山東地區(qū)一次典型強(qiáng)降水過程的診斷分析與數(shù)值模擬

董俊玲

（河南省氣象臺，鄭州450003）

0 引言

暴雨是中國最主要的災(zāi)害天氣之一[1]，關(guān)系到國家安全、社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。暴雨預(yù)報也是中國乃至全球天氣業(yè)務(wù)的重點(diǎn)之一[2]。近些年中尺度數(shù)值模式在暴雨預(yù)報預(yù)警中得到廣泛的應(yīng)用。如針對2012年7月21日發(fā)生在北京地區(qū)的特大暴雨，研究人員利用數(shù)值模式做了方方面面的研究[3-9]。山東省地處太行山以東、華東沿海、黃河下游，地形分為內(nèi)陸和半島兩部分，內(nèi)陸部分中部突起，為魯中南山地丘陵區(qū)，是全省地勢最高、山地面積最廣的地區(qū)。魯中南山脈地形對暴雨的強(qiáng)度和落區(qū)有較大影響，對不同強(qiáng)度降雨增幅的影響差異較大[10]。山東半島突出于黃海和渤海之間，大氣中水汽充沛，非常有利于暴雨的產(chǎn)生[11]。山東省受大陸和海洋性氣候共同影響，季風(fēng)氣候特點(diǎn)顯著，春季多干旱，夏季多暴雨。周雪松等[12]通過分析2000—2011年山東123個觀測站的降水?dāng)?shù)據(jù)，得到7—8月暴雨發(fā)生最多，占全部暴雨日數(shù)的65%。強(qiáng)降水時段有明顯的日變化特征，大部分暴雨過程強(qiáng)降水時段出現(xiàn)在21時至次日9時，夜間出現(xiàn)暴雨的頻次比白天大52%，有明顯的夜間增強(qiáng)特點(diǎn)。李瑞等[13]的研究表明，1961—2012年山東省汛期平均暴雨日數(shù)和暴雨強(qiáng)度均呈自西北向東南逐漸增加的分布趨勢，這種空間分布主要是由于季風(fēng)和山東省地形共同影響造成的。

近年來氣象工作者對山東暴雨做了較為深入的研究[10-11,14-18]，為山東暴雨預(yù)報提供了較好的技術(shù)支持。筆者在此基礎(chǔ)上，以2015年7月29—31日山東地區(qū)一次典型強(qiáng)降水過程為例，利用常規(guī)觀測資料和WRF模式進(jìn)行診斷分析和數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和分析，以期發(fā)現(xiàn)WRF模式對山東省此類過程在數(shù)值模擬方面存在的不足，為今后此類暴雨的數(shù)值模擬及預(yù)報分析提供有價值的參考。

圖1 2015年7月29日8時—30日8時(a)、30日8時—31日8時(b)24 h降水(單位：mm)

1 降水實(shí)況與天氣形勢

1.1 降水實(shí)況

此次強(qiáng)降水過程于2015年7月29日夜里從黃河下游開始，29日8時至30日8時24 h降水（圖1a）主要發(fā)生在魯西北地區(qū)，河口、墾利和濱州三站的24 h降水分別為112、111、102 mm。30日8時至31日8時24 h降水（圖1b）強(qiáng)降水中心移至魯中南地區(qū)，平陰、魚臺、金鄉(xiāng)、郡城和平邑五站的24 h降水分別為149、126、116、114、112 mm，且降水范圍和強(qiáng)度都明顯增大。此次降水以短時強(qiáng)降水為主，強(qiáng)降水時段分別為30日和31日2—8時，與周雪松等[12]研究出的大部分暴雨過程有明顯的夜間增強(qiáng)特點(diǎn)一致。

1.2 天氣形勢

利用MICAPS高空資料分析29日20時到30日8時天氣形勢圖（圖2a、圖2b），可以看到在第一次短時強(qiáng)降水（30日2—8時）發(fā)生前后，500 hPa中高緯為兩槽一脊型，副熱帶高壓迅速減弱東移至海上，低槽略東移，但仍位于山東上游，槽前西南風(fēng)增強(qiáng)，偏南分量增大。700 hPa低渦由內(nèi)蒙古中東部分裂東移至遼寧中部，相應(yīng)低渦切變移至沈陽到濟(jì)南一線。850 hPa山東省位于低渦底部的偏西氣流里。

30日20時到31日8時（圖2c、圖2d）天氣形勢圖上，可見在第二次短時強(qiáng)降水（31日2—8時）發(fā)生前后，500 hPa中高緯仍維持兩槽一脊型，低槽加深東南移至山東中部。中低層切變移至濟(jì)南到南陽一線。850 hPa切變線南側(cè)有強(qiáng)盛的西南急流。這種高層槽脊及低層切變線和急流的配置對此次暴雨過程的發(fā)生非常有利。

1.3 不穩(wěn)定條件

根據(jù)濟(jì)南站探空曲線（圖略）分析，29日20時，濕層比較淺薄，位于850 hPa到700 hPa之間，沙氏指數(shù)(SI)為-1.6℃，風(fēng)向由低層到高層順轉(zhuǎn)，有暖平流，對流不穩(wěn)定層結(jié)發(fā)展。30日8時，濕層變深厚，對流有效位能(CAPE)值由12 h前的1904 J/kg減弱至1564.4 J/kg，對流抑制能量(CIN)由102.7 J/kg增大至157 J/kg，K指數(shù)(KI)達(dá)到43℃，沙氏指數(shù)(SI)為-4.07℃，氣層處于強(qiáng)烈的不穩(wěn)定狀態(tài)中。30日20時，濕層繼續(xù)變深厚向上伸展至500 hPa以上，由于降水的發(fā)生，CAPE值降至593 J/kg，CIN為0 J/kg，KI為40℃，SI為-2.17℃。到31日8時，CAPE值降至94.4 J/kg，CIN至286.9 J/kg，SI轉(zhuǎn)為正值，對流穩(wěn)定，降水結(jié)束。從垂直風(fēng)切變來看（表1），30日08時和20時，0～2 km和0～6 km有強(qiáng)烈的垂直風(fēng)切變，非常有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)展。

2 模擬方案及結(jié)果

2.1 模擬方案

本次數(shù)值模擬采用模式WRF3.7模式，選取非靜力平衡動力框架，3層網(wǎng)格嵌套，模擬區(qū)域如圖3a所示。第一層覆蓋東亞大部分地區(qū)，以36°N，118°E為中心，東西方向181個格點(diǎn)，南北方向151個格點(diǎn)，區(qū)域水平分辨率為27 km。第二層嵌套東西方向151個格點(diǎn)，南北方向151個格點(diǎn)，區(qū)域水平分別率為9 km。第三層嵌套東西方向241個格點(diǎn)，南北方向223個格點(diǎn)，區(qū)域水平分別率為3 km。垂直分為30層，模式層頂氣壓為50 hPa。模式積分時間步長為180 s。模擬時間為2015年7月28日20時（北京時，下同）至31日8時，積分時間為60 h。模式選用1°×1°的NCEP再分析資料(FNL)為模式提供初始場和側(cè)邊界條件，每6 h更新一次。下墊面資料采用2014年4月WRF3.6中更新的MODIS 15 s（約500 m）土地利用數(shù)據(jù)，采用IGBP分類標(biāo)準(zhǔn)，由亞利桑那大學(xué)的Patrick和Zeng[19]基于2001至2010年間的MODIS數(shù)據(jù)分析處理得到。圖3b為D03層嵌套土地利用類型，山東省以農(nóng)田為主，城市分布于其中。圖3c為地形高度，魯中南山地和東部半島丘陵區(qū)分布情況與實(shí)際情況相符，魯中南山地海拔高度低于實(shí)際情況。

圖3 模擬區(qū)域及網(wǎng)格嵌套(a)、D03層嵌套(b)、土地利用類型和(c)地形高度(單位：m)

三層網(wǎng)格所采用的物理參數(shù)化方案一致，主要參數(shù)化方案的選擇如表2所示，每30 min進(jìn)行一次輻射過程的計算，D03未采用積云對流參數(shù)化方案。

2.2 模擬結(jié)果

利用2015年7月29日20時至31日8時中央臺發(fā)布的500、700、850 hPa觀測場與模擬結(jié)果對比，可以看出除副熱帶高壓模擬偏強(qiáng)，500 hPa槽脊、低層切變和低渦的位置與移動路徑模擬與觀測基本一致。

7月29日8 時至30日8時及30日8時至31日8時24 h累計降水量模擬結(jié)果（圖4a、b）與觀測比較（圖1a、b）。7月29日8時至30日8時觀測降水主要發(fā)生在魯西北，落區(qū)呈東北西南帶狀分布，暴雨大暴雨落區(qū)位于魯西北東部。模擬降水落區(qū)呈東西帶狀分布，位于北緯36°—37°之間，東部的位于山東半島，位置偏南。30日08時至31日8時降水范圍和強(qiáng)度都明顯增大，強(qiáng)降水區(qū)主要位于魯中、魯南地區(qū)，另外魯西北和半島也有暴雨站點(diǎn)。WRF模式模擬出三個強(qiáng)降水中心，位置與實(shí)際情況基本一致，主要強(qiáng)降水中心位于魯中、魯南地區(qū)。大暴雨的范圍大于觀測結(jié)果。但由于本文24 h降水采用的是MICAPS常規(guī)觀測資料，并將站點(diǎn)資料插值模式格點(diǎn)上，可能使得觀測的暴雨區(qū)偏小。

表2 參數(shù)化方案的選擇

總而言之，WRF模式能較好的模擬出此次過程的天氣形勢及暴雨落區(qū)，高時空分辨率的模擬結(jié)果能彌補(bǔ)觀測資料和再分析資料時空分辨率方面的限制，結(jié)合物理量的診斷分析，能夠更好地分析此次降水的機(jī)理和原因。

3 水汽條件分析

暴雨的產(chǎn)生需要有充足的水汽供應(yīng)及水汽匯集[20]。此次在7月30日20時（圖5a）降水較強(qiáng)的時段850 hPa可以看到山東省內(nèi)有一條明顯的西南東北走向的水汽通量大值區(qū)，最大在30 g/(cm·hPa·s)以上。西南急流較強(qiáng)，向東北伸至半島西部，最大風(fēng)速可達(dá)20 m/s。在魯中南地區(qū)西南急流左側(cè)有較強(qiáng)的西北風(fēng)，形成明顯的切變線。魯西北東部有來自渤海的東北風(fēng)和來自河北的偏北和西北風(fēng)，與西南急流形成低渦環(huán)流，強(qiáng)的低層輻合配合較大的水汽通量，帶來短時強(qiáng)降水。31日2時（圖5b）水汽通量大值區(qū)略微北推，整體上呈減弱趨勢，魯中南西側(cè)及半島南側(cè)仍有20 g/(cm·hPa·s)以上。輻合減弱，魯西北東部的低渦逐漸入海，低渦底部、西南急流出口區(qū)是此時段降水較強(qiáng)的區(qū)域。根據(jù)水汽通量的走向及風(fēng)速的強(qiáng)度，可以判斷低空急流是此次大暴雨過程水汽輸送的主要載體，沿海地區(qū)部分水汽來源于渤海。由圖6可以看出，在30日20時降水強(qiáng)盛階段，平邑站(117.61°E，35.46°N)附近，700 hPa以下水汽通量散度都呈現(xiàn)負(fù)值區(qū)，存在大量的水汽輻合，最大值達(dá)-14 g/(cm2·hPa·s)，充足的水汽強(qiáng)烈的輻合上升，是此次大暴雨產(chǎn)生的必要條件。到31日2時，只在850 hPa到700 hPa之間有弱輻合，平邑附近的強(qiáng)降水結(jié)束。

4 結(jié)論

圖4 WRF模式模擬的2015年7月29日8時—30日8時(a)、30日8時—31日8時(b)24 h降水(單位：mm)

圖5 WRF模式模擬的2015年7月30日20時(a)和31日2時(b)850 hPa的水汽通量[單位：g/(cm·hPa·s)]和風(fēng)場(單位：m/s)

圖6 WRF模式模擬的2015年7月30日20時(a)和31日2時(b)水汽通量散度沿平邑站(117.61°E，35.46°N)的經(jīng)向垂直剖面圖[單位：g/(cm2·hPa·s)]

（1）2015年7月29—31日山東省發(fā)生了大范圍強(qiáng)降水過程，根據(jù)天氣學(xué)分析，此次過程是由東移的西風(fēng)槽和低層的切變、低渦共同作用造成的，500 hPa歐亞大陸中高緯兩槽一脊的大環(huán)流背景下，副熱帶高壓東退，西風(fēng)槽緩慢東移并加深，西南急流增強(qiáng)，中低層低渦和切變發(fā)展加強(qiáng)。系統(tǒng)的位置及移動路徑與降雨區(qū)的位置及移動非常一致。

（2）利用WRF3.7模式對此次強(qiáng)降水天氣進(jìn)行了數(shù)值模擬，能較好的模擬出此次過程的天氣形勢。在暴雨落區(qū)方面，第一個時段29日8時至30日8時模擬雨帶東側(cè)位置偏南，第二個時段30日8時至31日8時模擬出3個強(qiáng)降水中心，位置與范圍與實(shí)際情況基本一致。

（3）根據(jù)WRF模式模擬結(jié)果，分析850 hPa水汽通量和水汽通量散度垂直剖面，可見有兩個水汽來源，一個是強(qiáng)盛的西南急流由孟加拉灣帶來的水汽，沿著西南急流有明顯的水汽通量大值區(qū)，第二個是東北和偏北風(fēng)由渤海和山東省北部沿海帶來水汽，后者主要影響魯西北東部的降水。西南急流左側(cè)有切變和低渦，強(qiáng)的低層輻合配合較大的水汽通量，存在強(qiáng)烈的水汽輻合，大量水汽持續(xù)輻合上升，為此次大暴雨提供了充足的水汽。

5 討論

（1）此次過程是山東省汛期比較典型的強(qiáng)降水天氣，高低空系統(tǒng)配置和不穩(wěn)定條件非常有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)展。因此對此次過程的分析和模擬有代表意義。

（2）WRF模式高時空分辨率的模擬能結(jié)果彌補(bǔ)常規(guī)觀測資料和再分析資料時空分辨率方面的限制，有助于更好地分析和理解此次強(qiáng)降水過程。

（3）分析WRF模式的下墊面資料，魯中南山地部分地區(qū)海拔高度要低于實(shí)際情況。提供更準(zhǔn)確的下墊面資料以提高模擬結(jié)果是接下來的研究方向[21]。