一次華南持續(xù)性暴雨的動(dòng)力診斷分析和數(shù)值模擬

何編，孫照渤，李忠賢

(南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044)

一次華南持續(xù)性暴雨的動(dòng)力診斷分析和數(shù)值模擬

何編，孫照渤，李忠賢

(南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044)

利用傾斜渦度發(fā)展(slantwise vorticity development，SVD)理論，對(duì)2008年6月中旬華南地區(qū)持續(xù)性暴雨進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)機(jī)制的診斷分析，討論了低空急流(low level jet，LLJ)在低渦發(fā)展過(guò)程中起的作用，同時(shí)利用MM5數(shù)值模式對(duì)暴雨過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步分析。結(jié)果表明，高原低渦的發(fā)展是前期廣西地區(qū)降水的主要?jiǎng)恿σ蛩兀捎跐竦褥孛嫦鄬?duì)地形傾斜，且氣塊沿等熵面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滿足熱力學(xué)參數(shù)CM＜0的條件，使得SVD發(fā)生作用，導(dǎo)致低渦移出高原后得到進(jìn)一步發(fā)展;而LLJ的增強(qiáng)改變了大氣斜壓性，是后期低渦繼續(xù)東移發(fā)展，并造成廣東地區(qū)持續(xù)性暴雨的重要原因。數(shù)值模擬控制試驗(yàn)結(jié)果很好地反映了這次低渦降水的發(fā)展過(guò)程。敏感性試驗(yàn)結(jié)果初步表明，LLJ改變了低層大氣穩(wěn)定度和風(fēng)的垂直切變，即大氣斜壓性增強(qiáng)，從而促進(jìn)了中尺度低渦的進(jìn)一步發(fā)展。

傾斜渦度發(fā)展(SVD);低空急流(LLJ);持續(xù)性暴雨;數(shù)值模擬

Abstract:Based on slantwise vorticity development(SVD)theory，the possible dynamical mechanism of a persistent torrential rain which occurred in mid-June of 2008 was analyzed，and the role of low level jet (LLJ)in vorticity development was discussed．Meanwhile，several numerical simulations were performed to testify the rainstorm process based on MM5 and the results were further analyzed．The results indicate that:the development of low vortex from Tibetan Plateau was the primary cause for the precipitation in Guangxi and Guangdong at early stage．SVD took effect while moist isentropic surface tended to slope and air particles had relative motions along isentropic surface．With certain condition(CM＜0)，the vorticity got a further development afterwards．Moreover，the enhancement of LLJ changed the atmospheric baroclinity and caused the vorticity to develop and move eastward，which was the main cause for the persistent torrential rain in Guangdong．The results of simulation control test well revealed the development process of the vortex and precipitation．The result of sensitive test showed that LLJ changed the stability of low level atmosphere and vertical shear of the wind，which meant that the baroclinity of the atmosphere was increasing．It thus made the mesoscale vortex develop further．

Key words:slantwise vorticity development(SVD);low level jet(LLJ);persistent torrential rain;numerical simulation

0 引言

持續(xù)性暴雨由于其時(shí)間尺度長(zhǎng)且影響范圍廣，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失，其發(fā)生發(fā)展機(jī)理歷來(lái)是科學(xué)家們研究的重點(diǎn)。以往的研究多集中于持續(xù)性暴雨發(fā)生的大尺度背景，對(duì)東亞地區(qū)而言，中高緯西風(fēng)環(huán)流異常(張慶云等，2001;鮑名，2007)以及孟加拉灣、南海、西太平洋較強(qiáng)的水汽輸送異常(康志明，2004)都是持續(xù)性暴雨發(fā)生所必不可少的條件。但是對(duì)持續(xù)性暴雨的維持機(jī)制尤其是動(dòng)力機(jī)制的討論并不多，陳忠明等(2007)對(duì)1989年7月四川東部的個(gè)例分析表明，對(duì)流、濕度鋒和低空急流耦合是持續(xù)性暴雨維持的可能機(jī)制，這從一個(gè)角度說(shuō)明了影響持續(xù)性暴雨的物理機(jī)制是十分復(fù)雜的，因此有必要利用有效的動(dòng)力診斷工具對(duì)其進(jìn)行深入的討論。

位渦(Rossby，1940;Etrel，1942;Hoskins et al．，1985)作為診斷工具如今已廣泛的被應(yīng)用于氣候及天氣的分析診斷中。中高緯地區(qū)對(duì)流層高層等熵面近似水平，利用等熵面上位渦的變化可以較準(zhǔn)確的研究重要的天氣過(guò)程。但是在中低緯地區(qū)對(duì)流層低層，尤其在高原附近，等熵面傾斜度較大，且低層水汽較為豐富，這時(shí)再用等熵位渦作為研究工具就有一定局限性了。因此，吳國(guó)雄等(1995)做了較為系統(tǒng)的工作，他們從完整的原始方程出發(fā)導(dǎo)出了精確形式的濕位渦守恒方程，并提出了傾斜渦度發(fā)展(slantwise vorticity development，SVD)理論(吳國(guó)雄和劉還珠，1999)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的許多學(xué)者也從不同角度對(duì)濕位渦守恒及SVD理論進(jìn)行了研究與討論，并利用這一有效工具解釋了許多天氣現(xiàn)象(高守亭等，2002;文莉娟等，2006;王子謙等，2010)。余暉和吳國(guó)雄(2001)利用SVD理論解釋了熱帶氣旋的突變問(wèn)題。崔曉鵬等(2002)利用西大西洋鋒面氣旋的個(gè)例進(jìn)一步發(fā)展出了上滑傾斜渦度發(fā)展理論。陳忠明等(2006)將濕位渦理論應(yīng)用到散度方程中，并強(qiáng)調(diào)了熱力學(xué)參數(shù)CD的重要性。王瀛等(2007)利用模式揭示了減弱的熱帶氣旋移近高大山脈時(shí)可以空氣產(chǎn)生沿傾斜等熵面的下滑運(yùn)動(dòng)，其引起的風(fēng)垂直切變有利于誘生新的渦旋中心。

我國(guó)華南地區(qū)由于受高原地形、東亞夏季風(fēng)等因素的影響，在夏季多發(fā)持續(xù)性暴雨災(zāi)害。高原東部地區(qū)，經(jīng)常有天氣擾動(dòng)形成中尺度低渦，在有利條件下進(jìn)一步向兩廣地區(qū)發(fā)展，是造成持續(xù)性暴雨的重要天氣系統(tǒng)之一，對(duì)其發(fā)展機(jī)制已有不少研究(趙思雄和傅慎明，2007;于波和林永輝，2008)。陳棟等(2007)利用濕位渦理論對(duì)“鞍”型場(chǎng)下中尺度低渦發(fā)展的物理機(jī)制進(jìn)行的分析表明，高溫高濕的強(qiáng)垂直對(duì)流不穩(wěn)定是引起低渦強(qiáng)烈發(fā)展的主要原因，而且，在盆地上空低層暖濕空氣相當(dāng)位溫的水平梯度對(duì)中尺度低渦的發(fā)展和暴雨的發(fā)生同樣起了重要作用。蒙偉光等(2004)的研究表明，由于濕等熵面的傾斜，水平風(fēng)垂直切變和濕斜壓度的增大有利于渦旋的發(fā)展，使得暴雨和中尺度對(duì)流系統(tǒng)得以維持。

對(duì)于發(fā)生在2008年6月中旬華南地區(qū)的持續(xù)性暴雨過(guò)程，何編和孫照渤(2010)的研究已經(jīng)對(duì)其發(fā)生的大尺度背景特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，但沒(méi)有進(jìn)一步討論中尺度低渦發(fā)展的物理機(jī)制。同時(shí)，已有的研究(陳業(yè)國(guó)和農(nóng)孟松，2010;高安寧等，2010)多從天氣學(xué)分析的角度進(jìn)行了討論，而對(duì)于持續(xù)性暴雨得以維持的動(dòng)力學(xué)機(jī)制分析不多。本文采用1° ×1°的美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction Final，NCEP FNL)全球再分析資料及全國(guó)逐6 h降水資料，利用SVD理論對(duì)這次持續(xù)性暴雨過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)機(jī)制診斷分析，并利用MM5數(shù)值模式對(duì)這次持續(xù)性暴雨過(guò)程進(jìn)行模擬，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了敏感性模擬試驗(yàn)，以進(jìn)一步研究低空急流(low level jet，LLJ)在低渦發(fā)展中所起的作用。

1 低渦發(fā)展過(guò)程診斷

1.1 低渦和LLJ的演變特征

這次持續(xù)性暴雨過(guò)程是在中高緯兩槽一脊的穩(wěn)定形勢(shì)和東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)的大尺度背景下，由中尺度低渦擾動(dòng)造成的華南地區(qū)持續(xù)性大暴雨，這里僅從中尺度低渦發(fā)展的角度來(lái)分析本次暴雨過(guò)程。首先給出這一時(shí)期對(duì)流層低層相對(duì)渦度場(chǎng)和垂直速度場(chǎng)分布的演變特征，為了突出低空急流的特征，圖1只繪制了大于12 m/s的風(fēng)向矢量分布。如圖1所示，11日00時(shí)(世界時(shí)，下同)的700 hPa渦度場(chǎng)上，早期沿高原下移的低渦位于云南東北部地區(qū)，這已是其發(fā)展較強(qiáng)的時(shí)期，中心強(qiáng)度超過(guò)10×10－5s－1，渦旋主體伴隨著較強(qiáng)的垂直運(yùn)動(dòng)向東向南發(fā)展，在該區(qū)域也有暴雨發(fā)生(圖略)。位于長(zhǎng)江中下游的切變線使得該區(qū)域表現(xiàn)出較強(qiáng)的正渦度，而此時(shí)廣東地區(qū)的正渦度與其上空的低槽相對(duì)應(yīng)。隨著低渦進(jìn)一步向東南方向移動(dòng)，由于地形摩擦等耗散作用，強(qiáng)度有所減弱，到了11日12時(shí)，渦度中心降至6×10－5s－1。隨著低空風(fēng)速的加強(qiáng)，廣西西南地區(qū)上空出現(xiàn)了一個(gè)較強(qiáng)的渦度中心和低壓槽，隨后，低空急流帶來(lái)的正渦度輸送與高原低渦合并加強(qiáng)發(fā)展。到了12日00時(shí)，整個(gè)廣西地區(qū)位于低空急流的控制范圍內(nèi)，相對(duì)渦度的發(fā)展超過(guò)了10×10－5s－1，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)位于低渦的東側(cè)，速度超過(guò)了0.1 m/s。12日18時(shí)是渦度發(fā)展到最強(qiáng)的時(shí)期，兩廣地區(qū)大部分地區(qū)都有強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，同時(shí)合并后的低渦中心進(jìn)一步向東北方向移動(dòng)，這與低空急流的增強(qiáng)有著密切聯(lián)系。13日，低空急流帶位于廣東沿海并伸至長(zhǎng)江中下游地區(qū)，而渦度中心向東北方向移去并逐漸減弱?？傮w來(lái)看，這一時(shí)期華南地區(qū)的持續(xù)性暴雨發(fā)生在低空急流加強(qiáng)侵入華南后，同時(shí)中尺度低渦的發(fā)展也和低空急流的增強(qiáng)有著密切關(guān)系。

圖1 700 hPa相對(duì)渦度場(chǎng)(等值線;單位:10－5s－1)、垂直速度(陰影;單位:m/s)和低空急流(矢量箭頭;單位:m/s;全風(fēng)速≥12 m/s)分布a．6月11日00時(shí);b．6月11日12時(shí);c．6月12日00時(shí);d．6月12日18時(shí);e．6月13日12時(shí);f．6月13日18時(shí)Fig．1Relative vorticity(contour;units:10－5s－1)，vertical velocity(shaded;units:m/s)and LLJ(units:m/s; vectors whose speed≥12 m/s is plotted)at 700 hPaa．0000 UTC June 11;b．1200 UTC June 11; c．0000 UTC June 12;d．1800 UTC June 12;e．1200 UTC June 13;f．1800 UTC June 13

1.2 低渦發(fā)展的動(dòng)力學(xué)分析

為了找出對(duì)低渦發(fā)展有主要貢獻(xiàn)的動(dòng)力學(xué)因子，從SVD理論出發(fā)對(duì)濕等熵面傾斜造成的垂直渦度發(fā)展進(jìn)行討論。在絕熱無(wú)摩擦情況下，濕空氣位渦PM守恒方程等熵面坐標(biāo)下形式簡(jiǎn)化為(吳國(guó)雄和劉還珠，1999)

其中:ξn=αζθ;θen=|▽?duì)萫|。在z坐標(biāo)下，將PM分解成垂直分量(下標(biāo)z表示)和水平分量(下標(biāo)s表示，為沿著θe的水平梯度方向)，

其中

從(1)、(2)兩式得到

由于濕位渦守恒時(shí)，濕等熵面的θen發(fā)生改變并不能導(dǎo)致垂直渦度的變化，因?yàn)樗淖兓傆笑蝞的變化所補(bǔ)償(ξnθen=const)。但是考慮如下情況，當(dāng)濕等熵面傾斜并且氣塊沿該濕等熵面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，即下滑或上滑一個(gè)角度β(也是濕等熵面相對(duì)于水平面的傾角)，由于tanβ=θes/θez，(4)式可以改寫為

從以上3個(gè)必要條件出發(fā)，對(duì)本次中尺度低渦發(fā)展過(guò)程進(jìn)行SVD診斷。由于此次渦度發(fā)展的主要階段都位于24～26°N以內(nèi)，因此對(duì)這一范圍內(nèi)的物理量做緯向平均剖面，以分析其動(dòng)力學(xué)特征。圖2給出了不同時(shí)刻濕等熵線以及垂直渦度的演變過(guò)程，以及相應(yīng)時(shí)刻傾斜渦度發(fā)展關(guān)鍵因子β和CM的水平分布，由于渦度的極大值基本位于800 hPa，因此這里只給出了800 hPa上的分布特征。由圖可見(jiàn)，11日18時(shí)(圖2a)渦度中心位于高原斜坡上空105°E附近，中心值超過(guò)8×10－5s－1，中心附近濕等熵線傾斜較為明顯，且有一定的垂直運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明氣塊沿濕等熵線存在上滑運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，從CM分布來(lái)看(圖2b)，相應(yīng)位置附近出現(xiàn)了超過(guò)－5×10－5s－1的低值中心，并且傾角β的正極值中心覆蓋的區(qū)域和CM及渦度中心是一致的，這表明SVD作用是這一時(shí)刻渦度發(fā)展的重要因子之一。

12日12時(shí)(圖2c、d)，渦度主體明顯增強(qiáng)并移至109°E附近，對(duì)流層高層由于較強(qiáng)的西風(fēng)作用使得渦度主體向東傾斜。在對(duì)流層低層800 hPa附近，108°E左右渦度中心量級(jí)超過(guò)了－12×10－5s－1，低渦西側(cè)的濕等熵線密集帶從對(duì)流層底伸至對(duì)流層中層，并伴有較強(qiáng)的垂直運(yùn)動(dòng)。從CM水平分布來(lái)看，負(fù)值中心包括了渦度場(chǎng)的大值區(qū)，滿足渦度發(fā)展的必要條件。這一時(shí)刻由于濕等熵面的傾斜范圍增大，且垂直運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，大量氣塊沿等熵面上滑，因此在相應(yīng)的CM＜0的區(qū)域，低層SVD的強(qiáng)烈作用使得垂直渦度劇烈發(fā)展。13日00時(shí)(圖2e，f)，低渦已經(jīng)移動(dòng)到兩廣地區(qū)，傾斜的濕等熵線伸至300 hPa。由于低空急流的增強(qiáng)，渦度主體已經(jīng)向北移動(dòng)，在低渦前部，大部分區(qū)域都滿足CM＜0的必要條件，而且有等熵面傾角正值區(qū)與其對(duì)應(yīng)。所以此時(shí)兩廣地區(qū)有較強(qiáng)的中尺度低渦的發(fā)展，有利于廣東沿海地區(qū)對(duì)流活動(dòng)的發(fā)生，給持續(xù)性暴雨的維持創(chuàng)造了有利的動(dòng)力條件。

綜上，此次SVD影響中尺度低渦發(fā)展的演變過(guò)程，第一階段在高原附近，由于濕等熵面的傾斜加上對(duì)流運(yùn)動(dòng)有利于氣塊沿傾斜的濕等熵面滑動(dòng)，使得SVD產(chǎn)生作用，在CM＜0時(shí)，高原上的中尺度低渦得到了進(jìn)一步增強(qiáng)。當(dāng)?shù)蜏u東移至了較為平坦的華南地區(qū)，由于低空急流的增強(qiáng)，低層風(fēng)的垂直切變?cè)鰪?qiáng)，導(dǎo)致大氣穩(wěn)定度發(fā)生變化，配合CM＜0和β增加的條件，使得垂直方向上渦度劇烈發(fā)展，最終導(dǎo)致華南地區(qū)持續(xù)性暴雨的發(fā)生。由以上分析可知，低空急流在后一階段對(duì)渦度的發(fā)展起到了重要作用，那么它和SVD之間的聯(lián)系究竟如何，將在下文詳細(xì)分析。

圖2 相當(dāng)位溫(實(shí)線;單位:K)、相對(duì)渦度(虛線;單位:10－5s－1)和風(fēng)場(chǎng)(矢量箭頭;單位:m/s)的垂直剖面(a，c，e);800 hPa上CM＜0的區(qū)域(陰影;單位:10－5s－1)及濕等熵面傾角β(等值線;單位:°)(b，d，f)a，b．11日18時(shí);c，d．12日12時(shí);e，f．13日00時(shí)Fig．2(a，c，e)Equivalent potential temperature(solid line;units:K)，vorticity(dashed line;units:10－5s－1) and cross-section of wind field(arrow;units:m/s);(b，d，f)CM＜0(shaded;units:10－5s－1)，slope angle of moist isentrope β(contour;units:°)at 800 hPaa，b．1800 UTC June 11;c，d．1200 UTC June 12;e，f．0000 UTC June 13

2 LLJ對(duì)低渦發(fā)展的影響

2.1 LLJ影響低渦發(fā)展的理論分析

LLJ的增強(qiáng)與這次渦度的發(fā)展有著緊密的聯(lián)系。以往對(duì)于LLJ、低渦以及降水之間關(guān)系的研究，多是討論低渦前部的非絕熱加熱和暖平流增加低層大氣的斜壓性，這些非線性的相互作用過(guò)程會(huì)加深LLJ的發(fā)展并對(duì)低渦的發(fā)展產(chǎn)生正反饋?zhàn)饔?Chen and Chen，1997;Wang and Gao，2003，2006)。本文利用Wu and Liu(1997)關(guān)于LLJ的增強(qiáng)對(duì)渦度的影響，從動(dòng)力學(xué)角度討論此次持續(xù)性暴雨中LLJ對(duì)低渦發(fā)展的影響(圖3)，文獻(xiàn)中推導(dǎo)了對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)下傾斜渦度的發(fā)展，本文從另一個(gè)角度討論對(duì)流穩(wěn)定層結(jié)的情況。

圖3SVD發(fā)展與LLJ關(guān)系的示意Fig．3Schematic diagram showing the relationship between SVD and LLJ

假設(shè)大氣為穩(wěn)定層結(jié)(θez＞0)，設(shè)Y方向?yàn)樗矫尕?fù)方向，相當(dāng)位溫向Y正方向遞增(θes＞0)，并假設(shè)LLJ只存在緯向運(yùn)動(dòng)，即v=0，因此當(dāng)氣塊(初始位置A0，濕等熵面水平)沿濕等熵面下滑一個(gè)角度β到LLJ上方的位置A時(shí)風(fēng)的垂直切變?yōu)?/p>

根據(jù)(7)式，有CM＜0，有利于垂直渦度的發(fā)展。而下滑到LLJ以下的近地面層G位置由濕位渦守恒原理(3)式，在A0處(PM)A0=ξzθen，在G處(PM)G≈ξsθes≈ξsθen，(θez→0，θes→θen)。

因此由守恒條件約束有

因?yàn)椋?θen)G=(θen)A0，所以(ξen)G≈(ξen)A0，β

這表明氣塊沿濕等熵面下滑到近地面時(shí)，渦度的水平切變要變號(hào)，這是由風(fēng)的垂直切變來(lái)決定的。這說(shuō)明，當(dāng)氣流沿上述過(guò)程運(yùn)動(dòng)時(shí)，LLJ最大風(fēng)速的高度z=zJ應(yīng)該在A層以下、近地面層之上。設(shè)θe的曲率半徑為R，下滑到高度zJ的角度為βJ，即=0，因此由(4)式有:

上式表明，LLJ層垂直渦度的強(qiáng)度和LLJ的高度成反比，LLJ層次越低，垂直渦度發(fā)展的越強(qiáng)，這是由于風(fēng)的垂直切變?cè)鰪?qiáng)造成的。此外，由于LLJ下方不滿足CM＜0的條件，因此不利于SVD發(fā)展。

下一節(jié)利用上述理論對(duì)風(fēng)的垂直切變場(chǎng)和相對(duì)渦度場(chǎng)進(jìn)行了診斷，分析LLJ增強(qiáng)對(duì)這次華南低渦發(fā)展的影響。選取主要的3次相對(duì)渦度出現(xiàn)極大值的區(qū)域進(jìn)行定量分析，給出與這2個(gè)物理量相關(guān)的3個(gè)時(shí)刻的垂直廓線分布(圖4)。

2.2 風(fēng)的垂直切變和渦度發(fā)展的特征

首先從渦度發(fā)展的強(qiáng)度上看，由于低空急流造成的風(fēng)的垂直切變?cè)鰪?qiáng)，改變了大氣穩(wěn)定度，通過(guò)SVD作用使得后2次渦度發(fā)展明顯比第一階段強(qiáng)。由圖4a、b可見(jiàn)，由于第一次過(guò)程低渦仍位于高原斜坡上空，低空急流仍未發(fā)展，風(fēng)的垂直切變較小，11日18時(shí)750 hPa渦度的極值只有4×10－5s－1。而當(dāng)?shù)蜏u移出高原后，由于低空急流的增強(qiáng)，風(fēng)的垂直切變明顯增強(qiáng)。由圖4c、e可見(jiàn)，12日18時(shí)及隨后幾個(gè)時(shí)刻，水平全風(fēng)速的垂直切變?cè)?25 hPa左右達(dá)到－7×10－4m·s－1·Pa－1，13日06時(shí)達(dá)到極值，約為－8×10－4m·s－1·Pa－1，隨后逐漸減弱。LLJ的范圍大約覆蓋了750～925 hPa的層次，而由與此對(duì)應(yīng)的渦度場(chǎng)的垂直分布可以看出，渦度的大值區(qū)基本都位于800 hPa以上，因?yàn)長(zhǎng)LJ下方基本無(wú)法滿足SVD的必要條件CM＜0，因此，渦度很少在這里發(fā)展。另外，從CM的垂直分布來(lái)看(圖略)，渦度發(fā)展的區(qū)域基本都滿足CM＜0的條件，且大多位于對(duì)流層中低層，這也是渦度能在這一層得到發(fā)展的重要因素之一。此外，從量級(jí)上來(lái)看，對(duì)比LLJ增強(qiáng)后的兩次低渦發(fā)展，由圖4c、e可知，13日18時(shí)的極值僅比12日18時(shí)的略強(qiáng)一些，而對(duì)應(yīng)的渦度的發(fā)展卻高出了約2×10－5s－1。這說(shuō)明渦度的發(fā)展對(duì)風(fēng)垂直切變的響應(yīng)是非線性的。

3 數(shù)值模擬

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

上文對(duì)實(shí)況資料進(jìn)行了診斷分析，較詳細(xì)的討論了此次渦旋發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。為了進(jìn)一步討論LLJ對(duì)低渦發(fā)展的影響，本文擬利用中尺度模式MM5V3.7版本設(shè)計(jì)了兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)方案，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行討論。

首先為了檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)此次低渦發(fā)展過(guò)程的模擬能力，設(shè)計(jì)了如下控制試驗(yàn)方案。采用NCEP FNL 1°×1°資料作為模式的初始場(chǎng)及邊界條件。模擬區(qū)域采用雙向嵌套，粗網(wǎng)格格距90 km，水平格點(diǎn)數(shù)97×133，細(xì)網(wǎng)格格距30 km，水平格點(diǎn)數(shù)97×133，粗細(xì)網(wǎng)格選擇同一模擬區(qū)域中心(115°E，24°N)，垂直方向σ坐標(biāo)24層，模式層頂氣壓為10 hPa，積分時(shí)間步長(zhǎng)90 s。積云對(duì)流參數(shù)化粗網(wǎng)格選擇kuo方案，細(xì)網(wǎng)格選擇Grell方案，邊界層參數(shù)化選擇Blackadar方案，顯式水汽方案選擇簡(jiǎn)單冰，輻射方案選擇簡(jiǎn)單冷卻輻射，側(cè)邊界條件粗網(wǎng)格選擇松弛/流入—流出方案，細(xì)網(wǎng)格選擇時(shí)間依賴方案。模式積分時(shí)間為2008年6月11日06時(shí)—14日12時(shí)，每3 h輸出一次結(jié)果。

其次，設(shè)計(jì)一個(gè)敏感性試驗(yàn)，其初始和邊界條件以及物理過(guò)程參數(shù)化方案與控制試驗(yàn)保持一致，但是將垂直的σ層在0.945～0.625之間的三維風(fēng)場(chǎng)u、v、w的邊界條件及其傾向值設(shè)為0，以去除LLJ對(duì)低渦發(fā)展的影響。

3.2 控制試驗(yàn)結(jié)果

圖5 700 hPa高度場(chǎng)(等值線;單位:gpm)、風(fēng)場(chǎng)(單位:m/s)及降水分布(陰影;單位:mm)的模擬(a，b，c)與觀測(cè)(d，e，f)對(duì)比a，d．11日18時(shí);b，e．12日18時(shí);c，f．13日12時(shí)Fig．5(a，b，c)Simulated and(d，e，f)observed geopotential height(contour;units:gpm)，wind(vector;units:m/s)and precipitation(shaded;units:mm)at 700 hPaa，d．1800 UTC June 11;b，e．1800 UTC June 12;c，f．1200 UTC June 13

控制試驗(yàn)與實(shí)況比較(圖5)，細(xì)網(wǎng)格20 h的模擬已經(jīng)較好的刻畫出700 hPa的低壓系統(tǒng)，強(qiáng)度、范圍均與實(shí)況大致相當(dāng)，中心低壓達(dá)到3 090 gpm。同時(shí)模擬出廣西北部地區(qū)的兩個(gè)降水中心，但是120 mm的強(qiáng)度中心略微偏西，且在其東部出現(xiàn)了較強(qiáng)的雨帶，整體上模擬比實(shí)況偏強(qiáng)。低渦前部有較強(qiáng)的西南風(fēng)出現(xiàn)，隨后的模擬過(guò)程中，雨帶隨著低渦的推進(jìn)向東移動(dòng)，由于降水的凝結(jié)潛熱釋放引起的非絕熱加熱使得風(fēng)的垂直切變?cè)鰪?qiáng)，并且低渦以東地區(qū)一直存在著相當(dāng)強(qiáng)度的西南風(fēng)，從而使LLJ增強(qiáng)。12日18時(shí)，模擬的低渦移動(dòng)速度比實(shí)況略快，低渦東部的降水中心模擬比實(shí)況偏弱，廣東地區(qū)的降水中心比實(shí)況偏北了約1個(gè)緯度。到了13日12時(shí)，模擬的低渦中心比實(shí)況偏弱了20 gpm，雨帶的位置明顯偏北，且強(qiáng)度偏弱，降水中心比實(shí)況少了40 mm，已有較大差距。

由上述分析可知，總體上72 h內(nèi)的模擬過(guò)程，700 hPa上低壓中心的強(qiáng)度、范圍、移動(dòng)速度及移動(dòng)路徑與實(shí)況相差不大，模擬結(jié)果是可以接受的。但是模擬的降水情況后期不太理想，前48 h模擬的降水與實(shí)況也略有差距，這可能與積云對(duì)流參數(shù)化方案的設(shè)計(jì)有關(guān)，嘗試采用其他積云對(duì)流參數(shù)化方案后的模擬情況與也此方案類似，共同特征是廣東地區(qū)的降水模擬較差，而隨著低壓的移動(dòng)，各方案都有雨帶位于其東部并隨之移動(dòng)。這說(shuō)明華南地區(qū)的暴雨成因比較復(fù)雜，需要對(duì)現(xiàn)有的參數(shù)化方案加以改進(jìn)。同時(shí)，由于中尺度系統(tǒng)對(duì)初始場(chǎng)的選擇十分敏感，再加上邊界條件存在一定的不準(zhǔn)確性，隨著積分時(shí)間的延長(zhǎng)，模擬效果會(huì)越來(lái)越差，因此48 h以后的模擬結(jié)果與實(shí)況差距明顯擴(kuò)大。

從模擬的渦度場(chǎng)分布來(lái)看，模擬出了此次低渦的中尺度結(jié)構(gòu)特征。12日00時(shí)是LLJ開(kāi)始增強(qiáng)的時(shí)刻，廣西北部地區(qū)表現(xiàn)出兩個(gè)較強(qiáng)的渦度中心，西邊的渦度是高原東移的中尺度低渦，109°E附近的渦度是由于風(fēng)的垂直切變的增強(qiáng)，由SVD作用生成的新渦度，強(qiáng)度達(dá)到30×10－5s－1。為了突出LLJ的強(qiáng)度、范圍等特征，采用如下方法表示，計(jì)算區(qū)域選擇(98～122°E，18～32°N)。定義

其中:Vh表示水平全風(fēng)速;Vh表示水平全風(fēng)速的區(qū)域平均;V'h為疊加在水平基本氣流之上的擾動(dòng)氣流，其大值帶可以指示LLJ的發(fā)展?fàn)顩r。由圖6可見(jiàn)，總體上模擬的急流帶和實(shí)況的位置是較為吻合的，但強(qiáng)度上偏弱。急流范圍主要位于低渦的南部地區(qū)，那里由于渦度氣旋性切變的增強(qiáng)有利于和LLJ發(fā)生相互作用，即在高原地形等有利的條件下，SVD作用使得低渦發(fā)展，造成其南部的LLJ的增強(qiáng)，從而使得風(fēng)的垂直切變?cè)黾?，造成大氣穩(wěn)定度發(fā)生變化，在CM的時(shí)間傾向小于0的條件下，促使了新的渦度生成并加強(qiáng)發(fā)展。到12日12時(shí)，模擬的低渦達(dá)到最強(qiáng)，可見(jiàn)LLJ也隨渦度的增強(qiáng)而增強(qiáng)，中心風(fēng)速超過(guò)24 m/s，模擬的LLJ中心移動(dòng)的比實(shí)況快了約1個(gè)經(jīng)度。到13日12時(shí)，低渦向東北方向移動(dòng)，其位置與實(shí)況相比(圖1e)較為一致，模擬的LLJ比實(shí)況略微偏西，這可能也是模擬的雨帶偏北偏西的主要原因之一。

圖6 控制試驗(yàn)?zāi)M的700 hPa渦度場(chǎng)(等值線;單位:10－5s－1)、擾動(dòng)氣流(陰影表示模擬，虛線表示實(shí)況;單位:m/s)a．12日00時(shí);b．12日12時(shí);c．13日12時(shí)Fig．6Simulated vorticity(contour;units:10－5s－1)，perturbed air flow(shaded:simulation;dashed line:observation;units:m/s)at 700 hPaa．0000 UTC June 12;b．1200 UTC June 12;c．1200 UTC June 13

3.3 敏感性試驗(yàn)結(jié)果

由于在敏感性試驗(yàn)中，將σ在0.945～0.625之間的三維風(fēng)場(chǎng)邊界條件及其傾向值設(shè)為0，其他層次及變量保持不變，這樣基本去除了對(duì)流層中低層LLJ對(duì)低渦發(fā)展的影響。根據(jù)圖3所示理論，當(dāng)不存在LLJ時(shí)，風(fēng)的垂直切變減小，SVD作用減弱，必然不利于低渦的發(fā)展。由圖7可見(jiàn)，將敏感性試驗(yàn)的低層渦度場(chǎng)及V'h的模擬與控制試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。積分30 h后，敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)(圖6b)差距并不大，此時(shí)700 hPa渦度場(chǎng)在兩試驗(yàn)中量級(jí)相當(dāng)，都超過(guò)40×10－5s－1，而由于邊界強(qiáng)迫的原因，V'h的范圍敏感性試驗(yàn)比控制試驗(yàn)略小，極值中心小1 m/s。12日18時(shí)，敏感性試驗(yàn)(圖7b)與控制試驗(yàn)(圖略)渦度場(chǎng)的差別開(kāi)始顯現(xiàn)出來(lái)，敏感性試驗(yàn)渦度中心強(qiáng)度要比控制試驗(yàn)小了8×10－5s－1，而V'h強(qiáng)度進(jìn)一步減小了2 m/s。13日00時(shí)，敏感性試驗(yàn)中，在廣東與江西交界處V'h強(qiáng)度明顯偏弱，導(dǎo)致那里渦度的強(qiáng)度也比控制試驗(yàn)小了很多。積分54 h后敏感性試驗(yàn)的渦度中心已比控制試驗(yàn)偏西偏南約1個(gè)經(jīng)緯度，渦度中心強(qiáng)度上敏感性試驗(yàn)只有控制試驗(yàn)的一半，V'h大值中心的強(qiáng)度敏感性試驗(yàn)比控制試驗(yàn)小4 m/s，說(shuō)明LLJ在低渦發(fā)展過(guò)程中的作用不可忽視，由于垂直風(fēng)切變的增強(qiáng)，SVD作用使得低渦強(qiáng)烈發(fā)展。

4 結(jié)論和討論

利用NCEP FNL再分析資料和傾斜渦度發(fā)展理論對(duì)2008年6月中旬華南地區(qū)發(fā)生的持續(xù)性大暴雨進(jìn)行了動(dòng)力機(jī)制上的診斷分析，揭示了低渦發(fā)展過(guò)程中LLJ通過(guò)改變大氣斜壓性使得低渦進(jìn)一步向下游發(fā)展的動(dòng)力學(xué)特征，并在此基礎(chǔ)之上利用MM5數(shù)值模式進(jìn)行控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)加以佐證。結(jié)果表明

圖7 敏感性試驗(yàn)?zāi)M的700 hPa渦度場(chǎng)(等值線;單位:10－5s－1)、擾動(dòng)氣流(陰影表示模擬，虛線表示實(shí)況;單位:m/s)a．12日12時(shí);b．12日18時(shí);c．13日00時(shí);d．13日12時(shí)Fig．7Simulated vorticity(contour;units:10－5s－1)，perturbed air flow(shaded:simulation;dashed line:observation;units:m/s)at 700 hPaa．1200 UTC June 12;b．1800 UTC June 12;c．0000 UTC June 13; d．1200 UTC June 13

1)2008年6月11—13日，華南地區(qū)受一系列中尺度低渦的影響發(fā)生了持續(xù)性暴雨。低渦的演變主要分3次過(guò)程，11日18時(shí)之前，低渦位于云南東部地區(qū)，在有利條件下導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐拇蟊┯辍ｋS后渦度進(jìn)一步向東發(fā)展，12日00時(shí)開(kāi)始，廣西地區(qū)LLJ開(kāi)始加強(qiáng)，中尺度低渦開(kāi)始迅速發(fā)展并進(jìn)一步向華南地區(qū)移動(dòng)，導(dǎo)致了華南地區(qū)的持續(xù)性暴雨。

2)這次低渦發(fā)展的一種可能的動(dòng)力學(xué)機(jī)制分析認(rèn)為，第一階段主要受高原地形影響，由于濕等熵面的傾斜，垂直運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，在CM＜0的條件下，SVD使中尺度低渦強(qiáng)烈發(fā)展，低渦移至廣西后與新渦度合并，且由于LLJ的增強(qiáng)使得大氣風(fēng)的垂直切變?cè)鰪?qiáng)，改變了大氣穩(wěn)定度，在對(duì)稱不穩(wěn)定的環(huán)境內(nèi)仍有CM＜0的條件，新渦度由此迅速發(fā)展并導(dǎo)致了華南地區(qū)的大暴雨。

3)對(duì)于此次暴雨過(guò)程的數(shù)值模擬研究，控制試驗(yàn)較好的反映的這次暴雨過(guò)程，積分24 h的降水與實(shí)況較為一致，整個(gè)積分過(guò)程中，低渦的移動(dòng)發(fā)展與實(shí)況較為吻合，很好地反映出其中尺度系統(tǒng)的特征，并且證明了濕等熵面傾斜并向東移動(dòng)是SVD影響低渦發(fā)展的重要特征之一。敏感性試驗(yàn)表明，LLJ的增強(qiáng)是低渦增強(qiáng)和移動(dòng)的重要因素，它改變了風(fēng)的垂直切變以及大氣穩(wěn)定度，當(dāng)氣塊運(yùn)動(dòng)滿足SVD條件時(shí)就導(dǎo)致渦度的劇烈發(fā)展。

本文討論的僅是渦度發(fā)展的一種可能的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，許多學(xué)者的研究已經(jīng)指出了低渦前部的非絕熱加熱是導(dǎo)致其發(fā)展的重要因素，那么傾斜渦度發(fā)展導(dǎo)致的渦度增強(qiáng)與非絕熱加熱作用影響下的渦度變化有何聯(lián)系或異同，待進(jìn)一步探討。

鮑名．2007．近50年我國(guó)持續(xù)性暴雨的統(tǒng)計(jì)分析及其大尺度環(huán)流背景［J］．大氣科學(xué)，31(5):779-792．

陳棟，李躍清，黃榮輝．2007．在“鞍”型大尺度環(huán)流背景下西南低渦發(fā)展的物理過(guò)程分析及其對(duì)川東暴雨發(fā)生的作用［J］．大氣科學(xué)，31(2):185-201．

陳業(yè)國(guó)，農(nóng)孟松．2010．2008年6月廣西持續(xù)性暴雨的診斷分析與數(shù)值模擬［J］．氣象科學(xué)，30(2):250-255．

陳忠明，高文良，閔文彬，等．2006．濕位渦、熱力學(xué)參數(shù)CD與渦度、散度演化［J］．高原氣象，25(6):983-989．

陳忠明，何光碧，崔春光，等．2007．對(duì)流、濕度鋒與低空急流的耦合——持續(xù)性暴雨維持的一種可能機(jī)制［J］．熱帶氣象學(xué)報(bào)，23 (3):246-254．

崔曉鵬，吳國(guó)雄，高守亭．2002．西大西洋鋒面氣旋過(guò)程的數(shù)值模擬和等熵分析［J］．氣象學(xué)報(bào)，60(4):385-399．

高安寧，陳見(jiàn)，李生艷，等．2010．兩次西南低渦造成廣西暴雨差異的對(duì)比分析［J］．氣象科學(xué)，29(4):557-563．

高守亭，雷霆，周玉淑，等．2002．強(qiáng)暴雨系統(tǒng)中濕位渦異常的診斷分析［J］．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，13(6):662-670．

何編，孫照渤．2010．“0806”華南持續(xù)性暴雨診斷分析與數(shù)值模擬［J］．氣象科學(xué)，30(2):164-171．

康志明．2004．2003年淮河流域持續(xù)性大暴雨的水汽輸送分析［J］．氣象，30(2):20-24．

蒙偉光，王安宇，李江南，等．2004．華南暴雨中尺度對(duì)流系統(tǒng)的形成及濕位渦分析［J］．大氣科學(xué)，28(5):330-341．

王瀛，王元，張力祥，等．2007．減弱熱帶氣旋附近的傾斜渦度發(fā)展［J］．熱帶氣象學(xué)報(bào)，23(1):47-52．

王子謙，朱偉軍，段安民．2010．孟灣風(fēng)暴影響高原暴雪的個(gè)例分析:基于傾斜渦度發(fā)展的研究［J］．高原氣象，29(3):703-711．

文莉娟，程麟生，左洪超，等．2006．“98.5”華南前汛期暴雨的濕位渦異常診斷:質(zhì)量和熱力強(qiáng)迫的數(shù)值分析［J］．熱帶氣象學(xué)報(bào)，22 (5):447-453．

吳國(guó)雄，劉還珠．1999．全型垂直渦度傾向方程和傾斜渦度發(fā)展［J］．氣象學(xué)報(bào)，57(1):1-15．

吳國(guó)雄，蔡雅萍，唐曉菁．1995．濕位渦和傾斜渦度發(fā)展［J］．氣象學(xué)報(bào)，53(4):387-405．

于波，林永輝．2008．引發(fā)川東暴雨的西南低渦演變特征個(gè)例分析［J］．大氣科學(xué)，32(1):141-154．

余暉，吳國(guó)雄．2001．濕斜壓性與熱帶氣旋強(qiáng)度突變［J］．氣象學(xué)報(bào)，59(4):440-449．

張慶云，陶詩(shī)言，張順利．2001．1998年嫩江、松花江流域持續(xù)性暴雨的環(huán)流條件［J］．大氣科學(xué)，25(4):567-576．

趙思雄，傅慎明．2007．2004年9月川渝大暴雨期間西南低渦結(jié)構(gòu)及其環(huán)境場(chǎng)的分析［J］．大氣科學(xué)，31(6):1059-1075．

Chen Y L，Chen X A．1997．A numerical study of the Low-Level Jet during TAMEX IOP 5［J］．Mon Wea Rev，125:2583-2604．

Etrel H．1942．Ein neuer hydrodunamische wirbdsatz［J］．Meteor Z，59: 33-49．

Hoskins B J，McIntyre M E，Robertson A W．1985．On the use and significance of isentropic potential vorticity maps［J］．Quart J Roy Meteor Soc，111:877-946．

Rossby C G．1940．Planetary flow patterns in the atmosphere［J］．Quart J Roy Meteor Soc，66(Supply):68-87．

Wang Z，Gao K．2003．Sensitivity experiments of an eastward-moving Southwest vortex to initial perturbations［J］．Adv Atmos Sci，20 (4):638-649．

Wang Z，Gao K．2006．Adjoint Sensitivity experiments of a Meso-βscale vortex in the middle reaches of the Yangtze River［J］．Adv Atmos Sci，23(2):267-281．

Wu G X，Liu H Z．1997．Vertical vorticity development owing to downsliding at slantwise isentropic surface［J］．Dyn Atmos Oceans，27: 715-743．

(責(zé)任編輯:劉菲)

Dynamic diagnosis and numerical simulation of a persistent torrential rain case in South China

HE Bian，SUN Zhao-bo，LI Zhong-xian
(School of Atmospheric Sciences，NUIST，Nanjing 210044，China)

P458

A

1674-7097(2012)04-0466-11

何編，孫照渤，李忠賢．2012．一次華南持續(xù)性暴雨的動(dòng)力診斷分析和數(shù)值模擬［J］．大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，35(4):466-476．

He Bian，Sun Zhao-bo，Li Zhong-xian．2012．Dynamic diagnosis and numerical simulation of a persistent torrential rain case in South China［J］．Trans Atmos Sci，35(4):466-476．(in Chinese)

2011-07-11;改回日期:2011-09-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40905045);江蘇省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(N0782002054)

何編(1983—)，男，江蘇南京人，博士生，研究方向?yàn)榇髿鈹?shù)值模擬、大氣動(dòng)力學(xué)，bianH_522@163．com．