(2010四省论文交流优秀论文)梅雨暴雨落区与梅雨锋特征关系.doc

梅雨暴雨落区与梅雨锋特征关系刘裕禄 杜其成 黄山市气象台，黄山,245021 摘 要 应用NCEP再分析资料，分析2010年长江流域伴有暴雨期的梅雨锋特征，结果表明：暴雨落区也即云量分布最大区，处低空急流轴左侧的梅雨锋区内；它在对流层暖带、高比湿、高se的偏北一侧附近se随高度呈中性分布密集区内，其强度与se梯度大小正相关；中间尺度扰动与梅雨锋暴雨有紧密关系，在低层扰动大值区内易发生暴雨天气。另外，暴雨落区与变形场锋生和位涡也有很好的对应关系。关键词：梅雨锋特征 暴雨落区 变形场 位涡引言 2010年长江流域7月7日入梅，7月18日出梅，梅长12天。梅雨暴雨时间主要集中在814日，区域主要集中在安徽延江地区，位于30N31N之间，这一区域出现了近10年来最强降水，降水中心在安庆到九华山一线，日平均雨量大于50毫米以上的降水有7个县市，日平均最大降水量在安庆站为95.3毫米，总量达667.2毫米。这次长江流域的持续性梅雨暴雨是导致洪水发生的直接原因，而持续性梅雨暴雨的出现又是与梅雨锋的形成和维持、梅雨锋的结构和强弱变化等相关联。梅雨锋是我国长江中下游地区重要的降水系统,它降水范围大、持续时间长,而且常产生局地性暴雨，历来为我国气象工作者所重视。长期以来，许多学者对梅雨锋特征做过详细研究，王建捷1确认了暴雨发生时期梅雨锋结构的一些普遍特征,如在对流层低层表现为se锋而不是温度的强烈对比,梅雨锋区是一个低层正涡度带以及风和水汽的辐合带等；倪允琪2对长江中下游梅雨的研究和丁一汇3对1991 年淮河流域梅雨的研究进一步表明,梅雨锋在对流层低层主要表现为强烈的湿度对比而不是明显的温度对比,锋区内风的垂直切变很弱。而将梅雨暴雨落区与梅雨锋具体特征联系起来进行综合分析还比较少，通过分析2010年典型强降水梅雨锋特征，可以了解暴雨落区和强度与梅雨锋区特征应有较好的对应关系，对今后预报梅雨暴雨有一定指导作用。1 暴雨落区与梅雨锋特征 1.1 暴雨落区与梅雨锋云量分布特征梅雨锋云系建立前，青藏高原为热低压控制, 往东从四川盆地经长江中下游到日本850hpa形成一切变钱。切变线的南方是西南季风, 它的北侧是高压南侧的东北风或东风，东部晴空区为副热带高压控制。当副高北部的高空槽冷锋云系已东退到长江口附近时,副高西部边缘的西南季风云系也处于发展中，同时, 有小低槽不断东移，其北部块状云系发展,西南部季风云系向北发展, 块状云系和西南季风云系合并，逐渐发展为带状云系,梅雨锋带状云系开始形成。由以上分析可知, 江淮梅雨锋云系是西北块状云系延切变线随小槽在东移过程中与西南季风云系相互作用发展起来的，是相应的天气系统相互作用的产物。在涡度平流图上，低层自西北有一正涡度平流向东扩展，因正涡度平流促使小槽和西南涡发展东移，江淮梅雨锋云系与正涡度平流带相对应, 造成强的降水梅雨锋云系长期维持动力条件就是不断有正涡度平流东移，导致新的梅雨锋云系的建立和重建。图1a阴影区显示814日云量平均值90%以上大云量中心，一条带状云从长江中下游向东一直伸向日本。少云区在梅雨锋二侧，北侧为极地大陆气团冷空气所控制，南侧为副热带高压控制。另外，9成以上云量区分布在850hpa急流区域偏左侧一方，处急流轴北侧。众所周知，低空急流是副热带高压边缘强风速引起的，但从急流轴在暴雨区附近上空这个事实看来，提供了理解低空急流形成机制的一个途径：低空急流可能是中间尺度扰动有关的暴雨区内强风频繁发生的综合结果4，低空急流和暴雨之间存在一种共生依赖关系。以上说明暴雨落区处急流轴左侧与云量最大区、梅雨锋区相互重合，也即梅雨锋云系云量最大区位置决定了暴雨落区。图1 a:总云量(阴影区)和850hpa急流区(实线)时间平均图 b:127Ese (实线)和比湿(虚线,单位:g/g) 剖面时间平均图 c: 814日最大降雨量(条形)和se差值(实线,单位:K/纬度) d:对流层凝结潜热(实线,单位:m2/s3)和温度(虚线,单位:) 时间平均图1.2暴雨落区与梅雨锋能量特征 梅雨锋的概念是冷暖空气在江淮流域对峙，是暖湿气流北上与北方相对冷的气团之间的交界面。图1b中，作117E的se剖面图，30N31N低层有一假相当位温等值线的最密集区，se线从近地面向高空伸展近乎平行并向北倾斜与锋区位置几乎重合，se密集区的北面是干冷空气，南面是暖湿空气。se密集区内的se线在500hpa以下因随高度近似不变，说明se是中性分布的，由于相当位温对于绝热过程包括等压蒸发和凝结是守恒的，因此可以推论，在持续暴雨中，se随高度的均匀分布是由于强烈对流活动，使其垂直搅拌所造成的。700hpa以下紧靠锋区的南部，高se和高比湿舌相重合，高比湿舌伸至350hpa，暴雨落区在高se和高比湿舌的北侧，偏在冷气团一侧。高比湿舌南北两侧附近有se低值区，而且比湿在这一区域呈漏斗状向下伸展。对应700hpa急流分布，急流轴与高se和高比湿区相重合于30N，暴雨落区在高se和高比湿区偏北一侧附近se密集区内。暴雨落区虽然都在等se线相对密集区，也就是冷暖气团的过渡区中，另外，se线密集程度代表冷暖空气强弱程度，与锋区强度正比，与暴雨强度正相关5。统计表明：锋区的强度不同，暴雨强度也不同。虽然此次梅雨暴雨过程主要集中在814日，但每天降水强度不同，锋区se密集程度也不同（图1c）。例如，13日降水最强，24小时日中心最大降水量在安徽安庆境内为310.3毫米，一个纬度se差值为9K；9日降水最弱，中心最大降水量在安徽池州境内为72.4毫米，一个纬度se差值为2K。值得注意的是，在30N31N从900hpa近地面到300hpa整个se值要比邻近地区高，计算814日850100hpa平均温度（图1d），在高se区中也存在一暖带，30N为一温度脊。se值高的原因，中高层主要是暴雨释放的凝结潜热的贡献6，通过图1d可以看出，凝结潜热大值中心主要分布在暖带中，低层主要是由于较高比湿引起的，高比湿与高se本来就是相互重合。暖带和湿舍之间重合可以作如下解释：活跃的积云对流通过潜热释放就形成了一个暖带，再通水汽垂直输送形成“湿舍”。这样在湿舍、高se区就形成了一温度脊暖带。综上所述，暴雨分布在暖带、高se和高比湿区偏北一侧附近se密集区内，且暴雨强度与se线密集程度成正相关关系。1.3暴雨落区与中间尺度扰动特征 暴雨上空最明显动力特征就是低层辐合，高层辐散。图2a为814日117E平均散度（实线）和平均相对湿度（细虚线）垂直剖面图，高层辐散区位于27N33N之间，为上升运动，低层辐散区位于26N42N，有下沉运动，南侧上升，北侧下沉，形成一闭合垂直环流。显然，暴雨落区应在南侧上升运动区，事实上暴雨落区在上升运动最强区。最强高空辐散在29N33N，位于高空急流入口左前方，散度值为2.010-5秒-1 ，所以最强的上升运动区就在29N33N之间。水汽含量可以看作是垂直运动的一个指标，高比湿和90%以上相对湿度都在该区域，这样强的上升气流和大量水汽输入该区域，对暴雨十分有利。 高层强辐散区应在低空急流左前方，低空急流区扰动明显增强7。那么中间尺度扰动与暴雨应存在一种特定关系。中间尺度扰动的波长大约为1000公里，周期约一天左右，相继地在梅雨锋上传播。中间尺度扰动的动能密度指数，、分别纬向和径向风量表示对时间平均值的偏差。图2b中，在30N的700hpa高度为一大于12m/s的急流中心（虚线），在其北侧32N的800hpa有一个40m2/s2扰动的动能密度指数大值中心，其最大轴平行于低空急流轴，风场气旋性切变集中在该处。暴雨落区就分布在急流中心偏北一侧的大扰动区内。图2 a: 127E正散度(实线,单位:10-5s-1)和相对湿度(虚线)垂直剖面时间平均图 b: 127E扰动动能密度(实线,单位:m2/s2)和风速(虚线,单位:m/s) 垂直剖面时间平均图2 暴雨落区与变形场梅雨锋生关系有关梅雨锋结构研究表明，变形风场是它的基本风场，低层狭长的变形风场与梅雨锋位置大体一致，暴雨落区与梅雨锋位置紧密相连。由运动学锋生模式可知，气团本身不但有自转运动和体积的膨胀和收缩，还可以发生形变。水平变形场是最典型的锋生机制。低层狭长的变形风场对锋面的产生、发展与维持起重要作用。地转变形风场分伸展形变Est和切变形变Esh，表达式为： (1) (2)伸长形变的物理意义是气流在一个方向伸长，它的效应是由风场的汇合和离散（0或0）引起的锋面加强或减弱；切变形项它反映与正锋正交方向上通过风切变（）的作用把与锋平行方向的se梯度转化为y方向变化变化所起的效应8。计算814日伸长变形和切变变形平均量（图3），在30N32N之间500hpa高度以下区域中，为一Est0和Esh0大值中心重合区，此绝对值大值区也与锋区几乎重合, 东西向伸展的位置也十分一致。分析风场可见, 在锋区南侧为低空急流的西南风，北侧则为低层高压南沿的东北风，这种切变风场构成了极强的0和0，前者有利于Esh0，而后者有利于Est0，变形风是梅雨锋维持的一个重要的动力条件。由此可见，暴雨落区与变形场锋生有很好的对应关系，位于低层大值重合区域内。图3a: 127E伸展形变Est(实线)和切变形变Esh(虚线)垂直剖面时间平均图,(单位:10-5 s-1)b: 127E 位涡MPV1垂直剖面时间平均图(单位: 10- 6m2Ks- 1kg- 1)3暴雨落区与位涡关系位势涡度(简称位涡) 是一个能综合表征大气动力和热力特征的物理量,是一个重要的诊断工具,国内外许多学者都曾成功地使用它分析天气学问题。根据位涡定义，位涡MPV可以写成如下形势： MPV1=-g() (3) MPV2=-g (4)由于f 的量级较大,一般情况下MPV1MPV2,MPV的大小主要由MPV1决定,因此下面主要对MPV1项进行分析。MPV1是湿位涡正压项,其正负由绝对涡度和e垂直梯度共同决定。位涡的单位是10- 6m2Ks- 1kg- 1。由MPV1表达式知，当e/p 0，只有在绝对涡度+ f 0情况下才有MPV10时, MPV10，大气为对流不稳定的，说明暴雨中对流不稳定起主导作用。在暴雨高层一般有当e/p 0,由MPV1的表达式知,只有当+ f 0时才有MPV1 0，故+ f 0是高层MPV1小值区形成的主要原因。绝对涡度小于零导致惯性不稳定,惯性不稳定可使环流加速,从而影响到辐合、辐散场。+ f 0多出现在高空急流之南,那里空气微团水平运动容易得到加速10。总之，暴雨即分布在低层对流不稳定和高层惯性不稳定MPV1 0大值区域内。4 讨论暴雨落区在云量分布最大区，少云区在梅雨锋二侧，暴雨落区不仅云量分布最大区也与锋区重合，都处急流轴左侧。但二者位置由副热带高压位置决定，在实际工作中，考虑副高移动变化非常重要。暴雨落区处850hpa以上对流层暖带、高比湿、高se的偏北一侧附近的冷空气区域，se梯度与冷暖空气强度正相关，也与暴雨大小正相关。须指出的是，对流层暖带形成与中高层对流凝结潜热分布一致，根据CISK理论，对流凝结潜热释放与暴雨是正反馈关系，所以在地面上暴雨处850hpa以上对流层暖带略偏北一侧。中间尺度扰动沿梅雨锋移动，中低层最大密度在800hpa附近低空急流轴左侧，与暴雨落区位置一致，强扰动可能是低空急流或者说斜压不稳定引起的11，在实际预报暴雨时，应注意低空急流附近风场气旋性切变和垂直风切变较大区。变形风是梅雨锋维持的一个重要的动力条件，当伸长形变Est0和切变形变Esh0时，有利于梅雨锋生，暴雨就在二者低层绝对值大值重合区。预报员实际应用时须考虑到低空急流附近0和0风切变较强区域。另外，在梅雨暴雨期内，由于低层多为对流不稳定区，高层多为对流稳定和对称不稳定区，暴雨分布在低层对流不稳定和高层惯性不稳定MPV1 0大值区域内。参考文献 1 王建捷,陶诗言.1998年梅雨锋的结构特征及形成与维持J.应用气象学报,2002,13(5):526-5342 倪允琪,周秀骥.我国长江中下游梅雨锋暴雨研究的进展J.气象.2006.1(1):-123 丁一汇.1992年江淮流域持续性特大暴雨研究.北京:气象出版社.1993:-404 陶诗言,卫捷,张小玲. 2007年梅雨锋降水的大尺度特征分析 J.气象,2008,34(4):3 -15. 5 黄小玉,姚蓉,叶成志,等. 梅雨锋引发的“03.7”特大暴雨雷达回波分析J.气象.2008,34(8):45-506 岳彩军,寿绍文,林开平.一次梅雨暴雨过程中潜热的计算分析J.气象科学,2002,22(4):469-473.7 李俊,李武阶,廖移山. 基于配料的梅雨锋强降水预报方法 J. 气象,2006,32(9):3-8.8 尹东屏,张备,孙燕,等. 2003年和2006年梅汛期暴雨的梅雨锋特征分析J.气象,2010,36(6):1-69 熊秋芬,胡江林,张耀存. 梅雨锋降水带中不同地域大暴雨成因的对比分析 J.气象,2006,32(7):72-8010 吴国雄,蔡雅萍.风垂直切变和下滑倾斜涡度发展 J .大气科学,1997,21(3):273-282.11 张端禹,丁治英,张兴强,等.2003年江淮梅雨暴雨与湿位涡关系J.南京气象学院学报,2006,29(4):527-532The relation between Meiyu rainstorm area and Meiyu front characteristicsLiu Yu-lu Du Qi-cheng(Huangshan Meteorological Observatory, Huangshan 245021)AbstractWith the NCEP reanalysis data, 2010 Meiyu front characteristics during rainstorm period in Yangtze River Valley were analyzed. The result shows that rainstorm area is, namely, maximum of cloud cov