張羽,牛生杰,于華英,張錄青,勞漢瓊

(1.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點(diǎn)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210044;2.湛江市氣象局,廣東湛江 524001;3.韶關(guān)市氣象局,廣東韶關(guān) 512026)

0 引言

雷州半島西南部是歷史的苦旱區(qū),年雨量一般1 200 mm左右,干旱年份800 mm左右,是改水治旱的重點(diǎn)地區(qū)。2007年8月8—11日雷州半島西南部出現(xiàn)了致洪特大暴雨(簡(jiǎn)稱(chēng)“07.8”致洪特大暴雨)。村莊被淹,農(nóng)作物受浸,部分道路被毀、橋梁沖垮,水利設(shè)施嚴(yán)重受損。

氣象學(xué)家已經(jīng)利用常規(guī)觀測(cè)資料和數(shù)值模擬手段對(duì)暴雨過(guò)程中的中小尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和發(fā)生發(fā)展的機(jī)理做了大量的科學(xué)研究[1-3]。1979年,陳聯(lián)壽和丁一匯[4]對(duì)臺(tái)風(fēng)特大暴雨成因作了系統(tǒng)概述。近10 a來(lái),中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式的應(yīng)用為預(yù)報(bào)以及揭示強(qiáng)降水天氣的成因提供了有效的途徑[5-7]。由于具有較好的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的模擬能力,MM5中尺度非靜力模式被氣象科技工作者廣泛使用。高山紅等[8]使用MM5模式對(duì)臺(tái)風(fēng)影響下渤海及鄰域海面風(fēng)場(chǎng)演變的過(guò)程進(jìn)行模擬和分析;劉愛(ài)鳴等[9]進(jìn)行了低空急流對(duì)0212號(hào)臺(tái)風(fēng)“北冕”后部暴雨影響的分析和數(shù)值試驗(yàn);許美玲和段旭[10]對(duì)云南冬季一次強(qiáng)降水天氣過(guò)程進(jìn)行了模擬和分析,都取得了很好的模擬效果,并研究了天氣過(guò)程的形勢(shì)和機(jī)理。孫健等[11]在分析中發(fā)現(xiàn)了β中尺度線(xiàn)狀強(qiáng)雨帶是該降雨過(guò)程中的重要系統(tǒng)。陳永林等[12]研究了上?！?185”特大暴雨的中尺度強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)活動(dòng)特征及其環(huán)流背景。陳忠明等[13]對(duì)1998年7月21日發(fā)生在武漢附近地區(qū)的突發(fā)性特大暴雨過(guò)程的激發(fā)機(jī)制與中尺度環(huán)境場(chǎng)特征進(jìn)行了診斷。段麗和陳聯(lián)壽[14]用PSU/NCAR的中尺度模式對(duì)熱帶風(fēng)暴“菲特”(0114)造成的特大暴雨和M CS作了模擬研究和診斷分析。

本文利用MM5中尺度非靜力模式對(duì)2007年8月8—11日雷州半島的致洪特大暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對(duì)最強(qiáng)降水時(shí)段的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析,旨在為預(yù)報(bào)和防御同類(lèi)災(zāi)害性天氣提供參考依據(jù)。

1 模式簡(jiǎn)介及資料

數(shù)值模式選用由美國(guó)賓州大學(xué)和美國(guó)大氣科學(xué)研究中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)的非靜力中尺度原始方程模式(MM5),模式包含有比較完整的物理過(guò)程。模擬試驗(yàn)區(qū)采用三重嵌套的大小區(qū)域組成(圖1),D01區(qū)域82×101個(gè)格點(diǎn),格距為54km,D02區(qū)域121×121個(gè)格點(diǎn),格距18km,D03區(qū)域178×178個(gè)格點(diǎn),格距為6km。模式垂直方向?yàn)榈匦桅易鴺?biāo),即用無(wú)量綱量來(lái)定義模式層,pt、ps和p分別表示模式層頂、地面和某層的氣壓,共取23個(gè)不等距的σ層。模式的邊界層物理過(guò)程采用B lackadar參數(shù)化方案,顯式水汽方案取簡(jiǎn)單冰相方案,積云對(duì)流參數(shù)化D01區(qū)域取KF方案,D02、D03區(qū)域取G rell方案。將日本氣象廳的1.25°×1.25°格點(diǎn)資料直接插值到模式的網(wǎng)格點(diǎn)上作為客觀分析的初估場(chǎng),加入常規(guī)觀測(cè)資料經(jīng)客觀分析后得到模式的初值。

針對(duì)2007年8月8日20時(shí)—11日20時(shí)(北京時(shí),下同)的致洪特大暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行模擬研究,積分時(shí)間從8日20時(shí)—9日20時(shí),9日20時(shí)—10日20時(shí),10日20時(shí)—11日20時(shí)。

圖1 套網(wǎng)格區(qū)域示意Fig.1 Schematic diagram of nesting grid domains

2 天氣實(shí)況

2007年8月8—11日,雷州半島前期受強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“帕布”環(huán)流及其外圍云系影響,普降大到暴雨;后期“帕布”路徑轉(zhuǎn)向東北,天氣系統(tǒng)調(diào)整,強(qiáng)降水中心長(zhǎng)時(shí)間在雷州半島西南部擺動(dòng)維持,雷州市龍門(mén)鎮(zhèn)(110.0°E,20.7°N)自動(dòng)氣象站10日05時(shí)—11日05時(shí)的日雨量為674.9mm,烏石鎮(zhèn)(109.8°E,20.5°N)11日10—12時(shí)累計(jì)雨量達(dá)239.2mm,使雷州半島西南部出現(xiàn)特大暴雨。這場(chǎng)特大暴雨具有降水強(qiáng)度強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、雨量大、地段集中的特點(diǎn),致使出現(xiàn)嚴(yán)重洪災(zāi)。

在雷州半島致洪特大暴雨過(guò)程中,降水強(qiáng)度最大的時(shí)段在11日10—12時(shí),落區(qū)位于雷州市西南部的烏石鎮(zhèn)及其附近地區(qū),11日10—11時(shí)降雨量為89.1mm,11—12時(shí)降雨量為150.1mm,2h累計(jì)降雨量239.2mm(圖2a)。

圖2 11日10—12時(shí)累積降水量分布(a;單位:mm)及12時(shí)紅外衛(wèi)星云圖(b)Fig.2 (a)Cum ulative rainfall(mm)from1000to1200BST11th August and(b)infrared satellite image at1200 BST11th August

由11日12:00紅外衛(wèi)星云圖(圖2b)可見(jiàn),在雷州半島的中南部有明顯厚實(shí)的云層覆蓋,在雷州半島及其附近地區(qū)出現(xiàn)的明顯雨區(qū)和降水中心都有相對(duì)應(yīng)的云體,與實(shí)況強(qiáng)降水中心位置相對(duì)應(yīng)的是云圖上的亮溫低值區(qū)。

從11日11:59湛江714SD天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度、回波等值線(xiàn)圖(圖略)顯示,強(qiáng)回波和等值線(xiàn)的中心位于雷州市西南部及其附近海面,中心位置與實(shí)況強(qiáng)降水的中心位置相近,回波分布與降雨區(qū)分布相一致。

從上述實(shí)況資料分析,強(qiáng)降水區(qū)有明顯的中尺度對(duì)流系統(tǒng)特征。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 對(duì)24h累計(jì)降水和環(huán)流的模擬概況

圖3 2007年8月10日20時(shí)—11日20時(shí)模擬的24h累計(jì)降水(a;格距6km;單位:mm)和實(shí)況分布(b)Fig.3 (a)Sim ulated24-hour rainfall(grid spacing=6km;mm)and(b)observed one from2000BST10th to2000BST11th A ugust2007

分析模式的24h累計(jì)降水,模式對(duì)降水的強(qiáng)度和落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,尤其是對(duì)11日雷州半島降水最強(qiáng)的過(guò)程(圖3a)。由圖3a可見(jiàn),雷州半島110°E附近兩個(gè)分別超過(guò)400、600mm的降水中心和實(shí)況(圖3b)中烏石和龍門(mén)附近的強(qiáng)降水有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,而且從探測(cè)密度較高的中尺度自動(dòng)站資料中還發(fā)現(xiàn)龍門(mén)附近站點(diǎn)有接近600mm的降水中心。

從模式對(duì)過(guò)程的環(huán)流模擬結(jié)果和客觀分析對(duì)比來(lái)看,也基本接近。圖4是8月11日08時(shí)風(fēng)場(chǎng)的客觀分析和模擬結(jié)果的對(duì)比。對(duì)比圖4a、4b可以看到,925hPa上空,對(duì)“帕布”減弱后環(huán)流中心位置的模擬有所偏差,但是對(duì)粵西一帶低空的切變線(xiàn)有較好的模擬效果。對(duì)比圖4c、4d可以看到,700hPa上空,對(duì)“帕布”減弱后環(huán)流中心位置以及切變線(xiàn)有較好的模擬效果。對(duì)比圖4e、4f可以看到,200hPa上空,對(duì)香港附近環(huán)流中心位置以及對(duì)雷州半島輻散的流場(chǎng)有較好的模擬效果。另外,模式對(duì)其他時(shí)次的模擬也與實(shí)況基本接近(圖略)。

由此可見(jiàn),模式對(duì)這次強(qiáng)降水過(guò)程的模擬結(jié)果是基本可靠的。

3.2 最強(qiáng)降水時(shí)段時(shí)雨量的模擬

11日10—13時(shí)是這次過(guò)程降水最強(qiáng)的時(shí)段,從圖5的模擬降水量可以看到,10時(shí)降水中心位于雷州半島中南部東西沿海地區(qū),2個(gè)中心值時(shí)雨量均為25mm;11時(shí)強(qiáng)降水中心位于雷州市西南部沿海地區(qū),中心值為50mm;12時(shí)強(qiáng)降水中心仍位于雷州市西南部沿海地區(qū),中心位置比11時(shí)略偏東南,中心值為50mm;13時(shí)強(qiáng)降水中心位于雷州市西南部陸地上,中心值為50mm。

圖4 2007年8月11日08時(shí)925、700、200hPa風(fēng)場(chǎng)的實(shí)況(a,c,e)和數(shù)值模擬結(jié)果(b,d,f;格距18km)Fig.4 Observed/simulated wind(m/s)fields at(a/b)925hPa,(c/d)700hPa,and(e/f)200hPa at1200BST 11th August2007(grid spacing=18km)

模式對(duì)實(shí)況強(qiáng)降水時(shí)段時(shí)雨量位置的模擬基本接近實(shí)況,11日11—13時(shí)3h逐時(shí)模擬的強(qiáng)降水中心與雷州半島上實(shí)況強(qiáng)降水中心相一致,但模擬強(qiáng)降水的強(qiáng)度和實(shí)況有偏差,4h模擬的雷州半島及附近的強(qiáng)降水中心合計(jì)值為175mm,比實(shí)況明顯偏小105.1mm。分析逐時(shí)雨量,發(fā)現(xiàn)主要原因是模擬的降水比實(shí)況提前開(kāi)始出現(xiàn)并且推后結(jié)束,跨度時(shí)間較實(shí)況長(zhǎng)。

3.3 風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng)的模擬

從MM5模式18km格距模擬的11日12時(shí)各高度的風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng)模擬結(jié)果可分析,在925 hPa(圖6a)、850hPa(圖略)、700hPa(圖略)、500 hPa(圖6c)上,珠江三角洲附近是“帕布”減弱后較為完整的低壓環(huán)流,環(huán)流的西南端至雷州半島南部有條東北—西南走向的低槽,雷州半島南部的位勢(shì)高度較低,受“帕布”減弱后的環(huán)流影響,在雷州半島南部風(fēng)場(chǎng)輻合較強(qiáng)。

在400hPa(圖略)高度,“帕布”環(huán)流最低位勢(shì)高度為750gpm,在雷州半島和北部灣附近風(fēng)場(chǎng)較亂,位勢(shì)高度較低,為754gpm左右,雷州半島西部為偏北風(fēng),東南部為偏西風(fēng),在雷州半島中部風(fēng)場(chǎng)輻合較強(qiáng)。

在300hPa(圖6e)上,“帕布”環(huán)流中心西南落到珠江口附近,最低位勢(shì)高度為967gpm,在雷州半島西南部沿海有968gpm低值中心,雷州半島南部和海南島附近風(fēng)場(chǎng)較亂。

在200hPa(圖6g)上,珠江口附近的“帕布”環(huán)流最低位勢(shì)高度為1 249gpm,而在雷州半島西南部沿海有1 248gpm的低值中心,雷州半島南部風(fēng)場(chǎng)較亂。

從925hPa到200hPa層,“帕布”減弱后的環(huán)流中心從下向上是往西南方向傾斜,上層比下層中心更為明顯;在低層,雷州半島南部處在“帕布”環(huán)流的東北-西南走向的低槽底,隨著高度增加,氣壓的減小,槽底逐漸西南伸。在300hPa和200hPa高層上,在雷州半島西南部沿海及附近海面出現(xiàn)明顯的低值中心,在200hPa上,雷州半島西南部沿海的低值中心比“帕布”環(huán)流中心值還低。

從MM5模式6km格距模擬的11日12時(shí)風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng)模擬結(jié)果可分析,在低層925hPa(圖6b)上,雷州半島西南部沿海的位勢(shì)高度較低,海面上有小的閉合環(huán)流,在該區(qū)風(fēng)場(chǎng)輻合很強(qiáng)。在500hPa(圖6d)上,雷州半島西南部沿海地區(qū)為位勢(shì)高度低值區(qū),風(fēng)場(chǎng)輻合較強(qiáng)。

在300hPa(圖6f)上,在雷州半島西南部沿海有968gpm低值中心,在北部灣內(nèi)有低值區(qū),附近風(fēng)場(chǎng)較亂,低值區(qū)東部為西北風(fēng),西部為東北風(fēng),北部、南部為偏東風(fēng),風(fēng)場(chǎng)調(diào)轉(zhuǎn)為輻散場(chǎng)。

在200hPa(圖6h)上,在雷州半島西南部沿海有1 248gpm的明顯低值中心,在北部灣附近為低值區(qū),低值中心附近風(fēng)場(chǎng)較亂,東部為西北風(fēng),北部、西部為偏東風(fēng),南部為偏北風(fēng),風(fēng)場(chǎng)為明顯輻散場(chǎng)。

圖5 11日10時(shí)(a)、11時(shí)(b)、12時(shí)(c)、13時(shí)(d)逐時(shí)雨量模擬(單位:mm)Fig.5 Simulated hourly rainfall(mm)at(a)1000BST,(b)1100BST,(c)1200BST,and(d)1300BST11th August2007

上述風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng)模擬結(jié)果說(shuō)明,在暴雨過(guò)程中,最強(qiáng)降水主要是受“帕布”減弱后的外圍環(huán)流及其西南伸展的輻合槽帶的天氣形勢(shì)影響,在雷州半島西南部附近形成風(fēng)場(chǎng)低層明顯輻合、高層明顯輻散的低值中尺度對(duì)流系統(tǒng)而發(fā)生的。

圖6 11日12時(shí)925hPa、500hPa、300hPa、200hPa高度層18km格距(a,c,e,g)和6km格距(b,d,f,h)模擬的風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng)(單位:gpm)Fig.6 W ind(m/s)and geopotential height(gpm)fields at(a/b)925hPa,(c/d)500hPa,(e/f)300hPa,and(g/h)200hPa sim ulated at18km/6km grid spacing at1200BST11th August2007

3.4 垂直速度場(chǎng)的模擬

雷州半島三面環(huán)海,地形狹長(zhǎng),同時(shí)8月正處于西南夏季風(fēng)爆發(fā)階段,雷州半島及附近海面低層相對(duì)濕度大于90%,水汽條件充分。從MM5模式模擬的11日12時(shí)的925hPa(圖7a)、850hPa(圖略)、700hPa(圖略)、500hPa(圖7b)、400hPa(圖略)、300hPa(圖7c)、200hPa(圖7d)的垂直速度場(chǎng)模擬結(jié)果顯示,在各層上,雷州半島南部都是垂直速度高值區(qū),并且強(qiáng)中心都位于雷州半島西南部,各層的垂直速度場(chǎng)強(qiáng)中心值分別為0.5、1.0、2.4、4.5、4.5、4.5、2.4m/s,其中低層和頂層垂直速度值相對(duì)小,中高層值大,并都是正值,說(shuō)明在雷州半島西南部500hPa至300hPa上升氣流旺盛。

由上述分析,模擬的垂直速度場(chǎng)強(qiáng)中心位置與強(qiáng)降水發(fā)生落區(qū)相一致,說(shuō)明強(qiáng)的低層風(fēng)場(chǎng)輻合和高層風(fēng)場(chǎng)輻散致使產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流上升運(yùn)動(dòng),是這場(chǎng)特大暴雨過(guò)程中在雷州半島西南部出現(xiàn)降水強(qiáng)度最大的關(guān)鍵因素。

3.5 渦度場(chǎng)的模擬

從11日12時(shí)925hPa(圖8a)、850hPa(圖略)、700hPa(圖略)、500hPa(圖8b)、400hPa(圖略)、300hPa(圖8c)、200hPa(圖8d)渦度場(chǎng)的模擬結(jié)果分析,在925hPa上,在雷州半島南部有正的渦度區(qū),中心位于雷州半島西南部沿海地區(qū),中心值為40×10-5s-1,在該正渦度區(qū)的北側(cè)雷州半島中部有-10×10-5s-1的負(fù)渦度區(qū),在雷州半島的東部海面上有中心為70×10-5s-1的正渦度區(qū),比雷州半島南部的正渦度區(qū)范圍大、強(qiáng)度強(qiáng),海南島中南部有20×10-5s-1的正渦度區(qū)。

850hPa高度上,雷州半島南部的正的渦度區(qū)中心值加強(qiáng)為50×10-5s-1,該區(qū)北側(cè)的負(fù)渦度區(qū)消失。瓊州海峽東部有-10×10-5s-1的負(fù)渦度區(qū),雷州半島的東部海面上的正渦度區(qū)中心仍為70×10-5s-1,海南島中南部正渦度區(qū)中心加強(qiáng)為30×10-5s-1。

700hPa層上,雷州半島南部的正的渦度區(qū)中心值加強(qiáng)為60×10-5s-1,范圍增大,該區(qū)南北側(cè)的有-10×10-5s-1的負(fù)渦度區(qū),雷州半島的東部海面上的正渦度區(qū)中心減弱為60×10-5s-1,海南島中部正渦度區(qū)中心加強(qiáng)為40×10-5s-1。

在500hPa層上,雷州半島的東部海面上的正渦度區(qū)中心再減弱為40×10-5s-1,海南島中部正渦度區(qū)范圍北擴(kuò)。雷州半島南端和瓊州海峽上出現(xiàn)小于-10×10-5s-1的負(fù)渦度區(qū)。

400hPa層上,雷州市南部和徐聞縣北部為正渦度區(qū),中心值為40×10-5s-1,海南島中部正渦度區(qū)西移,雷州半島東部海面上的正渦度區(qū)明顯減弱。徐聞縣南部和瓊州海峽附近為負(fù)渦度區(qū),中心位于雷州半島西南端海面上,值為-40×10-5s-1。

300hPa高度上,雷州半島中部為正渦度區(qū),西部沿海和海南島中北部的中心值都為40×10-5s-1。在雷州半島南部、瓊州海峽和海南島東北部海面為呈彎曲帶狀分布的負(fù)渦度區(qū),最強(qiáng)中心位于海南島東北部海面上,為-50×10-5s-1,雷州半島南部為-30×10-5s-1。

圖7 11日12時(shí)925hPa(a)、500hPa(b)、300hPa(c)、200hPa(d)高度層垂直速度場(chǎng)模擬(單位:cm/s;18km格距)Fig.7 Sim ulated vertical velocity(cm/s)fields at1200BST11th August2007(grid spacing=18km)a.925hPa;b.500hPa;c.300hPa;d.200hPa

圖2 時(shí)925hPa(a)、500hPa(b)、300hPa(c)、200hPa(d)高度層渦度場(chǎng)模擬(單位:1;18km格距)Filated vorticity(10-5s-1)fields at1200BST11th August2007(grid spacing=18km)a.925hPa;b.500hPa;c.300hPa;d.200hPa

在200hPa高度上,雷州半島中部和東部海面為正渦度區(qū),較強(qiáng)中心位于西部沿海,海南島中北部轉(zhuǎn)為負(fù)渦度,中心值為-30×10-5s-1。在雷州半島西南部及其附近海面為負(fù)渦度區(qū),強(qiáng)中心位于雷州半島西南部海面上,為-30×10-5s-1。

在強(qiáng)降水發(fā)生落區(qū)上,渦度場(chǎng)表現(xiàn)為明顯的螺旋結(jié)構(gòu)。在低層正渦度中心與強(qiáng)降水中心相對(duì)應(yīng),強(qiáng)降水區(qū)域內(nèi)的正渦度區(qū)域從低層一直延伸到中層,到中層后再轉(zhuǎn)為負(fù)渦度區(qū),在雷州半島上正渦度最大中心位于700、500hPa高度上。負(fù)渦度最小中心位于300、200hPa高度。模擬的渦度場(chǎng)中心位置與強(qiáng)降水發(fā)生落區(qū)相一致,這次強(qiáng)降水落區(qū)與渦度場(chǎng)有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,渦度的變化也是雷州半島特大暴雨過(guò)程中西南部降水強(qiáng)度最大的主要因素。

3.6 散度場(chǎng)的模擬

從11日12時(shí)最強(qiáng)降水時(shí)段925hPa(圖9a)、850hPa(圖略)、700hPa(圖略)、500hPa(圖9b)、400hPa(圖略)、300hPa(圖9c)、200hPa(圖9d)散度場(chǎng)的模擬結(jié)果可見(jiàn),強(qiáng)降水發(fā)生落區(qū),低層強(qiáng)降水中心與負(fù)散度中心相對(duì)應(yīng),強(qiáng)降水區(qū)域內(nèi)的負(fù)散度區(qū)域從低層一直延伸到中層,到中層后再轉(zhuǎn)為正散度區(qū),在雷州半島上負(fù)散度最小中心位于700hPa上,正散度最大中心位于200hPa高層上。模擬的散度場(chǎng)中心位置與強(qiáng)降水發(fā)生落區(qū)相一致,強(qiáng)降水區(qū)域內(nèi)低層輻合高層輻散明顯,這種低層輻合高層輻散的分布,利于高空的抽吸作用和低層的輻合抬升作用,加速了強(qiáng)降水區(qū)域內(nèi)的垂直上升運(yùn)動(dòng),區(qū)域內(nèi)和附近的暖濕空氣被上升氣流帶到高空,動(dòng)力和熱力的共同作用造成了這次強(qiáng)降水。這次強(qiáng)降水落區(qū)與散度場(chǎng)有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,散度的變化也是影響雷州半島特大暴雨在西南部發(fā)生降水強(qiáng)度最大的原因。

3.7 暴雨中心附近主要物理量的垂直分布特征

圖10是2007年8月11日12時(shí)暴雨中心附近主要物理量的垂直剖面圖,對(duì)比圖10a、10b可以看到,特大暴雨中心附近(110.0°E,20.5°N)低層有強(qiáng)輻合、高層有強(qiáng)輻散;對(duì)比圖10c、10d可以看到,特大暴雨中心附近上空的正渦度呈柱狀分布,從低空一直延伸到對(duì)流層頂;對(duì)比圖10e、10f可以看到,特大暴雨中心附近上空的垂直上升運(yùn)動(dòng)很強(qiáng),中心值出現(xiàn)在400hPa附近,超過(guò)5m/s;從圖10g、10h可以清楚地看到暴雨中心附近垂直上升的流場(chǎng),同時(shí)從圖10h還可以看到,20.5°N南北兩側(cè),900hPa以下是南風(fēng)和北風(fēng)的輻合,900～700hPa之間,北側(cè)是北風(fēng)的抬升,南側(cè)20°N附近有補(bǔ)嘗下沉氣流。

圖9 11日12時(shí)925hPa(a)、500hPa(b)、300hPa(c)、200hPa(d)高度層散度場(chǎng)模擬(單位:10-5s-1;18km格距)Fig.9 Sim ulated divergence(10-5s-1)fields at1 200BST11th A ugust2007(grid spacing=18km)a.925hPa;b.500hPa;c.300hPa;d.200hPa

4 水汽通量與水汽通量散度的分布特征

圖11是2007年8月10—11日2d平均水汽通量和水汽通量散度的垂直積分。從圖11a可以看到,這次特大暴雨過(guò)程水汽來(lái)源于低緯海面,孟加拉灣經(jīng)中南半島到南海北部是這次過(guò)程的水汽通道,并且還可以看到茂名一帶還有一個(gè)低值中心,雷州半島一帶輻合明顯。從圖11b可以看到,8月10日到11日雷州半島和南海北部有強(qiáng)的水汽輻合。低緯海面源源不斷的水汽輸送以及水汽在雷州半島的強(qiáng)烈輻合,有利于特大暴雨的出現(xiàn)。

5 結(jié)論與討論

(1)MM5模式能基本模擬出2007年8月8—11日雷州半島特大暴雨過(guò)程中降水強(qiáng)度的主要特征,模擬的強(qiáng)降水中心與雷州半島上實(shí)況相一致,但模擬的強(qiáng)降水時(shí)間與實(shí)況出現(xiàn)的時(shí)間有偏差,模擬的強(qiáng)降水中心量值較實(shí)際值明顯偏小。模式采用不同積云對(duì)流參數(shù)化方案的效果有所不同,積云對(duì)流參數(shù)化D01區(qū)域取KF方案,D02、D03區(qū)域取G rell方案模擬效果較為理想。

(2)對(duì)格距為18km和6km分辨率的風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng)的模擬結(jié)果分析表明:在雷州半島致洪特大暴雨過(guò)程中,最強(qiáng)降水主要是受“帕布”減弱后的外圍環(huán)流及其西南伸展的輻合槽帶的天氣形勢(shì)影響,在雷州半島西南部附近形成風(fēng)場(chǎng)低層輻合、高層輻散的低值中尺度對(duì)流系統(tǒng)。6km分辨率的模擬結(jié)果能顯示出引發(fā)強(qiáng)降水的中尺度對(duì)流系統(tǒng)。由于對(duì)流活動(dòng)對(duì)熱量垂直輸送的影響,降水發(fā)生后,潛熱不斷向上輸送,使近地面氣溫明顯降低,對(duì)流層高層迅速變暖,而在低層邊界層則變冷,從而使對(duì)流上層維持暖心結(jié)構(gòu),有利于高空反氣旋環(huán)流的發(fā)展和氣流輻散的加強(qiáng),進(jìn)而又促進(jìn)了低空氣流的輻合[15]。在雷州半島西南部附近中尺度對(duì)流系統(tǒng)中可能由于降水的作用,大氣中下部為冷性低值區(qū),致使位勢(shì)高度場(chǎng)上高層低值中心表現(xiàn)更為明顯,同時(shí)由于低層風(fēng)場(chǎng)為明顯輻合、高層風(fēng)場(chǎng)為明顯輻散,并位于雷州半島西南部附近,因而強(qiáng)降水發(fā)生在雷州半島西南部。

圖10 11日12時(shí)暴雨中心附近散度(單位:10-5s-1)、渦度(單位:10-5s-1)、垂直速度(單位:cm/s)、流場(chǎng)沿20.5°N緯向垂直剖面(a,c,e,g)及沿110°E經(jīng)向垂直剖面(b,d,f,h)(18km格距)Fig.1 0 (a,c,e,g)Longitude-height cross sections along20.5°N and(b,d,f,h)latitudeheight cross sections along110°E of(a,b)divergence(10-5s-1),(c,d)vorticity(10-5s-1),(e,f)vertical velocity(cm/s),and(g,h)stream line fields at1200BST 11th August2007(grid spacing=18km)

(3)渦度場(chǎng)模擬結(jié)果分析表明:強(qiáng)降水發(fā)生落區(qū)渦度場(chǎng)表現(xiàn)為明顯的螺旋結(jié)構(gòu),在低層為正渦度中心,到中層后再轉(zhuǎn)為負(fù)渦度區(qū),高層為小值負(fù)渦度中心。模擬的渦度場(chǎng)中心位置與強(qiáng)降水發(fā)生落區(qū)相一致,有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。渦度場(chǎng)的正負(fù)與6km分辨率的風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果相對(duì)應(yīng),強(qiáng)降水發(fā)生落區(qū)低層風(fēng)場(chǎng)為氣旋環(huán)流方向,渦度場(chǎng)為正值,高層風(fēng)場(chǎng)為反氣旋環(huán)流方向,渦度場(chǎng)為負(fù)值。

(4)散度場(chǎng)模擬結(jié)果分析表明:強(qiáng)降水發(fā)生落區(qū)低層與負(fù)散度中心相對(duì)應(yīng),負(fù)散度區(qū)域從低層一直延伸到中層,到中層后再轉(zhuǎn)為正散度區(qū),高層為正散度大值中心。模擬的散度場(chǎng)中心位置與強(qiáng)降水發(fā)生落區(qū)相一致,有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。散度場(chǎng)的正負(fù)與6km分辨率的風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果相對(duì)應(yīng),強(qiáng)降水發(fā)生落區(qū)低層風(fēng)場(chǎng)為輻合區(qū),散度場(chǎng)為負(fù)值,高層風(fēng)場(chǎng)為輻散區(qū),散度場(chǎng)為正值。

圖11 8月10—11日2d平均水汽通量(a;單位:g·s-1·hPa-1·cm-1)與水汽通量散度(b;單位:g·s-1·hPa-1·cm-2)的垂直積分(18km格距)Fig.1 1 (a)Vapor flux(g·s-1·hPa-1·cm-1)vertically integrated from1 000hPa to300hPa and(b)its divergence(g·s-1·hPa-1·cm-2)averaged over10th—11th A ugust2007(grid spacing=18km)

(5)垂直速度場(chǎng)模擬結(jié)果分析表明:模擬的位于雷州半島西南部垂直速度強(qiáng)中心位置與強(qiáng)降水發(fā)生落區(qū)相一致,低層和頂層垂直速度值相對(duì)小,中高層值大,都為正值,500hPa至300hPa上升氣流最旺盛。6km分辨率的模擬表明,由于強(qiáng)的低層風(fēng)場(chǎng)輻合抬升作用和高層風(fēng)場(chǎng)輻散抽吸作用致使產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升對(duì)流運(yùn)動(dòng)。

總之,在“帕布”減弱后的外圍環(huán)流及其西南伸展的輻合槽帶影響下,主要由于中尺度對(duì)流系統(tǒng)和各層風(fēng)場(chǎng)的共同作用,大氣低層輻合、正渦度,高層輻散、負(fù)渦度,系統(tǒng)中強(qiáng)烈的對(duì)流上升運(yùn)動(dòng),低緯海面源源不斷的水汽輸送以及水汽在雷州半島的強(qiáng)烈輻合引發(fā)了雷州半島西南部發(fā)生特大暴雨。

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