（气象学专业论文）2005年梅雨锋暴雨的数值模拟及诊断分析.pdf

2 0 0 5 年梅雨锋暴雨的数值模拟及诊断分析 中文摘要：本文利用n c e p 客观分析资料和各种非常规资料对2 0 0 5 年梅雨期的环流特点分 析后发现，在梅雨期低空西南气流的短期变化与雨带的进退和维持有密切关系，对长江中 下游地区梅雨锋的形成维持和强降水的产生有非常重要的作用；利用常规资料对梅雨期中 最强的一次暴雨过程的各种常规物理量诊断分析后发现梅雨锋成熟时期的垂直和水平结构 特点：梅雨锋的风场是由南面的西南季风和北面的东风气流构成，梅雨锋位于东西风急流 的交接中心略偏西的一侧，此处的相当位温几乎垂直分布，其左右两侧底层蕴藏着不稳定 能量；在江淮、黄淮到四川一带切变线长时间维持并伴有低涡，而切变线两侧不断有中尺 度对流系统发展，强暴雨发生在中尺度扰动低压内；利用中尺度数值模式对此次过程进行 数值模拟，并对模拟结果的热源水汽汇，改进后的湿q 矢量分解、m p v 等进行诊断分析得 到了很多有意义的结论。诊断量对于雨量和降水落区的预报有着很好的指示作用，为此专 门开发了中尺度诊断量图形显示软件其可以输出不同时次和层次的相应诊断量图形，方 便使用者从不同的角度认识天气动力过程，揭示天气过程的物理意义，并且避免了大量的 重复性劳动；为了进一步了解地形和水汽凝结潜热在此次暴雨过程中所起的作用的地形和 水汽凝结潜热敏感性试验可以发现：在大气底层，大别山北侧迎风面所形成的低涡系统对 于暴雨的加强和增幅作用明显；凝结潜热的释放对于暴雨中尺度系统的发生发展也起着至 关重要的作用。 关键诃；暴雨；数值模拟；诊断分析；图形显示；敏感试验； n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d d i a g n o s t i ca n a l y s i so fm e i y u f r o n tr a i n s t o r mi n2 0 0 5 a b s t r a c t ：t h ea v e r a g ec i r c u l a t i o nc h a m c t 谢s d c sd u r i n gm e i y up e r i o da r ea n a l y z e dw i t hn c e p o b j e c t i v ea n a l y s i sd a t aa n dd i f f e r e n tn o n - c o n v e n t i o n a lo b j e c t i v ed a t a i ti sr e v e a l e dt h a tt h e v a r i a t i o n so fl o w e rl e v e ls o u t h - w e s tj e ti nm e i y ua r ec l o s er e l a t e dt oa d v a n c e , r e t r e a ta n dr e m a i n o fr a i nb a n d a tt h es o r t i et i m e ，t h ev 删o n sp l a ya ni m p o r t a n tp a r ti nf o r m a t i o no f m e i y uf r o m a n dh e a v yr a i n ；b yu s i n gc o n v a n f i o n a ld a m , t h es t r o n g e s tr a i n f a l li nm e i y ui ss t u d i e d u s i n g s y n o p t i cd i a g n o s em e t h o d s ，w eg e ts o m ec o n c l u s i o n sa b o u tv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ls w b c t o f e c h 锄麓c 姗o f t y p i c a lm e i y uf r o n t ：t h ew i n do f m e i y uf r o n tc o n s t i t u t e sb ys o u t h - w e s tm o n s o o n c o m i n gf r o ms o u t ha n de a s ta i rc u r r e n tc o m i n gf r o mn o r t h , a n dm e i y nf r o n ti sa l m o s ti nt h e m i d d l eo f e a a t j e ta n dw e s t j e tw h e r et h ep o t e n t i a lt e m p e r a t u r ei sa l m o s tv e r t i c a la n dh a sl o t so f e 理i nt h el o w e rl e v e l t h ed i a g n o s t i ca n a l y s e ss h o wt h a tt h eh e a v yr a i ni sp r o d u c e db yt r o u g h , s h e a rl i n ea n dv o r t e xf r o my a n g t z eg i v e rt os i c h u a np r o v i n c e t h em e s o s c a l en u m e r i c a lm o d e m m 5w a su s e dt 0s i m u l a t et h i sh e a v yr a i n a p p a r e n th e a ts o u r c e s 、a p p a r e n tm o i s t u r es i n k ， m o d i f i e dw e tqv e c t o ra n dm p v 跚r e s e a r c h e db yu s i n gs i m u l a t i o nr e s u l t s 1 1 艟d i a g n o s e s p l a yag o o dr o l ei nf o r e c a s t i n gm e s o s c a l er a i n f a l la n dr a i nb a n d t h eg r a p hd i s p l a ys y s t e mo f m e s o s c a l ed i a g n o s t i cv a r i a b l e si ss o f t w a r et h a tc a no u t p u td i f f e r e n td i a g n o s t i cv a r i a b l e s g r a p hi n w e a t h e rd i a g n o s i s w i t ht h eh e l po f t h i ss o f t w a r e ，w ec a ng e te a s i l yd i a g n o s t i cv a r i a b l e s g r a p hi n d i f f e r e n tt i m e sa n dd i f f e r e n tl e v e l s u s e r 5w i l lu n d e r s t a n dt h ed y n a m i cp r o c e s sf r o md i f f e r e n t p e r s p e c t i v e o p e no u tt h em 船o s c a l es t r u c t u r e sc h 部胃c t e 培a n dt h ep h y s i c a lm e a n i n g , a n da v o i d r e p e a t e dw o r k i n g t h et e r r a i n m i 矗v i t ) rt e s ta n dv a p o rc o n d e n s a t i o nl a t e n th e 鲥n gt e s tw e r e d o n ef o ru n d m s t a n d i n gt h ef u n c t i o no ft a i na n dv a p o rc o n d e n s a t i o nl a t e n th e a t i n 晷t h r o u g h t e s t sw ec a nf o u n dt h a tt h ev 眦e xo fn o r t ho fm o u n t a i nd a b i eh a v ec e r t a i ni n f l u e n c ef i l lt h e l o c a t i o na n di n t e n s 量c yo f r a l n f a u , m e a n w h i l e ，c o n d e n s a t i o nl a t e n th e a t i n gp l a ya ni m p o r t a n tp a r t f o rt h eh a p p i n 鹋sa n dt h ed e v e l o p m e n to f m e s n s c a l es y s t e m k e yw o r d s ：h e a v yr a i n f a l l ；n u m e 删s 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 ；t h eg r a p h i cd i s p l a ys y s t e m ； s e n s i t i v i t yt e s t ； 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：鞠蛩啦b 进蛙 日 期：逊2 。 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i 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： 日瓤尘弘 2 0 0 5 年梅雨锋暴雨的数值模拟及诊断分析 第一章引言 梅雨锋暴雨是我国长江中下游地区夏季汛期的主要气象灾害，对于工农业生产和人民 的生命财产构成了严重威胁。例如1 9 9 8 年夏季长江流域持续强暴雨引发长江流域八次洪 峰，造成了国家直接经济损失3 0 0 0 多亿人民币和1 0 0 0 多的人员死亡；再如2 0 0 3 年汛期淮 河流域再次遭受1 9 9 1 年以来的最大的洪水，其原因仍然是多次暴雨过程引起的。造成这两 次长江流域和淮河流域持续性洪峰的主要原因是多发性突发性的中尺度暴雨系统活跃在这 一地区的结果。因此，关于大气环流的短时突变和强对流天气系统发生发展机理以及暴雨 天气系统多尺度结构等问题一直是气象学者关注和研究的主要内容i ij 。 1 i 国内外研究进展 对于梅雨锋暴雨的研究国内外许多学者做了大量的工作，得到了许多有意义的结果 p ”】。从大气环流的角度看梅雨锋是一条行星尺度的锋带，从我国西南地区向东，经过 江淮流域，一直延伸到日本列岛，甚至太平洋中部，绵延数千公里。日本和朝鲜半岛也都 受梅雨锋的影响而出现一个多雨时段，他们分别被称为“b a i u ”和“c h a n g - m a ”，以下为 国外一些有代表性的观点：m a t s u m o t o l j 】j 等( 1 9 7 0 ) 认为梅雨锋是一条对流层中层的暖湿带， 其下有低空急流相伴，具有强的气旋性切变且热力层结构时中性的；n i n o m i y a l i q ( 1 9 8 4 ) 等的研究指出梅雨锋的结构不同于极锋，极锋主要表现在温度对比，而梅雨锋主要表现在 湿度对比，通常对应有一个狭窄而稳定的降水带。大的温度梯度，深厚的水汽层以及对流 性不稳定层结，因此他认为梅雨锋可以用水汽和位温梯度来定义，并认为梅雨锋是一种副 热带锋；k a t o ”l ( 1 9 8 7 ) 在研究了全球锋区的梅雨锋后指出，梅雨锋可被看做全球锋区中 具有特殊性质的锋区，容易完全停滞，并随着季节的演变，阶段性的改变位置；k a t a 和 a k a y a m a “1 ( 1 9 9 0 ) 的研究认为梅雨锋西段，即中国大陆上由于中国大陆南湿北干的下垫面 情况而引起的加热不同，使得南北温差较小，其正压性强，低层具有强的水平风切变，多 为对流云：而东段即西北太平洋上空，受东亚大槽的影响，水平温度梯度明显。斜压性强， 具有气旋性锋面的特点，多为层状云。中国大陆上的梅雨锋，是季风气团( 口。 3 4 0 1 ( ) 与 中纬度气团( 3 3 0 k 见， 3 2 0 k ) 的交汇处；西北太平洋上的梅雨锋，是热带气团 ( 3 4 0 k 口。 3 3 0 k ) 与极地大陆冷气团( 口。 3 2 0 k ) 之间的交汇处。n a g a t a 和0 9 u r a l l ”认 为，梅雨锋是东亚夏季风系统的重要成员，平均每年6 月下旬到7 月上旬出现在中国长江 流域到日本岛范围内，沿3 0 a n 附近向东北方向延伸，它是位于大气低层的一条湿度梯度高 值区带随高度向北倾斜，温度糖度一般不明显。在地面江淮流域表现在8 5 0 和7 0 0 h p a 上则 2 0 0 5 年梅雨锋暴雨的致值模拟及诊断分析 表现为江淮切变线。在时间平均的卫星云图上则表现为一条从华南，长江流域一直延伸到 日本列岛，然后向东北方向和北太平洋上的极地锋面云系相连的云带。 对于梅雨锋的性质，除了前面提到的极锋，赤道锋，副热带锋以外，国内还有其他的 观点：王德翰和丁一汇i l ”认为梅雨锋在对流层上半部和下半部具有不同的性质，对流层 下半部为相当正压结构，因为梅雨锋对流层下半部的涡度轴线接近垂直，对流层上半部为 斜压结构，因为高空副热带锋面所对应得涡度是倾斜的：胡伯威和彭广i l ”( 1 9 9 6 ) 在研究 暖切变型江淮梅雨锋结构以及维持机制时也认为：暖切变型江淮梅雨锋截然不同于中纬度 锋面，它已远离东亚高空急流和锋带，在自由大气层中呈带状相当正压结构。胡i j w ( 1 9 9 7 ) 又指出，梅雨锋西段越往西深入陆地其两侧的温度差越不明显，特别是到了梅雨末期，除 了在8 5 0 h p a 有“假锋”，并指出它不同于斜压性锋面。梅雨锋在低层是一条线，他把这种 锋面叫做暖切变型梅雨锋，并指出它不同于斜压性锋面。梅雨锋在低层是一条枪的湿度梯 度带( 低层的“湿度锋”) ，在尺度相对大的高空扰动诱发下，“湿度锋”南边界附近最 有利于发生c i s k 机制。其准二维风场不同于经典的地转动量附近风场。在边界层则有浅窄 而明显的斜压结构。梅雨锋的这种边界结构的斜压性在吴庆丽 2 0 1 ( 2 0 0 2 ) 对华南前汛期梅 雨锋的数值模拟研究中也被分析出来；王建捷和陶诗言川对1 9 9 8 年6 与1 6 到1 7 日暴雨时 段的梅雨锋结构以及梅雨锋的形成与维持进行了诊断分析，确认了暴雨发生时期梅雨锋结 构的一些普遍特征，同时揭示了此次梅雨锋结构的典型特征，锋区从地面可伸展到6 0 0 h p a 层，近乎垂直，略向北倾：锋区9 0 0 h p a 以下是一个大气弱对流不稳定区，向上气层变为潮 湿中性至4 0 0 h p a ，等相当位温线基本垂直分布；锋区的斜压性相当弱。以上只是介绍了大 量梅雨锋研究中的一些有代表性的内容，几乎每个作者都从各自的角度得出了对梅雨锋结 构的提法，由此我们不难看出，它们实际反映了梅雨锋结构的复杂性。 关于梅雨锋结构特征的研究工作，过去大多是采用常规观测资料对其进行诊断分析， 并借此初步建立了梅雨锋结构的概念模型，但是由于常规资料的时窆分辨率较低，使我们 对于梅雨锋结构的认识在时空尺度上仍有很大的局限性，中尺度数值模式是研究中尺度天 气系统和中尺度天气过程的重要工具，通过数值模式使我们对梅雨锋暴雨有了更进一步的 研究：贝耐芳( 2 0 0 2 ) 【丑】等对“7 ”武汉黄石突发性暴雨的中尺度系统研究结果表明， 大暴雨是由一系列中尺度的对流系统造成的，特殊的中尺度地形作用与中尺度对流系统 形成有密切关系；徐亚梅，孙建华( 2 0 0 0 ) 田j 和王建捷等对引发大暴雨的中参尺度对流系 统进行数值模拟研究，得到了一些有意义的结论：彭加毅等通过位涡繁衍理论揭示了中尺 度对流系统可能的触发机制；关于地形敏感性和水汽凝结敏感性实验国内外学者很早就开 展了这方面的分析研究：s p r e e n ( 1 9 4 7 ) 口1 利用地形的高度坡度等作为预报因子，解释了 落基山地区平均年降水8 8 的方差；d a n a r d ( 1 9 7 7 ) 瞄的研究也进一步证明了利用地形作 为预报因子预报降水的有效性：随着数值模式的发展，我们可以从更小的时空尺度上研究 中小尺度地形对暴雨雨量以及落区的影响：张立风等( 2 0 0 0 ) 对一次华南暴雨的数值模拟 2 2 5 年梅雨锋暴雨的数值模拟及诊断分析 表明，地形的抬升作用占最底层上升速度的一半，并对系统有阻挡作用；高坤等也指出江 淮地区地形复杂，而且多是中小尺度地形，对暴雨的日频分布和雨量分布都有很大影响。 通过以上论述可以看出，高分辨率中尺度数值模式较成功的模拟结果，使人们有可能通过 数值模式从某种角度来揭示梅雨锋多时空尺度的结构特征以及变化。这些模拟资料可以弥 补常规观测资料对中尺度系统分析的不足，利用这些模拟输出的资料来研究m c s 的机构， 演变和其动力热力机制已经成为目前研究蛐c s 的一种非常有用而且非常重要的手段，当然， 对模拟结构的深入理解和更准确地运用还需和中尺度动力学研究更密切的结合1 2 6 - - 3 4 。 1 2 本文研究的内容、目的和意义 本论文以2 0 0 5 年梅雨锋降水作为研究对象，利用n c e p 全球谱模式、常规探空、地面 观测资料和卫星云图等资料，对2 0 0 5 年发生在江淮地区的梅雨锋过程进行了的天气诊断分 析，从不同尺度相互作用的观点来讨论2 0 0 5 年梅雨期的暴雨特征。全文共分六章： 第一章对近年来国内外梅雨的研究进展做了一个简单小结并简要概括了本文的研究目 的、内容和意义；第二章对2 0 0 5 年梅雨锋暴雨的环流特征进行了研究，主要分析此次梅雨 期的降水特点，以及梅雨期大尺度环流特点和中间、中尺度天气系统的特点；第三章以此 次梅雨期中最强烈的一次暴雨过程为例，对梅雨锋暴雨的中尺度系统进行了研究，并利用 常规观测资料讨论了这次过程中基本物理量的特征，并总结了梅雨锋形成，成熟期的典型 结构；第四章对中尺度数值模式进行简介，利用中尺度数值模式对暴雨进行数值模拟，并 对影响暴雨产生的基本物理因子进行对比分析；第五章对中尺度诊断量图形显示软件做了 简介，并利用较好的模拟结果对此次暴雨的中尺度热量和水汽收支、改进后的湿q 矢量分 解以及湿位涡进行诊断分析研究，从更广阔的角度进一步对这次过程进行研究，揭示梅雨 锋暴雨的动力学机制；第六章通过地形敏感性试验和水汽凝结潜热敏感性试验分析在此次 梅雨过程中尺度地形以及凝结潜热所起的作用，以及这些因子对暴雨所产生的影响；第七 章是全文的总结以及所存在的不足之处。 本文的研究目的是揭示长江流域梅雨锋暴雨的内部机理和物理机制，以2 0 0 5 年梅雨期 暴雨为例，希望对梅雨期暴雨过程的共性和个性有进一步认识，可以发现其规律性以及梅 雨锋暴雨天气过程的动力和热力条件，为准确预报梅雨期暴雨提供可靠的理论依据。但是 由于梅雨锋暴雨的“突发性”“持续性”“复杂性”和客观条件的限制，以及我本身知识水 平和现有资料的限制，本论文中可能有很多不足之处，很多地方可能需要进一步讨论，这 也是我以后努力的方向。 3 2 0 0 5 年梅雨锋暴雨的教值模拟及诊断分析 第二章2 0 0 5 年梅雨期暴雨的环流特征 每年6 月中旬到7 月中旬。在我国长江中下游地区维持一条稳定持久的雨带，我们把 这段时期称为梅雨季节。梅雨锋上的暴雨从其降水强度来说并不是最强的( 它比台风暴雨 相比要小) ，但是江淮切变线在梅雨季节常是稳定出现的，形成暴雨的大尺度环流背景条件 经常存在，所以在梅雨季节暴雨出现的机会很多，并且常有连续性的暴雨出现。一般来讲 长江流域出现的暴雨，尤其是在长江中下游地区，主要集中在梅雨季节，但是不同年份其 降水很不相同，除了天气系统不同外，环流差异也很大p ( 丁一汇，1 9 9 3 ) 。除此之外，暴 雨是各种尺度相互作用影响形成的天气系统，梅雨暴雨天气系统多数与中尺度系统的发生 发展有关，他们主要由中何尺度( 5 0 0 1 0 0 0 k m ) 和中尺度系统( 1 0 0 2 0 0 k m ) 造成( 陶 诗言等，1 9 8 0 ；赵思雄，1 9 8 8 ) 。在本章中，我们主要分析大尺度环流特点和中间、中尺度 天气系统的特点，从不同尺度相互作用的观点来讨论2 0 0 5 年梅雨期的暴雨特征。 2 1 降水时空分布特点 2 0 0 5 年夏季6 7 月的雨带演变主要分为3 个阶段：第一阶段( 6 月l 9 日) 雨带主 要位于华南地区和长江上游地区，其中主要集中于两广地区，长江中下游以及江淮地区基 本没有降水，并且伴随气温异常偏高( 图2 1 1 ) 。第二阶段( 6 月l o 7 月1 0 日) 降水主 要集中在长江淮河流域，梅雨雨带沿长江呈纬向型分布。并且在河南南部，湖北北部以及 安徽地区出现大面积的降水中心，在广东等省也有一个降水中心，主要是由于台风以及外 围云系造成( 图2 1 2 ) 。第三阶段的降水中心在福建和浙江的交接处，主要是由于台风以 及外围云系造成；江淮流域以及长江上游地区的降水也偏小( 图2 1 3 ) 。 i 图2 1 12 0 0 5 年6 月1 日6 月9 日的降水量( 单位：m m ) i l 图2 1 22 0 0 5 年6 月1 0 日7 月1 0 日的降水量( 单位：m m ) i l 图2 1 32 0 0 5 年7 月1 1 日7 月3 0 日的降水量( 单位：m m ) i 2 2 大尺度环流演变特征 首先分析2 0 0 5 年6 7 月梅雨期间的平均环流形式。在6 月1 0 习至7 月1 5 日的平均 梅雨期间，对流层低层8 5 0 h p a 上，中国西南地区至孟加拉湾( 1 0 5 。e 附近) 有一个较深的 4 2 0 0 5 年梅雨锋暴雨的数值模拟及诊断分析 低压槽维持( 图2 2 1 ) 。从图中可知，在梅雨期，印度季风槽的西风在南海转为南风，而 且从太平洋来的副高南侧的东风气流也在南海转为南风，与前一只南风合并使得到达长江 流域的西南风增强，低纬度的西南风正好到达长江中下游地区。图2 2 1 中可见副高偏西， 西侧的西南气流活跃以及西南气流的水汽输送，造成了此段时间的降水偏多， 从6 、7 月8 5 0 h p a 中纬度西风气流和南风北进的程度看出( 图2 2 。2 ) 。在梅雨期间均 有较强的高空偏西、偏南气流配合。西风从6 月初到7 月中旬是逐渐北进的，且8 m s 4 以 上的西南风急流持续出现在1 5 。3 0 0 n ，而7 月1 5 日以后又开始南退，其相应的南风分量 也达到3 0 0 n 附近，有利于梅雨的产生。在6 月l o 日至7 月1 5 日期间，梅雨期有4 次明显 的降水过程，分别集中于6 月1 0 日至1 3 日，6 月1 8 日至2 3 日，6 月2 6 至2 8 目和7 月5 日至1 4 日，从图2 2 2 中可知在此4 次降水期间。伴随有平均风场的移动。 l 图2 2 16 月1 0 日至7 月1 5 日8 5 0 h p a 风场i 图2 2 22 0 0 5 年6 月1 日7 月3 0 日8 5 0 h p a 的1 1 0 。1 2 0 。e 平均风场随时间的变化；( a ) ：东西风；( b ) ：南北风； 从图2 2 3 a 中可知5 0 0 h p a 形势场大尺度环流：在此次降水过程中，5 0 7 0 0 n 对流层高 层( 5 0 0 h p a ) 有稳定的高压脊线，一个阻塞高压在乌拉尔山福建，另一个在勒拉河、雅库 茨克一带，中间为一宽广的低压槽，贝加尔湖以及南部地区位于深槽底部，9 日从位于 5 0 0 h p a 贝加尔湖地区的冷涡中分离的冷空气东移南下，切变线随之南压，雨区自北向南影 响长江以及南方地区。图2 2 3 b 中阻塞高压并没有形成，在我国东北地区的冷涡持续维持， 中国华东部地区的低压槽加深，江淮地区位于槽后西北气流控制，同时副高位置偏东，偏 弱，冷暖空气交汇产生的梅雨锋位置偏南，薅带位置也偏南。图c 与a 显著不同，贝加尔 湖地区为高压脊线，而6 0 8 0 0 e 的乌拉尔山地区为槽，这种槽脊分布与典型的梅雨环流正 好相反，不利于冷空气南下到长江流域。西太平洋副高明显偏东，5 8 8 线位于1 2 0 。e 以东， 未有伸展到大陆。从高纬度到低纬度，从西到东有三段低压槽，中纬度的西风平流比较平 直，此次降水主要是西风平流中的短波波动。图2 2 3 d 中，阻塞高压位于贝加尔湖以西地 区，贝湖以东为低值区，环流经向度大，冷空气十分活跃，主要从阻高前部的贝湖低压区 中东移南下。西太平洋副高呈东西带状分布，南北跨1 0 - 1 5 个纬距，脊线一直维持在2 5 n 附近，西伸脊点在1 1 5 = e 附近，西太平洋副高偏西，有利于暖湿的冷空气与冷空气的汇合， 为梅雨的形成提供了有利的环流形式。 图2 2 35 0 0 h p a 时间平均高度场分析；( a ) ；6 月1 0 日1 2 日； ( b ) ：6 月1 8 日2 3 日：( c ) ：6 月2 6 日2 8 日；( d ) ：7 月5 日1 4 日 2 0 0 5 年梅雨锋暴雨的数值模拟及诊断分析 2 3 中尺度天气系统的特征 在梅雨季节，长江流域是极地冷空气和热带暖湿空气交汇的地带，此时在梅雨锋上中 间尺度天气系统很活跃，他们的活动不仅维持了梅雨期持续性降水，而且给暴雨的产生创 造了十分有利的条件。暴雨的生成需要充沛的水汽供应。暖湿的不稳定空气层结，以及强 烈的低空辐合来加速垂直环流，从而使大量暖湿空气得到抬升凝结产生降水。梅雨期活跃 的中间尺度天气系统就具有这些作用。江淮流域切变线使低空辐合的条件在这一带经常具 备。当有气旋性低涡出现低空辐合就进一步加强。在梅雨锋的南面，低空西南风急流把低 纬度的湿热海洋空气输送到长江中下游，因此水汽的供应总是很充沛。低空暖湿空气平流 造成空气的不稳定层结。这些条件都是梅雨锋上出现暴雨的有利条件。切变线、低涡和低 空急流等这些天气系统虽然在其他季节也有活动，但是在梅雨季节有其特殊性，他们比其 他时期出现的更频繁田”j 。下面分另对这些系统的特点作说明。 切变线：2 0 0 5 年夏季入梅后。西太平洋副高脊线持续稳定在2 0 2 2 。n ，在脊线的北部 维持一条高空风切变线，切变线在7 0 0 h p a 高度上表现的最明显，表现为东北风或西南风的 切变线。江淮流域的切变线在梅雨季节出现的次数最多，也是梅雨期天气系统的一个特征。 在切变线上常有一中气旋波动产生，每个波动的东移过程就伴随着一片强雨区，所以梅雨 期暴雨大部分出现在切变线附近。图2 3 1 为主要降水过程的7 0 0 h p a 平均风场。图2 3 1 a 中，低层7 0 0 h p a 切变线在整个降水过程中向东移南压，从平均环流特征可知，在降水过程 中切变线平均位于2 9 。n 附近，切交线为西南与西北气流切变。图2 3 1 b 中，平均切变线偏 南，随着2 2 日后的高纬度的冷空气补充南下，冷空气实力明显的加强，切变被彻底南压到 福建中部，过程结束。图2 3 1 d 过程为一次明显的江淮梅雨过程，图中可知平均切变线呈 东西向分布，切变线以北为西北北风，南面为西南南风，切变明显，且切变线位于江淮之 间，在此次过程中，南下的冷空气与北上的强的高温湿空气流交汇于江淮流域，在此段时 间内，切变线重复建立，带来了江淮地区梅雨。 西南低空急流：梅雨季节，副热带高压的西北侧和切变线以南，对流层的中低空有一 只稳定的西南风气流，这就是西南低空急流。在梅雨锋上的暴雨出现，常伴有低空急流的 一次显著增强，急流轴北侧强烈的气旋式切变和正涡度加强使得暴雨和其下风向之间出现 强的辐合，使水汽和能量动量向暴雨区集中，这些条件都有利于暴雨的形成，反过来暴雨 的凝结潜热和不稳定能量的释放对于低空急流的生成、维持和发展也有很重要的作用。图 2 3 2 中可以看出。6 月1 0 日左右伴随着t o m s 风速的出现，梅雨开始此后有两次季风北进， 大约2 3 个纬度，使得梅雨7 月初雨带位于江淮流域，正好与江淮梅雨期相对应。因此可 以看出，1 1 0 。1 2 0 0 e ，2 0 。3 0 。n 地区的西南急流是否存在，对长江中下游地区梅雨锋 的形成维持和强降水的产生有非常重要的作用。 6 2 0 0 5 年梅雨锋暴雨的敛值模拟及诊断分析 图2 3 17 0 0 h p a 流场切变线：( a ) ：6 月1 0 日1 2 日； ( b ) ：6 月1 8 日2 3 日；( c ) ：6 月2 6 日2 8 日；( d ) ：7 月5 日1 4 日 7 2 0 0 5 年梅雨锋暴雨的数值模拟及谤断分析 第三章梅雨锋暴雨中尺度系统的基本特征 在2 0 0 5 年的梅雨期中主要的四次降水过程中，前三次梅雨雨量偏少。梅雨期以过程性 降永为主，并无大范围的连阴雨天气，多数地区出现了“梅雨不霉”的异常显现。而第四 次降水( 7 月5 1 1 日) ，主要位于江淮流域，是全国7 月份降水中时间最长，强度最大的 一次过程。此次过程的降水总量一般有1 0 0 3 0 0 m m ，超过3 0 0 m m 的站有1 6 个，其中有1 1 个位于安徽中北部，过程雨量最大的几个站分别为安徽的太和5 1 3 r a m 、界首4 7 0 m m 、涡阳 4 5 3 m m 、蒙城4 3 3 m m 以及湖北的枣阳4 2 2 m m 。显然这次降水过程对于江淮梅雨的研究是 具有一定代表性的。 暴雨的基本物理量包括散度、涡度、垂直速度以及水汽和不稳定能量等等。这些基本 的物理量对于暴雨内部形成机理的研究起着不可忽视的作用【4 l j 。本章中我们主要分析2 0 0 5 年7 月份最强的一次梅雨过程的基本物理量，通过这些基本物理量的计算和分析，使我们 对于此次梅雨过程以及梅雨天气系统有进一步的认识 3 1 暴雨大尺度降水以及云系特征 2 0 0 5 年7 月4 目至1 2 日发生在江淮地区一次范围广，强度大，时间长的梅雨锋天气过 程。图3 ，1 1 为7 月6 日1 2 时1 1 日1 2 时这5 天的降水过程以及“小时降水实况分布。 从图中可以看出这次降水过程主要分布于长江中下游地区，黄淮、江淮、汉水流域、西北 地区南部、西南和华南的部分地区有中到大雨，其中江苏南部，安徽，陕西南部、河南、 湖北和湖南、四川豹部分地区有暴雨，局地大暴雨。另外，从这五天的降永的分布图( 图 b f ) 看，雨带在江淮流域持续维持，在暴雨发生期间，雨带略有东移。其中，降水最多 的是第四天，即9 日1 2 时1 0 日1 2 时。从五天的逐日降水可以看出，在降水期间，降水 中心对应不同时次的云团，显示了整个降水过程是中尺度云团不断建立消亡的过程。 通过以上分析可以看出，这次降水过程主要集中在7 月9 日1 2 时1 0 日1 2 时( t r r c ， 下同) 。以下主要分析和研究7 月9 1 0 日江淮地区的一次强降水过程。从图f 中可以看到： 雨带沿长江流域呈东北西南向的带状分布，最大降水中心在0 2 1 3 1 4 ，1 1 4 o s e ) 附近，累 计2 4 小时降水量为2 7 4 m m 。 卫星云图上的白亮云团是对流活动旺盛的地区嗍，由卫星云图( 图3 1 2 ) 可以看出在暴 雨发生期间，有旺盛的对流云发展，长江流域一直是对流活动活跃的地区，云系的分布趋 势和降水的分布非常一致。在9 日1 2 时长江中游出现了一个b 中尺度( 水平尺度在2 0 2 0 0 k a 之间) 对流云团a ，此后该云团迅速发展成熟，到1 5 时发展成中a 尺度强对流云团a ， 8 2 0 0 5 年梅雨锋暴雨的数值模拟及诊断分析 在6 小时的降水量图上有一个1 4 0 m m 的强降水中心( 图3 1 3 a ) 与之对应；至1 7 时该云团分 裂在东西向为两个对流云团a 和b ，到1 9 时，原来位于湖北西部的c 云团也发展强盛起来， 并且在东移过程中与a 云团合并，2 2 时发展为d 云团，此时云团发展到强盛时期，在云图 中表现为大片的白亮区域，在6 小时的降水量图上有一片强降水区( 图3 1 3 b ) 与之对应i 到1 0 日0 2 时，云团东移，雨区也随之东移，1 0 日0 6 时至加日时，d 云团濒临入海，在长 江中游出现e 云团，云团的亮度比d 有所下降，对流活动大为减弱，对应一个较弱的降水 中心( 图3 1 3 0 ) i 到l o 日1 2 时，云趋于消数，降水过程结束( 图3 。1 3 d ) 。从卫星云图上可 以看到云团分布的不均匀性和连续的演变情况。 通过以上分析可见，在2 0 0 5 年7 月6 日至1 1 目的降水过程中，9 日1 2 1 0 日1 2 时 为2 4 小时最大降水。在此2 4 小时中，暴雨并非持续维持，而是与中尺度云团相对应的阵 性降水。其中9 日1 8 时l o 日0 6 时为暴雨最强的时期，在此期间，降水中心由河南南部 缓慢移动到安徽境内，可见此次过程中降水系统具有明显的中尺度特征，是一次典型的 中尺度对流系统( 酶圆) 过程，这正是本节最关心的中尺度系统在实况降水图中的反映。 图3 1 i7 月6 日1 2 时1 1 日1 2 时( u r c ) 降水实况 ( a ) 6 日1 2 时1 1 日1 2 时累计降水量；( b ) 6 日1 2 时7 日1 2 时2 4 小时降水量； ( c ) 7 丑1 2 时8 日1 2 时“小时降水量；( d ) 8 日1 2 时9 日1 2 时2 4 小时降水量 ( e ) 9 日1 2 时1 0 日1 2 时2 4 小时降水量；( 1 3l o 日1 2 时1 1 日1 2 时2 4 小时降 水量i 图3 1 37 月9 日1 2 1 8 时( a ) ；7 月9 日1 8 1 0 日0 0 时( b ) ；7 月1 0 日0 0 0 6 时( c ) ：7 月l o 日0 6 1 2 时( d ) ；逐6 h 的实况降水量分布( 单位：衄) 3 2 天气尺度环境场条件 7 月8 吕1 2 时l o 日1 2 时的地面天气图( 图略) ，从地面天气图上，江淮地区为一低 压控制，以后长江流域以及以西均为西南东北向的低压控制区，这是非常有利于西南低涡 形成并且维持的地面形式，这种形式在过去的天气资料中常常遇到，但是，仅凭地面天气 图不能分析出9 日发生的大暴雨。 从7 月9 日1 2 时至1 0 日1 2 时的2 4 小时对流层中低层和高层的流场和高度场的分布 9 2 0 0 5 年梅雨锋暴雨的数值模拟及诊断分析 可以看到：在对流层低层( 7 0 0 h p a 。图3 2 1 ) ，在我国西部有一西南低涡存在，低涡的中 心大约在( 3 9 5 ，1 0 8 0 e ) ，在低涡的东部，长江中下游流域一直持续存在一条切变线。在 对流层中层( 5 0 0 h p a ，图3 2 2 ) ，以5 8 8 0 线为代表的副热带高压在华南地区基本稳定。在 这段降水时间段内，副热带高压脊线稳定维持在2 0 。n 。在我国的陕北和川北一带，有以 高空短波槽，该槽也是相对稳定与低空的低涡系统恰好形成“北槽南涡”的有利配置” ( 陶诗言，1 9 8 0 ) 且涡与槽呈稳定少动的态势。高层( 2 0 0 h p a ，图略) 处于青藏高压的东 北侧，属于相对的高空辐散区，这种低空有较强的辐合，高空有较强的辐散的形式十分有 利于强对流天气系统的发生和维持。 3 3 高低空急流以及水汽条件分析 在对流层低层，行星边界层附近，存在着一支强风带，就是我们通常所指的低空急流。 低空急流是一支暖性且潮湿的高速气流，一般出现在对流层低层的风速达到1 2 m s 以上， 是一支动量、水汽和熟量的高度辐合带。一般而言，低空急流对暴雨的作用可以归结为以 下几点：1 ) 有利于提供暴雨所需要的水汽。低空急流尤其是超低空急流( 9 2 5 h p a ) 所在的 高度较接近于地面，比湿大。而且急流北部南北方向相反，因而形成强的水汽通量辐合， 又由于箕低空急流来自洋面。空气湿度大，是暴雨所需承汽的主要来源：2 ) 有利于暴雨区 低空对流不稳定层结的建立和维持。在8 5 0 h p a 上存在一湿舌由西南方伸向暴雨区，与低空 西风急流相结合，在暴雨区低空形成正的水汽平流。因此低空急流有利于在暴雨区低空形 成高湿区，从而建立和维持了暴雨区低空的对流不稳定层结。但它对暴雨区的水汽供应不 起作用，因为低空西风急流从西面输送进入暴雨区的水汽，又被低空西风急流从东面输出； 3 ) 有利于发展暴雨区上升气流和触发对流不稳定能量的释放。因为暴雨区位于低空西风急 流的左侧强气旋性切变区，当上游有低涡逼近时，可以引起较强的天气尺度上升气流，并 进而触发不稳定能量的释放产生小尺度的强烈上升运动l * 1 高空急流是指3 0 0 或者2 0 0 h p a 上空急流中心的最大风速大于3 0 m s 的强风速地区，它 的风速水平切变量级为每1 0 0 k m s m s ，垂直切变量级为每公里5 l o m s 。高空急流对暴雨 有明显的作用：有利于低层中尺度低压的发展，使中尺度上升运动加强。并且有高空动量 下传过程存在。高窆急流与低空急流耦合，有利于不稳定能量的释放。 2 0 0 5 年梅雨锋暴雨的数值模拟及诊断分析 暴雨使深厚的对流系统，它与高低空急流以及环流形式有密切的关系。高低空急流常 常是相互影响、相互制约的。两者之间的配置关系对于暴雨的形成和维持提供了有利的环 流背景，而反过来高低空急流的发展又收到暴雨潜热的反馈作用。据有关统计，对流层高 低空急流的耦合8 0 左右的高低空急流同时存在，且以高空急流入口区的右下方出现低空 急流最多，大多引起江淮暴雨。对流层上下层的耦合主要发生在低空急流和南压东风急流 之问，以北部上升，南部下沉的反环流为主要特征。下面将分析7 月9 日强降水期间的高 低空急流的特征。 在7 月9 日1 2 时至l o 日1 2 时的2 4 小时内，在对流层低层( 图3 3 1 a 、b ) ，可以看 出，我国长江中下游、淮河流域以及华南地区处于西南低空急流中，而江淮雨带位于低空 急流轴的左前方。从逐时次的低空急流图( 图略) 可知，到9 日1 8 时，急流向东北方向移 动，并且覆盖了长江以南大部分地区，其中一个急流中心已经移至武汉附近，武汉处于低 空急流最大风速区的左前方，使降水过程开始阶段的第一个强降水中心。从平均风速图中 我们可以看到，在降水最强的2 4 小时内，8 5 0 h p a 高度上的风速的极值中心达到了1 5 m s ， 且我国华南均处于l o m s 以上的风速区域，且低层尤其是7 0 0 h p a 高度上，在江淮流域明显 存在一条西南风与北风的切变线，显然，西南低空急流的长时间存在使得来自中国南海的 水汽源源不断的输送到大陆上，切变线使得水汽不断在江淮流域堆积，为暴雨的发生提供 了必要的条件。在对流层高层( 图3 3 1 “d ) 长江流域处于最大风速的西南侧，2 0 0 h p a 的 中心最大风速达到了5 5 m s ，且高层急流为北方冷空气，与低层的西南暖湿气流形成低层 暖湿离层干冷的配置形式。这样的高低空急流配置形式是非常有利于强对流天气的发生发 展的，只要存在有利的触发机制，即可形成强降水。可见，本次的暴雨活动与高低空急流 的活动非常密切，强降水的地区就位于低空急流左前方，高空急流的右后方。 图3 3 17 月9 日1 2 时r l o 日1 2 时2 4 小时平均的低、中、高水平风场分布 ( m s ) ：图中阴影部分为地形；( a ) 8 5 0 h p a ；( b ) 7 0 0 h p a ：( c ) 5 0 0 h p a ；( d ) 2 0 0 h p a ： 充足的水汽是暴雨产生的必要条件，一般我们用水汽通量来度量水汽输送的多少。它 是表示水汽输送强度的物理量，即在单位时间内流经某一单位面积的水汽质量( 单位：g s ) ， 其输送方式可以分为水平输送和垂直输送两种，基于大气的垂直运动速度远远小于其水平 方向的运动速度，这里把水汽的垂直输送进行忽略处理，只讨论其水平输送。用水平的水 汽通量表示其强度，风的方向即水汽输送的方向。从7 月9 日至l o 日一天的平均的对流层 中低层的水汽通量和散度( 图3 3 2 ) 的分布可以看到，在这个长江中下游地区以及华南地 区，对流层中低层水汽供应十分充分，在图3 _ 3 2 a 中我们可以看到，水汽通量最大值为 1 2 1 0 3 9 ( c m 蚺，且分布于整个中国长江以南的地区，且在此时间段内，水汽有明显的辐合 作用，水汽通量的辐合值较大( 图3 3 2 b ) ，中心的最大量级达到1 0 4 ，且长江流域为负值 2 0 0 5 年梅雨锋暴雨的数值模拟及诊断分析 即水汽辐合区域。从图中可以看出，水汽向北输送到