干冷空氣對(duì)江蘇熱帶低壓倒槽大暴雨影響的數(shù)值試驗(yàn)*

張雪蓉 王麗芳 王博妮 廖一帆 濮梅娟

1 中國(guó)氣象局交通氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京氣象科技創(chuàng)新研究院，江蘇省氣象科學(xué)研究所，南京 210041 2 上海市嘉定區(qū)氣象局，上海 201800 3 江蘇省氣象服務(wù)中心，南京 210008 4 南京信息工程大學(xué)，南京 210044 5 江蘇省氣象臺(tái)，南京 210008

提 要： 采用WRF中尺度數(shù)值模式，通過(guò)對(duì)2011年7月11—13日江蘇持續(xù)性熱帶低壓倒槽大暴雨的數(shù)值試驗(yàn)，揭示干冷空氣強(qiáng)度變化對(duì)暴雨分布和強(qiáng)度影響的動(dòng)力、熱力機(jī)制。結(jié)果表明：對(duì)流層高層干冷空氣加強(qiáng)不利于降水增強(qiáng)，一定濕度的干冷空氣對(duì)降水有利；中層干冷空氣增強(qiáng)有助于暴雨增強(qiáng)，但濕度太低不利于強(qiáng)降水持續(xù)；低層干冷空氣愈強(qiáng)愈有助于暴雨增強(qiáng)。暴雨強(qiáng)度不僅與低層輻合和高層輻散耦合動(dòng)力配置的強(qiáng)度有關(guān)，還與其維持時(shí)間有關(guān)，中層和低層干冷空氣增強(qiáng)均有利于動(dòng)力配置的增強(qiáng)和維持，對(duì)應(yīng)于暴雨的增強(qiáng)和維持。中層干冷空氣增強(qiáng)，低層鋒區(qū)增強(qiáng)，降水增強(qiáng)；低層干冷空氣增強(qiáng)(減弱)，鋒區(qū)明顯加強(qiáng)(減弱)，對(duì)應(yīng)降水增強(qiáng)(減弱)，暴雨中心東南(西北)移。暴雨中心濕位渦分量MPV1(500 hPa)和MPV2(800 hPa)維持“上正下負(fù)”配置，有利于降水增強(qiáng)。高層和中層干冷空氣加強(qiáng)時(shí)，MPV1和MPV2峰值先于降水最大值出現(xiàn)；低層干冷空氣加強(qiáng)，MPV1峰值先于降水最大值出現(xiàn)，MPV2峰值與降水最大值同時(shí)出現(xiàn)，對(duì)降水增強(qiáng)有先導(dǎo)和增幅效果，MPV1和MPV2的峰值愈大，降水愈強(qiáng)。

引 言

熱帶低壓倒槽暴雨或熱帶氣旋遠(yuǎn)距離暴雨的產(chǎn)生和發(fā)展除了與暖濕氣流息息相關(guān)外，干冷空氣作用也很重要。暖濕氣流的抬升是觸發(fā)臺(tái)風(fēng)暴雨的重要因素(尹東屏等，2011；任麗等，2019；陳博宇等，2020)。與西風(fēng)槽相伴隨的冷空氣與暖濕氣流之間形成流場(chǎng)輻合切變線，觸發(fā)輻合線上的中尺度擾動(dòng)(李志楠等，2000；張經(jīng)珍等，2000；趙宇等，2005；2011；2016；陳有利等，2019)，干冷空氣入侵不僅引發(fā)中小尺度對(duì)流發(fā)展，使降水加強(qiáng)，還會(huì)延長(zhǎng)降水時(shí)間(Browning and Golding，1995；Browning，1997；仇永炎，1997；朱洪巖等，2000；崔晶和張豐啟，2002；濮梅娟等，2002；郭英蓮和徐海明，2010；王麗芳等，2013a)。冷空氣與臺(tái)風(fēng)結(jié)合后往往通過(guò)影響臺(tái)風(fēng)的熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致暴雨(程正泉等，2005；朱佩君等，2003；李英等，2006；董美瑩等，2009)。臺(tái)風(fēng)或臺(tái)風(fēng)倒槽受冷空氣影響，往往有利于降水增幅(于玉斌和姚秀萍，2000；吳海英等，2014；陳鵬等，2017；王麗芳，2013)。熱帶低壓倒槽大暴雨發(fā)生在E指數(shù)能量鋒區(qū)南側(cè)高溫高濕的對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，低層濕位渦分布能較好指示高低緯冷暖空氣的活動(dòng)和暴雨區(qū)的濕斜壓性，大暴雨發(fā)生在MPV1零等值線靠近負(fù)值區(qū)一側(cè)，MPV2負(fù)值強(qiáng)弱與降水強(qiáng)弱成正比(王叢梅等，2005；王麗芳等，2013b)。

江蘇地處中緯度沿海，遭受臺(tái)風(fēng)正面登陸襲擊不多，但受臺(tái)風(fēng)倒槽的影響比較多(錢維宏等，1990)。當(dāng)臺(tái)風(fēng)或熱帶低壓中心位置還在華南沿海時(shí)，北伸倒槽就開始影響華東地區(qū)北部，引發(fā)降水，特別是與西風(fēng)槽或冷空氣結(jié)合時(shí)，能夠誘發(fā)更強(qiáng)的降水(張芹等，2008)，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響。受2000年臺(tái)風(fēng)派比安倒槽影響，江蘇淮北地區(qū)出現(xiàn)大暴雨、部分地區(qū)特大暴雨，大暴雨中心鹽城市響水縣24 h雨量達(dá)到830.3 mm。2012年臺(tái)風(fēng)?？共叟c冷空氣結(jié)合，江蘇淮北地區(qū)再次出現(xiàn)大暴雨、局部特大暴雨，大暴雨中心響水縣24 h雨量達(dá)到507.8 mm(潘婧茹等，2016)。由于熱帶低壓倒槽暴雨或臺(tái)風(fēng)暴雨受中低緯多個(gè)系統(tǒng)相互作用，影響機(jī)理復(fù)雜，一直是預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的難點(diǎn)(于玉斌和姚秀萍，2003；高拴柱等，2018；徐道生等，2020；危國(guó)飛等，2021)。本文利用WRF v3.3系統(tǒng)對(duì)2011年7月11—13日江蘇淮河以南地區(qū)熱帶低壓倒槽大暴雨過(guò)程進(jìn)行多種敏感性試驗(yàn)，旨在揭示中緯度干冷空氣對(duì)熱帶低壓倒槽暴雨的影響機(jī)制，為此類暴雨預(yù)報(bào)提供有益的參考。

1 天氣實(shí)況

1.1 降水實(shí)況

2011年7月11—13日，受南海熱帶低壓倒槽和西風(fēng)帶槽后干冷空氣的共同影響，蘇皖兩省淮河以南地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性大暴雨，江蘇大暴雨區(qū)域位于江淮之間和沿江地區(qū)(圖1a)，部分地區(qū)累計(jì)雨量在200 mm以上，部分縣市達(dá)到250 mm以上，其中海安縣達(dá)到301.9 mm。連日強(qiáng)降水使江蘇江淮之間和沿江江河湖庫(kù)水位暴漲，大部分城鎮(zhèn)出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成了嚴(yán)重影響。

1.2 環(huán)流背景

暴雨產(chǎn)生在有利的環(huán)流背景下，在500 hPa上蒙古冷渦維持，南側(cè)不斷有低槽發(fā)展東移，帶動(dòng)干冷空氣持續(xù)自貝加爾湖擴(kuò)散南下，影響江淮地區(qū)(圖1b)。850 hPa上南海熱帶低壓受赤道東風(fēng)氣流引導(dǎo)緩慢西行，倒槽自廣東、江西、安徽伸向江蘇北部。副熱帶高壓偏北偏東，熱帶低壓與副熱帶高壓之間存在偏南風(fēng)低空急流，淮河以南地區(qū)處在副熱帶高壓西南側(cè)的偏南氣流中，冷暖空氣在倒槽頂部附近交匯。200 hPa高空偏西急流核不斷向東部沿海傳遞，急流南側(cè)的風(fēng)場(chǎng)輻散使低層倒槽穩(wěn)定在江蘇沿淮地區(qū)，低空急流增強(qiáng)并緩慢向北移動(dòng)。12日副熱帶高壓加強(qiáng)西伸，倒槽頂部有中尺度低渦生成(王麗芳等，2013b)，隨著低渦加強(qiáng)，降水增強(qiáng)。所以，本次大暴雨過(guò)程是在高低空有利的環(huán)流背景下發(fā)生的。

2 模式及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 模式簡(jiǎn)介

運(yùn)用WRF v3.3模式系統(tǒng)，采用雙向兩層嵌套網(wǎng)格，粗、細(xì)網(wǎng)格水平分辨率分別為30 km、10 km，粗網(wǎng)格格點(diǎn)數(shù)為129×115，細(xì)網(wǎng)格格點(diǎn)數(shù)為184×154，模擬區(qū)域中心位置為33°N、120°E，垂直方向?yàn)?7層。模式初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件使用NCEP/NCAR(1°×1°)全球客觀再分析資料。微物理過(guò)程使用Ferrier(new Eta)方案，積云參數(shù)化方案為淺對(duì)流Kain-Fritsch方案，陸面過(guò)程采用Noah方案，邊界層方案為YSU方案，大氣長(zhǎng)波輻射選用RRTM方案，太陽(yáng)短波輻射采用Dudhia方案，近地面層采用Monin-Obukhov方案。模式從11日20時(shí)開始積分，積分時(shí)間為48 h，積分步長(zhǎng)為180 s。模擬過(guò)程中粗網(wǎng)格3 h輸出一次結(jié)果，細(xì)網(wǎng)格1 h輸出一次結(jié)果。

圖1 2011年7月(a)11日08時(shí)至14日08時(shí)累計(jì)降水量分布,(b)12日20時(shí)環(huán)流綜合圖 (圖1b中等值線代表500 hPa高度場(chǎng),單位:dagpm；黑色粗實(shí)線表示500 hPa槽線；風(fēng)向標(biāo)和陰影 分別代表850 hPa風(fēng)場(chǎng)和急流；粗虛線表示850 hPa倒槽輻合線；D表示熱帶低壓及中尺度低渦中心)Fig.1 (a) Accumulated precipitation distribution from 08:00 BT 11 to 08:00 BT 14 July, (b) atmospheric circulation at 20:00 BT 12 July 2011 (InFig.1b contour represents height field at 500 hPa, unit: dagpm； thick black solid line denotes trough line at 500 hPa； wind barbs and shaded areas represent wind field and LLJ at 850 hPa, respectively, unit: m·s-1； thick dashed line represents inverted trough convergence line at 850 hPa； D sign represents the center of tropical depression and mesoscale vortex)

2.2 控制試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

模式控制試驗(yàn)預(yù)報(bào)的降水場(chǎng)和環(huán)流場(chǎng)與實(shí)況場(chǎng)基本一致。模式較好地模擬出11日20時(shí)至13日20時(shí)的強(qiáng)降水區(qū)域和雨帶走向，模擬48 h江蘇境內(nèi)雨量最大值為220 mm，中心位于32.4°N、120.6°E，與實(shí)況48 h累計(jì)降水大值中心沿江地區(qū)靖江(220.7 mm)、如皋(205.8 mm)對(duì)應(yīng)。環(huán)流場(chǎng)上，對(duì)于低層熱帶低壓倒槽及其頂部中尺度低渦、低空急流、中層蒙古冷槽和副熱帶高壓、高空西風(fēng)急流等主要影響系統(tǒng)，模式模擬結(jié)果與實(shí)況場(chǎng)基本吻合，各系統(tǒng)的發(fā)展演變過(guò)程也能夠較好地再現(xiàn)?？傮w而言，模式預(yù)報(bào)能力較強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行敏感性試驗(yàn)研究，對(duì)本次暴雨過(guò)程進(jìn)行分析。

2.3 敏感性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

干冷空氣對(duì)暴雨影響的敏感性試驗(yàn)有關(guān)模式參數(shù)與控制試驗(yàn)一致。干冷空氣的熱力學(xué)屬性包括濕度和溫度兩個(gè)方面，一般而言，中緯度西風(fēng)槽后攜帶來(lái)自中高緯度的干冷空氣，溫度和濕度均相對(duì)較低，降溫和降濕作用有利于暴雨區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定和斜壓性增強(qiáng)(姚秀萍和于玉斌，2005)。以往研究大多通過(guò)改變初始場(chǎng)溫度模擬分析不同強(qiáng)度冷空氣對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨的影響(梁軍等，2008；姚晨等，2019)，對(duì)于干冷空氣濕度變化作用的研究相對(duì)較少。本文主要選取改變初始場(chǎng)相對(duì)濕度，模擬干冷空氣濕度變化對(duì)于暴雨發(fā)生發(fā)展的作用，探討不同強(qiáng)度的干冷空氣對(duì)降水的影響。將相對(duì)濕度(RH)低于60%的區(qū)域作為干冷區(qū)，選擇200～400、400～600和600～800 hPa分別代表對(duì)流層高層、中層和低層，將初始場(chǎng)不同層次干冷空氣的相對(duì)濕度分別乘以系數(shù)0.5、0.2和1.5(相對(duì)濕度分別降低50%、80%和升高50%)，分別對(duì)應(yīng)初始場(chǎng)干冷空氣增強(qiáng)、大幅增強(qiáng)和減弱，敏感性試驗(yàn)設(shè)計(jì)了9種方案(表1：試驗(yàn)編號(hào)為2～10)，以此分析不同層次干冷空氣增強(qiáng)和減弱對(duì)應(yīng)降水落區(qū)和強(qiáng)度的變化。

表1 2011年7月12日20時(shí)至13日20時(shí)數(shù)值試驗(yàn)江蘇最大降水量比較Table 1 Comparison of maximum accumulated precipitation in Jiangsu Province in the numerical experiments from 20:00 BT 12 to 20:00 BT 13 July 2011

3 干冷空氣對(duì)暴雨影響的數(shù)值試驗(yàn)分析

干冷空氣濕度的敏感性試驗(yàn)重點(diǎn)分析12日20時(shí)至13日20時(shí)江蘇東部強(qiáng)降水時(shí)段，對(duì)流層高層、中層和低層干冷空氣強(qiáng)度變化對(duì)暴雨的影響。

3.1 高層干冷空氣對(duì)暴雨影響的數(shù)值試驗(yàn)

高層干冷空氣濕度變化敏感性試驗(yàn)2、3、4，分別將高層干冷空氣相對(duì)濕度乘以系數(shù)0.5、0.2和1.5，試驗(yàn)結(jié)果與控制試驗(yàn)相比(圖2a)，雨帶均為西南—東北走向，試驗(yàn)2和試驗(yàn)3雨量大于25 mm的區(qū)域位置基本相同，試驗(yàn)4大雨區(qū)北界稍偏南、范圍略縮小。降水強(qiáng)度和位置變化不同，與控制試驗(yàn)相比，試驗(yàn)2相對(duì)濕度下降50%，干冷空氣增強(qiáng)，暴雨中心雨量為120 mm，減小40 mm，中心位置東北移0.05經(jīng)距、0.05緯距(圖2b)；試驗(yàn)3高層相對(duì)濕度下降80%，干冷空氣大幅增強(qiáng)，暴雨中心雨量減小40 mm(圖2c)，中心位置東北移0.05經(jīng)距、0.15緯距；試驗(yàn)4高層相對(duì)濕度升高50%，干冷空氣減弱，暴雨中心雨量為170 mm，比控制試驗(yàn)增大10 mm，中心位置西北移0.55經(jīng)距、0.35緯距(圖2d)。因此，對(duì)流層高層干冷空氣濕度降低，暴雨中心強(qiáng)度明顯減弱，中心位置稍向東北移動(dòng)；干冷空氣相對(duì)濕度升高，暴雨中心強(qiáng)度略有增大，中心位置明顯向西北移動(dòng)。表明對(duì)流層高層干冷空氣加強(qiáng)不利于降水加強(qiáng)，一定濕度的干冷空氣對(duì)降水有利。

3.2 中層干冷空氣對(duì)暴雨影響的數(shù)值試驗(yàn)

中層干冷空氣濕度變化敏感性試驗(yàn)5、6、7，分別將中層干冷空氣的相對(duì)濕度乘以系數(shù)0.5、0.2和1.5，試驗(yàn)結(jié)果與控制試驗(yàn)相比，雨帶位置和走向基本一致，但暴雨強(qiáng)度和位置變化明顯。試驗(yàn)5中層相對(duì)濕度下降50%，暴雨中心雨量為230 mm，比控制試驗(yàn)增大70 mm，中心位置東北移0.1經(jīng)距、0.2緯距(圖2e)；試驗(yàn)6中層相對(duì)濕度下降80%，暴雨中心雨量為190 mm，比控制試驗(yàn)增大30 mm，但比試驗(yàn)5減小40 mm，中心位置東北移0.15經(jīng)距、0.1緯距(圖2f)；試驗(yàn)7中層相對(duì)濕度升高50%，暴雨中心雨量比控制試驗(yàn)減小10 mm，中心位置西北移0.05經(jīng)距、0.95緯距(圖2g)?？梢?，對(duì)流層干冷空氣增強(qiáng)有利于降水增強(qiáng)，暴雨中心稍向東北移，但濕度過(guò)低，不利于暴雨中心雨量繼續(xù)增幅。中層干冷空氣減弱，暴雨中心強(qiáng)度略有減弱，中心位置明顯西北移。

3.3 低層干冷空氣對(duì)暴雨影響的數(shù)值試驗(yàn)

低層干冷空氣濕度變化敏感性試驗(yàn)8、9、10，分別將低層干冷空氣的相對(duì)濕度乘以系數(shù)0.5、0.2和1.5。試驗(yàn)結(jié)果與控制試驗(yàn)相比，雨帶走向基本一致，位置有所變化。試驗(yàn)8、9干冷空氣增強(qiáng)，120°E處大雨區(qū)北界位于33.3°N，比控制試驗(yàn)偏南0.3緯距。試驗(yàn)10干冷空氣減弱，120°E處大雨區(qū)北界在33.9°N，比控制試驗(yàn)偏北0.3緯距。從暴雨中心強(qiáng)度和位置來(lái)看，試驗(yàn)8低層干冷空氣增強(qiáng)，暴雨中心雨量為190 mm，比控制試驗(yàn)大30 mm，中心位置東南移0.1經(jīng)距、0.1緯距(圖2h)；試驗(yàn)9低層干冷空氣大幅增強(qiáng)，暴雨中心雨量為230 mm，比控制試驗(yàn)增大70 mm，比試驗(yàn)8增大40 mm，小時(shí)雨強(qiáng)顯著增大，1 h最大雨量達(dá)到68 mm，暴雨中心位置東南移0.25經(jīng)距、0.1緯距(圖2i)；試驗(yàn)10干冷空氣明顯減弱，暖濕空氣勢(shì)力加強(qiáng)，暴雨中心雨量為120 mm，比控制試驗(yàn)減小40 mm，中心位置西北移0.1經(jīng)距、0.85緯距(圖2j)。可見對(duì)流層低層干冷空氣增強(qiáng)，雨帶南壓，暴雨中心東南移，降水增強(qiáng)，干冷空氣愈強(qiáng)，暴雨增幅愈大；干冷空氣減弱，雨帶北抬，暴雨中心西北移，降水減弱。

通過(guò)上述分析可知，對(duì)流層高層干冷空氣加強(qiáng)，對(duì)降水不利，一定濕度的干冷空氣對(duì)降水有利；對(duì)流層中低層干冷空氣增強(qiáng)有利于降水增強(qiáng)，但中層干冷空氣濕度過(guò)低不利于暴雨繼續(xù)增幅；低層干冷空氣愈強(qiáng)降水愈強(qiáng)。低層干冷空氣變化還影響雨帶的南北擺動(dòng)，干冷空氣增強(qiáng)，雨帶南移，暴雨中心東南移；干冷空氣減弱，雨帶北抬，暴雨中心西北移。

4 干冷空氣對(duì)暴雨影響的動(dòng)力熱力機(jī)制探討

4.1 干冷空氣對(duì)高低空散度的影響分析

低層輻合上升、高層輻散抽吸對(duì)于強(qiáng)降水的形成具有十分重要的作用。不同數(shù)值試驗(yàn)雨帶位置和暴雨中心強(qiáng)度不同，可能與冷空氣強(qiáng)度改變后高低空散度動(dòng)力配置(以下簡(jiǎn)稱動(dòng)力配置)不同有關(guān)，下文通過(guò)分析強(qiáng)降水時(shí)段高低空散度場(chǎng)和垂直運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，探討干冷空氣濕度變化對(duì)暴雨影響的動(dòng)力機(jī)制。

控制試驗(yàn)，降水變化與高低空散度和垂直運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，隨著高低空散度動(dòng)力配置形成，降水不斷增強(qiáng)。13日05時(shí)之前，暴雨區(qū)上空500 hPa附近為輻散，700 hPa附近為弱的輻合，降水很弱，06時(shí)出現(xiàn)帶狀的輻散輻合帶，但強(qiáng)度較弱，對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)小于10 mm·h-1。07時(shí)550 hPa以下輻合增強(qiáng)為-60×10-5s-1，其正上方輻散增強(qiáng)為75×10-5s-1，動(dòng)力配置逐漸形成，垂直上升區(qū)速度超過(guò)3.0 m·s-1，雨強(qiáng)增大為36 mm·h-1。08時(shí)低層輻合和高層輻散中心繼續(xù)增強(qiáng)為-90×10-5s-1和90×10-5s-1(圖3a)，動(dòng)力配置達(dá)到最強(qiáng)，狹長(zhǎng)的垂直上升區(qū)加強(qiáng)中心為3.5 m·s-1，對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)也達(dá)到最大52 mm·h-1。之后，動(dòng)力配置逐漸減弱，800 hPa以下轉(zhuǎn)為輻散，降水逐漸減弱，09時(shí)雨強(qiáng)減弱為27 mm·h-1，10時(shí)減弱為13 mm·h-1，11時(shí)以后減弱至5 mm·h-1以下。07—09時(shí)，25 mm·h-1以上的短時(shí)強(qiáng)降水(以下簡(jiǎn)稱強(qiáng)降水)維持了3 h?？梢?，高層輻散和低層輻合動(dòng)力配置的形成，持續(xù)的高層輻散抽吸作用使低層輻合和垂直上升運(yùn)動(dòng)持續(xù)增強(qiáng)，為強(qiáng)降水的產(chǎn)生和暴雨增幅提供了動(dòng)力條件。

對(duì)應(yīng)強(qiáng)降水時(shí)段，各種敏感性試驗(yàn)暴雨區(qū)上空基本都形成了高層輻散、低層輻合耦合的動(dòng)力配置，但動(dòng)力配置的位置和強(qiáng)度存在一定差異。改變高層干冷空氣強(qiáng)度與控制試驗(yàn)比較分析，試驗(yàn)2高層干冷空氣相對(duì)濕度降低50%，動(dòng)力配置形成時(shí)間滯后1 h、位置北移至32.45°N，低層輻合比控制試驗(yàn)弱，13日08時(shí)輻合中心為-60×10-5s-1(圖3b)，強(qiáng)降水共維持了2 h(08—09時(shí))，最大雨強(qiáng)為32 mm·h-1，累計(jì)降水量比控制試驗(yàn)??；試驗(yàn)3將干冷空氣濕度降低80%，低層輻合減弱和位置北移更明顯，輻合中心維持在-45×10-5s-1(圖3c)，位于32.6°N，盡管強(qiáng)降水也維持了3 h(07—09時(shí))，但最大小時(shí)雨強(qiáng)為42 mm·h-1，累計(jì)降水量比控制試驗(yàn)小，累計(jì)降水量也比控制試驗(yàn)小；試驗(yàn)4將干冷空氣濕度提升50%，動(dòng)力配置形成時(shí)間提前1 h、位置略南移，輻合、輻散中心分別為-60×10-5s-1和60×10-5s-1(圖3d)，強(qiáng)降水共維持了4 h(06—09時(shí))，累計(jì)降水量比控制試驗(yàn)大，但最大雨強(qiáng)(38 mm·h-1)比控制試驗(yàn)小。

改變中層干冷空氣強(qiáng)度，試驗(yàn)5、6分別將中層干冷空氣相對(duì)濕度降低50%和80%，與控制試驗(yàn)相比，動(dòng)力配置位置略北移、形成時(shí)間提前1 h，垂直上升運(yùn)動(dòng)分別增強(qiáng)1 m·s-1和2 m·s-1，且上升區(qū)更寬、垂直伸展更高。13日08時(shí)，試驗(yàn)5高層輻散中心為75×10-5s-1，強(qiáng)于低層輻合中心(-60×10-5s-1，圖3e)，動(dòng)力配置有利于強(qiáng)降水持續(xù)，07—10時(shí)連續(xù)4 h雨強(qiáng)超過(guò)30 mm·h-1，其中07—09時(shí)連續(xù)3 h雨強(qiáng)達(dá)到40 mm·h-1以上，最大小時(shí)雨強(qiáng)為52 mm·h-1，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間和累計(jì)降水量均大于控制試驗(yàn)。試驗(yàn)6低層輻合和高層輻散均較強(qiáng)，中心值分別達(dá)-90×10-5s-1和75×10-5s-1(圖3f)，07—09時(shí)連續(xù)3 h雨強(qiáng)超過(guò)40 mm·h-1，最大為53 mm·h-1，累計(jì)降水量大于控制試驗(yàn)。與試驗(yàn)5相比，試驗(yàn)6相對(duì)濕度減弱幅度更大，干冷空氣更強(qiáng)，對(duì)應(yīng)動(dòng)力配置和垂直上升速度更強(qiáng)，小時(shí)雨強(qiáng)更大，但強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間短，故累計(jì)降水量小于試驗(yàn)5。表明對(duì)流層中層干冷空氣濕度太低，不利于強(qiáng)降水持續(xù)增幅。若入侵冷空氣過(guò)強(qiáng)，雖然對(duì)流系統(tǒng)中能發(fā)展出強(qiáng)的垂直運(yùn)動(dòng)，但垂直運(yùn)動(dòng)維持時(shí)間短，不利于產(chǎn)生持續(xù)性強(qiáng)降水(姚晨等，2019)。試驗(yàn)7中層干冷空氣相對(duì)濕度上升50%，動(dòng)力配置略南移(圖3g)、形成時(shí)間滯后1 h，強(qiáng)度偏弱，對(duì)應(yīng)降水強(qiáng)度也減弱，僅09時(shí)雨強(qiáng)為35 mm·h-1，其余均小于15 mm·h-1。

改變低層干冷空氣強(qiáng)度，試驗(yàn)8、9分別將低層干冷空氣濕度降低50%和80%，與控制試驗(yàn)相比，動(dòng)力配置提前1 h形成、位置略南移，低層輻合維持在-75×10-5s-1以上，高層輻散均大于75×10-5s-1(圖3h，3i)，高層輻散的抽吸作用有利于動(dòng)力配置的維持，垂直上升速度大于4 m·s-1，降水明顯增幅。試驗(yàn)9強(qiáng)降水維持了4 h，其中07—09時(shí)連續(xù)3 h雨強(qiáng)超過(guò)40 mm·h-1，13日08時(shí)達(dá)到68 mm·h-1，累計(jì)降水量和雨強(qiáng)均明顯大于控制試驗(yàn)，同時(shí)也大于試驗(yàn)8。試驗(yàn)10干冷空氣相對(duì)濕度上升50%，動(dòng)力配置滯后1 h形成、位置北移至33°N、強(qiáng)度顯著減弱，輻合中心最大值為-30×10-5s-1，輻散中心小于15×10-5s-1，垂直上升運(yùn)動(dòng)僅1 m·s-1，對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)明顯減弱，最大為19 mm·h-1(10時(shí))，其余均小于11 mm·h-1(圖3j)。

由上述分析可知，暴雨發(fā)生在低層輻合與高層輻散垂直疊加的狹長(zhǎng)垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，暴雨強(qiáng)度不僅與高低空散度動(dòng)力配置的強(qiáng)度有關(guān)，還與其維持時(shí)間有關(guān)。高層輻散強(qiáng)于低層輻合，較強(qiáng)的高層抽吸效應(yīng)有利于動(dòng)力配置的增強(qiáng)和維持，有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，觸發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水，造成累計(jì)降水量增大。高層干冷空氣增強(qiáng)，動(dòng)力配置減弱，對(duì)應(yīng)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間和雨強(qiáng)減弱，累計(jì)雨量減小，暴雨中心略東北移；中層干冷空氣增強(qiáng)，動(dòng)力配置和上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)、位置北移、形成時(shí)間提前，對(duì)應(yīng)降水增強(qiáng)，暴雨中心東北移；但中層相對(duì)濕度太低，不利于強(qiáng)降水持續(xù)增幅；低層干冷空氣增強(qiáng)(減弱)，動(dòng)力配置南移(北抬)、形成時(shí)間提前(滯后)，對(duì)應(yīng)降水增強(qiáng)(減弱)，暴雨中心東南(西北)移。

圖2 2011年7月12日20時(shí)至13日20時(shí)降水量分布 (a)試驗(yàn)1,(b)試驗(yàn)2,(c)試驗(yàn)3,(d)試驗(yàn)4,(e)試驗(yàn)5,(f)試驗(yàn)6, (g)試驗(yàn)7,(h)試驗(yàn)8,(i)試驗(yàn)9,(j)試驗(yàn)10Fig.2 The 24 h accumulated precipitation distributions from 20:00 BT 12 to 20:00 BT 13 July 2011 (a) Experiment 1, (b) Experiment 2, (c) Experiment 3, (d) Experiment 4, (e) Experiment 5, (f) Experiment 6, (g) Experiment 7, (h) Experiment 8, (i) Experiment 9, (j) Experiment 10

圖3 同圖2，但為13日08時(shí)沿暴雨中心所在經(jīng)度的散度(等值線，單位：10-5 s-1) 和垂直速度(填色)垂直剖面Fig.3 Same asFig.2, but for the vertical cross sections of divergence (contour, unit: 10-5 s-1) and vertical velocity (colored) along the longitude of heavy rain center in different experiments at 08:00 BT 13 July 2011

4.2 干冷空氣對(duì)能量鋒的影響分析

各數(shù)值試驗(yàn)?zāi)芰夸h區(qū)(假相當(dāng)位溫等值線密集區(qū))均為東北—西南走向，位于江蘇江淮地區(qū)，但鋒區(qū)的位置和強(qiáng)度有所不同。暴雨出現(xiàn)在能量鋒區(qū)東南側(cè)高溫高濕不穩(wěn)定區(qū)，雨帶走向與鋒區(qū)走向一致。橫穿控制試驗(yàn)和各敏感性試驗(yàn)?zāi)芰夸h區(qū)制作假相當(dāng)位溫垂直剖面圖，分析干冷空氣影響能量鋒區(qū)的情況。

蒙古低槽攜帶干冷空氣南下，能量鋒區(qū)前緣不斷向東南擴(kuò)展，12日20時(shí)，控制試驗(yàn)假相當(dāng)位溫336 K以下的干冷氣團(tuán)位于34°N、118°E西北側(cè)，324 K的冷中心位于700 hPa上空，348 K以上的暖濕氣團(tuán)位于33°N以南，能量鋒區(qū)與等壓面近乎垂直(圖略)。13日08時(shí)，336 K等值線前緣南推到達(dá)33°N、119°E上空(圖4a)，324 K的冷中心移至35°N、117°E，對(duì)應(yīng)降水也達(dá)到了最強(qiáng)。

各種敏感性試驗(yàn)改變干冷空氣相對(duì)濕度，不同程度上影響能量鋒的強(qiáng)度和位置。試驗(yàn)2、3、4改變高層干冷空氣相對(duì)濕度，鋒區(qū)強(qiáng)度和位置變化不明顯(圖略)。試驗(yàn)5、6中層干冷空氣加強(qiáng)，冷中心假相當(dāng)位溫分別降低到322 K和320 K，冷空氣前緣向東向南擴(kuò)展，低層能量鋒區(qū)增強(qiáng)(圖4b)，對(duì)應(yīng)降水增強(qiáng)；試驗(yàn)7中層干冷空氣相對(duì)濕度升高，冷空氣主體北縮，低層能量鋒區(qū)略減弱，對(duì)應(yīng)降水減弱。試驗(yàn)8、9低層干冷空氣增強(qiáng)，冷中心加強(qiáng)，假相當(dāng)位溫降至320 K以下，高度降至800 hPa，336 K等值線前緣明顯比控制試驗(yàn)偏東偏南。強(qiáng)盛的干冷氣團(tuán)向東南入侵，疊加到低層暖濕氣團(tuán)之上，鋒區(qū)強(qiáng)度和位置比控制試驗(yàn)明顯增強(qiáng)和南移(圖4c)，對(duì)應(yīng)小時(shí)雨強(qiáng)比控制試驗(yàn)顯著增強(qiáng)，暴雨中心位置東南移；試驗(yàn)10低層干冷空氣減弱，暖濕氣團(tuán)范圍顯著向西北擴(kuò)展，低層鋒區(qū)減弱北縮，對(duì)應(yīng)降水減弱，暴雨中心位置西北移(圖4d)。

圖4 2011年7月13日08時(shí)假相當(dāng)位溫垂直剖面(單位：K) (a)試驗(yàn)1,(b)試驗(yàn)6,(c)試驗(yàn)9,(d)試驗(yàn)10Fig.4 Vertical cross-sections of pseudo-equivalent potential temperature (unit: K) in different experiments at 08:00 BT 13 (a) Experiment 1, (b) Experiment 6, (c) Experiment 9, (d) Experiment 10

從上述分析可知，能量鋒區(qū)受高層干冷空氣影響不明顯；能量鋒區(qū)隨中層干冷空氣增強(qiáng)而增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)降水也增強(qiáng)；低層干冷空氣加強(qiáng)南侵，能量鋒區(qū)增強(qiáng)南移，對(duì)應(yīng)降水增強(qiáng)，雨帶南壓，暴雨中心東南移；當(dāng)干冷空氣減弱北縮，低層暖濕空氣主導(dǎo)，能量鋒區(qū)減弱北抬，對(duì)應(yīng)降水減弱，雨帶北抬，暴雨中心西北移。

4.3 干冷空氣對(duì)濕位渦的影響分析

濕位渦(MPV)是表征了大氣動(dòng)力、熱力和水汽作用的綜合物理量，分析濕位渦的時(shí)空分布，可以較好地探討強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制。將濕位渦在等壓面上展開為MPV1(濕正壓項(xiàng))和MPV2(濕斜壓項(xiàng))，一般絕對(duì)渦度為正值，當(dāng)MPV1為負(fù)值，表示大氣為對(duì)流不穩(wěn)定，反之則為大氣對(duì)流穩(wěn)定；MPV2表征大氣的濕斜壓性。濕位渦單位為PVU(1 PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1)。MPV1正值可表征干冷空氣活動(dòng)(李耀輝和壽紹文，2000)，MPV2負(fù)值絕對(duì)值越大表明大氣的斜壓性越強(qiáng)，越有利于降水的產(chǎn)生(劉峰等，2011；鐘利華等，2016；李靜楠等，2016)。對(duì)流層高層MPV1正值區(qū)與低層MPV2負(fù)值區(qū)相互作用，有利于不穩(wěn)定能量積累和釋放(范學(xué)峰和席世平，2012)。下文利用模擬結(jié)果分析暴雨中心逐小時(shí)500 hPa的MPV1和800 hPa 的MPV2變化與小時(shí)雨強(qiáng)的關(guān)系，揭示濕位渦對(duì)暴雨發(fā)生發(fā)展的影響機(jī)制。

控制試驗(yàn)對(duì)應(yīng)強(qiáng)降水時(shí)段，暴雨中心上空中層(500 hPa)MPV1為正值，低層(800 hPa)MPV2為負(fù)值，分別代表對(duì)流層中層為對(duì)流穩(wěn)定，低層為斜壓不穩(wěn)定，這種“上正下負(fù)”的垂直配置，有利于暴雨發(fā)生發(fā)展。12日22時(shí)開始，隨著MPV1增大和MPV2減小，降水逐漸增大，至13日07時(shí)，MPV1和MPV2分別出現(xiàn)正、負(fù)峰值(以下簡(jiǎn)稱峰值)，分別達(dá)到3.2 PVU和-0.9 PVU(圖5a)，對(duì)應(yīng)降水顯著增強(qiáng)，雨強(qiáng)達(dá)到36 mm·h-1，比06時(shí)增大了25 mm，13日08時(shí)，雨強(qiáng)出現(xiàn)最大值達(dá)到52 mm·h-1。MPV1和 MPV2的峰值比雨強(qiáng)最大值提前1 h出現(xiàn)，表明受隨著干冷空氣影響，大氣斜壓性增強(qiáng)，降水增強(qiáng)，09時(shí)開始，隨著MPV1和 MPV2強(qiáng)度減弱，對(duì)應(yīng)降水也減弱。

敏感性試驗(yàn)改變各層干冷空氣相對(duì)濕度，暴雨中心濕位渦強(qiáng)度和演變趨勢(shì)與控制試驗(yàn)不同。試驗(yàn)2和試驗(yàn)3高層干冷空氣增強(qiáng)，MPV1和MPV2強(qiáng)度均比控制試驗(yàn)減弱(圖5b，5c)，表明中層對(duì)流穩(wěn)定性和低層斜壓性均減弱，對(duì)應(yīng)小時(shí)雨強(qiáng)明顯減弱，累計(jì)降水量也減小。中層和低層干冷空氣增強(qiáng)(圖5e,5f,5h,5i)，MPV1上升和MPV2下降趨勢(shì)劇烈，中層對(duì)流穩(wěn)定性和低層斜壓性顯著增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)降水顯著增強(qiáng)，雨強(qiáng)和累計(jì)降水量均明顯大于控制試驗(yàn)。如試驗(yàn)9低層干冷空氣大幅增強(qiáng)，MPV1和MPV2于13日06時(shí)和08時(shí)先后出現(xiàn)峰值，分別達(dá)到3.6 PVU和-1.3 PVU，同時(shí)，降水強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，07時(shí)雨強(qiáng)達(dá)43 mm·h-1，08時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)最大值達(dá)到68 mm·h-1(圖5i)，累計(jì)降水量和小時(shí)雨強(qiáng)均比控制試驗(yàn)顯著增大。相比試驗(yàn)8(圖5h)，試驗(yàn)9的MPV1和MPV2峰值更大，且MPV1正的高值和MPV2負(fù)的低值持續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng)，故對(duì)應(yīng)小時(shí)雨強(qiáng)更大，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，累計(jì)降水量也更大。而干冷空氣減弱(圖5d,5g,5j)，濕位渦強(qiáng)度減弱，對(duì)應(yīng)小時(shí)雨強(qiáng)和累計(jì)降水量均小于控制試驗(yàn)。

上述分析表明，濕位渦的變化與干冷空氣變化具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。高層干冷空氣增強(qiáng)，MPV1和MPV2強(qiáng)度均減弱，中層對(duì)流穩(wěn)定性和低層斜壓性均減弱，對(duì)應(yīng)降水強(qiáng)度減弱。中層和低層干冷空氣增強(qiáng)，MPV1和MPV2強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，中層對(duì)流穩(wěn)定性和低層斜壓性顯著增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)降水強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。各層干冷空氣減弱，MPV1和MPV2強(qiáng)度減弱，對(duì)應(yīng)降水強(qiáng)度減弱。從變化趨勢(shì)看，高層和中層干冷空氣加強(qiáng)時(shí)，MPV1和MPV2峰值基本都先于降水最大值出現(xiàn)，對(duì)降水的增強(qiáng)具有先導(dǎo)性作用。低層干冷空氣加強(qiáng)，MPV1峰值先于降水最大值出現(xiàn)，對(duì)降水增強(qiáng)有先導(dǎo)性作用，而MPV2峰值與小時(shí)最大降水量同時(shí)出現(xiàn)，即暴雨區(qū)低層斜壓性和降水同時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，對(duì)降水有增幅效果，MPV1和MPV2的峰值愈大，降水愈強(qiáng)。

圖5 同圖2，但為12日22時(shí)至13日12時(shí)暴雨中心逐時(shí)降水量(直方柱)，500 hPa MPV1(實(shí)線) 和800 hPa MPV2(虛線)的時(shí)間變化Fig.5 Same asFig.2, but for time series of hourly precipitation (gray column), MPV1 at 500 hPa (solid line) and MPV2 at 800 hPa (dashed line) of heavy rain center from 22:00 BT 12 to 12:00 BT 13 July 2011

5 結(jié)論與討論

本文通過(guò)對(duì)2013年7月11—13日發(fā)生在江蘇淮河以南地區(qū)的一次熱帶低壓倒槽大暴雨過(guò)程的數(shù)值試驗(yàn)，揭示了干冷空氣強(qiáng)度變化對(duì)暴雨分布和強(qiáng)度影響的動(dòng)力熱力機(jī)制，主要得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)流層高層干冷空氣加強(qiáng)，不利于降水增強(qiáng)，一定濕度的干冷空氣對(duì)降水有利；中層干冷空氣增強(qiáng)有助于暴雨增強(qiáng)，但濕度過(guò)低不利于降水持續(xù)增幅；低層干冷空氣越強(qiáng)，越有助于暴雨增幅。同時(shí)，低層干冷空氣活動(dòng)還對(duì)雨帶的南北擺動(dòng)有影響，干冷空氣增強(qiáng)(減弱)，雨帶南壓(北抬)，暴雨中心向東南(西北)移動(dòng)。

(2)暴雨強(qiáng)度不僅與低層輻合與高層輻散動(dòng)力配置的強(qiáng)度有關(guān)，還與其維持時(shí)間有關(guān)，較強(qiáng)的高層輻散抽吸效應(yīng)有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，觸發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水，造成降水增幅。高層干冷空氣增強(qiáng)，動(dòng)力配置減弱，對(duì)應(yīng)降水減弱。中層干冷空氣增強(qiáng)，動(dòng)力配置增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，降水增強(qiáng)。低層干冷空氣增強(qiáng)(減弱)，動(dòng)力配置南移(北抬)，形成時(shí)間提前(滯后)，垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)(減弱)，降水增強(qiáng)(減弱)，暴雨中心東南(西北)移。

(3)能量鋒受高層干冷空氣影響不明顯。中層干冷空氣增強(qiáng)，能量鋒區(qū)有所增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)降水增強(qiáng)。能量鋒位置和強(qiáng)度受低層干冷空氣活動(dòng)影響較明顯，低層干冷空氣加強(qiáng)南侵，能量鋒區(qū)增強(qiáng)并南移，對(duì)應(yīng)降水增強(qiáng)，雨帶南壓，暴雨中心東南移；干冷空氣減弱北縮，低層暖濕空氣主導(dǎo)，能量鋒區(qū)減弱北抬，對(duì)應(yīng)降水減弱，雨帶北抬，暴雨中心明顯西北移。

(4)暴雨中心中層MPV1(500 hPa)和低層MPV2(800 hPa)維持“上正下負(fù)”配置，對(duì)應(yīng)中層對(duì)流穩(wěn)定、低層斜壓不穩(wěn)定，有利于降水增強(qiáng)。高層干冷空氣增強(qiáng)，中層對(duì)流穩(wěn)定性和低層斜壓性減弱，降水減?。恢械蛯痈衫淇諝庠鰪?qiáng)，中層對(duì)流穩(wěn)定性和低層斜壓性明顯增強(qiáng)，暴雨明顯加強(qiáng)；各層干冷空氣減弱，均對(duì)應(yīng)中層對(duì)流穩(wěn)定性和低層斜壓性減弱，暴雨減弱。高層和中層干冷空氣加強(qiáng)時(shí)，MPV1和MPV2峰值先于降水最大值出現(xiàn)，對(duì)降水的增強(qiáng)具有先導(dǎo)性作用；低層干冷空氣加強(qiáng)，MPV1峰值先于降水最大值出現(xiàn)，MPV2峰值與降水最大值同時(shí)出現(xiàn)，對(duì)降水增強(qiáng)有先導(dǎo)性和增幅效果，MPV1和MPV2的峰值愈大，降水愈強(qiáng)。

實(shí)際大氣中干冷空氣對(duì)熱帶低壓倒槽暴雨的影響問題十分復(fù)雜，干冷空氣強(qiáng)度及分布的變化可以改變暴雨發(fā)生發(fā)展動(dòng)力、熱力因子的強(qiáng)度和分布，干冷空氣的強(qiáng)度及與熱帶低壓倒槽結(jié)合的位置直接影響暴雨的落區(qū)和強(qiáng)度。一般情況，預(yù)報(bào)員比較關(guān)注干冷空氣降溫的作用，預(yù)報(bào)過(guò)程中常常低估降水的量級(jí)。本文通過(guò)對(duì)流層不同層次干冷空氣相對(duì)濕度變化對(duì)熱帶低壓倒槽暴雨過(guò)程進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，初步探討了干冷空氣相對(duì)濕度變化對(duì)暴雨落區(qū)和強(qiáng)度的影響機(jī)理，對(duì)這類暴雨的預(yù)報(bào)具有參考意義。但這些結(jié)論僅模擬分析了一次個(gè)例，結(jié)論有待進(jìn)一步驗(yàn)證。下一步還將通過(guò)改變干冷空氣溫度，以及同時(shí)改變干冷空氣的相對(duì)濕度和溫度等數(shù)值試驗(yàn)，對(duì)影響暴雨落區(qū)和強(qiáng)度的物理機(jī)制，及對(duì)直接造成暴雨的中小尺度系統(tǒng)活動(dòng)等，進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。

致謝：感謝江蘇省氣象局“海洋天氣預(yù)報(bào)技術(shù)”培育團(tuán)隊(duì)在研究過(guò)程中的幫助支持。