2010年6月江西省特大暴雨數(shù)值模擬及濕位渦分析

摘要：為了探討特大暴雨的形成機(jī)制，提高暴雨預(yù)報(bào)能力，采用常規(guī)報(bào)文資料作為初始場(chǎng)，運(yùn)用中尺度暴雨模式，對(duì)2010年6月19～20日的江西省一次特大暴雨過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬和濕位渦（MPV）分析。結(jié)果表明，此次特大暴雨是一次典型的梅雨鋒暴雨，華北低渦后冷空氣與強(qiáng)盛穩(wěn)定的副高西北側(cè)西南暖濕空氣匯合，導(dǎo)致梅雨鋒在江南北部穩(wěn)定少動(dòng)；中尺度暴雨模式對(duì)降水場(chǎng)模擬結(jié)果同實(shí)況基本接近，模式對(duì)暴雨的位置、強(qiáng)度、中心都有較好的模擬；濕位渦的分布對(duì)梅雨鋒暴雨的發(fā)生、落區(qū)有較強(qiáng)的指示性作用。

關(guān)鍵詞：特大暴雨；降水預(yù)報(bào)；數(shù)值模擬；濕位渦（MPV）

中圖分類號(hào)：P458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）18-4371-04

梅雨鋒是東亞夏季一個(gè)重要的天氣系統(tǒng)，梅雨鋒及其引起的降水一直是氣象專家關(guān)心的問(wèn)題[1-9]。由于中β尺度對(duì)流性暴雨具有局地性、突發(fā)性、多發(fā)性等特點(diǎn)，到目前為止，這類降水的形成機(jī)理問(wèn)題尚未徹底解決。2010年6月，江西省中北部出現(xiàn)了一次有記錄以來(lái)罕見(jiàn)的連續(xù)暴雨過(guò)程，最強(qiáng)降水出現(xiàn)在19日。從19日8：00至20日8：00（北京時(shí)間，下同），江西、福建等地多個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)大暴雨，部分觀測(cè)站出現(xiàn)特大暴雨，江西省進(jìn)賢縣24 h累積觀測(cè)降水量為329 mm，南昌縣為278 mm。罕見(jiàn)的強(qiáng)降雨致使贛北地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，并導(dǎo)致?lián)嶂菔谐獎(jiǎng)P堤決堤[10]，下游臨川區(qū)5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)14.5萬(wàn)人及京福高速、316國(guó)道等均受到嚴(yán)重威脅。尹潔等[9]用WRF模式對(duì)此次過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并指出中β尺度低渦對(duì)此次特大暴雨有重要的影響。吳國(guó)雄等[11]證明絕熱無(wú)摩擦的飽和濕空氣具有濕位渦守恒特性，并在此基礎(chǔ)上提出傾斜渦度發(fā)展理論，指出在濕位渦守恒制約下，由于濕等熵面傾斜，大氣水平風(fēng)垂直切變?cè)黾踊蛩綕裥眽涸黾右鸫怪睖u度增長(zhǎng)從而導(dǎo)致暴雨發(fā)生。李耀輝等[12]應(yīng)用濕位渦理論分析了一次江淮暴雨過(guò)程并指出了濕位渦分布特征同對(duì)流層低層造成暴雨的天氣系統(tǒng)有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。姜勇強(qiáng)等[13]用濕位渦守恒原理分析表明，低層對(duì)流穩(wěn)定度絕對(duì)值迅速減小造成垂直渦度急劇增大從而形成中β尺度低渦。高萬(wàn)泉等[14]對(duì)華北一次強(qiáng)對(duì)流暴雨的濕位渦進(jìn)行診斷分析發(fā)現(xiàn)濕位渦的垂直分量“正負(fù)值區(qū)垂直疊加”的配置是強(qiáng)對(duì)流暴雨發(fā)生發(fā)展的有利形勢(shì)，暴雨出現(xiàn)在850 hPa上濕位渦的垂直分量、水平分量正負(fù)值過(guò)渡帶附近。梅雨鋒暴雨是否具有相似的特征？到目前為止，這方面研究工作尚不多見(jiàn)。

本研究采用中尺度暴雨模式 （Mesoscale rainstorm model，簡(jiǎn)稱為MRM）[4-7]對(duì)2010年6月19～20日江西省特大暴雨過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬和濕位渦分析，以進(jìn)一步探討此次特大暴雨的形成機(jī)制，揭示特大暴雨的形成原因，為提高暴雨預(yù)報(bào)能力提供參考。模式的計(jì)算范圍取東經(jīng)90°～130°，北緯15°～50°，水平分辨率約18 km，初始場(chǎng)資料來(lái)自日常業(yè)務(wù)使用的地面、高空?qǐng)?bào)文資料。

1 特大暴雨降水?dāng)?shù)值模擬

1.1 天氣形勢(shì)分析

此次暴雨過(guò)程是在有利的大尺度環(huán)流和天氣系統(tǒng)共同影響下發(fā)生的。在500 hPa高空，從16日20：00至19日8：00，華北上空維持一個(gè)穩(wěn)定的低渦，華北低渦在整個(gè)暴雨過(guò)程中緩慢東移，直到19日20：00才開(kāi)始逐漸東移入海。而在華北低渦底部30°N附近，多短波槽東移，槽后冷平流引導(dǎo)冷空氣南下至長(zhǎng)江中下游地區(qū)，提供冷空氣來(lái)源。與此同時(shí)，西太平洋副熱帶高壓自太平洋中部向西延伸至中南半島，呈帶狀分布，強(qiáng)大且穩(wěn)定，副高脊線位于20°N附近，是江西省北部汛期出現(xiàn)暴雨帶的有利脊線位置。副高北側(cè)盛行強(qiáng)盛西南氣流，暖濕氣流將水汽向江南北部輸送。中低層切變線在江南中北部維持，暴雨帶位于切變線附近，地面上表現(xiàn)為近東西向的梅雨鋒。對(duì)流層中低層700 hPa和850 hPa上有一個(gè)西南渦明顯的東移活動(dòng)。

1.2 降水模擬及分析

24 h地面累積觀測(cè)降水與模式模擬降水的分布見(jiàn)圖1。從圖1中可以看出，中尺度暴雨模式模擬的雨帶分布同湖南省、江西省地區(qū)降水實(shí)況基本相似，對(duì)暴雨的位置、強(qiáng)度、中心都有較好的模擬。為了客觀定量地檢驗(yàn)降水等級(jí)預(yù)報(bào)效果，實(shí)際計(jì)算中對(duì)24 h累積降雨量，按小雨（1～10 mm）、中雨（≥10～25 mm）、大雨（25～50 mm）、暴雨（50～100 mm）和大暴雨（≥100 mm）5個(gè)級(jí)別進(jìn)行TS評(píng)分統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)[6，7]，小雨量級(jí)的TS值為0.70，暴雨量級(jí)的TS值為0.45，大暴雨量級(jí)的TS值為0.22。雖然個(gè)別地方模擬的暴雨中心位置同實(shí)況有一定的偏差，但無(wú)論是降水帶分布和降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)，還是按照TS評(píng)分統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，MRM模式對(duì)本次暴雨過(guò)程均表現(xiàn)出較好的預(yù)報(bào)能力。

2 濕位渦分析

2.1 濕位渦水平分布

在p坐標(biāo)系，濕位渦的定義為：

2010年6月19日8：00客觀分析場(chǎng)濕位渦分量的水平分布（圖2）。從圖2中可以看出，整個(gè)降水區(qū)850 hPa等壓面上MPV1均為負(fù)值區(qū)，表明大氣低層是對(duì)流不穩(wěn)定的，并且在湖南省岳陽(yáng)市、江西省九江市附近存在小于-10 PVU的兩個(gè)MPV1負(fù)值中心。特大暴雨主要發(fā)生在MPV1負(fù)值中心以南的等值線相對(duì)密集的區(qū)域附近，此處正是冷暖空氣交匯的地帶，有利于水汽輻合、垂直渦度劇烈發(fā)展，進(jìn)而使中尺度對(duì)流系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展，850 hPa上MPV1的分布對(duì)強(qiáng)降水的落區(qū)有較好的指示作用。強(qiáng)降水主要發(fā)生在MPV2負(fù)值區(qū)及其零線附近，表明大氣低層存在著較弱的大氣濕斜壓性，這與梅雨鋒的特征密切相關(guān)。MPV1絕對(duì)值明顯比MPV2大，MPV1分布大致代表了MPV的分布。暴雨區(qū)北部為濕位渦的強(qiáng)負(fù)值區(qū)，南側(cè)為濕位渦的弱負(fù)值區(qū)，特大暴雨主要發(fā)生在MPV弱負(fù)值區(qū)內(nèi)。濕位渦的正壓項(xiàng)與斜壓項(xiàng)反映了大氣層的對(duì)流不穩(wěn)定、對(duì)稱不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定狀況。這次強(qiáng)對(duì)流暴雨主要發(fā)生在對(duì)流不穩(wěn)定較強(qiáng)與弱斜壓不穩(wěn)定的位置，這與華北暴雨個(gè)例所得結(jié)果[14]有一定的差異。

2.2 濕位渦MPV1和θse時(shí)空演變

2010年6月19日8：00～20日8：00南昌市附近（28.7°N，116°E）濕位渦MPV1和θse時(shí)空演變（圖3）。從圖3 a可以看到，19日8：00～20日3：00在特大暴雨發(fā)生地區(qū)，在600 hPa 以下MPV1 均為負(fù)值區(qū)，并且在800 hPa附近形成-4 PVU的負(fù)值中心，表明南昌市附近低空對(duì)流不穩(wěn)定在增強(qiáng)。同時(shí)500 hPa以上的MPV1除19日12：00～14：00 200 hPa附近存在-2 PVU負(fù)值中心外，其他均為正值區(qū)，高位渦區(qū)呈漏斗狀從平流層向下伸展，在300 hPa層附近有一大值中心達(dá)到8 PVU，表明對(duì)流層高層為對(duì)流穩(wěn)定區(qū)，冷空氣以高值位渦柱的形式向下入侵。20日3：00以后，由于西南渦東移和冷空氣向下入侵，高位渦區(qū)呈漏斗狀從高層強(qiáng)烈向下伸展，在300 hPa層附近形成一大值中心達(dá)到14 PVU，高位渦舌伸展到700 hPa。這個(gè)地區(qū)存在著大氣的斜壓性、弱對(duì)流不穩(wěn)定和高層的正位渦下傳，非常有利于垂直渦度的增長(zhǎng)，符合渦度增長(zhǎng)理論。上述分析表明，濕位渦的分布對(duì)強(qiáng)對(duì)流暴雨的發(fā)生、落區(qū)有較強(qiáng)的指示性作用，MPV1“正負(fù)值區(qū)垂直疊加”的配置形勢(shì)有利于強(qiáng)對(duì)流暴雨發(fā)生和發(fā)展。為進(jìn)一步揭示此次強(qiáng)對(duì)流暴雨的降水機(jī)制，在強(qiáng)降水中心附近，制作θse時(shí)間演變圖（圖3b）。暴雨區(qū)上空，400～700 hPa附近有一個(gè)θse相對(duì)低值區(qū)，表明有冷空氣從中層侵入。20日3：00時(shí)是θse等值線呈上下垂直分布的時(shí)刻，也就是冷暖空氣交匯處，θse垂直梯度接近于零，大氣斜壓性增大，垂直穩(wěn)定度接近于零。暖濕氣流在等θse的鋒面附近沿等θse線上升。根據(jù)濕位渦守恒原理[11]，θse垂直梯度減小必然導(dǎo)致垂直渦度猛烈增大，以保持濕位渦守恒。垂直渦度增大導(dǎo)致上升速度增強(qiáng)。由于垂直渦度快速發(fā)展，觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流發(fā)生，有利于強(qiáng)降水發(fā)生或加劇。濕位渦理論較好地解釋了這次特大暴雨的形成機(jī)制，對(duì)于梅雨鋒暴雨預(yù)報(bào)有重要的意義。

3 小結(jié)與結(jié)論

本研究對(duì)江西省一次特大暴雨過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬和濕位渦分析。根據(jù)數(shù)值模擬和濕位渦分析結(jié)果，此次特大暴雨是一次典型的梅雨鋒暴雨，華北低渦后冷平流與強(qiáng)盛穩(wěn)定的副高西北側(cè)西南氣流匯合，導(dǎo)致梅雨鋒在江南北部維持穩(wěn)定少動(dòng)。中尺度暴雨模式對(duì)降水場(chǎng)模擬結(jié)果同實(shí)況接近，模式對(duì)暴雨的位置、強(qiáng)度、中心都有較好的模擬。850 hPa上MPV、MPV1的分布與暴雨區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。暴雨區(qū)的北部為濕位渦的強(qiáng)負(fù)值區(qū)，南側(cè)為濕位渦的弱負(fù)值區(qū)，特大暴雨主要發(fā)生在MPV的弱負(fù)值區(qū)內(nèi)。濕位渦的分布對(duì)強(qiáng)對(duì)流暴雨的發(fā)生、落區(qū)有較強(qiáng)的指示性作用。

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