田 暢，隆 霄，韓子霏

（蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州730000）

青藏高原平均海拔為4000～5000 m，是世界上面積最大、海拔最高的高原，青藏高原地區(qū)的環(huán)境變化對(duì)高原以及周邊其他地區(qū)人類的生存環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展能產(chǎn)生非常重要的影響[1]。同時(shí)由于青藏高原地形復(fù)雜，暴雨具有突發(fā)性強(qiáng)，時(shí)空分布不均勻的特點(diǎn)，因此如何準(zhǔn)確預(yù)報(bào)發(fā)生在該地區(qū)的暴雨一直是氣象工作者面臨的難題[2]。

目前對(duì)于高原地區(qū)暴雨天氣過(guò)程已有許多學(xué)者進(jìn)行過(guò)研究。屠妮妮[3]等對(duì)高原東側(cè)一次暴雨過(guò)程的研究表明，濕位渦的演變與暴雨發(fā)展有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，濕位渦最大值與暴雨過(guò)程最強(qiáng)時(shí)段的出現(xiàn)時(shí)間一致；任余龍[4]等用位渦理論對(duì)發(fā)生在高原東部的一次暴雨機(jī)制進(jìn)行研究，結(jié)果表明：副熱帶高壓邊緣充沛的水汽輸送，暴雨區(qū)上空強(qiáng)烈的水汽輻合是暴雨發(fā)生的主要原因，暴雨發(fā)生前的不穩(wěn)定能量為暴雨的發(fā)生提供有利的熱力條件；何光碧[5]等對(duì)三次高原切變線過(guò)程的研究指出，切變線附近通常伴有TBB＜－20℃的線狀或塊狀區(qū)域，對(duì)流活動(dòng)較為旺盛，由于地形的阻擋和加熱，高原東坡和南坡是大氣不穩(wěn)定能量聚集地。王志遠(yuǎn)[6]對(duì)高原東北部一次區(qū)域性暴雨的形成機(jī)理進(jìn)行診斷分析，指出高低空系統(tǒng)的合理配置，副高西北側(cè)β尺度對(duì)流云團(tuán)發(fā)展是造成此次暴雨的主要原因。由于高原地區(qū)常規(guī)觀測(cè)資料的時(shí)空分辨率較低，不足以分辨中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展及演變過(guò)程，因而高時(shí)空分辨率的數(shù)值模擬成為研究中尺度運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要工具。近十幾年來(lái)，已利用高分辨率數(shù)值模式對(duì)對(duì)流降水進(jìn)行了大量的研究，取得了許多有意義的成果[7-12]，但對(duì)于發(fā)生在青藏高原地區(qū)的暴雨數(shù)值模擬研究還相對(duì)較少，陳靜[13]等利用中尺度非靜力數(shù)值模式MM5，模擬一次青藏高原東側(cè)的大暴雨過(guò)程，結(jié)果表明高分辨率的數(shù)值模式對(duì)觸發(fā)本次暴雨過(guò)程的中尺度對(duì)流系統(tǒng)具有較好的模擬能力；何光碧[14]等利用WRF模式引入氣象站海拔資料，修改模式局地地形的方法，分析地形因素對(duì)數(shù)值模式預(yù)報(bào)效果的影響，得出在模式中引入真實(shí)地形可使模擬的降水強(qiáng)度增大、強(qiáng)降水中心落區(qū)和發(fā)生時(shí)間均有所改善；趙玉春[15]等利用WRF模式和地形上游探空垂直廓線在模式真實(shí)地形下開(kāi)展理想數(shù)值模擬試驗(yàn)，得出氣流在遇到高原東坡地形后爬坡和阻滯繞流同時(shí)存在，爬升和繞流形成的氣旋性切變有利于對(duì)流暴雨的發(fā)生和發(fā)展。吳勝剛[16]等利用中尺度數(shù)值模式WRF對(duì)青藏高原南坡地區(qū)降水的模擬分析表明：高原南坡的降水對(duì)積云對(duì)流參數(shù)化方案的選擇很敏感，不同方案模擬的結(jié)果有顯著的差異。

林芝地區(qū)位于高原東南部，該地區(qū)夏季降水是西藏地區(qū)最多的地區(qū)[17]，降水強(qiáng)度較大。本文選取發(fā)生在2015年8月19日林芝地區(qū)的一次暴雨過(guò)程，利用中尺度數(shù)值模式WRF對(duì)此次降水過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合常規(guī)觀測(cè)資料和FY-2E衛(wèi)星產(chǎn)品，分析此次暴雨過(guò)程的天氣學(xué)特征、水汽條件及中尺度特征，以加深對(duì)青藏高原地區(qū)暴雨機(jī)制的認(rèn)識(shí)，從而為該地區(qū)的暴雨預(yù)報(bào)提供理論基礎(chǔ)。

1 環(huán)流特征及對(duì)流云團(tuán)演變分析

1.1 暴雨過(guò)程概述

2015年8月19日00時(shí)至20日00時(shí)（BT，下同），林芝地區(qū)出現(xiàn)了一次暴雨天氣過(guò)程，它具有影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、降水量大等特點(diǎn)。8月17日和18日林芝地區(qū)已有多個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)了大雨，至19日降水量達(dá)到最大，由24 h降水量分布（圖1a）可看出此次降水范圍比較集中，林芝地區(qū)有8個(gè)觀測(cè)站都達(dá)到暴雨級(jí)別（西藏氣象臺(tái)給出林芝站暴雨指標(biāo)為日降水量≥40 mm），其中墨脫站53.7 mm，林芝站66 mm，通麥站58 mm，波密站達(dá)到75.9 mm，突破了此地的歷史極值。6 h降水量的分析顯示，此次暴雨過(guò)程的強(qiáng)降水時(shí)段出現(xiàn)在 14：00—20：00（圖 1b），最大降水量出現(xiàn)在林芝站，6 h降水量達(dá)到45 mm。

1.2 環(huán)流形勢(shì)分析

2015年8月19日08時(shí)，在對(duì)流層高層200 hPa，南亞高壓中心位于青藏高原的西南側(cè)，其東伸脊點(diǎn)位于 78°E 附近，在其東北側(cè)（30°～45°N，90°～120°E）區(qū)域存在高空急流帶，中心最大風(fēng)速可達(dá)到40 m/s，林芝地區(qū)位于南亞高壓的東北部，高空急流入口區(qū)右側(cè)（圖2a）。林芝地區(qū)的海拔平均為3000 m，500 hPa高度相當(dāng)于該地區(qū)的對(duì)流層低層。在該高度層，伊朗高壓東伸與西太副高之間形成一條從尼泊爾到西藏東部的橫槽切變線，伴隨在高原中部形成的低渦發(fā)展，低渦東移南壓至林芝地區(qū)，形成“低渦切變”的天氣形勢(shì)（圖2b），這種高原低渦切變形勢(shì)有利于此次暴雨過(guò)程的形成和發(fā)展。

1.3 中尺度對(duì)流云團(tuán)的演變特征分析

由于青藏高原地區(qū)的常規(guī)觀測(cè)資料較為稀疏，以下利用高時(shí)空分辨率的氣象衛(wèi)星觀測(cè)資料來(lái)分析影響暴雨過(guò)程的中尺度對(duì)流系統(tǒng)。文中所用的衛(wèi)星資料為FY-2E衛(wèi)星9210格式逐小時(shí)TBB產(chǎn)品。一般TBB≤－32℃的區(qū)域?yàn)閷?duì)流活躍區(qū)，TBB溫度越低，對(duì)應(yīng)的云頂高度越高，對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展越旺盛。從TBB隨時(shí)間的演變圖（圖3）上可以看到，在8月19日的14：00時(shí)，林芝地區(qū)500 hPa高度上出現(xiàn)明顯的氣流輻合，對(duì)流云團(tuán)位于輻合線上（圖3a），其東南部出現(xiàn)TBB值低于－54℃的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)A，此后該強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)不斷發(fā)展，在其西南部有2個(gè)對(duì)流云團(tuán)（B，C）不斷形成發(fā)展，它們形成一條東北西南向的線狀對(duì)流系統(tǒng)，3個(gè)強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)A、B和C的TBB 值增強(qiáng)到－58 ℃以下（圖 3b、3c）；到 17：00（ 圖3d），對(duì)流云團(tuán)A不斷消散，對(duì)流云團(tuán)B和C則不斷向東北方向移動(dòng)并增強(qiáng)，其中心TBB值達(dá)－60℃；到18：00，對(duì)流云團(tuán)A幾乎完全消失，對(duì)流云團(tuán)B和C范圍有所擴(kuò)大，但強(qiáng)度減弱（圖3e）；至20：00（圖3f），對(duì)流云團(tuán)B和C處于槽前，強(qiáng)度明顯減弱。

圖 1 林芝地區(qū) 2015 年 8 月 19 日 08：00—20 日 08：00（a）和 19 日 14：00—20：00（b）降水量分布（單位：mm）

圖 2 8 月 19 日 08：00 200 hPa（a）、500 hPa（b）的環(huán)流形勢(shì)（等值線，單位：gpm）和風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)羽，單位：m/s）合成

圖3 8月19日FY-2E TBB的演變

以上分析表明，此次暴雨與對(duì)流層高層200 hPa南亞高壓與高空急流及500 hPa低渦橫槽切變線的發(fā)展密切相關(guān)。中尺度對(duì)流云團(tuán)演變特征顯示，暴雨的發(fā)生發(fā)展過(guò)程是線狀對(duì)流系統(tǒng)中的對(duì)流云團(tuán)不斷發(fā)展演化的結(jié)果。有研究表明線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)，它是造成暴雨、冰雹、龍卷等災(zāi)害性天氣的重要系統(tǒng)之一[17]。

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果檢驗(yàn)

2.1 模式方案設(shè)計(jì)

利用中尺度數(shù)值模式WRF進(jìn)行三重嵌套模擬(圖 4），模擬中心點(diǎn)設(shè)在（29.5°N ，94.5°E），格點(diǎn)域?yàn)?47×108、220×175 和 265×220，對(duì)應(yīng)的格距分別為45、15 km和5 km，垂直層次分為30層，模式層頂設(shè)在50 hPa，模式的初始場(chǎng)和邊界條件由NCEP提供的每6 h一次的FNL再分析資料（水平分辨率為1°×1°）產(chǎn)生。模擬方案中微物理過(guò)程采用WSM6類冰雹方案，長(zhǎng)波輻射和短波輻射采用RRTM方案和Dudhia方案，近地面層為Monin-Obukhov的MM5相似方案，陸面過(guò)程為Noah陸面參數(shù)化方案，行星邊界層采用YSU方案，D01和D02模擬區(qū)域采用的積云參數(shù)化方案為Kain-Fritsch（new Eta）積云對(duì)流參數(shù)化方案，D03區(qū)域沒(méi)有啟動(dòng)積云對(duì)流參數(shù)化方案。本次模擬啟動(dòng)時(shí)間為2015年8月18日08時(shí)，共積分48 h，時(shí)間步長(zhǎng)為180 s，模擬結(jié)果每1 h輸出一次。

2.2 模擬結(jié)果檢驗(yàn)

D03模擬區(qū)域8月19日08時(shí)—20日08時(shí)的24 h降水量分布（圖5a）和TRMM衛(wèi)星觀測(cè)的24 h降水量的分布（圖5b）的對(duì)比可以看出，模擬結(jié)果的整體雨帶分布與TRMM衛(wèi)星觀測(cè)降水基本一致。對(duì)于此次降水過(guò)程，模擬的降水范圍偏大、強(qiáng)度偏小，而在高原南坡降水的范圍和強(qiáng)度都偏大，高原東北至四川青海一帶出現(xiàn)少量虛假降水?？紤]到高原地區(qū)復(fù)雜地形背景，總體來(lái)看降水模擬結(jié)果較好。模擬的和客觀分析的8月19日08時(shí)500 hPa環(huán)流形勢(shì)和風(fēng)場(chǎng)的對(duì)比分析也表明，模式也較好地模擬出此次暴雨過(guò)程的大尺度環(huán)流背景。

3 水汽條件分析

圖4 WRF模式三重嵌套網(wǎng)格區(qū)域（a）和D03模擬區(qū)域的地形分布（b）

圖5 2015年8月19日08：00—20日08：00 24 h累積降水模擬（a）和TRMM衛(wèi)星觀測(cè)（b）的24 h降水量分布（單位：mm）

充足的水汽供應(yīng)是暴雨的形成和發(fā)展的必要條件。圖6為D03模擬域模擬的500 hPa的水汽通量及其散度和3 h降水量的疊加圖，從圖中可以看出：在暴雨發(fā)生過(guò)程中，在低層500 hPa存在一條東北—西南向的水汽輻合帶，這與TBB的分布特征非常一致。從圖中也可以看出此次暴雨過(guò)程的水汽輸送主要為西南氣流，孟加拉灣暖濕空氣被強(qiáng)盛的西南風(fēng)引導(dǎo)至高原，水汽通量的最大值位于高原東南及東北部，降水量的增加與水汽強(qiáng)度的增強(qiáng)一致。圖7顯示可以看出最強(qiáng)降水區(qū)域與500 hPa上升運(yùn)動(dòng)的大值區(qū)吻合，上升運(yùn)動(dòng)可以將低層暖濕氣流帶至高層產(chǎn)生凝結(jié)降水，并釋放凝結(jié)潛熱，進(jìn)一步促使垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，有利于強(qiáng)降水的形成。以上分析說(shuō)明，充足的水汽輸送為暴雨的形成提供了充沛的水汽條件，強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)則有利于水汽的抬升凝結(jié)，釋放潛熱可促進(jìn)上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，這樣形成的正反饋機(jī)制為暴雨的維持和發(fā)展提供有利的條件。

4 中尺度系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)分析

觀測(cè)分析顯示，此次暴雨過(guò)程的強(qiáng)降水時(shí)段出現(xiàn)在8月19日14—20時(shí)，為研究中尺度系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)，沿圖7黑色實(shí)線AB模式模擬的強(qiáng)降水中心作散度、渦度、垂直速度以及假相當(dāng)位溫等垂直剖面圖（圖8、圖9、圖10），對(duì)暴雨形成和發(fā)展中的中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖6 8月19日14：00（a）和18：00（b）500 hPa水汽通量（箭矢，單位：g/（hPa·m2·s）、水汽通量散度

圖 7 8 月 19 日 14：00（a）和 18：00（b）500 hPa風(fēng)場(chǎng)（箭矢，單位：m/s）、垂直速度（陰影，單位：m/s）及 1 h 降水（等值線，單位：mm）的合成

強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)是暴雨過(guò)程發(fā)生的必要條件。強(qiáng)降水區(qū)位于地形的迎風(fēng)側(cè)，由于地形的抬升作用，在地形的迎風(fēng)坡出現(xiàn)明顯的上升運(yùn)動(dòng)，并在其東南側(cè)出現(xiàn)明顯的下沉補(bǔ)償氣流（圖8）。由散度場(chǎng)的垂直剖面結(jié)構(gòu)分布顯示，散度場(chǎng)具有低層輻合、高層輻散的特征，500 hPa以下主要為輻合區(qū)域，以上為主要輻散區(qū)域。低層輻合、高層輻散所造成的抽吸作用可以增強(qiáng)該區(qū)域的垂直上升運(yùn)動(dòng)，在上升運(yùn)動(dòng)附近伴有下沉補(bǔ)償氣流（圖8a）。由渦度場(chǎng)的分布可以看出，在暴雨區(qū)存在明顯的正渦度，正渦度區(qū)可向高層延伸至300 hPa，正渦度中心值可達(dá)到80×10-5s-1，正渦度與強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)相伴，配合迎風(fēng)坡地形的強(qiáng)迫抬升作用，有利于正渦度區(qū)的發(fā)展并向高空延伸，為暴雨的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力條件。

從垂直速度的分布來(lái)看，垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域主要位于700～300 hPa，最大的上升運(yùn)動(dòng)達(dá)1.4 m/s（圖 9）；假相當(dāng)位溫（θse）是綜合表征大氣溫度和濕度的量，其垂直分布可用來(lái)分析大氣的垂直熱力結(jié)構(gòu)及垂直穩(wěn)定度狀況，假相當(dāng)位溫等值線斜率大，有利于低層的暖濕空氣向高層抬升，與高層的干冷空氣相遇，形成等假相當(dāng)位溫線的密集帶，促進(jìn)氣旋性渦旋的發(fā)展[19]。由19日14時(shí)（圖9a）的假相當(dāng)位溫的垂直剖面可以看到，在此次暴雨過(guò)程的主要降水區(qū)，300～600 hPa等假相當(dāng)位溫線的斜率很大，θse密集區(qū)在迎風(fēng)坡的上空向東南方向傾斜分布，在強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，為假相當(dāng)位溫的高值區(qū)，可達(dá)356 K。低層暖濕空氣在向高層爬升的過(guò)程中釋放凝結(jié)潛熱，從而加強(qiáng)大氣的不穩(wěn)定度，至19日18時(shí)，假相當(dāng)位溫等值線密集帶的斜率以及垂直速度都有所加強(qiáng)，假相當(dāng)位溫高值區(qū)與垂直速度大值區(qū)的位置都向高空延伸，且與圖8中所示的正渦度區(qū)域一致。大量的暖濕空氣存在于降水區(qū)的上空，不穩(wěn)定層結(jié)促進(jìn)上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，配合地形的抬升作用，將低層的暖濕水汽帶至高層并釋放潛熱，為此次暴雨過(guò)程提供有利的熱力條件。

圖 8 8 月 19 日 14：00（a、c）和 18：00（b、d）沿圖 7 所示直線作散度（陰影，單位：10-5s-1）（a，b）、垂直渦度（c，d）（陰影，單位：10-5s-1）、風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m/s）的垂直剖面

圖9 8月19日14：00（a）和18：00（b）沿圖7所示直線作假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K）和垂直速度（陰影，單位：m/s）的垂直剖面

螺旋度的定義式為風(fēng)速和渦度點(diǎn)積的體積分：

垂直螺旋度為垂直渦度和垂直速度的積，又稱k或z-螺旋度。劇烈的天氣現(xiàn)象中通常存在垂直渦度大的系統(tǒng)，垂直速度又是造成天氣現(xiàn)象的主要原因，垂直速度的大小也反映了天氣現(xiàn)象的劇烈程度，因此垂直螺旋度是綜合反映垂直渦度與垂直速度配合情況的物理量，它可以反映出天氣系統(tǒng)的發(fā)展、維持狀況，還能表現(xiàn)天氣現(xiàn)象的劇烈程度。局地垂直螺旋度計(jì)算方法為：

W為Z坐標(biāo)系中的垂直速度，ζ為相對(duì)渦度的垂直分量[20-21]。

降雨前期（圖10a、10b），可以看到94.8°E附近，對(duì)流層低層存在垂直螺旋度正值區(qū)，中高層存在垂直螺旋度負(fù)值區(qū)，至降雨強(qiáng)盛期（圖10c、10d）正垂直螺旋度區(qū)高度延伸至近300 hPa，且強(qiáng)度增大至-70×10-5m/s2。高層輻散促進(jìn)低層的輻合，配合迎風(fēng)坡地形的抬升作用，可使低層的正垂直螺旋度區(qū)逐漸向高層抬升，并使上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，有利于暴雨過(guò)程的維持和發(fā)展。垂直螺旋度中低層正中心、高層負(fù)中心的配置使得低層有正渦度的輻合上升區(qū)，高層有負(fù)渦度的輻散區(qū)，這種結(jié)構(gòu)有利于系統(tǒng)自身的發(fā)展與維持，垂直螺旋度正大值區(qū)與暴雨的落區(qū)也有較好的一致性。

5 結(jié)論

受特殊地形的影響，青藏高原地區(qū)是我國(guó)易發(fā)生災(zāi)害性天氣的地區(qū)。本文對(duì)2015年8月19日發(fā)生在林芝地區(qū)的一次暴雨過(guò)程的大尺度系統(tǒng)和中尺度對(duì)流云團(tuán)進(jìn)行了分析，然后利用中尺度WRF模式對(duì)此次暴雨過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果較好地再現(xiàn)了此次暴雨過(guò)程，其環(huán)流形勢(shì)和降水的落區(qū)、強(qiáng)度與實(shí)況較為一致。利用WRF模式輸出的高時(shí)空分辨率資料對(duì)此次暴雨過(guò)程的水汽條件以及動(dòng)力、熱力學(xué)特征進(jìn)行了診斷分析，得到如下主要結(jié)論：

（1）天氣分析表明，暴雨過(guò)程發(fā)生在有利的大尺度環(huán)流背景下，林芝地區(qū)處于伊朗高壓東伸與西太副高之間形成的橫槽切變線的環(huán)流形勢(shì)下，受東移南壓的高原低渦影響，伴隨輻合線發(fā)展的線狀對(duì)流系統(tǒng)是此次暴雨發(fā)生的主要原因。

（2）強(qiáng)盛的西南風(fēng)將孟加拉灣暖濕空氣引導(dǎo)至高原東部，形成一條東北—西南向的水汽輻合帶；強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)將低層暖濕空氣向高層抬升釋放潛熱，為暴雨的發(fā)生提供有利的熱力條件。

圖 10 8 月 19 日 14：00（a）、15：00（b）、16：00（c）、18：00（d）沿圖 7 所示直線作垂直螺旋度剖面

（3）低層輻合、高層輻散并伴有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)的垂直結(jié)構(gòu)特征，以及有利的大氣熱力結(jié)構(gòu)為此次暴雨過(guò)程的發(fā)生、發(fā)展提供了動(dòng)力條件。

（4）暴雨過(guò)程中垂直螺旋度中低層正中心、高層負(fù)中心的結(jié)構(gòu)配置有利于天氣系統(tǒng)的維持和發(fā)展，垂直螺旋度正大值區(qū)可較好的對(duì)應(yīng)強(qiáng)降水的落區(qū)。