（气象学专业论文）mcc的结构和演变：2005年6月广东暴雨的个例研究.pdf

m c c 的结构和演变： 2 0 0 5 年6 月广东暴雨的个例研究 气象学 硕士生：王婷 指导老师：吴池胜教授 摘要 2 0 0 5 年6 月2 0 2 1 日一个活动在锋前暖区的长生命史的中尺度对流复合体 ( m e s o s c a l ec o n v e c t i r ec o m p l e x ，m c c ) 为广东地区带来一次大范围的暴雨降水过程。 天气学分析表明，从北部湾指向广西东部的低空急流核前方的水汽通量辐合对其初始的 发展加强是紧要的，此外，在常规天气图上并无发现有明显的天气系统与此m c c 相对应。 本文利用m m 5 模式成功地模拟出与此m c c 相联系的大尺度背景场和降雨分布，利用高分 辨的模式输出结果分析了成熟阶段的m c c 的中一b 尺度系统的结构和演变特征，结果表 明：( 1 ) 在m c c 的发展加强过程中，其内的中一b 对流中心经历了此消彼长的更替过程， 伴随着中一b 尺度对流中心的发展，与之相联系的正涡度中心由对流层的下部向中上部 伸展，形成高达3 0 0 m b 附近的下宽上窄的强涡柱；在成熟阶段，沿系统移动方向上的对 流层中部的涡度场呈正负相间、宽约5 0 k m 且与对流带近于平行的带状分布。( 2 ) m c c 的海平面气压场呈跷跷板型的中尺度扰动，即由前置中低压和后置中高压组成，最强的 对流带位于中低压和中高压之间的过渡区内。( 3 ) 成熟阶段m c c 的中一0 尺度环流特征 主要包括：强对流区内是一支近于垂直的深厚的对流尺度的上升流，紧接在其后方的对 流层下部有一支对流尺度的下沉气流；系统前部深厚的入流，其中较强的两支入流分别 出现在9 0 0 m b 和3 0 0 m b 高度附近；层状降雨区内有中尺度的上升气流和下沉气流，二者 的分界线与融解层高度基本吻合：对流层下( 上) 部强大的水平辐合( 散) 流，其中最 大的水平辐合( 散) 出现在9 0 0 m b ( 2 0 0 m b ) 。 关键词暴雨 数值模拟 m c c 中一b 尺度系统 t h es t r u c t u r ea n de v o l u t i o no fm c c ：ac a s e s t u d yo fg u a n g d o n gr a i n s t o r mi nj u n2 0 0 5 t h ed e p a r t m e n to fa t m o s p h e r i cs c i e n c e s n a m e ：w a n gt i n g s u p e r v i s o r s ：p r o f w uc h i s h e n g a b s t r a c t t h em e s o s c a l ec o n v e c t i v ec o m p l e x ( m c c ) t h a tp r o d u c e dt h eh e a v yr a i n f a l l o n2 0 2 1j u n2 0 0 5i ng u a n g d o n gp r o v i n c ei se x a m i n e d t h eo b s e r v a t i o n sr e v e a l t h a tt h em c ci n i t i a t e da n dd e v e l o p e do nt h es o u t hs i d eo ft h ec y c l o n i cs h e a r 1 i n eo f9 2 5 m bl e v e ln e a ra t2 5 。n 。t h a ti s i tw a sf a rf r o mt h ef r o n tz o n ea n d e v o l u t e dw i t h i nt h ew a r mm a s s t h ec o n v e r g e n c eo fv a p o rf l u xi nt h ea h e a do f t h ej e ts t r e a mc o r eo f9 2 5 m bl e v e la p p e a rt ob eac r u c i a lf a c t o rf o ri t s d e v e l o p m e n t b e s i d e st h ej e ts t r e a m ，n oo b v i o u sw e a t h e rs y s t e m ss h o u l db e r e s p o n s i b l ef o rt h ee v o l u t i o n s o fm c c a2 4 一hn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e d e v e l o p i n ga n dm a t u r ea sw e l la sd e c l i n es t a g e so ft h em c ci sp e r f o r m e du s i n g t h ef i f t hg e n e r a t i o np e n ns t a t e n c a rm e s o s c a l em o d e l ( 洲5 ) t h es y n o p t i cs c a l e e i r c u l a t i o ne v o l u t i o n sa n dt h em e s o s c a l ep r e c i p i t a t i o nd i s t r i b u t i o n sa s s o c i a t e d w i t ht h em c ca r er e p r o d u c e ds u c c e s s f u l l yb yt h em o d e l u s i n gt h eh i g h e rr e s o l v e o u t p u to ft h em o d e l t h em e s o bs c a l es t r u c t u r ea n de v o l u t i o no ft h em a t u r e s t a g eo ft h em c ca r ee x a m i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) t h em e s o bc o n v e c t i v e c o r e sw i t h i nt h em c cs u b r o g a t eb ye a c ho t h e rw h i l et h em c cs t r e n g t h e n s ，a n dw i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h es t r o n gc o n v e c t i v ec o r e ，t h ea s s o c i a t e dp o s i t i r er e l a t i r e v o r t i c i t yc o r ea tt h el o w e rt r o p o s p h e r ee x t e n d st ot h em i d u p p e rt r o p o s p h e r e ， s oa st of o r mad e e pa n di n t e n s ec y c l o n i cc o l u m np e n e t r a t i n gt ot h eu p p e r t r o p o s p h e r ea tt h ec e n t e rr e g i o no ft h em a t u r em c c i nt h em e a n t i m e ，b a n d so f p o s i t i v ea n dn e g a t i v ev e r t i c a lv o r t i c i t y ，o r i e n t e dp a r a l l e lt ot h ec o n v e c t i v e l i n ew e r ef o u n da tm i d l e v e l s ( 2 ) o nt h es u r f a c em a p t h em c ci sc o m p o s e do fa m e s ol o wa n dam e s oh i g hw h i c hl o c a t ea tt h ef r o n to fs e v e r ec o n v e c t i v ez o n e a n db e h i n dt h ez o n e ，r e s p e c t i v e l y ，j e ，t h es e v e r ec o n v e c t i v ez o n eo c c u r r e d i i a tt h et r a n s i t i o nz o n eb e t w e e nt h em e s ol o wa n dt h em e s oh i g h ( 3 ) t h em e s o s c a l e c i r c u l a t i o nc h a r a e t e r i s t i e sv i e w e dint h ec o o r d i n a t es y s t e mm o v i n gw i t ht h em c c i n c l u d e ：as t r o n g ，n e a r l yp e r p e n d i c u l a rc o n v e c t i v es c a l eu p d r a f tp e n e t r a t i n g t h et r o p o s p h e r eo ft h es e v e r ec o n v e c t i v ez o n e ，a n dac o n v e c t i v es c a l ed o w n d r a f t w i t h i nt h e l o wl a y e ro ft r o p o s p h e r eo c c u r r i n gc l o s e l yb e h i n dt h ez o n e ，a n dt w o b r a n c hm a j o ri n f l o w sw h i c ho c c u r r e dr e s p e c t i v e l ya tn e a r3 0 0 m ba n d9 0 0 m ba tt h e f r o n to ft h ez o n e ，a n dt h em e s o s e a l eu p d r a f ta n dd o w n d r a f tw h i c ha r ed i v i d e d a tn e a rt h em e l t i n gl e v e li nt h es t r a t i f o r mp r e c i p i t a t i o nr e g i o n a sw e l la s t h ec o n v e r g e n ti n f l o w sa tl o w e rt r o p o s p h e r ea n dt h ed i v e r g e n to u t f l o w sa tu p p e r t r o p o s p h e r e k e yw o r d s ：h e a v yr a i n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， m e s o bs c a l es y s t e m i l l 中山大学硕士学位论文 第1 章引言 强对流天气和突发性致洪暴雨的发生与中尺度对流系统( m e s o s c a l ec o n v e c t i v e s y s t e m ，m c s ) 的活动有密切的联系。中尺度对流复合体( m e s o s c a l ec o n v e c t i v e c o m p l e x ，m e g ) 是m c s 的一种特例，其强度较强、持续时间较长，由r a m a d d o x 在1 9 8 0 年首次提出，是当前国内外中尺度气象学研究的热点之一。 m c c 的发生发展与大尺度环流背景有密切联系。m a d d o x ( 1 9 8 3 ) “1 对北美中纬度m c c 进行研究，指出m c c 是在弱地面锋附近有明显的南风低空急流输送暖湿空气的区域生成， 中层有向东移动的弱短波槽，主要的强迫因子是低层的暖湿平流，m c c 系统在短波槽东 移中组织起来，并且发生在较弱的高空西风急流的反气旋一侧。方宗义( 1 9 8 5 ) “1 对 我国中纬度地区的m c c 进行研究，指出m c c 发生在西南季风北端、准静止的东西向切变线 或锋面的西段和5 0 0 h p a 西风槽线南端三者交汇处。李玉兰( 1 9 8 9 ) “1 、项续康( 1 9 9 5 ) ”1 等对我国西南、华南地区的m c c 进行研究也得出了类似的结论。本文研究的m c c 发生 在华南锋前暖区，地处低纬且远离锋区，其发生发展的大尺度环流背景与其它中纬度或 锋面m c c 的有所不同。 在m c c 的结构特征方面，由于观测资料时空分辨率低的限制，早期的研究主要针对 成熟阶段m c c 的中一a 尺度结构特征进行探讨。m e n a r d ( 1 9 8 9 ) ”1 指出，一个成熟的m c c 的中一a 尺度环流结构可概括为：一个对流层高层的反气旋，一个对流层中层具有暖心 的中尺度气旋式涡旋，一个对流层低层的外流，有时还伴有一个尾部低压。陶祖钰( 1 9 9 6 ) 分析了我国华北地区m c c 与北美m c c 的不同之处，指出除了高层带有辐散的反气旋环 流，对流层下部带有辐合的气旋式环流外，没有发现中层的气旋式涡旋，也没有低层的 尾部低压，地面为一对正负涡度系统。张庆红( 1 9 9 8 ) ”主要分析了华北地区m c c 的热 力结构和气压场，指t b m c c 成熟期5 0 0 h p a 以上是较强的暖心，7 0 0 h p a 以下为较弱的冷心， 高层没有高压，中层有较弱的低压。吴池胜( 1 9 9 3 ) 1 对我国华南地区m c c 进行研究，指 出在对流层下部有中尺度的气旋性涡旋与m c c 相应，涡旋的中心轴线随高度向西北方向 倾斜。在地面涡旋的上方2 0 0 h p a 层上，是一中尺度的反气旋性涡旋。可以看出，成熟时 工婷m c c 的结构和演变：2 0 0 5 年6 月广东暴雨的个例研究 期m c c 的中一口尺度结构明显表现为低层的气旋式辐合、高层的反气旋式辐散，中高层 的暖心、低层的冷心。 m c c 作为一种多尺度对流复合体，其内部除了有中一口尺度系统，还有中一1 3 尺度 甚至中一r 尺度系统。姚学祥( 2 0 0 4 ) n 0 1 对我国中纬度地区m c c 内的中一1 3 尺度和中一y 尺度对流系统做了分析，指出：在m c c 发生发展过程中，有多个中一1 3 尺度和中一y 尺 度对流系统相继发展，中一y 尺度系统很快发展成中一1 3 尺度系统。暴雨的落区和雨强 与m c c ( m c s ) 的中一b 尺度结构特征密切相关。近年来，由于中尺度数值模式的改进和 中尺度外场加密观测实验的开展，获得了一些高时空分辨率资料，使得对m c c ( m c s ) 中 一b 尺度结构的研究成为可能，目前关于这方面的研究已取得相当多有意义的成果。 h o u z e 等发现雷达回波图上经常显示m c s 睫 部存在中一1 3 尺度的线状强对流带，并且指出 这种线状m c s 比非线状的m c s 更容易产生强降水 1 1 1 。p a r k e r 等在研究了m c s 的层状降雨区 与线状强对流带的相对位置后把m c s 翅 为三种类型，即层状降雨区在线状对流带的后方 型( t s 型) 、层状降雨区在线状对流带的前方型( i s 型) 和层状降雨区与线状对流带的 平行型( p s 型) ，他同时指出，在不同类型的m c s 中，对流层中、上部平均的相对于m c s 的气流模型有明显的差异”。除了线状强对流带和层状降雨区，m c s 的环流结构还包括 中尺度上升运动区以及中尺度下沉运动区”“1 。k n i e v e l 通过分析m c s 的中尺度 扰动风场，提出一个中纬度m c s 的环流概念模型，包括中尺度上升、中尺度下沉、高层 辐散出流和低层辐散出流。b r y a na n df r i t s c h 分析了中纬度m c s 的相对环流( 在与系 统一起移动的坐标系里观测到的) ，得到了类似的结果 t t l 。z i p s e r 1 8 1 则分析了热带海 洋m c s 的环流模型，指出与中纬度m c s 不同，对流中心的上升气流是近于垂直的，并在紧 邻强上升运动的地方，对流层中低层有一个对流尺度的下沉气流。m c s 的发展会引起地 面气压场的中尺度扰动，包括：对流带前侧的中低压( p r e s q u a l ll o wp r e s s u r e ) ，对 流带后侧的中高压( m e s oh i g h ) ，层状降雨区后侧的弱低压( w a k el o w ) 1 1 9 1 。另外，近 年来很多学者都发现有的m c c ( m c s ) 在发展到成熟和衰减阶段时，其层状降雨区的中低层 有一个中尺度对流涡旋( m e s o s c a l ec o n v e c t i v ev o r t e x ，m c v ) “1 6 - “2 ”。 国内也有很多学者对出现在我国的m c c ( m c s ) 中尺度结构进行了研究，例如：陈受 中山大学硕士学位论文 钧等对梅雨锋上的中尺度对流系统进行了数值研究衄；孙建华等分析了长江中下游于 低涡切变上发生发展的中尺度对流系统的触发机制和结构特征阳”；齐琳琳、赵思雄等 对一次由热带低压引发的上海特大暴雨过程中的中尺度对流系统进行诊断分析和数值 研究，揭示了对流系统的动力和热力结构n ”：隆霄等对“0 2 6 ”梅雨期暴雨中口尺度 系统的结构和演化进行了数值模拟研究”；孙建华等“6 1 和蒙伟光等“7 1 分别对华南前 汛期切变线( 锋区) 上的m c s 进行了研究。 上述的研究大多是针对中纬度的m c c ( m c s ) 系统，对华南地区m c c ( m c s ) 的研究 还比较少。华南前汛期的暴雨有相当一部分是发生在地面锋前暖区 2 8 1 但由于观测资 料的缺乏，目前关于锋前暖区暴雨的m c c ( m c s ) 的中一b 尺度结构特征的研究则更为缺 乏。2 0 0 5 年6 月2 1 - - 2 2 日活动在华南锋前暖区的m c s 发展成有较长生命史的m c c ，在 其影响下广东地区出现了大范围的暴雨天气。本文首先利用n c e p 资料分析此m c c 发生 发展的大尺度环流背景以及m c c 的中一a 尺度结构和演变；然后，利用美国国家大气研 究中心宾州大学的第五代中尺度模式( 删5 ) 对此次暴雨过程进行模拟；最后，利用模 式输出的高分辨率资料对成熟阶段m c c 的中一且尺度系统的结构特征和演变进行分析， 得到一个华南地区锋前暖区的m c c 成熟阶段的中一b 尺度环流模型。 3 王婷m c c 的结构和演变：2 0 0 5 年6 月1 东暴雨的个例研究 第2 章资料和研究方法介绍 本章主要介绍论文研究过程中所用到的资料情况和研究方法。 2 1 资料情况 ( 1 ) 2 0 0 5 年6 月2 0 日- 2 2 日的n c e p n c a r 再分析资料，水平分辨率为1 0 1 0 经 纬度、每天四个时次( 世界时0 0 时，0 6 时，1 2 时和1 8 时) ，格点资料，用于大尺度环 流背景场的分析、中一d 尺度结构演变的诊断以及数值模拟的初始场。 ( 2 ) m i c a p s 地面常规观测资料( 时间间隔3 小时) ，高空观测资料( 时间间隔1 2 小时) ，用于对模式初始场进行客观订正。 ( 3 ) 广东省常规站和自动站观测的2 4 小时降雨量、6 小时降雨量、1 小时降雨量。 ( 4 ) t b b 资料( 1 小时间隔) 、卫星云图资料( 1 小时间隔) ，雷达回波资料( 3 0 分 钟间隔) ，用于分析m c c 的演变特征。 2 2 研究方法 本文采取的研究方法有：天气学的诊断分析和数值模拟，有关的数值试验方案详见 第五章。 4 中山大学硕：e 学位论文 第3 章m c c 的大尺度环流背景和演变过程 本章利用n c e p 再分析资料、t b b 资料以及降水资料分析m c c 发生发展的大尺度环流 背景及m c c 的演变过程和对应降水分布，并对m c c 再发展阶段( 2 1 日0 8 时一1 2 时) 中 一b 尺度系统的演变做初步分析。 3 1 m c c 发生发展过程及其相联系的大尺度环流背景 图3 1 a c 给出了2 0 0 5 年6 月2 0 日1 2 时( 世界时，下同) 的对流层上、中和下 部的水平流场，可以看出：高层( 2 0 0 m b ) ，华南地区处于南亚高压反气旋性环流控制下 ( 图3 1 a ) ；中层( 5 0 0 m b ) ，华南地区有弱的南支槽波动( 图3 1 b ) ：低层( 8 5 0 m b ) ， 南岭以北有一条东北至西南走向的切变线( 图3 1 c ) ，9 2 5 m b ，华南地区受西南气流控制， 其中l o m s 的大风中心位于广西南面的北部湾海面上( 图3 2 a ) ，在此大风中心下游的 广西东北部存在着风速的辐合，并且该区的相对湿度超过9 0 ，5 0 0 m b 与9 2 5 m b 的日。差 值小于零，即竺幺 1 1 0 5 ，虚线为t b b 一5 4 。c ) 中山大学硕士学位论文 2 7 n 2 65 n 2 6 n 2 5 5 n 2 5 n 2 5 n 2 4 n 2 3s n 2 3 n 2 2 5 n 2 2 n 2 1 5 n 2 1 n 2 05 n 2 0 n 图3 29 2 5 m b 水平流场和全风速( 虚线，风速等值线间隔：2 m s ) ( a ) 2 0 日1 2 时、( b ) 2 0 日1 8 时、( c ) 2 1e t0 0 时、( d ) 2 1 日0 6 时 图3 3 ( a ) 2 0 日1 2 时5 0 0 r o b 与9 2 5 m b 0 。差值( 单位k ，阴影区为9 2 5 m b 相对湿度) 9 0 ) ( b ) 2 0e t1 8 时9 2 5 m b 水汽通量散度( 单位：1 0 g s - 1 h p a c m 一2 ) 7 n n n n n n n n n n h n n n n n n n n n n n n n n n n n n n ， 盯m拍m篮m h m姒丝舭剐m m拍拼怂“m娜控舢m如 王婷m c c 的结构和演变：2 0 0 5 年6 月广东暴雨的个例研究 图3 42 0 0 5 年6 月2 0e _ i1 6 时- - 2 2 日0 0 时的t b b 演变图( 单位：o c ) 8 中山大学硕士学位论文 图3 5m c s 的中心区域( 4 。4 0 经纬度) 平均的t b b 时间演变图( 单位：。c ) 图3 62 0 0 5 年6 月2 1 日广东省三小时降水图( 单位：r n ? n ) ( a ) 实测0 2 时- - 0 4 时：( b ) 实测0 5 时- - 0 7 时：( c ) 实测0 8 时一l o 时 ( d ) 实测1 1 时1 3 时：( e ) 实测1 4 时一1 6 时：( f ) 模拟1 1 时一1 3 时 9 王婷 m c c 的结构和演变：2 0 0 5 年6 月广东暴雨的个例研究 3 2 m c c 再发展阶段中一1 3 尺度系统的演变 如前所述，2 1 日0 8 时至1 2 时，m c c 与珠江口的对流云团合并后有一个再发展的过 程，这一阶段m c c 内中一b 尺度系统的结构和演变特征是本文分析的重点。本节先从t b b 云图和雷达回波图上分析此阶段m c c 中一b 尺度系统的演变特征。 从t b b 云图( 图3 4 ) 上看出，系统合并初期( 2 1 日0 8 时) ，m c c 内部存在着两个 中一芦尺度的强对流中心( c i 、c 2 ) ，中心( e 1 ) 在0 9 时发展最强、之后逐渐减弱到1 1 时消散，中心( c 2 ) 则从0 8 时不断发展至i 1 、1 2 时达到最强。 图3 72 1 日0 8 时( a ) 、0 9 时( b ) 、1 0 时( c ) 、l l | 对( d ) 、1 2 时( e ) 、1 3 时( f ) 的雷达回波拼图( 单位：d b z ) 1 0 中山大学硕士学位论文 雷达回波图像可以分辨m c c 更为细致的中一b 尺度结构。图3 7 表明，在t b b 云图 上所显示的中1 3 尺度强对流系统中，其前沿有一条线状强对流带，对流带的后部是所谓 的层状降水区，这种结构类似于p a r k e r ”“提出的线状强对流系统中的t s 类型。2 1 日 0 8 时，有两条线状强对流带( l 1 、l 2 ) 对应着t b b 图上的两个对流中心( e l 、c 2 ) 。2 1 日0 9 时，l l 、l 2 不断发展，t b b 云图上观察到的c 1 、c 2 都是加强的。2 1 日1 0 时，l 2 继续发展，l 1 则不断东移与l 2 靠近，t b b 云图上观察到对流中心c 1 开始减弱，c 2 则继 续加强。2 1 日1 l 时，l 1 与l 2 合并，l 2 减弱，l 1 不断发展，使得c 2 不断加强，而c 1 则逐渐消散。1 2 时，l l 和对流中心c 2 发展到最强盛阶段，这之后则是逐渐减弱。 整个演变过程中，我们发现强对流中心沿由西至东的方向移动，而它里面的线状强 对流带则是沿西西北至东东南方向移动的。 3 3 本章小结 本章对m c c 发生发展的大尺度环流背景和m c c 的演变过程作了分析，主要结论可概 括如下： 1 ) m c c 发生在高层辐散、中层弱短波槽、低层切变线的有利天气形势下，其始 终活动在低层切变线的南侧，并且地面无明显冷空气活动，是一个典型的活动在锋前暖 区的中一口对流系统。 2 ) m c c 从2 0 日1 6 时之后开始发展，此时其正处于西南低空急流大风中心的 下游，急流核前的风速辐合以及水汽通量辐合使得m c c 加强发展，至2 1 日o o 时达到一 强盛阶段，之后由于低空急流的减弱m c c 也有一个减弱过程。2 1 日0 6 时后，伴随着南 支小槽的东移和槽前正涡度平流的增强，m c c 东移入广东，与m c s b 合并后再次加强发 展，2 1 日1 1 、1 2 时m c c 发展至成熟阶段，之后逐渐减弱。该m c c 具有强度大、持续时 间长的特征，其活动造成了广东地区大范围的暴雨天气。 3 ) m c c 再发展阶段，其内部有两个中一b 尺度的强对流中心，而强对流中心的 前沿有线状强对流带，对流带后侧是回波强度较弱的层状降雨区，这种结构分布类似于 p a r k e r 等提出的t s 型结构。另外，中一b 尺度的强对流中心由西至东移动，而它里面 的线状强对流带则是沿西西北至东东南方向移动。 1 1 王婷m c c 的结构和演变：2 0 0 5 年6 月广东暴雨的个例研究 第4 章m c c 中一0 尺度结构及其演变 环境场物理量的变化和分布决定了m c c 发生的时间、位置和强度变化，同时m c c 作 为一种中一口尺度的对流系统，其活动必然会改变环境场物理量的分布。因此，对各种 物理量的诊断分析既有助于理解m c c 发生发展的环境条件，又有助于认识m c c 的中一a 尺度物理结构。本章利用n c e p 再分析资料，对涡度、散度等物理量进行诊断分析，讨 论m c c 中一乜尺度物理结构及其演变特征。 4 1 涡度场 如第三章所述，2 0 日1 8 时，是m c c 的发展阶段，m c c 活动的整个区域内低层( 图 4 1 a ) 是正涡度，高层( 图4 1 d ) 是负涡度。2 1 日1 2 时，m c c 发展至成熟阶段，其活 动区域内出现了很多中一0 尺度的正涡度和负涡度中心( 图4 1 b 、e ) ，对流中心东部低 层是正涡度、高层是负涡度，正负涡度较发展阶段均有所加强，对流中心的西部则出现 低层负涡度、高层正涡度的配置，这种正负涡度分布不均的现象说明，在m c c 的成熟阶 段，系统呈现了复杂的中一b 尺度结构特征。2 2 日0 0 时，是m c c 的减弱消散阶段( 图 4 1 c 、f ) ，可以看出，m c c 区域低层和高层都为负涡度控制，系统开始减弱。 图4 ，2 a 是以t b b s 一5 4 。c 为界、m c c 区域( 4 。x 4 。经纬度) 平均的涡度垂直分布随 时问的变化图，从中可以看到涡度垂直分布及其演变特征：在m c c 的发展过程中，其低 层到中层是正涡度，并且值得注意的是，正涡度大值区随时间向对流层中层发展，m c c 的高层是负涡度区，并且在m c c 衰减阶段，高层的负涡度向下扩展，中低层的正涡度减 弱。图4 3 是2 lf i1 2 时m c c 区域( 4 。x 4 。经纬度) 平均的涡度、散度垂直分布图，可 看出m c c 在成熟阶段于对流层中下部形成了一个高达3 0 0 h p a 的强正涡柱，最强的正涡 度中心位于对流层中层( 6 0 0 h p a 附近) 。这种中到低层的气旋式涡柱以及高层的反气旋， 与吴池胜( 1 9 9 3 ) 9 1 、陶祖钰( 1 9 9 6 ) 1 、张庆红( 1 9 9 8 ) 川等人的研究结果一致，是 m c c 经典的中一口尺度结构特征。而成熟阶段对流层中层的正涡度中心又类似于m e n a r d ( 1 9 8 9 ) “1 指出的对流层中层的中尺度气旋式涡旋。但在6 0 0 m b 流场图( 图略) 中并 未发现涡旋结构，这可能是由于资料分辨率不够、风场包括了系统移动速度的原因。 1 2 中山大学硕士学位论文 图4 ，l9 2 5 m b 涡度场( a ) 2 0 日1 8 时、( b ) 2 1 日1 2 时、( c ) 2 2 日o o 时 2 0 0 m b 涡度场( d ) 2 0 日1 8 时、( e ) 2 1 日1 2 时、( f ) 2 2 日0 0 时 ( 阴影区为t b b 3 5 d b z ，起始点为2 1 日0 8 时，间隔 气块m 2 始于m c c 西南侧1 小时，点上标值为对应高度，单位：公里) 的对流层低层( 0 7 k i n ) ，它向东北方向移动，于2 1 日1 2 时到达对流带附近后由于前述 下沉较冷空气块的抬升作用而突然上升，再之后则是继续向东北方向移去并上升。 在对流层中层( 6 0 0 m b ) ，沿系统移动方向上，涡度场呈正负相问、宽约5 0 k m 且与 对流带近于平行的带状分布( 图6 7 c ) ，最强的正涡度带与强对流带基本吻合，此强正 涡度带后面的层状降雨区内是一条负涡度带，其后又是一个次最大值的正涡度带。对流 层中部涡度场的这种分布，与b i g g e r s t a f fa n dh o u z e 对北美一中纬度飑线系统进行分 析所得的结果类似【2 9 】。以前有人曾把层状降雨区内m c s 系统中部的正涡度中心和涡旋统 称之为中尺度的对流涡旋( m c v ) 3 0 1 。本例中，层状降雨区内的正涡度中心在1 1 3 。e 、2 4 。n 附近，在实测的雷达回波 ，0 0 图中( 图5 6 a ) ，可看出 2 0 0 j o u 在1 1 3 0 e 、2 4 。n 附近是一个4 0 0 凹口区。以往的研究曾指 5 ” 6 0 0 出m c s 系统中部的m c v 就，。o 发生在雷达回波图弓形结 8 0 0 构的凹口区内 2 1 】，这况明，。 在本例m c s 系统的中部、层图6 9 模拟2 1 日1 2 时沿1 1 3 oe 的温度经向距平( 单位：k ) 状降雨内，似乎也存在着一个中尺度的对流涡旋( m c v ) ，但在流场上并未发现与之对应 的涡旋结构( 图略) 。在高层( 图6 7 b ) ，强对流带呈暖心结构，中心附近气流的辐散很 中山大学硕士学位论文 明显。 图6 9 是通过强对流带的经向剖面上的温度经向距平分布，由图可见，在对流层 的中上部有一个宽约1 0 0 k m 的正距平区，此暖距平应与由对流潜热释放引起的加热有关。 而在对流层下部( 约7 0 0 m b 以下) ，则为负距平区，最冷的中心约出现在9 2 5 m b 附近， 此冷距平可能与后面将提到的下沉气流中雨滴的蒸发或升华所引起的冷却有关。 我们以模拟的强回波带的移动作为中一口系统的移动，发现此系统在2 1 日1 2 时 前后是沿西西北一东东南方向移动的( 图略) ，移速约为9 7 2 m s 。沿系统移动方向做垂 直剖面( 切线位置如图6 6 所示) ，并在实际风上减去系统的移动速度，得到在与系统 一起移动的坐标系里的中尺度( 相对于此中一b 系统的) 垂直环流图( 图6 1 0 a ) 。图 6 1 0 b 是相应的垂直速度分布图。结合图5 1 0 a 与图5 1 0 b ，可以看出m c c 的相对环流 有如下一些主要的特征： 在1 1 3 。e ( 对流中心) 附近是一支近于垂直的深厚上升流，最大上升速度约在5 0 0 m b 高度附近，达4 5 m s 。上升流到达对流层上部( 2 0 0 m b ) 后分别向前或向后辐散流出。 这与k n i c v c l 等在分析一中纬度m c s 时发现的由前向后的倾斜的上升流“”有明显的不 同，但孙建华在分析华南“9 4 6 ”特大暴雨的中一1 3 尺度对流系统时也曾发现，当系统 发展到强盛期时，上升气流由斜升转为直升“。在紧邻强上升气流的后侧，对流层中下 部有一支对流尺度的下沉气流( 图6 1 0 b ) ，与z i p s e r 分析的结果一致“，它可能主要 是由于雨滴的蒸发冷却和下降拖曳作用而形成的。 在强对流带后部的层状降雨区，大约在5 5 0 m b 以下是一片中尺度下沉运动区，下 沉气流从中空下沉到低层后，一部分向系统移动的后方流出，另一部分则向前流去，与 系统前方的入流在对流带附近汇合后转为上升，这支向前倾斜的下沉气流与轨迹图上从 m c c 后部中空下沉的入流相对应，属于所谓的中空后方入流“”；它还对应着前述地面冷 高压中心( 图6 6 ) ，可能由于大气对这种下沉气流中雨滴蒸发、升华而引起的冷却效应 的响应，使得该处的气压增加从而形成了中高压 3 2 3 除此以外，整个下沉运动区气流的 质量堆积也对中高压的形成有一定影响。在上述下沉运动区的上方是一片中尺度的上升 运动区，两者的分界位置与融解( o 。c ) 层高度基本吻合，这与已有的关于中纬度m c s 的一些研究结果相类似“”。 在系统的前部存在着深厚的入流，结合水平速度分布图( 图略) ，可以见到，两支 2 7 于婷m c c 的结构和演变：2 0 0 5 年6 月广东暴雨的个例研究 较强的入流分别出现在对流层的下部( 9 0 0 m b ) 和上部( 约3 0 0 m b ) 。 图6 1 02 1 日1 2 时模拟的沿系统移动方向剖面上的( a ) 相对环流，阴影区云水加雨水大于 0 0 0 0 5 k g k g ，粗实线为0 温度线；( b ) 垂直速度( 单位：c m s ) 以上的分析结果表明，此生成于华南锋前暖区的成熟阶段的m c c 的中一b 尺度结 构除中心附近近于垂直的上升气流外，其他的一些主要特征与中纬度m c c ( m c s ) 的观测 或模拟研究结果基本上相类似。 6 3对流中心正涡柱向上延伸的物理机制 本文6 1 节曾提及随着中一卢尺度对流中心( c 2 ) 的发展、加强，正涡度大值区由 对流层的下部向中部延伸，6 2 节指出在对流发展强盛时，中层( 6 0 0 r n b ) 对流中心附近 有一个中一1 3 尺度的正涡度中心。本节将通过对垂直涡度方程( 6 1 ) 的诊断来分析这 个正涡柱向上伸展的物理机制。 警= 叱v ；一w 誓一考( v v h ) 一，( v 圪) 一v w x 警) + 吉v p x v p ) ( 6 1 ) h a dv a d c t c ft ts ( 6 1 ) 式是垂直涡度倾向方程，方程右边分别是涡度水平平流项( h a d ) 、涡度垂 直平流项( v a d ) 、辐合辐散项( c t 、c f ) 、倾斜项( t t ) 、力管项( s ) 。由于m c c 远离锋 区，斜压性比较弱，忽略力管项。图6 1 1 是2 1 日1 2 时6 0 0 m b 正涡度中心附近区域平 均( 1 1 2 5 - 1 1 3 5 。e ，2 3 2 4 。n ) 的涡度方程各项垂直廓线图，从中可看出： 中山大学硕士学位论文 图6 1 l2 1 日1 2 时模拟( 1 1 2 5 - 1 1 3 5 。e 2 3 - 2 4 。n ) 区域平均的涡度方程各项垂直廓线( 单位：1 0 1 ”s2 ) 低层( 1 2 k m ) ，h a d 、v a d 为负，c f 、c t 、t t 为正，涡度的增加主要靠辐合辐散 项( c t 、c f ) ，这是因为对流中心边界层的强辐合所致。中层( 2 8 k m ) ，t t 和h a l ) 为负， c f 、c t 、v a d 为正，其中v a d 量级最大。平流项不会产生新的涡度，但是可以通过改变 涡度的分布来影响局地涡度的变化 3 3 1 。从图6 1 0 b 看出，在m c c 对流中心中部，存在 着强上升运动，正是这种上升运动将正涡度由对流中心下部向中部输送，使得中层正涡 度增强，在6 0 0 m b 附近形成了正涡度中心。高层( 8 1 2 k m ) ，平流项( h a d 、v a d ) 为正， c f 、c t 、t t 为负。 上述分析表明，对流中心的正涡柱在发展强盛期由对流层下部延伸到中部主要是由 于涡度垂直平流项的贡献。 6 4本章小结 本章利用模式输出的高分辨率资料，对成熟阶段m c c 中一b 尺度系统的演变和结构 特征进行详细分析，主要结果如下： 1 ) 在m c c 的发展加强过程中，其内的中一b 对流中心经历了此消彼长的更替过程， 伴随着中一b 尺度对流中心的发展，与之相联系的正涡度中心由对流层的下部向中部伸 展，形成高达3 0 0 m b 附近的下宽上窄的强涡柱。在对流层的中下部此正涡柱伴随着辐合， 王婷m c c 的结构和演变：2 0 0 5 年6 月广东暴雨的个例研究 其上则是强烈的反气旋性辐散。另外，在成熟阶段，沿系统移动方向上的对流层中部的 涡度场呈正负相问、宽约5 0 k m 且与对流带近于平行的带状分布。最强的正涡度带与强 对流带基本吻合，其形成似乎主要是由于涡度的垂直平流所致。 2 ) m c c 的海平面气压场呈跷跷板型的中尺度扰动，即由前置中低压和后置中高压组 成，最强的对流带位于中低压和中高压之间的过渡带内。 3 ) 在随m c c 移动的坐标系里观测到的相对于m c c 的中尺度环流特征主要包括：( a ) 强对流区内是一支近于垂直的深厚的对流尺度的上升流，紧接在其后方的对流层下部有 一支对流尺度的下沉气流；( b ) 系统前部深厚的