沈桐立,曾瑾瑜,2,朱偉軍,丁治英

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210044;2.福建省氣象臺(tái),福建福州 350001)

0 引言

華南暴雨的預(yù)警預(yù)報(bào)一直是華南防汛抗災(zāi)的重點(diǎn)問(wèn)題,而暴雨是影響福建的主要災(zāi)害性天氣之一,每年因暴雨給福建造成的損失達(dá)千萬(wàn)元以上。因此,研究福建暴雨成因進(jìn)而對(duì)其作出較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)有著重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

華南暴雨(指前汛期)既具有江淮梅雨期暴雨的一些共同特點(diǎn),又由于其地處低緯度地區(qū),還呈現(xiàn)出一些獨(dú)特的地域特點(diǎn)。由于目前常規(guī)觀測(cè)資料時(shí)空尺度分辨率的限制,很難揭示中尺度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征及演變過(guò)程。近10 a來(lái),中尺度數(shù)值模式的應(yīng)用為揭示強(qiáng)降水天氣的成因提供了有效的途徑。孫建華等[1]用MM5模式對(duì)一次發(fā)展生成的低渦以及伴隨的對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)行了分析和研究,認(rèn)為低層的暖平流可能是低渦東移發(fā)展的原因之一。蒙偉光等[2]分析了98.5暴雨過(guò)程的云團(tuán),用MM5模擬其生消過(guò)程,了解了其運(yùn)動(dòng)的特征及中尺度系統(tǒng),進(jìn)而根據(jù)濕位渦守恒原理和傾斜渦度發(fā)展理論分析了暴雨和MCS形成和發(fā)展的原因,得出了華南地區(qū)濕等熵面上暴雨和MCS發(fā)生發(fā)展的一個(gè)物理概念模型[3]。張潤(rùn)瓊和沈桐立[4]用MM5模式對(duì)貴州的一次暴雨過(guò)程進(jìn)行了模擬,得出濕位渦的高低層配置是暴雨發(fā)生發(fā)展的有利形勢(shì)。周國(guó)兵等[5]用MM5模式對(duì)造成重慶暴雨天氣的西南渦進(jìn)行分析,并構(gòu)造了高低層的物理量場(chǎng)分析形成暴雨發(fā)生條件和落區(qū)分布的物理概念模型。

在國(guó)外,對(duì)WRF模式的應(yīng)用和中尺度暴雨系統(tǒng)做過(guò)不少研究工作[6-9]。以往的模擬研究多采用MM5模式對(duì)暴雨過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬并用模式輸出的基本物理量對(duì)暴雨過(guò)程的成因進(jìn)行診斷分析,然而運(yùn)用WRF模式來(lái)討論華南暴雨尤其這種非臺(tái)風(fēng)暴雨的尚少[1-5,10-11]。本文利用WRF模式對(duì)2006年6月6—7日福建地區(qū)出現(xiàn)的一次特大暴雨過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬和診斷分析,以揭示中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制,檢驗(yàn)WRF模式的預(yù)報(bào)能力,提高暴雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

1 雨情概況和環(huán)流形勢(shì)演變

2006年6月5日開始,重慶東南部、湖北南部、貴州北部、湖南大部、江西中北部、浙江南部、福建中北部出現(xiàn)了暴雨和大暴雨,局部地區(qū)特大暴雨,其中福建經(jīng)歷了2006年入汛以來(lái)最強(qiáng)的暴雨過(guò)程,受災(zāi)尤為嚴(yán)重。6日開始降雨強(qiáng)度加強(qiáng)。強(qiáng)降雨時(shí)段主要集中在6—7日,建甌市4 408名考生推遲高考,給考生造成了極大的不便。閩江流域發(fā)生20 a一遇大洪水,給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生活帶來(lái)巨大損失。

從500 hPa實(shí)況高度場(chǎng)上(圖略)可以看出,6月4—5日亞洲環(huán)流經(jīng)向度逐漸增大,亞洲西部和東部分別是兩個(gè)近南北向的脊,槽位于貝加爾湖以北、烏拉爾山以東地區(qū),此槽由于來(lái)自極地冷空氣的補(bǔ)充,不斷加深,并于5日形成切斷低渦,中心強(qiáng)度544 dagpm。同時(shí)副高脊線位于15°N,副高西脊點(diǎn)西伸至118°E附近,副高北側(cè)低層存在一條暖濕的西南急流,850 hPa最大風(fēng)速達(dá)16 m/s。從6月7日02時(shí)起位于貝加爾湖以東的切斷冷渦移入我國(guó),形成東北冷渦,其低槽南北向經(jīng)向度很大并一直延伸至江南北部,低槽后部為寬廣的西北氣流,西北氣流攜帶著大量的干冷空氣由貝湖以西南下(圖1a),在700 hPa上與西南暖濕氣流在江南北部形成一條明顯的切變線,對(duì)應(yīng)地面為一靜止鋒區(qū)。6月7—9日,切變線、地面靜止鋒移至華南北部。6月10日切變線、地面靜止鋒逐漸南移至海上,地面降水過(guò)程漸漸結(jié)束。在這種環(huán)流形式下,由于處于冷暖氣流的交匯處,充足的水汽供應(yīng)和足夠的抬升動(dòng)力條件導(dǎo)致華南大部出現(xiàn)大范圍的大到暴雨。福建南平的部分地區(qū)出現(xiàn)了特大暴雨,其中6月6日08時(shí)—7日20時(shí)36 h的累積雨量超過(guò)了300 mm,如圖1b所示。

2 模式簡(jiǎn)介

本文采用的WRF(Weather Research and Forecasting)模式是由美國(guó)多個(gè)部門聯(lián)合開發(fā)研制的新一代細(xì)網(wǎng)格中尺度數(shù)值模式,版本為WRFV2.1.2。它的網(wǎng)格設(shè)計(jì)分辨率可達(dá)1～10 km,模式采用全可壓、非靜力學(xué)方程,分為歐拉高度坐標(biāo)和歐拉質(zhì)量坐標(biāo)兩種坐標(biāo)體系,水平格點(diǎn)采用Arakawa C格式。

微物理過(guò)程采用Lin方案,長(zhǎng)波輻射方案采用rrtm方案,短波輻射方案采用Dudhia方案,積云對(duì)流參數(shù)化方案采用淺對(duì)流的Kain-Fritsch方案,大氣邊界層方案采用5層熱擾動(dòng)方案,時(shí)間積分方案采用歐拉顯式時(shí)間分裂積分方案,時(shí)間步長(zhǎng)取60 s。

模式的初始條件和側(cè)邊界條件均采用NCEP每6 h一次的全球再分析資料,積分區(qū)域中心為116.0°E、28.5°N,網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為251×241,網(wǎng)格距為12 km,垂直方向積分層為31層,模式頂氣壓為50 hPa。積分時(shí)間從2006年6月6日08時(shí)到7日20時(shí),模式結(jié)果1 h輸出一次。

圖1 2006年6月7日08時(shí)500 hPa實(shí)況場(chǎng)(a;單位:gpm)和6月6日08時(shí)至7日20時(shí)36 h降水實(shí)況(b;單位:mm)Fig.1 (a)Observed 500 hPa height field(gpm)at0800 BST 7th June 2006,and(b)observed cumulative rainfall(mm)from 0800 BST 6th to 2000 BST 7th June 2006

3 模擬結(jié)果分析

3.1 500 hPa高度場(chǎng)的模擬

圖2給出了6月6日14時(shí)NCEP再分析高度場(chǎng)與同時(shí)次模式輸出的500 hPa高度場(chǎng)。對(duì)比發(fā)現(xiàn),對(duì)位于102～129°E、35～40°N的高空冷渦、朝鮮半島的高壓脊、5 840 gpm等高線以及15°N以北副高位置的模擬與實(shí)況非常接近,表明模式有很好的模擬能力。

圖2 2006年6月6日14時(shí)(北京時(shí))500 hPa高度場(chǎng)的實(shí)況和模擬情況(等值線間隔:40 gpm) a.NCEP再分析場(chǎng);b.模式積分6 h輸出場(chǎng)Fig.2 (a)Observed(NCEP reanalysis)and(b)simulated(WRFV2.1.2)500 hPa height fields at 0800 BST 7th June 2006(contour interval:40 gpm)

圖3 2006年6月6日08時(shí)—7日20時(shí)36 h降水量的模擬結(jié)果(單位:mm)Fig.3 Simulated rainfall(mm)from 0800 BST 6th to 2000 BST 7th June 2006

3.2 降水實(shí)況的模擬

評(píng)價(jià)一個(gè)中尺度天氣模式的好壞,主要看它對(duì)降水的模擬和預(yù)報(bào)能力。圖3是模式模擬的降水結(jié)果,模式對(duì)110～120°E范圍內(nèi)雨帶的走向和位置模擬得較好,與實(shí)況基本一致。對(duì)于(118°E,27°N)附近的特大暴雨中心,模擬的中心位置約在(117.5°E,26.5°N)附近,比實(shí)況偏東南,降水量約為300 mm,比實(shí)況偏小。而對(duì)于(119°E,27°N)附近的暴雨中心,模擬的中心位置約在(119°E,26°N),也比實(shí)況偏東南,比實(shí)況偏小。

本次暴雨中心在建甌(118.33°E,27.06°N)、屏南(118.99°E,26.92°N)附近,圖4給出的是這兩站36 h逐時(shí)雨量自記記錄,圖5則是相應(yīng)模擬的格點(diǎn)(118°E,27°N)和(119°E,27°N)的降水量隨時(shí)間變化的曲線。圖5的降水量的變化曲線與圖4的雨量自記記錄曲線較為吻合,總體上來(lái)看,該模式對(duì)這次大暴雨過(guò)程的模擬是成功的。由此也揭示出此次過(guò)程存在中尺度系統(tǒng)作用。

圖4 建甌站(a)、屏南站(b)6日08時(shí)—7日20時(shí)的逐時(shí)自記雨量(單位:mm)Fig.4 Observed hourly rainfall(mm)at(a)Jianou and(b)Pingnan stations during 0800 BST 6th—2000 BST 7th June 2006

圖5 6日08時(shí)—7日20時(shí)格點(diǎn)(118°E,27°N)(a)和(119°E,27°N)(b)的模擬降水量(單位:mm)Fig.5 Simulated hourly rainfall(mm)at grid points(a)(118°E,27°N)and(b)(119°E,27°N)during 0800 BST 6th—2000 BST 7th June 2006

3.3 中尺度低渦結(jié)構(gòu)分析

分析6日08時(shí)至7日20時(shí)模擬的850 hPa流場(chǎng)和對(duì)應(yīng)雨量的逐時(shí)演變(圖6),可以看到在華南地區(qū)有數(shù)個(gè)中尺度雨團(tuán)生成并伴隨中尺度低渦從西往東移動(dòng)。從6日08時(shí)開始,在湖南東北部和江西東北部的輻合線加深,有兩個(gè)中尺度低渦生成,并伴有10 mm/h以上的雨團(tuán)出現(xiàn)(圖6a),福建中北部沿海雨強(qiáng)為20 mm/h左右。接近17時(shí),湖南東北部的低渦減弱,流場(chǎng)結(jié)構(gòu)開始松散,漸漸與江西東北部的低渦合并,形成一個(gè)較大的低渦,低渦南側(cè)有數(shù)個(gè)10 mm/h的中尺度雨團(tuán),福建中部沿海雨強(qiáng)減弱。將近20時(shí)(圖6b)低渦強(qiáng)度漸漸增強(qiáng),福建中北部切變明顯,出現(xiàn)了30 mm/h的雨強(qiáng),而福建中部沿海的雨強(qiáng)開始減弱。23時(shí)至7日08時(shí)低渦一直維持在江西并逐漸增強(qiáng),輻合線上的雨團(tuán)強(qiáng)度基本維持在20 mm/h左右。7日11時(shí)(圖6c),低渦中心移到福建和江西交界附近,并逐漸分散成兩個(gè)低渦。以后低渦伴隨雨團(tuán)繼續(xù)向東移動(dòng),到20時(shí)后東移出海。從以上的分析可以看出,中尺度低渦是本次暴雨過(guò)程的主要影響系統(tǒng)之一,低渦的時(shí)空演變特征與暴雨中心的移動(dòng)和雨強(qiáng)的變化相一致。產(chǎn)生這次降雨的雨團(tuán)通常只有幾十km到100 km左右,表現(xiàn)出非常明顯的β中尺度。

由此可見,本次試驗(yàn)不僅再現(xiàn)了暴雨過(guò)程中大尺度天氣系統(tǒng)的環(huán)流形勢(shì),而且成功地復(fù)制了切變線上的低渦等中尺度系統(tǒng)的活動(dòng)過(guò)程,另外還成功地模擬了強(qiáng)降水中心的分布和演變。除了24h降水中心值比實(shí)況偏小,中心位置稍偏南外,模擬效果還是比較理想的。這說(shuō)明該模式模擬大氣演變過(guò)程與實(shí)際天氣變化運(yùn)動(dòng)是非常近似的,利用這樣的模式輸出的要素場(chǎng)結(jié)果可以彌補(bǔ)實(shí)況觀測(cè)在時(shí)空分布上的不足,更好地揭示真實(shí)大氣的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì),刻畫中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的機(jī)理。下面就利用模式輸出的高時(shí)空分辨率資料進(jìn)行診斷分析研究,希望能對(duì)暴雨及其中尺度系統(tǒng)發(fā)展演變機(jī)制能有更深一步的認(rèn)識(shí)。

圖6 模擬的850hPa流場(chǎng)(帶箭頭實(shí)線)和1h降水量(短虛線) a.6日12時(shí);b.6日20時(shí);c.7日11時(shí)Fig.6 Sim ulated850hPa stream line fields(solid line w ith arrow s)overlaid w ith hourly precipitation(dash line)a.1200BST6th;b.2000BST6th;c.1100BST7th

4 高低空急流的影響作用分析

高低空急流在暴雨的形成中有相當(dāng)重要的作用,特別是在高空急流出口區(qū)的高低空急流耦合是強(qiáng)降雨發(fā)生的重要原因[12-13]。徐海明等[14]在對(duì)西北風(fēng)高空急流的研究中發(fā)現(xiàn),傾斜的急流軸更有利于暴雨的發(fā)生,而朱乾根[15]指出我國(guó)暴雨往往發(fā)生于高空西南急流右后方,王小曼等[16]也指出,梅雨暴雨與高空急流關(guān)系密切,暴雨多出現(xiàn)在西北風(fēng)高空急流的右前方或西南風(fēng)高空急流的右后方。在這種高低空急流形勢(shì)下,低空急流造成暖濕空氣輸送,高空急流則導(dǎo)致干冷空氣平流,從而加強(qiáng)了大氣潛在的不穩(wěn)定,而且高低空急流耦合產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流的上升支將觸發(fā)潛在不穩(wěn)定能量的釋放[17]。

4.1 低空急流的動(dòng)力、熱力作用

這次暴雨過(guò)程,850hPa的西南風(fēng)5日開始加強(qiáng),隨著西南風(fēng)的加強(qiáng)和低空急流的建立,大氣的濕度迅速加大。6日08時(shí)起比濕大于14g/kg,濕舌從西南伸向福建西北部地區(qū),濕舌走向與低空急流走向一致,高濕中心位于急流軸的上風(fēng)方。急流軸起了水汽的輸送帶的作用,使得福建的西北部在暴雨期間一直維持比濕大于14g/kg的高濕環(huán)境,從6日11時(shí)到7日11時(shí)高比濕中心維持在16g/kg。

強(qiáng)降雨的發(fā)生需要高能量的條件,而高溫高濕環(huán)境對(duì)應(yīng)著高能量場(chǎng)。θse(假相當(dāng)位溫)是表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合特征量,θse的分布反映了大氣中能量的分布。θse的高值區(qū)為高能區(qū),θse場(chǎng)中等值線密集區(qū)又為能量鋒區(qū),而暴雨的發(fā)生必需要有能量鋒區(qū)的存在[18]。

6月6日0 8時(shí)開始,福建北部850～200hPa各層均為高能區(qū)(圖略),說(shuō)明福建地區(qū)上空具有很高的能級(jí)。特別是低層(850～700hPa)福建北部θse都在344K以上,表明了對(duì)流層低層是高溫高濕區(qū),它不但是產(chǎn)生暴雨所必需的水汽輸送帶,也是造成暴雨強(qiáng)對(duì)流所必需的位勢(shì)不穩(wěn)定能量的輸送者。而從各時(shí)段的850hPa等θse圖都可以看出,整個(gè)福建都處于高能區(qū),850hPaθse場(chǎng)均呈現(xiàn)經(jīng)典的“Ω”型。

具體分析850hPaθse的分布,6日08時(shí)開始福建沿海至華南有一條帶狀相當(dāng)位溫高值區(qū)達(dá)354 K,高能鋒區(qū)在26°N附近,θse場(chǎng)呈現(xiàn)“Ω”型,高能軸呈東西向;6日11時(shí)θse進(jìn)一步增高,有一個(gè)較明顯的南壓過(guò)程,鋒區(qū)維持在26°N以南。到20時(shí)開始高能軸呈東北—西南向,23時(shí)在(116°E,26°N)附近出現(xiàn)高值中心為360K。高值中心隨著時(shí)間向東北方向移動(dòng)并且慢慢減弱,到7日11時(shí)在(117°E,27°N)附近高值為352K,高值中心繼續(xù)減弱,而高能軸轉(zhuǎn)呈東南—西北向,不穩(wěn)定能量開始逐漸釋放;7日15時(shí)到17時(shí)高值帶繼續(xù)維持在附近,接近20時(shí)左右開始東移出海。高能區(qū)及其鋒區(qū)的變化與暴雨區(qū)的移動(dòng)是一致的。

圖7 2006年6月6日23時(shí)850hPaθse的分布(單位:K)Fig.7 850hPa pseudo-equivalent potential temperature(K)at2300BST6th June2006

圖7為6月6日23時(shí)850hPaθse分布,由圖可清楚看到福建都是高能區(qū),850hPaθse呈典型的“Ω”型,福建省及以北地區(qū)有高能舌發(fā)展,中心高達(dá)360K,高能軸位于117°E附近,能量呈不規(guī)則的Ω系統(tǒng)。福建北部位于能量峰區(qū)前部,聚集了較高的能量,θse值達(dá)348K,層結(jié)不穩(wěn)定。福建北部亦處于此高能軸的附近,高能軸呈東北—西南向,高能軸代表了高溫、高濕且不穩(wěn)定的暖氣團(tuán),兩側(cè)的低能值代表了干冷氣團(tuán)。從圖上可以看出來(lái)自北部的干冷氣團(tuán)夾著福建北部暖濕氣團(tuán),形成不同屬性氣團(tuán)的激烈交匯,雨區(qū)就落在兩種氣團(tuán)交匯處。這股冷空氣,有阻擋西南暖濕氣流向北擴(kuò)散,使低層輻合加強(qiáng)的作用。同時(shí)也是下沉氣流,對(duì)暴雨的出現(xiàn)有重要作用,在冷平流侵入下,輻合區(qū)內(nèi)的上升運(yùn)動(dòng)加劇,這有利于對(duì)流不穩(wěn)定能量和潛熱的大量釋放,造成強(qiáng)降水。能量形勢(shì)對(duì)強(qiáng)降雨的發(fā)生和維持非常有利,表明低空急流的建立在福建形成了高能高濕的大氣條件,為暴雨的發(fā)生提供充足的能量和水汽來(lái)源。

暴雨期間850hPa始終維持著強(qiáng)勁的西南急流,急流軸附近風(fēng)速在12～27m/s,強(qiáng)風(fēng)核的移動(dòng)、大小與雨強(qiáng)的變化保持一致(圖8)。急流北側(cè)的安徽到江西一帶有一切變線,在長(zhǎng)江流域有一東西向的輻合帶,在切變線附近存在強(qiáng)烈的水平風(fēng)速輻合。閩西北地區(qū)就處在切變線輻合和水平風(fēng)速輻合相重合的強(qiáng)輻合區(qū)內(nèi)。低空急流軸的北側(cè)有氣旋性風(fēng)速切變產(chǎn)生正渦度,為低空的輻合起到了加速的作用,強(qiáng)烈輻合可以觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放,進(jìn)而又有利于上升運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生。因此在急流軸最大風(fēng)速中心的左前方是上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)處,也有利于低渦的形成和發(fā)展。

4.2 垂直運(yùn)動(dòng)和高低空急流的耦合

高空200hPa上一直有強(qiáng)烈的西北風(fēng)急流存在,急流軸較寬,200hPa高空低槽位于東北平原大興安嶺附近,6月5—7日蒙古到長(zhǎng)江下游維持西北風(fēng)向,福建及其他華南地區(qū)處于西北風(fēng)急流出口區(qū)南側(cè)(右前方)。在高空急流的南側(cè)誘發(fā)了強(qiáng)的負(fù)渦度區(qū),負(fù)渦度中心在急流軸氣旋性曲率最大處的東南側(cè),并形成高層的強(qiáng)輻散場(chǎng),高層的強(qiáng)輻散場(chǎng)有利低層的輻合,有助于低層切變線的維持。這支高空急流在暴雨期間強(qiáng)風(fēng)軸隨著低槽的加強(qiáng)維持在30～45°N區(qū)域內(nèi),7—8日高空低槽東移,西北風(fēng)急流也慢慢轉(zhuǎn)為西風(fēng)急流,高空急流開始減弱北撤,低層切變也減弱,福建的強(qiáng)降水過(guò)程隨之漸漸結(jié)束。在模擬的時(shí)段內(nèi),高空急流軸位于低空急流軸北側(cè)約2～3°lat附近,二者相對(duì)位置基本穩(wěn)定,構(gòu)成了有利暴雨發(fā)生的適宜配置。

在暴雨的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中,較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)是重要條件之一。圖9a是7日02時(shí)垂直速度沿27°N的經(jīng)向剖面。6日08時(shí)垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)出現(xiàn)在117.5°E和119°E附近,隨著西南氣流的增強(qiáng)和低渦的發(fā)展移動(dòng),與暴雨云團(tuán)的移動(dòng)相對(duì)應(yīng),14時(shí)119°E附近出現(xiàn)了較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng),垂直速度為0.5 m/s。17時(shí)之后垂直上升運(yùn)動(dòng)開始減弱。7日02時(shí)117.5°E附近垂直上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),到08時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)最大上升運(yùn)動(dòng)區(qū),一個(gè)在117.5°E附近,一個(gè)在119°E附近,垂直速度為1.2m/s。過(guò)了11時(shí),上升運(yùn)動(dòng)區(qū)仍然維持在暴雨中心上空,而強(qiáng)度慢慢減弱,暴雨也隨著有所減弱。

由高低層垂直速度分布可以看出強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)是從低層直達(dá)高層的,并與下沉運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng),這初步表明了垂直環(huán)流的存在。為了更清楚了解垂直環(huán)流的情況,選擇強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心繪制南北向的垂直運(yùn)動(dòng)上下層剖面(圖9b是7日02時(shí)垂直速度沿117.5°E的緯向剖面),從圖9中可以看到上升速度區(qū)一側(cè)(或兩側(cè))存在明顯的下沉運(yùn)動(dòng),即垂直環(huán)流非常明顯。

高空急流的右側(cè)為負(fù)渦度區(qū),形成非地轉(zhuǎn)風(fēng)的輻散區(qū),高層的抽吸作用形成次級(jí)環(huán)流,而在低空急流的左側(cè)不但有非地轉(zhuǎn)風(fēng)輻合,還有切變線上的風(fēng)場(chǎng)輻合,由此產(chǎn)生較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng),當(dāng)高低空急流處于合適的位置時(shí),高空急流右側(cè)的上升區(qū)與低空急流左側(cè)的上升區(qū)相重疊,這在散度場(chǎng)上表現(xiàn)為高空輻散區(qū)和低層輻合區(qū)的垂直配置,形成深厚的、強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。

圖8 模式輸出850hPa風(fēng)速及低空急流(陰影部分為風(fēng)速≥12m/s) a.6日12時(shí);b.6日21時(shí);c.7日08時(shí);d.7日20時(shí)Fig.8 Sim ulated850hPa w ind vector fields and low-level jets(shadings:≥12m/s)at(a)1200BST6th,(b)2100 BST6th,(c)0800BST7th,and(d)2000BST7th June

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn),在整個(gè)暴雨時(shí)段,垂直速度的強(qiáng)烈上升區(qū)均處在暴雨區(qū)附近,隨上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)中心的加強(qiáng)降水也增強(qiáng),暴雨中心位于最大垂直速度中心附近,福建強(qiáng)降水隨垂直上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)而增強(qiáng)、減弱而減弱。結(jié)合上文的分析,暴雨區(qū)位于低渦東南側(cè),存在下層輻合上層輻散的有利形勢(shì),垂直速度場(chǎng)分析顯示暴雨區(qū)兩側(cè)存在垂直的次級(jí)環(huán)流,這些非常有利的動(dòng)力形勢(shì)充分證實(shí)了高低空急流耦合形勢(shì)的存在,說(shuō)明高低空急流耦合對(duì)低層渦旋的發(fā)生發(fā)展起到促進(jìn)和加強(qiáng)的作用,是此次強(qiáng)降雨發(fā)生的一次動(dòng)力機(jī)制。

本次過(guò)程存在高低空急流耦合的有利形勢(shì),強(qiáng)降雨落區(qū)位于低空西南風(fēng)急流出口區(qū)的左側(cè)和200 hPa西北風(fēng)急流的出口區(qū)西南側(cè),即低空急流的左側(cè)與切變線的前沿,強(qiáng)降雨落區(qū)也是超低空急流的輻合區(qū),并隨低空急流的東移而移動(dòng),高低空急流的維持及其位置的變化對(duì)強(qiáng)降雨的產(chǎn)生及維持有著重要的作用。

5 濕位渦分析

圖9 2006年6月7日02時(shí)垂直速度的垂直剖面(單位:cm/s) a.沿27°N的緯向剖面;b.沿117.5°E的經(jīng)向剖面Fig.9 V ertical cross-sections of vertical velocity(cm/s)along(a)27°N and(b)117.5°E at0200BST7th June2006

濕位渦這一物理量不僅表征了大氣動(dòng)力、熱力屬性,而且考慮了水汽的作用。對(duì)濕位渦進(jìn)行診斷,可以尋求各熱力和動(dòng)力及水汽條件與降水的關(guān)系,從而揭示降水發(fā)生發(fā)展的的物理機(jī)制。在p坐標(biāo)下忽略ω的水平變化,有[19]

const。

將其寫成分量形式,有

其中:ζMPV1表示慣性穩(wěn)定性與對(duì)流穩(wěn)定性的作用;ζMPV2包含了濕斜壓性和水平風(fēng)垂直切變的貢獻(xiàn)。濕位渦單位(PVU)是10-6m2·K·s-1·kg-1。

圖10 2006年6月7日05時(shí)850hPa(a)和200hPa(b)的濕位渦分布(單位:10-6m2·K·s-1·kg-1)Fig.1 0 Moist potential vorticity(10-6m2·K·s-1·kg-1)at(a)850hPa and(b)200hPa at0500BST7th June2006

下面將對(duì)此次過(guò)程的濕位渦進(jìn)行分析。從這次過(guò)程模擬850hPa中尺度系統(tǒng)的位置變化可以看出,從6日08時(shí)開始,福建的中北部有雨帶,在相應(yīng)的850hPa流場(chǎng)上有明顯的渦旋環(huán)流與之對(duì)應(yīng),在(117°E,27°N)附近出現(xiàn)了-1.8PVU的低渦高值中心。17時(shí)之后低渦中心有所減弱,并向東北方向移動(dòng),7日02時(shí)到08時(shí)在(117°E,27.5°N)的值為維持在-1.5PVU左右。14時(shí)后濕位渦中心明顯減弱至-0.6PVU,降雨也有明顯減弱。圖10為成熟時(shí)期(7日05時(shí))850hPa和200hPa的濕位渦分布。

結(jié)合各層水平流場(chǎng)圖可知,雨帶對(duì)應(yīng)的低層850hPa上均為氣流輻合區(qū),地面氣壓場(chǎng)上對(duì)應(yīng)的是中低壓。當(dāng)?shù)蛯娱_始出現(xiàn)渦旋環(huán)流,地面的中低壓加強(qiáng)。低渦發(fā)展至成熟階段時(shí),地面低壓已經(jīng)加深為有閉合等值線的中尺度低壓。暴雨過(guò)程中,對(duì)流層中低層500hPa以下為負(fù)值區(qū),各層低渦中心與降水中心相比稍有向西偏移。為了進(jìn)一步了解與降水中心相對(duì)應(yīng)的中尺度低渦的垂直結(jié)構(gòu),圖11給出了成熟時(shí)期(7日05時(shí))沿27°N的濕位渦的經(jīng)向剖面圖。對(duì)流層高層400hPa以上M PV為正值區(qū),隨著對(duì)流層高層正值帶增強(qiáng),對(duì)流層低層負(fù)值帶也在增強(qiáng),表明低層的不穩(wěn)定能量將會(huì)大量釋放,對(duì)流不穩(wěn)定迅速發(fā)展起來(lái),降雨增強(qiáng)。在降水中心上空形成了低層輻合,高層輻散的結(jié)構(gòu),有利于渦旋系統(tǒng)的發(fā)展,高低層配置較一致。

6 結(jié)論

本文采用W RF中尺度數(shù)值模式對(duì)2006年6月6—7日福建一次特大暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對(duì)模式結(jié)果進(jìn)行了天氣動(dòng)力學(xué)診斷分析。得到如下結(jié)論:

(1)本次試驗(yàn)不僅再現(xiàn)了暴雨過(guò)程中大尺度天氣系統(tǒng)的環(huán)流形勢(shì)及其演變狀況,也成功地復(fù)制了切變線及切變線上低渦等中尺度系統(tǒng)的活動(dòng)過(guò)程,另外還成功地模擬了強(qiáng)降水中心的分布和演變,有利于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)本次過(guò)程的可能物理機(jī)制。

(2)利用模式輸出的較高時(shí)空分辨率的輸出結(jié)果分析得出:高低空穩(wěn)定維持急流形勢(shì);低空急流維持了低空對(duì)流不穩(wěn)定形勢(shì);高低空急流維持了高空輻散、低空輻合的上升運(yùn)動(dòng)有利條件。在低層切變線輻合上升的觸發(fā)機(jī)制下,產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流上升運(yùn)動(dòng),高低空的耦合是強(qiáng)降雨爆發(fā)及維持的重要機(jī)制。

圖11 2006年6月7日05時(shí)沿27°N的濕位渦的緯向剖面(單位:10-6m2·K·s-1·kg-1)Fig.1 1 Vertical cross-section for moist potential vorticity(10-6m2·K·s-1·kg-1)along27°Nat0500BST7th June2006

(3)低渦是本次暴雨過(guò)程的主要影響系統(tǒng)之一,低渦的時(shí)空演變特征與暴雨中心的移動(dòng)和雨強(qiáng)的變化相一致。高層的中尺度輻散區(qū)和低層中尺度輻合區(qū)的形成和發(fā)展對(duì)低層中尺度渦旋的發(fā)生發(fā)展起到促進(jìn)和加強(qiáng)的作用。

(4)在整個(gè)暴雨時(shí)段,暴雨區(qū)為強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)區(qū),隨著上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)中心的加強(qiáng)并向上抬升強(qiáng)降水增強(qiáng),暴雨中心位于最大垂直速度中心附近。垂直速度場(chǎng)分析顯示暴雨區(qū)兩側(cè)存在垂直的次級(jí)環(huán)流,這些非常有利的動(dòng)力形勢(shì)充分證實(shí)了高低空急流耦合形勢(shì)的存在,說(shuō)明高低空急流耦合是此次強(qiáng)降雨發(fā)生的主要?jiǎng)恿C(jī)制。

(5)暴雨天氣過(guò)程發(fā)生在高溫高濕區(qū),暴雨期間850hPaθse場(chǎng)呈現(xiàn)經(jīng)典的“Ω”型。高能區(qū)的移動(dòng)變化與降雨系統(tǒng)的變化一致,能量形勢(shì)對(duì)強(qiáng)降雨的發(fā)生和維持非常有利。

(6)對(duì)流層中低層負(fù)濕位渦區(qū)、高層正濕位渦區(qū)的配置有利于造成較強(qiáng)烈的中尺度上升運(yùn)動(dòng),對(duì)預(yù)報(bào)有一定的指示意義。

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