基于WRF模式模擬研究天山山脈地形對降水過程的影響

謝夢瑗,趙德龍,成 鵬

(烏魯木齊市氣象局,烏魯木齊 830039)

天山山脈作為新疆的南北分界線,由于復雜的地形地貌特征及其橫跨新疆全境的龐大山系,導致不同區域降水強度和落區有明顯差異[1]。選取伊犁河谷地區2016年7月一次夏季極端降水過程為研究對象,分別設計控制試驗和平滑削減天山山脈海拔高度的對照試驗,即地形敏感性試驗,基于WRF模式模擬不同地形條件下的降水天氣過程,對比分析天山山脈地形對伊犁河谷地區降水的影響,從天氣學角度分析產生結果的原因。

1 降水過程

新疆屬于典型的干旱半干旱地區,與我國東部地區的氣候差異很大,最顯著的特點是降水稀少,因此《新疆氣象手冊》中規定的新疆降水量等級標準與中國氣象局制定的降水量等級標準存在明顯差異[2]。新疆降水量等級標準(24 h標準)如表1、表2所示。

表1 新疆降水量等級24 h標準:降雨

表2 新疆降水量等級24 h標準:降雪

根據新疆現行降水量等級標準,將選取的夏季極端降水天氣過程概述如下:

受中亞低槽緩慢東移的影響,2016年7月31日08時—8月2日08時,新疆地區出現了一次大范圍的降水天氣。由于南北兩支低槽相互結合,高空偏西急流、中層偏南急流及850 hPa高度上偏東風的相互配合,為此次降水天氣提供了較好的水汽條件,其中伊犁地區多站出現大暴雨,降水量位居歷史首位,伊犁河谷、博州、塔城、阿克蘇及克州等地的局部295站降水量超過24.0 mm,113站出現48.0 mm以上的大暴雨, 伊犁河谷有2站出現96.0 mm以上的特大暴雨。查閱資料得知,此次連續性降水持續了近27 h。

2 模式試驗方案設計

如表3,設置以下兩個試驗:控制試驗(Summer):選取2016年7月31日—8月1日伊犁河谷地區一次極端降水過程,在不改變地形高度的條件下,利用WRF模式對該天氣過程進行模擬,作為控制試驗。地形敏感性試驗(Modify_Summer):選取同一次降水過程,將天山山脈地形高度平滑降低至1000 m以下,再次對天氣過程進行模擬。

表3 WRF模式試驗方案設計

在WRF模式模擬試驗中,選取的具體物理參數化方案如表4所示。

表4 WRF選取的物理參數化方案

3 試驗結果及分析

3.1 降水情況分析

如圖1,由2016年7月31日20時—8月1日20時伊犁河谷地區間隔3 h累積降水量分布模擬圖可以看出,此次降水過程具有降水量大、持續時間長的特點,其中最大降水中心位于河谷南部山脈,24 h累積降水達到98 mm以上,北側山脈最大降水量96 mm左右,河谷平原大部區域降水30 mm左右。模擬與實況較為符合。

圖1 7月31日20時—8月1日20時間隔3 h累積降水量分布模擬圖Fig.1 Simulation diagram of cumulative precipitation distribution at a time interval of 3 hours from 20:00 on July 31 to 20:00 on August 1

如圖2,削減地形后,伊犁河谷及附近山區降水量明顯減少,甚至出現降水消失現象,降水范圍較削減之前減小很多,但在南疆的西南方位大部地區出現18 mm左右的降水。

注:原始地形(左),削減地形(中),二者之差(右)

3.2 地面形勢場、溫度場分析

如圖3,削減地形后,由于海拔高度平滑降低,使得原來山地地區能夠吸收更多來自地面的長波輻射,導致河谷及附近山地地表溫度明顯升高。31日和1日20時,河谷附近山地顯著升溫,最大增幅達16 ℃,南疆大部區域溫度略降。

圖3 31日20時(左)和1日20時(右)地形修改前后地表氣溫之差Fig.3 Difference of surface air temperature before and after terrain modification at 20:00 on 31 (left) and 20:00 on 1 (right)

3.3 低空形勢場、水汽條件分析

如圖4,原始地形下,31日20時,河谷內850 hPa上存在8 m/s左右的西風氣流,南疆中部地區存在一細長的南北向急流帶。河谷大部區域氣溫18 ℃左右,比濕13 g/kg左右,南部山脈溫度較河谷內偏高,在30 ℃左右,濕度較低,在8 g/kg左右。

注:原始地形(左),削減地形(中),二者之差(右)

削減地形后,850 hPa上南疆降水增加區域有弱的氣流輻合現象出現,河谷及附近大部區域西風消失,北風加強,南疆中部地區急流強度減弱,范圍變寬。河谷及附近山地溫度均降低,比濕略增,南疆大部區域降溫明顯,最大降溫幅度12 ℃左右,濕度明顯增加,最大增幅達5 g/kg以上,為南疆降水增加提供良好的水汽條件。

如圖5,原始地形下,31日20時,河谷內700 hPa上依舊為西風控制,風速較850 hPa偏小,河谷西北方位存在切變線,南部山脈南側有小范圍的風速大于12 m/s的南風,東疆地區存在東風急流,有利于東部水汽輸送。河谷內溫度在28 ℃左右,濕度較850 hPa偏低。

注:原始地形(左),削減地形(中),二者之差(右)

削減地形后,西風消失,轉變為偏北風,西北方向切變線消失,南疆原大風速帶處出現一個低槽擾動。河谷內冷空氣范圍擴大,水汽大值區范圍擴大,南疆降溫增濕更明顯。

1日20時在地形修改前后,850 hPa、700 hPa上風向風速的變化與溫度場及濕度場的變化都和前一日變化趨勢相似。

3.4 高空形勢場、冷暖平流分析

如圖6,原始地形下,500 hPa高度上河谷位于槽前,河谷上空存在18 m/s以上偏南氣流,北部有風速超過20 m/s大風速帶,河谷上空存在弱冷平流。

注:原始地形(左),削減地形(中),二者之差(右)

削減地形后,影響河谷地區的低槽強度略減,大風速中心向北移動,河谷地區基本位于槽線附近。地形對冷平流強度影響不大,但冷空氣范圍略增。

如圖7,原始地形下,前一日影響河谷地區的低槽已東移并開始減弱,河谷上空轉變為西風控制。地形改變對槽脊的位置和強度影響不大,冷暖平流較前一日變化不大,但南疆降水增加區域出現弱的氣流輻散現象。削減地形高度后降水增加區域低層出現氣流輻合現象,高層氣流出現弱的輻散現象,有利于該區域垂直上升運動的發生發展,從而產生少量降水。

注:原始地形(左),削減地形(中),二者之差(右)

如圖8,削減地形高度后,河谷及附近區域高空急流強度增大,位置變化不大,降水增加區所在位置的氣流輻散更為明顯。

圖8 31日20時(左)和1日20時(右)200 hPa風場地形修改前后之差Fig.8 Difference before and after modification of the 200 hPa wind field at 20:00 (left) on 31 and 20:00 (right) on 1

此次降水前期,新疆西北部的長波槽脊系統移動緩慢,為伊犁河谷地區的降水提供了大的環流背景。伊犁河谷中低層在切變線、低槽的影響下氣流輻合,高層在急流的影響下氣流輻散,高低空的共同作用為河谷內的降水提供了良好的動力條件,有利于垂直上升運動的發展和維持。南疆翻山的偏南風、新疆東部的東風急流及河谷西部的偏西風使得水汽和氣流在河谷地區匯聚,河谷地區中低層存在明顯的飽和濕區,為降水提供了良好的水汽條件,結合大地形的動力抬升作用,更有利于該地降水的發生發展。

在削減地形高度之后發現,伊犁河谷及附近山區的降水量明顯減少,甚至出現降水消失現象,降水范圍較削減地形之前減小很多,但在南疆西南方位大部地區出現了少量降水[3],分析原因可能是:地形的削減使得中低層風向、風速發生了很大變化,地形的阻擋和繞流作用對氣流幾乎沒有影響,增加的較強偏北風將原來可以積聚在河谷內部的水汽向南大量輸送,使得河谷地區水汽減少,水汽條件變差,缺少了地形的抬升作用,且中低層氣流輻合,高層氣流輻散被破壞,垂直運動難以發展,最終導致降水明顯減少[4]。而南疆西南方位由于水汽含量增多,低層風速出現弱的輻合現象,各種因素的共同作用導致該區域出現少量降水[5]。

4 結論

天山山脈地形通過對氣流的阻擋、繞流等作用影響伊犁河谷地區的降水過程。地形的動力作用能夠改變伊犁河谷及其附近區域中低層的風向和風速,尤其在低層表現得更為明顯,兩組地形敏感性試驗都體現出了地形的阻擋和繞流作用。在削減地形后,河谷附近區域700 hPa和850 hPa上經向風明顯增大,南疆水汽增多,南疆降水增加的區域在低空出現了弱的氣流輻合現象。新疆西部天山山脈特殊的地形使得水汽在山脈迎風坡一側堆積,阻礙降水落區向東擴展。伊犁河谷地區三面環山且向西開口的“喇叭口”地形能夠阻擋西風氣流,使得西風氣流攜帶的少量水汽在河谷平原積聚,為降水在河谷內的產生提供了良好的水汽條件。此外,大地形對水汽的抬升作用為降水在河谷內的產生提供了良好的動力抬升條件,有利于河谷地區降水天氣的發生發展。天山山脈的海拔高度會影響地表及中高層的氣溫,進而改變各層溫壓場配置,影響氣塊垂直運動,通過熱力作用影響降水過程。試驗結果表明,地形高度與其附近區域中高層氣溫呈正相關,表現為海拔高度降低,中高層氣溫略微下降。海拔高度的改變會對高低空急流的位置、強度產生影響,使各層氣流的輻合輻散及垂直運動發生改變,通過影響不穩定能量的釋放影響降水的形成。

大地形可通過阻擋、繞流等動力作用影響山脈附近的風速、風向及高低空急流的強度和位置,改變大范圍的水汽輸送情況,不同的海拔高度會對各層氣溫產生不同的影響,修改地形會影響各層溫壓場的配置,進而影響整個降水過程。