全球非靜力GRAPES_YY高分辨率模式對(duì)一次梅雨鋒降水過(guò)程的模擬分析*

焦 涵 趙益帆 常 飛 彭新東

1 日本京都大學(xué)防災(zāi)研究所，京都 611-0011，日本 2 中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 3 中國(guó)民用航空西北地區(qū)空中交通管理局甘肅分局，蘭州 730087

提 要： 為開(kāi)展全球高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和模擬，以中國(guó)氣象局現(xiàn)有業(yè)務(wù)模式GRAPES為基礎(chǔ)，發(fā)展了水平0.1°×0.1°分辨率的球面準(zhǔn)均勻陰陽(yáng)網(wǎng)格全球非靜力模式GRAPES_YY。選擇2020年7月6—8日出現(xiàn)在安徽南部的一次強(qiáng)降水個(gè)例作為研究對(duì)象，利用0.1°×0.1°分辨率GRAPES_YY模擬結(jié)果，結(jié)合FNL 0.25°×0.25°再分析資料、逐時(shí)降水融合產(chǎn)品和雷達(dá)資料，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析和檢驗(yàn)。結(jié)果表明，此次強(qiáng)降水受高空槽、低渦切變線、低空急流的共同影響，由穩(wěn)定梅雨鋒上的不斷東移的中尺度對(duì)流系統(tǒng)形成，模擬的大尺度環(huán)流系統(tǒng)的位置及強(qiáng)度與FNL 0.25°×0.25°再分析結(jié)果基本一致。模式較好模擬出24 h累積降水雨帶的大值區(qū)位置和走向，但強(qiáng)降水強(qiáng)度和弱降水雨帶分布有差異，強(qiáng)降水區(qū)維持明顯的低層水汽輻合以及西南水汽通道。模擬結(jié)果顯示，強(qiáng)降水和對(duì)流中心對(duì)應(yīng)異常強(qiáng)的500 hPa假相當(dāng)位溫的大值區(qū)，其位置的南北擺動(dòng)保持一致，表現(xiàn)在剖面圖上為梅雨鋒對(duì)流區(qū)的深厚對(duì)流中性區(qū)和鋒區(qū)南北為對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，鋒區(qū)的850 hPa以下的邊界層內(nèi)表現(xiàn)為一致的對(duì)流不穩(wěn)定。

引 言

2020年6—7月，在我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)發(fā)生了極不尋常的梅雨天氣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)40 d，出現(xiàn)了極為嚴(yán)重的暴雨災(zāi)害(張芳華等,2020)，累積降水量超過(guò)了1998年同期，成為1961年以來(lái)的歷史最高值(陳濤等，2020)。

梅雨是影響我國(guó)夏季長(zhǎng)江中下游地區(qū)的主要天氣過(guò)程，因降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、雨區(qū)范圍廣、累計(jì)雨量大、強(qiáng)降水過(guò)程多的特點(diǎn)(劉蕓蕓和丁一匯，2020)，經(jīng)常導(dǎo)致長(zhǎng)江中下游地區(qū)洪澇災(zāi)害，能否準(zhǔn)確預(yù)報(bào)梅雨鋒的持續(xù)時(shí)間、范圍以及強(qiáng)度等，對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)有十分重要的意義。由于梅雨鋒降水具有持續(xù)性多樣性和多尺度相互作用的特點(diǎn)(彭新東等，1999；鄭永光等，2007；孫素琴等，2015；鄭婧等，2015)，梅雨鋒的動(dòng)力熱力結(jié)構(gòu)特征以及對(duì)應(yīng)的降水系統(tǒng)多尺度特點(diǎn)的正確模擬也是大氣數(shù)值研究的難點(diǎn)之一。茍阿寧等(2019)利用多普勒天氣雷達(dá)、逐小時(shí)地面加密觀測(cè)資料和EC 0.25°×0.25°細(xì)網(wǎng)格模式數(shù)據(jù)，對(duì)一次梅雨鋒附近極端暴雨的降水特征、中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變和暴雨成因等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，驗(yàn)證了“列車效應(yīng)”是造成2016年7月武漢暴雨的主要原因。隆霄等(2009)利用中尺度數(shù)值模式MM5對(duì)一次非典型梅雨鋒過(guò)程進(jìn)行了模擬，證明中尺度系統(tǒng)的強(qiáng)風(fēng)切變、低空急流核、以及強(qiáng)高空輻散、低空輻合有利于中尺度系統(tǒng)的發(fā)展。張吉等(2012)利用區(qū)域大氣數(shù)值模式RAMS 6.0，模擬了長(zhǎng)江中下游的一次梅雨鋒大暴雨過(guò)程，結(jié)果表明RAMS模式較好地模擬出這次大暴雨過(guò)程以及中小尺度系統(tǒng)的生消演變。

GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)是基于球面經(jīng)緯度網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)的完全可壓、非靜力天氣預(yù)報(bào)模式(Chen et al,2008；Zhang and Shen,2008)，經(jīng)過(guò)多年的改進(jìn)和發(fā)展，目前業(yè)務(wù)模式GRAPES_GFS水平分辨率已達(dá)到0.25°×0.25°，但仍然無(wú)法滿足業(yè)務(wù)對(duì)更高分辨率預(yù)報(bào)結(jié)果的需求。在現(xiàn)有計(jì)算條件下，為了提高模式的水平分辨率、提高計(jì)算效率、降低計(jì)算成本，需要對(duì)模式的水平網(wǎng)格進(jìn)行改造，構(gòu)建球面準(zhǔn)均勻網(wǎng)格模式動(dòng)力框架?；谇蛎骊庩?yáng)網(wǎng)格，Li et al(2015)開(kāi)發(fā)了GRAPES_YY非靜力模式動(dòng)力框架，并耦合一整套物理過(guò)程(Li and Peng，2018；趙益帆等，2020)，形成了具有良好可擴(kuò)展性和高性能的GRAPES_YY大氣動(dòng)力模式，初步具備穩(wěn)定中期預(yù)報(bào)的能力，并嘗試了實(shí)際天氣過(guò)程的0.75°×0.75°低分辨率批量中期預(yù)報(bào)試驗(yàn)，且500 hPa位勢(shì)高度的距平相關(guān)系數(shù)平均達(dá)到0.6以上的有效預(yù)報(bào)時(shí)效接近7 d。

本文采用GAPES_YY模式，針對(duì)2020年7月7—8日的長(zhǎng)江下游強(qiáng)梅雨降水過(guò)程，以6日08時(shí)(北京時(shí)，下同)美國(guó)NCEP/FNL再分析資料為初值，進(jìn)行了全球0.1°×0.1°分辨率數(shù)值模擬，以分析這次長(zhǎng)江中下游地區(qū)梅雨鋒降水過(guò)程的持續(xù)性對(duì)流降水形成機(jī)制和模式檢驗(yàn)效果。

1 模式介紹及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模式及模式設(shè)置

GRAPES_YY模式是在球面陰陽(yáng)網(wǎng)格上構(gòu)建的全球非靜力大氣動(dòng)力模式，具有以下主要特征：水平網(wǎng)格準(zhǔn)均勻，不存在極點(diǎn)問(wèn)題，不存在經(jīng)緯度網(wǎng)格那樣在高緯度經(jīng)線過(guò)度收縮、網(wǎng)格距變小的缺點(diǎn)；其次，針對(duì)陰陽(yáng)網(wǎng)格，特別考慮了包含完整三維科氏力分量的動(dòng)量方程，改善模式的慣性力計(jì)算精度，并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)格域上的代碼完全相同；采用具有更好計(jì)算穩(wěn)定性的半隱式-半拉格日時(shí)間積分方案。為了提高模式的示蹤物計(jì)算守恒性，GRAPES_YY中還采用了通量形式水物質(zhì)平流方程，采用守恒、保形的PRM平流方案計(jì)算水物質(zhì)平流過(guò)程。相對(duì)原GRAPES模式，GRAPES_YY還增加了全球質(zhì)量守恒強(qiáng)迫計(jì)算(Li and Peng，2018)。GRAPES_YY模式中耦合的物理方案包括RRTMG長(zhǎng)短波輻射傳輸方案、MRF邊界層參數(shù)化方案、陸面模式CoLM以及NSAS深淺積云對(duì)流方案和一個(gè)雙參數(shù)混合相云微物理方案。表1給出了本研究的模式主要參數(shù)設(shè)置。

表1 GRAPES_YY 主要參數(shù)設(shè)置Table 1 Configuration of the GRAPES_YY model

1.2 資料應(yīng)用及模式初值

本研究采用的觀測(cè)和分析資料包括美國(guó)NCEP/NCAR的FNL 0.25°×0.25°分辨率再分析資料、國(guó)家氣象信息中心制作的0.05°×0.05°的中國(guó)地面-衛(wèi)星-雷達(dá)三源融合逐時(shí)降水產(chǎn)品(CMPA-Hourly V2.0)、中國(guó)氣象科學(xué)研究院大氣科學(xué)試驗(yàn)與研究平臺(tái)提供的華東地區(qū)天氣雷達(dá)回波拼圖作為梅雨降水分析和高分辨模式檢驗(yàn)的參考。

高分辨率GRAPES_YY的初始場(chǎng)也由FNL0.25°×0.25°分辨率再分析資料經(jīng)過(guò)水平和垂直插值得到。本模擬選擇2020年7月6日08時(shí)為模式冷啟動(dòng)初始時(shí)刻，積分8 d，由于過(guò)程最強(qiáng)降水發(fā)生在7—8日，所以重點(diǎn)分析前3 d的模擬結(jié)果，以認(rèn)識(shí)造成7—8日的梅雨強(qiáng)降水的鋒面特征、水汽條件和中尺度系統(tǒng)動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)，檢驗(yàn)?zāi)Ｊ侥M效果。

2 天氣環(huán)流形勢(shì)以及降水模擬

2.1 環(huán)流形勢(shì)

GRAPES_YY模擬的8 d 500 hPa和850 hPa環(huán)流場(chǎng)基本反映了長(zhǎng)江流域穩(wěn)定梅雨鋒維持的大尺度環(huán)流形勢(shì)演變，位勢(shì)高度場(chǎng)與再分析結(jié)果比較契合，但槽脊位置隨預(yù)報(bào)時(shí)效延長(zhǎng)偏差增大。這里重點(diǎn)分析降水發(fā)生時(shí)段的環(huán)流模擬情況。圖1a和1b分別為2020年7月7日08時(shí)和8日08時(shí)FNL分析資料500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)結(jié)果。7月7日08時(shí)(圖1a)，在500 hPa高度場(chǎng)上，整體呈現(xiàn)“兩槽一脊”的環(huán)流形勢(shì)，在我國(guó)華東地區(qū)，出現(xiàn)一個(gè)明顯的低槽。588 dagpm線控制江南地區(qū)，東北冷渦明顯。850 hPa上西南低空急流強(qiáng)度較大，在長(zhǎng)江中下游地區(qū)出現(xiàn)低渦切變，為降水提供了有利條件。7月8日08時(shí)(圖1b)，500 hPa高度場(chǎng)上，588 dagpm線南退至華南南部，東北部槽加深，東北冷渦略有東移，而華中、華東地區(qū)高空槽減弱。850 hPa長(zhǎng)江中下游地區(qū)的低空低渦切變明顯加大，風(fēng)速加強(qiáng)。圖1c和1d分別為2020年7月7日08時(shí)和8日08時(shí)GRAPES_YY模式模擬出的500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果，在500 hPa高度場(chǎng)上，GRAPES_YY模式較好地模擬了大尺度環(huán)流形勢(shì)，500 hPa位勢(shì)高度等值線與分析結(jié)果吻合，850 hPa低空急流、低渦切變線等重要系統(tǒng)都得以較好模擬。

圖1 2020年7月7日08時(shí)(a,c)及8日08時(shí)(b,d)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng) (等值線,單位:dagpm)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位:m·s-1) (a，b)FNL實(shí)況分析場(chǎng)，(c，d)GRAPES_YY模擬結(jié)果Fig.1 The 500 hPa geopotential height (contour, unit: dagpm) and 850 hPa winds (wind barb, unit: m·s-1) at 08:00 BT 7 (a， c) and 08:00 BT 8 (b， d) July 2020 (a, b) FNL analysis， (c, d) GRAPES_YY simulation

2.2 降水模擬

降水是最重要的數(shù)值預(yù)報(bào)量之一，也是模式檢驗(yàn)的重要指標(biāo)。就全程8 d的降水中期模擬結(jié)果看，降水分布和強(qiáng)度隨模擬時(shí)間的延長(zhǎng)，誤差增長(zhǎng)明顯，其中降水強(qiáng)度誤差更大(圖略)，這里仍然重點(diǎn)分析短期模擬結(jié)果。2020年7月7日08時(shí)和8日08時(shí)截止的觀測(cè)日降水量和GRAPES_YY模式模擬的日降水量(圖2)， 7日08時(shí)的24 h降水量顯示，在我國(guó)西南到長(zhǎng)江中下游地區(qū)形成了一個(gè)狹長(zhǎng)的雨帶，降水的大值區(qū)主要集中于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，尤其以湖北東部、安徽南部以及浙江北部降水量最大，達(dá)200 mm以上。GRAPES_YY模式很好地模擬出了24 h降水的西南—東北走向，安徽南部的降水大值區(qū)與實(shí)況基本吻合，但湖北東部的大值區(qū)沒(méi)有很好地模擬出來(lái)，而浙江東北部的降水大值區(qū)略微偏東，24 h累計(jì)模擬降水也表現(xiàn)出更寬的梅雨鋒外圍弱降水帶，基本為大范圍的層狀網(wǎng)格尺度降水。相對(duì)而言，0.75°×0.75°低分辨率的GRAPES_YY模式模擬的降水大值區(qū)較弱，雨帶上降水強(qiáng)度相對(duì)均勻(圖略)，因此高分辨率模式相對(duì)于低分辨率模式可以更好地模擬降水的落區(qū)和降水強(qiáng)度。7月8月08時(shí)與7日08時(shí)的降水分布情況類似，觀測(cè)降水更為集中于湖北東部、江西東北部和安徽南部地區(qū)(圖2b)，降水大值區(qū)相連。模擬結(jié)果也顯示了同樣的特點(diǎn)(圖2d)，模擬雨帶走向和分布基本反映了實(shí)際情況觀測(cè)，但模擬降水大值區(qū)(100 mm以上)范圍較觀測(cè)略大，200 mm以上的強(qiáng)降水中心則明顯偏小。

圖2 2020年7月7日08時(shí)(a，c)及8日08時(shí)(b，d)24 h累計(jì)降水 (a，b)中國(guó)地面衛(wèi)星雷達(dá)三源融合逐時(shí)降水產(chǎn)品，(c，d)GRAPES_YY模擬結(jié)果Fig.2 The 24 h accumulated precipitation at 08:00 BT 7 (a, c) and 08:00 BT 8 (b, d) July 2020 (a, b) gauge-radar-satellite combined observation in China, (c, d) GRAPES_YY simulation

3 熱力和水汽條件

對(duì)于這樣一次持續(xù)性特大梅雨過(guò)程而言，除有利的環(huán)流形勢(shì)控制外，一定有有利的熱力和水汽條件相配合(屠妮妮等，2008)，利用高分辨率GRAPES_YY模擬結(jié)果，我們?cè)\斷形成本次持續(xù)性梅雨暴雨的熱力不穩(wěn)定條件和水汽供應(yīng)狀況，首先給出7日和8日08時(shí)的模擬K指數(shù)分布，與模擬降水進(jìn)行分析對(duì)比，并給出幾個(gè)時(shí)次的700 hPa水汽通量散度和風(fēng)場(chǎng)，說(shuō)明水汽收支與暴雨形成的關(guān)系。

3.1 K指數(shù)

K指數(shù)是反映中低層穩(wěn)定度和水汽條件的綜合指標(biāo)，也可以理解為低層的對(duì)流穩(wěn)定性判據(jù)，是不穩(wěn)定和對(duì)流性天氣發(fā)展的一個(gè)熱力指標(biāo)，方便對(duì)流性降水天氣過(guò)程的判別。K值越大，表明中低層處于越不穩(wěn)定的狀態(tài)，有利于對(duì)流發(fā)展和對(duì)流降水的發(fā)生。從圖3a可以看出，2020年7月7日08時(shí)在中國(guó)的西南到長(zhǎng)江中下游地區(qū)，形成了一個(gè)最大值超過(guò)了40℃的狹長(zhǎng)的K指數(shù)大值區(qū)，恰好與梅雨雨帶位置對(duì)應(yīng)，強(qiáng)降水中心正位于K指數(shù)40℃區(qū)域、K值大梯度區(qū)的南側(cè)，強(qiáng)降水發(fā)生在低層強(qiáng)烈的對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，應(yīng)主要為對(duì)流性降水。2020年7月8日08時(shí)(圖3b)，超過(guò)40℃的K指數(shù)位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，分布更加分散、寬廣，與雨帶分布一致，K等值線較前日疏散，對(duì)應(yīng)的雨帶中心分裂。7—8日，狹長(zhǎng)的K指數(shù)大值區(qū)南北加寬，降雨帶也變得南北更廣，除了鋒區(qū)的南北擺動(dòng)外，可能與水汽輻合條件有關(guān)。

圖3 2020年7月7日08時(shí)(a)和8日08時(shí)(b)K指數(shù)分布(等值線,單位：℃) 和1 h累計(jì)降水量(填色)Fig.3 Distributions of K index (contour, unit: ℃) and 1 h accumulated precipitation (colored) at 08:00 BT 7 (a) and 08:00 BT 8 (b) July 2020

3.2 水汽條件

持續(xù)性暴雨必須有充足、持續(xù)的水汽供應(yīng)，水汽通量散度可反映水汽輸送和水汽輻合的分布。通過(guò)對(duì)比圖4a和圖3a以及圖4d和圖3b可以看出，水汽通量散度的大值區(qū)與降水的大值區(qū)中心相吻合，2020年7月7日08時(shí)的降水大值區(qū)和水汽通量散度大值區(qū)重合，在水汽通量散度小于-18×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1的大值中心處形成了西北—東南走向的降水中心。對(duì)于這次持續(xù)性梅雨過(guò)程，水汽的持續(xù)輸送和輻合對(duì)降水形成很關(guān)鍵，水汽通量散度對(duì)于降水的預(yù)報(bào)具有較好的指示意義。從7月7日08時(shí)至8日08時(shí)，長(zhǎng)江中下游地區(qū)一直存在較強(qiáng)的水汽通量散度，長(zhǎng)江中下游地區(qū)始終是水汽輸送的目的地和水汽匯。7日08時(shí)至8日08時(shí)水汽的輻合，與圖1a中850 hPa低空切變線與圖2的地面降水雨帶重合，低空輻合不僅提供了水汽條件，也有利于靜力上升加速。在四川盆地，發(fā)展的西南低渦外圍環(huán)流配合來(lái)自西南的暖濕氣流，為長(zhǎng)江中下游提供充足的水汽和熱力源。水汽通量散度場(chǎng)診斷反映出，這次強(qiáng)降水過(guò)程的維持是明顯低層切變線造成的水汽輻合以及西南水汽通道的共同作用。

圖4 2020年7月7日08時(shí)(a)、7日16時(shí)(b)、8日00時(shí)(c)和8日08時(shí)(d)700 hPa水汽通量散度 (填色，單位:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)和700 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位:m·s-1)Fig.4 Divergence of moisture flux (colored, unit: 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1) and winds (wind barb, unit: m·s-1) at 700 hPa at 08:00 BT 7 (a), 16:00 BT 7 (b), 00:00 BT 8 (c), 08:00 BT 8 (d) July 2020

4 梅雨鋒上中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展

梅雨降水是多尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，持續(xù)性強(qiáng)降水的發(fā)生與穩(wěn)定的梅雨鋒位置、水汽供應(yīng)、鋒區(qū)不斷生成及發(fā)展的中尺度對(duì)流系統(tǒng)密切相關(guān)。這里我們首先根據(jù)雷達(dá)觀測(cè)資料分析對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展和移動(dòng)，然后根據(jù)高分辨非靜力模式資料分析梅雨鋒的結(jié)構(gòu)、對(duì)流維持機(jī)制，進(jìn)一步理解持續(xù)性梅雨降水形成的熱力和動(dòng)力原因。

4.1 對(duì)流發(fā)展的雷達(dá)觀測(cè)

通過(guò)天氣雷達(dá)觀測(cè)我們來(lái)分析本次過(guò)程中直接降水系統(tǒng)——對(duì)流云團(tuán)的生成和移動(dòng)情況。圖5為中國(guó)氣象科學(xué)研究院大氣科學(xué)試驗(yàn)與研究平臺(tái)提供的華東地區(qū)7月6日18時(shí)和20時(shí)雷達(dá)拼圖，在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，存在多個(gè)大于45 dBz的強(qiáng)雷達(dá)反射率中尺度對(duì)流云團(tuán)，其中以安徽南部的中尺度對(duì)流系統(tǒng)最為強(qiáng)烈且集中。對(duì)流云團(tuán)整體上在對(duì)流云帶上不斷新生東移、發(fā)展，形成了穩(wěn)定的梅雨降水帶，但安徽南部的對(duì)流云團(tuán)則在原地不斷新生和發(fā)展，穩(wěn)定的對(duì)流云團(tuán)到20時(shí)略有東移加強(qiáng)，在安徽南部造成持續(xù)強(qiáng)對(duì)流降水。這種梅雨鋒上有組織的強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)，以及對(duì)流單體的不斷生消，在該地區(qū)造成持續(xù)性降水。因此判斷能否模擬出穩(wěn)定的梅雨鋒和對(duì)流不穩(wěn)定環(huán)境是模式是否成功模擬持續(xù)的對(duì)流系統(tǒng)的關(guān)鍵。

4.2 梅雨鋒熱力結(jié)構(gòu)與中尺度對(duì)流發(fā)展

圖6為2020年7月6日18時(shí)和20時(shí)的500 hPa假相當(dāng)位溫以及水平風(fēng)場(chǎng)分布。如圖6a，6b所示,大于348 K的高濕高能區(qū)從華中地區(qū)經(jīng)長(zhǎng)江中下游地區(qū)一直延伸到東海，正位于其北部偏北風(fēng)和南部偏南風(fēng)的切變氣流中，并在湖北中西部以及安徽南部形成了兩個(gè)354 K以上的θse高值中心。圖6a中安徽南部的θse大值中心與圖5a中雷達(dá)反射率大值區(qū)對(duì)應(yīng)，是強(qiáng)對(duì)流凝結(jié)的結(jié)果，圖6b中的假相當(dāng)位溫的大值區(qū)與圖5b中的雷達(dá)反射率大值區(qū)重合，可見(jiàn)對(duì)流過(guò)程對(duì)梅雨鋒的熱力結(jié)構(gòu)的維持作用明顯。從對(duì)應(yīng)的假相當(dāng)位溫經(jīng)向剖面和v-w垂直環(huán)流(圖6c,6d)可以看出，θse等值線密集區(qū)即鋒區(qū)位置位于30°～32°N，鋒區(qū)850～250 hPa都表現(xiàn)出垂直均勻的θse分布，說(shuō)明了鋒區(qū)內(nèi)強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng)和充分的對(duì)流混合作用，形成深厚的對(duì)流中性大氣層。明顯的鋒區(qū)南北風(fēng)輻合，造成鋒區(qū)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)和對(duì)流降水，體現(xiàn)了梅雨鋒和對(duì)流系統(tǒng)間緊密的聯(lián)系和相互作用。850 hPa以下大氣邊界層內(nèi)，中低緯度都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在水汽和對(duì)流擾動(dòng)的配合下，容易在梅雨鋒區(qū)激發(fā)對(duì)流。鋒區(qū)南北，600 hPa以下為對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，尤以鋒區(qū)以北的偏干氣團(tuán)表現(xiàn)更明顯。對(duì)比圖6c,6d可見(jiàn)，20時(shí)鋒區(qū)較18時(shí)向南小幅擺動(dòng)，與圖5中對(duì)流云團(tuán)的南移相對(duì)應(yīng)。

圖5 2020年7月6日18時(shí)(a)和20時(shí)(b)雷達(dá)組合反射率Fig.5 Radar composite reflectivity at 18:00 BT 6 (a) and 20:00 BT 6 (b) July 2020

圖6 2020年7月6日18時(shí)(a，c)和20時(shí)(b，d)500 hPa假相當(dāng)位溫(填色)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位:m·s-1)(a，b)， 及假相當(dāng)位溫(等值線,單位：K)和v-10w矢量(箭頭，單位:m·s-1)沿117.9°E的垂直剖面(c，d)Fig.6 (a, b) Pseudo-equivalent potential temperature (colored) and winds (wind barb, unit: m·s-1) at 500 hPa, and (c, d) vertical cross-section of pseudo-equivalent potential temperature (contour, unit: K) and v-10w velocity vector (arrow, unit: m·s-1) along 117.9°E at 18:00 BT 6 (a, c) and 20:00 BT 6 (b, d) July 2020

4.3 梅雨鋒區(qū)對(duì)流發(fā)展的中尺度動(dòng)力過(guò)程

梅雨鋒特殊的熱力結(jié)構(gòu)為中尺度對(duì)流系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展提供了有利條件，鋒區(qū)底層邊界層內(nèi)對(duì)流不穩(wěn)定的存在是對(duì)流擾動(dòng)不斷生成發(fā)展的關(guān)鍵，那么梅雨鋒上對(duì)流發(fā)展對(duì)應(yīng)的中尺度動(dòng)力過(guò)程成為我們關(guān)心的另一個(gè)重要問(wèn)題。我們從鋒區(qū)邊界層的對(duì)流強(qiáng)迫、大尺度垂直運(yùn)動(dòng)、梅雨強(qiáng)降水的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)一步分析。圖7中給出了垂直速度、網(wǎng)格和次網(wǎng)格降水量、以及對(duì)應(yīng)時(shí)刻700 hPa以下的溫度距平，即模式格點(diǎn)溫度與各層溫度經(jīng)向平均的差。6日18時(shí)(圖7a)，30°N附近700～380 hPa顯示垂直風(fēng)速超過(guò)1.8 m·s-1的較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，中心位于500 hPa，而700～600 hPa有明顯的水平風(fēng)輻合配合，低空大尺度輻合風(fēng)場(chǎng)造成的上升運(yùn)動(dòng)與鋒區(qū)對(duì)流共同促成水汽凝結(jié)，產(chǎn)生強(qiáng)降水(圖7c)。而在850 hPa以下近地面層，30°N附近表現(xiàn)出明顯的冷空氣堆，這是鋒區(qū)對(duì)流降水在云下蒸發(fā)形成的，它對(duì)低空偏南風(fēng)形成阻擋，強(qiáng)迫近地面濕空氣抬升并對(duì)對(duì)流起到觸發(fā)作用?？梢?jiàn)鋒面前期降水過(guò)程與后期對(duì)流激發(fā)和發(fā)展密切相關(guān)，邊界層內(nèi)的動(dòng)力抬升作用和700～600 hPa低層輻合動(dòng)力抬升共同作用促使對(duì)流在鋒區(qū)內(nèi)不斷形成和發(fā)展。20時(shí)(圖7b)邊界層冷空氣堆變?nèi)?，且并沒(méi)有接地，對(duì)近地面濕空氣的抬升作用下降，中層上升運(yùn)動(dòng)減弱，垂直速度中心的高度也降至400 hPa以下，垂直速度降至1.0 m·s-1以下，相應(yīng)的降水也明顯減少，對(duì)流和降水中心位置南移，與雷達(dá)回波觀測(cè)一致。從降水的分類來(lái)看，0.1°×0.1°分辨率模式模擬鋒區(qū)降水相對(duì)于0.75°×0.75°分辨率模式(圖略)更多表現(xiàn)為網(wǎng)格尺度降水，次網(wǎng)格對(duì)流降水明顯減少，也反映出0.1°×0.1° 高分辨率模式中云微物理過(guò)程描述的網(wǎng)格尺度水汽更容易飽和、網(wǎng)格降水有所增加的合理表現(xiàn)。

圖7 2020年7月6日18時(shí)(a,c)和20時(shí)(b,d)垂直速度(等值線,單位： m·s-1)、溫度距平(填色，單位：℃)和 v-10w矢量(箭頭，單位: m·s-1)(a，b)，及1 h累計(jì)降水量沿117.9°E垂直剖面(c，d)Fig.7 (a， b) Vertical velocity (contour, unit: m·s-1), temperature anomaly (colored, unit: ℃) and v-10w vector (unit: m·s-1)， and (c, d) 1 h accumulated precipitation along 117.9°E at 18:00 BT 6 (a, c) and 20:00 BT 6 (b, d) July 2020

5 結(jié) 論

本文利用FNL再分析資料、逐時(shí)降水融合產(chǎn)品、雷達(dá)資料和高分辨率GRAPES_YY模擬結(jié)果，對(duì)2020年7月影響我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的超強(qiáng)梅雨過(guò)程進(jìn)行了研究，分析了安徽南部的強(qiáng)降水個(gè)例，并進(jìn)行高分辨率模式模擬結(jié)果的檢驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

(1)2020年7月6—8日影響安徽南部強(qiáng)降水的主要天氣系統(tǒng)為高空槽，低空急流以及低渦切變線，降水主要產(chǎn)生于梅雨鋒上不斷東移的對(duì)流云團(tuán)。0.1°×0.1°高分辨率GRAPES_YY模式對(duì)本次過(guò)程的大尺度環(huán)流形勢(shì)、中尺度系統(tǒng)以及降水落區(qū)都給出了較好的模擬效果，模擬的大尺度環(huán)流系統(tǒng)的位置及強(qiáng)度與FNL再分析結(jié)果基本一致，模擬降水帶和強(qiáng)降水中心基本與觀測(cè)一致，但模擬弱降水區(qū)范圍偏大。

(2)2020年7月7—8日，強(qiáng)降水區(qū)維持明顯的低層水汽輻合以及暢通的西南水汽通道，水汽通量散度大值區(qū)與地面降水相吻合，明顯的低層水汽輻合以及暢通的西南水汽通道是此次超強(qiáng)梅雨持續(xù)性強(qiáng)降水維持的條件。GRAPES_YY模式0.1°×0.1° 高分辨率較0.75°×0.75°低分辨率模擬的鋒面降水結(jié)構(gòu)和分布有明顯改進(jìn)。

(3)持續(xù)性梅雨降水過(guò)程中，高分辨率模式刻畫了梅雨鋒和中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程。鋒區(qū)850 hPa 以下對(duì)流不穩(wěn)定和850～250 hPa都維持θse對(duì)流中性分布，既是對(duì)流活動(dòng)的結(jié)果，也是對(duì)流激發(fā)的條件。充足的水汽供應(yīng)和大量的水汽輻合是造成對(duì)流區(qū)高θse和降水的條件。