重慶一次降水過程的數值模擬和地形作用分析

摘 要：對2014年8月31日重慶一次降水過程進行數值模擬，針對地形開展敏感性試驗。結果表明：高空輻散氣流對低空形成抽吸、地面冷空氣入侵使對流觸發；大巴山的阻擋作用使急流強度增強并穩定維持，其降低后上升支位置偏北、強度減弱；齊岳山通過地形狹管效應對急流場產生影響，間接影響垂直運動，其降低后上升支位置偏南、強度減弱。

關鍵詞：暴雨；形勢分析；數值模擬；地形敏感性試驗

引言

地形作用對暴雨的形成和分布影響顯著。地形作用體現在：地形對暖濕氣流的抬升和輻合作用[1]；地形改變對降水中心位置和強度影響深刻[2]；地形阻擋降水系統移動，使雨區集中[3]；地形對風場、散度場和垂直速度場的重要影響[4]等。

文章對過程進行環流形勢分析，并基于WRF模式對過程進行數值模擬，在模擬的基礎上開展地形敏感性試驗以研究地形在過程中的作用。希望能為提高復雜地形條件下的重慶暴雨預報水平提供科學依據。

1 雨情簡介與環流形勢概況

1.1 雨情簡介

2014年8月31日14時至9月2日07時（世界時，下文同），我國重慶、湖南、湖北部分地區出現暴雨到大暴雨，局地特大暴雨。降水前期維持在重慶北部地區。降水后期快速東移南壓，強度逐漸減弱。文章重點分析穩定維持期暴雨發生發展的物理機制。

1.2 環流形勢概況

降水期間，歐亞大陸200hPa圖上，南亞高壓主體位于青藏高原，重慶位于南亞高壓東北部，受高空輻散氣流控制，對低層產生了較強抽吸作用。

降水期間700hPa圖上，南海地區附近形成風速在12m/s以上的急流區，急流將來自南海的暖濕空氣沿副高外圍輸送到四川、重慶地區。切變線位于副高以北地區。9月1日00時，切變線南壓導致重慶中部急流核范圍增大，強度加強。

地面天氣圖上，重慶北部地區地面始終處于鋒面北部、冷高壓后部的偏北冷空氣控制下。地面冷空氣入侵迫使對流觸發。

2 數值模擬實驗

2.1 方案設計

借助中尺度WRF模式進行數值模擬，采用再分析資料提供初始場和側邊界條件，模式采用三重區域雙向嵌套，積分初始時間為2014年8月31日12時，積分時間48小時，模擬記作控制試驗（CTRL試驗）。

2.2 模擬結果檢驗

2.2.1 形勢場檢驗

對比實況與CTRL試驗輸出的200hPa環流形勢場，模擬對于槽脊系統、急流帶及南亞高壓的位置、范圍都與實況對應良好。從CTRL試驗對于500hPa高度場的模擬來看，500hPa槽線的位置實況與CTRL試驗十分吻合。從CTRL試驗對700hPa風場的模擬來看，切變線的位置與實況有對應良好。

2.2.2 累積降水檢驗

CTRL試驗模擬的24h降水中心位于重慶北部，位置與實況幾乎重合，雨量比實況偏小30mm。

2.2.3 質量評分檢驗

引用TS評分和偏差率B值以進一步定量檢驗模擬效果。模式對各量級降水TS評分都在0.2以上，B值都在0.5以上。表明模式對不同強度量級的降水都有較好的預報性能。模式對于小雨以上的降水范圍評估偏大，對于中雨以上的降水范圍評估偏小。

總的來看，CTRL試驗對于此次過程的模擬是成功的，其結果是可信的。

3 地形作用分析

3.1 方案設計

借助WRF模式針對大巴山和齊岳山進行地形敏感性試驗，采用的參數化方案與CTRL試驗相同，只針對大巴山和齊岳山地形高度進行修改。試驗1將大巴山高度減半，試驗2將齊岳山高度減半。

3.2 對降水的影響

各試驗降水中心的位置和強度與CTRL試驗差別明顯。表明地形對降水中心位置及強度的模擬卻存在深刻的影響。

試驗1中降水中心位置向東北偏移100km，雨量減少90mm。雨量大值區斷裂。可見大巴山地形阻擋了降水系統的移動，使降水大值區集中。試驗2中雨帶明顯變寬，降水中心位置偏西南，中心雨量減小約60mm。

3.3 對急流的影響

分析CTRL試驗850hPa平均急流場發現，急流區主要位于大巴山和齊岳山之間，急流核強度達到16m/s。試驗1中，急流區的北部邊界向東北擴展，小的急流區從主急流區分裂向下游擴散，致使主急流的強度減弱為14m/s。可見大巴山對急流場的維持和加強存在屏障作用，其高度降低后主急流核的強度削減。試驗2中齊岳山高度降低后，急流區主體呈現跨越齊岳山分布的形態，急流區明顯變寬，位置較CTRL試驗明顯向東南方向偏移，強度減弱為12m/s。可見齊岳山對低空急流場的影響主要體現在地形狹管效應上，其高度降低后地形狹管效應減弱，相對平坦的地勢加寬了低空西南急流的輸送通道，致使急流的位置東移南壓，強度減弱。

3.4 地形對垂直運動的影響

9月1日00時CTRL試驗中，暴雨中心上空低層強輻合，高層強輻散產生了強烈的抽吸作用。同時低層偏南風向北輸送過程中受大巴山強迫抬升。二者作用形成了垂直次級環流圈，其上升支恰好對應重慶北部暴雨中心。在試驗1中上升支的變化體現在兩方面：一是地形屏障作用降低，上升支在低緯偏南氣流作用下向北偏移；二是上升支強度減弱，這是由于地形抬升作用降低導致低層輻合（770hPa，-45×10-5s-1）減弱。可見大巴山地形高度降低削減了垂直次級環流上升支的強度，改變了上升支的位置，從而使降水減幅。在試驗2中上升支明顯偏南，低層輻合和高層輻散也明顯偏南。這是由于齊岳山高度降低后地形狹管效應減弱，低空急流位置偏南導致輻合上升區位置偏南。

4 結束語

（1）高空輻散氣流對低層形成抽吸作用；低渦、切變線加劇了低層輻合；地面冷空氣侵入觸發降水。

（2）綜合考慮環流形勢對比、累計降水對比、質量評分檢驗，CTRL試驗對降水過程的模擬比較成功，其結果是可信的。

（3）大巴山高度降低后，降水中心向東北方向移動，降水大幅削減，雨量大值區出現斷裂。齊岳山高度降低后，降水中心略有南移，降水減幅，雨帶變寬。

（4）大巴山高度降低后，小的急流區從主急流區分裂向下游擴散，致使降水強盛期間主急流區的強度減弱。可見大巴山阻擋使急流強度增強，并穩定維持。齊岳山地形對急流場的影響主要是地形狹管作用。其高度降低后地形狹管效應減弱，相對平坦的地勢加寬了低空西南急流的輸送通道，致使急流的位置東移南壓，強度減弱。

（5）大巴山地形對垂直運動的影響主要是屏障作用和抬升作用。其高度降低后地形阻擋和抬升作用減小，上升支位置偏北、強度明顯減弱。齊岳山地形通過地形狹管效應對急流場產生影響，間接影響垂直運動。其高度降低后急流場位置偏南、強度減弱，間接導致上升支位置偏南、強度減弱。

參考文獻

[1]Bolin B. On the influence of the earth's topography on the westerlies[J].Tellus，1950，2（2）：184-195.

[2]陳潛，趙鳴.地形對降水影響的數值試驗[J].氣象科學，2006，26（5）：484-493.

[3]胡伯威.中尺度地形對大氣鉛直運動核強降水的影響[J].暴雨災害，2000（1）：8-23.

[4]臧增亮，張銘，沈洪衛，等.江淮地區中尺度地形對一次梅雨鋒暴雨影響的敏感性試驗[J].大氣科學，2004，24（1）：26-34.