（气象学专业论文）2007年7月江淮地区梅雨锋暴雨的中尺度数值模拟与诊断研究.pdf

摘要 本文主要利用常规观测资料、全球客观分析n c e p n c a r 资料以及中尺度 非静力平衡模式w r f v 2 1 对2 0 0 7 年7 月江淮地区一次梅雨锋暴雨过程进行数 值模拟，着重研究这次过程中的中尺度重力波( m g w ) 现象，利用拉格朗日 r o s s b y 数( r o 数) 诊断分析高空非平衡流场，探讨说明了上游非平衡流引起的 地转适应过程对重力波发生发展的作用，并对m g w 的动力学特征进行了较为 深入的分析，讨论了影响波动变化的因子，另外运用m o r l e t 小波分析展现了波 动的时频分布特征：通过地形敏感性实验，进一步说明了在本次过程中地形对 天气系统的影响。 研究表明：这次暴雨过程中的中尺度重力波波长约为5 6 7 5 k m ，相速约 1 2 1 9 m s ；满足指标( r o ：! 上一，r o _ 0 5 ，l v l 1 0m s 。1 ) 的不平衡运动区与重 y 力波活动区十分接近，它对波动产生的时间和区域方面有一定的指示作用；在 有利的大尺度环流形势下，地转适应过程是m g w 产生的首要机制， w a v e c i s k 、地形强迫及地转适应过程为波动传播提供了充足的能量，使m g w 在具有波导结构的大气中维持了相当长的时间；m g w 触发形成了对流运动， 在波动向下游传播的过程中对流强度出现周期性变化，促使局地生成阵性分布 的强降水中心，这些都与重力波传播至下游的位置密切相关；后期在锋面或辐 合区低压系统和地形强迫的共同作用下，重力波的生成机制和作用位置发生了 显著变化。通过m o r l e t 小波分析得出，重力波的统计分析结果与动力学结论有 很好的对应关系，最强波动出现在7 日2 0 时- 8 日0 4 时之间，中低层波动比高 层强烈，且短周期重力波远强于长周期重力波。地形敏感性实验进一步证明， 大别山中尺度地形效应在山脉迎风坡和背风坡都有重要影响。 关键词：中尺度重力波，拉格朗日r o s s b y 数，m o r l e t 小波分析，敏感性试验 a b s t r a c t i nt h i ss t u d y , t h ew e a t h e rr e s e a r c h & f o r e c a s t i n gm o d e l ( w r f ) w i t ht h e o b s e r v a t i o nd a t aa n dn c e pf i n a la n a l y s i sd a t aw a su s e dt o i n v e s t i g a t et h e m e s o s c a l eg r a v i t y w a v e ( m g w ) f r o mt h ee p i s o d eo fm e i y uf r o n tr a i n s t o r mo c c u r r e d i nj u l y2 0 0 7 t h eu p p e ru n b a l a n c e d f l o ww a sa n a l y z e db yl a g r a n g i a nr o s s b y n u m b e r ( r o ) t or e v e a lt h ee f f e c t so fg e o t r o p i ca d j u s t m e n tc a u s e db yt h eu n b a l a n c e d f l o wo nt h ed e v e l o p m e n to fm g w p a r t i c u l a r l y , t h ed y n a m i c sf e a t u r e so fw a v ea n d t h ei m p a c tf a c t o ro ft h ew a v ec h a n g eh a v eb e e nf u r t h e rd i s c u s s e d i na d d i t i o n ，t h e a n a l y s i so f m o r l e tw a v e l e tm e t h o dw a su s e dt os h o wt h ed i s t r i b u t i n gc h a r a c t e ro ft h e w a v ef r e q u e n c y r e s u l t so ft h es e n s i t i v i t ye x p e r i m e n ts h o wt h a tt h et e r r a i nc a nh a v e t h es i g n i f i c a n te f f e c t so nt h er a i n f a l l r e s u l t so ft h e s ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em g w w a v e l e n g t hi sa b o u t5 6 7 5 k ma n dt h ev e l o c i t yi sa b o u t12 19 m s 1i nt h i sr a i n s t o r m t h ea r e ao fu n b a l a n c e d m o v e m e n t 讹c hi sc o n t e n tw i t hr o ( r o = 斜，r 0 o 5 删i 1 0 m s 1 ) i ss i 砌a r w i t ht h em g w a c t i v i t yr e g i o n t h i sr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h er oc a nd e n o t et h ei n i t i a l t i m ea n dt h el o c a t i o no ft h ew a v e ，t h eg e o t r o p i ca d j u s t m e n ti sap r i m a r ym a s o no f p r o d u c i n gt h em g w w i t ht h ef a v o r a b l el a r g e - s c a l ec i r c u l a t i o n e n o u g hw a v e e n e r g yw h i c hi sp r o v i d e db yw a v e - c i s km e c h a n i s m ，g e o t r o p i ca d j u s t m e n ta n d t e r r a i ne f f e c t sm a k e sm g w m a i n t a i n i n gf o ral o n g e rt i m e t h eg r a v i t yw a v ei n d u c e s t h eg e n e r a t i o no ft h ec o n v e c t i o nm o v e m e n t d u r i n gd o w n w a r dt r a n s m i t t i n go f w a v e m o t i o n ，c o n v e c t i o ns t r a i g h t e nc h a n g e si np e r i o d ，w h i c hi n f l u e n c e s t h e d i s t r i b u t i o no fr a i n f a l l h e a v yp r e c i p i t a t i o nc e n t e rd i s t r i b u t e si na r r a y t h em g wh a s t r a n s f o r m e dw i t ht h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ev a r i a t i o no ft h ef r o n tl o w p r e s s u r ea n d t h ec h a n g eo ft h et e r r a i nf o r c i n gl o c a t i o n t h er e s u l t so fm o r l e tw a v e l e tm e t h o d s h o w e dt h a tt h es t r o n g e s tw a v eh a p p e n e df r o mt h e2 0 ，d a y7t o0 3 ，d a y8 i nt h e - m i d d l ep a r ta n dn o r t h e r na n h u i t h em g wi nt h el o wl e v e li ss t r o n g e rt h a ni ti nt h e 1 1 i g hl e v e la n dt h es a l t l es i t u a t i o ni so c c u r r e db e t w e e nt h es h o r tp e r i o d sm g w a n d l o n gp e r i o d sm g w m o r e o v e r , t h es e n s i t i v i t ye x p e r i m e n ts h o w st h a tt h et e r r a i no f d a b i em o u n t a i nh a ss i g n i f i c a n te f f e c t so nt h ea w e a t h e rs l o p ea n dl e e w a r d s l o p e k e y w o r d s ：m e s o s c a l eg r a v i t y w a v e ，l a g r a n g i a nr o s s b yn u m b e r ，m o r l e tw a v e l e t m e t h o d ，s e n s i t i v i t ye x p e r i m e n t 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： 日期： 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： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 梅雨锋暴雨是我国典型的气象灾害之一，尤其是持续性和集中性的梅雨锋特大暴雨， 它严重影响这国民经济发展和人民生命安全。例如1 9 9 1 年5 月到7 月年江淮地区出现严重的 暴雨洪涝，梅汛期长达5 6 天，先后出现1 6 次强降水过程，江淮地区直接经济损失达1 2 0 0 多 亿元，死亡l1 0 0 多人；1 9 9 8 年夏季长江流域持续强降水引发长江八次洪峰，造成1 0 0 0 多人 员死亡以及3 0 0 0 多亿元国家直接经济损失；再女1 2 0 0 3 年及2 0 0 7 年汛期江淮流域遭受1 9 9 1 年 以来最大的洪涝，其直接原因仍然是持续性的特大暴雨过程引起的。因此，梅雨锋暴雨的 研究和预报一直受到政府和气象部门的高度重视，暴雨的发生发展机理研究和预报技术历 来是气象工作者所关心的重要问题i m 】。 1 1 梅雨锋暴雨研究进展 梅雨是东亚地区特有的天气现象，梅雨锋是其中一个重要的天气系统。每年春末夏初， 我国长江中下游两岸，大致起自湖北宜昌以东、2 8 3 4 n ，以及日本东南部和朝鲜半岛最南 部，出现梅雨天气，在日本和朝鲜半岛分别被称为“b a i u ”和“c h a n g - m a ”。导致梅雨产生 的直接天气系统是维持在长江中下游地区的梅雨锋。梅雨锋具有大气环流特征，它是一条 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，绵延数千里。 国外一些有代表性的观点：n i n o m i y a 等f 4 】研究指出梅雨锋的结构与极锋不同，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，他认为梅雨锋可以用水汽和位温梯 度来定义，还认为梅雨锋是一种副热带锋。k a t o 5 1 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；他【6 1 还认为梅雨锋西段即中国大陆上空，由于中国大陆南湿北干的下垫面差异 引起加热不同，使得南北温差较小，正压性强，其低层具有强的水平风切变，多有对流云 存在，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，多有层状云存在。a k i y a m a t 7 1 研究指出梅雨锋东西部锋区的主要差异 在气团性质和斜压性方面，中国大陆上的梅雨锋西部锋区是季风气团( 8 。 3 4 0 k ) 与中纬度 1 第一章绪论 气团( 3 3 0 k 艮 3 2 0 k ) 的交汇处，而东部锋区为热带气团( 3 4 0 k 气 3 3 0 k ) 与极地大陆冷 气团( 0 s e 1 0 m s 1( 3 3 3 ) f 矿l 满足以上指标的区域为不平衡运动区。不平衡运动区的大气流场处于非平衡状态，经 过质量场与动量场重新调整，在地转适应过程中产生重力波，重力波就发生于满足指标的 不平衡运动区。 3 3 2r o 数诊断结果分析 分析7 日和8 日高空流场，可以发现江淮地区4 0 0 h p a 上空稳定地存在着一股特征明显 的高空急流，这股急流大风中心自西向东不断地演变发展，易形成实际大风核离开地转急 流核移向下游的天气形势，为产生中尺度重力波的提供了一些潜在的动力条件。 下面根据k o c h 和d o r i a n 2 0 1 定义的r o 数相关指标，定量分析江淮地区4 0 0 h p a 高度上 大气运动的非平衡特征。图3 4 为7 日1 8 时，2 0 时和2 1 时粗网格输出的4 0 0 h p a 风场，以 及对应时刻定量计算得出的r o 数结果( 图中只保留r o _ 0 5 的结果) 。从图3 4 a 、3 4 c 和 3 4 e 可以看出，4 0 0 h p a 高度上急流中心风速i v 臣1 5 m s 1 ，最大可达2 5 m s ，满足指标的风 场要求：由7 日1 8 时( 图3 4 b ) 至2 0 时( 图3 4 d ) 的r o 数计算结果可知，安徽中北部 ( 11 6 5 。e 。3 2 5 0 n ) 附近，从无到有出现一个明显的r o 芝_ 0 5 的极值中心，这个区域满足 ( 3 3 3 ) 式指标的要求，即出现了不平衡运动区；至2 1 时( 图3 4 f ) ，r o - 2 0 5 的大值区逐 渐增大，呈纬向分布，其中r o 数最大可达0 9 左右，非地转运动非常强烈。事实上7 日 1 2 第三章中尺度数值模拟与诊断分析 1 8 时之后的五六个小时内，江淮地区( 虚方框) r o 数大值区域不断地稳定增加，且大致 分布于3 2 5 0 n 的纬向上，加之低层流场( 图3 1 3 ) 存在明显的中尺度锋生作用或辐合运动， 充分表明了该地区气流的非平衡程度逐渐增大，不平衡运动区沿一定方向发展延伸，那么 应当分析不平衡运动区附近及其下游很可能产生的大振幅中尺度重力波事件。 图3 4 粗网格模拟4 0 0h p a 位势高度( 单位：g p m ) 和水平风场( 单位：m s ， 阴影区域1 5m s 4 ) 及对应的r o 数诊断结果( r 晓0 5 ，细实线) a ，b 7 日1 8 时；c ，d 7 日2 0 时；e ，7 日2 1 时 3 4 中尺度重力波特征分析 国内外已经有很多学者专家 5 0 - 5 2 1 使用位温的扰动来研究大气重力波的波动，本文主要 通过分析垂直剖面的位温、垂直速度等要素特征来展现中尺度重力漳的发生发展过程。根 据不平衡运动区、垂直速度水平分布以及相关的降水实况，沿南阳( 11 2 5 8 。e ，3 3 0 3 。n ) 至启东( 1 2 1 6 6 。e ，3 1 8 0 n ) 的连线作垂直剖面( 如图3 5 ) 。 图3 5 粗网格模拟7 日2 2 时8 0 0 h p a 位势高度( 单位：g p m ) 和垂直速度分布( 单位：m s 1 ) ； 点虚线为南阳启东剖面所沿直线 图3 6 为7 日1 9 时至8 日0 7 时8 0 0 h p a 南阳启东垂直速度的时间序列，我们可以看 出：重力波大致起源于7 日2 0 时图中2 3 0 k m - 4 0 0 k m 之间，此地即为波源；7 月2 0 时8 日 0 3 时，波动稳定地向下游传播，并不断地在波源附近激发出新的波动，使得下游波动能够 持续发展：8 日0 3 时之后，在波源的上游，图中2 0 k i n 1 5 0 k m ( 大别山脉西北段) 产生新 的波动，而此前该区域基本没有波动存在，是突然生成于8 日0 3 时，且位于不平衡运动区 上游，很显然波动生成的因子或机制以及它的作用位置发生了重要变化，这里应当对8 日 0 3 时后波动出现了明显变化这一现象予以充分的重视。根据这些特征，我们把整个重力波 发生发展过程分为三个部分：波动形成期( 7 日2 0 2 1 时) 、成熟期( 7 日2 2 时8 日0 3 时) 和波动的变化期( 8 日0 3 时之后) 。 1 3 第三章中尺度数值模拟与诊断分析 图3 7 为南阳启东垂直剖面的位温和层结条件分布。从图中不难发现，首先，大气层 结总是静力稳定的塑 o ，即：大于0 ( n 为b r u n t v 勖s a l 冱频率) ，满足重力波存在和传 a z 播的首要条件。其次，图3 7 a ( 7 日2 1 时) 波动初成期，6 0 0 h p a 以下绝大部分地区( 阴影 区域) 处于对流不稳定层结，相当位温垂直递减率一盟 o ，这是由于江淮地区地理位置 8 p 特殊，梅雨期中低层受西南气流影响，带来丰富的水汽，在这里很容易形成上千下湿的对 流不稳定层结；至8 日o o 时( 图3 7 b ) 和8 日0 2 时( 图3 7 c ) 波动成熟，由于产生了强 降水，低层空气水汽含量降低，8 0 0 h p a 以下气层有逐渐向对流性稳定或中性层结转变的趋 势，但6 0 0 h p a - 8 0 0 h p a 之间一直存在着对流不稳定层结，它能反射向上传播的波动，有利 于重力波在中低层传播。 图3 67 日1 9 时至8 日0 7 时8 0 0h p a 南阳一启东垂直速度分布( 单位：i t i s ， 等值线间隔：0 5 m s ；阴影区域为w 芝1 0 m s 1 ) 图3 77 日8 南阳一启东相当位温垂直递减率一堡和位温的垂直剖面( 长 a p 虚线：位温，单位：k ；闭合等值线：一盟，阴影区域为一盟 7 r ( c - u ) ( 3 5 1 ) 2 c 为稳定层内波相速，u 为传播方向平均风速，n 为b r u m v 冱i s 射苴频率，这样的大气垂直 结构将产生波导作用。由本次过程具体分析，当c = 1 5 m s ，u = 6 m s 一，n = 0 0 1 2 s 1 时计算 所得的稳定层厚度d 约1 2 k m ，此时低层稳定层大致位于8 0 0 h p a - 9 5 0 h p a 之间，厚度超过 1 4 k m ，这表明实际大气满足波导所需的条件，有利于重力波维持相当长的时间。 ( 2 ) 地转适应过程：根据理论分析【4 8 4 纠，高低空有大风速中心传播时，大气质量和动 量失衡，运动处于非地转状态，通过地转调整，将生成或加强中尺度重力波。这次暴雨过 程中江淮地区处于高空急流出口区，经过计算拉格朗日r o 数( 图3 4 ) 得到出现不平衡运 动区的时间和位置，气流存在明显的非地转运动，在不平衡运动区附近及下游产生重力波， 由于高空急流持续存在，它为重力波生成和发展提供了一个稳定的能量源，因此地转适应 过程是波动加强和维持的一个重要机制。 ( 3 ) w a v e c i s k 机制：由波动成熟期的相关分析，结合图3 7 、3 8 和3 9 可知，对流 层中低层有大片的对流不稳定层结，且水汽含量相当丰富，在重力波传播过程中，在低层 引起辐合，产生上升运动，迫使不稳定气层抬升，触发出对流活动，而对流发展产生水汽 凝结释放潜热，又为重力波发展提供能量，当二者稳定的相互作用时，对流波动之间互相 耦合形成正反馈机制，本次重力波过程充分验证了w a v e c i s k 理论；至8 日0 4 时( 图3 1 0 ) ， 江淮地区低层位温波动依然明显，但是对流已经移出南阳启东连线，对流与重力波分离， 它们的耦合作用消亡。这里应当注意，重力波出现在天气发展之前，它是对流活动的触发 机制，因此，对流活动不是重力波生成的首要因素，而是它加强和维持的重要机制。 ( 4 ) 地形强迫效应：前人研究已经表明，每年的梅雨季节，江淮流域以南盛行西南季 风，常伴有低空急流，最大风速常2 0m s - 1 以上，气流翻越大别山时地形效应显著。根据 我们前面的分析可知，考虑地形引起的绕山气流辐合等因素，地形强迫效应在背风坡产生 较强的扰动，当重力波传播至背风坡适当位置时，地形强迫能够使得重力波有所增强，在 一定程度上起到维持和加强的作用。 3 6m o r l e t 小波分析 前面主要从天气学和动力学角度分析，梅雨锋暴雨过程中出现的一次中尺度重力波现 2 3 第三章中尺度数值模拟与诊断分析 象，讨论了重力波发生发展及变化过程中的有关物理机制，下面我们利用小波分析理论来 研究重力波的演变和分布特征，探讨波动的时频变化规律。 3 6 1 小波分析方法简介 小波分析是一种窗口的大小固定、形状可变的时频局部化信号分析方法，即在低频部 分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低 频率分辨率，能反映出时频两域信号的振幅、位相和功率的局部变化特征，优于传统的 f o u r i e r 分析。m o r l e t 小波是气象中常用的基小波之一，它是正弦和余弦波的振幅被高斯函 数调节产生的，表示成复小波，本章采用的m o r l e t 基小波为1 4 3 , 5 8 - 5 9 ： = e i 2 te x p h 卺，2 导，6 其中k 。2 1 0 ，分析小波为： 九舻( 扎小( 酗了t - b ) 2 】，a o , b r