（气象学专业论文）一次山西低涡暴雨的数值模拟及诊断分析.pdf

摘要 本文首先采用地面、高空常规观测资料和n c e p 全球再分析资料( 空间分辨 率l 。1 。) ，对2 0 0 5 年7 月1 日2 0 时至2 日2 0 时( 北京时) 发生在山西的一 次低涡暴雨过程从环流形势、物理量场方面进行了初步的分析，发现这次暴雨 过程是在有利的天气形势下，受5 0 0 h p a 低空槽，副高以及中尺度低涡等共同作 用产生的，并且涡度、散度等物理量场的高低空配置有利于维持较强的垂直速 度，对暴雨的产生和维持有利。 利用中尺度数值模式( w r fv 2 1 2 ) 较成功地模拟了这次暴雨过程，并利 用数值模拟输出的高时空分辨率资料探讨此次暴雨过程发生发展的特征和机 理。指出中低层中尺度涡旋是造成这次过程的主要天气系统，低涡的时空演变 特征与暴雨中心的移动和雨强的变化相一致。对排熵指数与暴雨区的关系的分 析，结果表明：大气排熵指数由高值向低值的演变有利于对流的发展，从而 导致对流性暴雨的形成；且最大负熵变区( r e i 0 ) 对应着暴雨区，负熵流 中心( 或负熵变中心) 的汇合反映出中、低纬度天气系统的相互作用；排熵 指数与暴雨区有较好的对应关系。另外湿位涡诊断表明：强降水发生时，暴 雨区上空低层是m p v m p v 2i 的环境大气，有利于暴雨的产生。最 后，通过地形的敏感试验进一步揭示了地形对暴雨的增幅作用。 关键词：低涡，暴雨，数值模拟，诊断分析，排熵指数 a b s t r a c t b a s e do nc o n v e n t i o n a ls r r f a c eo b s e r v a t i o n sa n dr a d i o s o n d es o u n d i n g sa n dn c e p r e a n a l y s i sd a t a ( s p a t i a lp r e c i s i o n1 0 x l 。) ，b ya n a l y z i n gt h es y n o p t i cs i t u a t i o na n dt h e p h y s i c sq u a n t i t yf i e l d so ft h el o wv o r t e xh e a v yr a i np r o c e s so c c u r r e do n1 2j u l y 2 0 0 5i ns h a n x ip r o v e n c e i ti sf o u n dt h a tt h eh e a v yr a i n f a l lo c c u r r e di naw e l l w e a t h e rs i t u a t i o nw i t ht h eh i g h - l e v e lt r o u g ha n ds u b t r o p i c a lh i g ha t5 0 0 h p aa n d m e s o - s c a l el o wv o r t e x m o r e o v e r , l ti sa l s or e v e a l e dt h a ti nt h ev i c i n i t yo f h e a v y 池 t h ed i a g n o s t i cf i e l d ss u c ha sv o r t i c i t ya n dd i v e r g e n c ea tl o wl e v e l sw a sc o o r d i n a t e d t ot h a ta th i g hl e v e l so f a t m o s p h e r e ，c o n t r i b u t i n gt ot h es u s t a i n i n gs t r o n gu p d r a f t , o n e o f t h ef a v o r a b l ec o n d i t i o n sf o ro c c 啪c ea n dp e r s i s t e n c eo f t h er a i n t b em e s o s c a l en u m e r i c a lm o d e lw - r f ( v 2 i 2 ) a r eu s e dt os i m u l a t et h i sp r o c e s s s u c c e s s f u l l y , u s i n gt h em o d e lo u t p u tw i t hh i g hs p a t i a la n dt e m p o r a lr e s o l u t i o n , w e s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s mo ft h er a i n f a l li nm o r ed e t a i l i ti sf o u n dt h e m a i nw e a t h e rs y s t e mb r o u g h tt h eh e a v yr a i nw a sam e s o s c a l ev o r t e xa tl o w - m d l e v e l s , w h o s ee v o l u t i o nw a sa c c o r d e dw i t ht h ev a r i a t i o n si ns h i f ta n di n t e n s i t yo ft h e r a i n f a l lc e n t e r , r e l a t i o n sb e t w e e nr e m o v a le n t r o p yi n d e xa n dr a i n f a l la r e aa r e a n a l y z e d , t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：t h ee v o l u t i o no fr e m o v ee n t r o p yi n d e xf r o m h i g ht ol o wa d v a n t a g et h ed e v e l o p i n go fc o n v e c t i o na n dl e a dt ot h eh e a v yr a i n f a l l f o r m a t i o n ；t h en e g a t i v ee n t r o p yc h a n g e i o ) c o r r e s p o n d sw i t ht h el a r g e - s c a l e h e a v yr a i n , t h er a i f i f 蛆s c a l ei sr e p r e s e n t e db yt h ec o n v e r g e n c eo ft h en e g a t i v e e n t r o p yc h a n g e ；t h er e m o v a le n t r o p yi n d e xm a t c ht h eh e a v yr a i n f a l lc e n t e r sq u i t e w e l l n 增d i a g n o s i 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 ) s h o w st h a tt h e r ea r et h e i n s t a b i l i t ya r e ao fm p v 0 ，a n dt h en e g a t i v ef o c u so fm p vl o c a t e da tt h ef o c u s o fh e a v yr a i n f a l la b o v et h er a i n f a l la r e a , w h e nh e a v yr a i n f a l lh a p p e n i n g m o r e o v e r , m p v i oa n dim p v l m p v 2la r et h ef a v o r a b l ee n v i r o n m e n to fh e a v y r a i n f a l l g e n e r a t i n g f i n a l l y , s e n s i t i v i t ye x p e r i m e n t sf u r t h e r r e v e a lt h ea m p l i f y i n g e f f e c to f t e r r a i no nt h eh e a v yr a i n k e yw o r d s ：l o wv o r t e x , h e a v yr a i n f a l l , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , d i a g n o s d ca n a l y s i s r e m o v a l 即廿叩yh l d e x 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以。求实、刨新”的科学糟神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意 作者签名： 叠趟接 日 期：垄纽，互 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，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被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密 的学位论文在解密后适用本规定 作者签名；鑫燃 日期：斟金2 q 第一章绪论 我国是灾害性天气频繁发生的国家，暴雨、强对流天气更是频繁，几乎每年都受到由 暴雨造成的突发性洪水或持续性洪水的影响。暴雨降水的形式和与其相关联的大气环流背 景有多种类型，既有梅雨锋带暴雨，也有冷锋暴雨，切变线低涡暴雨，台风暴雨和强对流 天气系统等。暴雨产生的机制复杂，各种类型的暴雨在不同地区出现的频次差异很大，低 涡暴雨作为一种重要的暴雨类型，一直受到气象界专家和学者的重视。为了深入开展对低 涡暴雨的研究，我们首先对过去有关中尺度低涡暴雨方面的研究工作做一简单回顾。 1 1 中尺度低涡暴雨的研究进展 近年来，我国在低涡暴雨的研究和预报方面已经取得了长足的进展，尤其在1 9 7 5 年8 月上旬河南特大暴雨发生之后，我国加强了对暴雨的研究，研究的重点也从大尺度转向中 小尺度”：对高低空急流，低涡等都做过大量分析，并得到大量有意义的结果。中科院大 气物理所“1 ( 1 9 7 6 ) 早期的研究从天气预报角度提出低涡要维持和发展，主要靠中高层的 辐散量大于其低层的辐合量，这样低涡的强度才能维持和加强，这里主要看低涡上空的高 空槽是不是发展成为加深的低槽。赵平等。1 得出的结论是：在高层，地形通过加强旋转风 动能向散度风动能转换使高空辐散加强，而潜热加热通过加强位能向散度风动能转换使高 空辐散加强。孙淑清等更进一步在理论上指出由于中尺度涡旋发展所需要的动能主要取 自辐散风动能，并克服随之而来的摩擦消耗，高层辐散在低涡发展时十分重要。 下面主要回顾一下西南涡、西北涡，东北冷涡，华北冷涡和河套低涡等方面的研究进 展。首先，关于西南低涡结构的分析：解明恩等”利用大气边界层模式，对西南低涡的边 界层流场进行了模拟分析。陈忠明等利用中尺度滤波分析，去掉大尺度环境场的影响，分 析了低涡的中尺度结构特征。邹波等利用边界层观测资料对西南低涡的边界层流场结构 进行分析，发现在边界层内，低涡环流演变表现出非连续性特征。韦统健，薛建军“研究 了西南涡的结构，得到低涡是由其前部的东北风和其右前象限流入的偏南风共同作用的， 降水主要发生在低涡移动方向右侧的两象。关于低涡形成与发展的机制研究：吴国雄等“” 利用口坐标绝热模式，对1 9 8 1 年7 月1 1 1 5 日的西南低涡过程进行了模拟研究，结果表 明：气块沿等d 面绝热下滑而诱发的垂直涡度从而提出了西南低涡形成的$ v d ( 倾斜涡度 发展) 机制。李国平等”1 利用热成风适应理论，探讨暖性西南低涡的形成机制、西南低涡 与其他天气系统的相互作用。陈忠明等”1 的分析发现，活跃于南海的热带气旋，与活动于 四川盆地的西南低涡东侧的偏南气流贯通，实现两者的直接相互作用。缪强等“利用合成 分析方法，分析了高原天气系统与背风坡浅薄天气系统耦合作用的天气学特征，指出：高 原低涡的东移发展与西南低涡的相互作用是诱发西南低涡发展和暴雨发生的重要原因。陈 忠明等“”指出：高原低涡与西南低涡的相互作用因其两者的位置配置不同而产生不同的结 果，西南低涡引发的江淮与华南地区的大暴雨过程。林开平“”分析了造成1 9 9 4 年6 月中旬 广西大暴雨过程的西南低涡，指出暴雨天气主要出现在低涡东部及其暖式切变线上姜勇 强等”对一次由西南低涡诱发的大范围暴雨过程进行了分析与模拟。指出由于冷空气的影 响，导致西南低涡发展而诱发暴雨，低涡、切变线上的倾斜上升气流、中尺度正涡度以及 水汽通量散度辐合柱状结构，为暴雨发生提供条件，暴雨天气随西南低涡的移动而移动。 陈忠明等“”通过对1 2 次长江上游区域性暴雨发生前的中尺度特征进行合成分析，结果发 现：中尺度西南低涡先于暴雨出现，未来暴雨就发生在低涡东部的偏南暖湿气流中。 其次，关于东北冷涡研究的进展；1 9 9 8 松嫩流域发生致洪大暴雨以后，对于东北冷涡 类暴雨引起了人们的重视，陈立亭等“”对松嫩流域1 9 9 8 年夏季的主要暴雨过程发生时的天 气形势进行了分析，并归纳出：亚洲中高纬度阻塞形势稳定，长时间受东北冷涡控制，西 太平洋副热带高压短时间北进且位置适中，盛夏北方夏季风强盛是暴雨发生时的主要天气 特点。刘景涛等”1 对1 9 9 8 年嫩江松花江流域大暴雨的成因进行了分析，指出：东亚阻塞高 压持续强盛位置偏西，乌拉尔山到西西伯利亚维持长波高压脊和西太平洋副热带高压与东 亚阻高同位相叠加，是形成1 9 9 8 年汛期松嫩流域大暴雨的大尺度环流特征，频繁活动的东 北冷涡是在这一大尺度环流背景下形成大暴雨的天气尺度系统。另外，在西北涡、华北冷 涡和河套低涡方面也有不同程度的诊断和分析：王丛梅。“等对2 0 0 0 年7 月4 5 日发生在 华北南部的一次西北涡大暴雨过程的湿位涡场特征进行了诊断和分析。李社宏乜2 1 等对2 0 0 3 年8 月2 8 日西北东部一次致洪暴雨天气过程进行了数值模拟，结果表明此次区域性暴雨是 在不同尺度系统相互作用下产生的，强降水主要出现在低涡系统发展与成熟阶段。王维国 “对1 9 9 5 年6 月3 0 日7 月1 日华北高空冷涡的强降水过程作了详细分析，指出此次降 水和强天气过程是由冷涡的主冷锋和副冷锋云系造成，而水汽通量的辐合则为强天气的产 生提供了条件张弘“1 等分析了黄土高原东部一次台风与河套低涡共同影响的陕北暴雨， 结果表明：深厚，稳定的河套低涡，低层辐合、高层辐散的垂直结构及位势不稳定等特征， 为暴雨区附近强烈上升运动的发展和维持提供了有利的环境条件。赵桂香等对山西省晋 中地区1 9 7 4 2 0 0 0 年6 8 月的暴雨个例进行了分析，指出7 0 0 h p a 上形成于3 4 - 3 7 。n ， 9 5 1 0 3 。e 附近的西北涡或2 8 3 4 。n ，9 3 9 7 。e 附近的西南涡是晋中夏季暴雨的最原始触发 机制。 总之，影响我国的低涡，有的是从高空西风带深槽中切断出来的；有的是在特定地形 2 下产生的。我国幅员广阔，西风带又随季节而北撤和南移。在不同季节，高空西风带延伸 槽中切断出来的低涡，在地区的分布上有很大的变化。此外。在一定的环流形势下，青藏 高原特殊地形的影响会引起中间尺度涡旋的生成。特别是低涡与其它系统( 如台风、切变 线、冷锋等) 相结合，常常会出现暴雨甚至大暴雨。因此，要加强对低涡特征及其与各 种天气系统相互作用的研究。 1 2 数值模式及其在暴雨研究中的应用 随着高速计算机和大规模并行处理机的相继问世以及观测手段、计算工具的进步，中 尺度数值模式作为一种有力的工具被广泛地运用于中尺度气象的研究和业务预报中特别 是最近2 0 年，中尺度数值模式研究成为大气科学中一个十分活跃的分支，涌现出了m m 4 、 m m 5 、r a m s 、a r p s 、g r a p e s 、w r f 等很多著名的中尺度模式，其中由美国p s u n c a r 共同研制开发的m m 5 中尺度模式在国内外得到了广泛的应用，比较成功地模拟了暴雨， 西南涡，胞线等中尺度天气现象。另外一个最新发展是美豳w r f 模式( w e a t h e rr e s e a r c h f o r e c a s t ) 的开发，该模式包含了许多先进的物理方案，它的最终目标将取代目前正广泛应 用的m m 5 模式，考虑到2 0 0 8 年北京奥运会气象保障服务的需要，中央气象台也在追踪 w r f 模式的发展动态，开展了w r f 的移植和业务试验工作，并计划将w r f 作为2 0 0 8 年 北京奥运气象保障服务的业务中尺度预报模式之一 近年来。许多人运用各种中尺度模式对产生暴雨天气的中小尺度系统的活动特征进行 了模拟和诊断分析，得出了许多有意义的结论。冯伍虎等“”利用m m 5 对1 9 9 6 年8 月3 5 日 ( “9 6 8 ”) 在河南、山西、河北等省发生的一次特大暴雨过程进行了数值模拟，模拟结果 表明：非静力( h 伍巧) 的全物理过程模拟基本可再现大尺度和中a 尺度天气系统的发生、发 展和演变。z h a o 等采用准拉格朗日方案的数值模式对1 9 7 9 年的一次梅雨锋暴雨过程进行 了模拟，结果表明高原的动力作用对暴雨的产生非常重要。隆霄等利用m m 5 对1 9 9 9 年6 月2 3 2 5 日( 简称“9 9 8 ”) 发生在长江中下游地区的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟，成 功地模拟了梅雨锋中尺度低涡切变线的发生和发展。其中对中尺度低涡系统以及西南涡也 有很多的分析研究，李跃清等对西南涡暴雨做了边界层的诊断分析，结果表明行星边界 层与西南涡暴雨具有密切关系。邹波等指出低涡生成区低层大气的涡度平流很弱，涡度 平流的垂直分布呈现出随高度增大而增大的结构，这种垂直分布结构的动力强迫作用有利 于低层大气的气旋式涡度和辐合增长，促使低涡形成。廖胜石等”“利用m m 5 模式对2 0 0 3 年 7 月4 5 日一次江淮梅雨暴雨过程进行了数值模拟，分析表明：暴雨与江淮地区对流层中低 层中尺度低涡的发生发展有密切关系，并指出较大的螺旋度是对流层中低层低涡发生和发 展的一种有利机制。李小莉等通过数值模拟分析了1 9 8 2 年7 月2 9 日8 月2 日黄河中游特 大暴雨过程中的低涡系统，发现造成该中尺度低涡发展的主要机制是非绝热湿过程。崔春 光。1 等利用m m 5 模式对1 9 9 8 年6 月2 8 2 9 日长江三峡及其附近的低涡大暴雨过程作了初步 的模拟研究，结果表明涡前暖湿气流受大巴山一神农架山脉拦截形成迎风山麓大暴雨带。 程麟生1 等采用m m 5 模式成功模拟了“9 8 7 ”暴雨，发现特大暴雨与7 0 0 h p ai - 的一个中b 尺度低涡的生成和强烈发展直接关联。王智等利用m m 5 对1 9 9 9 年6 月2 9 日的一次东移低 涡过程进行了数值模拟，模拟结果揭示了这次暴雨过程中的中尺度对流系统发生发展和演 变过程。师春香”等认为中尺度对流云团的产生和移动都与中尺度低涡的发生发展有关 此外也有不少关于中尺度暴雨的敏感性试验研究，王智等”1 做过东移西南涡初始扰动的敏 感性试验，结果表明追加扰动后的初始条件较成功地模拟出西南涡的形成和移动情况贝 耐芳等做过地形对暴雨的影响试验。蒙伟光等”1 傲过非绝热加热对暴雨的敏感性试验。 王建捷等。”对1 9 9 6 年初次华南暴雨过程进行了数值模拟和敏感性试验，发现凝结潜热通过 一个类似c i s k 的机制对暴雨的发生、发展起到了至关重要的作用。另外，w r f 模式且前已 初步应用于业务预报试验，在北美地区取得了较好的预报效果。在国内，马旭林等1 利用 w r f 较好地模拟了2 0 0 3 年7 月4 5 号的一次江淮梅雨锋强暴雨，模拟结果较理想地预报出 了该次降水的落区、强度以及降水中心的位置。张芳华等“”则用w r y 模拟t 2 0 0 3 年6 月2 4 2 5 日江南地区的一次特大暴雨，模拟结果成功再现了高低空环流形势的演变及暴雨带的分 布特征。宋巧云等利用w r f 模式输出结果，对2 0 0 3 年7 月4 6 日淮河流域出现的暴雨过 程进行了诊断分析，结果表明这次暴雨过程中的中尺度天气系统的发生，发展、加强及衰 减均在模拟结果中有所显现。 以往的研究和应用结果表明，高分辨率中尺度数值模式的发展和较为成功的数值模拟 结果，使得人们可以通过数值模拟从某种角度来认识复杂的中尺度系统的结构及其发生和 发展的物理机制。因此，非静力中尺度数值模式，尤其是具有较高分辨率的中尺度w r f 模式，对揭示暴雨的中尺度特征，探寻暴雨形成和发展机制提供了有效的途径。 1 3 研究目的和意义 我国幅员辽阔，江淮、华南，东北、华北等地暴雨产生的机制可能有所不同。区域性 暴雨的产生、发展往往是在稳定的环流形势和适量冷暖空气交汇的背景下，不同尺度及不 同纬度系统相互作用的结果，但由于影响系统不同、水汽来源不同、本地水汽条件不同， 地形条件不同、下垫面状况不同，各地又有各地的特点。目前对暴雨的落区和强度预报准 确率还比较低，导致这种情况的原因在于对中尺度系统的发生、发展和演变规律缺乏足够 4 的认识，预报员缺乏具有指导性的产品，因此通过特定的个例分析和数值模拟来找出跟本 地相关的预报方法，对于提高暴雨预报水平，有效采取防灾措施、减轻暴雨灾害造成的损 失，化害为利，趋利避害等十分重要。山西的雨季多在7 月上、中旬开始，最容易发生暴 雨或特大暴雨的时期是7 、8 两月。“5 8 7 。垣曲特大暴雨，“6 3 8 ”太行山区特大暴雨。 “6 6 8 ”阳泉、平定特大暴雨，“7 7 8 ”平遥特大暴雨，“8 2 7 ”沁水特大暴雨等都发生 在这段时间。因此分析山西省大到暴雨发生的机理与规律，改进当地暴雨预报技术，提 高大到暴雨的预报准确率势在必行的。本文的研究目的就是希望通过对2 0 0 5 年7 月1 日 2 日山西发生的一次暴雨过程进行数值模拟和诊断分析得到一些低涡暴雨发生发展的规 律性认识，找到一些降水系统的演变规律及物理机制，提高对低涡暴雨的认识，从而有利 于做好实际业务预报工作和研究工作。 1 4 研究方法和内容 本文主要采用天气分析，中尺度数值模拟和诊断分析等方法，运用美国新一代非静力 中尺度天气研究和预报( w r f ) 模式，对2 0 0 5 年7 月l 2 日山西中南部出现的一次低 涡暴雨过程进行数值模拟和诊断分析，在模拟比较成功的基础上，利用模式输出的具有 较高时空分辨率和动力协调性的网格资料，从多角度对主要影响系统的演变规律及低涡暴 雨发生、发展的可能物理机制进行诊断分析，最后通过数值试验讨论地形条件对降水系统 的影响，着重对排熵指数从理论到其对暴雨的诊断作用进行详细研究，指出负熵指数的演 变与暴雨的发生和落区之间的对应关系，意在为强对流天气预报提供有益的信息。 本文采用的资料包括2 0 0 5 年7 月1 日2 0 时至2 日2 0 时每隔6 h 的n c e p 全球再分析 资料( 空间分辨率l o x l o ) 和同时次的地面及高空常规观测资料，以及太原小店站的多普勒 雷达回波资料。 本论文芷文部分主要包括以下四方面的内容： ( 1 ) 用n c e p 和常规观测资料对这次低涡暴雨过程的天气实况、环流形势，低层的流 场特征及水汽条件等进行初步的分析。 ( 2 ) 利用中尺度数值模式( w r f ) 对这次低涡暴雨过程进行数值模拟，在模拟比较 成功的情况下，利用其输出的资料从多角度对此次强降水过程进行诊断分析 ( 3 ) 对大气排熵指数从理论到其对暴雨的诊断作用进行详细分析，着重讨论暴雨区 排熵指数的演变特征，指出负熵指数的演变与暴雨的发生和落区之间的对应关系。 ( 4 ) 通过地形敏感试验，进一步揭示吕梁山和太行山大地形对暴雨区附近中尺度低涡 发生，发展的作用，及其对本次暴雨过程的影响。 参考文献 1 孙淑清，马延标，孙纪改低空急流与暴雨相互关系的对比分析气象学报，1 9 7 9 ，4 ：3 6 4 4 2 孙淑清，翟国庆低空急流的不稳定性及其对暴雨的出发作用大气科学，1 9 8 0 ，4 ：3 2 7 3 3 7 3 k u oyh m e s o s c a l em a l y s i so ft h es i c h u a nf l o o dc = a 蛐p h ci i 一1 5j u l y1 9 8 1 m o n w c a r e v ，1 1 4 ：1 9 8 4 4 2 0 0 3 4 中国科学院大气物理研究所模拟组西南低涡的初步研究大气科学，1 9 7 6 ，1 ( 2 ) ：2 8 3 8 5 赵平，胡昌琼，孙淑清一次西南低涡形成过程的数值试验和诊断i i ：涡度方程和能量转 换函数的诊断分析大气科学，1 9 9 2 ，1 6 ( 2 ) ：1 7 7 1 8 4 6 孙淑清，田春生，杜长萱。中尺度低涡发展时高层流场特征及能量学研究大气科学， 1 9 9 3 ，1 7 ( 2 ) ：1 3 7 1 4 7 7 解明恩，琚建华，p 玉康西南低涡e k m a n 层流场特征分析 j 】高原气象，1 9 9 2 ，1 1 ( 1 ) ： 3 1 3 8 8 陈忠明，缪强，闵文彬一次强烈发展西南低涡的中尺度结构分析 j 应用气象学报， 1 9 9 8 。9 ( 3 ) ：2 7 3 4 2 8 2 9 邹波，陈忠明一次西南低涡发生发展的中尺度诊断 j 高原气象，2 0 0 0 ，1 9 ( 2 ) ：1 4 l 1 4 9 1 0 韦统健，薛建军影响江淮地区的西南涡中尺度结构特征 j 高原气象1 9 9 6 ，1 5 ( 4 ) ： 4 5 6 4 6 3 1 1 吴国雄，刘环珠全型垂直涡度倾向方程和倾斜涡度发展 j 气象学报，1 9 9 9 ，5 ( 7 ) ：l 1 2 李国平，万军，卢敬华暖性西南低涡形成的一种机制 j 应用气象学报，1 9 9 1 ，2 ( 1 ) ： 9 l 9 9 1 3 陈忠明，黄福均，何光碧热带气旋与西南低涡相互作用的个例研究 j 大气科学， 2 0 0 2 。2 6 ( 3 ) ：3 5 2 4 3 6 0 1 4 缪强青藏高原天气系统与背风坡浅薄天气系统耦合相互作用的特征分析 j 四j f i 气 象，1 9 9 9 ，1 9 ( 3 ) ：1 8 2 2 1 6 陈忠明，闵文彬，缪强等高原涡与西南低涡耦合作用的个例诊断 j 高原气象，2 0 0 4 , 2 3 ( 1 ) ：7 5 8 0 1 1 6 林开平1 9 9 4 年6 月中旬广西一次西南低涡大暴雨过程的中尺度分析 c 1 9 9 4 年华南 特大暴雨洪涝学术研讨会论文集北京：气象出版社，1 9 9 6 ，9 3 6 1 7 姜勇强，张维桓，周祖刚等2 0 0 0 年7 月西南低涡暴雨的分析和数值模拟 j 高原气象， 2 0 0 4 ，2 3 ( 1 ) ：5 5 6 l 1 8 陈忠明，缪强长江上游区域性暴雨发生前的中尺度特征 j 气象。2 0 0 0 ，2 6 ( 1 0 ) ：1 5 1 8 1 9 1 陈立亭，孙永罡，白人海松花江、嫩江流域1 9 9 8 年夏季暴雨过程天气分析，气象，2 0 0 0 ， 2 6 ( 1 0 ) ：1 9 2 3 2 0 刘景涛，孟亚里，康玲，等1 9 9 8 年汛期嫩江松花江流域大暴雨成因分析，气象，2 0 0 0 ， 2 6 ( 2 ) ：2 0 4 2 4 2 1 王丛梅。丁治英，张金艳西北涡暴雨的湿位涡诊断分析 j 气象，2 0 0 5 ，3 1 ( 1 1 ) ：2 8 3 3 2 2 李社宏，胡淑兰，王式功西北东部一次暴雨天气过程的数值模拟研究 j 兰州大学学 报，2 0 0 5 ，4 2 ( 6 ) ：3 3 3 8 2 3 王维国一次强华北冷涡的分析 j 气象，1 9 9 7 ，2 3 ( 9 ) ：5 0 5 3 2 4 张弘，陈卫东孙伟一次台风与河套低涡共同影响的陕北暴雨分析c j 高原气 象，2 0 0 2 ，2 5 ( 1 ) ：5 2 4 5 9 2 5 赵桂香。李新生低涡与晋中夏季暴雨，气象2 0 0 2 ，2 8 ( 1 2 ) ：4 0 4 2 2 8 陶诗言等编著中国之暴雨 m 北京：科学出版社，1 9 8 0 ，1 3 3 4 1 4 5 2 7 冯伍虎，程麟生“8 ”特大暴雨和中尺度系统发展结构的非静力数值模拟气象学报， 2 0 0 1 ，5 9 ( 3 ) ：2 9 4 3 0 7 2 8 z h a 0l l z h a os i x i o n g n u n r i c a le x p e r i m e n t so f m e i y u a i u ) m i n f a l lb yq u a s i - l a g r a n g i a n l i m i t e da r e a m o & 1 w i t ht e 廊a d v a n c e d i n a t m o s p h e r i e s c i e n c e s 。1 9 9 5 ，1 2 ( 1 ) ：5 7 6 6 2 9 隆霄，程麟生“9 9 6 ”梅雨锋暴雨低涡切变线的数值模拟和分析大气科学，2 0 0 4 ， 2 8 ( 3 ) ：3 4 2 3 5 6 3 0 李跃清，黄仪方西南低涡暴雨的边界层诊断分析四川气象，1 9 9 4 ，4 9 ( 3 ) ：2 1 2 5 3 1 廖胜石，寿绍文一次江淮暴雨中中尺度低涡的数值模拟及分析南京气象学院学报， 2 0 0 4 ，2 7 ( 6 ) ：7 5 3 7 的 p 2 1 李小莉，惠小英，程麟生黄河中游一次中层低涡暴雨的中尺度数值模拟明高原气象， 1 9 9 5 ，1 4 ( 3 ) ：3 0 5 3 1 3 【3 3 崔春光，房春花，胡伯威等，地形对低涡大暴雨影响的数值模拟试验气象，2 0 0 0 ，2 6 ( 8 ) ： “1 8 p 4 程麟生。冯伍虎“9 8 7 ”突发大暴雨及中尺度低涡结构的分析和数值模拟大气科学， 2 0 0 1 ，2 5 ( 4 ) ：4 6 5 4 7 8 p 5 1 王智。翟国庆，高坤长江中游一次p 中尺度低涡的数值模拟气象学报， 2 0 0 3 ，6 1 ( 1 ) ：6 6 7 7 7 3 6 师春香。江吉喜，方宗义1 9 9 8 年长江大水中对流云团活动特征研究( 报告) ，2 0 0 0 3 7 贝耐芳，赵思雄，高守事1 9 9 8 年“二度梅”期间武汉一黄石突发性暴雨的模拟研究 大气科学，2 0 0 3 ，2 7 ( 3 ) ：3 9 9 4 1 8 3 8 蒙伟光，王安宇。李江南等华南前汛期一次暴雨过程中的中尺度对流系统中山大 学学报：自然科学版，2 0 0 3 ，4 2 ( 3 ) ：7 3 7 7 c 3 9 王建捷，郭肖荣1 9 9 6 年初次华南暴雨过程的数值模拟及分析应用气象学报，1 9 9 7 ，8 ( 3 ) ：2 5 7 2 6 8 4 0 马旭林，等江淮梅雨锋强暴雨低涡系统发生发展的数值研究南京气象学院学报，2 0 0 4 ， 2 7 ( 3 ) ：3 4 7 3 5 5 4 1 张芳华，马旭林2 0 0 3 年6 月2 4 - 2 5 日江南特大暴雨数值模拟和诊断分析气象2 0 0 4 ， 3 0 ( 1 ) ：2 8 3 2 4 2 】宋巧云，魏凤英，许晨海淮河流域暴雨过程的数值模拟和诊断分析南京气象学院学 报，2 0 0 6 ，2 9 ( 3 ) ：3 4 2 3 4 7 4 3 周一鹤，等山西天气预报手册北京：气象出版社，1 9 8 9 ：9 6 9 8 8 第二章中尺度数值预报模式( w r f ) 2 1 中尺度数值模式( w r fv 2 1 2 ) 简介n 刊 w r f ( w e a t h e r r e s e a r c ha n df o c a s t ) 模式是由美国国家大气研究中心( n e a r ) 中小 尺度气象处、国家环境预报中心( n c e p ) 环境模拟中心、预报系统实验室( f s l ) 的预报 研究处以及奥克拉荷马大学的风暴分析预报中心( c a p s ) 等多单位联合发展起来的新一代 完全可压非静力平衡、高分辨率、科研和业务预报统一的中尺度预报和资料同化模式。该 模式采用全新的程序设计，重点考虑从云尺度到天气尺度等不同尺度重要天气特征预报， 水平分辨率重点为1 - l o k m ，采用改进的物理过程方案，同时具有多重嵌套及易于定位于不 同地理位置的能力。w r f 模式在2 0 0 0 年发行了1 0 版本，在此版本中只有欧拉高度坐标 ( e u l e r i a n - h e i g h t ) 。2 0 0 2 年发展为1 2 版，除了高度坐标外，另外还加入了欧拉质量( 静 力气压) 坐标( e u l e r i a n - m a s s ) ，其中气压和温度是由热动力方程诊断出来的。到2 0 0 4 年 更新为2 0 版，只保留了质量坐标作为单一垂直坐标。截至目前为止，w r f 模式皆使用质 量坐标为垂直方向坐标。目前w r f 分为n n m ( t h en o n h y d r o s t a t i cm e s o s c a l em o d e l ) 和 a r w ( t h e a d v a n c e d r e s e a r c hw r f ) 两种版本，前者适用于业务预报领域，而后者更加适 合于科学研究领域。本文所使用的是2 0 0 6 年2 月最新版v 2 12 w r f 模式的控制方程是全弹性大气非静力平衡原始方程，垂直方向为s i g m a 坐标，水 平方向采用a r w k r a w a - - c 型跳点网格( 图2 1 ) ，运用了高分辨率的地形和下垫面分类资 料，采用时间分裂积分方案。物理过程包含大气水平和垂直涡动扩散，积云对流参数化方 案，太阳短波辐射和大气长波辐射方案等。 w r f 模式主要有三部分组成：模式的标准初始化( s i ) 、主模式和模式产品后处理( 圈 2 2 ) 。标准初始化( s d 部分包括资料预处理、三维变分资料同化( 四维同化) 和地形等静态 数据的处理，为主模式提供初始场和边界条件；主模式对模式积分区域内的大气过程进行 积分运算；后处理部分对模式输出结果进行分析处理，主要包括将模式面物理量转化到标 准等压面、诊断分析物理场和图形数据转换等。 9 值得说明的是，w r f 的标准初始化( s i ) 模块给用户提供了一个友好的图形操作界面， 在设定网格区域以及资料预处理的时候十分直观方便，用户只需按步骤改动参数执行。便 可为w r f 主模块生成相应得输入文件具体的操作流程为：( 1 ) 运行标准初始化程序 ( w r f s i ) ，把己经准备好的高分辨率地形数据和初始数据插入到w r f 模式面上；如果需 要用自己资料，则需要按照w r f s i 中数据格式要求自行插入到模式面上；( 2 ) 运行初始程 序，生成w r f 模式所需要的初始资料和侧边界条件；( 3 ) 运行w r f 模式，生成模式运行 结果；( 4 ) 运行后处理程序，将n e t c d f 数据格式转换为适合各种画图软件如g r a d s 、 v i s s d 、n c a r g r a p h i c s 、r i p 4 、n c l 等的数据格式，便于画图分析结果( 如图2 3 ) 。 2 2w i u 模式的程序结构和动力框架( w r fv 2 1 2 ) 哪 2 2 1 模式的程序结构 w r y 模式的设计思路是要建立一个模块化，可移植、容易维护和扩展的、并且能够在 不同类型的计算机上运行的软件结构，同时也必须充分考虑到在大规模并行计算环境中的 高效率以及方便于和其它模式相耦合为此，w r f 模式应用了继承式软件设计，多级并行 分解算法、选择式软件管理工具、中间软件包( 连接信自、交换、输入输出以及其他服务 程序的外部软件包) 结构，并将有更为先进的数值计算和资料同化技术、多重移动套网格 性能以及更为完善的物理过程( 尤其是对流和中尺度降水过程) 。同时，w r f 使用了 f o m a n 9 0 的许多新特性，如模块化的程序设计使得增加物理过程的工作变得十分容易。又 如动态内存分配使得程序的运行效率得到提高等，另外，为了让用户能够在尽量少涉及 w r f 模式其他部分源代码的情况下，很容易地在w r f 模式中实现自己的方案设计，w r f 模式采用三重结构，包括驱动层、中间层和模式层。其中，最高层驱动层负责控制初始化、 时间步长、输入输出( i o ) 、预报区域、维持嵌套、程序安装管理和并行等等；模式层主要 是数值天气预报的预报方程，物理过程等源代码部分，该部分允许用户任意修改和添加自 已的程序而不影响整体功能；中介层主要负责将驱动层和模式层连接起来，该层里包括了 驱动层和模式层的连接信息。其程序结构设计如图2 4 所示。 l o 2 2 2 模式的动力框架 w r f 模式中采用了两种可供用户灵活选择的坐标方式，即高度地形追随坐标和质量 ( 气压) 地形追随坐标系统其中质量( 静力气压) 坐标系更具有优越性，质量坐标不仅 能提供更接近实际情况的加热和冷却模式，而且在模式中可提供更复杂而且更精确的顶边 界条件，同时还能保证系统的稳定性，对模拟中小尺度系统的结构细节和演变机制有一定 的优越性下面简单介绍一下两种坐标的动力框架特点( 见表1 ) 表l 两种坐标的动力框架特点 诀 质量坐标框架( a r w , e m ) 高度坐标框架( m 蛳，b i ) 根据变量的守恒性质，采用 采用l a p i s e 的推导方法，方程 o o y a m a 的预报方程的公式化 取地形追随静力气压垂直坐 思想，定义通量形式的保守量标( 见图2 5 ) ，形式为： 为： r l 宣( p h p m ) 舢 矿= p v = ( u 、w ) ，0 = p 0其中弘= p h 。一p h t ，p h 为气 压的静力平衡分量，p 晒和p i c 基本思想分别为地形表面和边界顶部 的气压。由于p ( x ，y ) 视为 模式区域内( x ，y ) 格点上的 单位水平面积上气柱的质量。 所以近似的通量形式的保守 量则可写为： 矿= 口v = ( u ，v w ) ， 0 = m ，0 = 妒 网格形式 a r a k a w a - - c 跳网格技术 a r a k a w a - - e 网格技术 3 阶r u a g e - k u t t a 显式时间分 显式a d a m s b a s h f o r t h 时间 时间积分方案离差分方案差分方案 5 阶或6 阶平流差分方案 质量、动量、干熵及其标量守动能、熵，动量守恒 预报方程组特点恒二阶有限差分格式 应用通量形式的诊断方程 2 3 模式主要的物理方案“ 在w r f 模式中，主要的物理过程及参数化过程包含云微物理过程、积云参数化、长波 辐射、短波辐射、边界层参数化，陆面过程参数化以及次网格扩散等。下面对这几种参数 化过程做一简要介绍。 1 云微物理过程 ( 1 ) k e s s l 日方案( k e s s l e r ，1 9 6 9 ) 来自c o m m a s 模式，是一个简单的暖云方案，包 括了水汽、云水和雨。其中含有雨水的产生、降落以及蒸发，云水的增长，以及由凝结产 生云水的过程。 ( 2 ) l i n 方案( l i ne ta l ，1 9 8 3 ；t a o ，1 9 8 9 ) 主要包含六种水物质：水汽、云水、雨水、 云冰、雪和霰。该方案对云微物理过程描述非常精细，是w r f 模式中相对比较成熟的方 案，非常适用于理论研究。 ( 3 ) w s m 3 方案( h o n ge ta l ，2 0 0 4 ) 是一个简单冰相方案，由w r f v l 版中n c e p 方 案改进而来，水物质主要有三类；包括水汽，云水冰和雨雪，以温度是否低于0 c 为区 分云冰和云水，雨滴和雪晶的的区分采取相同方法。尽管包括了冰相过程，但是运行效率 仍然很高，可以用于业务运行。 ( 4 ) w s m 5 方案取代了原来w r y 第一版中n c e p 5 方案