（气象学专业论文）干侵入在环渤海地区秋季暴雨中的作用.pdf

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： h 钌、亏 塑红i 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京气象学院有关保留、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舨。保密的学 位论文在解密后适用本规定。 作者签名：冽玉、 千侵入在环渤海秋季暴雨中的作用 d i a g n o s t i ca n a l y s i so fd r y i n t r u s i o ni n “0 3 10 ” a r o u n db o h a ir a i n s t o r mp r o c e s s a b s t r a c t b a s e do no b s e r v a t i o n a ld a t a s e t sf r o mm i c a p ss y s t e r m as e v e r e h e a v yr a i no c c u r r e di nb o h a ia r e ad u r i n g 1 0 1 20 c t o b e r2 0 0 3i s s t u d i e d t h ep r i m a r yd i a g n o s t i ca n a l y s e ss h o wt h a tt h e1 0 wi n t e r e s l i n l e v e l5 0 0 h p a m e s o s c a l ec o n v e r g e n c eo ns h e a r1 i n ea n dt h es t r o n g c o n f l i c to fw a r ma n dc o l dm a s so nf r o n ti st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e m a c r o s c a l ec i r c u l a t i o ni nt h i sr a i n f a l l p r o c e s s a n ds t a b l y m a i n t a i n i n go fh i g ha n dl o w j e t sm a k ef o rt h er a i 【n f a l l t h ec o n d i t i o n o f e n e r g yi sl o w e rt h a ni ns u m m e r i ti ss t a b i l i t yo nr a i n f a l la r e a t h e f o r ma n dm a i n t e n a n c eo ft h i sr a i n f a l lb e n e f i t sf o rt h ed y n a m i c a l p o w e r o f f e r e db y j e t t h em e s o s c a l en u m e r i c a lm o d e lm m 5 ( v 3 ) i su s e dt os i m u l a t e t h eh e a v yr a i np r o c e s s u s i n gt h em o d e l o u t p u tw i t hh i g hs p a t i a la n d t e m p o r a lr e s o l u t i o n ，w es t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s mo f t h er a i n f a l li nm o r ed e t a i l n l er e s u l t ss h o wt h a td r yi n t r u s i o nn o t o n l yc o n s i s t sb u ta l s op l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to f t h e h e a v y r a i n p r o c e s s a t r a n s v e r s e s e c o n d a r yc i r c u l a t i o n i s p r o d u c e db yt h ec o u p l i n go fh i g ha n dl o wj e t s ，w h i l et h es i n k i n g b r a n c ho f t h es e c o n d a r yc i r c u l a t i o np r o v i d i n gt h ed y n a m i cc o n d i t i o n s f o rt h ed r yi n t r u s i o na i r d u r i n gt h ep e r i o do f t h e h e a v y r a i np r o c e s s ， d r yi n t r u s i o nd e s c e n d ss o u t h w a r da l o n gt h ei n t e n s ec o n s t a n tp o t e n t i a l t e r n p e r a t u r el i n e s w h i c hp r o m o t c s t h el o w e rc y c l o n e + s ol o w e r - l e v e l c o n v e r g e n c e i nf r o n to f t h ef r o n ti se n h a n c e d , a n da s c e n d i n g v e l o c i t y j sb o o s t e d u p w h i c hr e i n f o r c e st h en e w c o n v e c t i o n sa n dt h er a i n f m 】 i na d d i t i o n b a s e do nt h em o d e lo u t p u ti ti sf o u n dt h a tt h el e v e li s s y m m e t r yi n s t a b i l i t y k e v 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 ； d r yi n t r u s i o n ；s y m m e t r yi n s t a b i l i t y 2 干侵入在环渤海秋季暴雨中的作用 前言 1 研究意义和研究进展 中国是个多暴雨的国家，其辽阔的疆域使暴雨南北跨过离、中、低纬 度三个地带，暴雨和强对流天气成为我国最重要的灾害性天气之一。最近 几十年来，气象学家们对中尺度强降雨带的结构和成网进行了人量的研 究，他们应i l = j 不同的机制来解释暴雨的形成和发展。b e n n e t t s 1 , 2 1 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；b e r s 等 3 1 指出雨带正在发展的区域或者其临近的区域 存在负的湿位涡( m p v ) ；x uq 等( 4 1 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；条件性对称不稳定和倾斜上升对流理论 表明相对下雨带截面的平均气流方向，正在发展的雨带不会传播p 1 或者向 暖空气方向有慢的传播1 6 1 ；j o l y 和t h o r p e l 7 1 利用位涡理论来研究环渤海区 域是二维锋上扰动的发展：j u nd u 和c h o | ”进一步指出，沿姆雨锋上的中 尺度对流系统是由低层p v 的最大值沿锋面的不稳定引起的；王永中、杨 大升 9 1 研究暴雨与低层流场的位涡问题，发现暴雨区基本上和位涡高值区 相重台或者靠得很近，并且两者的发展过程也比较一致；王建中l l ”利用位 涡理论进一步分析了湿位涡与锋面强降水的关系，指出强降水利湿位涡的 关系更直接。在干侵入方面的研究中k l e i n s c h m i d t i l l l 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 c e d 、s a n d e r s | 1 2 l 在对对流层锋生现象进行 更深入的研究时发现，平流层大气向下流动到达通常考虑的对流层高度 上。b r o w i n g 和g o l d i n g t ”j 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。他们用中尺度模式模拟的6 小时对流层中低层的 垂直速度分布得出在宽广的下沉区域前部有两个下沉核区，分别与两个干 侵入相对应的结论。r a m a m u r t h y1 1 4 j 等曾根据大西洋低压生成实验 ( g a l e ) i j n 密观测( t o p i ) 期间取得的资料，利用英国国家气象中心( n m c ) 3 千侵入在环渤海秋季暴雨中的作用 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f 沉 时。存在平流层干空气的侵入，急漉出日区的左侧空气出现气旋式旋转上 升，导致降水和高湿。在国内，陆尔、。j 一汇等【l ”曾提出高位涡冷空气中 心促使梅雨锋维持从而形成江淮持续| 生暴雨；于玉斌等【i ”对台风外围暴 雨位涡和等熵面位涡上物理量场进行分析，指出低层等熵面位涡高值区的 东北侧为特大暴雨落区，对流层高层或平流层低层高位涡的f 传对暴雨有 增幅作件】；寿绷文i l “指出在有利的等嫡面形态f ，具有较高湿位涡值的高 层冷空气沿等嫡面快速向南f 降的过程中绝对涡度增加，导致了气旋性涡 旋的发展加强。s p e n c e r 等l i ”指山，暴雨系统的降水量9 5 以上来自对流 性降水，对流性降水又与上升和f 曳两支气流密切相关。陈德辉1 1 ”也1 认为 在模式分辨率较高的情况下，除上升支气流外，f 曳气流对降水的作用也 不可忽视，有时甚至超过上升气流。研究发现“，干侵入气流在气旋的爆 发性发展、暴雨的增幅、位势不稳定的增强、中气旋的产生发展等方面起 着重要的促进作用同时，它能够影响冷锋的演变及其降水特征。但是， 对于干侵入的产生机制仍不十分明确，这需要更高分辨率的三维探测资料 支持和非静力平衡中尺度模式的模拟试验：如果能够对干侵入作出准确的 预报那么，灾害性天气预报的准确率将有望得以提高，因此，对干侵入 的研究又成为一个热点。 干侵入是指从对流层顶附近下沉到低层的干空气它具有高位涡和低 湿球位温两个特征，可以用位势涡度和相对湿度来表征。旱在2 0 世纪6 0 年代，da 1 1ielsenef 就曾绘制了干侵入气流的三维结构i “1 ，如 图1 1 1 所示。图1 1 1 揭示了干空气在三维等熵面上下沉的轨迹，其轨迹 为自对流层顶折叠附近呈扇状下沉至地面冷锋。 到，如果是正压模式中流体拄盼深度，那么绝对涡度4 0 与该深度h 的比 4 干侵入在环渤海秋季暴雨中的作用 为常数，即f 。h = c o n s t a n t ，亭。h 即为位涡概念最简单的说法。 1 9 4 2 年，e r t e l 提出广义位涡的概念，即p v = 口v 8 ，义称位涡，其 中口为位温，口为比容，侮涡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，义包含动力因子的物理量。在正压大气中，通常使用 涡度描述大气的行为，因为它在无粘、绝热的正压大气中沿气块轨迹守恒。 同样在斜压大气中位涡在无粘、绝热的斜压大气中沿气块轨迹守恒。 所以位涡与位温、比湿样，可以作为跟踪气块移动的义一物理量。 e r t e l 广义位涡是一个更具天气学意义的等熵干侥涡概念，进一步做某 些近似，包括流体静力近似，那么侮涡在等压坐标和等熵坐标中的表达式 分别为： p i e = 一g ( 以4 - v 。 舌) v 。口 p v = - g ( f + k v ， i ) ，( 印a p ) v 。和甲口分剐为x y p ，x v 8 空间中的三维梯度，p v 为位势涡度，简称位涡 其表达式为：p v = 一g ( 弦4 - v 。 i ) v 。口 忽略国的水平变化，上式变为： p y g ( f + ，) 警+ g ( 嚣掣o x 一嚣筹)印印印钟 式中f 为相对涡度，为科氏参数口为位温，一g 娑表示静力稳定度。 印 干侵入中有待于研究的方面b 0 1 ： ( 1 )在干侵入分析预报研究中，卫星云图和雷达图像虽然显示了其优越性 ( 例如水汽图像跟踪干侵入的能力) ，由于中尺度天气系统发展较快， 若能结合模式输出产品特别是相对湿度和位i 呙的模式输出产品，将 干侵入在环渤海秋季暴雨中的作用 能使得干侵入的预报达到更健。 ( 2 )使蚪j 流体非静力平衡中尺度模式成功地提供了干侵入区飑线形成的 图像，即当高pv 气流以及低0w 气流从高空侵入到暖输送带盹将 产生飑线。在模拟干侵入中，合理的对流参数化和数据的初始化显得 很重要。 ( 3 )对干侵入产生机制的研究时，利用细网格资料进行的分析表明干侵 入的片流结构是位涡f 降的结果，然而，其机制的进一步研究要求 更高分辨率的三维探测资料。冈此，干侵入机制的研究是一个值得 继续探讨的课题。 ( 4 1由于窄冷锋雨带经常佯着破坏性的暴雨和大风，因此窄冷锋雨带的 研究如引发其产生的大尺度强迫和边界层过程等方面值得进一步进 行。因此，对干侵入及其机制的进一步研究具有较大的理论价值和 实际天气预报意义。 2 0 0 3 年1 0 月1 0 - 1 2 日从河北至山东经受了一场罕见的大暴雨过程， 在大部分地市创造了同期历史极值，并且伴有低温、大风以及海上风暴潮 灾害。在“0 3 1 0 ”环渤海区域暴雨研究中，发现对流层商层千侵入气流 对环渤海区域暴雨的影响不可低估。为此，将主要针对暴雨过程中千侵入 的形成原因，以及它对对流层中低层气旋的影响进行详细的研究，试图揭 示干侵入引发气旋发展的基本机制，从而进一步加深对环渤海区域暴雨形 成机理的认识。 2 研究的方法、结果 本论文将从以下三个方面进行研究分析： ( 1 )运用n c e p 和实况观测资料对暴雨发生的环境场进行初步的分析。 ( 2 )运用实况观测资料对暴雨的可能物理机制进行初步的诊断分析； ( 3 )用中尺度数值模式( m m 5 ) 对暴雨过程进行数值模拟，在其模拟 降水量与实况降水量基本吻合的情况下，用模式输出的基本物理 量计算出等压面上的口、 ，再崩一定的差分格式计算等压面上 干侵入在环渤海秋季黎雨中的作用 的位势涡度( p v ) ，直接应t = | 模式输出的相对湿度( r h ) 作为干 侵入的诊断物理量。通过个例分柝，揭示暴雨降水系统的演变规 律及物理机制。对环渤海区域暴雨过程有一个更清楚、更明确的 认识，为暴雨的准确预报提供充足的理论依据。 第一章暴雨过程影响系统及诊断分析 采用2 0 0 3 年1 0 月1 0 日、1 2 日m i c a p sf 传的地面高空常规观测资 对本次暴丽进行诊断分析，寻求环渤海区域暴雨的特征及形成机制。 1 1 降水特征 2 0 0 3 年l o 月l o 日到1 2 日在河北、北京、天津、山东、河南发生了 一场大暴雨天气过程，大部分县市达大暴雨，降水中心在河北尔南部与山 东西北部，降水最大的山东宁津过程降水量达2 5 4 m m 的特火暴雨，河北 东南部的部分县市过程降水量在2 0 0 r a m 以上。降水强度最大时段发生在 1 0 日f 午至1 1 日2 0 时( 北京时，下同) ，日最大降水量达1 6 6 r a m ( 宁津) ， 京津冀鲁区域大多数县市日降水量创造了秋季降水历史记录。 此次火暴雨过程伴随着强冷空气，适逢天文大潮，在唐山、天滓、沧 州、山东沿海l o 日开始相继出现风暴潮天气，沿海最大风速达4 0 m s ，陆 地瞬时风速达2 7 m s ( 沧州) ，强东到东北风持续l o 多个小时，造成房屋 倒塌、沉船、人员伤亡等经济损失达6 0 多亿元；同时气温下降明显，大 部分县市1 0 至1 1 日2 4 小时降温达1 0 * c 以上。 1 2 环流特征及影晌系统 l o 月l o 日0 8 时欧亚中高纬度地区5 0 0 h p a 为一脊一槽型环流，岛拉 尔山为高压脊贝加尔湖地区为低涡，低涡南部为槽区；3 0 。n 以南为强大 的南压高压。1 0 日2 0 时( 图l 。2 1 ) 乌拉尔山高压脊加强北伸，促使贝加 尔湖低涡南调，低涡南部槽前强硬南气流直达华北和东北地区。低涡与南 弧高压在1 0 日2 0 时至1 2 日0 8 时稳定少动，低涡至1 2 曰2 0 时逐渐减弱 为低压槽，此稳定的形势为暴雨的发生提供了稳定的环流背景。 干侵入在环渤海秋季暴雨中的作用 8 日0 8 时至1 0 日0 8 时的8 5 0 h p a 图j 二，贝加尔湖东部存在一个冷涡， 移动缓慢，至l o 日2 0 时( 图1 2 2 ) 移动到黑龙江，低涡后部冷高压发展。 低涡在东移的过程中受日本高压脊的阻挡，涡南部槽线已经转变成东北 聪南向的切变线；西南涡在9 日0 8 时生成，1 0 日0 8 时以后迅速发展，两 南涡倒槽前沿到达河北一带，西南涡切变线与黑龙江低涡切变线衔接；由 丁西南涡所携带的暖湿气流强盛，切变线东南侧的西南气流急剧发展，黑 龙江冷涡厉部的冷空气沿切变线西侧下传，东北风加大。由于冷暖空气势 力强大，切变线维持到1 1 日2 0 时，1 2 臼0 8 时东北低涡后部冷高压f 压， 切变线被打断。切变线加强了空气的辐合，导致r 大暴雨天气的发生。 沿在我国的东北地区，有冷锋与之配合；阀时在黑龙江硼北与高空东北低 涡配合有一个低压中心：在4 0 0 n 以南1 2 0 0 e 以西为一个强大的西南涡低 压倒槽：日本列岛南部海区有热带低压在生成。贝加尔湖高压冷空气非常 强烈，倒槽所配合暖湿空气也非常旺盛，因此，两股势力在4 0 0n 附近对 峙，冷空气往东行进，黑龙江低压北撤，形成东北高西南低的气压场形势； 冷空气从东北沿渤海回流西南下，与西南涡倒槽前部的西南暖漫气流汇 合，形成辐合上升气流。由于冷暖空气的长时间对峙致使冷锋从1 0 日 0 8 时至1 1 日2 0 时移动缓慢( 图1 2 3 ) ，1 0 日开始引发环渤海地区的大暴 1 3 能量场特征 总温度t t 和k 指数是表征大气能量状况的指数，在日常短期预报业 务中被广泛使用。分析1 0 0 0 h p a k 指数场的变化( 圈1 31 ) ，9 日0 8 时( 图 干侵入在环渤海秋季暴雨中的作用 1 3l a ) 青藏高原和东南沿海为4 0 0 c 的高值区，河北与山东处于展低能最 为2 。c 的小值区，至9 日2 0 时( 图1 3 1 b ) 高原能量往东北方向传播，形 成西南东北向的能量通道，河北一带能量增大很快，增火至2 8 。c ，此能量 场维持到l o 目0 8 时( 图1 3 1 c ) ，河北山东处于能量脊的边缘即能量峰顶， 随着1 0 日降水的开始，能量开始消耗，数值逐渐减小。具体分折大暴雨 落区的能量变化情况，北京、沧州、章匠( 表1 ) t t 和k 值均在9 日2 0 时达到最大，其中章匠k 指数日变化虽大，从8 时的一1 3 。c 增大到2 0 时 的3 8 0 c ，日变化达5 1 。c ：沧州k 指数在9 日2 0 时比0 8 时增加1 8 。c ，t t 增加8 。c ，可见在暴雨前期的9 日能量积聚明显，最大降水区出现在能量 人值区域的北端；在整个暴雨过程前后，沧州k 3 0 0 c ，t t 6 0 0 c 1 2 “， 本次暴雨的热力条件低于夏季暴雨。 圈1 3 11 0 0 0 h p a k 指数场 a 9 日0 8 时；b9 日2 0 时；c1 0 日0 8 时；d 1 1 日2 0 时 1 4 对流稳定度分析 田指数是日常短期预报业务中被用来判断层结状况的指标。9 日2 0 时和1 0 日0 8 时对应k 指数场大值区盯指数为负值区。山东大部处于位 势不稳定中，但是降水量犬值区的沧州及其西北s 肛o ( 表1 ) ，为稳定性层 结。随着降水的开始，各地田指数数值越来越大，层结的稳定程度进一步 增大。 假相当位温占。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，广泛用来讨论既包含干绝热又包含湿绝热过程的状态 9 干侵入在环渤海秋季暴雨中的作用 变化。分析假相当位温口。随高度的变化进一步探讨层结状况。分析1 0 日 2 0 时沿3 8 3 0 n 的口；。剖面图( 图14 1 ) ，可以看出，1 10 0 e 至1 1 7 0 e 在 9 2 5 h p a 以f 0 0 。c 8 z o ，为对流性稳定层结，9 2 5 8 0 0 h p a 0 0 。o z 的垂宜速度剖面图( 国 1 6 4 ) 上可以看出，3 5 - 4 0 0 n 具有强的上升运动，上升速度大值中心在 7 0 0 h p a 至3 0 0 h p a 之间，箍个对流层为垂直速度负值区一e 升运动区深厚。 第二章高低空急流分析 暴雨是一种深对流系统，它与高低空的环流形势密切相关。高低空总 流的相互作用是暴雨研究中的重要内客。高低空急流与降水间的密切关系 在许多文献中已有所体现1 2 6 1 。日本的暴雨预报方法中，根据高空急流的位 置定出暴雨出现的区域：不论东西走向( 纬向) 或南北走向( 经向) 的2 0 0 h p a 或3 0 0 h p a 急流，暴雨区位于高空急流轴南侧3 0 0 k m 附近。朱乾根1 2 7 1 指出 我国暴雨住往发生于高空西南风急流右后方。陈久康、r 治英口s j 研究了一 2 干侵入在环渤海秋季暴雨中的作用 次西北风高空急流下的梅雨暴雨日，发现高空急流促进了低空的辐合及垂 直上升运动。u c c e l l i n w 揭示了高低空急流耦合的动力学机制及其在强对 流天气发展中的作用，这篇经典文献指出，高空急流出、入口区。由于质 量和动量调整，产生低层变压风辐合、辐散，从而激发了垂直于急流轴的 两个次级环流，与低空急流相联系的次级环流的上升支位于低空急流左 侧有利于强对流和暴雨发生。 2 1 高低空急流分析 蚓2 1 1 为2 0 0 h p a 流场和最大风速中心变化图，从图中可以看出，9 曰2 0 时为南孤高压外围典型的地转风西风环流，急流轴向为西北。东南向； 随着南亚高压环流的北抬及蒙古低压环流的加强，至1 0 日2 0 时高空急流 轴已经发生逆时针旋转急流轴呈西北冻南向，导致急流轴右侧经向的地 转偏差风，随着地转偏差风向南逐渐增大，而导致高空强辐散i 州，致使大 暴雨天气的发生。从京津冀鲁区域2 0 0 h p a 的风场( 图略) 分析看出，1 0 日0 8 时高空急流带中心最大风速为5 6 m s _ 1 ( 北京) ，轴向为疆北一东南 向：1 0 日2 0 时急流中心数值减弱到4 6 m s ，急流轴向转为西南一东北 向，高空急流轴呈逆时针旋转：1 l 目2 0 时商空急流撙次加强，中心数值 达6 0 m s 一：1 2 日凌晨急流轴顺时针转向为西北一东南向，降水结束。 图2 1 12 0 0 h p a 流场和风速大于4 0 m r 的急流区域( 浅色阴影区) 、 大于6 0 m f 的急流区域( 深色阴影区) a9 日2 0 时，b 1 0 同0 8 时，c 1 0 日2 0 时， d1 1 日伽时，e 1 1 日2 0 时，f 1 2 日0 8 时 胡欣 3 1 1 曾指出海河流域的暴雨对低空急流是非常敏感的，低空急流小 的变化会引起水汽条件的巨变，从而导致暴雨强度的显著变化。从l o 日 2 0 时开始至1 1 日0 8 时，在8 5 0 h p a 图上存在3 条急流( 图2 1 2 ) ，一是孟 加拉湾的西南风急流，二是东南沿海的东南风急流，三是渤海的偏东 风急流。三条急流中心数值均在10 日2 0 时达最大，急流最大风速 出现在孟加拉湾的西南风急流中，风速中心数值达2 4 i t i s 1 ；t 1 日2 0 时， 干侵入枉环渤海秋季暴雨中的作用 当孟加拉湾的西南风最大风述减弱到8m s “时，降水趋于减小。 由上分析可得到：暴雨发生在高空急流轴逆转为i f c f 南东北向的期间内 ( 即高空有强的辐散场) ：另外暴雨还发生在低空急流中心数值达最火的 时段中。究其原因，高空急流为暴雨提供了高空强辐散，二条低空急流形 成强的风场辐合同时也为暴雨区输送了源源不断的水汽。分析1 0 日2 0 时8 5 0 h p a 的水汽通量和水汽通量敬度场( 图2 1 2 ) ，在三股急流的汇合位 置山西与河北交界处，为水汽通量辐台的高值区，1 1 日0 8 时( 图略) ，来 自渤海的舟 北风急流和黄海东南风急流持续增大，西南风急流加强东移， 此区域仍维持水汽通量和水汽通量散度的高值中心，强降水持续。 2 2 急流的动力作用 高空急流的动力作用表现在急流轴右侧强烈的辐散，通过抽吸作_ = i j 引 起低层强烈的辐合，从而激发气流的垂直上升运动，导致大暴雨天气的发 生1 3 2 l 。图1 6 2 为1 1 日0 8 时2 5 0 h p a 和9 2 5 h p a 散度及其中心9 日2 0 时至 11 日2 0 时的移动路径，从图中可看到，9 日2 0 时高低空散度中心位置差 异较大，l o 日2 0 时散度中心移到沧州附近。此时，高低空的教度位置对 应较好，而此时正是高空急流轴发生逆时针旋转的时刻；1 1 日0 8 时，急 流轴发生顺时针旋转，散度中心南移至山东，2 0 时东移入海。在l o 日2 0 时，急流中心与散度场中心有一个耦合过程，也正是雨强达最大的时刻； 另外在5 0 0 h p a 垂直速度图( 图略) 上，1 0 日2 0 时垂直速度增大n - 4 0 x 1 0 - 4 h p a s ，1 1 日0 8 时达最大值6 0 1 0 - 4 h p a s - 1 ，最大速度中心与辐 散场的位嚣对应较好。 2 3 里查逊数( r i ) 本文将风暴参数里查逊数r i t ”】引进，对急流的动力作_ i ；j 进行分 4 千侵入在环渤海秋季暴雨中的作用 析。 肌墨t f k 丝a z ) f k 坐z 2 ( 1 ) 式中： 訾是反映大气层结稳定度的参数；会兰是表示风垂a zz 直切变的参数，风的垂直切变影响对流云的传播，并为对流云的发展提供 能量。也就是说，r j 数表征的是大气稳定度与动力参数相结合的参数，同 时也是反映大气位能与动能变化的参数。 r j 数是一个无因次指标，f r i t s c h i 3 3 1 曾经分析了r i 数与天气的关系， 发现r j 数与强对流天气有很好的指示性，并且给出如下判据： 02 5 r i 一1易发生中纬度系统性对流； r i 0 的区 b e o 域，沿此区域有利于倾斜涡度的发展，与暴雨发生的地域分布一致；并且 在1 1 日0 8 时( 图3 5 3 b ) 对流层中层有一个2 0 0 x1 0 “m 2 p a s 。k g 1 的中 心，11e t 1 1 时( 图3 5 3 c ) 依然维持在5 0 x1 0 。o m 2 p a s 。k g - i 的中心，与暴雨 强度最大时段致，可见倾斜涡度理论能够较好的反映本次暴雨过程。 对比每小时一次的相当位温剖面图( 幽略) ，在对流层中低层 1 1 5 1 1 8 0 e 范围内，相当位温始终高度倾斜，甚至呈现垂直状态，倾斜涡 如砂 一 西一缸 + 、 厶 尸 ， v 魄一印 跏一印 蝣 一醇 i i = 恍 恍 干侵入在环渤海秋季暴雨中的作用 度发展区域在此陡立区域内。 第四章中尺度系统滤波分析 人尺度系统可以提供中尺度天气系统形成的条什和环境场，中尺度系 统才是赢接造成暴雨的天气系统p ”，通过中小尺度系统内的对流活动， 暴雨过程又可对火尺度背景场起反馈作用，改变原有的风场、湿度场和大 气层结等1 3 s 。为此，有的学者根据滤波原理，设计并发展了一些从常规观 测资料中提取中尺度信息的滤波方案 3 9 - 4 “，通过对常规观测资料作适当处 理，分析导致暴雨和强对流天气的中尺度系统，这一方法已较厂泛地j ； j 于 暴雨分析研究之中井取得了较好效果【4 ”。h o l o p a l n e n 和n u _ r m i 利用水 平滤波技术曾褥出波流之间的相互作用”“，陈受钧和谢安 4 7 1 利用9 点平滑 算子指出对流层上层和f 层动能的不同输送方向1 ，徐祥德【4 8 1 利用滤波器对 急流出口区的暴雨进行了诊断分析，陈忠明一1 把b a r n e s 滤波方法应用于常 规资料获取中尺度系统信息，于玉斌、姚秀萍| 5 0 1 用尺度分离的动能平衡方 程，对1 9 9 6 年8 月3 5 日华北地区台风暴雨过程雨区内的动能制造和转换 进行诊断，发现暴雨笈生前，尺度相互作用起最重要的作用，暴雨发生时， 中尺度运动由消耗动能转变为制造动能，暴雨发生后，动能制造项数值仍为 正，此时天气尺度动能制造最熏要动能的转换主要出现于高层，动能转 换是从低层向高层进行的。杨福全，杨大升 5 1 1 用平惜滤波法对1 9 9 1 年7 月l 5 日发生在江淮流域的暴雨进行分析，发现低层系统的发展和衰减决 定于2 0 0 h p a 、5 0 0 h p a 、7 0 0 h p a 各等压面不同尺度的运动场、涡度场和温 度场之间的相互作用。中尺度滤波方法在江淮流域夏季暴雨中的研究运用 较多，对于华北秋季暴雨的研究较少，在对流稳定的秋季大气中，中尺度 系统是否存在，其存在的生命期与暴厢强度有何对应关系，本文运用b a r n e s 滤波方法对本次过程进行滤波分析，进一步揭示华北暴雨的机理。 干侵入在环渤海秋季暴雨中的作用 4 1b a r n e s 滤波原理 b a r n e s 方法同时完成二维气象要素场的客观分析和滤波。设p o 等压面 上某一气象要素的观测值为f ( x k ，y k ) ，k = l ，2 ，n 为测站序号，( x k ，y k ) 为测站坐标，由b a m e s 方法先将二维测站观测值内插到经纬度网格点上， 得到初次估算场为： m村 f o ( x ，y ) = 取( 也，k ) 畋 ( 1 ) 其中 = e x p ( 一吒2 4 c ) 式中，圪( x ，y ) 为连续函数，c 为滤波常数；f k 为测站( x k ，y k ) 到格点( x ，y ) 的距离：m 为参加点心y ) 处滤波的资料样本数。 由于式( 1 ) 获得的低通滤波初值场e ( x ，y ) 为一连续场，因此，利刷式 ( 1 ) ，能够求出测站，h ) 处的低通滤波初值e ( x ，y ) 。于是，测站( x b y k ) 处 要素值与初值的差值便可直接得到： d ( 柚，肿) = 鼻时，耻) 一五( 吐，业) k = l ，2 - ，n ( 3 ) 该差值反映了由式( 1 ) 获取的低通滤波初值场对原始要素场信息的损 失。除了需要滤掉的一些短波信息外，为了使经处理后获得的低通滤波场 具有较高的滤波效果( 即将需滤掉的波动与保留波动明显地区分开) ，尚需 对低通滤波的初始场瑶( x ，y ) 作进一步订正： ( 4 ) 。m ， 冲 埔q峨 。 y r = ， r巧 千侵入在环渤坶秋季暴雨中的作用 其中 w k = e x p ( 一r k 2 4 g c ) ( 5 ) 式中f ( x ，y ) 即为b a m e s 低通滤波场；g 为另一滤波常数，取值通常为0 2 0 4 。过去的研究表明，经过一次订正后获得的低通滤波场f l ( x ，y ) 即具 有较好的滤波效果。由于f ( x ，y ) 也是一个连续场，因此，利用式( 4 ) ，我 们也必然能够求出测站( ，y k ) 处的低通滤波值曩( ，y k ) 。lb a r n e s 低通 滤波器( 4 ) 相对麻的滤波响应函数为： r i = r ( 1 + r “1 一r 6 ) ( 6 ) r = e x p ( 一4 万2 c 2 2 )( 7 ) 式中，五为波长。由式( 6 ) 、( 7 ) 可见，滤波器( 4 ) 的滤波性能取决丁j 滤波常 数c 和g ，选择不同的滤波常数。可以得到具有不同滤波特点的低通滤波 器，这为我们构造中尺度带通滤波器提供了有利条件。 由于低通滤波器( 4 ) 对不同的滤波常数c 衣lg 有不同的滤波性能，因 此，我们只要选择两组合适的滤波常数c 、g 1 和c 2 、g 2 ，使两个低通滤波 器f 一、f 2 分别保圉中尺度以上的波动信息和大尺度以上的波动信息，然后 用低通场f l 减去低通场，即得带通滤波场。 昂= 曩一e ( 8 ) 其响应函数为： r o 。r t i r l 2 ( 9 ) 式中，r ”r u 分别为低通滤波器f l 、f 2 的响应酝数。由此获得的结果 主要保留了中尺度波段的信息，这就达到了执常规观测资料中提取中尺度 气象信息的目的。 3 2 干侵入在环渤海秋季暴雨中的作用 4 2 方案设计 本文利用模式输出资料，选取中心格点1 1 7 0 e 、3 8 “ , i ，粗网格x 方向 上2 0 0 个格点，y 方向上1 2 7 个格点，格距o 2 7 0 3 0 ，细网格x 方向上1 6 8 个格点，y 方向上1 2 5 个格点，格距0 0 9 0 1 0 。 选取响应函数为c l = 3 0 0 0 0 ，g l = o 3 ，c 2 = 1 5 0 0 0 0 ，9 2 = o 3 的既个低通滤 波器构造坤尺度带通滤波器f d ，该滤波器的最大响应函数值为o 8 5 ，最 人响应波k = 为8 0 0 k m ( 图4 2 i ) 。 4 3 中尺度系统分析 影响华北暴雨的中尺度系统主要有6 种：暖睡中尺度切变线，冷性切 变线、辐台线，中尺度干线，东风切变线，低层中尺度浅薄冷空气活动， 边界层急流p “。分析影响本次过程的中尺度系统以进一步加强对华北暴雨 机制的研究。 分析l o 日0 8 时粗网格模式输出的5 0 0 h p a 实况场，在l o 日0 8 时( 图 4 3 ”，4 0 0 n 以南1 0 2 1 0 8 0 e 为低压槽，0 9 时开始至1 2 日0 8 时等压线走 向变为东北西南向，暴雨区为西南气流控制；分析粗网格滤波的1 0 日0 8 时( 图4 3 2 ) 开始的5 0 0 h p a 扰动气压场，在2 8 3 8 。n 1 0 0 1 1 0 e 有一个 中心为2 0 位势米的低压系统，此低压系统向东北方向发展移动，至1 0 日 1 6 时( 图4 3 2 b ) 低压顶部到达环渤海区域，此时降水强度显著增大；此 后低压倒槽继续发展1 1 日1 7 时( 图4 3 2 c ) 在环渤海区域分裂出一个 小的低压环流，此低压环流在环渤海维持至1 2 日0 3 时( 图4 3 2 d ) ，以后 东移消失，环渤海区域为高压环流控制。5 0 0 h p a 中尺度低压的维持与降水 持续时间吻合，可见，5 0 0 h p a 中尺度低压在本次降水过程中起了重要作用。 十侵入在环渤海秋季暴雨中的作片j 分析1 0 日0 8 时粗网格模式输出的7 0 0 h p a 的实况场，在1 0 日0 8 时 ( 图4 3 3 a ) ，4 0 。n 以南1 0 2 - 1 0 8 0 e 为低压，1 2 3 1 2 9 0 e 、2 6 3 0 。n 为台风低 压，我国东部海上为高压控制；此3 个系统形势稳定维持至1 1 日1 6 时( 圈 4 - 3 3 c ) ，环渤海区域处于高压厩部低压前部等压线密集陌：1 6 时以后高压 系统减弱东移，海上台风低压依然存在1 0 2 1 0 8 。e 低压减弱维持，降水 强度减小。 分析1 0 日0 8 时粗网格输出的7 0 0 h p a 的扰动场，在1 0 日0 8 时( 图 4 - 3 4 a ) ，2 5 4 4 。n 、1 0 5 1 0 8 0 e 为低压，1 2 5 ，1 3 0 0 e 、2 8 3 0 0 n 为台风低压， 1 0 日1 4 时( 圈4 3 4 b ) 1 1 4 1 1 8 0 e 、3 8 4 0 。n 有小低压开始生成，以后此低 压发展东移，控制环渤海的火片区域，赢至1 2 日0 8 时( 幽4 3 4 d ) ，可见， 7 0 0 h p a 中尺度低压在本次降水过程中作用明显。 图4 3 3 粗网格模式输出的7 0 0 h p a 气压场 a 1 0 口0 8 时；b 1 1 日0 8 时：c 1 1r1 6 时 图4 3 4 粗网格输出资料b a r n e s 滤波后7 0 0 h p a 中尺度扰动气压场 a 1 0 日0 8 时；b 1 0 日1 4 时：c 1 1 日傩时；d 12 曰0 8 时 用细网格模式输出的u 、v 分量分析8 5 0 h p a 流场，1 0 日0 8 时( 图4 3 ，5 a ) 3 0 。n 附近、1 1 0 1 2 0 。e 形成一条东南风与东北风的准东西向切变线， 切变线以南盛行东南风，切变线以北盛行东北风；此后1 1 6 。e 以西切变线 发展南移，切变线转为西南东北向，至1 1 日0 2 时( 图4 3 5 b ) 在1 1 2 - 1 1 4 0 e 、 3 2 - 3 5 发展出一个气旋性环流，其东北部为东南风与东北风形成的切变线， 此时暴雨强度较大，暴雨发生在此切交线的东南方；此气旋切变线环流向 东北方向发展，1 1 日1 6 时( 图4 3 5 c ) 发展到最大范围，至1 2 日0 8 时 ( 图4 3 5 d ) 缓慢向东南方向移动，强度位置变化不大。 3 4 干侵入在环渤海秋季暴雨中的作用 刚模式输出的细网格资料进行b a r n e s 滤波，分析滤波后的每小时一次 的7 0 0 h p a 扰动流场，1 0 日0 8 时( 图4 3 6 a ) 在3 8 0 n 附近1 1 0