【doc】一次江淮暴雨中中尺度低涡的数值模拟及分析

【doc】一次江淮暴雨中中尺度低涡的数值模拟及分析 一次江淮暴雨中中尺度低涡的数值模拟及 分析 第27卷第6期 2004年12月 VO1.27NO.6 Dec.2004 文章编号:1000—2022(2004)06—0753—07 一 次江淮暴雨中中尺度低涡的数值模拟及分析 廖胜石,寿绍文 (南京信gi程大学1.气象灾害和环境变化重点实验室;2.大气科学系,江苏南京210044) 摘要:利用MM5模式对2003年7月4—5日一次江淮梅雨暴雨过程进行了数值 模拟.分析表明:暴雨与江淮地区对流层中低层中尺度低涡的发生发展有密切关系. 中尺度低涡与中尺度雨团相伴移动,低涡强度与雨强的演变近于一致;低涡中心的强 上升运动及低层辐合,高层辐散的配置有利于中尺度对流系统的发生发展;低涡低层 有不稳定能量的积聚.应用螺旋度理论分析指出,较大的螺旋度是对流层中低层低涡 发生和发展的一种有利机制. 关键词:暴雨;中尺度低涡;螺旋度;数值模拟 中图分类号:P456.7文献标识码:A 长江中下游的梅雨暴雨通常是由一系列的中尺度涡旋造成的,因此,中尺度涡旋的发生, 发展,演变是人们关注和研究的重点.不少学者对梅雨锋上的中尺度系统进行过研 究.胡伯威 等[1认为梅雨锋上强降水绝大多数伴随低涡的活动,即使低涡不明显,仔细分析也能判别弱涡 的存在,低涡的活动对梅雨期的暴雨起十分重要的作用.施曙等]指出,梅雨锋区存在一条近 于东西走向的正涡度带,这一带状区中存在强烈的中尺度水汽通量辐合和深厚的上升运动,有 利于中尺度低压的形成.寿绍文等利用稠密的地面气象要素资料以及中尺度数值模式输出 产品,分析了江淮地区梅雨锋中尺度切变雨带的中尺度动力结构,得到一个在梅雨锋中尺度切 变线附近的中尺度涡管的三维结构概念模型.程麟生等采用MM5模式模拟了"98?7"暴 雨,发现特大暴雨与700hPa上一个中尺度低涡的生成和强烈发展直接关联.贝耐芳等对 "98?7"暴雨进行的分析表明:对流层中低层水汽的大量集中以及对流不稳定条件的存在可能 为特大暴雨的中尺度天气系统的发生发展提供了有利的环境.总之,与江淮暴雨相对应的中尺 度对流系统,虽已用各种手段和方法做了不少的研究和揭示,但对它的认识还是远远不够.对 这种与低涡切变线和梅雨锋扰动有关的强暴雨过程及其相伴的中尺度系统进行深入分析及数 值模拟研究仍十分必要. 2003年7月,我国江淮地区出现了严重的大范围暴雨和洪涝,7月4—5日的暴雨过程是 一 次高层冷空气和低层中尺度低涡与地面静止锋共同影响造成的较为典型的梅雨锋暴雨,中 尺度系统在其中起了关键作用.江淮地区多个测站24h降水量在200mm以上.造成了很大 收稿日期:2003—11—05;改回日期:2004—04—26 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40405009;40075009;40205008);江苏省气象局科技开发项目(200406) 作者简介:廖胜石(1976一).男(壮族),广西百色人.硕士,研究方向:中尺度天气动力学.现在南宁市气象局工作 y . 报 学 院 学_三 象 气 京? 南 a 754南京气象学院第27卷 的损失.目前利用常规观测资料分析中尺度低涡的发生发展尚缺少有效的时空分辨率,本文利 用MM5模式对这次过程进行模拟,并利用所输出的具有高时空分辨率的资料,对这次江淮暴 雨过程中的中尺度系统的发生发展和结构演变进行分析,以加深对这类中尺度系统的认识. 1实况简介 在这次暴雨过程中,长江流域一直维持着一条地面静止锋.500hPa阻高位于贝加尔湖西 北方,我国东北低槽尾部延伸到江淮流域,冷空气沿槽后的西北气流到达长江流域,副高稳定 维持在华南一带,强盛的西南气流为这次强降水提供了丰富的水汽.从2003年7月4日20时 (北京时,下同)850hPa的风矢量场(图略)可以看出,长江以南地区大体为西南气流,以北地 区则为偏东北气流,南北两支气流在长江流域形成了明显的切变区.以后,西南气流和偏北气 流进一步加强,辐合也进一步加强,形成了一个中尺度低涡.从7月5日08时850hPa涡度分 布(图略)可以看到,沿长江流域有一条东西走向的正涡度带状分布区,在这个带状区域中有一 个位于江淮地区的大值区,中心正涡度值达到1.8×10S-.,说明在这一地区存在着明显的 中尺度低涡系统.强降水地区主要集中在安徽东南部,江苏中南部,江淮地区多个测站7月4 日20时一5日20时的24h降水量在200mm以上,其中安徽滁县为357mm,江苏南京为 195mm,镇江为280Him.降水强度大,范围小,具有明显的中尺度特征. 2数值模拟及结果概述 2.1模式简介 本文利用2003年7月4—5日每6h的NCEP再分析资料(水平分辨率1.×1.)和常规探 空,地面资料,采用PSu/NcAR中尺度模式MM5V3.6对这次暴雨过程进行模拟,从2003年 7月4日20时起,积分24h,模式采用Grell积云对流参数化 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 和Blackadar的边界层参数 化方案以及时变海绵侧边界条件等.格点结构采用双重嵌套网格,区域中心为(115.E,30.N), 粗网格格距60km,细网格格距20km,粗细嵌套网格格点数均为61×61×2O,模式顶气压 100hPa,积分步长90S,每1h输出1次模拟结果.细网格区域基本覆盖了长江中下游地区. 2.2模拟结果概述 图1是2003年7月4日20时一5日20时24h实况降水量和细网格模拟降水量分布.由 图可以看出,在实况图上,整个雨区近于东西走向,江淮地区强降水区东西横跨3,4个经距, 南北2个纬距,降水中心在(119.E,32.N)附近;在模拟图上,模式基本模拟出了江淮地区的雨 区,与实况雨区位置很接近,而且模拟的雨量中心位置与实况基本一致,只是模拟的降水强度 较实况稍小,范围稍窄.而从实况流场和细网格模拟流场(图略)的对比中也可以看出,模式基 本上模拟出了造成暴雨的中尺度系统.总的来说,MM5模式对于这次暴雨过程具有较强的模 拟能力,能较为准确地模拟出暴雨及其系统的发展演变.利用模式输出的高时空分辨率的资料 进行暴雨及其系统的发展演变诊断研究,应该能够得到可靠的结果.以下没有特别说明,所有 资料均为细网格模拟资料. 3低涡特征 图2给出了这次过程模拟的雨团各时次的位置和相应的850hPa中尺度系统的位置.可 以看出,从5日00时一O4时,在长江中下游地区有中尺度雨团从西往东移动,但在相应的850 hPa流场上并没有明显的涡旋环流与之对应,只是对应着一系列的气流辐合区.从O4时前后 第6期廖胜石等:一次江淮暴雨中中尺度低涡的数值模拟及分析755 图17月4日20时一5日20时24h实况降水量(a)和细网格模拟降水量(b) (等值线间隔:30mm) Fig.1Observed(a)andsimulated(b)24hrainfallfrom2000BST4th to2000BST5thJuly(contourinterval:30mm) 起,850hPa流场上有一个低涡开始生成发展,加强东移,并伴随有中尺度雨团.由图2可以看 到,低涡的移动路径与雨团的活动路径近于一致.为了揭示这个中尺度低涡的结构特征和演变 过程及其可能成因,下面利用模式输出的细网格资料对该中尺度低涡作进一步分析. 图2模拟的雨团路径(a)和850hPa中尺度系统移动路径(b) (实心框为雨团中心,空心圆为气流辐合中心,实心点为涡旋中心) Fig.2Simulatedroutesofrainclusters(a)andtheevolutionofthemesoscalesystemat850hPa( b) (Solidsquares:centersofrainclusters;opencircles:airflowconvergentareas; solidcircles:centersofvortex) 3.1低涡的时空演变过程 低涡的气旋性闭合环流初见于模式积分10h(5日05时)时,出现在9O0,750hPa上,位 于(1l8.0.E,32.0oN)附近.随后低涡继续加强,范围有所扩大,并垂直向高层伸展,向东移动. 积分13h(5日08时),低涡中心东移到(1l9.2.E,32.5.N),低涡发展到了成熟期,气旋性闭合 环流出现的最高高度达到650hPa,强度和垂直厚度均表现稳定,移动相对缓慢;积分16h(5 756南京气象学院第27卷 日11时)后,低涡在东移过程中强度和垂直厚度开始减弱,移动加快,最后减弱消失. 分析各层水平流线图(图略)可知,O5时之前,雨团对应的低层850hPa,950hPa上均为 气流辐合区,地面气压场上对应的是中低压.05时之后,雨团对应的低层开始出现涡旋环流, 地面的中低压加强.当低涡发展到成熟阶段(08时)时,地面的低压已经加深为有闭合等值线 的中尺度低压,从950hPa到650hPa均为中尺度低涡,各层低涡中心几乎与雨团中心重合, 它们的中心轴基本成竖直状态.而在300hPa上则对应为中尺度辐散区,在雨团上空形成了低 层辐合,高层辐散的结构,有利于涡旋系统的发展. 3.2低涡垂直结构特征 为了进一步了解与雨团对应的中尺度低涡的垂直结构,图3给出了成熟时期(5日08时) 沿32.5.N的涡度,垂直上升速度,散度场及假相当位温对区域偏差的垂直剖面.由图3a可 见,在雨带上空对应着正涡度区.虽然低涡对应的闭合气旋性环流最高高度仅达650hPa,但 从地面到350hPa高度均是强的正涡度集中区,最大正涡度位于800hPa附近,涡度极值达到 8×10S,,正涡度区域垂直向上伸展,形成了一条涡柱.350hPa以上为负涡度区,形成了低 层辐合,高层辐散的有利于垂直运动发展的形势.垂直上升速度场(图3b)同样表明,低涡对应 的最大上升速度在650hPa附近,极值达到1.2m?S_..垂直上升运动气柱与涡柱的这种耦 合发展过程,说明了一种重要的动力学机制,即强烈的上升运动要求低空有强烈的辐合,而这 种低空辐合必然导致局地有强的正涡度产生,然后再通过垂直运动输送到高空,进 而使涡柱继 图37月5日08时沿32.5.N的涡度(a;单位:10S一),垂直上升速度(b;单位:m?s?), 散度场(c;单位:1os)和假相当位温对区域偏差(d;单位:K)的垂直剖面 Fig.3Verticalsectionsofvorticity(a;units:10s一),verticalvelocity(b;units:m?s), divergence(c;units:10S)andregionaldeviationsof(d;units:K) along32.5.Nat0800BST5thJuly 第6期廖胜石等:一次江淮暴雨中中尺度低涡的数值模拟及分析757 续加强.从低涡同时期的散度场垂直剖面(图3c)看,低涡低层同样存在强辐合,中高层存在强 辐散,而与涡度场特征不同的是,散度的辐合区最高高度仅到750hPa.在高空500hPa和低 层950hPa,对应存在4×10S和一6×10S一两个极值中心,此种配置非常有利于对流的 发展.图3d的假相当位温对区域偏差0的垂直剖面表明,该涡柱中从近地面到中层为一致的 暖湿区,暖中心在600hPa左右. 3.3低涡的稳定度特征 图4为5日08时/沿32.5.N的垂 直剖面.ll8.O.E以东随高度减小(902/> O),表明江淮地区的对流层处于对流不稳定状 态,为切变线上中尺度低涡的发生发展存储了 不稳定能量.正的极值中心位于此时的低涡中 心ll9.O.E东面,预示着未来低涡的移动方向. 从同时次的湿位涡的南北向垂直剖面(图略)上 还可以看到,低涡上空为一负湿位涡中心,强度 达到一1×1OK?kg?m.?S,表明这一 带还处于对称不稳定状态. 3.4低涡涡柱的演变 前面分析指出中尺度低涡的垂直结构,这 里进一步分析低涡涡柱的每小时的演变特征. 由图5可见,雨团的降水强度O8时达到最强, 图47月5日08时沿32.5.N的 ?的垂直剖面 Fig.4Verticalsectionof/op along32.5.Nat0800BST5thJuly ll时迅速减弱.相应的时刻气柱自地面伸展到500hPa以上均为正涡度集中区,O8ll时, 850hPa维持一个强度为1O×10S的闭合极值中心.对应O8时的垂直上升速度也达到了 最大值,显示了强盛的上升运动,垂直速度的极值中心随着雨强的增强不断降低,表明产生强 烈垂直运动的高度不断降低,厚度不断增加.散度的负值中心同样在O8一ll时出现,辐合达到 最强状态. 4风暴相对螺旋度的诊断 风暴相对螺旋度是一个用来衡量风暴人流强弱以及沿人流方向的水平涡度分量的参数. 它的值越大,说明在该环境中的垂直风切变越大,就会产生水平方向上的涡管.只要沿着这一 涡度方向的相对风速达到一定程度,将有利于强对流天气的发生发展.若气流流入已生成的风 暴内部便会倾斜上升,产生围绕垂直轴线的气旋式旋转运动,有利风暴加强.研究表明,它 对强对流及大暴雨天气的预报具有一定的指示意义.计算螺旋度有很多方法",广泛采用的 是Davies等...的计算公式: ^l H一E(-一l一)(一f.)一(一f)(l—f)]. o 式中,风暴速度C(c,c)由850hPa到400hPa气层中的平均风,风向向右偏转3O.,风速大小 的75确定.本文计算了地面至700hPa以下的总风暴相对螺旋度. 沿低涡所在的32.5.N做螺旋度的时间一经度剖面(图6),发现螺旋度与低涡的发展有较 好的对应关系.O5一O8时,螺旋度有一个迅速增大的过程,O8时在ll9.E附近出现极大值15O 758南京气象学院第27卷 图5随雨团中fl,移动的涡度(a;单位:10S),垂直速度(b;单位:m?s) 和散度(c;单位:10S)的高度时间剖面以及降水强度时间变化曲线(d;单位:mm) Fig.5Time—heightsectionsforthevorticity(a;units:10一S一),verticalvelocity(b;units:m?s一), divergence(c;units:10一S一)ofthecenteroftheraincluster andthetemporalvariationofrainfallatthecenter(d;units:mm) ITI?S一,极值中心随时问东移减弱. 从以上分析可以看出,低涡形成初期,螺旋 度的值较小;低涡发展和成熟的阶段,螺旋度的 值明显增大,低涡减弱衰退的阶段,螺旋度的值 又明显减小.从螺旋度的定义来看,水平涡度和 风暴相对速度方向比较一致或夹角较小时,螺 旋度值就较大,它达到一定量时,输送到对流体 内的水平涡度可沿上升气流转化为较大的垂直 涡度,使得对流发展.螺旋度达最大值时,表 明对流层低层环境风状况也处于最利于强对流 ,螺 系统和气旋性涡旋发展的时期.5日08时 旋度有一个明显的增幅并达到最大值,而此时 对流层中低层的中尺度低涡的强度也加大,这 图6沿32.5.N螺旋度的时间剖面 (单位:m.?s) Fig.6Timecrosssectionofhelicity along32.5.N(units:m.?s一?) 说明螺旋度的增加促使了中尺度低涡的发展加强,较大的螺旋度可能是对流层中低层低涡产 生和发展的一种机制. 5结论 (1)中尺度数值模式MM5较好地模拟出了2003年7月4—5日的江淮暴雨过程中的 咖 第6期廖胜石等:一次江淮暴雨中中尺度低涡的数值模拟及分析759 24h总降水量的范围和中心以及主要影响系统 变情况. 对流层中低层中尺度低涡的发生发展演 (2)中低层中尺度低涡与这次暴雨过程有密切关系.该低涡与雨团的活动及强度变化近于 一 致.该低涡中心存在着强上升运动,低层辐合,高层辐散有利于中尺度对流系统的发生发展. 长江中下游地区对流层中低层的对流不稳定区是中尺度对流系统发生发展的重要条件之一. (3)螺旋度的分布和时间演变很好地反映了中低层中尺度低涡发生发展的演变情况,较大 的螺旋度是对流层中低层低涡发生和发展的一种有利机制. 参考文献: [1]胡伯威,潘鄂芬.梅雨期长江流域两类气旋性扰动和暴雨fJ].应用气 象,1996,7(2):139—144 [2]施曙,赵思雄.梅雨锋上与强暴雨有关的中低压及其三维环境流场的诊断研究 [J].大气科学.1994.18(4):476-484. [3]寿绍文,励申申,张诚忠,等.梅雨锋中尺度切变线雨带的动力结构分析[J].气 象,2001.59(4):405—413. 1-4]程麟生,冯伍虎."98?7"突发大暴雨及中尺度低涡结构的分析和数值模拟[J].大 气科学,2001,25(4):465—478. [5]贝耐芳,赵思雄.1998年"二度梅"期间突发强暴雨系统的中尺度分析EJ].大气科 学,2002,26(4):526540. [6]杨越奎,刘玉玲.万振栓,等."91.7"梅雨锋暴雨的螺旋度分析[J].气 象,1994,52(3):379—384. E7]许美玲.段旭,孙绩华,等.云南初夏罕见暴雨的螺旋度分析EJ].热带气 象,2003,19(2):184—190. [8]李耀辉,寿绍文.旋转风螺旋度及其在暴雨演变过程中的作用[J].南京气象学 院,1999,22(1):95—102. [9]DaviesJR,DonaldB.Testofhelicityasatornadoforecastparameter[R]//AmerMetSoc.16thofconferenceonsevere localstorm.Alta(Canada).1990:588—592. [1o]寿绍文,励申申,姚秀萍.中尺度气象学I-M].北京:气象出版社,2003:285—291. NumericalSimulationofaMesoscaleVortexinaHeavy RainProcessinChangjiang-HuaiheRiverBasin LIAOSheng—shi,.SHOUShao—wen (1.KeyLaboratoryofMeteorologicalDisasterandEnvironmentalVariation 2.DepartmentofAtmosphericSciences,NUIST,Nanjing210044,China) Abstract:Theheavyrainoccurredfrom2000BSTJuly4to2000BSTJuly5,2003inthe Yangtze-HuaiheRiverBasinwassimulatedbythemesoscalenumericalmodelMM5.The analysissuggeststhattheheavyraineventwascloserelatedtothegenerationanddevelop— mentofamesoscalevortexinthemid—lowtroposphere.Thevortexmovedtogetherwitha mesoscaleraincluster,anditsintensitywasinagreementwiththeevolutionofprecipitation intesityatthecenteroftheraincluster.Thedispositionoftheintensiveascendingmotionat thecenterofthevortex,thelower—levelconvergenceandupper— leveldivergence.andtheac— cumulationofunstableenergyinthelowlevelofthevortexwereveryfavorableforthegen— erationanddevelopmentofthemesoscalevortex.Itwasfoundthatthehigherhelicityinthe mid—lowtropospheremightbeoneofthepossiblemechanismsforthegenerationanddevel— opmentofthemesoscalevortex. Keywords:heavyrainfall;mesoscalevortex;helicity;numericalsimulation