張仲，徐峰

（1.廉江市氣象局，廣東湛江　524400；2.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東湛江　524088）

不同陸面方案對(duì)雷州半島一次局地性暴雨的影響分析

張仲1，徐峰2

（1.廉江市氣象局，廣東湛江524400；2.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東湛江524088）

利用ERA-interim再分析資料、逐小時(shí)觀測(cè)實(shí)況資料、FNL再分析資料研究了雷州半島地區(qū)一次局地性暴雨的成因，并利用WRF模式研究了3種不同陸面過(guò)程方案對(duì)該次局地性暴雨的模擬效果。研究結(jié)果表明：該次局地性暴雨是弱冷空氣與西南暖濕氣流交匯所形成的切變線降水；3種陸面方案都較好地模擬出了雷州半島中部的降水中心位置，不同方案對(duì)整個(gè)降水的分布形狀模擬相差不大，對(duì)強(qiáng)降水中心的范圍和形狀模擬不同，Noah方案和RUC方案的降水范圍比Thermal diffusion方案要好；3種陸面方案主要是通過(guò)影響地表能通量分配形式進(jìn)而改變暴雨區(qū)的強(qiáng)度和中心位置。

天氣學(xué)；局地性暴雨；數(shù)值模擬；陸面方案；雷州半島

張仲，徐峰.不同陸面方案對(duì)雷州半島一次局地性暴雨的影響分析［J］.廣東氣象，2016，38（4）：41-45.

雷州半島位于中低緯地區(qū)，南臨南海，北依歐亞大陸，東靠太平洋，地形復(fù)雜，海陸特征明顯。在西風(fēng)槽、溫帶氣旋等中緯度和熱帶氣旋、季風(fēng)、南支槽、東風(fēng)波等熱帶系統(tǒng)交互作用下，雷州半島地區(qū)降水量十分充沛，暴雨頻率高，是我國(guó)降水最豐富的地區(qū)之一。局地性暴雨是在穩(wěn)定的大尺度環(huán)流形勢(shì)下，由中小尺度系統(tǒng)和下墊面相互作用下形成的［1-3］，預(yù)報(bào)難度大，而且很容易引起次生地質(zhì)災(zāi)害，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。例如2014年5月22日，佛岡縣遭受特大暴雨的襲擊，全縣546個(gè)自然村受災(zāi)，受災(zāi)和轉(zhuǎn)移安置人口92 055人，經(jīng)濟(jì)損失約1.67億元。2008年6月15日深圳市普降暴雨，時(shí)雨量高達(dá)110 mm，造成多人傷亡。一直以來(lái)氣象科研和業(yè)務(wù)對(duì)局地性暴雨的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)都是重點(diǎn)和難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做過(guò)許多富有成效的研究［4-10］。加強(qiáng)對(duì)雷州半島局地性暴雨的研究，對(duì)提高雷州半島局地性暴雨預(yù)報(bào)水平具有重要的作用。

1　環(huán)流形勢(shì)

1.1天氣實(shí)況

2012年8月11日雷州半島出現(xiàn)暴雨事件，普遍出現(xiàn)局地性暴雨，大部分站達(dá)到暴雨級(jí)別，湛江6 h共降水達(dá)59.0 mm，雷州降水45.9 mm，吳川31.8 mm。強(qiáng)降水出現(xiàn)在12：00—17：00（北京時(shí)，下同），具有明顯的局地性特征（圖1）。

圖1　2012年8月11日08：00—20：00湛江地區(qū)各觀測(cè)站的小時(shí)降水

1.2局地性暴雨環(huán)流特征

有利的大尺度環(huán)流形勢(shì)是影響和制約造成局地性暴雨的中尺度天氣系統(tǒng)活動(dòng)的必要條件。11日08：00、14：00、20：00分別代表局地性暴雨發(fā)生前、發(fā)生時(shí)，結(jié)束后的環(huán)流形勢(shì)。3個(gè)時(shí)段內(nèi)（圖略），500 hPa環(huán)流形勢(shì)并未發(fā)生顯著調(diào)整，主要表現(xiàn)為：高緯地區(qū)有一極渦存在，我國(guó)東北地區(qū)有一較弱的東亞大槽，青藏高原北部有一低壓。中緯度地區(qū)，江浙一帶還處于“?？钡臍埩魵庑?，氣旋西側(cè)為偏北氣流的下沉氣流，向南可影響到廣東沿海，所以廣東除粵西地區(qū)大部分無(wú)雨。在低緯地區(qū)，20°N，130°E地區(qū)有一低壓擾動(dòng)，受東亞大槽和“啟德”的影響，我國(guó)大陸東岸的副熱帶高壓幾乎被切斷，主體維持在太平洋。在850 hPa風(fēng)場(chǎng)上，08：00—20：00，孟加拉灣有強(qiáng)烈的西南偏西氣流，廣東沿海地區(qū)普遍維持大于12 m/s的西南風(fēng)，可輸送充沛的水汽。低緯地區(qū)，850 hPa，08：00，有弱切變?cè)谟窳质校▓D略），14：00切變線已經(jīng)南壓到雷州半島地區(qū)（圖略），20：00，切變消失。在穩(wěn)定的大尺度環(huán)流形勢(shì)下，弱冷空氣與西南氣流在雷州半島地區(qū)交匯，是此次局地性暴雨發(fā)生的主要原因。

2　數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模式試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

為了更好了解該次暴雨發(fā)生、發(fā)展的物理機(jī)制，利用WRF3.5和3種陸面方案對(duì)該過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，評(píng)估3種不同的陸面過(guò)程對(duì)此次暴雨的作用。模式積分時(shí)間為2012年8月11日08：00—20：00。模式采用雙層嵌套，水平分辨率分別為30、10 km，水平格點(diǎn)數(shù)分別為67×58、94×88，垂直分辨率為30層，模式頂氣壓為50 hPa，模擬區(qū)域的中心定于24°N，114°E。3種陸面過(guò)程對(duì)比方案分別為T(mén)hermal diffusion方案、Noah方案和RUC方案，模式的其他參數(shù)化方案配置如表1所示。

表1　模式參數(shù)方案設(shè)置

2.2模擬結(jié)果分析

降水實(shí)況和3種模擬結(jié)果見(jiàn)圖2，從圖2中可以看出3種陸面過(guò)程試驗(yàn)基本都能模擬出該次降水的主要中心，最大降水量模擬也準(zhǔn)確，沒(méi)有超過(guò)200 mm的虛擬降水；但整體上模擬降水范圍偏小，位置偏南，導(dǎo)致雷州半島南部徐聞縣出現(xiàn)降水，而北部廉江市卻沒(méi)有降水；對(duì)于北部灣海面上的降水沒(méi)有模擬出來(lái)。

圖2　3種方案12 h累積降水量分布（單位：mm）

具體來(lái)看，3種方案都較好地模擬出了雷州半島中部的降水中心位置，不同方案對(duì)整個(gè)降水的分布形狀模擬相差不大，對(duì)強(qiáng)降水中心的范圍和形狀模擬不同，Noah方案和RUC方案的降水范圍比Thermal diffusion方案要好。為判斷3種陸面方案對(duì)雷州半島降水的整體模擬能力好壞。本研究選取細(xì)網(wǎng)格模擬結(jié)果中雷州半島區(qū)域平均降水量做對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，3種陸面過(guò)程均成功模擬出了強(qiáng)降水發(fā)生的時(shí)段和量級(jí)，強(qiáng)降水發(fā)生在13：00—14：00，但對(duì)個(gè)別時(shí)段模擬效果欠佳，08：00—11：00和19：00—20：00，3種陸面方案的模擬均偏弱。這可能與模擬的起始時(shí)間選取有關(guān)。具體來(lái)看，Thermal diffusion方案的模擬與實(shí)況最接近。

圖3　三種不同陸面過(guò)程模擬雷州半島區(qū)域逐小時(shí)平均降水量

因3種方案的模擬效果很接近，由圖3還不能直觀地得出哪一種陸面過(guò)程方案效果最好。目前氣象業(yè)務(wù)和研究中常用到的TS評(píng)分法對(duì)模擬的降水作初步統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，但因?yàn)門(mén)S評(píng)分結(jié)果與觀測(cè)站點(diǎn)的密度有關(guān)［11-12］，如果觀測(cè)站點(diǎn)過(guò)于稀疏，容易出現(xiàn)大量的空?qǐng)?bào)現(xiàn)象，降低TS評(píng)分，會(huì)造成檢驗(yàn)結(jié)果失真。本研究重點(diǎn)雷州半島區(qū)域內(nèi)含有的站點(diǎn)數(shù)不足10個(gè)，不適合用TS評(píng)分判斷模擬降水效果。相關(guān)系數(shù)能夠在一定程度上反映觀測(cè)值與模式模擬值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系［13］，相關(guān)系數(shù)越大，說(shuō)明觀測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果越接近，模式效果越好。需要說(shuō)明的是，這種相關(guān)系數(shù)僅能夠表現(xiàn)兩者在時(shí)間序列上對(duì)應(yīng)關(guān)系的好壞。

通過(guò)求不同陸面方案模擬雷州半島區(qū)域平均小時(shí)降水與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)，對(duì)比3種陸面方案中最接近實(shí)況的方案。本研究計(jì)算了11日01：00—12：00雷州半島區(qū)域逐小時(shí)區(qū)域平均降水與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)。

表2　不同陸面方案模擬雷州半島區(qū)域平均小時(shí)降水與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)

由表2可知，3種陸面方案均通過(guò)了相關(guān)系數(shù)1%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明3種方案在模擬雷州半島區(qū)域整體降水時(shí)，在降水出現(xiàn)時(shí)段、整體降水量方面均有較好的性能。最好的是Thermal diffusion方案，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.927，然后依次是Noah方案、RUC方案。

2.3誤差分析

平均絕對(duì)誤差（ABE）是所有單個(gè)觀測(cè)值與算術(shù)平均值偏差絕對(duì)值的平均。與平均誤差相比，平均絕對(duì)誤差由于離差被絕對(duì)值化，不會(huì)出現(xiàn)正負(fù)相抵消的情況，因而平均絕對(duì)誤差能更好地反映預(yù)測(cè)值誤差的實(shí)際情況；均方根誤差（RMSE）是用來(lái)衡量觀測(cè)值同真值之間的偏差。本研究采用湛江、徐聞、遂溪、吳川、雷州和廉江5個(gè)氣象站的實(shí)況資料代表雷州半島區(qū)域做計(jì)算。由圖4a可以看出，3種陸面方案對(duì)雷州半島區(qū)域內(nèi)的模擬降水量存在約2.3 mm的平均絕對(duì)誤差，存在3.4 mm的均方根誤差。平均絕對(duì)誤差方面（ABE），Thermal diffusion方案誤差在3種方案中最小為2.2 mm，Noah方案和RUC方案的平均絕對(duì)誤差都為2.3 mm，這說(shuō)明總體上不同陸面方案在整個(gè)模擬區(qū)域差別不大，Thermal diffusion方案最優(yōu)，這與相關(guān)系數(shù)分析的結(jié)果相一致。均方根誤差（RMSE）方面（圖4b），同樣是Thermal diffusion方案誤差最小為3.3 mm，Noah方案和RUC方案的誤差均為3.4 mm。2種誤差統(tǒng)計(jì)方式的結(jié)果較為一致，這也說(shuō)明總體上模式具有較好模擬降水的能力，對(duì)較小的空間范圍，模擬平均降水對(duì)不同陸面方案不夠敏感。但需要指出的是，從時(shí)間序列來(lái)看，14：00降水誤差較大，這與誤差統(tǒng)計(jì)所用的站點(diǎn)數(shù)量有關(guān)，就本研究而言，3種陸面方案和實(shí)況都有較好的相關(guān)系數(shù)，當(dāng)站點(diǎn)數(shù)量增多時(shí)，誤差值應(yīng)會(huì)減小。

圖4　三種陸面方案12 h累積降水量的區(qū)域絕對(duì)誤差（a）和均方根誤差（b）

2.4地表通量分析

研究表明陸面方案是通過(guò)影響地表通量進(jìn)而影響模擬結(jié)果。圖5a、圖5b分別為模擬11日08：00—20：00區(qū)域平均潛熱通量和感熱通量隨時(shí)間的變化曲線，該時(shí)次地表通量的變化能較為明顯地反映出陸面方案的影響。從圖5中可知，無(wú)論對(duì)于感熱通量還是潛熱通量，3種陸面方案的模擬結(jié)果均存在一定的差別。就感熱通量而言，總體上Thermal diffusion方案最大，RUC、Noah方案依次遞減，其中Thermal diffusion方案與其他2種方案間的差別較明顯，其感熱通量偏大，最大差值達(dá)52 W/m2，潛熱通的結(jié)果與感熱通量相反，Thermal diffusion方案最小，Noah方案最大，差值達(dá)83 W/m2，差異很大，而Noah和RUC方案間的差別則較小。可見(jiàn)，不同陸面過(guò)程方案導(dǎo)致了模擬地表能通量分配形式上較大的差異，地表感熱通量及潛熱通量的模擬對(duì)不同陸面過(guò)程方案都呈現(xiàn)出較大的敏感性。感熱通量與潛熱通量之和為地表與大氣之間的熱通量，由圖5c可知，總體上3種陸面方案的熱通量變化走勢(shì)一致，差別很小，這與前面分析中降水區(qū)域平均模擬結(jié)果是一致的，當(dāng)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，熱通量處于減少狀態(tài)。

圖5　三種陸面方案研究區(qū)域平均感熱通量（a）、潛熱通量（b）以及二者之和（c）

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)雷州半島一次局地性暴雨的模擬分析，研究了不同陸面過(guò)程在降水模擬中的作用和效果，得到以下主要結(jié)論：

1）該次局地性暴雨是弱冷空氣與西南暖濕氣流交匯所形成的切變線降水。

2）3種陸面方案都較好地模擬出了雷州半島中部的降水中心位置，不同方案是對(duì)整個(gè)降水的分布形狀模擬相差不大，對(duì)強(qiáng)降水中心的范圍和形狀模擬不同，Noah方案和RUC方案的降水范圍比Thermal diffusion方案要好。

3）陸面方案主要是通過(guò)影響地表能通量分配形式進(jìn)而改變暴雨區(qū)的強(qiáng)度和中心位置。

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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，F(xiàn)NL 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

湛江市氣象局項(xiàng)目（2014B09）

張仲（1990年生），男，助理工程師，主要從事短臨天氣預(yù)報(bào)。E-mail：zjzz1990@163.com