（气象学专业论文）我国南方持续性强降水期西太副高短期位置变异的特点、成因及其数值模拟.pdf

中文摘要 本文利用中国气象局国家气象信息中心提供的中国7 4 0 站逐日降水资料、 n c e p n c a r 2 5 0 2 5 。逐日再分析资料以及美国环境预报中。i 二, ( c m a p ) 候平均降雨量资料， 通过对2 0 0 8 年夏季我国南方洪涝暴雨过程的个例分析以及近2 0 年华南前汛期和江淮梅雨 期火范同持续性强降水典型个例的合成分析，诊断了西太平洋副高短期位置变异的异同特 征，分析了加热异常对副高短期东两、南北进退的反馈作用，结合动力和热力学理论探讨 了热源影响副高的物理机制，并进行了数值模拟。主要结论如下： ( 1 ) 2 0 0 8 年6 月7 日1 7 日我国南方洪涝暴雨发生过程中，西太平洋副热带高压异常 偏西偏南，其北侧雨带的维持是造成南方洪涝的主要原因之一。洪涝暴雨期，在雨带区域 及孟加拉湾地区有视热源与视水汽汇大值区存在，西太平洋副热带高压在季节性西伸北进 的过程中会出现短期东撤南退现象，与南方暴雨区热源的增长对应。 ( 2 ) 华南和江淮大范围持续性强降水期间，西太平洋副高位置均比同期气候平均值异 常偏南偏西，且强度偏强。华南强降水期间，副高西北侧华南地区以及西侧孟加拉湾地区 存在异常强烈的视热源和视水汽汇；江淮强降水期间，副高北侧江淮流域及西侧孟加拉湾 地区也存在异常强烈的视热源和视水汽汇。运用全型垂直涡度倾向方程理论，研究非绝热 加热对西太平洋副高短期位置变异的影响，结果表明：副高位置的短期变异与非绝热加热 场及其配置有密切联系。华南强降水期间，副高西北侧边缘华南地区的加热场对副高作用 强于孟加拉湾加热场对副高的诱导西伸，可在短期内迫使副高东撤南退；江淮强降水期间， 副高北侧江淮流域加热场的存在不利于副高北进，而西侧孟加拉湾热源会诱导副高西伸， 两者的共同作用导致副高在江淮以南维持，且会明显西伸。 ( 3 ) 针对江淮2 0 0 3 年和华南1 9 9 8 年的强降水典型个例，利用r e g c m 3 模式模拟了 不同位置加热源异常时的环流异常特征。试验结果表明：华南和孟加拉湾加热源的异常配 置有利于副高在西伸过程中出现短期东退现象；江淮和孟加拉湾加热源的异常配置有利于 引导副高西伸。 关键词：华南，江淮，持续性强降水，西太平洋副高，非绝热加热，r e g c m 3 模式 a b s t r a c t b yu s i n gt h ed a i l yp r e c i p i t a t i o nd a t ao f 7 4 0s t a t i o n si nc h i n a , n c e p n c a rd a i l yr e a n a l y s i s d a t a ( 2 5 。x 2 5 。) a n dn o a a n c e pc l i m a t ep r e d i c t i o nc e n t e rm e r g e da n a l y s i so fp r e c i p i t a t i o n ( c m a p ) p e n t a d m e a np r e c i p i t a t i o nd a t a , t h e s i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so ft h es h o r t t e r m p o s i t i o nv a r i a t i o no ft h ew e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g h ( w p s h ) a r es t u d i e db ya c a s ea n a l y s i s o nt h et o r r e n t i a lr a i nc a u s i n gs e v e r ef l o o d si ns o u t h e r nc h i n ai ns u m m e r2 0 0 8a n dt h ec o m p o s i t e a n a l y s i s o f l a r g e - r a n g ep e r s i s t e n th e a v y r a i n f a l l i ns o u t hc h i n ap r e 。f l o o dp e r i o da n d c h a n g ii a n g h u a i h er i v e rv a l l e ym e i y up e r i o di nr e c e n t2 0y e a r s t h ef e e d b a c ke f f e c to fh e a t i n g a n o m a l yo nt h es h o r t - t e r me w , n sp o s i t i o no fw p s h a r ea n a l y z e d t h ep h y s i c a lm e c h a n i s m s o ft h ee f f e c t so fh e a t i n gs o u r c eo nw p s ha r ed i s c u s s e dw i t hd y n a m i ca n dt h e r m o d y n a m i ct h e o r y a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tb yr e g c m 3 m a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep o s i t i o no fw p s h i sa b n o r m a l l ys o u t h w e s t w a r dd u r i n gj u n e7 _ 17i n2 0 0 8 a n dt h e m a i n t e n a n c eo fn o r t h e mr a i n b e l ti so n eo fm a i nr e a s o n so nf l o o d si ns o u t h e r nc h i n a t h e r ea r e s t r o n ga p p e r e n th e a t i n gs o u r c e sa n da p p e r e n tm o i s t u r es i n k si nb o t hr a i n b e l ta n db a y o fb e n g a l d u r i n gp e r s i s t e n th e a v yr a i ne v e n m t h ew p s hh a sas h o r t - t e r me a s t - s o u t h w a r dw i t h d r a w a l d u r i n gs e a s o n a lw e s t - n o r t h w a r dp r o c e s s ，w h i c hi s i na g r e e m e n tw i t ht h ei n c r e a s i n go fh e a t i n g s o u r c ei ns o u t h e r nc h i n a ( 2 ) d u r i n gt h eh e a v yr a i n f a l li ns o u t hc h i n aa n dc h a n g j i a n g - h u a i h er i v e rv a l l e y , i n c o m p a r i s o nw i t ht h es a m ep e r i o dc l i m a t i cm e a n ，t h ew p s hi se x c e p t i o n a l l ys t r o n ga n di t s p o s i t i o ni sa b n o r m a l l ys o u t h w e s t w a r d d u r i n gt h et o r r e n t i a lr a i ni ns o u t hc h i n a , t h ea p p a r e n t h e a t i n gs o u r c ea n da p p a r e n tm o i s t u r es i n ka r ee x c e p t i o n a l l ys t r o n go v e rs o u t hc h i n ao nt h e n o r t h w e s ts i d eo fw p s ha n dt h eb a yo fb e n g a lt ot h ew e s to fw p s h d u r i n gt h et o r r e n t i a lr a i n i nc h a n 舀i a n g - h u a i h er i v e rv a l l e y , t h ea p p a r e n th e a t i n gs o u r c ea n da p p a r e n tm o i s t u r es i n ka r e a l s oe x c e p t i o n a l l ys t r o n go v e rc h a n g i i a n g h u a i h er i v e rv a l l e yo nt h en o r t hs i d eo fw p s ha n d t h eb a yo fb e n g a lt ot h ew e s to fw p s h u s i n gt h ec o m p l e t ef o r mo fv e r t i c a lv o r t i c i t yt e n d e n c y i i e q u a t i o n ，t h ei m p a c to ft h ed i a b a t i ch e a t i n go nt h es h o r t t e r mp o s i t i o nv a r i a t i o no f t h ew p s ha r e s t u d i e d r e s u l t ss u g g e s tt h a tt h es h o r t t e r mp o s i t i o nv a r i a t i o n so fw p s ha r ec l o s e l ya s s o c i a t e d w i t ht h ed i a b a t i ch e a t i n ga n di t sc o n f i g u r a t i o n s t h ee f f e c to fh e m i n gf i e l di ns o u t hc h i n a ( o nt h e n o r t h w e s to fw p s h ) o nw p s hi ss t r o n g e rt h a nt h a to fi nb a yo fb e n g a li n d u c e i n gt h ew e s t w a r d e x t e n s i o no fw p s h t h i sm a yf o r c ea ne a s t - s o u t h w a r dw i t h d r a w a lo fw p s hd u r i n gt h e t o r r e n t i a lr a i ni ns o u t hc h i n a a n dd u r i n gt h et o r r e n t i a lr a i ni nc h a n g j i a n g - h u a i h er i v e rv a l l e y , t h eh e a t i n gf i e l do v e rc h a n g ji a n g h u a i h er i v e rv a l l e y ( o nt h en o r t hs i d eo fw p s h ) i s u n f a v o r a b l et ot h ew p s hm o v i n gn o r t h w a r d ，a n dt h eh e a t i n gs o u r c eo v e rt h eb a yo fb e n g a lt o f a rw e s to fw p s hm a yi n d u c eaw e s t w a r de x t e n s i o no fw p s h t h em a i n t e n a n c eo nt h es o u t h s i d eo fc h a n g j i a n g - h u a i h er i v e rv a l l e ya n dw e s t w a r de x t e n s i o no fw p s ha r et h ec o 。a c t i o no f t h et w oh e a t i n gs o u r c e s ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h eh e a v yr a i n f a l li nc h a n g j i a n g h u a i h er i v e rv a l l e yi n2 0 0 3a n ds o u t h c h i n ai n19 9 8 ，t h ei c t pr e g i o n a lc l i m a t em o d e l ( r e g c m 3 ) i su s e dt os i m u l a t et h ec i r c u l a t i o n a n o m a l i e sw i t ha n o m a l o u sh e a t i n gs o u r c e si nd i f f e r e n tp o s i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c o n f i g u r a t i o no fh e a t i n gf i e l di ns o u t hc h i n aa n db a yo fb e n g a li sf a v o r a b l et ot h es h o r t - t e r m e a s t w a r dw i t h d r a w a lo fw p s hd u r i n gw e s t w a r dp r o c e s s ；a n dt h ec o n f i g u r a t i o no fh e a t i n gf i e l d i nc h a n g ji a n g h u a i h er i v e rv a l l e ya n db a yo fb e n g a li sf a v o r a b l et ot h ew e s t w a r de x t e n s i o no f w p s h k e yw o r d s ：s o u t hc h i n a , c h a n g j i a n g - h u a i h er i v e rv a l l e y , l a r g e r a n g ep e r s i s t e n th e a v yr a i n f a l l ， w e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g h ，d i a b a t i ch e a t i n g ，r e g c m 3 i l l 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：辎、施k 日 期：邋：盖：g 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：毯! 灶 日 期：趁：尘：墨 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 近几十年来，世界各地自然灾害频繁发生，特别是火范围的异常天气气候事件时有出 现，对人民的生命财产和社会经济造成了严重冲击。其中暴雨洪涝是气候灾害中最主要的 灾害。由于我国季风气候的特点和地形地势的影响，对我国南方来说，雨涝是该地区经常 发生的严重自然灾害，人范围的雨涝往往给我国南方地区的工农业生产带来严重损失，自 九十年代以来，我国南方地区多次发生暴雨洪涝灾害。1 9 9 1 年、1 9 9 4 年、1 9 9 8 年、2 0 0 3 年夏季我国长江流域、淮河流域都遭受了严重的洪涝灾害。频发的洪涝灾害严重影响了人 们的生活和生产。因此，对于洪涝暴雨异常的研究一直以来是短期气候预测的重要内容， 也是汛期气象服务的关键部分。 中国位于世界著名的亚洲季风区，春夏季的降雨深受季风活动的影响。中国的雨季常 以夏季风的爆发开始，以夏季风的撤退而告终。近年来，国内外学者对季风与降水关系的 研究较多，而作为东亚夏季风系统中主要成员的西太平洋副热带高压与我国夏季雨带的分 布也有密切的关系，其脊线位置的突变可使我国夏季的旱涝分布型发生显著变化。 关于副高与中国南方降水的关系方面已经取得了不少的研究成果。多数研究叫3 表明， 华南和江淮暴雨与大尺度环流和东亚夏季风异常活动有关，与中低纬天气系统联系紧密， 特别是与西太平洋副热带高压之间存在着相互作用与制约的关系嵋“1 。陶诗言指出夏季我国 东部暴雨带位置的变动，受副高西伸北跳( 南撤东退) 的调节。以往的研究都表明，西太平 洋副热带高压的位置和强度直接影响着我国夏季雨季雨带的位置和旱涝趋势，其季节内振 荡的异常可能是导致我国东部旱涝异常的主要因素之一。另外，暴雨的发生与非绝热加热 场也有密切的联系n 1 。 近年来，一些研究表明副热带高压的南北移动和东西进退在很大程度上取决于非绝热 加热的空间分布，东亚季风降雨所致的凝结潜热是决定夏季副高位置和强度的关键因素 姐。10 1 。刘还珠等1 利用数值模拟揭示了在中短期过程中降水引起的垂直方向非均匀非绝热加 热对西太平洋副高的影响过程。 我国南方暴雨洪涝过程的大气非绝热加热异常是一个值得关注的问题，因此，分析我 国南方地区暴雨洪涝时期，大气非绝热加热的时空变化特征，研究其异常分布对西太平洋 副热带高压变异的影响，有助于加深我们对西太副高位置和强度变化造成我国南方洪涝灾 害的物理成因的理解，改进对短期暴雨的预报技术。 1 2 研究进展 1 2 1 我国南方洪涝灾害的研究 暴雨洪涝一直是我国东部地区的严重自然灾害，自九十年代以来，我国南方地区多次 出现暴雨洪涝灾害，北方却持续多年出现大范围的干旱。黄荣辉等n 别也指出中国夏季降水 由8 0 年代的偏少变成9 0 年代的偏多。在2 0 世纪后期气候变暖的背景下，我国南方雨涝 变化的趋势是科学家普遍关心的事实。 早在2 0 世纪3 0 、4 0 年代，竺可桢u 3 1 和涂长望等n 引就指出5 8 月自南海夏季风爆发后 雨带的进退，形成华南前汛期、江淮梅雨和华北雨季。黄荣辉等n 5 提出，东亚夏季风雨带 的季节内变化与西太平洋暖池的热状态关系密切，当热带西太平洋暖池增暖时，我国江淮 流域夏季降水偏少：反之，江淮流域的降水偏多。温敏等n 引提出旱、涝年海温场分布型的 不同及其形成的海气相互作用的差异使得西太平洋副热带高压在涝年季节北进较平缓，其 脊线位置稳定在2 5 。n 左右，强度较强，从而导致夏季风雨带在长江流域停滞，形成江淮 洪涝。闵锦忠、李春等n 7 1 研究了夏季热带两太平洋对流活动与长江中下游降水的关系，表 明夏季热带西太平洋上空对流活动强( 弱) 时，长江中下游地区夏季降水显著偏少( 多) 。 而西太平洋副热带高压在夏季热带西太平洋对流和长江中下游地区降水之间起到了桥梁左 右，通过副高的东西位置、面积、强度异常等影响东亚夏季风异常，进而造成长江中下游 地区夏季降水异常。吴胜安、江志红等n 刚发现热带西太平洋是中国华南降水年代际变化的 关键区域。黄安宁和张耀存n9 1 运用p o 区域气候模式模拟也发现海温的季= 宵和年际强迫对 华南地区降水率差值的影响远比长江中下游明显。朱益民、杨修群心0 | 提出p d o 暖位相时 2 期，东亚夏季风偏弱，两太平洋副热带高压偏南，热带太平洋信风减弱，长江中下游、华 南南部降水异常偏多。 谢基平、郭品文等他提出东南太平洋s l p 距平出现正异常时，次年春、夏澳大利亚高 压偏强，进而由于越赤道气流的增强及西太平洋副菏调整引起次年夏季我国出现华南多雨、 江淮少雨的雨型分布。吴国雄等幢2 1 和张琼等担副的研究表明长江中下游的旱涝与中国近海海 温( 如南海、印度洋等) 关系密切。唐卫亚、孙照渤2 钔认为，印度洋海温偶极振荡正位相年 时，印度洋上为东风异常，西太平洋副高偏西、偏南、偏强，菲律宾附近对流活动减弱， 东亚夏季风偏强，华南夏季降水偏多。 由以上研究可以发现，我国南方暴雨洪涝分布与中低纬度人气环流存在密切的关系， 特别与南海夏季风、西太平洋对流活动以及热带海温、海气相互作用密切相关，与西太平 洋副热带高压变动有着直接或间接的联系。陈隆勋陋5 1 也指出，在中低纬，5 0 0 h p a 西太平洋 副热带高压是影响我国大范围旱涝的主要天气系统之一。所以，西太副高对东亚地区夏半 年的降水和旱涝有重要影响，与我国南方的天气气候有直接和密切的关系。陶诗言心叫指出 夏季我国东部暴雨带位置的变动，受西太平洋副热带高压西伸北跳( 南撤东退) 的调节。当 副热带高压西伸北跳( 南撤东退) 时，暴雨带向北( 向南) 移动。范梅珠心7 i 对比分析1 9 9 9 与1 9 9 8 年夏季长江流域暴雨的成因，探讨了南海季风云涌与副高的相互作用同南方强降水过程形 成的关系。李向红他引通过合成分析、动力诊断、理论探讨和数值模拟等方法，对华南暴雨 发生时副热带高压的短期变异进行了探讨。冷春香幢训研究表明长江流域梅汛期的旱涝与副 高强弱和东西位置关系密切。范可1 认为南半球春季副热带高压能作为长江中下游夏季降 水的短期气候预测主要稳定因子。西太平洋副高对我国夏季洪涝灾害影响的研究一直受到 我国气象界的关注和重视。 1 2 2 西太平洋副热带高压的研究 西太平洋副热带高压的结构和变动过程相当复杂，对我国雨季、暴雨和早涝有重要影 响。关于副高多时间尺度变化与天气气候及其突变南落等问题的研究已取得许多进展。 近4 0 年来，国内外气象学家对西太平洋副热带高压作了大量的研究，总体上可分为两 3 大类：一类是研究副高自身结构、活动规律及其对天气气候的作用；另一类是对影响副高活 动因子的研究。陶诗言b 卜3 3 。、黄士松n “3 副首先就西太平洋副高和青藏高压的变化对中国天 气的影响进行了一系列的研究，其成果已成为我国天气预报和短期气候预测的指南。他们 的研究表明太平洋副高长年存在，是一个稳定而少动的暖性系统，其冬夏强度和范同差异 很大。夏季，太平洋副高特别强大，几乎占北半球面积的1 5 - 一1 4 ；冬季其强度减弱，范 围也小得多。黄士松和余志豪阳钔从高压脊位置、温湿场分布、风场、涡散场、垂直运动及 经罔环流等诸多方面对副高作了比较详细的研究，指出副高的结构非常复杂。顾平m 1 、潘春 生和喻世华分析了海上副高主体和陆上副高主体动能收支上的差异和北抬过程中动能 的变化。许金镜啪1 、k a t o n 9 i 研究了副热带地区的环流特征。对西太副高气候学的研究表明， 由冬到夏，副高存在两次北跳，与中国夏季雨带的位置密切相关。这两次北跳的形成与东 亚地区的气候突变有关。陶诗言等叫很早就提出了副热带长波调整与副高进退的关系；何 金海等h 研究了副高的垂直环流年际变动特征及其与东亚副热带夏季风和外强迫的关系。 实践中，人们发现副热带高压的变异与大气环流系统有密切的关系，西太平洋副高、东亚季 风雨带、高空急流等相互间存在着制约关系5 亿训。朱福康h 钔和袁恩国朝研究了盛夏西风 带南面的暖高压，中纬度经圈间接环流和赤道缓冲带与副高的关系。张先恭与魏凤英h 引、 廖荃荪与赵振国h 分别从北半球极涡和东亚阻塞形势对副热带高压的影响进行了分析。 k r i s h n a m u r t i n 引、高由禧h 9 1 和叶笃正们的研究表明高原对副高的影响相当重要。近年来，从 理论和数值实验上对副高的形成、活动等也进行了一系列的研究。2 0 0 4 年悔1 5 2 1 又提出了副 高双脊线的概念，为副高的研究提供了新的思路。 传统观念一直认为h a d l e y 环流的下沉支在低空引起的辐散形成了副热带高压，然而 h o s k i n s 晦3 1 推测，北半球夏季副热带高压的存在和增强的基本原因，是其东部陆地上的季风 潜热释放而产生的暖性r o s s b y 波与西风气流作用造成的下沉运动。最近，吴国雄等崎刈明确 指出亚洲季风区非绝热加热是形成西太平洋副高的主要原因，亚洲季风降水不只是被动地 受副高的影响，也反过来主动影响西太平洋副高的形态。刘屹岷认为n 在气候尺度上，东 亚季风所释放的凝结潜热是决定东半球副高位置和强度的关键因素。h e 等畸剐发现西太平洋 副高存在多尺度特征，在东亚副热带季风雨带上有暴雨发生时，其凝结潜热激发的经圈环 4 流对相应经度上副高脊线附近的下沉气流有显著贡献。w e n 等嵋刚最近研究了夏季西太副高 南北活动的气候特征及其与加热场的关系，也发现空间非均匀加热起着调节西太副高移动 速率及改变两太副高强度的作用，特别是对西太副高的异常活动有重要影响。 1 3 存在的主要问题 尽管在副高结构和活动规律的研究上已经取得了丰硕的成果，然而随着资料的完善和 学科的发展，也提出了一些非常值得进一步深入研究的问题，譬如从空间非绝热加热( 包 括感热加热、潜热加热和辐射冷却) 方面研究其对两太副高位置和强度的影响，进而研究 副高异常在我国南方洪涝暴雨形成过程中的作用。另外，我们知道在实际大气中，西太平 洋副热带高压的演变可分为3 种时间尺度，即季节尺度，半个月左右的长周期活动和一周 左右的短周期活动埔7 1 ，但以往的研究一般涉及到前两种时间尺度较多，关于副热带高压短 期时间尺度演化的动力和热力学研究结果尚不多。因此，我们有必要在短期时间尺度上结 合对非绝热加热的研究来探讨西太副高的结构特点和活动特征。 1 4 本文研究的内容 根据副高研究中存在主要问题，本文主要从降水释放凝结潜热方面着手，重点研究强 降水过程中非绝热加热异常对西太副高短期位置变异的影响，并利用r e g c m 3 模式进行了 热源的敏感性试验。本文分为以下三个部分： ( 1 ) 研究了2 0 0 8 年6 月7 日1 7 日我国南方洪涝暴雨发生过程中视热源和视水汽汇 的异常分布情况，并分析了其与西太副高短期位置变异的关系。 ( 2 ) 对近2 0 年我国华南地区及江淮流域的持续性强降水典型个例进行合成分析，并 结合全型垂直涡度方程，揭示在强降水过程中副高异常变异的异同点及可能成因。 ( 3 ) 利用区域气候模式( r e g c m 3 ) 模拟了江淮2 0 0 3 年和华南1 9 9 8 年的强降水典型 个例中环流异常特征，并设计了多组敏感性试验，研究了不同地区热源异常分布在副高短 期位置东西进退及南北变动中的不同作用，以进一步确定影响副高短期位置变异的物理机 制，提高对大范围持续性强降水的可预报性。 5 2 1 资料说明 第二章资料和方法 本文所使用的资料为： ( 1 ) 中国气象局国家气象信息中心提供的1 9 8 5 2 0 0 5 年全国7 4 0 站逐日降水观测资 料、2 0 0 8 年降水报文资料。 ( 2 ) n c e p n c a r ( n a t i o n a lc e n t e r sf o re n v i r o n m e n t a lp r e d i c t i o n - n a t i o n a lc e n t e rf o r a t m o s p h e r i cr e s e a r c h ) 提供的1 9 5 8 2 0 0 5 年第1 套再分析日平均数据资料集旧3 ，基本要素 包括：位势高度场、三维风场( u ，v ，) 、气温场、比湿场以及地面气压场，空间水平分辨 率为2 5 。2 5 。，全球格点为1 4 4 x 7 3 。上述气象要素除地面气压外，比湿场垂直方向上为8 层，垂直速度垂直方向为1 2 层，其余均为1 7 层。 下载网址： h t t p ：w w w c d c n o a a g o v d a t a g r i d d e d d a t a n c e p r e a n a l y s i s p r e s s u r e h t m l ( 3 ) 美国环境预报中心的19 7 9 - 2 0 0 5 年全球候平均c m a p ( n o a an c e pc l i m a t e p r e d i c t i o nc e n t e rm e r g e da n a l y s i so f p r e c i p i t a t i o n ) 降雨量资料，空间分辨率为2 5 。x 2 5 。需 要说明的是：受所选用全球降水资料的限制，本文第四章中计算暴雨期平均的降水凝结潜 热时，选取暴雨期所在候的c m a p 候平均降水量资料代替逐日降水量资料做近似计算出降 水凝结潜热凹。 下载网址： h t t p ：w w w c d c n o a a g o v d a t a g d d d e d d a t a c m a p h t m l ( 4 ) 数值模拟所使用的初始边界场、地形资料来源于r e g c m 3 主页。 下载网址： h t t p ：u s e r s i c t p i t - p u b r e g c m r e g c m 3 g l o b e d a t h t m 6 2 2 水汽通量的计算方法 单位边长整层大气的水汽输送通量矢量q 的计算公式：q = 一1rv q d p ( 2 1 ) g 。r 其中，v 为该单位气柱内各层大气的风速矢量，q 为各层大气的比湿，g 为重力加速度， p 。为地面气压，p 为大气柱上界气压( 本文中取3 0 0 h p a ) ，q 的单位为k g ( m 。s ) 。 2 3 大气视热源、视水汽汇的计算钔方法 视热源：g = 。f ，塑o t + y v 丁+ f k 旦p o 、1 ) 。面0 0 c 2 2 ， 视水龇q “滢+ v - q v + - 警) 泣3 ， 式中，r 为气温，y 为水平风速矢量，k = r i c p ，r 和印分别是干空气气体常数和定 压比热，0 为位温，l 为凝结潜热系数，q 为比湿，0 9 为p 一坐标系的垂直速度，p 0 2 1 0 0 0 h p a ， q l 、q 的单位为w m 2 。 将( 2 2 ) 、( 2 3 ) 式从对流层顶p ( q l 中取l o o h p a ，q 中取3 0 0 h p a ) 到p 。( 地面气压) 垂直积分即可得到整层大气的视热源 和视水汽汇 ： + 三尸+ s h ( 2 4 ) ( q 2 ) = 土gr q 2 咖2 三( p - e ) ( 2 5 ) 其中， _ 3 0 m s 一，( b ) 为8 5 0 h p a 阴影区u 8 m s 1 ) 图3 4 为暴雨过程沿1 0 5 1 2 0 。e 平均的经向环流剖面图。图中阴影区为上升运动区， 垂直速度大于等于4 x 1 0 h p a s ，从图中可以看出，在我国南方纬度范围内，有强烈上升运 动，高层对流高度超过2 0 0h p a ，在4 0 0h p a 、2 6 。n 附近上升速度达到1 4 x 1 0 h p a s 。副高 位置的偏西使得其北侧的垂直上升区主要位于南方地区，深对流运动为水汽在华南、江淮 高层凝结提供了动力条件，对暴雨的发生十分有利。 图3 42 0 0 8 年6 月7 日6 月1 7 日沿1 0 5 1 2 0 。e 平均的经向环流剖面 ( 阴影区表示上升速度t 眨_ 4 h p a s ，图中放大1 0 0 倍) l o 我国属东亚季风区，夏季降水的异常和季风的异常紧密相关。水汽输送不仅可以反映 大气流场特征也能表征水汽的分布情况。图3 5 为暴雨过程的平均整层积分的水汽输送。由 图可见，随着季风涌的北迸，大量水汽从孟加拉湾和南海向我国南方地区输送，长江以南 地区处于印度洋越赤道两南气流和副高主体外围的偏东气流转向偏西气流交汇处，来自西 太平洋副热带高压南侧的东风气流把热带西太平洋的暖湿气流向西输送，在南海与来自赤 道印度洋、孟加拉湾的两南暖湿气流汇合，两支气流折向北，沿着西太平洋副高的西侧将 大量的水汽输送到我国华南、江南以及江淮流域，水汽辐合区与雨带的分布区域是吻合的。 较强的水汽辐合为此次持续性降水提供了充分的水汽条件，在垂直环流的作用下有利于南 方暴雨的发生和维持。 图3 52 0 0 8 年6 月7 日6 月1 7 日平均整层积分的水汽通量输送 ( 单位：k g ( m s ) ) 和水汽通量散度( 阴影区为辐合区) 3 4 洪涝暴雨期间视热源与视水汽汇的分布特征 大气热源、热汇的分布对大气环流状态有着极为重要的强迫作用1 。强降水的持续性 发生必然导致大量凝结潜热的释放，对大气产生一定的加热作用，影响大气环流的状态。 图3 6 为6 月7 日一6 月1 7 日平均的整层积分视热源 与视水汽汇 水平分布情况。 从图3 6 a 中我们可以看到，整层的视热源 高值区呈带状分布在我国长江以南大部分地 区，包括江苏、安徽、湖北、四川、湖南、贵州、广西、广州、福建、浙江以及河南南部、 云南东部等省市，与降水区域对应，并且有相对应的视水汽汇 ( 图3 6 b ) ，均位于西 太平洋副热带高压的西北侧。另外，在孟加拉湾地区也存在着 与 的火值区域。大 气热源区与图3 5 中水汽辐合区也是吻合的，这与水汽相变放出大量凝结潜热而使大气增 热是一致的。 图3 62 0 0 8 年6 月7 日6 月1 7 同平均的整层积分的视热源 ( a ) 与视水汽汇 ( b ) 分布( 单位：w ，m 2 ) 图3 7 是2 0 0 8 年6 月7 日6 月1 7 日热源大值区平均的视热源q 1 、视水汽汇q 2 以及 两者之差( q l q 2 ) 的垂直分布。由图可见我国南方暴雨区热源、热汇的垂直分布与孟加 拉湾地区的类似，q 1 的最人值均位于4 0 0 h p a ，南方暴雨区达到7 6 x l0 - s k s ，孟加拉湾也超 过5 x 1 0 k s 。而q 最大值却出现在7 0 0 h p a 处，南方暴雨区超过6 1 0 - s k s ，孟加拉湾也达 到4 5 x 1 0 一k s 。可见在暴雨发生时期，对流层中层以下q 火于q 1 ，而在对流层中层以上 q l 大于q ，这从图3 7 c 中也可以明显地看到，这种情况主要是因为深厚积云对流的作用 导致环境大气增暖变干，促使水汽凝结潜热的大量释放。粱必骐协7 1 指出，利用q l 和q 2 可 以判断是否有积云垂直输送的影响和降水性质，如果没有积云对流存在，降水是层状云造 成的，则q l 和q 2 的垂直廓线很相似；反之，当它们的垂直廓线差异很大时，q 1 和q 2 的 峰值位置不一致，则反映出积云降水区的特征。可见，此次洪涝暴雨的产生主要是积云对 流性降水的结果。 图3 72 0 0 8 年6 月7 日6 月1 7 日平均的视热源q l ( a ) 、视水汽汇q 2 ( b ) 和两者之差( c ) 的垂直分布 ( 单位：1 0 弓k s ) ( 实线为南方暴雨区，虚线为孟加拉湾热源大值区) 下面我们来看下这两个热源大值区的 与 随时间的演变趋势。如图3 8 所示， 与 的变化趋势是一致的，在6 月7 日- 1 7 日暴雨发生时段， 与 的值都有 明显的增长，在长江以南暴雨区( 图3 8 a ) 由7 日的2 5 0w m 2 左右迅速升高到1 2 日 的5 5 0w m 2 以上，而 的增长幅度也超过了2 5 0w m 2 ，1 7 日暴雨结束后迅速回落。在 孟加拉湾热源大值区( 图3 8 b ) 同样 与 在暴雨时段也出现了类似的变化情况。可 见强降水的确导致了大量凝结潜热释放，必定会对大气产生一定的作用。 1 2 图3 82 0 0 8 年6 月1 日- 6 月2 3 日整层积分的视热源 与视水汽汇 的时间分布( 单位：w m 2 ) ( ( a ) 暴雨区，( b ) 孟加拉湾热源大值区，实线为视热源 ，虚线为视水汽汇 ) 3 5 西太平洋副热带高压短期位置异常变化特征 吴国雄等1 68 | 研究指出：5 0 0 h p a 昌l j 高系统中u = 0 的东西风分界线可以较好反映副高脊线位 置的变化。下面给出了2 0 0 8 年6 月沿1 2 0 。eu = 0 线的两太平洋副热带高压脊线位置的时间纬 度演变图( 如图3 9 a ) 。从图中我们可以看到，从6 月初开始，副热带高压脊线在1 6 0 n 以南维 持，从6 月5 日以平均每天2 0 n 的趋势突然北跳，在暴雨开始日6 月7 日到达2 0 。n ，即我国火 陆南部海岸以南，6 月9 日到达最北端2 2 0 n 以后又迅速南退，6 月1 5 日退回1 6 。1 , 1 后又北跳到 2 3 0 n 附近，此后副高控制我国南部地区，降水结束。从副高脊线的南北变动情况来看，6 月7 日一1 7 日暴雨发生时期，副热带高压位置主要有一个南退的短期异常变动。 图3 9 b 的沿2 0 0 n 副高时间经度演变图中，与副高南北移动情况类似，从6 月初开始， 副热带高压特征线5 8 8 d a g p m 线逐渐西进，由1 3 0 。e 以东西进到6 月8 日的11 5 。e ，并维持到9 日，随后副高开始东撤，到1 2 日撤回1 4 0 0 e 以东后才又逐渐西伸，一直持续到暴雨结束后2 0 日。由此我们可以发现，在我国长江以南地区6 月7 日1 7 日发生持续性暴雨的时段，西太平 洋副热带高压在季节性西伸北进的过程中会出现短期的东撤南退现象，与暴雨区热源的增 长在时间上有很好的对应。这是否意味着我国南方大暴雨的发生所释放的凝结潜热对副高 的活动、位置变化产生了一定的反馈作用? 或是两者之间的相互作用导致了异常状态的发 生? 图3 92 0 0 8 年6 月1 日6 月2 3 日西太平洋副热带高压脊线位置的时间一纬度( 沿1 2 0 。e ) ( a ) 和5 0 0 h p a 副高沿2 0 。1 , 4 的时间一经度( b ) 演变 1 3 正涡度随时间的分布也反映了对流系统的活动情况。我们从图3 1 0 暴雨期间沿 2 0 3 0 0 n 平均的8 5 0 h p a 的涡度时间一经度剖面可以注意到：在6 月初6 月中下旬，我国南 方地区始终存在着正涡度的分布。但是在6 月7 日1 7 日暴雨发生的时段内，正涡度有明 显的增长，且在9 日1 1 日、1 3 日1 7 日有正涡度从1 1 5 0 e 东伸移动到1 2 5 0 e ，即有对流系 统从大陆移动到西太平洋海洋上。对流系统的两次东伸与副高的东撤时间相对应，并略有 提前，是否可以说明其对副高的引导作用? 图3 1 02 0 0 8 年6 月1 日- 6 月2 3 日沿2 0 3 0 。n 平均的8 5 0 h p a 的涡度时间经度剖面( 单位：1 0 4 s 1 ) 3 6 本章小结 本章对2 0 0 8 年6 月7 日6 月1 7 日我国南方洪涝暴雨的个例进行分析，研究洪涝暴雨 发生时的大尺度环流形势及降水释放凝结潜热与西太副高短期位置变化的关系，得到如下 几点结论： ( 1 ) 2 0 0 8 年6 月7 日6 月1 7 日我国南方大范围持续性暴雨发生过程中，西太平洋副 热带高压异常偏西偏南，其北侧雨带的维持是造成南方洪涝的主要原因之一。 ( 2 ) 此次大范围持续性暴雨发生时，2 0 0 h p a 高层在南亚高压控制下为辐散区，有反 气旋式环流存在，对流层中层有强烈的上升运动，低层8 5 0 h p a 有气旋式辐合，这种高低空 配置使得我国南方地区有深对流运动，且高低空急流的作用，使得暴雨在我国南方发生。 ( 3 ) 来自西太平洋副热带高压南侧的东风气流把热带西太平洋的暖湿气流向西输送， 在南海与来自赤道印度洋、孟加拉湾的西南暖湿气流汇合，将大量水汽携带到南方地区， 又为暴雨过程提供了充足的、持续的水汽，满足了暴雨形成的条件，造成大暴雨。 ( 4 ) 与暴雨的发生对应，在雨带区域及孟加拉湾地区有视热源与视水汽汇大值区存在。 暴雨发生时段两太平洋副热带高压在季节性西伸北进的过程中会出现短期的东撤南退，与 南方暴雨区热源的增长对应。 1 4 第四章我国南方强降水与西太副高短期位置变化 4 1 引言 关系的合成分析 我国南方降水可以分为华南前汛期和江淮梅雨期，两者雨季起讫时间有所不同，但却 有其内部规律：雨期都是由于主要的大范围雨带的南北位移所造成，而人雨带的位移又与 西太平