一次秦嶺南麓暴雨中秦巴山區(qū)地形作用模擬分析

李萍云，王 楠，戴昌明，王 潔，程肖俠

(1.陜西省氣象臺，西安 710014；2.陜西省氣候中心，西安 710014)

地形與暴雨關(guān)系密切，氣象學(xué)者們對它們之間的關(guān)系進(jìn)行了大量研究，在20世紀(jì)80年代之前主要的結(jié)論[1-2]有：地形對氣流的機(jī)械抬升作用主要由三個因素來影響，風(fēng)速、風(fēng)向和山脈的坡度，當(dāng)風(fēng)速越大、山脈坡度越陡峭、低空風(fēng)與山坡趨于正交時，易產(chǎn)生強烈的垂直運動，造成大量的凝結(jié)，從而使雨量增大；地形阻擋也使降水系統(tǒng)移速減慢, 雨時延長。隨著數(shù)值模式的發(fā)展劉冀彥等[3]、郭蕊等[4]用地形敏感性試驗對之前的結(jié)論進(jìn)行了論證，而袁有林等[5]的數(shù)值試驗研究發(fā)現(xiàn)，地形主要通過影響大氣的局地環(huán)流、冷暖空氣移速、對流強度來改變降水的強度和范圍?？梢娊陙淼匦螌Ρ┯甑挠绊懹辛艘恍┬碌恼J(rèn)識。

陜西南部有秦嶺和大巴山區(qū)，地形復(fù)雜，山勢陡峭，峽谷相間,是暴雨易發(fā)區(qū)。不少學(xué)者研究了秦嶺和大巴山對陜西暴雨的影響。畢寶貴等[1]用MM5模式采用去掉秦嶺、大巴山的地形起伏分別分析秦嶺、大巴山對陜西降水的影響，指出秦嶺使?jié)h江河谷、秦嶺南坡降水增加, 使秦嶺山脈本身和陜北地區(qū)降水減少。而大巴山使秦嶺山脊、 漢江河谷降水減小, 使秦嶺東南坡和渭河河谷下游降水增加。馬曉華等[6]用WRF V3.0對秦巴山區(qū)秋季區(qū)域性暴雨數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，秦巴山區(qū)特殊的地形地貌使得在強降水發(fā)生時，水汽輻合沿著山脈伸展到高層。趙強等[7]用WRF V 3.3(完全可壓縮的非靜力中尺度天氣預(yù)報模式，weather research and forecast model)模擬了陜南一次暴雨過程，指出地形對暴雨有明顯的增幅作用，但并未進(jìn)行進(jìn)一步的敏感性試驗分析。本文利用全省自動站降水資料以及NCEP/NCAR提供的全球FNL再分析資料，應(yīng)用 WRF V3.3中尺度模式對2014年8月30日陜南暴雨過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和敏感性試驗。試驗方案針對秦巴山區(qū)地形對暴雨的影響作用進(jìn)行設(shè)計，并對模擬結(jié)果進(jìn)行初步的研究和分析。

1 暴雨數(shù)值模擬結(jié)果

1.1 模擬方案

研究采用的模式數(shù)據(jù)為NCEP/NCAR提供的FNL再分析資料，觀測資料為高空、地面常規(guī)觀測資料以及陜西7部 CB雷達(dá)基數(shù)據(jù)。模式采用WRF V3.3以及相匹配的3DVAR變分同化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬和敏感性試驗。模式中心點為34.406°N、109.056°E，水平分辨率為12 km，格點數(shù)為99×122，垂直方向分為21層。采用的物理參數(shù)化方案見表1。

模式采用“熱啟動”方式進(jìn)行預(yù)報，即從8月28日08時起報向前預(yù)報36 h，后采用8月29日20時預(yù)報場作為模式背景場，同化該時刻前后15 min時間窗內(nèi)間隔6 min一次的陜西7個雷達(dá)單站資料和同時刻高空、地面常規(guī)觀測資料，再積分預(yù)報未來36 h降水過程。

表1 2014-08-30陜南暴雨過程數(shù)值模擬和敏感性試驗方案

1.2 暴雨模擬結(jié)果檢驗

圖1是2014-08-29T20—30T20的實況降水量(圖1a)和模式模擬降水量(圖1b)。對比分析可以發(fā)現(xiàn)，控制試驗較成功地模擬出了大雨以上雨帶位置及走向，準(zhǔn)確模擬出秦嶺山區(qū)佛坪、寧陜、柞水、洛南一帶的暴雨，也模擬出了此次過程中的大暴雨，但暴雨的范圍略大于實況，大暴雨的落區(qū)略有偏移。

圖1 2014-08-29T20—30T20陜西實況降水量(a)與控制試驗24小時模擬降水量(b)(單位為mm)

模擬的累計降水量基本再現(xiàn)了這場強降水過程，降水落區(qū)和強度都與實況較為接近。

從模擬的佛坪1 h降水量與實測1 h降水量時間演變(圖2)可以看出，兩者趨勢一致，盡管模擬降水量較實況偏強, 降水發(fā)生前2～3 h出現(xiàn)了弱降水，降水結(jié)束時間偏早2～3h, 但整個降水的生命期與實況較吻合, 降雨峰值出現(xiàn)時間與實況基本一致。

總體來看，此方案對這次暴雨過程有較好的模擬，對環(huán)流形勢的模擬也與實況接近(圖略)，因此可以利用模式得到的高分辨資料對這次暴雨過程進(jìn)行分析。

圖2 2014-08-29T20—30T20佛坪站模擬1 h降水量與實測1 h降水量時間演變圖(單位為mm)

2 環(huán)流形勢特征和主要影響系統(tǒng)

暴雨發(fā)生之前(29日20時圖略)500 hPa形勢場上，貝加爾湖到河套西部有一西風(fēng)槽，槽后冷空氣不斷影響陜西，中低緯度西太平洋副熱帶高壓呈帶狀分布，脊線位于32°N附近，陜西中南部受副高外圍西南氣流影響。暴雨發(fā)生時(30日08時圖3a)，西風(fēng)槽東移加深，副高南撤東退,陜南位于西風(fēng)槽前西南氣流和副高西側(cè)西南氣流匯合區(qū)， 槽前正渦度平流造成的垂直運動為暴雨提供了有利的動力條件。700 hPa(圖3b)天氣圖上，西風(fēng)槽東移,逼近副高西北側(cè),兩系統(tǒng)之間的氣壓梯度力加大,副高西側(cè)從云貴高原經(jīng)四川東部到陜南的西南氣流風(fēng)速加大到12 m/s，中層這支氣流為暴雨提供了水汽和和不穩(wěn)定能量；西風(fēng)槽后的冷空氣自蒙古西南部經(jīng)甘肅中部侵入陜西中南部。冷暖空氣在隴南到關(guān)中西部、陜南西部形成了一風(fēng)速切變，秦嶺西部上空水汽輻合值達(dá)到-4×10-7g/(cm2·hPa·s)。850 hPa(圖3c)上，西風(fēng)槽后的冷空氣與西南暖濕空氣在四川中東部與陜南西部交匯，形成一低渦，低渦東北側(cè)的水汽通量散度達(dá)-10×10-7g/(cm2·hPa·s)，水汽輻合加強。從200 hPa風(fēng)場和散度場(圖3d)可以看出，高空急流區(qū)在35°N～45°N，在110°E附近出現(xiàn)了南北兩支急流，陜南位于南支35°N急流入口區(qū)的右側(cè)輻散區(qū)中，其輻散值達(dá)6×10-5s-1，而此區(qū)域正好位于低空西南急流的左側(cè)。高低空急流的耦合作用，與高空急流相聯(lián)系的次級環(huán)流的上升支正位于低空急流的左側(cè)，低層輻合、高層輻散及強垂直運動有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展。

圖3 2014-08-30T08 500 hPa位勢高度(黑色實線，單位為dagpm)和風(fēng)場(單位為m/s)(a)；700 hPa水汽通量散度(等值線，單位為10-7g/(hPa·cm2·s))和風(fēng)場(單位為m/s)(b)； 850 hPa水汽通量散度(等值線，單位為10-7g/(hPa·cm2·s))和風(fēng)場(單位為m/s)(c)；200 hPa散度場(等值線，單位為10-5s-1)和風(fēng)場(單位為 m/s)(d)

可見，副高外圍西南暖濕氣流給陜南帶來了充足的水汽，西風(fēng)槽前的正渦度平流提供了上升運動，中低層700 hPa和850 hPa的低渦切變造成的水汽輻合是形成暴雨的直接原因，200 hPa高空急流入口區(qū)右側(cè)的輻散增強了上升運動，有利于強降水的增幅。大尺度環(huán)流條件有利于陜南產(chǎn)生強降雨。

3 秦巴山區(qū)地形對降水的影響

為驗證此次強降水過程中秦巴山區(qū)地形對暴雨的影響，設(shè)計了敏感性試驗方案(表2)，著重分析地形起伏及抹平地形引起的大氣動力、水汽及熱力的變化來探討并揭示地形對大氣的影響作用。

表2 2014-08-30陜南暴雨過程敏感性試驗設(shè)計

3.1 地形對降水的影響

為了顯示暴雨過程的中尺度特征，選取降水強度最強時段進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖4給出暴雨過程中降水強度最強時段的降水量(8月30日08—14時)。由圖4a可以看出，大降水主要位于漢中地區(qū)，雨帶呈東北—西南向分布，降水中心位于秦嶺上空地形高度最高點附近；將秦巴山區(qū)地形按比例降低時(圖4b)，大降水區(qū)越過秦嶺向東北方向延伸，雨帶依然呈東北—西南走向，降水大值中心依然位于秦嶺上空地形最高點附近；將秦巴山區(qū)地形高度繼續(xù)降低時(圖4c)，大降水主要位于關(guān)中南部和陜南北部，雨帶呈東西向分布，降水中心有五個，均位于雨帶的偏西位置；當(dāng)抹去秦巴山區(qū)超過1 km的地形時(圖4d)，大降水區(qū)成為兩條雨帶，主要位于關(guān)中地區(qū)，無超過70 mm以上的降水中心存在。

可見，秦巴山區(qū)的起伏地形，使得陜南降水增多，關(guān)中降水減少；而地形起伏的大小，會影響關(guān)中地區(qū)的降水落區(qū)，且地形起伏越大，關(guān)中地區(qū)的降水落區(qū)越偏南；若去掉秦巴山區(qū)的地形起伏，陜南降水落區(qū)和降水量均減小，整個雨帶向北移動，強降水中心減弱。

3.2 地形對低層風(fēng)的影響

本次暴雨過程發(fā)生在西風(fēng)槽前及副高西北側(cè)，在700～850 hPa盛行一支較強的偏南氣流并向秦嶺西部推進(jìn)，偏南氣流沿秦嶺爬升(秦嶺為東西山脈，南風(fēng)與其近乎垂直)，地形的強迫抬升有利于暴雨的產(chǎn)生。本次暴雨的最強降雨時段在30日08—16時，用模擬資料分析地形對低層南風(fēng)分量的影響(圖5，見第6頁)。由30日10時大降水中心(34°N、109°E)經(jīng)向剖面圖(圖5a)可知，在強降水時段700 hPa，32°N以南有一支風(fēng)速達(dá)12～14 m/s的南風(fēng)急流，此急流遇到秦嶺減弱爬坡，在33.8°N上空低層700～750 hPa有一南風(fēng)分量的大值中心，中心風(fēng)速為12 m/s。由于受秦嶺阻擋，關(guān)中34°N～35°N上空中低層南風(fēng)風(fēng)速為2 m/s，風(fēng)速較小，在秦嶺上空最高處33.8°N～34°N附近南風(fēng)風(fēng)速梯度較大，說明在秦嶺最高處風(fēng)速輻合較大。將秦巴山區(qū)地形按比例降低時(圖5b)，南風(fēng)分量大值中心位于(33.9°N, 700～750 hPa),南風(fēng)風(fēng)速大值區(qū)較控制試驗有所北推，關(guān)中地區(qū)中低層風(fēng)速依然為2 m/s，風(fēng)速梯度大值區(qū)位于34°N～34.2°N，較控制試驗有所減弱。將秦巴山區(qū)地形高度繼續(xù)降低時(圖5c)，12 m/s的南風(fēng)風(fēng)速大值中心位于32°N～33.5°N，700～800 hPa之間，關(guān)中地區(qū)上空南風(fēng)風(fēng)速為2～6 m/s，風(fēng)速梯度較敏感性試驗1減小，風(fēng)速輻合繼續(xù)減弱。當(dāng)去掉秦巴山區(qū)高于1 km的地形高度時(圖5d)，大巴山和秦嶺高度相當(dāng)，此時南風(fēng)分量中心12 m/s位于大巴山(32°N)以南的700～800 hPa附近，關(guān)中地區(qū)上空低層為2 m/s的風(fēng)速，秦嶺上空依然存在風(fēng)速梯度，只是風(fēng)速梯度的大小介于敏感性試驗1和敏感性試驗2之間。

可見，秦巴山區(qū)對偏南氣流有阻擋作用，使得大風(fēng)速區(qū)位于秦嶺以南地區(qū)，而秦嶺以北風(fēng)速較小，在秦嶺最高處形成一風(fēng)速梯度的大值區(qū)，造成風(fēng)速在秦嶺最高處形成輻合，出現(xiàn)上升運動，產(chǎn)生秦嶺上空的強降水；當(dāng)秦巴山區(qū)地形高度按比例降低，大風(fēng)速帶越過秦嶺向關(guān)中地區(qū)移動，地形高度降得越低，對氣流阻擋就會越弱，秦嶺上空的風(fēng)速梯度就會越小，風(fēng)速輻合就越弱，形成的降水強度就越弱；將秦巴山區(qū)高于1 km的地形去掉后，大風(fēng)速帶受到大巴山的阻擋，在秦嶺上空的風(fēng)速梯度減小，降水強度減弱。說明秦巴山區(qū)地形對降水有增幅作用。

3.3 地形對水汽的影響

圖6給出了2014-08-30T04—T20大降水中心(34°N、109°E)逐小時降水量、水汽通量散度及垂直速度隨時間的變化。從控制試驗(圖6a)可以看出，08時之前，雨強隨著中低層水汽輻合和上層的垂直運動的增加逐漸增大。在09—15時，600 hPa以下為水汽輻合區(qū)，對應(yīng)400～550 hPa有水汽輻散，水汽低層輻合高層輻散，上升運動發(fā)展，產(chǎn)生強降水；當(dāng)?shù)蛯訜o水汽輻合，高層無水汽輻散時，上升運動停止，降水隨之停止。當(dāng)秦巴山區(qū)地形按比例降低時(圖6b)，低層800 hPa出現(xiàn)水汽輻散，降水時段750 hPa附近有水汽輻合，中高層水汽輻散均較弱，由于水汽輻合的減弱，上升運動整體較弱，造成降水量減小。當(dāng)秦巴山區(qū)地形高度繼續(xù)降低時(圖6c)，近地層的水汽輻散增加，低層水汽輻合減弱，上升運動減弱，降水量減小。當(dāng)高于1 km的地形被抹平時(圖6d)，05時500 hPa以下形成明顯的水汽輻合，400 hPa附近有水汽的輻散，低層水汽輻合高層水汽輻散，上升運動強烈發(fā)展，產(chǎn)生強降水，08時以后低層水汽輻合和高層水汽輻散相對較小，形成上升運動較弱，雨強減小。

a.控制試驗；b.試驗1；c.試驗2；d.試驗3圖5 2014-08-30T10沿109°E的經(jīng)向風(fēng)垂直剖面圖(單位為m/s)

可見，地形的存在，使得近地層有水汽輻合，高層有水汽輻散，同時伴有上升運動和強降水的維持；當(dāng)?shù)匦伟幢壤档?，低層的水汽輻合減小，高層的輻散減弱，上升運動相應(yīng)減弱；若抹去地形起伏，低層水汽輻合及高層水汽輻散出現(xiàn)時間會提前，降水也會提前發(fā)生，但強降水持續(xù)時間會縮短。

3.4 地形對熱力條件的影響

廣義位溫可真實反映實際大氣的水汽分布和熱力性質(zhì)，其高值區(qū)代表的是高溫、高濕區(qū)，低值區(qū)代表低溫、低濕區(qū)。李萍云等[3]指出，在強降水區(qū)，廣義位溫等值線呈“漏斗”狀，從對流層高層向下伸展到對流層低層。為了具體研究秦巴山區(qū)地形變化對降水區(qū)能量的影響，計算了大降水中心(34°N、109°E)逐小時降水量、廣義位溫及垂直速度隨時間的變化(圖7，見第8頁)。

從控制試驗(圖7a)可以看出，降水發(fā)生在05—15時，廣義位溫344 K等值線自300 hPa向下伸展到500 hPa附近，呈“”分布特征。強降水發(fā)生在09—14時，在強降水期間，從對流層高層到對流層低層廣義位溫342 K等值線上下聯(lián)通, 500 hPa以下廣義位溫恒定，說明在降水區(qū)上空500 hPa以下有持續(xù)的水汽和能量供應(yīng)，同時300～400 hPa先后有兩股干冷空氣影響,在降水區(qū)上空形成不穩(wěn)定層結(jié),持續(xù)的上升運動使不穩(wěn)定層結(jié)不斷遭到破壞,產(chǎn)生強降水。

a.控制試驗；b.試驗1；c.試驗2；d.試驗3圖6 2014-08-30T05—T17大降水中心(34°N、109°E)逐小時降水量(柱狀)、水汽通量散度(等值線，單位為10-7 g/(hPa·cm2·s)及垂直速度(陰影，單位為m/s)隨時間變化剖面圖

當(dāng)秦巴山區(qū)地形按比例降低時(圖7b)，降水發(fā)生在07—17時，廣義位溫344 K等值線呈“”分布特征，“”上口較窄，底部較寬。降水期間底層有340 K的廣義位溫大值區(qū)向上伸展，600 hPa有兩股冷空氣發(fā)展并向低層滲入，上升運動主要存在于600 hPa以上，過程最大雨強為09時的12 mm。與控制試驗相比，干冷空氣增強，冷空氣所在高度降低，低層暖濕空氣影響減弱，能量減小，造成上升運動減小，因此小時雨強減弱。

當(dāng)秦巴山區(qū)地形高度繼續(xù)降低時(圖7c)，降水時段與敏感試驗1一致，廣義位溫344 K等值線在11—17時向下延伸呈“”分布。降水發(fā)生前期，雖然廣義位溫等值線344 K無“”分布，但在07—09時，350～500 hPa有廣義位溫344 K高值區(qū)存在，低層不斷有廣義位溫340 K等值線向上延伸，中層依然有兩股冷空氣不斷向低層滲入，過程最大雨強為13時的10 mm。與敏感性試驗1相比，干冷空氣繼續(xù)增強，冷空氣所在高度和不穩(wěn)定層結(jié)高度繼續(xù)降低，能量繼續(xù)減小，上升速度繼續(xù)減弱，因此雨強繼續(xù)減弱。

當(dāng)抹去秦巴山區(qū)高度超過1 km地形時(圖7d)，降水發(fā)生在06—14時，分為強降水階段(06—08時)和一般性降水階段(09—14時)。強降水時段，從對流層高層到對流層低層廣義位溫344 K等值線上下聯(lián)通,在強降水發(fā)生前，中低層有不穩(wěn)定層結(jié)發(fā)展，隨后中低層有暖濕空氣影響，上升運動強烈發(fā)展，不穩(wěn)定層結(jié)遭到破壞，產(chǎn)生強降水。一般性降水階段，09—10時，400～550 hPa有344 K的廣義位溫高值中心，11—13時，350～550 hPa有廣義位溫344 K的高值區(qū)，低層有兩股暖濕空氣影響，中低層有兩股冷空氣向低層滲入，不斷有上升運動的發(fā)展。強降水階段與控制試驗相比，中層冷空氣較強，低層不穩(wěn)定層結(jié)較大，低層暖濕空氣較強，能量較高，上升速度較大，雨強較強，但強降水時間較短。一般性降水階段冷空氣、暖濕空氣、能量強度、上升速度大小及雨強強弱均介于敏感性試驗1和敏感性試驗2之間。

a.控制試驗；b.試驗1；c.試驗2；d.試驗3圖7 2014-08-30T05—17大降水中心(34°N、109°E)逐小時降水量(柱狀)、廣義位溫(等值線，單位為K)及垂直速度(陰影，單位為m/s)隨時間變化剖面圖

以上分析可知，降水區(qū)上空廣義位溫等值線自高層向低層延伸呈“”分布，當(dāng)“”底部偏低至上下聯(lián)通狀，則出現(xiàn)強降水。在強降水發(fā)生期間，當(dāng)上下聯(lián)通的廣義位溫值越大，能量越高，上升運動就越強，小時雨強就越大。秦巴山區(qū)地形對秦嶺地區(qū)的降水有明顯的增幅作用，地形高度和降水強度呈正相關(guān)，地形越低、不穩(wěn)定層結(jié)條件越差，能量越弱，上升運動越小，降水量就越小。地形高度對不穩(wěn)定條件的影響主要是通過高空冷空氣和低層暖濕氣流的影響來實現(xiàn)的，當(dāng)?shù)匦谓档?，干冷空氣侵入的高度就會降低，低層的暖濕空氣就會減小，進(jìn)而造成不穩(wěn)定層結(jié)減小，能量減小，降水減弱。當(dāng)抹去秦巴山區(qū)高于1 km地形時，強降水提前發(fā)生，但降水時間會縮短，機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料對2014年8月30日發(fā)生在秦嶺南麓一次暴雨天氣過程的成因進(jìn)行了診斷分析，并利用完全可壓縮的非靜力中尺度模式，對此次暴雨過程進(jìn)行模擬和地形敏感性試驗，得出以下結(jié)論。

(1)500 hPa西風(fēng)槽，700、850 hPa低渦切變和副高外圍西南暖濕氣流是此次暴雨的主要影響天氣系統(tǒng)。

(2)秦巴山區(qū)起伏地形，使得陜南降水增多，關(guān)中降水減少；而地形起伏大小，會影響關(guān)中地區(qū)降水落區(qū)，地形起伏越大，關(guān)中地區(qū)降水落區(qū)越偏南；若去掉秦巴山區(qū)地形起伏，陜南降水落區(qū)和降水量均減小，整個雨帶向北移動，強降水中心減弱。

(3)秦巴山區(qū)對偏南氣流的阻擋，使秦嶺上空形成一風(fēng)速梯度大值區(qū)，造成風(fēng)速和水汽的輻合，激發(fā)上升運動，產(chǎn)生強降水；當(dāng)秦巴山區(qū)地形高度按比例降低，大風(fēng)速帶越過秦嶺向關(guān)中地區(qū)移動，地形高度降得越低，對氣流阻擋就會越弱，造成秦嶺上空風(fēng)速梯度越小，風(fēng)速和水汽輻合隨之越弱，形成的降水強度相應(yīng)越弱；將秦巴山區(qū)高于1 km的地形去掉后，大風(fēng)速帶受到大巴山的阻擋，在秦嶺上空風(fēng)速梯度減小，降水強度減弱。

(5)秦巴山區(qū)地形對秦嶺地區(qū)降水有增幅作用，地形高度和降水強度呈正相關(guān)，地形越低，不穩(wěn)定層結(jié)條件越差，能量越弱，上升運動越小，雨強就越小。

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