（气象学专业论文）应用q矢量方法对一次台风暴雨过程的诊断分析.pdf

摘要 本文利用w r f 模式，对2 0 0 7 年8 月2 0 日0 0 时一2 2 日0 0 时的“圣帕”台 风暴雨进行数值模拟，分别借助于准地转q 矢量、半地转q 矢量、非地转q 矢量以及非地转湿q 矢量对这次暴雨进行诊断分析，并初步探讨了此次暴雨形 成的可能原因。 通过对比8 0 0 h p a 、7 0 0 h p a 、5 0 0 h p a 高度上的的各q 矢量发现：各q 矢量 在8 0 0 h p a 高度上的诊断效果最好；而在这几种q 矢量中，非地转湿q 矢量的 性能最佳。既在8 0 0 h p a 高度上的非地转湿q 矢量散度辐合区的范围与同时刻 地面降水落区的范围对应的比较好，辐合强度与降水强度基本相对应，并且辐 合中心的位置和辐合强度与最大降水中心的位置和降水强度也基本相吻合，可 见8 0 0 h p a 的非地转湿q 矢量散度场对雨带的移动和降水强度有着较好的追踪 和指示作用。 q 矢量的分解具有重要的物理意义，文中把非地转湿q 矢量分解成平行和 垂直于等位温线两部分，这样可以清楚的看出在暴雨的不同阶段，不同尺度的 q 矢量散度辐合场强迫具有不同的作用：在暴雨强盛时期，中尺度q 矢量散度 辐合强迫作用占主导地位，大尺度q 矢量散度辐合强迫的作用较小；在暴雨前 期和衰亡时期，大尺度q 矢量散度辐合强迫的作用则非常重要，中尺度q 矢量 散度辐合强迫的作用处于次要的地位。通过非地转湿q 矢量分解量的剖面图可 以看出分解的q 矢量与次级环流的关系，也即是本次暴雨可能的物理机s u - 由 于大量的水汽输送致使空间分布不均匀，造成低层大尺度的q 矢量散度辐合强 迫产生上升运动，激发次级环流；大气运动在调整的过程中致使对流不稳定能 量释放，此时中尺度q 矢量散度辐合的增大，辐合辐散进一步加强，次级环流 也进一步加强，从而促使暴雨的产生。 关键词：非地转湿q 矢量，q 矢量分解，台风暴雨，诊断分析；次级环流 a b s t r a c t b yu s i n gt h en u m e r i c a lm e s o s c a l ew i 疆m o d e l ar a i n s t o r ma s s o c i a t e dw i t ht h e t y p h o o ns e p a tl a n d f a l l i n gi ss i m u l a t e ds u c c e s s f u l l y 。t h er a i n s t o r mi sd i a g n o s t i c a l l y a n a l y z e dw i t hm e t h o do fq u a s i g e o s t r o p i c 一，s e m i g e o s t r o p h i c 一，a g e o s t r o p h i c a n dw e t a g e o s t r o p h i c q v e c t o r ，a n di t sp o s s i b l er e a s o ni sd i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e b yc o m p a r i n gt h eq v e c t o ro f8 0 0 h p a ，7 0 0 h p a ，5 0 0 h p al a y e r s ，i t gf o u n dt h e 矿 v e c t o ri nt h ed i a g n o s i so f8 0 0 h p al a y e ri st h eb e s t a m o n gt h e s et y p e so fq - v e c t o r ， w e t a g e o s t r o p h i cq - v e c t o rp e r f o r m sb e s t 。t h ec o n v e r g e n c ea r e ao fw e t - a g e o s t r o p h i c q - v e c t o ra t8 0 0 h p ah a sag o o dr e l a t i o nw i t hp r e c i p i t a t i o nd i s t r i b u t i o na ta l lt i m e s ，c o r r e s p o n d i n gt oav e r yg o o dc o n v e r g e n c eo fp r e c i p i t a t i o ni n t e n s i t ya n d t h em o s tc e n t 。 r a ll o c a t i o no fc o n v e r g e n c ea n dc o n v e r g e n c ei n t e n s i t ya r ea s s o c i a t e d 诚t 1 1t h el a r g e s t c e n t e rf o rt h el o c a t i o na n di n t e n s i t yo fp r e c i p i t a t i o n ，s h o w i n gw e t a g e o s t r o p h i cq - v e c t o ra t8 0 0 h p ap l a y sab e t t e rr o l ei nt r a c k i n ga n di n s t r u c t i o n so ft h er a i nb a n d sm o - v e m e n ta n di n t e n s i t y d e c o m p o s i t i o no f t h eq - v e c t o rh a sa ni m p o r t a n tp h y s i c a lm e a n i n g ，a n dw e t - a g e o s t r o p h i cq v e c t o ri sd e c o m p o s e di n t op a r a l l e la n dp e r p e n d i c u l a rt oi s o t h e r m si nt h e t e x t ，i t ss h o w nc l e a r l yt h a tc o n v e r g e n c ef i e l do fqd i v e r g e n c ei n d i c a t ed i f f e r e n ts e a - l e sf o r c i n g sw i t hd i f f e r e n tr o l e sf o rt h er a i n s t o r ma td i f f e r e n ts t a g e s ：d u r i n gt h ei n t e n s - es t a g eo ft h er a i n s t o r m ，c o n v e r g e n c ef i e l do fm e s o s c a l eqd i v e r g e n c ep l a y sad o m i - n a n tr o l ei nf o r c i n gv e r t i c a lm o t i o n ，w h i l el a r g e s c a l es m a l l e r ；a n dd u r i n gd e v e l o p i n g a n dd e c l i n i n gp e r i o do fh e a v yr a i n ，c o n v e r g e n c ef i e l do fl a r g e s c a l eqd i v e r g e n c ef o - r c i n gi sav e r yi m p o r t a n t ，w h e r e a st h er o l eo fc o n v e r g e n c ef i e l do f m e s o s c a l eqd i v e r g e n c ef o r c i n gi si nt h es e c o n d a r yp o s i t i o n t h r o u g ht h ew e t a g e o s t r o p h i cq v e c t o r d e c o m p o s i n gc r o s s s e c t i o np l o t ，i tc a nb es e e nt h a tt h er e a t i o n s h i pb e t w e e nq v e c t o r d e c o m p o s i t i o na n ds e c o n d a r yc i r c u l a t i o n ，t h a t st os a y ，w h i c hm a y b et h ep h y s i c a l i i m e c h a n i s mo fh e a v yr a i n ：a sar e s u l to fa l a r g en u m b e ro fs p a t i a ld i s t r i b u t i o no f w a t e rv a p o rt r a n s m i s s i o n ，c o n v e r g e n c ef i e l do fl a r g e s c a l eq d i v e r g e n c ea tl o w - l e v e lf o r c e su p w a r dm o v e m e n tt os t i m u l a t es e c o n d a r yc i r c u l a t i o n ，a n da l s oa i rm o v e m e n ti n t h ea d j u s t m e n tp r o c e s sm a k e st h er e l e a s eo ft h ec o n v e c t i v ei n s t a b i l i t ye n e r g y ，t h e n t h ec o n v e r g e n c ef i e l do fm e s o s c a l eq d i v e r g e n c eo f t h ei n c r e a s e d t h ef u r t h e rc o n v - e r g e n c ea n dd i v e r g e n c es t r e n g t h e n e d ，s e c o n d a r yc i r c u l a t i o ng e t ss t r o n g e r ，t h e r e b y e n c o u r a g i n gt h ee m e r g e n c eo f ar a i n s t o r m k e yw o r d s ：w e t a g e o s t r o p h i cq v e c t o r ，q - v e c t o rp a r t i t i o n i n g ，t y p h o o nr a i n s t o r m ， d i a g n o s t i ca n a l y s i s ，s e c o n d a r yc i r c 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：刍曼量整 日期：- 嘲蔓l 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：堡趣 日 期：翌聋：盍 1 1 引言 第一章绪论 台风是发生在热带海洋上的一种具有暖中心结构的强烈气旋性的涡旋。我国是世界上 台风登陆最多、灾害最重的国家，平均每年登陆我国的台风约有7 - - 8 个。台风登陆造成的 灾害往往是台风引发的暴雨造成的，每年因台风灾害所造成的损失高居十大自然灾害之首 ，因此多年来台风暴雨研究一直是受到重视的研究课题之。近十年来，我国在台风暴 雨研究方面取得了较明显的进展。另外，高分辨率的中尺度数值预报模式的采用，也进一 步推动了台风暴雨的研究。本文主要在数值模拟的基本上，运用q 矢量这一诊断工具对台 风暴雨进行深入细致的研究，以期待取得有意义的研究成果。 1 2 台风暴雨的研究概况 台风是最强的暴雨天气系统，国内外不少极端暴雨记录都与台风活动有关他1 ，这些极 端暴雨造成了严重的灾害。为了减轻灾害，过去十几年国内外连续不断地开展了台风的研 究工作。如：1 9 9 l 1 9 9 6 年间组织了国家科技攻关项目8 5 9 0 6 “台风科学、业务试验和天 气动力学理论的研究”。1 9 9 3 一- - 1 9 9 4 两年夏季开展了代号为“c a t e x ( c h i n aa b n o r m a lt y p h o o n e x p e r i m e n t ) ”的国内台风科学试验。美国和前苏联1 9 9 0 年在西太平洋发起了代号分别为 t c m - 9 0 和t y p h o o n 一9 0 的外场试验。这三个实验的科学目的在于采集台风内部高低空和热带 气旋周围环境以及海面和深海的加密观测资料，以研究台风的异常运动。2 0 0 2 年我国启动 了社会公益研究专项资金项目一“我国登陆台风灾害的监测及预报技术研究”。通过这些 研究，对台风运动突变、结构和强度突变、台风暴雨的突然增幅和台风路径预报的方法等 方面取得了新的进展1 。 台风暴雨主要有三种类型：台风环流本身所造成的暴雨，它主要集中在眼壁附近的 云墙、螺旋云带及辐合带中，这种降水随台风中心的移动而移动。台风与西风带系统或 热带其他系统共同作用而造成的暴雨。受地形影响，在迎风坡暖湿空气被迫抬升而形成 1 暴雨。 第一类台风暴雨出现在台风眼壁附近的降水通常呈不对称的螺旋状分布，其降水强度 主要取决于水汽输送、位势稳定度、台风内部的对流运动、高层辐散等。这些要素受台风 本身环流、环境条件和地形特点的影响。观测记录显示，当台风出现在洋面上时受中纬度 及地形影响较少，台风环流本身产生的降水分布并没有明显的不对称性。而当台风已经登 陆或将要登陆时，在台风右前方向岸风的地形抬升比较显著，最大雨量出现在台风右前象 限或前半部旧引。发生在后半部的暴雨则常常是由低空西南急流的影响引起的，其最大降水 通常出现在压能场中梯度大的区域附近哺1 。也有研究表明，台风暴雨增幅前1 2 j j 、时，其东 侧常伴有地面中尺度的辐合区或出现中尺度气旋性涡旋，并有水汽通量的辐合，台风暴雨 区即位于它们的重叠处或紧邻处m 1 。 第二种类型即远距离台风发生的暴雨是台风暴雨分析预报中的难点之一。这种台风暴 雨常和高空急流，台风登陆后强度维持不衰口1 ，西风槽，台风中有倒槽向北伸展9 1 ，以及 北方有冷空气南下n 训等许多物理因子有关。中低纬度环流系统的相互作用对登陆台风暴雨 的突然增幅有重要作用n 1 1 2 1 。台风与西风槽相互作用可导致远距离台风暴雨的发生，数值 研究表明 1 3 1台风可通过水汽和能量输送直接影响台风远距离降水的分布。西风槽可为远 距离降水提供低层辐合、高层辐散、以及槽前正涡度平流的大尺度背景，这将有利于垂直 运动的发展和降雨的维持。有时台风与西风带系统结合并不明显，但若有小股冷空气配合 同样可以产生暴雨。冷空气对台风暴雨的产生主要起到以下三方面的最用n 引：一是造成暴 雨初始上升运动：二是造成边界层内的水汽集中并向上输送，形成大暴雨；三是对于辐合 线上的中尺度扰动及其所伴随的强雨团也起到了触发作用。弱冷空气的入侵，触发了不稳 定能量的释放，对于大暴雨的形成起到了关键作用。 第三种类型由于不同结构的台风登陆不同的地区( 地形不同) ，其暴雨强度和分布及 不相同。由于海岸地形与台风环流的辐合作用，登陆台风的降水强度和分布与在海上时有 较大差异。多数台风登陆时在其前进方向的右半圆区域内的暴雨范围及强度要明显大于左 半圆区。然而也有数值试验n 5 3 表明，由于潜热通量的差异和来自大陆干空气与来自海洋湿 空气垂直分布形成的不稳定结构，也会在台风路径左侧引起强降水1 。当然这种不稳定层结 2 作用超过地形作用时，路径左侧雨强将会超过右侧雨强。地形的影响主要使对流层凝结加 热和上升运动最强，而典型结构中最强的凝结加热和上升运动应出现在对流的中上层。 l i n n 6 1 等通过数值试验和诊断分析指出，地形引起的垂直水汽通量对台风降水预报有很好 的指示作用。9 2 1 6 号台风数值模拟n 7 1 结果表明，地形的抬升辐合在台风暴雨的增幅中起到 很大的作用，因此在山脉迎风坡的降水比背风坡明显要大u 引。 陈瑞闪n 引指出台风暴雨是台风业务预报最重要、最复杂、难度最火之点，因为形成台 风暴雨的原因十分复杂，既有台风螺旋雨带、台风眼壁形成的单纯的台风暴雨，又有很多 复杂的因素与台风叠加在一起而形成的多种因素混合的暴雨。暴雨产生机制复杂，各种类 型的暴雨在不同地区出现的频率差异很大，台风暴雨作为一种重要的暴雨类型，由于涉及 到不同纬度、不同尺度天气系统的相互作用和复杂的大气物理过程，它的机理分析和预测 更是困难。因此，对台风暴雨的研究和预报工作一直受到气象界科学家的重视。 1 3q 矢量理论及其应用研究的进展 1 3 1q 矢量的提出 暴雨发生和持续的关键除了要有充足的水汽、湿不稳定层结等条件外，强烈的垂直上 升运动不可少，大气中热量和动量的垂直输送以及大气中位能和动能之间的相互转换都与 垂直运动有密切关系，因而垂直运动常被作为天气系统生成和发展的一个重要指标。 h o s k i n s 等汜刚用一种新的方法推导出了完全的准地转方程，保留了准地转方程组所能描 述的所有过程的作用，不仅避免了传统方程的缺点，而且适用于整个对流层( 或者说斜 压性较大的情况) 。他将准地转强迫项表示成一个矢量的散度，将这个矢量成为q 矢量。 用q 矢量散度表示的大小及分布，不仅能避免直接求解方程的大量计算，表示出产 生的强迫机制的强弱，而且由于在对流层低层q 矢量与非地转速度成正比，所以q 矢 量亦可表示低层的非地转速度场。 3 1 3 2 q 矢量理论的发展 自h o s k i n s 等在1 9 7 8 年一处准地转垂直运动可由q 矢量散度来诊断后，基于此理论 基础上，人们对q 矢量的认识又进入了一个新的阶段。2 0 世纪8 0 年代后期，白乐生强引 入了准地转q 矢量这个概念。但是在准地转近似下，对非地转风的消弱作用很大，在应用 于非地转性明显的中尺度系统诊断研究时就存在一定的缺陷，因此李柏心引g l * t 半地转q 矢量，保留了非地转风造成的地转动量平流，多了由非地转风引起的温度平流项，且考虑 了卢效应。张兴旺汜3 i 推出等p 坐标系中的非地转q 矢量以及用非地转q 矢量散度作为唯 一强迫项的c o 方程，这能够较真实的反映实际大气的情况。以上的对q 矢量的研究都是在 假定大气绝热的条件下进行的。张兴旺陋训在考虑大气凝结的情况下，提出t - - i 仁地转湿q 矢 量概念并推导出湿q 矢量的表达式。姚秀萍口副也由非绝热的原始方程出发，推导出非地转 湿q 矢量表达式及用湿q 矢量散度作为唯一强迫项的非地转方程。张兴旺与姚秀萍虽然所 用方法不用，但是结果是一致的。以上推导的q 矢量表达式，所考虑的非绝热加热项都仅 仅为大尺度凝结加热。但是有研究表明晗6 川，暴雨过程常伴有大量对流凝结加热释放。因 此，岳彩军幢引等在考虑了大气中大尺度凝结加热水汽潜热释放的同时，也考虑了对流凝结 水汽潜热的释放，这样使q 矢量的计算更加完善。以上所讨论的q 矢量都是做了空气是绝 对干或者湿饱和的假定，这样的分析并不能应用到饱和与未饱和空气的过渡区域中。高守 亭他引在非均匀饱和大气中，把凝结几率函数引入到热动力学方程中并重新推导出湿q 矢量 的表示式。近年来，国内外大量研究表明，q 矢量分解具有重要的诊断分析价值，q 矢量 分解方法一般是将q 矢量分解成分别平行和垂直与等位温线的两部分，有时也可将q 矢量 分解为分别平行和垂直于等高线的两部分。这样可以揭示“总”的q 矢量所难以揭示的有 意义的天气物理过程特征，并有许多学者提出了q 矢量分解的理论和方法3 1 。x u q i n m 3 在准地转q 矢量方程的基础之上引进了垂直非地转涡度方程，并将其与准地转q 矢量的两 个分量方程合并在一起，得到一个完整的三维准地转诊断方程，即c 矢量方程。c 矢量方 程是准地转q 矢量方程的一个三维扩展，c 矢量概念的提出使得非地转环流的分析不仅简 单、直接，而且为非地转环流提供了一个新的求解方法。 4 1 。3 3q 矢量理论的应用 实践表明，q 矢量分析能比较清楚地揭示垂直运动场的演变及其与降水系统的联系。 2 0 世纪8 0 年代后期，q 矢量分析在科研和业务工作中已得到广泛的应用。自白乐生瞳在 国内第一次引入q 矢量概念并把准地转理论的方法分析了在辽宁地区发生发展的次强对 流天气过程，发现q 矢量分析比较清楚地揭示了这次过程中次天气尺度场的垂直运动的演 变及其与强对流系统的联系。郁淑华凹引对一次川北涡暴雨过程进行了q 矢量分析，发现q 矢量散度辐合产生的强迫作用为低涡生成提供了触发条件。杨小燕m i 等应刚准地转q 矢量 理论分析了一次连续暴雨过程，指出q 矢量理论固有的非常有用的特性，对造成强对流天 气的不稳定斜压大气有很好的适用性。q 矢量与非地转风的对应关系有助于揭示非地转运 动造成的大尺度不稳定能量释放的本质和造成暴雨的内在机制。汪克付阳引等应用q 矢量分 析方法对2 0 次伴有暴雨的江淮梅雨锋过程进行分析，揭露了梅雨锋暴雨期对流层低层q 矢量散度场的分布特征以及与中、低空主要天气系统和暴雨带之间的时空配置关系，指出 了q 矢量散度场对江淮梅雨锋暴雨的落区有较好的暴雨意义。姚秀萍m 1 等用湿q 矢量对我 国东部地区一次暴雨过程诊断分析，发现q 矢量在暴雨的诊断过程中显示了其更大的优越 性：湿q 矢量散度的辐合中心或辐合线可以用以定性判断暴雨的落区，暴雨的强度取决于 湿q 矢量辐合程度和锋生函数的大小。岳彩军等哺州通过对1 9 9 1 年7 月一次典型梅雨锋 暴雨过程的q 矢量诊断分析发现：湿q 矢量诊断效果最好，尤其是，7 0 0 h p a 湿q 矢量的 散度辐合特征与实际雨区对应最好，因而可作为降水诊断分菥的主要参考依据。颜琼丹等 “2 1 等对台风“云娜”暴雨过程进行分析的时候发现，非地转湿q 矢量散度作为非地转垂直 上升运动的强迫机制与降水落区有较好的对应关系，湿q 矢量辐合中心往往是未来强降水 发生区。可以认为非地转湿q 矢量散度场对台风暴雨落区的定性预报有非常好的指示意义。 将“总”的q 矢量分解具有重要的诊断分析价值，可以揭示的有意义的天气物理过 程特征，更有利于得到台风暴雨产生的可能机制。岳彩军等n 3 卅1 用改进后的q 矢量及q 矢量分解对一次梅雨锋暴雨过程进行分析，发现改进的湿q 矢量散度辐合场对同时刻地面 降水的强度、落区及不均匀性都有相当的指示作用，其散度辐散、辐合场在垂直方向上是 5 相间分布的，它所强迫激发的次级环流有可能是诱发梅雨锋暴雨产生的重要因素。在梅雨 锋暴雨的不同阶段，不同尺度的q 矢量散度辐合场的强迫作用不同，有主、次之分，进而 提出梅雨锋暴雨形成的可能物理机制。杨晓霞等h 卅把湿q 矢量分解用于春季和秋季暴雨 中，在春季暴雨个例的前期，是以中尺度上升运动对暴雨起主要作用，降水以对流性为主。 在秋季暴雨个例中，是以中尺度和大尺度的上升运动相叠加，产生混合性的强降水。暴雨中 后期，暴雨是以大尺度的辐合上升运动为主，并夹杂着中小尺度的上升运动的混合型降水。 岳彩军h 引对改进后的q 矢量进行转化、处理后得到矢量，它与准地转q 矢量具有 类似的表达式，但其完全用实际风场资料进行计算。把沿以等高线为参照线的自然坐标 系中分解，所得各项分别为q a - s t n 矢量( 沿流伸展项) 、q c 。“矢量( 曲率项) 、q 。m ，“矢量( 切 变平流项) 及q c ，。，矢量( 穿流伸展项) ，在对一次梅雨锋暴雨过程进行秽分解研究表明， 分解可以揭示出天气现象过程中“总”的q n 矢量( 即矢量) 难以揭示的潜在物理机制。 1 4 问题的提出及本文的主要工作 借助于q 矢量这一诊断工具，关于梅雨锋暴雨的研究人们已经做了大量有意义的工 作。然而，用q 矢量对台风暴雨的研究比较少。本文既用q 矢量方法对台风暴雨的形成机 理加以研究，以期望取得有意义的研究成果。 本文的主要工作是利用中尺度非静力w r f 模式对2 0 0 7 年第9 号台风“圣帕”导致的暴雨 过程进行模拟，基于模式输出的高分辨率的输出资料，借助准地转q 矢量、半地转q 矢量、 非地转q 矢量以及非地转湿q 矢量等诊断量对台风暴雨过程的各个阶段进行了细致的分析 与对比，并且把诊断效果最佳的非地转湿q 矢量的分解应用在台风暴雨的诊断过程中，目 标是所分析得到的结论对台风暴雨的研究与预报有一定的指导意义，从而提升q 矢量分析 对台风暴雨的实用价值。 本文第二章介绍了台风“圣帕”导致暴雨的整个过程以及天气学分析了暴雨的成因， 而后对w r f 数值模式的方案设计进行了简要概括，最后将模拟结果与实况进行对比验证。 第三章首先介绍了各种q 矢量的原理及计算方法，分析比较了准地转q 矢量、半地转q 矢量、非地转q 矢量以及非地转湿q 矢量各自在台风暴雨各阶段中表现出来的诊断特性，并 6 对各自的优劣及原因做了说明。 第四章把非地转湿q 矢量分解为平行和垂直于等位温线的两部分，分析在暴雨发生的 不同时期，各种尺度对垂直运动场的强迫所起着不同的作用。 第五章总结应用q 矢量诊断在台风暴雨过程中的各种特点，对结论和问题作进一步的 探讨，展望- q 矢量在暴雨分析及预报中的发展方向。 7 2 1 天气过程回顾 第二章台风暴雨的数值模拟 2 0 0 7 年第9 号热带风暴“圣帕”于8 月1 2 日1 8 时( 世界时，下同) 在菲律宾吕宋岛以东 的西北太平洋洋面上生成，生成以后向偏两方向移动，强度逐步增强。n 1 5 日0 0 时，台风 中心位于( 1 2 8 7 。e ，1 5 6 0 n ) ，而后开始转向西北方向移动，同时强度也发展n 5 5 m s ，是 超强台风的强度。1 7 日晚“圣帕”减弱为强台风，随后在台湾东部地区登陆。由于受到地 形的影响，“圣帕”台风的速度稍微缓慢，减弱为台风，并于1 8 日1 8 时左右在福建省惠安 县沿海登陆，登录时中心附近最大风力有1 2 级( 3 3 m s ) 。登陆后“圣帕”迅速减弱，减弱 后的热带低压中心于1 9 日1 8 时进入江西省境内，2 1 日从醴陵、浏阳进入湖南省，而后低压 中心西行后南折并进一步减弱。 “圣帕”减弱的低压环流一直深入内陆，降雨强度大，影响范围广。受“圣帕”及其减 弱的低压环流影响，8 月1 8 日0 0 时- 2 2 日0 0 时，浙江东南部、福建大部、广东中北部、 江西、湖南中东部和南部、湖北东南部出现暴雨或大暴雨，上述地区累积降水量一般有 8 0 1 6 0 毫米，其中浙江东南部、福建东北部、江西西南部、湖南东南部降雨量有2 0 0 3 5 0 毫米，累积降雨量超过4 0 0 毫米的站点有：福建宁德4 5 1 毫米，湖南资兴5 1 4 毫米、永兴 4 3 0 毫米、安仁4 3 4 毫米。 在台风减弱为热带低压后，暴雨仍在继续，从台风登陆后的高空环流形势看( 图2 1 ) ， 台风登陆后，受到大陆高压和西太平洋副高的阻挡，弱环境流场的配置为台风低压长时间 停滞提供了良好的大尺度天气背景。在台风深入内陆西行的过程中，由于副热带高压的强 力西伸，位于副高左侧的台风一直受到副高西侧偏南风的持续影响，补偿了台风在陆面移 动过程中因摩擦而衰减的动量，导致其减弱成的热带低压环流可以在陆地维持很长时间。 再加上西南季风的输送作用，为台风提供了充沛的水汽通道，同样抑制了登陆后残涡的迅 速减弱。如图2 2 所示，随着时间的推移，水汽辐合更明显，强水汽辐合的范围更大，且 强水汽通量中心的移动路径与低压环流移动路径基本一致，与它们降水特点相吻合；水汽 8 通量散度梯度大值区域都在湘东南地区，和大暴雨中心位置基本一致。同时由于湖南东南 部地区的山地地形作用，促使湘东南成为了此次大暴雨中心的位置。 二二二二二二二二二二二二 图2 1 5 0 0 h p a 高度场图( 单位：g p m ) ( a ) 8 月2 0 日0 6 时( b ) 8 月2 1 日0 6 时 图2 2 8 5 0 h p a 水汽通量散度和风场分布图( 单位：1 0 一g s c m 2 h p a ，m s ) ( a ) 8 月2 0 日0 0 时( b ) 8 月2 1 日0 0 时 2 2 中尺度模式方案的设计 w r f ( w e a t h e rr e s e a r c ha n df o r e c a s t ) 模式是由美国国家大气研究中心( n c a r ) 、 国家大气海洋局的预报系统实验室、国家大气环境研究中心( f s l ，n c e p n 0 从) 和俄克拉 荷马大学的暴雨分析预报中心等多单位联合发展起来的新一代非静力平衡、高分辨率、科 研和业务预报统一的中尺度预报和资料同化模式。它能较为详细考虑了大气中的各种物理 过程包括辐射过程、积云对流过程、水汽方案、路面物理过程和边界层物理过程等。模式 中各种物理过程有多种物理方案可供选择，不用的方案对不用尺度的系统具有不同的预报 效果。 本文模拟区域为( 1 0 2 5 。一- 1 2 5 2 0 e ，1 8 4 。- 3 4 6 a n ) ，格距是2 4 k m ，格点数为2 1 1 1 5 1 ， 模式大气顶气压p 。= 5 0 h p a ，仃位面垂直分成不等距的2 7 层。时间步长at = 1 8 0 s 。初始场是 n c a r n c e p 时间间隔为6 d , 时的1 。1 。的格点资料，模式积分时间是从2 0 0 7 年8 月2 0 日 0 0 u t c - 蛰j s 月2 2 日0 0 u t c ，积分4 8 t j , 时，每隔l h 输出一次模式结果。 模式参数化方案的选择： ( 1 ) 物理过程参数化方案：w s 】1 1 3 类简单冰方案： ( 2 ) 辐射参数化方案：r r t m 长波辐射方案s h d u d h i a 方案： ( 3 ) 陆面过程：n o a h 陆面方案过程： 9 ( 4 ) 积云对流参数化方案：浅对流k a i n - f r i t s c h ( n e we t a ) 方案； ( 5 ) 边界层参数化方案：e t am e l l o r y a m a d at k e ( 湍流动能) 方案； ( 6 ) 动力学过程采用流体非静力平衡方案。 2 3 模拟结果分析 2 3 1 降水量分析 将模拟降水量分布与实际降水量进行对比，可以看出以下特征： 模拟的4 8 d 时累计降水( 图2 3 b ) 中心位于湘东南地区( 1 1 3 * e 1 1 3 6 。e 、2 5 5 。2 6 。n ) ， 最大降水量为3 5 0 m m 。对比实况的4 8 小时累计降水( 图2 3 a ) 可以看出，实况降水的最大中 心同样位于湘东南，最大降水量为3 0 0 m m ，比模拟降水量略小，最大降水范围比模拟降水略 大。从实况累计降水图上还可以看出，在( 1 1 0 5 0 e 、2 8 3 0 n ) 处有- - l o o m m 的降水中心，这 点在模拟降水图上没有反映出来。但是从整体上来看，在降水落区、雨带移动以及降水强 度方面，模拟与实况效果基本是相符的，因此本次数值模拟输出结果是可靠的。 图2 38 月2 0 日0 0 时8 月2 2 日0 0 时4 8 小时累计实况和模拟降水的对比单位( 眦1 ) ( a ) 实际降水( b ) 模拟降水 2 3 2 低层风场分析 将模拟的8 5 0 h p a 风场( 图2 4 b ) 与实况( 图2 4 a ) 对比，可见在模拟的风场中大风区在 ( 1 1 3 2 0 e 1 1 5 0 e 、2 5 。2 5 8 0 n ) ，位于低压中心的南侧，最大中心风速为2 2 m s ；实况低 空急流位于( 1 1 3 。e - 1 1 5 5 0 e 、2 4 9 。2 5 5 0 n ) ，最大中心风速为1 6 m s 由此可见，模拟的 急流范围、中心位置与实况基本一致，仅最大中心风速略有偏差。这类低空急流的存在， 表明低层动量有明显的集中。低空急流与暴雨等强天气的发生发展有重要作用，主要体现 在三个方面：一是通过低层暖湿平流的输送产生位势不稳定层结；二是在急流最大风速中 1 0 心的前方有明显的水汽辐合或者强上升运动，这对强对流活动的连续发展有利；三是在急 流轴之左前方是正切边涡度区，有利于对流活动的发生7 1 图2 48 月2 1 日0 0 时8 5 0h p a 风场分布图( 单位：m s ) ( a ) 实际风场( b ) 模拟风场 另外值得研究的是9 2 5 h p a 风场( 图2 5 ) 模拟的急流大风区也与实际相符。这种超低空 急流所在的高度( 9 2 5 h p a ) 较接近地面，比湿大，能够为暴雨的发生提供所需要的水汽， 并且能够促进超低空对流不稳定能量的释放。 图2 58 月2 0 日0 6 时9 2 5h p a 风场分布图( 单位：r n s ) ( a ) 实际风场( b ) 模拟风场 2 4 暴雨过程的阶段分析 2 0 0 7 年第9 号台风“圣帕”在登陆后期间引发了明显的暴雨过程，而暴雨主要集中在 湖南省的东南部和江西省的西南地区( 1 0 9 。e 1 1 7 。e 、2 4 。3 1 0 n ) 。在8 月月2 0 日0 0 时n 8 月 2 2 日0 0 时这段时间基本体现了这次暴雨的开始、强盛、减弱的基本过程，并选取了8 月2 0 日1 2 时、2 1 日0 0 时、2 1 日1 2 时这三个时刻的1 h 降水量用以表示暴雨的三个阶段。如图2 6 所示，2 0 日1 2 时在江西西北部和湖南中东部地区出现零星降水，雨量较小，此时为暴雨开 始阶段。2 1e o o 时1 h 降水量明显增幅至3 5 m m ，而且降水范围比较集中，雨带整体上呈现出 西北一东南走向，主要降水区集中在湖南东南部地区，此为暴雨强盛阶段。至2 1 日1 2 时雨 带分散为几块，主要雨带向南移动，降水量迅速减小，预示着本次暴雨过程的结束。 图2 61 小时地面模拟降水量分布( 单位：m m ) ( a ) 2 0 日1 2 时( b ) 2 1 日0 0 时( c ) 2 1 日1 2 时 2 5 小结 通过对比4 8 h 实况降水和模拟降水图，二者的雨带范围基本相同，模拟最大降水中心 与实况最大降水中心位置基本相吻合，中心降水量级相当：同时还对比了模拟风场与实况 风场图，也基本相一致。可见用w r f 模式对此次降水过程的模拟是成功的，说明用模式输出 的1 h 降水场是可靠的，用它做比较场是可行的。 因此本文下一章将利用模式输出的高分辨率资料，并借助于q 矢量这一诊断工具对本 次暴雨过程进行细致的诊断分析。 1 2 3 1 计算公式 3 1 1 准地转q 矢量 第三章 几种q 矢量的比较 1 ) 、准地转q 矢量的表达式 由准静力、准地转、绝热无摩擦、厂平面的p 坐标系运动方程组出发所推得的q 矢量 的表达式为： 驴c q 倒小警v ( 一嚣) ，一等v ( 一箬) ， ， 其中，嚣= - a ，a = 丝p 为比容，名代表水平地转风场( ，v g ) ，其他为气象上常用 物理量参数( 下文中不作特别说明的物理量符号，均代表气象上常用的物理量参数) 。 由( 3 1 ) 式定义的准地转q 矢量还可以表示为如下形式： 咿r ovgvr=-po x 暑( 丝o x 望o x + 盟o x 考) 2 ， 一 pi勿j q 广一墨丝v 丁：一竺f 丝塑+ 丝望1 ( 3 3 ) 叫 尸o y pl 砂西方砂，j ( 3 2 ) 和( 3 3 ) 式说明，准地转q 矢量决定于准地转风水平梯度与水平温度梯度的乘积。 因此，用一层等压面的位势高度妒和温度t 的资料，即可计算出该层的准地转q 矢量。 2 ) 、准地转q 矢量与次级环流的关系 掣一厂：警；2 q ( 3 4 ) 掣一f 参o p 鹚 - _ 一，_ 一z 蟛， 鲫 ( 3 5 ) 由( 3 4 ) 和( 3 5 ) 式可知：纬向和经向的垂直环流分别由q 和g 决定，因而任一方向垂 1 3 直剖面的次级环流，完全由在该方向的q 矢量的分量决定。 下面来考察次级环流的方向与q 矢量之间的关系( 如图示3 1 和图3 2 ) 。 p p 图示3 1 垂直环流与q 的方向关系 o 图示3 2 垂直环流与g 的方向关系 o x y 从图3 1 中可以看出，当竽 o ，及誓 o ，即有西部上升，东部下沉，高层向东， 优印 低层向西的纬向垂直环流，根据( 3 4 ) 式有q o ，即9 指向北。反过来，也可以根据q 和g 的正负来判断纬向或者经向垂 直环流的方向：即当q 矢量的分量小于零时，该方向的垂直环流方向是顺时针旋转的；反 之，当q 矢量的分量大于零时，该方向的垂直环流方向是逆时针旋转的。总而言之，q 矢 量总是指向上升区，背向下沉区。 3 ) 、准地转q 矢量散度与准地转方程 用准地转q 矢量表示强迫项的准地转方程为： v 2 ( 彻) + f 2 嚣羽q ( 3 6 ) 上式即为h o s k i n s 等所推导的准地转的方程，其意义是，在厂平面上准地转的垂直运动 仅由q 矢量的散度决定。q 矢量为作用在水平温度梯度上的地转速度形变的常数倍。如果 大气的垂直运动是一种波动形式，根据任何波动形式物理量的拉普拉斯与该物理量本身负 值成正比的关系，从( 3 6 ) 式可以看出，当c o 场具有波状特征时，有以下关系：c o 。cv q ， 所以可以推断出，当v q o 时，c o o 为上升运动，反之为下沉运动。 3 1 2 半地转q 矢量 半地转近似又称是地转动量近似。在半地转近似条件下的动力方程组比准地转近似条 件下的动力方程组包含有更多的信息：保留了非地转风造成的地转动量平流，多了由非地 转风引起的温度平流项，且考虑了卢项。 1 ) 、半地转q 矢量的表达式 由半地转、准静力、绝热无摩擦的p 坐标系下动力方程组出发推导出的半地转q 矢 量的表达式为： 1 5 q “= c g ，g ，= t 三 - 尝v ( - 考) _ 厂等v k + v 卢等 ， 廿纠一势厂a _ _ v v v g _ v 一p ) 7 ， 2i - 砂 l 印。j 上式中q “为p 坐标系的半地转q 矢量，q ? 和q ? 分别为x 方向和y 方向的半地转q 矢量 的分量。 值得注意的是，半地转q 矢量的表达式中不仅含有地转风，同时还有包括了实际风， 这是其与准地转q 矢量明显的不同之处。 2 ) 、次级环流与半地转q 矢量的关系 掣誓；2 q ( 3 8 ) 掣一z 誓- 2 9 ( 3 9 ) 咖印 。 与准地转q 矢量类似，( 3 8 ) 和( 3 9 ) 式描述了半地转q 矢量与垂直环流的方向关系： 纬向和经向垂直环流分别由g 和q ? 决定。因而任一方向垂直剖面上的次级环流，完全由 该方向的半地转q 矢量的分量决定。半地转q 矢量的方向总是指向气流上升区，背向气流 下降区。 3 ) 、半地转q 矢量与半地转方程 半地转q 矢量表征的方程为： v 2 ( 彻) 害羽q ( 3 1 0 ) 此式的物理意义是：在半地转近似条件下，垂直运动仅由q “矢量散度决定，当场具有 波状特征时，与半地转q 矢量有如下关系：o c v q “，所以可以推断出，当v q “ 0 时， 0 为上升运动，反之为下沉运动。 1 6 3 1 3 非地转q 矢量 由准静力、绝热无摩擦、厂平面的p 坐标系原始方程组出发推导出的非地转q 矢量的 表达式为： 咖c 残= t 拟毒罢一嚣卦厅尝v 臼 ， 默嚣一矧一办知 ) 上式中q 8 为p 坐标系的非地转q 矢量，残和9 ：分别为q 矢量的x 方向和y 方向的分量。 值得注意的是，在非地转q 矢量的表达式中各计算项都包含实际风，这是其与准地 转q 矢量所不同的显著特点。 2 ) 、非地转q 矢量与次级环流的关系 6 罢一厂z 誓一2 残 ( 3 1 2 ) 6 掣一f 2 誓= 2 彰 ( 3 1 3 ) 咖印 与准地转q 矢量类似，( 3 1 2 ) 和( 3 1 3 ) 式都描述；非地转q 矢量与垂直环流的 方向关系：纬向和经向垂直环流分别由