周曉宇 周泓 段瑋 孫績?nèi)A 楊軻然

1 玉溪市氣象局，云南玉溪 653100

2 云南省氣象科學(xué)研究所，昆明 650034

3 云南省氣象臺，昆明 650034

4 中國氣象局橫斷山區(qū)（低緯高原）災(zāi)害性天氣研究中心，昆明 650034

1 引言

哀牢山位于云南省中部（圖1），其地勢西北高、東南低，北起大理巍山，南抵紅河河口，全長約500 km，是云貴高原氣候的天然屏障（段瑋等,2017）。在夏季，云南中部通常受西太平洋副高和青藏、滇緬高壓（簡稱兩高輻合，下同）、切變線、西行臺風(fēng)、孟加拉灣風(fēng)暴等天氣系統(tǒng)和復(fù)雜地形影響，暴雨、大暴雨的時(shí)空分布極不均勻。復(fù)雜地形影響下的暴雨研究與預(yù)報(bào)仍然是當(dāng)前大氣科學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。在區(qū)域氣候變化與西南地區(qū)快速發(fā)展的背景下，局地暴雨洪澇導(dǎo)致的山洪地質(zhì)災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重，防災(zāi)減災(zāi)形勢日益受到了政府各部門的重視。

圖1 （a）WRF模式的三重嵌套區(qū)域和地形高度分布（填色）、（b）d03區(qū)域地形高度分布（填色；藍(lán)色虛線為哀牢山區(qū)域，紅色虛線AB與AC分別為圖10與圖11、12中垂直剖面位置）Fig. 1 (a) Triple nested region and terrain height distribution in WRF model (colored) and (b) height distribution of terrain in d03 region (colored;blue dotted line is the area of Ailao Mountain and the red dotted line AB and AC are the vertical section positions in Fig. 10, Fig. 11 and Fig. 12,respectively)

地形通過動(dòng)力與熱力作用，改變局地大氣環(huán)流的運(yùn)動(dòng)與發(fā)展，觸發(fā)地形降水。在動(dòng)力方面，山脈的迎風(fēng)坡氣流受到阻擋并堆積，被迫達(dá)到抬升凝結(jié)高度后造成降水，而在山脈的背風(fēng)坡產(chǎn)生下沉氣流而形成焚風(fēng)效應(yīng)。在熱力方面，長波輻射加熱大氣觸發(fā)條件性不穩(wěn)定，有助于坡面風(fēng)和山谷風(fēng)的發(fā)展，白天在熱力驅(qū)動(dòng)作用下沿著山頂形成氣流輻合，導(dǎo)致強(qiáng)對流的觸發(fā)。地形降水具有鮮明的地域特征，西南地區(qū)包含青藏高原、山地等復(fù)雜地貌容易形成獨(dú)特的區(qū)域性暴雨（羅亞麗等, 2020）；云南省受復(fù)雜地形影響，不同區(qū)域降水特征差異顯著，降水峰值多位于大地形的下游地區(qū)（李耀孫等, 2021），在夏季兩高輻合系統(tǒng)影響下，哀牢山迎風(fēng)坡地形對降水的增幅作用并非隨高度的升高而增加（馬文倩等, 2021）。相同天氣形勢中，不同地形類型對暴雨的影響差異很大（陳明等, 1995）；復(fù)雜地形下區(qū)域性暴雨的觸發(fā)與發(fā)展的研究仍有待進(jìn)一步加深。哀牢山地區(qū)地形復(fù)雜，自動(dòng)氣象站密度較低，數(shù)值模式是在缺乏資料地區(qū)地形對強(qiáng)降水常用的研究方法（Barthlott and Kirshbaum, 2013）。

隨著高分辨率數(shù)值模式的不斷發(fā)展，其對復(fù)雜地形降水的預(yù)報(bào)能力亦得到了提升。在中國沿海地區(qū)通過地形敏感性試驗(yàn)，模擬了臺風(fēng)登陸期間地形對降水與結(jié)構(gòu)特征變化的影響（冀春曉等, 2007; 陳俊等, 2017）。華南地區(qū)高大地形改變周圍環(huán)境變量場，間接影響颮線中對流單體的分布與強(qiáng)度（沈新勇等, 2022）；在弱天氣尺度背景中，復(fù)雜地形下觸發(fā)的對流中尺度系統(tǒng)、后向傳播及組織化對局地暴雨有影響（王寧和平凡, 2019）。而動(dòng)力條件與水汽輸送較好的天氣系統(tǒng)中，吉林西低東高地形的阻擋與抬升是極端降水的重要原因（遲靜等,2021）。賀蘭山地形阻擋低空急流，使迎風(fēng)坡氣流產(chǎn)生輻合切變，暖濕空氣抬升至自由對流高度以上，對暴雨的觸發(fā)和維持提供有利條件（楊侃等,2020）。在模擬伊犁河谷地區(qū)暴雨時(shí)，發(fā)現(xiàn)天山地形降低后暴雨中尺度系統(tǒng)明顯減弱，對暴雨過程中云中水凝物粒子濃度的分布與演變亦有影響（曾勇, 2021）。研究發(fā)現(xiàn)復(fù)雜地形是分析西南暴雨重要成因之一，低層氣流與復(fù)雜地形的相互作用對盆地渦與貴州渦活動(dòng)及暴雨天氣的形成有重要影響（程曉龍等, 2021）。將云南省地形減半后的敏感性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)輻合線附近強(qiáng)降水強(qiáng)度增強(qiáng)而維持的時(shí)間縮短（朱莉等, 2013）。上述研究在地形對降水的影響機(jī)制上取得了不少進(jìn)展，但還有很多過程和機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。

過去研究討論了大地形對云南省強(qiáng)降水落區(qū)的影響，但對哀牢山復(fù)雜地形下局地暴雨的中尺度特征與形成機(jī)理還缺乏系統(tǒng)性深入研究；復(fù)雜地形觸發(fā)暴雨的形成機(jī)理認(rèn)識存在不足。本文從天氣系統(tǒng)特征分析入手，充分利用區(qū)域自動(dòng)站和再分析資料，采用WRF模式對暴雨過程開展敏感性模擬試驗(yàn)；分析哀牢山的局地暴雨過程中尺度特征與形成機(jī)理。探討哀牢山地形對局地暴雨產(chǎn)生的影響，試圖揭示地形變化產(chǎn)生的可能云物理和動(dòng)力學(xué)機(jī)制，本研究可為提高復(fù)雜地形條件下局地暴雨的預(yù)報(bào)能力提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料與模式試驗(yàn)設(shè)置

2.1 資料

本文采用的資料如下：1）降水資料包含云南省2336個(gè)國家站和區(qū)域自動(dòng)站2020年6月13日20:00（北京時(shí)間，下同）至14日20:00累計(jì)降水資料；2）Micaps中云南省蒙自站2020年6月13日20:00與14日08:00的探空資料；3）再分析資料為NCEP FNL逐6小時(shí)的數(shù)據(jù)，水平分辨率為0.25°（緯度）×0.25°（經(jīng)度）；4）采用與模擬時(shí)間一致的2020年MODIS（15 s）下墊面數(shù)據(jù)（周曉宇等, 2022）。

2.2 模擬區(qū)域與敏感性試驗(yàn)設(shè)置

利用中尺度數(shù)值模式WRFV4.2，模式使用了三重嵌套，模擬中心點(diǎn)在（24.56°N，102.54°E），區(qū)域1水平分辨率為18 km，水平方向格點(diǎn)數(shù)為210×220；區(qū)域2水平分辨率為6 km，水平方向格點(diǎn)數(shù)為500×530；區(qū)域3水平分辨率為2 km，水平方向格點(diǎn)數(shù)為492×504，垂直方向設(shè)置為53層，模式頂層氣壓設(shè)置為50 hPa，近地層2 km以內(nèi)共設(shè)置21層。模擬時(shí)間為2020年6月12日20:00至14日20:00，前12小時(shí)為模式spin-up時(shí)間，之后36 h用于模擬結(jié)果分析，總積分時(shí)長48 h，積分步長18 s，逐1 h輸出模擬結(jié)果。模式中采用的物理參數(shù)化方案有WSM6微物理方案、RRTM長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、YSU邊界層方案，區(qū)域1中保留了次網(wǎng)格尺度的淺對流Kain-Fritsch（new Eta）積云對流參數(shù)化方案，區(qū)域2和區(qū)域3中關(guān)閉積云對流參數(shù)化方案；以上參數(shù)化方案對復(fù)雜地形下的模擬更為有效，詳見相關(guān)文獻(xiàn)（高篤鳴等, 2016; 吳志鵬等, 2021; 周曉宇等, 2022; 馬思敏等, 2022）。

哀牢山地勢為西北區(qū)域（24.40°N～25.98°N，99.95°E～102.23°E）的平均海拔為1884 m，東南區(qū)域（22.26°N～24.40°N，100.66°E～104.24°E）的平均海拔為1133 m。地形高度敏感性試驗(yàn)方案如表1所示，保持模式原始哀牢山地形的模擬過程為對照試驗(yàn)（簡稱CTL試驗(yàn)，下同）。為了更好地研究復(fù)雜地形（見圖2）對局地暴雨產(chǎn)生的影響，針對哀牢山西北高、東南低的地形差異，故在試驗(yàn)TEST1中，將哀牢山東南（西北）區(qū)域高于平均海拔的地形升高1.25倍。在TEST2試驗(yàn)中，將哀牢山東南（西北）區(qū)域降低為平均海拔高度。以上TEST1與TEST2試驗(yàn)除改變地形高度外，保持其余參數(shù)一致。

圖2 試驗(yàn)（a）CTL、（b）TEST1、（c）TEST2哀牢山區(qū)域敏感性試驗(yàn)的地形高度分布（填色）。紅色虛線框分別為西北、東南區(qū)域Fig. 2 Terrain height distributions of (a) CTL, (b) TEST1, and (c) TEST2 sensitivity tests in Ailao Mountain area (shadings). The red dotted line boxes are the northwest and southeast regions, respectively

表1 地形敏感性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 1 Terrain sensitivity test scheme design

3 天氣背景與模式驗(yàn)證

3.1 天氣形勢分析與降水實(shí)況

從（圖3左列）東亞中高緯地區(qū)500 hPa位勢高度場呈現(xiàn)“兩槽一脊”形勢，位于東北地區(qū)的中緯度低槽呈東北—西南向，云南省西部受滇緬高壓控制，東部受西太平洋副熱帶高壓影響，脊線維持在25°N附近，云南中部以及東部地區(qū)位于兩高之間的輻合區(qū)，在中南半島東部洋面上有熱帶低壓生成。13日20:00（圖3a）在滇西南與滇東北水汽通量較好，此次主要的水汽輸送通道有兩部分：其一孟加拉灣的水汽通過滇緬高壓脊后西北氣流提供輸送，其二來自南海熱帶低壓順著副高外圍東南氣流輸送水汽。隨后14日08:00（圖3c），副高逐步西伸、加強(qiáng)，熱帶低壓系統(tǒng)逐步西北移動(dòng)，大量的水汽向滇東南及滇東地區(qū)推進(jìn)并達(dá)到最大值。14日20:00（圖3e），兩高輻合的西部滇緬高壓減弱，東部副高逐步西伸加強(qiáng)，熱帶低壓西北移動(dòng)過程中減弱消散，水汽通量逐漸減小，滇中及東部地區(qū)轉(zhuǎn)為副高外圍東南氣流控制。

從700 hPa環(huán)流形勢場可見，13日20:00（圖3b）受西北—東南向切變線的影響，水汽輻合區(qū)分別在滇西北、滇中及滇東南一帶。隨著700 hPa位勢高度場為北高南低形勢，在14日08:00（圖3d）切變線南壓至滇中地區(qū)，水汽輸送進(jìn)一步加強(qiáng)，滇東地區(qū)水汽通量散度負(fù)值區(qū)域范圍擴(kuò)大并南壓，水汽輻合區(qū)達(dá)到最大值3.0×10-6g cm-2hPa-1s-1，同時(shí)在哀牢山區(qū)域水汽輻合區(qū)明顯增強(qiáng)。14日20:00（圖3f）副高西伸控制滇東，云南省地區(qū)水汽輻合區(qū)逐漸西移減弱、消散，但哀牢山區(qū)域呈現(xiàn)弱氣旋性曲率，水汽通量散度負(fù)值區(qū)有所增強(qiáng)。

受500 hPa兩高輻合與700 hPa切變線南壓共同影響，2020年6月13日20:00至14日20:00，云南省出現(xiàn)一次大暴雨天氣過程，此次強(qiáng)降水主要集中在哀牢山東側(cè)、云南中東部地區(qū)及云南北部地區(qū)（圖4a所示）。其中呈西北—東南走向的哀牢山復(fù)雜地形附近區(qū)域，強(qiáng)降水基本沿著地形分布；32個(gè)站點(diǎn)的累積降水量超過50 mm，5個(gè)站點(diǎn)的累積降水量超過100 mm，降水具有很強(qiáng)的局地性、空間分布不均勻。本文第四節(jié)，將著重分析哀牢山復(fù)雜地形下出現(xiàn)的強(qiáng)降水天氣。

3.2 對照試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

從2020年6月13日20:00至14日20:00的云南省國家與區(qū)域站降水實(shí)況（圖4a）和WRF模擬CTL試驗(yàn)（圖4b）的24 h累積降水量分布可知：與實(shí)況相比，CTL試驗(yàn)較好地模擬出降水時(shí)段、位置和暴雨落區(qū)；強(qiáng)降水區(qū)域主要有3個(gè)，第一位于麗江和楚雄中北部、第二位于玉溪和曲靖、第三位于哀牢山東側(cè)的紅河一帶。圖4c可知，除實(shí)況觀測的大暴雨站點(diǎn)較WRF模擬略偏強(qiáng)，其余小、中、大雨與暴雨降水站點(diǎn)數(shù)與量級基本一致?？傮w分析，模擬的降水量級與暴雨落區(qū)都較好。

為進(jìn)一步驗(yàn)證對照試驗(yàn)對大氣層結(jié)模擬的可靠性，將13日20:00蒙自站（56985站；23.46°N，103.29°E）探空層結(jié)（圖5a）與WRF模擬CTL試驗(yàn)（圖5b）大氣層結(jié)進(jìn)行對比。可知，模式模擬的結(jié)果準(zhǔn)確地反應(yīng)了蒙自站低層850～700 hPa為干層，700～500 hPa為水汽條件較好的濕層，500 hPa對流層以上整體為干層，整層為干—濕—干的結(jié)構(gòu)，有利于對流不穩(wěn)定的發(fā)生、發(fā)展。從整層的風(fēng)向上看，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確的反應(yīng)850～500 hPa的中低層風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有暖平流；500 hPa以上中高層風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，有助于冷平流入侵。當(dāng)高空干冷與低空暖濕匯合所觸發(fā)降水后，對流凝結(jié)潛熱釋放能量有助于上升運(yùn)動(dòng)，此時(shí)水汽源源不斷地補(bǔ)充并形成水汽輻合區(qū)，使對流潛熱持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致強(qiáng)降水的發(fā)生。

由上述對比分析可見，WRF模擬CTL試驗(yàn)對云南省降水的時(shí)空分布、蒙自站點(diǎn)層結(jié)狀態(tài)與風(fēng)場，跟實(shí)況基本吻合，可利用WRF高分辨率模式對哀牢山區(qū)域的降水過程進(jìn)行深入分析。

4 地形敏感性試驗(yàn)分析

4.1 地形對降水分布的影響

圖6為WRF模式哀牢山不同地形高度敏感性試驗(yàn)的24 h降水分布，大致呈現(xiàn)兩條弓形帶狀的降水區(qū)域。圖6a為CTL試驗(yàn)，在哀牢山東北側(cè)的順風(fēng)坡，呈現(xiàn)出地形走勢相似的降水雨帶，其中量級大于50 mm的暴雨主要集中在哀牢山東南區(qū)域。圖6b中，將哀牢山西北（東南）區(qū)域高于平均海拔的地形升高1.25倍，哀牢山的暴雨落區(qū)和量級都有明顯的改變，哀牢山區(qū)域內(nèi)量級大于100 mm的暴雨的有所增大，同時(shí)雨帶位置向西南移動(dòng)，地形高度的增加對降水量起到明顯增幅作用。圖6c中，將哀牢山西北（東南）區(qū)域降低為平均海拔高度，隨著地形高度的降低，哀牢山區(qū)域降水明顯減弱，降水量級主要以中到大雨，暴雨落區(qū)集中在紅河以東及東南部。

圖6 2020年6月13日20:00至14日20:00 WRF模擬的（a）CTL、（b）TEST1、（c）TEST2試驗(yàn)24 h累積降水量分布圖（填色）并疊加地形高度（灰色陰影）Fig. 6 24-h cumulative precipitation distributions of (a) CTL, (b) TEST1, (c) TEST2 tests simulated by WRF from 2000 LST 13 Jun to 2000 LST 14 Jun 2020 (colored) and superimposed with terrain height (gray shadings)

此次過程受兩高輻合與切變南壓的系統(tǒng)影響，從雷達(dá)組合反射率演變（圖7）可知，影響哀牢山區(qū)域的主要時(shí)段為6月14日03:00至09:00，3組試驗(yàn)對流多單體的分布主要為西北和東南兩塊區(qū)域，其一在西北側(cè)有對流多單體線狀回波，其二在東南側(cè)主要以局地對流多單體的生成。14日03:00，CTL試驗(yàn)（圖7a1）在哀牢山東北側(cè)有對流單體的生成，逐步發(fā)展成線狀回波，組合反射率因子最大值達(dá)到40～45 dBZ；對比TEST1試驗(yàn)（圖7b1），地形升高導(dǎo)致哀牢山迎風(fēng)坡一側(cè)對流多單體面積更大且回波強(qiáng)度更強(qiáng)，同時(shí)在哀牢山西南側(cè)也有局地分散性對流單體的生成；TEST2試驗(yàn)（圖7c1）中，在哀牢山附近的回波小于5 dBZ，對流線狀回波的位置位于楚雄南部和玉溪中部一帶。14日05:00至07:00，CTL試驗(yàn)（圖7a2-a3），山體附近的對流單體逐步合并加強(qiáng)，并自東北至西南移動(dòng)；對比TEST1試驗(yàn)（圖7b2-b3），對流線狀回波的范圍更長且回波強(qiáng)度達(dá)到45～50 dBZ，移動(dòng)發(fā)展比CTL試驗(yàn)提前兩小時(shí)左右，整體的層狀云回波范圍廣；TEST2試驗(yàn)（圖7c2-c3）對流多單體主要以團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)向東南移動(dòng)與發(fā)展。14日09:00，CTL試驗(yàn)（圖7a4）對流多單體位于紅河州；TEST2試驗(yàn)（圖7c4）中回波移動(dòng)較慢，對流多單體在玉溪與紅河交界處；而TEST1試驗(yàn)（圖7b4）移速較快，對流多單體分散且位置向南移動(dòng)，哀牢山區(qū)域主要為層狀云回波。

圖7 （a1-a4）CTL、（b1-b4）TEST1、（c1-c4）TEST2敏感性試驗(yàn)?zāi)M的2020年6月14日03:00（第一列）、05:00（第二列）、07:00（第三列）、09:00（第四列）雷達(dá)組合反射率因子（填色）Fig. 7 Combined radar reflectivity factors (color shaded) of simulations from (a1-a4) CTL, (b1-b4) TEST1, (c1-c4) TEST2 sensitivity tests at 0300 LST (the first column), 0500 LST (the second column), 0700 LST (the third column), and 0900 LST (the fourth column) on 14 Jun 2020

4.2 地形對動(dòng)力場和水汽場的影響

根據(jù)上節(jié)雷達(dá)回波強(qiáng)度發(fā)生、發(fā)展時(shí)段，本小節(jié)（圖8）主要分析3組試驗(yàn)6月14日05:00和07:00的700 hPa風(fēng)場與相對濕度。CTL試驗(yàn)05:00（圖8a）中，哀牢山區(qū)域（紅色虛線方框內(nèi)）東北側(cè)有低渦切變線，位置位于玉溪中部與紅河西北交界處，切變線西南側(cè)有源源不斷水汽越過哀牢山輸送至紅河與玉溪中南部，整體相對濕度達(dá)到90%以上；隨后07:00（圖8d），低渦切變線的位置略微南移，水汽輸送向東擴(kuò)展至文山，相對濕度條件更好。對比TEST1試驗(yàn)05:00（圖8b），地形增高后，當(dāng)西偏北氣流遇到哀牢山阻擋時(shí)，風(fēng)速減小，低渦切變線的位置偏南，在紅河中部，對應(yīng)南北的相對濕度梯度加大；07:00（圖8e）低渦切變線的位置移動(dòng)至紅河南部，風(fēng)速明顯減小，同時(shí)低壓外圍氣流攜帶的水汽，沿著外圍向文山南部往上繞流至紅河北部與玉溪東部，哀牢山區(qū)域的相對濕度偏小。

圖8 （a、d）CTL、（b、e）TEST1、（c、f）TEST2試驗(yàn)?zāi)M的2020年6月14日05:00（第一行）、07:00（第二行）700 hPa風(fēng)場（箭頭）和相對濕度（填色）（紅色虛線框?yàn)閳D9哀牢山區(qū)域，紅色曲線為切變線，紅色字母“D”代表低壓中心；灰色區(qū)域?yàn)榈匦我韵碌娜眰?cè)值）Fig. 8 700-hPa wind field (vectors) and relative humidity (color shaded) simulated by (a, d) CTL, (b, e) TEST1, (c, f) TEST2 tests from 0500 LST(the first row) and 0700 LST (the second row) 14 Jun 2020 (the red dotted box shows the area of Ailao Mountain in Fig. 9, the red curve shows the shear line, the red letter "D" represents the low pressure center, and the gray area shows the missing side value below the terrain)

TEST2試驗(yàn)05:00（圖8c），地形降低導(dǎo)致哀牢山西南側(cè)暖濕氣流暢通無阻的向東輸送，對比以上兩組試驗(yàn)，哀牢山區(qū)域風(fēng)速明顯較大，同時(shí)低渦切變線的位置偏北，在玉溪東部和紅河北部一帶；07:00（圖8f），隨著中尺度系統(tǒng)的演變，切變線逐步向西南移動(dòng)，玉溪與紅河的整體相對濕度較大且均勻分布。

圖9是2020年6月14日05:00和07:00 3組試驗(yàn)?zāi)M的700 hPa垂直速度場的分布圖。CTL試驗(yàn)中05:00（圖9a）中有明顯的上升運(yùn)動(dòng)，玉溪西部哀牢山區(qū)域最大垂直速度達(dá)到1.6 m s-1；07:00（圖9c）隨著低渦切變線南移，紅河大范圍出現(xiàn)較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)，受地形強(qiáng)迫抬升作用，哀牢山區(qū)域內(nèi)垂直運(yùn)動(dòng)速度平均達(dá)到1.0 m s-1。TEST1試驗(yàn)05:00（圖9b），垂直速度的分布與西南側(cè)哀牢山地形走勢基本一致，說明地形增高有利于抬升運(yùn)動(dòng)提前觸發(fā)；隨后07:00（圖9e）垂直速度整體南移至紅河南部邊緣地區(qū)。TEST2試驗(yàn)05:00（圖9c）與07:00（圖9f），并未在哀牢山附近觸發(fā)明顯的垂直上升運(yùn)動(dòng)，地形降低對700 hPa風(fēng)場阻擋作用減弱，導(dǎo)致越過哀牢山的風(fēng)速較大有利于氣旋性曲率增強(qiáng)，在玉溪中部和紅河中部出現(xiàn)最大垂直速度達(dá)到2.0 m s-1。

圖9 （a、d）CTL、（b、e）TEST1、（c、f）TEST2試驗(yàn)?zāi)M的2020年6月14日05:00（第一行）、07:00（第二行）700 hPa垂直速度w（填色）（灰色區(qū)域?yàn)榈匦我韵碌娜眰?cè)值）Fig. 9 700-hPa vertical velocity w (colored) of (a, d) CTL, (b, e) TEST1, and (c, f) TEST2 test simulation at 0500 LST (the first row) and 0700 LST (the second row) 14 June 2020 (gray area is the missing side value below the terrain)

4.3 地形對不穩(wěn)定能量的影響

為研究哀牢山地形對局地強(qiáng)對流不穩(wěn)定條件及其能量時(shí)空變化分布的影響，圖10是3組試驗(yàn)不同時(shí)刻沿著哀牢山垂直方向上的假相當(dāng)位溫、風(fēng)場及組合反射率因子的剖面圖。CTL試驗(yàn)05:00（圖10a）中，哀牢山上空出現(xiàn)假相當(dāng)位溫（θse）線隨高度遞減的狹窄區(qū)域，6.5 km左右θse出現(xiàn)閉合圈并向外遞減，中低層θse梯度較大，說明哀牢山附近的水汽與不穩(wěn)定能量條件充足，有利于強(qiáng)對流發(fā)生。CTL試驗(yàn)07:00（圖10b），在哀牢山區(qū)域附近中低層θse密集程度與梯度大值區(qū)向下伸展，組合反射率因子強(qiáng)中心范圍更高，達(dá)到最強(qiáng)50 dBZ左右，對流性不穩(wěn)定能量得到釋放；兩個(gè)時(shí)刻在哀牢山區(qū)域存在較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，05:00與07:00上升運(yùn)動(dòng)的高度分別為7 km和11 km左右。

圖10 （a、b）CTL、（c、d）TEST1、（e、f）TEST2試驗(yàn)?zāi)M的2020年6月14日05:00（第一列）、07:00（第二列）假相位溫線θse（等值線，間隔2 K）、組合反射率因子（填色）和風(fēng)場（箭頭，其中垂直風(fēng)速擴(kuò)大10倍）沿著圖1b中紅色虛線AB的垂直剖面（黑色陰影為地形高度，紅色實(shí)線代表哀牢山）Fig. 10 Simulated false phase temperature line (isoline, interval is 2 K), combined reflectivity factor (color shaded), and wind field (arrows, vertical wind speeds enlarged 10 times) along the vertical section of red dotted line AB in Fig. 1b from (a, b) CTL, (c, d) TEST1, (e, f) TEST2 tests from 0500 LST (the first panel) and 0700 LST (the second panel) 14 Jun 2020 (black shadow represents the terrain height and red solid line represents Ailao Mountain)

TEST1試驗(yàn)05:00（圖10c）中，對比CTL試驗(yàn)，地形升高后的組合反射率因子強(qiáng)中心范圍更加寬廣且強(qiáng)質(zhì)心高度較低。其一可能是地形阻擋的作用，使低層風(fēng)速有較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)而觸發(fā)強(qiáng)對流，并在2～6 km有次級環(huán)流的形成；其二可能是中低層θse更密集且梯度較大，不穩(wěn)定性能量釋放的高度偏低。07:00（圖10d）強(qiáng)對流系統(tǒng)向西南移動(dòng)，哀牢山區(qū)域?yàn)橄鲁翚饬骺刂?，反射率因子回波?5 dBZ，θse梯度減弱，不穩(wěn)定能量減弱并消散。

TEST2試驗(yàn)中，05:00（圖10e）在哀牢山區(qū)域的組合反射率因子≤30 dBZ，θse平直且疏散，水汽與不穩(wěn)定能量條件較差；隨著時(shí)間的推移，07:00（圖10f）對流強(qiáng)度逐步減弱，說明地形降低導(dǎo)致局地抬升運(yùn)動(dòng)與不穩(wěn)定能量均減小，甚至未能觸發(fā)中小尺度強(qiáng)對流天氣。

4.4 地形對云微物理結(jié)構(gòu)的影響

地形降水對云微物理過程非常敏感，在WSM6微物理方案下，圖11與圖12為3組不同地形高度在05:00、07:00 4種水凝物含量的變化。圖11和圖12a、12b、12c中，3組試驗(yàn)的云水與冰晶混合比的05:00與07:00主要分布在2～7 km和-10°C以上，地形的降低與增高變化中云水混合比對比CTL試驗(yàn)偏小，說明地形的變化（較強(qiáng)或較弱的上升運(yùn)動(dòng)）不利于云水的形成；值得注意的是，TEST1試驗(yàn)中雨水混合比（圖11e、12e）較大，是受地形升高伴隨著上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，在哀牢山區(qū)域上空形成次級環(huán)流，可能促進(jìn)了中低層云水和雨滴碰并造成雨水混合比增加而云水混合比減??；同時(shí)中高層的冰晶與雪混合比大于另兩組試驗(yàn)，原因是受上升運(yùn)動(dòng)的浮力作用，在空中停留的時(shí)間更長而擴(kuò)展范圍逐步增大。對比TEST2試驗(yàn)（圖11f、12f），地形的降低，使水平風(fēng)速的增加，4種水凝物的位置位于哀牢山東北一側(cè)，由于局地抬升運(yùn)動(dòng)與不穩(wěn)定能量較小，云水與雨水混合物偏小，冰晶混合物位置偏高且最大值為0.14 g kg-1，雪混合物主要位于5～9 km、最大值為0.19 g kg-1。

圖11 （a、d）CTL、（b、e）TEST1、（c、f）TEST2試驗(yàn)得到的2020年6月14日05:00云水混合比（填色）與冰晶混合比（藍(lán)色等值線，單位：10-1 g kg-1）（第一行）及雨水混合比（填色）與雪混合比（藍(lán)色等值線，單位：10-1 g kg-1）（第二行）和風(fēng)場（箭頭，其中垂直風(fēng)速擴(kuò)大10倍）、溫度（紅色虛線等值線，單位：°C）沿圖1b中紅色虛線AC的垂直剖面（黑色陰影為地形高度，紅色實(shí)線代表哀牢山）Fig. 11 Cloud water mixing ratio (colored) and ice crystal mixing ratio (blue contour line, units: 10-1 g kg-1) (the first row) and rain mixing ratio(colored), snow mixing ratio (blue contour line, units: 10-1 g kg-1) superimposed wind field (arrows, the vertical wind speed is expanded by 10 times),and the temperature field (red dotted contours, units: °C) (the second row) along the vertical profile of red dotted line AC in Fig. 1b (the black shadow is the terrain height, and the red solid line represents Ailao Mountain) at 0500 14 Jun 2020 from (a, d) CTL, (b, e) TEST1, (c, f) TEST2 tests

圖12 同圖11，但為2020年6月14日07:00Fig. 12 Same as Fig. 11, but at 0700 LST on 14 Jun 2020

5 結(jié)論與討論

本文利用WRF模式和NCEP再分析資料，對2020年6月13～14日受兩高輻合與切變線系統(tǒng)影響，哀牢山區(qū)域強(qiáng)降水過程開展了高分辨率數(shù)值模擬。設(shè)計(jì)3組敏感性試驗(yàn)，分析哀牢山地形對強(qiáng)降水時(shí)空分布的影響；發(fā)現(xiàn)地形改變后對風(fēng)場、相對濕度、垂直速度、假相當(dāng)位溫、雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)與演變和云微物理過程有明顯的變化。得到的主要結(jié)果如下：

（1）地形是該次暴雨中的700 hPa風(fēng)場、相對濕度和垂直速度產(chǎn)生有利于暴雨的主要原因。地形升高會阻擋西偏北氣流越過哀牢山，風(fēng)速偏小，形成的低渦切變線位置偏南，哀牢山區(qū)域相對濕度梯度明顯變大；降低地形導(dǎo)致風(fēng)速偏大，低渦切變線的位置偏北并遠(yuǎn)離哀牢山區(qū)域，相對濕度較大且均勻分布；同時(shí)，兩者的垂直速度的最大值區(qū)，與低渦切變線強(qiáng)中心的位置基本一致。

（2）從不穩(wěn)定能量的垂直剖面分布可知：地形升高，在中低層的假相當(dāng)位溫線更密集且梯度較大，提前觸發(fā)強(qiáng)對流天氣。地形降低后假相當(dāng)位溫線平直且疏散，哀牢山局地抬升運(yùn)動(dòng)與不穩(wěn)定能量較小，不足以觸發(fā)中小尺度強(qiáng)對流。

（3）哀牢山區(qū)域的降水量與地形高度的變化呈現(xiàn)正相關(guān)，同時(shí)對云微物理過程有明顯的影響。在WSM6微物理方案下，地形升高強(qiáng)迫的抬升作用，使冰晶與雪混合比在空中停留的時(shí)間更長而擴(kuò)展范圍逐步增大；同時(shí)在次級環(huán)流的作用下，中低層云水和雨滴碰并，造成雨水和云水混合比呈現(xiàn)反相關(guān)。

本文利用WRF高分辨率數(shù)值模式，僅針對一次強(qiáng)降水過程開展哀牢山區(qū)域地形的敏感性試驗(yàn)；同時(shí)未研究復(fù)雜地形下，不同的云微物理參數(shù)化方案對地形降水的發(fā)生、發(fā)展及相互作用的影響。未來的工作，需要選取不同的天氣背景和云微物理參數(shù)化方案，來揭示地形差異產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)和云物理原因，得到更清晰的機(jī)理認(rèn)識。為西南山地復(fù)雜地形影響下暴雨機(jī)理研究和預(yù)報(bào)提升，提供科學(xué)參考與預(yù)報(bào)思路。