一次梅雨锋暴雨过程的发展演变数值模拟研究*江晓燕 倪允琪 北京城市气象研究所北京1 0 0 0 8 9 中国气象科学研究院北京1 0 0 0 8 9 摘 要 2 0 0 2 年 6 月 1 8 日1 9 日在湖北省发生了一次梅雨锋上的中尺度降水过程本文使用非静力中尺度模式 M M 5 对该次暴雨过程进行了数值模拟从而来研究它的发生发展演变机制模式很好地模拟了造成该次强暴雨的中尺度对流系统的整个发展演变过程分析模拟结果发现中尺度对流系统在不断东移的过程中受高层的辐散性流场的抽吸作用和低层的对流不稳定而发展加强地形对对流系统的分裂起了很重要的作用最后由于高层的辐散气流明显减弱变得无组织和下沉气流的影响对流系统开始衰减最后通过分析给出了引起该次暴雨过程的中尺度对流系统的发展演变模型 关键词梅雨锋中尺度演变地形 1 引言 对于梅雨锋中尺度暴雨的形成和发展机制的研究 前人已经做了很多工作 但更多的是集中于研究中尺度对流系统形成的天气 气候与动力条件 对于中尺度对流系统发展演变的湿物理和动力机制还不是很清楚 C h e n 1等在研究梅雨锋时发现 在梅雨锋的雨带上常伴随有一系列有组织的中尺度扰动和对流云团 且研究发现新生云团一般是在原来云团的东侧产生雷达资料的应用也为我们研究中尺度对流系统提供了一个可靠的工具L e a r y2使用雷达资料研究中尺度对流系统的发展演变得到了对流系统发展的四个阶段形成发展成熟消散的演变过程由于常规资料的分辨率不够近年来数值模式在中尺度方面得到广泛使用 也使得研究中尺度对流系统的发展机制变得可行 N i n o m i y a , S h o u - J u n C h e n53等使用数值模式对梅雨锋上的中尺度对流系统进行了数值模拟 模式得到了梅雨锋上的中尺度对流系统的发生发展过程Q i n g - H o n g Z h a n g76等通过数值模拟研究得出了中尺度对流系统的三维结构强调了中尺度低空急流和中尺度高空急流对对流系统发展影响的重要性另外 R . R o m e r o 孙健等129发现地形的存在对降水起了加强的作用在有无地形存在,将对中尺度系统产生不同的影响 这些研究只是单方面分析了中尺度对流系统的结构和发展 为了更进一步完整地揭示梅雨锋中尺度对流系统的形成发展机制和结构特征我们选择 2 0 0 2 年在长江中下游梅雨锋暴雨野外试验期间的典型暴雨过程作为本文分析的典型个例 由于目前的观测资料的分辨*本文已被气象学报接收待刊出 率不够高本文主要通过数值模拟来进行分析2 0 0 2 年 6月 1 8 - 2 0 日梅雨期间在安徽湖南和湖北局部普遍出现了大暴雨 个别站点在 1 8 日晚到 1 9 日凌晨 6 h 内降水达 5 0 m m 以上降水时间短强度大本文主要对 6 月 1 8 日 1 2 时1 9 日 1 2 时发生在湖北的一次梅雨锋强暴雨过程进行了数值模拟和分析试图揭示出梅雨锋中尺度对流系统的发展演变机制 2 暴雨过程的实际天气形势分析 2 . 1 实况降水分布 这次降水过程主要集中在 6 月 1 8 日 1 2 时1 9 日 1 2 时这 2 4 h 内 从这一时段实况每3 h 的降水量图图 1 上分析看出6 月 1 8 日 1 5 时在湖北南部出现了一小片降水区3 h最大降水为 3 0 m m 接着该雨区开始向东北方向移动在 1 8 日 2 1 时1 9 日 0 0 时这 3 h 内降水量达到 4 0 多 m m 且雨区扩大同时很明显整个降水的位置已经位于原来雨区的东北方向随后该雨团继续东移到 1 9 日 0 6 时原来的降水雨团发展成两个大雨团其中一个中心在3 1N 1 1 4 . 5E 3 h 最大降水达 2 0 m m 以上另一个中心在3 1 . 5N 1 1 6 . 5E 这两个雨团是造成这次强暴雨的关键到 1 9 日 0 9 时这两个降水区很快开始减弱最后到1 9 日 1 2 时整个降水过程基本结束另外在分析整个对流系统的不断东移和发展时我们发现 在其西南侧一直有一个中尺度对流系统稳定存在 本文主要研究位于湖北境内的这次中尺度对流系统的发展演变过程 abef图 1 每 3 h 实况降水量图m m a 1 8 日 1 2 时1 8 日 1 5 时b 1 8 日 1 5 时1 8 日 1 8 时c 1 8 日 1 8 时1 8 日 2 1 时d 1 8 日 2 1 时1 9 日 0 0 时e 1 9日 0 0 时1 9 日 0 3 时f 1 9 日 0 3 时1 9 日 0 6 时g 1 9 日 0 6 时1 9 日 0 9 时h 1 9 日 0 9 时1 9 日 1 2 时 2 . 2 高低空环流形势分析 图 2 a 为 1 9 日 0 6 时 2 0 0 h P a 高度场和流场分布从图上我们可以看到2 0 0 h P a 的南亚高压在 2 5N 附近稳定存在 且在 3 5N 以北有一高空急流存在 在高空急流出口处右侧的气流呈暖性反气旋趋势图 2 b 上 5 0 0 h P a 环流形势比较稳定西太平洋副高稳定在 2 1N 附近 高纬地区为两槽一脊型 贝加尔湖附近有冷空气不断南下 长江中下游地区盛行西南风这样就构成一个范围广泛的气流汇合区另外在 3 0N 附近有一个短波小槽存在随着盛行西风不断东移低层 8 5 0 h P a 图 2 c 上在 2 7N - 3 3N 附近的长江中下游地区存在一条近似东西向的se密集带 主要是由湿度对比引起的说明此时北方过来的干冷空气与南方过来的暖湿空气正好在长江流域交汇对峙形成锋面同时该处附近有一江淮切变线存在且切变线南面有一与之近乎平行的低空急流其轴线为西南东北走向在这样的环流形势下将有源源不断的暖湿气流输送到长江流域 有利于梅雨锋上的对流发展 相应的地面分布图图 2 d 上在梅雨锋锋区有一低压存在这次暴雨过程主要是由发生在地面低压南部低空切变线南侧 也即梅雨锋前缘的一次中尺度对流系统活动引起的 但由于天气尺度的范围比较大我们很难看出中尺度的扰动所以下面分析一下静止气象卫星G M S 红外通道探测的黑体亮温Tb b资料 cdgh图 2 2 0 0 2 年 6 月 1 9 日 0 6 时实况水平场分布虚线表示降水区 a 2 0 0 h P a 高度场m流场风速大于 3 0 m / s 区阴影se( K ) b 5 0 0 h P a 位势场m流场, 粗线为槽线 c 8 5 0 h P a流场se场K , 粗线为切变线d 地面温度K地面气压h P a粗线为梅雨锋 2 . 3 云团特征分析 为了进一步分析暴雨云团的发展和演变Tb b 资料是一种很好的分析工具能够很好地表示中低纬度地区云系的分布及其强度特征 反映雨带的移动情况 本文主要从逐时的 G M S卫星红外云图来分析在整个降水过程中云团的活动情况图 3 表明该次降水过程主要是由中尺度对流云团的活动导致的 图 3 给出了 1 8 日 1 5 时到 1 9 日 0 9 时几个典型时刻的红外云图 Tb b 分布 1 8 日 1 5 时位于湖北南部的对流云团开始发展起来对应于降水图图 1 a 上的2 9 . 7N 1 1 1E 处的一小块降水区强度不大到了 1 8 日 1 8 时已经发展成熟等直线出现涡旋状结构接着 1 8 日 2 1 时原先的中尺度云团开始出现分裂趋势且不断发展到了 1 8 日 2 2 时在原来中尺度云团的东面分裂出了一个中尺度对流云团该云团不断向偏东方向移动到了1 9 日 0 0 时分裂的两个中尺度云团 A B 都处于强盛期接着到 1 9 日 0 3 时两者强度开始出现减弱的趋势到了 1 9日 0 6时两个对流云团已经开始明显减弱而降水则在 1 9日 0 0 时1 9 日 0 6 时这一时段内达到最大且在图 1 f 上对应了位于3 1N 1 1 4 . 5E 和3 1 . 5N 1 1 6 . 5E 的两个降水中心到了 1 9 日 0 9 时云团已经明显减弱对应的降 a b c d 图 3 2 0 0 2 年 6 月 1 8 日 1 5 时6 月 1 9 日 0 9 时 G M S 红外云图的黑体亮温 18 日 15 时 19 日 00 时 18 日 18 时 18 日 21 时 18 日 22 时 18 日 23 时 19 日 00 时 19 日 01 时 19 日 02 时 19 日 03 时 19 日 06 时 19 日 09 时 A A A A A A A A A A B B B B B B B B Tb b的时空演变 阴影深色为- 6 0浅色为- 4 5 水过程也随之结束因此从 Tb b 资料我们能很好地看出中尺度对流云团的整个发展演变过程 但对于对流系统的发展演变机制无法从图上得到 所以下面主要是通过数值模拟来进一步分析 3 数值模拟和模拟结果分析 3 . 1 资料与模拟方案 本文使用了美国宾州大学和国家大气科学研究中心开发的非静力中尺度数值模式M M 5 进行了数值模拟模式做了两重双向嵌套网格图 4 给出了模式模拟的区域和细网格尺度的地形分布以3 1N 1 1 4E 为中心其中粗网格的格距为 4 5 k m 格点数是 6 1 6 1 ;细网格的格距是 1 5 k m 格点数为 6 1 6 1 垂直方向上采用坐标从 1 到 0 不等距分为 2 4层分别为 1 . 0 0 , 0 . 9 9 , 0 . 9 8 , 0 . 9 6 , 0 . 9 3 , 0 . 8 9 , 0 . 8 5 , 0 . 8 0 , 0 . 7 5 , 0 . 7 0 , 0 . 6 5 , 0 . 6 0 , 0 . 5 5 , 0 . 5 0 , 0 . 4 5 , 0 . 4 0 , 0 . 3 5 , 0 . 3 0 , 0 . 2 5 , 0 . 2 0 , 0 . 1 5 , 0 . 1 0 , 0 . 0 5 , 0 . 0 0 , 顶层气压为 1 0 h p a 大尺度的分析主要是采用4 5 k m 的分辨率的结果而中尺度的分析则采用 1 5 k m的结果在选择对流参数化方案时粗网格采用了 B e t t s - M i l l e 方案细网格采用 K a i n - F r i t s c h 方案可分辨尺度降水都采用了混合计算方案 使用了松弛侧边界条件 行星边界层物理过程为 B l a c k d a r 高分辨率方案另外地面物理过程包括有非均一地表地热通量和动量通量还采用了云辐射方案采用了 6小时一次的分辨率为 0 . 5 6 2 5 的 T 2 1 3 资料作为初估场 并对初估场加入实时的 9 7 3 加密探空资料形成模式的初始场 模式积分时间为 2 0 0 2 年 6 月 1 8 日 1 2 时1 9 日 1 2 时 积分 2 4 h这段时间内集中了湖北境内的一次强降水过程 图 4 模式模拟的区域和地形分布 a 模拟区域b 地形分布m 3 . 2 模拟降水结果分析 图 5 给出了模式模拟的 1 5 k m网格的每 3 h 降水分布图 总的来说模拟结果抓住了发a b 生在这一时段内的中尺度对流系统且位置和强度相当强度稍偏强从最初 3 h 的模拟情况看 一开始在湖北南部出现一小块雨区 接着该雨区开始向东北方向移动 并不断发展到了 6 月 1 8 日 2 1 时1 9 日 0 0 时原先很小的雨区已经发展强大整个降水范围也明显变大对应于 Tb b上的 1 8 日 2 1 时的云图我们可以看到降水区与云图有很好的对应关系接着该雨团继续东移加强 向湖北省东北边界移动 到 1 9 日 0 3 时在降水区的东北方向开始分裂形成两个中尺度对流系统在 1 9 日 0 3 时0 6 时的降水图上反映为两个降水中心一个位于3 1N 1 1 5 . 4E比实况偏东 9 0 k m 另一个中心位于3