暴雨数据模拟结果分析.docx

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暴雨数据模拟结果分析

暴雨数据模拟结果分析

强对流天气发生发展较快，生命史短，发现雷达等新一代观测手段能较好的跟踪中尺度天气过程的发展，但在解释强对流天气过程的形成和维持机制方面存在明显的不足，并且常规观测时间间隔以及空间间隔较大，也不能对生命史较短的中尺度天气过程进行详细研究。

而数值模式能够再现很多天气事实，对强降水过程的形成机理也能够进行更深入的研究。

将反演同化后得到的资料加入到数值模式中，为模式的模拟提供初始场，能够更好的模拟出降水过程。

因此为进一步研究“6.19”特大暴雨过程，本文利用多普勒雷达反演风场的资料，借助数值模拟的方法研究此次暴雨过程的形成和发展机理。

1.1数值模拟方案选择

为了对同化结果的质量进行检验，将数值预报试验在WRF模式上展开，对2013年6月19日-20BA省B市一次暴雨过程进行了数值模拟。

本文设计了两组试验：

（1）控制试验（CTL）:

不同化任何观测资料；

（2）WRF-3DVAR同化试验（VAR）:

利用WRF-3DVAR系统同化多普勒雷达反演风场。

初始场和边界条件采用NCEP提供的的时时间隔为6小时，分辨率为

1°X1°

格点的FNL再分析资料为背景。

控制试验只采用背景场进行分析；WRF-3DVAR同化试验在背景场基础上直接同化多普勒雷达资料。

雷达资料为A省省加密雨量观测站的多普勒雷达观测得到，雷达资料进行了去噪声、退模糊和平滑滤波等质量控制。

WRF中尺度数值模式采用完全可压非静力模式，控制方程组都为通量形式。

方案设计如下：

模式采用无嵌套方案。

模拟中心区域为东经105.63度，北纬

31.6度。

水平格距为12km,东西向取76格点，南北向取133格点，垂直方向为。

坐标，取51层。

时间积分步长60秒。

本次试验时采用的物理过程和参数设置具体情况如下：

表1・1模式物理方案参数选择

物理过程

方案

微物理过程

Lin方案

长波辐射物理过程

RRTM方案

短波辐射物理过程

Goddard短波方案

近地面层

Monin-Obukhov方案

陆面过程

RUC路面参数化方案

行星边界层

MYJ方案

1.2降水模拟分析

图1・1为实况观测累积降水，图1.2为WRF中尺度预报模式模拟的控制试验（图a）和同化试验（图b）的降水量。

可以看出在A省B市的暴雨模拟结果的整体落区和实况较为一致。

但是，比较控制试验和同化试验的降水模拟，得出以下结论：

同化试验的降水落区、降水范圉以及降水强度的模拟结果更接近于实际降水情况。

因此，本文将釆用同化资料进行诊断分析“6.19"B特大暴雨过程。

图1・12013年6月19016时一20S12时降水量分布实况观测资料（mm）

180

150

140

130

120

11O

1UQ

40°N-

38°N-

36°N-

34°N-

32°N-

30°N-

28°N-

102°E106°E110°E

40°N-

38°N-

36°N-

34°N-

32°N-

30°N-

28°N-

102°E

110°E

021020304050

m

021020304050

■1

106°E

图1.22013年6月10日一20日控制试验和同化试验的累积降水量和落区图（图&为：

控制试验:

图b为：

同化试验）

从同化试验（图b）的图中可以看到，降水落区主要集中在104-107E,32-36N之间，刚好覆盖了B市上空。

图1.3为同化试验得到的降水范圉和强度。

从6月19日19时的3小时累积降水情况（图c）来看，降水量超过30毫米，已经达到暴雨级别。

且B南部山脉的迎风面降水较强。

到22时（图d）,降水范围扩大，降水强度加强，整个B市以及周边地区都出现了强降雨天气。

40°N-

38°N-

36°N-

34°N-

32°N-

30°N-

28°N-

102°E106°E110°E

40°N

38°N

36°N

34°N

32°N

30°N

28°N

021020304050

102°E106°E110°E

H丨丨丨丨丨IHI□

021020304050

图1.32013年6月19日同化试验的降水量和落区图（图c为:

19时的3小时累积降水量;图d

为：

22时的6小时累积降水量）

以上同化试验模拟得出的结果，更加具体的体现了，多普勒雷达反演风场同化资料的优越性。

山于，同化资料改进了模式的初始场，使模式预报更加接近于实际情况。

对提高数值预报的准确性有良好的参考价值。

因此，多普勒雷达风场资料的三维变分同化在暴雨模拟中的研究，对模式初始场的改进以及业务预报水平的提高有着不可替代的重要作用。

1.3地形和摩擦对降水的影响

图1.12013年6月19B-20A省B强降水过程的模拟区域示意图

地形与降水关系很密切，在同样的天气形势下，迎风坡的降水要比其他地区大。

在一定的条件下，地形对降水有两个作用，一是动力作用，二是云物理作用。

111图1.1可知，B市及其周边地区地形不均匀，最低海拔不到1000m,但最高海拔却达到3000m以上。

1.3.1地形的动力作用

图1.46月19日17时同化试验的lOmJxl矢量

动力作用主要是地形的强迫抬升。

山于地形抬升的上升运动和下沉运动是随高度减弱的；且近地层加热的不均匀性；地形的动力作用还表现在地形使系统性的风向发生改变。

图1.4为6月19日17时地面以上10m的风矢量图，从图可以看出103-105E,36-38N间曲于山脉阻挡和屏蔽作用，风场发生扰流现象。

高耸的山阻挡气流运行，造成了迎风面大气堆积，背风面产生一个弱风区，并在山的南北两侧出现了风切变。

z-vrtndconponent伸討｝al700hPa

X）jxe

z-vrindoonprant（m討｝dSWhPa

***X）jxe

图1.52013年6月19B16时模式模拟的风场反演后的径向风速（图&为500hpa处的径向风分

量；图b为:

700hpa的径向风分量）

图1.5为6月19日17时500hpa处（图a）和700hpa（图b）处的径向风矢量。

在700hpa图中（图b）空口处是山地地区，垂直速度为零。

而在500hpa图（图R上很明显的看到山的左侧垂直运动为正值，且对应径向风矢量最大区域。

而出现负值区域对应的是下沉运动。

这是因为，暴雨发生在秦岭附近，并受B市麦积山的影响，风场出现的扰流和爬升、翻越的作用，从而影响了水平方向和垂直方向的风矢量。

山的迎风面平直的东风被迫上升爬越而过，有利于反气旋涡度加强，上升运动加剧。

而强烈的上升运动是暴雨形成的决定性因素之一。

近地面暖湿气流与高空干冷空气相遇，会使层结不稳定，加强对流的发展为降雨天气储存更多的不稳定能量。

因此，地形对降水系统的影响不可忽视。

地形可以改变降水形成的云雾物理过程，使得已经凝结的水分，高效率的下降为雨，从而增加降水量。

1.3.2地形的摩擦作用

在近地面层中山于摩擦作用，风山高压吹向低压时，在气旋性涡度的地区，便会出现摩擦辐合，并有上升运动形成；而在反气旋涡度的地区，则出现辐散下沉运动。

摩擦对降水的重要贡献主要是提供了降水的水汽来源。

摩擦辐合有

利于将雨区四周摩擦层中的水汽集中地向高层输送，从而使降水加强。

1.4水汽条件的诊断分析

暴雨是在大气饱和比湿达到相当大的数值以上才形成的，700hpa上比湿事

0.008kg/kg,是出现大、暴雨的必要条件；有了相当高的饱和比湿条件，还必须有充分的水汽供应。

水汽含量可从比湿项LI做诊断分析。

设一定体积空气中含有水汽质量Mv克，干空气质量Md克，定义混合比为

水汽与干空气的质量比，即:

（2）

QVat2M

kgkg-1

3TN

3TN沖

3CHM

2ff*N

ioe«Bnx*百i06*slorsmrfi

QVat2MKflkgJ

0j010.0140D1B0.022

1沁1C6*E,16®

0/）10.014OJ0180/>22

（1）

定义比湿q为一定体积内水汽质量与空气总质量之比，即:

Mv

Md+Mv

r和q有对应关系:

（3）

通常大气中的混合比和比湿都很小，因此可以认为q~「它们的单位都是

g/kg或kg/kg.分析等圧面上的比湿的分布，就等于分析了湿度场的分布。

38%

38TM

叶

ars

图1・5同化试验所得的比湿资料（图a为：

6月19017时的比湿：

图b为6月19日20时的比湿）

从图1・5可以看出,6月19S17时（图a）,B市近地面的比湿达到0.018kg/kg以上，已经具备降水所需的水汽条件。

到20时（图b）比湿减小到0.014kg/kg左右，山于降水其相对湿度的抬升导致近地面的比湿的降低。

降水天气将持续发展。

1.5螺旋度的分析

近年来，通过大量的观测研究，特别是数值模拟方法的广泛使用，人们对强对流天气的物理机制有了更为深入的了解，引进了许多新的参数，如螺旋度等。

螺旋度是表征流体边旋转方向运动的动力特性的物理量，其重要性在于它比涡度包含了更多辐散风效应，更能体现大气的运动状况，其值的正负反映了涡度和速度的配合程度。

螺旋度被定义为，对流层低层一定厚度气层内风暴相对风矢与水平涡度矢的内积，反映了旋转和沿旋转轴方向上气流的强弱，其数值越大，越有利于风暴的旋转发展。

RtUdwIMdtyauxmMWwHoiotty

图1・6同化试验所得的螺旋度资料（图a为:

6月19I316时的螺旋度：

图b为:

6月19B21时的螺旋度）

图1・6中显示的是，6月19日分别为16时（图J与18时（图b）的螺旋度。

大量的研究表明，在环境大气中具备了对流发展所需要的水汽、不稳定能量和触发机制等基本气象条件的情况下，当螺旋度数值很大时（如H$130m?

/s?

），发生强对流天气的可能性极大。

通过分析上图，得出16时B上空的螺旋度趋于0m7s2,而到18时其螺旋度上升到200门1%2左右。

山于螺旋度是极容易发生变化的参数,在一些观测试验中也已经发现它可以在1-2小时之内迅速曾大。

从本次试验的研究可以得出，当有限时次的观测所的螺旋度小于其临界值时，并不能排除发生强对流天气的可能性。