降水暴雨预警连发30天

第26卷第5期气象科学2006年10月SCIENT垒!
兰Vol_26,No.
50ct.
,2006重庆"9·411特大暴雨天气过程数值模拟分析周国兵沈桐立韩余(1南京信息工程大学大气科学系,南京210044)(2重庆市气象台,重庆401147)摘要本文利用MM5中尺度数值预报模式对2004年9月4日发生在重庆的特大暴雨天气过程进行了模拟.
模拟结果表明,模拟降水的落区和量级效果较好,通过对造成此次暴雨天气的中尺度天气系统西南涡的分析,模拟结果是西南涡的强度和中心与实况分析都是一致的.
结合高低层的物理量场分析形成暴雨发生条件和落区分布的物理概念模型,水汽的输送和辐合从低层到高层是沿着西南气流的方向向东倾斜,落区的分布与中高层500hPa300hPa的风场辐合相关性非常好,降水强度与垂直速度的强度和上升高度有关.
关键词特大暴雨MM5中尺度模式数值模拟概念模型分类号P456.
7文献标识码A引言重庆市地处四川盆地东部,为暴雨的多发区.
产生重庆暴雨的中尺度天气天气系统有西南涡、高原切变线、低空急流等,其中西南涡是发生频率最高的天气系统.
西南涡形成后通常先影响四川I盆地,然后逐渐缓慢东移影响重庆、湖北等地.
对此,陈忠明等口对西南涡影响四川盆地暴雨的物理机理开展过诊断分析研究,但通过数值模拟研究开展较少.
因此,为了进一步了解影响重庆暴雨天气过程的中尺度天气系统的物理机制,我们通过中尺度数值模拟和诊断分析深入了解中尺度天气系统的发生发展的物理机制,建立暴雨预报概念模型,以加深对重庆暴雨天气过程的理解,从而提高预报水平.
近几年来,随着MM5中尺度数值预报模式发展成熟,在数值预报模拟和业务试验中取得了许多成功的例子,崔春光等对三峡库区暴雨开展过数值模拟_2],对地形暴雨作过有益尝试,但针对重庆地区的暴雨天气开展数值模拟的较少,本文选取2004年9月4~5日发生在重庆的特大暴雨天气过程开展模拟研究,以便能深入了解造成此次特大暴雨的中尺度物理结构.
1天气过程简述2004年9月3~7日由于19号台风"桑达"在我国东部沿海地区缓慢北上,使盘踞在我国南方的副热带高压东退受阻,致使西南低涡长时间滞留四川I盆地,从而造成四川、重庆大范围的持续性暴雨天气,尤其在4日夜间到5日白天重庆开县遭受了百年一遇的特大暴雨袭击,12h降水量达275mm创历史之最.
从9月3日开始西南涡缓慢向东移动,相应发生在四川I盆地的强降雨区开始缓慢东移至重庆与四川I的交界地区,且降水强度增大,川I东的南充、达州地区开始出现暴雨到大暴雨天气,其中达州地区的渠县日降水达253mm.
重庆地区长江以北的大部分地区开始出现中到大雨,其中重庆西部的大足、北碚日降水分别为67mm、74mm.
从9月4日夜间开始降水继续向东缓慢移动且降水强度进一步加大,位于重庆东北部的开县日降水达298mm,超过开县历史最高记录,由于降水强度大,降水时间集中,山洪迅速爆发使得开县县城附近河道猛涨,在短短的几个小时旧县城全部进水,洪水深处达几米.
与此同时与开县相邻的四川I开江、达川I、宣汉的日降雨量分别为154mm、126mm、169mm达到大暴雨.
连续的暴雨造成重庆大部分地区洪水泛滥,并引发多处山体滑坡和泥石流,由此造成82人死亡20人失踪,直接经济损失近20亿元.
收稿日期:2005—0126;修改稿日期:2005—05—15基金项目:本文由重庆市科技攻关项目(编号:2002—7595)资助第一作者简介:周国兵(1973一),男(汉),硕士在读,工程师,在重庆市气象台,主要从事中尺度数值天气预报研究E-mail:zhou-gb@163.
com维普资讯http://www.
cqvip.
com5期周国兵等:重庆"9·4"特大暴雨天气过程数值模拟分析5732中尺度数值模拟方案设计为了进一步了解影响此次特大暴雨的物理机制,了解暴雨天气在发生、发展过程中中尺度天气系统演变情况及物理结构,我们利用PSU/NCAR的MM5V3中尺度数值预报模式对该过程进行了模拟.
在模拟过程中采用以下设计方案:模拟采用双向相互作用的双重嵌套网格,其网格格距分别为60km和20km,相应格点数分别为99*69、76*64,外层网格的中12,点为33.
N,105.
E;垂直分辨率为23层,模式顶为100hPa.
初始场采用9月4日20点到9月5日20点的NCEP再分析资料,同化资料采用同时段的实况观测资料.
边界层参数化方案为MRF方案,对次网格尺度降水采用Anthes—Kuo积云参数化方案.
模拟时间从9月4日20:00~5日20:00,时间步长60S,共积分24h.
3模拟结果分析3.
1降水结果对比分析由于此次特大暴雨降水过程出现在9月4日20时~5日08时,开县12h的降水量达275mm,因此选取9月4日20时~5日08时12h降水实况与模拟实况进行对比(图1).
对比发现MM5模式对出现在四川东部和重庆东北部的强降水部位能较好地模拟出来.
从降水量级看,在四川达川地区的实况大暴雨中心值为175mm,模拟的中12,值为110mm,而在重庆境内开县的特大暴雨275mm,模拟中心量级为100mm,量级有点偏小,位置基本与实况一致,能够较好模拟出降水的量级和落区.
但是在重庆西北部的50mm以上的小的暴雨中心未能很好地表现出来,却在30.
N,109.
E的湖北境内出现了虚假的降水中心.
总体上来看,MM5中尺度数值预报模式对重庆此次特大暴雨降水过程模拟还是比较成功的.
3.
2中尺度系统对比分析从天气学上分析,造成此次特大暴雨的中尺度天气系统为西南涡,利用NCEP再分析资料绘制的2004年9月5日08时700hPa高度场和风矢场的合成场(图2a),明显看出西南涡位于重庆西北部与四川交界处.
与同时段的模拟场的对比发现(图2b),在重庆西北部和四川交界处有明显的低涡结构存在,说明MM5对影响此次强降水的主要中尺度天气系统西南涡能够很准确地模拟出来.
由于NCEP资料是1.
*1.
的,但从西南涡的位置看模拟场和实况分析场基本一致.
从模拟风场气旋性低涡中12,在30.
6.
N、106.
E附近,与实况场相比只有很细微的偏差,但整个大风区和流场结构都是一致的,很好地模拟出了西南涡的中尺度结构.
同时说明模拟场对中尺度系统的位置和强度的准确模拟,是对主要天气系统的准确把握,从而可以推断其模拟的可靠程度.
3.
3中尺度系统水平结构分析从强降水时段西南涡的水平风场模拟结构看,中低层850hPa(图3a)和700hPa(图3b)风场的气旋性图12004年9月4日20时~5日08时12h降水实况(a)和模拟(b)Fig.
1Observed(a)andsimulatedrainfalls(b)from20:00on4Sept.
tO08:00on5Sept.
2004维普资讯http://www.
cqvip.
com气象科学16卷H-"fm1P*Rk"场l¨)m挺|I)r(,bs…(】n(d川…|ll_lJl…h1J¨"¨】d1lll】wflldELT"1P-…1h'1J¨;1If睡}(llll*~通道与西南气流的急流区致.
将水汽向曲南向东北源源断地输送在0hPa面上(圈)-风场台区(图中阴影部分为散度场的台)位于气旋骶涡中心的偏南域匝过汁薄水汽l盥量散度《圈略)|盘现小汽的辆台医与风场辐台区摹本一致.
结台地而强降水发剐.
Ⅲl-P等压面I二水汽辐台l吼场轲台区与强降水落区有很好的剐应k系l司时从低、中、高屠的求汽水平讣布场-r【清楚的看出水汽的输送通道和水汽的火值中对强l铎水的发生具有很圩的刘应作用.
在8cIiI等H三面罔l|萼的风场辐合带衄于气旋性慨褐(}}i近1氐偶的东北部.
主要水汽逾邋向南东北向.
中心强度连刮l7gk、叭叭l,州¨刖维普资讯http://www.
cqvip.
com5期周国兵等:重庆"9·4"特大暴雨天气过程数值模拟分析5753.
4中尺度系统垂直结构分析为了更好地分析强降水中心附近天气系统的垂直结构特征,对模拟结果沿31.
N作纬向剖面.
绘制了5日02时和05时强降水发生时涡度剖面图(图4),从涡度剖面图上可以明显看出中低层正涡度大值中心带位于106~108.
5.
E,中心强度达到20*10S,中高层正涡度大值中心带位于107~109.
E,中心强度达20*10S且正涡度中心高度上升到350hPa左右.
从涡度的垂直结构看,下层为正值上层为负值是典型的低层辐合高层辐散的结构,有利于水汽的上升运动,结合降水实况看正涡度层越高,中心强度越强,对应区域降水越强.
由此可以认为,涡度垂直结构能够反映大气层上下层空间的垂直辐合结构特征,正涡度层越高说明对流发展越旺盛,越有利于降水的发生.
此外可以看出,高层空间的正涡度区与地面降水的落区也有较好对应关系.
以强降水中心31.
N,108.
5.
E点的垂直速度Or}作时间剖面.
从剖面图与该点附近开县站点逐时实况降水量对比分析表明,4日夜间23点到5日00点和5日3点到4点为降水集中时段,平均每小时降雨量在36Film以上,对应到一Or}逐时剖面图上可以看出在相应时段垂直上升气流非常强烈,达到了300hPa高度层,强度为0.
9hPa·S_.
,在O0点到3点之间垂直上升气流有所减弱,相应降水量也相对偏小.
到5日6点以后降水开始明显减弱,对应垂直速度上升运动也是迅速减弱.
因此,可以认为垂直上升运动的所达高度和强度与降水强度有很好的拟合关系,通过分析一∞可以很好的判断降水强度.
图45日02时(a)和O5时(b)涡度剖面图(涡度单位:10—5S一1)Fig.
4Vorticitysectionat02:OO(a)andat05:OO(b)on5September(unit:10—5S一1)50(b)45——~…~~一一一~35.
—.
一.
30.
————'时次时次图52004年1月4日20时~5日20时垂直速度时间剖面(a)(单位:hPa·s一)和逐时降水量实况(b)(单位:mm)Fig.
5Verticalvelocitytimesection(unit:hPa·s一)(a)andobservedrainfallsofeveryhour(unit:ram)(b)from20:00on4Septemberto20'00on5September维普资讯http://www.
cqvip.
com576气象科学26卷图6暴雨落区与流场关系概念模型Fig.
6Correlativeconceptmodelbetweenheavyrainfallregionandflowfield4概念模型通过以上分析,我们给出重庆"9·4"特大暴雨发生时的暴雨落区与流场关系的概念模型(图6):(1)中低层的气流辐合结构十分明显,辐合中心的东部为强风速区和水汽输送带.
(2)风场辐合从低层到高层沿着气流的方向向东倾斜.
(3)降水的落区与高层垂直速度强中心相对应,位于中高层风场(500~300hPa)辐合中心的偏东部位.
5结论综上所述可以得出以下几点:(1)MM5中尺度数值预报模式对由西南涡诱发产生的暴雨天气过程具有较好的模拟效果,模拟结果对西南涡的中尺度结构反应非常清楚,模拟降水落区与量级具有较好的参考价值.
(2)强降水的强度与垂直速度的上升高度和强度相关性非常好,上升高度越高,强度越强,对应降水越强,相反随着垂直速度的减弱降水也相应减小,降水强度高层垂直速度强中心相对应.
(3)在中高层风场辐合中心与水汽辐合中心基本一致,水汽输送从低层到高层沿着气流的方向向东倾斜,同时强降水的落区位于中高层风场辐合中心的偏东部位.
从涡度的垂直结构看,下层为正值上层为负值是典型的低层辐合高层辐散的结构,有利于水汽的上升运动,结合降水实况看正涡度层越高,中心强度越强,对应区域降水越强(4)根据结构分析形成了此次暴雨天气过程强降水落区的经验概念模型,为今后的预报分析提供参考.
维普资讯http://www.
cqvip.
com5期周国兵等:重庆"9·4"特大暴雨天气过程数值模拟分析577参考文献陈忠明,闵文彬,等.
高原涡与西南涡藕合作用的个例诊断.
高原气象.
2004,23(1):75~8O崔春光,王中.
地形对低涡大暴雨影响的数值模拟试验.
气象.
2000,26(8):14~18姜勇强,张维桓.
1998年7月21日武汉特大暴雨的数值模拟.
气象科学.
2002,22(1):52~59朱乾根,林锦瑞.
天气学原理和方法.
北京:气象出版社,1992.
451~651隆宵,程麟生.
"99·6"梅雨锋暴雨低涡切变线的数值模拟与分析.
大气科学.
2004,28(3):342~355徐勇,郑维忠、江淮暴雨中尺度特征数值模拟、气象科学.
2001,20(1):73~79孙建华,赵思雄、一次罕见的华南大暴雨过程的诊断与数值模拟研究.
大气科学,2000,24(3):381~392NUMERICALSIMULATIoNANALYSISOFAHEAVYRAINFALLINCHONGQINGAREAoN4SEPTEMBER2004ZhouGuobing'ShenTongliHanYu(1DepartmentofAtmosphericScience,NanjingUniversityofInformationScience&Technology.
Nanjing210044)(2ChongqingObservatory,Chongqing401147)AbstractAheavyrainfallon4September,2004inChongqingareaissimulatedbyMM5mesoscalenumericalmode1.
Thesimulationresultsshowthattherainfallareaandquantityaresimulatedquitewel1.
Itshowsthatthesimulationdensityandcenterofsouthwestvortexarenearlythesameastheweathera-nalysis,accordingtoanalysisthemesoscaleweathersystemgeneratestheheavyrainfal1.
Aphysicalcon—ceptmodelofthegenerationconditionofheavyrainfallandrainfallareadistributionisfoundaccordingtophysicalquantityanalysisofhigh—lowleve1.
ThevaporStransportationandconvergencefromlowleveltohighlevelisinclinedtoeastalongwiththesoutheastcurrent.
Theraindistributionrelatestomid—high1ev—elsuchas500hPa~300hPa,andrainintensityrelatestothedensityandhightofverticalcurrent.
KeywordsHeavyrainfallMM5mesoscalemodelNumericalsimulationConceptmodel1234567维普资讯http://www.
cqvip.
com