四川“8.11”暴雨的视热源和视水汽汇特征分析_张军辉.pdf

文章编号：1674 2184(2023)01 0043 11四川“8.11”暴雨的视热源和视水汽汇特征分析张军辉1,唐细坝2*,彭静3（1.西南空管局气象中心,成都610202；2.中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室,北京100029；3.中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室,北京100029）摘要：基于 NCEP 再分析资料与 WRF-ARW 高分辨数值模拟资料，利用视热源和视水汽汇方程，诊断分析了 2020 年 8 月1012 日四川盆地一次暴雨过程的大气热力和降水特征。结果表明：暴雨发生初期，对流中低层聚集了大量水汽，为暴雨来临准备了丰富的水汽；暴雨强盛时期，视热源和视水汽汇在对流中高层显著增加，使得对流层中高层出现深厚的加热和加湿层，表明此次降水积云对流活跃，以对流性降水为主；暴雨发生发展过程，视热源和视水汽汇中垂直项起主要作用，充分说明了强烈的上升运动可以带来丰沛的水汽，有利于暴雨的发生发展。关键词：WRF-ARW；视热源；视水汽汇；暴雨中图分类号：P425.2+3文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1674-2184.2023.01.006 引言引言四川盆地是我国发生暴雨频繁的地区之一，其特大暴雨常常会造成洪涝、山体滑坡及泥石流等重大气象灾害，给国民经济带来严重影响。因此，20 世纪80 年代以来，国内外气象工作者就对四川盆地暴雨进行了系统性研究。例如，Chen等1、Kuo 等2及钱正安等3对“81.7”四川盆地特大暴雨的研究指出，凝结潜热释放及其在垂直方向的热量与水汽输送可以影响大尺度环境场，从而影响整个降水过程，对四川盆地暴雨起着非常重要的作用。暴雨中的凝结潜热释放主要来自积云对流，而数值模拟中积云对流计算比较困难，对降水过程中视热源和视水汽汇进行诊断分析，有助于了解大气热力和降水性质及积云对流活动在暴雨形成中的作用和大气加热的特点4。21 世纪，关于四川盆地暴雨过程中视热源和视水汽汇研究受到越来越多的关注。针对 2004 年 9 月上旬发生在渝北川东地区的暴雨过程，周兵和文继芬5利用 NCEP 再分析资料对其视热源和视水汽汇进行诊断分析，发现第 1 暴雨阶段（9 月 2 日）和第 2 暴雨阶段（9 月 3 日）大气非绝热加热的差异显著，前者以稳定性降水为主，后者以对流性降水为主。屠妮妮和段玮6利用 NCEP 再分析资料对 2006 年 9 月 45 日四川暴雨过程进行视热源和视水汽汇分析，发现这次降水过程中积云对流活跃，且降水以对流降水为主。屠妮妮等7利用 NCEP 再分析资料对 2011 年 7 月初四川盆地强降水过程进行诊断分析，发现水汽辐合区内有视热源和视水汽汇大值区，水汽凝结加热对大气加热起着重要作用，且视热源、视水汽汇与暴雨有很好的对应关系。屠妮妮和何光碧8利用 NCEP 再分析资料对 2012 年 7 月下旬四川东部一次强降水过程进行诊断分析，发现视热源和视水汽汇与垂直上升运动密切相关。目前，针对四川盆地暴雨视热源和视水汽汇的分析大多基于 NCEP 再分析资料，其水平分辨率约为 100 km，时间分辨率为 6 h，而利用高分辨数值模拟资料来分析其视热源与视水汽汇特征的研究成果仍少见报道。因此，本文拟利用 WRF-ARW 高分辨数值模拟资料（水平分辨率为 3 km，时间分辨率为 1 h），针对 2020 年 8 月 1012 日（简称“8.11”）四川盆地暴雨过程中视热源与视水汽汇分布以及降水性质进行分析，以期加深对大气热力和水汽特征在暴雨发生发展过程中作用的认识。11个例简介、模式配置、资料及方法个例简介、模式配置、资料及方法1.1个例简介2020 年 8 月 1012 日，四川中部地区连续普降暴雨和大暴雨，强降水中心都位于雅安市芦山县，实况最大降水量达到 282 mm，造成成都、自贡、攀枝花、泸州、德阳、绵阳、广元、遂宁、内江、乐山、南充、眉山、宜宾、雅安、巴中、资阳、阿坝、甘孜和凉山 收稿日期：2021 11 16资助项目：国家自然科学基金面上项目（421705013）作者简介：张军辉，高级工程师，主要从事天气动力学研究。E-mail:zhjh-通讯作者：唐细坝，副研究员，主要从事中小尺度动力学研究。E-mail:tangxb_ 第 43 卷 第 1 期高原山地气象研究Vol.43 No.12023 年 3 月Plateau and Mountain Meteorology ResearchMar.202319 市（州）142 县（市、区）共 341.9 万人受灾，直接经济损失高达 164.2 亿元。1.2模式配置采用 WRF4.0 模式对四川地区 2020 年 8 月 10 日00 时12 日 00 时降水过程进行高分辨数值模拟，模拟区域如图 1 所示，水平方向采用双层嵌套，水平分辨率分别为 9 km 和 3 km，对应网格点为 331331 和421421，水平区域中心点坐标为 30.5N、103E，垂直方向为 38 层，模式物理方案配置见表 1。模式模拟启动时间是 2020 年 8 月 10 日 00 时，模拟时长 48 h，积分时间步长 30 s。40N35302520115E11010510095 图 1 WRF 模式模拟区域范围（d01 为最外层区域，水平分辨率为9 km；d02 为最内层区域，水平分辨率为 3 km）1.3资料模式初始和边界资料采用国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）全球预报系统（Global Forecast System，GFS）的格点 0.50.5再分析资料。本文降水实况数据采用中国气象数据共享服务网提供的基于全国 3 万余个自动观测站逐小时降水量和 CMORPH 卫星联合反演 0.10.1实况降水产品14。本文所用模拟资料均来自最内层，水平分辨率为 3 km。1.4视热源与视水汽汇方程参考 Yannai 等15的研究结论，视热源（Q1）和视水汽汇（Q2）计算公式如下：|Q1=cpTtcp(V T)Q2=LqtLV qLqp（1）cp=1004 Jkg1K1L=2.5106Jkg1=(RT/cpp)(T/p)KPa1Ktsp式中：，为干空气定压比热；，为凝结潜热；，为静力稳定度（单位：）；T 是温度（单位：）；是时间（单位：），是坐标系下的垂直速度（单位：Pas1pPaVms1qgkg1Q1Jkg1s1Q2Jkg1s1Q1/cpQ2/cpK(6h)1Q1/cpT/tV TQ2/cpLcpqtLcpV qLcpqp），是气压（单位：），是水平风速矢量（单位：）；是比湿（单位：）。这里代表总的非绝热加热（单位：），而代表由于凝结或蒸发过程导致的潜热加热（单位：）。为了更直观反映降水过程中大气加热加湿的垂直分布情况，分别用和代表分析降水过程所需视热源和视水汽汇（单位：）。根据公式（1）可知，主要是由温度局地变化项（）、温度水平平流项（）及温度垂直平流项（）三部分组成。主要是由比湿局地变化项（）、比湿水平平流项（）和比湿垂直平流项（）三部分组成。另将公式（1）垂直积分可得整层的视热源和视水汽汇，具体公式如下：|=1gps100Q1dp=1gps100Q2dp（2）PsPagms2Wm2Wm2式中：是地面气压（单位：），是重力加速度（单位：）。为整层的视热源（单位：），为整层的视水汽汇（单位：）。对于和的研究将有助于了解此次四川“8.11”暴雨大气加热加湿的水平分布情况。22结果分析结果分析2.1天气形势图 2 给出了 2020 年 8 月 10 日 12 时和 11 日 00 时（均为 UTC，下同）大尺度环流场。高层（200 hPa，图 2a和图 2d），高空急流轴稳定维持在 3646N，离暴雨发生区域大概 3 个纬度，这与 Matsumoto 等16根据高空急流的位置确定暴雨主要发生在高空急流轴南侧300 km 附近的结论一致；暴雨发生区域上空处于南亚高压（1258 dagpm）的控制下，具有非常有利的高空辐散条件。中层（500 hPa，图 2b 和图 2e），呈现“两槽一脊”的环流形势，暴雨发生区域位于低压槽槽前，受西南暖湿气流控制。低层（850 hPa，图 2c 和图 2f），在 8 月 10 日 12 时，暴雨发生区域水汽主要来自孟加 表 1 模式物理参数化方案配置 名称最外层区域（9 km）最内层区域（3 km）积云对流参数化方案Kain-Fritsch(new Eta)9/微物理参数化方案WSM 6-class graupel10WSM 6-class graupel长波辐射方案RRTM11RRTM短波辐射方案Dudhia12Dudhia边界层方案YSU13YSU44高原山地气象研究第 43 卷拉湾，相对湿度超过了 90%（图略）；12 h 后，水汽输送带增加到 2 个，分别是源自孟加拉湾的西南水汽输送以及热带气旋“米克拉”与西太平洋副高偏东南水汽输送，两股水汽叠加使得暴雨发生区域的水汽通量最大值超过了 6 gs1hPa1cm1。2.2降水模拟情况为了更好地了解高分辨数值模式对于四川“8.11”暴雨的模拟情况，图 3 给出了 8 月 1011 日和 1112日的 24 h 累计降水实况和模式模拟分布。对比分析8 月 1011 日模式模拟结果（图 3c）与实况（图 3a）可知，模拟的强降水雨带与实况基本一致，均为西南-东北走向，强降水中心位于四川雅安市芦山县，实况最大降水量达到 282 mm，模拟最大降水量为 293 mm。对比分析 8 月 1112 日（图 3d）与实况（图 3b）可知，模 660N4530150(c)135E120105907560N4530150(e)135E120105907560N4530150(d)135E120105907560N4530150(f)135E120105907560N4530150(a)135E1201059075403060N4530150(b)135E1201059075 图 2 2020 年 8 月 10 日 12 时（左）和 11 日 00 时（右）大尺度环流场（蓝实线表示位势高度，单位：dagpm；箭头表示水平风场，单位：ms1；红色方框表示暴雨主要发生区域；a、d.阴影表示 200 hPa 高空急流，单位：ms1；b、e.红虚线表示 500 hPa 温度，单位：K；c、f.阴影表示 850 hPa 水汽通量，单位：gs1hPa1cm1）第 1 期张军辉，等：四川“8.11”暴雨的视热源和视水汽汇特征分析45拟的强降水雨带与实况基本一致，不过强降水中心位置有所偏离，北川羌族自治县的强降水模拟结果偏弱。图 4 给出了 8 月 10 日逐 6 h 累计降水实况与模式模拟分布。对比分析暴雨过程中雨带移动和强度变化可知：暴雨发生前，四川境内实况只有零星地区有小雨，而模拟预报基本也是以小雨为主，不过虚假降水偏多（图 4e 和图 4f）；暴雨强盛阶段，模拟预报降水偏强，不过模拟出了雅安市芦山县附近强降水中心雨带及强度（图 4g 和图 4h）。图 5 给出了 8 月 11 日逐 6 h 累计降水实况与模式模拟分布。对比分析暴雨过程中雨带移动和强度变化可知：强降水中心雨带移出雅安市，朝东南方向移动，主要集中在成都市、德阳市至北川羌族自治县一带；随后，川北地区降水逐渐减小，强降水主要位于成都至绵阳一带。2.3视热源与视水汽汇Q1/cpQ2/cp四川盆地的视热源、视水汽汇的分布以及降水的性质是研究四川暴雨问题的一个重要方面。针对四川“8.11”暴雨，本节将对整层视热源和视水汽汇与视热源和视水汽汇进行详细分析。2.3.1整层视热源和视水汽汇图 6 给出了四川“8.11”暴雨过程中不同时段的 6 h累计整层视热源、视水汽汇与对应时段 6 h 累计降水分布。分析可知，这次暴雨过程中 103Wm2、与降水雨带有非常好的对应关系，均呈西南-东北走向，且、的大值区域位于强降水中心位置