U/N气流上升最大海拔高度物理量试验类型
N/s-1 H'/m CTL SEN1 SEN2 0.017 63 0.014 49 0.018 45 U/(m·s-1)950 hPa 6.0 8.5 5.5 925 hPa 6.5 8.0 6.0 H/m 950 hPa 340.3 586.6 298.1 925 hPa 368.7 552.1 325.2 950 hPa 857.3 1 103.6 815.1 925 hPa 998.7 1 182.1 955.2 5 结论
本文对萍乡市一次春季暖切变暴雨过程进行了分析，发现此次暴雨过程仅南部地区出现暴雨，中北部地区则为小到中雨。

考虑到萍乡中南部地区特殊地形可能是造成降水南北差异明显的重要原因，故通过中尺度模式WRF模拟再现了这次暴雨过程，并设计了降低地形、增高地形和移除地形三组敏感性试验来探究地形在暴雨过程中所起的作用。

得出以下结论:
(1)WRF模式能较好地模拟再现此次暴雨过程。

地形高度的改变将会影响到暴雨的强度和落区，表现为地形降低(升高)后，雨带北抬(南压)，降水中心强度减弱(增强)，移除地形后，暴雨带减弱且移出萍乡。

(2)地形的高低将会影响切变线附近风场辐合以及水汽汇集的位置和强度从而改变
暴雨的落区与强度。

(3)根据地形影响气流理论推算发现，较高的地形造成气流在山前堆积，造成明显
的水平气压梯度力，在气压梯度力的作用下，局地气流与背景气流在山前造成辐合，更有利于山前降水增强。

本文仅讨论了萍乡地形对一次暖切变暴雨的影响，并不完全说明萍乡地形在其他类型暴雨过程中所起的作用，因此有必要通过更多的模拟试验来验证和改进相关成果。

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