（气象学专业论文）2008年6月一次引发广西大暴雨西南低涡的诊断分析和数值模拟.pdf

摘要 本文首先利用1 小时一次的加密华南自动站降水量资料，每6h 一次的n c e p 再分析 资料以及3h 一次的l a p s 同化资料对2 0 0 8 年6 月1 1 日2 0 时一1 3 日2 0 时发生在广西的一 次大暴雨个例进行了诊断分析，然后采用w r f 中尺度数值模式对此次暴雨个例进行数值 模拟，并设计了去掉华南、江南丘陵地形，去掉华南、江南丘陵和云贵高原地形两种方案 进行敏感性试验，考察地形对低空急流和西南涡的影响，结果表明： 高低空急流、西南涡以及从低涡中心延伸出来的切变线是影响此次暴雨过程的主要系 统。广西地区的强降水开始位于低涡的底前部至底部及其从低涡中心延伸出的切变线附近， 随着低涡的东移强降水中心转为低涡的底部至底后部，广西地区的强降水一直位于高空急 流的右后方，低空急流的左侧。随着西南涡与高低空急流的东移，强降水中心也随着其东 移而东移。广西地区的降水随西南涡的加强而加强。 该暴雨过程中西南涡在7 0 0h p a 为暖心结构，8 5 0h p a 为冷心结构，正涡度区域垂直向 上伸展，整个对流层都为正涡度，低层辐合高层辐散的配置有利于对流的发展，强降水的 极值中心上空对应着较强的上升运动。涡度收支的计算表明，水平涡度平流项和水平涡度 辐散项作用相反，水平涡度平流项在对流层中下层对总涡度基本都是负贡献，水平辐散项 在对流层低层对总涡度起直接作用且为正贡献，对流层中高层主要是垂直平流项和扭转项 起主要作用。 w r f 中尺度数值模式较好的模拟了这次低涡暴雨过程，在此基础上设计了去掉华南、 江南丘陵地形与同时去掉云贵高原和华南、江南丘陵地形的试验，表明：在去掉华南、江 南丘陵和云贵高原后，主要降水的区域向北移动，强降水中心明显北移，去掉地形后，由 地形作用引起的地形降水明显减弱。去掉华南、江南丘陵地形后，没有山地的阻挡作用低 空急流更规则集中，低空急流的强度会略增强；低空急流受到的地面摩擦作用减弱，也可 使急流增强。去掉云贵高原地形后，云贵高原上空出现较强的东北风，气旋性环流增强， 低空急流加强。由于低空急流加强，西南涡南边的偏南风整体增强，低涡增强。同时，5 0 0 h p a 高空槽南移，引起正涡度平流向南移，也造成了西南涡增强。 关键词：西南低涡：暴雨；低空急流；诊断分析；数值模拟 a b s t r a c t b a s e d0 nh o u r l yp r e c i p i t a t i o nd a t a , n c e pl x1 。r e a n a l y s i sd a t aa n dl a p s0 0 4 5 。0 0 4 5 。 r e - a n a l y s i sd a t a ，as e v e r eh e a v yr a i ne v e n to c c u r r e di ng u a n g x ip r o v i n c ea t2 0 ：0 0o nj u n e11 ， 2 0 0 8t o2 0 ：0 0o nt h e1 3 t hw a sa n a l y z e df i r s t l y t h e n ，as i m u l a t i o ni sm a d eb yw r fm o d e l ，t w o n u m e r i c a le x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e dw i t h o u th i h yr e g i o no fs o u t hc h i n aa n dt h es o u t ho f y a n g t z er i v e r , w i t h o u th i l l yr e g i o n o fs o u t hc h i n a , t h es o u t ho fy a n g t z er i v e ra n d y u n n a n - g u i z h o up l a t e a u t h e ya r eu s e dt os t u d yt h ei m p a c to ft e r r a i n0 1 1t h el o wl e v e lj e ta n d t h es o u t h w e s tv o r t e x n er e s u l t si n d i c a t e ： t h eh i g ha n dl o wl e v e lj e t , t h es o u t h w e s tv o r t e xa n dt h es h e a rl i n ee x t e n d i n gf r o mt h e v o r t e xc e n t e rw e r et h em a i ns y s t e m so ft h er a i n f a l l t h eh e a v yr a i ne v e n tm a i n l yo c c u r r e di nt h e l e f to ft h eb o t t o mt ot h eb o t t o mo ft h ev o r t e xa n dn e a r b yt h es h e a rl i n e t h e n ，t h eh e a v yr a i n f a l l m a i n l yo c c u r r e di nt h eb o t t o mt ot h er i g h to ft h eb o t t o mo f t h ev o r t e xw i t ht h ee a s t w a r ds h i f t i n g o ft h ev o r t e x t h eh e a v yr a i n f a l la l w a y so c c u r r e di nt h ef i g h to ft h eh i g h - l e v e lj e t ，i nt h el e f to f t h el o w - l e v e lj e t t h eh e a v yr a i n f a l lc e n t e rm o v e de a s t w a r dw i t ht h ee a s t w a r ds h i f t i n go ft h e s y s t e m s p r e c i p i t a t i o ni n c r e a s e dw i t ht h es t r e n g t h e n i n go ft h es o u t h w e s t v o r t e x - d u r i n gt h eh e a v y r a i n f a l lt h es o u t h w e s tv o r t e xh a dt h ew a r mc o r ea t7 0 0 h p aa n dt h ec o l d c o r ea t8 5 0 h p a t h ep o s i t i v ev o r t i c i t yr e g i o ne x t e n d e dv e r t i c a l l yu p w a r d ，t h ee n t i r et r o p o s p h e r e w a sp o s i t i v ev o r t i c i t y t h el o w e r - l e v e lc o n v e r g e n c ea n du p p e r - l e v e ld i v e r g e n c ew e r ef a v o r a b l e f o rt h ed e v e l o p m e n to fc o n v e c t i o n t h eu p w a r dm o t i o nw a ss t r o n go v e rt h es t r o n gp r e c i p i t a t i o n c e n t e r i nt h ev o r t i c i t yb u d g e te q u a t i o n ，t h eh o r i z o n t a lv o r t i c i t ya d v e c t i o nw a so p p o s i t et ot h e h o r i z o n t a lv o r t i c i t yd i v e r s i o nw h i c hp l a y e dt h em a i nr o l ei nt h et o t a lv o r t i c i t yf i e l di nt h el o w e r t r o p o s p h e r e 。t h ev e r t i c a la d v e c t i o na n d t h et w i s t i n gt e r mp l a y e dt h em a i nr o l ei nt h em i d d l ea n d u p p e rt r o p o s p h e r e p r e c i p i t a t i o n ，s o u t h w e s tv o r t e xa n dl o w - l e v e lj e t a r es i m u l a t e db e t t e ri n t h ec o n t r o l e x p e r i m e n t t h e n ，t w on u m e r i c a le x p e r i m e n t s a r ed e s i g n e dw i t h o u th i l l yr e g i o no fs o u t hc h i n a a n dt h es o u t ho f y a n g t z er i v e r , w i t h o u th i l l yr e g i o no fs o u t hc h i n a , t h es o u t ho f y a n g t z er i v e r a n dy u n n a n - g u i z h o up l a t e a u t h eo b t a i n e dr e s u l t sa r e 弱f o l l o w s ：w i t h t h et w oe x p e r i m e n t s t h e m a l np r e c i p i t a t i o na r e a sm o v e d n o r t h ，h e a v yp r e c i p i t a t i o nc e n t e r sm o v e dn o r t h w a r ds i g n i f i c a n t l v a f t e rr e m o v i n gt h et e r r a i n ，t h ep r e c i p i t a t i o nc a u s i n gb yt h et o p o g r a p h ys i 嘶f i c 孤t l yr e d u c e d w i t h o u th i l l yr e , o nt os o u t hc h i n aa n dt h es o u t ho f y a n g t z er i v e r , t h el o w - l e v e lj e tw a sm o r e r e g u l a r t h el o wl e v e lj e ts l i g h f l ys t r e n g t h c n e d b e c a u s et h es u r f a c e 衔c t i o nr 。如c c d 髓ei o w 1 e v e lj e ta l s os t r e n g t h e n e d w i t h o u t h i l l yr e g i o nt oy u n n a n g u i z h o up l a t e a u ，i ta p p e a r e ds 仃0 n g n o r t h e a s t e rw i n d so v e ry u n n a n - g u i z h o up l a t e a u t h ec y c l o n i cc i r c u l a t i o n 锄h a n c 。d 砷1 el o w l e v e lj e ts t r e n g t h e n e d a st h el o wl e v e lj e ts t r e n g t h e n e d ，s o u t h e r l yw i i l d si n c r e a s e d s o u t h 、e s t v o r t e xs t r e n g t h e n e d a tt h es a m et i m e ，t h et r o u g hm o v e ds o u t ha t5 0 0 h p a ，t h e v o r t i c i t ya d v e c t i o n f l o w e ds o u t h w a r d , i ta l s or e s u l t e di ne n h a n c i n go f s o u 也w 髓tv o r 七e x k e yw o r d s ：s o u t h w e s tv o r t e x ；h e a v yr a i n f a l l ；l o w e rl e v e l j e t ；d i a g n o s e s ；n u m e d c a ls i i n u l a t i o n i i i 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：酶。逸 日 期： 曼：fz 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；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：煎：整 日 期：一幽 1 1 西南低涡概述 第一章引言 西南低涡是在我国青藏高原地形影响下以及在一定的环流背景形势下产生于我国西南 地区对流层低层的中尺度涡旋系统，尽管西南低涡全年均可出现，但是造成强降水或强对 流性天气的西南低涡几乎都在夏半年( 即4 _ 9 月) ，它是造成我国夏半年暴雨的重要天气系 统之一m 羽。 西南低涡在我国的众多重大暴雨洪涝过程中都起着重要的影响作用。1 9 3 5 年7 月上甸， 西南低涡东移、发展造成了长江流域“3 5 7 ”特大暴雨( 又称五峰暴雨) ，引起了严重的洪 涝灾害n 3 。又如1 9 6 3 年8 月上旬河北的特大暴雨，由于冷空气影响，与北上的西南低涡相互 作用，8 月4 日在邢台地区出现了中心日降水量达8 6 51 1 1 1 1 1 的强暴雨n 1 。1 9 8 1 年7 月中旬，一个 西南低涡的发生、发展与长时间滞留而导致了四川盆地发生了百年不遇的“8 1 7 ”大洪水 嘲。1 9 8 1 年8 月受西南低涡的影响，西北地区东部又发生了一次大范围强暴雨，灾害损失严 重。1 9 9 8 年夏季在我国长江流域出现的洪涝灾害也多与西南低涡的发生发展密切相关“1 。 因此，有学者对西南低涡对我国暴雨的影响作出了这样的评论旧：“西南低涡是我国最强烈 的暴雨系统之一，就它所造成的暴雨天气的强度、频数和范围而言，可以说是仅次于台风 及残余低压，重要性位居第二的暴雨系统”。由于西南低涡在我国暴雨形成中的特殊作用， 气象工作者十分重视对西南低涡的研究3 ，这些成果主要集中于1 9 7 5 年前后进行的青藏高 原科研协作工作、1 9 7 9 年第一次青藏高原气象科学试验和1 9 9 8 年第二次青藏高原气象科学 试验研究前后以及2 0 世纪9 0 年代以前的研究工作。 1 2 西南低涡的研究进展 1 2 1 西南低涡的形成 西南低涡简称西南涡，是在青藏高原特殊地形与环流相互作用下，产生于我国的西南 地区，它是一种对流层低层的中尺度涡旋系统，多见于7 0 0b _ p a 、8 5 0h i a j ：，其水平特征尺 度一般y 9 2 0 0 5 0 0k m 乜1 。据统计伽，西南低涡一年中约出现1 1 7 6 天( 一般每月有7 至1 1 天) ， 几乎整年都能被观测到，但造成强降水或强对流天气的西南低涡几乎都在夏半年，它是我 国夏半年重要的天气系统之一。西南低涡对我国西南地区、长江中下游地区以及华北甚至 东北地区的天气都有相当大的影响作用。陶诗言n 1 通过了大量的个例分析指出西南低涡是 在我国青藏高原地形作用影响下产生的中间尺度天气系统。数值模拟n 圳也表明了青藏高 原的大地形对于西南低涡的形成有决定性影响作用。朱乾根等n 羽指出，四川盆地处于西风 带的背风坡，因而有利于降压而形成动力涡旋；由于青藏高原的阻挡作用，西风气流从高 原的南北两侧绕过，从南侧绕过的西风气流由于受到高原侧向边界的摩擦作用而产生了气 旋性涡度，最终形成低涡。高守亭n 习采用定常二层模式讨论地形及高、低层流场配置对西 南低涡形成的动力作用，指出西南低涡的形成是与盆地、河谷以及其上下气流分层有关的 一种定常态。西南低涡的形成除受地形影响外，还需要与当时的天气形势相配合才能产生 具有天气意义的低涡。西南低涡初期发展机制的研究中，万军等n 盯指出行星边界层中大气 层结微弱的热力不稳定可以引起初生低涡的发展，但这种作用仅仅是低涡发展的一种启动 机制，初步发展的低涡要维持下去必须要有势能或潜热动能的转换。王赛西n 日从角动量输 送方面做了有益尝试，研究发现低涡源地正角动量的大量增加为西南涡形成提供了必须的 动力，对西南低涡的生成具有一定的促进作用；而该地区角动量减小，则对低涡的形成产 生明显的抑制作用。吴勇n 6 3 利用临界摄动法，讨论了初生西南低涡扰动不稳定后，在垂直 速度及位温垂直分布不均匀引起的弱非线性垂直平流的调节和反馈作用下，扰动发展形成 稳定的具有一定空间结构的过程。卢敬华等“力根据非绝热和地形影响下的熟成风适应原理， 探讨了暖性西南低涡生成的机制。 1 2 2 西南低涡的发展 西南低涡在形成以后，其发展要受到很多因素的影响。通常西南低涡在源地是很难发 展的，西南低涡只有在东移过程中才能够得到发展。冷空气的入侵可以作为低涡发展的一 个动力曙一船，若冷空气从西部或西北部侵入低涡，低涡则东移发展；如果冷空气从低涡的 东或东北部入侵，则会使西南低涡的气旋式环流减弱，并使得低涡填塞。朱禾等“刚分析得 到，西南低涡的发展与地形、高低层环流配置密切相关。中科院大气物理所n 们分析了西南低 涡的维持和发展条件，指出低涡的维持和发展主要靠中高层的辐散量要大于低层的辐合量， 这样低涡的强度才能维持和加强，这里主要看低涡上空的高空槽是不是发展成为加深的低 2 槽。其次，中高层凝结潜热的释放也对低涡的维持和发展起着相当重要的作用。其他的研 究饽2 0 1 也指出了凝结潜热对西南低涡的发展起着最重要的影响作用，西南低涡及暴雨过程 的发展对潜热效应很敏感。赵平等他通过诊断分析得出：在高层，地形通过加强旋转风动 能向散度风动能转换，使高空辐散加强，而潜热加热通过加强位能向散度风动能转换使高空 辐散加强。孙淑清等位更进一步在理论上指出由于中尺度涡旋发展所需要之动能主要取自 辐散风动能，并由此克服随之而来的摩擦消耗。邹波等啦3 1 通过对一次强烈发展的西南低涡 过程进行诊断指出：大气低层的非平衡动力强迫通过激发气流辐合和正涡度增长。进而促 进西南低涡的发展；对流层中层的正涡度平流强迫加剧了低涡的发展。陈忠明等瞳4 1 的分析 进一步证实了这一看法。程麟生等疆研对四川“8 1 7 ”暴雨进行涡源诊断，认为高、低空气 旋性涡度中心在四川盆地附近上空的迭加和耦合是西南涡在成熟阶段强烈发展的一种主要 物理机制：该涡源的供给和发展及其垂直结构与西南涡的结构及其演变相一致的，该西南 涡的生成和发展是直接受控于该总涡源的。朱禾等n 8 1 从湿位涡守恒理论出发研究了西南低 涡的发展。考虑到暴雨过程有大量凝结潜热释放，为克服干位涡的局限性，李国平等汹7 用 湿位涡方程进行了诊断分析，指出：暴雨的发展趋势与位涡变率的变化趋势一致，位涡变 率的正负转换对预报大暴雨的形成和减弱有一定的指示意义。 西南低涡的发展并不是孤立的，还与其他天气系统的影响有关。缪强等阻力指出高原低 涡的东移发展与西南低涡的相互作用是诱发西南低涡发展和暴雨发生的重要形式。低空急 流对西南低涡的发展和暴雨的产生有重要的热力和动力作用啪3 。徐亚梅渤1 分析认为低空急 流在四川盆地东北侧引起低层强辐合是西南低涡得以发展的重要原因。近年来，人们也注 意n 7 西南低涡与热带气旋之间的相互作用。陈忠明等啪3 指出：热带气旋与西南低涡的相 互作用改变了低涡的风场、能量场及低涡结构。 1 2 3 西南低涡的结构 对于西南低涡结构的分析是认识系统的重要方面。卢敬华心1 和李国平口妇从流场、温湿 场、温压场三个方面总结了西南低涡的结构特征。陶诗言指出西南低涡在垂直方向上伸 展较浅薄，在5 0 0h p a 和3 0 0h p a 上，对应的常是高压区或高压脊。韦统健b 2 一卯利用合成分析 方法对西南涡过程的流场、温湿场和涡度场等结构进行分析。指出：西南低涡的温湿场和 3 铅直流场在低涡区呈现出明显的不对称分布，低涡是一个显著的斜压系统。王晓芳等m 1 的 研究得出了同样的结论。k u o 等n 朝指出发展成熟的西南低涡在对流层高层2 0 0h p a 上为负涡 度。黄福均汹1 对西南低涡暴雨过程的合成分析也表明在2 0 0 h p a 上合成中心呈现大片的负涡 度分布。邹波等心3 1 利用边界层观测资料对西南低涡的边界层流场结构进行分析发现，在边 界层内，低涡环流演变表现出非连续性特征，大气边界层顶的非平衡动力强迫以及5 0 0h p a 上的正涡度平流的动力作用对低涡的形成和发展有重要的贡献。琚建华等口7 。制研究指出中 间尺度的西南涡可包含有中尺度的扰动，大雨和暴雨与这些扰动有较好的对应关系；西南 低涡在行星边界层内最大正涡度位于涡旋中部，并随低涡移动而移动：垂直速度场与涡旋 环流和相对涡度场、散度场配合一致，涡旋中心有较强的上升运动。陈忠明等晗钉利用中尺 度滤波分析，去掉大尺度环境场的影响，分析了低涡的中尺度结构特征，得出西南低涡是一 个十分深厚的系统，成熟期的低涡区域内正涡度从边界层一直贯穿至对流层高层均表现为 闭合性气旋环流，低涡中心轴线接近于垂直。这与k u o 等口胡指出的2 0 0h p a 上为负涡度的结 论完全相反。在3 0 0h p a 以上，低涡区内气流呈气旋式流出，其下为气旋式流入。从中尺度 的高度场看，从边界层n 2 0 0h p a 以上低涡区域均为低位势区，这与人们长期以来认为的西 南低涡在高层对应为反气旋和高脊的概念模式n 1 不同。 1 2 4 西南低涡造成的天气 西南低涡作为中尺度系统，其强烈发展将会诱发强降水天气过程。低涡降水h 3 主要出 现在低涡的东部和南部，一般是上升气流所在地，此地区水汽辐合也较大。如果在两支上 升气流的叠加下造成了大气层结的位势不稳定，就会造成大雨和暴雨；如果只有一支上升 气流的影响，则只能引起一般性的降水。姜勇强等3 对一次由西南低涡引发的大范围暴雨 过程进行了分析与模拟，由于冷空气影响，导致了西南低涡的发展而引发暴雨，低涡、切 变线上的倾斜上升气流、水汽通量散度辐合柱状结构以及中尺度正涡度，为暴雨的发生提 供了条件，暴雨天气随着西南低涡的移动而移动。陶诗言指出，当西南低涡与低槽冷锋 ( 或冷槽冷锋) ，或强高空切变线或高空急流云系相结合时，才会在西南地区出现暴雨。林 开平h u 分析了造成1 9 9 4 年6 月中旬广西大暴雨过程的西南涡，指出：暴雨天气主要出现在 低涡的东部及其暖式切变线上，大暴雨中心受到低涡区内中一b 尺度系统的支配，强降水中 4 心出现在近地层的中一1 3 尺度气旋的附近。朱乾根等u 列指出雨区主要分布在低涡中心区和 低涡移向的右前方，这是因为低涡右侧通常是副热带高压边缘的低空急流所在地，水汽供 应充分，又因为风速大，其变压风会促使气流辐合上升，同时低涡的中心也有较强的摩擦 辐合上升运动，所以在这两个部位都会有较强降水。西南低涡发展东移时，雨区也会不断 扩大和东移，降水强度也会逐渐增强。陈忠明等池1 通过对1 2 次长江上游的区域性暴雨发 生前的中尺度特征进行合成分析，结果发现，中尺度西南低涡先于暴雨出现，未来的暴雨 就发生在低涡东部偏南暖湿气流中；且对流层低层非平衡负值区的存在是区域性暴雨发生 的重要动力特征，其强迫作用对暴雨发生具有指示意义。虽然对西南低涡诱发暴雨天气方 面已经做了大量的工作，但总体来看，这些基础性的工作还远远不够，仍需要进一步的深 入研究h 引。 1 3 西南低涡的数值模拟研究 随着计算机技术和大气模式快速的发展，对于西南低涡的形成因子许多人m 叫6 1 都做了 数值模拟，认为青藏高原的大地形作用是西南低涡形成发展的动力因子。彭新东等h 刀通过 应用和发展m m 4 中尺度数值模式模拟指出青藏高原的地形作用对西南低涡在四川盆地7 0 0 h p a 上的维持非常必要。赵平等n 们应用了中尺度有限区域模式对西南低涡形成的影响进行了 模拟。指出地形的动力作用对高原南侧的西南气流具有明显的阻挡作用，并决定了西南低 涡的形成；潜热通过加强西南低涡上空的低层辐合和高层辐散，使低涡能够得到发展。杨洋 等m 1 用五层原始方程模式对西南低涡发生发展的影响因子进行了数值模拟，指出了冷空气 对西南低涡的补充作用是其发展的重要条件。何光碧等h 刚利用m m s q = 尺度数值模式进行了 二重嵌套模拟川东的大范围强暴雨过程，分析及模拟结果表明：盆地涡出现在低空急流左 侧，而川东的强降水发生在高空急流南面、低涡的东南侧与西南低空急流大风出口区之间； 盆地正涡度维持有利于盆地上空垂直上升运动的发展和维持，对暴雨的发生提供了动力条 件：西南低空急流在暴雨发生前建立，暴雨和盆地涡同时出现，而暴雨、低空急流和盆地 涡几乎同时减弱。姜勇强等h 町利用中尺度暴雨模式m r m i 对2 0 0 0 年7 b 西南涡暴雨过程进行 数值数值模拟，指出这次西南涡暴雨过程分为两个阶段，分别对应着两次冷空气南下，暖 切变线的南北摆动是发生大暴雨的一个重要原因，而西南急流核的向北传播导致雨区向北 5 传播。 国外也对西南低涡做了很多的数值模拟研究，w a n gz h i 旧1 等采用m m 5 中尺度模式结合 伴随模式m a m s 对一次西南低涡进行了敏感性试验，模拟结果表明：此次西南涡对于南风 扰动的高敏感性区域主要位于5 0 0h p a 以下的西南地区，对于西风扰动的高敏感性区域主要 位于4 0 0h p a 以下的西南地区，对温度扰动的高敏感性区域则主要位于5 0 0h p a 与9 0 0k p a 2 _ 间的西南地区。很多人【5 1 书1 利用数值模拟指出，1 9 8 1 年7 月1 2 1 4 日的一次r ) l l 洪水过程是由 西南低涡造成的。 1 4 研究内容和方法 1 4 1 资料 本文主要用到的资料为每6h 一次的n c e p 再分析资料，水平分辨率为1 x1 。，垂直 为2 6 层；1h 一次的加密华南自动站降水量资料：局地分析预报系统l a p s ( l o c a la n a l y s i s a n dp r e d i c t i o ns y s t i 豇n ) 资料嘲1 ，该系统最早由美国n o a a 所属的预报系统实验室研究开发， 高分辨率的3h 一次的l a p s 同化资料，同化进去的资料包括：地面站常规观测资料、自 动站加密观测资料、探空资料、雷达资料，区域范围为东经1 0 2 一1 2 3 。，北纬1 4 。- 3 2 ，肘 间为2 0 0 8 年6 月7 日0 0 时到6 月1 4 日2 1 时，l a p s 水平格距设置为5k m ，垂直层次设 为2 0 层。 1 4 2 研究内容和方法 2 0 0 8 年6 月1 1 日2 0 时一1 3 日2 0 时( 北京时，下同) ，广西北部遭受了大暴雨、特大 暴雨的袭击，导致了山洪暴发，部分江河水位暴涨，洪涝灾害严重。本文将对引发此次广 西大暴雨的西南低涡进行诊断分析和数值模拟，主要分为两部分： 第一，首先利用lh 一次的加密华南自动站降水量资料对降水实况进行分析，并利用 每6h 一次的n c e p 再分析资料主要分析5 0 0h p a 和2 0 0h p a 上有利于此次暴雨发生的大尺 度环流特征。然后利用降水资料与高分辨率的每3 小时一次的l a p s 同化资料对影响此次 暴雨过程的西南低涡和高低空急流进行分析，从低涡的热力和动力结构来分析低涡的结构 特征，并用涡度收支方程对低涡进行诊断分析。 6 第二，利用w r f 模式模拟这次暴雨过程，使模拟的降水，低涡与急流都与前厦分析 的结论相一致，模拟的效果也达到较好。云贵高原和华南、江南丘陵对西南涡暴雨影响的 研究较少，因此在前面控制试验模拟较好的基础上，设计削平华南、江南丘陵地形和同时 削平云贵高原和华南、江南丘陵地形的敏感性试验，分别讨论在这些情况下对低空急流和 西南涡的影响。 7 第二章降水实况和大尺度环流特征 2 0 0 8 年6 月1 1 日2 0 时- 1 3 日2 0 时，广西北部遭受了大暴雨、特大暴雨的袭击，导致 了山洪暴发，部分江河水位暴涨，洪涝灾害严重。1 1 日2 0 时- 1 3 日2 0 时累积降水量大于 2 5 0 衄有8 站，1 0 0 - 2 5 0 衄有2 8 站，5 0 - 9 9 9m m 有3 3 站，1 2 日东兰、环江和灵川等 站打破了当地建站以来最大日降水量记录，桂林和柳城站打破了当地建站以来6 月份最大 日降水量记录，本次广西持续性暴雨过程出现的大暴雨和特大暴雨的范围为历史同期最大， 因此有必要对这次暴雨进行深入研究。本章利用1h 一次的加密华南自动站降水量资料分 析降水实况，利用每6h 一次的n c e p 再分析资料分析大尺度环流特征。 2 1 降水实况 6 月1 1 日2 0 时- 1 2 日2 0 时的2 4 小时累积降水量图上( 图2 1 a ) ，强降水区主要集中 在广西北部地区，雨带大致呈东西向，出现了2 个2 5 0m i l l 以上的强降水中心。东兰、环 江和灵川等站打破了当地建站以来最大日降水量记录，桂林和柳城站打破了当地建站以来 6 月份最大日降水量记录。1 2 日2 0 时- 1 3 日2 0 时( 图2 1 b ) ，雨带有所东移，广西地区的 主要降水带位于广西的中部地区，雨带转为西南一东北向，广西的降水强度较1 2 日有了明 显减弱。 中尺度雨团是指1 小时降水量9 1 0n l l l 、生命史 1 2 小时、空间尺度在数十至两百公 里的雨量线所包围的区域。从1 小时降水量图上可以看出，广西6 月1 1 日2 0 时一1 3 日2 0 时降水过程中，有4 个明显雨团活动的时段。第一时段( 图略) 1 1 日2 l 时一1 1 日2 3 时， 1 1 日2 1 时在广西西北部与贵州的交界处出现了一个中尺度雨团，1 1 日2 2 时发展成2 个雨 团，2 3 时雨团略东移，强度变化不大。第二时段1 2 日0 3 时- 1 2 日0 5 时，1 2 日0 3 时( 图 2 2 a ) 在广西北部出现了两个中尺度雨团，分别位于( 2 4 5 。n 、1 0 7 。e ) 与( 2 5 。n 、1 0 9 。e ) 附近，0 4 时( 图2 2 b ) 位于( 2 4 5 。n 、1 0 7 。e ) 雨团明显增强，最大降水量为7 0 0 0 1 1 1 1 1 1 ，随后又减弱( 图2 2 c ) ，在这个阶段中雨团的位置基本维持不变。第三时段( 图略) 8 1 2 日ll 时- 1 2 日1 8 时，广西北部一直维持着多个中尺度雨团，略往东移，强度变化不大， 1 7 时广西中部及南部也开始出现雨团，1 9 时雨团消失。第四时段( 图略) 1 2 日2 0 时一1 3 日0 7 ，雨团经历了加强、减弱、加强、再减弱的过程，1 2 日2 0 时- 1 3 日0 2 时雨团东移缓 慢，1 3 日0 3 时原位于( 2 3 5 。n 、1 0 9 。e ) 附近的雨团往东南方向移动，随后该雨团缓慢 东移，0 6 时移出广西，1 3 日0 7 时后，广西降水明显减弱，已无雨团存在。 2 0 0 8 年6 月1 2 日0 1 时一1 3 日1 0 时桂林逐时降水量上( 图2 3 ) 可以看出，1 2 日0 1 时桂林开始出现降水，随后降水有明显增强的趋势。桂林的降水主要集中在1 2 日，而1 2 日的连续强降水又主要集中在1 2 日的l l 时- 1 7 时，除了1 2 日1 4 对的l 小时降水量只有9 m m 外，其它时次都达到了1 0m m 以上，部分时次1 小时累积降水量达到了大暴雨的标准。 1 2 日1 5 时桂林1 小时的累积降水量是此次降水过程中最大，达到了2 5 姗。1 3 日桂林的 逐时降水强度比1 2 日明显减弱，除了0 3 时降水达到了暴雨标准外，其它时次降水量都不 大，1 3 日1 0 时桂林的降水基本结束，此后已无降水的观测记录。 2 2 大尺度环流特征 从2 0 0 8 年6 月1 1 日2 0 时- 1 3 日2 0 时的5 0 0h p a 平均位势高度场上( 图2 4 ) 可以看 出，中高纬度为两槽一脊型。对流层中高层1 1 0 1 3 0 。e 地区受高压脊控制，巴尔喀什湖上 空为一深厚长波槽，槽前的暖平流使得贝加尔湖以东地区加压，这样可使贝加尔湖以东上 空的高压脊加强，日本海上空有一个闭合的低压中心。在中低纬度上，云贵高原地区有一 浅槽，西太乎洋副热带高压位置较为偏南，这样给北方的冷空气和西南的暖湿气流在我国 的华南地区交汇提供有利的条件，这样的一种两槽一脊，副热带高压偏南的环流形势有利 于涡旋向偏南方向东移。 9 在强降水期间5 0 0h p a 环流主要以经向型为主，中高纬度环流维持稳定的两槽一脊， 南支槽为暴雨区带来暖湿的西南气流，副热带高压比常年位置偏南，为华南地区大范围的 强降水创造了有利的大尺度环流条件。 夏季南亚高压主体范围和强度可用2 0 0h p a 高度场1 2 5 0 0 位势米等值线所包含的区域 反映，因此，以1 2 5 0 0g p m 等值线为基准线，对影响此次暴雨过程的2 0 0h p a 高度场做如 下分析，2 0 0 8 年6 月1 1 日2 0 时- 1 3 日2 0 时的2 0 0h p a 平均位势高度场上( 图2 5 ) 可以 看出，等位势高度线比较密集，南亚高压的主体位于青藏高原以西，其东边界范围达到了 1 0 5 e ，与往年平均的位势高度区域相比偏西，使得南亚高压边缘的偏北气流把冷空气带 人华南地区，从而为持续性暴雨的发生发展提供有利的条件。 2 3 本章小结 通过对降水实况资料以及大尺度环流特征的分析，可以得出： 此次暴雨过程中，广西的强降水主要集中在2 0 0 8 年6 月1 2 日。1 2 日强降水区主要集 中在广西的北部地区，雨带大致呈东西向，局地最大累积降水量超过了2 5 0 衄。1 3 日雨 带东移，雨带转为西南一东北向，广西地区的主要降水带位于广西的中部地区，广西的降水 强度较1 2 日有了明显的减弱。 在此次广西的暴雨过程中一直存在着明显的中尺度雨团活动，4 个雨团活动的时段中， 雨团有东移维持，也有在东移过程中加强，随后减弱。1 2 日雨团活动较多，1 3 日0 5 时雨 团开始移出广西，1 3 日0 7 时以后，广西降水开始明显减弱，已无雨团存在。 大尺度的环流背景都为此次暴雨过程创造了有利条件。在此次暴雨过程中5 0 0h p a 环 流主要以经向型为主，中高纬度环流维持稳定的两槽一脊，南支槽为暴雨区带来暖湿的西 1 0 南气流，副热带高压比常年位置偏南，为华南地区大范围的强降水创造了有利的大尺度环 流条件。 2 0 0h p a 上南亚高压主体位于青藏高原以西的地方，东边界范围达到1 0 5 。e ，与往年平 均的位势高度区域相比偏西，这就使得南亚高压边缘的偏北气流把冷空气带人华南地区， 从而给持续性暴雨的发生发展提供了有利的条件。 第三章西南低涡诊断分析 为了改进o - 6 小时的短时天气预报，美国国家海洋大气局环境研究院预报系统实验室 ( n o a a e r l f s l ) 建立了一个新的中尺度分析系统，称为局地分析预报系统瞄6 瑚3 ( l o c a l a n a l y s i sa n dp r e d i c t i o ns y s t e m 以下简称l a p s ) 。这是一个实时的资料同化、处理系统，它 可以将不同来源的气象信息，经过四维同化处理，生成实时产品，其水平格距范围为1 k i n - 1 0k m ，垂直坐标为气压坐标，范围在1 0 0 0h p a - 1 0 0h p a 。目前l a p s 能够同化的资料 包括：地面站的常规观测资料、自动站加密观测资料、探空资料、风廓线资料、雷达资料、 卫星资料( 主要是地球静止卫星资料) 、g p s 资料、飞机报告等。l a p s 的分析过程包括风 分析、地面分析、温度分析、云分析、水汽分析等，其产品主要是风、温度、湿度、气压、 云和降水，以及一些二级产品。 本章所用的资料即为高分辨率的每3 小时一次的l a p s 同化资料。同化进去的资料包 括：地面站常规观测资料、自动站加密观测资料、探空资料、雷达资料。l a p s 水平格距 设置为5k m ，垂直层次设为2 0 层。 3 。1 影响暴雨的主要系统的时间演变 3 1 1 西南涡与降水活动 西南低涡是指在一定的环流形势下形成于我国西南地区7 0 0 或8 5 0b _ p a 上的中尺度涡 旋系统，地面气压场有时可能但不一定是每次过程都出现闭合中一t h , ，其水平尺度一般为 2 0 0 5 0 0k m 2 5 刀。 6 月1 1 日1 4 时在四川、贵州、云南交界地区的云贵高原的7 0 0 h p a 上空首先出现了闭 合的流场，西南涡生成，随后西南涡逐渐东移。影响广西6 月1 1 日2 0 时- 1 3 日2 0 时强降 水过程的西南低涡是一个东移发展的过程。从1 2 日0 2 时- 1 3 日2 0 时各时刻7 0 0h p a 西南 低涡中心所在的位置上( 图3 1 a ) 可以看出，6 月1 2 日0 2 时，西南低涡中心位于贵州西 南部，此时广西北部已经出现了强降水，强降水主要位于低涡的底前部至底部以及从低涡 中心延伸出的切变线附近。随后低涡缓慢东移，1 2 日1 1 时，低涡中心移至广西境内，随 后在广西北部缓慢东移。1 2 日2 3 时低涡中心位于广西的东北部，此时降水开始转为低涡 1 2 的底部至底后部。1 3 日0 5 时低涡中心已移出广西，位于湖南的南部。1 3 日u 时后低涡较 快的往东北方向移动，广西的降水也开始明显的减弱。1 3 日2 0 时低涡中心移至( 3 0 。n ， 1 1 8 9e ) 附近，广西基本无强降水。 从广西3 小时累积站点降水极大值与7 0 0h p a 上低涡中心位势高度随时间分布上( 图 3 1 b ) 可以看出，广西降水强度的变化与西南低涡强度的变化有着很好的对应关系。6 月 1 2 日0 2 时( 图略) 西南低涡位于贵州与广西西北部的交界处，出现了3 0 9 0g p m 的闭合等 值线，低涡已经发展到一定的强度，此时广西出现了明显的强降水，3 小时的累积降水量 达到了5 0 衄以上。随后低涡缓慢东移并加强，而广西的降水强度也随低涡的加强而加强， 1 2 日0 5 时( 图3 2 a ) 第一次出现了最强降水中心，3 小时的累积降水量达到了1 2 5m m 以 上，此时广西的强降水主要位于低涡的底前部至底部附近。随后低涡减弱又增强，1 2 日1 7 时，维持在( 2 59 n ，1 0 94 e ) 附近( 图3 1 a ) 的低涡第二次出现极值，降水也对应出现第 二次极值。随后低涡减弱降水强度也减弱，1 2 日2 0 时前广西降水强度基本随低涡的增强 而增强，随低涡的减弱而减弱。1 2 日2 3 时( 图3 2 b ) 以后降水由低涡的底前部至底部转 为了底部至底后部，雨带也由东西向转为了西南一东北向，而广西降水强度的变化与低涡强 度的变化已没有明显的对应关系。 3 1 2 高低空急流与降水活动 高空急流是指2 0 0h p a 上空急流中心的最大风速大于3 0 m s j 的强风速区。6 月1 1 日 2 3 时已经有明显的高空急流存在，急流轴附近都为西风所控制，广西北部出现降水。1 2 日0 8 时( 图3 3 a ) 高空急流中心达到了5 0m s j 以上，急流轴位于2 8 。n 附近，急流轴 1 3 附近都为西风所控制，广西的强降水位于高空急流的右后方。随后急流略北抬，1 2 日1 4 时( 图略) 急流轴位于2 9 。n 附近，急流中心风速仍维持在5 0 1 1 1 s 1 以上，但有了明显的 东移，急流入口区转为了西南风，急流前部仍受西风控制。1 2 日1 7 时( 图3 3 b ) 急流快 速北抬，急流轴位于3 2 。n 附近，急流发展到最强，中心风速达到了6 0m s1 以上，急流 轴由东西向转为了西南东北向。随后高空急流略减弱并缓慢东移，1 3