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，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)了一次有記錄以來罕見的連續(xù)暴雨過程，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)觀測站出現(xiàn)大暴雨，部分觀測站出現(xiàn)特大暴雨，江西省進(jìn)賢縣24 h累積觀測降水量為329 mm，南昌縣為278 mm。罕見的強(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)14.5萬人及京福高速、316國道等均受到嚴(yán)重威脅。尹潔等[9]用WRF模式對(duì)此次過程進(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。吳國雄等[11]證明絕熱無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。

本研究采用中尺度暴雨模式 （Mesoscale rainstorm model，簡稱為MRM）[4-7]對(duì)2010年6月19～20日江西省特大暴雨過程進(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，初始場資料來自日常業(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)暴雨過程中緩慢東移，直到19日20：00才開始逐漸東移入海。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)冷空氣南下至長江中下游地區(qū)，提供冷空氣來源。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地面累積觀測降水與模式模擬降水的分布見圖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，符合渦度增長理論。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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