基于WRF模式的暴雨天气过程的数值模拟及诊断分析

袁成松，王秋云，包云轩，严明良

(1.江苏省气象科学研究所，江苏南京210008;2.江苏省农业气象重点实验室，江苏南京210044;3.南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京210044)

0 引言

2009年9月17日江苏省南部各城市都出现了大暴雨，这是进入9月以来最强的一次降雨过程，大雨几乎持续了一整天。这场暴雨来得突然，给生产和生活带来诸多不便。由于这场暴雨发生在交通高峰期，因此，对江苏南部地区的交通产生了巨大影响，使交通一度瘫痪。暴雨是影响人类的严重灾害性天气之一，所以对暴雨的准确预报显得十分重要(Molinari and Dudek，1992;孙建华等，2004)。

目前暴雨的准确预报难度较大，而暴雨的研究主要基于实测资料和数值模拟两种途径(张晓红等，2009;张羽等，2010)。近年来，已经有很多学者利用MM5或WRF中尺度气象数值预报模式来模拟暴雨天气过程，结果表明:利用中尺度数值模式对降雨天气过程的模拟具有一定的能力(陈业国和农孟松，2010;沈桐立等，2010)。在我国由于计算机条件的限制，利用高分辨率数值模式进行暴雨等中尺度天气现象的研究还比较困难，采用多重嵌套是在现有计算机条件下尽可能提高重点预报区域分辨率的有效途径(Cui et al.，2007;史荟燕等，2009)。王建捷和李泽椿(2002)对1998年6月的一次梅雨锋暴雨中尺度系统进行了模拟和诊断分析;张小玲等(2002)研究表明，中尺度系统强烈发展引发了1998年7月20—21日武汉地区的突发性暴雨，并确认了暴雨发生时期的中小尺度特征;王智等(2003)对一次西南涡及其伴随低空急流的发展演变进行了数值模拟，揭示了西南涡和低空急流与1999年初夏江淮流域多日持续性暴雨的关系。但是以上研究所采用的模式分辨率都较低，且着重分析某一大范围区域暴雨的中尺度特征，并没有针对暴雨对公路交通能见度变化的影响进行探讨。

本文利用新一代中尺度天气研究和预报模式WRF，对2009年9月17日发生在江苏南部地区、覆盖沪宁高速公路的一次大暴雨天气过程进行了数值模拟研究，与过去的研究相比，分辨率大大提高。文中结合相关实测资料与模式输出的物理量，分析了暴雨形成的环流背景和水汽、动力、热力条件等，从而为公路交通降雨预报提供了一些定量化的参考指标。

1 雨情概况及大尺度环流背景

1.1 雨情概况

根据江苏省地面气象观测网提供的实测降水资料，2009年9月17日江苏大部普降大到暴雨。图1给出了2009年9月17日08—19时南京站的逐时降水量，可知南京站12 h累积降雨量超过了50 mm。降水主要在17日08—09时、13—15时集中发生，下班高峰期(17时左右)也出现了较强降雨。

图1 南京站2009年9月17日08—19时实测的逐时降雨量(单位:mm)Fig.1 Observed hourly precipitation at Nanjing station from 08:00 BST to 19:00 BST 17 September 2009(units:mm)

根据AWMS系统提供的实时监测数据，图2给出了2009年9月17日02时—18日02时24 h沪宁高速公路黄粟墅、河阳、常州北三站的水平能见度变化曲线。17日06时之前，河阳站水平能见度在3 000～3 500 m范围内波动，此时未降雨;07时开始，降雨发生，能见度陡降至500 m以下，之后能见度小幅度缓慢回升，但仍维持在1 000 m以下;11时左右，雨势转小，能见度开始上升;13时左右，雨势开始增强，能见度随之降低;随后能见度维持在1 000 m左右。黄粟墅站在17日09时、13时、17时出现的能见度低谷，正好对应着3个降雨高峰期。常州北站的能见度也在多个时段出现了1 000 m以下的低值。由于各站所处的局地地形不同，出现降雨的时段不同，所以它们的能见度变化存在一些差异，但总体来说，能见度大小与降水强度存在着明显的反相关关系。

1.2 大尺度环流背景

图2 2009年9月17日02时—18日02时沪宁高速公路自动气象站观测的水平能见度逐时变化(单位:m)Fig.2 Hourly change of horizontal visibility by auto-meteorological monitoring stations in the Shanghai-Nanjing expressway from 02:00 BST 17 to 02:00 BST 18 September 2009(units:m)

图3给出了2009年9月17日02时500 hPa位势高度场与850 hPa风场。可见，暴雨发生前，高纬度乌拉尔山至西西伯利亚地区和俄罗斯远东至鄂霍次克海地区分别为强大稳定的阻塞高压所占据，中、东西伯利亚上空为一大低涡控制，极地冷空气强;中低纬地区，带状副热带高压位于日本以南西北太平洋至我国东南沿海地区，脊线位于33°N附近。副高西北侧盛行的西南低空急流将大量暖湿空气不断地输送到江淮地区，与从极涡中分裂南下的干冷空气相遇，从而为暴雨的产生提供了极为有利的条件。

图3 2009年9月17日02时500 hPa位势高度场(绿色实线;单位:gpm)与850 hPa风矢量场(箭矢;单位:m·s－1)(彩色区表示风速大于12 m·s－1;灰色区表示地形高于1 500 m)Fig.3 Geopotential height at 500 hPa(green solid lines;units:gpm)and wind vector at 850 hPa(arrows;units:m·s－1)at 02:00 BST 17 September 2009(color shaded areas denote the wind speed greater than 12 m·s－1and gray shaded areas the terrain above 1 500 m)

2 资料来源与模式简介

2.1 资料来源

实测资料来源于江苏省气候中心提供的常规观测资料以及江苏省气象科学研究所自主研发、并在沪宁高速公路上按每10 km布设1套的自动天气监测系统(AWMS)每分钟实时监测的气象数据，包括降水、大气水平能见度、气压、气温、地温、相对湿度、风向、风速等气象要素(吴赞平等，2006)。

运行WRF模式所用的NCEP资料来自NCAR/NCEP(美国国家大气研究中心和国家环境预测中心)每日4个时次(02、08、14、20时)的1°×1°气象再分析资料。

2.2 WRF模式简介

由美国国家大气研究中心(NCAR)和美国环境预测中心(NCEP)等单位联合开发的新一代中尺度数值天气预报模式WRF(Weather Research and Forecast Model)，在目前世界的天气预报业务和大气科学研究中得到了广泛应用(章国材，2006)。该模式不仅具有独特的数值化动力框架，还提供了多种可供耦合的先进的物理过程方案。与前一代中尺度数值预报模式MM5相比，WRF模式考虑了比较详细的陆面过程，能描述不同下垫面的热量、水分等要素的传输过程，并将其耦合到边界层参数化方案中，加强了边界层物理过程的模拟，进而改善了整个模式的模拟性能(Joseph，2004;Janjic，2004;Paula et al.，2005)。

本文应用了中尺度数值预报模式WRF2.2(Weather Research and Forecast Model for version 2.2)。模式采用双重嵌套方式，水平范围以(120.0°E，33.0°N)为中心，模拟区域包括了116～124°E、30～36°N，且覆盖沪宁高速公路。粗网格格距为9 km，格点数为75×75;细网格格距为3 km，格点数为121×91;积分步长为60 s。在模式微物理过程的参数选择上，粗细网格均采用Ferrier(new Eta)方案;长波辐射均选用RRTM方案;短波辐射均选用Dudhia方案;近地面方案选用Monin-Obukhov方案;陆面过程采用Noah陆面参数化方案，并耦合了城市冠层模型;积云参数化方案粗网格选择Betts-Miller-Janjic方案，细网格不采用积云参数化方案;边界层方案选择MRF方案。模式模拟个例的时间为2009年9月17日02时(北京时间，下同)至18日02时共24 h，粗网格每3 h输出一次结果，细网格每1 h输出一次结果。

3 数值模拟结果与诊断分析

3.1 降水模拟结果的验证

图4 2009年9月17日02时至18日02时的24 h累积降水量(单位:mm)a.实况;b.模拟Fig.4 Distribution of 24-hr accumulated precipitation from 02:00 BST 17 to 02:00 BST 18 September 2009(units:mm)a.observed;b.simulated

评价一个中尺度天气模式的好坏，主要看它对降水的模拟和预报能力。图4a、b分别是实测和模拟的2009年9月17日02时至18日02时的24 h累积降水量。可看出模式对雨带走向、降雨落区和雨量大小的模拟比较好，与实况基本一致。但是在整个模拟区域内，WRF模拟的降水量比实况偏低10 mm左右;且对于(120.0°E，32.4°N)附近的降雨落区，WRF模拟出几个虚中心;此外，WRF未模拟出位于(120.3°E，32.0°N)的降水中心;对于(121.3°E，31.7°N)附近的暴雨中心，模拟的位置略偏西北，比实况范围偏小;在(119.3°E，31.6°N)、(119.7°E，31.0°N)、(118.9°E，30.9°N)等附近的降水模拟都与实况存在一些微小差异。这可能是模式地形与实际情况存在误差、地面实测站点有限且分布不均匀等因素有关。总体来说模拟结果基本体现了此次暴雨过程的主要特征，模拟效果较为理想。

3.2 暴雨的流场特征诊断

分析不同高度的水平流场可发现，长江中下游地区存在一个β中尺度涡旋的发展、移动过程。2009年9月17日12时有一气旋性涡旋在119.8～120.4°E、31.2～31.5°N生成(图5a)，北缘紧逼沪宁高速公路中段，其水平尺度在70 km左右，垂直尺度为10 km左右(结合模式输出的多层位势高度场和水平流场估算得到)，形态比(即中尺度系统的垂直尺度H与水平尺度L之比H/L;陆汉城和杨国祥，2000)约为0.143，700 hPa高度涡旋区内最大水平气压梯度约为2.0 hPa/(10 km)，此涡旋属于典型的β中尺度涡旋，与此次暴雨过程降水的加强、维持关系密切;之后的4 h内涡旋有明显增强，并缓慢东移，于16时达到最强(图5b)，此时，涡旋位于119.6～120.5°E、30.8～31.4°N，水平尺度达110 km以上，垂直尺度达11 km左右，形态比(H/L)约为0.1，700 hPa高度涡旋区内最大水平气压梯度约为1.3 hPa/(10 km)，影响区覆盖整个苏南丘陵地区，此时苏南中西部暴雨强度达最强;17时前后涡旋开始明显减弱，涡旋有一短时加速东移过程，影响范围也东移，18时以后移速趋缓，涡旋区范围达最小，降水强度明显减弱;至20时(图5c)，涡旋位于120.8～121.2°E、30.8～31.0°N，水平尺度只有45 km左右，垂直尺度不到6 km，形态比(H/L)约为0.133，700 hPa高度涡旋区内最大水平气压梯度不到1.1 hPa/(10 km)，此时它对这场暴雨的影响也接近尾声，苏南地区的降水也渐渐停止;21时以后，它完全东移入海，对此次降水过程的影响彻底终止。由此可见:β中尺度涡旋对此次暴雨过程的加强与维系起着重要的作用，这一结果与史小康等(2007)的研究发现一致。

图5 模拟的9月17日12时(a)、16时(b)和20时(c)850 hPa流场Fig.5 The simulated streamline at 850 hPa at(a)12:00 BST，(b)16:00 BST，and(c)20:00 BST 17 September

3.3 暴雨的水汽条件诊断

图6为2009年9月17日08时相对湿度沿120°E的垂直剖面。可见，对流层中低层相对湿度高达80%～95%，暴雨区上空中低层的潮湿空气为大暴雨的形成提供了较好的水汽条件。在整个暴雨过程中，江淮流域一直存在着水汽输送带。模拟结果显示:2009年9月17日08时对流低层(850 hPa、925 hPa)有两支明显的东西向的水汽输送通道存在，一支在暴雨区西南侧，从西南向东北辐合进入暴雨区，另一支从偏东向西呈扇形向暴雨区辐合(图略);到17日14时，850 hPa水汽通量场中江苏的沿江和苏南地区(即暴雨区)成为极显著的水汽汇聚区(图略)，之后一直源源不断的有水汽向该区域输送，为暴雨的增强与维持创造了条件。水汽通量散度场能更好地反映这一点，2009年9月17日08时850 hPa沿江和苏南地区开始出现水汽辐合区，到了14时，水汽辐合达最强(图7)。图8为17日14时的水汽通量散度沿120°E的垂直剖面，可看出水汽辐合带在500 hPa以下非常显著，且随高度增加水

3.4 暴雨的动力条件诊断

汽辐合带向北倾斜，在暴雨区形成了深厚的高湿环境，为对流的不稳定增长以及暴雨的维持奠定了基础(易军等，2009)。

3.4.1 垂直速度

大气中能量的输送主要是通过空气运动得以实现，垂直运动对水汽、热量、动量等物理量的输送及对天气系统的发展都起着极为重要的作用(Hoskins，1974)。由2009年9月17日14时垂直速度沿120°E的垂直剖面(图9)可知，暴雨区低层到高层都出现了较为强烈的垂直运动。500～700 hPa是对流发展最旺盛的大气层，其垂直运动的速度大小反映了系统对流运动状况并影响高层的垂直运动。对模拟结果诊断分析发现:17日14时前后，垂直运动发展迅速，500～700 hPa垂直运动的强度最强、范围最广。强烈的垂直运动使得大气层结不稳定能量快速释放，致使对流天气增强并得以维系。

3.4.2 涡度和散度

图6 模拟的2009年9月17日08时相对湿度沿120°E的经向垂直剖面(单位:%)Fig.6 Latitude-height cross-section of simulated relative humidity along 120°E at 08:00 BST 17 September 2009(units:%)

图7 模拟的2009年9月17日14时850 hPa的水汽通量散度(单位:10－8g·cm－2·hPa－1·s－1)Fig.7 Simulated divergence of moisture flux at 850 hPa at 14:00 BST 17 September 2009(units:10－8g·cm－2·hPa－1·s－1)

图8 模拟的2009年9月17日14时的水汽通量散度沿120°E的经向垂直剖面(单位:10－8g·cm－2·hPa－1·s－1)Fig.8 Latitude-height cross-section of simulated divergence of moisture flux along 120°E at 14:00 BST 17 September 2009(units:10－8g·cm－2·hPa－1·s－1)

从高低空涡度、散度场的配置来看:暴雨开始前(17日02时)，低层正涡度的强度较弱、范围较小，中层500 hPa为弱辐散区;08时，800～900 hPa的正涡度开始增大，500 hPa仍为弱辐散区，但高层200 hPa上辐散增强，低层900 hPa附近出现小范围的辐合;之后的几小时内，低空正涡度随着降水的增强而增强，辐合层逐渐加厚、辐合中心加强;到了14时，在暴雨区上空900 hPa散度场出现高达－40×10－5s－1的强辐合中心(图10)，200 hPa附近存在20×10－5s－1的强辐散中心，可见暴雨所在地具备中尺度环境下有利于对流发展的低层辐合、高层辐散的动力配置结构(陈红专和汤剑平，2009)。同时，暴雨区上方850 hPa上正涡度显著增强并达到最大值(图11)，在200 hPa附近的负涡度中心仍高达－10×10－5s－1，中心位于120.3°E、31.4°N附近，正涡度区从900 hPa一直向高层延伸到350 hPa，在暴雨区形成了一个从下到上的正涡管，促使强对流发展。说明涡度场与散度场在垂直结构配置上一致，对于暴雨的加强和维持有重要的促进作用。

图9 模拟的2009年9月17日14时垂直速度沿120°E的经向垂直剖面(单位:cm·s－1)Fig.9 Latitude-height cross-section of simulated vertical velocity along 120°E at 14:00 BST 17 September 2009(units:cm·s－1)

图10 2009年9月17日14时900 hPa的散度场(单位:10－5s－1)Fig.1 0Divergence field at 900 hPa at 14:00 BST 17 September 2009(units:10－5s－1)

3.5 暴雨的热力条件诊断

图11 2009年9月17日14时850 hPa涡度场(单位:10－5s－1)Fig.1 1Vorticity field at 850 hPa at 14:00 BST 17 September 2009(units:10－5s－1)

假相当位温θse是在大气的干、湿绝热过程中都守恒的一个重要特征参数，θse的垂直分布可以反映大气的对流性不稳定。当气层中θse随高度减小时，整层空气抬升后，气层表现为整层位势不稳定;反之，当θse随高度增大时，整个气层被抬升后，气层能量将会变得更加稳定(朱乾根等，2000)。由17日14时θse沿120°E的垂直剖面(图12)可知，对流层中部500～700 hPa近似等于零，大气为中性层结;而低层＜0，为位势不稳定大气，所以气层内有对流发展。注意到31.8～32.0°N附近，500 hPa以下θse几乎不变，表明该地区中低层垂直方向上有强烈的上升运动，使低层水汽、能量向上混合输送。

3.6 暴雨的配置场特征诊断

图13模拟了暴雨天气过程中动力和水汽条件的配置情况。在31.8～32.2°N的暴雨区附近，1 000～400 hPa形成一条狭长的垂直运动带，上升运动剧烈，中心速度达到60 cm·s－1(图13a)。同时，在此区域内，出现大范围水汽通量辐合(图13b)，可见强烈上升运动和充分水汽条件的合理配置对该区的暴雨发生至关重要(王巍巍等，2007)。

4 结论与讨论

应用中尺度数值预报模式WRF2.2，结合常规气象观测资料、AWMS系统监测资料、NECP气象再分析资料，模拟分析了2009年9月17日发生在江苏大部(包括沪宁高速公路在内)的一次暴雨天气过程。通过对模拟结果诊断分析，得到如下结论:

1)分析不同高度的水平流场发现，长江中下游地区存在一个β中尺度涡旋的发展、移动过程，此β中尺度涡旋对暴雨过程降水的加强、维持起着重要的作用。

图12 模拟的2009年9月17日14时假相当位温沿120°E的经向垂直剖面(单位:K)Fig.1 2Latitude-height cross-section of simulated pseudoequivalent temperature along 120°E at 14:00 BST 17 September 2009(units:K)

2)暴雨区上空对流中低层空气潮湿，为大暴雨的形成提供了较好的水汽条件。水汽辐合带在500 hPa以下非常显著，且随高度增加水汽辐合带向北倾斜，在暴雨区形成了深厚的高湿环境，为对流的不稳定增长以及暴雨的维持奠定了基础。

图13 模拟的2009年9月17日14时垂直速度(a;cm·s－1)和水汽通量散度(b;10－8g·cm－2·hPa－1·s－1)沿120°E的经向垂直剖面Fig.1 3Latitude-height cross-sections of simulated(a)vertical velocity(cm·s－1)and(b)divergence of moisture flux(10－8g·cm－2·hPa－1·s－1)along 120°E at 14:00 BST 17 September 2009

3)雨区低层到高层都出现了较为强烈的垂直运动，使得大气层结不稳定能量快速释放，致使对流天气增强并得以维系。暴雨区低层辐合、高层辐散，低空为正涡度、高空为负涡度，且前期随着降水的增强，低空正涡度逐渐增强，辐合层逐渐加厚、辐合中心加强。涡度场与散度场在垂直结构配置上一致，对暴雨的加强和维持有重要的促进作用。

4)暴雨区对流层中低层有强烈的垂直上升运动，促使低层水汽、能量等向上混合输送。对流层中层大气为中性层结，而低层大气为位势不稳定，所以整层大气有对流发展，有利于暴雨的形成。

通过个例研究发现:水汽条件、动力条件和热力条件是暴雨形成的重要物理基础，调整WRF模式中的相关参数可以成功地模拟高速公路上的暴雨天气过程，结合实测数据可以较好地预测高速公路暴雨灾害产生的时间、范围和强度等，为交通气象部门准确地预测道路灾害性天气提供科学依据。模拟的降雨分布与实况基本一致，因此，可以认为对此次天气过程的模拟是较成功的。当然，模拟也与实测之间存在一些误差，这是由于WRF模式是针对中尺度天气系统设计的，再者，NCEP资料的时空分辨率较粗，也导致了模式输出与实测之间有一定的误差。对于模式数值试验中存在的误差，未来将从下列两个方面力求改进:一是对模式的初始场资料进行加密、同化和调整以提高预报准确率;二是对模式物理过程和参数化方案不断进行试验、选择，找出最佳配置以便更精确、更科学、更合理地反映实际发生的状况。

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