（气象学专业论文）气旋性降水与台风性降水的数值模拟及特征分析.pdf

摘 要 本文采用地面高空常规观测资料，以 及n c e p 全球谱模式资料，利用中尺度 数值模式 m m 5 ( v 3 ) ，分别对发生在江苏启东地区的强降水过程和 “ 云娜”台风 登陆及降水情况进行数值模拟和诊断分析， 并对两次降水过程中的动力、 热力场 进行比较。 2 0 0 2 年8 月1 5 - 1 6日 发生在江苏启东地区的强降水是一次局地性很强暴雨 过程， 是在我国中部普遍降水的形势下发生的。 在模拟较理想的基础上， 利用数 值模拟输出的高分辨率的时空资料探讨此次暴雨过程发生发展的特征和机理。 分 析结果表明:本次暴雨的主要影响系统为切变线上发展起来的p 一 中尺度涡旋， 该涡旋越过长江，移动到江苏启东地区，在该地区加深发展，引起强上升运动， 形成一条贯穿整个对流层的位涡柱， 造成强降水。 研究中发现在这次暴雨过程中 存在着明显的局地环流， 风向 有随时间呈顺时针旋转的特征。 本文还深入讨论了 暴雨发生过程中水平风分量、 温度、 相对湿度等物理量的逐时变化， 探讨了海风 发生时， 对这些物理量的影响。 针对这次暴雨落区的局地性和启东地形的特殊性， 做了关于地形的敏感性试验。 试验结果显示: 无地形影响时， 该地区的降水有大 幅的削减。 本文还对2 0 0 4年8 月在浙江登陆的强台风 “ 云娜” 进行了数值模拟，对台 风降水落区、 风场、台风中心结构等方面进行分析，发现:( 1 ) 台风处在均匀的 洋面时，台风内部结构较为均匀，登陆前或者登陆后，受地形等因素的影响，台 风逐渐变得不对称;( 2 )本次台风降水主要分布在台风行进路径的前方或右侧， 降水的落区与8 5 0 h p a 的风速高值区有很好的 对应关系。 结合两种不同性质降水的模拟结果， 通过计算动力、 热力参数对暴雨发生时 的动力、热力场进行了比较。得到以下结论:与台风性降水相比，气旋性降水在 强盛时产生的上升运动、 辐合辐散的强度可大于前者; 台风降水的等相当位温的 垂直剖面呈明显的鞍形场分布，降水区对应着高层等相当位温线的下伸区。 进一 步研究发现， 台风性降水和本次局地气旋降水的对流层低层都存在着对流不稳定 和对称不稳定，而气旋性降水的对流层高层也存在着不稳定区域。 关键词: 局地暴雨，台风降水，数信樟拟，诊断分析 n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d f e a t u r e a n a l y s i s o f l o c a l c y c l o n i c p r e c i p i t a t i o n a n d t y p h o o n p r e c ip i t a t i o n ab s t r a c t u s in g o b s e r v a t i o n a l d a t a a n d n c e p d a t a , a h e a v y r a i n o c c u r r e d q i d o n g , j i a n g s u p r o v i n c e a n d r a n a n i m t y p h o o n a r e s t i m u l a t e d i n t h i s p a p e r a n d c o m p a r e d t h e i r t h e r m o d y n a m i c s a n d d y n a m i c f i e l d o n t h e o u t p u t o f mm5 ( v 3 ) t h e s e v e r e r a in s t o r m o f q i d o n g i s a v e ry l o c a l r a in s t o r m a t a u g u s t 1 5 t h - 1 6 t h 2 0 0 2 . u s i n g t h e m o d e l o u t p u t w it h h ig h s p a t i a l a n d t e m p o r a l r e s o lu t i o n , w e s t u d y t h e c h a r a c t e r i s t i c a n d m e c h a n i s m o f t h e l o c a l h e a v y r a i n . t h e res u l t s s h o w t h a t t h e m a i n i n fl u e n c e o f t h i s r a i n s t o r m i s a me s o - 1 3 s c a l e c y c l o n e d e v e l o p i n g f o r m a s h e a r l i n e . t h e c y c l o n e c r o s s e s t h e y a n g tz e r i v e r , m o v e s o n q id o n g , d e v e l o p e s o n t h i s a r e a a n d f o r m e s a p o t e n t i a l v o r ti c ity c o lu m n t o g e n e r a t e h e a v y r a in . i n t h i s p r o c e s s , w e a l s o f in d i t e x i s t s o b v i o u s lo c a l c i r c u l a t i o n a n d t h e w in d f i l e d a p p e a r s c l o c k w i s e c h a n g e b y t i m e . wh e n t h e s e a b r e e z e h a p p e n s , t e m p e r a t u r e a n d r e l a t iv e m o i s t u re w i l l b e c h a n g e . 玩 a c c o r d a n c e w i t h t h e l o c a l c h a r a c t e r o f t h i s h e a v y r a i n a r e a a n d t h e p e c u l i a r t e r r a i n o f q i d o n g , a t e r r a i n s s e n s i t i v i t y t e s t i s d e s i g n e d . a ft e r r e m o v i n g t e r r a i n o f q i d o n g , t h e p r e c i p it a t i o n a r e a a n d i n t e n s i ty h a v e a gr e a t c h a n g e . t h e m e s o s c a l e n u m e r i c a l m o d e l mm5 ( v 3 ) i s a l s o u s e d t o s im u l a t e r a n a n i m t y p h o o n . t h e c h a r a c t e r o f ty p h o o n r a i n f a l l a r e a , w i n d fi e l d a n d c e n t e r c o n s t r u c t io n a r e a n a l y z e d . t h e re s u lt s a r e as f o l l o w e d : ( 1 ) w h e n ty p h o o n i s o n s e a , t h e c e n t e r c o n s t ru c t i o n i s u n i f o r m . b e f o r e l a n d in g o r o n t h e l a n d , i t b e c o m e s n o n - u n i f o r m a ff e c t e d b y s u r f a c e f r i c t i o n a n d t y p h o o n e n e r g y t r a n s p o r t a n d s o o n ; ( 2 ) p r e c i p i t a t i o n d is t r i b u t e s t h e fr o n t o r r i g h t o f t y p h o o n m o v i n g t r a c t s . o t h e r w i s e , t h e p r e c ip it a t i o n a re a h a s a g o o d c o r r e s p o n d e n c e t o n h i g h c e n t e r o f 8 5 0 h p a t h e r m o d y n a m i c s wi n d f i e l d . a n d d y n a m i c f i e l d o f t y p h o o n i s c o m p a r e d w i t h f o r m e r c y c l o n e . i t i n d i c a t e s t h a t a s c e n d i n g v e l o c it y r a i n f a ll a n d c o n v e r g e n c e o f t h e c y c lo n e c a n s t r o n g e r t h a n t y p h o o n s . t h e v e r t i c a l s e c t i o n o f t y p h o o n r a i n f a l l s c o n s t a n t p o t e n t i a l t e m p e r a t u r e a p p e a r s v e ry o b v i o u s s a d d l e t y p e a n d t h e p r e c i p it a t i o n a r e a i s u n d e r t h e d r o o p in g a r e a o f h i g h - l e v e l c o n s t a n t p o t e n t ia l t e m p e r a t u r e . s y m m e t ry a n d c o n v e c t i v e i n s t a b i l it y e x i s t i n l o w - le v e l o f t r o p o s p h e r e in b o t h p r o c e s s e s . i n t h e c y c l o n e p re c i p it a t i o n , t h e in s t a b il it y a l s o a p p e a r s i n h i g h - l e v e l o f t r o p o s p h e r e k e y w o r d s : l o c a l h e a v y r a in , t y p h o o n r a in , n u m e r i c a l s im u l a t i o n , d i a g n o s t i c a n a l y s i s m 学位论文独创性声明 本人 郑重 声 明: 坚持以 “ 求实、创新”的科学精神从事研究工作。 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, 了谢 意。 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 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 : 上 巍 鑫 日期: 2 p 它 的网格设计分辨率可达 1 -1 0 k m;对声波项采用时间分裂式小步长时间积分方 案;对非声波项采用三阶龙格库塔技术，二阶至六阶平流算子:水平格点采用 a r a k a w a c类格点。 垂直方向 提供了两种选择，一种为欧拉高度坐标( e u le r i a n h e i g h t c o o r d in a t e ) ， 即地面为o m， 逐步上升到大气顶， 另外一种为欧拉质量坐标 ( e u le r i a n m a s s c o o r d i n a t e ) ，是在。 坐标的基础上建立的，即地面为1 ， 模式顶为 0 。 在时间 积分方案上， w r f 推荐使用r u n g e k u t t a 的3 阶方案， 但也提供了r u n g e k 血 的2 阶 方案作为 选择2l 。 该模式在我国己 经开始得到初步的 应用2 5 1 . 5 本文的研究目 的和内 容 本文主要模拟两次降水过程: 2 0 0 2 年8 月1 5 -1 6日 在江苏启东地区发生的 一次大暴雨过程和 2 0 0 4 年 “ 云娜”台风登陆过程。 启东地区的暴雨过程是在我国中部普遍降水的背景下，产生的大暴雨过程。 具有强局地性和突发性。 台风性降水具有非对称性的特征， 所以其降水预报也是 业务预报中的难点。本文的 研究目的就是希望通过对这两次过程的研究和分析， 得到一些局地性暴雨发生发展的规律性的认识， 找到一些降水系统的演变规律及 物理机制，提高对暴雨的认识，从而有利于做好实际业务预报工作和研究工作。 气菇 t )*次与泞风群厚水b 3 m r a茂觅寿斑一分沂 是时 空 分辨 较 低的 常 规 分 析的 资 料集 所无 法完 成的 2 11 。 孙 建华(2 2 采 用m m 5 模式 分 别对“ 9 8 . 6 ” 和“ 9 4 . 6 ” 华南前汛期暴雨期间的中尺度对流系统做了较细致的模 拟研究。 王智等2 3 利用m m 5 模式对1 9 9 9 年6 月2 9日 的一次东移低涡过程进行模 拟， 模拟结果揭示了这次暴雨过程中的中尺度对流系统发生发展和演变过程。 所 有这些研究和应用结果表明m m 5 模式具有较好的稳定性和较成功的模拟能力， 而 且它的模拟结果可提供高分辨率的动力协调资料， 这将有助于我们认识复杂的中 尺度系统的结构及其发生和发展的物理机制，所以本文所采用的模式仍为 p s u / n c a r 开发的h ll 41 5 ( v 3 ) o 另外比较引人注目 的研究机构及其中小尺度模式还有c s u的r a ms 以 及日 本的j m a 。 现阶 段， 美国n c a r , n o a a , f s l ( t h e f o r e c a s t s y s t e m s l a b o r a t o r y ) 以 及o k l a h o m a 大学的c a p s ( t h e c e n t e r f o r a n a l y s i s a n d p re d i c t i o n o f s t o r m s ) 联合 了多个科研机构开发了新一代中尺度数值模式 wr f ，并希望以此模式来代替和 更新现行的如n c a r的m m4 / m m5 , n c e p的e t a和n o a a / f s l的r u c数值 模拟和预报系统。w r f模式采用有限差分方案，完全可压缩非静力方程组;它 的网格设计分辨率可达 1 -1 0 k m;对声波项采用时间分裂式小步长时间积分方 案;对非声波项采用三阶龙格库塔技术，二阶至六阶平流算子:水平格点采用 a r a k a w a c类格点。 垂直方向 提供了两种选择，一种为欧拉高度坐标( e u le r i a n h e i g h t c o o r d in a t e ) ， 即地面为o m， 逐步上升到大气顶， 另外一种为欧拉质量坐标 ( e u le r i a n m a s s c o o r d i n a t e ) ，是在。 坐标的基础上建立的，即地面为1 ， 模式顶为 0 。 在时间 积分方案上， w r f 推荐使用r u n g e k u t t a 的3 阶方案， 但也提供了r u n g e k 血 的2 阶 方案作为 选择2l 。 该模式在我国己 经开始得到初步的 应用2 5 1 . 5 本文的研究目 的和内 容 本文主要模拟两次降水过程: 2 0 0 2 年8 月1 5 -1 6日 在江苏启东地区发生的 一次大暴雨过程和 2 0 0 4 年 “ 云娜”台风登陆过程。 启东地区的暴雨过程是在我国中部普遍降水的背景下，产生的大暴雨过程。 具有强局地性和突发性。 台风性降水具有非对称性的特征， 所以其降水预报也是 业务预报中的难点。本文的 研究目的就是希望通过对这两次过程的研究和分析， 得到一些局地性暴雨发生发展的规律性的认识， 找到一些降水系统的演变规律及 物理机制，提高对暴雨的认识，从而有利于做好实际业务预报工作和研究工作。 气游岔摩次与台月崖雌拭救尝遭摸次霓考蔽分 沂 然而， 由于暴雨演变过程的复杂性性和客观条件的限制， 本文的工作还是初步的， 有待今后的进一步改进和深入。 本论文正文部分包括以 下四方面的内 容: 1 )用 n c e p 和实况观测资料对江苏 启东地区暴雨发生的环境场进行初步的分析;2 )简单介绍了几种滤波方法，并 使用滤波方法对n c e p 资料进行尺度分离， 取得较好的效果; 3 )用中尺度数值模 式 ( m m 5 )对暴雨过程进行了数值模拟，在模拟比较成功的情况下，利用输出的 资料分析造成暴雨的主要影响系统及其可能的物理机制， 并对该地的环流特点进 行了探讨; 4 )对2 0 0 4 年8 月在浙江登陆的强台风 “ 云娜” 进行数值模拟， 通过 对台风降水落区、 风场、 湿度场等方面对这次强台风的结构进行分析; 并且结合 前面做的暴雨的例子， 通过计算动力、 热力参数对台风降水和局地气旋降水的环 境场、能量场进行了比 较。 %游逻次与台风理潭术劣 第二章 暴雨实况与基本天气形势场 本章对2 0 0 2 年8 月1 5 日 一1 6 日( 北京时， 下同) 发生在江苏南通的启东地 区的一次大暴雨过程的天气背景和降水实况进行了初步分析， 指出了影响暴雨发 生的主要天气系统; 所用资料为2 0 0 2 年8 月1 4 , 1 5 , 1 6日 每隔6 小时的n c e p 资料及地面、高空常规观测资料。 2 . 1 降水实况 2 0 0 2 年8 月中 旬江苏南通的 启东地区出 现了一次历史罕见的 暴雨天气。 此次 降水从 8月 1 5日 凌晨开始，至 1 6日 下午结束，过程总降水量达 1 8 3 m m, 1 5 日0 8 时至1 6 日0 8 时的启东2 4 h 降水量为1 5 0 . 1 m m , 一小时最大降水量为5 6 .6 m m, 达到大暴雨的标准， 但强降水范围仅限于启东附近的小范围地区内 ( 约在 1 2 1 .3 o e - 1 2 1 . 7 0 e , 3 1 .6 0 n - 3 2 . 0 0 n 之p7 ，面积约占2 0 0 k m z ) ， 发生时段在1 5日晚到1 6 日 凌晨。启东降水量与同期南通地区其它气象台站的 2 4 h降水量 ( 通州 2 9 m m , 海门7 8 m m ， 如东4 3 m m，如皋2 8 m m ，南通市 3 5 m m ， 吕泅 l l l m m)相比明显地 要高得多。就全国范围 来说整个降雨带 ( 图 2 . 1 )从贵州东部到江苏沿海，大致 呈西南东北走向，宽约 2 0 0 k m ，长约2 0 0 0 k m，其中长江口北侧和贵州东部存 在两个较强的降水中心。 图2 . 1 8 月1 4日2 0 时 一1 6 日2 0 时4 8 h 累积降水量( 单位:m m ) 2 . 2 暴雨过程的 环流形势特征 2 . 2 . 1影响系统 在本次暴雨过程前，中高纬环流为两槽一脊型，高空5 0 0 h p a 长江流域受槽 前西南气流控制中，河套地区有冷涡发展并缓慢东移， 不断有冷空气向长江流域 输送， 西北太平洋副热带高压维持在日 本及其以东的洋面上， 脊线在3 0 0 n左右。 0 2 1 3 号台风位于副高东南侧， 中心在( 2 0 0 n 1 5 0 0 e ) 附近( 图2 .2 . 1 ) . 8 5 0 h p a 上切变线位于江苏吕 泅、 浙江衙州、 江西南昌到湖南郴州一线， 启东地区正处在 %游逻次与台风理潭术劣 第二章 暴雨实况与基本天气形势场 本章对2 0 0 2 年8 月1 5 日 一1 6 日( 北京时， 下同) 发生在江苏南通的启东地 区的一次大暴雨过程的天气背景和降水实况进行了初步分析， 指出了影响暴雨发 生的主要天气系统; 所用资料为2 0 0 2 年8 月1 4 , 1 5 , 1 6日 每隔6 小时的n c e p 资料及地面、高空常规观测资料。 2 . 1 降水实况 2 0 0 2 年8 月中 旬江苏南通的 启东地区出 现了一次历史罕见的 暴雨天气。 此次 降水从 8月 1 5日 凌晨开始，至 1 6日 下午结束，过程总降水量达 1 8 3 m m, 1 5 日0 8 时至1 6 日0 8 时的启东2 4 h 降水量为1 5 0 . 1 m m , 一小时最大降水量为5 6 .6 m m, 达到大暴雨的标准， 但强降水范围仅限于启东附近的小范围地区内 ( 约在 1 2 1 .3 o e - 1 2 1 . 7 0 e , 3 1 .6 0 n - 3 2 . 0 0 n 之p7 ，面积约占2 0 0 k m z ) ， 发生时段在1 5日晚到1 6 日 凌晨。启东降水量与同期南通地区其它气象台站的 2 4 h降水量 ( 通州 2 9 m m , 海门7 8 m m ， 如东4 3 m m，如皋2 8 m m ，南通市 3 5 m m ， 吕泅 l l l m m)相比明显地 要高得多。就全国范围 来说整个降雨带 ( 图 2 . 1 )从贵州东部到江苏沿海，大致 呈西南东北走向，宽约 2 0 0 k m ，长约2 0 0 0 k m，其中长江口北侧和贵州东部存 在两个较强的降水中心。 图2 . 1 8 月1 4日2 0 时 一1 6 日2 0 时4 8 h 累积降水量( 单位:m m ) 2 . 2 暴雨过程的 环流形势特征 2 . 2 . 1影响系统 在本次暴雨过程前，中高纬环流为两槽一脊型，高空5 0 0 h p a 长江流域受槽 前西南气流控制中，河套地区有冷涡发展并缓慢东移， 不断有冷空气向长江流域 输送， 西北太平洋副热带高压维持在日 本及其以东的洋面上， 脊线在3 0 0 n左右。 0 2 1 3 号台风位于副高东南侧， 中心在( 2 0 0 n 1 5 0 0 e ) 附近( 图2 .2 . 1 ) . 8 5 0 h p a 上切变线位于江苏吕 泅、 浙江衙州、 江西南昌到湖南郴州一线， 启东地区正处在 a s oi t *砍 与冷 风凿 潭次撇拢道 摸旁 姿寿斑 几 护 d rr 切变线的附近( 图2 2 2 ) ， 有冷暖空气交汇于长江口 及长江流域以南( 图2 . 2 . 3 l 长江口 地面到 1 4日2 0 时之前受低压系统控制， 2 0 时之后该低压逐渐东移入海。 强降水发生时刻( 1 5 日晚到1 6日 凌晨) 在启东地区天气图上未见有明显的低压系 统。 l 图2 .2 . 1 2 0 0 2 年 8 月1 4 日2 0 时s o o h p a 实 况高度场( 单位: g p m ) 图 2 .2 .2 2 0 0 2 年 8 月1 4 日 2 0 时8 5 0 h p a 实况高 度 场( 单 位: g p m ) 和风 场分 布图( 图 中的斜线为切变线) 图 2 . 2 . 3 2 0 0 2 年 8 月1 4日2 0 时8 5 0 h p a 实况温度场( 单位:0 c ) 2 . 2 . 2水汽条件 充足的水汽是产生降水的必要条件。 判断这一条件是否满足可以通过计算水 汽通量和水汽通量散度的变化可以 看出水汽的来源和水汽的 源汇。单位气压差、 单 位 长 度 的 水 汽 通 量 表 达 式 为 与 y i , q; 单 位 体 积 的 水 汽 通 量 散 度 计 算 公 式 为: _1 二、a. 1、 a， 1 a二 v. ( 一v q ) = - ( -u q ) +( 一v q ) 9a x g必9 若 a o ， 则水汽通量是辐散的 ( 水汽因输送出去而减少) ; 若a 9 0 % )( 图 2 . 2 . 6 a , b ) 在这些地方已 经累积了大量的 水汽，为暴雨的发生 烹菇屋次与i m 理潭次4 5 准备了充足的水汽条件。 图2 .2 .4 2 0 0 2 年8 月1 5 日1 4 时 ( a ) 和1 5 日2 0 时 ( b ) 水汽通量矢量 ( 单位 g s c n i h p a ) 图2 . 2 . 5 2 0 0 2 年8 月1 5 日1 4 时( a ) 和 1 5日2 0 时( b ) 水汽通量散度( 单位; 1 0 g s c n f h p a ) 图2 .2 . 6 2 0 0 2 年8 月1 5日0 2 时 ( a ) 和8 月1 5日2 0 时 ( b ) 8 5 0 h p a 的相对湿度 分布图 ( 阴影区为9 0 %) 2 . 2 . 3 涡度场和散度场 从高低空散度场 ( 图2 . 2 . 7 , 2 . 2 . 8 )的分布来看，降水发生过程中，贵州、 湖南、江西及长江口 对流层低层出现较为深厚的辐合区， 对流层中层以 上为辐 散区， 长江口 上空的辐合不断加深， 到1 6日0 2 时1 0 0 0 h p a 出现了4 * 1 0 一 s ， 的大 中心区. 8 5 0 h p a 涡度场的分布图 ( 图2 . 2 . 9 ) 上，同样存在一条与降水区一致的 东北西南向正涡度带。 1 4日2 0时长江口北侧、 湖南中部、 贵州存在正涡度中心， 之后， 正涡度不断加深， 移动，到 1 6日0 2 时正涡度带范围扩大， 在长江口、江 西东侧、 贵州形成较大的正中心。 这种低层辐合， 高层辐散高低空散度场的配置 形势有利于产生较强的垂直速度，低层正涡度中心的存在有利于降水的产生。 l 图2 .2 .7 2 0 0 2 年8 月1 5 日0 8 时( a ) ; 1 6 日0 2 时( b ) 1 0 0 0 h p a 散 度 场( 单 位 : l o -i s . ) i! 图2 .2 . 8 2 0 0 2 年8 月1 5 日0 8 时( a ) ; 1 6 日0 2 时( b ) 4 5 0 h p a 散 度 场( 单 位: 1 0 -i s 1 ) 图2 .2 .9 2 0 0 2 年8 月1 4 日2 0 时( a ) ; 1 6 日0 2 时( b ) 8 5 0 h p a 涡 度场( 单 位:l o - i s -1 ) 图2 .2 . 1 0 2 0 0 2 年8 月1 4 日 2 0 时( a ) : 1 6 日0 2 时( b ) 2 0 0 h p a 祸 度 场( 单 位 : 1 0 -5 s 一 1) 气菇理r执与旨 风逻 潞次 甜必遭蓖友及 寿征分 夯 2 . 2 . 4 不稳定能量分析 利用总 温度t , c2 7 1 计算了 某地区 能量的 大小， 它表征单 位质量气块的总能量所 相当的温度，其表达式是: 一 一l a , v 2 . i t =1十二 ; 一 q 十!- ( g z +万 了 ) x 1 u 怖七 ，乙 把 l = 5 9 7 . 2 6 c a 1 . g , c , = o . 2 4 c a l . g . c , a = o . 2 3 8 8 4 4 c a l . s . g - . m - 代入， 可 得到计算总温度的常用公式: 军= t + 2 . 5 q + 9 . 8 z + 5 x i 丫沪 单位同计算时所用的温度单位，q的单位是克/ 千克。某地区总温度越高， 说明该地区的不稳定能量越多， 越有利于降水的形成和发展。 利用总温度的计算 公式可计算得到1 4日2 0 时和1 6日0 2 时8 5 0 h p a 的总温度分布 ( 见图2 . 2 . 1 1 ) : 长江以 南及长江口附近存在一条西南一东北向的总温度高值区， 总温度的大值中 心值达 7 2 c ，这是一种典型的暴雨形成的能量场特征。 图2 .2 . 1 1 2 0 0 2 年8 月1 4 日2 0 时 ( a ) ; 1 6 日0 2 时的总 温度t t 分布 ( 单 位: 0 c 2 . 3 小结 由以上讨论可以初步看出， 这次大面积的降水过程是在特定的环流背景下受西风 带5 0 0 h p a 低槽、 8 5 0 h p a 切 变线的 影响 造成的， 水汽的 输 送、高 低空散度场的 配 置及不稳定能量累积都为降水的发生提供了有利的条件。 气菇理r执与旨 风逻 潞次 甜必遭蓖友及 寿征分 夯 2 . 2 . 4 不稳定能量分析 利用总 温度t , c2 7 1 计算了 某地区 能量的 大小， 它表征单 位质量气块的总能量所 相当的温度，其表达式是: 一 一l a , v 2 . i t =1十二 ; 一 q 十!- ( g z +万 了 ) x 1 u 怖七 ，乙 把 l = 5 9 7 . 2 6 c a 1 . g , c , = o . 2 4 c a l . g . c , a = o . 2 3 8 8 4 4 c a l . s . g - . m - 代入， 可 得到计算总温度的常用公式: 军= t + 2 . 5 q + 9 . 8 z + 5 x i 丫沪 单位同计算时所用的温度单位，q的单位是克/ 千克。某地区总温度越高， 说明该地区的不稳定能量越多， 越有利于降水的形成和发展。 利用总温度的计算 公式可计算得到1 4日2 0 时和1 6日0 2 时8 5 0 h p a 的总温度分布 ( 见图2 . 2 . 1 1 ) : 长江以 南及长江口附近存在一条西南一东北向的总温度高值区， 总温度的大值中 心值达 7 2 c ，这是一种典型的暴雨形成的能量场特征。 图2 .2 . 1 1 2 0 0 2 年8 月1 4 日2 0 时 ( a ) ; 1 6 日0 2 时的总 温度t t 分布 ( 单 位: 0 c 2 . 3 小结 由以上讨论可以初步看出， 这次大面积的降水过程是在特定的环流背景下受西风 带5 0 0 h p a 低槽、 8 5 0 h p a 切 变线的 影响 造成的， 水汽的 输 送、高 低空散度场的 配 置及不稳定能量累积都为降水的发生提供了有利的条件。 产气葩理潭r次与泞月左摩扒 劣君遭截然受 潜瑟分沂 第三章 滤波方法在暴雨过程的应用 从 n c e p资料分析来看 动，在滤波的基础上对巧 日 度分离。 ，我们发现启东地区上空并无明显的中尺度系统活 、1 6日 每隔6 小时的 1 0 * 1 0 n c e p 资料分析进行尺 3 . 1 滤波原理及方法简介 我们可以 将气象场的时间序列、空间分布看作是各种 ( 时间、空间) 波长的 波 分 量 叠 加 的 结 果 2 9 1 设f 为某一气象要素，一维情况下，在数轴上定义 f = (一 ) 、 + 奋 ( f + f , ) ， ， ， 其中，天 为.f 在i 点 的 值， s 为 滤 波系 数， 由 所 滤 波长 计 算其 值。 这 样 定 义的 算 子， 对计算点来说是对称的， 它既不改变波数， 也不改变位相，只改变波分量的 振幅。 先后令s = s l , s = s 2 ， 两次使 用3 . 1 ， 便得 万 = (，一 : (一 、 卜 if, 12 + 2 s,(，一 、 ， 、 ，一 s , ) (.f ., + f _0 + 等(f , + f -s ) s sx ( 3 . 2) 它可以 从数轴上一次滤去两个短波分量。 s h a p ir o 2 9 1 曾 经 证明 ， 采 用 对 各 较 长 波 分 量( 即 长 于 所 滤 波 长的 各 波 分 量) 的 振幅有不同程度恢复作用的选择滤波算子， 可以使这部分波动尽量少受削弱。 比 如，( 3 .2 ) 式中令 s , =s z = s , 便得 二. 3 s 2 . 大= ( 1 一 份 j z: + 一 (f + f -,) - 4 (f .x + f _x) ( 3 . 3 ) 该算子可从数轴上一次滤去一个短波分量，并对较长波的振幅有恢复作用。 从滤波前的气象场中减去滤波后的气象场，即得气象场的短波部分。这就是 产气葩理潭r次与泞月左摩扒 劣君遭截然受 潜瑟分沂 第三章 滤波方法在暴雨过程的应用 从 n c e p资料分析来看 动，在滤波的基础上对巧 日 度分离。 ，我们发现启东地区上空并无明显的中尺度系统活 、1 6日 每隔6 小时的 1 0 * 1 0 n c e p 资料分析进行尺 3 . 1 滤波原理及方法简介 我们可以 将气象场的时间序列、空间分布看作是各种 ( 时间、空间) 波长的 波 分 量 叠 加 的 结 果 2 9 1 设f 为某一气象要素，一维情况下，在数轴上定义 f = (一 ) 、 + 奋 ( f + f , ) ， ， ， 其中，天 为.f 在i 点 的 值， s 为 滤 波系 数， 由 所 滤 波长 计 算其 值。 这 样 定 义的 算 子， 对计算点来说是对称的， 它既不改变波数， 也不改变位相，只改变波分量的 振幅。 先后令s = s l , s = s 2 ， 两次使 用3 . 1 ， 便得 万 = (，一 : (一 、 卜 if, 12 + 2 s,(，一 、 ， 、 ，一 s , ) (.f ., + f _0 + 等(f , + f -s ) s sx ( 3 . 2) 它可以 从数轴上一次滤去两个短波分量。 s h a p ir o 2 9 1 曾 经 证明 ， 采 用 对 各 较 长 波 分 量( 即 长 于 所 滤 波 长的 各 波 分 量) 的 振幅有不同程度恢复作用的选择滤波算子， 可以使这部分波动尽量少受削弱。 比 如，( 3 .2 ) 式中令 s , =s z = s , 便得 二. 3 s 2 . 大= ( 1 一 份 j z: + 一 (f + f -,) - 4 (f .x + f _x) ( 3 . 3 ) 该算子可从数轴上一次滤去一个短波分量，并对较长波的振幅有恢复作用。 从滤波前的气象场中减去滤波后的气象场，即得气象场的短波部分。这就是 佗龙7t服放与旨月蹬犀次成封道蹲次凌拜企一分沂 高通滤波器。 对于二维情况，假定x 方向 取两个滤波系数s i 和 1 6 日0 2 时(b ) ( 单位: 9 r - ) 从分离后的6 小时的散度场的 演变来看，1 6日0 2 时 对应的1 0 0 0 h p a 散度场 出现负的高值区， 同时段， 该地区的涡度场对应着正中心， 与图2 .2 .7 b 形式相似。 但祸度 场和散度场的 量级与 大尺度的 相同， 都为1 0 - 5 秒一 ， ， 这一点与 文献 ( 2 8 ) 中略不同。 图3 .2 .2尺 度 分 离 后的1 6 日0 2 时1 0 0 0 h p a 散 度 场( a ) ; 涡 度 场( b )哗位: 1 0 - 5 s ,) 3 . 3 小结 利用尺度分离的方法对天气系统进行分离，得到比较好的效果，比较要素场 的演变情况，发现在长江口附近在 1 6日0 2 点前后可能有中尺度运动系统出现。 声气 世与台风t t 犀次劣对茵蓖寿斑一分沂 第四章 数值模拟及诊断分析 从前面的分析中， 我们可以看到由于资料时空尺度相隔较大， 暴雨发生过程 中有很多中小尺度影响系统的空间配置和演变情况只能定性研究， 难以更详细地 讨论， 为了更加详尽揭示本次暴雨产生的有利环境及其形成机制， 下文将利用中 尺度数值模式m m ( v 3 )对2 0 0 2 年8月1 5日 至 1 6日发生在启东地区的强降水 过程进行数值模拟， 期望利用模式输出的连续高分辨率的结果， 为讨论此次暴雨 过程中各影响系统的作用及其相互关系提供更好的依据。 4 . 1中 尺度数值模拟 4 . 1 . 1数值模式介绍 本文所用模式为由p s u / n c a r 共同开发的第五代中尺度数值预报模式 m m 5 第 3 版， 简称为m m 5 v 3 ( f ift h - g e n e r a t io n p e n n s t a te n e a r m e s o s c a l e m o d e l v e r s io n 3 ) ， 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。 该 模式在l 工 n u x 操作系统上运行，通过p g f 7 7 编译运行。模式采用。坐标， 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。 除主模式外， 模式系统还包括几个辅助模块， 这些辅助模块完成前处理和后 处理的任务。 其中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模式的网格点上。r e g r i d将一些低分辨率的全球 经纬网格分析场资料 ( 如n e c p , e c m w f 等) 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r e 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。 声气 世与台风t t 犀次劣对茵蓖寿斑一分沂 第四章 数值模拟及诊断分析 从前面的分析中， 我们可以看到由于资料时空尺度相隔较大， 暴雨发生过程 中有很多中小尺度影响系统的空间配置和演变情况只能定性研究， 难以更详细地 讨论， 为了更加详尽揭示本次暴雨产生的有利环境及其形成机制， 下文将利用中 尺度数值模式m m ( v 3 )对2 0 0 2 年8月1 5日 至 1 6日发生在启东地区的强降水 过程进行数值模拟， 期望利用模式输出的连续高分辨率的结果， 为讨论此次暴雨 过程中各影响系统的作用及其相互关系提供更好的依据。 4 . 1中 尺度数值模拟 4 . 1 . 1数值模式介绍 本文所用模式为由p s u / n c a r 共同开发的第五代中尺度数值预报模式 m m 5 第 3 版， 简称为m m 5 v 3 ( f ift h - g e n e r a t io n p e n n s t a te n e a r m e s o s c a l e m o d e l v e r s io n 3 ) ， 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。 该 模式在l 工 n u x 操作系统上运行，通过p g f 7 7 编译运行。模式采用。坐标， 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。 除主模式外， 模式系统还包括几个辅助模块， 这些辅助模块完成前处理和后 处理的任务。 其中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模式的网格点上。r e g r i d将一些低分辨率的全球 经纬网格分析场资料 ( 如n e c p , e c m w f 等) 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r e 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。 声守 游蹬鹰次与台风t b w欢夕 夕 姗鹰擞毅及寿泣分奋 i n t e r p f 模块将p 面的 值插到。 面上， 形成模式的初始场。 m m 5 即为 模式预报主 模块。 将主模式运行的结果代入m m 5 t o g r a d s 或者工 n t e r p b 中 进行后处理， 即把。 面的结果反插回p 面，然后进行诊断分析、绘图等工作。 4 . 1 . 2数值模式及试验方案设计 模拟使用了两重嵌套网格，水平范围以1 1 6 0 e , 3 2 0 n为中心。粗网格格距 3 6 k m ，格点数为6 1 x 6 1 ;细