（气象学专业论文）2003年7月3～4日淮河流域暴雨过程的观测与模拟分析.pdf

摘要 本文利用常规地面、高空 观测和卫星、雷达、 地面自 动站等高分辨率非常规资料，分析 了2 0 0 3 年7 月3 -4日 淮河流域大暴雨过程中安徽省北部暴雨雨团的活动及与之相联系的中 尺度对流系统的发展演变特征。结果表明:在有利的大尺度环流背景下，梅雨锋中、尺度云 系中 的 中 书 尺 度对 流系统的 发 生发 展是导 致 暴雨的 直接 原因。 暴雨 强 度和出 现地点 与中 书 尺 度扰动密切相关，整个暴雨过程有 3 次生命史不完全相同的雨团活动期，对应着三次雨强峰 值; 不同雨团活动期内，中 书 尺度对流系统的组织发展形式 有所不同。 第一次 和第 三次雨团 活动是由 几个相对分散的 块状中书 尺 度对流复合体相继影响 所致， 而第二次雨团 活动则与尺 度约1 0 0 1a n 的 近地层中 书 尺 度 辐合 线的 迅 速发 展相 联系， 辐 合线的 生 成导 致了 对流 单体 沿 此 辐合线快速组织为线状对流复 合体。且中 书 尺度 对流云团的生命史与雨团的生命史并不一定 相同， 一次雨团 生 命 过程可 能 对应着一次中 书 尺 度 对流云团 的 活动， 也可能 是多 次中 书 尺 度 对流云团的连续影响。本次暴雨过程中，起主要作用的是嵌在絮状回波里的一个个对流复合 体和个别强对流单体，回波强度为4 0 -6 0 d b z ;回波强度和强回波发展高度与地面降水强度 是呈正相关。 然后利用全物理过程的中尺度气象模式 mms对此次暴雨过程进行数值模拟，通过对a 雨过程中低层的环境背景、降水量、降水生 度对流系统的雷达回波特征等方面的检验， 随时间演变的趋势以及中尺 次大暴雨过程具有一定的模 拟能力， 模式基本可以 模拟出 中 心尺度和 1 0 0 公 里左右的中 书 尺 度天气系统， 但对于时 空尺 度更小的且发展比 较强 盛的中 书 ( 丫 ) 尺度系统， 则有较大的 局限 性。 最后利用高分辨率模式输出结果验证了低层中 书 尺度 辐合线是造成此次大 暴雨的中 尺度 影响系统。 并 通过对物理量 场特征的 分析得到次中 书 尺度辐合线的三维结 构特征。 关键词: 暴雨 中 书 尺 度 观测特征 数值模拟 ab s t r a c t c o n v e n t i o n a l a n d h i g h r e s o l u t i o n o b s e r v a t i o n d a t a s u c h a s s a t e l l i t e , r a d a r a n d t h e s u r f a c e a u t o m a t ic s t a t i o n d a t a a r e u s e d t o a n a l y s i s t h e d e v e l o p m e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f mc s s a s s o c i a t e d w i t h r a i n m a s s a c t iv i ty f o r a n h e a v y r a in f a l l o v e r h u a ih e v a l l e y d u r in g 3 - 4 j u l y 2 0 0 3 . t h e r e s u lt s s h o w e d t h a t th e d e v e l o p m e n t o f m e s o - p - s c a l e c o n v e c t i v e s y s t e m i n m e i - y u fr o n t m e s o - a - s c a l e c l o u d s y s t e m w a s t h e d i r e c t r e a s o n o f h e a v y r a i n f a l l b y t h e f a v o u r a b l e b a c k g r o u n d o f l a r g e - s c a l e c i r c u l a t i o n . t h e s t r e n g t h a n d l o c a t i o n s o f h e a v y r a in f a l l w e r e c lo s e l y r e l a t e d w i t h t h e a c t i v i t y o f m e s o - p - s c a l e d i s t u r b a n c e s . t h e r e w e r e t h re e r a i n m a s s a c t i v e p e r i o d s c o r r e s p o n d in g t o t h r e e p e a k v a l u e o f r a i n f a l l i n t e n s ity w it h i n t h e w h o l e p r o c e s s , a n d t h e i r l i f e t i m e w e r e d i s s i m il a r . t h e f a s t a n d t h e t h i r d r a i n m a s s a c t iv i ty a r e c a u s e d b y t h e c o n t in u o u s a ff e c t s o f s o m e m a s s iv e d i s p e r s iv e m e s o - p - s c a l e c o n v e c t iv e c o m p l e x , a n d t h a t t h e s e c o n d r a i n m a s s a c t i v it y w a s re l a t e d t o t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f a b o u t 1 0 0 k m - l o n g m e s o - p - s c a le c o n v e r g e n c e z o n e n e a r t h e s u r f a c e . t h e l if e t i m e o f m e s o - 日 - s c a l e c o n v e c t iv e c l o u d c lu s t e r m a y n o t b e t h e s a m e a s r a i n m a s s . o n e l i v i n g p r o c e s s m a y b e c o r r e s p o n d i n g t o e i t h e r o n e m e s o - (3 - s c a l e c o n v e c t iv e c l o u d c l u s t e r a c t iv i ty o r m u l t ip l e a c t i v i t i e s .t h e d o m i n a n t e ff e c t s o f h e a v y r a i n f a l l e v e n t s a r e t h e c o n v e c t i v e c o m p l e x a n d s o m e s t r o n g c o n v e c t i v e mo n o me r wh i c h e c h o e s we r e fr o m 4 0 t o 6 0 d b z . t h e e c h o i n t e n s i t i e s a n d d e v e l o p m e n t a l h e i g h t h a d p o s it iv e c o r re l a t i o n t o t h e i n t e n s i ty o f s u r f a c e p r e c ip it a t i o n . t h e n , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i s m a d e o n t h e h e a v y - h a r d r a i n f a l l o v e r h u a i h e v a l l e y u s i n g t h e p s u / n c a r mm5 m o d e l . w e f in d t h a t t h e m m5 m o d e l d o q u i t e w e l l in s i m u la t in g a n d c o u ld p r o v i d e t h e h i g h - r e s o l u t io n d a t a t o d i a g n o s e . me s o - a - s c a le a n d me s o - p - s c a l e a b o u t 1 0 0 k m - l o n g c o n v e c t iv e s y s t e m s c a n b e r e fl e c t e d 勿t h e m m5 m o d e l . b u t t h e m o d e l h a s l i m it o f m e s o - p ( y ) - s c a l e w h i c h h a v e s m a l l s c a le a n d s t r o n g d e v e l o p m e n t . f i n a l ly , t h a t t h e d i r e c t r e a s o n o f t h e s e c o n d r a in m a s s a c t i v i t y i s t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f a b o u t 1 0 0 1q n - l o n g m e s o - o - s c a l e c o n v e r g e n c e z o n e n e a r t h e s u r f a c e i s v a l i d a t e d b y t h e h i g h - r e s o l u t i o n d a t a p r o v i d e d b y t h e m m5 m o d e l . t h e m e c h a n i s m a n d s t ru c t u r e o f m e s o s c a le s y s t e m s a r e s t u d i e d b y c o n d u c t i n g d i a g n o s t i c a n a l y s i s , t h e o r y o f d y n a m i c s a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n . k e y w o r d s : h e a v y r a i n f a l l ; me s o - p s c a l e ; o b s e r v a t io n a l c h a r a c t e r i s t ic ; n u m e r i c a l s i mu l a t i o n 学位论文独创性声明 本人郑重声明: 1 、坚持以 “ 求实、创新”的科学精神从事研究工作。 z 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果 . 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了声明并表示 了谢意 。 储 “钾一 日期:1 cl逻户 一一 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版: 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅; 有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索; 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论 文在解密后适用本规定 。 咋“ : 鹅 iir-. 1 日期: w l l t )l 一 第一章 引言 目 前我国是世界上受气象灾害影响最严重的国家之一， 气象灾害对我国造成的直接经济 损失已占国民生产总值的3 % 至6 %。干旱、暴雨洪涝以及热带气旋导致的台风是我国最为 常见、 危害程度最为 严重的灾害种类。 每年由 于暴雨致洪而造成的直接经济损失高达数百甚 至上千亿元。 例如， 1 9 9 1 年江准流域发生百年不遇的特大洪水， 仅安徽省受灾人口4 4 0 0 万， 成灾面积6 0 0 0 多万亩，经济损失高达2 7 5 亿元。1 9 9 8 年长江、松花江、 嫩江等发生全流域 j性 特大洪水， 全国2 9 个省 ( 区、 市) 受到洪涝灾害的影响， 受灾严重的有 1 1 个省( 区、 市) ， 全国因 洪涝灾害受灾人口 达1 . 8 亿人( 次) ， 因灾害死亡4 1 5 。 人， 紧急安置转移1 8 3 9 . 3 万人， 经济损失达2 5 5 0 亿元。 2 0 0 3 年， 淮河流域特大洪水因连续强暴雨过程而形成， 经济损失达 2 8 5 亿元。 2 0 0 4 年，四川东部、重庆等地出现特大暴雨， 暴雨引发多处滑坡、泥石流灾害， 造成 1 8 7 人死亡、 2 3 人失踪， 直接经济损失达9 8 亿元。这些灾害的发生， 都和持续性、突 发性的 暴雨紧密相关。 可以说， 暴雨是造成洪涝灾害的罪魁祸首。 因此。 加强对暴雨的监测、 研究与预报是目 前气象工作的重要课题之一， 预报暴雨发生的时间、 地点、 强度一直是一个 难点， 这也是实际 气象业务中 最需要解决的 难题之一。 其中 梅雨锋及其引 起的 暴雨研究一直 是气象学家关心的问题。 1 . ，国内外关于暴雨研究的现状与进展 对暴雨的 研究， 2 0世纪取得了长 足的 发展。国内 外气象学者对江淮梅雨暴雨大尺度环 流 和中 一尺 度( 或 中间 尺度) 进行了 大 量深 入的 研究， 取得了 一 系 列的 科 研成 果11 - 13 1气象 学 家 逐 渐 认识到 暴雨的 发生 必须 具备 有利的 大 尺度环 流背 景 条 件【1 4 16 ， 梅雨 暴 雨的 环流 特征 包括: 蒙古至西伯利亚一直延伸到我国华北地区的 暖的高压脊、 从白 令海峡延伸到中国的梅 雨槽、 副高西伸、 低层梅雨槽中的东北气流、 南海的西南 气流、 沿副高外围的偏南风、 低空 急 流、 来自 于 西南 季风 系统中 的 西 南 风 等17 -1 9 。 研 究 表明 ， 不同 年 份的 梅雨在 大 尺 度 环流背 景特征上存在差异，因而所影响的降水也有不同。如 1 9 9 1 年梅雨暴雨大尺度环流特征为中 高 纬为 两 个稳定 的阻 高( 乌 拉尔山 、 东 西 伯 利亚) 2 0 , 1 9 9 8 年和1 9 9 9 年 江 淮流 域发生了 严 重的 洪 涝灾 害， 1 9 9 8 年梅雨期 暴雨的 梅雨 锋 表现为 一 个对 称的 双峰 结 构 2 1 1 ; 而1 9 9 9 年的 大 尺度特征则表现为中纬强而稳定的大陆高压， 极锋偏南， 不断有来自 西伯利亚的冷空气穿过 贝 加尔湖和蒙古到达中国的北部和日 本海， 我国 东部沿海和日 本上空维持低槽2 2 1 。 研究表明 梅雨 暴雨 的 强 度和出 现的 地点 与中 尺 度 扰动的 活动 有 密切的 关 系111陶 诗 言 等2 3 指出 ， 梅雨 锋上的暴雨主要由中间尺度 ( 5 0 0 - 1 0 0 0 k m) 和中尺度系统 ( 1 0 0 -2 0 0 k m) 造成。 程麟生等 2 4 . 2 3 1 指出 江淮暴雨发生的 低涡中心有一个强涡柱与一个强 上升运动湿气柱并存。 梅雨雨带出 第一章 引言 目 前我国是世界上受气象灾害影响最严重的国家之一， 气象灾害对我国造成的直接经济 损失已占国民生产总值的3 % 至6 %。干旱、暴雨洪涝以及热带气旋导致的台风是我国最为 常见、 危害程度最为 严重的灾害种类。 每年由 于暴雨致洪而造成的直接经济损失高达数百甚 至上千亿元。 例如， 1 9 9 1 年江准流域发生百年不遇的特大洪水， 仅安徽省受灾人口4 4 0 0 万， 成灾面积6 0 0 0 多万亩，经济损失高达2 7 5 亿元。1 9 9 8 年长江、松花江、 嫩江等发生全流域 j性 特大洪水， 全国2 9 个省 ( 区、 市) 受到洪涝灾害的影响， 受灾严重的有 1 1 个省( 区、 市) ， 全国因 洪涝灾害受灾人口 达1 . 8 亿人( 次) ， 因灾害死亡4 1 5 。 人， 紧急安置转移1 8 3 9 . 3 万人， 经济损失达2 5 5 0 亿元。 2 0 0 3 年， 淮河流域特大洪水因连续强暴雨过程而形成， 经济损失达 2 8 5 亿元。 2 0 0 4 年，四川东部、重庆等地出现特大暴雨， 暴雨引发多处滑坡、泥石流灾害， 造成 1 8 7 人死亡、 2 3 人失踪， 直接经济损失达9 8 亿元。这些灾害的发生， 都和持续性、突 发性的 暴雨紧密相关。 可以说， 暴雨是造成洪涝灾害的罪魁祸首。 因此。 加强对暴雨的监测、 研究与预报是目 前气象工作的重要课题之一， 预报暴雨发生的时间、 地点、 强度一直是一个 难点， 这也是实际 气象业务中 最需要解决的 难题之一。 其中 梅雨锋及其引 起的 暴雨研究一直 是气象学家关心的问题。 1 . ，国内外关于暴雨研究的现状与进展 对暴雨的 研究， 2 0世纪取得了长 足的 发展。国内 外气象学者对江淮梅雨暴雨大尺度环 流 和中 一尺 度( 或 中间 尺度) 进行了 大 量深 入的 研究， 取得了 一 系 列的 科 研成 果11 - 13 1气象 学 家 逐 渐 认识到 暴雨的 发生 必须 具备 有利的 大 尺度环 流背 景 条 件【1 4 16 ， 梅雨 暴 雨的 环流 特征 包括: 蒙古至西伯利亚一直延伸到我国华北地区的 暖的高压脊、 从白 令海峡延伸到中国的梅 雨槽、 副高西伸、 低层梅雨槽中的东北气流、 南海的西南 气流、 沿副高外围的偏南风、 低空 急 流、 来自 于 西南 季风 系统中 的 西 南 风 等17 -1 9 。 研 究 表明 ， 不同 年 份的 梅雨在 大 尺 度 环流背 景特征上存在差异，因而所影响的降水也有不同。如 1 9 9 1 年梅雨暴雨大尺度环流特征为中 高 纬为 两 个稳定 的阻 高( 乌 拉尔山 、 东 西 伯 利亚) 2 0 , 1 9 9 8 年和1 9 9 9 年 江 淮流 域发生了 严 重的 洪 涝灾 害， 1 9 9 8 年梅雨期 暴雨的 梅雨 锋 表现为 一 个对 称的 双峰 结 构 2 1 1 ; 而1 9 9 9 年的 大 尺度特征则表现为中纬强而稳定的大陆高压， 极锋偏南， 不断有来自 西伯利亚的冷空气穿过 贝 加尔湖和蒙古到达中国的北部和日 本海， 我国 东部沿海和日 本上空维持低槽2 2 1 。 研究表明 梅雨 暴雨 的 强 度和出 现的 地点 与中 尺 度 扰动的 活动 有 密切的 关 系111陶 诗 言 等2 3 指出 ， 梅雨 锋上的暴雨主要由中间尺度 ( 5 0 0 - 1 0 0 0 k m) 和中尺度系统 ( 1 0 0 -2 0 0 k m) 造成。 程麟生等 2 4 . 2 3 1 指出 江淮暴雨发生的 低涡中心有一个强涡柱与一个强 上升运动湿气柱并存。 梅雨雨带出 现 在 梅 雨 锋 上， 梅雨 锋 雨 带内 降 水不 均， 常 有 一 个 个 暴 雨 雨 团 2 3 1 。 近 年 来r 随 着 计 算 机 技 术 的高速发展和中尺度数值模式分辨率的不断提高， 以 及野外加密观测资料的获取， 人们开始 研究 暴 雨 的 直 接 影响 系 统 中 一 。 尺 度天 气 系 统。 对 梅 雨 锋 及 其降 水 的 研 究 (2 6 1表明 ，梅雨 锋暴 雨是 中 。 尺 度、 中 一 p 尺度 和中 - y 尺 度天 气 系统 共同 作 用的 结 果。 贝 耐芳 等 (2 71 对突发 强 暴雨系统的中尺度分析认为， 一系列具有很大局地性和突发性的a 中尺度天气系统的发生发 展是强 暴 雨 发生的 最直 接原因。 胡 伯 威等 (2 9 1对“ 9 8 7 ” 武 汉、 黄石 突 发 性强 暴雨的中 尺度 系统进行了 研究， 认为大暴雨是由 一系列与特殊的中尺度地形作用密切相关的中5 尺度强对 流系统所造成。 王建捷等(2 9 对引 发暴雨的中0 尺度对流系统 进行的 诊断分析发现， 暴雨发生 地附近具有强的对流有效位能， 并揭示了中p 尺度对流系统可能的流场结构。 大部分梅雨暴 雨中小尺度研究主要是利用中尺度数值模拟产生的高分辨率时空资 料集来进行的。 如: 陈丽 芳 、 乌 5 惠 峰 (3 0 1利 用 实 测 资 料 和m m 5 的 数 值 模 拟 结 果 分 析 长 江 中 下 游 中 一 p 尺 度 云 团 与 雨 团 的 关系、 路径变化等， 指出中低层西南气流促使了云团的发展， 有充沛的水汽条件时形成大降 水。 马 旭 林等 (3 1利 用美国 新 一 代中 尺 度w r f ( w e a t h e r r e s e a r c h a n d f o re c a s 。模式， 采 用 高 分辨率的细网格距和适当的 物理方案， 分析了 江淮梅雨暴雨中尺度对流系统热力、 动力学特 征。 王 智 等 ， 2 1 利 用m m 5 对1 9 9 9 年6 月2 9 日 的 一 次 东 移 低 涡 过 程 进 行了 数 值 模 拟。 等 等。 近些年来， 新的观测手段和各种中尺度实验以及雷达、 卫星气象学的发展为研究中小尺 度系统提供了更加方便、 详尽、 可靠的资料。 我国正在建设一套从地面到高空的全方位大气 综合探测系统， 气象卫星、新一代 c i n r a d多普勒天气雷达、闪电定位监测系统、地面自 动雨量 遥测系统、 地面多要素自 动观测系统、 风廓线仪、 g p s 定 位系统等， 使得时空分辨率 得到了很大的提高，我们也能够探测到一些以 往在天气图上无法捕捉到的中小尺度天气系 统， 如: 梅雨暴雨的中尺度雨带结构在雷达观测中能清楚的看出: 利用雷达回波资料分析得 出 梅雨 锋云 系的 多 尺 度相依 存的图 像结 构 (1 3 1 . 3 3 1 ; 发 现 深对 流降 水出 现在 锋前或 锋后， 层状 降 水出 现 在锋 后 3 4 1 ; 利用 雷 达回 波资 料， 能 较 好地 分析出 梅雨 锋降 水的 三 维结构 和降 水带的 环境场(3 5 37 1; 等 等。 此外， 随 着高 性能 巨 型 计 算 机的出 现 和高 分辨 率 模式的 发 展， 人们 可以 利用各种数值模式进行数值模拟。目前在中尺度数值模式中最具代表性的仍是美国 p s u i n c a r中尺度流体非静力原始方程模式 ( mms ) 。该模式自9 0 年代开发成功以来，己 经在世界各地对各种大气现象做过模拟研究。在我国， m m5 也有着广泛的应用，比 较成功 的模拟了暴雨、洪涝、西南涡、1ya线等中尺度天气现象。 1 .2研究的目的和意义 尽管人们开始注意到中- 0 尺度天气系统并开展了许多研究工作，但由于梅雨天气系统 现在梅雨锋上，梅雨锋雨带内降水不均，常有一个个暴雨雨团【2 3 1 。近年来，随着计算机技术 的高速发展和中尺度数值模式分辨率的不断提高，以及野外加密观测资料的获取，人们开始 研究暴雨的直接影响系统中b 尺度天气系统。对梅雨锋及其降水的研究1 4 j 【2 6 1 表明，梅雨 锋暴雨是中a 尺度、中b 尺度和中一y 尺度天气系统共同作用的结果。贝耐芳等j 对突发强 暴雨系统的中尺度分析认为，一系列具有很大局地性和突发性的b 中尺度天气系统的发生发 展是强暴雨发生的最直接原因。胡伯威等8 ”对“9 8 7 ”武汉、黄石突发性强暴雨的中尺度 系统进行了研究，认为大暴雨是由一系列与特殊的中尺度地形作用密切相关的中b 尺度强对 流系统所造成。王建捷等 2 9 1 对引发暴雨的中b 尺度对流系统进行的诊断分析发现，暴雨发生 地附近具有强的对流有效位能，并揭示了中尺度对流系统可能的流场结构。大部分梅雨暴 雨中小尺度研究主要是利用中尺度数值模拟产生的高分辨率时空资料集来进行的。如：陈丽 芳、邬惠峰哪! 利用实测资料和m m 5 的数值模拟结果分析长江中下游中b 尺度云团与雨团的 关系、路径变化等，指出中低层西南气流促使了云团的发展，有充沛的水汽条件时形成大降 水。马旭林等1 利用美国新一代中尺度w r f ( w e a t h e r r e s e a r c ha n d f o r e c a s t ) 模式，采用高 分辨率的细网格距和适当的物理方案，分析了江淮梅雨暴雨中尺度对流系统热力、动力学特 征。王智等p ”利用m m 5 对1 9 9 9 年6 月2 9 目的一次东移低涡过程进行了数值模拟。等等。 近些年来，新的观测手段和各种中尺度实验以及雷达、卫星气象学的发展为研究中小尺 度系统提供了更加方便、详尽、可靠的资料。我国正在建设一套从地面到高空的全方位大气 综合探测系统，气象卫星、新一代c i n r a d 多普勒天气雷达、闪电定位监测系统、地面自 动雨量遥测系统、地面多要素自动观测系统、风廓线仪、u p s 定位系统等，使得时空分辨率 得到了很大的提高，我们也能够探测到一些以往在天气图上无法捕捉到的中小尺度天气系 统，如；梅雨暴雨的中尺度雨带结构在雷达观测中能清楚的看出：利用雷达回波资料分析得 出梅雨锋云系的多尺度相依存的图像结构“”j ：发现深对流降水出现在锋前或锋后，层状 降水出现在锋后p q ；利用雷达回波资料，能较好地分析出梅雨锋降水的三维结构和降永带的 环境场肾”j ；等等。此外，随着高性能巨型计算机的出现和高分辨率模式的发展，人们可以 利用各种数值模式进行数值模拟。目前在中尺度数值模式中晟具代表性的仍是美国 p s u n c a r 中尺度流体非静力原始方程模式( m m 5 ) 。该模式自9 0 年代开发成功以来，已 经在世界各地对各种大气现象做过模拟研究。在我国，m m 5 也有着广泛的应用，比较成功 的模拟了暴雨、洪涝、西南涡、飑线等中尺度天气现象。 1 - 2 研究的目的和意义 尽管人们开始注意到中b 尺度天气系统并开展了许多研究工作，但由于梅雨天气系统 2 的复杂性、多尺度活动特征和常规观测网对中小尺度的难以分辨、观测资料时空密度不足等 原因，加上分析手段的局限性，还少有利用高分辨率的模拟及观测资料对暴雨过程进行细致 的中尺度综合分析，我们对暴雨的成因、对于引发暴雨的直接影响系统中一1 3 ( 7 ) 尺度 的演变特征、结构和暴雨形成机理的分析研究还比较薄弱，暴雨预报的准确率还不高。 2 0 0 3 年夏季主要雨带维持在淮河流域9 w 。淮河是我国七大江河之一。淮河流域地跨豫、 皖、苏、鲁四省3 3 个地市、1 8 2 个县，流域总面积2 7 万平方公里，入口约1 5 亿。其西、 西南及东北部为山丘区，占总面积的30 ，其余为平原湖洼区( 图1 2 1 ) 。淮河流域地处 我国南北气候过渡地带，属于北亚热带至暖温带湿润、半湿润季风气候区。每年入梅后，雨 带通常维持在江淮一带。一般在7 月上中旬随着副热带高压的北跳，雨带也随之北抬。淮河 流域降水趋于减弱。但在异常年份，雨带长期停滞在淮河流域，尤其是淮河上游至沿淮淮北 一带此区域水利条件较差，地势落差大，进入汛期( 6 9 月) ，淮河干流中上游山区产生 暴雨洪水并迅速汇集到中游，由于中游河道比降的突然平缓，下泄不畅，沿淮湖泊、洼地成 为洪水滞蓄的场所。下游河网地区是一个锅底状平原洼地，一遇大暴雨极易成涝。由于位于 特定的气候和下垫面条件淮河流域历史上洪、涝、旱、风暴潮灾害频繁。据历史文献资料 记载统计，1 6 世纪至新中国初期的4 5 0 年问，淮河平均每1 0 0 年发生洪灾9 4 次。新中国成 立后也发生多次洪水，具有代表性的有：1 9 5 4 年、1 9 5 7 年、1 9 7 4 年、1 9 7 5 年、1 9 9 1 年和 2 0 0 3 年洪水，其中1 9 5 4 、1 9 9 1 和2 0 0 3 年是流域性的洪水。每年局部的或较大面积的洪涝 灾害时有发生，给流域经济社会发展造成相当大的经济损失。对于淮河流域致洪暴雨的机理 研究很有必要。 图1 , 2 1 淮河流域分布图及地形图 2 0 0 3 年自6 月2 1 日入梅到7 月2 1 日出梅，淮河水系先后出现六次大范围强降雨过程 ( 6 月2 0 日2 2 日；6 月2 5 日2 7 日：6 月2 9 日7 月5 日；7 月8 日1 2 日：7 月1 7 日；7 月1 9 2 le 1 ) ，梅雨强降水区基本位于安徽省境内，降水时段相对集中，降水强度大、 突发性强，其中6 月2 9 日7 月5 日的持续强降水过程导致了王家坝自9 1 年后首度开闸分 洪。7 月3 4 日的日降水量是这次持续强降水过程中最大的一日，2 4 小时累积降雨量达到 2 4 9 m m 。此次淮河大水造成了巨大的损失，但同时也为我们提供了丰富的资料和经验教训。 对于2 0 0 3 年梅雨期间淮河流域大范围强降雨过程已经有不少分析研究工作：程华琼等分 析研究了2 0 0 3 年夏季淮河流域致拱暴雨过程的时空分布特征及其前期和同期欧亚地区环流 背景的逐日变化特征，认为乌拉尔山阻塞高压异常加强后的突然减弱和西太平洋副热带高压 的加强并西进登陆，是淮河流域地区发生持续性暴雨过程的两个重要前兆。吴有训等 4 0 l 研究 表明，持续区域性暴雨过程环流特征在5 0 0 h p a 图上表现为鄂霍次克海和乌拉尔山分别为阻 塞高压，西太平洋为东西带状副高，中纬度西风带上有短波槽东移；8 5 0 h p a 温度场和海平 面气压场上有对应的天气系统相配合。鲍媛嫒等1 分析了2 0 0 3 年淮河流域特大暴雨期间的 低纬环流。康志明分析了2 0 0 3 年淮河流域6 、7 月间持续性强暴雨的水汽输送特征，结果 表明，持续性强暴雨发生在我国南方西南水汽输送异常偏强的背景下，发现主要水汽辐台发 生在8 5 0 h p a 及其以下层；来自盂加拉湾和南海的水汽向暴雨区输送在不同层次上的比重有 很大差异，在暴雨区水汽的主要辐合层上，南海是最重要的水汽源地。薛建军等r 4 3 对2 0 0 3 年6 月2 9 日至7 月2 日梅雨期淮河流域一次大暴雨过程进行了天气动力学诊断分析，发现 这次大暴雨过程是在双阻型梅雨天气形势下发生的，梅雨锋锋区的热力学特性和动力结构多 变：梅雨锋的维持和加强主要依赖于低空强西南暖湿气流在梅雨锋区的辐合抬升作用提供水 汽和能量，强降雨区位子水汽通曼大值区北侧强梯度区中。张芳华等利用新一代细网格 w r y 中尺度数值模式对2 0 0 3 年6 月2 4 2 5 日江南地区出现的一次特大暴雨过程进行了数 值模拟，对模拟结果的初步诊断分析表明低层切变线上分布不均匀的辐舍区、中低层正涡度 区、高层负涡度区的配置有利于造成较强烈的中尺度上升运动；同时有很强的湿度锋区，大 气处于不稳定状态，且发现沿8 5 0 h p a 切变线的局地风暴相对螺旋度与暴雨有很好的对应关 系。等等。 本文将以2 0 0 3 年7 月3 4 日发生在淮河流域特别是安徽省北部的强降水过程为例，利 用时间间隔为6 小时的1 。1 0 的n c e p 再分析资料、常规地面观测资料、探空资料、安徽 省自动站资料、安徽合肥新一代多普勒天气雷达资料、g o e s 9 红外云圉资料、根据g o e s 9 卫星资料反演的分辨率为0 1 。d 1 。的云顶黑体温度( t b b ) 资料等多种常规和非常规观i 财 资料，综合分析与大暴雨相联系的环流背景特征和中尺度对流系统特征及影响过程，总结出 淮河流域此次大暴雨过程的大尺度背景概念模型；利用日前国际上较为先进的有限区域 m m 5 v 3 4 版非静力中尺度数值模式，检验模式对梅雨期暴雨的预报能力并验证观测分析的 一些结果；揭示梅雨期暴雨中小尺度影响系统如近地层中口尺度辐合线的细致结构，为进一 步理解暴雨发生发展的物理机制和更好地进行暴雨的数值预报提供科学依据。 1 . 3本文主要研究内 容 本文以2 0 0 3 年7 月3 .4日 发生在淮河流域特别是安徽省北部的强降水过程为例， 利用 多种常规地面、 高空观测和卫星、 雷达、 地面自 动站等高分辨率非常规资料， 综合分析与大 暴雨相联系的环流背景特征和中尺度对流系统特征及影响过程， 总结出淮河流域产生此次暴 雨的大尺度背景概念模型; 利用有限区域m m 5 v 3 .4 版非静力中尺度数值模式的高时空分辨 率输出结果， 检验模式对梅雨期暴雨的预报能力并验证观测分析的一些结果; 给出 梅雨期暴 雨中 小尺度影响系 统如近地层中 书尺度辐合线的 细致结构。 具体各章的 主要内 容如下: 第一章引言， 阐 述了选题的目 的和意义， 以 及对有关暴雨研 究的现状、 进展等的概述; 第二章对本次大暴雨过程的雨情进行了简要的描述; 第三章对影 响本次大暴雨过程的大尺度环流背景进行了初步分析， 并给出概念模型; 第四章利用高分辨 率的非常规观测资料综合分析影响暴雨的中小尺度系统: 第五章利用mw 模式对本次大暴 雨过程进行了 模拟， 对模拟结 果进行检验， 并作了初步分析， 给出 近地层中 一 p 辐合线的 概念 模型。 第六章给出了 分析、 研究后的主要成果和结论， 提出有待进一步研究的问 题， 展望今 后所要开着的 研究工作。附录是对中尺度非静力模式系统 ( mm 5 v 3 .4 )的简介。 参考文献: l 丁一汇。1 9 9 1 年长江淮河流域持续性特大暴雨 研究。 北京: 气象出版社，1 9 9 3 2 l 陶诗 言， 张 庆云， 张 顺利.1 9 9 8 年 长江 流域 洪涝 灾 害的 气候背 景和大 尺 度 环流 条 件。 气候与环境研究，1 9 9 8 , 3 : 2 9 0 2 9 9 3 1 陶诗言， 倪允琪， 赵思雄等。 1 9 9 8 夏季中国 暴雨的 形成机理与 预报研究。 北京: 气象 出版社，2 0 0 1 张丙辰等。 长江中 下游梅雨锋暴雨研究。 北京: 气象出 版社，1 9 9 0 5 胡 伯威， 彭广。 暖 切变型 梅雨锋结构及其形成 和维 持机制。 大气科学， 1 9 9 6 , 2 0 : 4 6 3 - 4 7 2 1 6 1 赵思 雄等0 1 9 9 8 年7 月长江 流域 特大 洪水 期间 暴雨 特征的分析 研究。 气候与 环境研究， 1 9 9 8 , 3 ( 4 ) : 3 6 8 3 8 1 7 l 涂长望。 中国 之气团。 见: 陶诗言主编， 涂长望文 集。 北京: 气象出 版社， 2 0 0 0 : 2 3 0 - 2 5 4 8 l 谢 义炳 等. 中国 夏半年几 种降 水系 统的 分 析研究 . 见: 陈 佳洱等编，谢义 炳文集. 北 京: 北京大学出 版社， 1 9 9 7 : 1 2 0 -1 4 2 9 陶 诗言 等. 夏季亚 洲 大陆 上空 大气 环 流的 结 构， 气 象学 报 ， 1 9 5 7 , 2 8 ( 3 ) : 2 3 4 2 4 7 1 0 陶诗言等. 中国的 梅雨. 见: 中国 科学院 大气物理 研究 所编. 东亚季风和中国 暴雨. 北京: 气象出 版社， 1 9 9 8 : 3 - 4 6 1 1 陶 诗 言 等 . 东 亚的 梅雨期 与 亚洲上 空 大 气 环 流 季节 变 化的 关系 . 气 象学 报 ， 1 9 5 8 , 2 9 ( 2 ) : 1 1 9 - 1 3 4 1 2 )胡伯威，潘鄂芬. 梅雨期江淮流域两类气旋性扰动和暴雨. 应用气象学报， 1 9 9 6 , 7 ( 2 ) : 1 3 9 - 1 4 4 1 3 王建 捷， 陶诗言。 9 8 梅雨 锋的 结构 特征 及形成与维持。 应用气象学报， 2 0 0 2 , 1 3 ( 5 ) : 5 2 6 5 3 4 1 4 湘中 中 ， 小 尺 度系统 试验 基地暴 雨组。 中 尺 度暴雨 分 析 和预报。 北京: 气 象出 版 社， 1 9 8 8 , 3 4 - 3 9 1 5 朱乾根， 林锦瑞， 寿绍文。 天 气学原理 和方法。北 京: 气象出 版社，1 9 8 1 , 2 5 4 2 5 5 1 6 杨国 祥， 何齐强，陆 汉城，中 尺度气象学。北京: 气象出 版社，1 9 9 1 , 2 6 0 1 7 n a g a t a m. , 丫o g u r a , a m o d e l i n g c a s e s t u d y o f i n t e r a c t i o n b e t w e e n h e a v y p r e c i p i t a t i o n a n d a l o w - l e v e l j e t o v e r j a p a n i n t h e b a iu s e a s o n , m o n . w e a . r e v . , 1 9 9 1 , 1 1 9 : 1 3 0 9 -1 3 3 6 1 8 n in o m i y a k . , t . a k iy a m a , m u lt i - s c a l e f e a t u r e o f b a i u , t h e s u m m e r m o n s o o n o v e r j a p a n a n d t h e e a s t a s i a , j . me t e o r . s o c . j a p a n , 1 9 9 2 , 7 0 ( 1 b ) : 4 6 7 -4 9 5 1 9 c h e n s - j , y .- h . k u o , w . w a n g , z .- y . 丁 a o , a n d b . c u i . a m o d e l i n g c a s e s t u d y o f h e a v y r a i n s t o r ms a l o n g t h e me i y u fr o n t . mo n . we a . r e v . , 1 9 9 8 , 1 2 6 : 2 3 3 0 - 2 3 5 1 2 0 陶 祖任，胡爱 学。1 9 9 1 年梅雨期阻 塞高压的维持和瞬 变扰动。 气象学报，1 9 9 4 , 5 2 : 2 3 1 -2 3 4 2 1 y a n g y - q， g z. z h a n g , j . - z . w a n g a d o u b l e fr o n t s t r u c t u re o f m e iy u fr o n t a s s o c i a t e d w it h fl o o d i n g s e a s o n o f y a n g t z e r i v e r i n j u l y 1 9 9 8 , g a m e lh u b e y p r o j e c t o f f i c e , 1 9 9 9 : 8 1 1 2 2 d i n g y .- q . , y z h a n g , q . ma , y - j . l i u o a c t i v i t i e s o f e a s t a s i a s u m m e r m o n s o o n a n d r a in s t o r m c o n c e n t r a t i n g p e r i o d o f m e i y u s e a s o n o v e r t h e y a n g t z e - h u a ih e b a s i n s i n 1 9 9 9 0 g a me i hu b e x p r oj ect of f i c e, 1 9 9 9 : 1 -4 2 3 陶诗言，孙淑清， 赵思 雄等。中国 之暴雨。 北京: 科学出 版社。1 9 8 0 2 4 程麟生， 冯伍虎。 双向 嵌套网 格和 “ 9 8 7 ” 特大暴雨模拟。 高 科技 研究中的 数值计算， 2 0 0 0 , 6 : 4 6 5 - 4 7 8 2 5 程麟生， 冯伍虎。 9 8 7 ” 突发大暴雨及中 尺度低涡结构的 分析和数值模拟。 大气科学， 2 0 0 1 , 2 5 : 4 6 5 4 7 8 2 6 李柏， 曹 性善， 周昆， 陆 大春。 江淮梅雨锋暴雨过程中尺度系统的演变及结构特征分 析与研究。气候与环境研究，2 0 0 1 , 6 ( 2 ) : 1 6 5 1 7 3 2 7 贝耐芳， 赵思 雄。1 9 9 8 年 “ 二 度梅” 期间 突发强暴雨系统的中 尺度分析。 大气科学， 2 0 0 2 , 2 6 ( 4 ) : 5 2 6 - 5 4 0 2 8 胡 伯威，崔春光，房春花。1 9 9 8 年7 月2 1 -2 2日 鄂东沿江连日