甘肃东南部一次暴雨天气的数值模拟和螺旋度分析

图２ ２ ０ ０ ５年 ７月 １日 ０ ８时至 ７月 ２日 ０ ８时 ３个暴雨中心模拟（ ａ ） 和实况（ ｂ ） 逐小时降水量 Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｔ ｈ ｅｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ（ ａ ）ａ ｎ ｄｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｄ（ ｂ ）ｈ ｏ ｕ ｒ ｌ ｙｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｐ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅｈ ｅ ａ ｖ ｙ ｒ ａ ｉ ｎｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ｆ ｒ ｏ ｍ０ ８ ： ０ ０Ｊ ｕ ｌ ｙ １ｔ ｏ ０ ８ ： ０ ０Ｊ ｕ ｌ ｙ ２ ， ２ ０ ０ ５
１ ］ 肇烨等 ［ 对高原暴雨进行了初步分析， 提出了西北 ２ ］ 暴雨的预报思路； １ ９ ９ １年“ 西北暴雨” 组［ 对西北暴
出南亚高压西部副型是高原东北部大到暴雨天气过 程的主要流型， 云系的叠置可为高原及邻近地区的 暴雨预报提供重要的依据， 同时通过敏感性试验研 究了水汽及潜热作用对西北暴雨的影响； 但是， 陈添
第２ ８卷 第 ３期 ２ ０ １ ０年 ９月
文章编号： １ ０ ０ ６－ ７ ６ ３ ９ （ ２ ０ １ ０ ）－ ０ ３－ ０ ３ ０ ９－ ０ ６
干 旱 气 象
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ａ ｒ ｉ ｄＭ ｅ ｔ ｅ ｏ ｒ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ８ Ｎ ｏ ． ３ Ｓ ｅ ｐ ｔ ， ２ ０ １ ０
图１ ２ ０ ０ ５年 ７月 １日 ０ ８时至 ７月 ２日 ０ ８时 ２ ４ｈ 实况降水量（ ａ ） 和模拟降水量（ ｂ ） 分布 Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｔ ｈ ｅｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｄ （ ａ ）ａ ｎ ｄｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ （ ｂ ）ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｐ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｉ ｎ２ ４ｈ ｏ ｕ ｒ ｓ ｆ ｒ ｏ ｍ０ ８ ： ０ ０Ｊ ｕ ｌ ｙ １ｔ ｏ ０ ８ ： ０ ０Ｊ ｕ ｌ ｙ ２ ， ２ ０ ０ ５
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３பைடு நூலகம்１ ０
干 旱 气 象
２ ８卷
雨， 降水最大的地方是甘肃庆阳的西峰区， ２ ４ｈ降 ３ ３ ． ８ｍ ｍ ， 其次是甘肃陇南的康县， ２ ４ 雨量达到了 １ ｈ 降雨量为 １ ３ １ ． ６ｍ ｍ ， 而陕西的华山和甘肃中部的 临夏 ２ ４ｈ 降雨量分别为 ９ ８ｍ ｍ和 ５ ０ｍ ｍ 。但通过 降水实况分析显示， 部分地区 ２ ４ｈ降雨量甚至不足 １ ０ｍ ｍ ， 由此可见， 此次暴雨具 有 明 显 的 局 地 性 特 征， 并且降水过程中中小尺度系统活动较为频繁。 ５ ０ ０ｈ Ｐ ａ 受西伯利亚冷空气分裂所形成的高原 短波槽的发生发展是本次暴雨的主要影响系统。来 自南海和孟加拉湾的水汽输送是此次暴雨过程的主 要水汽来源。
５ ］ 宇等 ［ 对２ ０ ０ ５年西北区东部一次暴雨的分析发现，
本次过程中南亚高压中心从高原西部逐渐移至高原 东南部， 由西部型转为东部型， 不难发现南亚高压东 部型也是西北区东部暴雨发生的流型之一； 任余龙
６ ］ 等［ 利用湿位涡理论和中尺度模式对发生在西北
区东部的一次暴雨进行了研究， 指出暴雨出现在辐 合区中或 Ｍ Ｐ Ｖ １和 Ｍ Ｐ Ｖ ２的等值线密集区边缘上， 等值线密集带指示了降水的后界。本文用中尺度 ＷＲ Ｆ模式对发生在甘肃东南部的一次暴雨天气进 行数值模拟和中尺度螺旋度诊断分析， 以提高对西 北暴雨的认识和预报水平。
第 ３期
李安泰等： 甘肃东南部一次暴雨天气的数值模拟和螺旋度分析
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基本达到了 １ ８ｍ ｍ／ ｈ ， 但到了 ０ ６时， 降水就已经基 ０时 ～０ ５时 累 积 降 水 量 为 ６ ３ 本结束， 其 中 ２日 ０ ｍ ｍ ， 模拟的降水走势与实况比较接近。天水站实况 降水走势比较零乱， 降水的最强时段出现在 ２日 ０ ３ ～ ０ ５时， 其中 ０ ４时达到了 １ ２ ． ２ｍ ｍ／ ｈ ； 模拟的天水 ６时之前一直保持强度为 ２ｍ ｍ／ ｈ左右的 站 ２日 ０ ３时强度增大为 ６ｍ ｍ／ ｈ ， 从 ２日 ０ ７时 降水， 只在 ０ 开始， 降水强度出现剧烈增加并一直持续到 ０ ８时以 后， 可见对天水站降水模拟的滞后可能是造成模拟 降水量比实况偏少的主要原因。 通过以上分析可以看出， ＷＲ Ｆ模式模拟逐时降 水的能力还需改进和提高， 虽然模式能够基本模拟
雨的气候特征、 环流和系统、 物理条件等作了较为全
３ ］ 面的分析研究； 王劲松等 ［ 运用双向嵌套的 Ｍ Ｍ ５ 模式， 对１ ９ ９ ８年 ７月上旬西北区东部一次暴雨过程
１ 天气过程和环流背景
２ ０ ０ ５年 ６月下旬至 ７月初， 西北地区东部发生 了一次持续性暴雨天气过程， 暴雨区包括甘肃东南 大部分地区和陕西南部等区域， 强降水主要集中在 ２ ０ ０ ５年 ７月 １日 ０ ８时 至 ２日 ０ ８时 （ 北 京 时， 下 １个站出现暴雨， 其中 ６站为大暴 同） 。甘肃省有 ２
２ ． ３ 模拟降水特征分析 图２ ａ 给出了模式模拟的 ３个暴雨中心逐小时 降水量图， 和图 ２ ｂ实况对比后发现： 实况显示临夏 站的强降水主要集中在 ２个时段， 第 １个在 １日 ９～ １ ３时， 最强 １ １ ． ６ｍ ｍ／ ｈ ， 第 ２个在 １日 ２ １时至 ２日 ０ ５时， 强度比第 １时段明显偏弱； 模拟的临夏站强 ６时至 ２日 ０ ７时， １日 降水时段主要集中在 １日 １ １ ６时之前， 降水强度基本为 ２ｍ ｍ／ ｈ左右， １ ６～ １ ８ 时降水强度出现第 １次剧增， 但幅度不大， １ ７时达
２ 中尺度数值模拟
２ ． １ 模拟方案设计 采用新一代中尺度数值模式 ＷＲ Ｆ （ Ｖ ３ ． １ ） 进行 模拟， 方案如下： 初始场和边界条件取 Ｎ Ｃ Ｅ Ｐ提供的 ６ｈ一次的 １ ° × １ ° 的再分析资料； 模拟的起始时间 ０ ０ ５年 ７月 １日 ０ ８时（ 北京时， 下同） ， 模式积分 是２ ２ ４ｈ ； 模式采用二重双向嵌套， 粗网格中心为 ４ ０ ° Ｎ 、 １ ０ ０ ° Ｅ ， 水平格点数取 ８ ０× ７ ０ ， 格距为 ６ ０ｋ ｍ ， 细网格
甘肃东南部一次暴雨天气的数值模拟和螺旋度分析
， ２ 李安泰１ ， 何宏让１， 阳向荣１
（ １ ． 解放军理工大学气象学院， 江苏 南京 ２ １ １ １ ０ １ ； ２ ． 解放军 ９ ６ ３ ６ ３部队 ３ ４分队， 甘肃 天水 ７ ４ １ ０ ２ ０ ）
摘 要： 利用 Ｎ Ｃ Ｅ Ｐ每 ６ｈ 一次的 １ ° × １ ° 格点资料和中尺度模式 ＷＲ Ｆ （ Ｖ ３ ． １ ） ， 对２ ０ ０ ５年 ７月 １～ ２日 发生在甘肃东南部的一次暴雨天气进行了诊断分析和数值模拟， 运用模式输出资料对本次天气过程 的螺旋度与降水的关系进行了分析讨论。结果表明： 高原短波槽的生成， 以及来自南海和孟加拉湾的 水汽输送是造成此次暴雨天气过程的主要原因； ＷＲ Ｆ模式对西北暴雨具有一定的模拟能力； 螺旋度 的空间分布对西北地区东部暴雨的预报具有一定的指示意义； ７ ０ ０ｈ Ｐ ａ 正值螺旋度的分布形状与高原 短波槽和 ７ ０ ０ｈ Ｐ ａ 切变线的形状存在对应关系； 而４ ０ ０ｈ Ｐ ａ 以下大值正螺旋度的产生可能是西北暴雨 发生发展的重要原因之一。 关键词： 暴雨； 诊断分析； 数值模拟； 螺旋度
＋ 中图分类号： Ｐ ４ ５ ８ ． １ ２ １ 文献标识码： Ａ
引 言
暴雨是我国常见的一种灾害性天气， 西北地区 也不例外。由于西北地区位于亚洲内陆， 大多数地 区属于干旱、 半干旱气候， 处在青藏高原北侧边坡地 带， 地形和下垫面复杂， 境内气候差异极大。因此西 北地区的暴雨天气过程， 具有落点分散、 时间短、 强 度大、 局地性强等特点。既是西北地区山洪、 滑坡、 泥石流等自然灾害的引发因素， 又是国民经济， 特别 是农牧业生产的重要水资源。因此， 探讨西北暴雨 发生发展的物理机制， 对提高西北暴雨的预报准确 率、 减少暴雨灾害具有重要意义。 近年来， 许多学者对西北暴雨的气候特征、 大尺 度环流、 中尺度特征等进行了深入研究。１ ９ ８ ８年白
３ 中尺度螺旋度分析
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Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ａ ｒ ｉ ｄＭ ｅ ｔ ｅ ｏ ｒ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， ２ ０ １ ０ ， ２ ８ （ ３ ） ： ３ ０ ９－ ３ １ ４
到 ４ｍ ｍ／ ｈ ， １日 ２ １时至 ２日 ０ ２时降水强度出现第 ２次剧增， 最大强度出现在 ２日 ０ ０时， 接近 ８ｍ ｍ／ ｈ ， 此后降水逐渐减弱， ０ ８时基本无降水。实况显示 的西峰站降水也主要集中在 ２个时段， 第 １个时段 为 １日 １ ０～ １ ３时， 降水最强时达到了 １ ７ ． １ｍ ｍ／ ｈ ， 此后一直有弱的降水， 第 ２个时段在 １日 ２ １时至 ２ 日０ ７时， 最强 １ ４ ． ８ｍ ｍ／ ｈ ； 模式模拟的西峰站在 １ 日２ １时之前基本没有明显的降水， 从２ ２时开始， 降 水量急剧增大， 其中 ２日 ０ ３时和 ０ ４时降水强度都
中心为 ３ ６ ° Ｎ 、 １ ０ ６ ． ５ ° Ｅ ， 水平格点数取 ９ ７× ８ ８ ， 格距 ０ｋ ｍ ； 粗细网格选用同样的物理方案， 云微物理 为２ 方案采用 Ｍ ｏ ｒ ｒ ｉ ｓ ｏ ｎ 方案， 积云参数化方案采用 Ｇ ｒ ｅ ｌ ｌ ３ Ｄ集合方案， 同时采用 ｒ ｒ ｔ ｍ 长波辐射方案、 Ｄ ｕ ｄ ｈ ｉ ａ 短波辐射方案和 Ｙ Ｓ Ｕ边界层方案； 积分时间步长 ６ ０ ， 模式每 １ｈ 输出一次结果。 ｓ ２ ． ２ 模拟结果分析 将 ７月 １日 ０ ８时至 ２日 ０ ８时的降水实况（ 图 １ ａ ） 和模拟结果（ 图１ ｂ ） 进行对比分析， 发现模拟的 降水区范围与实况较为接近， 特别是模拟的临夏和 西峰的降水中心基本与实况相符， 但是模拟的临夏 站降水量比实况偏大， 西峰站比实况偏少； 陇南降水 中心位置强度模拟结果与实况接近。不足之处是， 对天水站的模拟比实况偏少以及没有模拟出位于陕 西华山的降水中心。 可见， ＷＲ Ｆ模式对此次甘肃东南部暴雨的模拟 与实况基本相符， 但是降水的中心位置略有偏差， 部 分站点降水量比实况偏大， 这可能与高原地区的测 站稀少有关， 有待进一步验证。但是总体上成功再 现了雨区的分布和降水的走向特征。
降水的走势， 但在降水时段和逐时降水量的模拟上 仍然与实况存在一定的出入， 降水的定量预报和模 拟一直是学科的重点和难点之一， 看来本模式也不 例外。以上分析还表明， 甘肃东南部地区的降水具 有较强的突发性特征， 强降水时段集中的特点也比 较明显。 此外， ＷＲ Ｆ模式对此次暴雨过程天气形势的模 拟也与实况基本吻合（ 图略） 。综合以上分析， 数值 模拟试验是比较成功的， 利用先进的中尺度 ＷＲ Ｆ 模式研究西北暴雨是一条可行和有效的途径， 可以 用模式输出的高分辨率格点资料对暴雨发生发展的 物理机制进行分析和研究。
进行了数值模拟， 模拟发现大尺度及积云对流尺度 的凝结潜 热 在 降 水 过 程 中 是 一 个 主 要 因 子； 谌芸 等
［ ４ ］
对２ ０ ０ ３年 ７月 ２ ９～ ３ ０日高原东北部的区域性
大到暴雨天气进行了诊断分析和数值模拟研究， 指
收稿日期： ２ ０ １ ０－ ０ ５－ ３ １ ； 改回日期： ２ ０ １ ０－ ０ ７－ １ ２ 基金项目： 国家自然科学基金（ ４ ０ ７ ０ ５ ０ ２ ０ ） 资助 作者简介： 李安泰（ １ ９ ８ １ － ） ， 男， 甘肃静宁人， 硕士研究生， 助理工程师， 主要从事中尺度数值模拟与预报研究． Ｅ－ ｍ ａ ｉ ｌ ： ｌ ｉ ａ ｎ ｔ ａ ｉ ４ ５ ６ ７ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ａ ｒ ｉ ｄＭ ｅ ｔ ｅ ｏ ｒ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， ２ ０ １ ０ ， ２ ８ （ ３ ） ： ３ ０ ９－ ３ １ ４