中尺度地形對湘西州強降水影響的研究

黃蘊璞 張金凱 劉二影 彭鈺媛

摘要 利用WRF-ARW 4.4版中尺度模式就2021年6月27日湘西自治州暴雨過程進行模擬研究，主要考察中尺度地形對暴雨范圍、落區(qū)和中心強度的影響。在敏感性試驗中，不改變大尺度環(huán)境的各要素場，將湘西州及緊鄰區(qū)域的海拔高度降至200 m。數(shù)值試驗的結果表明，中尺度地形的改變，使敏感性試驗區(qū)域的暴雨中心的位置和強度都發(fā)生了變化，中尺度地形是形成中尺度擾動的一種外力，在對局地的地形進行“消除”后，帶來中尺度擾動的外力也不再存在。

關鍵詞 短時強降水；中尺度地形；模式地形；數(shù)值模擬

中圖分類號：P458.1+21.1 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）07–0114-03

暴雨是在有利的大尺度環(huán)流背景下，由中小尺度系統(tǒng)直接造成的[1]。短時強降水作為中小尺度系統(tǒng)引起的強對流過程之一，過程中累積形成的較大降水在短時間內可形成暴雨，在大降水的過程中起主要作用的是某個或幾個時段內的短時強降水的積累，研究暴雨過程的重點就歸結到對短時強降水的分析[2-4]。而短時強降水生命史短暫且突發(fā)性明顯，天氣過程劇烈，破壞性強[5-6]。此次研究的湘西自治州是長江上游一個強降水中心，也是長江中下游強暴雨的先兆區(qū)。湘西自治州地區(qū)位于湖南省西部，特殊的地形條件與常年充沛的水汽，使得此地成為強對流天氣高發(fā)地區(qū)，配合特殊的地質土壤條件，強對流天氣的破壞力更大。

有關大尺度地形對天氣氣候的影響問題的探討已有很多，而有關中尺度地形對強降水的影響方面的研究還較為鮮有[7-9]。短時強降水過程的時空尺度較小，其時空分布準確程度，除了受高分辨率資料的影響，還受地形因素影響。此次研究重點探討湘西州復雜地形環(huán)境對強降水時空分布的影響，以期為今后的深入研究提供一定依據(jù)。

1 2021年6月27日的天氣背景及降水實況

分析2021年6月27—28日高空形勢場，我國中高緯大部分地區(qū)處在偏北氣流控制，偏北氣流中有波動的下滑槽南下影響；東北一帶為穩(wěn)定的低渦系統(tǒng)影響。中低緯度地區(qū)，受副熱帶高壓擺動影響。6月27—28日白天湘西處在副高邊緣波動氣流中，西北地區(qū)有下滑短波槽沿著偏北氣流南下，副高東退至海上，兩廣一帶中低層西南暖濕氣流加強，并輸送水汽與熱量，中低層切變線維持在湘中偏北一帶，位相重疊度高，在地面輻合線的觸發(fā)下，降雨天氣持續(xù)，6月28日夜間輻合切變南壓，降雨短暫減弱（圖1）。

6月27日08：00～28日08：00，湘西州中北部普降大雨到暴雨（暴雨74站），部分大暴雨（23站），南部小到中雨，局地大雨（圖2）。全州平均雨量為46.2 mm，其中古丈縣5站大暴雨，12站暴雨，最大雨量為高峰193.3 mm；花垣縣8站大暴雨，21站暴雨，最大雨量為廣車水庫154.2 mm；永順縣6站大暴雨，14站暴雨，最大雨量為青坪146.5 mm；吉首市2站大暴雨，5站暴雨，最大雨量為結聯(lián)村151.9 mm；保靖縣2站大暴雨，17站暴雨，最大雨量為比耳122.8 mm；龍山縣5站暴雨，最大雨量為三元82.4 mm；鳳凰縣最大雨量為禾庫25.1 mm；瀘溪縣最大雨量為武溪24.3 mm。

2 資料與數(shù)值模擬方案

中尺度數(shù)值模式選用WRF - ARW4.4版，分別采用Single-Moment 6-class微物理方案、Dudhia短波輻散方案、RRTM長波輻散方案、YSU邊界層方案和Kain - Fritsch積云對流方案（第二層嵌套關閉積云參數(shù)化方案）[10-11]。初始場為NCEP每6 h資料，積分時間為2021年6月26日20：00（北京時間，下同）至28日08：00。模擬區(qū)域設置如圖3所示，采用兩重嵌套方案，兩層格點數(shù)分別為106×96/106×106，分辨率分別為30、10 km ，模式垂直方向設為45層。

在不改變各要素場和模式地形的前提下，對2021年6月27日的暴雨過程進行模擬。通過設計2組試驗，即控制試驗和敏感性試驗進行對比分析，控制試驗采用美國地質測量局（USGS）提供的2'（4 km）地形高度數(shù)據(jù)，輸出圖4所示模式地形等高線圖，同時不改變大尺度環(huán)境的各要素場，將湘西州及緊鄰區(qū)域的海拔高度降至200 m，得到敏感試驗模式地形等高線圖，此次敏感性模擬試驗改變的地形區(qū)域東西方向和南北方向均不超過2個經(jīng)緯度，為中尺度山地丘陵，即圖5所示。通過比分析D02區(qū)域2021年6月27—28日的暴雨天氣過程的模擬結果，探討特殊地形對降水的增幅作用及其對暴雨云團動力過程的影響。

3 數(shù)值模擬試驗結果

圖6和圖7分別為控制試驗模擬與敏感性試驗結果輸出的2021年6月28日08：00的降水量圖。從圖中可以看出：

（1）除湘西州地區(qū)以外，未進行地形敏感性試驗的地區(qū)的降水與控制試驗輸出的降水結果基本一致，暴雨中心的位置及強度有一定偏差，但差別不大，因為此次敏感性試驗只針對地形，并未改變大尺度環(huán)境場和氣壓、溫度、濕度、風等要素場。

（2）地形改變后，消除了湘西州中部地區(qū)原有地形對天氣系統(tǒng)的阻滯作用。系統(tǒng)東移南壓時，受原本地形影響，在湘西州中部地區(qū)，風速易堆積輻合，導致回波的維持與發(fā)展，造成局地的高效率降水。在敏感性試驗中，湘西州區(qū)域變得較為平坦，系統(tǒng)自西北向東南移動的阻力被消除，造成各降水區(qū)域形狀的改變，區(qū)域范圍各有一定的變化，同時西南暖濕氣流的輸送也到達了更北邊的區(qū)域，造成了北部地區(qū)暴雨中心強度增大[12]。

4 結論與分析

湘西州的地形以山地丘陵為主，在順東移南壓低值系統(tǒng)帶來的降水中，會使運動中的系統(tǒng)和要素停滯發(fā)展，形成局地的強降水；同時也對西南暖濕氣流造成一定攔截作用。當模式地形改變后，區(qū)域以外的南部降水減弱，北部降水范圍擴大、降水區(qū)域東漂、中心強度加強，說明降水系統(tǒng)東移加快，各要素隨之移動堆積。數(shù)值試驗的結果表明，局地中尺度地形的改變，使敏感性試驗區(qū)域的暴雨中心的位置和強度都發(fā)生了變化。中尺度地形是形成中尺度擾動的一種外力，在對局地的地形進行“消除”后，帶來中尺度擾動的外力也不再存在。

參考文獻

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Investigation of Extreme Flash-Rain Events in Xiangxi on the Impact of Meso-Scale Terrain

Huang Yun-pu et al（Jishou Meteorological Bureau of Hunan Province， Jishou， Hunan 416000）

Abstract The numerical modeling was conducted in this paper on investigation of the effects of meso-scale terrain on precipitation of torrential rain in Xiangxi of Hunan Province on June 27， 2021 by means of WRF-ARW （ver4.4）. The elevation of Xiangxi was cut down to round about 200 m above sea level intentionally in the model topography.The outcomes of the numerical experiment revealed the fact that the topographical change of model results in the variation of the range and intensity of the meso-scale heavy-rain center. Meso-scale terrain is a kind of external force which forms meso-scale disturbance， after“Erasing”the local terrain， the external forces are no longer exist.

Key words Short-term Heavy Precipitation; Meso-Scale Terrain; Model Terrain; Numerical Modeling