基于WRF模式模擬研究天山山脈地形對(duì)降水過程的影響

謝夢(mèng)瑗,趙德龍,成 鵬

(烏魯木齊市氣象局,烏魯木齊 830039)

天山山脈作為新疆的南北分界線,由于復(fù)雜的地形地貌特征及其橫跨新疆全境的龐大山系,導(dǎo)致不同區(qū)域降水強(qiáng)度和落區(qū)有明顯差異[1]。選取伊犁河谷地區(qū)2016年7月一次夏季極端降水過程為研究對(duì)象,分別設(shè)計(jì)控制試驗(yàn)和平滑削減天山山脈海拔高度的對(duì)照試驗(yàn),即地形敏感性試驗(yàn),基于WRF模式模擬不同地形條件下的降水天氣過程,對(duì)比分析天山山脈地形對(duì)伊犁河谷地區(qū)降水的影響,從天氣學(xué)角度分析產(chǎn)生結(jié)果的原因。

1 降水過程

新疆屬于典型的干旱半干旱地區(qū),與我國東部地區(qū)的氣候差異很大,最顯著的特點(diǎn)是降水稀少,因此《新疆氣象手冊(cè)》中規(guī)定的新疆降水量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與中國氣象局制定的降水量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)存在明顯差異[2]。新疆降水量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(24 h標(biāo)準(zhǔn))如表1、表2所示。

表1 新疆降水量等級(jí)24 h標(biāo)準(zhǔn):降雨

表2 新疆降水量等級(jí)24 h標(biāo)準(zhǔn):降雪

根據(jù)新疆現(xiàn)行降水量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將選取的夏季極端降水天氣過程概述如下:

受中亞低槽緩慢東移的影響,2016年7月31日08時(shí)—8月2日08時(shí),新疆地區(qū)出現(xiàn)了一次大范圍的降水天氣。由于南北兩支低槽相互結(jié)合,高空偏西急流、中層偏南急流及850 hPa高度上偏東風(fēng)的相互配合,為此次降水天氣提供了較好的水汽條件,其中伊犁地區(qū)多站出現(xiàn)大暴雨,降水量位居歷史首位,伊犁河谷、博州、塔城、阿克蘇及克州等地的局部295站降水量超過24.0 mm,113站出現(xiàn)48.0 mm以上的大暴雨, 伊犁河谷有2站出現(xiàn)96.0 mm以上的特大暴雨。查閱資料得知,此次連續(xù)性降水持續(xù)了近27 h。

2 模式試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

如表3,設(shè)置以下兩個(gè)試驗(yàn):控制試驗(yàn)(Summer):選取2016年7月31日—8月1日伊犁河谷地區(qū)一次極端降水過程,在不改變地形高度的條件下,利用WRF模式對(duì)該天氣過程進(jìn)行模擬,作為控制試驗(yàn)。地形敏感性試驗(yàn)(Modify_Summer):選取同一次降水過程,將天山山脈地形高度平滑降低至1000 m以下,再次對(duì)天氣過程進(jìn)行模擬。

表3 WRF模式試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在WRF模式模擬試驗(yàn)中,選取的具體物理參數(shù)化方案如表4所示。

表4 WRF選取的物理參數(shù)化方案

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 降水情況分析

如圖1,由2016年7月31日20時(shí)—8月1日20時(shí)伊犁河谷地區(qū)間隔3 h累積降水量分布模擬圖可以看出,此次降水過程具有降水量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn),其中最大降水中心位于河谷南部山脈,24 h累積降水達(dá)到98 mm以上,北側(cè)山脈最大降水量96 mm左右,河谷平原大部區(qū)域降水30 mm左右。模擬與實(shí)況較為符合。

圖1 7月31日20時(shí)—8月1日20時(shí)間隔3 h累積降水量分布模擬圖Fig.1 Simulation diagram of cumulative precipitation distribution at a time interval of 3 hours from 20:00 on July 31 to 20:00 on August 1

如圖2,削減地形后,伊犁河谷及附近山區(qū)降水量明顯減少,甚至出現(xiàn)降水消失現(xiàn)象,降水范圍較削減之前減小很多,但在南疆的西南方位大部地區(qū)出現(xiàn)18 mm左右的降水。

注:原始地形(左),削減地形(中),二者之差(右)

3.2 地面形勢(shì)場(chǎng)、溫度場(chǎng)分析

如圖3,削減地形后,由于海拔高度平滑降低,使得原來山地地區(qū)能夠吸收更多來自地面的長(zhǎng)波輻射,導(dǎo)致河谷及附近山地地表溫度明顯升高。31日和1日20時(shí),河谷附近山地顯著升溫,最大增幅達(dá)16 ℃,南疆大部區(qū)域溫度略降。

圖3 31日20時(shí)(左)和1日20時(shí)(右)地形修改前后地表氣溫之差Fig.3 Difference of surface air temperature before and after terrain modification at 20:00 on 31 (left) and 20:00 on 1 (right)

3.3 低空形勢(shì)場(chǎng)、水汽條件分析

如圖4,原始地形下,31日20時(shí),河谷內(nèi)850 hPa上存在8 m/s左右的西風(fēng)氣流,南疆中部地區(qū)存在一細(xì)長(zhǎng)的南北向急流帶。河谷大部區(qū)域氣溫18 ℃左右,比濕13 g/kg左右,南部山脈溫度較河谷內(nèi)偏高,在30 ℃左右,濕度較低,在8 g/kg左右。

注:原始地形(左),削減地形(中),二者之差(右)

削減地形后,850 hPa上南疆降水增加區(qū)域有弱的氣流輻合現(xiàn)象出現(xiàn),河谷及附近大部區(qū)域西風(fēng)消失,北風(fēng)加強(qiáng),南疆中部地區(qū)急流強(qiáng)度減弱,范圍變寬。河谷及附近山地溫度均降低,比濕略增,南疆大部區(qū)域降溫明顯,最大降溫幅度12 ℃左右,濕度明顯增加,最大增幅達(dá)5 g/kg以上,為南疆降水增加提供良好的水汽條件。

如圖5,原始地形下,31日20時(shí),河谷內(nèi)700 hPa上依舊為西風(fēng)控制,風(fēng)速較850 hPa偏小,河谷西北方位存在切變線,南部山脈南側(cè)有小范圍的風(fēng)速大于12 m/s的南風(fēng),東疆地區(qū)存在東風(fēng)急流,有利于東部水汽輸送。河谷內(nèi)溫度在28 ℃左右,濕度較850 hPa偏低。

注:原始地形(左),削減地形(中),二者之差(右)

削減地形后,西風(fēng)消失,轉(zhuǎn)變?yōu)槠憋L(fēng),西北方向切變線消失,南疆原大風(fēng)速帶處出現(xiàn)一個(gè)低槽擾動(dòng)。河谷內(nèi)冷空氣范圍擴(kuò)大,水汽大值區(qū)范圍擴(kuò)大,南疆降溫增濕更明顯。

1日20時(shí)在地形修改前后,850 hPa、700 hPa上風(fēng)向風(fēng)速的變化與溫度場(chǎng)及濕度場(chǎng)的變化都和前一日變化趨勢(shì)相似。

3.4 高空形勢(shì)場(chǎng)、冷暖平流分析

如圖6,原始地形下,500 hPa高度上河谷位于槽前,河谷上空存在18 m/s以上偏南氣流,北部有風(fēng)速超過20 m/s大風(fēng)速帶,河谷上空存在弱冷平流。

注:原始地形(左),削減地形(中),二者之差(右)

削減地形后,影響河谷地區(qū)的低槽強(qiáng)度略減,大風(fēng)速中心向北移動(dòng),河谷地區(qū)基本位于槽線附近。地形對(duì)冷平流強(qiáng)度影響不大,但冷空氣范圍略增。

如圖7,原始地形下,前一日影響河谷地區(qū)的低槽已東移并開始減弱,河谷上空轉(zhuǎn)變?yōu)槲黠L(fēng)控制。地形改變對(duì)槽脊的位置和強(qiáng)度影響不大,冷暖平流較前一日變化不大,但南疆降水增加區(qū)域出現(xiàn)弱的氣流輻散現(xiàn)象。削減地形高度后降水增加區(qū)域低層出現(xiàn)氣流輻合現(xiàn)象,高層氣流出現(xiàn)弱的輻散現(xiàn)象,有利于該區(qū)域垂直上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)生發(fā)展,從而產(chǎn)生少量降水。

注:原始地形(左),削減地形(中),二者之差(右)

如圖8,削減地形高度后,河谷及附近區(qū)域高空急流強(qiáng)度增大,位置變化不大,降水增加區(qū)所在位置的氣流輻散更為明顯。

圖8 31日20時(shí)(左)和1日20時(shí)(右)200 hPa風(fēng)場(chǎng)地形修改前后之差Fig.8 Difference before and after modification of the 200 hPa wind field at 20:00 (left) on 31 and 20:00 (right) on 1

此次降水前期,新疆西北部的長(zhǎng)波槽脊系統(tǒng)移動(dòng)緩慢,為伊犁河谷地區(qū)的降水提供了大的環(huán)流背景。伊犁河谷中低層在切變線、低槽的影響下氣流輻合,高層在急流的影響下氣流輻散,高低空的共同作用為河谷內(nèi)的降水提供了良好的動(dòng)力條件,有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和維持。南疆翻山的偏南風(fēng)、新疆東部的東風(fēng)急流及河谷西部的偏西風(fēng)使得水汽和氣流在河谷地區(qū)匯聚,河谷地區(qū)中低層存在明顯的飽和濕區(qū),為降水提供了良好的水汽條件,結(jié)合大地形的動(dòng)力抬升作用,更有利于該地降水的發(fā)生發(fā)展。

在削減地形高度之后發(fā)現(xiàn),伊犁河谷及附近山區(qū)的降水量明顯減少,甚至出現(xiàn)降水消失現(xiàn)象,降水范圍較削減地形之前減小很多,但在南疆西南方位大部地區(qū)出現(xiàn)了少量降水[3],分析原因可能是:地形的削減使得中低層風(fēng)向、風(fēng)速發(fā)生了很大變化,地形的阻擋和繞流作用對(duì)氣流幾乎沒有影響,增加的較強(qiáng)偏北風(fēng)將原來可以積聚在河谷內(nèi)部的水汽向南大量輸送,使得河谷地區(qū)水汽減少,水汽條件變差,缺少了地形的抬升作用,且中低層氣流輻合,高層氣流輻散被破壞,垂直運(yùn)動(dòng)難以發(fā)展,最終導(dǎo)致降水明顯減少[4]。而南疆西南方位由于水汽含量增多,低層風(fēng)速出現(xiàn)弱的輻合現(xiàn)象,各種因素的共同作用導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)少量降水[5]。

4 結(jié)論

天山山脈地形通過對(duì)氣流的阻擋、繞流等作用影響伊犁河谷地區(qū)的降水過程。地形的動(dòng)力作用能夠改變伊犁河谷及其附近區(qū)域中低層的風(fēng)向和風(fēng)速,尤其在低層表現(xiàn)得更為明顯,兩組地形敏感性試驗(yàn)都體現(xiàn)出了地形的阻擋和繞流作用。在削減地形后,河谷附近區(qū)域700 hPa和850 hPa上經(jīng)向風(fēng)明顯增大,南疆水汽增多,南疆降水增加的區(qū)域在低空出現(xiàn)了弱的氣流輻合現(xiàn)象。新疆西部天山山脈特殊的地形使得水汽在山脈迎風(fēng)坡一側(cè)堆積,阻礙降水落區(qū)向東擴(kuò)展。伊犁河谷地區(qū)三面環(huán)山且向西開口的“喇叭口”地形能夠阻擋西風(fēng)氣流,使得西風(fēng)氣流攜帶的少量水汽在河谷平原積聚,為降水在河谷內(nèi)的產(chǎn)生提供了良好的水汽條件。此外,大地形對(duì)水汽的抬升作用為降水在河谷內(nèi)的產(chǎn)生提供了良好的動(dòng)力抬升條件,有利于河谷地區(qū)降水天氣的發(fā)生發(fā)展。天山山脈的海拔高度會(huì)影響地表及中高層的氣溫,進(jìn)而改變各層溫壓場(chǎng)配置,影響氣塊垂直運(yùn)動(dòng),通過熱力作用影響降水過程。試驗(yàn)結(jié)果表明,地形高度與其附近區(qū)域中高層氣溫呈正相關(guān),表現(xiàn)為海拔高度降低,中高層氣溫略微下降。海拔高度的改變會(huì)對(duì)高低空急流的位置、強(qiáng)度產(chǎn)生影響,使各層氣流的輻合輻散及垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變,通過影響不穩(wěn)定能量的釋放影響降水的形成。

大地形可通過阻擋、繞流等動(dòng)力作用影響山脈附近的風(fēng)速、風(fēng)向及高低空急流的強(qiáng)度和位置,改變大范圍的水汽輸送情況,不同的海拔高度會(huì)對(duì)各層氣溫產(chǎn)生不同的影響,修改地形會(huì)影響各層溫壓場(chǎng)的配置,進(jìn)而影響整個(gè)降水過程。