张利娜 韩作强 刘静 龙晓彤

摘 要：利用常规气象观测资料、水文观测资料和NCEP再分析资料，对2018年7月10日发生在黄河中游的一次区域性暴雨过程进行诊断分析和数值模拟。结果表明：此次强降雨是西风槽携带冷空气和副热带高压边缘暖湿气流在暴雨区上空交汇过程中发生的，低空低涡切变、低空急流和地面冷锋是主要影响系统。有利的水汽、动力和热力条件是强降雨产生、发展的物理基础。通过对各微物理过程和积云对流参数化方案组合进行对比分析发现，WRF模式能模拟出造成本次降雨的环流形势、降雨落区及雨区走向，Kessler云微物理方案和GD积云对流参数化方案在本次降雨过程的模拟中效果最佳。

关键词：暴雨;WRF模式;诊断分析;参数化方案;黄河中游

中图分类号：P458.3;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.005

引用格式：张利娜，韩作强，刘静，等.黄河中游一次区域性暴雨过程的诊断分析和数值模拟[J].人民黄河，2021，43（12）：23-28，34.

Abstract： A regional rainstorm process in the middle Yellow River on July 10， 2018 was studied by the conventional meteorological data， the hydrological data and the NCEP reanalysis data. The rainstorm process was simulated by a mesoscale numerical model WRF. The results show that the intersection of westerly trough cold air and the subtropical high warm wet air in the upper level over rainstorm touches off the heavy rainfall; low-level vortex shear， low-level jet stream and the surface cold front are the main impact systems; the favorable vapor， dynamic and thermal conditions are the physical basis of precipitation occurrence and development. By comparing the different combinations of cumulus parameterizations and cloud microphysical schemes， the simulated results illustrate that the WRF model is potential in simulating and predicting this precipitation， including the circulation situation causing precipitation， rainfall area and rain belt trend. The combination of Kessler microphysical scheme and GD cumulus parameterization scheme are the best in this case.

Key words： rainstorm; WRF model; diagnostic analysis; parameterization scheme; Middle Yellow River

暴雨是常見的自然天气灾害之一，因其降雨强度大、天气系统发展快，一直是预报业务中的重点和难点。黄河中游大部分地区处于黄土高原，是黄河的主要产洪产沙区，降雨集中在夏季且多暴雨，强降雨极易产生高含沙洪水，因此对该地区强降雨进行预报分析和研究是有重要意义的。

作为新一代中尺度数值预报模式，WRF能模拟降雨的主要天气系统的位置和移动过程[1]，从而使WRF模拟的降雨落区好于MM5。WRF动力框架具有一定的优越性，使其对天气形势场的模拟效果好于MM5，模拟的降雨落区和强度更接近实况[2]。

目前中尺度WRF模式的发展已经比较成熟，国内外已经开展了很多关于WRF模式的本地化研究和应用，梅钦等[3-8]针对多种参数化方案下不同地区的暴雨进行模拟试验，发现WRF模式的各种方案在不同地区，对降雨强度和范围的模拟均存在一定差异。Jankov等[9-11]对不同参数化方案进行了对比试验分析，发现不同方案在不同地区针对不同类型的降雨存在明显差异。

目前，针对黄河流域WRF模式的本地化研究和应用工作相对较少。笔者在对2018年7月10日发生在黄河中游的一次区域性暴雨过程进行诊断分析的基础上，对WRF 4.1.2版本的4种云微物理方案和5种积云对流参数化方案进行敏感性模拟试验，对比分析不同方案组合的评分，以及对降雨范围和强度的模拟效果，以期为黄河中游降雨预报的云微物理过程和积云对流参数化方案的合理选择提供参考依据，为黄河流域防汛抗旱提供基础技术支撑。

1 资料和方法

本文采用的实测雨量资料为黄河水利委员会水文局的水文整编数据和中国气象局的气象台站雨量数据，共计3 796个台站。诊断分析采用中国气象局的常规高空、地面和物理量观测数据。WRF模式的初始场和边界条件采用6 h一次的NCEP/NCAR再分析数据。

目前气象台站降雨量的预报检验主要采用TS评分方法，其反映了模式预报某一等级降雨的准确率。TS值在0～1之间变化，TS=1时预报的降雨区域降雨量级与观测结果一致，模拟效果最好，TS越小预报效果越差。同时，为定量比较不同参数化方案的模拟效果，选出最佳参数化方案，对不同微物理过程参数化方案下次网格区域Domain2的降雨模拟结果进行降尺度处理，计算所有台站降雨观测值和模式降雨预报值的相关系数、均方根误差和平均绝对误差。

2 雨洪概述

2018年7月10日，黄河中游出现一次区域性暴雨过程，形成了覆盖泾渭河上游、北洛河、无定河、窟野河的东北—西南向暴雨区，其中山陕区间杨桥畔站日降雨量达121.2 mm，北洛河铁边城站日降雨量为115.5 mm。黄河流域24 h降雨量统计中，大雨以上笼罩面积为22.2万km2，暴雨以上笼罩面积为12万km2，大暴雨以上笼罩面积为0.4万km2，仅黄河中游大于50 mm的暴雨笼罩面积达10.2万km2。本次暴雨过程以稳定性降雨为主，降雨时段主要集中在10日16时—11日8时，因此以10日20时观测资料为基础，对影响系统和物理量场进行分析。

受此次暴雨过程影响，泾渭河流域干支流普遍涨水。渭河林家村水文站11日14时30分洪峰流量达到2 390 m3/s，支流千河千阳站洪峰流量达到1 340 m3/s，为2010年以来最大流量，列1964年建站以来第2位。干支流洪水汇合后，渭河魏家堡站11日18时洪峰流量达到4 290 m3/s，为1981年以来最大流量;咸阳水文站12日10时42分洪峰流量达到4 210 m3/s，为2003年以来最大流量。同时，泾河上游部分支流也发生洪水，张家山站12日12时53分洪峰流量达到1 180 m3/s。泾、渭河洪水汇合后，渭河临潼水文站12日23时洪峰流量达到4 500 m3/s，经漫滩削减后，华县水文站14日2时洪峰流量为3 400 m3/s。本场洪水

与黄河北干流、北洛河等来水汇合后，黄河潼关站14日17时出现4 620 m3/s的洪峰流量，为该站2018年汛期最大流量。

3 天气形势分析

200 hPa形势场（图略），10日8时黄河中游处于低压槽前高空急流出口区左前侧的辐散区，20时急流继续加强，抽吸作用增强，促使垂直上升运动发展，有利于降雨的形成。

500 hPa形势场（见图1），前期在中高纬西风带以经向环流为主，贝加尔湖附近为一槽区，其北部有闭合的冷涡，副热带高压主体位于海上，但脊线位置偏北，在北纬30°附近，1808号台风“玛莉亚”位于副热带高压西南侧，向西北方向移动。7月8日20时副热带高压明显西伸，西伸脊点至东经114°附近，9日8时有高原系统生成，9日20时西风槽与高原槽东移叠加，槽加深，环流经向度明显加大，形成了东高西低的有利降雨环流形势。10日20时，西风槽移到东经90°以东，副热带高压脊线北界达到北纬35°附近，西风槽在东移过程中，与副热带高压边缘西南暖湿气流在降雨区上空汇合，造成黄河中游区域性暴雨天气。

10日8时在700 hPa高度上形成了一条从四川盆地到黄河中游的低空急流（图略），10日20时急流达到14 m/s，将副热带高压边缘的水汽和不稳定能量输送到暴雨区，同时在甘肃、陕西交界处形成一个低涡，沿312线外围有一条东北—西南向的切变线，暴雨发生在高空急流和低空急流左前方重叠处的正热力次级环流的上升气流区，并与700 hPa低涡的右前方相对应。11日8时之后切变线和低涡东移北进，黄河中游降雨趋于结束。

850 hPa形势场存在切变线（图略），且位置较700 hPa的略偏东，各层系统比较一致。

此次暴雨为典型的锋面降雨，对应地面图（图略）冷锋加强和东移，影响黄河中游地区。

4 物理量诊断分析

4.1 水汽条件

水汽是形成降雨的必要条件，区域性暴雨的产生需要有大量水汽和水汽积累过程。由700 hPa和850 hPa比湿分布可知，7月9日20时，黄河中下游地区两层比湿分别达到8、10 g/kg，之后随着西南气流不断向东北方向输送水汽，比湿进一步加大，10日20时已分别达到10、12 g/kg，暴雨中心两层比湿分别为12、14 g/kg，对流层低层水汽饱和（见图2）。

从7月10日至11日暴雨期间相对湿度场变化图（图略）可见，700 hPa和850 hPa两层相对湿度一直都大于70%，尤其是在10日20时两层的相对湿度均大于80%，强降雨区则大于90%。

850、700 hPa和500 hPa三层上副热带高压西侧均表现为一致的偏南暖湿气流，同时850 hPa和700 hPa上都有湿舌与其对应，湿层非常深厚。

水汽通量散度表示輸送水汽的集中程度，强降雨发生前，9日20时850 hPa水汽通量散度图（图略）可以看出存在水汽通量辐散，10日8时迅速转为辐合，低空急流左前方形成一个很大的水汽通量辐合中心，中心通量散度值为-16×10-7 kg/（s·m2·hPa）。10日20时，随着大范围强降雨的开始，低层辐合中心向东北方向移动，暴雨区上空的水汽通量散度负值中心强度增强至-20×10-7 kg/（s·m2·hPa），水汽通量散度负值中心与暴雨中心位置非常吻合。

4.2 动力条件

强降雨的产生除了要有足够的水汽来源外，还应当有足够的动力条件，涡度场和散度场是动力诊断分析的重要依据。

散度是表征流体水平辐散程度的物理量，7月10日8时，黄河中游低层850 hPa上出现明显的辐合，10日20时向上层扩展，暴雨区中低层之间均为负值区，即低层辐合，而高层则一直为正值区，即高层辐散。

由10日20时散度沿北纬35°经向垂直剖面（见图3）可以看到，在强降雨区西侧500—850 hPa对流层中低层之间有明显的辐合区，说明辐合区有一个逐渐向东扩展的过程。200—400 hPa高空之间是明显的辐散区。低层辐合、高层出现强辐散，这种抽吸作用使得暴雨区上空产生明显的上升运动，有利于低层的水汽辐合凝结，为此次暴雨的发生与维持提供了动力条件。

由涡度沿东经106°经度线的垂直剖面（图略）可知，在暴雨区上空，低层正涡度、高层负涡度的特征非常明显。400 hPa 以下为正涡度区，最大值出现在700 hPa，最大值大于14×10-5 s-1。400 hPa 以上为负涡度区，负中心出现在200 hPa，值小于-10×10-5 s-1。这种涡度的垂直分布非常有利于形成低层辐合、高层辐散的有利降雨形势。

由7月10日20时垂直运动沿东经106°的纬向剖面（图略）可以看到，暴雨区上空为深厚的上升气流区，从850 hPa一直伸展到200 hPa，在400 hPa附近有小于-1.5×10-3  hPa/s的闭合垂直速度中心，相比10日8时，中低层上升运动明显加强，说明垂直上升运动强烈。

4.3 热力条件

假相当位温θse是反映大气温度、压力、湿度的综合特征量，在同一气压下，θse越大空气越暖湿，越小空气越干冷。由2018年7月10日20时850 hPa假相当位温场（图略）可知，黄河流域中上游地区有大于344 K的高能舌，高能轴呈东北—西南向，高能舌从四川盆地伸向河套地区，把高能量带入，从8时至20时，此高能区迅速北抬东移，这支高能舌与青藏高原东侧低层偏南暖湿气流的水汽输送相联系，为本次暴雨的维持提供了良好的热力条件。

θse的垂直分布反映了大气层结的对流稳定状态，当θse随高度升高而增大时表明气层抬升前是稳定的，抬升至饱和后仍是稳定的;当θse随高度升高而减小时表明气层为对流性不稳定状态。图4给出了降雨前（9日20时）、降雨中（10日14时）和降雨后（11日8时）θse随高度的变化情况。降雨发生前，700—550 hPa高空有干冷空气由北向南侵入暖气团，从地面到600 hPa的θse差值达到-20 K，说明该地区暴雨发生前气层为强对流不稳定状态。降雨开始后，北方侵入的干冷空气高度下降到了850 hPa，在雨区上空，高层的能量明显增加（变暖），上下层θse的差值减小，说明降雨向稳定性降雨发展。到11日8时，冷气团继续入侵，800 hPa以下已经完全处于其控制之下，中低层能量均明显减小，降雨结束。

K指数可以用来表征大气中低层暖湿程度和大气稳定度，一般K值越大潜能越大，大气越不稳定，越有利于降雨产生，暴雨开始前黄河中游地区K指数逐渐增大，35 ℃以上的大值区向北偏东方向扩展。7月10日8时至7月11日8时强降雨区域K指数一直大于35 ℃，強降雨过后K指数则明显减小。

5 数值模拟结果分析

5.1 模拟方案设计

利用WRFV 4.1.2版本对本次暴雨过程进行敏感性试验，采用双重双向嵌套方案，区域中心为（东经105°，北纬38°），粗细网格的水平分辨率分别为27 km和9 km，对应网格格点数分别为D1（301×205）和D2（148×112）。模式垂直方向分为33层，模式顶层气压为50 hPa，地形数据采用MODIS全球30′高分辨率地形资料，地表土地使用类型共20类。粗细网格的积分步长分别为180 s和60 s，模拟时间从2018年7月9日8时至11日20时，每1 h输出一次模拟结果。

在其他参数方案不变的情况下，利用4种云微物理方案和5种积云对流参数化方案进行20组模拟试验，并对比不同方案组合的TS评分，以及降雨范围和强度的模拟效果，以此得出适合于黄河中游地区的最优微物理和积云对流参数化组合方案。模式参数化方案见表1。

5.2 模拟结果分析

表2为9 km格点分辨率下各参数化组合方案对小雨的TS评分，对于小雨量级的降雨，各种方案的差异非常小，TS评分均在0.92以上，预报效果均较好，说明WRF模式对小雨有较好的反演报能力。对于中雨量级的预报，Kessler和GD方案组合的TS评分最高，Kessler和KF方案组合次之，Kessler和NewGrell方案组合的TS评分则为最低（见表3）。由此可见，在微物理过程为Kessler方案的情况下，积云对流参数化方案对中雨预报的影响相对较大。对于大雨量级的预报，Kessler和GD方案组合的TS评分最高，Kessler和New_KF方案组合次之，WSM6和KF方案组合的TS评分最低（见表4）。对于暴雨量级的降雨，Kessler和GD方案组合的TS评分最高，其次是Lin和KF方案组合，剩余大部分方案的TS评分均为0.2左右，Kessler和New_KF方案组合的TS评分为最低（见表5）。除微物理过程方案为Kessler时，积云对流参数方案之间的差异较大外，其他各微物理过程和积云对流参数方案组合之间的差异均较小。

整体来看，Kessler和GD方案组合对各个雨量级降雨预报的TS评分均为最高，明显优于其他方案，而其他方案组合对不同雨量级降雨预报的差异性也较大。WRF模式总体上对小雨的评分最高，暴雨次之，而中雨、大雨的评分较低，表现出“两头大，中间小”的特征，这与黄海波等[12]的研究结果一致。

为定量分析不同方案组合对WRF模式的数值模拟预报能力的差异，计算在不同方案组合下本次降雨过程中降雨量的实测值和预报值之间的相关系数、均方根误差和平均绝对误差（见图5）。

由图5明显可以看到，Kessler和GD方案组合的相关系数最大，达0.71，其他方案组合的相关系数则均在0.5以下，Lin和BMJ方案组合的相关系数最小。均方根误差和平均绝对误差最小者均是Kessler和GD方案组合，其他方案的均方根误差和平均绝对误差较其明显偏大，WSM6和BMJ方案组合的均方根误差和平均绝对误差均最大。

基于以上对于TS评分、相关系数、均方根误差和平均绝对误差的综合分析，明显可以看到在其他参数固定的情况下，Kessler和GD方案组合的预报精度最高，即TS评分最高，相关系数也最高，均方根误差和平均绝对误差最小，此方案为模拟此次降雨的最优组合方案。

从嵌套一区域27 km分辨率的模拟雨量图（图略）可以看出，20种组合方案基本上都能较好地模拟出东北—西南的雨区走向，但对降雨中心强度和范围的模拟存在较大的差别，这表明不同微物理方案和积云对流参数化方案对降雨量级、降雨强度的模拟均有一定程度的影响。基于以上分析可以看出微物理方案选取Kessler时，积云对流参数化方案之间的差异相对较大，因此以下主要分析微物理方案为Kessler时，各积云对流参数化方案的降雨预报效果。

从嵌套二区域9 km分辨率的模拟雨量图（见图6）可以看出，在微物理方案选取Kessler情况下，WRF模拟的小雨以上降雨范围与实际降雨范围基本吻合，并且随着降雨量级的增大，5种方案的差异增大，主要体现在大雨以上降雨范围及降雨中心量级上。NewGrell方案模拟的降雨强度偏强，且高估了暴雨的范围，存在一个虚假的大暴雨区域。KF和BMJ方案模拟结果与实况的偏差最为明显，模拟的大雨以上降雨区域相对观测而言范围明显收缩，且存在一个虚假的大暴雨区域。New_KF方案模拟的大雨范围与实况较为接近，但对暴雨的模拟明显偏南偏东。GD方案的模拟效果最为理想，虽然模拟的中雨和大雨范围与实况相比偏小，但其模拟的强降雨中心、分布与实况最为接近，雨区也最为集中，这与TS评分结果分析相符合。

通过对比分析10日20时WRF模拟的200、500 hPa高空形势场与实况环流形势（图略）可知，WRF模式对造成此次降雨的大尺度环流背景场整体模拟较好，尤其是各方案对500 hPa上中高纬度西风槽、副热带高压脊线、热带气旋的位置，及200 hPa上西风急流的位置，模拟结果与实况基本吻合，但对于584 dgpm线的位置，除Kessler和GD组合方案模拟的与实况基本一致外，其他方案模拟的位置均有所偏南，造成模拟强降雨的北界较实况存在不同程度的偏南。

6 结 语

（1）2018年7月10日8时—7月11日8时，黄河中游出现一次以稳定性降雨为主的区域性暴雨过程。受此次暴雨过程影响，泾渭河流域干支流普遍涨水，渭河魏家堡水文站11日19时6分洪峰流量达到4 290 m3/s，为1981年以来最大流量，黄河潼关水文站14日17时出现4 620 m3/s的洪峰流量，为该站2018年汛期最大流量。

（2）暴雨发生在西风槽东移和副热带高压西伸北抬过程中，主要是槽底部冷空气与副热带高压外围西南暖湿气流在降雨区上空交汇造成的，而低空急流则将副热带高压外围的水汽和能量源源不断地输送到降雨区上空，为强降雨的形成提供了充足的水汽和能量条件，700 hPa低涡切变线和850 hPa切变线则加强了低层的水汽辐合与垂直上升运动，同时地面冷锋对强降雨的产生起到了触发作用。

（3）副热带高壓西侧各层表现为一致的偏南暖湿气流，湿层非常深厚，同时高湿区、水汽通量散度负值中心与强降雨中心的位置非常吻合，为此次降雨的产生和维持提供了充足的水汽条件。高层辐散与低层辐合相配合的动力结构，以及强烈的垂直上升运动，非常有利于低层的水汽和能量向高层输送，为本次暴雨的发生和发展提供了动力条件。暴雨发生前，黄河中游气层为对流不稳定状态，暴雨发生时高潜热能释放，并且雨区上空处于高能舌和K指数高值区，为本次暴雨的维持提供了热力条件。

（4）由于WRF模式能很好地再现此次暴雨过程的大尺度环流背景场，尤其对中高纬度西风带系统的模拟结果与实况接近，使得各组合方案基本能模拟出降雨的基本分布形态。WRF模式对小雨有较好的反演能力，并且各方案差异非常小。对于中雨以上量级降雨的雨区位置和强度，各方案均存在不同程度的偏差，其中Kessler和GD方案组合的预报效果最好。整体来看，Kessler和GD方案组合对各个量级降雨预报的TS评分均为最高，模拟结果与实测结果的相关系数最大，均方根误差和平均绝对误差最小，在本次降雨预报中占有绝对优势。

（5）对于降雨的模拟，还要从多角度选取多个个例进行分析，以验证适合黄河中游地区降雨模拟的综合参数化方案，为WRF模式的本地化日常应用和改进提供参考依据。

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