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山东地区一次典型强降水过程的诊断分析和数值模拟

摘要：为深入探讨山东地区夏季强降水的原因和机理,给暴雨模拟及预报分析提供有价值的参考,利用常规观测资料和WRF模式对2015 年7 月29—31 日山东地区一次典型强降水过程进行诊断分析和数值模拟.结果表明：（1）此次过程是由东移的西风槽和低层的切变、低涡共同作用造成的,系统的位置及移动路径与降雨区的位置及移动非常一致.（2）WRF模式能较好的模拟出此次过程的天气形势,雨带的位置和范围与实际情况基本一致.（3）分析850 hPa 水汽通量和水汽通量散度垂直剖面,可见两个水汽来源,西南急流左侧有切变和低涡,强的低层辐合配合较大的水汽通量,存在强烈的水汽辐合,大量水汽持续辐合上升,为此次大暴雨提供了充足的水汽.此次过程是山东省汛期比较典型的强降水天气,高低空系统配置和不稳定条件非常有利于强对流天气的发展.WRF模式高时空分辨率的模拟结果弥补了常规观测资料和再分析资料时空分辨率方面的限制,有助于更好地分析和理解此次强降水过程.

关键词：WRF模式；山东；强降水；水汽条件

中图分类号：P4 文献标志码：A 论文编号：cjas17100023

0 引言

暴雨是中国最主要的灾害天气之一[1],关系到国家安全、社会稳定和经济的可持续发展.暴雨预报也是中国乃至全球天气业务的重点之一[2].近些年中尺度数值模式在暴雨预报预警中得到广泛的应用.如针对2012 年7 月21 日发生在北京地区的特大暴雨,研究人员利用数值模式做了方方面面的研究[3-9].山东省地处太行山以东、华东沿海、黄河下游,地形分为内陆和半岛两部分,内陆部分中部突起,为鲁中南山地丘陵区,是全省地势最高、山地面积最广的地区.鲁中南山脉地形对暴雨的强度和落区有较大影响,对不同强度降雨增幅的影响差异较大[10].山东半岛突出于黄海和渤海之间,大气中水汽充沛,非常有利于暴雨的产生[11].山东省受大陆和海洋性气候共同影响,季风气候特点显著,春季多干旱,夏季多暴雨.周雪松等[12]通过分析2000—2011 年山东123 个观测站的降水数据,得到7—8 月暴雨发生最多,占全部暴雨日数的65%.强降水时段有明显的日变化特征,大部分暴雨过程强降水时段出现在21 时至次日9 时,夜间出现暴雨的频次比白天大52%,有明显的夜间增强特点.李瑞等[13]的研究表明,1961—2012 年山东省汛期平均暴雨日数和暴雨强度均呈自西北向东南逐渐增加的分布趋势,这种空间分布主要是由于季风和山东省地形共同影响造成的.

近年来气象工作者对山东暴雨做了较为深入的研究[10-11,14-18],为山东暴雨预报提供了较好的技术支持.笔者在此基础上,以2015 年7 月29—31 日山东地区一次典型强降水过程为例,利用常规观测资料和WRF模式进行诊断分析和数值模拟,并对模拟结果进行检验和分析,以期发现WRF模式对山东省此类过程在数值模拟方面存在的不足,为今后此类暴雨的数值模拟及预报分析提供有价值的参考.

1 降水实况与天气形势

1.1 降水实况

此次强降水过程于2015 年7 月29 日夜里从黄河下游开始,29 日8 时至30 日8 时24 h 降水（图1a）主要发生在鲁西北地区,河口、垦利和滨州三站的24 h降水分别为112、111、102 mm.30 日8 时至31 日8 时24 h降水（图1b）强降水中心移至鲁中南地区,平阴、鱼台、金乡、郡城和平邑五站的24 h 降水分别为149、126、116、114、112 mm,且降水范围和强度都明显增大.此次降水以短时强降水为主,强降水时段分别为30 日和31 日2—8 时,与周雪松等[12]研究出的大部分暴雨过程有明显的夜间增强特点一致.

1.2 天气形势

利用MICAPS 高空资料分析29 日20 时到30 日8时天气形势图（图2a、图2b）,可以看到在第一次短时强降水（30 日2—8 时）发生前后,500 hPa 中高纬为两槽一脊型,副热带高压迅速减弱东移至海上,低槽略东移,但仍位于山东上游,槽前西南风增强,偏南分量增大.700 hPa 低涡由内蒙古中东部分裂东移至辽宁中部,相应低涡切变移至沈阳到济南一线.850 hPa 山东省位于低涡底部的偏西气流里.

30 日20 时到31 日8 时（图2c、图2d）天气形势图上,可见在第二次短时强降水（31 日2—8 时）发生前后,500 hPa 中高纬仍维持两槽一脊型,低槽加深东南移至山东中部.中低层切变移至济南到南阳一线.850 hPa 切变线南侧有强盛的西南急流.这种高层槽脊及低层切变线和急流的配置对此次暴雨过程的发生非常有利.

1.3 不稳定条件

根据济南站探空曲线（图略）分析,29 日20 时,湿层比较浅薄,位于850 hPa 到700 hPa 之间,沙氏指数(SI)为-1.6℃,风向由低层到高层顺转,有暖平流,对流不稳定层结发展.30 日8 时,湿层变深厚,对流有效位能(CAPE)值由12 h前的1904 J/kg减弱至1564.4 J/kg,对流抑制能量(CIN)由102.7 J/kg 增大至157 J/kg,K指数(KI)达到43℃,沙氏指数(SI)为-4.07℃,气层处于强烈的不稳定状态中.30 日20 时,湿层继续变深厚向上伸展至500 hPa 以上,由于降水的发生,CAPE 值降至593 J/kg,CIN为0 J/kg,KI为40℃,SI为-2.17℃.到31日8 时,CAPE值降至94.4 J/kg,CIN至286.9 J/kg,SI 转为正值,对流稳定,降水结束.从垂直风切变来看（表1）,30 日08 时和20 时,0~2 km 和0~6 km 有强烈的垂直风切变,非常有利于强对流天气的发展.

2 模拟方案及结果

2.1 模拟方案

本次数值模拟采用模式WRF3.7 模式,选取非静力平衡动力框架,3 层网格嵌套,模拟区域如图3a 所示.第一层覆盖东亚大部分地区,以36°N,118°E为中心,东西方向181个格点,南北方向151个格点,区域水平分辨率为27 km.第二层嵌套东西方向151 个格点,南北方向151 个格点,区域水平分别率为9 km.第三层嵌套东西方向241 个格点,南北方向223 个格点,区域水平分别率为3 km.垂直分为30 层,模式层顶气压为50 hPa.模式积分时间步长为180 s.模拟时间为2015 年7 月28 日20 时（北京时,下同）至31 日8 时,积分时间为60 h.模式选用1°×1°的NCEP 再分析资料(FNL)为模式提供初始场和侧边界条件,每6 h 更新一次.下垫面资料采用2014 年4 月WRF3.6 中更新的MODIS 15 s（约500 m）土地利用数据,采用IGBP分类标准,由亚利桑那大学的Patrick 和Zeng[19]基于2001 至2010 年间的MODIS数据分析处理得到.图3b 为D03层嵌套土地利用类型,山东省以农田为主,城市分布于其中.图3c 为地形高度,鲁中南山地和东部半岛丘陵区分布情况与实际情况相符,鲁中南山地海拔高度低于实际情况.

三层网格所采用的物理参数化方案一致,主要参数化方案的选择如表2 所示,每30 min 进行一次辐射过程的计算,D03未采用积云对流参数化方案.

2.2 模拟结果

利用2015 年7 月29 日20 时至31 日8 时台发布的500、700、850 hPa观测场与模拟结果对比,可以看出除副热带高压模拟偏强,500 hPa 槽脊、低层切变和低涡的位置与移动路径模拟与观测基本一致.

7 月29 日8 时至30 日8 时及30 日8 时至31 日8 时24 h 累计降水量模拟结果（图4a、b）与观测比较（图1a、b）.7 月29 日8 时至30 日8 时观测降水主要发生在鲁西北,落区呈东北西南带状分布,暴雨大暴雨落区位于鲁西北东部.模拟降水落区呈东西带状分布,位于北纬36°—37°之间,东部的位于山东半岛,位置偏南.30 日08 时至31 日8 时降水范围和强度都明显增大,强降水区主要位于鲁中、鲁南地区,另外鲁西北和半岛也有暴雨站点.WRF模式模拟出三个强降水中心,位置与实际情况基本一致,主要强降水中心位于鲁中、鲁南地区.大暴雨的范围大于观测结果.但由于本文24 h 降水采用的是MICAPS常规观测资料,并将站点资料插值模式格点上,可能使得观测的暴雨区偏小.

总而言之,WRF模式能较好的模拟出此次过程的天气形势及暴雨落区,高时空分辨率的模拟结果能弥补观测资料和再分析资料时空分辨率方面的限制,结合物理量的诊断分析,能够更好地分析此次降水的机理和原因.

3 水汽条件分析

暴雨的产生需要有充足的水汽供应及水汽汇集[20].此次在7月30日20时（图5a）降水较强的时段850 hPa 可以看到山东省内有一条明显的西南东北走向的水汽通量大值区,最大在30 g/(cm·hPa· s)以上.西南急流较强,向东北伸至半岛西部,最大风速可达20 m/s.在鲁中南地区西南急流左侧有较强的西北风,形成明显的切变线.鲁西北东部有来自渤海的东北风和来自河北的偏北和西北风,与西南急流形成低涡环流,强的低层辐合配合较大的水汽通量,带来短时强降水.31 日2 时（图5b）水汽通量大值区略微北推,整体上呈减弱趋势,鲁中南西侧及半岛南侧仍有20 g/(cm·hPa·s)以上.辐合减弱,鲁西北东部的低涡逐渐入海,低涡底部、西南急流出口区是此时段降水较强的区域.根据水汽通量的走向及风速的强度,可以判断低空急流是此次大暴雨过程水汽输送的主要载体,沿海地区部分水汽来源于渤海.由图6 可以看出,在30 日20 时降水强盛阶段,平邑站(117.61°E,35.46°N)附近,700 hPa 以下水汽通量散度都呈现负值区,存在大量的水汽辐合,最大值达-14 g/(cm2 ·hPa· s),充足的水汽强烈的辐合上升,是此次大暴雨产生的必要条件.到31 日2 时,只在850 hPa到700 hPa之间有弱辐合,平邑附近的强降水结束.

4 结论

（1）2015 年7 月29—31 日山东省发生了大范围强降水过程,根据天气学分析,此次过程是由东移的西风槽和低层的切变、低涡共同作用造成的,500 hPa 欧亚大陆中高纬两槽一脊的大环流背景下,副热带高压东退,西风槽缓慢东移并加深,西南急流增强,中低层低涡和切变发展加强.系统的位置及移动路径与降雨区的位置及移动非常一致.

（2）利用WRF3.7 模式对此次强降水天气进行了数值模拟,能较好的模拟出此次过程的天气形势.在暴雨落区方面,第一个时段29 日8 时至30 日8 时模拟雨带东侧位置偏南,第二个时段30 日8 时至31 日8 时模拟出3 个强降水中心,位置与范围与实际情况基本一致.

（3）根据WRF模式模拟结果,分析850 hPa 水汽通量和水汽通量散度垂直剖面,可见有两个水汽来源,一个是强盛的西南急流由孟加拉湾带来的水汽,沿着西南急流有明显的水汽通量大值区,第二个是东北和偏北风由渤海和山东省北部沿海带来水汽,后者主要影响鲁西北东部的降水.西南急流左侧有切变和低涡,强的低层辐合配合较大的水汽通量,存在强烈的水汽辐合,大量水汽持续辐合上升,为此次大暴雨提供了充足的水汽.

5 讨论

（1）此次过程是山东省汛期比较典型的强降水天气,高低空系统配置和不稳定条件非常有利于强对流天气的发展.因此对此次过程的分析和模拟有代表意义.

（2）WRF模式高时空分辨率的模拟能结果弥补常规观测资料和再分析资料时空分辨率方面的限制,有助于更好地分析和理解此次强降水过程.

（3）分析WRF模式的下垫面资料,鲁中南山地部分地区海拔高度要低于实际情况.提供更准确的下垫面资料以提高模拟结果是接下来的研究方向[21].

山东论文范文结:

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