張恒德,宗志平,張友姝

(1.中國氣象局國家氣象中心,北京100081;2.空軍氣象中心,北京100843)

0 引言

暴雨是我國主要災(zāi)害性天氣之一,對人民生命財(cái)產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的破壞性影響,隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,暴雨影響還會(huì)呈上升態(tài)勢。暴雨突發(fā)性強(qiáng),難以監(jiān)測和追蹤,是大氣科學(xué)難點(diǎn)之一,有必要加強(qiáng)分析、總結(jié)和研究,從而提高其預(yù)報(bào)能力,減少帶來的損失。

暴雨發(fā)生在一定的天氣背景條件下,每一次暴雨過程都有相應(yīng)的影響系統(tǒng)和觸發(fā)機(jī)制。副熱帶高壓向南撤退并穩(wěn)定在偏南位置、中緯度系統(tǒng)維持兩脊一槽形勢、沿長江流域東西走向切變線及200 hPa上高壓等天氣系統(tǒng)的相互配合,有利于1998年7月長江流域的大暴雨(趙思雄等,1998)。阿拉伯海東岸和孟加拉灣地區(qū)的異常加熱源在其西北側(cè)強(qiáng)迫出的高層異常反氣旋性環(huán)流有利于南亞高壓在青藏高原南部、華南地區(qū)維持,使得華南地區(qū)位于高空西風(fēng)急流南側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū),有利于該區(qū)域暴雨發(fā)生和維持(王黎娟等,2007)。在高空槽、低空切變線及高低空急流的共同影響下,冷暖空氣交匯而引發(fā)了2003年6月24—25日的江南北部梅雨鋒暴雨(張曉芳和陸漢城,2006)。此外,暴雨發(fā)生時(shí),200 hPa高空一般為西南急流,暴雨區(qū)位于高空急流的右后方(丁治英等,2001);地形阻擋及喇叭口地形輻合效應(yīng)對暴雨的增幅有顯著作用(鄭慶林和吳軍,1996)。

近些年,位渦、水汽通量散度、Q矢量、鋒生函數(shù)及螺旋度等物理量被廣泛地應(yīng)用于暴雨的診斷分析。例如,濕位渦異常區(qū)與強(qiáng)降水區(qū)有很好的對應(yīng)關(guān)系(Gao et al.,2004);對流層高層位渦擾動(dòng)是影響中尺度低渦和特大暴雨發(fā)生發(fā)展的重要因素(趙宇等,2005);濕Q矢量分解理論診斷分析結(jié)果顯示次天氣尺度的持續(xù)性水汽匯集和正反饋機(jī)制是一次梅雨鋒暴雨的關(guān)鍵因子(梁琳琳等,2008);變形場鋒生對0108號(hào)臺(tái)風(fēng)暴雨形成有顯著作用(韓桂榮等,2005)。這些物理量的應(yīng)用及其得到的結(jié)果可以定性甚至定量地理解和分析天氣尺度系統(tǒng)發(fā)生的動(dòng)力、熱力等物理過程,有助于提高暴雨的診斷和預(yù)報(bào)能力。

一直以來,我國對暴雨的數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)都非常重視。利用MM5模式,沈桐立等(2009,2010)多次對暴雨過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究;王智等(2003)的模擬結(jié)果顯示西南渦與低空急流之間相互促進(jìn)發(fā)展對暴雨形成非常有利。新版本的AREM模式可以再現(xiàn)2003年夏季中國東部主要降水過程的雨量分布和演變特征(宇如聰和徐幼平,2004);此模式進(jìn)一步應(yīng)用于模擬分析2003年6月底發(fā)生在淮河流域的一次大暴雨的β-中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征(廖移山等,2006)。L ou et al.(2003)應(yīng)用顯式雙參數(shù)微物理過程的β-中尺度非靜力平衡模式對福州市1998年6月9日的一次暴雨過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

上述工作為研究和預(yù)報(bào)暴雨等提供了重要的科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ),然而受各種條件限制或約束,對暴雨過程的模擬、診斷分析和預(yù)報(bào)水平還有提升空間,有必要加強(qiáng)研究。本文選取2005年7月9—10日在河南、安徽等地的一次大暴雨過程作為個(gè)例,采用MM5進(jìn)行數(shù)值模擬,分析其發(fā)生的環(huán)流形勢和主要影響系統(tǒng),并用渦度、散度、螺旋度、水汽通量散度、假相當(dāng)位溫及鋒生函數(shù)等物理量進(jìn)行綜合的診斷和分析,以揭示該次暴雨過程發(fā)生的天氣系統(tǒng)、物理量特點(diǎn)及初步機(jī)理,從而有助于此類暴雨的預(yù)報(bào)分析。

1 資料與說明

文中采用的資料有全國700多個(gè)常規(guī)站和2 000多個(gè)加密站實(shí)況觀測資料、NCEP/NCAR提供的1°×1°再分析格點(diǎn)資料,以及MM5(以下簡稱模式)輸出的每3h一次的預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

在本模式中,垂直方向23層,中心點(diǎn)為103.0°E,36.0°N,采用三層嵌套網(wǎng)格,其水平分辨率分別為54、18、6km,內(nèi)部兩層采用雙向嵌套,模式中主要物理過程采用的有顯式水汽方案、簡單冰相、行星邊界層參數(shù)化Blackdar高分辨率HBPL方案、云輻射方案等,三層網(wǎng)格的積云參數(shù)化方案分別為Anthes-Kuo方案、Grell方案、Grell方案,時(shí)間積分步長為180s,每3h輸出一次結(jié)果,模式的起報(bào)時(shí)間為7月9日08時(shí)(如無說明,則均為北京時(shí)間,下同)。本文所分析結(jié)果是第一層嵌套,即54km水平分辨率。

2 雨情分析及降水量模擬

在2005年7月9日08時(shí)至10日08時(shí),河南、安徽、湖北等地普降暴雨,局地大暴雨(圖1a),24h降水量在50mm以上的站有66個(gè),100mm以上有16個(gè)站點(diǎn),河南新蔡、信陽、桐柏、正陽及安徽臨泉、界首、太和等站的降水量均在150mm以上,其中前三個(gè)站降水量達(dá)到200mm以上,信陽站降水量最大,為242mm。此次降水強(qiáng)度大,范圍廣,影響大,造成直接經(jīng)濟(jì)損失愈10億元。

此次暴雨在空間上呈現(xiàn)明顯的帶狀分布,主要位于河南東南部的信陽、駐馬店及安徽西部的阜陽,而在時(shí)間上主要集中于9日20時(shí)—10日08時(shí),比如暴雨中心之一的信陽站(114.05°E,32.13°N)24 h降水主要發(fā)生在9日20時(shí)—10日02時(shí)(133 mm)和10日02—08時(shí)(108mm)。因此主要針對該帶狀降水過程進(jìn)行數(shù)值模擬和診斷分析。

比較24h降水的實(shí)況及模擬結(jié)果可發(fā)現(xiàn),實(shí)況降水分布中(圖1a),雨帶西起貴州中西部,東至安徽西北部,跨越了約13個(gè)經(jīng)距,呈東北—西南向,降水量的空間分布十分不均,多集中在東半段,雨帶的西半段降水量較少,降水的局地特征非常明顯。而模式基本模擬出了東北—西南走向的雨帶位置,但在量級(jí)上稍偏小,比如,對于位于109.8°E、30.3°N附近的暴雨中心,模擬的位置大致在108.8°E、30.3°N,比實(shí)況偏西約1個(gè)經(jīng)距,量值也稍偏小(圖1b)。

3 天氣形勢和主要影響系統(tǒng)分析

此次暴雨過程發(fā)生在一定的天氣形勢條件下。500hPa等壓面上,8日08時(shí)以后位于新西伯利亞東部暖脊加強(qiáng)東移,穩(wěn)定維持,并逐步形成阻塞形勢,其下游貝加爾湖以東的冷渦發(fā)展與高空槽緊密配合,9日08時(shí)冷渦中心緩慢東移南下至我國東烏旗附近。到了9日20時(shí)(圖2a),貝加爾湖阻塞高壓和東北冷渦強(qiáng)勢維持,而在96～125°E、25～42°N范圍內(nèi),存在明顯的東北—西南向的西風(fēng)帶低槽,這種阻塞高壓及其下游的高空槽配置是造成我國中部暴雨的典型條件之一。

在850hPa等壓面上,在冷渦中心后部有一個(gè)東北—西南向切變線,在切變線北部存在一個(gè)12℃的冷中心,冷平流比較強(qiáng)。此切變線9日20時(shí)向東南方向移動(dòng),10日08時(shí)移至青島—濟(jì)寧—成都一線,為這次暴雨提供了冷空氣條件。期間,西太平洋副熱帶高壓穩(wěn)定維持在我國東南地區(qū)及沿海,588 dagpm等位勢線位于寧波—贛州—韶關(guān)一線,在日本附近伸出明顯的高壓脊,對我國東北地區(qū)的低壓系統(tǒng)向東移動(dòng)有較強(qiáng)的阻擋作用,9日20時(shí)后該高壓脊明顯減弱削平,東北境內(nèi)的低壓系統(tǒng)迅速東移;但副高略有北抬、西進(jìn)。在35°N以南,從7日08時(shí)開始,受副高外圍的西南暖濕氣流影響,貴陽—武漢一線存在低空急流,其風(fēng)速最強(qiáng)時(shí)可達(dá)到16～20 m/s,低空急流把水汽和能量不斷向北輸送,并在徐州附近形成氣旋性風(fēng)切變區(qū)和氣流輻合區(qū)(圖略)。9日08時(shí),風(fēng)速在12m/s以上的低空急流區(qū)位于貴州東部、湖南西部及廣西北部,此后,急流范圍不斷向東部擴(kuò)大,江漢東部、江淮、江南大部、貴州東部、廣西北部等地均處于低空急流區(qū),湖南與貴州交界處的急流中心值也迅速增大至20m/s以上(圖2b),暴雨區(qū)恰位于急流軸的左前方。低空急流與暴雨之間存在著正反饋?zhàn)饔?低空急流的存在,造成了低層很強(qiáng)的暖濕空氣的平流,促使水汽、動(dòng)量、能量向暴雨區(qū)的集中,加強(qiáng)了低層的擾動(dòng),增加了層結(jié)的不穩(wěn)定度,觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放,為暴雨的發(fā)生提供了條件。而另一方面,暴雨的發(fā)生,不斷的釋放出凝結(jié)潛熱,使得低層氣壓下降,輻合加強(qiáng),低空急流得以更長時(shí)間維持。

從地面氣壓場分布(圖略)來看,9日08時(shí)開始,位于華北地區(qū)的中心氣壓低于1 000hPa的低壓及其伴隨鋒面氣旋在南壓過程中逐步減弱;中心氣壓低于1 000hPa的西南渦向東北方向移動(dòng),范圍也緩慢縮小。9日20時(shí)后,這兩個(gè)地面低壓系統(tǒng)在河南北部打通,連成一個(gè)1 000hPa的閉合等值線,此帶狀分布的低壓位于宜昌—鄭州一帶,此狹長低壓帶有利于地面氣流輻合,且恰好與暴雨區(qū)相一致。到了10日08時(shí)此低壓逐漸減弱,并向東南方向移動(dòng),降水區(qū)南壓。至10日20時(shí),此切變線及鋒面氣旋向南移過河南信陽后,強(qiáng)降水過程基本結(jié)束。

圖1 2005年7月9日08時(shí)—10日08時(shí)24h降水量實(shí)況場(a)及模式預(yù)報(bào)場(b)(單位:mm)Fig.1 24h rainfall of(a)observation and(b)forecast field from08:00July9to08:00July10,2005(units:mm)

圖2 2005年7月9日20時(shí)500hPa高度場(a;實(shí)線,單位:dagpm)和850hPa溫度(a;單位:℃,陰影區(qū)溫度≤22℃)、9日08時(shí)850hPa流線和等風(fēng)速線(b;單位:m/s;陰影區(qū)風(fēng)速≥12m/s)Fig.2 (a)500hPa geopotential height field(solid line,units:dagpm)and850hPa temperature field(units:℃,shaded≤22℃)at20:00on9July2005,(b)850hPa stream line and w ind speed field(units:m/s;shaded area≥12m/s)at 08:00on9July2005

從天氣形勢的分析可初步認(rèn)為此次暴雨過程是高空槽、冷渦、低層切變線、低空急流及江淮氣旋共同作用的結(jié)果。下面從動(dòng)力、水汽、熱力不穩(wěn)定及鋒生條件等方面對此次強(qiáng)降水過程作進(jìn)一步的物理量診斷和分析。

4 物理量診斷

暴雨通常發(fā)生在有利的環(huán)流形勢和天氣背景下,但它的觸發(fā)還需要?jiǎng)恿μ⑺?yīng)、熱力不穩(wěn)定及鋒生等條件。由于MM5模式模擬降水效果較好,且輸出資料的分辨率更高,因此可采用模式輸出資料和NCEP資料相結(jié)合進(jìn)行物理量診斷。

4.1 動(dòng)力條件

此次暴雨發(fā)生在較顯著的動(dòng)力條件下,尤其在散度、渦度、垂直速度及螺旋度的分布及演變上。在散度場上,9日08時(shí),暴雨帶上空850hPa層面上散度值均為負(fù),但數(shù)值較小,為弱的輻合。9日14—20時(shí)期間,輻合帶范圍縮小,但強(qiáng)度有所增加,9日20時(shí),在湖北北部、河南南部與安徽西北部交界處各形成了一個(gè)輻合中心(圖3a),10日02時(shí),輻合帶范圍擴(kuò)大,強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng),帶上出現(xiàn)三個(gè)輻合中心,分別位于貴州東北部、安徽西北部和江蘇北部地區(qū),輻合中心最大值達(dá)到-8×10-5s-1,這種強(qiáng)烈的輻合運(yùn)動(dòng)一直持續(xù)到10日08時(shí),10日14時(shí)后輻合區(qū)縮小,氣流的輻合上升運(yùn)動(dòng)減弱。散度的這種顯著變化與降水隨時(shí)間的變化步調(diào)基本一致,表明低層氣流的輻合是導(dǎo)致暴雨發(fā)生的動(dòng)力因子之一。

圖3 2005年7月9日20時(shí)模擬的850hPa散度場(a)和渦度場(b)(單位:10-5s-1)Fig.3 Sim ulated850hPa(a)divergence and(b)vorticity at20:00on9July2005(units:10-5s-1)

渦度的分布和演變也與此次暴雨的發(fā)生有一定的配合,9日08時(shí),在重慶和江蘇北部各有一個(gè)正渦度中心,兩中心之間形成一條東北—西南向的正渦度帶,其走向與低空切變線是一致的。到了9日14時(shí),正渦度帶的范圍略有縮小。9日20時(shí)—10日02時(shí),正渦度帶范圍擴(kuò)大,強(qiáng)度開始增大(圖3b),10日02時(shí),渦度帶上在貴州北部和河南中南部各形成一個(gè)正渦度中心。10日08時(shí),渦度帶上強(qiáng)度普遍增大,正渦度中心分別東移至湖北北部和安徽北部,中心最大值為12×10-5s-1,說明在整個(gè)低層切變線附近,垂直正渦度一直較強(qiáng),且正渦度的空間分布與暴雨落區(qū)基本一致。

此外,垂直速度場可進(jìn)一步反映出,從9日08時(shí)開始,這種輻合一直伴隨著很強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng),如圖4所示的沿整個(gè)雨帶中心所在經(jīng)度(112°E)的垂直速度經(jīng)向垂直剖面圖,在32°N附近的暴雨區(qū)上空,從低層到高層,垂直速度均為正,最大上升速度超過10cm/s,氣流上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。

圖4 2005年7月9日20時(shí)模擬的沿112°E的垂直速度經(jīng)向垂直剖面(單位:cm/s)Fig.4 Meridional vertical section of simulated vertical velocity along112°E at20:00on9July2005(units:cm/s)

螺旋度將風(fēng)矢量和渦度有效地結(jié)合起來,常用于診斷暴雨中的有旋系統(tǒng),其大小反映了旋轉(zhuǎn)及沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱程度。螺旋度可定義為

其中:H為螺旋度;V為速度;u、v、w分別為緯向、經(jīng)向及垂直速度分量;ζi、ζj、ζk依次為x、y、z方向渦度分量。式中右端三項(xiàng)分別為hx、hy、hz,對應(yīng)x、y、z方向的風(fēng)速與渦度的合成,研究表明,第一項(xiàng)與暴雨無明顯對應(yīng)關(guān)系,第二項(xiàng)強(qiáng)度弱,第三項(xiàng)對暴雨有較好指示意義(楊越奎等,1994;吳寶俊等,1996;譚志華和楊曉霞,2000),因此文中只分析該項(xiàng)螺旋度作用。

由7月9日20時(shí)沿32°N暴雨區(qū)的螺旋度緯向—垂直剖面(圖5a)可見,300hPa以下有顯著的正螺旋度區(qū),以上是負(fù)值區(qū),正值區(qū)跨越了約7個(gè)經(jīng)距范圍的雨帶上空,最大值位于110～112°E暴雨中心附近,垂直方向上正值中心出現(xiàn)在500hPa左右,達(dá)到5×10-5m·s-2,負(fù)值中心位于200hPa附近,達(dá)-10-5m·s-2。在螺旋度經(jīng)向—垂直剖面(圖5b)上,300hPa以下層有正螺旋度區(qū),以上主要為負(fù)值區(qū),與緯向雨帶相伴,正負(fù)中心分別在700hPa和200hPa附近,量級(jí)均在5×10-5m·s-2。在暴雨區(qū)上空的對流層中下層和上層螺旋度均呈“下正上負(fù)”的垂直結(jié)構(gòu),反映了雖整層w＞0,但ζk下正上負(fù),故hz=wζk下正上負(fù),再根據(jù)大氣抽吸效應(yīng),說明這次暴雨發(fā)生在中下層正渦度輻合、高層負(fù)渦度輻散的強(qiáng)上升旋轉(zhuǎn)氣流區(qū)中。沿32°N、112°E螺旋度特征和信陽站降雨量的演變來看,9日14時(shí),螺旋度“下正上負(fù)”的結(jié)構(gòu)開始建立,信陽6h雨量很小。20時(shí),螺旋度正值區(qū)向上層、中心加強(qiáng)向中層發(fā)展;負(fù)中心明顯向高層擴(kuò)展,正值中心下方信陽6 h雨量達(dá)133mm。10日02時(shí),正值區(qū)繼續(xù)伸展,但強(qiáng)度稍有減弱,對應(yīng)的信陽6h降雨量為108mm。10日08時(shí)以后,螺旋度“下正上負(fù)”結(jié)構(gòu)趨于不明顯,降雨顯著減弱。此次過程中,暴雨區(qū)上空螺旋度中低層為正中心,高層為負(fù)中心,螺旋度正的大值區(qū)對應(yīng)著降水量中心,兩者之間配合較好。

4.2 水汽供應(yīng)

充足的水汽是強(qiáng)降水發(fā)生的必要條件,但大氣柱現(xiàn)存的水汽通常還不足以形成強(qiáng)降水,還需源源不斷的水汽輸入供應(yīng)。9日08時(shí)(圖略),850hPa層面上,35°N以南、105°E以東區(qū)域水汽通量散度幾乎全為負(fù),其極值中心(-8.0×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1)在重慶的東北部,在低層西南風(fēng)的作用下,水汽迅速向暴雨區(qū)輸送。而到了9日20時(shí)(圖6a),在重慶東北部—湖北北部—河南南部—安徽西北部出現(xiàn)了一條明顯的水汽輻合帶,其中有三個(gè)大值中心(量值分別達(dá)到-15.0×10-7、-9.0×10-7、-9.0×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1),它們位于重慶東部、湖北北部和河南南部與安徽西部交界處,這說明不斷有水汽向這些地區(qū)輸送,水汽在此區(qū)域強(qiáng)烈輻合。水汽輻合帶的走向及最后一個(gè)輻合中心的位置均與降水落區(qū)基本相符。此后,水汽輻合帶繼續(xù)向東延伸。這在水汽通量散度隨時(shí)間的演變上也有顯著反映。

圖5 2005年7月9日20時(shí)螺旋度hz沿32°N緯向(a)和112°E經(jīng)向(b)垂直剖面(單位:10-5m·s-2)Fig.5 (a)Zonal vertical section of z-helicity along32°N and(b)meridionally along112°E at20:00on9July2005(units:10-5m·s-2)

圖6 7月9日20時(shí)模擬的850hPa水汽通量散度(a;單位:10-7s-1·cm-2·hPa-1;陰影區(qū)為負(fù)值區(qū))和雨帶中心(112°E、32°N)上空水汽通量散度時(shí)間—高度剖面(b;單位:10-7g·s-1·cm-2·hPa-1;陰影區(qū)為負(fù)值區(qū))Fig.6 Simulated(a)850hPa divergence of moisture flux at20:00on9July2005(units:10-7g·s-1·cm-2·hPa-1),and(b)tim e-height vertical profile of divergence of moisture flux on centre of rain(112°E,32°N)(units:10-7g·s-1·cm-2·hPa-1;shaded area denotes negative value)

仍然以雨帶中心為例討論其上空不同層面水汽通量散度隨時(shí)間的演變。如圖6b所示,從9日08—20時(shí),雨帶中心上空基本上處于弱的水汽輻合或輻散狀態(tài)下,而在9日20時(shí)—10日02時(shí)期間,低層出現(xiàn)強(qiáng)烈的水汽輻合,其中最大值出現(xiàn)在925hPa左右,達(dá)到-6.0×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1,且在10日02時(shí)650hPa以下層面均出現(xiàn)水汽輻合,輻合層厚度達(dá)到最大,表明這期間暴雨區(qū)的水汽供應(yīng)非常充足,這與實(shí)況顯示的該地區(qū)在這期間內(nèi)降水量較大一致。10日14時(shí)水汽又開始輻散,降水量也隨之減少至停止。因此,水汽通量散度反映出此次暴雨發(fā)生期,暴雨區(qū)有很強(qiáng)的水汽輻合,這也是此次強(qiáng)降水的必要物理?xiàng)l件之一。

4.3 熱力不穩(wěn)定及鋒生條件

暴雨發(fā)生期間,雨帶上空低層盛行西南風(fēng),而高層則一直為西北風(fēng),這樣上干冷、下暖濕的結(jié)構(gòu)極利于造成大氣層結(jié)的不穩(wěn)定。由圖7a可見,在7月9日08時(shí)—10日20時(shí)期間,暴雨區(qū)(以雨帶中心位置為代表)上空垂直剖面上從低層950hPa至中層500hPa,假相當(dāng)位溫θse隨高度的增加而遞減,特別是低層700hPa以下等θse線分布密集,θse的垂直梯度很大,最低值出現(xiàn)在9日20時(shí)的550～600hPa范圍內(nèi),這說明暴雨區(qū)上空中低層大氣在這期間內(nèi)始終保持著強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性,大氣層結(jié)的不穩(wěn)定能量得到很大聚集。雨帶中心位溫的經(jīng)度剖面上(圖7b),9日20時(shí)暴雨中心(31～33°N)中低層θse隨高度快速遞減,到500hPa達(dá)到極小值,之后隨高度上升,500hPa附近θse線的垂直變化很小,表明500 hPa附近上下層大氣物質(zhì)交換強(qiáng)烈。這在垂直速度的經(jīng)向剖面上(圖4)也有顯著反映,暴雨區(qū)的垂直上升速度相當(dāng)大,為不穩(wěn)定能量的釋放提供了強(qiáng)勢的動(dòng)力條件。

圖7 模擬的雨帶中心上空假相當(dāng)位溫θse時(shí)間—高度剖面(a;單位:K)和7月9日20時(shí)沿112°E假相當(dāng)位溫θse經(jīng)向剖面(b;單位:K)Fig.7 (a)Tim e-height vertical profile of sim ulatedθseover centre of rain(112°E,32°N)(units:K),and(b)longitudinal vertical section ofθsealong112°E at20:00on9July2005(units:K)

鋒區(qū)的發(fā)展和維持對于強(qiáng)降水有重要影響,從850hPa相當(dāng)位溫的演變(圖略)可知,9日08時(shí)在29～33°N低空有一能量鋒區(qū),并有加強(qiáng)趨勢,到10日08點(diǎn)減弱,為此引入是一個(gè)反映鋒區(qū)發(fā)展的主要物理量——鋒生函數(shù)。按照O grua和Portis的方案(丁一匯,2005),p坐標(biāo)系中略去非絕熱加熱項(xiàng)的鋒生函數(shù)計(jì)算公式為

其中:A=?u/?x-?v/?y、B=?u/?y-?v/?x分別為伸長變形和切變變形,β為變形向量伸長軸至θse線的交角,D為散度。(2)式中右側(cè)三項(xiàng)分別為變形項(xiàng)、散度項(xiàng)和傾斜項(xiàng)。傾斜項(xiàng)與垂直速度的導(dǎo)數(shù)有關(guān)不易算準(zhǔn),且在強(qiáng)降水過程中量級(jí)相對較小,故本文不討論此項(xiàng),主要討論前兩項(xiàng)。

從圖8所示的9日20時(shí)850hPa鋒生函數(shù)的變形項(xiàng)與散度項(xiàng)之和的分布來看,大值區(qū)呈東西走向?yàn)橹?在34°N以南的我國安徽、河南、湖北、重慶及貴州北部等地明顯較大,不少地區(qū)可達(dá)1.5×10-10km-1·s-1,且大值區(qū)與圖1a所示的雨帶位置較為一致。此外,從9日20沿112°E的鋒生函數(shù)前兩項(xiàng)之和與流線的垂直剖面(圖略)來看,自下而上向北傾斜,說明θse線有變密趨勢,在低層鋒面南北側(cè)分別有偏南和偏北氣流向鋒面輻合。再結(jié)合假相當(dāng)位溫和風(fēng)場的分布,可知鋒區(qū)南側(cè)強(qiáng)的西南暖濕氣流將θse高值向上輸送,北側(cè)則相反,引起了θse水平梯度不斷加大,有利于鋒生,這為強(qiáng)降水的形成提供了一定的能量條件。

圖8 7月9日20時(shí)850hPa上鋒生函數(shù)(變形項(xiàng)與散度項(xiàng)之和;單位:10-10km-1·s-1)Fig.8 850hPa frontgenisis function at20:00on9July 2005(units:10-10km-1·s-1)

5 結(jié)論

利用MM5模式對2005年7月9—10日發(fā)生在河南、安徽、湖北等地的一次暴雨過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并使用NCEP/NCAR再分析資料和數(shù)值模擬產(chǎn)品對該次暴雨過程作了多種物理量診斷分析,結(jié)論如下:

1)模式較好地模擬了雨帶的位置及此次暴雨發(fā)生的基本環(huán)流背景。

2)貝加爾湖阻高、下游的東北冷渦及其伴隨的高空槽造成了有利的環(huán)流形勢,低層切變線、低空急流及江淮氣旋是此次暴雨過程的最主要影響系統(tǒng);此外,副高外圍西北側(cè)的強(qiáng)勁的西南氣流為暴雨的發(fā)生提供了充分的水汽和動(dòng)力條件。

3)散度、渦度、垂直速度、螺旋度及位溫的分布和演變反映出在此次降水發(fā)生過程中,暴雨區(qū)出現(xiàn)了很強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng),中低層大氣層結(jié)不穩(wěn)定性強(qiáng),上下層大氣物質(zhì)交換強(qiáng)烈,垂直對流旺盛,在暴雨區(qū)上空螺旋度呈“下正上負(fù)”的垂直結(jié)構(gòu),螺旋度正的大值區(qū)對應(yīng)著強(qiáng)降水中心;顯著的水汽輻合及鋒生為降水的形成和加強(qiáng)提供了水汽和能量條件。

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