辛 悦

(内蒙古自治区气象科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010051)

1 研究背景

复杂地形条件下暴雨的形成是气象条件和复杂地形相互作用的结果。暴雨和对流天气出现的时间、地点、强度除与天气因子有关外,受到地形的影响也很显著。研究表明，山脉对天气有显著影响[1-3]。在迎风坡，由于地形的动力抬升及屏障作用，使得气流被迫爬升，大气的水汽在抬升过程中凝结产生降水；另一方面，在地形的背风坡由于抬升气流在回复力的作用下在垂直方向产生振荡，形成背风波，它对降水有明显的影响[4]；肖庆农等[5]研究表明，地形对上游气流的阻挡受山顶高度、大气层结以及地形非对称性等因子有明显的影响，并分析指出了背风侧形成背风波及强下坡风的有利条件。李江林[6]等利用中尺度数值模式RAMS，采用三重嵌套的方法，模拟研究了某山谷地区局地环流特征。

在局地性暴雨的研究工作中，尤其是发生在复杂山地地形中的中尺度暴雨过程的观测分析和数值模拟工作都相对较少，高分辨率数值模式为中尺度暴雨发展机理提供了有力的技术手段。笔者选择一次山地地区典型的暴雨过程作为研究对象，利用WRF模式进行数值模拟实验，从风场变化、能量场变化等方面对该次降水过程进行诊断分析。

2 研究过程

2.1 天气分析

2.1.1 环流背景。500 hPa整体受西风气流控制，并不断有小波扰动，西太平洋副热带高压呈现块状分布。700 hPa在西南地区存在低涡，受低涡气旋带来的东南气流影响，水汽条件较为充沛。在高空槽和中层低涡北部东南气流的共同影响下，造成了该次降水过程。

2.1.2 卫星云图分析。风云2号卫星云图产品显示，14时30分时，该地区位于云系的前沿地区，还未受到对流云团影响。15时30分，对流云团的边缘已经移入该地区，带来微量降水，且南部不断有新云系生成。之后云系不断发展东移，于17时30分完全移入，此时该地区完全被对流云团所覆盖，对流过程达到极盛阶段，此时降水过程最为剧烈。参考17时的地面填图资料，地面风向转变为西南风。18时—20时，通过观察卫星云图，发现云系不断向东移动，逐步退出该区境内。地面风向逐步变为东南风，切变线过境，降水过程也逐渐趋于结束。

2.1.3 雨情分析。在当日该地区出现区域性强降水天气过程，这次强降雨具有强度大、时间集中和局地性强的特点。08时—14时，该地区外围大部分地区均已晴空为主，部分地区有微量降水。14时—20时，该地区出现了强降水过程，6 h累计降水量达到了45 mm。

2.2 数值试验设计

本文采用的模式为中尺度数值预报模式(Weather Research Forecast Model，WRF)。WRF是由美国NCAR等联合开发的高分辨中尺度模式，与以前的中尺度模式相比，模式精度高，重点解决水平分辨率为1 km～10 km、时效在60 h以内的有限区域天气预报和模拟问题。模式的初始场和边界条件由NCEP全球分析资料(FNL)，全球1°×1°再分析资料(时间分辨率为6 h)产生，数值试验采用三重嵌套网格，水平分辨率分别为25 km，5 km，1 km，模拟时段为当日00∶00至次日00∶00。模拟时间24 h，模拟结果每1 h输出一次。

2.3 暴雨的诊断分析

2.3.1 风场分析。500 hPa流场显示:当日下午一直处于槽前位置，自14时—16时，主导风向为西南风，之后的主导风向为西风。700 hPa风场显示:当日该地区的降水过程是由于在地区上空出现的辐合流场所造成的。14时该地区主要受北风控制。16时，受西南方向的低涡影响，该地区的风向逐渐转变为西北风。17时，风向逐步转变为西风，地面处于一个辐合流场之中，等风速线密集，这种流场上的辐合形势有利于这次暴雨过程的产生。18时之后，该地区则处于单一的北风的控制下，此次降水过程结束。模式模拟结果与天气图及卫星观测基本吻合。

2.3.2 垂直速度场分析。强降水出现前，数值模式模拟的垂直速度基本在0.2 m/s左右，上升运动较弱。从经向垂直环流(见图1)可以清晰地看到，在大暴雨区低层出现西南风暖湿气流与来自北方的冷空气的辐合，触发不稳定能量释放，强劲的垂直上升气流将低层的水汽向高空输送，强降水发生时段整个暴雨区上空有着深厚的湿层，自地面至400 hPa高空相对湿度均在80%以上。在山脉的背风坡一侧，在600 hPa左右的高度上，产生了很强的垂直上升运动，在上升运动的南北两侧，产生了相应的次级环流和rotor转子，改变了该地区上空的环流形势。这种在过山气流辐合下沉区上空所产生的异常环流形势，是影响该地区河谷盆地降水的关键因素。

图1 经向垂直环流

2.3.3 水汽分析。水汽的持续输送和辐合是形成暴雨的必要条件。在实验中，可以看到明显的水汽输送和利于暴雨发生的辐合条件。根据模式模拟结果，500 hPa和700 hPa上的相对湿度均很大，均达到了80%以上。在17时以前，500 hPa的相对湿度均在92%以上，在暴雨发生的17时左右，至以后的时间段内，相对湿度不断下降，高层的水汽不断凝结，以降水的形式脱离云团，至20时，该地区及周边地区的相对湿度下降至83%左右。在700 hPa，整天的相对湿度变化不大。

通过分析当日700 hPa的水汽通量和水汽通量散度来了解低层水汽输送和辐合演变情况。当日水汽通量大值区最大值为65 g·s-1·cm-1·hPa-1，且不断自西向东移动，17时出现在该地区南部上空，之后不断向南撤离。在低空700 hPa，从14时至20时，水汽通量散度在该地区及附近区域，主体上几乎均为负值，即在低空，水汽一直是辐合的。而在500 hPa上，在14时—16时，水汽为辐合状态，整层大气均为辐合状态，没有产生降水；在17时，该地南部地区出现大范围的辐散运动。低层辐合，高层辐散的配置，有利于产生水汽的垂直上升运动，利于暴雨的产生及发展。

2.3.4 能量分析。对流有效位能(CAPE)是一个同时包含低层高层空气特性的参数，被认为能较真实地描述探空资料所代表的大气不稳定度(见图2)。当日15时，对流有效位能中心位于该地区南部，南部地区位于高能舌附近CAPE值为50 J/kg～90 J/kg区域内，表明具有发生强对流的潜能。17时，随着强降水的发生，不稳定能量得到快速释放，此时强降水区域的CAPE值减小为5 J/kg～20 J/kg。18时，随着降水趋于结束，强降水区域的CAPE值锐减为10 J/kg以下。

通过对比对流有效位能和降水强度的演变趋势发现，在强降水开始前CAPE值达到最大，随着强降水的发生，CAPE值锐减，说明对流不稳定能量得到快速释放，加剧了降水强度。所以CAPE值的锐减时段对应着最强降水时段。

(a)降水前

(b)降水中

(c)降水后 图2 700 hPa对流有效位能(CAPE)分布

3 结论

①水汽的持续输送和辐合是形成暴雨的必要条件，低层辐合，高层辐散的配置，有利于产生水汽的垂直上升运动，利于暴雨的产生及发展。②对流有效位能变化随降水过程演变具有明显变化特征，在强降水开始前对流有效位能达到最大，随着强降水的发生，对流有效位能锐减，对流不稳定能量得到快速释放，加剧了降水强度，对流有效位能的锐减时段对应着最强降水时段。