山東地區一次典型強降水過程的診斷分析與數值模擬

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害天氣之一[1]，關系到國家安全、社會穩定和經濟的可持續發展。暴雨預報也是中國乃至全球天氣業務的重點之一[2]。近些年中尺度數值模式在暴雨預報預警中得到廣泛的應用。如針對2012年7月21日發生在北京地區的特大暴雨，研究人員利用數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，地形分為內陸和半島兩部分，內陸部分中部突起，為魯中南山地丘陵區，是全省地勢最高、山地面積最廣的地區。魯中南山脈地形對暴雨的強度和落區有較大影響，對不同強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生[11]。山東省受大陸和海洋性氣候共同影響，季風氣候特點顯著，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個觀測站的降水數據，得到7—8月暴雨發生最多，占全部暴雨日數的65%。強降水時段有明顯的日變化特征，大部分暴雨過程強降水時段出現在21時至次日9時，夜間出現暴雨的頻次比白天大52%，有明顯的夜間增強特點。李瑞等[13]的研究表明，1961—2012年山東省汛期平均暴雨日數和暴雨強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]，為山東暴雨預報提供了較好的技術支持。筆者在此基礎上，以2015年7月29—31日山東地區一次典型強降水過程為例，利用常規觀測資料和WRF模式進行診斷分析和數值模擬，并對模擬結果進行檢驗和分析，以期發現WRF模式對山東省此類過程在數值模擬方面存在的不足，為今后此類暴雨的數值模擬及預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 降水實況與天氣形勢

1.1 降水實況

此次強降水過程于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）主要發生在魯西北地區，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）強降水中心移至魯中南地區，平陰、魚臺、金鄉、郡城和平邑五站的24 h降水分別為149、126、116、114、112 mm，且降水范圍和強度都明顯增大。此次降水以短時強降水為主，強降水時段分別為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特點一致。

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降水（30日2—8時）發生前后，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，槽前西南風增強，偏南分量增大。700 hPa低渦由內蒙古中東部分裂東移至遼寧中部，相應低渦切變移至沈陽到濟南一線。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降水（31日2—8時）發生前后，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。中低層切變移至濟南到南陽一線。850 hPa切變線南側有強盛的西南急流。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生非常有利。

1.3 不穩定條件

根據濟南站探空曲線（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(SI)為-1.6℃，風向由低層到高層順轉，有暖平流，對流不穩定層結發展。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(KI)達到43℃，沙氏指數(SI)為-4.07℃，氣層處于強烈的不穩定狀態中。30日20時，濕層繼續變深厚向上伸展至500 hPa以上，由于降水的發生，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轉為正值，對流穩定，降水結束。從垂直風切變來看（表1），30日08時和20時，0～2 km和0～6 km有強烈的垂直風切變，非常有利于強對流天氣的發展。

2 模擬方案及結果

2.1 模擬方案

本次數值模擬采用模式WRF3.7模式，選取非靜力平衡動力框架，3層網格嵌套，模擬區域如圖3a所示。第一層覆蓋東亞大部分地區，以36°N，118°E為中心，東西方向181個格點，南北方向151個格點，區域水平分辨率為27 km。第二層嵌套東西方向151個格點，南北方向151個格點，區域水平分別率為9 km。第三層嵌套東西方向241個格點，南北方向223個格點，區域水平分別率為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）土地利用數據，采用IGBP分類標準，由亞利桑那大學的Patrick和Zeng[19]基于2001至2010年間的MODIS數據分析處理得到。圖3b為D03層嵌套土地利用類型，山東省以農田為主，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分布情況與實際情況相符，魯中南山地海拔高度低于實際情況。

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

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

2.2 模擬結果

利用2015年7月29日20時至31日8時中央臺發布的500、700、850 hPa觀測場與模擬結果對比，可以看出除副熱帶高壓模擬偏強，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時觀測降水主要發生在魯西北，落區呈東北西南帶狀分布，暴雨大暴雨落區位于魯西北東部。模擬降水落區呈東西帶狀分布，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時降水范圍和強度都明顯增大，強降水區主要位于魯中、魯南地區，另外魯西北和半島也有暴雨站點。WRF模式模擬出三個強降水中心，位置與實際情況基本一致，主要強降水中心位于魯中、魯南地區。大暴雨的范圍大于觀測結果。但由于本文24 h降水采用的是MICAPS常規觀測資料，并將站點資料插值模式格點上，可能使得觀測的暴雨區偏小。

表2 參數化方案的選擇

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，高時空分辨率的模擬結果能彌補觀測資料和再分析資料時空分辨率方面的限制，結合物理量的診斷分析，能夠更好地分析此次降水的機理和原因。

3 水汽條件分析

暴雨的產生需要有充足的水汽供應及水汽匯集[20]。此次在7月30日20時（圖5a）降水較強的時段850 hPa可以看到山東省內有一條明顯的西南東北走向的水汽通量大值區，最大在30 g/(cm·hPa·s)以上。西南急流較強，向東北伸至半島西部，最大風速可達20 m/s。在魯中南地區西南急流左側有較強的西北風，形成明顯的切變線。魯西北東部有來自渤海的東北風和來自河北的偏北和西北風，與西南急流形成低渦環流，強的低層輻合配合較大的水汽通量，帶來短時強降水。31日2時（圖5b）水汽通量大值區略微北推，整體上呈減弱趨勢，魯中南西側及半島南側仍有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、西南急流出口區是此時段降水較強的區域。根據水汽通量的走向及風速的強度，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，沿海地區部分水汽來源于渤海。由圖6可以看出，在30日20時降水強盛階段，平邑站(117.61°E，35.46°N)附近，700 hPa以下水汽通量散度都呈現負值區，存在大量的水汽輻合，最大值達-14 g/(cm2·hPa·s)，充足的水汽強烈的輻合上升，是此次大暴雨產生的必要條件。到31日2時，只在850 hPa到700 hPa之間有弱輻合，平邑附近的強降水結束。

4 結論

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)的經向垂直剖面圖[單位：g/(cm2·hPa·s)]

（1）2015年7月29—31日山東省發生了大范圍強降水過程，根據天氣學分析，此次過程是由東移的西風槽和低層的切變、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流背景下，副熱帶高壓東退，西風槽緩慢東移并加深，西南急流增強，中低層低渦和切變發展加強。系統的位置及移動路徑與降雨區的位置及移動非常一致。

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

（3）根據WRF模式模擬結果，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，第二個是東北和偏北風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。西南急流左側有切變和低渦，強的低層輻合配合較大的水汽通量，存在強烈的水汽輻合，大量水汽持續輻合上升，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降水天氣，高低空系統配置和不穩定條件非常有利于強對流天氣的發展。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果彌補常規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海拔高度要低于實際情況。提供更準確的下墊面資料以提高模擬結果是接下來的研究方向[21]。