安徽一次暴雨过程的数值模拟与诊断分析

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摘要 利用1°×1°的GFS分析场数据和中尺度数值模式WRF，对2014年5月31日～6月1日发生在安徽阜阳的一次暴雨天气过程进行数值模拟和诊断分析。结果表明，WRF模式能够近似地模拟此次降雨过程；高低空急流耦合是此次暴雨过程发生和维持的主要影响机制；暴雨中心上空垂直螺旋度呈现高层负、低层正的分布，这也是触发暴雨的重要机制；降水开始前，大气呈现上湿下干的湿度分布，这种大气层结很不稳定，易导致降雨的发生。

关键词 暴雨；数值模拟；环流形势；物理量

中图分类号 S165 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）28-179-04

Abstract Based on the 1°×1°analysis field data from GFS （Global Forecasting System），with a mesoscale numerical model WRF （Weather Research and Forecasting model），a torrential rain occurred in Anhui Province from 31 May to 1 June ，2014 was simulated and diagnostically analyzed.The results showed that WRF model has a good forecasting ability in a rainfall process； the coupling of the lowlevel and upperlevel jet was the main dynamical mechanism of the outbreaking of this torrential rain process； the vertical helicity at the upper levels was negative while at the lower levels，it was positive； the atmosphere humidity at the upper levels was damp while at the lower levels it was dry before precipitation.

Key words Heavy rainfall； Numerical simulation； Circulation situation；Physical quantity

暴雨是我国夏季常见的灾害性天气之一，其降水量大、降水集中，具有较强的突发性，暴雨的预报也是气象业务中最具挑战性的任务之一[1]。很多研究表明，暴雨的发生与对流参数密切相关[2-4]。随着中尺度数值模式的广泛应用，基于模式产品能够对物理量进行更细致的诊断分析[5-9]，从而为揭示暴雨的发生发展提供详尽的资料。如李耀辉等[5]

利用中尺度有限区域模式MM4对一次江淮梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟，用模式输出的细网格动力协调资料，分析了此次暴雨演变，结果表明，螺旋度的变化对暴雨发生有一定的指示意义；汤继涛等[6]对2011年6月17～18日发生在江苏南部的一次大暴雨天气过程进行了数值模拟和诊断分析，着重分析了大暴雨天气对交通的影响。2014年5月31日～6月1日安徽、江苏等地区出现了强降水过程，部分地区达到大暴雨级别。笔者利用1°×1°的GFS分析场数据

和中尺度数值模式WRF，对此次降水过程的水汽条件、动力及热力条件等相关物理量进行诊断，揭示暴雨发生发展的物理机制，以期为今后此类暴雨的预报提供参考。

1 资料与方法

模拟采用中尺度数值模式WRF（V3.5.1），两重嵌套方式，第1层网格水平分辨率为30 km，格点数为97×100，中心点为38.45°N、114°E，时间积分步长为60 s，地图投影方式选取为兰勃脱投影。积分时次为2014年5月31日8：00～6月2日8：00，积分总时间为48 h；第2层网格水平分辨率为10 km，格点数为91×82，时间积分步长为60 s，两层网格均为每1 h输出1次结果。初始场使用分辨率为1°×1°、时间间隔6 h的GFS（Global Forecast System）气象分析场资料。此次模拟所选取的物理参数化方案参见表1。

2 结果与分析

2.1 天气实况与模拟 2014年5月31日～6月1日，受南下的冷空气及副高北侧的西南气流影响，沿低层切变线出现了暴雨天气。5月31日，淮河上游以及合肥以北大部、大别山区降大到暴雨，其中阜阳市部分地区降大暴雨。整个安徽省共有26个县区146个站点降雨超过50 mm；6个县区13个站点超过100 mm；降雨量最大的3个站分别为阜南县阜南站161 mm、颍上县陶坝子站119 mm、临泉县艾亭站119 mm。6月1日2：00为阜南县每小时降雨量最大时刻。6月1日，安徽省有26个县区162个站点降雨量超过50 mm，其中降水量最大的为怀宁县高河埠站，降水量为104 mm。

24 h模拟雨量图显示（图1a），在安徽省北部有一条东西向雨带，这与实况（图1b）基本一致，安徽省内主要降水中心模拟得出的位置也与实况非常接近，降水量>100 mm的范围模拟与实况一致，主要降水中心阜南县、颍上县与临泉县的模拟降水量与实际降水量基本一致。但24 h降水量>50 mm区域模拟位置偏北，江苏境内降雨中心未能很好地模拟出来。

2.2 环流形势分析

2.2.1 500 hPa。5月31日～6月1日500 hPa高空为两槽一脊形势，一槽位于鄂霍次克海，另一槽位于巴尔喀什湖，呈东北—西南走向，一脊位于大兴安岭地区；在叶尼塞河流域有闭合的低压系统，6月1日8：00一闭合低压在贝加尔湖东南部开始形成，并逐渐向东南移动，到2日8：00已移至渤海海域，这一低压带动西伯利亚的冷空气南下扩散。江淮地区有槽加深发展，西南气流加强。副高西界基本维持在24°N左右，脊线维持在20°N，与同期相比偏北，强度偏大。

2.2.2 700 hPa。700 hPa的影响系统是从四川地区移来的低压槽，5月31日14：00，低槽在四川横断山脉附近开始形成，6月1日14：00该槽移至长江中下游平原地区，并发展成低涡，强度加深，气旋性环流明显，低涡前部的西南风速增大；5月31日20：00沿郑州—上海一线有切变线，到1日20：00，发展成沿黄海—江淮流域的东北—西南走向。

2.2.3 850 hPa。与700 hPa环流形势基本类似，6月1日8：00 850 hPa有一闭合冷涡位于华北平原地区，有利于暖湿气流辐合上升，四川中部有气旋式环流；后续发展中冷涡逐渐向东南移动，低空风速减小。从WRF模式模拟的6月1日8：00 850 hPa高度场与实况（图2）可以看出，模式基本上模拟出了造成暴雨的气旋系统，且前12 h的模拟结果也与实况非常相似。

2.3 物理量诊断分析

2.3.1 水汽条件。从暴雨发生前1 h的水汽通量散度场（图3）可以看出，阜南地区水汽通量散度<0，部分地区达-10×10-5 g/（cm2·hPa·s），说明此地水汽强烈辐合，且850 hPa相对湿度分布显示，整个安徽地区湿度超过90%，充沛的水汽和辐合上升运动为降雨提供了必要的水汽条件。

从图4b可以看出，6月1日2：00在阜南县的西北侧有强烈的辐合区，曲率较大，流线比较密集，这一正切变涡度区加速了降水区的辐合上升运动，并促进了不稳定能量的释放，使得来自西南方的暖湿空气输送至阜南县上空，当暖湿空气与上方的干冷空气汇合时就产生了降水。此外，在有利的大气环流背景下，高空急流的加强和动量的向下传播能够进一步促进低空急流的建立和维持[10-11]。从200 hPa流场以及高空急流（图4a）可以看出，降水过程中，阜南县南北两侧风速一直较大，高空急流位置变化不明显；降水开始前，低空急流风速不大，范围较小，主要位于江苏北部，呈西北—东南走向，随着降水的发展，急流范围开始扩大，风速加大。

2.3.2 动力条件。从图5可以看出，6月1日2：00从对流层底部到300 hPa均为强上升速度区，31日21：00垂直螺旋度呈上负下正的分布，随着时间的发展，螺旋度负值中心数值不断减小，正值中心不断增大，直到6月1日2：00，低层正螺旋度迅速增大，700 hPa达210×10-6 m/s2，高层负螺旋度数值迅速减小，阜南县产生强烈的辐合上升运动。2：00之后，正值中心位置下降至850 hPa，同时数值开始减小，降水减弱。由此可知，高层负、低层正这种垂直螺旋度配置及变化能反映暴雨演变过程，垂直螺旋度作为涡度和垂直运动的耦合，是此次暴雨重要的动力触发机制。

2.3.3 热力作用。从图6可以看出，降雨发生前对流层中层800 hPa θse的值较低，达318 K，而对流层低层的值相对较高，综合相对湿度图可以看出，降雨前中低层为干空气。到31日23：00，850～600 hPa θse随高度逐渐减小，说明在此高度内层结不稳定，且湿度层较为深厚。随着降水的进行，θse值有所增加，直到6月1日9：00，虽然层结仍不稳定，但湿度层并不深厚，800 hPa以上均为干空气，降水逐渐停止。由此可见，在降水发生之前，中低层有相对稳定的干空气，而高层为湿度较大的空气，这种结构造成大气层结的不稳定，随着对流不稳定能量的释放，垂直运动得到加强，导致降水的发生。

3 小结

利用1°×1°的GFS分析场数据和中尺度数值模式WRF，从降水情况、环流形势和物理量方面对2014年5月31日～6月1日发生在安徽北部的一次暴雨过程进行数值模拟，得出以下结论：

（1）此次暴雨过程500 hPa存在两槽一脊的环流形势，中高纬度环流形势比较稳定，为降水提供持续的冷空气来源，同时低空急流将来自海洋的暖湿空气输送到长江流域，冷暖空气在此交汇，这种天气形势对降雨的发生十分有利。

（2）高低空急流一直伴随着此次降水过程的产生和维持，它们的耦合作用形成了高空辐散、低空辐合的流场配置，有利于上升运动的产生和发展。因此，高低空急流的耦合是此次强降水过程发生和维持的主要动力机制。

（3）暴雨中心上空垂直螺旋度呈现高层负、低层正的分布，这也是触发暴雨的重要机制。

（4）降水开始前，大气呈现上湿下干的湿度分布，这种大气层结很不稳定，易导致降雨的发生。

参考文献

[1]陶诗言，丁一汇，周晓平.暴雨和强对流天气的研究[J].大气科学，1979（3）：227-238.

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[6]汤继涛，袁成松，包云轩，等.一次苏南大暴雨过程数值模拟及其对交通能见度的影响[J].气象科学，2014（3）：275-281.

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