西南涡发生发展机制中热力强迫作用的数值试验

张政泰，林明宇，亓　鹏，陈圣哲，王澄海

(兰州大学大气科学学院，甘肃　兰州　730000)



西南涡发生发展机制中热力强迫作用的数值试验

张政泰，林明宇，亓鹏，陈圣哲，王澄海

(兰州大学大气科学学院，甘肃兰州730000)

摘要：利用WRF模式对2011年6月16—17日由西南低涡触发的一次四川盆地强降雨过程进行模拟分析，从边界层内的热力学特征角度分析西南涡发生、发展成因。结果表明：如不考虑地面热通量，虽然能模拟出西南涡，但西南涡的强度和位置与实际情况相差较大，且模拟结果基本没有再现降水；地面加热在西南涡的发展过程中起维持作用，西南涡的发展主要受降水凝结潜热的加热作用，降水凝结潜热的释放在很大程度上决定西南涡能否形成。

关键词：西南涡；WRF模式；暴雨；热力因子

引言

西南涡是产生于我国西南地区对流层低层的一种中尺度低压涡旋系统，它是青藏高原东坡特殊地形和有利的大气环流共同作用下的产物。它在生成初期是一个十分浅薄的中尺度系统，但其发生东移所带来的剧烈天气影响甚为严重，在影响我国的众多重大暴雨洪涝过程中，西南涡扮演了重要角色。研究认为：西南涡造成的暴雨天气强度、频数和范围仅次于台风及残余低压，是重要性位居第二的暴雨系统[1]。对西南涡的成因及影响已有很多研究，如赵玉春等[2]指出地面热通量对西南涡的发展有重要影响，地形能够影响西南涡和暴雨的位置；陈伯民等[3]认为青藏高原低涡(高原涡、西南涡、西北涡)可看作是一种强烈依赖于青藏高原地形，同时又受层结稳定度、地面热通量和凝结潜热控制的局地性低压涡旋；何光碧[4]认为西南涡是特殊地形与环流作用下的产物；陈志昆等[5]的研究也表明高原地形对于西南涡在四川盆地700 hPa的维持以及发展非常重要。

目前对西南涡的研究大多集中在其移动路径[6-8]、结构特征[9-11]及在东移过程中给四川盆地和下游地区带来的暴雨天气[12-16]，但对西南涡发生、发展的机制原理研究相对较少。本文利用WRF模式对四川盆地一次由西南涡引起的强降雨进行模拟分析，诊断西南涡发生发展过程中的热力机制。

1资料及WRF模式的基本参数设置

1.1资料

选取2011年6月16日的西南涡活动过程进行模拟分析。WRF模式的初始与侧边界场资料来自NCEP的FNL资料，水平分辨率为1°×1°，时间间隔为6 h；地形资料来源于WRF官方网站(http://www.wrfmodel.org/)；观测降水资料为TRMM卫星3B42降水数据集，该资料为全球0.25°×0.25°每3 h平均降雨量产品。

1.2WRF模式简介

WRF(Weather Research and Forecasting)模式是NCAR(National Center for Atmospheric Research)及NCEP(National Centers for Environmental Prediction)等许多美国研究部门及大学的科学家共同参与研究开发的新一代中尺度数值天气预报模式及同化系统，它集科研与业务预报于一体，为理想化的动力学研究、业务天气预报、区域气候模拟及空气质量预报提供了一个公用的模式框架[17]。WRF模式分为研究(ARW)和业务(NMM)2种形式，分别由NCEP和NCAR管理维护，这里使用WRF-ARW。WRF模式的控制方程是全弹性大气非静力平衡原始方程，水平方向采用Arwkrawa-C型网格，垂直方向采用地形追随坐标，运用高分辨率地形和土地利用分类资料，采用时间分裂积分方案。物理过程包括：大气水平和垂直涡动扩散、积云对流参数化方案、从简单到复杂的各种云微物理方案、太阳短波辐射和大气长波辐射方案等。模式的水平分辨率、垂直方向层次、积分区域及各种物理过程参数化方案可根据研究需要进行调整。

1.3基本参数设置

使用NCEP的全球再分析资料作为背景场，积分时间为2011年6月15日08:00—19日08:00，模拟6月16日08:00—17日08:00的大暴雨以及西南涡的发生发展过程。模拟采用双向二重嵌套，模拟区域中心点为(31°N、105°E)，外层区域的水平网格距为30 km×30 km，子区域为10 km×10 km，垂直方向为31层σ坐标，时间积分步长为180 s。参数化方案设置如下：长波与短波辐射方案采用RRTMG方案，地表层方案为订正的MM5方案，陆面过程为Noah-MP方案，边界层方案为YSU方案，投影方式为Lambert。对于WRF模式参数化方案在青藏高原地区的适用已有很多研究，如王坤等[18]选取WRF模式WSM3微物理方案对高原地区一次暴雪进行模拟，指出WSM3微物理方案在高原地区有较大误差。因此本试验的微物理方案选取目前应用比较广泛的New Thompson、Lin与Eta 3种参数化方案，积云参数化方案选取GF与KF(new Eta)[19-20]，通过对微物理方案与积云参数化方案的6种组合进行模拟效果分析，探讨模式在四川盆地最适用的参数化方案组合。各组合方案按照微物理方案与积云参数化方案首字母缩写命名，如表1所示。对6种组合的输出结果与实际降水进行比较，得出WRF模式在四川盆地适用的参数化方案。

2天气背景

2011年6月16日08:00—17日08:00，四川盆地发生特大暴雨。西南涡于17日04:00在29.0°N、100.2°E处生成，19日04:00消失。分析700 hPa位势高度场，6月17日02:00四川盆地已经有小的低涡形成(图1a)，500 hPa位势高度场上四川盆地处在一个明显的大槽之前(图1b)，槽前强烈的上升运动正是造成这次暴雨的主要成因。之后此槽不断东移，至19日02:00，700 hPa(图1c)西南低涡趋于消亡，500 hPa上槽已经消失(图1d)。

表1　各参数化方案命名规则

3诊断分析

3.1WRF模式对四川盆地降水的模拟

图2为TRMM卫星测得的16日08:00—17日08:00的实际降雨量，图3为6种参数化方案组合模拟的此时段降水分布。可以看出，所有组合方案的模拟结果与实际降水均有一定误差：对强降水中心位置的模拟均偏西北，对降水位置的模拟整体偏西，降水强度整体偏大。从图2看出此次降水的强降水中心位于29°N、106°E,NG方案模拟的强降水中心为31°N、105°E，且降水中心强度比实况偏大(图3a)；NK方案模拟的强降水中心区域与实况面积比较接近，但位置偏西北，与实况相差较大(图3b)；LG方案的模拟结果与NG方案比较接近(图3c)；LK方案对整个四川盆地降水的模拟比实况偏大，且模拟的整体降水区域比实况偏西(图3d)；EG方案与NG、LG的模拟效果比较接近(图3e)；EK方案与LK方案结果相近，只表现为个别区域降雨量的不同(图3f)。

目前，国内外对降水预报的检验使用最多的是ETS 评分方法，从统计学角度对预报准确、空报、漏报站点数进行计算，能较好地指示模式降水预报的准确性，另外ETS 还考虑了随机降水预报概率，但该客观检验方法缺乏天气学意义，即缺乏对雨带位置、范围、形态、结构等方面的预报效果检验。为了更客观地确定最优参数化方案，这里应用SAL方法[21-22]对6组方案的降水模拟进行评估。SAL方法以研究范围内的降水为目标物，根据分布情况将降水主体划分为不同降水个体，对雨带的预报从结构(Structure，简称S)、强度(Amplitude，简称A)、位置(Location，简称L)3个降水预报的最关键因素进行效果检验，检验结果为S、A、L 3个值，值域范围分别为[-2,2]、[-2,2]、[0,2]。A=0 表示预报强度与实况一致，A>0(A<0)表示预报较实况强度偏强(偏弱)；L值越接近0，则预报降水与实况降水位置越接近，当L为0时，预报与实况降水主体中心重合，预报效果最好；预报的降水范围相对实况较小或预报的降水中心雨量值相对实况偏大或2种情况同时存在时S为负值，反之，S>0。如果实况为小范围对流性强降水，而预报为大范围强降水，则S为较大的正值。

图1　2011年6月17日02:00(a, b)及19日02:00(c, d)700 hPa(a, c)

图2　TRMM卫星实测的2011年6月16日

对6种组合用SAL方法进行评分，结果见图4。可以看出各组合方案模拟的降水强度都偏大，降水中心位置均与实况有较大偏离，而降水结构与实况较接近，但降水中心雨量值相对实况偏大。综合考虑S、A、L，NG组合的模拟效果最好，即微物理方案为New Thompson方案、积云参数化方案采用GF方案时，WRF模式对四川盆地降水的模拟效果最好。

图3　WRF模式模拟的四川盆地2011年6月16日08:00—17日08:00降水量分布(单位：mm)

图4　6种组合方案的SAL检验结果

3.2降水凝结潜热在西南涡形成中的作用

王澄海等[23]对青藏高原西部地区热力强迫机制研究时指出：在高原西部地表能量平衡过程中，感热通量占主要地位，潜热通量较小。为探讨西南涡发生的热力因子，设计如下试验：选用最优参数化方案NG组合，但在模拟过程中从开始就去掉每一层的降水凝结潜热，模拟结果见图5。可以看出，模式不仅没有模拟出强降水区域，而且模拟出的降水强度要比实况小很多。

图5　去掉降水凝结潜热后模式模拟的16日

图6是考虑与关闭降水凝结潜热作用且选用NG方案模拟出的700 hPa天气形势。可以看出，考虑降水凝结潜热作用时(图6a和图6b)，西南涡17日05:00已经发展成形，18日23:00消失，基本反映了西南涡的发展过程；当去掉降水凝结潜热作用时(图6c,图6d)，17日05:00 700 hPa没有出现西南涡，之后西南涡也没有出现，说明降水凝结潜热是西南涡形成过程中最主要的热力因子。

3.3地面感热通量在西南涡形成中的作用

进一步分析热力作用在西南涡发展中的作用，选用相同的最优参数化方案组合(NG)，模拟开始至结束关闭地面感热通量，模拟出的降水分布如图7所示。与实况降水相比，关闭地面感热通量后，对降水的模拟效果比关闭降水凝结潜热更加失真，模式几乎模拟不出降水。

图6　2011年6月17日05:00(a, c)和18日23:00(b, d)考虑(a, b)

图7　去掉地面感热通量后模拟的16日

图8是关闭地面感热通量后模拟的700 hPa天气形势。可以看出，17日00:00西南涡出现且于06:00消失，比实际低涡过程时间短、误差较大，表明地面感热通量在西南涡的发生发展过程中起着维持作用，即当低涡形成后，如果没有地面加热的作用，则低涡很快填塞消失。说明地面感热通量虽然不是西南涡发生的必要条件，却是其发展维持的主要因素。

3.4西南涡热力作用的整体检验

设计试验从积分开始就从每一层同时去掉降水凝结潜热与地面感热通量的作用，模拟出的降水分布如图9所示。可以看出，去掉降水凝结潜热与地面感热通量后模式对降水的模拟完全失真，对西南涡的发展过程也完全没有模拟出来(图略)。表明降水凝结潜热与地面感热通量是引发四川盆地降雨、西南涡发生发展的热力因子，降水凝结潜热加热和地面感热通量对西南涡的发展加强具有重要作用。

图8　关闭地面感热通量后模拟的6月17日00:00(a)和06:00(b)的700 hPa天气形势

图9　关闭降水凝结潜热与地面感热通量后的

4小结

(1)地面感热通量在西南涡的发生发展过程中起维持作用，数值模拟试验虽然在不考虑地面感热通量后能够模拟出西南涡的形成发展，但其维持时间与位置与实况相差较大，另外，当不考虑地面感热通量后对暴雨的模拟完全不成功。

(2)不考虑降水凝结潜热时，无论西南涡还是降雨，模式模拟都完全不成功，说明降水凝结潜热是诱导西南涡发生发展的最主要热力因子，在西南涡的发生发展过程中有重要作用。

(3)同时去掉降水凝结潜热与地面感热通量后，对降水和西南涡的模拟都完全失真，说明降水凝结潜热的释放与地表加热是西南涡形成发展过程中的热力因子，两者共同的热力作用促进西南涡的形成发展，只是在不同阶段两者所起的主要作用有所不同。

需要强调的是本文对西南涡发生发展的数值模拟只是针对个例进行的试验，研究结果是否具有普适性有待进一步讨论。

参考文献

[1] 王作述,汪迎辉,梁益国. 一次西南低涡暴雨的数值试验研究[A]. 暴雨科学、业务试验和天气动力学理论的研究[M]. 北京:气象出版社,1993.117-125.

[2] 赵玉春,王叶红. 高原涡诱生西南涡特大暴雨成因的个例研究[J]. 高原气象,2010,29(4):819-831.

[3] 陈伯民,钱正安,张立盛. 夏季青藏高原低涡形成和发展的数值模拟[J]. 大气科学,1996,20(4):491-502.

[4] 何光碧. 西南低涡研究综述[J]. 气象,2012,38(2):155-163.

[5] 陈志昆,张书余. 地形在降水天气系统中的作用研究回顾与展望[J]. 干旱气象,2010,28(4):460-466.

[6]丁治英,吕君宁. 西南低涡动态的合成诊断[J]. 高原气象,1991,10(2):156-165.

[7] 陈启智,黄奕武,王其伟,等. 1990-2004年西南低涡活动的统计研究[J]. 南京大学学报(自然科学版),2007,43(6):633-642.

[8] 李跃清,赵兴炳,张利红,等. 2012年夏季西南涡加密观测科学试验[J]. 高原山地气象研究,2012,32(4):1-8.

[9] 屠妮妮,何光碧,陈静. 冷暖空气入侵对西南低涡发生发展影响研究[J]. 高原山地气象研究,2012,32(2):10-19.

[10] 韦统健,薛建军. 影响江淮地区的西南涡中尺度结构特征[J]. 高原气象,1996,15(4):456-463.

[11] 于波,林永辉. 引发川东暴雨的西南低涡演变特征个例分析[J]. 大气科学,2008,32(1):141-153.

[12] 屠妮妮,陈静,何光碧. 高原东侧一次大暴雨过程动力热力特征分析[J]. 高原气象,2008,27(4):796-806.

[13] 屠妮妮,李跃清. 一次引发川东暴雨的西南涡特征分析[J]. 干旱气象,2014,32(6):962-971.

[14] 覃丽,寿绍文,刘泽军,等. 一次“北涡南槽”型广西强降水过程的数值模拟与诊断分析[J]. 热带气象学报,2007,23(1):27-35.

[15] 刘新超,陈永仁. 两次高原涡与西南涡作用下的暴雨过程对比分析[J]. 高原山地气象研究,2014,34(1):1-7.

[16] 陈栋,李跃清,黄荣辉. 在“鞍”型大尺度环流背景下西南低涡发展的物理过程分析及其对川东暴雨发生的作用[J]. 大气科学,2007,31(2):185-200.

[17] 王舒畅,李毅. WRF模式积云参数化方案和微物理方案的敏感性试验[A]. 中国气象学会2005年年会论文集[C]. 2005.

[18] 王坤,张飞民,孙超,等. WRF-WSM3微物理方案在青藏高原地区暴雪模拟中的改进及试验[J]. 大气科学,2014,38(1):101-109.

[19] 袁成松,王秋云,包云轩,等. 基于WRF模式的暴雨天气过程的数值模拟及诊断分析[J]. 大气科学学报,2011,34(4):456-466.

[20] 李刚,王铁,谭言科,等. WRF3.0参数化敏感性及集合预报试验[J]. 解放军理工大学学报:(自然科学版),2010,11(1):89-96.

[21] Wernli H, Paulat M, Hagen M, et al. SAL-A novel quality measure for the verification of quantitative precipitation forecasts[J]. Monthly Weather Review, 2008,136(11):4470-4487.

[22] Wernli H, Hofmann C, Zimmer M. Spatial forecast verification methods intercomparison project:Application of the SAL technique[J]. Weather and Forecasting, 2009,24(6):1472-1484.

[23] 王澄海,师锐. 青藏高原西部陆面过程特征的模拟分析[J]. 冰川冻土,2007,29(1):73-81.

Numerical Simulation About Thermal Forcing Effect on Southwest Vortex’s Developing Mechanism

ZHANG Zhengtai, LIN Mingyu, QI Peng, CHEN Shengzhe, WANG Chenghai

(CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Abstract:The WRF model was used to simulate a heavy rain process occurring in the Sichuan basin caused by the southwest vortex from June 16 to 17, 2011. The reasons for the appearance and development of the southwest vortex were analyzed from the aspects of thermodynamics in boundary layer. The result shows that the ground heat flux maintained the southwest vortex during the process of southwest vortex’s development. Although the southwest vortex could be simulated by ignoring the ground heat flux, its intensity and position simulated by the model had a great difference compared with the results considering the real conditions, and the simulated results couldn’t present the actual precipitation. The development of the southwest vortex was mainly affected by the precipitation condensation latent heat, to a large extent, it determined whether a southwest vortex would form or not.

Key words:southwest vortex; WRF model; rainstorm; thermal factors

收稿日期：2015-08-20；改回日期：2015-09-24

基金项目：国家自然科学基金(91337215)、中央高校基本科研业务费专项基金(lzujbky-2015-k03)和兰州大学国家级大学生创新创业训练计划项目(201510730114)共同资助

作者简介：张政泰(1994-)，男，甘肃定西人，本科，主要从事数值天气预报的相关研究. E-mail:zhangzht2012@lzu.edu.cn 通讯作者：王澄海. E-mail:wch@lzu.edu.cn

文章编号：1006-7639(2016)-03-07-0533

DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0533

中图分类号：P458.3

文献标识码：A

张政泰，林明宇，亓鹏，等.西南涡发生发展机制中热力强迫作用的数值试验[J].干旱气象，2016，34(3)：533-539, [ZHANG Zhengtai, LIN Mingyu, QI Peng, et al. Numerical Simulation About Thermal Forcing Effect on Southwest Vortex’s Developing Mechanism[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(3):533-539], DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0533