5•15广东大暴雨数值模拟及中尺度分析

张　仲，徐　峰，刘黎平

（1.广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088；2.廉江市气象局，广东 廉江 524400；3.中国气象科学研究院，北京 100081）

5•15广东大暴雨数值模拟及中尺度分析

张仲1,2，徐峰1，刘黎平3

（1.广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088；2.廉江市气象局，广东 廉江 524400；3.中国气象科学研究院，北京 100081）

利用WRF3.5模式对2013年5月15-17日发生在广东的大暴雨进行了数值模拟，并对大暴雨强降水时段中尺度系统的动力机制、热力条件及演变做了进一步的分析。结果表明：WRF3.5模式能较好地模拟出大暴雨过程的强降水中心、降水强度及雨带分布的变化趋势。稳定的“两槽一脊”形势是大暴雨发生的有利背景条件。高空辐散、低空辐合的有利配置及其耦合产生次级环流，同时地形对迎风坡的西南气流有阻滞和抬升，是大暴雨过程的主要动力机制。爆发的南海夏季风输送的充沛水汽在强垂直运动和弱冷空气作用下释放的大量能量是此次大暴雨过程的热力条件。中高层弱冷空气在次级环流的作用下向低层侵入，与上升的暖湿空气相互作用，促使斜压不稳定和对流不稳定的释放和发展，是大暴雨的触发机制。

暴雨；数值模拟；中尺度系统；湿位涡；南海夏季风

广东地处中低纬地区，南邻南海和太平洋，北依南岭山脉，境内大部分地区为山地和丘陵，受地形影响显著；又频受西风槽、西南低涡等西风带天气系统和热带气旋、季风等热带天气系统影响，水汽来源丰富，致使降水量十分充沛，暴雨成为广东最主要的灾害性天气之一。经过多年的研究，关于暴雨的成果已有很多，特别是数值模拟已经成为研究暴雨的重要方法。汪汇洁等[1]用 WRF模式研究了海南琼海特大暴雨的中尺度对流系统，沿切变线发展的 中尺度对流系统及其上活跃的 中尺度对流单体是造成大暴雨的主要影响系统。何编等[2]用MM5模式对2008年6月11~13日发生在华南地区的持续性暴雨的大尺度背景进行了分析，低空急流的增强改变了大气斜压性，促使低涡发展，是造成此次持续性暴雨的重要原因。余卓晟等[3]利用WRF模拟了成都一次暴雨过程，揭示此次暴雨产生的物理机制。黄明策等[4]对一次华南西部低涡切变特大暴雨进行了中尺度特征分析。赖绍钧等[5]对华南一次特大暴雨过程进行了数值模拟和诊断分析，认为高低空急流及其耦合产生的次级环流的建立是特大暴雨过程的主要动力机制。地面不稳定能量的累积和西南急流输送的充沛水汽和不稳定能量在强垂直运动作用下形成的湿上升。郑启康等[6]利用WRF对广东一次区域性暴雨进行了数值模拟分析，较好的揭示了暴雨的影响系统和作用机制。丁治英等[7]利用数值模式对1104号台风“海马”进行敏感性试验，认为台风在 1104暴雨过程中主要通过影响降水区域的水汽通道导致降水增强。周慧等[8]利用 GRAPES_Meso中尺度数值模式，对一次湘北特大致洪暴雨过程进行综合分析，得出此次大暴雨过程形成的环境条件是低层切变线维持并诱发出地面风场辐合线，产生强烈的垂直上升运动，配合丰沛的水汽输送和高不稳定能量释放。吴丹娃等[9]运用中尺度数值模式WRF对江苏、安徽两省沿淮地区发生的一次强对流天气过程进行数值模拟，指出中低层切变线和地面辐合线对强对流系统起组织和加强作用。2013年5月15~17日广东大暴雨引发粤东、粤北地区严重洪灾，因灾死亡失踪 38人，受灾人口88.4万人，紧急转移安置8万人，农作物受灾面积32.3千公顷，倒塌房屋3105间，直接经济损失4.5亿元人民币。这次大暴雨时间长，降水强度大，具有显著的中尺度特征，初步分析认为是全面爆发的南海夏季风与东路南下的冷空气交汇于广东地区形成大暴雨。现有常规气象资料、特别是高空气象资料分辨率难以满足中尺度系统分析的需要，本文利用高分辨率的模式输出资料对此次大暴雨过程中强降水时段的水汽条件、热力条件、动力机制进行分析，试图揭示此次大暴雨的中尺度特征以及可能成因。

1　资料与实验设计

1.1资料来源

利用每日4次1°×1°的NCEP再分析资料对降水的大尺度背景场进行分析。本文所用降水资料来源于自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据集。该数据集从中国气象科学数据共享服务网下载；是基于全国3万余个自动观测站逐小时降水量和CMORPH卫星反演降水产品，采用PDF+OI 两步融合方法生成了中国区域逐小时、0.1°×0.1°分辨率的降水量融合产品。融合数据处理过程中使用的自动站逐小时降水数据是经过了包括气候学界限值、区域界限值、时间一致性、空间一致性检查等在内的严格质量控制的数据，数据质量优。以NCEP FNL 1°×1°再分析资料作为驱动模式的边界条件和初始条件。

1.2试验设计方案

使用新一代中尺度天气预报模式WRF3.5对广东北部降水进行数值模拟，模式积分时间为 2013年5月14日12时（下文如无特别说明，均为世界时）到17日00时。模式采用双层嵌套，水平分辨率分别为12 km、4 km，水平格点数分别为108×96、208×187，垂直分辨率为 30层，模式顶气压为50 hPa，模拟区域的中心定于24°N，114°E。模式中第一层网格所采用的积云对流参数化方案为Kain-Fritsch（new Eta），第二层嵌套网格没有积云对流参数化方案，云微物理过程方案均为WSM5-class，边界层参数化均为YSU方案，长波、短波辐射均采用RRTM方案。

2　天气过程概况

2.1天气实况

2013年5月15日00时-17日00时，广东大部及附近省份出现了持续大暴雨，局地特大暴雨的降水过程，从各台站录得的降水数据来看，15日夜间雨势最大，全省出现暴雨26个县（市），其中大暴雨10个县（市），暴雨站点平均降雨量117.6mm，佛冈过程降雨量为343.9mm，为全省最大值，该站5月15日19时-23时（北京时）降水241.5mm。图2（a）给出了此次降水量的分布情况，可以看出此次强降水暴雨范围分布在广东北部和东部、湖南南部、江西西南部，大于100mm的强降水中心集中在广东北部和东部，呈西北—东南走向。

2.2大暴雨环流特征分析

有利的大尺度环流形势是大范围、持续性暴雨发生发展的必要条件。15日00时（图1（a）），500 hPa中高纬地区表现为“两槽一脊”形势。两槽分别位于巴尔喀什湖附近、朝鲜半岛和日本之间，一脊位于我国东北地区。“两槽一脊”形势随时间向东缓慢移动，且脊不断增强。在低纬地区，副热带高压呈带状分布，其脊线维持在18°N附近，且副高北侧不断有短波槽东移。槽后脊前偏北气流引导冷空气从东路频繁侵入华南。国家气候中心监测显示（http://cmdp.ncc-cma.net/Monitoring/monsoon.php）5月第3侯南海夏季风已全面爆发，850 hPa风场上，15日00时前，广东地区已经维持大于12 m/s的西南风，与偏北气流胶着在广东及其附近地区，形成切变线。16日12时（图1b），随着冷空气继续南下，强西南风带南移出广东，维持在台湾附近。从地面图（图略）可以得出，整个大暴雨过程中，地面有一条东西向的锋面自北向南经过广东及其附近地区。在稳定的大尺度环流形势下，冷暖空气在广东北部地区频繁交汇，形成锋面与切变，是此次大范围暴雨发生的主要原因。

图1　环流形势（实线为500 hPa高度场，850 hPa风矢量，阴影部分为风速大于12 m/s区域）Fig.1　represent circulation situation(solid line:geopotential height at 500 hPa , wind (m/s) at 850hPa , the shaded area wind speed greater than 12 m/s )

图2　a)，b)分别为15日00时-17日00时总降水量实况和模拟降水量Fig.2　The total precipitation and simulated precipitation from 00 UTC 15 to 00 UTC 17 May

3　中尺度特征分析

3.1数值模拟效果检验

图2-4给出了15日00时-17日00时过程总降水量、每12 h降水的实况和模拟。对比实况，可以得出WRF模式对25mm以上的雨带形状模拟与实况观测基本一致，广东东部和北部的强降水被模拟出来，但范围偏大，100mm以上降水出现虚假中心。由大暴雨强降水时段（15日12时至16日00时）的模拟效果可知（图4（b）），广东北部的模拟降水偏强，100mm以上的降水范围与实况基本吻合，总之模式较好地模拟出了强降水时段的降水。

图3　15日00时-17日00时每12h降水量实况Fig.3　The every 12 hours precipitation from 00 UTC 15 to 00 UTC 17 May

图4　15日00时-17日00时每12h降水量模拟Fig.4　The every 12 hours simulated precipitation from 00 UTC 15 to 00 UTC 17 May

图5是大暴雨过程的模拟形势场，15日00时，广东北部上空500 hPa开始加深形成小槽；850 hPa气旋性切变出现在湖南、广东和江西交界处，15日12时，切变线出现在广东北部，对应着整个最大的降水时段。16日12时，500 hPa小槽已经东移，广东开始受弱脊控制，同时850 hPa西南风场南移入海，降水过程趋于结束，整个过程演变和实况的形势场（图略）基本一致，说明模式对此次暴雨过程的模拟是成功的，利用WRF模式的模拟结果进行计算和诊断分析是可行的。为详细研究大暴雨发生发展过程，文章选取大暴雨开始前（15日00时）、强降水阶段（15日12时）作为主要研究时段。

3.2动力机制分析

在有利的环流背景条件下，高低空急流轴的倾斜配置与低空低值系统和暴雨的发生、发展有重要关系[10,11]。15日00时（图6（a））暴雨区中心位于26°N附近，范围在25-27°N，尺度约200km，说明降水系统具有显著的中尺度特征，其低层有大于20 m/s的低空急流中心。在暴雨区对流层高层200 hPa北侧有高空急流中心，急流中心北侧附近负涡度中心（辐散）强度大于40×10-5s-1，向下一直延伸到850 hPa；而暴雨区上空 850 hPa附近存在大于60×10-5s-1的正涡度中心（辐合），向上伸展到200 hPa，正负涡度相交，说明此时暴雨区上空高低层的动量交换已经存在，高层辐散、低层辐合形成强烈的垂直运动。15日12时（图6（b））高低空急流均加强，正负涡度中心增多且强度均已超过50×10-5s-1，说明高低空之间动量传递进一步加大，高层辐散和低层辐合增强，垂直运动也得到了进一步发展，此时暴雨中心位于25°N附近，向南移动100 km左右，这一方面是由于锋面南移的原因，另一方面是西南气流在广东北部遇到山区地形的抬升和阻滞，在山地的迎风坡上游促进了中尺度系统发展。

图5　模拟850 hPa风速、500 hPa高度场Fig.5　850 hPa wind and 500 hPa geopotential height

图6　沿114°E剖面（实线为风速，阴影区为涡度）Fig.6　the profile along 114°E at 00 UTC 15 May and 12 UTC 15 May.(solid :wind speed , shaded area :vorticity)

从垂直速度剖面图来看（图略），垂直运动与辐合辐散是对应的，上升运动对应着低层大的辐合区，下沉运动对应着低层辐散区。15日00时最强上升运动位于暴雨中心，紧挨暴雨中心北侧有下沉运动，两者构成闭合的垂直环流，但此时暴雨中心南侧的垂直环流尚未建立起来；15日12时暴雨中心南北两侧的经向闭合垂直环流均已建立。这种次级环流的建立促进了高低层大气动量、能量的交换，增强了高层辐散、低层辐合，从而构成一个正反馈过程。由高低空急流合适的配置、次级环流的建立、低层辐合和高层辐散的加强所构成的正反馈过程正是这次大暴雨发生、发展的动力机制。

3.3水汽和热力作用分析

假相当位温θse能很好的反映大气的温湿状况，可用来分析气团和锋区的活动。θse的垂直分布和水平分布还可用来分析大气中的能量分布垂直稳定度状况和大气湿斜压性，当时，表示大气对流性不稳定。假相当位温的密集带还可表明此区域存在锋区，且假相当位温梯度越大代表锋区越强［5］。15日00时（图7（a）），暴雨主要发生在广东湖南交界处，暴雨区有大于30×10-7g•cm-1hPa-1·s-1的水汽通量中心，同时广东、湖南、江西交界地区处于θse等值线的高能舌区控制。西南暖湿气流与高空槽后的冷空气在此处交汇形成锋区，导致强降水的发生。15日12时（图7（b）），强水汽通量中心南移到广东北部，同时θse等值线更加密集，说明锋面发展强盛，对应着降水的进一步加强。16日12时，广东地区的强水汽通量中西已经移向东南方，位于福建沿海地区。850 hPa，广东北部已被西北气流控制，切变线已移出，伴随着广东大部分地区降水的结束。

图7　850 hpa水汽通量（阴影区），假相当位温分布（实线）Fig.7　850 hPa vapor flux(shaded area)，equivalent potential temperature (solid)

15日00时（图8（a）），整个暴雨区700 hPa以下都是，说明低层为不稳定层结，且湿度达到70%以上，暴雨区上方θse等值线密集，θse面十分陡立，甚至出现高低层打通的现象，十分有利于大暴雨发生。随着切变线的南移发展，15日 12时（图8（b）），空气中水汽凝结潜热已部分得到释放，切变线上空的不稳定层结高度向上延伸到 250 hPa，不稳定层结加厚，表明暖湿空气被持续向上抬升，仍然有水汽凝结潜热继续释放，降水过程持续。16日12时开始，底层仍有不稳定层结，但已经移到22°N以南，且降水区湿层厚度减小，θse高低层打通的现象消失，与降水减弱南移入海相应。

图8　沿114°E剖面，（实线为假相当位温，阴影区为湿度）Fig.8　the profile along 114°E (solid :equivalent potential temperature , shaded area :humidity)

θse等值线斜率大有利于高层的干冷空气向低层侵入和低层暖湿空气沿着θse等值线向高层爬升［11］，两者在对流层中层相遇，形成等θse线密集带，促使气旋性涡度剧烈发展，对暴雨的发展起了巨大作用。整个暴雨过程中，西南气流输送的充沛水汽和不稳定能量，在强垂直运动作用下形成上升运动，由弱的干冷空气激发而潜热释放出大量的能量，是大暴雨过程的热力条件。

3.4湿位涡分析

吴国雄［12］等从完整的原始方程出发，导出精确形式湿位涡方程，并证得绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡守恒的特性，在低纬天气系统分析中同样适用，使得湿位涡在分析暴雨形成机制方面有着广泛的应用［13-19］。

式中ζp是相对涡度（单位：-1s），θse是假相当位温（单位：K），f是科氏参数（单位：-1s）。湿位涡方程又可写成分量形式

暴雨发生前4 h，底层已经出现负MPV1（图略），且数值逐渐加大，说明此时底层开始出现对流不稳定现象。15日00时（图9（a）），MPV1负值区维持在暴雨区26°N上空850 hPa-400 hPa之间，400 hPa以上高空出现正负交界，但梯度不大，表明高空有冷暖空气已交汇。15日12时（图9（b）），MPV1负值中心南移到25°N，850 hPa高度处产生MPV1负值区，高度上升到300 hPa，其两侧出现正值，正值区延伸到700 hPa的中层大气，表明干冷空气与暖湿空气交汇的加强、加深。MPV1正值区的梯度不大，说明干冷空气不强，正是这种弱的干冷空气与西南暖湿气流在中高层交汇，激发对流不稳定，而不是因为干冷空气过强破坏对流。

图9　15日00时，15日12时沿114°E MPV1剖面图Fig.9　the profile of MPV1 along 114°E at 00 UTC 15 May and 12 UTC 15 May

MPV2是风的垂直切变和θse水平梯度的乘积，代表湿位涡的斜压项[13]。15日00时（图10（a）），暴雨区位于26°N，其中低层上空为正值，北侧为负值，南侧 MPV2负值主要出现在对流层底层。15日12时（图10（b）），暴雨区位于25°N，在暴雨区上空低层MPV2为正值，两侧为负值，比15日00时表现更加明显，说明湿位涡在强的垂直风切变作用下，向低层传递。对比图9、10可以看出，MPV1，MPV2正负值的交界处近乎垂直，也说明干冷空气主要是从对流层高层通过垂直运动与暖湿空气相互作用，而不是从中低层入侵。

图10　15日00时，15日12时沿114°E MPV2剖面图Fig.10　the profile of MPV2 along 114°E at 00 UTC 15 May and 12 UTC 15 May

整个大暴雨过程可以解释为弱干冷空气和暖湿空气在次级环流和上升运动的作用下，在对流层中低层相遇，激发位势不稳定和对流不稳定，是强降水发生的主要触发机制。

4　结　论

本文利用WRF3.5模式对2013年5月15-17日发生在广东北部和东部地区的大暴雨过程进行了数值模拟，并对大暴雨中的强降水时段做了进一步中尺度特征分析，其主要结论如下：

1）此次大暴雨过程是在有利的大尺度环流形势下发生的，500 hPa具有明显的“两槽一脊”形势，冷空气从东路南下，同时南海夏季风全面爆发，较强的西南暖湿气流与冷空气交汇于广东北部，形成切变线和锋区对，触发中尺度对流系统产生；

2）高低空急流适宜的配置、次级环流的建立、低层辐合和高层辐散的加强所构成的正反馈过程，同时广东北部山区由于地形对迎风坡西南气流有抬升和阻滞作用，共同为此次大暴雨的发生、发展提供了动力机制；

3）对流层高层的弱干冷空气和低层的暖湿空气在次级环流和上升运动的作用下，在对流层中低层相遇，激发位势不稳定和对流不稳定，是强降水发生的主要触发机制；

4）南海夏季风的西南气流输送的充沛水汽和不稳定能量，在强垂直运动作用下形成上升运动，与对流层高层的弱干冷空气相互作用，潜热释放出大量的能量，是大暴雨过程的热力条件，大暴雨的强降水时段对应着高低层假相当位温的打通现象。

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（责任编辑：任万森）

Numerical Simulation and Mesoscale Analysis of a Heavy Rainstorm on May 15, 2013 in Guangdong

ZHANG Zhong1,2，XU Feng1，LIU Li-ping3
（1.Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088,China; 2.Lianjiang Meteorological Bureau, Zhanjiang 524088,China; 3.Meteorological science research institute of China, Beijing 100081,China）

By applying WRF model, this study gives detailed diagnosis of a heavy rain that happened in Guangdong from May 15 to 17.The result shows:The WRF model can simulate the heavy rainstorm center, distributed and intensity tendency.The stable “Two troughs and one ridge” circulation was the background condition of this heavy rainstorm.An upper-level jet stream, a lower-level jet stream and a vertical secondary circulation driven by them were the main dynamical mechanism of this process.An ascending wet jet induced by the dry cold air and the warm water vapor transported by south china sea summer monsoon was the thermodynamic condition of this heavy rainstorm.The topographic blocking effect slows down the southeast jet movement, which is beneficial to the formation of the extreme rainfall upstream.The dry cold air from the mid- and upper-levels of the troposphere that invaded the lower level due to the secondary circulation interacted with the ascending warm wet air flow from low levels being conducive to the releasing and development of baraclinic instability and convective instability energy, which was the triggered Mechanism of this heavy rainstorm.

Rainstorm; Numerical simulation; Mesoscale system; Moist potential vorticity; south china sea summer monsoon

P426.62

A

1673-9159（2015）01-0082-08

2014-12-23

国家自然科学基金（41475120），广东省教育厅科技创新项目科研项目（1209363），灾害天气国家重点实验室2011开放课题，广东省研究生教育创新计划项目（521002025），广东海洋大学研究生教改重点项目（521002014）

张 仲（1990-），男，硕士研究生，主要从事海洋气象研究.E-mail:zjzz1990@163.com。

徐 峰，男，博士，教授，研究方向：大气物理学与大气环境、海洋气象.E-mail:gdouxufeng@126.com