用MM5对“98.6”连续暴雨过程的数值模拟分析

张　瑛，毛连海
（江西省环境预报中心，江西南昌　330046）

　　摘　要：用中尺度数值模式（MM5）对98.6连续暴雨过程进行数值模拟，并利用它们输出的高分辨率协调资料，从多角度对主要影响系统的演变规律及暴雨可能发生的物理机制进行详细分析。
　　关键词：中尺度模式　数值模拟　诊断分析
　　中图分类号：P458.1+21.1；P437　文献标识码：B 文章编号：1007－9033（2004）01－0019－04
　

1　模式介绍
    PSU/NCAR MM5 模式是在MM4模式基础上发展的中尺度模式。与MM4相比，MM5在资料初始化和物理过程参数化上都作了较大改进，同时还发展了非静力部分和区域嵌套的功能。近年来，该模式不仅用于中尺度大气现象的研究，而且也用于天气尺度和区域气候方面的研究。在本文的研究中，我们采用了非静力平衡方案。
1.1　时间差分和侧边界条件
    MM5模式的时间差分采用时间分裂方案，该方案可以增加计算效率。由于非静力模块考虑完全可压缩流体，允许声波传播，其传播速度快，要保持计算的稳定性，必须提供时间步长，因此非静力模块采用半隐式差分方案，这与静力模块中分裂显示方案是完全不同的。该方案从变化相对缓慢的项中分离出和声波直接相关的项，采用短时间步长，分离后的方程只包括动量和压力之间的相互作用。短时步的积分采用Klemp和Wilhemson（1978）的半隐式方案。首先对水平传播的声波采用显式处理，垂直传播的声波采用隐式处理。隐式垂直差分方案允许的短时步与模式垂直精度无关，因此时间步长仅仅依赖水平网格尺度，这样可以提高模式效率。另外，Skamarock和Klemp(1992)的分离阻尼技术被用来控制声波的水平传播。由于温度和水汽方程中不含有对声波有贡献的高频项，因此这２个方程的时间积分采用传统的蛙跳格式。MM5提供了几种侧边界条件，非静力模块的侧边界采用时变松弛边界条件。对云水、雨水、雪和冰等水汽变量的边界只在流入边界上定义为０。MM5非静力模块提供了上部辐射边界条件，采用Klemp、Durran和Bougeault的方法。该方法使波能穿过模式顶而不发生反射。本文模式所用侧边界条件采用时间流入、流出边界，模式初始场资料采用Necp再分析资料和12 h 1次的实况资料，模式积分时间为24 h，积分步长为120 s，1 h输出1次预报结果。模拟域中心点取在30°N、115°E，水平格点数为61×61，格距为60 km。
1.2　模式物理过程
    模式物理过程包括：水平扩散、干对流调整及水循环过程。
    在MM5模式中，次网格水平扩散项的计算，是控制模式非线性不稳定和混淆现象所必需的。MM5采用了２种类型的水平扩散形式：一种是仅用于靠近粗网格的侧边界的点所组成的行和列上的二阶形式，一种是可用于粗网格内部和所有细网格点上的四阶形式。本文模式中的水平扩散采用四阶差分形式。
    MM5模式用１种简单的方案来消除任何不稳定层，这个方案可以控制总的噪音，并保证垂直方向内能和位能的守恒。当模式大气的位温递减率（　　）超过了临界值（　　）时，则进行干对流调整，以使质量权重的平均温度不变，并使调整后的位温递减率等于（　　）。
    MM5模式有多种降水物理过程的选择，主要分为2类：显式方案和隐式方案。显式方案处理可分辨尺度降水物理过程，隐式方案处理不可分辨降水物理过程。这2种方案可同时作用于同一网格点上，分别算出对流性降水和非对流性降水。隐式方案还提供了几种对流参数化方案，如Kuo方案、改进的Arakawa-Schubert方案（Grell 1993）等。本文的积云对流参数化方案采用Kuo方案中的Kuo-Anthes隐式方案。
2　预报与实况基本场的比较
    1998年6月11日12时~23日00时，长江以南至华南地区出现了连续性大暴雨过程，其持续时间、降雨强度都是历史上罕见的。这次强降水的环流背景表现为：500 hPa副热带高压稳定少动，脊线维持在21°N左右，中高纬为稳定的双阻型；200 hPa有高空急流、南亚高压的存在。其中6月12日12时~13日12时是１次西北风高空急流右前方下的暴雨过程。
2.1　降水场的比较
    图1是模式模拟24 h降水量及实况24 h降水量图。从实况图上可以看出，１９98年6月12日12时～13日12时降水形成了４个较强的雨团，中心分别位于30.5°N、109.5°E，28.5°N、109.5°E，28.5°N、116°E，28°N、118°E；最大降水量分别为80、127、167、123 mm。这４个雨团中有３个纬度在28°N附近，１个在30.5°N。按所在的位置，可将北面的雨团称为北雨团，28°N附近的雨团从西向东分别称为西雨团、中雨团和东雨团（下同）。

图1 1998年6月12日12时～13日12时24h降水量实况（a）与模拟（b）

    再看模拟降水图，４个降水中心均被模拟出来，分别在30°N、110.5°E，27°N、110.5°E，25.5°N、14°E，27°N、117.5°E。但在边界上有虚假的降水发生，如22°N、111°E（在海上）。海上的降水我们认为是真实的，因为在历史天气图上，该降水区附近为一气旋所控制。由于实况资料没有海上的降水记录，故实况图上海上没有反映出降水。对比实况降水，模拟降水中心均有南移现象，西雨团和北雨团有东移现象，东雨团和中雨团有西移现象。从中心强度上看，４个雨团最大降水量分别88、169、156、106 mm。可见西雨团和北雨团模拟值比实况值偏高，东雨团和中雨团模拟值比实况值偏低。从位置上看，东雨团在纬向上位移最小，仅移动了0.5个经距。
2.2　高度场的比较
    分析１３日１２时２００、５００、８５０ hPa ３层高度场的实况与模拟结果可以发现，在模拟的850 hPa图上，西南涡和入海气旋均有东移加强现象，500 hPa上入海气旋也有东移现象。但114°E附近的槽线没有模拟出来，200 hPa上115°E附近的槽线也没有模拟出来。从总体上看，模拟结果与实况形势基本一致。
2.3　高低空急流的比较
    分析模拟结果和实况可以发现，在200 hPa，模式模拟出高空急流轴的伸展方向，与实况中西北风高空急流轴对应得较好，但中心值稍弱；114°E附近的急流核没有模拟出来。模式模拟出850 hPa低空急流的2个大值中心:1个在25°N、111°E附近，模拟值偏强；另外１个在东边，模拟值偏弱，但位置与实况对应基本相符。
2.4　环流场、温度场的比较
    分析13日12时200、500、850 hPa环流场及温度场的模拟结果和实况，可以看到200 hPa模拟的环流及温度场与实况对应较好，环流中心与温度的配置在模拟图上有所体现，流场的走向呈西北向,基本符合实况。500 hPa模拟的环流在110°E有1个闭合环流，而实况为１个气旋式曲率较大的流线。但从流场形态来看，两者极为相似，温度场形态也极为相似，只是模拟图上温度槽出现东移现象。在850 hPa，低空急流得到了较好模拟，112°E附近的1个小反气旋未能明显模拟出来，但分析流场的走势，可以看出反气旋曲率的存在，此处的温度场对应实况基本一致。
　　综上所述，这次天气过程的环流背景、高度场、高低空急流都模拟的较为成功，尤其是４个较强的雨团也被较好的模拟出来。这给后期的物理量诊断分析奠定了良好的基础。
3 　模式预报量的诊断分析
3.1　高低空风场和暴雨的关系
    通过对模拟风场的统计发现，该时段高空200 hPa为西北风高空急流，低空850 hPa为西南风低空急流。图2是积分１ h沿117.5°E的200 hPa高空急流和850 hPa低空急流的纬度—时间剖面图。由图２可以看出，高空急流在该时段基本呈现增强的趋势，急流核强度>50 m/s。低空急流在该时段则呈现6～8 h的周期性变化。在12日14时、22时和13日04时、11时，分别有急流核出现。从时间尺度上看，低空急流明显呈中尺度特征。

图2 积分1h沿117.5°E的200hPa高空急流（实线）和850hPa低空急流（虚线）的纬度－时间剖面图

图3 积分1h沿117.5°E降水的纬度－时间剖面图

　　为了研究风场与降水的关系，作了积分１ h沿117. 5°E降水的纬度—时间剖面图（图3）。对比图２、3可见，主要降水带基本位于高空急流和低空急流所在的纬度之间，以及高空急流右侧和低空急流左侧。但在12日15时，22. 5°N附近有一降水过程位于低空急流右侧。从27°N附近的降水带来看，明显有５次降水过程，各过程降水极值分别出现在12日14时和13日01时、04时、06时，最后１次降水过程极值出现在13日12时之后。从降水和低空急流的形态上看，两者极为相似。12日14时，急流和降水几乎是同时出现。在另外几个例子中，存在急流增强超前于降水增强的情况。由此可见，从时间尺度上看，低空急流的中尺度扰动有提前于降水的中尺度扰动的情况，这对于降水的预报有一定的意义。
3.2 　涡度和散度场分析
图４为积分各个时次沿117. 5°E散度的纬度—时间剖面图。由图４可以看出，降水区所在的纬度高层为辐散、低层为辐合。低层有５个主要辐合中心，分别出现在12日13时、18时和13日00时、05时、10时。高层也出现５个主要辐散中心，分别出现在12日14时、19时、21时和13日01时、12时。两者中心并不完全重合，高层辐散中心有稍微滞后于低层辐合中心的情况。与图3对比分析可见，高层的强辐合与低层的强辐散中心和降水有较好的对应关系，仅在13日04时降水没有强中心对应，但高低空仍然为高层辐散低层辐合配置。图５为积分各个时次沿117.5°E涡度的纬度—时间剖面图。由图５可见，在高层，31°N以南以负涡度为主，以北以正涡度为主；在低层，27°N以南为负涡度，38°N以北也为为负涡度。两者之间为正涡度。降水区上空正好是低层正涡度和高层负涡度叠加地带，低层在12日13时和13日01时有正涡度中心出现，高层在12日16时和13日03时、10时有负涡度中心出现。

图4 积分各个时次沿117.5°E的纬度－时间剖面图

图5 积分各个时次沿117.5°E涡度的纬度－时间剖面图

4　结语
在利用MM5模拟的同时，还利用ＭＲＭ１模式进行了同步模拟。通过对这２种中尺度模式的模拟输出结果进行对比分析，发现MRM1在文中所讨论的连续暴雨过程中，对降水预报方面的模拟要高于MM5，而MM5在物理量场的模拟结果要优于MRM1。以高度场为例，MM5模拟场与实况场的相对误差随高度的增高而减小，850、700、500、200 hPa的最大相对误差分别为3.5%、1.1%、0.81%和0.38％。而MRM1对这几层的相对误差分别为6.2%、3.6%、1.44%和1.21%。在其它模拟场的模拟结果也存在类似的现象。所以文中采用MM5模式的模拟输出结果作为分析对象。另外，在调整模式的过程中，发现改善初始场的质量（如在探空资料中加入特性层的资料，可以提高空气中水汽的含量，进而增大MM5模式的降水量）、提高模式分辨率对模拟结果都有一定的改进。由于客观条件的限制，文中没有进一步的做定量的比较，这将是今后需要进一步完善的内容之一。用MM5模式对江西98.6连续暴雨过程个例进行模拟,在高空急流、中尺度系统和气象要素等方面有较好的效果，对降水也有一定的效果。因此可用MM5预报位涡、Q矢量和对称不稳定、高空急流等，并用其对预报的降水进行修正。在今后的工作中，应将MM5和MRM1结合起来进行暴雨数值预报。

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讲话日期：2004年01月08日收稿日期：2004年01月22日
第一作者简介：张瑛（1972-），男，工程师，硕士在读，主要从事短时天气预报工作。