第 3 期 董春卿等 : 地形对山西垣曲 0729 特大暴雨影响的数值模拟分析 453 制相联系的冰相微物理过程是暴雨产生的主要物理 [12] 原因 林磊等利用 WRFARW 中尺度模式, 针对华北地区一次积层混合云系降水实例进行了模拟, 指出在积状云区中有粒子群的循环增长机制, 可以 [13] 发

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1 第 33 卷第 3 期 2015 年 6 月 干旱气象 JournalofAridMeteorology Vol.33 No.3 June,2015 董春卿, 苗爱梅, 郭媛媛, 等. 地形对山西垣曲 0729 特大暴雨影响的数值模拟分析 [J]. 干旱气象,2015,33(3): ,[DONGChunqing, MIAOAimei,GUOYuanyuan,etal.NumericalSimulationofEfectsofTerainonYuanqu 0729 SevereTorentialRainEvent[J].JournalofArid Meteorology,2015,33(3): ],doi: /j.isn (2015) 地形对山西垣曲 0729 特大暴雨影响的数值模拟分析 董春卿 1, 苗爱梅 1, 郭媛媛 1 2, 张磊 (1. 山西省气象台, 山西太原 ;2. 安徽省池州市气象局, 安徽池州 ) 摘要 : 利用 WRF-ARW 中尺度数值模式, 对山西南部垣曲县喇叭口地形造成的 0729 特大暴雨过程进行了数值模拟和地形敏感性试验, 通过分析暴雨云团的动力和微物理结构, 探讨地形激发积层混合云系的结构特征及地形对暴雨云系的影响 结果表明 : 西风带系统与副热带系统相向而行是此次暴雨发生的环流背景特征, 当中低空受偏南风急流影响时, 垣曲县向南开放的喇叭口地形可使低层的辐合上升显著增强 特殊地形所激发的 meso-β 积层混合云团是造成此次特大暴雨的直接系统 地形敏感性试验结果表明 : 地形的变化对积层混合云系的动力结构 微物理特征等有显著影响 地形降低后, 喇叭口效应形成的低层强辐合结构与强上升气流消失 ; 下风方向低层辐合 中高层辐散配合强烈的上升运动, 对流发展趋于旺盛, 暴雨中心向地形下游移动 地形的变化对水相物质的微物理结构也有显著的影响 地形降低后, 迎风坡上空上升运动减弱, 进入到中间层上层的云水粒子减少, 凝华生成的冰晶粒子减少, 播撒 供给 机制减弱, 迎风坡降水强度明显减弱 ; 下风方向对流加强, 更多的云水粒子进入到中间层上层, 降水强度加强 喇叭口地形的存在更有利于上游强对流发展并形成层积混合云系, 对下游对流起抑制作用 关键词 : 特大暴雨 ; 地形敏感性试验 ; 积层混合云系 ; 微物理结构文章编号 : (2015) doi: /j.isn (2015) 中图分类号 :P 文献标识码 :A 引 言 大量的观测和研究表明, 地形对于降水有非常重要的影响 多年来, 很多学者对地形激发的强对流系统从天气形势 物理量场 能量场 卫星云图 雷达回波 闪电频次等方面进行了较为深入的分析和研究 [1-5], 揭示了地形对强对流天气发生 发展的影响 通常, 地形对暴雨的影响表现在迎风坡对气流的抬升作用 在山谷地区气流辐合抬升以及气流遇山阻挡后绕流在山前出现地形切变辐合线 何光 [2] 碧对高原东侧陡峭地形下暴雨和中尺度涡旋进行了数值试验, 指出复杂陡峭的地形扰动有利于中 [6] 尺度涡旋的形成, 与降水关系密切 ; 盛春岩等利用 ARPS 模式, 对北京门头沟附近的一次大暴雨过 程进行了数值试验, 证实了地形的动力作用是本次大暴雨的触发机制, 山坡和山顶的对流不稳定是大暴雨发生的必要条件, 大暴雨是在多尺度地形以及一定的天气系统配置下产生的 Smith [7] Houze [8] Lin [9] 等总结了 3 类常见的地形降水机制 :(1) 产生在稳定大气中的迎风坡降水 ;(2) 产生在条件性不稳定大气中的地形降水 ;(3) 由播撒机制引起的地 [10-11] 形降水 洪延超利用一个简单的二维平面对称混合云模式及云中微物理过程参数化模式, 对上述第 3 类播撒降水机制进行了系统性研究, 结果表明 : 层状云为积云提供良好的发展条件, 饱和的环境及伴随层状云的辐合场促使对流云生命期延长, 导致高强度降水或间歇性极端强降水发生, 与播撒机 收稿日期 : ; 改回日期 : 基金项目 : 中国气象局 2014 年气象关键技术集成与应用 ( 面上 ) 项目 精细化空气质量预报技术应用 (CMAGJ2014M09) 山西省气象局重点科研项目 基于中尺度模式的山洪地质灾害精细化气象预报系统 (SXKZDTQ ) 及 山西省环境空气质量预报数值模式研究 (SXKZDTQ ) 共同资助作者简介 : 董春卿 (1984-), 男, 工程师, 主要从事区域精细化数值天气预报研究. dongchq@gmail.com

2 第 3 期 董春卿等 : 地形对山西垣曲 0729 特大暴雨影响的数值模拟分析 453 制相联系的冰相微物理过程是暴雨产生的主要物理 [12] 原因 林磊等利用 WRFARW 中尺度模式, 针对华北地区一次积层混合云系降水实例进行了模拟, 指出在积状云区中有粒子群的循环增长机制, 可以 [13] 发生层云 积云间的粒子群交换 邵元亭等利用 ARPS 中尺度模式, 对祁连山地区一次典型的地形云降水过程中云和降水的宏微观结构进行了模拟研究, 指出陡峭地形的抬升作用是祁连山云系降水的主要动力机制 中尺度数值模式的发展, 不仅有力地补充了云中观测, 而且加深了地形对云系微物理 动力结构影响的理解 [12-13] 2007 年 7 月 28~31 日, 受副热带高压进退和复杂地形的共同作用, 山西南部连续 3d 出现大暴雨天气 ( 下面简称 0729 特大暴雨 ) 其中 29 日 08:00( 北京时, 下同 ) 至 30 日 08:00, 垣曲县 24h 降水量达到 303.3mm,1h 降水强度 78.8mm, 强降水造成运城市 16 条主要河流 117 条峪口沟道爆发超标洪水 这次强降水造成的灾害, 范围之大 程度之重 损失之巨, 均为历史罕见 [1] 据不完全统计, 仅运城市受灾人口达 20 余万, 死亡 13 人, 失踪 3 人, 受伤 14 人, 倒塌房屋 3857 间, 被毁桥梁 138 座, 直接经济损失 亿元 本研究利用新一代中尺度气象数值模式 WRF, 结合常规地面 高空观测资料及 NCEP/NCAR1 1 再分析资料, 通过数值模拟 地形敏感性试验等分析此次特殊地形所激发的积层混合云的动力 微物理结构, 试图揭示特殊地形对短时强降水的作用, 以期了解山西夏季地形激发的积层混合云的降水机制, 为突发性强降水的临近预报 预警提供参考依据 1 天气背景与暴雨概况 1.1 暴雨概况 2007 年 7 月 28~30 日, 山西省出现大范围降水天气过程, 晋中以南的大部分地区出现大雨及暴雨, 降水主要集中在 29 日 08:00 至 30 日 08:00( 图 1) 暴雨区由 2 条相互平行的中尺度雨带组成, 基本上与太行山脉平行, 暴雨 特大暴雨的强降水带为山西运城东部 长治西部, 呈西南 东北向分布,2 个强降水中心分别位于运城垣曲 (303mm) 和临汾安泽 (146mm) 垣曲县 24h 降水量达 303.4mm, 出现超历史极值 (1958 年 252.5mm) 的特大暴雨, 且降水主要集中在 29 日夜间,12h 降水量达到 229 mm 在主雨带的东南方, 从河南北部到河北南部也有一条以暴雨为主的次强降水带, 雨带也呈西南 东北向分布, 大暴雨中心为修武 (105mm) 图 年 7 月 29 日 08:00 至 30 日 08:00 降水实况 ( 单位 :mm) Fig.1 Theobservedprecipitationfrom08:00 BT29to08:00BT30July2007(Unit:mm) 1.2 天气背景表 1 为 2007 年 7 月 28~30 日,30 N~40 N 105 E~115 E 范围,500hPa 槽线的动态变化及 35 N~40 N 副热带高压特征线 5880gpm 线的位置变化 由表 1 可知, 山西南部 0729 特大暴雨过程发生在副热带高压西进 西风槽东移, 即西风带系统和副热带系统相向而行的环流背景下 由高低空系统配置可知 ( 图略 ), 在 500hPa 700hPa 850hPa 均有暖性切变线相配合, 系统配置为后倾,700hPa 与 850hPa 的暖性切变线位置几乎重合,700hPa 和 850hPa 有明显的偏南风低空急流, 暴雨落区位于 850hPa 暖性切变线与 500hPa 暖性切变线之间, 偏南风低空急流的前端 ( 图略 ) 由于地形的作用, 垣曲向南开放的喇叭口地形使底层辐合显著增强 表 年 7 月 28~30 日西风槽与副高的动态 Tab.1 Thedynamictrendofthewesterlytroughandthesubtropicalhigh 28 日 08 时 28 日 20 时 29 日 08 时 29 日 20 时 30 日 08 时 30 日 20 时 500hPa 槽线 E E E E E E 5880gpm 线 E E E E E E

3 454 干旱气象 33 卷 2 垣曲县地形及数值模拟试验方案 2.1 垣曲县的地形特征垣曲县位于山西省境内南端, 东跨王屋 西据中条 北接太行 南临黄河, 山环水绕, 沟壑纵横, 地貌复杂 三面环山, 形成一较典型的向南开阔 向北收缩的喇叭口地形, 喇叭口面向黄河, 地势西北高 东南低 2007 年 7 月 29 日 20:00, 数值模拟显示, 沿着王屋山和中条山两大地形, 垣曲附近形成地形性风向辐合 ( 图 2) 在地面偏南风的影响下, 由于地形的收缩, 喇叭口地形常引起辐合上升运动的加强和垣曲降水量的加大 2.2 数值模拟方案 WRF(WeatherResearchandForecastingModel) 模式系统是由美国国家环境预报中心 (NCEP) 和美国国家大气研究中心 (NCAR) 联合开发的中尺度天气模式 本模拟试验采用的 WRF 模式为 ARW V 版本 模拟区域设计为三重双向嵌套, 模拟中心为 (112.6 E,37.8 N), 水平分辨率分别为 45km, 15km,5km, 水平格点数分别为 91 91, , 模式顶高 50hPa, 垂直方向为 38 层, 越接近地表分层越密, 其中 2km 以下 16 层 初始场选用 NCEP/NCAR1 1 再分析资料, 积分时间为 2007 年 7 月 28 日 20:00 至 30 日 08:00, 共 36h, 每 6 h 更新一次边界条件, 最外层网格积分步长为 270s, 图 2 垣曲附近地形高度 ( 阴影, 单位 :m) 与 29 日 20:00 地面风场 (Y 为垣曲位置 ) Fig.2 Theterainheight(shadedfield,Unit:m) andthesimulatedsurfacewindfield at20:00btonjuly29,2007 (YindicatesthelocationofYuanqu) 逐时输出模拟结果, 模式的主要参数化方案见表 2 本研究设计了 2 组对比试验 : 方案 A 是控制试验, 采用美国地质测量局 (USGS) 提供的 2 (4km) 地形高度数据 ; 方案 B 是敏感性试验, 将垣曲附近喇叭口地形高度降低至 600m 通过控制试验与敏感性试验模拟结果的对比分析, 探讨特殊地形对降水的增幅作用及其对暴雨云团动力过程和微物理过程的影响 2 组试验的地形分布如图 3 下面主要对 D3 区域 5km 分辨率的模拟结果进行分析 表 2 模式参数化方案 Tab.2 ParameterizationschemeoftheWRFmodel 分辨率 微物理过程 积云参数化 边界层 陆面过程 长波辐射 短波辐射 45km WSM6 Grel-Devenyi Monin-Obukhov Noah RRTM Goddard 15km WSM6 Grel-Devenyi Monin-Obukhov Noah RRTM Goddard 5km WSM6 / Monin-Obukhov Noah RRTM Goddard 图 3 地形敏感性试验示意图 ( 阴影为地形高度, 单位 :m) (a) 控制试验,(b) 地形敏感性试验 Fig.3 Sketchmapsofterainsensitivitytest(Shadedareaistheinitialterainheight,Unit:m) (a)controlexperiment,(b)theterainsensitivityexperiment

4 第 3 期 董春卿等 : 地形对山西垣曲 0729 特大暴雨影响的数值模拟分析 结果分析 3.1 模式验证为了验证 WRF 中尺度模式对于此次强降水过程的模拟能力, 将特大暴雨中心垣曲站的逐小时降水量模拟值与实况进行对比 ( 图 4) 可见模式模拟的降水量变化特征与实测基本一致, 模拟降水量的峰值时间与实况基本吻合 实况 1h 最大雨强出现在 29 日夜间 23:00, 强度达到 78.8mm h -1, 模式最大降水强度为 56.8mm h -1, 接近于实况 因此,WRF 中尺度模式能够对此次强降水过程进行较好的模拟 图 4 垣曲单站逐小时观测降水量 ( 灰色柱体 ) 与 WRF 模拟值 ( 黑色点线 ) 对比 Fig.4 Evolutionsofhourlyobservedprecipitation (graybar)andwrfsimulatedhourly precipitation(blackdotedline)inyuanqu 3.2 敏感性试验分析 地形对降水增幅作用的对比分析图 5 给出了控制实验和敏感性试验模拟的 7 月 29 日 08:00 至 30 日 08:00 垣曲附近降水量分布 控制试验 ( 图 5a), 模拟大暴雨落区与实况较接近, 喇叭口中央出现 160mm 以上强降水 去掉垣曲县喇叭口地形后 ( 图 5b), 降水空间分布发生了显著的变化 :(1) 暴雨中心移位到下风方 ;(2) 迎风坡暴雨中心降水强度明显减小, 背风坡降水强度增大 因此, 在低空偏南急流影响时, 垣曲喇叭口地形对迎风坡降水量有明显的增幅作用 地形对暴雨云团动力 微物理过程影响的对比分析图 6 为降水最强时刻 29 日 23:00, 过暴雨中心垣曲 沿 E 动力场与微物理特征的地形敏感性试验对比图 控制试验显示, 垣曲上空有一个直径为 30km 左右的 meso-β 积层混合云团强烈发展 ( 图 6a 图 6b) 微物理场上, 高层的层状云与中低层的积雨云相互跨接粘连 高层云冰中心强度为 0.22g kg -1, 冰晶区主体位于 -20~-60 之间 (8~12 km 高度 ); 中间层云冰与过冷云水共存, 云水中心强度为 0.8g kg -1, 中心在 600hPa 左右, 主体在 0 ~-20 之间 (5~8km 高度 );5km 高度以下基本为雨水区, 温度在 0 之上 雨水 云水 冰晶三者的大值中心垂直方向相互对应, 存在 播撒 供给 机制 图 5 7 月 29 日 08 时至 30 日 08 时控制试验 (a) 和敏感性试验 (b) 的降水量空间分布 ( 阴影为实际地形高度,Y 为垣曲位置, 黑色实线为降水量, 单位 :mm) Fig.5 Simulatedrainfalfrom08:00BT29to08:00BT30July2007 (Shadedareafortheinitialterainheight,andYindicatesthe locationofyuanqu,blacksolidlineforprecipitation,unit:mm) (a)fromthecontrolexperiment,(b)fromthesensitivityexperiment

5 456 干旱气象 33 卷 图 6 7 月 29 日 23:00 沿 E 水平散度 上升运动与云冰 云水 雨水的地形试验对比 (a c 分别为控制试验和地形敏感性试验水平散度 上升运动的剖面, 色斑为水平散度, 单位 :10-3 s -1, 虚线为上升速度, 单位 :m s -1 ; b d 分别为控制试验和地形敏感性试验云冰 云水 雨水的剖面图, 蓝色实线为云冰, 红色实线为云水, 绿色实线为雨水, 单位 :g kg -1, 黑色虚线为温度, 单位 :, 绿色星代表降水中心垣曲位置 ) Fig.6 Comparisonofverticalcrossectionsofhorizontaldivergence(shaded,Unit:10-3 s -1 ), upwardmotion(dotedline,unit:m s -1 )andicemixingratio(unit:g kg -1,bluesolidline), cloudwatermixingratio(unit:g kg -1,redsolidline),rainwatermixingratio(Unit:g kg -1, greensolidline),superposedwithtemperature(blackdotedline,unit: ) along111.8 Eat23:00BTJuly29,2007(GreenstarindicatesthelocationofYuanqu) (a)and(b)forthecontrolexperiment,(c)and(d)fortheterainsensitivityexperiment 动力场上, 上升气流达到 8m s -1, 高层上升气流的旁侧有显著的下沉气流 (0.25m s -1 ), 低层为强辐合 ( 散度值 s -1 ),500hPa 以上是强辐散 ( 散度值 s -1 ), 辐散中心位于 300 hpa 左右, 中高层的抽吸作用显著 因此, 在 Bergeron 效应与强烈的上升运动的共同作用下, 特殊地形激发的积层混合云团发展旺盛, 中间层云水粒子向云冰粒子的迅速转化, 云冰凝华增长, 最终淞附 下落 融化 碰并后导致雨水粒子强度迅速增大 (3.8g kg -1 ), 对应降水最强时段 (78.8mm h -1 ) 敏感性试验可以看出, 去掉喇叭口地形后, 迎风坡上空云系的微物理场和动力场均发生了显著变化 ( 图 6c 图 6d) 微物理场上, 高层层状云与中低层的积雨云相互间的跨接结构减弱 高层层状云中冰晶粒子中心强度变化不大, 中低层云水 雨水粒子出现分中心, 雨水 云水 冰晶三者的大值中心在垂直方向上不再相互对应 由于进入中间层上层 (-10 ~-20 ) 的过冷云水粒子减少, 播撒 供给 机制的 种子 减少, 导致雨水粒子显著减少 ( 由控制试验的 3.8g kg -1 减弱为 1.4g kg -1 ), 迎风坡降水强度明显减弱 动力场上, 喇叭口效应等形成的低层强辐合结构消失, 低层出现弱辐散, 中间层为辐合, 高层为强辐散 ; 地形降低后, 低层下沉气流取代强上升气流,300hPa 高度出现强上升中心 (5m s -1 ) 低层下沉气流的出现与降水粒子的拖拽有

6 第 3 期 董春卿等 : 地形对山西垣曲 0729 特大暴雨影响的数值模拟分析 457 关, 预示对流云团开始迅速减弱 地形降低后, 下风方向低层辐合 中高层辐散加强, 上升运动加剧 ( 由控制实验 0.5m s -1 增大到 2 m s -1 ), 下风方向对流发展趋于旺盛, 强对流中心向下风方向移动 下风方向的层状云冰晶粒子变化强度要比上风方向明显得多 由于 35.5 N 以北对流加强, 有更多的云水粒子进入到中间层上层, Bergeron 效应形成更多的冰晶粒子进入层状云中 ; 积雨云中的云水粒子也增多, 最终 0 层之下形成雨水粒子显著增多 ( 由控制试验 0.68g kg -1 增加到 1.4g kg -1 ), 下风方向降水强度加强 这与地形降低后模拟出的降水量空间分布相对应 因此, 喇叭口地形对上 下游积层混合云系的动力结构 微物理结构有不同的影响 : 地形更有利于上游强对流发展并形成层积混合云系, 对下游对流起抑制作用 4 结论与讨论 (1) 0729 山西南部特大暴雨发生在西风带系统与副热带高压相向而行的环流背景下 当中低空为偏南风或偏南风急流影响时, 垣曲县向南开放的喇叭口地形可使其低层的辐合显著增强 (2) 特殊地形激发的 meso-β 积层混合云团是造成垣曲特大暴雨的直接系统, 冰相微物理过程是暴雨产生的主要物理原因 高层层状云与中低层的积雨云相互粘连跨接, 自上而下形成冰晶区 冰晶和过冷云滴共存区和雨水区 雨水 云水 冰晶三者的大值中心垂直方向相互对应, 存在 播撒 供给 机制 动力场上, 低层为强辐合, 高层为强辐散, 抽吸作用显著 (3) 地形的变化对积层混合云系的动力结构有显著的影响 地形降低后, 喇叭口效应等形成的低层强辐合结构与强上升气流消失 ; 下风方向, 低层辐合 中高层辐散配合强烈的上升运动, 使得下风方对流云团更加旺盛, 暴雨中心向地形下游发生位移 (4) 地形的变化对水相物质的微物理结构变化有显著的影响 地形降低后, 迎风坡上空上升运动减弱, 进入到中间层上层的云水粒子减少, 中间层上层凝华生成的冰晶粒子减少, 播撒 供给 机制的 种子 减少, 最终雨水粒子显著减少, 导致降水强 度明显减弱 (5) 喇叭口地形对上 下游积层混合云系的动力结构 云微物理结构有不同的影响 : 地形的存在更有利于上游强对流发展并形成层积混合云系, 对下游对流起抑制作用 需要指出的是, 上述结论只是基于一次局地特大暴雨过程的个例模拟结果, 微物理模拟结果有待于实测资料检验 地形变化对水相物质微物理结构变化的影响, 今后还需更多的实例去验证 参考文献 : [1] 苗爱梅, 贾利冬, 吴蓁, 等 特大暴雨的地闪特征与降水相关分析 [J]. 气象,2008,34(6): [2] 何光碧. 高原东侧陡起地形对一次盆地中尺度蜗旋与暴雨的数值试验 [J]. 高原气象,2006,25(3): [3] 郁淑华, 何光碧, 滕家谟. 青藏高原切变线对四川盆地西部突发性暴雨影响的数值试验 [J]. 高原气象,1997,16(3): [4] 毕宝贵, 刘月巍, 李泽椿. 秦岭大巴山地形对陕南强降水的影响研究 [J]. 高原气象,2006,25(3): [5] 赵桂香. 一次阻高背景下地形对晋南特大暴雨的作用分析 [J]. 高原气象,2009,28(4): [6] 盛春岩, 高守亭, 史玉光. 地形对门头沟一次大暴雨动力作用的数值研究 [J]. 气象学报,2012,70(1): [7]SmithRB.Theinfluenceofmountainsontheatmosphere[J].Ad vancesingeophysics,1979,21(3): [8]HouzeRAJr.CloudDynamics[M].NewYork:AcademicPres, [9]LinYL.Orographicefectsonairflowandmesoscaleweathersys temsovertaiwan[j].terestialatmosoceansci,1993(4): [10] 洪延超. 积层混合云数值模拟研究 (1) 模式及其微物理过程参数化 [J]. 气象学报,1996,54(5): [11] 洪延超. 积层混合云数值模拟研究 (2) 云相互作用及暴雨产生机制 [J]. 气象学报,1996,54(6): [12] 林磊, 姚展予. 华北地区一次积层混合云降水的数值模拟研究 [J]. 气象,2011,37(12): [13] 邵元亭, 刘奇骏, 荆紫鹃. 祁连山夏季地形云和降水宏微观结构的数值模拟 [J]. 干旱气象,2013,31(1): [14] 苗爱梅, 董春卿, 张红雨, 等 暴雨过程中 MCC 与一般暴雨云团的对比分析 [J]. 高原气象,2012,31(3): [15] 段海霞, 刘新伟. 喇叭口地形对一次暴雨影响的数值试验 [J]. 干旱气象,2009,27(4): [16] 王建兵, 杨建才, 汪治桂. 舟曲 8.8 暴雨云团的中尺度特征 [J]. 干旱气象,2011,29(4): ( 下转至 467 页 )

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