皖西北一次特大暴雨的数值模拟与诊断分析

摘要：利用中尺度数值模式WRF（3.2版本）对2010年9月6-7日，发生在安徽省西北部的一次区域性特大暴雨过程进行了数值模拟及诊断分析，结果发现，此次强降水过程是在高空槽和低层低涡切变线的共同作用下发展起来的，不断发展东移的低涡是造成此次皖北地区强降水的主要系统，暴雨中心位置同强上升运动区及正涡度区有较好的对应关系，来自孟加拉湾的水汽为此次强降水提供了充足的水汽条件。此次强降水过程中，对流不稳定与条件性对称不稳定同时存在，为强对流的发生提供了条件。

关键词：对流不稳定；暴雨；低涡切变

引言

我国是世界上暴雨多发的国家之一，每年暴雨造成的全国洪水面积可达几十万平方公里。据统计，建国以来，我国已发生多次大江、大湖、大河的洪涝灾害，其中，各年洪涝受灾和成灾面积分别占受灾和成灾面积总数的47%~90%，暴雨洪涝灾害给我国国民经济建设以及人民群众生命财产带来重大损失，因此，深化加强对暴雨形成、发生发展机制以及规律的研究，对于防灾、减灾、以及维护人民群众和国家经济建设安全具有重要的实际意义。

近年来，随着科学技术的进步以及计算机水平的发展，非静力、高分辨率的中尺度数值预报模式取得了很大的进展，从而使得利用数值模拟的高分辨率结果对中小尺度天气系统进行追踪研究成为可能。目前，国内外有多种中尺度模式应用和流行，其中，WRF模式更是集成了迄今为止在中尺度方面的最新研究成果，既可以应用于理想化的动力学研究，又可以被应用至全物理过程的天气预报、空气质量预报等业务领域。以往的多个模拟研究以及实时的预报试验都表明，WRF模式对各种天气和中小尺度系统都具有较好的模拟性能。

1、降水过程简况

2010年9月6日夜至8日早晨，安徽省淮北地区中北部出现了一次罕见的特大暴雨过程，强降水主要集中在安徽省阜阳市界首、太和、颖泉以及临泉一带，其中界首南部及太和的大部乡镇降水量超过200mm，主要降雨时段发生在6日14时到7日14时，其中太和县24小时降水257mm、界首县187mm、涡阳县157mm、临泉县128.4mm、亳州市126mm。强降水使皖西北地区多个城市出现严重积水，城市内涝严重。据灾后初步统计，此次强降水过程中，太和、界首、涡阳、蒙城、利辛等八个县（区）受灾人口达190万人，其中紧急转移安置3000多人，并有200多万亩家田被淹。这次降水过程降水强度大，影响范围广、突发性强，高强度降水集中，持续时间长，造成了十分严重的城市积水和农田内涝灾害，给城市以及人民群众的生命财产安全带来了重大危害。

2、模拟与实况比较

2.1模拟方案设计

本文利用美国新一代非静力高分辨率中尺度模式WRF（3.2版本），采用6小时间隔的NCEP（ ）再分析资料作为初始场和侧边界条件，模式选取2010年9月06日14（北京时，以下同）作为启动时间，积分时间为24小时，模式采用两重区域双向嵌套，积分时间步长分别设为180秒、60秒，网格分辨率分别为30km、10km，微物理过程采用Morrison双参数方案，积云参数化方案采用浅对流Kain-Fritsch（new Eta）方案，模拟中心选取（33.17°N，115.67°E），模拟结果每一小时输出一次。

2.2模拟降水量与实况降水量比较

模式模拟出的降水雨带的分布走势以及降水趋势同实况是基本符合的，降水带都呈东北-西南走向，实况降水中心位于（34.5°N ，114.6°E），模拟降水中心位于（34.4°N ，114.9°E），模拟降水中心同实况位置对应较好，误差小于30km，不足之处是模式模拟的暴雨中心降水量相对实况略弱，实况降水中心24小时降水量为200mm，模拟降水中心降水为170mm，降水量差了30mm。数值模拟的结果同实况场对应较好，模式较为成功的模拟出了500hPa高空槽以及850hPa低涡，位置及强度对应较好。

2.3大暴雨发生的环境流场

此次强降水过程是在高空槽和低层低涡的共同作用下发展起来的，降水前后，500hPa整个皖北地区始终处于槽前，槽后是宽广的西北气流，槽前为一致的西南气流，西南气流源源不断的向东北方向输送，850hPa，9月06日14时，在重庆市西部地形可以看到有一低涡生成，并不断东移，带来一路降水，9月7日06时，低涡中心移至暴雨中心位置附近，气旋性环流十分清楚，暴雨中心处于低涡前部的暖式切变线上，06时后，暴雨中心降水量迅速加大。分析发现，500hPa高空槽和850hPa低空低涡前部的切变线相互配合造成了此次强降水过程。

2.4动力、热力以及水汽条件分析

为了了解低涡对暴雨发展的动力以及热力作用， 9月7日06时，暴雨中心上层负散度向上伸展至700hPa，负散度中心值为-0.001 s-1，暴雨中心上层700hPa以上为正散度，最大正散度中心位于400hPa附近，中心值为0.0006 s-1，暴雨中心上低层辐合，高层辐散。 9月7日06时，暴雨中心上层从近地面一直延伸到300hPa均为正涡度区，大值中心位于800~900hPa之间，300hPa以上为负值区，在其北侧有负涡度区相伴，这种低层正涡度，高层负涡度的配置非常有利于维持较强的上升运动，对降水的产生和发展有着重要的作用。对垂直速度进行分析可以发现，9月7日06时，在暴雨中心上层有非常强的上升运动，最大垂直上升速度达到2.5ms-1，由暴雨中心相当位温的分布可知，9月7日06时，暴雨中心层600hPa以下，()>0，属于对流不稳定层结状态，这种层结状态有利于在这一地区产生对流性降水。

9月6日14时，暴雨中心位置400hPa以下露点曲线与温度曲线非常接近，表明空气层结接近饱和，此时暴雨中心位置K指数为36，9月7日06时， 400hPa以下露点曲线与温度曲线仍近似重合，表明此时暴雨中心上层非常潮湿，此时K指数增大为38，表明此时暴雨中心上层处于层结不稳定状态，利于产生强对流活动。来自孟加拉湾的水汽是本次降雨过程的主要水汽来源，此次强降水过程中，安徽西北部整体处于水汽通量大值区，02时水汽通量最大达到20 g・s-1・hPa-1・cm-1，至06时增强为24 g・s-1・hPa-1・cm-1，暴雨中心水汽条件非常充沛。

3、暴雨的不稳定机制分析

根据陆汉城等提出的条件对称不稳定的判定条件，当一个区域满足湿位涡小于零，且满足惯性稳定和对流稳定时，该区域是条件对称不稳定区域。利用角动量和相当位温估算条件性对称不稳定是一种比较客观实用的方法。它的判据是等 线的斜率越大于等M（绝对动量）线的斜率时，越有利于产生条件对称不稳定。9月7日02时，此时暴雨中心（横坐标600km处），400~900hPa之间为对流稳定性小于零的区域（阴影区），属于对流不稳定区域，同时此时暴雨中心附近700hPa以下500-700km之间有等 线的倾角大于等M线的倾角的区域存在，表明此区域在有对流不稳定存在的同时，也有条件性对称不稳定存在，至7日06时，这时可以看到，在暴雨低层同样有等 线的倾角大于等M线的倾角区域存在，表明此时在暴雨中心低层同样有条件性对称不稳定存在。

4、结论

（1）此次强降水过程是在高空槽和低层低涡切变的共同作用下发展起来的，不断发展东移的低涡是造成此次皖北地区强降水的主要系统，暴雨主要发生在低涡东侧暖式切变线附近。

（2）此次强降水过程中，低层辐合，高层辐散，在暴雨中心上层有非常强的上升运动，暴雨中心位置同强上升运动区及正涡度区有较好的对应关系，降水过程中，来自孟加拉湾的水汽为此次强降水提供了充足的水汽条件。

（3）分析发现，此次强降水过程中，在暴雨中心上层既有对流不稳定又有条件性对称不稳定存在，对流不稳定和条件性对称不稳定的同时存在使得在暴雨区，既存在有浓厚的热力不稳定机制，又能存在有水汽输入和热力不稳定的触发机制，从而形成雨。

参考文献

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