暴雨物理量的诊断分析

暴雨物理量的诊断分析
众所周知暴雨一般发生在中小尺度天气系统中，其时间尺度从几十分钟到十几小时，空间尺度从几千米到几百千米，而形成暴雨的中小尺度系统又是处于天气尺度系统内，两者通常有着密切的关系。

因而上两类天气系统的集合系统称为降水系统。

而降水系统中降水的形成和强度主要与3个条件有密切的关系，它们分别是：（1）水汽条件（2）动力条件（3）热力条件。

各种大中小尺度的天气系统和下垫面的有利组合可产生较大的暴雨。

所以我们将分别从以下这3个方面来分析这场暴雨，通过对于不同参数化方案模拟结果的比较来选取最适合模拟该地暴雨特征的参数化方案。

1.1 水汽条件分析
1.1.1水汽通量散度
暴雨发生的必要条件之一即是有充沛的水汽条件，即所形成暴雨上空要求满足含水量高、饱和层厚，水汽供应充沛等条件。

水汽通量散度是指单位时间汇入单位体积或从该体积辐散出的水汽量，即净流失量，它对于暴雨的发生有着较好的指示意义。

它的表达式为：
散度为正的地区表示水汽从该地区的四周辐散，称该地区为水汽源，在这种情况下，水汽源的降水比较少；反之，散度为负的地区，表示四周有水汽向该地区汇集，称该地区为水汽汇，降水比较多。

由以下7张图分析可知，7种方案都大致模拟出了水汽通量散度的垂直剖面分布，且均表现为时间上从2012年7月29日世界时12时开始，而空间分布上则表现为800hpa至500hpa之间存在着水汽通量散度的极值中心。

图a图b
图c图d
图e图f
图g
图1.1 分别表示7种方案下OBS点的水汽通量散度的垂直剖面图图a-g分别代表方案1-7
图a、b、c分别采用了不同的微物理参数化过程的方案，它们对于该物理量的模拟有着较大的差异。

其中方案一所模拟出的结果最为明显，在世界时12时，在400hpa至500hpa的高度上存在一个弱水汽通量辐合中心，中心值达到-5×10-10kg/(hPa•m2•s)。

然而，在世界时15时附近，这里的等值线也非常密集说明这里也有着很强的水汽通量散度梯度，中心达到约-1.5×10-9kg/(hPa•m2•s)，比12时大了约一个量级，且负值越高，说明这里的水汽幅合越剧烈，降雨雨势越强，而实际情况显示在世界时15时之后，雨势以逐渐减弱，在这以后的降水仅占到总降水量的8.5%，说明Thompson方案在对水汽通量散度场时间变化的模拟上存在着不足。

同样，方案二仅在12时和15时之间表现出了较弱的水汽通量散度梯度，达到-1×10-9kg/(hPa•m2•s)，位于750hpa至800hpa之间，在时间的变化上没有方案一表现的明显，但是时间的分布却优于方案一；而方案三并仅在整个降水过程中700hpa至800hpa上表现出了较小的水汽通量散度幅合中心，但是却在世界时21时附近,600hpa至700hpa之间存在着数值上达到-2×10-9 kg/(hPa•m2•s)的辐合中心，与实际情况存在偏差。

由此可见，三种方案相比，在描述水汽通量散度上Kessler方案更优于其他两种方案。

比较方案一、四、五，他们分别采用了不同的陆面过程参数化方案，这三种方案所模拟出的结果都非常明显地显示出了水汽通量散度的时间变化特征。

方案四在12时至15时附近，低层750hpa至800hpa之间存在着负的水汽通量散度的极值中心，中心值小于-1.5×10-9kg/(hPa•m2•s)，说明这里水汽辐合最为剧烈，为暴雨提供了良好的水汽场，在中层600hpa至700hpa之间有着正的水汽通量散度中心，达1.5×10-9kg/(hPa•m2•s)，它的时间分布也从12时开始至15时结束，与实际情况对应良好。

由“内蒙古微气象观测蒸发试验”中自动雨量计观测的30min累积降水量数据可知，这场暴雨90%的降水量集中在了12时至15时之间，
我们将这个实际观测数据与模拟方案相比较可以发现方案五的结论与观测数据相差甚远，它的水汽通量散度极值中心远小于-5×10-9 kg/(hPa•m 2•s)，但都位于15时至18时之间完全落后于实际情况。

所以RUC 方案在对于水汽通量散度时间变化的描述上更优于UN 方案与PX 方案。

比较方案四、六、七，它们分别采用了不同的边界层参数化方案，其中方案六等值线非常密集，说明水汽通量散度梯度强烈，但是在时间分布上，却从12时一直持续至21时，且最大中心位于21时附近，达到-2×10-9 kg/(hPa•m 2•s)与实际情况不符。

而方案七在低层700hpa 以下，有着较强的水汽通量散度负值，但是随着时间的变化，在15时至18时之间相比较于12时至15时有着更强的水汽辐合，在这个时段模拟出了强降水。

所以当边界层方案采用MYJ 方案能更好地描述大气层中水汽通量散度的变化情况。

综上所述，对于水汽通量散度的模拟，我们在各种参数化方案种都挑选出了其最佳方案，所以我们可以尝试选用Kessler 微物理过程方案、MYJ 边界层参数化方案、RUC 陆面参数化方案相结合对于其随时间变化的模拟可能更优于其他两种方案。

1.2 动力条件分析
1.2.2 涡度、散度
涡度、散度与垂直速度，是天气分析预报中经常使用的三个物理量。

他们的变化与分布能很好地表征一场降水的动力学情况
(1)涡度、散度：在大气中，涡度表示的是一个空气微团的旋度，即是衡量一个空气质块转运动强度的物理量，根据涡度的变化我们可以去了解一个气压系统的发生于发展。

涡度的表达式为：y u x v x w z u z v y w ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=⨯∇=ξ 当ξ>0,流场逆时针旋转，为气旋性涡度；当ξ<0,流场顺时针旋转，为反气旋性涡度。

散度是衡量速度场辐散、辐合强度的物理量，辐散时为正，辐合时为负。

高压区气流辐散，天气晴朗；低压区气流幅合，多阴雨天气。

水平散度的表达式为：y
v x u D ∂∂+∂∂= D>0时为辐散，空气质量散逸；D<0时为幅合，空气质量积聚。

图a图b
图c图d
图e 图f
图g
图1.3 分别表示在这次暴雨过程中，7种不同方案下涡度与散度的时间剖面图,图a至g分别代表方案1-7
分析以上7张图的散度场，我们可以看到在暴雨落区的上空，均存在多个幅合、辐散中心，它们与涡度场、垂直速度场相配合，构成上升、下沉运动。

图a、b、c分别采用了不同的微物理过程方案：其中图a在世界时12时，即北京时间20时左右，800hpa、450hpa各有一个辐合中心，达到了-30×10-5/s，600hpa、400hpa上各有一个辐散中心，达到了20×10-5/s。

配合涡度场来看，辐合中心在600hpa上空均存在着负涡度柱，对应着气旋性涡度，且数值上的极值达到-20×10-5/s，两者相辅相成，形成了暴雨过程中很好的动力条件；但是与观测情况相比，实际的降水主要发生于世界时12时至15时之间，而Thompson方案所模拟的结果持续时间偏长，从12时至24时之间均存在着多个强烈的辐合辐散中心，所以Thompson方案对于暴雨时间分布的描述差强人意。

图b、图c都为我们很好地展示了，低层辐合、高层辐散的不稳定场配置，与图a相比，图b更好的将涡度场与散度场结合，低层幅合、高层辐散促进着上升运动的发展，空气上升，在高层堆积、促进幅合运动的持续，两者相互促进，形成正反馈。

且对于降水时间的测定有着更加精确的范围，在暴雨开始的12时，涡度、散度场的强度均达到最大，且随着暴雨过程的减弱，两者的值分别减小。

在暴雨发展期，西北低涡发展并维持，在垂直剖面图上观测点上空整层正涡度柱的范围和强度明显较暴雨之前增大，且最大值＞15 ×10-5/s，正是因为正涡度柱以及辐合辐散的作用，导致了这一时期的强降水；而图c在700hpa以下的高空存在着强烈的负涡度中心，对应着气流的积聚、辐合，同理在500hpa至700hpa上存在着辐散中心，也较好地说明了在整个暴雨的发展初期，低层辐合、高层辐散的物理场配置，所以在对于涡度、散度场的描述上，Kessler方案与Ferrier方案均优于Thompson方案。

比较图a、d、e，分别采用了不同的陆面过程参数化方案。

其中图d在暴雨发生的12时，在中低层并没有表现出很强的辐合辐散，反而是在21时，即暴雨结束
后，在高层大气100hpa至200hpa之间有一辐合辐散中心，与实际情况不符，故排除RUC陆面参数化方案。

同理图e的，在12时附近，并没有强的涡度散度中心，而是在15时至18时之间在低层有一个幅合中心，高层有多个辐散中心。

所以，在对于这一区域的暴雨描述上，UN方案好于RUC与PX方案
比较图d、f、g，他们的不同是分别采用了不同的边界层方案，他们对于降水时间的描述均不准确，图f的持续时间过长，从12时至21时，低层幅合强烈，高层辐散明显，且最大的负涡度中心出现于21时之前，12时左右的涡度、散度场表现的均没有21时左右明显，图g的降雨模拟时间偏晚位于15时附近。

所以对于涡度、散度场的描述，边界层方案中，MYJ,MYNN,UW方案均对于暴雨过程中动力场的分布时间、空间上模拟的均不理想，需寻找更好的替代方案以对这片区域的暴雨预报做更精细的研究
1.2.2 垂直速度
垂直速度w是一个在一般条件下不能直接测量的量，却又在暴雨的诊断分析中尤为重要。

垂直上升运动可以使空气质点从未饱和状态达到饱和状态，水汽凝结后即可产生降水。

它是预报降水，尤其是暴雨、冰雹等灾害性天气的重要因素之一。

其中，w<0,为下沉运动；w>0，为上升运动。

图a图b
图c图d
图e图f
图g
图1.4 分别表示在这次暴雨过程中，7种不同方案下垂直速度时间剖面图图a至g分别表示方案1至7
由暴雨的动力场可知特征，整个降水过程是与空气的强上升运动相伴随着的，这次暴雨在观测站点的发生时间为2012年7月29日北京时间20时，即在世界时12时附近应存在着最大的上升中心，方案二、三均做到了这一点，当我们将涡度场和散度场与垂直速度场结合来看，低层辐合，质量堆积；高层辐散，质量减少，促进了上升运动的发展，而上升运动使低层气压减弱，辐合程度变强，
高层质量堆积，辐散强度变强，造成了涡度场、散度场的变化，它们的这种相互影响，促进了在整个暴雨过程中，上升气流的发展。

但是方案二的的垂直速度在大约13时左右达到最大值与方案三相比，时间上略有滞后。

所以，综合分析涡度场、散度场和垂直速度场，方案三即物理过程采用Ferrier方案、边界层参数化过程采用MYJ方案、陆面过程采用UN方案相结合的方式能很好地描述了3个动力因子的相互作用过程以及时空分布特征。

但是如果要对西北地区暴雨过程做更精细化的分析，边界层参数化方案应寻找更好的替代方案以减少模拟误差对整个暴雨预报的影响。

1.3 热力条件
1.3.1 假相当位温
从能量角度来看，暴雨是能量不断释放的过程，要产生强暴雨，大气中必须具备一定的能量条件。

而假相当位温指的就是，未饱和湿空气块上升，直到气块内水汽全部凝结降落后，再按干绝热下沉到1000百帕处，此时气块所具有的温度。

它是一个将温度、气压、湿度综合起来一起考虑的物理量。

当我们的暴雨落区上空存在着一个能量积累，大气层结明显增温增湿，假相当位温剧烈升高，会形成位势不稳定状态而引发降水。

图a 图b
图c 图d
图e 图f
图g
图1.4 分别表示2012年7月29日世界时12时与18时700hpa上假相当位温的分布情况图a至g分别代表方案一至七比较以上7图可知，在暴雨初生时间约2012年7月29日世界时12时左右，7种方案都在观测点OBS上空附近存在着假相当位温的高值带，说明存在一定的不稳定能量在此地上空积聚。

其中方案一、二、三所模拟的假相当位温高值区与暴雨区域相比明显偏南约2个纬度左右，整体位于甘肃省境内。

在暴雨过后北京时间18时，这里700hpa 上空的假相当位温明显较6小时之前下降2-4K，说明了不稳定能量的减少，雨势的减小。

这三种方案在假相当位温高值区与暴雨落区的对应上都有一些差异，所以，为选择更好的微物理过程参数化方案，还需进行进一步的实验。

比较方案一、四、五，第四种方案假相当位温高值区与此处降水落区情况对应较好，中心最高值达到了322K，但是在暴雨过后的6小时，这里的假相当位温下降并不明显，而是继续稳定在320K左右，与6小时之前的情况相比，差异不大；第五种方案的假相当位温高值区相较前4种方案与暴雨落区相一致，位于宁夏、内蒙、青海三省的交界处腾格里沙漠附近，最高值达到了322K，且在暴雨过后有着明显的降低，温度降低最明显区域达到6K，说明第五种方案在模拟假相当位温的分布上，选用了一个较好的陆面参数化过程。

在对假相当位温场的描述上，选用PX方案比UN与RUC方案更加精确。

比较方案四、六、七，他们分别选用了不同的边界层参数化过程。

第六、七梁种方案对于假相当位温的高值区的模拟非常准确，位于38°N，103°E附近，且在暴雨六小时过后，两种方案此处的假相当位温均下降至317K左右，所以，在边界层参数化方案的选取上UW与MYNN方案均优于MYJ方案。

1.3.2 700hpa与500hpa温差
图a 图b
图c 图d
图e 图f
图g
图1.3 表示7种方案下，T700-500随时间变化的情况，纵坐标为温差，横坐标为时间，时间跨度由2012年7月28日北京时
间08时至29日08时，图a-g分别代表方案一至七
表示700hpa与500hpa的温度差，这个参量可以表示气层的稳定性，T
700-500
温差越大，气层越不稳定。

统计资料显示，当700hpa与500hpa的温差达到16℃以上时，形成不稳定层结，就会发生强对流天气，从而产生强降水。

由以上7
均达到了16℃以上，多数均分布于19℃左右，图可知，这次暴雨过程中，T
700-500
其中方案5达到20℃，说明这次降水前，高低层温差较大，容易产生不稳定。

通过降水时间分布可知，此次降水发生于世界时12时后，说明在12时之前，T
700-500
逐渐减小。

将达到最大，在整个暴雨发生的未来几小时内T
700-500
达到了当日的最大值，并前三种方案均在09时过后的1至2小时内 T
700-500
已降至17℃附近，其中第2种方案已降至了15℃逐渐下降，至12时左右，T
700-500
附近，说明这3种方案均没有很好地去描述整个暴雨过程中能量场的变化情况。

略有下降，下降了约比较方案一、四、五，其中方案四在12时之前T
700-500
1℃，随后很快升高，在13-14时之间，T
才达到最大值，随后迅速降低，与
700-500
实际情况不符，说明RUC陆面方案与UN方案相比不能精确地描述此过程中热力
都保持在20℃附近，说明在这状态的变化。

方案五在09时至12时之间，T
700-500
个期间，气层的强烈不稳定为此次暴雨过程积聚了大量的能量，为整场暴雨提供
值逐渐减小，并在14时左右下降至16℃，了很好的能量场，当暴雨开始之后T
700-500
至15时以下降至14℃左右与整个暴雨过程相对应。

所以PX方案与其他两种陆面参数化方案相比，对能量场有着更好的描述
方案四、六、七采用了不同的边界层参数化方案。

其中，方案六在采用了UW边界层方案，在09时T
即达到了最大值，并在此之后一直减小，说明UW
700-500
逐渐方案不能准确描述降水过程；而方案七与方案五类似，在12时之前T
700-500
的升高，并在12时达到最大值，随后逐渐减小，在15时下降至15℃， T
700-500变化和整个降水过程时间上相互对应。

所以对于能量场的描述，边界层参数化方案选取MYNN方案
综上所述，对于此次暴雨热力情况分布的描述，边界层参数化方案需选取MYNN方案，陆面模式选用PX方案，这两种方案对于能量场的描述均优于其他方案，然而对于微物理过程的选用，我们需要继续研究，以寻求在干旱地区暴雨诊断的更好方案。