（气象学专业论文）西南低涡对华南暴雨增幅的动力机制研究.pdf

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 作者签名：缝 日期；塑! ：- 墨 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 2 、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已在论文中作了声明 并表示了谢意 作者签名：垄童：查 日期：型! ：! ：! 壁 摘要 本文利用n c e p 再分析资料对2 0 0 6 年6 月1 3 - 1 4 日华南大暴雨发生 过程的天气形势和物理量场进行。通过分析和诊断，对各种尺度的天气 系统在暴雨发生过程中产生的作用进行了较全面的解释。并利用非平直 基流扰动波包对称发展的理论，从中尺度能量方面探讨了西南低涡对华 南暴雨增幅的动力机制。得出的主要结论如下： 通过对1 9 8 0 - 1 9 9 9 年4 到9 月有西南低涡影响华南地区发生暴雨的 天气过程进行普查和统计。统计表明：西南低涡对华南暴雨的影响主要 集中在5 、6 、7 月份，占8 7 ，此时也正是华南地区发生致洪暴雨频率 最高时段。5 0 0 h p a 高度场上可以看出，欧亚大槽的存在、副热带高压位 置偏南和东部沿海地区的高压脊是形成影响华南地区暴雨的西南低涡的 大尺度环流背景，低层7 0 0 h p a 和8 5 0 h p a 两层在四川盆地一带存在明显的 低涡环流，东部沿海均是高脊区，对上游天气系统起到阻挡的作用。从 温度场上看，在低涡的南部为大范围的暖值区，并存在暖舌，暖舌一直 伸到低涡的中心位置，这种大范围的暖值区有利于西南低涡发生、发展 和加强。 副热带高压和西风带槽脊为水汽的输送、冷暖空气的交汇、急流等创 造了大尺度的环境条件；高空急流与低空急流的配合有利于垂直运动和 垂直环流发生，同时也使高低空动量交换，促进涡旋的形成；西南低涡 和急流是产生暴雨的直接和重要影响系统，暴雨的发生与西南低涡及 8 5 0 h p a 孟湾地区的水汽通量有着密切的联系；而5 0 0 h p a 较强的负螺旋度 有利于低层低涡的发展加强；通过物理量的诊断，证实了这些物理量的 变化与本次暴雨天气过程是吻合的，各种条件都有利于暴雨的发生与发 展。 从理论上探讨了非纬向平直基流在梯度风平衡下中尺度扰动波包发 展的问题。当华南上空维持一支气旋性的低空急流时，在梯度风平衡下， 西南低涡向华南东移时，重力波能量向南传，与华南地区的不稳定波能 量叠加，使得处于此地的不稳定波能得以增加，从而对华南暴雨有正贡 献，即对暴雨有一定的的增幅作用。 关键词：西南低涡；暴雨增幅；重力波；急流 a b s t r a c t t h i sp a p e ru s et h eg l o b a lr e a n a l y s i sd a t ao fn c e pa n a l y z e dt h es y n o p t cs i t u a t i o n a n dp h y s i c sq u a n t i t yf i e l do f ar e i n s t m l l lp r o c e s si ns o u t hc h i n af r o m1 3t 0 1 4 j u n e , 2 0 0 6 t h r o u g ht h ed i a g n o s i sa n da n a l y s i s ，t h ea f f e c t i o n so fs e v e r a lw e a t h e rs y s t e m so n d i f f e r e n ts c a l f si nt h er a i l l s t o r mp r o c e s sh a v eb e e ni l l u s t r a t e dc o m p l e t e l y a l s ou s et h e t h e o r i e so fd i s t u r b a n c ew a v ee n s e m b l eu n d e rn o n z o n a lb a s i cf l o w , t h ed y n a m i c a l m e c h a n i s mo f t h ei n c r e a s i n gt or a l n s t o r mc a u s e db yt h es o u t h w e s t - v o r t e xw a sd i s c u s s e d f r o mm e s o - s c a l ee n e r g ya s p e c ln m a i nr e s u l t s 辨y i e l d e da sf o l l o w s ： b y1 9 8 0 - 1 9 9 9 ，4 - 9m o n t h s ，t h es o u t h w e s tl o wv o r t e xa f f e c tt h es o u t hc h i n a r e g i o n r a i n s t o r mw e a t h e r p r o c e s sp r o n ki n v e s t i g a t i o n a n ds t a t i s t i c s i t ss h o w t h a t ：s o u t h w e s t - v o r t e xi n f l u e n c e ss o u t hc h i n ar a i i l a t o r mm o s t l yi nm a y , j u n ea n dj u l y , w h e nf l o o d - c a u s i n gs t o r m sa p p e a rm o s tf r e q u e n t l yd u d n gt h ey e a r t h ee x i s t e n c eo f e u r a s i a nt r o u g h , t h es o u t h w a r d - m o v i n go fs u b t r o p i c a lh i g ha n dt h ed d g eo v e re a s tc o a s t a r et h ec i r c u l a t i o nb a c k g r o u n dt of o r ms o u t h w e s t - v o r t e x s i m u l t a n e o u s l y , l a r g es c a l eo f w a h i l e r8 1 e ai nl o w e rl a y e ri sf a v o r a b l et ot h eg r o w t ha n ds t r e n g t h e n i n go f s o u t h w e s t - v o r t e x t h e s u b t r o p i c a lh i g h t r o u g ha n dd d g em o v i n ga l o n gt h ew e s t e r l i e st ot r a n s p o r tf o r w a t e rv a p o r ，t h ec o l da n dw a r n l j e te t c c r e a t e dt h ee n v i r o n m e n tc o n d i t i o no fl a r g es c a l e u p p e ra n dl o wl e v e l j e ta r ea d v a n t a g e o u st 0v e r t i c a ls p o r ta n dc i f c u l a t i o no c a n r r e n c e a l s o m a k i n gt h eh i g hl o wa l t i t u d em o m e n t u me x c h a n g e ，p r o m o t i n gt h ef o r m a t i o no f w h i r l p 0 0 1 s o u t h w e s t - v o r t e xa n di e t 眦t h ed i r e c ti n f l u e n c es y s t e m st or a i n s t o r m , t h e r e sc l o s e r e l a t i o n s h i pa m o n gt h eh a p p e n i n go fr a i n s t o r m , s o u t h w e s t - v o r t e xa n dt h ev a p o rf l u xi n t h eb e n g a lb a yo i lt h e8 5 0 h p a , a n dt h em i n u sh e l i c i t yo nt h e5 0 0h p aw a sp r o p i t i o u st o t h ed e v e l o p m e n to fl o wp r e s s u r ei nl o w e rl a y e r f o r mt h e s ed i a g n o s t i c s ，itw a s c o n f u m e dt h a tt h e s ev a r i e t yo fp h y s i c a lq u a n t i t ya n dt h er a i n s t o r mp r o c e s sa r ef i t t o g e t h e r , v a r i o u sc o n d i t i o n sa l la l ea d v a n t a g e o u st ot h eo c c u r r e n c ea n dt h ed e v e l o p m e n t o f r a i n s t o r m e f f e c t so fn o n z o n a lh a s i cf l o ww i t ht h eb a l a n c eo fg r a d i e n tw i n do nm e s o d i s t u r b a n c ew a v ee n s e m b l ea r ci n v e s t i g a t e d t h e r e sac y c l o n i cs o u t h w e s tj e ti nt h e u p p e ra i ro fs o u t hc h i n a , u n d e rt h ec o n d i t i o no fb a l a n c eo fg r a d i e n tw i n da n dt h e s o u t h w e s t - v o r t e = 】【m o v et ot h es o u t hc h i n a , t h eg r a v i t yw a v ee n e r g ys p r e a d st o w a r dt h e s o u t h , w h i c hc a u s e d t h e i n c r e a s i n g o f e n e r g yo f i n e r t i a g r a v i t a t i o n a l w a v e o f s o u t h c h i n a a n dt h es o u t h w e s t - v o r t e xh a dt h ep o s i t i v ec o n t r i b u t i o nt ot h er a i n s t o r n lo fs o u t hc h i n a w h i c hm e a n si th a ss o m ei n c r e a s i n ge f f e c tt ot h er a i n s t o r m k e y w o r d s ：s o u t h w e s t - v o r t e x ；i n e r t i ag r a v i t a t i o n a lw a v e ；i n c r e a s e dr a n g eo fr a i n s t o r m ； j e t - 2 - 第一章引言 暴雨是影响人类社会生产活动的主要灾害性天气之一【啦l ，仅仅我国 为例，一般年份，由于暴雨灾害造成的直接经济损失就高达数百亿元。 1 9 5 4 年长江流域特大洪涝灾害、1 9 8 1 年7 月长江上游四川盆地的大暴 雨、1 9 9 1 年5 0 月江淮地区特大洪涝灾害、1 9 9 6 年夏季全国七大江河中 有五大江河的部分水系先后发生大洪水以及1 9 9 8 年长江、嫩江全流域的 特大洪水等，都在中国气象灾害史上刻下了很深的痕迹，令人们至今记 忆犹新。此外，在我国沿海地区，几乎每年都有因强台风登陆造成的局 地大暴雨，也经常造成重大损失，严重影响经济发展和生命安全。因此， 加强对暴雨灾害性天气的监测、研究与预报是气象工作的重要课题。 1 1 中尺度气象研究现状 关于中尺度天气的研究，从2 0 世纪初第一次世界大战时期皮叶克尼 斯( j b j e r k e n s s ) 和索尔贝格( h s o l b e r g ) 所傲的气旋和降水分析起，至 今已有相当久远的历史。但是中尺度天气学成为整个天气学的一个分支， 还是近几十年发展的结果，特别是近2 0 年来，中尺度天气在观测事实、 理论研究和实际预报方面都有了迅速发展 3 , s l 。仅就对强对流系统研究来 说，首先表现为得到了不少新的观测事实，初步给出了对流风暴的模式 i - t , s 。如在风暴内部有一支倾斜的强上升气流和下沉气流稳定的共存，使 风暴的演变过程有了更清楚的了解。其次是初步掌握了制约对流发展的 物理条件。早期的雷暴研究中l 川，提出了雷暴发生的三个基本条件：水 汽、条件不稳定层结和抬升机制但后来的观测与研究表明，这三个条 件，适用于弱垂直风切变环境中生长的普通雷暴，而对于有组织的对流 系统，尤其是强对流风暴，它们的发生、发展远比这三个条件复杂，在 强垂直风切变条件上雷暴内部气流与环境风的相互作用，有利于雷暴的 维持和发展，并使普通雷暴演变成对流风暴。在中尺度的触发机制方面， 除了锋面和地形以及干线( 能量锋) 等。由于加深了对中尺度触发机制 的了解，对于制约对流发展的物理条件有了进一步的认识，为中尺度对 流天气的定点、定时预报提供了有力支持。第三是数值预报模式的发展。 在大尺度数值预报模式业务化取得成功的基础上，中尺度天气模式的发 展也取得了显著成绩，使得一些中尺度天气系统能够通过数值模拟的得 以再现，为研究这些系统的发生、发展机理提供了可能。同时，中尺度 天气模式在实际预报业务中也开始发挥一定作用，不少气象台都已开始 在业务中运行中尺度数值模式。此外，围绕数值预报模式的建立，对其 中一些难题的解决也在取得进展，如资料同化、地形作用、参数化问题、 计算方法等。 1 2 中尺度气象研究的重要性、问题和任务 中尺度天气系统的研究已受到到地气象学家和政府部门日益广泛的 重视，越来越显示出其重要性和影响力。然而，为了做好对中尺度天气 系统的研究，首先要了解在这一领域中如何将相对复杂的内容进行合理 分类，存在哪些关键性难点，主要任务是什么，应重点向哪些方面发展 等问题。要阐明这些问题，涉及到内容会比较广泛。为了相对集中地反 映一些主要方面，可以借鉴一下在天气学领域发展的比较快、也比较全 面的美国大气科学界在2 0 世纪9 0 年代初期制定的“美国天气研究计划 ( u s w r p ) ”( 1 9 9 3 ) ，从中可以得到一些答案。 在( u s w r p ) 计划中，把具体的研究活动分为如下四组多学科综合 的科学问题。即：中尺度天气统，多尺度相互作用过程、水文气象影响、 物理过程和生物地球化学过程的相互作用，中尺度天气系统被放在首位。 在u s w r p 计划日标中明确指出：美国天气研究计划( u s w r p ) 的目标 是：提高天气监测能力、加深对天气过程机理的理解，并将这些成果用 以改进数值预报业务，提高天气预报服务水平。该项计划( u s w r p ) 中 的“天气研究的关键学科问题”一节指出：为了改进对中尺度天气过程 的认识，我们首先需要回答好下面五方面的问题，而这些问题构成了 “u s w r p ”科研议题的核心。这些核心问题分别是： ( 1 ) 确定中尺度天气系统的结构、移动和演变时，不同尺度系统 的相互影响起什么作用? 无论是大尺度还是小尺度天气过程都与中尺度 天气相互作用，从而产生区域、局地天气。非线性动力作用以及其它尺 度间的相互影响，如：不稳定层结，地面强迫及云、电、辐射等都对天 气过程演变产生影响，研究和认识这些相互作用的机制将有利于改进l 以 天的预报。 ( 2 ) 上述相互作用过程对大尺度天气过程的反馈作用如何? ( 3 ) 决定降水时段、位置、雨量和类型的过程有哪些? ( 4 ) 中尺度天气对水文的影响? ( 5 ) 可预报性局限问题。 该项计划还就中尺度天气系统研究的具体方面，提出了如下研究方 向； ( 1 )中尺度天气系统的结构和演变；( 2 ) 大量新的资料一旦能使 用，对其进行最佳时空同化；( 3 ) 局地和区域天气的理论和数值模式；( 4 ) 可预报性问题；( 5 ) 灾害性天气的影响和预报改进将给人类社会带来的 利益；( 6 ) 气候上有利于中尺度天气发展的区域。 1 3 中尺度系统发生发展机理的动力学研究 目前，一些学者认为| 9 , 1 2 , t 3 1 ，中尺度系统可以在天气尺度背景中通过 不稳定机制和非线性集中机制从无到有地产生出来，启动对流尺度系统 并将其组织为涡状或带状，又在对流系统的相互支持下维持较长的生命 史。这些看法如果是正确的话，解决中尺度系统的预报问题，前景还是 乐观的，从研究大尺度天气的角度，可能逐步延伸到中尺度系统。我国 位于东亚这一特定的环境，进一步加强对东亚，尤其是对中国的中尺度 系统深入研究，是中国科学家应尽的责任。通过研究，努力提示出在这 些中尺度系统中主要作用的动力机制。特别是对一些基本的中尺度动力、 热力学问题的研究与更需深入。诸如，自由的和强近的中尺度运动，中 尺度动力不稳定，中尺度适应问题，锋生理论、中尺度地形的动力作用， 积云对流过程以及中尺度模式及模拟等1 1 4 l 。这些问题所取得的进展将会 对中尺度系统发生发展的环境条件和触发机制的深入了解提供帮助。 1 3 1 与中尺度天气系统密切相关的低涡暴雨研究 从中国的具体情况看，每年影响较大的中尺度暴雨天气系统均是低 涡。多年来，国内外学者对涡度的发生发展的物理原因进行了深入的研 究和探讨1 1 2 脚8 1 。周伟灿从非平直基流中尺度扰动的发展作了研究n 0 】， 表明中尺度对称不稳定是中尺度系统发展的动力机制之一；丁治英等通 过研究分析得出 1 4 1 ，强暴发性气旋的形成与高空急流的非纬向性以及反 气旋弯曲密切相关。陈丽芳等【2 l ，2 6 建”1 着重分析了江淮梅雨锋与低涡的关 系，梅雨锋锋生特点、及其南北摆动，有利于了解暴雨低涡形成的锋面 及其结构特征。何光碧等着重研究了低涡与急流对j i i 东暴雨的影响，从 数值摸拟分析得出，低涡的维持有利于上空的垂直运动的发展，对暴雨 的发生提供了动力条件。 1 3 2 与中尺度天气系统相关的西南低涡暴雨研究 西南低涡是青藏高原特殊地形与环流相互作用的产物o ”。马振锋提 出1 1 7 , 1 s 1 ，低频重力波指数在提示西南涡系统和移动、发展及其暴雨、落 区显示了它的预测意义，从应用角度出发，对西南涡发生、发展及维持 进行了诊断分析。冯伍虎等认为1 1 9 , 2 6 1 ，1 9 9 8 年7 月2 0 - 2 3 日发生在武汉 及周边地区的特大暴雨过程与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的ma c s 和mb 岱直接有关；徐亚梅认为低空急流的加强对深厚西南涡发展及 稳定有维持作用1 2 。”川；卢敬华等t ”柚“1 认为西南低涡的初期形成与发展 和在大气低层的强暖平流、中层大气的强涡度平流输送有关 1 4 本文对西南涡对华南暴雨增幅的动力机制的研究思路及方法 西南低涡是我国最强烈的暴雨系统之一，就它所造成的暴雨天气的强 度、颓数和范围而言，仅次于台风及残余低压，重要性位居第二的暴雨系 统，由于西南低涡在暴雨形成中的重要作用，气象工作者十分重视对西 南低涡的研究。多数研究1 4 0 , 4 3 4 7 ，鸭划主要侧重于西南低涡的成因、结构及 特殊天气个例方面，对西南低涡影响华南地区暴雨的增幅缺乏系统性的 机制分析。 本文将首先对影响华南地区暴雨的西南低涡进行统计分析，然后以 发生在2 0 0 6 年6 月1 3 - 1 4 日的一次华南暴雨过程为例，对这次过程发生 的大尺度环流背景和物理量场进行分析，并利用非纬向平直气流扰动波 包发展的理论，从重力惯性波波能量方面探讨西南低涡对华南暴雨增幅 的动力机制。采用的资料包括：全球再分析资料n c e p 资料，其精度为 2 5 0 x 2 5 。、中央台t 1 0 6 模式资料、日本g m s 静止卫星云图资料、全国气 象台站网基本资料等。 具体各章的主要内容如下：第一章对中尺度气象研究的意义、现状、 进展、问题等做了概述；第二章对西南低涡对华南暴雨的影响进行统计 分析；第三章对本次过程的天气过程降雨实况与基本环流形势场进行了 分析；第四章对本次过程的大尺度物理量进行诊断分析；第五章对非平 直基流中扰动波包的对称发展进行了理论探讨：第六章针对西南低涡对 华南暴雨增幅的动力机制进行分析；第七章给出了分析、研究后的主要 结果和结论。 第二章西南低涡对华南暴雨影响的统计特征 2 1 西南低涡对华南暴雨影响的统计 西南低涡是指生成于四川附近，在8 5 0 h p a ( 或7 5 0 h p a ) 上有气旋性 环流的闭合小低压，直径在3 0 0 4 0 0 k m 。在原地时，可以产生一些阴雨天 气；移出时，常造成高原东部的江淮及华南等地区的强降水，两区主要 分布在低涡中心区或移向的右前方 为了统计方便，满足以下条件之一者，定义为出现一次西南低涡。 ( ) 8 5 0 h p a 成都、重庆、宜宾、达县、昆明、贵阳、恩施7 站中，有3 站构成气旋性环流，且中心强度1 4 4 位势什米。 ( 墓) 7 0 0 h p a 在四川盆地有高度3 0 6 位势什米的闭合气旋性环流。 根据以上指标，利用美国n c e p 再分析资料和历史天气图对 1 9 8 0 - 1 9 9 9 年4 到9 月有西南低涡影响华南地区发生暴雨的天气过程进行 普查和统计，将统计结果计于表一。 1 月份 456 78 9 i 1 次数 31 0l l6 0 2 i 表一1 9 8 0 1 9 9 9 年4 到9 月影响华南地区的西南低涡统计 从表中可以看出，影响低涡共3 2 个，3 2 个样本按月统计，以6 月最 多，为n 次，5 月为其次，l o 次，7 月也相对较多，为6 次，此三个月 的影响低涡占总数的8 7 。5 、6 、7 月正是华南强降水多发生月，最易 发生致洪暴雨，而此时西南低涡对华南暴雨的影响频率也最高，说明西 南低涡与华南暴雨有着一定的相关性。 2 2 影响华南暴雨的话南低涡大尺度环流背景 从上一小节统计表明，西南低涡与华南的强降水存在一定的相关性。 为了弄清西南低涡对华南暴雨的影响，有必要对影响华南暴暴雨的西南 低涡的环流背景进行归纳总结。为此，把5 、6 、7 月份的2 7 例影响低涡， 利用分辨率为2 5 x 2 5 。n c e p 资料，制作出5 0 0 h p a 、7 0 0 h p a 、8 5 0 h p a 高 度场、温度场的平均合成图，对有利于西南低涡生成的环流背影响进行 分析。 从图2 15 0 0 h p a 高度、温度平均合成图可以看出，5 0 0 t a p a 高度场，亚 欧大陆北部是宽广的大槽，在我国西部甘肃西藏一带存在明显的低槽 区，欧亚大槽不断分裂小槽，把冷空气不断补充到西部一带的小槽中。 我国东部沿海至日本半岛是隆起的高压脊，西太平洋副热带高压西段位 置偏南，北段伸至2 5 。n 附近，副高脊线在2 0 。n 处，副高中心强度偏 弱。从温度场看，温度槽均不同程度的落后于高度槽，温度脊落后于高 度脊，槽后存在冷平流，槽前存在暖平流，有利于低涡及高压脊的发展。 图2 15 0 0 h p a 高度场、温度场合成分析图 图2 27 0 0 h p a 高度场、温度场合成分析图 图2 38 5 0 h p a 高度场、温度场合成分析图 1 0 从图2 2 、图2 3 可以看出，7 0 0 h p a 和8 5 0 h p a 高度场在四川一带存在 明显的低值区闭合环流，即为所谓的西南低涡，低涡东部在1 2 0 。e 存在 高压脊区，对上游天气系统起到阻挡作用。从温度场上看，在低涡的南 部，两层均为大范围的暖值区，并且在7 0 0 h p a 图上还可以看到明显的暖 舌，暖舌一直伸到低涡的中心位置。这种高低压场存在着自下而上向西 倾斜的垂直结构和温压场的配置都对低涡的发展和加强有利。 2 3 小结 通过对t 9 8 0 - 1 9 9 9 年4 到9 月有西南低涡影响华南地区发生暴雨的 天气过程进行普查和统计，统计表明：西南低涡对华南暴雨的影响主要 集中在5 、6 、7 月份，此时也正是华南地区发生致洪暴雨频率最高时段。 欧亚大槽的存在、副热带高压位置偏南和东部沿海的高压脊是形成西南 低涡的有利环流背景，低层大范围的暖值区有利于西南低涡的发展和加 强。 第三章暴雨发生的实况与基本天气形势场分析 本章对发生在2 0 0 6 年1 3 1 4 日的一次华南大暴雨天气过程的天气背 景和降雨实况进行了初步分析：指出了影响暴雨发生的主要天气系统； 给山了实况资料、卫星云图产品的分析和显示结果。 3 1 降雨实况 2 0 0 6 年6 月，受强盛的西南暖湿气流和北方南下的冷空气共同影响， 广西出现了大范围持续性的暴雨( 见图3 1 ，3 2 ，3 3 ) 。 图3 12 0 0 6 年6 月1 2 日2 0 时- 1 3 日2 0 时的厂西降水量图 图3 22 0 0 6 年6 月1 3 日2 0 时1 4 日2 0 时的广西降水量图 图3 32 0 0 6 年6 月1 2 日2 0 时1 4 同2 0 时的广西降水量图 1 3 从6 月】2 时2 0 时至1 4 同2 0 时的降水量图可以看到，广西出现了 4 0 站降水大于5 0 m m 的暴雨区，差不多占了整个广西的5 0 区域，并且 还有1 3 站出现了降水大于1 0 0 r a m 的特大暴雨区。总体来说，这次暴雨 天气过程对广西各地市均造成不同程度的灾害，局部地区受灾严重，对 工农业生产造成一定的影响。 3 2 产生暴雨的环流形势特征及演变 3 2 1 高空形势演变 从5 0 0 h p a 形势图上看，2 0 0 6 年6 月1 2 日0 8 时，贝加尔湖地区维 持一个西藏到青海南部为一东西向的横槽，其东南部不断有分裂的小槽 东移，引导冷平流补充到1 0 5 。e ，2 8 。n 的高原槽内，位于台湾东部的 副热带高压开始西伸，5 8 8 线向东南沿海扩展，副高脊线在北纬2 0 度左 右( 见图3 4 ) 。这次副高的变化为后来的华南强降水创造了有利的条件。 0 6 212 , 1 u n 2 0 0 65 0 0 h p , ah g t t d ； 图3 42 0 0 6 年6 月1 2 日0 0 时5 0 0 h p a 形势图 图3 52 0 0 6 年6 月1 3 日0 8 时5 0 0 h p a 形势图 图3 62 0 0 6 年6 月1 4 日0 8 时5 0 0 h p a 形势图 1 5 1 3 日0 8 时5 0 0 h p a 天气图上，东亚大槽东移，横槽断裂，与高原上 新生的小槽共同形成阶梯槽的形式东移。副热带高压西进，整个华南地 区处于东南高西北低的形势。有冷空气从长波槽中分裂的小槽沿青藏高 原北部不断向东南扩散，与沿副高环流北上的暖湿空气交汇于华南地区 上空( 见图3 5 ) 。1 4 日5 0 0 h p a 天气图上，副高分裂，东亚大槽东移， 环流形势调整f 见图3 6 1 。 7 0 0 和8 5 0 h p a 图上的基本特征是1 2 日0 8 时四川盆地的东部宜宾出 现了低涡，华南的西南风加强( 见图3 7 ) 。1 3 日0 8 时西南涡东南移至贵 州中部，中心为1 4 3 h p a 的低压，有暖式切变线生成，华南地区切变线南 侧的西南风和切变线北侧的偏东风风速逐渐增大，进一步加强形成了一 支明显的西南东北向的低空急流。由于西南风风速增大，切变线附近的 辐合加强，湿度增大，此次过程的低涡较深厚( 见图3 8 ) 。1 2 日和1 3 日0 8 时7 0 0 h p a 天气图上均可以分析出明显的低涡环流。1 4 日0 8 时切变 线分成两段，一段从河池南落到桂中，另一段北抬东移，造成了1 3 1 4 日的华南强降水( 见图3 9 ) 。 图3 7 2 0 0 6 年6 月1 2 日0 8 时7 0 0 h p a ( a ) 形势图 图3 8 2 0 0 6 年6 月1 3 目0 8 时7 0 0 h p a ( a ) 形势图 图3 92 0 0 6 年6 月1 4 日0 8 时7 0 0 h p a ( a ) 形势图 1 7 图3 1 02 0 0 6 年6 月1 2 日0 8 时8 5 0 h p a ( a ) 形势图 图3 1 12 0 0 6 年6 月1 3 日0 8 时8 5 0 h p a ( a ) 形势图 1 8 图3 1 22 0 0 6 年6 月1 4 日0 8 时8 5 0 h p a ( a ) 形势图 3 2 2 地面形势演变 从6 月1 2 日的地面天气图可以看出，维持一个较强的蒙古高压，冷 锋从东北一直牵伸到内蒙的南部，四川盆地维持低压区，华南地区处于 出海高压后部，华南维持东高西低的形式，四川地区有雨区生成( 见图 3 1 3 ) 。1 3 日，华南地区处于深厚的暖低压系统内，锋面进入河套，雨区 向南移至华南北部地区( 见图3 1 4 ) 。1 4 日，锋面快速南压到华南中部一线， 华南地区普降暴雨到大暴雨，出现了大范围2 4 小时雨量超过l o o m m 的 站点( 见图3 1 5 ) ；1 5 日，锋面移出海面，此次华南强降水天气过程结束 ( 见图3 1 6 ) 。 图3 1 32 0 0 6 年6 月1 2 日0 8 时地面形势图 图3 1 42 0 0 6 年6 月1 3 日0 8 时地面形势图 2 0 图3 1 52 0 0 6 年6 月1 4 日0 8 时地面形势图 图3 1 62 0 0 6 年6 月1 5 日0 8 时地面形势图 2 i 3 2 3 卫星云图实况 从图3 1 7 的o o 点的卫星云图可以看出，1 3 日o o 时在贵州和广西的 交界，有一个强的对流云团发展，随着低涡东南移发展为华南切交线， 冷暖空气交汇于华南北部一带，从后面几张图可以看出，在这一区域逐 步形成一东西向的云带，从午后到夜间，云带发展，该云系向南移，且 又不断有新的云团生成，存在着多个对流云团，这些云团基本上是沿切 变线东移的中口对流系统。 图3 1 72 0 0 6 年6 月1 3 日0 8 至1 4 日0 2 时静止卫星云图 6 月1 4 日，在广西的中部有大块的对流云团发展，总体上看，云系 发展比较系统，从相对独立的云团演变成为较系统的云系( 见图3 1 8 ) ， 这与6 月1 4 日广西大范围的暴雨区实际情况是吻合的。随着切变线和锋 面的南压，云团明显南压至广西南部。 从卫星云图上的云系演变情况看，与过程降雨实况和天气图上反映 的整个天气形势演变的情况是相一致的。卫星云图上的云系演变对分析 降雨过程显得更为直观。 图3 1 82 0 0 6 年6 月1 4 日0 8 至1 5 日0 2 时静止卫星云图 3 4影响本次暴雨过程的主要天气系统及其作用 从上一节的天气形势分析，初步阐述了在本次暴雨的西南低涡、高 空槽、低空切变线和锋面等系统起到的重要作用及演变情况。本节对本 次过程中发挥作用的影响系统进一步说明。 3 4 i 副热带高压 在本次暴雨过程中，副热带高压发挥了很重要的作用，1 2 日副高西 进的过程，是本次暴雨发生的重要大尺度环境背景之一，它的西进，从 而引起华南低空的低空急流，对水汽输送、环流调整、能量交换等起着 重要的作用。 3 4 2 东亚大槽 位于内蒙古中部至贝加尔湖一带的东亚大槽，冷空气在槽附近堆积， 并在东移的过程中将冷空气输送到西藏至青海一带的阶梯槽中，与副高 北侧的暖湿气流汇合，造成强降水，持续的冷空气东移有利于形势的稳 定和降雨。 3 4 3 中尺度低涡 在这次暴雨过程中另一个起作用的系统是西南低涡，它的发展和东 移对华南暴雨发挥着重要的作用。一方面，它是引发暴雨的触发机制。 另一方面，它的维持和东移，对本次暴雨的增幅有正贡献。 3 4 4 高低空急流 大尺度环流的调整引起急流的发生和变化。大范围气压场的调整使 原有的风压场平衡遭到破坏，使风场随之发生变化。 在本次暴雨之前，中高纬度高层已有一支高空急流。它的维持对其 西南面的低涡有增强的作用。另外，低涡的东移和副高的西进，引起华 南上空出现低空急流。由于高空急流存在，偏差风的加大，而使得西南 地区低层辐合，高层辐散加强，从而引起垂直环流的加强。通过上升气 流净低层较小动量的气团带到高层，通过下沉气流将高层较大水平动量 的气团带到低层。这种高低层动量的交换在高空气流存在的条件下使得 低涡发展，进一步使低空急流加强，形成更有利于超地转风维持的条件， 从而对华南的暴雨有正贡献。 3 5 小结 本章通过利用多种探测和分析资料揭示了本次暴雨过程中的降雨实 况和基本天气形势的演变情况，并指出了造成暴雨的各主要影响系统， 进一步阐明和分析了各主要影响系统对此次暴雨天气过程的贡献。 第四章引发华南暴雨过程的大尺度物理量诊断分析 中尺度暴雨的发生、发展，与大气环境中一些大气物理量发生迅速 变化相关，如涡度、散度、垂直速度等。这些物理量的变化与暴雨产生 的时间、位置和强度有密切关系。大尺度背景场的调整可以引起局部物 理量的迅速变化，通过对描述动力场变化的物理量计算，进一步分析暴 雨发生的物理结构，为掌握暴雨发生和发展成因提供基本依据。本章主 要针对在这次暴雨过程中发挥作用的几个主要的物理量进行诊断分析， 以阐明它们对暴雨发生所起的具体影响及作用，定量揭示暴雨过程中的 变化情况。诊断分析所用的资料为t 1 0 6 资料和2 5 0 2 5 。的n e c p 的再分 析资料。 4 1 涡度场条件分析 涡度是表示流体质块的旋转程度和旋转方向。为了了解本次暴雨过程 的涡度的分布和变化，我们可以看图4 1 至图4 8 。图4 1 至图4 4 是6 月 1 2 日0 8 时至1 3 日2 0 时8 5 0 h _ p a 涡度分布图，1 2 日0 8 时，在广西北部 上空有一个正涡度中心，说明此地存在一个鞍强的上升气流区，1 2 日2 0 时和1 3 曰0 8 时，涡度区范围扩大，履盖了整个华南地区，1 3 日2 0 时涡 度值减小，涡度区东移华南上空的开始减弱，上升气流减弱。图4 5 至图 4 8 是6 月1 2 日0 8 时至1 3 日2 0 时2 0 0 h p a 涡度分布图，可以看出，1 2 日0 8 时至1 3 日2 0 时，整个华南上空都维持着负涡度，1 3 日0 8 时，负 涡度中心最强。华南地区上空在8 5 0 ”a 层为辐合区，2 0 0 h p a 层为辐散区， 这种低层辐合、高层辐散的配置是有利于该区域出现暴雨的。这与第三 章分析降雨实况的结果是一致的。 图4 16 月1 2 曰0 8 时8 5 0 h p a 涡度分布图( 单位：1 0 “s - 1 ) 图4 26 月1 2 日2 0 时8 5 0 h p a 涡度分布图( 单位：1 0 “s 。) 2 6 图4 36 月1 3 日0 8 时8 5 0 h p a 涡度分布图( 单位：1 0 “s 。) 图4 46 月1 3 日2 0 时8 5 0 h p a 涡度分布图( 单位：1 0 _ 6 s - 1 ) 2 7 图4 56 月1 2 目0 8 时2 0 0 h p a 涡度分布图( 单位：1 0 “s - 1 ) 图4 76 月1 2 日2 0 时8 5 0 h p a 涡度分布图( 单位：1 0 “s 。1 ) 2 8 图4 76 月1 3 日0 8 时8 5 0 h p a 涡度分布图( 单位：1 0 “s “) 图4 86 月1 3 日2 0 时8 5 0 h p a 涡度分布图( 单位：1 0 - 6s 。1 ) - 2 9 4 2 水汽条件分析 水汽来源和输送与雨强密切相关。充足的水汽是产生降雨的必要条 件。判断这一条件是否满足可以通过计算水汽通量的变化来实现。单位 1 气压差、单位长度的水汽通量为：- - 1q l ，。 g 图4 9 至4 1 1 利用此公式计算出的水汽通量分布图，从图中可以看 到，6 月1 2 日2 0 时，水汽通量最大区还在华南的西部，随着时间的推移， 到1 4 日，最大区移至华南上空。此时配合我区上空副热带高压西北侧的 低空急流，有利于中南半岛、南海西部、桂北一带建立了一条较强的永 汽通道，将南海上空的水汽向华南输送，华南上空的可降水量得到明显 的补充，在华南上空形成了大范围的高湿区，处于高饱湿的状态，为此 次强降水的发生提供了流沛的水汽条件。 图4 92 0 0 6 年6 月1 2 日2 0 h8 5 0 h p a 水汽通量图( 单位：g c m h p a s 一) 图4 1 02 0 0 6 年6 月1 3 日2 0 h8 5 0 h p a 水汽通量图( 单位：g c m h p a s 一) 图4 1 i2 0 0 6 年6 月1 4 日2 0 h8 5 0 1 & a 水汽通量图( 单位：g c m h p a s _ 1 ) 3 1 3 3 稳定度条件分析 此次大暴雨过程强度大，伴有雷电，属强对流性暴雨，表明大气层 结极不稳定。从1 3 日0 8 时的t - l n p 图上可以分析得出，广西中北部的 柳州、河池、桂林各市k i 指数均大于3 5 。，桂林站k i 高达3 8 。，不稳 定区域范围很大。用假相当位温随高度的变化表示稳定度，分析v 氏 ( 5 0 0 8 5 0 ) 分布，特征如图4 1 2 和图4 1 3 所示，我区中北部v 先 ( 5 0 0 8 5 0 ) 趋于零，表明对流低层是高温高湿区，它不但是产生暴雨所 必需的水汽输送，也是造成暴雨强对流所必需的位势不稳定能量的输送 者。另外，湖南南侧有冷空气向华南地区倒灌，阻挡暖湿气流向东扩散， 有使低层辐合加强的作用。这股冷空气的入侵，使辐合区的上升运动加 剧，这有利于对流不稳定的能量和潜热的大量释放，造成强降水。 图4 1 22 0 0 6 年6 月1 2 同2 0 时v 以。( 5 0 0 - 8 5 0 ) 分布图( 单位：) 图4 1 32 0 0 6 年6 月1 3 日2 0 时v 屯( 5 0 0 8 5 0 ) 分布图( 单位：) 3 4 螺旋度分析 螺旋度( h e l i c i t y ) 是一个用来衡量风暴入流气流的强弱及沿入流方 向的涡度分量大小的参数，是个描述环境风场气流沿运动方向的旋转 程度和运动强弱的物理参数。定义为风速度矢和涡度矢点积的体积分， 表示为 h t = 奸碍x ；出 它反映了大气的动力场特征，能够很好地描述大气运动的性质和特 点。研究表明，它对强对流及大暴雨天气的预报具有一定的指示意义。 此次大范围的暴雨天气过程，从螺旋度的水平分布图( 图4 1 4 、图 4 1 5 ) 来看，1 2 日2 0 时5 0 0 h p a 最大负螺旋度中心在贵州西北部( 图4 1 4 ) ， 与其相对应的下层是中尺度低涡，这种配置有利于维持较强的上升运 边，促进地面气旋的发展。1 3 日2 0 时5 0 0 h p a 最大负螺旋度中心移快 速移至华南地区( 图4 1 5 ) ，雨带也由北向南移。螺旋度的变化大致反 映了暴雨的强弱和走向，有一定的指示意义。 图4 1 4 2 0 0 6 年6 月1 2 日2 0 时5 0 0 ”a 螺旋度分布图( 单位：m s 一2 ) 图4 1 52 0 0 6 年6 月1 3 日2 0 时5 0 0 1 1 p a 螺旋度分布图( 单位：m - 2 s t ) 4 5 小结 利用n c e p 再分析资料，对这次华南大暴雨天气过程进行了涡度、 散度、水汽通量、大气层结不稳定、螺旋度等相关物理量的诊断分析， 分析表明：整个过程，华南上空低层为大范围的正涡度，高层为负涡度， 这种低层辐合高层辐散场有利于激发垂直上升气流；从稳定度分析，该 区域大气层结极不稳定；从螺旋度分析，暴雨区为负螺旋度区和中性螺 旋度区，螺旋度的变化大致反