（气象学专业论文）“077”一次淮河暴雨的诊断分析及其不同降水方案的模拟试验.pdf

摘要 本文利用w r f 模式和n c e p 全球再分析资料，分析了2 0 0 7 年7 月8 日9 日江 淮流域的梅雨锋暴雨过程。本次暴雨过程有着非常好的水汽、热力、动力条件； 西南涡在东移过程中，与东北冷涡相互作用，在江淮流域不断产生切变线和低 涡，是本次大暴雨的触发机制；有利的环流背景场以及高低空急流的耦合，保 证了暴雨的持续性。为了更好地使用模式进行降水预报，构造了九种降水方案， 在两种分辨率( 3 0 k m 、1 0 k i n ) 下模拟，对模拟结果进行初步分析发现：对于同 一种降水方案，随着分辨率的提高，各方案模拟预报的降水强度有明显的改进， 但降水落区的改进不太大。微物理过程方案中，l i n 方案在降水强度上的模拟比 较接近实况，f e r r i e r 方案则对降水中心位置分布模拟较好，二者对分辨率比较敏 感：积云对流参数化方案中，浅对流k a i n f r i t s c h 方案对分辨率比较敏感。显式 降水决定了模拟总降水的雨带分布和降雨量大小，积云对流降水在一定程度上 影响模拟总降水的雨带宽度和降水中心的位置、强度，二者共同作用形成最大 降水中心。采用同一种显式降水方案，但采用不同对流参数化方案，模拟得到 的显式降水和隐式降水的分布和量值都有所不同，说明了次网格尺度参数化中 的热量和水汽输送，能对网格尺度的温度和水汽分布产生重要影响。 关键词：暴雨，诊断分析，w r f ，降水方案试验 i i i a b s t r a c t b yu s i n gt h ew r fm o d e la n dn c e pg l o b a lr e a n a l y s i sd a t a ，am e i y uf r o n t r a i n s t o r mo c c u r r e do v e ry a n g t z e h u a i h eb a s i nd u r i n g8 - 9j u l y2 0 0 7 ( “0 7 7 ” f o rs h o r t ) i sa n a l y z e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o w st h a tt h i s r a i n s t o r mp r o c e s sh a sv e r yg o o dw a t e r v a p o r ，t h e r m a le n e r g ea n dd y n a m i c c o n d i t i o n s ，t h es h e a rl i n ea n dl o wv o r t e xi nt h ey a n g t z e h u a i h eb a s i n ， g e n e r a t e db yt h ei n t e r a c t i o no fs o u t h w e s tv o r t e xa n dn o r t h e a s tv o r t e x ， a r et h em a i nm e c h a n i s mo ft h i sr a i n f a l l i no r d e rt oe n h a n c eo u ru n d e r s - t a n d i n go ft h ep r e c i p i t a t i o np r o c e s s ， 9s e t so fn u m e r i c a le x p e r i m e n t s i sc o n s t r u c t e dt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fi m p l i c i t e x p l i c i ts c h e m e s w h i c hs i m u l a t e st h e “0 7 7 ”m e i y uf r o n t a lh e a v yr a i n f a l la tg r i dr e s o l u t i o no f3 0 k ma n d1 0k mw i t hw r fm o d e l b a s e do nc a r e f u lr e s e a r c ho n p r e c i p i t a t i o nr e g i o na n dr a i n f a l l ，s o m er e s u l t sh a v eb e e ng o t ，w h i c ha r e s u m m a r iz e da s ：w i t ht h eh o r i z o n t a lr e s o l u t i o ne n h a n c e m e n t ，t h es t r e n g t h o ft h ep r e c i p i t a t i o nh a ds o m ei n c r e a s e da tac e r t a i ne x t e n t t h el i n 、 t h ef e r r i e ra n dt h ek fs c h e m ea r es e n s i t i v et ot h er e s o l v i n gc a p a b i l i 。 t y t h ep a r t i t i o no fe x p l i c i tp r e c i p i t a t i o n ，w h i c hl a r g e rt h a nt h e i m p li c i tp r e c i p i t a t i o n ，i st h em a j o rd e t e r m i n a n t o ft h eh o r i z o n t a le x t e n t a n di n t e n s i t yo fp r e c i p i t a t i o n k e y w o r d ：h e a v yr a i n f a l1 ，d i a g n o s t i ca n a l y s i s ，w r f ，p r e c i p i t a t i o ns c h e m e i v 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： 日期： 学位论文使用授权声明 伪、杰 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： 日期： 历，垄 1 1 数值预报发展动态 第一章前言弟一早月l j苗 自2 0 世纪2 0 年代r i c h a r d s o n 首次尝试数值天气预报试验以来，随着大气科学理论的 日益完善和计算机技术的迅速提高，数值天气预报( n w p ) 取得了飞速发展，并作为一种预 报手段在天气预报中扮演着越来越重要的角色。从2 0 世纪7 0 年代开始，数值预报模式的 应用领域逐步在时、空尺度向两极发展，由中短期天气预报扩展到短期气候预测、气候系 统模拟、短时预报以及临近预报；模式的结构也从单一的大气模式发展到海一气、陆一气相 耦合的系统：预报实效和可用性也大大提高，目前天气形势的可用预报已达到共至超过七 天。 随着社会经济的进步和发展，现代社会经济活动承受气象灾害的能力显得越来越脆弱， 需要更细致、更准确、更及时的“定点、定量、定时”气象预报保障服务。【l 】但是目前的 数值预报精度还不能达到社会的高需求，对一些复杂的灾害性天气过程如台风、暴雨等还 很难准确预测。影响制约数值预报效果来自两方面：一是l o r e n z 于1 9 6 3 年提出的“混沌” 理论，即天气气候长期演变的非周期与不可预见性，以及变化的可能结果对初始条件 的极端敏感性；二是数值模式实际预报的准确性、精确性。对于后者，则取决于数 值预报模式本身以及模式初始场质量。在目前的理论条件下，最大限度地减少降低模式 误差，是提高数值预报水平的有效途径。因此，当前数值模式发展的两大方向，一是研究 更成熟有效的资料同化技术方法，尽可能多的提取各种观测资料的有用信息，融合形成一 个模式最优初值场，从而提高预报结果的准确性。二则是通过改进和完善模式的动力框架 和物理过程参数化方法，使模式大气最大限度地近似于真实大气，减少误差。 自2 0 世纪8 0 年代开始，大气对内、外部强迫的响应受到普遍重视，与潜热释放、积 云对流、边界层物理、大气辐射有关的物理过程通过参数化引入模式，这些物理参数化又 被各种外场加密观测资料验证，“模式大气”越来越接近实际大气，使短期数值预报逐渐成 为天气预报技术的主流，并超过概率统计预报的准确率，特别是对爆发性气旋和那些有一 定斜压性的天气系统。然而，数值模式的不确定性在模式的各种物理过程方案中表现尤为 突出。因为数值模式中不可分辨尺度的运动统计特征是通过物理参数化方案来描述的，这 些统计量中仍含有不确定的因素，并会反过来作用于可分辨尺度的大气运动【2 】( l o r e n z ， 1 9 6 9 ) 。这是参数化方案本身所具有的不确定性。另外，对降水、辐射等物理过程认识的局 限，一种物理过程对应存在着多种描述方案。例如，m m 5 模式的湿过程就包括7 种积云对 流参数化方案和7 种显式水汽方案。因此，选取何种物理过程方案，是数值模式实际应用 中应该考虑的一个重要方面。 1 2 湿物理过程方案研究进展 云物理过程是中尺度数值模式中最重要的非绝热加热物理过程之一，成云降雨过程发 生以后通过感热、潜热和动量输送等反馈作用影响大尺度环流，并在决定大气温度、湿度 场的垂直结构中起着关键作用，也是人们最为关心的降水预报的关键所在( 陈德辉等，2 0 0 4 ) 【3 】。因此，云物理方案的开发、选择以及应用是当前中尺度数值预报模式研究的热点。 云物理过程方案分为微物理方案( 也称显式方案) 和积云对流参数化方案( 也称隐式 方案) 。微物理方案将网格尺度降水用显式法计算，即大气中水汽和水凝物的产生、平流和 相互作用等用格点上的预报方程直接计算。对流参数化是将网格尺度不能显式分辨的对流 凝结和对流引起的热量、水分和动量的输送与模式的预报变量联系起来。由于直接计算积 云尺度运动要求模式分辨率很高，计算量相当巨大 4 1 ，目前的中尺度数值模式( 如m m 5 、 w r f 、a r p s 等) ，都采用显、隐式相结合的混合方案来进行数值模拟，即用云微物理方案 描写可分辨尺度的降水过程，用积云参数化方案描写次网格尺度的降水过程。 近十几年来，许多学者对云物理过程方案进行了大量的应用研究和个例试验。张大林 等( 1 9 8 7 ) 【5 1 研究中尺度模式中非绝热物理过程的作用中指出，随着模式分辨率的提高， 考虑加入尽可能合理的各种非绝热物理过程极为重要。显式云物理方案需加入含有水相和 冰相的预报方程，以计入水负荷、凝结蒸发、冻结融化和凝华升华的影响。积云参数化需 包含湿下沉气流、中上层的云卷出和非降水性浅对流。从实测角度谈了上述物理过程在产 生中尺度环流的作用，指出在2 0 5 0 k m 之间时，积云参数化和显式云物理方案同时使用的 2 重要性。张大林等人( 1 9 8 8 ) 【6 】又使用一个1 8 小时的嵌套格点模式，研究了不同的物理过程、 对流和边界层参数化方案对导致1 9 7 7 年7 月1 9 - - 2 0 日j o h n s t o w n 的洪水的中尺度对流系统 产生的影响。发现对流和可分辨尺度的非绝热过程在中尺度对流系统的发展和演变过程中 起着：1 卜常重要的作用。潜热释放导致了强烈的垂直环流的发展、高层急流的产生以及中尺 度气压扰动的产生。潮湿的下沉气流通过产生出流边界的表面扰动而对中尺度对流复合体 的总的演化产生重要影响。m o l i n a r i 和d u d e k ( 1 9 9 2 ) 【7 】对积云对流参数化问题作过精辟的 综述，指出，当模式网格格距大于1 0k m 时，采用对流参数化和显示云微物理方案相结合 的方法，模式最有可能成功模拟出中尺度对流系统的结构及发展演变过程。k u o 等( 1 9 9 6 ) 隅l 利用中尺度数值模式m m 5 ，研究了各种积云参数化方案和可分辨尺度云微物理方案对一 次爆发性海洋气旋模拟的影响。w a n g 等( 1 9 9 7 ) 【9 】也用m m 5 模式针对美国大陆冷暖季的 六次降水事件对不同积云参数化方案进行了比较研究。后来，y a n g 等( 2 0 0 0 ) 1 1 0 1 在以上工 作基础上针对夏初影响我国南方的一次华南前汛期降水过程进行了研究。郭肖容等( 1 9 9 2 ) 1 1 1 】研究发现，云物理方案的选择与模式的分辨率有很大的关系。随着模式水平分辨率的提 高，用微物理方案直接模拟云降水过程的作用空间不断扩大，它所预报的降水总量同对流 参数化预报的总量的比例也不断增加。谭锐志等( 1 9 9 4 ) 0 2 1 讨论了5 种积云参数化方案在 台风暴雨中的适用性，结果表明：a r a k a w a - s c h u b e r t 方案能较好地描述台风暴雨过程大尺度 稳定度和湿度场结构。陈德辉等( 1 9 9 6 ) 【l3 】的试验结果表明：改进物理过程参数模式对台 风路径和台风强度的预报比简单物理过程模式有明显提高。王建捷等( 2 0 0 1 ) 1 4 1 考察了 m m 5 中4 种降水参数化方案和3 种模式水平分辨率对1 9 9 6 年8 月石家庄暴雨过程模拟的 影响，结果表明，随着分辨率的提高，雨带分布特征的模拟更接近实况，4 种方案下模拟 的水平环流基本特征有较好的一致性，但模拟的云物理特征和垂直运动特征存在一定的差 别：康丽莉等( 2 0 0 3 ) 1 1 5 1 针对江淮梅雨个例进行模拟试验，指出中尺度模式可在一定程度上 再现观测中的一些中尺度特征，对流参数化方案对网格格距大小比较敏感。陈静等( 2 0 0 3 ， 2 0 0 4 ) 1 6 - 1 7 】利用m m 5 模式，选择2 0 0 1 年8 月4 日的暴雨个例，深入分析了对流参数化方 案在中尺度暴雨预报中的作用，认为对流参数化方案和边界层方案对产生暴雨的水汽通量 散度、垂直速度、不稳定层结的影响明显，并指出由多模式物理参数化方案组合得到的集 3 合预报可以改进单一确定性预报结果不稳定的缺点。闫之辉等( 2 0 0 4 ) 1 8 1 对w r f 模式中 微物理过程方案进行了个例降水预报对比试验，同时对各方案的降水预报性能进行了初步 评估。模式的分辨率取2 0 k m 。对比结果发现：渤海雨区预报偏西北，且雨量偏弱，l i n 方 案最好；南方雨区，f e r r i e r 方案落区预报稍好，但中心雨量偏强；不同的积云对流降水参 数化方案对降水落区预报有明显差别，而格点可分辨尺度物理过程主要影响降水的强度以 及强降水中心的区域分布。徐国强等( 2 0 0 5 ) 利用w r f 模式研究不同云降水方案在中 国区域的应用特征，通过对我国冬夏季各一次降水过程进行模拟分析指出：在夏季， k a i n f r i t s c h 和b e r s m i l l e r 积云方案模拟产生的积云降水是有差异的，并且造成周围环境 大气状况发生不同的变化，k a i n f r i t s c h 方案可以使周围环境大气变得更湿、上升气流更加 深厚，更有利于网格尺度降水的产生；我国北方的冬季降水主要是网格尺度降水构成的。 李红莉、沈桐立等( 2 0 0 5 ) 利用m m 5 模拟1 9 9 9 年6 月下旬长江中下游一次暴雨过程时发 现，强降水中心位置及强度等仍与实况存在明显的差距，可能是由于模式中对于物理过程 的描述较为粗糙，与实际大气中物理过程存在差异所致。薛根元等( 2 0 0 7 ) 1 2 1 1 研究卡努台风 暴雨的模拟试验结果表明：不同对流参数化方案的预报和实况位涡场相关系数在积分初期 的影响较小，积分后期迅速增加，但影响主要是在低层，7 0 0 h p a 位涡场相关系数b m 方案 一直高于k f 2 和g r e l l 方案。李燕、邱崇践等( 2 0 0 8 ) 1 2 2 1 研究发现在m m 5 模式中g r 方案 和k f 方案考虑次网格尺度湿下沉气流，可在粗网格区域再现一些中尺度特征。 1 3 本文研究目的、意义和主要内容 我国是个多暴雨灾害的国家。暴雨的突发性、多发性、持续性，往往会对工农业生产 和人民的生命财产安全构成严重威胁，造成国民经济的巨大损失。随着社会经济的发展， 准确的暴雨预报已成为国家和公众生活的迫切要求。 淮河流域一直是我国旱涝灾害的一个多发区，具有“无降水旱，有降水涝、强降水洪” 的区域旱涝特征【2 扪。2 0 0 7 年6 月下旬以来，淮河流域普遍降了大到暴雨，部分地区降大暴 雨。受强降水影响，淮河流域发生仅次于1 9 5 4 年的流域性大洪水，安徽、江苏、河南三省 受灾严重，共有3 2 地( 市) 、1 9 3 县( 市、区) 3 2 0 8 6 万人受灾，因灾死亡3 9 人，紧急转移安 4 置1 4 4 1 万人；农作物受灾面积3 1 9 6 7 千公顷，其中绝收面积7 1 1 7 千公顷；倒塌房屋1 3 3 万间，损坏房屋2 9 4 万间，因灾直接经济损失达1 9 5 9 亿元。其中，安徽省受灾最为严重。 今年汛期，淮河洪水来势凶猛，虽经工程措施和非工程措施科学运用最大限度地减轻了灾 害损失，但涝灾损失依然惨重。由此可见2 0 0 7 年的这次极端天气引发的灾害极其严重。 对2 0 0 3 年的淮河暴雨，已经有了比较深入的研究和分析，而2 0 0 7 年的淮河暴雨，分 析研究还比较初步。本文主要对2 0 0 7 年7 月8 9 日江淮梅雨锋强降水过程进行诊断分析， 再应用w r f 模式，比较采用不同的积云参数化方案和云微物理方案的搭配，对雨带分布、 总降水量和降水的中小尺度结构特征的不同模拟效果，研究模式水平分辨率对降水方案模 拟的影响，为w r f 模式的降水预报应用提供一些参考。由于时间问题，本文的工作还是 初步的，有待今后的进一步的改进和深入分析。 5 2 1 降水实况 第二章暴雨过程诊断分析 2 0 0 7 年江淮流域从6 月1 9 日开始入梅，特别是6 月2 9 日至7 月1 0 日，淮河流域出 现了集中强降水，降水总量达到了近6 0 0 m m ，尤其是安徽北部、中部地区。在此划间，淮 州流域一共发生了7 敞暴雨天气过程，本文主要研究8 日 9 日江淮地区的连续性强降水过 样。蚓2 1 为根据常规地面站资料绘制的7 爿9 日0 8 时的2 4 小时累计降水量分布崮。雨 带主要分布在江淮流域，尔端在江苏、安徽境内呈准东西向带状，西端的河北、湖北境内 则为东北一西南走向。沿着雨带共山现4 个大降水中心和1 个小中心，中心数值在1 5 0 r a m 以上，白尔向曲分别位于江苏东部、江苏西部与安徽交界处、安徽西北部地区、河南南部 和湖北中部地区。 亏尸p 尸 尸f 图2 12 0 0 7 年7 月9 日0 8 时2 4 小时降雨量( 单位：r o a n ) 2 2 天气形势分析 人尺度环流形势是暴雨发生发展的背景，尤其对于我国江淮流域的梅雨降水，典型的 梅雨天气形势的存在对暴雨的维持和发展极为有利。本次强暴雨过程就是在典型的梅雨暴 雨形势f 发生的。 2 2 1 高低空形势场分析 南亚高压是夏季影响我国大范围旱涝分布以及亚洲天气的重要系统。由圈2 2 可以看 剑，7 月8 日7 月9 日期间，南亚高压主体位于伊朗及青藏高原上空，在伊朗形成稳定闭 台中心，在中国尔部脊线位于3 0 。n 附近。高压南部是热带东风急流，在其北部西风偏弱。 长江中下游地区主要位于南亚高压的东伸脊区下方。 0 7 0 8 - 0 01o o h p o 1 一u v 三震繁燃墓划 ：、j 一，上_ 导商c 、? t 3 0 。、二 圈2 22 0 0 7 年7 月8 日0 0 u t c ( a ) 、9 日0 0 u t c ( b ) 1 0 0 1 1 p a 高度场和风场( 单位：g p m ) 图2 3 为7 月7 日、8 日、9 日，1 0 日0 0 u t c 的5 0 0 h p a 高度场。7 日位于4 8 。n ，7 0 。 e 处的低压由于其低压槽向东南方向伸展，使得旁边的弱脊北伸，最终导致该低压在8 日o o u t c 完全孤立丁_ 高压脊区。正是由于它的存在，使得中高纬度不断有小的扰动沿脊线 向卜游传播。同时我国东北冷涡低压槽转竖南压，不断发展，尾部逐渐伸到江淮流域， 井使得其西部的高压脊也逐渐东移，副热带高压5 8 8 线逐渐移出中国沿海大陆。7 月8 日 一l o 日期间，我国上空5 0 0 h p a 环流形势早现稳定的一脊一槽型。 8 5 0 h p a 层上，7 日1 2u t c 起，四川东部开始出现西南涡活动。由图2 4 可以看出，由 7 西南涡引出一条切变线，并一直延伸至黄海，成为淮河流域的主要影响系统，东北地区则 处于东北冷涡的控制。8 日0 6 u t c ，西南涡东移减弱，东北涡南伸，北方干冷空气开始向 南爆发；与此同时，副高弱东退，江淮切变线有所南移。8 日1 8 u t c ，东北涡变强，槽区 继续向南伸展，在江淮流域形成一个新低涡，北方干冷空气传播到江淮流域，西南涡开始 逐渐与东北涡打通。9 日0 0 u t c 江淮流域新生成的低涡东移加强，更多的干冷空气沿着槽 后偏北气流南下，不断地在江淮流域与西南气流交汇。 分析后可知，西南低涡东移过程中，引导大量的水汽进入江淮流域，并在与东北低涡 的相互作用过程中形成切变线和新的低涡，造成了切变线、低涡所影响区域的大暴雨天气 过程。 图2 32 0 0 7 年7 月7 日0 0 u t c ( a ) 、8 日0 0 u t c ( b ) 、9 日0 0 u t c ( c ) 、1 0 日0 0 u t c ( d ) 5 0 0 h p a 高度场( 单位：g p m ) 8 0 7 0 80 08 5 0 h p ah u 、， 0 7 0 8 _ 0 68 5 0 h p oh u v 0 7 0 8 - 188 5 0 h p ah u v 0 7 0 9 _ 0 08 5 0 h p ah u v 图2 42 0 0 7 年7 月8 日0 0 u t c ( a ) 、0 6 u t c ( b ) 、1 2 u t c ( c ) 、1 8l t t c ( d ) 、9 日0 0 u t c ( e ) 8 5 0 h p a 高度场和风场( 单位：g p m ；m s ) 9 _ 删 删 瑚 瑚 埘 埘 脚 洲 2 2 2 高低空急流 低空急流是出现在9 0 0 h p a 一5 0 0 h p a 对流层低层、风速最大值1 2 米秒以上的西南风极 大风速带，是动量、热量和水汽高度集中的气流带。急流轴的左前方是正切变涡度区，在 急流核前方有明显的水汽辐合和质量辐合或强上升运动，对强对流活动的连续发展是有利 的。统计表明，绝大部分暴雨发生在低空急流轴左侧2 0 0 公里之内，其中多数义落在低空 急流中心的左前方。【2 4 】 3 0 0 h p a 或2 0 0 h p a 层上风速等于或大于3 0 m s 的强风区称为高空急流，其下方强垂直 切变的环境风能提供对流发展的动能，另外，急流区的强风有利于对流云顶质量辐散的增 强和上升气流的维持，同时起到散热作用，维持不稳定层结的存在，有利于对流云的垂直 发展。在梅雨锋暴雨过程中，常伴有高低空急流出现，对暴雨发生产生影响。特别是低空 急流，通过暖湿平流的输送产生位势不稳定层结、在急流中心前部造成较强的水汽和质量 辐合产生上升运动、在急流轴左前方产生有利于正涡度发展的风场结构，为强对流活动的 连续发展提供有利条件。 图2 5 和图2 6 给出了本次暴雨过程中低、高空流场的演变状况。图中可见，暴雨发生 前后，高、低空均有相应的急流系统伴随。8 日o o u t c ，西南涡东侧前方伴有范围较大的 低空急流，最大风速达1 8 m s ，湖北东部、安徽南部处在低空急流的左前方。随着西南涡 和东北冷涡的增强，副高东移，低空急流随之移出大陆，8 日0 6u t c 仅在湖北东部、安徽 南部有1 2 m s 的小闭合急流中心。到8 日1 2u t c ，西南涡东侧有新的急流生成，并在湖北 东部、河南南部、安徽中部有一个中心风速达1 6m s 的急流中心。8 日1 8u t c 低空急流 加强，范围扩大，覆盖了长江流域中下游，急流核位于安徽中部，最大风速达2 4 m s 以上， 极人促进了江淮流域低涡的生成。9 日0 0u t c ，急流中心东移。2 0 0 h p a 流场上，8 日0 0u t c ， 3 4 。n 以北有一高空急流带，此后一直稳定加强维持在3 4 。n 以北，暴雨区位于高空急流 南侧。 分析后知，低空急流位于南亚高压东部脊线附近的高空西风急流入口区右侧。高层气 流辐散向南流动，在东风急流北侧辐合下沉，强烈的辐散流场使得低层减压，副高北侧气 l o 压梯度加大，北侧气流向北流动产生辐台上升气流井有西南涡生成同时气流加速，西南 气流加强。高空东风急流北侧f 沉的气流与低层向北流动的西南气流相连，形成一个垂直 环流。州南暖湿气流辐台上升中凝结释放潜热，使低层气压降得更低南商北低气压梯度 进一步加人偏南气流加速是终导致低空急流的形成和维持。高低空急流的耦合，使暴 雨区高层辐散、低层辐台的形势得以维持，有利于对流的产生。 。 ，一6 j 7ro-【c ，u 83 65 0 c p 一。r o 。u 。c 0 7 0 8 28 5 0 h p as l r n n dm 0 7 0 e1 88 5 0 p as ”e a m ln n dm 0 7 0 9 o h p os ”e 6 m l l n n d “ 幽252 0 0 7 年7 月8u0 0 u t c ( a ) 、0 6l n ( b ) 、1 2 u t c ( c ) 、1 8 u t c ( d ) 、9r0 0 u t c ( e ) 8 5 0 h p a 靴场和低空急流( 阴影t 2 n v s ) 1 1 _?_l 幽2 62 0 0 7 年7 月8u0 0 u t c ( a ) 、0 6 u t c ( b ) 、1 2 u t c ( c ) 、l8 u t c ( d ) 、9u0 0 u t c ( e 一2 0 0 h p a 漉场和高空急流( 阴影3 0 m s ) 23 物理量场诊断分析 形成强降水犬气的基本条件主要有 稳定的有利环流形势。 水汽条件、不稳定能罱条件、抬升条什以及持续 i2 9lfl-i v 2 3 1 水汽条件 实际分析表明，暴雨一般发生在较大的水汽通量和较大的水汽通量辐台的情况下。图 2 7 是8 5 0 h p a 水汽通鲞场。可以看出在此次过程中，西南地区向长江中下游流域一直维持 一条显著的水汽通量输送带，保证了暴雨区充足的水汽。沿3 2 5 。n 做暴雨区经向平均的 相对湿度纬向垂直剖面图( 图2 8 ) ，整个过程中，暴雨区从1 0 0 0 h p a 到5 0 0 h p a ，整层持续 保持着较高的饱和度，尤其是安徽、江苏地区，不仅达8 0 以上，而且向上一直达2 0 0 h p a 。 1 3 图2 72 0 0 7 年7 月7 日i $ u t c ( a ) 、8 日0 0 t q c ( b ) 、0 6 u t c ( c ) 、1 2 u t c ( d ) 、1 8 u t c ( c ) 、 9 日0 0 0 t c ( d 0 h p a 水汽通量( 单位：g s 1 h p a - 1 c m - 2 ) 凹282 0 0 7 年7 月8 日0 0 u t c ( a ) 、0 6 u t c ( b ) 、1 2 u t c ( c ) 、1 8 u t c ( d ) 沿3 25 。n 经向平均 ( 3 1 5 。n 3 35 4 n ) 相对湿度的纬向垂直剖面图 当水汽源源不断的输送到暴雨区时，必须在该地区有水汽的水平辐合，才能够上升冷 却凝结成雨。图2 9 给出了此次过程中8 5 0 h p a 的水汽辐合情况。8 日o o u t c ，在中国东部 存在一个东南西北走向的辐台带，在西部和西南部各有一个辐合中心。0 6u t c 三个中心 打通相连，在3 2 。n 形成一条跨越1 5 个经度的东西向水汽强辐合带。随后水汽带东端北抬 尔移，两段南h 三西移，湖北中部地区变为辐散区，河南南部、安徽、江苏仍处在强的辐合 带中。对比2 4 小时降水量分布图( 图2 1 ) ，这三地区的降水区范围较之湖北中部的要大， 同时发现，$ 5 0 h p a 水汽通量辐合带的变化与暴雨的落区和强度变化有十分密切的对应关系。 一1 羹a _ ： 纛藜翳； h ，| 、霉裹 籴 麓 彰缝慧： 。j 一、一) 一：黟7 b 一、 j j 蒸淑心溪爹黍慧： 菱型迹。一j _ 擎： 4 ，、一，。d t 图2 92 0 0 7 年7 月8 日0 0 0 t c ( a ) 、0 6 u t c ( b ) 、1 2 u t c ( c ) 、1 8 u t c ( d ) 8 5 0 h p a 水汽通量散度( 单位：1 0 5 9 s2 h p a - 1 c m2 ) 2 , 3 2 位势不稳定 大气的不稳定性是指处于某种平衡状态下的气流在受到一个扰动后，扰动将会增强 的趋势。很多大气对流现象都与大气的不稳定性相联系。考虑整层抬升运动对层结性的影 响时，一般把气屡被整层抬升达到饱和时的不稳定度称为对流性稳定度，也称位势稳定度。 许多强对流天气过程都发生在位势不稳定的情况下。其判据可咀用假相当位温的高度变化 来描述： 篆 o a z 中性 位势稳定 图2 1 0 是暴雨区逐6 小时经向平均的见。纬向垂直剖面图。降水过程中，对流层低层 基本都是位势不稳定层结。在8 日0 0u t c ，1 1 4 。e 1 1 7 。e 低层有一个3 6 0 k 的高值区，氏 的垂直梯度较大，对流性不稳定高度高达5 0 0 h p a ；在1 1 9 。e - 1 2 2 。e ，对流性不稳定高度 也达5 5 0 h p a 。对比8 日0 8 时( 图2 1 1 ( a ) ) 的降水落区，一个在1 1 5 。e 1 1 7 。e ，一个 在1 1 8 。e 一1 2 1 。e ，与位势不稳定层结的分布对应得很好。 8 日0 6u t c ，i 1 5 。e - 1 2 1 。e 地区7 0 0h p a 以下低层气流仍然处于强不稳定状态，尤 其是11 6 。e 1 1 7 。e 不稳定高度达5 0 0 h p a ，对流层中下部0 。之差为一1 2 k ，对应此时的 降水分布( 图2 1 1 ( b ) ) ，发现最大降水中心就是该经度区间。 8 日1 2u t c ，在1 1 2 。e 上空9 0 0h p a 以下低层气流存在弱不稳定状态，6 0 0 h p a 以上 存在不稳定：1 1 4 。e 1 2 2 。e ，5 0 0 h p a 以下均为不稳定层结。此时段内的降水落区( 图2 1 1 ( c ) ) 在1 1 2 。e 1 1 7 。e ，强降水中心在1 1 2 。f ，v i l 3 。e 之间，对应的1 1 7 。e 1 2 2 。e 不 稳定层结区域没有降水，可能是不稳定能量尚未释放的缘故。 8 日1 8u t c ，在1 1 2 。e 、1 1 5 。e 各有一个弱降水中心( 图2 1 1 ( d ) ) ，正好各自对应 其上9 0 0h p a 以下的低层不稳定层结。而1 1 6 。e 1 2 0 。e 的主降水带，正位于1 1 7 。e 1 2 2 。 e 高达5 0 0 h p a 的深厚不稳定层结区域中。 9 日0 0u t c ，1 1 8 。e 1 2 1 。e 的雨区( 图2 1 1 ( e ) ) 处于1 1 7 。e 1 2 1 。e 中低层的 不稳定气流中，而1 1 4 。e 1 1 6 。e 处的降水，其上为稳定层结，应该是1 1 2 。e 处的低层 不稳定增强导致的。 由以上对比分析可知。低层9 0 0h p a 以下的位势不稳定直接影响降水落区，不稳定层 结的向上发展，主要是为后面的降水积聚能量。 1 6 图2 1 02 0 0 7 年7 月8 日0 0 u t c ( a ) 、0 6u t c ( b ) 、1 2u t c ( c ) 、1 8u t c ( d ) 、9 日0 0 u t c ( e ) 沿3 2 5 。n 经向平均( 3 1 5 。n 3 3 5 。n ) 假相当位温的纬向垂直剖面图( 单位：k ) 一f o o ! 一 圈2 i i2 0 0 7 年7 月8u0 8 时( a ) 、1 4 时( b ) 、2 0 时( c ) 、9 口0 2 时( d ) 、0 8 时( e ) 6 小时降水分布图( 单位) 为了进一步分析大气的位势不稳定情况，定义钆= 氏_ 5 0 9 - - 艮埘。，米表示位势稳定 度。负值越人，表示位势不稳定越强。图21 2 是暴雨区逐6 小时的分布图。由图可 以看到，暴雨过程中，2 8 。3 3 。n 基本为位辨不稳定层结。8 日o o u t c ，1 1 6 。e 左右的 湖北、河南、安徽三省交界处和江苏南部，都处于氏密集带中，对比该时刻6 小时降水， 降水落区并自落在其密集带北部。0 6u t e ，层结不稳定性增强，在浙江中部、安徽南2 9 。 1 8 n 3 3 。n 存在一条东南一西北走向的太值带，降水带落在其北部3 15 。3 3 5 。n 井 与大值带平行，降水中心值随位势不稳定增强而增大。1 2u t c ，层结不稳定性继续增强， 毋人选2 4 k 以大值带位于江苏南部一安徽南部湖北东部，2 9 。3 rn 内，略呈东北 饵南向，降水落区分布在大值带北部3 1 。n 1 。n 之间并与之平行，降水强度也有增加。 1 8u t c ，以人值带位于安徽南部、浙江北部、江苏南部，加上安徽北部一个一8 k 的氏 闭合中心的共同作用降水落区在1 1 6 。f 卜1 2 2 。e 。在湖北、河南、安徽三省交界处，也 有一个一8 k 的气闭台中心，该中心北部正好是一个弱降水中心。另外，湖北中部的弱降 水中心正女，忙于川j e 以人值区的北部。分析可知，降水落区与位势不稳定度的分布密切 相芰。 圈2 1 22 0 0 7 年7 月8 日o o u t c ( a ) 、0 6 u t c ( b ) 、1 2 u t c ( c ) 、1 8 u t c ( d ) ( 一5 0 0 最 ) ( 0 ) ( 单位：1 0 5 s 。) l k f ( a ) 、l o g d ( b ) 、f k f ( c ) 、f g d ( d ) 4 3 4 中尺度特征分析 由第二章分析中己知，本次暴雨过程的影响系统有西南涡和东北冷涡。四个方案都能 无区别的模拟出8 日0 0 u t c8 5 0h p a 上东北冷涡南伸过程中形成的新低涡系统( 图略) ，随 着时间的秘分，各方案描述的中尺度特征略有区别。图41 0 - 41 2 为四个方案隔6 小时的 8 5 0h p a 流场。由幽可见，8 日0 6 u t c ，各方案都模拟出3 3 。n 的切变线，f e r r i e r 方案的 切变线平行丁纬度且较长，自河南中部一直延伸至江苏中部。而l i n 方案的切变线呈现弧 形弯曲，只延伸到安徽中部与江苏交界处。8 日1 2 u t c ，f e r r i e r 方案在河南南部至安徽北 部仍存在明显切变，并且在四川地区1 0 8 。e 有新的低涡出现。而l i n 方案中江淮地区的风 切变己不存在，气流开始辐台形成涡旋，l - g d 方案中在1 0 6 。e 有一新低涡，l k f 没有描 述山该新低涡。1 8 u t c ，f e r r i e r 方案中江淮流域的风切变也逐渐减弱，气流辐台形成涡旋 东移，新的西南涡发展增强。而l i n 方案申江淮流域的低涡己东移入海，l g d 方案中的西 南涡发展增强并东移，l - k f 方案仍然没有描述出该新低涡。总体上，四个方案都较好的模 3 8 拟出本次暴雨过程中的中尺度系统。 图4 1 0 四方案模拟的8 日0 6 u t c8 5 0 h p a 流场 l k f ( a ) 、l - g d ( b ) 、f k f ( c ) 、f g d ( d ) 3 9 图4 i i 四方案模拟的8 日1 2 u t c8 5 0 h p a 流场 l k f ( a ) 、l g d ( b ) 、f k f ( c ) 、f g d ( d ) o e1 0 k1 l m”i i i h- i t1 2 1 2 2 * 图4 1 2 四方案模拟的8 日1 8 u t c8 5 0 h p a 流场 l k f ( a ) 、l g d ( b ) 、f 1 妤( c ) 、f g d ( d ) 第五章结论 本文运用逐6 小时的n c e p 再分析资料，分析了2 0 0 7 年7 月8 日9 日江淮地区的梅 雨锋暴雨过程的天气形势，以及本次暴雨发生的湿热力、动力条件。并通过不同显、隐式 降水方案的数值模拟，比较其对降水的影响和模拟物理量场的能力。主要结论有： ( 1 ) 本次暴雨过程，中高纬地区为明显的经向型环流形势，不断有扰动传播至江淮流 域，高压脊前的干冷空气不断南下，副高外围西南暖湿气流北上，二者交汇于江淮流域， 导致了暴雨的发生。 ( 2 ) 西南涡东移过程中，与南伸的东北冷涡相互作用，在江淮流域不断产生切变线或 低涡，是本次降水过程的主要机制。高低层急流的耦合，有利于暴雨区的水汽输送和对流 运动的发展。 ( 3 ) 通过初步的诊断分析，发现此次降水过程有非常良好的水汽、热力、动力条件， 区域上空存在很强的位势不稳定层结，以及高层辐散、低层辐合的维持，是本次强对流发 生发展的原因。 ( 4 ) 不同降水方案的模拟实验表明，细网格的模拟要比粗网格的好。对于同一种降水 方案，随着分辨率的提高，各方案模拟预报的降水强度有明显的增加，落区的改进不太大。 微物理过程方案中，l i n 方案、f e r r i e r 方案对分辨率比较敏感。积云对流参数化方案中，浅 对流k a i n f r i t s c h 方案对分辨率比较敏感。 ( 5 ) 显式降水的降水强度较大，决定了模拟总降水的雨带分布和降雨量大小，积云对 流降水在一定程度上影响模拟总降水的雨带宽度和降水中心的位置、强度。二者共同作用 形成最大降水中心。 ( 6 ) 采用同一种显式降水方案( l i n 或f e r r i e r ) ，但采用不同对流参数化方案，模拟得 到的显式降水和隐式降水的分布和量值都有所不同。说明了次网格尺度参数化中的热量和 水汽输送，能对网格尺度的温度和水汽分布产生重要影响。 ( 7 ) 方案物理量场的模拟诊断，揭示了在模拟结果上，f e r i e r 方案的降水中心位置模 拟的比较好而l i n 方案的降水强度更接近实况的原因：f e r i e r 方案在湿热力环境上的模拟比 4 1 l i n 方案弱，但是在动力场上的描述要好于l i n 方案。 4 2 参考文献 1 陈德辉，薛纪善数值天气预报业务模式现状与展望气象学报，2 0 0 4 ，6 2 ( 5 ) ，6 2 1 6 3 2 2 l o r e n zen t h ep r e d i c t a b i l i t yo faf l o ww h i c hp o s s e s s e s m a n ys c a l e so fm o t i o n t e ll u s ，1 9 6 9 ，3 ：2 9 1 3 0 7 3 陈德辉，胡志晋，等c a m s 大气数值预报模式系统研究北京：气象出版社，2 0 0 4 ，3 5 6 6 4 沈桐立，田永祥，葛孝贞，等数值天气预报 m 北京：气象出版社，2 0 0 3 ，3 1 7 5 z h a n g ，d l ，a n dj m f r i t s c h n u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h em e s o b e t a - s c a l e s t r u c t u r ea n de v o l u t i o no ft h e1 9 7 7j o h n s t o w nf l o o d p a r ti i ：i n e r t i a l l ys t a b l e w a r m c o r ev o r t e xa n dt h em e s o s c a l ec o n v e c t i v ec o