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1、浅谈当前华北地区数值模拟研究及暴雨诊断分析情况暴雨是华北地区重要的灾害性天气之一。华北暴雨具有降水强度大、持续时间短、局地性强的特点，常给华北地区造成严重的财产损失和人员伤亡。历史上华北地区有过几次著名的暴雨过程，如“638”海河流域暴雨、“758”河南暴雨、“968河北暴雨”，以及2012年“721”北京暴雨等，均给我国带来十分严重的损失。暴雨涉及到多尺度天气系统及它们之间的相互作用，以及环流异常、气候变化、中尺度天气系统的活动等，这些因素使暴雨天气导致的灾害情况更加复杂1。国内外专家、学者对暴雨的研究已经比较深入，丁一汇2对中国气象工作者长期以来对暴雨天气预报及研究的不同阶段作了论述，指出
2、以“758”河南暴雨为界，该暴雨发生之前，我国气象工作者的研究重点是大尺度大气环流及天气尺度系统，天气预报以定性预报为主；该暴雨发生之后研究的重点逐渐转向了中尺度天气系统，且预报也向客观定量化转变。Davis3总结了几条有利于暴雨发生的条件，包括深厚湿层、中等强度的CAPE值、较狭长的CAPE大值区域和较弱的垂直风切变等。近年来，数值天气预报技术发展迅速，在天气预报中发挥着十分重要的作用。李泽椿等4对数值预报技术在现代天气预报中的重要地位作了系统阐述。章国材5对中尺度数值模式WRF的研究进展和应用前景做了详细介绍。许多学者对有关华北暴雨的研究成果作了综述。赵思雄等1、张文龙等6对近几十年华北暴
3、雨的主要研究成果进行了系统的阐述。笔者对华北暴雨的发生发展机理，以及华北暴雨数值模拟的研究成果做了一定的梳理，旨在为华北地区暴雨天气预报服务和教育培训工作提供参考。1、多尺度天气系统对华北暴雨的影响1.1大尺度行星环流形势暴雨天气通常是在一定的行星尺度天气环流背景下发生的。天气预报业务中，高层大气通常关注的是南亚高压的位置及其强度、高空急流的位置及其强度以及环流的经向度等。高层大气辐散可以对低层大气形成强烈的抽吸作用，导致低层大气的上升运动，而高层环流经向度加大也易于暴雨天气的发生，陆维松等7给出了高层大气经向环流比纬向环流更容易产生不稳定的判据。干侵入过程是导致暴雨发生的一个重要过程。平流层
4、低层和对流层高层的干空气下沉至低层的过程称为干侵入过程，干侵入实际上是高位涡的侵入和下传的过程，体现了明显的冷平流效应8。在干侵入的作用下，大气形成“上干冷、下暖湿”的不稳定层结，更有利于不稳定能量的积累，导致对流性降水的产生。中低层大气中，华北暴雨通常发生在“东高西低”的环流形势下。下游的高压系统形成阻塞形势，使上游的低压系统维持或缓慢移动，对某一地区造成持续性的降水天气。夏季，副热带高压的位置及强度是华北暴雨预报的关键，副高常常阻挡其上游西风带低压系统的东移，副高西北边缘的西南气流为降水区带来强烈的水汽输送，向北输送的暖湿空气与北方的冷空气汇合使大气上升，为暴雨提供了有利的水汽条件和动力条
5、件9，同时副高的西北边缘常聚积有较多不稳定能量，极易导致短时强降水的发生。河套地区典型的暴雨模式就是副高西北边缘、低层“人”字型暖式切变线、地面中尺度辐合线以及河套气旋前部等压线密集带等系统的叠置10。2012年内蒙古“720”极端降水事件是由于冷空气侵入副高西侧的暖空气中，在低层激发出低涡系统，地面不断生成中尺度辐合线而触发的11。冷涡系统的维持常导致华北对流性降水的发生。马素艳等12对一次西折型东北冷涡影响下的暴雨天气过程进行了分析研究。南北支低值系统的结合也是天气预报的重要着眼点，就内蒙古地区的大到暴雨天气而言，“北槽南涡”型环流发生的次数占到首位13。1.2中低纬度系统的相互作用低纬和
6、中高纬系统相互作用常常使华北地区的降水产生增幅作用，导致华北暴雨的发生。台风登陆北上，其强度逐渐减弱，到达中纬度后与西风带的低压槽、冷涡、低空切变线等低值系统相遇，使台风的斜压性增强，最终变性成为温带气旋，使降水产生增幅，对降水地区造成严重灾害。在台风东侧东南低空急流的作用下，暖湿气流携带大量水汽与西风带低压系统携带的干冷空气相遇，导致对流层低层台风系统内产生强烈的湿斜压锋生14，最终使台风变性。强的锋生作用提供强迫抬升条件，使湿对称不稳定得以释放，形成强上升作用，产生大量降水15,16，这是降水产生增幅的主要原因之一。台风在北上的过程中，中低层大气的温度平流梯度不断增大，逐渐呈现出西部冷、东
7、部暖的不对称结构，表明台风的斜压不稳定逐渐增大17。夏季，湿斜压涡度的发展变得十分激烈，对流层中高层正的湿位涡区和对流层低层负的湿位涡区使大气形成高湿和不稳定的层结状态，对流层中高层的冷空气不断倾斜向下补充，冷空气从低层侵入台风结构中18,19,20。陶诗言等21指出，最有利于发生台风暴雨的区域是台风东侧或东北侧，这里是低空（偏东或偏南）急流造成的强上升区。1.3中尺度对流系统大尺度大气环流并不能直接产生暴雨，它只能给暴雨的发生提供有利的环流背景，暴雨终究是中尺度系统直接影响的。中尺度对流系统（MCS）常常是导致暴雨发生的直接影响系统，中尺度对流系统通常呈线状，当其达到一定标准（大小和范围、持
8、续期、形状等），会形成范围很广、持续很久、近于圆形的中尺度对流复合体（MCC)22。中尺度对流系统的结构特征和其在暴雨发生发展过程中的演变对暴雨的落区预报具有很好的指示意义。中尺度对流系统发展成熟后，首先在对流层中层形成中尺度低涡，然后逐渐向低层发展23。从云的微物理理论可以得出，降水效率随着暖云层的增厚不断提高，且强降水区常出现在TBB等值线的密集区内24。若低空存在东南或偏南急流，则可以向中尺度对流系统输送大量水汽，低空急流若在地形等条件的强迫作用下抬升，就会不断有新的对流单体在中尺度对流系统的西南侧生成，最终形成“列车效应”，导致极端降水的产生25。1.4高低空急流的耦合作用高低空急流对
9、暴雨的发生和维持具有重要的作用，暴雨区通常位于高空急流入口区的右后侧、低空急流出口区的左前侧。高空急流对于暴雨发生发展以及维持的作用通常是在暴雨区的上空形成强的辐散区，与低空急流左前侧形成的辐合区相对应，对低层大气产生强烈的抽吸作用，这种抽吸作用加强了低层暖湿大气的上升运动，为强降水的发生提供了有利的条件。低空急流还可以为暴雨区输送大量水汽，同时建立和维持中低层大气的对流不稳定，并使对流不稳定区向暴雨的前方传播26,27。低空急流产生的低空脉动及其向地面扩展的程度与短时强降水具有密切的关系28。在锋面降水中，高低空急流耦合所产生的次级环流的上升支与锋区暖的一侧上升气流汇合，在暖锋附近形成强烈的
10、上升运动。锋面和高低空急流耦合作用又使得次级环流的强度加强，形成正反馈作用，有利于中尺度天气系统的形成和维持29。1.5地形作用地形与暴雨的发生和强度关系密切。其作用归纳起来主要有三个方面：(1)过山气流在山地的迎风坡产生动力抬升作用和辐合作用，一些特殊地形（如喇叭口状地形）对气流存在明显的辐合作用；(2)地形在一定的条件下，对中小尺度系统产生影响，生成中小尺度的涡旋或切变线，有时可产生静止的中尺度辐合区，造成严重的天气；(3)地形还能够通过播撒作用影响中小尺度系统内的造雨过程30。夏季，我国盛行东南季风，暖湿空气受地形的抬升作用导致对流发展，华北地区的山脉如太行山、燕山、阴山等山脉的东南迎风
11、坡通常是暴雨发生较多的地区。黄晓璐等31利用内蒙古地区近30a的逐日观测资料分析得出，内蒙古地区强对流天气的空间分布形态主要是沿阴山山脉的准东西走向和沿大兴安岭的准南北走向。然而当山顶以上高度存在稳定层，并且西风随高度增加时，在山地的背风坡会有背风波的产生，可以在山地的背风坡产生暴雨天气。2、中尺度数值模式WRF对华北暴雨的模拟研究目前，数值预报技术已经成为现代天气预报的核心技术，数值模式融合多源观测数据作为其初始场和边界条件，结合对灾害性天气发生、发展的机理认识进行高时空分辨率的精细化天气分析及预报5，已得到广泛的应用。WRF模式是由美国气象界科学家联合开发的中尺度预报模式和同化系统，是一种
12、完全可压的非静力模式，能够更好地对中尺度大气进行模拟和预报32。WRF模式的应用使强降水的预报准确率逐步提高，其预报的时间和空间分辨率是常规天气预报所不能达到的，同时也为暴雨发生机理的研究提供了重要的工具和手段。2.1模式参数化方案设计由于模式考虑的是不同尺度天气的特征，且具有较高的时空分辨率。目前，模式基本实现了一些基本物理过程参数化方案的调用，如云微物理过程、长波辐射、短波辐射、陆面过程、积云对流过程、行星边界层等。如微物理过程参数化有Kessler暖云方案、PerdueLin方案、EtaFerrier方案、WRFSingleMoment3class(WSM3）方案、WSM5方案、WSM6
13、方案以及Thompson方案等；辐射过程参数化有RRTM长波辐射方案、EtaGeophysicalFluidDynamics(GFDL）长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案、Goddard短波辐射方案等、GFDL短波辐射方案等；陆面过程参数化有热量扩散方案、Noah方案以及RapidUpdateCycle(RUC）方案等；积云对流参数化有浅对流EtaKain-Fritsch方案、BettsMiller-Janjic方案、Kain-Frisch方案以及Grell-Devenyi方案等；行星边界层参数化有MM5相似理论近地面层方案、ETA相似理论近地面层方案、EtaMellor-Yamada-J
14、anjicTKE边界层方案、MediumRangeForcastModel(MRF）边界层方案、以及YonseiUniversity(YSU）边界层方案等。采用不同的物理过程参数化方案对天气过程的模拟效果存在较大差别，楼小凤等33对多种云降水物理方案的处理算法、微物理过程及主要特点作了详尽的介绍。微物理参数化方案可以分为单参数化方案和双参数化方案。康延臻等34通过对2016年华北“7.20”特大暴雨过程的数值模拟，进行了单双参云微物理过程的对比研究，得出随着模拟时间的延长，双参方案的整体效果更佳的结论。2.2诊断分析通过向数值模式提供初始场和边界条件，并采取一定的物理过程参数化，由数值模式对降
15、水天气进行“再现”，利用模式输出的高分辨率结果对天气过程进行细致、准确的诊断分析，从而进行更加具有现实意义的降水机制研究和天气预报服务。宁贵财等35对北京2012年“721”暴雨过程进行了数值模拟研究，采用了三重嵌套技术，空间分辨率为3km、9km和27km，分析得出该暴雨过程是由中-尺度涡旋造成的，并且降水落区与相对螺旋度分布有很好的对应关系。王淑莉等36也对北京“721”暴雨进行了数值模拟，但从不同角度进行了分析研究，采用集合卡尔曼同化技术对不同模拟成员进行了对比，指出在暖区降水时段内，对低空急流和切变线的模拟效果是预报成功与否的关键。杨小银等37对甘肃一次暴雨过程进行了模拟，指出垂直螺旋
16、度分布与暴雨落区具有很好的对应关系；李佳耘等38对陕西一次暴雨过程进行模拟指出垂直螺旋度的高低耦合能够触发并维持暴雨天气。骆凯等39模拟了一次华北暴雨过程，得出副高西北边缘与槽前西南气流对水汽的输送是华北暴雨的重要水汽来源。王文等40对陕北一次暴雨天气过程进行数值模拟指出，高空重力波能量下传并被低层大气吸收，导致低层大气对流发展可以促进暴雨的发生。Zhaoetal41对一次盛夏时期极端降水事件的模拟得出，由于动力的不平衡引起重力波发展导致了低空急流激增是中尺度对流系统生成和发展的动力条件。3、结束语通过上述总结和述评，可以得出以下结论：(1)“东高西低”的环流形势是华北暴雨典型的大尺度天气背景，下游的高压系统形成阻塞形势，使上游的低压系统维持或缓慢移动，对某一地区造成持续性的降水，导致暴
