馬旭林,孫麗娜,2,姜勝,于月明,官元紅

(1.氣象災(zāi)害教育部重點實驗室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

2.山東省泰安市氣象局,山東 泰安 271001;3.南京信息工程大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院,江蘇 南京 210044)

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一次江淮強暴雨過程的濕有效能量及其收支特征

馬旭林1,孫麗娜1,2,姜勝1,于月明1,官元紅3

(1.氣象災(zāi)害教育部重點實驗室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

2.山東省泰安市氣象局,山東 泰安 271001;3.南京信息工程大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院,江蘇 南京 210044)

摘要：利用高分辨率的WRF模式模擬結(jié)果,采用基于格點的濕有效能量計算方案,對一次江淮梅雨期強暴雨發(fā)生發(fā)展過程中濕有效能量的時空演變特征進行分析,并從定性和定量的角度探討了能量方程轉(zhuǎn)換項、平流項和垂直輸送項對強暴雨過程中濕有效能量的輸送和積聚作用。結(jié)果表明,強暴雨過程中濕有效能量的時空特征與強暴雨發(fā)生發(fā)展具有良好的對應(yīng)關(guān)系,對流層低層800 hPa濕有效能量40×104J·hPa-1·m-2的等值線范圍和該等值線伸展至500 hPa附近可作為判斷強暴雨發(fā)生的必要條件。暴雨發(fā)生前2～3 h的能量快速積聚及其對暴雨區(qū)移向的引導(dǎo),對強暴雨預(yù)報具有良好的指示作用。濕有效能量的水平和垂直輸送及轉(zhuǎn)換確保了能量的積聚和對流層中層能量的增加,為強暴雨的發(fā)生和維持提供了充足的能量。

關(guān)鍵詞：濕有效能量;能量收支;暴雨;數(shù)值模擬

0引言

在等熵過程中將有效位能與無效能量分離,利用有效位能收支方程可揭示暴雨過程中能量產(chǎn)生、積聚、釋放的條件,對強降水發(fā)生發(fā)展過程的理論分析和應(yīng)用具有重要意義,在國內(nèi)外暴雨分析中得到廣泛應(yīng)用(Lorenz,1955;Mieghem,1956;Dutton and Johnson,1967)。由于水汽含量對大氣運動結(jié)構(gòu)變化具有重要影響,如果在有效位能參考狀態(tài)中考慮潛熱能,理論上將更接近實際大氣狀況。Lorenz(1978)與謝義炳(1980)先后將有效位能的觀點擴充到濕斜壓大氣,提出了濕有效位能的概念,并指出從能量的角度分析強降水過程的發(fā)展屬于濕斜壓大氣有效位能的釋放問題。在大范圍降水過程中,尤其是暴雨區(qū),采用濕有效位能及其收支方程來研究濕斜壓大氣中有效位能釋放和動能產(chǎn)生的問題更加具有科學(xué)意義。將潛熱作為內(nèi)能的一種形式,對大氣環(huán)流的維持可以得到更為滿意的解釋(Lorenz,1979),從而將考慮潛熱的有效能量稱為濕有效總能量(EMA),未考慮潛熱作用的有效能量稱為干有效總能量。

在此基礎(chǔ)上,國內(nèi)學(xué)者將有效位能的概念進一步擴展,給出了濕有效能量的近似表達式,并開展了諸多相關(guān)研究。吳寶俊和蔣鳳英(1981,1982,1983)提出了濕有效能量的一種新的近似表達式及計算方案,并對有限區(qū)域濕有效能量的兩類收支方程進行了討論。指出在不考慮非絕熱項作用的條件下,暴雨發(fā)生發(fā)展的不同階段收支各項的作用和量值存在明顯的差別,并與暴雨時段和強度具有一定的對應(yīng)關(guān)系。丁治英(1986)從濕有效能量的局地方程出發(fā),對梅雨暴雨和臺風(fēng)暴雨中濕有效能量的積累與釋放特征進行了探討。其后,針對有限區(qū)域濕有效能量與暴雨的關(guān)系也開展了研究(章國材和吳寶俊,1985;吳寶俊等,1995),指出亞洲地區(qū)濕有效能量的變化特征較好地揭示該地區(qū)春夏季節(jié)變換,且江淮地區(qū)入梅前后濕有效能量存在顯著差異(劉延英等,1999)。針對廣東省典型暴雨過程,周海光等(2003,2006)利用觀測資料對濕有效能量的分析也表明,強降水區(qū)周圍的濕有效能量與強降水時段有密切關(guān)系,且暴雨過程前后濕有效能量有顯著差異,但濕有效能量與強降水落區(qū)的關(guān)系沒有明確分析。

當(dāng)前,對江淮暴雨發(fā)生發(fā)展的多尺度影響系統(tǒng)的相互作用(趙玉春等,2011;張瑞萍等,2014)、形成機制(王麗娟等,2010)以及能量位渦(魏鳴等,2013)等方面已開展了較多研究,但關(guān)于濕有效能量的研究相對較少。濕有效能量是大氣有效位能和潛熱能的綜合反映,降水的發(fā)生發(fā)展不僅需要足夠的有效能量,更重要的是還必須具備能量釋放的觸發(fā)機制。濕有效能量的持續(xù)補充和供給,也是維持降水過程的必備條件。在降水發(fā)生發(fā)展過程中,濕有效能量收支的考察對于深入理解和分析降水過程具有重要意義。以前的研究工作多是基于離散觀測資料,從診斷分析的角度重點研究了濕有效能量與暴雨強度和落區(qū)之間的關(guān)系,而且計算過程中需要根據(jù)查算表確定參考氣壓等參數(shù)的量值,難以滿足數(shù)值模式的同步計算。隨著數(shù)值預(yù)報模式的發(fā)展,基于高時空分辨率的模式預(yù)報格點場,揭示濕有效能量及其收支特征與暴雨的發(fā)生發(fā)展關(guān)系對暴雨預(yù)報應(yīng)該具有更加重要的科學(xué)意義。本文在對2003年7月4日發(fā)生的江淮梅雨期強暴雨過程數(shù)值模擬分析(馬旭林等,2004)的基礎(chǔ)上,利用高水平分辨率的數(shù)值模式結(jié)果,發(fā)展了有限區(qū)域濕有效能中參考氣壓的計算方案,重點對強暴雨天氣過程中濕有效能量的輸送和積聚特征及其時空演變進行分析,探討了與暴雨預(yù)報之間可能存在的關(guān)系,進而討論濕有效能量對強暴雨預(yù)報的指示意義。另外,考察濕有效能量收支方程中各分項的變化特征,試圖揭示在強暴雨過程中能量及其各項的收支平衡關(guān)系。

1濕有效能量計算方案及其收支方程

繼Lorenz(1978,1979)提出圖解法和數(shù)值解方法計算濕有效能量之后,國內(nèi)外學(xué)者又先后提出了不同的計算方案。吳寶俊和蔣鳳英(1981)考慮時—空的可轉(zhuǎn)換性以及位能本身的相對性,在相當(dāng)位溫守恒和質(zhì)量守恒條件下,提出了一種新的濕有效能量的近似表達式及計算方案,并基于離散測站資料對有限區(qū)域濕有效能量的收支方程進行了初步研究。該方案選用代表站與代表時段較簡易的計算出參考氣壓(pr)及濕有效能量(Amk),但由于部分參數(shù)需要查參數(shù)對照表獲得,不能直接用于數(shù)值模式的格點資料計算。在質(zhì)量守恒和假相當(dāng)位溫保守的條件下,本文基于有限區(qū)域濕有效位能的近似表達方案(吳寶俊和蔣鳳英,1981),將數(shù)值模式積分的有限區(qū)域作為封閉空間,首先在一個有限區(qū)域求解參考氣壓,計算每個時刻的參考氣壓和相應(yīng)區(qū)域的濕有效能量,發(fā)展了可直接用于數(shù)值模式輸出資料的客觀計算方法,實現(xiàn)了在模式預(yù)報中對濕有效能量的直接計算和輸出,并對梅雨強暴雨過程中濕有效能量的時空演變特征進行討論,從而為暴雨預(yù)報提供一種新的參考依據(jù)。

濕有效能量收支方程可以揭示暴雨過程中能量轉(zhuǎn)化、積聚和釋放,從而定量分析濕有效能量的時空分布特征。有限區(qū)域濕有效能量的收支方程分為兩類,第一類濕有效能量方程各項量級通常相差較大,故本文主要基于第二類收支方程展開計算和分析(吳寶俊和蔣鳳英,1983),其具體形式為

2濕有效能量的空間特征

2.1　濕有效能量的水平結(jié)構(gòu)

由于局地能量的積聚和南側(cè)正能量的輸送,導(dǎo)致對流層中低層濕有效能量激增,在低層不穩(wěn)定條件的觸發(fā)作用下,7月4日18時(世界時,下同)已出現(xiàn)50 mm暴雨中心。同時在中尺度低渦系統(tǒng)的配合下,低空急流出口區(qū)左側(cè)存在有強輻合上升運動,致使對流逐漸增強。至21時,低層正能量持續(xù)積聚,形成了整層深厚的正能量層(馬旭林,2004;馬旭林等,2004)。與之相對應(yīng),此時降水強度持續(xù)增強,暴雨區(qū)也逐漸擴大,形成了大范圍的強降水。同時,隨著北側(cè)負(fù)能舌的略南伸,整個正高能區(qū)逐漸向東南發(fā)生偏移,雨帶也隨之移動。7月5日00時(圖1a),濕有效能量得到不斷補充,強降水持續(xù)發(fā)展,雨區(qū)范圍擴大,但位置少變。在這個時段內(nèi),安徽東南部和江蘇中南部形成了強暴雨過程。5日03時(圖1b),北方冷空氣南移,高能區(qū)北側(cè)負(fù)濕能舌向南入侵,南側(cè)正能量輸送帶強度減弱,高能中心隨之向東南方向移動。隨著高能區(qū)的南退,強降雨區(qū)上空濕有效能量開始減少,東部強降水也隨之逐漸減弱直至結(jié)束。因此,正能量供給減弱,負(fù)濕有效能量的侵入,即預(yù)示著強降水過程的結(jié)束。

綜上分析,強降水發(fā)生前低空急流的大風(fēng)速軸(低空急流核)和正高能量區(qū)良好吻合,形成一條明顯的正高能量輸送帶。這不僅有利于雨區(qū)上空正濕有效能量的積聚,形成高能量區(qū),為強降水的發(fā)生和維持提供有利的能量條件,而且也保證了降水發(fā)生所必需的水汽條件。同時,低層高溫高濕大氣增強,加劇了低層大氣的傾斜不穩(wěn)定性,進而觸發(fā)強降水的發(fā)生(馬旭林等,2004)。由于正能量輸送帶的存在,江淮雨區(qū)低層具有充足的濕有效能量補充,通過強對流運動,使得對流層中上層的正濕有效能量得到及時有效的補償,造成強降水的持續(xù)和發(fā)展。另外,在江淮地區(qū)高能中心北側(cè),沿北方冷空氣的前進方向,存在有兩條向南伸展的負(fù)濕能舌。隨著北側(cè)氣流的推動,負(fù)能舌逐漸南侵,推動高能區(qū)向東偏南移動,而強降水帶也隨之同方向偏移,形成了雨區(qū)的移動。分析整個降水過程發(fā)現(xiàn),暴雨區(qū)范圍基本上與700 hPa的45×104J·hPa-1·m-2等能線的范圍具有良好的對應(yīng)。

圖1　7月5日00時(a)和03時(b)700 hPa濕有效能量(等值線;單位:104J·hPa-1·m-2)和風(fēng)場(箭矢;單位:m·s-1)以及3 h累積降水量(陰影;單位: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　濕有效能量的垂直結(jié)構(gòu)

圖2為沿強暴雨中心119°E的經(jīng)向剖面,以分析濕有效能量與假相當(dāng)位溫在強暴雨過程中的主要結(jié)構(gòu)特征。由圖2可以看出,無論是暴雨發(fā)生前還是正在發(fā)生的時刻,對流層低層都已具備豐富的濕有效能量,其能量高值區(qū)范圍遠遠大于暴雨落區(qū);同時,暴雨區(qū)上空維持著深厚的垂直向上伸展的高能舌。這也說明,將低層充沛的濕有效能量向上層輸送的低渦中心強對流上升運動,是形成深厚的濕有效能量高值區(qū)的重要條件。值得注意的是,暴雨區(qū)的大小基本與800 hPa濕有效能量為40×104J·hPa-1·m-2的等值線范圍一致,且該濕有效能量等值線需伸展至500 hPa附近,這可作為強暴雨發(fā)生的能量條件。另外,在暴雨區(qū)上空的對流層中下層,濕有效能量的高值區(qū)明顯減弱。這也進一步說明大氣濕有效能量因降水而釋放的過程,尤其在降水逐漸減弱的時段更為明顯。該高能量區(qū)正位于θse等熵面最陡峭的冷暖空氣交綏處,即位于傾斜不穩(wěn)定發(fā)展的強渦度中心(Wu and Liu,1998)。同時,該處的Amk等能線從低層到高層也幾近呈垂直分布,顯然此時的能量鋒區(qū)已由低層發(fā)展到高層,從下至上形成了深厚的正能層(圖2c)。即4日21時由于中尺度低渦生成,低層空氣輻合增大,對流上升運動加強,激發(fā)了濕有效能量的釋放,降水因而強烈發(fā)展,3 h降雨量達50 mm以上。而低層能量的不斷輸送,又為暴雨的持續(xù)補充了降水所必需的濕有效能量。總之,從濕有效能量的角度看,對流層低層具有充沛的濕有效能量,同時對流層中下層又要具備深厚的能量層,是暴雨發(fā)生的必要條件。

圖2　濕有效能量Amk(彩色陰影表示Amk>0,綠線表示Amk<0;單位:104J·hPa-1·m-2)、假相當(dāng)位溫(黑線;單位:K)沿119.0°E的緯度—高度剖面和3 h累積降水量(黑色陰影;單位:mm)　　a.4日18時;b.4日21時;c.5日00時;d.5日03時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

從暴雨落區(qū)與濕有效能量高值區(qū)的對應(yīng)關(guān)系可以看出,高能量區(qū)始終位于暴雨區(qū)南側(cè)(移動方向的前部),且雨區(qū)隨高能量區(qū)同步逐漸向南移動(圖2)。對照緯向剖面結(jié)構(gòu),也具有與之一致的特征(圖略)。顯然,如前文所述,暴雨發(fā)生之前必伴隨著濕有效能量的充分積聚,且正的高能區(qū)受到能量輸送和釋放的影響而逐漸向前發(fā)展,暴雨區(qū)位置也隨之同方向前移。高能量區(qū)始終位于暴雨區(qū)前移的下游,即高能量區(qū)的位置引導(dǎo)著暴雨區(qū)的移動。這種能量和暴雨區(qū)的空間配置具有重要意義。一方面,在大氣流場作用下,暖濕氣流從高能區(qū)流入暴雨區(qū),使?jié)裼行芰肯虮┯陞^(qū)輸送,從而為暴雨區(qū)提供充分的能量,并為暴雨的持續(xù)補充濕有效能量;另一方面,濕有效能量的積聚先于暴雨發(fā)生,這對暴雨預(yù)報具有良好的指示作用。

盡管低層高能量區(qū)水平范圍較大,但暴雨發(fā)生一般需要500 hPa的濕有效能量達到40×104J·hPa-1·m-2,即在有利的溫濕條件下,高、低層不斷積聚濕有效能量,并由于降水使?jié)摕崮芰吭谟陞^(qū)上空釋放,高層能量增加,又加劇了正濕有效能量的增長,形成了降水區(qū)內(nèi)能量增長的正反饋機制。濕有效能量的激增,高能區(qū)范圍隨之?dāng)U展,由此可解釋各時刻降水區(qū)上空500 hPa以上正濕有效能量向南北方向?qū)ΨQ擴散而形成蘑菇云形狀的現(xiàn)象。直到冷空氣侵入,北側(cè)低能舌向南伸展,雨區(qū)上空能量才急劇下降。

3濕有效能量及總濕有效能量的時間序列特征

為了進一步分析在強暴雨過程中濕有效能量時間序列特征,選取強暴雨中心附近且位于119.0°E左右的滁縣站(118.3°E,32.3°N)和天長站(119.0°E,32.7°N),給出整個暴雨過程中二者濕有效能量的時空演變結(jié)構(gòu)和1 h累計降水的時間序列(圖3)。可見,強降水發(fā)生前,兩站上空均出現(xiàn)深厚的整層正能量激增。700 hPa以下低層均存在濕有效能量的水平積聚,同時低層能量通過對流運動不斷向高空輸送,整個對流層能量幾乎均被正能量區(qū)控制,形成了深厚的正能量積聚的垂直結(jié)構(gòu)。需要注意的是,在暴雨發(fā)生前,盡管低層能量較充足,但如果上層大氣的濕有效能量并不充分,降水仍然不能發(fā)生。因此,對流層中層濕有效能量積聚強度是強降水的發(fā)生的條件之一。暴雨期間,從地面到對流層中上層濕有效能量均比較大,強降水發(fā)生時400 hPa濕有效能量值達到20×104J·hPa-1·m-2以上,直到強降水減弱。伴隨著800 hPa 40×104J·hPa-1·m-2的等能量線迅速下降,強降水減弱直至整個降水過程結(jié)束,其變化趨勢與40×104J·hPa-1·m-2的等能量線的變化趨勢基本一致。

總之,強降水發(fā)生前和發(fā)生期間,伴隨有較強的垂直上升運動。低層能量由于水平輸送形成能量堆積,而強對流上升運動則將低層充足的能量向高層輸送,致使整層能量逐漸增加,最終形成深厚的正能層,為強降水的發(fā)生、持續(xù)貯備和輸送必需的能量。隨著強降水的持續(xù),整層總能量因降水釋放而逐漸減少,低層濕有效能量因垂直輸送也發(fā)生急劇下降,而對流層中上層能量變化則相對緩慢。隨著對流運動的減弱,強降水也隨之減弱。

圖3　單站濕有效能量(陰影區(qū)Amk≥20×104J·hPa-1·m-2)與風(fēng)場(垂直速度擴大至20倍;單位:m·s-1)的時間—高度剖面以及1 h累積降水量(柱狀;單位:mm)　　a.滁縣站;b.天長站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

圖4　總濕有效能量EMA(實線;單位:106J·m-2)與1 h累積降水(柱狀;單位:mm)　　a.滁縣站;b.天長站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

由強降水發(fā)生和持續(xù)過程中整層大氣垂直累積總濕有效能量(EMA)的特征(圖4)可以看出,兩測站的降水強度約為40 mm/h的強暴雨發(fā)生之前2～3 h,EMA均開始明顯的迅速增加。隨著總濕有效能量的快速增大直至達到最大峰值,強暴雨的雨強也逐漸增大或保持最大狀態(tài)。隨著強降水的持續(xù),能量積聚逐步減弱,逐小時降水量也逐漸減小。這表明強降水發(fā)生之前,需要完成能量累積,待滿足一定能量條件后,強降水則隨之發(fā)生,即強降水均發(fā)生在EMA急劇增加或持續(xù)增長之后。

結(jié)合前文分析可知,在該次強暴雨過程中,強降水發(fā)生前能量積聚,暴雨區(qū)上空對流層中下層大氣的正濕有效能量迅速增長,雨區(qū)上空儲備充分的能量,形成強降水發(fā)生的能量條件,預(yù)示著強降水將要發(fā)生。也就是說,降水與總濕有效能量同樣有著很好的對應(yīng)關(guān)系,即EMA峰值時間一般位于強降水發(fā)生之前2～3 h。這進一步印證了濕有效能量的積聚與強降水發(fā)生之間存在一個明顯的時間差,為依據(jù)濕有效能量條件提前制作強降水預(yù)報提供了可能。因此,從能量的角度分析強降水的預(yù)報條件具有良好的指示意義。

4總濕有效能量收支平衡特征

暴雨過程是一個能量釋放過程,僅靠局地大氣中貯備能量維持整個暴雨過程的消耗往往是不夠的,通常還要有其他的能量來源,那么暴雨過程中濕有效能量的輸送和積聚的主要機制和消耗方式是什么?本文依據(jù)歐拉參考系p坐標(biāo)第二類濕有效能量收支方程,對本次強暴雨過程的能量收支關(guān)系進行定性和定量的討論。

4.1　定性分析

從物理角度來看,有效能量釋放(向動能轉(zhuǎn)換)除包括相對暖空氣上升,還包括相對冷空氣下沉。這樣,使大質(zhì)量重心降低,產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換。能量收支方程中,由于比容α恒為正,且Amk與N同號,故當(dāng)Amk>0的空氣上升(ω<0)、Amk<0的空氣下沉(ω>0)時,轉(zhuǎn)換項NWA為負(fù)值,有效能量轉(zhuǎn)換為動能。對流層低層的高能區(qū)因?qū)α魃仙\動促使高能區(qū)抬升,濕有效能量釋放而轉(zhuǎn)化為動能,從而可以增強對流運動的發(fā)展。

4.2　定量特征

在定性分析的基礎(chǔ)上,定量分析濕有效能量收支方程的各項特征,有助于更準(zhǔn)確深入地理解暴雨過程的物理機制及其能量相互演變的特征。有限區(qū)域濕有效能量收支方程左邊為總濕有效能量的局地項,可以考察其隨時間演變的特征。根據(jù)前文可知,EMA由Amk確定且與之成正比,故EMA的變化趨勢和演變特征也與Amk一致。

能量收支方程的轉(zhuǎn)換項NWA主要反映垂直運動使大氣質(zhì)量重新排列導(dǎo)致的濕有效能量的釋放率,揭示能量在垂直方向上的變化特征。由圖5可知,在暴雨發(fā)生的前期階段(圖5a),轉(zhuǎn)換項以負(fù)值為主,且量值相對較小。此時對流運動正處于發(fā)展階段,相對較弱。至4日18時暴雨開始及持續(xù)時,暴雨中心及其附近上空轉(zhuǎn)換項均為負(fù)值(圖5b),且其量值明顯增加,與該次暴雨中強對流區(qū)配置良好。其中118.0°E的負(fù)值中心正位于強暴雨區(qū)上空,中心數(shù)值達-40×10-2J·hPa-1·m-2以上,且轉(zhuǎn)換項的負(fù)值區(qū)向上伸展至200 hPa附近。對應(yīng)東側(cè)相對較弱的降水區(qū),轉(zhuǎn)換項的負(fù)值中心量值略小。隨著強降水的持續(xù),轉(zhuǎn)換項負(fù)值中心先行東移,西側(cè)出現(xiàn)相對弱的正值區(qū),強降水區(qū)也隨之向東偏移(圖5c)。降水末期(圖5d),轉(zhuǎn)換項量值明顯減小,且伸展高度下降。由前文分析可知,此時強對流運動顯然也正處于逐漸減弱的階段。

圖5　轉(zhuǎn)換項NWA(等值線;單位:10-2J·hPa-1·m-2)沿32.5°N的經(jīng)度—高度剖面以及3 h累積降水量(底部陰影;單位:mm)　　a.4日15時;b.4日18時;c.4日21時;d.5日00時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

在強暴雨發(fā)生過程中,轉(zhuǎn)換項釋放濕有效能量轉(zhuǎn)換為動能,為對流加強提供動能支持,促進對流運動的發(fā)展。在濕有效能量充沛的前提下,轉(zhuǎn)換項愈強,更有利于對流運動的增強。隨著降水的減弱,轉(zhuǎn)換項的貢獻隨之減小,對流運動也相應(yīng)減弱。濕有效能量通過轉(zhuǎn)換項的作用加強對流運動,增強的對流運動又將低層能量快速輸送到高層進行補充,再釋放轉(zhuǎn)化為動能。這種能量與對流運動之間的正反饋機制是導(dǎo)致這次強暴雨發(fā)生和維持的重要因素。

濕有效能量的輸送對暴雨區(qū)能量的積聚和補充具有重要作用。從強暴雨中心平流項的緯向垂直結(jié)構(gòu)(圖6)可以看出,在暴雨發(fā)生前(圖6a),從對流層低層到中上層向暴雨區(qū)均存在能量輸送。水平輸送大值區(qū)主要集中在低層,對流層中高層的水平輸送局地性較強,但伸展高度較高。這說明,降水初期,濕有效能量的積聚主要以低層能量的水平輸送為主,高層輸送相對較弱。同時,強對流運動又將低層水平輸送而積聚的部分能量向上傳輸。這與Amk形勢場中位于(117.0°E,32.0°N)的高能中心相對應(yīng)。暴雨強盛期(圖6b),雨區(qū)上空緯向水平輸送低層呈現(xiàn)負(fù)值,這與該階段降水強度大,致使能量釋放有直接關(guān)系。同時,低層濕有效能量在強對流運動帶動下向?qū)α鲗又猩蠈虞斔?也必然導(dǎo)致能量明顯減少。暴雨發(fā)展中后期(圖6c),雨區(qū)上空能量的緯向水平輸送進一步增強,且伸展高度明顯增加,但平流項數(shù)值也同時出現(xiàn)了沿緯向的正負(fù)值交替區(qū)。逐時次分析可知,輸送項的負(fù)值首先出現(xiàn)在強暴雨區(qū)移向的后端,此后逐漸向前傳播,其量值呈現(xiàn)正負(fù)中心交替。這一方面表明在強降水發(fā)生的同時,存在能量的消耗和補充;另一方面,暴雨區(qū)西北側(cè)負(fù)濕有效能量舌的逐漸侵入,推動了高能區(qū)向東移動,最終引導(dǎo)了暴雨區(qū)的未來走向。暴雨過程后期(圖6d),水平輸送項的正值中心已經(jīng)移出暴雨區(qū),而且在雨區(qū)上空出現(xiàn)明顯的負(fù)值區(qū),表明暴雨區(qū)從水平方向得到的補充能量大大減少,致使暴雨減弱直至結(jié)束。經(jīng)向分析結(jié)果與此類似,但雨區(qū)北側(cè)水平輸送強度相對較弱(圖略),這與該暴雨區(qū)南側(cè)西略偏南走向的低空急流有直接關(guān)系。

圖6　平流項HADV(等值線;單位:10-2J·hPa-1·m-2)沿32.5°N的經(jīng)度—高度剖面和3 h累積降水量(底部陰影;單位:mm)　　a.4日15時;4日b.18時;c.4日21時;d.5日00時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

圖7　垂直輸送項VADV(等值線;單位:10-2J·hPa-1·m-2)沿32.5°N的經(jīng)度—高度剖面和3 h累積降水量(底部陰影;單位:mm)　　a.4日15時;b.4日18時;c.4日21時;d.5日00時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

可見,在暴雨發(fā)生發(fā)展過程中,低層積聚的濕有效能量通過垂直輸送項快速輸送到中上層,促使高層能量增加,同時低層通過水平輸送項獲得持續(xù)補充,這與濕有效能量的垂直結(jié)構(gòu)完全相對應(yīng)。這種能量輸送機制,既保證了暴雨區(qū)能量的來源,又通過垂直運動向上層及時輸送濕有效能量,補充能量的消耗,確保了暴雨的發(fā)展和維持。

5結(jié)論與討論

本文通過對一次江淮強暴雨過程中濕有效能量及其收支平衡方程的分析,揭示了該次強暴雨發(fā)生發(fā)展過程中濕有效能量的時空特征及其與暴雨預(yù)報之間可能的對應(yīng)關(guān)系,并從能量收支平衡的角度探討了能量發(fā)展在暴雨過程中的相互作用機制。首先,強暴雨發(fā)生前,濕有效能量的快速積聚形成深厚的正能層為強暴雨的發(fā)生提供了能量條件,能量的輸送是這場特大暴雨得以維持的重要因素。對流層低層800 hPa濕有效能量為40×104J·hPa-1·m-2的等值線范圍和該等值線伸展至500 hPa附近可作為判斷強暴雨發(fā)生的必要條件。其次,暴雨發(fā)生前2～3 h明顯的能量積聚及其對暴雨區(qū)移向的引導(dǎo),對于強暴雨落區(qū)預(yù)報具有良好的指示作用。第三,濕有效能量的水平和垂直輸送確保了暴雨所必須的能量積聚和對流層中層能量的增加。強的轉(zhuǎn)換項有利于對流運動的增強,為強暴雨的發(fā)生提供了更加有利的條件。

暴雨發(fā)生發(fā)展具有異常復(fù)雜的熱力和動力機制,本文主要基于江淮梅雨期一次強暴雨天氣個例展開分析,這對準(zhǔn)確認(rèn)識和理解濕有效能量在強暴雨過程中的特征和作用帶來一定的局限性。針對不同暴雨天氣類型和更多暴雨過程的濕有效能量特征研究,對揭示濕有效能量在暴雨預(yù)報中的指示作用更具有普遍的參考價值。另外,濕有效能量對降水預(yù)報的指示作用,也可作為數(shù)值預(yù)報模式的參數(shù)化方案診斷預(yù)報降水發(fā)生的條件。

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(責(zé)任編輯：劉菲)

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

文章編號：1674-7097(2015)03-0289-10

中圖分類號：P441

文獻標(biāo)志碼：A

通信作者：馬旭林,博士,副研究員,研究方向為資料同化、集合預(yù)報理論與應(yīng)用,xulinma@nuist.edu.cn.

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(41275111;41105057);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201506005)

收稿日期：2013-09-23；改回日期：2013-12-15

馬旭林,孫麗娜,姜勝，等.2015.一次江淮強暴雨過程的濕有效能量及其收支特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報,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).