趙玉春,王葉紅,崔春光

(中國氣象局武漢暴雨研究所,湖北武漢430074)

0 引言

梅雨鋒暴雨是我國氣象學家研究的經典主題之一,有關梅雨鋒暴雨的大尺度環(huán)流、中尺度系統(tǒng)(氣旋或者擾動)以及梅雨鋒暴雨系統(tǒng)的結構特征已有大量理論和應用研究成果。研究表明,梅雨鋒雨帶的形成是東亞行星鋒區(qū)和東亞季風相互作用的結果(Tao and Chen,1987;Ding,1992),梅雨鋒暴雨的產生則由西太平洋副熱帶高壓、南海季風涌、中高緯度冷空氣和青藏高原中尺度對流系統(tǒng)最佳組配(或鎖相)造成(張順利等,2003),而梅雨鋒降水系統(tǒng)主要為梅雨鋒上東移的中間尺度或中尺度低渦(Ninomiya and Akiyama,1974)。梅雨鋒云系、西風帶短波槽云系、青藏高原東移擾動云系和季風云涌構成了梅雨鋒暴雨系統(tǒng)的云系成員(覃丹宇等,2006)。梅雨鋒在鋒面結構上不同于極鋒鋒區(qū),梅雨鋒上大量降水蒸發(fā)冷卻使梅雨鋒近地面溫度降低,在梅雨鋒兩側的溫度對比并不明顯,導致低層梅雨鋒幾近消失(Akiyama,1973;王建捷和陶詩言,2002),梅雨鋒兩側的氣團溫度比鋒區(qū)高,梅雨鋒猶如一條冷舌位于南北暖氣團之間(Kato,1987),梅雨鋒主要表現(xiàn)為濕度鋒(露點鋒)或者θe鋒,降水發(fā)生在鋒區(qū)的南面(張小玲等,2002)。最近的研究表明,梅雨鋒降雨帶南北兩側分別存在θe密集邊界區(qū),北邊界為梅雨鋒,而南邊界為副熱帶鋒,兩者在性質上存在著差異(柳俊杰等,2003;Zhou et al.,2005;Cui et al.,2009)。同時梅雨鋒的結構不均勻,呈現(xiàn)明顯的中層鋒和邊界層鋒兩段,鋒區(qū)垂直環(huán)流的加強與高低空急流上下貫通,有利于梅雨鋒降水的加強(陳麗芳和高坤,2006)。這些研究在大尺度和天氣尺度上從不同角度揭示了梅雨鋒的多尺度結構特征和梅雨鋒降水的成因,加深了對梅雨鋒以及梅雨鋒暴雨系統(tǒng)的認識。

梅雨鋒暴雨是在大尺度、天氣尺度和α中尺度系統(tǒng)共同作用下形成的(蔣建瑩和倪允琪,2003),在梅雨鋒中尺度切變線走向上有一條中尺度渦管,其強度與降水強度密切相關(壽紹文等,2001)。然而,梅雨鋒暴雨的形成主要由梅雨鋒上不同尺度的中尺度對流系統(tǒng)(Mesoscale Convective System s,M CSs)活動直接造成,梅雨鋒云系上分布的M CSs是由不同尺度、不同強度的對流單體組成,使得梅雨鋒云系產生不均勻的降水分布(A kiyam a,1990;姚秀萍等,2005)。梅雨鋒上的暴雨由嵌套在α中尺度氣旋內的β和γ中尺度擾動引起(Ninomiya and Mizuno,1987),并具有明顯的多尺度特征(Ninomiya and Akiyam a,1992;Shibagaki et al.,1997;Kato,1998)。梅雨鋒上的α中尺度對流系統(tǒng)由幾個β中尺度對流群組成,每一個β中尺度對流群又由多個γ中尺度的對流回波構成(Yamada et al.,2003)。同時研究表明,梅雨鋒上暴雨往往由混合云降水所致,在梅雨鋒層云降雨區(qū)有許多對流單體組成的帶狀回波群,對流回波周圍常有中尺度切變、渦旋、輻合和輻散存在(劉黎平等,2004),梅雨鋒暴雨也由β中尺度輻合帶及嵌套在輻合帶上的γ中尺度渦旋共同作用引起,輻合帶上的波動活動對降水具有重要的觸發(fā)和維持作用(周海光和王玉彬,2005)。因此,梅雨鋒暴雨系統(tǒng)在中尺度上具有明顯的多尺度結構特征。同時業(yè)務預報分析中發(fā)現(xiàn),梅雨鋒上頻繁活動的M CSs在雷達回波上大多不同于北美線狀的M CSs(Parker and Johnson,2000),其組織結構特征往往表現(xiàn)為層狀降水回波帶中嵌套著對流降水回波單體,梅雨鋒暴雨系統(tǒng)在α、β和γ中尺度上的熱力動力三維空間結構特征及其相互間的聯(lián)系仍不十分清楚。本文以2009年6月29—30日發(fā)生在長江中游的一次典型梅雨鋒特大暴雨過程為例,通過觀測分析、大區(qū)域精細數(shù)值模擬和空間帶通濾波分析,進一步探討梅雨鋒暴雨系統(tǒng)在α、β和γ中尺度上三維空間的多尺度結構特征,以加深梅雨鋒暴雨系統(tǒng)的認識。

1 觀測事實

1.1 天氣背景和降水概況

2009年6月29日08時(北京時,下同),500 hPa上歐亞地區(qū)大尺度和天氣尺度環(huán)流背景呈現(xiàn)出典型的梅雨鋒環(huán)流特征:1)西太平洋副熱帶高壓脊線位于23°N附近,西脊點位于115°E左右;中高緯呈兩槽兩脊分布,東北低渦位于(120°E,45°N)附近,渦內低槽南伸至30°N一帶,新疆西側為一低槽,兩脊分別位于內蒙西部和日本,日本高壓脊北部為一阻塞高壓。2)中緯地區(qū)為平直的西風帶環(huán)流,高原至西南地區(qū)上空多短波槽活動,短波槽東移到梅雨鋒上空產生擾動,為暴雨的發(fā)生提供有利的動力條件。3)850hPa上,西太平洋副熱帶高壓西側外圍的西南暖濕高θe氣流與東北低渦后部的偏北低θe氣流交匯在長江中下游地區(qū),形成梅雨鋒輻合帶,梅雨濕度鋒緊靠輻合帶偏北一側,天氣尺度的西南低空急流呈東北—西南向,從華南一直伸至日本南部。4)200hPa上,副熱帶西風急流西段位于40°N左右,向東逐漸南壓至35°N附近,急流軸上有多個急流中心,梅雨鋒上特大暴雨區(qū)正好位于高空急流中心入口區(qū)右側。5)100hPa上,南亞高壓主體近乎呈東西向,1 672dagpm特征線向東伸到120°E以東,脊線位于29°N附近,南亞高壓脊區(qū)附近的輻散場為特大暴雨的形成提供了有利的高空疏散條件(圖1a)。由此可見,梅雨鋒特大暴雨發(fā)生在多種尺度天氣系統(tǒng)共同構成的有利環(huán)境場內,具有典型的梅雨鋒環(huán)流特征(趙思雄等,2004)。

在上述有利的天氣尺度環(huán)流背景下,準東西向的梅雨鋒上不斷有中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展,給湖北、安徽等地帶來強烈的降水天氣,造成了嚴重的洪澇災害。30日08時24h累積雨量圖上,湖北、安徽一帶為一條準東西向的暴雨帶,暴雨帶上有3個特大暴雨中心,分別位于鄂西南、鄂東北和安徽南部(圖1b)。其中地面常規(guī)觀測站點上鶴峰降水最強,24h累積降水量達313mm,1h雨強達53.9mm。據(jù)地面常規(guī)觀測站點統(tǒng)計,湖北境內44個縣市降水超過50mm,其中22個縣市降水超過了100mm,安徽境內30個縣市降水在50mm以上,其中16個縣市降水超過了100mm。

1.2 衛(wèi)星云圖觀測特征

利用風云靜止氣象衛(wèi)星黑體輻射亮溫(TBB)資料對梅雨鋒上中尺度對流云團的活動分析發(fā)現(xiàn),鄂皖境內特大暴雨的發(fā)生由梅雨鋒上多個不同尺度的M CSs活動造成。MCSs的活動大致可以分為3個階段:第1階段為29日08—14時,梅雨鋒近乎呈東西向,M CSs在緊靠梅雨鋒南側暖濕氣流一側活動,對流云團也在東西向上近乎呈波狀分布(這種波狀排列的對流云團的活動可能與慣性重力波的活動有關(胡伯威,2005;易軍等,2009)),有α尺度云團,也有β甚至γ中尺度云團,β和γ中尺度的對流云團有的獨立發(fā)展,有的鑲嵌在α中尺度云團中(圖2a,b)。第2階段為29日15—23時,梅雨鋒逐漸轉為東北東—西南西向,此時中尺度對流云團的活動變得相對零散,α、β和γ尺度的對流云團在梅雨鋒附近活動,仍具有明顯的多尺度特征,云團結構和形態(tài)上的組織化特征變弱(圖2c,d)。第3階段為30日00—09時,梅雨鋒仍呈東北東—西南西向,梅雨鋒附近對流云團結構和形態(tài)上的組織化特征再度增強,β和γ中尺度的對流云團有的鑲嵌在α中尺度云團中活動,有的獨立發(fā)展(圖2e,f)。由此可見,引發(fā)梅雨鋒特大暴雨的中尺度對流云團具有明顯的多尺度特征,對流云團在α、β和γ中尺度上發(fā)生發(fā)展,對流云團的活動特征、組織結構和形態(tài)特征呈現(xiàn)出多樣化。另外,梅雨鋒上對流云團的活動特征存在著明顯的階段性變化,它可能與太陽輻射加熱造成的大氣日變化有關(Zhao et al.,2008)。

圖2 2009年6月29日08時—30日09時風云靜止氣象衛(wèi)星TBB(≤-40℃)演變圖(粗虛線指示梅雨鋒) a.29日08時;b.29日13時;c.29日18時;d.29日23時;e.30日04時;f.30日09時Fig.2 The Fengyun geostationary meteorological satellite images of TBB(≤-40℃)from08:00BST29to 09:00BST30June2009(The thick dashed lines indicate the Meiyu front) a.08:00BST29;b.13:00BST29;c.18:00BST29;d.23:00BST29;e.04:00BST30;f.09:00BST30

1.3 雷達回波觀測特征

利用多普勒雷達拼圖資料(武漢、宜昌、恩施和十堰四部雷達)(X iao et al.,2008)對中尺度對流系統(tǒng)在雷達回波上的特征分析后發(fā)現(xiàn),梅雨鋒雨帶上為層狀和對流混合性的降水回波,對流降水回波嵌置于層狀降水回波中,梅雨鋒上M CSs的活動在雷達回波上并未呈現(xiàn)出線狀M CSs組織化結構特征(Parker and Johnson,2000),而是表現(xiàn)為另外一種組織形態(tài),即尺度小的強回波體嵌置于尺度大的回波帶中,在水平和垂直方向上均呈現(xiàn)出明顯的多尺度結構特征。詳細分析M CSs活動期間的雷達回波特征發(fā)現(xiàn):在中尺度對流云團活動的第1階段,梅雨鋒降雨回波帶近乎呈準東西向,整個回波帶在水平分布上相對緊湊,回波的組織結構特征表現(xiàn)為尺度小的強回波體嵌套于尺度大的回波帶中,回波單體沿著平均環(huán)境氣流方向移動(圖3a)。在高度剖面圖上,這一特征更為清楚,即梅雨鋒雨帶上有一個或者多個α中尺度回波帶(圖3c),其尺度一般在250～300km;α中尺度回波帶中嵌套著β中尺度回波體,其大小約50～150km;大的β中尺度回波體中又嵌套著多個γ中尺度強回波峰(圖3e),其尺度約10～15km。在中尺度對流云團活動的第2階段,梅雨鋒降雨回波帶逐漸演變成東北東—西南西向,回波帶的南北范圍增大,水平分布上回波帶變得相對分散,梅雨鋒降雨回波帶的南側有尺度較小的對流回波發(fā)展,回波帶上為不同尺度的回波體(圖3b)。在高度剖面圖上,梅雨鋒回波帶也由一個或多個α中尺度回波帶構成(圖3d),β尺度回波體嵌套在α尺度回波帶中,γ尺度回波峰又嵌套在β尺度回波體中(圖3f)。在中尺度對流云團活動的第3階段,梅雨鋒降雨回波帶仍呈東北東—西南西向,水平分布上回波帶變得相對集中,組織化特征增強,仍表現(xiàn)出明顯的多尺度結構特征(圖略)。由此可見,梅雨鋒上M CSs在雷達回波上的組織結構特征與其在衛(wèi)星云圖上的結構特征存在著很大的差異,在雷達回波上可更為清楚地看出M CSs在垂直方向上的組織結構特征。梅雨鋒降雨回波帶上尺度較小的β中尺度強回波體和γ中尺度強回波峰大多呈波列分布,它的出現(xiàn)可能與慣性重力波的活動有關(胡伯威,2005;易軍等,2009)。由于只獲得了湖北境內四部多普勒雷達的三維拼圖資料,還不能形成完整的梅雨鋒降水回波三維資料集,這限制了觀測分析的完整性(但不影響此次梅雨鋒上M CSs降水回波統(tǒng)計意義上的特征分析,可獲取的雷達資料顯示的M CSs活動特征具有一定的代表性)。

圖3 2009年6月29日11時36分(a,c,e)和21時24分(b,d,f)多普勒天氣雷達三維拼圖的組合反射率和反射率垂直剖面圖(其中圖3c、e和3d、f分別為沿圖3a、c和3b、d中實線AB、A′B′和CD、C′D′的高度剖面)Fig.3 The composite reflectivity of three-dimensional Doppler radar mosaics and their vertical cross section at(a,c,e)11:36and(b,d,f)21:24BST29June2009(Fig.3c,e and Fig.3d,f are the height cross section along the solid lines AB,A′B′and CD,C′D′in Fig.3a,c and Fig.3b,d,respectively)

2 數(shù)值模擬

上述觀測分析表明,梅雨鋒特大暴雨由多個不同尺度的M CSs活動造成,這些不同尺度的暴雨系統(tǒng)在三維空間上具有何種結構特征并不清楚。下面對此次梅雨鋒特大暴雨過程進行高分辨數(shù)值模擬,在對天氣系統(tǒng)、溫壓濕要素及暴雨強度和落區(qū)等模擬與實況基本一致的情況下,對模擬結果空間帶通濾波后分析不同尺度暴雨系統(tǒng)的結構特征。

2.1 模式簡介

利用美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)和大氣研究中心(NCAR)等研究機構聯(lián)合開發(fā)的天氣研究和預報模式(W RF3.1.1版本)非靜力方案,進行數(shù)值模擬和試驗。模擬采用雙向三重嵌套積云分辨尺度大區(qū)域精細模擬(圖4),模擬區(qū)域的中心點為(116°E,30°N),母區(qū)域水平網格距為9km×9km,水平方向295×295個格點,第1子區(qū)域為3km×3km,水平方向493×493個格點,第2子區(qū)域為1km×1km,水平方向955×955個格點,垂直方向為σ坐標31層,時間積分步長為54s。母區(qū)域采取的物理方案:云微物理過程用Eta方案,積云參數(shù)化方案為新的Kain-Fritch方案,長波輻射用RRTM方案,短波輻射為D udhia方案,地表層物理過程為基于Monin-Obukhov的MM5類似方案,陸面過程選用5層熱擴散方案,行星邊界層過程為YSU方案。第1、2子區(qū)域除云微物理過程采用L in方案,不進行積云參數(shù)化外,其他物理過程與母區(qū)域相同。母區(qū)域和第1子區(qū)域采用USGS的2′分辨率地形,第2子區(qū)域采用30″分辨率地形。由于2009年6月29日08時梅雨鋒已經形成,長江中下游流域產生了明顯的降水,考慮到模式的SPINU P時間,選取28日02時作為初始時間,利用NCEP/NCAR1°×1°的再分析資料初始化后積分30h,模擬29日08時—30日08時鄂皖境內的特大暴雨過程。文中主要對第2子區(qū)域的模擬結果進行分析,但對天氣尺度系統(tǒng)的模擬驗證部分使用母區(qū)域和第1子區(qū)域的模擬結果。

圖4 模式三重嵌套的模擬區(qū)域(a;陰影區(qū)為地形)和模式模擬的24h降水量分布(b;單位:mm)Fig.4 (a)The modeldomain of three-domain-nested numerical simulation(shaded area is topography)and(b)the simulated24-hr rainfall(mm)

2.2 模擬驗證

對模式輸出分析發(fā)現(xiàn),模式對天氣尺度環(huán)流形勢和溫壓濕場結構的模擬與觀測非常接近,但高分辨率模式模擬的溫壓濕場具有更為精細的結構特征,這里對其細節(jié)不進行贅述。在對天氣形勢和溫壓濕要素模擬基本正確的基礎上,模擬的24h累積降水與觀測基本一致,雨帶呈準東西向,特大暴雨中心分別位于鄂東和皖南,較觀測的強降水中心偏離不到50km,但模擬的降水較觀測略強(圖4b)。對模擬的逐時降水分布與實況對比發(fā)現(xiàn),模式對梅雨鋒上M CSs活動形成的逐小時降水分布也有一定的模擬能力。圖5是梅雨鋒上M CSs不同活動階段代表時刻的地面加密觀測和模式3km子區(qū)域模擬的1h降水分布,可見29日13時模擬的1h降雨帶呈準東西向位于鄂東和皖南(圖5b),與觀測基本一致(圖5a),但雨帶上強降雨團的位置、范圍和強度等細節(jié)還不能完全刻畫出來。29日21時觀測的1h雨帶主要位于鄂東北和皖中南一帶(圖5c),而模擬的主雨帶強度偏弱,對安徽境內的降雨團模擬偏南,而在湘贛境內模擬的降水無逐小時觀測雨量驗證(圖5d)。30日07時,模擬的1h降雨帶呈東北東—西南西分布(圖5f),與觀測近乎一致(圖5e),但對鄂東境內降雨帶的模擬較實況略偏北。由此可見,模式不僅較好地模擬了24h累積降水,而且較為成功地模擬了第1和第3階段M CSs活動引發(fā)的降水,但模式還不能很好地刻畫梅雨鋒上M CSs活動引發(fā)降水的細節(jié),尤其是梅雨鋒上M CSs第2階段活動引發(fā)降水的模擬并不十分令人滿意,這可能與模式不能很好地刻畫與日變化相聯(lián)系的物理過程有關,也說明中尺度模式對M CSs的模擬還有待進一步改進?？紤]到模式對梅雨鋒上M CSs第3階段活動形成降水的模擬與觀測最為接近,下面利用小波變換對模式輸出結果進行空間帶通濾波和尺度分離后分析梅雨鋒暴雨系統(tǒng)動力、熱力三維空間的多尺度結構特征。

圖5 2009年6月29—30日梅雨鋒上M CSs不同活動階段代表時刻地面加密觀測(a,c,e)和模式3km子區(qū)域模擬(b,d,f)的1h降水分布(單位:mm;觀測僅有鄂皖境內的加密自動雨量站資料) a,b.29日13時;c,d.29日21時;e,f.30日07時Fig.5 (a,c,e)The1-hr intensive observed surface rainfall(mm)and(b,d,f)the corresponding1-hr sim ulated rainfall of3-km dom ain in different stages ofM CSs activities on theM eiyu front during29—30June2009(O nly displayed in Fig.3a,c,e is the rain gauge data in Hubei and A nhui provinces) a,b.13:00BST 29;c,d.21:00BST29;e,f.07:00BST30

2.3 空間濾波與尺度分離

利用M orlet小波變換(W eng and Lau,1994),對模式輸出結果進行帶通空間濾波(在經、緯圈上濾波的順序不影響濾波結果,且小波重建后與原始資料空間分布一致),結合波譜能量分布分離出不同尺度的天氣系統(tǒng)。圖6是2009年6月30日07時700hPa渦度和散度進行小波分析后沿梅雨鋒(31°N)的波譜能量分布。由圖可見:在2～20km尺度上,渦度的波譜能量存在兩個波峰,散度為一個波峰,有渦度波峰與其對應;在20～200km尺度上,渦度和散度皆為兩個波峰,但波峰位于不同的波長處;在200～2 000km尺度上,渦度和散度皆為三個波峰,波峰位置大體一致。這說明梅雨鋒暴雨系統(tǒng)在不同尺度上都存在明顯的波譜能量,具有明顯的多尺度特征。對梅雨鋒南北側緯度帶上的波譜能量分析發(fā)現(xiàn),在梅雨鋒的北側,波長在2～20km尺度上的波譜能量比其他波長上的波譜能量要小得多,且沒有明顯的波峰,其他波長上存在著強的波譜能量和波峰;而在梅雨鋒的南側,2～20km尺度上的波譜能量分布上仍存在著明顯的波峰。這表明梅雨鋒南側有明顯的γ中尺度系統(tǒng)活動,而北側γ中尺度系統(tǒng)相對欠活躍。對其他時次小波波譜能量分析發(fā)現(xiàn),盡管波譜能量分布并不完全相同,但波譜能量的多尺度特征突出?？梢奜rlanski(1975)劃分的α、β和γ中尺度系統(tǒng)在波譜能量上并不是單峰分布,因而就波譜能量角度而言,α、β和γ尺度劃分并無絕對界限。盡管如此,下面仍以Orlanski(1975)的中尺度劃分來對模式1km子區(qū)域模擬的熱力和動力物理量進行小波變換和空間帶通濾波,分離出α、β和γ中尺度系統(tǒng),分析梅雨鋒暴雨系統(tǒng)的三維空間多尺度結構特征。

2.4 梅雨鋒暴雨系統(tǒng)的多尺度結構特征

2.4.1 α中尺度結構特征

圖6 2009年6月30日07時模擬的700hPa沿梅雨鋒(31°N)渦度(實線)和散度(虛線)的小波波譜能量分布Fig.6 The wavelet spectral energy of the simulated 700h Pa vorticity(solid line)and divergence(dashed line)along the Meiyu front(31°N)at07:00BST30June 2009

利用小波變換對模擬的物理量進行α中尺度帶通空間濾波后,可清晰地看出α中尺度結構特征。圖7是梅雨鋒暴雨期間(2009年6月30日07時)α中尺度物理量水平(700hPa)和垂直分布?？梢园l(fā)現(xiàn):1)700hPa上梅雨鋒帶為一條正渦度帶,梅雨鋒輻合帶與正渦度帶近乎疊置;正渦度帶上有多個正渦度中心,分別有多個輻合中心與其對應;梅雨鋒南、北側為弱的負渦度帶,分別對應著弱的輻散帶(圖7a)。在南北向垂直分布圖上,600hPa以下為正渦度柱,對應著輻合中心,略向北傾斜,以上為負渦度柱,對應著輻散中心,渦度和散度近乎呈一波分布,但600hPa以上有兩個輻散和渦度中心,另外600hPa以下輻合柱的兩側為略向北傾斜的輻散柱(圖7b)。2)梅雨鋒帶對應著相當位溫(θe)密集帶,梅雨鋒云帶(總云水物質帶)與θe密集帶近乎平行,并位于高θe一側,梅雨鋒云帶上也存在著多個云水物質大值中心(圖7c)。在垂直分布圖上,θe密集帶向北傾斜,一高θe舌沿著梅雨鋒傾斜向上伸展至600hPa,北側為低θe區(qū),南側為高θe區(qū),梅雨鋒云柱近乎垂直地伸展到200hPa,云水物質大值中心位于600hPa左右,梅雨鋒云帶的南界位于950hPa上θe密集帶的南側,北界位于θe密集帶內(圖7d)。3)700hPa上梅雨鋒切變線近乎呈東西向分布,梅雨鋒上升運動帶位于切變線偏南一側,切變線與正渦度帶大值中心的連線近乎一致(圖7e)。在垂直分布圖上,梅雨鋒云帶對應著上升運動帶,上升運動帶的兩側分別有補償?shù)南鲁吝\動帶,梅雨鋒北側存在一熱力直接環(huán)流,南側存在一熱力間接環(huán)流(圖7f)。

圖7 梅雨鋒暴雨期間(2009年6月30日07時)α中尺度物理量的700hPa上水平分布(a,c,e)和沿117°E垂直剖面(b,d,f) a,b.散度(等值線;單位:10-3s-1)和渦度(陰影;單位:10-3s-1);c,d.相當位溫(等值線;單位:K)和700～300hPa總云水物質(陰影;單位:g/kg);e,f.風場、流場(矢量、流線;單位:m/s)和垂直速度(陰影;單位:m/s)Fig.7 (a,c,e)The horizontal distributions at700hPa and(b,d,f)the vertical cross sections along117°E of theαmesoscale physical variables during the Meiyu frontal rainstorm(07:00BST30June2009) a,b.divergence(contours;units:10-3s-1)and vorticity(shadings;units:10-3s-1);c,d.equivalent potential temperature(contours;units:K)and700—300hPa total hydro meteors(shadings;units:g/kg);e,f.winds,flow field(vectors,stream line;units:m/s)and vertical velocity(shadings;units:m/s)

2.4.2 β中尺度結構特征

圖8 梅雨鋒暴雨期間(2009年6月30日07時)β中尺度物理量的700hPa上水平分布(a,c,e)和沿117°E垂直剖面(b,d,f) a,b.散度(等值線;單位:10-3s-1)和渦度(陰影;單位:10-3s-1);c,d.相當位溫(等值線;單位:K)和700～300hPa總云水物質(陰影;單位:g/kg);e,f.風場、流場(矢量、流線;單位:m/s)和垂直速度(陰影;單位:m/s)Fig.8 (a,c,e)The horizontal distributions at700hPa and(b,d,f)the vertical cross sections along117°E of the β-mesoscale physical variables during the Meiyu frontal rainstorm(07:00BST30June2009) a,b.divergence(contours;units:10-3s-1)and vorticity(shadings;units:10-3s-1);c,d.equivalent potential temperature(contours;units:K)and700—300hPa total hydro meteors(shadings;units:g/kg);e,f.winds,flow field(vectors,stream line;units:m/s)and vertical velocity(shadings;units:m/s)

在進行β中尺度帶通空間濾波后,可發(fā)現(xiàn)α中尺度系統(tǒng)內嵌套著多個β中尺度系統(tǒng)。圖8是梅雨鋒暴雨期間(2009年6月30日07時)β中尺度物理量的水平(700hPa)和垂直分布?？梢园l(fā)現(xiàn):1)在700hPa梅雨鋒α中尺度正渦度帶上,有多個β中尺度正、負渦度帶,這些正、負渦度帶沿著梅雨鋒正渦度帶呈波列狀分布;在梅雨鋒α中尺度輻合帶上,有多個β中尺度輻合、輻散中心,這些輻合輻散中心與正負渦度帶并不完全一一對應(圖8a)。在垂直分布上,在梅雨鋒α中尺度渦度柱上,有多個β中尺度正負渦柱,這些渦度柱向北傾斜,在垂直方向上呈兩波分布。梅雨鋒上β中尺度的渦度和散度分布的形成可能與慣性重力波有關(圖8b)。2)在α中尺度θe密集帶南側,有多個β中尺度θe高低值中心;在梅雨鋒α中尺度云帶上有多個β中尺度總云水物質大小值中心(有些甚至為負值,這與空間帶通濾波有關)(圖8c)。在垂直剖面上,550hPa上θe呈波狀分布,800～600hPa存在著兩個閉合θe低值中心,兩個低值中心間為θe相對高值區(qū),一個β中尺度θe舌從950hPa北傾向上伸展;α中尺度梅雨鋒云柱中有多個β中尺度云柱(圖8d)。對比圖6c和6d發(fā)現(xiàn),水平分布上β中尺度云水物質大、小值中心與梅雨鋒上β中尺度對流系統(tǒng)的強上升支、補償?shù)南乱窔饬髦в嘘P。3)梅雨鋒切變線南側的β中尺度系統(tǒng)在風場上表現(xiàn)為偏南氣流中的擾動,α中尺度梅雨鋒上升運動帶上存在多個強上升運動中心,在強上升中心附近伴隨著有下沉運動中心(圖8e)。在垂直方向上,在α中尺度上升運動柱內有多個強上升運動支,并伴隨著補償?shù)南鲁翚饬髦?流場上存在波狀的上升下沉氣流,這可能與慣性重力波的活動有關(圖8f)。

2.4.3 γ中尺度結構特征

在γ中尺度帶通空間濾波后,可發(fā)現(xiàn)α或β中尺度系統(tǒng)內嵌套著多個γ中尺度系統(tǒng)。圖9是梅雨鋒暴雨期間(2009年6月30日07時)γ中尺度物理量的水平(700hPa)和垂直分布?？梢?1)700hPa上100km×60km左右的區(qū)域內,就有多個γ中尺度渦度和散度中心,沿著梅雨鋒自西向東呈波列分布,波長約10～15km,渦度和散度中心近乎對應,位相差約1/4波長,呈現(xiàn)出慣性重力波的特點(壽紹文,1993)(圖9a)。在垂直方向上,渦度柱和散度柱仍呈明顯的波狀分布,存在一定的傾斜,渦度柱和散度柱在水平方向上的位相差也約為1/4波長,振幅最大值主要位于700～500hPa之間,垂直方向上分布略顯復雜,呈一波或者二波分布(圖9b)。2)θe高低值中心也近乎呈波列分布,它與云水物質高低值中心一致,這表明θe高低值中心分別由γ中尺度對流上升運動和下曳氣流造成(圖9c)。在垂直方向上,θe呈波狀分布,閉合的高低值中心位于700hPa附近;云水物質柱也呈波狀分布,即高云水柱附近為低云水柱,與θe分布基本一致(圖9d)。3)在風場上,γ與β中尺度系統(tǒng)類似,為偏南氣流中的擾動,這種擾動很難從偏南氣流中分辨出來;γ尺度的上升和下沉運動區(qū)就位于這些擾動的風場附近(圖9e)。在垂直方向上,流線呈波狀分布,上升和下沉運動支也呈波狀分布,上升運動大值中心位于600～550hPa附近(圖9f)。

3 梅雨鋒暴雨系統(tǒng)的物理概念模型

有關梅雨鋒暴雨系統(tǒng)的結構和概念模型已有大量研究成果。張順利等(2003)認為西太平洋副熱帶高壓、南海季風涌、中高緯度冷空氣和青藏高原中尺度對流系統(tǒng)的最佳組配是梅雨鋒暴雨的環(huán)流條件。柳俊杰等(2003)研究了梅雨鋒東段結構,認為梅雨鋒南側低層暖濕高θe空氣沿著梅雨鋒爬升形成梅雨鋒降水,梅雨鋒低層南、北兩側分別為暖濕和冷濕氣流,中層南、北兩側分別為暖干和冷空氣,兩側存在熱力間接和直接次級環(huán)流。蔣建瑩和倪允琪(2003)分析了梅雨鋒暴雨的大尺度背景、天氣學條件以及梅雨鋒上α中尺度暴雨系統(tǒng)三維結構,指出梅雨鋒暴雨系統(tǒng)具有明顯的多尺度結構特征,α中尺度暴雨系統(tǒng)在低層流入高層流出,并存在次級環(huán)流。廖捷和談哲敏(2005)則強調了梅雨鋒兩側次級環(huán)流與高低空急流的關系。江曉燕和倪允琪(2005)進一步探討了梅雨鋒暴雨β中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展演變模型。這些研究加深了對梅雨鋒暴雨系統(tǒng)的認識,但大多著重于梅雨鋒暴雨天氣尺度或α中尺度系統(tǒng)的研究,梅雨鋒上α、β和γ中尺度系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展及其與梅雨鋒大尺度和天氣尺度系統(tǒng)間相互聯(lián)系的研究還有待進一步展開。這里根據(jù)不同尺度濾波分析結果,結合前人的研究成果,總結出典型梅雨鋒暴雨系統(tǒng)的物理概念模型如下(圖10):在對流層中低層(900～700hPa),梅雨鋒輻合帶主要由西太平洋副熱帶高壓西側外圍的西南暖濕氣流和東北低渦后部(或者華北高壓前部)的偏北氣流匯流而成(Zhao et al.,2008)。梅雨鋒(θe鋒)位于暖濕高θe氣團和低θe氣團的交接地帶(即θe密集帶或梯度大值區(qū)),梅雨鋒正渦度帶、輻合帶和上升運動帶位于θe密集帶偏南一側。梅雨鋒輻合帶恰好位于對流層高層(100hPa)南亞高壓脊線附近的強輻散區(qū)的下方。梅雨鋒傾斜向上伸展,梅雨鋒南側為傾斜向上伸展的高θe舌。對流層中層(500 hPa)短波槽東移為梅雨鋒上的M CSs發(fā)展提供有利的動力和熱力條件(大尺度強迫),梅雨鋒南側的西南低空急流為梅雨鋒暴雨的形成提供充分的水汽和能量,同時低空急流出口區(qū)附近動力強迫在梅雨鋒上M CSs的發(fā)生發(fā)展中起到極為重要的作用(趙思雄等,2004)。梅雨鋒云帶上有多個α-M CSs不斷生消,并伴有β和γ中尺度對流云團活動,這些β和γ中尺度對流云團往往嵌套在α-M CSs內,有的也在梅雨鋒云帶上或者南側孤立發(fā)生發(fā)展。梅雨鋒偏南暖濕氣流一側的β和γ中尺度系統(tǒng)在對流層中低層風場上往往表現(xiàn)為偏南氣流中的氣旋性擾動。不同尺度的對流系統(tǒng)活動引發(fā)的強降水凝結潛熱加熱對流層中層大氣,使梅雨鋒附近的氣層變得趨于穩(wěn)定,導致對流活動可能激發(fā)出慣性重力波,它在梅雨鋒附近活動有利于新對流系統(tǒng)的形成(胡伯威,2005)。梅雨鋒南北兩側分別存在著一熱力間接和直接環(huán)流圈(沈桐立等,2010)。

圖9 梅雨鋒暴雨期間(2009年6月30日07時)γ中尺度物理量的700hPa上水平分布(a,c,e)和沿117°E垂直剖面(b,d,f) a,b.散度(等值線;單位:10-3s-1)和渦度(陰影;單位:10-3s-1);c,d.相當位溫(等值線;單位:K)和700～300hPa總云水物質(陰影;單位:g/kg);e,f.風場、流場(矢量、流線;單位:m/s)和垂直速度(陰影;單位:m/s)Fig.9 (a,c,e)The horizontal distributions at700hPa and(b,d,f)the vertical cross sections along117°E of theγ-mesoscale physical variables during the Meiyu frontal rainstorm(07:00BST30June2009) a,b.divergence(contours;units:10-3s-1)and vorticity(shadings;units:10-3s-1);c,d.equivalent potential temperature(contours;units:K)and700—300hPa total hydro meteors(shadings;units:g/kg);e,f.winds,flow field(vectors,stream line;units:m/s)and vertical velocity(shadings;units:m/s)

4 結論和討論

利用多種類型探測資料初步分析了2009年6月29—30日發(fā)生在長江中游的一次典型梅雨鋒特大暴雨過程的多尺度結構觀測特征,并對其進行了大區(qū)域精細數(shù)值模擬,在此基礎上采用小波變換空間帶通濾波對模擬結果進行尺度分離,探討了梅雨鋒暴雨系統(tǒng)的多尺度三維空間結構特征。得到如下

結論:

1)在天氣圖上,梅雨鋒暴雨發(fā)生在多種尺度天氣系統(tǒng)共同構成的有利環(huán)境場內;在衛(wèi)星云圖上,梅雨鋒云帶上有多個α-M CSs不斷生消,并伴有β和γ中尺度對流云團活動,這些β和γ中尺度對流云團往往嵌套在α-M CSs內,有的也在梅雨鋒云帶上或者南側孤立發(fā)生發(fā)展;在雷達拼圖上,梅雨鋒降雨回波帶上有幾個α中尺度降雨回波帶,其內有多個β中尺度回波體活動,β中尺度回波體內又有多個γ中尺度回波峰,它呈波狀分布,可能與慣性重力波的活動有關。另外,梅雨鋒上M CSs活動存在一定的日變化特征。

2)在α中尺度上,梅雨鋒在水平方向上為一條正渦度帶、輻合帶、上升運動帶和θe密集帶,梅雨鋒云帶與上升運動帶一致。梅雨鋒帶上的渦度柱和散度柱在垂直方向上呈一波分布且略向北傾斜;梅雨鋒傾斜向上伸展,梅雨鋒南側為傾斜向上伸展的高θe舌,梅雨鋒云柱和上升運動柱伸至200hPa;梅雨鋒南北兩側分別存在一熱力間接和直接環(huán)流圈。

3)梅雨鋒α中尺度正渦度帶上,有多個β中尺度正負渦度帶、輻合輻散中心、θe、總云水物質高低值中心和上升下沉運動中心;正負渦度柱和輻合輻散柱在垂直方向上呈一波或者二波分布,θe和流場呈波狀分布;α中尺度梅雨鋒云柱中有多個β中尺度云柱,對應著強上升運動支,上升支附近有補償?shù)南鲁翚饬鳌?/p>

4)梅雨鋒上α或β中尺度系統(tǒng)內嵌套著多個γ中尺度系統(tǒng),γ尺度渦度和散度中心沿著梅雨鋒自西向東呈波列分布,波長約10～15km,渦度和散度中心近乎對應,位相差約1/4波長,呈現(xiàn)出慣性重力波的特點;梅雨鋒南側的γ中尺度系統(tǒng)在風場上表現(xiàn)為偏南氣流中的擾動;γ中尺度的渦度柱、散度柱、云水柱、上升和下沉運動支、θe在垂直方向上也呈明顯的波狀分布。

趙思雄等(2004)對梅雨鋒暴雨系統(tǒng)研究后指出,梅雨時期的降水系統(tǒng)主要是梅雨鋒及沿梅雨鋒東移的中間尺度或中尺度低渦。Ninomiya and Akiyam a(1992)進一步發(fā)現(xiàn),這些中間尺度系統(tǒng)沿著梅雨鋒發(fā)生發(fā)展時往往伴隨著尺度更小的對流系統(tǒng)或中尺度擾動活動。最近,劉黎平等(2004)對多普勒雷達上混合云暴雨過程的風場中尺度結構分析后發(fā)現(xiàn),層狀云降雨區(qū)內有許多對流單體,它們常以帶狀結構組成回波群,對流云的回波強度和風場有明顯的中尺度結構,對流回波周圍有中尺度切變、渦旋、輻合和輻散存在。周海光和王玉彬(2005)通過多普勒雷達反演的梅雨鋒暴雨系統(tǒng)的結構分析發(fā)現(xiàn),β中尺度輻合帶和嵌套在輻合帶上的γ中尺度渦旋共同作用產生暴雨,γ中尺度渦旋在東西向中尺度輻合帶上自西向東移動。文中研究的梅雨鋒特大暴雨個例也為一次混合云暴雨過程,降水主要由梅雨鋒降雨帶上嵌套的對流活動造成,積云分辨率模擬分析發(fā)現(xiàn)梅雨鋒上β或γ中尺度系統(tǒng)主要在α中尺度輻合帶上活動,這與雷達觀測基本一致。同時,梅雨鋒上這種混合云性質的中尺度對流系統(tǒng)在組織結構形態(tài)特征上不同于北美普遍出現(xiàn)的線狀中尺度對流系統(tǒng)(Parker and Johnson,2000),梅雨鋒兩側匯合氣流形成的輻合帶提供的動力環(huán)境以及西南低空急流輸送的高水汽在梅雨鋒帶上的輻合對梅雨鋒帶上中小尺度對流或擾動系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展及強降水的形成有重要作用,這些中小尺度對流或擾動系統(tǒng)的活動可能與梅雨鋒降水加熱激發(fā)的慣性重力波有關(胡伯威,2005),而梅雨鋒上對流系統(tǒng)的穩(wěn)定維持可能與特定的風垂直切變有關,其發(fā)生發(fā)展的主要物理機制還有待進一步研究。

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