（气象学专业论文）一次珠三角暖区强降水过程的诊断分析和模拟研究.pdf

一次珠三角暖区强降水过程的诊断分析和模拟研究 专业：气象学 硕士生：叶爱芬 指导老师：李江南 摘要 华南的前汛期暴雨过程持续时间长且分布极不均匀。对2 0 0 8 年前汛期广东省最强 的“2 0 0 8 6 1 3 珠三角暖区强降水的中小尺度系统和动力热力机制进行研究，将有助于 对华南前汛期暖区暴雨的认识和预报能力的提高。这次过程中广州出现了大暴雨，以广 州为中心的珠三角人口密集，由于人类生产、生活向大气排放大量的热量( 称为人为热) ， 目前针对人为热对降水影响的研究较少，以这一过程为例开展人为热对降水影响的研究 具有开创性的意义。 针对上面的研究目的，首先利用广东中尺度自动站3 年资料对广东省及广州市降水 的空间分布进行统计。然后利用常规观测资料和多普勒雷达资料分析了此次珠三角暖区 强降水产生的天气背景和强降水期间强回波的移动特性。下一步利用w r f v 2 2 中尺度模 式对强降水过程进行模拟，揭示强降水的动力和热力机制，重点对强降水过程中等压面 湿位涡的演变进行分析。最后通过修正w r f v 2 2 模式中的p b l 模块，在广州地区加入 人为热，进行人为热对降水影响的模拟试验。通过上面工作得出以下结论： ( 1 ) “2 0 0 8 6 1 3 暖区强降水期间，珠三角低层处切变线南侧的偏南气流强风速辐 合区中，积累了大量的能量，同时5 0 0 h p a 西风槽东移，高层2 0 0 h p a 处南压高压前强辐 散场，低层辐合高层辐散的配置十分有利于强对流的发展和维持。在强降水的前期强回 波从珠江三角洲南部向东北方向移动，后期强回波自三角洲南部向东东北方向移动，强 回波连续影响珠三角。 ( 2 ) 对模式输出结果进行分析，由于7 0 0 h p a 以下辐合，在2 2 2 5 。n ，1 1 2 1 1 5 。e 长 时间维持高湿气柱。能量场表现为珠三角到南海上空长时间维持狭长的高能量带，不断 有高能量区沿着西南气流向珠三角地区挺进，使得珠三角地区长时问维持不稳定状态。 7 0 0 h p a 以上为辐散，强辐散在2 0 0 h p a 附近。当低层辐合与高层辐散相遇，产生大范围 的深厚的上升运动，并有补偿下沉运动相伴，形成垂直环流，使得强降水可以维持。当 上升区逐渐向东移动，强降水随之东移。 ( 3 ) 利用模式输出结果分析了等压面上湿位涡( m p v ) 、湿位涡的垂直分量 ( m v l ) 、湿位涡的水平分量( m p v 2 ) 。强降水期间，低层( 8 5 0 h p a ) 狭长的m p v 负 值区沿西南气流北上影响珠三角地区，m p v 负值区长时间控制珠三角地区；高层2 0 0 h p a m p v 正值区频繁沿西北气流南下，连续影响珠三角地区。当高空的m p v 正异常区遭遇 低空的负异常区时，激发不稳定能量的释放，产生强降水。在整个过程中m p v l 和m p v 2 有不同的演变趋势，可揭示强降水期间低层的斜压系统和对流不稳定的变化。 ( 4 ) 根据三年自动站资料统计表明广州地区雨量分布极不均匀，而广州市区在各 个季节都处于少雨带。针对此次过程，在广州地区加入人为热进行模拟试验，结果表明 几百公里范围内，从低层到高层的雨量和风场都发生变化。广州地区加入人为热前后的 雨量变化并不是一致的正值或负值，而是同时有正值区和负值区出现，绝对值最大达 3 0 m m ，变化了接近3 0 9 6 ，但在关键区内雨量变化的平均值为仅3 5 m m ，约为3 。在这一 次过程中，加入人为热以后，广州地区雨区的分布形态与实况更接近。 关键词：珠三角暖区强降水，w r f v 2 2 ，模拟诊断，人为热，模拟试验 s i m u l a t i o na n dd i a g n o s io fw a r m - z o n eh e a v yrainfalllmulatlona n du 1 an o s l saw a r e a v y a l n e v e n ta tp e a r lr i v e rd e l t a m a j o r ：m e t e o r 0 1 0 9 y n a m e ：y ea i f e n tt 5 u p e r v1s0 r ：l1 j1a n g n a n a b s t r a c t g e n e r a l l yh e a v yr a i n f a l le v e n t sd u r i n gt h ef i r s tr a i n ys e a s o n si ns o u t hc h i n a h a v ec h a r a c t e r i s t i c so f l o n gl a s t i n g a n du n e v e n d i s t r i b u t i o n s d e v e l o p i n g a n i n v e s t i g a t i o ni n t om e s o - - a n dm i c r o s c a l es y s t e m sa l o n gw i t hd y n a m i c a la n dt h e r m a l m e c h a n i c so ft h em o s tv i o l e n tr a i n f a l li nt h ef i r s tr a i n ys e a s o ni ng u a n g d o n gi n2 0 0 8 w i l lh e l pp r o m o t ec o g n i t i o n sa n dp r e d i c t i o na b i l i t yo nh e a v yr a i n f a l l si np r e - f l o o d s e a s o ni ns o u t h c h i n a d u d n g t h i s p r o c e s sh e a v y r a i n f a l l sa l s oo c c u r r e di n g u a n g z h o uw h i c hi nt h ec e n t r eo fp e a r lr i v e rd e l t ah a sad e n s ep o p u l a t i o na n d p r o d u c e sam a s so fa n t h r o p o g e n i ch e a t s ( t h eh e a t sg e n e r a t e di nt h ec o u r s eo fh u m a n l i f ea n d p r o d u c t i o n ) u pt o n o wt h e r ei sf e wr e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo f a n t h r o p o g e n i ch e a tu p o np r e c i p i t i o n h e r eb a s e do n ”2 0 0 8 6 13 ”h e a v yr a i ne v e n t u n f o l di n gr e s e a r c h e so nt h ei n f u e n c eo fa n t h r o p o g e n i ch e a tu p o np r e c i p i t i o ni sa g r o u n d b r e a k i n gw o r k a i m i n ga tt h eg o a l sw em e n t i o n e da b o v e ，f i r s t l yb a s e do nt h r e e y e a rd a t ao f a u t o m a t e ds u r f a c em e t e o r o l o g i c a ls t a t i o n s ，s t a t i s t i c a la n a l y s e so fs p a t i a ld i s t r i t u t i o n s o fp r e c i p i t i o ni ng u a n g z h o uw e r ec o n d u c t e d s e c o n d l yw e a t h e rc h a r a c t e r i s t i c sa n d m o v i n gr o u t e s o fr a d a re c h o e sd u r i n gt h i sp r o c e s sw e r ea n a l y z e dw i t hr o u t i n e o b s e r v a t i o nd a t aa n d d o p p l e rr a d a rd a t a t h i r d l yw e a t h e rr e s e a r c ha n d f o r e c a s t i n g ( w r f ) m o d e l i n gs y s t e mv e r s i o n2 2 ( w r f v 2 2 ) w a su s e dt o s i m u l a t e ”2 0 0 8 6 13 ”h e a v yr a i ne v e n tt oh e l pi n v e s t i g a t ei t sd y n a m i c a la n dt h e r m a l m e c h a n i c s t h ee v o l u t i o n so fm o i s tp o t e n t i a lv o r t i c i t y ( m p v ) a ti s o t o n i cs u r f a c ew e r e e m p h a t i c a l l yt r a c k e da n da n a l y z e d l a s t l yt h r o u g hm o d i f y i n gp l a n e t a r yb o u n d a r y l a y e r ( p b l ) m o d e li nw r f v 2 2a n da d d i n ga n t h r o p o g e n i c h e a ti ng u a n g z h o u ， s i m u l a t i o nt e s to ft h ei n f l u e n c eo fa n t h r o p o g e n i ch e a to np r e c i p i t i o nw a sc o n d u c t e d t h ec o n c l u s i o n ss t u d i e da r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) d u r i n g ”2 0 0 8 6 13 ”w a r m - z o n eh e a v yr a i ne v e n t ，i tw a sf o u n dt h a ta tl o w l e v e l sp e a r lr i v e rd e l t aw a sa tt h es o u t h e ms i d eo ft h ew i n ds h e a rl i n ew i t has o u t h w i n dv e l o c i t yc o n v e r g e n c es o am a s so fm o i s t u r e u n s t a b l e e n e r g i e s w e r e a c c u m u l a t e dt h e r e a tt h es a m et i m eg u a n g d o n gw a so nt h ef o r e e d g eo ft h es o u t h a s i ah i g hw i t hd i v e r g e n c ef i e l d si nt h eu p p e rl e v e l s oi tw a sf a v o r a b l et ot h e d e v e l o p m e n to fs e v e r ec o n v e c t i o n s s e v e r er a d a re c h o e sa f f e c t i n gp e a dr i v e rd e l t a f o ral o n gt i m em o v e df r o ms o u t h w e s tt on o r t h e a s ti nt h ee a l i e rs t a g eo fs e v e r e p r e c i p i t a t i o n w h i l em o v e df r o mw e s t - s o u t h w e s tt oe a s t - n o r t h e a s ti nt h el a t e rs t a g e ( 2 ) a n a l y s e sa c c o r d i n gt ot h eo u t p u t so f w r f v 2 2i n d i c a t e dc o n v e r g e n c ea t l o w l e v e l sl e a dt ot h em a i n t e n a n c e o f h i g h m o i s t u r e b e t w e e n 2 2 - 2 5 。n 。1 1 2 - 1 1 5 。e h i g h - e n e r g yz o n es u s t a i n e df 内mp e a r lr i v e rd e l t at os o u t h e r n s e a h i g h e n e r g ya i rm a s sm o v e dt o w a r dp e a dr i v e rd e l t ac o n s t a n t l ya l o n gw i t h s o u t h w e s ta i rc u r r e n t s w h e nl o w e r - l e v e lc o n v e r g e n c ew a sa c c o m p a n i e d w i t h u p p e r - l e v e ld i v e r g e n c e i tw o u l dl e a dt ou p w a r dm o v e m e n t sa n d s e v e r e p r e c i p i t i o n u p w a r d m o v e m e n tr e g i o n sm o v e de a s t w a r d a sw e l la sh e a v yr a i n f a l l s m o v e de a s t w a r d ( 3 ) m p v ( m o i s tp o t e n t i a lv o r t i c i t y ) a l o n gw i t hi t sh o r i z o n t a l ( m p v 2 ) a n dv e r t i c a l c o m p o n e n t s ( m p v l ) w e r ec o m p u t e db a s e d o nt h eo u t p u t so fw r f v 2 2 l o w e r - l e v e l l o n ga n dn a r r o wn e g a t i v ev a l u er e g i o no fm p vm o v e dt o w a r d p e a dr i v e rd e l t a a l o n gw i t hs o u t h w e s ta i rc u r r e n t s s on e g a t i v em p v e x i s t e da tp e a r lr i v e rd e l t af o ra l o n gt i m e u p p e r - l e v e lp o s i t i v em p vm o v e dt o w a r d p e a dr i v e rd e l t a a l o n gw i t h n o r t h w e s ta i rc u r r e n t sc o n s t a n t l y u n s t a b l ee n e r g i e sw a se x c i t e dw h e nu p p e r - l e v e l p o s i t i v em p vm e tw i t hl o w e r - l e v e ln e g a t i v em p v m p v la n dm p v 2h a dd i f f e r e n t c h a n g et r e n d si nt h ew h o l ep r o c e s s m p v 2i n d i c a t e dt h e r ew e r eo b v i o u sb a r o c l i n i c i v s y s t e m sa n dm p v li n d i c a t e d c o n v e c t i v ei n s t a b i l i t ya p p e a r e da tl o wl e v e l s ( 4 ) b a s d e do nt h r e e y e a rd a t ao fa u t o m a t e ds u r f a c em e t e o r o l o g i c a ls t a t i o n s s ，i t w a sf o u n dt h a td i s t r i b u t i o n so fp r e c i p i t a t i o nw a se x t r e m e l yu n e v e n i ng u a n g z h o u r a i n f a l lo fr a i n l e s sr e g i o nw a so n l yh a l fo fr a i nb e l t s d i s t r i b u t i o no fr a i n f a l lh a d s e a s o n a lv a r i a t i o n sb u tt h ec e n t e ro f g u a n g z h o u w a sr a i n l e s s i na l l s e a s o n s a n t h r o p o g e n i ch e a t sw e r ea d d e di ng u a n g z h o uf o rs i m u l a t i o nt e s t t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tr a i n f a l la n dw i n df i e l d sc h a n g e da f t e ra d d i n ga n t h r o p o g e n i c h e a t sf r o ml o wl e v e l st oh i g hl e v e l s i n s i d ea n do u t s i d eo ft h ek e yr e g i o n ( w h e r e a n t h r o p o g e n i ch e a t sw e r ea d d e d ) i nt h ek e yr e g i o nv a d a t i o n so fr a i n f a l l sw e r en o t t o t a l l yn e g a t i v eo rp o s i t i v eb u th a dn e g a t i v ev a l u ea sw e l la sp o s i t i v ev a l u ea n di t s a b s o l u t ev a l u er e a c h e d3 0 m m ( a b o u t3 0 ) t h ea v e r a g ev a r i a t i o n so fr a i n f a l l si nt h e k e yr e g i o nw e r eo n l y3 5 m m ( a b o u t3 ) k e y w o r d s ：a w a r m z o n e h e a v y r a i n f a l le v e n ta tp e a dr i v e rd e l t a ， w r f v 2 2 ，s i m u l a t i o na n dd i a g n o s i s ，a n t h r o p o g e n i ch e a t ，s i m u l a t i o nt e s t v 原创性及学位论文使用授权声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：叮连奋 日期：2009 年6 月4 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他 方法保存学位论文。 学位论文作者签名：1 叮嗉杏 日期：20 09 年6 月4 日 赫张象勿导师签名：乏少侈协 日期：20 09 年6 月4 日 1 1 研究的背景与意义 第一章引言 暴雨产生的洪涝是我国主要气象灾害之一，而华南暴雨由于持续时间长、强度强备 受气象学家的关注。如1 9 9 8 年在华南开展了“华南暴雨科学实验 项目，旨在通过中 尺度外场综合观测试验、天气动力学分析诊断与中尺度数值模拟相结合的技术途径，研 究华南前汛期暴雨和登陆台风暴雨的中尺度结构及其变化机制和规律，为提高暴雨短时 预报水平提供新的科学依据n 吨1 。除此之外，每年还有其它大量的研究工作针对华南暴雨 展开3 。虽然华南暴雨的预报能力得到一定提高，但每年前汛期的暴雨预报仍是很大的 挑战。 2 0 0 8 年龙舟水期间( 每年5 月2 1 日 - - 6 月2 0 日) ，广东省遭受了持续的强降水天 气过程，其中6 月1 2 同2 0 时1 4 日2 0 时迎来了龙舟水期间的降水峰值时段。1 2 日2 0 时 - - 1 3 日2 0 时广东省平均降水量接近9 0 m m ，8 4 个地面观测站中，有6 0 个2 4 小时降水 量超过5 0 m m ，2 5 个2 4 小时降水量超过l o o m m 。珠江三角洲地区4 8 小时最大降水量达到 4 9 0 m m 。对2 0 0 8 年前汛期最强的一场暖区降水进行研究是十分必要的。由于暴雨是不同 尺度天气系统相互作用的结果，暴雨的具体落区与中小尺度系统密切相关，通过数值模 拟对强降水过程的中小尺度系统进行再现，可以较好地揭示强降水的发生发展机制。 同时以广州为中心的珠江三角洲( 简称珠三角) 地区人口密集，经济飞速发展， 以工业为主的城市群特征日渐对局地天气气候产生影响。不仅土地覆盖的变化，生态环 境的改变影响天气气候，而且由于人类生产、生活向大气排放大量的热量( 称为人为热) ， 也增强了热岛效应，同时对天气、气候、空气质量造成影响。针对人为热对热岛效应、 边界层气温、空气质量的影响已有大量的研究工作，关于人为热对降水影响的研究则较 少，以这一过程为例子开展人为热对强降水影响的研究具有开创性的意义。 1 2 华南暴雨研究成果 近年来中尺度数值模拟广泛用于台风、暴雨中中尺度系统的模拟研究。房春华等璐叫5 1 先后利用u c a r p s u 的m m 5 、n c e p 的e t a 模式、中国科学院大气物理研究所的a r e m 模式 对暴雨进行模拟研究。盛春岩、张林等n 6 嗡1 对多普勒雷达资料、自动站资料在数值预报 l 模式中的应用和模式不同方案的对比试验做了大量的工作。 1 9 9 8 年的“华南暴雨科学试验 项目后提出了华南梅雨锋上中尺度对流系统三维结 构的概念模拟n 吲。夏茹娣h 1 等在对2 0 0 5 年一次华南锋前暴雨进行研究后指出华南暖区 暴雨的特点之一是低空偏南气流的风速辐合强，低空风速辐合中心频繁冲击暴雨中心， 使得能量一次次积累、一次次释放，中尺度对流云团多次影响暴雨中心。 阎敬华呦3 采用广州区域气象中心的业务中尺度模式，由德国中尺度模式( e m d m ) 移植改进而成的，对1 9 9 8 年5 月2 3 - - 2 4 日一次中一b 尺度华南锋面降水进行模拟研究， 指出暴雨发生在锋面中尺度切变线附近，垂直方向深厚且近乎垂直的强垂直运动，是华 南锋面降水的一种典型结构，近地面锋线附近有中尺度扰动，高层2 0 0 h p a 为强辐散， 中间各层准无辐散，2 0 0h p a 以下各层有强上升运动，7 0 0h p a 附近有补偿下沉运动， 系统有暖心结构，可能是对流凝结潜热释放所致。文莉娟1 利用非静力模式m m 5 也对这 场华南暴雨进行，同样指出系统具有暖心高湿、高空辐散、低空辐合及对应的强上升气 流和气旋性涡柱是造成暴雨的动力学机制，低空偏南气流在这次暴雨过程中起着重要作 用，降水发生在喇叭口等有利地形。陈敏采用m m 5 对这场华南暴雨进行模拟，把该过 程中的中尺度对流系统分为两类，类型一发生在锋面附近，类型二发生在锋前暖区中， 对两类中尺度对流系统m c s 的中尺度特征进行对比分析后指出这两类系统有共同的中尺 度特征：即对流系统的底部和顶部分别存在b 尺度的低压和高压，低层辐合高层辐散以 及暖心结构；锋面上的m c s 具有更强的斜压性，雨团走向与锋面一致，对流雨团仅达到 5 0 0h p a 左右，最强的上升运动在对流层中层，在对流层低层具有很强的斜压性；而类 型二极为强烈，对流雨团和强上升气流可以惯穿对流层，并不具有显著的斜压性，对流 雨团内部具有更复杂的中尺度系统。蒙伟光圆1 同样利用m m 5 对1 9 9 8 年华南这场暴雨进 行了模拟，根据湿位涡守恒原理和倾斜涡度发生理论分析了m c s 形成的原因，指出暴雨 发生在倾斜湿等熵面具有弱对流不稳定的下陷区域，沿湿等熵面下滑的冷空气与倾斜上 升具有强对流有效位能的暖湿空气在下陷区会合的过程中经历了对流稳定性减少的过 程，导致暴雨和m c s 发生发展区域有气旋性的涡旋发展，在m c s 发生发展过程中，湿位 涡的正异常区主要位于低层7 0 0 h p a 以下的气层。早在1 9 9 5 年吴国雄啪3 对湿位涡在梅雨 锋暴雨中的应用专门做了讨论，指出华北对流稳定的高值m p v l 与华南对流不稳定的空 气在长江中下游地区对峙，出现持续性暴雨，当对流稳定区向江南推进，江淮大暴雨宣 告结束。 孙建华口门利用m m 5 中尺度模式对1 9 9 4 年6 月1 2 1 3 同华南特大暴雨模拟，模拟结 果表明在对流发展前2 - - 3 小时低层的水汽辐合很强，有利于对流的启动，随着对流的 2 发展，最大的垂直运动向上扩，饱和层和中性层也向上扩。对流系统发展较强时低层有 辐合，对流层中高层为高压辐散，有强降水时一般2 0 0 - - 一7 0 0 h p a 都有较强上升运动，若 只有中层有强上升运动一般降水不会太大。由于降水在近地面层冷空气堆积所致，在暴 雨区低层可能是稳定的，在之外低层是不稳定的。但当降水非常强时，强上升气流破坏 有冷空气堆积的稳定层结。 1 3 国外w r f 的应用研究现状 在删4 删5 模式后，美国的n c a r 、n o a a 、f s l 、o k l a h o m a 大学的c a p s 联合开发了 新一代中尺度模式w e a t h e rr e s e a r c ha n df o r e c a s t i n g ( w r f ) ，它的研制是为了给理想化的 动力研究、全物理过程的天气预报、空气质量预报以及区域气候模拟一个公用的模式框 架。w r f 的目标是分辨率为l o k m 的大气科学研究，可较好地揭示中小尺度环流特征。 j o h ns k a i n 2 1 等在2 0 0 4 对w r f 的可用性做评估，分两组进行试验：第一组w r f 输出用于日常预报与w r f 输出结果不用于日常预报进行对比；第二组，w r f 模式输出结 果直接与当前运行的e t a 模式预报结果进行对比。结果表明，使用w r f 输出结果后预报 员的成绩有较小的提高，同时w r f 模式在对流开始、演变时的预报优于e t a 模式，因此 w r f 模式用于强天气的预报有正贡献。 i s i d o r aj a n k o v 口3 1 利用w r f 模式，选取8 个过程，每一个过程用三种不同的对流 方案、三种不同的微物理过程方案、两种不同的边界层方案混合搭配，共1 8 种方案进 行试验。这8 次过程的模拟结果表明，没有哪一种方案永远是最好的，在预报中变化最 大的来自于对流方案的改变，微物理过程和行星边界层方案的影响也很明显。 j e r e m ys g r a m s m l 对e t a 、m m 5 、w r f 三种中尺度模式输出的降水预报进行对比， 得出模式预报与实况的误差，指出所有类型降水量几乎都偏小，w r f 模式在大多数线性 对流系统中预报的平均降水率和峰值降水量偏高且降水落区有偏差。 a d a mj c l a r k 啪1 利用w r f 模式2 0 0 5 年4 月1 日7 月2 5 日期间美国中部一地区 的降水进行模拟，分辨率分别为5 k m 和2 0 k m ，在2 4 4 8 小时的预报中，5 k m 分辨率的 模式输出好一些，主要是空问相关性较好，而在2 4 小时以内的降水预报2 0 k m 分辨率的 模式输出结果更好一些。 j a s o nc k n i e v e l 刀采用2 0 0 3 年夏天的资料，把w r f 模式输出的降水与同时间多 普勒雷达的观测资料进行对比，模拟与观测的振幅相似，但模拟输出的降水往往偏早， 小雨更频繁，地区上的差异没有表现出来，如地区性的夜间强降水现象。 3 1 4 国内w r f 的应用研究成果 马旭林、宋巧云、王欢酬们利用w r f 模式对2 0 0 3 年7 月4 - - 6 日发生在江淮地区的 中尺度暴雨进行模拟研究，对中尺度低涡系统及物理量场的变化进行了详细的分析。张 芳华h 利用w r f 模式对2 0 0 3 年6 月2 4 - - - 2 5 日的特大暴雨进行模拟诊断分析，指出低层 切变线上分布不均匀的辐合区、中低层正涡度区、高层负涡度区有利于造成强烈的上升 运动；低涡切变线上局地风暴相对螺旋度的大值中心与强降水中心较一致。张春喜h 幻 利用w r f 对2 0 0 3 年4 月发生在山东的一次大暴雨过程进行数值模拟，对一天中两次m c s 初始对流的触发条件对比分析，指出第一次m c s 发展的触发条件是地形的强迫抬升；第 二次m c s 发展的触发条件是午后边界层辐合线。陈炯h 3 1 利用w r f 模式对2 0 0 3 年7 月8 1 0 日的江淮暴雨就m r f 和m y j 边界层参数化方案进行比较，在分辨率为2 0 k m 时，采用 边界层方案比不采用边界层方案模拟的效果要好，尽管m y j 方案在原理上比m r f 方案完 善，但这次对比结果m y j 方案没有明显的优越性，边界层物理过程对格点尺度降水影响 很小，但能改善对流性降水的模拟，通过边界层物理过程与对流过程的耦合，增加了对 流不稳定性，影响总的降水强度。 刘春霞h 4 1 利用w r f 和中国数值预报创新基地开发的三维同化变分系统g r a p e s ，对 2 0 0 2 年台风“黄蜂通过控制试验和同化试验的对比分析，结果显示同化散射计风场资 料对台风的风场有很大的改进作用，通过风场和质量场的约束关系，影响气压场和高度 场，从而影响热带气旋初始时刻的强度和位置。 李兴良h 朝借助w r f 模式，针对非静力中尺度高分辨率模拟应用的垂直坐标影响问题， 选用几何高度( z ) 和气压( p ) 来构造地形跟随坐标时，对模拟结果的差异进行比较， 最后指出比较结果也可能会因个例而异。孙键h 对1 9 9 8 年三次分别代表华南、长江流 域、淮河流域的三场暴雨过程用m m 5 与w r f 进行模拟对比分析，并且在m m 5 和w r f 中采 用相同的物理过程方案，指出w r f 的天气系统模拟优于m m 5 ，因此降水落区明显好，但 在该方案下，降水中心的强度偏小，相信随着w r f 模式物理过程的不断改进，降水的模 拟也会改进。 1 5 有关人为热的研究工作 孙继松n 叫利用北京多年资料研究了城市热岛效应的年代际变化及其对降水的影响， 4 指出在北京城区南北两侧，在冬季和夏季的降水日数、降水量变化趋势不同。陈炯嘞1 设计了一个考虑城市建筑物动力作用和人为热量影响的城市边界层参数化方案( u b p ) ， 并将之耦合n w r f 模式中，对北京市人为热源对边界层温度影响做了模拟研究。h o n g l i f a n 妇利用m m 5 模式对美国佛罗里达人为热对地面气温的影响进行了模拟实验。陈炯和 h o n g l if a n 都指出加入人为热后模式输出的地面和边界层气温与实况更接近。 1 6 研究目的 研究目的：( 1 ) 利用w r f v 2 2 中尺度模式，对2 0 0 8 年6 月1 2 日2 0 时 - 1 4 时2 0 时发生在珠三角地区的暖区强降水过程进行模拟，揭示华南暖区强降水发生发展的机 制。( 2 ) 借助这一个例，对人为热对降水的影响进行理想的模拟实验。 1 7 主要工作 ( 1 ) 利用广东省中尺度自动站3 年的资料，分全年、前汛期、后汛期、非汛期对广东 省及广州市降水的空间分布进行统计。 ( 2 ) 利用常规观测资料和多普勒雷达资料分析这次暖区强降水产生的天气背景和强降 水期间强回波的移动路径。 一 ( 3 ) 考虑到常规观测资料受时空分辨率的限制，无法对强降水过程进行连续的跟踪分 析，利用w r f v 2 2 模式对“2 0 0 8 6 1 3 ”强降水过程进行模拟，对中小尺度系统维持的 动力和热力机制进行分析，对强降水过程中等压面上湿位涡及它的水平分量、垂直分量 在不同层次的变化和垂直剖面等进行分析研究。 ( 4 ) 通过修正w r f v 2 2 模式中的p b l 模块，在广州地区加入人为热，进行人为热对降 水影响的模拟试验。 第二章广东省及广州市降水的空间分布 利用广东省中尺度自动站2 0 0 5 , - - - 2 0 0 7 年资料，对广东省及广州市降水的空间分布 进行统计，结果表明中尺度自动站得到的全省降水空间分布与常规地面观测站多年历史 资料统计得到的雨量分布相似，广州地区的降水分布各季有明显差别。 2 1 引言 广东南部濒临南海，水汽来源十分充沛，且北靠南岭山脉，全省境内多山地和丘陵， 地形起伏，致使全省降水充沛，分布极不均匀。根据多年的常规地面观测站资料统计， 广东省多年年平均降水量超过1 7 0 0 m m ，全省有3 个年雨量超过2 0 0 0 m m 的多雨带。中部 清远一佛冈一龙门一河源年雨量7 2 0 0 0 m m ，珠江口西侧的恩平、珠江口东侧的海丰等地 年降水量超过3 7 0 0 m m 畸羽。本章利用稠密的广东省中尺度地面自动观测站2 0 0 5 - - - 2 0 0 7 年 的雨量资料对广东省降水的空间分布进行重新统计，并对广州及其周围降水的空间分布 进行细致分析，这是常规站资料无法做到的。 2 2 资料来源 2 0 0 5 - - - , 2 0 0 7 年1 - 1 2 月广东省中尺度地面自动站网4 9 1 个站雨量资料。 2 3 广东省降水空间分布 对全省4 9 1 个自动站2 0 0 5 , - - - 2 0 0 7 年1 - - - 1 2 月雨量进行累积，得到图2 1 。图2 1 显示广东省中南部地区出现几个多雨带( 彩色) 。第一个多雨带位于珠江口以西沿海地 区，即阳江至江门一带，雨量中心达2 8 0 0 0 m m ，年平均超9 0 0 0 r a m 。第二个多雨带位于珠 江口以东沿海，有若干个雨量中心，分别位于惠东、汕尾至揭阳、潮州，前两个雨量中 心达2 8 0 0 0 m m ，第三个雨量中心2 4 0 0 0 m m 左右。第三个多雨带位于惠州中北部至从化一 带，雨量中心在惠州中部，达2 4 0 0 0 m m m ，从化境内的雨量达1 5 0 0 0 m m ，龙门的雨量在 8 0 0 0 1 2 0 0 0 m m m 之间。 上述三个多雨带的位置与常规地面观测站多年历史资料统计得出的三个多雨带非 6 常接近，只有第三个多雨带与历史上广东省中部清远一佛冈一龙门一河源的多耐带落区 略有差距。前两个多雨带的耐量r f | ，o - - 年累积雨量达2 8 0 0 0 m m ，年平均超9 0 0 0 m m ，大大超 过历史年平均雨量3 7 0 0 m m 。巾部的多雨带三年平均雨量达8 0 0 0 m m ，也大大超过历史多 年年平均雨量。 图2l 给出全省的少雨带t 要分布在粤北和粤西，少甫带的落区与常规地面观测 站多年历史资料统计得到的少雨带基本一致。少雨带三年累积雨量在3 5 0 0 4 0 0 0 m m 之 间，年平均雨量1 0 0 0 n l l i 】多，仅为多雨带年平均雨量的l 9 。 睡 图2 1 广东省中尺度自动站2 0 0 5 2 0 0 7 年累积雨量分布图( 彩色) ，常规地面观 测站多年年甲均多i ：| = i 带( 黑线，摘自广东省天气坝报技术手册) 单位：m m 2 4 广州地区降水空间分布 图2 2 给出了2 0 0 5 2 0 0 7 年全年、l o 3 月( 非汛期) 、4 6 月( 前汛期) 、7 9 月( 后汛期) ，广州地区及周边累税雨量分布情况。广州地区各个季节的累积雨量分布 都极不均匀。 仝年来看，广州地区的雨量分布东多西少，东部的从化和增城，三年累积雨量都在 8 0 0 0 m m 以上，1 6 0 0 0 m r n 的雨量中心在从化，年平均超5 0 0 0 m m 。广州市区和花都处少雨带， 三年累积6 0 0 0 8 0 0 0 m c n ，刚好是从化雨量中心的一半，年平均2 6 0 0 m m 左右。 2 0 0 5 2 0 0 7 年非汛期( 1 0 3 月) 的雨量分布则北多南少。花都东北部和从化累积 雨量在1 2 0 0 m m 以卜，1 ： i 量中心在从化东北部流溪河地区，达2 4 0 0 m n l 。另外番禺西北部 ， 累积雨量也超8 0 0 r a m ，中心1 2 0 0 m m 。花都两南l ； i 、广州市区和增城累积h 量存8 0 0 r r 以 下。 4 6 月是广东省的主雨峰“州地区也卟例外。广州r 地区4 6 月份的舸量分布与 全年极为相似，雨量中心在从化，1 0 0 0 0 m m 。广州市区仍然是少雨区，仪彻o o 5 0 0 0 m m 。 后汛期的降水分布j 全年一样东多西少，但全市最人阿量中心的位置不同。后汛期 广卅h h 区、花都、番禺累拟阿量在3 0 0 0 m m 以下，增城北音【5 和从化在3 0 0 0 4 0 0 0 m m 之间。 增城中南部地区在4 0 0 0 , 邶以卜，东南部达6 0 0 0 m m 足全市后汛期雨量之最。 l 熙 l 麟：隘 蘧 2 。0 5 枷俾目6 月l ”娜2 0 * 2 0 t ”l ”n * $ 幽2 2j 一州及周边地区2 0 0 5 2 0 0 7 年全年、i o 3 月、4 6 月、 7 9 月累积量讣布图 把2 0 0 5 2 0 0 7 年各季累积雨量中心叠加在一张到上，可以发现广卅市区在各个季 节均属于少南区。 。=：曙ee= ，譬暖瞄瞄瞄 2 5 小结 ( 1 ) 广东省雨量分布极不均匀，全年而言少雨带雨量仅为多雨带雨量的1 9 。三个 多雨带分别在粤西沿海，即云雾山、天露山南坡：粤东沿海莲花山南麓；惠州中部，罗 浮山南麓。前两个多雨带与传统的多雨带一致，第三个多雨带与传统的位于清远一佛冈 一龙门的多雨带略有偏差。少雨带主要位于位于粤西、粤西北的北部和粤东北。 ( 2 ) 广州地区雨量分布同样极不均匀，少雨带雨量为多雨带雨量的一半。广州地区 不同季节雨量的分布形态不同。非汛期( 1 0 - - 3 月) 的雨量分布北多南少，雨量中心在 从化东北部流溪河地区；4 - - 6 月东多西少，雨量中心在从化；7 - - - 9 月雨量分布同样是 东多西少，但雨量中心位置与前汛期不同，在增城的东南部。广州市区在各个季节都处 于少雨带。 由于广州市区同时是人口最密集的地区，人为热最多，人为热是否会对广州市区的 降水产生影响，第五章将对人为热对降水的影响进行理想的模拟试验。 9 第三章“2 0 0 8 6 13 珠三角暖区强降水的天气背景和实况分析 本章利用常规观测资料和多普勒雷