中尺度地形对湘西州强降水影响的研究

黄蕴璞 张金凯 刘二影 彭钰媛

摘要 利用WRF-ARW 4.4版中尺度模式就2021年6月27日湘西自治州暴雨过程进行模拟研究，主要考察中尺度地形对暴雨范围、落区和中心强度的影响。在敏感性试验中，不改变大尺度环境的各要素场，将湘西州及紧邻区域的海拔高度降至200 m。数值试验的结果表明，中尺度地形的改变，使敏感性试验区域的暴雨中心的位置和强度都发生了变化，中尺度地形是形成中尺度扰动的一种外力，在对局地的地形进行“消除”后，带来中尺度扰动的外力也不再存在。

关键词 短时强降水；中尺度地形；模式地形；数值模拟

中图分类号：P458.1+21.1 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）07–0114-03

暴雨是在有利的大尺度环流背景下，由中小尺度系统直接造成的[1]。短时强降水作为中小尺度系统引起的强对流过程之一，过程中累积形成的较大降水在短时间内可形成暴雨，在大降水的过程中起主要作用的是某个或几个时段内的短时强降水的积累，研究暴雨过程的重点就归结到对短时强降水的分析[2-4]。而短时强降水生命史短暂且突发性明显，天气过程剧烈，破坏性强[5-6]。此次研究的湘西自治州是长江上游一个强降水中心，也是长江中下游强暴雨的先兆区。湘西自治州地区位于湖南省西部，特殊的地形条件与常年充沛的水汽，使得此地成为强对流天气高发地区，配合特殊的地质土壤条件，强对流天气的破坏力更大。

有关大尺度地形对天气气候的影响问题的探讨已有很多，而有关中尺度地形对强降水的影响方面的研究还较为鲜有[7-9]。短时强降水过程的时空尺度较小，其时空分布准确程度，除了受高分辨率资料的影响，还受地形因素影响。此次研究重点探讨湘西州复杂地形环境对强降水时空分布的影响，以期为今后的深入研究提供一定依据。

1 2021年6月27日的天气背景及降水实况

分析2021年6月27—28日高空形势场，我国中高纬大部分地区处在偏北气流控制，偏北气流中有波动的下滑槽南下影响；东北一带为稳定的低涡系统影响。中低纬度地区，受副热带高压摆动影响。6月27—28日白天湘西处在副高边缘波动气流中，西北地区有下滑短波槽沿着偏北气流南下，副高东退至海上，两广一带中低层西南暖湿气流加强，并输送水汽与热量，中低层切变线维持在湘中偏北一带，位相重叠度高，在地面辐合线的触发下，降雨天气持续，6月28日夜间辐合切变南压，降雨短暂减弱（图1）。

6月27日08：00～28日08：00，湘西州中北部普降大雨到暴雨（暴雨74站），部分大暴雨（23站），南部小到中雨，局地大雨（图2）。全州平均雨量为46.2 mm，其中古丈县5站大暴雨，12站暴雨，最大雨量为高峰193.3 mm；花垣县8站大暴雨，21站暴雨，最大雨量为广车水库154.2 mm；永顺县6站大暴雨，14站暴雨，最大雨量为青坪146.5 mm；吉首市2站大暴雨，5站暴雨，最大雨量为结联村151.9 mm；保靖县2站大暴雨，17站暴雨，最大雨量为比耳122.8 mm；龙山县5站暴雨，最大雨量为三元82.4 mm；凤凰县最大雨量为禾库25.1 mm；泸溪县最大雨量为武溪24.3 mm。

2 资料与数值模拟方案

中尺度数值模式选用WRF - ARW4.4版，分别采用Single-Moment 6-class微物理方案、Dudhia短波辐散方案、RRTM长波辐散方案、YSU边界层方案和Kain - Fritsch积云对流方案（第二层嵌套关闭积云参数化方案）[10-11]。初始场为NCEP每6 h资料，积分时间为2021年6月26日20：00（北京时间，下同）至28日08：00。模拟区域设置如图3所示，采用两重嵌套方案，两层格点数分别为106×96/106×106，分辨率分别为30、10 km ，模式垂直方向设为45层。

在不改变各要素场和模式地形的前提下，对2021年6月27日的暴雨过程进行模拟。通过设计2组试验，即控制试验和敏感性试验进行对比分析，控制试验采用美国地质测量局（USGS）提供的2'（4 km）地形高度数据，输出图4所示模式地形等高线图，同时不改变大尺度环境的各要素场，将湘西州及紧邻区域的海拔高度降至200 m，得到敏感试验模式地形等高线图，此次敏感性模拟试验改变的地形区域东西方向和南北方向均不超过2个经纬度，为中尺度山地丘陵，即图5所示。通过比分析D02区域2021年6月27—28日的暴雨天气过程的模拟结果，探讨特殊地形对降水的增幅作用及其对暴雨云团动力过程的影响。

3 数值模拟试验结果

图6和图7分别为控制试验模拟与敏感性试验结果输出的2021年6月28日08：00的降水量图。从图中可以看出：

（1）除湘西州地区以外，未进行地形敏感性试验的地区的降水与控制试验输出的降水结果基本一致，暴雨中心的位置及强度有一定偏差，但差别不大，因为此次敏感性试验只针对地形，并未改變大尺度环境场和气压、温度、湿度、风等要素场。

（2）地形改变后，消除了湘西州中部地区原有地形对天气系统的阻滞作用。系统东移南压时，受原本地形影响，在湘西州中部地区，风速易堆积辐合，导致回波的维持与发展，造成局地的高效率降水。在敏感性试验中，湘西州区域变得较为平坦，系统自西北向东南移动的阻力被消除，造成各降水区域形状的改变，区域范围各有一定的变化，同时西南暖湿气流的输送也到达了更北边的区域，造成了北部地区暴雨中心强度增大[12]。

4 结论与分析

湘西州的地形以山地丘陵为主，在顺东移南压低值系统带来的降水中，会使运动中的系统和要素停滞发展，形成局地的强降水；同时也对西南暖湿气流造成一定拦截作用。当模式地形改变后，区域以外的南部降水减弱，北部降水范围扩大、降水区域东漂、中心强度加强，说明降水系统东移加快，各要素随之移动堆积。数值试验的结果表明，局地中尺度地形的改变，使敏感性试验区域的暴雨中心的位置和强度都发生了变化。中尺度地形是形成中尺度扰动的一种外力，在对局地的地形进行“消除”后，带来中尺度扰动的外力也不再存在。

參考文献

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Investigation of Extreme Flash-Rain Events in Xiangxi on the Impact of Meso-Scale Terrain

Huang Yun-pu et al（Jishou Meteorological Bureau of Hunan Province， Jishou， Hunan 416000）

Abstract The numerical modeling was conducted in this paper on investigation of the effects of meso-scale terrain on precipitation of torrential rain in Xiangxi of Hunan Province on June 27， 2021 by means of WRF-ARW （ver4.4）. The elevation of Xiangxi was cut down to round about 200 m above sea level intentionally in the model topography.The outcomes of the numerical experiment revealed the fact that the topographical change of model results in the variation of the range and intensity of the meso-scale heavy-rain center. Meso-scale terrain is a kind of external force which forms meso-scale disturbance， after“Erasing”the local terrain， the external forces are no longer exist.

Key words Short-term Heavy Precipitation; Meso-Scale Terrain; Model Terrain; Numerical Modeling