地形对特大暴雨的地形敏感性试验研究

地形对特大暴雨的地形敏感性试验研究

暴雨的降水机制雨与地形密切相关。国内外的气象科学家长期以来一直在进行这一领域的分析和研究。spre（1947）使用地形高度和坡度作为预测因素，解释了落基山脉年降水量的88%。dandd的研究还证明了基于地形特征的山区降水量计算的有效性。丁一辉等人指出，1975年8月对河南特别大风暴的研究表明，特殊地形会导致气流波动，并形成强制上升。这是次降水强度的主要因素。随着观测资料的丰富和数值模式的发展,使我们可以从更小的时空尺度上研究中、小尺度地形对暴雨雨量及落区的影响。张立凤等对一次华南暴雨的数值模拟表明,地形抬升作用占最低层上升速度的一半,且对系统有阻挡作用。高坤等利用MM4模式模拟了华东中尺度地形对浙北暴雨的增幅影响,发现地形引起的12h降水增幅高达总降水的90%以上。江淮地区地形复杂,而且多是中小尺度地形,对暴雨的日频数分布和雨量分布都有很大的影响。图1是江淮地区在长江河谷的两侧的地形概况,从中可以看出长江自武汉下游NW~SE走向流经大别山和幕阜山之间,又在庐山北侧的九江处转为SW~NE走向流经大别山和九华山(黄山)之间,到芜湖以后才流向宽广的苏皖平原。一般来讲,地形对暴雨主要是迎风坡的抬升增幅作用,比如皖南山区的年降水量分布表明,最大年降水量是以最高锋莲花峰为中心向西南迎风坡(SW坡)延伸的椭圆。那么,这种地形动力作用的具体机制是什么,各个地形对暴雨的作用是否相同,同一个地形在暴雨的不同阶段所起的作用是否相同。本文通过对1999年6月23~24日的梅雨锋暴雨进行地形敏感性试验,从数值模拟的角度探讨江淮中尺度地形对降水的影响,以期得到一点有益的结果。1基于时间剖面和降水模型的分析1.1环流形势分析1999年,长江中下游地区6月7日即已入梅(比常年提前11d)进入梅雨季节。但在6月的18日至22日,副高有一次明显的南撤过程,在23日以后才回跳至20°N,此后一直稳定在20°N以北,从而出现了6月23日至7月2日江淮地区的持续性暴雨。由于23日附近是环流调整期,中高纬度上空有利于梅雨维持的两脊一槽(乌拉尔山和雅库次克为脊区,乌拉尔山以东到亚洲中北部地区是槽区)的形势刚刚建立,中纬地区西风带中的高空槽活跃,印度半岛和孟加拉湾地区为低压控制,西南季风较强,从而形成了典型的梅雨环流形式。本文选取的个例是1999年6月23日08时~24日08时的一次暴雨过程。23日上午苏北地区有一个江淮气旋,位于华南地区的低空急流北进至安徽南部,由于此时副高还不是很强,西风带中系统东移很快,23日晚气旋中心出海。从23日20时850hPa的流场图(图2)上可以看出,气旋出海后在江南地区形成一个切变线,切变线刚好处于江淮地区的复杂地形附近,在湖北东部、安徽北部出现了暴雨或大暴雨,雨带处于切变线的南侧。由于23日~24日这次暴雨过程处于前文所述的环流调整的初期,因此,对其进行准确预报具有很大的难度。1.2降水中心与降水随时间的演变从整个梅雨锋降水过程来看,本次降水的主要区域有两个,一个在江西北部、安徽南部,另一个暴雨区在广西北部、湖南中南部。下面重点对江淮地区的降水中心进行分析。图3a是23日08时至24日08时由加密观测资料得到的累积降水实况图,可见雨区基本呈东北西南走向的椭圆形分布。除了在安徽望江(116.78°E,30.13°N)为139mm的最大降水中心以外,在117.9°E,30.3°N还有一个较大的第二个降水中心,从降水资料中查得此中心站点位于117.78°E,30.48°N(图3a中的降水中心经插值平滑后与实际站点资料中的位置和强度略有区别),海拔643m,正处于长江河谷东侧九华山的西面迎风坡上,24h降水量达到了118mm。第一个降水中心大于100mm和降水区域基本位于大别山和九华山之间的长江河谷上空,而第二个降水中心大于80mm的降水区域基本位于九华山和黄山的迎风坡上。另外,40mm的雨区在西面有一个明显的凸出,与幕阜山的东部山坡是对应的。此外,我们利用每6h一次的降水加密报资料分析这二个降水中心降水随时间的演变规律。选取两个具有代表性的测站,一个测站位于30.5°N,117.0°E,海拔20m,可以代表第一个降水中心,每隔6h的降水量分别为:5、80、11、27mm。另一个位于30.13°N,118.05°E,海拔1836m(即黄山山顶测站),可以代表第二个降水中心,每隔6h的降水量分别为:4、12、37、46mm。可见第一个降水中心的主要降水时间对应于模式积分的第6至12h;而第二个水中心的主要降水时间段对应于模式积分的第12h以后,维持时间比较长。2试验设计和试验数据本文使用的数值是美国俄克拉何马大学风暴分析预报中心研制的有限区域预报系统(ARPS)。模式水平网格距取36km,中心经纬度为114°E,30°N,水平格点数55×47,垂直23层,采用垂直伸缩变换技术,在1500m以上,取ΔZ=700m,在1500m以下取ΔZmin=300m。数值积分采用分离时间积分方案。降水参数化使用的是Kessler暖雨方案。初始场利用1999年6月23日08时地面观测、标准等压面探空观测以及国家气象中心发布的全球谱模式(T106)预报场进行最优插值得到的客观分析场;采用时变边界条件,时变倾向根据23日08时、23日20时和24日08时三个时次的观测资料插值得到,积24h至24日08时。由于试验的区域西边界在100°E附近,是青藏高原的大地形所在地,如果计入这部分地形进行平滑处理则江淮地区的中尺度地形被大大削弱,而且容易引起在边界的计算不稳定,所以我们这里只考虑江淮地区的理想地形。为了具体描述江淮地区各个中尺度地形的作用,我们把每一个地形都尽量设计得与实际地形的高度、形状相一致,但没有更细地考虑小尺度的地形,以便突出中尺度地形的整体效果。控制试验是无地形,对比试验分别为单独考虑黄山地区地形(包括九华山、黄山和天目山),幕阜山地区地形(幕阜山),大别山地区地形(大别山),以及以上三个地区的所有地形,分别记为地形试验1、2、3、4,各地形高度和位置如图2中粗线所示。3试验结果的分析3.1降水试验结果分析图3b~f分别为控制试验和4个对比试验的降水结果,我们这里重点考虑江淮地区降水模拟情况,和江淮地区的实际降水分布(图3a)相比,控制试验的降水中心在116.6°E,29.8°N,与观测的第一个降水中心(116.78°E,30.13°N)基本吻合;中心降水量(110mm)与实际比较接近。但没有第二个降水中心,所以雨区范围也比实际要小。含有黄山、九华山的地形试验1有两个降水中心,第一个降水中心的位置与强度和控制试验降水中心的位置与强度基本相同,第二个降水中心在118.0°E,30.1°N,与实况降水中的第二个中心(117.9°E,30.3°N)位置接近,降水量也接近;两个降水中心所形成的大于50mm的降水范围与实况的范围也比较接近,但其在西面的雨区没有像实况降水中那样有一个明显凸出的降水区。含有幕阜山的地形试验2的结果相对控制试验而言,增加了在幕阜山东部上空的降水量,使降水区的范围向西延伸了,但由于没有第二个降水中心,对整个降水的强度与范围没有大的改变。地形试验3的结果和控制试验相比变化很小,只是使大别山南麓的降水略有增加。包含所有地形的试验4的模拟结果是最好的,既有地形试验1中的两个降水中心,又把地形试验2和地形试验3的效果体现出来了。综合以上四个试验方案可以看出,黄山、九华山地形对这次降水起的作用最大,是第二个降水中心形成的关键所在;大别山对这次降水所起的作用最小。所以我们后面主要分析黄山、九华山、天目山在这次降水过程中所起的作用,即主要用地形试验1的模拟结果与控制试验的结果进行对比分析,同时也对几个地形试验进行了一些比较分析。对地形试验1的降水过程分析表明,江淮地区的二个降水中心从第4h就开始出现相应的降水区,与第一个降水中心相对应的降水区位于九江附近(116.2°E,29.6°N),与第二个降水中心相对应的位于黄山附近(117.9°E,30.2°N)。此后,九江附近的降水中心向东北方向移动加强,黄山附近的降水中心稳定少动,发展缓慢。到第12h,两个降水中心都移至与图3c中24h累积降水量的中心相一致。在积分的16h以前,第一个降水中心的降水率要比第二个降水中心的降水率大,第16h之后第一个降水中心趋于减弱,第二个降水中心的降水率继续增长并超过了第一个。这个降水过程与前面我们对降水时空分布特征的分析是吻合的。但由于分辨率和显式降水方案等模式方面的原因,降水的中心位置和雨量仍略有偏差,降水时间也比实际滞后。3.2结果分析和讨论由于中尺度地形的存在引起风的爬坡、绕流等中尺度动力效应,对风场、散度场、垂直速度场都有一定影响。我们下面用无地形控制试验和含有黄山,九华山、天目山的地形试验1进行对比分析。图4a是控制试验第12h850hPa的散度场图,在切变线和西南急流之间是一个大的辐合区。图4b是地形试验1在江淮地区放大后的散度场图,可见除了图4a中的辐合中以以外,在黄山的迎风坡和背风坡分别也各有一个辐合中心。迎风坡的辐合中心是西南气流的爬坡造成的,而背风坡的辐合中心是切变线暖侧的偏西气流和绕过地形的绕流进入黄山和天目山之间北侧凹形山区的辐合造成的。从散度的垂直分布图(图略)来看,背风坡的辐合中心只在很浅薄的一层存在,所以不能产生强的垂直上升运动。强的垂直上升运动是与降水相对应处于地形的西南迎风坡。下面我们分析地形这种动力作用随时间的演变情况。图5是两个降水中心(116.7E,29.8N;118.0E,29.6N)在700hPa上垂直速度随时间的演变图。(由于初始场的垂直速度为0,需要经过一段时间的调整,所以图中我们以6月23日12:00作为起点。)可见第一个降水中心的垂直速度在22:00以前是增大的,而在22:00以后趋于减弱,这和前面第一个降水中心降水率的演变规律基本一致,只是降水率的演变要滞后于垂直速度约2h。而第二个降水中心附近的垂直速度是在22:00以后才开始明显增大,并一直持续至试验结束,也与降水率的演变一致。我们从切变线和地形的相对位置来分析两个降水中心动力场演变的差别。由于第一个降水中心附近的垂直速度和散度只受切变线和地形的影响,在700hPa切变线的前侧是最大的辐合强度和垂直上升运动处,由700hPa流场演变图(图略),在前12h中,切变线在长江以北新生并缓慢向东移动发展,导致第一个降水中心附近的辐合强度和垂直上升运动加强;在22:00以后切变线上的辐合趋于减弱,切变线上的垂直上升动也随着减弱。而对于第二个降水中心,在前14h,由于切变线在地形以北,即背风坡的北侧,第二个降水中心附近的垂直上升运动主要是地形的抬升作用;23:00以后切变线移近山顶并继续向迎风坡移动时,切变线上天气尺度的辐合抬升作用和中尺度地形的动力抬升作用相叠加,从而使垂直速度在短时间内迅速增长;在6月24日04:00切变线移至迎风坡的上空使垂直速度递增率达到了最大,并覆盖在整个地形的上空。从6月23日14:00和6月24日04:00在118.0°E的流场经向剖面图上(图略)可以明显看出切变和地形的相对位置对地形迎风坡垂直运动的影响。由于黄山、天目山地形刚好处于低空急流附近,对控制试验和地形试验1的风场比较发现,地形的出现可以导致低空风速的增大,从而使低空急流上出现风速脉动,在实际的观测资料中也有这一现象。在地形试验1,6月23日16:00800hPa上的等风速线图中(图略),天目山东南侧有一个风速为16m/s的大风核,而控制试验中在800hPa上没有这一大风核存在,到750hPa才出现16m/s的低空急流。这种风速脉动可能是产生低空急流上重力波的原因之一。而且,我们在分析气压、垂直速度、散度场等地形试验和控制试验的差值场图时可以看到明显的重力波,关于这方面的具体分析我们另文给出。对幕阜山、大别山地形的动力作用分析表明,与黄山、九华山一样在迎风坡都有动力爬坡效应。地形试验2积分至12h切变线刚好到幕阜山上空(图略),切变线继续南移以后,整个地形将落在北面的干冷空气中,即山的南坡成为偏北气流的背风坡。这就造成了幕阜山南坡垂直上升运动是先增大后减弱,从而降水率演变也是先增大后减小。大别山南坡动力场的演变及对降水率的影响也和幕阜山类似,而且由于大别山位置偏北,在12h以前切变线就已移过大别山了。3.3地形对蒸汽散度的影响控制试验和地形试验1的水汽场对比分析表明,在切变线处于地形以北时,地形造成的水汽辐合在地形西南迎风坡,与动力场中西南暖湿气流的辐合是相对应的;而当切变线在地形上空和地形的动力抬升作用相叠加时,地形造成的水汽辐合区在整个地形上空都呈现为正距平。图6a、b分别给出了切变线在地形以北时(6月23日18:00)和切变线在地形上空时(6月24日04:00)地形试验1和控制试验的水汽通量700hPa上的差值场图。另外,对第20h的水汽散度的差值场(图略)分析表明,水汽辐合的正距平是从山区的南坡向东北方向延伸的带状区,中心位于天目山的东南侧,与低空急流的位置吻合。这也说明地形是通过对低空风场的扰动来影响水汽散度的。由前面动力场的分析,先