（气象学专业论文）梅雨期江淮暴雨发生发展动力学机制的初步分析研究.pdf

梅雨期江淮暴雨发生发展动力学机制的初步分析研究 摘要 采用n c e p 全球谱模式和常规观测资料对“0 3 7 ”江淮地区的两次暴雨过程 的影响系统及其可能机制进行了初步诊断分析，发现梅雨暴雨是受低槽、低涡、切 变线、高、低空急流和梅雨锋区共同影响造成的，该地区维持高能、饱和、潜在不稳定 的环境，有利于暴雨的产生中尺度数值模式( m m 5 ) 模拟结果表明梅雨暴雨与 中尺度涡柱、强对流运动密切相关。进一步研究表明中尺度涡柱的形成与高、低空急 流耦合和干侵入有关。位势不稳定和条件性对称不稳定共存使得在口。高值区域的 垂直上升运动和在0 。面( 梅雨锋区3 上的斜上升运动得以产生和维持。视热源、视 水汽汇和螺旋度的诊断分析表明，暴雨发生与它们密切相关。利用雷达、卫星资料 对初始湿度场的改进和四维变分同化对初始风场的改进进行中尺度数值模式 ( m m 5 ) 模拟，提高了梅雨暴雨模拟能力。 关键词： 暴雨数值模拟诊断分析对流中尺度涡柱干侵入视热源 视水汽汇螺旋度雷达数据卫星数据四维变分同化 p r i m a r yr e s e a r c h & a n a l y s i so nt h ed y n a m i c a l m e c h a n s i mo fh e a v yr a i no v e rc h a n g j i a n g h u a i h e r i v e rb a s i nd u r i n gt h em e i v up e r l 0 d a b s t r a c t b a s e do nn c e pa n do t h e ro b s e r v a t i o n a ld a t a s e t s ，t w os e v e r eh e a v yr a i n f a l l s p r o c e s so c c u r r e d o v e rc h a n g j i a n g - h u a l h er i v e rb a s i n d u r i n gj u l y ，2 0 0 3w e r e p r i m a r yi n v e s t i g a t e d t h ef i r s td i a g n o s t i ca n a l y s e ss h o w t h a tt h eh e a v yr a i n f a l l sa r e p r o d u c e dt o g e t h e rb yv o r t e x ，s h e a rl i n ea n du p p e ra n dl o w e r j e t s ，m e i y uf r o n t t h e c o n d i t i o no f h i g h e n e r g y ，s a t u r a t i o n ，p o t e n t i a li n s t a b i l i t yi sp r o p i t i o u st ot h ef o r ma n d m a i n t e n a n c e o f h e a v yr a i n f a l l t h er e s u l to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nb ym m 5m o d e l s h o w st h a th e a v yr a i n f a l lh a sc l o s er e l a t i o nw i t hm e s o s c a l ev o r t e x p o l ea n ds t r o n g c o n v e c t i o n f u r t h e rr e s e a r c hs h o w st h a tt h ef o r mo f m e s o - s c a l ev o r t e xp o l ei sr e l a t e t ot h ec o u p l i n go f u p p e ra n d l o w e r j e ts t r e a m s ，a n dd r yi n t r u s i o n p o t e n t i a li n s t a b i l i t y 血a te x i s t sw i t hc o n d i t i o n a ls y m m e t r i c a l s t a b i l i t ym a k e t h ev e r t i c a la s c e n dm o v e m e n t i n 0 。b i g v a l u ea r e aa n d s l o p e a s c e n dm o v e m e n ti n0 es u r f a c e ( m e i y uf r o n ta r e a ) p r o d u c ea n dm a i n t a i n d i a g n o s e so f a p p a r e n th e a ts o u r c e ，a p p a r e n tm o i s ts i n ka n d h e l i c i t ys h o w t h a tt h es e v e r e h e a v y r a i n f a l li sr e l a t e dw i t ht h e m c l o s e l y u s er a d a r a n ds a t e l l i t ed a t at oi m p r o v ei n i t i a lh u m i d i t yf i e l da n df o u rd i m e n s i o n a lv a r i a t i o n a l d a t aa s s i m i l a t i o nt oi m p r o v ei n i t i a l 丽n df i e l d ，a n ds i m u l a t ei tw i t hm m 5 ，w h i c h h a s i m p r o v e d t h es i m u l a t i o na b i l i t yo f m e i y u h e a v y r a i n f a l l k e y w o r d s ：h e a v yr a i n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d i a g n o s t i ca n a l y s i s ；c o n v e c t i o n ： m e s o - s c a l ev o r t e x p o l e ；d r yi n t r u s i o n ；a p p a r e n t h e a ts o u r c e ；a p p a r e n tm o i s ts i n k ； h e l i c i t y ；r a d a rd a t a ；s a t e l l i t ed a t a ：f o u rd i m e n s i o n a lv a r i a t i o n a ld a t aa s s i m i l a t i o n i i 1 引言 中国是个多暴雨的国家，其辽阔的疆域使暴雨发生区域跨过高、中、低纬 度地带，暴雨和强对流天气成为我国最重要的灾害性天气。实际分析表明暴雨 等灾害性天气通常是多种尺度天气系统相互作用的结果。由于特殊的地理环境 和典型的季风气候使发生在我国的暴雨不但具有明显的季节特征，而且具有明 显的地域分布特点。就暴雨的季节特点而言，我国的暴雨主要发生在夏半年季 风活跃期：随着夏季季风的季节性变化，从春季到盛夏暴雨发生区域出南向北 推进，其中在华南、长江流域和华北一东北地区有三个季节性滞留阶段，在滞 留期内，暴雨降水还会出现大范围区域性暴雨的表现形式。由盛夏到深秋，暴 雨区域由北向南撤退。就地理特点而言，我国的暴雨主要发生在1 1 0 0 e 以东的 东部地区。从两广到东北都是暴雨可以发生的区域。我国暴雨降水的形式和与 其相关联的大气环流背景也有多种类型，既有梅雨锋带暴雨，也有冷锋暴雨， 切变线低涡暴雨，台风暴雨和强对流天气系统造成的暴雨。江淮梅雨暴雨是我 国几种暴雨类型中的个重要形式，梅雨期内暴雨过程的发生与否和其范围、 强度、持续时间等问题，均是直接关系到预防洪涝的重大预报问题，对长江流 域工农业生产以及人民生命财产的安全有重要影吼因而梅雨暴雨研究有非常 重要的地位，历来是政府和气象部门最关心的问题之一。 另外，梅雨暴雨的研究还是东亚暴雨研究中具有重要地位的学术问题。通 过对大量梅雨暴雨个例的分析，许多工作都揭露了梅雨暴雨不但与环流背景有 关，而且还是一种特殊的中尺度现象，它具有明显的中尺度特征。梅雨暴雨常 包含中尺度雨带、雨团。暴雨过程中的雷达回波也具有多个中尺度回波团特征， 这说明暴雨的产生常与中尺度扰动相关。基于这些认识，研究中尺度系统与梅 雨暴雨雨团的关系一直成为暴雨预报的关键。此外梅雨暴雨又是各种天气尺度 相互作用、各种不同纬度天气系统综合作用的结果。梅雨暴雨研究最能明显的 显示出各种尺度天气系统之间的相互作用。其中既有热带系统与西风带天气系 统的相互作用，也有高低空系统的相互作用以及大尺度系统、中尺度系统、小 尺度系统的相互作用。因此，从研究的广度和深度而言，尽可能多地分析研究 多个不同暴雨天气过程的成因，揭露其新的事实，探讨其物理机理是梅雨暴雨 研究的必要过程。 最近几十年来，很多气象学家们对中尺度强降雨带的结构和成因进行了大 量的研究，各种各样的机制被用来解释它们是如何组织和发展起来的。u c c e l l i n i ” 等指出高空急流和低空急流的耦合作用能够产生强降水雨带；l e y 2 1 等指出锋面 和高层急流核强迫作用也会产生强降水雨带。c h o 和c h a n ( 1 9 9 1 ) ”1 用一个二 维半地转绝热锋生模式分析了中尺度异常和雨带的关系，探讨了中尺度雨带的 可能成因，模拟结果表明，雨带潜热释放在位温场和位涡场中又诱发出重要的 扰动，而位涡场又影响着中尺度雨带的后期演变；王建中( 1 9 9 6 ) 一坪岍j 位涡 理论进一步分析了湿位涡与锋面强降水的关系，指出强降水和相对湿位涡的关 系更直接；刘还珠、张绍晴( 1 9 9 6 ) 5 1 通过一个强降水个例分析了湿位涡与锋 面强降水的关系，指出可利用对流层低层湿位涡的符号与数值来判断强降水的 落区，进一步揭示了湿位涡与强降水的直接关系：d a v i e s 和r o s s a ( 1 9 9 8 ) 6 1 提出一个精确的动力学意义的位涡锋生概念，将高层对流层锋区视为等熵面上 的位涡( p v ) 梯度加强的产物；田珍富等( 1 9 9 8 ) 7 】利用一个考虑陡峭地形的 1 6 层坐标模式，对1 9 9 0 年发生在湖北远安县的一次局地特大暴雨进行了数值模 拟，他们指出湿相对位涡的变化与暴雨过程的演变有较好的对应关系，在暴雨 发生发展阶段，有相对湿位涡负值中心伴随加强，在暴雨锋值以前，湿位涡变 为正，表明这时对流不稳定已有较强释放，在暴雨峰值时及以后，湿位涡变负， 这主要由于气旋式涡度加强较快所致；高守亭1 ( 2 0 0 2 ) 通过分析研究表明位 涡的强迫异常与暴雨的落区及移动具有很好的对应关系；徐晶等 9 】指出等熵面 上的西风急流将高位涡向下游输送，强西北气流穿越等压线形成强下沉气流， 将高层和高纬的高等熵位涡向南输送，使得强降雨区维持高等熵位涡，是强雨 带持续的重要原因；安洁等【lo 】得到暴雨的发展与负湿位涡有很好的联系。王东 生等】( 2 0 0 4 ) 指出强暴雨出现在中低层辐合、高层辐散的正涡度中心下方和 负涡度中心西侧，并与湿位涡高值中心相吻合。1 9 9 0 年薛峰【1 2 1 在分析积云对流 对i t c z 区域位涡的垂直输送时，计算了i t c z 区的位涡源汇，并分析了它的分 布情况。1 9 9 1 年候定臣i l 驯应用e r t e l 位涡理论分析了夏季江淮气旋活动的等熵 面位涡图和位涡垂直廓线，探讨了夏季江淮气旋发生发展的可能机制。 b e n n e t t s t ”】【”】等指出中尺度锋面雨带是沿着热成风方向排列的，并且可用条件 性对称不稳定理论来解释强雨带的形成；x uq 等 1 6 】指出雨带与热成风方向几 乎平行并且最大降水出现在湿对称不稳定区：s e m a n m 】等指出中尺度上升气流 比较窄并且是倾斜上升的，如果大气饱和，倾斜上升运动应平行于等相当位温 ( 0 。) 面的方向；条件性对称不稳定和倾斜上升对流理论表明相对于雨带截面 的平均气流方向，正在发展的雨带不会传播 18 1 或者向暖空气方向有慢的传播： 景丽等【2 0 】对暴雨个例诊断分析表明，有些强降水区在降水前和降水过程中存在 着对称不稳定，说明对称不稳定条件下的环流对暴雨有引发和加强作用。李耀 辉、寿绍文 2 - 1 对螺旋度研究表明正的旋转风螺旋度大值中心及其演变较好地对 应和反映了暴雨中心及造成暴雨的中尺度涡旋的发生位置及演变，较大的螺旋 度值是暴雨及低层中尺度低涡和地面气旋系统发生发展的机制之一。以上这些 研究从不同角度上探讨了强降水形成的可能机理。 2 0 0 3 年7 月发生在长江流域的简称“0 3 7 ”梅雨暴雨的形成机理又是什么 呢? 它是否有一些新的形成机制呢?以往研究梅雨暴雨往往注重于副热带高 压、沿海台风活动、西南涡东移、西南低空急流等暖性影响系统，很少有人考 虑对流层高层干侵入气流对它的影响。在“0 3 7 ”梅雨暴雨研究中，我们发现 对流层高层干侵入气流对梅雨暴雨的影响不可低估。可是，它对江淮强降水究 竟产生什么样的作用? 它是通过什么样的机制影响江淮降水的昵? 回答这些问 题，具有重要的实际和理论意义。为此，我们在本文中对梅雨暴雨过程进行较 广泛深入的研究。 本论文正文部分包括以下三方面的内容：1 ) 用n c e p 和实况观测资料对 梅雨暴雨发生的环境场进行了初步的分析；2 ) 用实况观测资料对梅雨暴雨的可 能物理机制进行了初步的诊断分析；3 ) 用中尺度数值模式( m m 5 ) 对梅雨暴 雨过程进行了数值模拟，在其模拟降水量与实况降水量基本吻合的情况下，利 用其输出的资料从多角度对干侵入的影响、主要影响系统的演变规律及暴雨可 能的物理机制进行了进一步的诊断分析。4 ) 引用雷达资料、卫星资料分别对湿 度场的初始场进行改进，以及引用卫星资料对湿度场的初始场进行改进同时通 过四维变分同化对水平风场的初始场进行改进，在此基础上对强降水落区进行 了数值模拟。本文的重点是在最后的两部分。 综上所述，本文的研究目的就是揭示“0 3 7 ”梅雨暴雨降水系统的演变规 律及探讨产生强降水物理机制，从而对梅雨期暴雨天气过程有一个更清楚、更 明确的认识，为提高梅雨期暴雨预报寻找一些有用的依据。然而，由于暴雨演 变过程的复杂性和客观条件的限制，本文的工作还是初步的，有待今后的进一 步深入研究。 2 “0 3 7 ”梅雨暴雨的降水特征和影响系统 2 1 降水概况 7 月4 日0 8 时至6 日0 8 时4 8 小时降水量图2l a 安徽中北部、江苏中南部、湖北东部、湖南北部和江西北部等地出现了暴雨和 大暴雨，局部地区特大暴雨。过程总降雨量有8 0 1 2 0 m m ，其中，安徽中部偏 东地区，江苏中部的部分地区达1 3 0 一2 5 0 m m ，安徽滁州最大3 8 0 m m 。其雨量之 大居于2 0 0 3 淮河流域7 次强降雨过程之首，使得淮河域出现严重的洪水灾害。 7 月8 日0 8 时至1 1 日0 8 时7 2 小时降水图2 ，1 b 分析，安徽中南部、江苏 中南部、湖北东部、湖南北部、贵州东北部、重庆东南部等地出现了暴雨和大 暴雨，局部地区特大暴雨。其中，重庆酉阳降1 6 5 m m ，武汉到滁州有东北西南 向的强降水带，安徽金寨最大为2 9 0 m m 。 2 2 影响梅雨暴雨的大范围天气形势 “0 3 7 ”梅雨暴雨发生的大形势背景是在2 0 0 h p a 高空图上( 见图2 2 a ) 东亚北部地区为一宽阔深厚的低压系统其槽线在贝湖附近。从我国青藏高原至 江淮流域均为东西向宠大的南压高压控制。在贝湖低槽和南压高压之间存在明 显的西风急流。长江中下游地区处于高空西风急流右侧的负涡度区，及南亚高 压东段辐散区控制之下，对流层上层的这种形势有利于长江中下游地区垂直上 升运动的发展与维持。 在5 0 0 h p a 高空图上( 见图2 2 b ) 欧亚中高纬度为稳定的二槽一脊型，其高压脊位于蒙新高地的西部，高脊二侧 4 东亚地区和西伯利亚地区分别为二个稳定的低压槽。东亚槽后小股冷空气源源 不断沿着西北气流南下至长江中下游地区。副热带地区副高脊线稳定于2 2 。左 右。长江中下游地区处于西太平洋副高西北边缘盛行的西南气流中。在上述大 环流形势下，对流层中下层具有明显的冷暖空气交汇，在7 0 0 h p a 、8 5 0 h p a 天气 图上对应江淮切变线及地面的梅雨锋区。 2 3 影响系统 5 日0 8 时8 5 0 h p a 高度场、风场图2 3 a 淮河流域有一横切变，武汉经合肥至南京处于低空急流的左侧，切变线的南侧， 其中安徽中东部、江苏中部还处于1 6 m s 的低空急流中心轴的左侧和低涡附近。 1 0 日0 8 时，长江流域存在一东北西南向的切变线，武汉附近有低涡，武汉 的东南边有风速大于1 8 m s 低空急流轴。 因此，强降水是发生在切变线的南侧，低空急流的左侧l o o k m 以内，并且 最强的低空急流中心轴的左侧和低涡附近降水最强。 3 “0 3 7 ”江淮梅雨暴雨形成的物理量分析 3 1 涡度场和散度场 i 图3 15 日0 8 时a 2 0 0 h p a 散度b 5 0 0 h p a 涡度c 9 2 5 b p a 散度l 孙淑清【2 2 】手旨出盛夏在我国东部沿海地区频繁出现的低涡并不全部与暴雨有 很好的对应关系，只有低涡与低层强辐合中心相配合时，才有可能带来暴雨。 通过图3 1 a 说明在梅雨锋上暴雨发生前，高空急流轴出口处右侧存在强辐散并 配合有较强的上升运动出现，暴雨将发生在高空急流轴出口处右侧强辐散区的 下方。低层辐合是对高层辐散的响应，高层辐散是暴雨发展的触发因素，那么 高空急流轴的倾斜以及急流出口处右侧强辐散的形势会诱使低层辐合( 图3 1 c ) ， 产生上升运动，在涡度方程的动力约束下，使得散度与涡度互耦，在低层产生 5 强烈的正涡度( 图3 1 b ) 。这种耦合发展结构是强垂直上升运动和暴雨的重要动力 机制。 3 2 水汽条件 水汽条件分析：7 月4 日至5 日江苏、安徽地区的特大暴雨是在非常有利的 水汽条件下产生的。从5r0 8 时8 5 0 h p a 图上( 图3 2 ) 可以看出：江淮地区无论是相对湿度还是比湿场均为高值区，最强的湿度中心 位于安徽淮北地区，相对湿度达到9 0 以上，这与最大暴雨中心有着很好的对 应关系。从1 0 0 0 h p a 图上还可分析出，最大暴雨区其水汽通量散度为较大负值 区。从流场与比湿场对比分析看，江淮地区为最大的水汽通道，8 5 0 h p a 图上1 2 m s 的低空急流沿长江以南，是东北西南向，最大暴雨区域处于该低空急流左侧的 正涡度、辐合区中，通过上述分析可见江淮梅雨暴雨是发生在高比湿和相对湿 度和强烈的水汽通量的辐合区域。 3 3 不稳定能量的分析 3 3 1 假相当位温0 。和总温度t t 的水平分布特征 假相当位温p 。是一个重要的温湿特征参数，广泛应用于大气位势稳定度的 分析、气块运动轨迹的等熵面追踪等方面。它在大气的干绝热和湿绝热中都是 守衡的，因此用它来讨论既包含干绝热又包含湿绝热过程的状态变化时相当方 便。本文计算了0 5 日0 8 时9 2 5 h p a 假相当位温日，如图3 3 a 发现江淮地区都是高值区，湖北经安徽到江苏为大于7 2 。c 高值区域，在它 的东北面存在着假相当位温等值线密集带即梅雨锋区，这说明梅雨暴雨发生与 假相当位温的高值区和梅雨锋区有关。 6 我们同样计算了总温度t t ，它表征单位质量气块的总能量所相当的温度， 其表达式是： t t = t + 争p - pa + 苦c s z + 盯3 把l = 5 9 7 2 6 c a l g1 ，c 。= o 2 4 c a l g - 1 c - i , a = 0 2 3 8 8 4 4 c a l s 2 g - i m 2 代入，可得到计算 总温度的常用公式： t t = t + 2 4 8 8 5 8 q + ( g z + v 2 2 1 1 0 。 单位与计算时所用的温度单位一致。从5 日0 8 时8 5 0 h p a 总温度t t 图3 3 b 上分析：发现江淮地区都是总温度高值区，湖北经安徽到江苏为大于6 9 * c 总温 度高值中心，在它的东北面存在着等值线密集带即能量锋区，这说明这一地区 的强降水与高能量和能量锋区有关。 3 3 2 对流稳定度性指数一k 指数 为了分析暴雨区的不稳定特征，我们计算了一种对流稳定性指数k 指数。 从7 月5 日0 8 时8 5 0 h p a k 指数如图3 3 c 分析有：发现江淮地区为k 指数高值区。湖北至安徽为大于3 5 c 高值中心和江 苏大于3 5 c 的高值中心。在江苏的高值中心的北面和南面存在着k 指数等值线 密集带，对流不稳定发展旺盛。 通过上述分析，梅雨期暴雨天气过程具有明显的热力不稳定发生机制，其 暴雨区，特别是暴雨中心与低层8 。等值线密集区( 能量锋区) 、最大总温度区域 有着非常密切的对应关系。此外，对流不稳定指数k 指数的分布也表明暴雨区 具有很强的大气层结不稳定，暴雨区对应的k 指数，均大予3 5 。c ，研究【2 副表明 这样的区域极易产生成片的较强雷雨天气。 4“0 3 7 ”江淮梅雨暴雨过程形成机制分析 由于本文前一部份分析研究的资料仅是n c e p 、常规的地面及探空资料，这 对于造成暴雨的中尺度天气系统的分析研究是十分困难的。n ) l ，为了揭示江 淮梅雨形成机制及中尺度暴雨系统，下文将采用中尺度数值模式( m m 5 ) 对7 月 4 同至5 日、9 同至1 0 日发生在江淮地区的两次暴雨过程进行数值模拟，并利 用模式输出的资料进行进一步分析。 4 1 中尺度数值模拟设计及效果 4 1 1 数值模式介绍 本文采用由p s u n c a r 共同开发的第五代中尺度数值预报模式，该模式 为仃坐标模式，适合预报中尺度天气系统和区域尺度大气环流。它的主要特点 为： ( 1 ) 既有静力又有非静力的动力框架； ( 2 ) 具有云物理边界层等多种物理过程； ( 3 ) 具有多重网格嵌套能力； ( 4 ) 有资料四维同化的能力并发展有伴随模式。 ( 5 ) 全球各地均可设置使用。 m m 5 模式以其较优良的性能赢得了世界各国气象业务部门、科研机构的气 象工作者的共同关注，在相关领域得到了广泛应用，在强天气、台风和区域气 候模拟和预报中取得了成功。 m m 5 模式包括以下五个部分，其基本功能如下： t e r r i a n 是处理地形和陆面参数的程序，它可以将各种分辨率的地形和陆 面参数资料插值到l a m b e r t 投影的网格点上。d a t a g r i d 可将低分辨率的全 球经纬网格分析场资料插值到有限区域模式矩形网格上作为第一猜测场。 r a w i n s 输入探空资料和地面资料，利用d a t a g r i d 产生的猜测场向实际的探 空、地面观测场进行张弛逼近，即对探空和地面资料进行客观分析。i n t e r p 将等压面的值插到等d 面上，形成进入模式的初始场。m m 5 即为预报模块。 b a c k i n t e r p 对主模式运行的结果进行后处理，即把等盯面的结果反插值回等 压面上。 初始时刻4 日2 0 时9 曰2 0 时 动力学过程流体非静力平衡方案流体非静力平衡方案 预报中心1t 7 1 4 0 e 3i 5 2 0 n11 4 d e 3 0 0 n 水平分辨率2 0 k i n2 0 k i n 模式网格数6 1 6 16 l x 6 l 垂直分辨率1 1 层1 1 层 模式层顶气压1 0 0 h p a1 0 0 h p a 初始场资料n c e p 、地面、探空n c e p 、地面、探空 积分步k3 0 s3 0 s 预报时段2 4 小时2 4 小时 显式水汽方案混合相( r e i s _ ) e r ) 混合相( r e i s n e r ) 积云参数化方案g r e l l 方案g r e l l 方案 边界层参数化方案高分辨b l a c k a d a rp b l高分辨b l a c k a d a rp b l 辐射方案云辐射方案 云辐射方案 侧边界6 h 时变边界6 h 时变边界 4 1 2 模式输出资料 本文所用资料为：实验每3 小时输出一次格点资料，要素包括位势高度 ( 1 1 ) ，气温( t ) ，水平风速( u ，v ) ，比湿( q ) ，相对比湿( r h ) ，降水量，z 坐标系中的垂 直速度( 、矾，分别存放在地面、1 0 个等压面1 0 0 0 ，8 5 0 ，7 0 0 ，5 0 0 ，4 0 0 ，3 0 0 ， 2 5 0 ，2 0 0 ，1 5 0 ，1 0 0 h p a 上。 4 1 3 模拟效果分析比较 4 1 3 1 2 4 小时模拟降水量和实况降水量比较 m m 5 数值模式对不同的地区预报效果不同，可能有些地方预报较好，有些 地方不好。下面我们将对4 日2 0 时至5 日2 0 时和9 日2 0 时至1 0 日2 0 时模拟 降水量与实况降水量图4 1 进行对比分析如下： 2 0 0 3 年7 月4 日2 0 时至5 日2 0 时2 4 小时实况降水量，湖北、安徽、江苏、 2 4 h 降水量超过5 0 m m ，其中安徽东部、江苏超过1 0 0 m m ，安徽滁州最大3 5 7 m m 。 m m 5 数值模式模拟降水量，在安徽东部、江苏，模拟降水量大于5 0 r a m ，与实 况雨量中心、雨带位置基本吻合，效果较好。在湖北、安徽西部，模拟降水量 区域与实况降水量区域基本吻合，但模拟降水量量级比实际降水量明显偏少， 模拟效果不太理想。可见，本文所设计的数值实验方案对于降水落区和强降水 中心的预报是较为理想的。因此，利用该数值模式的其它输出量来分析和研究 该次梅雨暴雨的产生机制也应该是可行和可靠的。 9f 12 0 时至1 0 日2 0 时实况雨量有两个大于1 0 0 m m 的中心，一个是湖南 西北部，另一个是湖北东北至安徽中部，其中湖北麻城降水量最大为1 6 4 m m 。 数值模式对湖北东北至安徽中部的大暴雨中心模拟出1 2 5 m m 和1 5 0 m m 的两个 雨团，对这一地区模拟得较理想。从总的模拟情况看出，能模拟出降水雨带， 部分强降水中心和强度与实况基本符合。可见，本文所设计的数值实验方案对 于降水落区和强降水中心的预报是较为理想的。因此，利用该数值模式的其它 输出量来分析和研究该次梅雨暴雨的产生机制也应该是可行和可靠的。 4 1 3 2 降水天气系统的比较分析 前面己分析得出8 5 0 h p a 的低空急流、切变线、低涡是梅雨暴雨的主要天气 系统，现在对数值模式模拟的4 日2 0 时至5 日2 0 时和9 日2 0 时至1 0 日2 0 时 主要天气系统图4 1 2 与实况相比较分析如下： 5 日0 8 时8 5 0 h p a 高度场、风场分布分析，淮河流域有一横切变线，滁州北 面有低涡，合肥至南京的右侧存在一大于1 8 m s 的低空急流，这一模拟与实况图 2 3 a 基本一致，但对于武汉地区的低空急流未预报出来。对安徽至江苏地区大 暴雨进行诊断分析，因此，对于对l1 5 。e 以西的系统模拟不好，不影响对我们 的研究，这也说明，m m 5 中尺度数值模式能再现与梅雨暴雨发生密切相关的低 空切变、低涡、低空急流。 1 0 日0 8 时8 5 0 h p a 高度场、风场分布图4 1 2 b 分析，淮河流域至长江中上 游有一东北西南向的切变线，湖北麻城北面有低涡，武汉至合肥的东南存在一 大于1 8 m s 的低空急流轴，这一模拟与实况图2 3 b 基本一致，这也说明，m m 5 中尺度数值模式能再现与梅雨暴雨发生密切相关的低空切变、低涡、低空急流。 4 2 中尺度涡柱的形成与强对流运动 我们分析发现在这两次梅雨暴雨过程中强降水中心都与中尺涡度的生成、 发展相联系，为了更加清楚地说明中尺度涡柱和强对流对强降水的作用，我们 选取了0 3 年7 月1 0 日发生在湖北东部区域的暴雨过程与此区域一个深厚的中 尺度涡管的生成有密切的关系，并利用湿位涡守恒对对流层低层产生低涡的机 制加以解释。 我们从1 1 5 0 e 作一经向剖面来研究这一现象。从7 月l o 同0 8 时的涡度、 垂直速度来分析： 图4 2 a 、b 为1 0 口0 8h , j 涡度、垂直速度1 1 5 。e 经向高度剖面 1 0 日0 8 时，3 1 。n 、1 0 0 0 4 0 0 h p a 涡度大于1 0 x 1 0 。5 s ，其中心值为3 5 1 0 s ， 在此区域出现了4 0 c m s 垂直速度。由此可以看出，湖北东北部的强降水与中尺 度涡管和强对流有关。 通过图4 2 a 和c 分析得出，3 1 。的强对流，它的低层的水平风速的等值线 几乎是存垂直状态，因此，这里的低层水平风速垂直切变很弱。 从上图4 2 c 可分析出：3 1 0 n 以南，1 0 0 0 6 0 0 h p a ，孕 0 ，为对流不稳定区， 最大中心出现在2 9 - 3 0 。n 、近地层附近。3 1 0 n 以北，孕 0 的高度变低。对比 ( m 上面急流分析，对流不稳定最大中心出现在西南低空急流中心的南侧。 从图4 2 b 和c 分析，在西南低空急流中心的左侧存在正涡度中心。 由于在3 1 3 2 。n 区域，湿对流不稳定判据璺 0 和存在正涡度值。由湿位 印 涡守恒公式： m p v ：一g ( + ， ) 誓+ ( 罢冬一罢导) ：常数，又由于在这一区域 0 d0 po x。d 叫 水平风速的垂直切变在低层特别小，因此，一g ( + 厂) 善是主要项，在西南低 空急流的作用下，当气块从对流不稳定度大的区域向小的区域移动时，气旋性 涡度将增长。所以，低空急流的左侧区域， 0 ，孕，o ，气旋性涡度不断地 曲 增强，从而低层低涡强烈发展，有利于强对流的发展和梅雨暴雨的产生。 4 3 用湿q 矢量诊断暴雨中的垂直运动 研究次级环流的强迫作用是现代天气动力学的一个重要课题。1 9 7 8 年 h o s k i n s 2 4 】提出了准地转q 矢量的概念并推导出以准地转q 矢量散度作为唯 一强迫项的准地转方程。1 9 9 1 年d a v i e s j o n e s 2 5 1 由原始方程组出发，提出 了广义q 矢量散度作强迫项的非地转方程。但这些q 矢量都是假定大气在绝 热条件下得到的。张兴旺 2 6 1 从p 坐标系出发，利用坐标变换，考虑了大气凝结 潜热的作用，提出了湿q 矢量的概念，并由非绝热的原始方程组出发，推导出 非地转的湿q 矢量表达式以及用湿q 矢量散度作唯一强迫项的非地转( 1 2 方程。 非地转湿q 矢量考虑了非绝热效应后得到的，它能较好地与降水落区相对应， 其物理机制是源于次级环流的演变和发展。次级环流是叠加在基本环流上的二 级环流，它的强弱与暴雨的强弱又有直接关系，不少研究已证实次级环流的增 强能激发暴雨的增强。姚秀萍，于玉斌 2 7 1 指出完全q 矢量散度的辐合中心或辐 合线可以用以定性判断暴雨的落区。岳彩军 2 8 】等指出湿q 矢量较非地转e 矢量 能更好地描述实际大气特征，在散度场上它的优越性就完全展露出来了，是其 它q 矢量无法比拟的。刘志雄等2 9 1 从湿e 矢量散度辐合场探讨了梅雨锋暴雨的 内在机理。本文应用m m 5 模式输出的基本量计算出湿q 矢量散度，并利用垂 直运动和湿q 矢量散度的关系来诊断暴雨过程中的垂直运动。计算用到如下基 本关系式： 湿e 矢量的x 、y 方向分量分别为： 联2 1 ，瓦o v 瓦o u + 瓦o u 瓦o v ) 一6 面o v - v a 一硪0 瓦l r i c o 面o q , ) ( 4 3 1 ) q ；2 1 ，c 面o v 万o u 一瓦o u 矽o v n 警v 。一专( 岩等) c 。a z ) 式中， ：墨f 生1 殆p 尸l 1 0 0 0 ， 用湿q 矢量散度作唯一强迫项的非地转方程： v 2 ( 础) + f 2 0 丁2 ( 0 ：一2 v q ( 4 3 3 ) v q 0 3 ( 4 3 4 ) 当v q 0 ，下沉运动 式( 4 3 3 ) 描述了湿q 矢量与次级环流关系：由于湿q 矢量散度存在，必然要激 发次级环流，使大尺度大气进行调整，直到重建新的热成风平衡。式( 4 3 4 ) 用来 判断垂直运动。 结果分析如下： 7 月4 5 同模式模拟的江淮特大暴雨湿q 矢量散度经向高度剖面图上分析， 存在一次级环流。 从7 月5 日0 8 时湿q 矢量散度图4 - 3 a 图4 3 a 7 月5 日0 8 时湿q 矢量散度1 1 8 。e 经向高度剖面 分析，在安徽中东部特大暴雨期间湿q 矢量散度的垂直分布为：在强降水的上 空从1 0 0 0 - - 2 0 0 h p a 都为负值，表明了从低层至高层都为上升运动，在强降水的 北面和南面，为正值，表明在它的两侧有下沉运动。因此，通过湿o 矢量散度 分析，得出在梅雨期暴雨的附近存在一次级环流。并且发现，7 0 0 h p a 上的湿q 矢量辐合区与强降水相一致。 7 月9 1 0 日模式模拟的长江中游特大暴雨区q 矢量散度经向高度剖面图上 分析，也存在一次级环流：从1 0 曰0 8 时矢量教度图4 3 b 分析，在湖北东北部特大暴雨期间湿q 矢量散度的垂直分布为：在强降水的上 空从1 0 0 0 - - 7 0 0 h p a 上为负值，表明了从低层至7 0 0 h p a 为上升运动，在它的高 层和北面为下沉运动。因此，通过湿q 矢量散度分析，得出在梅雨期暴雨的附 近存在一次级环流。并且发现7 0 0 h p a 上的混q 矢量辐合区与强降水相一致。 通过两次个例的湿q 矢量散度分析，湿0 矢量散度的正负在垂直高度上的 相间分布有利于特大暴雨的发生。由湿o 矢量散度表征的方程可知，湿o 矢量 辐散辐合将激发垂直运动的产生，湿o 矢量辐合中心的分布不均匀性，从而导 致其激发的垂直运动中心也将存在不均匀性的分布，这不仅造成梅雨锋气旋发 展的不均匀性，同时也导致梅雨锋暴雨中心分布的不均匀。从天气表面现象来 看，可认为是江淮暴雨过程中的中尺度气旋在发生、发展及变化过程中其结构 具有不对称性造成了局地降水强度和分布的不均匀性。其实，最根本的原因是 梅雨暴雨区域中天气尺度的扰动和水汽的分布最初就存在不均匀性，结果引发 湿0 矢量分布不均匀分布，从而使湿q 矢量散度场的分布出现了局地区域性， 进而它所激发的次级环流场中出现了分布不均的非地转环流中心。上升运动中 心的不均匀必将造成水汽凝结加热的不均匀性，反过来，水汽凝结加热作用对 垂直上升运动又有正的反馈作用，它将促进低层气流辐合，气压降低，同时气 柱增暖，高层辐散加强，从而使上升运动更为强烈。二者的相互作用及不均匀 性所产生的最终结果，在高空图上表现为梅雨锋气旋的发生、发展、及其结构 d 的不对称性，在地面图上则表现为梅雨锋暴雨中心产生及其落区分布的不均匀 性。因此，二者的产生来源于同一机制，即湿q 矢量辐合场的激发作用。因此， 湿q 矢量散度正负相间分布是垂直运动和气旋、强降水维持的根本机制。 4 4 对流层上层干侵入对对流层中低层气旋的影晌 干侵入是指从对流层项附近下沉到低层的干空气。它可以用相对湿度和位 势涡度来表征，它具有低湿和高位涡两个特点。众所周知，对流系统的发展除 了与本身内在的因素有关外，还与外界环境息息相关。当外界的条件有利时， 它将促进对流系统的发展。研究表明，在温带气旋的生成和发展p ，爆发性气 旋的快速发展、次天气系统位势不稳定的发展【32 1 、中气旋的发展和生成 3 3 、 锋面降水结构分布及演变特征口4 等方面均与干侵入有密切关系。k l e i n s c h m i d t ( 1 9 5 7 ) 口5 】利用高层对流层位涡异常来解释观测到的气旋事件，并注意到等熵 面来自平流层高位涡极地空气“库”的准水平平流的重要性。r e e d 、s a n d e r s ( 1 9 5 3 ) 9 6 l 在对对流层锋生现象进行更深入的研究时发现，平流层大气能向下平流，溢 出等熵面范围而到达通常考虑的对流层高度上。h o s k i n s ( 1 9 8 5 ) t ”1 重新考虑位涡 在实际大气中的意义，并对前人的工作进行了系统性的总结，提出如果不计非 绝热加热和摩擦效应，等压面位涡及湿位涡同样具有守衡性，当湿位涡为负值 时有可能出现对称不稳定；还论证了对流层的上部或平流层的位涡扰动可以下 传而影响到对流层下部及地面的气旋发展，下传可以在对流层低层或地面斜压 区激发出气旋的发展。b r o w i n g 和g o l d i n g 3 8 1 分析了1 9 9 1 年1 1 月1 2 日，在英 格兰岛，干侵入促进了气旋的发展。r a m a m u r t h y 与x u 3 9 】曾根据大西洋低压生 成实验( g a l e ) 加密观测( 1 0 p 1 ) 期问取得的资料，利用英国国家气象中心 ( n m c ) 的7 7 模式对所选实例进行分析，结果表明，当高层急流出口右侧空气下 沉时，存在平流层干侵入的侵入，低空急流出口区的左侧空气出现气旋式旋转 上升，导致降水和高湿。到目前为止，我国对干侵入与气旋关系的数值模拟研 究得很少，由于干侵入对于气旋的发展以及降水产生和发展有着不可低估的作 用，本节在此方面作些有益的研究。 4 4 1 干侵入分析 4 4 1 1 干侵入的基本概念及物理量表示 干侵入是指从对流层顶附近下沉到低层的干空气。它可以用相对湿度和位势 涡度来表征。在引入干侵入概念之前，我们先对位涡概念及其守衡性作简单介 绍。 位涡( p o t e n t i a lv o r t i c i t y ) ，是由r o s s b y ( 1 9 4 0 ) 提出的，在正压大气中的 守恒性( h 是流体柱的厚度) ，提出了涡管的垂直厚度与绝对涡度之间的约束关 系。1 9 4 2 年，e r t e l 提出广义位涡的概念，即p v = a ( o v 8 ，可见p v ( 位涡) ， 他是绝对涡度与静力稳定度的乘积，因而是一个既包含热力因子，又包含动力 因子的物理量，式中0 为位温，a 为比容，位涡在绝热、无摩擦的干空气中具有 严格的守衡性。e r t e l 的广义位涡是一个更具天气学意义的等熵干位涡概念，进 一步做某些包括流体静力近似，那么位涡在等压坐标和等熵坐标中的表达式分 别为： p v 。一g ( f k + v 。a i ) v ，0 ( 4 4 1 ) p v = - g ( 砥v ，肺) ( 詈) ( 4 。| 2 ) v 。和v 。分别为x ，y ，p 或，x ，y ，0 空间中的三维梯度，这时p v 为位势涡度， 简称位涡。 干侵入具有高位势涡度( p v ) 和低相对湿度( r h ) 两个特征。本文用到位 势涡度( p v ) 指等压面上的干位涡，其表达式为： p v = 一g ( 廊+ v ，a 萨) v ，0 ( 4 4 3 ) 忽略0 9 的水平变化，上式变为： p v ：一g ( + ，) 罢+ g ( = o r i 8 0 一i o u i 0 0 ) ( 4 a 4 ) 印印积d y 式中f 为相对涡度，f 为科氏参数，口为位温，一g 望表示静力稳定度。这样， 我们利用模式输出的物理量计算出口、f ，就可以计算出位涡( p v ) 而分析判 断所需的相对湿( r h ) ，也是模式输出的物理量。 4 4 1 2 高低空急流对干侵入的作用 通过前面的分析这两次梅雨暴雨都与高低空急流有关，现在我们来分析高低 空急流耦合对干侵入的作用。 从5 同0 5 时水平风速、散度、经向风与垂直风的风矢量经向高度剖面图 4 4 1 a 发现：3 5 5 。n 、2 0 0 h p a 存在一个高空急流中心，急流中心西风风速达4 0 m s 以上，3 2 5 。n 、5 0 0 4 0 0 h p a 存在一个一5 1 05 辐合中心和3 2 3 2 5 。n 、7 0 0 h p a 存在5 1 05 辐散中心，上层辐合、下层辐散的区域，是下沉气流。滁州的南铡 存在超低空急流，低空急流中心的左侧3 1 5 。n 、1 0 0 0 7 0 0 h p a 存在一1 5 1 05 辐 合中心，3 1 5 。n 、4 0 0 h p a 存在1 5 1 05 辐散中心，下层辐台、上层辐散的区域， 是上升运动。 从1 0 日0 8 时水平风速、散度、经向风与垂直风的风矢量经向高度剖面图( 图 4 4 1 b ) 分析表明：在纬度3 4 0 n 、3 0 0 h p a 存在一个风速为3 2 m s 的高空急流中心，高空 急流中心左侧3 2 5 。n 、7 0 0 h p a 存在一5 1 0 。5 的辐合中心，3 2 。n 、1 0 0 0 h p a 存 在一5 1 05 的辐散中心，上层辐合、下层辐散的区域，是下沉气流。湖北东北 的南侧存在超低空急流，低空急流中心的左侧3 卜3 1 5 。n 、1 0 0 0 h p a 存在一 一1 5 1