不同陆面方案对雷州半岛一次局地性暴雨的影响分析

张仲，徐峰

（1.廉江市气象局，广东湛江　524400；2.广东海洋大学海洋与气象学院，广东湛江　524088）

不同陆面方案对雷州半岛一次局地性暴雨的影响分析

张仲1，徐峰2

（1.廉江市气象局，广东湛江524400；2.广东海洋大学海洋与气象学院，广东湛江524088）

利用ERA-interim再分析资料、逐小时观测实况资料、FNL再分析资料研究了雷州半岛地区一次局地性暴雨的成因，并利用WRF模式研究了3种不同陆面过程方案对该次局地性暴雨的模拟效果。研究结果表明：该次局地性暴雨是弱冷空气与西南暖湿气流交汇所形成的切变线降水；3种陆面方案都较好地模拟出了雷州半岛中部的降水中心位置，不同方案对整个降水的分布形状模拟相差不大，对强降水中心的范围和形状模拟不同，Noah方案和RUC方案的降水范围比Thermal diffusion方案要好；3种陆面方案主要是通过影响地表能通量分配形式进而改变暴雨区的强度和中心位置。

天气学；局地性暴雨；数值模拟；陆面方案；雷州半岛

张仲，徐峰.不同陆面方案对雷州半岛一次局地性暴雨的影响分析［J］.广东气象，2016，38（4）：41-45.

雷州半岛位于中低纬地区，南临南海，北依欧亚大陆，东靠太平洋，地形复杂，海陆特征明显。在西风槽、温带气旋等中纬度和热带气旋、季风、南支槽、东风波等热带系统交互作用下，雷州半岛地区降水量十分充沛，暴雨频率高，是我国降水最丰富的地区之一。局地性暴雨是在稳定的大尺度环流形势下，由中小尺度系统和下垫面相互作用下形成的［1-3］，预报难度大，而且很容易引起次生地质灾害，造成严重的经济损失和人员伤亡。例如2014年5月22日，佛冈县遭受特大暴雨的袭击，全县546个自然村受灾，受灾和转移安置人口92 055人，经济损失约1.67亿元。2008年6月15日深圳市普降暴雨，时雨量高达110 mm，造成多人伤亡。一直以来气象科研和业务对局地性暴雨的准确预报都是重点和难点，国内外学者对此做过许多富有成效的研究［4-10］。加强对雷州半岛局地性暴雨的研究，对提高雷州半岛局地性暴雨预报水平具有重要的作用。

1　环流形势

1.1天气实况

2012年8月11日雷州半岛出现暴雨事件，普遍出现局地性暴雨，大部分站达到暴雨级别，湛江6 h共降水达59.0 mm，雷州降水45.9 mm，吴川31.8 mm。强降水出现在12：00—17：00（北京时，下同），具有明显的局地性特征（图1）。

图1　2012年8月11日08：00—20：00湛江地区各观测站的小时降水

1.2局地性暴雨环流特征

有利的大尺度环流形势是影响和制约造成局地性暴雨的中尺度天气系统活动的必要条件。11日08：00、14：00、20：00分别代表局地性暴雨发生前、发生时，结束后的环流形势。3个时段内（图略），500 hPa环流形势并未发生显著调整，主要表现为：高纬地区有一极涡存在，我国东北地区有一较弱的东亚大槽，青藏高原北部有一低压。中纬度地区，江浙一带还处于“海葵”的残留气旋中，气旋西侧为偏北气流的下沉气流，向南可影响到广东沿海，所以广东除粤西地区大部分无雨。在低纬地区，20°N，130°E地区有一低压扰动，受东亚大槽和“启德”的影响，我国大陆东岸的副热带高压几乎被切断，主体维持在太平洋。在850 hPa风场上，08：00—20：00，孟加拉湾有强烈的西南偏西气流，广东沿海地区普遍维持大于12 m/s的西南风，可输送充沛的水汽。低纬地区，850 hPa，08：00，有弱切变在玉林市（图略），14：00切变线已经南压到雷州半岛地区（图略），20：00，切变消失。在稳定的大尺度环流形势下，弱冷空气与西南气流在雷州半岛地区交汇，是此次局地性暴雨发生的主要原因。

2　数值模拟

2.1数值模式试验设计方案

为了更好了解该次暴雨发生、发展的物理机制，利用WRF3.5和3种陆面方案对该过程进行了数值模拟，评估3种不同的陆面过程对此次暴雨的作用。模式积分时间为2012年8月11日08：00—20：00。模式采用双层嵌套，水平分辨率分别为30、10 km，水平格点数分别为67×58、94×88，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。3种陆面过程对比方案分别为Thermal diffusion方案、Noah方案和RUC方案，模式的其他参数化方案配置如表1所示。

表1　模式参数方案设置

2.2模拟结果分析

降水实况和3种模拟结果见图2，从图2中可以看出3种陆面过程试验基本都能模拟出该次降水的主要中心，最大降水量模拟也准确，没有超过200 mm的虚拟降水；但整体上模拟降水范围偏小，位置偏南，导致雷州半岛南部徐闻县出现降水，而北部廉江市却没有降水；对于北部湾海面上的降水没有模拟出来。

图2　3种方案12 h累积降水量分布（单位：mm）

具体来看，3种方案都较好地模拟出了雷州半岛中部的降水中心位置，不同方案对整个降水的分布形状模拟相差不大，对强降水中心的范围和形状模拟不同，Noah方案和RUC方案的降水范围比Thermal diffusion方案要好。为判断3种陆面方案对雷州半岛降水的整体模拟能力好坏。本研究选取细网格模拟结果中雷州半岛区域平均降水量做对比，结果见图3。由图3可知，3种陆面过程均成功模拟出了强降水发生的时段和量级，强降水发生在13：00—14：00，但对个别时段模拟效果欠佳，08：00—11：00和19：00—20：00，3种陆面方案的模拟均偏弱。这可能与模拟的起始时间选取有关。具体来看，Thermal diffusion方案的模拟与实况最接近。

图3　三种不同陆面过程模拟雷州半岛区域逐小时平均降水量

因3种方案的模拟效果很接近，由图3还不能直观地得出哪一种陆面过程方案效果最好。目前气象业务和研究中常用到的TS评分法对模拟的降水作初步统计检验，但因为TS评分结果与观测站点的密度有关［11-12］，如果观测站点过于稀疏，容易出现大量的空报现象，降低TS评分，会造成检验结果失真。本研究重点雷州半岛区域内含有的站点数不足10个，不适合用TS评分判断模拟降水效果。相关系数能够在一定程度上反映观测值与模式模拟值之间的对应关系［13］，相关系数越大，说明观测结果与模拟结果越接近，模式效果越好。需要说明的是，这种相关系数仅能够表现两者在时间序列上对应关系的好坏。

通过求不同陆面方案模拟雷州半岛区域平均小时降水与实况的相关系数，对比3种陆面方案中最接近实况的方案。本研究计算了11日01：00—12：00雷州半岛区域逐小时区域平均降水与实况的相关系数。

表2　不同陆面方案模拟雷州半岛区域平均小时降水与实况的相关系数

由表2可知，3种陆面方案均通过了相关系数1%的显著性检验，说明3种方案在模拟雷州半岛区域整体降水时，在降水出现时段、整体降水量方面均有较好的性能。最好的是Thermal diffusion方案，相关系数达到0.927，然后依次是Noah方案、RUC方案。

2.3误差分析

平均绝对误差（ABE）是所有单个观测值与算术平均值偏差绝对值的平均。与平均误差相比，平均绝对误差由于离差被绝对值化，不会出现正负相抵消的情况，因而平均绝对误差能更好地反映预测值误差的实际情况；均方根误差（RMSE）是用来衡量观测值同真值之间的偏差。本研究采用湛江、徐闻、遂溪、吴川、雷州和廉江5个气象站的实况资料代表雷州半岛区域做计算。由图4a可以看出，3种陆面方案对雷州半岛区域内的模拟降水量存在约2.3 mm的平均绝对误差，存在3.4 mm的均方根误差。平均绝对误差方面（ABE），Thermal diffusion方案误差在3种方案中最小为2.2 mm，Noah方案和RUC方案的平均绝对误差都为2.3 mm，这说明总体上不同陆面方案在整个模拟区域差别不大，Thermal diffusion方案最优，这与相关系数分析的结果相一致。均方根误差（RMSE）方面（图4b），同样是Thermal diffusion方案误差最小为3.3 mm，Noah方案和RUC方案的误差均为3.4 mm。2种误差统计方式的结果较为一致，这也说明总体上模式具有较好模拟降水的能力，对较小的空间范围，模拟平均降水对不同陆面方案不够敏感。但需要指出的是，从时间序列来看，14：00降水误差较大，这与误差统计所用的站点数量有关，就本研究而言，3种陆面方案和实况都有较好的相关系数，当站点数量增多时，误差值应会减小。

图4　三种陆面方案12 h累积降水量的区域绝对误差（a）和均方根误差（b）

2.4地表通量分析

研究表明陆面方案是通过影响地表通量进而影响模拟结果。图5a、图5b分别为模拟11日08：00—20：00区域平均潜热通量和感热通量随时间的变化曲线，该时次地表通量的变化能较为明显地反映出陆面方案的影响。从图5中可知，无论对于感热通量还是潜热通量，3种陆面方案的模拟结果均存在一定的差别。就感热通量而言，总体上Thermal diffusion方案最大，RUC、Noah方案依次递减，其中Thermal diffusion方案与其他2种方案间的差别较明显，其感热通量偏大，最大差值达52 W/m2，潜热通的结果与感热通量相反，Thermal diffusion方案最小，Noah方案最大，差值达83 W/m2，差异很大，而Noah和RUC方案间的差别则较小。可见，不同陆面过程方案导致了模拟地表能通量分配形式上较大的差异，地表感热通量及潜热通量的模拟对不同陆面过程方案都呈现出较大的敏感性。感热通量与潜热通量之和为地表与大气之间的热通量，由图5c可知，总体上3种陆面方案的热通量变化走势一致，差别很小，这与前面分析中降水区域平均模拟结果是一致的，当强降水发生时，热通量处于减少状态。

图5　三种陆面方案研究区域平均感热通量（a）、潜热通量（b）以及二者之和（c）

3　结论

通过对雷州半岛一次局地性暴雨的模拟分析，研究了不同陆面过程在降水模拟中的作用和效果，得到以下主要结论：

1）该次局地性暴雨是弱冷空气与西南暖湿气流交汇所形成的切变线降水。

2）3种陆面方案都较好地模拟出了雷州半岛中部的降水中心位置，不同方案是对整个降水的分布形状模拟相差不大，对强降水中心的范围和形状模拟不同，Noah方案和RUC方案的降水范围比Thermal diffusion方案要好。

3）陆面方案主要是通过影响地表能通量分配形式进而改变暴雨区的强度和中心位置。

［1］陶诗言.中国之暴雨［M］.北京：科学出版社.1980：7 -10.

［2］黄士松.华南前汛期暴雨［M］.广州：广东科技出版社.1986：25-31.

［3］丁一汇.高等天气学［M］.北京：气象出版社.1991：548-573.

［4］黄晓梅，叶树春，周武.粤西地区一次前汛期的暴雨过程分析［J］.广东气象，2013，35（4）：34-38.

［5］李福胜，张仲，李斌.湛江市1951～2011年暴雨气候的变化特征［J］.广东气象，2012，34（06）：35-37，41.

［6］夏天竹，徐峰.2013年雷州半岛一次罕见冬季暴雨过程的分析［J］.广东气象，2015，37（3）：20-23.

［7］陶玥，齐彦斌，洪延超.华北一次暴雨过程中潜热对中尺度系统和降水影响的数值研究［J］.气象学报，2012，70（1）：50-64.

［8］黄明策，李江南，农孟松，等.一次华南西部低涡切变特大暴雨的中尺度特征分析［J］.气象学报，2012，68（5）：748-762.

［9］赖绍钧，何芬，陈海山等.华南前汛期一次特大暴雨过程的数值模拟及其诊断分析［J］.热带气象学报，2012，28（3）：409-416.

［10］郑启康，何敏玲.广东一次区域性暴雨的数值模拟分析［J］.广东气象，2011，33（2）：16-19.

［11］朱格利，林万涛，曹艳华.用WRF模式中不同云微物理参数化方案对华南一次暴雨过程的数值模拟和性能分析［J］.大气科学，2014，38（3）：513-523.

［12］郭宏军，李磊，吴志皇，等.不同陆面过程对暴雨数值模拟的敏感性研究［J］.气象水文海洋仪器，2010，27（3）：63-69，72.

［13］Zwiers F W，Von Storch H.On the role of statistics in climate research［J］.International Journal of Climatology，2004，24（6）：665-680.

The Effects of Different Land Surface Schemes on a Local Heavy Rain over Leizhou Peninsula

ZHANG Zhong1，XU Feng2
（1.Lianjiang Meteorological Service，Zhanjiang 524400；2.Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088）

Based on ERA-interim reanalysis data，FNL data and observation data，we studied the reason of a local heavy rain that happened on Leizhou Peninsula and the effects of three kinds of land surface schemes on this heavy rain.The result is shown as follows.This local heavy rain is of shear line precipitation，which happened due to the interaction between weak cold air and warm southwesterly air.The Noah and RUC schemes are better than a thermal diffusion scheme in simulating precipitation range.The effect of different land surface schemes on this local heavy rain is changing the intensity and center position of the heavy rain by influencing the distribution of surface energy flux.

local heavy rain；numerical simulation；land surface process scheme；Leizhou Peninsula

P44

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.04.010

2016-01-10

湛江市气象局项目（2014B09）

张仲（1990年生），男，助理工程师，主要从事短临天气预报。E-mail：zjzz1990@163.com