（气象学专业论文）长江下游梅雨锋中尺度涡旋统计分析与模拟研究.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： i 、坚持以掰求实、创新静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，不包含其他入或其它机构已经 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。 作者签名公建五 日 期： 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阕；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：签垒定 日期： 摘要 应用近年来长江下游建医繁援观溅、加密观测资料和遥感资料，结合数值固化模毅结 果，统计1 9 9 8 2 0 0 5 年长江下游地区梅雨期与暴雨相关的中尺度低涡的基本活动规律，包 括低涡的源遗、移动路径、持续时闻、尺度及关联的对流活动等，绘制可区分尺度帮对流 活动的低涡源地和移动路径图。在此基础上选取一定数量的低涡进行合成分析和诊断，研 究长江下游地区有利予中尺度低涡发生的天气形势和环境条件，并利用模式输出的高时空 分辨率资料，从垂直向基流二次切变、干侵入等中尺度方蕊对低涡进行诊断分析，揭示中 尺度低涡发生发展机制和影响暴雨的作用。得到主要结论如下： ( 1 ) 长江下游地区中尺度低涡的源地在大别由地区，水平尺度尺度多在l o o k m - - 4 0 0 k m 之间，獯直尺度一般在1 0 0 0 h p a 到7 0 0 h p a 的高度层内。低涡生成后的移动路径有 两类，一类浍东北方囱移动，在由系池部沿海入海，另一类浍东南方向移动，在涯苏南部 到浙江北部沿海入海，在陆地上的生命期一般小于4 8 h 小时。约7 0 以上的低涡因激发一 次或多次强孛尺度对流系统发展丽产生强降承，暴雨区主要发生在低涡舱南锱或东南侧， 与中低空暖湿气流相关。进一步对低涡形成的天气形势和环境条件分析表明，9 0 以上的 低涡是生成于槽底和横前，槽前的涡度平流输送是低涡形成的必要条件之一。高低层急流 配置、低层水汽输送、低层锋区和地形的存在都对低涡的生成起到至关重瑟的作用。 ( 2 ) 大部分低涡降水区基本流场都存在二次切变或者非线性切变，而这种情况正是涡 旋r o s s b y 波产生的物理根源，因此涡旋r o s s b y 波对于低涡暴雨系统的发生、发藏和移动 的物理机制有极其重簧的意义。研究结果表明：当垂直向基流风速二次切变u z z 0 ，且高 层2 0 0 h p a 附i 凌孳l 导气流比较强时，低涡移向东j 基德东；当垂直向基流风速二次切变u z z 0 ， 3 4 图1 9 例举了2 2 日0 3 时和2 2 日1 2 时降水中心的u 风速廓线( 在雨团所在区域取u 风速 平均，下同) ，可以看出在2 0 0 h p a 一直存在一支很强的高空急流，而低空8 5 0 1 1 p a 的风速随 时间逐渐增大。从图2 0 ( a ) 可以看出，在垂直向风速二次切变还不是很明显的时候，降水区 上空中层正值区前有负值中心，这表明此时正有强对流发展，而到了1 2 时( 图2 0 b ) ，高 低层正值区前有负值区出现，中层全为正值区，这是涡旋对流发展到比较成熟的阶段。根 据文献【3 0 j 的理论分析可知，在这样的二次切变风速廓线下，横波型扰动( 主要是涡旋r o s s b y 波) 会被激发并产生不稳定，进而驱动低涡暴雨系统向东北向移动，而从模拟得到的路径 图( 图1 8 ) 上看整个低涡的移动都是朝向东北偏东方向，正好印证了前面的结论。 图1 8 低涡从2 2 日0 0 时至2 3 日0 0 时的移动路径图( 模拟) 图1 9 ( a ) 2 2 日0 3 时( 3 4 。n 、1 1 7 。e ) 和( b ) 2 2 日1 2 时( 3 5 。n 、1 1 9 。e ) u 风速廓线( 模拟) ，单位 m s 图2 0 ( a ) 2 2 日0 3 时承l ( b ) 1 2 时沿降水中心的相对涡度垂直剖面图( 虚线为正值，实线为负值，模拟) 5 1 2 2 移向东南 大多数有移向东南向的情况都是低涡移动期间里的一段时间，一般是先移向东北再转 向东南，或者先移向东南再转东北，少数从生成起到减弱消散一直移向东南的低涡。低涡 移向东南向的个例选取的是2 0 0 2 年6 月2 7 日o o 时至2 8 日o o 时的一次低涡暴雨过程，模 拟的低涡路径与实况吻合，低涡由3 2 5 。n 、1 1 2 。e 向东南偏东方向移动到3 1 5 。n 、1 1 9 。e ，模拟降水结果，在降水中心位置和雨带分布上与实况大致相同，雨带随着低涡的移动 往南移，降水量值前期有些偏小，后期偏大，且降水都发生在低涡南侧( 图略) 。 在0 6 时之前，雨团中心风速u 随高度变化有弱的二次切变( u z z o ) ，低涡移向东，略 偏东北向( 图2 1 ) ，到0 6 时，中层4 0 0 - 5 0 0 h p a 风速增大，使得u z z 0 ( 图2 2 b ) ，同时，低涡的移动开始转向东北向，这也和文献 3 0 】 的理论推导结果一致，从图2 3 ( a ) 可以看出，在移向东南向的时候，降水区上空中层正值区 3 5 前有非常明显的负值中心，而转向东北偏东时，高低层正值区前有负值区出现，中层全为 正值区( 图2 3 b ) 。 图2 1 低涡从2 7 日o o 时至2 8 日o o 时的移动路径图( 模拟) 图2 2 ( a ) 6 月2 7 日0 6 时( 3 1 5 。n 、1 1 6 。e ) 和( b ) 2 7 日1 4 时( 3 0 5 。n 、1 1 8 。e ) u 风速廓线( 模拟) ，单位 m s 图2 3 ( a ) 2 7 日0 6 时和( b ) 1 4 时沿降水中心的相对涡度垂直剖面图( 虚线为正值，实线为负值，模拟) 5 1 2 3 移向西南 低涡移向西南的个例比较少见，本文选取的过程是2 0 0 4 年6 月2 4 日0 0 时至2 5 日o o 时，在2 4 日o o 时低涡在3 2 5 。n 、1 1 7 5 。e ，到了0 3 时移动至3 1 5 。n 、1 1 5 5 。e ，接下 来模拟得比较成功，降水和低涡的移动都和实况对应很好。降水都发生在低涡的东南侧( 图 略) 。 这次低涡往西南方向的过程时间很短，持续出现向西南的低涡环流不过3 小时，雨带 也是随低涡的移动而向西南方向移动。从图2 4 a 、b 两张流场图上可以很明显的看到低涡向 西南的移动，在对应时刻的降水区的u 风速廓线都表现出u z z 0 ，且高层2 0 0 h p a 附近引导气流比较强时，低涡移向东北偏东；当垂直向基流风速二次 切变u z z 0 ，且中层急流比上下层略强，即u z z 绝对数值很小，低涡移向东南偏东；当垂 直向基流风速二次切变u z z 0 ，且中低层急流相对于高层急流很强的时候，低涡移向西南 向；当垂直向基流在中层的急流很强，上下急流不明显时，低涡移向西或西偏北向。这一 3 7 结论对于梅雨期间低涡暴雨的移动路径预报及暴雨落区有很好的指示意义。 5 2 干空气侵入 梅雨期间的暴雨过程是暖湿气流和干冷空气共同作用的结果，然而在对其研究过程 中，通常人们更关注于暖湿气流的作用，对干冷空气的作用没有重视。陶诗言等【3 4 】早就指 出梅雨气旋的发生发展都与西北方移来的高空冷槽相联系，冷槽将冷空气一次次地带下， 成为梅雨期间降水形成的重要成员。于玉斌等【3 5 】总结了干侵入对天气系统发生发展的作用。 寿绍文等【3 6 】的分析指出1 9 9 1 年的江淮梅雨暴雨过程具有高湿位涡值的高层冷空气沿等熵 面向南下降而加强的。吕梅等【3 7 l 对一次春季江淮气旋发展的诊断研究指出中低层暖输送带 和中上层冷输送带在气旋发展中起着非常重要的作用。在国外，气象学家早在2 0 世纪6 0 年代就注意到干侵入对暴雨影响，并开展了深入研究。d a n i e l s e n t 3 s l 就曾绘制了干空气侵入 气流的三维结构图。b r o w n i n g 等【”】于1 9 9 4 年阐述的干空气侵入和湿上升气流之间相互缠 绕关系及其输送带气流有关的概念模式奠定了干空气侵入理论发展的基础。根据输送带的 观点，气旋的发展是冷暖输送带相互作用的结果，当具有低湿球位温的干侵入气流叠置于 暖输送带之上时，容易出现位势不稳定，产生对流。d a v i s 等【4 0 】对气旋生成的位涡反演诊 断分析指出，高低层位涡的叠置对气旋生成和发展的重要性，高层的位涡异常是平流的结 果，低层的位涡异常是非绝热效应的结果。研究还发现，干空气侵入在锋面降水结构及演 变特征d i 等方面都起着重要作用。 这里对从2 0 0 3 年6 月2 1 日1 2 时至2 3 日1 2 时( u t c ) 发生在江淮流域的大范围的 暴雨过程进行模拟，并利用模式的高分辨率结果对这次梅雨锋暴雨作进一步研究，分析与 低涡相伴的干侵入特征，揭示与低涡相伴的干侵入机制。 5 2 1 暴雨天气形势与实况 这次暴雨是在稳定的大尺度环流背景下产生的。5 0 0 h p a 上，亚欧中高纬地区为两槽 一脊的环流形势，在贝加尔湖东侧，西西伯利亚地区有一高压脊，河套地区至西南一带有 一深厚的槽，这样的形势有利于引导北方冷空气持续南下。5 8 8 位势什米线始终维持在3 0 。n 附近，控制了我国江南中南部，华南到南海及其以东地区，其西侧从南海西部、江南 值华北以南地区上空盛行一支低空西南急流，这股西南气流主要来源于南海西部与孟加拉 3 8 湾，将海面上空的水汽源源不断地输送到江淮地区，与南下的冷空气交汇，为强降水的产 生提供良好水汽条件。 如图3 0 所示，2 0 0 3 年6 月2 1 日1 8 时至2 3 日0 6 时( u t c ) ，淮河流域普降暴雨和大 暴雨，降雨突发性强、雨强大并且大暴雨集中。其中安徽大部、豫中豫东、鲁中南、苏北 和鄂东等地出现了5 0 9 0 r a m 的降雨，皖西、豫东、苏西北部的局部地区以及鲁东鲁南、鄂东 的部分地区降雨量达1 0 0 1 5 0 r a m 。 w r f ( v 2 2 ) 中尺度数值模式结果提供了人量高分辨率可供分析的结果，为检验模式 的可靠性，下面分别对模拟的雨量结果、低涡路径和低涡中心气压与实况进行对比验证。 图3 0 b 为2 3 日0 0 时( u t c ) 2 4 小时模拟降水分布，与实况( 图3 0 a ) 对比可以看出， 暴雨的落区基本一致，暴雨中心位置基本吻合，在中心降水强度上，模拟最大降水量约为 1 6 0 m m ，比实况最大( 1 7 2 4 m m ) 略小。对比6 h 模拟降水量与实况( 图略) ，2 2 日o o 、0 6 、 1 2 、1 8 时和2 3 日0 0 时6 h 雨量中心位置和强度基本吻合，其中2 2 日1 2 时雨带的断裂， 出现两个降水中心都模拟出来。 低涡于2 2 日o o 时( u t c ) 最初出现在河南中部，然后向东北方向移动，并逐渐发展， 范围不断扩大，强度增强，2 3 日0 3 时( u t c ) 低涡中心气压达到9 8 5 h p a 。2 3 日1 2 时( u t c ， 下同) 到达朝鲜半岛北部西侧海面( 这时对江淮流域的降水已无影响，故本文不再对此后 时刻的低涡情况进行讨论) ，然后越过朝鲜半岛，进入日本海，强度开始减弱。由图3 l 可 以看出，模拟的低涡路径比实况要稍稍偏南一点，但是移动的趋势路径基本一致。另外， 从图3 2 上看，低涡中心气压的变化趋势大致相同，模拟的中心气压要大于实况，即模拟低 涡强度比实况要小，且实况最低气压值没有模拟出来。 总的来说，这次模拟还是成功，不管从降水位置、范围和强度，还是从低涡路径上看， 都基本与实况一致。 图3 06 月2 2 日0 0 时- 2 3 日0 0 时2 4 h 实况( a ) 和模拟( b ) 降水分布( 单位：咖) 图31 模拟( 实线) 与实况( 虚线) 低涡路径对比图 图3 26 月2 2 日0 0 时至2 3 日1 2 时模拟( 实线) 与实况( 虚线) 低涡中心气压变化曲线 3 9 5 2 2 干空气侵入分析 干空气侵入( d r yi n t r u s i o n ) 是指从对流层高层下沉到低层的干空气，它可以由高位势 涡度和低相对湿度两个特征来表征。从高层3 0 0 h p a 高度上的相对湿度分布图( 图3 3 a c ) 上可以看出，在低涡降水区的的西侧总是存在r h 6 0 的干侵入气流，舌状的干区在西北 气流的引导下向东南方向侵入，在该干区前沿相对湿度梯度最大，降水区也正落在该相对 湿度梯度最大处。在低涡发展过程中，干区内盛行着强盛的西北气流。在中层5 0 0 h