袁成松，王秋云，包云軒，嚴明良

(1.江蘇省氣象科學研究所，江蘇南京210008;2.江蘇省農業(yè)氣象重點實驗室，江蘇南京210044;3.南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇南京210044)

0 引言

2009年9月17日江蘇省南部各城市都出現(xiàn)了大暴雨，這是進入9月以來最強的一次降雨過程，大雨幾乎持續(xù)了一整天。這場暴雨來得突然，給生產和生活帶來諸多不便。由于這場暴雨發(fā)生在交通高峰期，因此，對江蘇南部地區(qū)的交通產生了巨大影響，使交通一度癱瘓。暴雨是影響人類的嚴重災害性天氣之一，所以對暴雨的準確預報顯得十分重要(Molinari and Dudek，1992;孫建華等，2004)。

目前暴雨的準確預報難度較大，而暴雨的研究主要基于實測資料和數(shù)值模擬兩種途徑(張曉紅等，2009;張羽等，2010)。近年來，已經有很多學者利用MM5或WRF中尺度氣象數(shù)值預報模式來模擬暴雨天氣過程，結果表明:利用中尺度數(shù)值模式對降雨天氣過程的模擬具有一定的能力(陳業(yè)國和農孟松，2010;沈桐立等，2010)。在我國由于計算機條件的限制，利用高分辨率數(shù)值模式進行暴雨等中尺度天氣現(xiàn)象的研究還比較困難，采用多重嵌套是在現(xiàn)有計算機條件下盡可能提高重點預報區(qū)域分辨率的有效途徑(Cui et al.，2007;史薈燕等，2009)。王建捷和李澤椿(2002)對1998年6月的一次梅雨鋒暴雨中尺度系統(tǒng)進行了模擬和診斷分析;張小玲等(2002)研究表明，中尺度系統(tǒng)強烈發(fā)展引發(fā)了1998年7月20—21日武漢地區(qū)的突發(fā)性暴雨，并確認了暴雨發(fā)生時期的中小尺度特征;王智等(2003)對一次西南渦及其伴隨低空急流的發(fā)展演變進行了數(shù)值模擬，揭示了西南渦和低空急流與1999年初夏江淮流域多日持續(xù)性暴雨的關系。但是以上研究所采用的模式分辨率都較低，且著重分析某一大范圍區(qū)域暴雨的中尺度特征，并沒有針對暴雨對公路交通能見度變化的影響進行探討。

本文利用新一代中尺度天氣研究和預報模式WRF，對2009年9月17日發(fā)生在江蘇南部地區(qū)、覆蓋滬寧高速公路的一次大暴雨天氣過程進行了數(shù)值模擬研究，與過去的研究相比，分辨率大大提高。文中結合相關實測資料與模式輸出的物理量，分析了暴雨形成的環(huán)流背景和水汽、動力、熱力條件等，從而為公路交通降雨預報提供了一些定量化的參考指標。

1 雨情概況及大尺度環(huán)流背景

1.1 雨情概況

根據(jù)江蘇省地面氣象觀測網提供的實測降水資料，2009年9月17日江蘇大部普降大到暴雨。圖1給出了2009年9月17日08—19時南京站的逐時降水量，可知南京站12 h累積降雨量超過了50 mm。降水主要在17日08—09時、13—15時集中發(fā)生，下班高峰期(17時左右)也出現(xiàn)了較強降雨。

圖1 南京站2009年9月17日08—19時實測的逐時降雨量(單位:mm)Fig.1 Observed hourly precipitation at Nanjing station from 08:00 BST to 19:00 BST 17 September 2009(units:mm)

根據(jù)AWMS系統(tǒng)提供的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖2給出了2009年9月17日02時—18日02時24 h滬寧高速公路黃粟墅、河陽、常州北三站的水平能見度變化曲線。17日06時之前，河陽站水平能見度在3 000～3 500 m范圍內波動，此時未降雨;07時開始，降雨發(fā)生，能見度陡降至500 m以下，之后能見度小幅度緩慢回升，但仍維持在1 000 m以下;11時左右，雨勢轉小，能見度開始上升;13時左右，雨勢開始增強，能見度隨之降低;隨后能見度維持在1 000 m左右。黃粟墅站在17日09時、13時、17時出現(xiàn)的能見度低谷，正好對應著3個降雨高峰期。常州北站的能見度也在多個時段出現(xiàn)了1 000 m以下的低值。由于各站所處的局地地形不同，出現(xiàn)降雨的時段不同，所以它們的能見度變化存在一些差異，但總體來說，能見度大小與降水強度存在著明顯的反相關關系。

1.2 大尺度環(huán)流背景

圖2 2009年9月17日02時—18日02時滬寧高速公路自動氣象站觀測的水平能見度逐時變化(單位: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)

圖3給出了2009年9月17日02時500 hPa位勢高度場與850 hPa風場。可見，暴雨發(fā)生前，高緯度烏拉爾山至西西伯利亞地區(qū)和俄羅斯遠東至鄂霍次克海地區(qū)分別為強大穩(wěn)定的阻塞高壓所占據(jù)，中、東西伯利亞上空為一大低渦控制，極地冷空氣強;中低緯地區(qū)，帶狀副熱帶高壓位于日本以南西北太平洋至我國東南沿海地區(qū)，脊線位于33°N附近。副高西北側盛行的西南低空急流將大量暖濕空氣不斷地輸送到江淮地區(qū)，與從極渦中分裂南下的干冷空氣相遇，從而為暴雨的產生提供了極為有利的條件。

圖3 2009年9月17日02時500 hPa位勢高度場(綠色實線;單位:gpm)與850 hPa風矢量場(箭矢;單位:m·s－1)(彩色區(qū)表示風速大于12 m·s－1;灰色區(qū)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 資料來源與模式簡介

2.1 資料來源

實測資料來源于江蘇省氣候中心提供的常規(guī)觀測資料以及江蘇省氣象科學研究所自主研發(fā)、并在滬寧高速公路上按每10 km布設1套的自動天氣監(jiān)測系統(tǒng)(AWMS)每分鐘實時監(jiān)測的氣象數(shù)據(jù)，包括降水、大氣水平能見度、氣壓、氣溫、地溫、相對濕度、風向、風速等氣象要素(吳贊平等，2006)。

運行WRF模式所用的NCEP資料來自NCAR/NCEP(美國國家大氣研究中心和國家環(huán)境預測中心)每日4個時次(02、08、14、20時)的1°×1°氣象再分析資料。

2.2 WRF模式簡介

由美國國家大氣研究中心(NCAR)和美國環(huán)境預測中心(NCEP)等單位聯(lián)合開發(fā)的新一代中尺度數(shù)值天氣預報模式WRF(Weather Research and Forecast Model)，在目前世界的天氣預報業(yè)務和大氣科學研究中得到了廣泛應用(章國材，2006)。該模式不僅具有獨特的數(shù)值化動力框架，還提供了多種可供耦合的先進的物理過程方案。與前一代中尺度數(shù)值預報模式MM5相比，WRF模式考慮了比較詳細的陸面過程，能描述不同下墊面的熱量、水分等要素的傳輸過程，并將其耦合到邊界層參數(shù)化方案中，加強了邊界層物理過程的模擬，進而改善了整個模式的模擬性能(Joseph，2004;Janjic，2004;Paula et al.，2005)。

本文應用了中尺度數(shù)值預報模式WRF2.2(Weather Research and Forecast Model for version 2.2)。模式采用雙重嵌套方式，水平范圍以(120.0°E，33.0°N)為中心，模擬區(qū)域包括了116～124°E、30～36°N，且覆蓋滬寧高速公路。粗網格格距為9 km，格點數(shù)為75×75;細網格格距為3 km，格點數(shù)為121×91;積分步長為60 s。在模式微物理過程的參數(shù)選擇上，粗細網格均采用Ferrier(new Eta)方案;長波輻射均選用RRTM方案;短波輻射均選用Dudhia方案;近地面方案選用Monin-Obukhov方案;陸面過程采用Noah陸面參數(shù)化方案，并耦合了城市冠層模型;積云參數(shù)化方案粗網格選擇Betts-Miller-Janjic方案，細網格不采用積云參數(shù)化方案;邊界層方案選擇MRF方案。模式模擬個例的時間為2009年9月17日02時(北京時間，下同)至18日02時共24 h，粗網格每3 h輸出一次結果，細網格每1 h輸出一次結果。

3 數(shù)值模擬結果與診斷分析

3.1 降水模擬結果的驗證

圖4 2009年9月17日02時至18日02時的24 h累積降水量(單位:mm)a.實況;b.模擬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

評價一個中尺度天氣模式的好壞，主要看它對降水的模擬和預報能力。圖4a、b分別是實測和模擬的2009年9月17日02時至18日02時的24 h累積降水量?？煽闯瞿Ｊ綄τ陰ё呦?、降雨落區(qū)和雨量大小的模擬比較好，與實況基本一致。但是在整個模擬區(qū)域內，WRF模擬的降水量比實況偏低10 mm左右;且對于(120.0°E，32.4°N)附近的降雨落區(qū)，WRF模擬出幾個虛中心;此外，WRF未模擬出位于(120.3°E，32.0°N)的降水中心;對于(121.3°E，31.7°N)附近的暴雨中心，模擬的位置略偏西北，比實況范圍偏小;在(119.3°E，31.6°N)、(119.7°E，31.0°N)、(118.9°E，30.9°N)等附近的降水模擬都與實況存在一些微小差異。這可能是模式地形與實際情況存在誤差、地面實測站點有限且分布不均勻等因素有關?？傮w來說模擬結果基本體現(xiàn)了此次暴雨過程的主要特征，模擬效果較為理想。

3.2 暴雨的流場特征診斷

分析不同高度的水平流場可發(fā)現(xiàn)，長江中下游地區(qū)存在一個β中尺度渦旋的發(fā)展、移動過程。2009年9月17日12時有一氣旋性渦旋在119.8～120.4°E、31.2～31.5°N生成(圖5a)，北緣緊逼滬寧高速公路中段，其水平尺度在70 km左右，垂直尺度為10 km左右(結合模式輸出的多層位勢高度場和水平流場估算得到)，形態(tài)比(即中尺度系統(tǒng)的垂直尺度H與水平尺度L之比H/L;陸漢城和楊國祥，2000)約為0.143，700 hPa高度渦旋區(qū)內最大水平氣壓梯度約為2.0 hPa/(10 km)，此渦旋屬于典型的β中尺度渦旋，與此次暴雨過程降水的加強、維持關系密切;之后的4 h內渦旋有明顯增強，并緩慢東移，于16時達到最強(圖5b)，此時，渦旋位于119.6～120.5°E、30.8～31.4°N，水平尺度達110 km以上，垂直尺度達11 km左右，形態(tài)比(H/L)約為0.1，700 hPa高度渦旋區(qū)內最大水平氣壓梯度約為1.3 hPa/(10 km)，影響區(qū)覆蓋整個蘇南丘陵地區(qū)，此時蘇南中西部暴雨強度達最強;17時前后渦旋開始明顯減弱，渦旋有一短時加速東移過程，影響范圍也東移，18時以后移速趨緩，渦旋區(qū)范圍達最小，降水強度明顯減弱;至20時(圖5c)，渦旋位于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，形態(tài)比(H/L)約為0.133，700 hPa高度渦旋區(qū)內最大水平氣壓梯度不到1.1 hPa/(10 km)，此時它對這場暴雨的影響也接近尾聲，蘇南地區(qū)的降水也漸漸停止;21時以后，它完全東移入海，對此次降水過程的影響徹底終止。由此可見:β中尺度渦旋對此次暴雨過程的加強與維系起著重要的作用，這一結果與史小康等(2007)的研究發(fā)現(xiàn)一致。

圖5 模擬的9月17日12時(a)、16時(b)和20時(c)850 hPa流場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 暴雨的水汽條件診斷

圖6為2009年9月17日08時相對濕度沿120°E的垂直剖面。可見，對流層中低層相對濕度高達80%～95%，暴雨區(qū)上空中低層的潮濕空氣為大暴雨的形成提供了較好的水汽條件。在整個暴雨過程中，江淮流域一直存在著水汽輸送帶。模擬結果顯示:2009年9月17日08時對流低層(850 hPa、925 hPa)有兩支明顯的東西向的水汽輸送通道存在，一支在暴雨區(qū)西南側，從西南向東北輻合進入暴雨區(qū)，另一支從偏東向西呈扇形向暴雨區(qū)輻合(圖略);到17日14時，850 hPa水汽通量場中江蘇的沿江和蘇南地區(qū)(即暴雨區(qū))成為極顯著的水汽匯聚區(qū)(圖略)，之后一直源源不斷的有水汽向該區(qū)域輸送，為暴雨的增強與維持創(chuàng)造了條件。水汽通量散度場能更好地反映這一點，2009年9月17日08時850 hPa沿江和蘇南地區(qū)開始出現(xiàn)水汽輻合區(qū)，到了14時，水汽輻合達最強(圖7)。圖8為17日14時的水汽通量散度沿120°E的垂直剖面，可看出水汽輻合帶在500 hPa以下非常顯著，且隨高度增加水

3.4 暴雨的動力條件診斷

汽輻合帶向北傾斜，在暴雨區(qū)形成了深厚的高濕環(huán)境，為對流的不穩(wěn)定增長以及暴雨的維持奠定了基礎(易軍等，2009)。

3.4.1 垂直速度

大氣中能量的輸送主要是通過空氣運動得以實現(xiàn)，垂直運動對水汽、熱量、動量等物理量的輸送及對天氣系統(tǒng)的發(fā)展都起著極為重要的作用(Hoskins，1974)。由2009年9月17日14時垂直速度沿120°E的垂直剖面(圖9)可知，暴雨區(qū)低層到高層都出現(xiàn)了較為強烈的垂直運動。500～700 hPa是對流發(fā)展最旺盛的大氣層，其垂直運動的速度大小反映了系統(tǒng)對流運動狀況并影響高層的垂直運動。對模擬結果診斷分析發(fā)現(xiàn):17日14時前后，垂直運動發(fā)展迅速，500～700 hPa垂直運動的強度最強、范圍最廣。強烈的垂直運動使得大氣層結不穩(wěn)定能量快速釋放，致使對流天氣增強并得以維系。

3.4.2 渦度和散度

圖6 模擬的2009年9月17日08時相對濕度沿120°E的經向垂直剖面(單位:%)Fig.6 Latitude-height cross-section of simulated relative humidity along 120°E at 08:00 BST 17 September 2009(units:%)

圖7 模擬的2009年9月17日14時850 hPa的水汽通量散度(單位: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)

圖8 模擬的2009年9月17日14時的水汽通量散度沿120°E的經向垂直剖面(單位: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)

從高低空渦度、散度場的配置來看:暴雨開始前(17日02時)，低層正渦度的強度較弱、范圍較小，中層500 hPa為弱輻散區(qū);08時，800～900 hPa的正渦度開始增大，500 hPa仍為弱輻散區(qū)，但高層200 hPa上輻散增強，低層900 hPa附近出現(xiàn)小范圍的輻合;之后的幾小時內，低空正渦度隨著降水的增強而增強，輻合層逐漸加厚、輻合中心加強;到了14時，在暴雨區(qū)上空900 hPa散度場出現(xiàn)高達－40×10－5s－1的強輻合中心(圖10)，200 hPa附近存在20×10－5s－1的強輻散中心，可見暴雨所在地具備中尺度環(huán)境下有利于對流發(fā)展的低層輻合、高層輻散的動力配置結構(陳紅專和湯劍平，2009)。同時，暴雨區(qū)上方850 hPa上正渦度顯著增強并達到最大值(圖11)，在200 hPa附近的負渦度中心仍高達－10×10－5s－1，中心位于120.3°E、31.4°N附近，正渦度區(qū)從900 hPa一直向高層延伸到350 hPa，在暴雨區(qū)形成了一個從下到上的正渦管，促使強對流發(fā)展。說明渦度場與散度場在垂直結構配置上一致，對于暴雨的加強和維持有重要的促進作用。

圖9 模擬的2009年9月17日14時垂直速度沿120°E的經向垂直剖面(單位: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)

圖10 2009年9月17日14時900 hPa的散度場(單位:10－5s－1)Fig.1 0Divergence field at 900 hPa at 14:00 BST 17 September 2009(units:10－5s－1)

3.5 暴雨的熱力條件診斷

圖11 2009年9月17日14時850 hPa渦度場(單位:10－5s－1)Fig.1 1Vorticity field at 850 hPa at 14:00 BST 17 September 2009(units:10－5s－1)

假相當位溫θse是在大氣的干、濕絕熱過程中都守恒的一個重要特征參數(shù)，θse的垂直分布可以反映大氣的對流性不穩(wěn)定。當氣層中θse隨高度減小時，整層空氣抬升后，氣層表現(xiàn)為整層位勢不穩(wěn)定;反之，當θse隨高度增大時，整個氣層被抬升后，氣層能量將會變得更加穩(wěn)定(朱乾根等，2000)。由17日14時θse沿120°E的垂直剖面(圖12)可知，對流層中部500～700 hPa近似等于零，大氣為中性層結;而低層＜0，為位勢不穩(wěn)定大氣，所以氣層內有對流發(fā)展。注意到31.8～32.0°N附近，500 hPa以下θse幾乎不變，表明該地區(qū)中低層垂直方向上有強烈的上升運動，使低層水汽、能量向上混合輸送。

3.6 暴雨的配置場特征診斷

圖13模擬了暴雨天氣過程中動力和水汽條件的配置情況。在31.8～32.2°N的暴雨區(qū)附近，1 000～400 hPa形成一條狹長的垂直運動帶，上升運動劇烈，中心速度達到60 cm·s－1(圖13a)。同時，在此區(qū)域內，出現(xiàn)大范圍水汽通量輻合(圖13b)，可見強烈上升運動和充分水汽條件的合理配置對該區(qū)的暴雨發(fā)生至關重要(王巍巍等，2007)。

4 結論與討論

應用中尺度數(shù)值預報模式WRF2.2，結合常規(guī)氣象觀測資料、AWMS系統(tǒng)監(jiān)測資料、NECP氣象再分析資料，模擬分析了2009年9月17日發(fā)生在江蘇大部(包括滬寧高速公路在內)的一次暴雨天氣過程。通過對模擬結果診斷分析，得到如下結論:

1)分析不同高度的水平流場發(fā)現(xiàn)，長江中下游地區(qū)存在一個β中尺度渦旋的發(fā)展、移動過程，此β中尺度渦旋對暴雨過程降水的加強、維持起著重要的作用。

圖12 模擬的2009年9月17日14時假相當位溫沿120°E的經向垂直剖面(單位:K)Fig.1 2Latitude-height cross-section of simulated pseudoequivalent temperature along 120°E at 14:00 BST 17 September 2009(units:K)

2)暴雨區(qū)上空對流中低層空氣潮濕，為大暴雨的形成提供了較好的水汽條件。水汽輻合帶在500 hPa以下非常顯著，且隨高度增加水汽輻合帶向北傾斜，在暴雨區(qū)形成了深厚的高濕環(huán)境，為對流的不穩(wěn)定增長以及暴雨的維持奠定了基礎。

圖13 模擬的2009年9月17日14時垂直速度(a;cm·s－1)和水汽通量散度(b;10－8g·cm－2·hPa－1·s－1)沿120°E的經向垂直剖面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)雨區(qū)低層到高層都出現(xiàn)了較為強烈的垂直運動，使得大氣層結不穩(wěn)定能量快速釋放，致使對流天氣增強并得以維系。暴雨區(qū)低層輻合、高層輻散，低空為正渦度、高空為負渦度，且前期隨著降水的增強，低空正渦度逐漸增強，輻合層逐漸加厚、輻合中心加強。渦度場與散度場在垂直結構配置上一致，對暴雨的加強和維持有重要的促進作用。

4)暴雨區(qū)對流層中低層有強烈的垂直上升運動，促使低層水汽、能量等向上混合輸送。對流層中層大氣為中性層結，而低層大氣為位勢不穩(wěn)定，所以整層大氣有對流發(fā)展，有利于暴雨的形成。

通過個例研究發(fā)現(xiàn):水汽條件、動力條件和熱力條件是暴雨形成的重要物理基礎，調整WRF模式中的相關參數(shù)可以成功地模擬高速公路上的暴雨天氣過程，結合實測數(shù)據(jù)可以較好地預測高速公路暴雨災害產生的時間、范圍和強度等，為交通氣象部門準確地預測道路災害性天氣提供科學依據(jù)。模擬的降雨分布與實況基本一致，因此，可以認為對此次天氣過程的模擬是較成功的。當然，模擬也與實測之間存在一些誤差，這是由于WRF模式是針對中尺度天氣系統(tǒng)設計的，再者，NCEP資料的時空分辨率較粗，也導致了模式輸出與實測之間有一定的誤差。對于模式數(shù)值試驗中存在的誤差，未來將從下列兩個方面力求改進:一是對模式的初始場資料進行加密、同化和調整以提高預報準確率;二是對模式物理過程和參數(shù)化方案不斷進行試驗、選擇，找出最佳配置以便更精確、更科學、更合理地反映實際發(fā)生的狀況。

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