丁治英,罗静,沈新勇

(南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京 210044)

2008年6月20—21日一次β中尺度切变线、低涡降水机制研究

丁治英,罗静,沈新勇

(南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京 210044)

利用WRF中尺度数值模式,模拟2008年6月20—21日江淮一次β中尺度切变线、低涡降水过程。分析发现:低层大尺度的0.5×10-6m2·s-1·K·kg-1的大值位涡为切变线暴雨提供了背景场,在其南部边缘,低层的切变辐合及云水形成的非绝热加热,导致了正位涡的增长,使低层正涡度加大引起降水加强。低层的正位涡通过上升运动向上传递,导致了高层位涡正异常,高层位涡的正异常又可导致低层的气旋性涡度进一步加大并使降水加大;β中尺度低涡的生成与大别山地形关系不大,主要是由对流层高层正位涡异常引起,但是低涡的维持及降水与大别山的地形坡度密切相关,当地形平坦时,不利于低涡维持和降水加强,当具有大别山的地形坡度时,不论山脉的高低都有利于低涡维持和降水加强。

β中尺度低涡;位涡;非绝热加热;切变线

0 引言

由于梅雨天气系统的复杂性等原因,过去人们对梅雨天气的研究主要集中于大尺度环流和α中尺度天气系统[1-4]。而对于引发梅雨暴雨的直接影响系统——中β尺度系统的研究,特别是对暴雨形成机理的分析还不够充分。Reed[5]在1955年指出,等熵位涡Pθ在绝热、无摩擦过程中沿气块轨迹位涡守恒,并认为锋区是由来自平流层的空气组成的。Hoskins等[6]认为可以通过与极锋地区的对流层顶相重合的等熵面追踪位涡异常区(即高值或低值区)进而追踪大气扰动的演变情况,还指出高层的位涡异常对低层系统的发展有重要的影响。Davis[7]提出了位涡的分部反演方法,该方法可较清楚地了解系统发展的机制,但其只考虑流场的准地转性(流函数),对于流场的非地转性(势函数)没有考虑,因此用来研究较小尺度系统的发展存在一定的局限性,往往导致方程不收敛。周毅等[8]利用位涡反演方法对气旋的发展机理进行了研究。赵兵科等[9]运用位涡收支诊断方法对2003年夏季梅雨期一次强气旋发展过程进行了研究,他强调了非绝热加热在气旋发展过程中的重要作用。值得注意的是,对中尺度系统的研究受资料的限制往往只停留在数值模拟方面,其研究结果的可靠性无法得到很好的验证。但是近年来,随着雷达、卫星等探测手段和中尺度数值模式的发展,人们越来越重视对引发暴雨的中β尺度对流系统的深入研究,并取得了一系列成果。如国家“973”项目:“我国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究”得到了大量的中尺度数据和资料,为进一步分析暴雨的形成机理提供了很好的依据和参考。

本文利用W RF模式输出的高分辨资料以及“973”项目(2004CB418303)得到的中尺度高分辨资料(3km×3km,逐小时降水量场和同化得到的流场),对2008年6月20—21日江淮梅雨期一次强降水过程进行模拟试验和诊断分析,特别是对暴雨过程中,β中尺度切变线和低涡的形成原因以及与位涡的关系进行了深入的研究。

1 大尺度环流背景及降水实况分析

1.1 大尺度环流背景

本次暴雨发生在典型梅雨的有利环流背景下。从图1可以看出:1)500hPa欧亚中高纬大气环流呈现稳定的“双阻”型,阻高分别位于乌拉尔山以及鄂霍次克海西部地区,低压槽位于贝加尔湖西北部地区,中纬度为平直西风,且不断有短波槽东移,向暴雨区不断输送冷空气,中低纬度西太平洋副热带高压脊线稳定维持在23°N附近;2)根据3km×3 km高分辨率的流场资料显示,850hPa在20日21时(世界时,下同)32.5°N附近出现一条准东西向的由西南风与西北风构成的切变线,22时出现降水,并随时间逐渐增大,之后切变线维持在32～32.5°N,21日06时随着切变线的南压,降水减弱南压,在该切变线的西部,自21日03时起,高原东部30～32°N、113°E以西有倒槽东伸,在21日09时形成低涡,该低涡在21日14时减弱,但东伸的倒槽依然存在,在低涡形成时,降水明显加大,当低涡减弱时,降水减弱并处在低涡的外围。

图1 2008年6月20日12时500hPa高度场(gpm)和850hPa风场(m/s)Fig.1 The geopotential height(gpm)at500hPa and wind vector(m/s)at850hPa at1200U TC20June2008

1.2 暴雨实况

从图2可见,08年6月20—21日受冷暖空气的共同影响,20日21时—21日06时雨带呈东西向,明显为切变线降水,降水中心在117°E、32.2°N,该降水区域窄而长,发生时间短,是β中尺度系统。6月21日07—14时为低涡降水,降水最大中心位于115.2°E、32.2°N,降水区域位于114～118°E、30.8～32.5°N。

由以上分析可见,切变线和低涡的形成对降水的产生有重要的影响,切变线产生的机制、低涡形成与消失的原因成为本文主要研究的问题。

图2 6月20日21时—21日06时(a)和6月21日07—14时(b)实况降水量(单位:mm)Fig.2 O bserved rainfall(mm)(a)from2100UTC20to0600UTC21June and(b)from0700U TC to 1400UTC21June

2 模式及模拟方案

利用新一代细网格中尺度数值模式(W RF),初始场资料采用NCEP提供的1°×1°格点资料。模式中采用的物理方案主要包括:W SM6微物理方案;Eta边界层方案;Kain-Fritsch积云参数化方案;RRTM长波辐射和D udhia短波辐射方案。模式采用两层嵌套,水平分辨率分别为15km和5km,垂直方向为31层,模式积分30h。

3 模拟与实况对比分析

3.1 降水系统对比

由实况和模拟的850hPa流场以及降水量的对比可知,在20日21时—21日06时低层切变线辐合降水阶段(图3a,b)与21日07—14时低涡降水阶段(图3c,d),低涡与切变线的生成时间与实况较为一致。模拟中,切变线生成于20日18时,实况生成于20日20时;实况低涡与模拟低涡均生成于21日09时。模式较为成功地模拟出两个阶段主要的降水系统,但是位置模拟较实况偏南一个纬距,因此降水普遍偏南,低涡的范围明显小于实况,低涡降水范围也偏小。在低涡生成阶段,低涡东部降水大于实况,因而出现了虚假的降水中心;实况低涡在21日14时减弱,模拟结果在21日13时减弱,实况低涡在21日18时消失,模拟在21日14时消失(图3e,f),这可能与模拟低涡较弱有关。总体说来,模式较好地模拟了低涡、切变线的产生与消失过程。

3.2 累计降水量对比

对于切变线降水,模拟的雨带(图4a)较实况(图2a)偏南,强降水主要位于118°E、31.5～32.5°N之间,雨带有南压的趋势,但在安徽南部的模拟降水偏强;对于低涡降水,在114～118°E的雨带已模拟出来,雨带较实况窄,位置偏南约1个纬距,低涡116°E以东降水偏强,由低涡引起的降水中心在115°E、31°N(图4b)与实况的115.3°E、32°N(图2b)比较接近。

综上所述本次模拟得到的切变线、低涡生成和发展的时间与实况接近,能较为真实地反映了此次切变线与低涡的过程,可用以进一步分析。

4 切变线降水的成因分析

位涡有多种分析方法,最常见的方法之一是等熵位涡分析法,即在等位温面上分析等位涡线。在绝热、无摩擦条件下,运动大气的位涡保持不变,因此可以通过追踪位涡异常区来追踪大气扰动的演变情况。

图3 6月21日实况(a,c,e)和模拟(b,d,f)的850hPa流场及与之相应的逐小时降水量(单位:mm)a,b.01时;c,d.10时;e,f.18时Fig.3 Observed stream line field and hourly rainfall(mm)at850hPa at(a)0100U TC,(c)1000U TC,(e)1800U TC21June,and sim ulated stream line field and hourly rainfall(mm)at850hPa at(b)0100UTC,(d)1000U TC,(f)1800UTC21June

图4 2008年6月20日21时—21日06时(a)和6月21日07—14时(b)模拟的累积降水量(mm)Fig.4 Simulated accumulated rainfall(mm)(a)from2100U TC20to0600UTC21June and(b)from0700 U TC to1400UTC21June

由等熵位涡分析,从20日12时起,低层的大值位涡自西向东运动,在308K等熵面(接近850 hPa)上,20日14时,在32°N附近,大于0.5×10-6m2·s-1·K·kg-1的正位涡带已经移至116°E(图略),此时切变辐合在32.5°N以北,没有降水与之配合,20日16时随着0.5×10-6m2·s-1·K·kg-1的正位涡带的进一步东移,在32°N附近0.5×10-6m2·s-1·K·kg-1位涡带的前缘出现大于1×10-6m2·s-1·K·kg-1的带状正位涡区(图5a),此时,切变线位置仍然偏北且无降水和大值位涡配合,17时带状正位涡加强,出现弱的西南风切变辐合与弱降水,18时正位涡值进一步加强(图5b),降水加大,32°N附近转变为西南风与西风的切变辐合。21日20时(图5c)带状正位涡带继续东移加强,最强中心达6×10-6m2·s-1·K·kg-1以上,切变线辐合由原来的西风与西南风转为西北风与西南风的辐合,21日01时32°N附近的降水基本消失(图5d),此时正大值位涡带南压,切变线南压,雨区也随之南压(图略)。对应328 K等熵面以及340K等熵面上32°N切变线附近的大于1×10-6m2·s-1·K·kg-1的位涡大值带在20日18时才开始出现,显示出低层有正位涡向上输送(图略),降水也伴随高层正位涡的加强而加大。

值得注意的是,是什么导致了在低层0.5×10-6m2·s-1·K·kg-1位涡南部边缘正位涡的突然增大?其产生的原因将在下文讨论。

由20日15时位温沿115.8°E的经向剖面(图6a)可以看出,在32°N以北位温呈准水平状态,整层大气处在均匀的0.5×10-6m2·s-1·K·kg-1的位涡场中,32°N以南为多波动状态,20日16时(图6b)在32°N的850hPa附近出现了一个大于1×10-6m2·s-1·K·kg-1的正位涡中心。从周围的环境分析,该正位涡的出现既不可能是水平平流造成,也不可能是垂直输送造成的,因此,无法从位涡守恒得到解释。经分析,本次低层中尺度位涡的发展与非绝热加热等作用有关。由20日16时的云水分布(图6c)可见,在正位涡增长时也是云水突然加大时候,因云水引起的非绝热加热是位涡加大的主要原因,由同时刻的散度剖面(图6d)分析,在云水最强的32°N低层有强烈的辐合,该区域的辐合主要由v分量形成(图略)。由垂直方向的涡度方程[10]可知,水平辐合可导致局地涡度加大,但此时降水并未形成。随着正位涡和辐合的加强,在32°N出现降水,此时正位涡开始向上输送(图7a),20日19时在400hPa附近出现很强的远大于低层的正位涡中心,并有冰以及雪水的大值中心与之配合(图7b)。可见,低层正位涡的向上输送并与凝结产生的非绝热作用使得高层位涡出现正异常。之后,高层正位涡又向低层输送,使得低层位涡增强,气旋性涡度加大,进而有利于降水的进一步增强。

因此本次切变线降水的产生的机制可能是,初始时刻大尺度的大于0.5×10-6m2·s-1·K·kg-1的正位涡场为切变线暴雨提供了背景场,低层的切变辐合以及非绝热加热,导致了正位涡的增长,使低层正涡度加大引起降水加强。此时,低层的正位涡通过上升运动向上传递(图7a,b),高层位涡正异常又可导致低层的位涡进一步加大,从而更有利于降水的发展。

5 β中尺度低涡生成、降水与地形的关系

5.1 大别山地形对β中尺度低涡的形成以及维持的影响

图5 20日16时(a)、18时(b)、20时(c)308K等熵面上的位涡(单位:10-6m2·s-1·K·kg-1)和流场,以及逐小时降水沿32°N的时间—纬向剖面(d;单位:mm)Fig.5 The potential vorticity(10-6m2·s-1·K·kg-1)and stream line field at308K at(a)1600UTC,(b)1800 UTC,(c)2000UTC20June and(d)the longitude-time cross section of hourly rainfall along32°N

21日01时之后切变线降水南压,涡旋生成于在21日09时,该涡旋主要位于31.2°N一线,最东移至115°E、31.2°N,实况低涡最东移至115.5°E、32°N,均处在大别山的西侧(图8a)。因此大别山的地形对低涡的形成、维持以及低涡降水可能有较大的影响,以下采用地形敏感试验探讨地形对低涡的作用。

主要进行了以下3个试验:

试验一,将大别山地形削减至100m的高度;

试验二,将大别山地形按比例降低(将原地形高度×0.5);

试验三,将大别山地形按比例升高(将原地形高度×1.5)。

由试验一的850hPa流场分析,去除大别山地形后仅在21日10时,在114.8°E、31.2°N出现了低涡(图8b),之后低涡很快消失,低涡出现的时间与实况以及控制试验(图3e)基本一致。在高度减小1/2后(图8c),低涡生成与消失的时间与控制试验一致,但低涡的范围较小。在试验三中,低涡的范围与控制试验一致(图8d),但低涡生成的时间晚于控制试验1h、消失的时间早1h(图略)。可见低涡的形成与地形的关系较小,但低涡的维持与地形有密切的关系。当地形平坦时,对低涡的维持最为不利,当地形较低并具有原来的坡度时,有利于低涡的维持,但低涡的范围较小,当地形较高并具有原来的坡度时对低涡的维持略有不利,其原因将在以下讨论。

图6 20日15时(a)、16时(b)位涡(单位:10-6m2·s-1·K·kg-1)和位温(单位:K)以及20日16时云水浓度(c;单位:10-1g·kg-1)和散度(d;单位:10-5s-1)沿115.8°E的垂直经向剖面(黑色阴影为山脉)Fig.6 The latitude-height cross section of potential vorticity(10-6m2·s-1·K·kg-1)and potential temperature(K)along115.8°E at(a)1500U TC,(b)1600U TC20June;the latitude-height cross section of(c)cloud water(10-1g·kg-1)and(d)divergence(10-5s-1)along115.8°E at1600U TC20June(shaded area denotes the mountain)

图7 115.8°E、32°N位涡(a;单位:10-6m2·s-1·K·kg-1)以及冰和雪水浓度(b;单位:10-1g/kg)随时间—高度的演变Fig.7 The time-height cross section of(a)potential vorticity(10-6m2·s-1·K·kg-1)and(b)ice and snow water concentration(10-1g/kg)at32°N,115.8°E

图8 大别山地形图(a;单位:m)及试验一(b)、试验二(c)、试验三(d)中21日10时850hPa散度场(阴影;单位:10-5s-1)及流场Fig.8 (a)Geographic map of the Dabieshan mountain area,and the divergence(shaded area;units:10-5 s-1)and stream line field at850hPa at1000UTC21June in(b)test1,(c)test2,and(d)test3

由控制试验(图9a)低涡上空平均位涡随时间的演变可见,在21日06时之后,400～300hPa上空出现了大于1.2×10-6m2·s-1·K·kg-1的正位涡中心,在21日06—12时之间低层到高层均为正位涡较大值控制。由300hPa位涡分析,从21日00时起自西向东有大值位涡向东移动并逐渐增强(图略),在21日06时之后高层位涡加大,21日09时低层出现低涡和大值位涡并维持到21日14时,这与Hoskins等[6]的位涡理论一致,当高层有正位涡扰动移至对流层低层或地面斜压区上空时,可引起低层温度扰动。高低层的位涡和温度扰动,以及它们诱发的环流共同作用的结果,便造成了低涡或气旋的发生和发展。

由试验一去除地形后(图9b)可见,位涡随时间的演变与控制试验类似,但高低层位涡大值相对比较集中,10时之后高低层位涡迅速减小并在500～300hPa出现了很强的负位涡异常,不利于低层低涡的维持。

由试验二(图9c)与控制试验(图9a)对比同样可见,高低层位涡随时间的变化基本一致,低层大于0.8×10-6m2·s-1·K·kg-1的位涡维持时间较短。由此可以说明,降低地形高度,维持地形坡度对低涡维持的时间影响不大,但低涡的强度有所减弱。

由图9d可见,21日06—12时低涡上空高低层的正、负位涡明显比控制试验要强。中层负位涡出现的时间较早,因此尽管低层正位涡较大,但由于中层负位涡异常使低涡消失的时间较早。

综上可见,低涡的形成与地形无关,主要是由对流层高层正位涡异常引起,但是有无地形对低涡的维持有很大的影响。当地形具有一定坡度时,尽管高度较低仍有利于低涡的维持。当地形升高时,对低涡的强度有一定的影响,升高地形后中层负位涡异常的加大,对低层低涡的形成不利。

图9 低涡中心附近平均位涡的时间—高度剖面(单位:10-6m2·s-1·K·kg-1) a.控制试验;b.试验一;c.试验二;d.试验三Fig.9 The t im e-height cross section of average potential voticity(10-6m2·s-1·K·kg-1)near the center of the low votex in(a)control test,(b)test1,(c)test2,and(d)test3

5.2 大别山地形对低涡降水的影响

由试验一的平坦地形形成的低涡降水分布(图10b)可见,这一时期降水较控制试验(图10a)大大减弱,降水主要发生在低涡生成前,21日11时低涡消失后,降水基本消失(图略);试验二中(图10c),当地形存在一定坡度时,尽管高度一般在600m以下,总降水分布与控制试验基本相同,大于50mm的降水区的范围甚至大于控制试验。可见地形存在坡度时,虽然高度较低,还是能引起较强的降水,这种降水的加强不仅与地形抬升有关而且与地形降低后,气柱加长,水汽含量增多有利于降水加大有关;试验三中,地形升高后,降水中心大大加强,这种结果显然与地形抬升有关,当地形有一定坡度时,由于低涡在大别山的南部,为西南气流控制,有利于气流抬升以及降水加大,降水造成的非绝热加热(图略)又有利于位涡的制造,这可能是升高地形后,高低层位涡明显增强的主要原因。

以上分析表明,地形的存在对大别山地区低涡的维持以及降水的发展有重要作用,特别是大别山的地形坡度最有利于降水的加强和低涡的维持。存在地形坡度时,低涡附近辐合场(图8c、8d)较地形平坦时偏强(图8b)。其原因可能是:平坦的地形摩擦力较小不利于辐合加强,而地形的抬升作用有利于气流在低层的辐合上升,从而引发水汽凝结,由凝结产生的非绝热加热有利于高层正位涡的维持,正位涡又可诱发低层涡旋发展,更有利于低涡及降水的维持。

6 结论

1)对流层低层0.5×10-6m2·s-1·K·kg-1的位涡边缘带状大值位涡的发展是本次β中尺度切变线降水形成的主要原因,初始时刻大尺度的大于0.5×10-6m2·s-1·K·kg-1的正位涡场为切变线暴雨提供了背景场,低层的切变辐合以及非绝热加热,导致了正位涡的增长,使低层正涡度加大引起降水加强。低层的正位涡通过上升运动向上传递,高层正位涡出现,高层位涡正异常又可导致低层的位涡进一步加大,从而更有利于降水的发展。

图10 6月21日07—14时累积降水量分布(单位:mm) a.控制试验;b.试验一;c.试验二;d.试验三Fig.10 Accumulated rainfall(mm)from0700U TC to1400U TC21June in(a)control test,(b)test1,(c)test 2,and(d)test3

2)本次大别山β中尺度低涡的形成与地形无关,主要是由对流层高层正位涡异常引起的,但有无地形对低涡的维持有很大的影响。平坦的地形最不利于降水及低涡的发展与维持,当地形具有大别山的坡度时,尽管地形较低,但仍有利于低涡维持以及降水加强,升高地形并维持原有的坡度也有利于降水及低涡的发展。地形坡度的存在有利于气流在低层的辐合上升,从而引发水汽凝结,由凝结产生的非绝热加热有利于高层正位涡的维持,正位涡又可诱发低层涡旋发展,更有利于低涡及降水的维持。

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A Study on the Precipitation Mechanism of Meso-β-scale Shear Line and Low Votex during 20 and 21 June 2008

DING Zhi-ying,LUO Jing,SHEN Xin-yong

(Key Laboratory of Meteorological Disaster of Minsitry of Education,NU IST,Nanjing 210044,China)

By using the WRF mesoscale numericalmodel,a simulation is performed to study the meso-βscale shear line and low vortex of a heavy rainfall event,which occurred during20and21June2008in Jianghuai area.The results show ed that low-level large-scale potential vorticity,which w as m ore than 0.5×10-6m2·s-1·K·kg-1,provided a background field for the heavy rain induced by the shear line.O n its southern edge,the non-adiabatic heating which cam e from the low-level shear covergence and cloud water led to the grow th of the low-level positive potential vorticity,which brought greater precipitation as a result.A t the same time,the low-level positive potential vorticity passed upwards through the upward motion,resulting in a high-level potential vorticity positiveanomaly,which would lead to further increase of low-level cyclonic vorticity and thus enhanced the precipitation again.The generation of the meso-β-scale vortex had little to do with the terrain but was mainly caused by the potential vorticity positive anomalies at the upper troposphere.How ever,the maintenance of vortex and precipitation w ere closely related to the terrain slope of Dabieshan Mountain.Flat terrain is not conducive to the maintenance of the vortex and precipitation.But w hen there is a slope,either a high mountain or a low one,it is conducive to the maintenance of low vortex and precipitation.

meso-β-scale low vortex;potential vorticity;non-adiabatic heating;shear line

P445

A

1674-7097(2010)06-0657-10

2009-12-10;改回日期:2010-03-15

国家重点基础研究发展规划项目“973”(2009CB421503;2004CB418303);国家自然科学基金资助项目(40775033;40975037);公益性行业(气象)科研专项经费项目(GYHY(QX)200806009)

丁治英(1954—),女,江苏常州人,研究员,研究方向为中尺度气象学,dingzhiying@nuist.edu.cn.

丁冶英,罗静,沈新勇.2008年6月20—21日一次β中尺度切变线、低涡降水机制研究[J].大气科学学报,2010,33(6):657-666.D ing Zhi-ying,Luo Jing,Shen Xin-yong.A study on the precipitation mechanism of meso-β-scale shear line and lowvotex during20and21June2008[J].Trans A tmos Sci,2010,33(6):657-666.

(责任编辑:刘菲)