1998年一次梅雨锋暴雨过程的多尺度特征及梅雨锋的结构特点和数值模拟

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1998年入汛后范围最大且强度最强的一次大暴雨过程中,江西省是这次历史罕见特大洪涝灾害的重灾区。为什么江西在4~5月份长时间少雨之后,6月12日突降大暴雨,紧接着13日又出现特大暴雨,降水不仅来得突然而且强度特别大;并且与江西历史上大暴雨的影响系统相比,这次过程少了低涡这个重要的影响系统,这是这个个例的特殊之处。利用多种常规和非常规资料的分析,通过诊断分析和数值模拟等手段,我们对1998年6月12~15目的这次大暴雨过程进行了较全面的研究,得出了一些很有意义的结果,诸如: 1.梅雨锋暴雨的多尺度结构特征:大尺度背景最重要的两点是:1)中高纬的双阻型,即乌拉尔山阻高和鄂海阻高的持续维持;2)西太平洋副热带高压位置偏南。 从天气尺度系统的分析可以看到最强的对流区并不发生在梅雨锋区内,而在梅雨锋区前缘,与之配合的是中低层带状的强辐合区、正涡度区和中高层带状的辐散区、负涡度区,其走向和梅雨锋前缘的强对流区走向一致。 产生强暴雨的是一个位于中层天气尺度低槽后部的α中尺度暴雨系统,其三维结构为中低层强烈的辐合和气旋性涡度,中高层辐散和随高度反气旋性涡度增强,系统中心为强烈的上升气流,在对流层中高层该系统的偏南侧形成次级环流。这种α中尺度暴雨系统的三维结构为强暴雨的形成提供了必要的动力、水汽和稳定性条件,而强暴雨往往出现在该系统区和出现在该系统充分发展的后期。 2.梅雨锋的结构特征:典型梅雨锋近地层的水平结构是:在地面锋以北是θe的密集带,对流云带和强降水区主要位于锋的南侧前缘,并与梅雨锋走向一致,而低层正涡度带和水汽辐合带与对流云带、强降水区的走向也基本一致。梅雨锋区低层大气是中性或弱对流不稳定的,长江中下游地区低层的正涡度带基本上对应着一个低层的上升运动带,梅雨锋区低层水平风的切变较弱。 梅雨锋是由θe密集带构成的锋区以及其前缘由许多深对流云塔构成的对流云带、锋前中低层的季风涌和锋后中高层不断输送干冷空气的天气尺度支持系统所组成的梅雨锋系。 典型梅雨锋与非典型梅雨锋的差别:从低层θe的水平平均分布上,典型梅雨锋年我国长江流域30°N附近有明显的东西向的θe锋(θe密集带)存在;而非典型梅雨锋年,其水平梯度不大。垂直方向上,在梅雨锋区,非典型梅雨锋对流不稳定区的伸展高度比典型梅雨锋低,并且无θe等值线近乎垂直的分布出现;在降水区附近,非典型梅雨锋的湿度脊与典型梅雨锋相比并不明显。梅雨锋年的持续时间比非梅雨锋年持久。典型梅雨锋年500hPa环流形势为典型的双阻型,而非典型梅雨锋年为单阻形势。需要强调的一点是,同为梅雨锋年,其在水平和垂直结构上也会有所差异,但相比非典型梅雨锋年,其差别还是要小一些。 梅雨锋的发展和维持具有两种机制,第一种机制是湿物理过程产生的梅雨锋的锋生作用与锋前中尺度对流系统的发展形成的一种正反馈过程。同时,这一天气尺度支持系统的作用是不仅不断给梅雨锋北侧补充冷空气,而且通过正涡度平流直接向梅雨锋前中尺度对流系统的中低层正涡度柱输送正涡度。由此可见,天气尺度低槽系统—梅雨锋—梅雨锋上的中尺度对流系统的相互作用对梅雨锋的发展和维持起了很至关重要的作用。必须强调的是在梅雨锋发展前期第一种机制起主要作用,在梅雨锋发展盛期上述两种机制都是重要的。 梅雨锋的垂直结构沿纬向仍有一定的差异。但很难认为在我们分析的个例中有明显的副热带锋的存在,因为它是分隔低层暖湿带与其上空干区过渡带的延伸。 3.湿位涡与梅雨锋的结构和演变关系:MPV1的分布与梅雨锋南北两侧的结构有较好的对应关系,低层MPV1的负值区对应梅雨锋南北两侧的对流不稳定区;在梅雨锋区,不论低层还是高层MPV2<0,对流层低层正负MPV2的分界可以用来大致地判断低层梅雨锋区的南北界。高层梅雨锋区的南界和周围大气的区分明显,北界就不是很明显。MPV2的变化要比MPV1复杂。同时我们注意到在低层MPV1和MPV2对湿位涡的贡献是基本一致的,在高层两者是相互抑制的。梅雨锋附近MPV1的负值带的中心的推移与冷锋的移动相匹配,伸展高度的变化随对流稳定度的变化而变化。而MPV2的发展演变与梅雨锋的发展过程有较好的对应。 4.梅雨锋的数值模拟:结果表明,模式基本再现了梅雨形势的大尺度背景场,并且对梅雨锋的水平和垂直结构也有较好的描述。对流参数化的敏感性试验表明,在我们这个个例中,对流参数化方案虽然对降水量的模拟有较大的影响,但对梅雨锋结构的影响可能没有对降水量的影响大。潜热对维持梅雨形势的作用是显著的,但它并非是其维持的唯一关键因素。
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