马旭林,孙丽娜,2,姜胜,于月明,官元红

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;

2.山东省泰安市气象局,山东 泰安 271001;3.南京信息工程大学 数学与统计学院,江苏 南京 210044)



一次江淮强暴雨过程的湿有效能量及其收支特征

马旭林1,孙丽娜1,2,姜胜1,于月明1,官元红3

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;

2.山东省泰安市气象局,山东 泰安 271001;3.南京信息工程大学 数学与统计学院,江苏 南京 210044)

摘要：利用高分辨率的WRF模式模拟结果,采用基于格点的湿有效能量计算方案,对一次江淮梅雨期强暴雨发生发展过程中湿有效能量的时空演变特征进行分析,并从定性和定量的角度探讨了能量方程转换项、平流项和垂直输送项对强暴雨过程中湿有效能量的输送和积聚作用。结果表明,强暴雨过程中湿有效能量的时空特征与强暴雨发生发展具有良好的对应关系,对流层低层800 hPa湿有效能量40×104J·hPa-1·m-2的等值线范围和该等值线伸展至500 hPa附近可作为判断强暴雨发生的必要条件。暴雨发生前2～3 h的能量快速积聚及其对暴雨区移向的引导,对强暴雨预报具有良好的指示作用。湿有效能量的水平和垂直输送及转换确保了能量的积聚和对流层中层能量的增加,为强暴雨的发生和维持提供了充足的能量。

关键词：湿有效能量;能量收支;暴雨;数值模拟

0引言

在等熵过程中将有效位能与无效能量分离,利用有效位能收支方程可揭示暴雨过程中能量产生、积聚、释放的条件,对强降水发生发展过程的理论分析和应用具有重要意义,在国内外暴雨分析中得到广泛应用(Lorenz,1955;Mieghem,1956;Dutton and Johnson,1967)。由于水汽含量对大气运动结构变化具有重要影响,如果在有效位能参考状态中考虑潜热能,理论上将更接近实际大气状况。Lorenz(1978)与谢义炳(1980)先后将有效位能的观点扩充到湿斜压大气,提出了湿有效位能的概念,并指出从能量的角度分析强降水过程的发展属于湿斜压大气有效位能的释放问题。在大范围降水过程中,尤其是暴雨区,采用湿有效位能及其收支方程来研究湿斜压大气中有效位能释放和动能产生的问题更加具有科学意义。将潜热作为内能的一种形式,对大气环流的维持可以得到更为满意的解释(Lorenz,1979),从而将考虑潜热的有效能量称为湿有效总能量(EMA),未考虑潜热作用的有效能量称为干有效总能量。

在此基础上,国内学者将有效位能的概念进一步扩展,给出了湿有效能量的近似表达式,并开展了诸多相关研究。吴宝俊和蒋凤英(1981,1982,1983)提出了湿有效能量的一种新的近似表达式及计算方案,并对有限区域湿有效能量的两类收支方程进行了讨论。指出在不考虑非绝热项作用的条件下,暴雨发生发展的不同阶段收支各项的作用和量值存在明显的差别,并与暴雨时段和强度具有一定的对应关系。丁治英(1986)从湿有效能量的局地方程出发,对梅雨暴雨和台风暴雨中湿有效能量的积累与释放特征进行了探讨。其后,针对有限区域湿有效能量与暴雨的关系也开展了研究(章国材和吴宝俊,1985;吴宝俊等,1995),指出亚洲地区湿有效能量的变化特征较好地揭示该地区春夏季节变换,且江淮地区入梅前后湿有效能量存在显著差异(刘延英等,1999)。针对广东省典型暴雨过程,周海光等(2003,2006)利用观测资料对湿有效能量的分析也表明,强降水区周围的湿有效能量与强降水时段有密切关系,且暴雨过程前后湿有效能量有显著差异,但湿有效能量与强降水落区的关系没有明确分析。

当前,对江淮暴雨发生发展的多尺度影响系统的相互作用(赵玉春等,2011;张瑞萍等,2014)、形成机制(王丽娟等,2010)以及能量位涡(魏鸣等,2013)等方面已开展了较多研究,但关于湿有效能量的研究相对较少。湿有效能量是大气有效位能和潜热能的综合反映,降水的发生发展不仅需要足够的有效能量,更重要的是还必须具备能量释放的触发机制。湿有效能量的持续补充和供给,也是维持降水过程的必备条件。在降水发生发展过程中,湿有效能量收支的考察对于深入理解和分析降水过程具有重要意义。以前的研究工作多是基于离散观测资料,从诊断分析的角度重点研究了湿有效能量与暴雨强度和落区之间的关系,而且计算过程中需要根据查算表确定参考气压等参数的量值,难以满足数值模式的同步计算。随着数值预报模式的发展,基于高时空分辨率的模式预报格点场,揭示湿有效能量及其收支特征与暴雨的发生发展关系对暴雨预报应该具有更加重要的科学意义。本文在对2003年7月4日发生的江淮梅雨期强暴雨过程数值模拟分析(马旭林等,2004)的基础上,利用高水平分辨率的数值模式结果,发展了有限区域湿有效能中参考气压的计算方案,重点对强暴雨天气过程中湿有效能量的输送和积聚特征及其时空演变进行分析,探讨了与暴雨预报之间可能存在的关系,进而讨论湿有效能量对强暴雨预报的指示意义。另外,考察湿有效能量收支方程中各分项的变化特征,试图揭示在强暴雨过程中能量及其各项的收支平衡关系。

1湿有效能量计算方案及其收支方程

继Lorenz(1978,1979)提出图解法和数值解方法计算湿有效能量之后,国内外学者又先后提出了不同的计算方案。吴宝俊和蒋凤英(1981)考虑时—空的可转换性以及位能本身的相对性,在相当位温守恒和质量守恒条件下,提出了一种新的湿有效能量的近似表达式及计算方案,并基于离散测站资料对有限区域湿有效能量的收支方程进行了初步研究。该方案选用代表站与代表时段较简易的计算出参考气压(pr)及湿有效能量(Amk),但由于部分参数需要查参数对照表获得,不能直接用于数值模式的格点资料计算。在质量守恒和假相当位温保守的条件下,本文基于有限区域湿有效位能的近似表达方案(吴宝俊和蒋凤英,1981),将数值模式积分的有限区域作为封闭空间,首先在一个有限区域求解参考气压,计算每个时刻的参考气压和相应区域的湿有效能量,发展了可直接用于数值模式输出资料的客观计算方法,实现了在模式预报中对湿有效能量的直接计算和输出,并对梅雨强暴雨过程中湿有效能量的时空演变特征进行讨论,从而为暴雨预报提供一种新的参考依据。

湿有效能量收支方程可以揭示暴雨过程中能量转化、积聚和释放,从而定量分析湿有效能量的时空分布特征。有限区域湿有效能量的收支方程分为两类,第一类湿有效能量方程各项量级通常相差较大,故本文主要基于第二类收支方程展开计算和分析(吴宝俊和蒋凤英,1983),其具体形式为

2湿有效能量的空间特征

2.1　湿有效能量的水平结构

由于局地能量的积聚和南侧正能量的输送,导致对流层中低层湿有效能量激增,在低层不稳定条件的触发作用下,7月4日18时(世界时,下同)已出现50 mm暴雨中心。同时在中尺度低涡系统的配合下,低空急流出口区左侧存在有强辐合上升运动,致使对流逐渐增强。至21时,低层正能量持续积聚,形成了整层深厚的正能量层(马旭林,2004;马旭林等,2004)。与之相对应,此时降水强度持续增强,暴雨区也逐渐扩大,形成了大范围的强降水。同时,随着北侧负能舌的略南伸,整个正高能区逐渐向东南发生偏移,雨带也随之移动。7月5日00时(图1a),湿有效能量得到不断补充,强降水持续发展,雨区范围扩大,但位置少变。在这个时段内,安徽东南部和江苏中南部形成了强暴雨过程。5日03时(图1b),北方冷空气南移,高能区北侧负湿能舌向南入侵,南侧正能量输送带强度减弱,高能中心随之向东南方向移动。随着高能区的南退,强降雨区上空湿有效能量开始减少,东部强降水也随之逐渐减弱直至结束。因此,正能量供给减弱,负湿有效能量的侵入,即预示着强降水过程的结束。

综上分析,强降水发生前低空急流的大风速轴(低空急流核)和正高能量区良好吻合,形成一条明显的正高能量输送带。这不仅有利于雨区上空正湿有效能量的积聚,形成高能量区,为强降水的发生和维持提供有利的能量条件,而且也保证了降水发生所必需的水汽条件。同时,低层高温高湿大气增强,加剧了低层大气的倾斜不稳定性,进而触发强降水的发生(马旭林等,2004)。由于正能量输送带的存在,江淮雨区低层具有充足的湿有效能量补充,通过强对流运动,使得对流层中上层的正湿有效能量得到及时有效的补偿,造成强降水的持续和发展。另外,在江淮地区高能中心北侧,沿北方冷空气的前进方向,存在有两条向南伸展的负湿能舌。随着北侧气流的推动,负能舌逐渐南侵,推动高能区向东偏南移动,而强降水带也随之同方向偏移,形成了雨区的移动。分析整个降水过程发现,暴雨区范围基本上与700 hPa的45×104J·hPa-1·m-2等能线的范围具有良好的对应。

图1　7月5日00时(a)和03时(b)700 hPa湿有效能量(等值线;单位:104J·hPa-1·m-2)和风场(箭矢;单位:m·s-1)以及3 h累积降水量(阴影;单位:mm)Fig.1　Moist available energy(contours;units:104J·hPa-1·m-2) and wind(arrows;units:m·s-1) fields at 700 hPa and 3 h accumulative precipitation(shaded areas;units:mm) at (a)0000 UTC and (b)0300 UTC 5 July

2.2　湿有效能量的垂直结构

图2为沿强暴雨中心119°E的经向剖面,以分析湿有效能量与假相当位温在强暴雨过程中的主要结构特征。由图2可以看出,无论是暴雨发生前还是正在发生的时刻,对流层低层都已具备丰富的湿有效能量,其能量高值区范围远远大于暴雨落区;同时,暴雨区上空维持着深厚的垂直向上伸展的高能舌。这也说明,将低层充沛的湿有效能量向上层输送的低涡中心强对流上升运动,是形成深厚的湿有效能量高值区的重要条件。值得注意的是,暴雨区的大小基本与800 hPa湿有效能量为40×104J·hPa-1·m-2的等值线范围一致,且该湿有效能量等值线需伸展至500 hPa附近,这可作为强暴雨发生的能量条件。另外,在暴雨区上空的对流层中下层,湿有效能量的高值区明显减弱。这也进一步说明大气湿有效能量因降水而释放的过程,尤其在降水逐渐减弱的时段更为明显。该高能量区正位于θse等熵面最陡峭的冷暖空气交绥处,即位于倾斜不稳定发展的强涡度中心(Wu and Liu,1998)。同时,该处的Amk等能线从低层到高层也几近呈垂直分布,显然此时的能量锋区已由低层发展到高层,从下至上形成了深厚的正能层(图2c)。即4日21时由于中尺度低涡生成,低层空气辐合增大,对流上升运动加强,激发了湿有效能量的释放,降水因而强烈发展,3 h降雨量达50 mm以上。而低层能量的不断输送,又为暴雨的持续补充了降水所必需的湿有效能量。总之,从湿有效能量的角度看,对流层低层具有充沛的湿有效能量,同时对流层中下层又要具备深厚的能量层,是暴雨发生的必要条件。

图2　湿有效能量Amk(彩色阴影表示Amk>0,绿线表示Amk<0;单位:104J·hPa-1·m-2)、假相当位温(黑线;单位:K)沿119.0°E的纬度—高度剖面和3 h累积降水量(黑色阴影;单位:mm)　　a.4日18时;b.4日21时;c.5日00时;d.5日03时Fig.2　Latitude-height cross sections of the moist available energy(the upper panel;color shaded areas for Amk>0 and green lines for Amk<0;units:104J·hPa-1·m-2) and the pseudo-equivalent potential temperature(black lines;units:K) along 119.0°E and 3 h accumulative precipitation(black areas at the bottom;units:mm)　　a.1800 UTC 4 July;b.2100 UTC 4 July;c.0000 UTC 5 July;d.0300 UTC 5 July

从暴雨落区与湿有效能量高值区的对应关系可以看出,高能量区始终位于暴雨区南侧(移动方向的前部),且雨区随高能量区同步逐渐向南移动(图2)。对照纬向剖面结构,也具有与之一致的特征(图略)。显然,如前文所述,暴雨发生之前必伴随着湿有效能量的充分积聚,且正的高能区受到能量输送和释放的影响而逐渐向前发展,暴雨区位置也随之同方向前移。高能量区始终位于暴雨区前移的下游,即高能量区的位置引导着暴雨区的移动。这种能量和暴雨区的空间配置具有重要意义。一方面,在大气流场作用下,暖湿气流从高能区流入暴雨区,使湿有效能量向暴雨区输送,从而为暴雨区提供充分的能量,并为暴雨的持续补充湿有效能量;另一方面,湿有效能量的积聚先于暴雨发生,这对暴雨预报具有良好的指示作用。

尽管低层高能量区水平范围较大,但暴雨发生一般需要500 hPa的湿有效能量达到40×104J·hPa-1·m-2,即在有利的温湿条件下,高、低层不断积聚湿有效能量,并由于降水使潜热能量在雨区上空释放,高层能量增加,又加剧了正湿有效能量的增长,形成了降水区内能量增长的正反馈机制。湿有效能量的激增,高能区范围随之扩展,由此可解释各时刻降水区上空500 hPa以上正湿有效能量向南北方向对称扩散而形成蘑菇云形状的现象。直到冷空气侵入,北侧低能舌向南伸展,雨区上空能量才急剧下降。

3湿有效能量及总湿有效能量的时间序列特征

为了进一步分析在强暴雨过程中湿有效能量时间序列特征,选取强暴雨中心附近且位于119.0°E左右的滁县站(118.3°E,32.3°N)和天长站(119.0°E,32.7°N),给出整个暴雨过程中二者湿有效能量的时空演变结构和1 h累计降水的时间序列(图3)。可见,强降水发生前,两站上空均出现深厚的整层正能量激增。700 hPa以下低层均存在湿有效能量的水平积聚,同时低层能量通过对流运动不断向高空输送,整个对流层能量几乎均被正能量区控制,形成了深厚的正能量积聚的垂直结构。需要注意的是,在暴雨发生前,尽管低层能量较充足,但如果上层大气的湿有效能量并不充分,降水仍然不能发生。因此,对流层中层湿有效能量积聚强度是强降水的发生的条件之一。暴雨期间,从地面到对流层中上层湿有效能量均比较大,强降水发生时400 hPa湿有效能量值达到20×104J·hPa-1·m-2以上,直到强降水减弱。伴随着800 hPa 40×104J·hPa-1·m-2的等能量线迅速下降,强降水减弱直至整个降水过程结束,其变化趋势与40×104J·hPa-1·m-2的等能量线的变化趋势基本一致。

总之,强降水发生前和发生期间,伴随有较强的垂直上升运动。低层能量由于水平输送形成能量堆积,而强对流上升运动则将低层充足的能量向高层输送,致使整层能量逐渐增加,最终形成深厚的正能层,为强降水的发生、持续贮备和输送必需的能量。随着强降水的持续,整层总能量因降水释放而逐渐减少,低层湿有效能量因垂直输送也发生急剧下降,而对流层中上层能量变化则相对缓慢。随着对流运动的减弱,强降水也随之减弱。

图3　单站湿有效能量(阴影区Amk≥20×104J·hPa-1·m-2)与风场(垂直速度扩大至20倍;单位:m·s-1)的时间—高度剖面以及1 h累积降水量(柱状;单位:mm)　　a.滁县站;b.天长站Fig.3　Time-height cross sections of the moist available energy(shaded areas for Amk≥20×104J·hPa-1·m-2) and wind (w×20;units:m·s-1) fields and 1 h accumulative precipitation(the bottom panel;bars;units:mm) at a single stationa.Chuxian station;b.Tianchang station

图4　总湿有效能量EMA(实线;单位:106J·m-2)与1 h累积降水(柱状;单位:mm)　　a.滁县站;b.天长站Fig.4　Total moist available energy(solid lines;units:106J·m-2) and 1 h accumulative precipitation(bars;units:mm)a.Chuxian station;b.Tianchang station

由强降水发生和持续过程中整层大气垂直累积总湿有效能量(EMA)的特征(图4)可以看出,两测站的降水强度约为40 mm/h的强暴雨发生之前2～3 h,EMA均开始明显的迅速增加。随着总湿有效能量的快速增大直至达到最大峰值,强暴雨的雨强也逐渐增大或保持最大状态。随着强降水的持续,能量积聚逐步减弱,逐小时降水量也逐渐减小。这表明强降水发生之前,需要完成能量累积,待满足一定能量条件后,强降水则随之发生,即强降水均发生在EMA急剧增加或持续增长之后。

结合前文分析可知,在该次强暴雨过程中,强降水发生前能量积聚,暴雨区上空对流层中下层大气的正湿有效能量迅速增长,雨区上空储备充分的能量,形成强降水发生的能量条件,预示着强降水将要发生。也就是说,降水与总湿有效能量同样有着很好的对应关系,即EMA峰值时间一般位于强降水发生之前2～3 h。这进一步印证了湿有效能量的积聚与强降水发生之间存在一个明显的时间差,为依据湿有效能量条件提前制作强降水预报提供了可能。因此,从能量的角度分析强降水的预报条件具有良好的指示意义。

4总湿有效能量收支平衡特征

暴雨过程是一个能量释放过程,仅靠局地大气中贮备能量维持整个暴雨过程的消耗往往是不够的,通常还要有其他的能量来源,那么暴雨过程中湿有效能量的输送和积聚的主要机制和消耗方式是什么?本文依据欧拉参考系p坐标第二类湿有效能量收支方程,对本次强暴雨过程的能量收支关系进行定性和定量的讨论。

4.1　定性分析

从物理角度来看,有效能量释放(向动能转换)除包括相对暖空气上升,还包括相对冷空气下沉。这样,使大质量重心降低,产生能量转换。能量收支方程中,由于比容α恒为正,且Amk与N同号,故当Amk>0的空气上升(ω<0)、Amk<0的空气下沉(ω>0)时,转换项NWA为负值,有效能量转换为动能。对流层低层的高能区因对流上升运动促使高能区抬升,湿有效能量释放而转化为动能,从而可以增强对流运动的发展。

4.2　定量特征

在定性分析的基础上,定量分析湿有效能量收支方程的各项特征,有助于更准确深入地理解暴雨过程的物理机制及其能量相互演变的特征。有限区域湿有效能量收支方程左边为总湿有效能量的局地项,可以考察其随时间演变的特征。根据前文可知,EMA由Amk确定且与之成正比,故EMA的变化趋势和演变特征也与Amk一致。

能量收支方程的转换项NWA主要反映垂直运动使大气质量重新排列导致的湿有效能量的释放率,揭示能量在垂直方向上的变化特征。由图5可知,在暴雨发生的前期阶段(图5a),转换项以负值为主,且量值相对较小。此时对流运动正处于发展阶段,相对较弱。至4日18时暴雨开始及持续时,暴雨中心及其附近上空转换项均为负值(图5b),且其量值明显增加,与该次暴雨中强对流区配置良好。其中118.0°E的负值中心正位于强暴雨区上空,中心数值达-40×10-2J·hPa-1·m-2以上,且转换项的负值区向上伸展至200 hPa附近。对应东侧相对较弱的降水区,转换项的负值中心量值略小。随着强降水的持续,转换项负值中心先行东移,西侧出现相对弱的正值区,强降水区也随之向东偏移(图5c)。降水末期(图5d),转换项量值明显减小,且伸展高度下降。由前文分析可知,此时强对流运动显然也正处于逐渐减弱的阶段。

图5　转换项NWA(等值线;单位:10-2J·hPa-1·m-2)沿32.5°N的经度—高度剖面以及3 h累积降水量(底部阴影;单位:mm)　　a.4日15时;b.4日18时;c.4日21时;d.5日00时Fig.5　Longitude-height cross sections of transition term NWA(contours;units:10-2J·hPa-1·m-2) along 32.5°N and 3 h accumulative precipitation(the bottom panel;units:mm)　　a.1500 UTC 4 July;b.1800 UTC 4 July;c.2100 UTC 4 July;d.0000 UTC 5 July

在强暴雨发生过程中,转换项释放湿有效能量转换为动能,为对流加强提供动能支持,促进对流运动的发展。在湿有效能量充沛的前提下,转换项愈强,更有利于对流运动的增强。随着降水的减弱,转换项的贡献随之减小,对流运动也相应减弱。湿有效能量通过转换项的作用加强对流运动,增强的对流运动又将低层能量快速输送到高层进行补充,再释放转化为动能。这种能量与对流运动之间的正反馈机制是导致这次强暴雨发生和维持的重要因素。

湿有效能量的输送对暴雨区能量的积聚和补充具有重要作用。从强暴雨中心平流项的纬向垂直结构(图6)可以看出,在暴雨发生前(图6a),从对流层低层到中上层向暴雨区均存在能量输送。水平输送大值区主要集中在低层,对流层中高层的水平输送局地性较强,但伸展高度较高。这说明,降水初期,湿有效能量的积聚主要以低层能量的水平输送为主,高层输送相对较弱。同时,强对流运动又将低层水平输送而积聚的部分能量向上传输。这与Amk形势场中位于(117.0°E,32.0°N)的高能中心相对应。暴雨强盛期(图6b),雨区上空纬向水平输送低层呈现负值,这与该阶段降水强度大,致使能量释放有直接关系。同时,低层湿有效能量在强对流运动带动下向对流层中上层输送,也必然导致能量明显减少。暴雨发展中后期(图6c),雨区上空能量的纬向水平输送进一步增强,且伸展高度明显增加,但平流项数值也同时出现了沿纬向的正负值交替区。逐时次分析可知,输送项的负值首先出现在强暴雨区移向的后端,此后逐渐向前传播,其量值呈现正负中心交替。这一方面表明在强降水发生的同时,存在能量的消耗和补充;另一方面,暴雨区西北侧负湿有效能量舌的逐渐侵入,推动了高能区向东移动,最终引导了暴雨区的未来走向。暴雨过程后期(图6d),水平输送项的正值中心已经移出暴雨区,而且在雨区上空出现明显的负值区,表明暴雨区从水平方向得到的补充能量大大减少,致使暴雨减弱直至结束。经向分析结果与此类似,但雨区北侧水平输送强度相对较弱(图略),这与该暴雨区南侧西略偏南走向的低空急流有直接关系。

图6　平流项HADV(等值线;单位:10-2J·hPa-1·m-2)沿32.5°N的经度—高度剖面和3 h累积降水量(底部阴影;单位:mm)　　a.4日15时;4日b.18时;c.4日21时;d.5日00时Fig.6　Longitude-height cross sections of advection term HADV(contours;units:10-2J·hPa-1·m-2) along 32.5°N and 3 h accumulative precipitation(the bottom panel;units:mm)　　a.1500 UTC 4 July;b.1800 UTC 4 July;c.2100 UTC 4 July;d.0000 UTC 5 July

图7　垂直输送项VADV(等值线;单位:10-2J·hPa-1·m-2)沿32.5°N的经度—高度剖面和3 h累积降水量(底部阴影;单位:mm)　　a.4日15时;b.4日18时;c.4日21时;d.5日00时Fig.7　Longitude-height cross sections of vertical transport term VADV(contours;units:10-2J·hPa-1·m-2) along 32.5°N and 3 h accumulative precipitation(the bottom panel;units:mm)　　a.1500 UTC 4 July;b.1800 UTC 4 July;c.2100 UTC 4 July;d.0000 UTC 5 July

可见,在暴雨发生发展过程中,低层积聚的湿有效能量通过垂直输送项快速输送到中上层,促使高层能量增加,同时低层通过水平输送项获得持续补充,这与湿有效能量的垂直结构完全相对应。这种能量输送机制,既保证了暴雨区能量的来源,又通过垂直运动向上层及时输送湿有效能量,补充能量的消耗,确保了暴雨的发展和维持。

5结论与讨论

本文通过对一次江淮强暴雨过程中湿有效能量及其收支平衡方程的分析,揭示了该次强暴雨发生发展过程中湿有效能量的时空特征及其与暴雨预报之间可能的对应关系,并从能量收支平衡的角度探讨了能量发展在暴雨过程中的相互作用机制。首先,强暴雨发生前,湿有效能量的快速积聚形成深厚的正能层为强暴雨的发生提供了能量条件,能量的输送是这场特大暴雨得以维持的重要因素。对流层低层800 hPa湿有效能量为40×104J·hPa-1·m-2的等值线范围和该等值线伸展至500 hPa附近可作为判断强暴雨发生的必要条件。其次,暴雨发生前2～3 h明显的能量积聚及其对暴雨区移向的引导,对于强暴雨落区预报具有良好的指示作用。第三,湿有效能量的水平和垂直输送确保了暴雨所必须的能量积聚和对流层中层能量的增加。强的转换项有利于对流运动的增强,为强暴雨的发生提供了更加有利的条件。

暴雨发生发展具有异常复杂的热力和动力机制,本文主要基于江淮梅雨期一次强暴雨天气个例展开分析,这对准确认识和理解湿有效能量在强暴雨过程中的特征和作用带来一定的局限性。针对不同暴雨天气类型和更多暴雨过程的湿有效能量特征研究,对揭示湿有效能量在暴雨预报中的指示作用更具有普遍的参考价值。另外,湿有效能量对降水预报的指示作用,也可作为数值预报模式的参数化方案诊断预报降水发生的条件。

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(责任编辑：刘菲)

Characteristics of moist available energy and its budget in a heavy rain process over Changjiang-Huaihe River basin

MA Xu-lin1,SUN Li-na1,2,JIANG Sheng1,YU Yue-ming1,GUAN Yuan-hong3

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China; 2.Taian Meteorological Bureau,Taian 271001,China;3.School of Math and Statistics,NUIST,Nanjing 210044,China)

Abstract:Using the high resolution simulations of WRF model and the calculation scheme of grid-based moist available energy,this paper analyzes the space-time evolution characteristics of moist available energy in the occurrence and development processes of a strong rainfall weather during the Jianghuai Meiyu period,and qualitatively and quantitatively discusses the interaction mechanism of the transition term,the advection term and the vertical transport term in the energy equation from the energy budget balance.Results show that,in the strong rainfall process,the space-time characteristics of moist available energy have good corresponding relations with the occurrence and development of heavy rain.The range of 40×104J·hPa-1·m-2contour of 800 hPa moist available energy in the lower troposphere and the contour extending to near 500 hPa can be used as necessary conditions for the heavy rainfall occurrence.The rapid energy accumulation at 2—3 h before heavy rain and its impact on the moving direction of rainfall areas have a good indicative function to rainstorm forecast.The horizontal and vertical transport and transition of moist available energy ensure the energy accumulation and the energy increase in the middle troposphere,which provide sufficient energy for the occurrence and maintenance of heavy rain.

Key words:moist available energy;energy budget;heavy rain;numerical simulation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130923001

文章编号：1674-7097(2015)03-0289-10

中图分类号：P441

文献标志码：A

通信作者：马旭林,博士,副研究员,研究方向为资料同化、集合预报理论与应用,xulinma@nuist.edu.cn.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41275111;41105057);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201506005)

收稿日期：2013-09-23；改回日期：2013-12-15

马旭林,孙丽娜,姜胜，等.2015.一次江淮强暴雨过程的湿有效能量及其收支特征[J].大气科学学报,38(3):289-298.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130923001.

Ma Xu-lin,Sun Li-na,Jiang Sheng,et al.2015.Characteristics of moist available energy and its budget in a heavy rain process over Changjiang-Huaihe River basin[J].Trans Atmos Sci,38(3):289-298.(in Chinese).