3 期蒙伟光等 : 华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析 331 象成因的分析中有较高的应用价值 [7~9] 1998 年 5 月 23~24 日发生在华南地区的暴雨过程是一次比较典型的暴雨个例, 受较强冷空气南下影响, 华南西部沿海和珠江口附近有对流云团的发展, 暴雨是由多个相继生消的中尺度对

Size: px

Start display at page:

Download "3 期蒙伟光等 : 华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析 331 象成因的分析中有较高的应用价值 [7~9] 1998 年 5 月 23~24 日发生在华南地区的暴雨过程是一次比较典型的暴雨个例, 受较强冷空气南下影响, 华南西部沿海和珠江口附近有对流云团的发展, 暴雨是由多个相继生消的中尺度对"

横览宣
5 years ago
Views:

1 第 28 卷第 3 期 2004 年 5 月大气科学 ChineseJournalofAtmosphericSciences Vol.28 No.3 May 2004 华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析蒙伟光 1,2) 王安宇 1) 李江南 1) 冯瑞权 1,3) 侯尔滨 3) 1)( 中山大学大气科学系, 广州 ) 2)( 广州热带海洋气象研究所, 广州 ) 3)( 澳门地球物理暨气象台, 澳门 ) 摘要利用 MM5 模式对发生在 1998 年 5 月 23~24 日华南暴雨和中尺度对流系统 (MesoscaleConvectiveSystem, 简称 MCS) 模拟的模式输出资料, 根据湿位涡守恒原理和倾斜涡度发展理论分析了暴雨和 MCS 形成和发展的原因结果表明, 暴雨和 MCS 发生在倾斜湿等熵面具有弱对流稳定性的下陷区, 沿湿等熵面下滑的冷空气与倾斜上升并具有较强对流有效位能的暖湿空气在下陷区会合的过程中经历了对流稳定性减小的过程, 导致暴雨和 MCS 发生发展区域有气旋性的涡旋发展对流发展区域的上空满足条件对称不稳定发生的条件,MCS 中上升气流呈倾斜状态由于湿等熵面倾斜, 在暴雨和 MCS 的发展过程中, 水平风垂直切变和湿斜压度的增大也有利于涡旋的发展, 使暴雨和 MCS 得以维持最后, 给出了华南地区湿等熵面上暴雨和 MCS 发生发展的一个物理概念模型关键词 : 湿位涡 ; 对称不稳定 ; 中尺度对流系统 ; 华南暴雨 ; 数值模拟文章编号 (2004) 中图分类号 P458 文献标识码 A 1 引言位涡理论在分析天气系统演变和结构方面有广泛的应用根据文献 [1,2], 如果不考虑非绝热加热和摩擦效应, 位涡以及有降水发生的湿过程中的湿位涡均具有守恒性国内已有不少利用位涡守恒原理对暴雨等强天气形成和发展进行诊断分析的工 [3~5] [6] 作吴国雄等曾从严格的原始方程出发, 引进饱和大气中凝结潜热的作用, 导出了湿位涡的变化方程, 指出在 θ 犲坐标下, 对流稳定度的减少等熵面上的辐合以及潜热加热等因素均可导致法向涡度的增加但当湿等熵面倾斜时, 由于 ζθ θ 犲坐标中的法向涡度一般并不垂直于地表, ζ θ 的改变并不等价于垂直涡度的改变, 使湿等熵位涡分析的应用受到了限制在犣坐标或犘坐标中讨论等 θ 犲面倾斜时垂直涡度的发展有更加显著的优点, 他们证明在湿位涡守恒的制约下, 无论大气是湿对称稳定还是不稳定的, 是对流稳定还是不稳定的, 由于湿等熵面的倾斜, 大气水平风垂直切变或湿斜压性的增加均能引起系统垂直涡度的显著发展他们把这种由于等 θ 犲面倾斜所引起的气旋式涡度的增长过程称为倾斜涡度发展理论实践证明, 这一理论在暴雨等中尺度天气现收到, 收到修改稿国家重点基础研究发展规划项目 G 和中国科学院知识工程重要方向项目 ZKCX2 SW 210 共同资助

2 3 期蒙伟光等 : 华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析 331 象成因的分析中有较高的应用价值 [7~9] 1998 年 5 月 23~24 日发生在华南地区的暴雨过程是一次比较典型的暴雨个例, 受较强冷空气南下影响, 华南西部沿海和珠江口附近有对流云团的发展, 暴雨是由多个相继生消的中尺度对流系统 (MesoscaleConvectiveSystem, 简称 MCS) 造成的利用中尺度数值模式 MM5 以及南海季风试验观测资料和 NCEP/NCAR 再分析资料, 我 [10] 们曾对其中的一个 MCS 进行了成功的数值模拟, 得到了一些很有意思的结果本文试图应用湿位涡守恒和倾斜涡度发展理论, 对本次暴雨过程的涡旋和 MCS 发生发展的原因做一些初步的分析资料主要采用数值模拟的输出结果, 作诊断分析时把模式输出的等 σ 坐标中的压温湿以及风场等资料插值到等 θ 犲面或等压面上, 然后再进行计算 2 暴雨以及中尺度对流系统发展和演变的概况 2 1 中尺度对流系统的活动和实际降雨量从 1998 年 5 月 22 日起, 由于冷空气南下, 华南沿海及珠江三角洲地区有多个与 MCS 相关的云团发生, 这些 MCS 云团的活动是 23~24 日华南地区暴雨过程的直接影响系统利用 GMS5 卫星云图我们曾分析了这一时段中尺度云团演变和降水之间的关系 ( 详情可参看文献 [11]), 红外一通道的云顶黑体温度 ( 犜 BB) 分析也表明,5 月 22 日 22 时 (UTC, 下同 ) 以后第一个 MCS 在广东西部沿海生成, 生成后位置少变,23 日 06 时其 -52 和 -72 云顶温度等值线已基本成圆形分布, 到 09 时发展至最强, 此后减弱, 大致于 23 日 12 时后逐渐消亡第二个云团生成的位置较为偏北,23 日 03 时左右在广西中部生成, 生成后逐渐加强东移,23 日 09~10 时移到广西东部时强度最强,-72 云顶温度等值线范围发展至最大, 之后东移到了广东的中西部, 并在 23 日 18 时后逐渐减弱, 其残余云系向南移动, 与在珠江口西部沿海新生成的第三个 MCS 云团合并第三个 MCS 云团是这次暴雨过程中最强大的云团它在 23 日 15 时左右形成于珠江口西面, 之后迅速加强并向南扩展, 至 5 月 24 日 00 时以后强度发展达最强, 范围也很大, 该 MCS 云团在 24 日 09 时后逐渐消亡 ( 图略 ) 从实测的 5 月 23 日 12 时 ~ 24 日 12 时的总雨量图的分布来看 ( 图 1a), 受这些中尺度云团的影响, 广东省的西江流域珠江三角州地区均出现了暴雨以上的降水, 主要暴雨中心位于广东省的四会, 珠江口两侧也有较强的雨量记录从图 1b 我们还可以看到暴雨和 MCS 的活动与涡旋的发展有密切的联系, 该图是利用南海季风试验同化资料绘制出的 850hPa 流线图, 涡旋是在冷锋切变线上发展起来的 2 2 数值模拟数值模拟采用中尺度模式 MM5 进行, 模拟试验区由两个相互嵌套的大小区域组成 [ 大区域个格点, 格距 54km; 小区域个格点, 格距 18km, 覆盖了整个暴雨区和 MCS 活动的区域 ( 图略 )] 模式垂直方向取 23 个不等距的 σ 层, 边界层物理过程采用 MRF 参数化方案, 显式水汽方案取简单冰相方案, 积云降水参数化取 KF 方案模式的初始条件和边界条件由 NCEP/NCAR 再分析资料作第一猜测场, 对南海季风试验得到的观测资料进行客观分析后得到模式积分初始时间为 23 日 00 时,

3 332 大气科学 28 卷图 1 (a)1998 年 5 月 23 日 12 时 ~24 日 12 时的实测总降雨量 ( 单位 :mm), 等值线 : ; (b)1998 年 5 月 24 日 00 时实况的 850hPa 流场和等高线分布 ( 间隔 :5 位势米 ) 积分 42h 对湿位涡的诊断计算利用 18km 区域的模式输出结果进行图 2a 是模式模拟的 23 日 12 时 ~24 日 12 时的总降水量图, 从降水量及其分布来看, 模拟的 24h 降水量与实测的降水量很接近, 均为 200mm 左右尽管模拟的雨量中心略偏于实际降水中心的东南方, 珠江口两侧没有明显的雨量中心, 但模拟的 MCS 的降水强度在强盛时均达到了 20mmh -1 以上, 雨区具有向东向南移动和扩展的特征, 与卫星云图观测到的第三个 MCS 云团的发展和移动特征相似从流场的模拟情况还可以看到 ( 图 2b), 模拟涡旋的位置与实况基本一致, 并具有中小尺度的结构特征总体来说 MM5 对本次暴雨过程的模拟相当成功, 模式的输出结果是可信的图 2 (a)1998 年 5 月 23 日 12 时 ~24 日 12 时的模拟总降雨量 ( 单位 :mm), 等值线 : ; (b)1998 年 5 月 24 日 00 时模拟的 850hPa 流场和等高线分布 ( 间隔 :5 位势米 ) 3 暴雨和中尺度对流系统的湿位涡特征 3 1 湿位涡发展的基本理论饱和湿空气的湿位涡在绝热和无摩擦的情况下具有守恒性质, 当等 θ 犲面与等压面

4 3 期蒙伟光等 : 华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析 333 交角很小时, 在 θ 犲坐标中, 由于沿湿等熵面 θ 犲的梯度为零, 湿位涡可以写成 [6] θ 犲犠 =- 犵 ζθ 常数, (1) 狆其中, ζ θ 为绝对涡度在垂直方向上的投影如定义对流稳定度 (1) 式可写成犖犿 = 犵 θ0 θ 犲狕 =- ρ 2 犵 θ0 θ 犲. (2) 狆犠 = θ0 ζθ 犖犿常数, (3) ρ 犵 (3) 式表明在湿等熵坐标中, 当气块从对流稳定度大的区域向小的区域移动时, 或从等熵面密集区向散开区移动时, 气旋性涡度将增长由 (1) 式取时间的全微分, 可以得到 ( ) D( ζθ D 狋 ζ θ)=- 1 D θ 犲, (4) θep D 狋狆 [6] D/D 狋为拉格朗日坐标的全微分利用 θ 犲的表达式和 θ 坐标的连续方程, 吴国雄等曾从 (4) 式进一步推导出了对流稳定度和绝对涡度对时间的变化方程 : 1 D θ 犲狆 = 狉 θ 犞 + D 犔狇 + θ D 犔狇 D 狋 D 狋犮狆犜 θ 狆 D 狋狆犮狆犜 θ 犲狆 Δ ( ) 犔狇 ( ) ( ) 犔狇 ( ) [ ] [ D ], (5) D ζθ =-ζθ 狉 θ 犞 + D + θ, (6) D 狋 D 狋犮狆犜 θ 狆 D 狋狆犮狆犜其中,θ 犲狆 = θ 犲 / 狆,θ 狆 = θ/ 狆,γ=(θ 犲 /θ 犲狆 )exp( 犔狇 / 犮狆犜 ), 犔犮狆狇分别为水汽的凝结潜热率定压比热和比湿由 (4) (5) 和 (6) 式可以看到, 等熵面上的辐合以及水汽凝结均能引起对流稳定度的减少, 从而导致了系统气旋性涡度的增加由于涡度变化方程 (6) 中引进了凝结潜热的效应, 用于有凝结发生的天气过程的讨论有显著的优点从方程我们还可以看到, 凝结潜热的作用是通过对对流稳定度的改变, 从而影响到垂直涡度或是系统强度变化的 Δ 当等 θ 犲面有明显的倾斜时, 这在暴雨过程中是经常出现的, 由于湿过程和湿饱和的原因, 等 θ 犲面会变得相对徒直, 很难满足等 θ 犲面同等压面交角很小的条件, 此时 (1) 式并不是一个很好的近似, 等熵面上湿位涡发展理论的应用受到了限制吴国雄等 [6] 进一步提出了倾斜涡度发展理论, 适用于在犣坐标或犘坐标中讨论等 θ 犲面倾斜时垂直涡度的发展过程在犘坐标中, 如假定垂直速度的水平变化比水平速度的垂直切变小得多, 湿位涡守恒的表达式可改写为犠 =- 犵 ( 犳犽 + 狆犞 ) 狆 θ 犲常数. (7) 如我们定义湿位涡的第一分量为垂直分量, 第二分量为等压面上的水平分量, 即 Δ 犠 1 =- 犵 ζ 犪狆 Δ θ 犲, (8) 狆犠 2 =- 犵犽犞狆 θ 犲, (9) 狆式中 ζ 犪狆 = 犳 +( 狏 / 狓 - 狌 / 狔 ) 狆 = 犳 +ζ 狆, 则犘坐标中湿位涡守恒可表达为犠 = 犠 1+ 犠 2 常数. (10) 一般, 由于犠 2 含有风速的垂直切变和相当位温的水平梯度, 称为湿斜压项, 相应 Δ

5 334 大气科学 28 卷地, 犠 1 称为湿正压项进一步写成犘坐标的分量形式, 犠 1 和犠 2 可分别表示为犠 1 =- 犵 ( 犳 +ζ 狆 ) θ 犲, (11) 狆 ( ) 犠狏 θ 犲 2 = 犵 - 狌 θ 犲. (12) 狆狓狆狔可以清楚地看出, 犠 1 的表达式与 (1) 式是等价的, 其值取决于空气块绝对涡度的垂直分量与相当位温垂直梯度的乘积一般来说由于绝对涡度为正值, 当 θ 犲 / 狆 <0 时 ( 对流稳定 ), 犠 1>0; 当 θ 犲 / 狆 >0 时 ( 对流不稳定 ), 犠 1<0 犠 2 与 θ 犲面的倾斜有关, 其值与风的垂直切变和湿斜压度 ( 也即相当位温的水平梯度 ) 有关也就是说在湿位涡守恒条件的约束下, 由于 θ 犲面的倾斜, 除了对流不稳定度等熵面上的辐合以及潜热释放等因子外, 水平风的垂直切变或湿斜压度 θ 犲的增长都可引起气旋性涡度的增加而且 θ 犲面倾斜越大, 气旋性涡度增长越激烈 3 2 中尺度对流系统的发生发展和湿等熵面上的湿位涡分析 [10] 本次暴雨和 MCS 是在冷锋式切变线上的一个涡旋中发展起来的,MCS 的内部对流活动很强, 最大上升速度可达 90cms -1 以上, 并产生了每小时 20mm 以上的降水图 3a 给出了 24 日 03 时也就是 MCS 发展强盛期经过暴雨区和 MCS 近于南北方向的垂直剖面图, 图中阴影区为雨水混合比大于 0.4gkg -1 的区域可以看到在 MCS 的南侧, 暖湿气流活跃, 中低层有对流不稳定区存在, 北侧为冷空气, 锋区与等 θ 犲线的密集区对应, 暴雨和 MCS 发生在冷暖空气交会处, 那里等 θ 犲线有明显的倾斜, 特别是在中层等 θ 犲线基本垂直, 对流不稳定度呈中性 ( θ 犲 / 狆 0) 由于低层南侧的暖湿空气和北侧的冷空气在向这一中性层结区移动时都经历了对流稳定性减弱的过程, 由 (4) 式可以知道, 这一区域的气旋性涡度将增大, 而由 (3) 式, 该区域低层湿等熵 ζθ 面上的湿位涡正值增加涡旋的形成和发展有利于 MCS 和降水的发生, 在这一过程中 Δ 图 3 (a)1998 年 5 月 24 日 03 时模拟的经暴雨和 MCS 南北方向剖面图的 θ 犲的分布, 实线 : 等 θ 犲线 ( 间隔 2K), 阴影区为雨水混合比大于 0.4gkg -1 的区域 ;(b)1998 年 5 月 24 日 03 时 θ 犲 =354K 湿等熵面上湿位涡的分布 ( 单位 :10-6 m 2 s -1 Kkg -1 ), 阴影区为 MCS 降水强度大于 10mmh -1 的区域

3 期蒙伟光等 : 华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析 335 潜热释放所造成的对流稳定性减少又进一步促进了涡旋的发展图 3b 是相应时次 θ 犲 = 354K 湿等熵面上湿位涡的分布, 阴影区是 MCS 降水强度大于 10mmh -1 的区域, 可以看到, 在 MCS 和涡旋发生的位置等熵面上有正的湿位涡异常区对应分析表明该正值区位置的时间演变与 MCS 的发展过程对应也很好, 从

6 3 期蒙伟光等 : 华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析 335 潜热释放所造成的对流稳定性减少又进一步促进了涡旋的发展图 3b 是相应时次 θ 犲 = 354K 湿等熵面上湿位涡的分布, 阴影区是 MCS 降水强度大于 10mmh -1 的区域, 可以看到, 在 MCS 和涡旋发生的位置等熵面上有正的湿位涡异常区对应分析表明该正值区位置的时间演变与 MCS 的发展过程对应也很好, 从 MCS 发展的初始阶段开始, 湿位涡正值区从广东的中部向珠江口附近南移,24 日 00 时湿位涡的值达最大 (> m 2 s -1 Kkg -1 )( 图略 ), 到了 MCS 发展的强盛期, 随着 MCS 范围的扩大湿位涡正值区的范围也扩大, 最大值也还保持在 m 2 s -1 Kkg -1 左右 ( 图 3b) 为了进一步说明系统气旋性涡度的变化, 我们给出了相应时次 θ 犲 =354K 湿等熵面上的散度分布图 ( 图 4a), 图 4b 是 24 日 03 时相应湿等熵面上的气压场和流场, 由图可以看到在 MCS 发生发展的珠江口北侧和华南西部沿海一带, 湿等熵面的气压较高, 说明湿等熵面在这里明显下陷 MCS 是在湿等熵面呈漏斗状的区域中发展起来的吴 [6] [9] 国雄等和寿绍文等在讨论江淮流域梅雨锋暴雨过程中也发现湿等熵面的这种形态, [9] 他们分析的湿等熵面在暴雨区也呈下陷的状态寿绍文等曾把这一下陷区称为等熵面的深坑, 并根据倾斜涡度发展理论指出在这一有利的等熵面形态下, 具有较高湿位涡的高层冷空气可沿着等熵面快速向南下降, 使对流稳定度急剧减弱, 导致了气旋性涡旋的发展和加强 ; 同时由于向下滑的冷空气可迫使底部的暖湿空气沿着等熵面上升, 并在等熵面上与冷空气相遇, 有利于对流和暴雨的发展图 4a 表明在 MCS 的发展过程中,MCS 发生区域的等熵面上有较明显的辐合区, 表现为深坑北侧的倾斜湿等熵面上来自北侧的冷空气向下滑入深坑中与暖湿空气会合 ( 图 4b) 但应 [9] 该注意到, 这种冷空气沿湿等熵面从高层下滑的现象不象梅雨锋暴雨那样明显, 只是在深坑的西北侧有一支较弱的气流滑入深坑中, 与那里的暖湿空气会合, 这是华南地区冷空气比较浅薄的一种表现, 同时也是由于冷空气主要是从西路南下 [12] 的缘故从图 4 可以看到, 冷空气主体是从华南西部沿海沿着倾斜的湿等熵面下滑, 进入南海北部的, 在 MCS 发展位置上的辐合, 来自冷空气一侧的贡献不是很明显, 主要是南侧暖湿空气的流入应该指出的是, 在深坑的东部和东北部, 有较强的辐散区, 湿等熵面高度较高的层次上 (400hPa 500hPa 左右 ) 有明显的向外流出区, 图年 5 月 24 日 03 时 θ 犲 =354K 湿等熵面上散度的分布 (a, 单位 :10-5 s -1 ) 以及气压和流场分布 (b) 阴影区为 MCS 降水强度大于 10mmh -1 的区域

7 336 大气科学 28 卷 [10] 这是 MCS 内部气流的一种反映, 蒙伟光等曾指出, 模拟的 MCS 的内部有强烈的上升运动, 其上层有明显的辐散区, 高层的最大流出位于 400hPa 层次上, 这些分析结果是相互一致的从以上的分析可以看到, 当来自南侧的暖湿空气流入湿等熵面下陷区或是当南北冷暖空气在湿等熵面深坑中会合时, 由于沿倾斜的湿等熵面下滑过程中两支气流均经历了对流稳定性减弱的过程, 气旋性涡度将增大, 有利于 MCS 和暴雨的形成和发展而且由于在这一过程中有凝结潜热的释放, 可进一步减少对流不稳定性, 结果将进一步促进涡旋的发展, 使对流和降水得到维持 3 3 倾斜涡度发展的分析以上的分析表明,MCS 和暴雨发生在湿等熵面有明显倾斜的区域在湿等熵面倾斜时,θ 犲坐标中的法向涡度并不垂直于地表, 因此的改变并不完全等价于垂直涡 ζθ ζθ 度的变化在 3.1 节中我们曾讨论过, 此时可在等压面上进行分析当选用犘坐标时, 湿位涡的水平分量和垂直分量的总和守恒, 系统涡度 ζ 狆的改变由对流稳定度水平风的垂直切变或湿斜压度的变化共同决定已有一些工作对湿位涡正压项和斜压项与暴 [5,7,8] [5] 雨的关系进行了分析, 如王建中等还对湿位涡表达式进行变化, 提出了相对湿位涡和牵连湿位涡的概念, 其中牵连湿位涡为 - 犵犳 ( θ 犲 / 狆 ), 即大气静止 ( 狌 =0, 狏 = 0) 时的湿位涡, 相对湿位涡相当于从湿位涡减去牵连湿位涡, 这为在随地球旋转的坐标中考察斜压涡旋的特征提供了方便以下我们仍用 3.1 节给出的犠 1 和犠 2 的表达式对等压面的湿位涡特征进行讨论, 利用倾斜涡度发展理论进一步对 MCS 和暴雨的形成发展过程进行分析为了更清楚地反映出湿位涡的时空演变, 图 5a 给出了在强对流区域上平均得到的湿位涡空间时间剖面图在暴雨和 MCS 形成之前, 气层中的湿位涡值都比较小, 而在 MCS 发生发展的过程中, 湿位涡的正异常区主要位于低层 700hPa 以下的气层, 其中心位于 900hPa 附近, 最大值达到 m 2 s -1 Kkg -1 以上图 5b 中我们给出图 5 湿位涡的时空演变图 (a)1998 年 5 月 MCS 附近 3 3 个网格点平均湿位涡的空间时间剖面图 ; (b)900hpa 上 MCS 附近 3 3 个网格点平均的湿位涡各分量 ( 单位 :10-6 m 2 s -1 Kkg -1 ) 以及相对涡度 VOR ( 单位 :10-5 s -1 ) 和降水强度犚 ( 直方图, 单位 :mmh -1 ) 的时间演变

３期蒙伟光等华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析３３７了９００ｈＰａ上湿位涡各分量的时间演变图同时还给出了区域平均的相对涡度和ＭＣＳ降水强度的变化可以看到湿位涡的正异常主要来自犠１的贡献从２３日１８时起随着ＭＣＳ的发展低层的犠１显著增大至暴雨和ＭＣＳ发展最强２４日０３时后犠１的值达到最大与降水强度的演变有很好的对应关系在暴雨和ＭＣＳ

8 ３期蒙伟光等华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析３３７了９００ｈＰａ上湿位涡各分量的时间演变图同时还给出了区域平均的相对涡度和ＭＣＳ降水强度的变化可以看到湿位涡的正异常主要来自犠１的贡献从２３日１８时起随着ＭＣＳ的发展低层的犠１显著增大至暴雨和ＭＣＳ发展最强２４日０３时后犠１的值达到最大与降水强度的演变有很好的对应关系在暴雨和ＭＣＳ发展的过程中犠１的值基本保持为正与此相反犠２却基本上为负值而且其绝对值在系统发展的过程中也有很明显的增大过程但由于犠１犠２湿位涡在暴雨过程中表现为明显的正异常从图５ｂ给出的区域平均相对涡度时间演变可看到湿位涡的正异常导致相对涡度的明显增长前面的讨论已说明涡度的增长与等熵面上的辐合以及水汽凝结引起的对流稳定度的减少有关从这里可以看到除此之外由于湿等熵面的倾斜风垂直切变湿斜压度的加强也可引起系统垂直涡度的增加图６给出了２４日００时和２４日０３时９２５ｈＰａ等压面上犠１和犠２的分布图分别对应ＭＣＳ发生的初始阶段和强盛阶段图上还给出了相应等压面上的θ犲等值线在ＭＣＳ发生的初始阶段华南地区的等θ犲线密集区也即锋区附近为犠１的正值区而且沿锋区呈带状结构这是由于在这一区域大气低层基本上是处于对流稳定 θ犲犘０或弱的对流不稳定状态参看图３ａ对流不稳定区犠１０主要位于南侧海洋图６１９９８年５月２４日９２５ｈＰａ等压面上犠１和犠２粗虚线以及θ犲细实线的分布ａ００时犠１和θ犲ｂ００时犠２和θ犲ｃ０３时犠１和θ犲ｄ０３时犠２和θ犲犠１和犠２的单位１０６ｍ２ｓ１Ｋｋｇ１等θ犲线间隔２Ｋ阴影区为ＭＣＳ降水强度大于１０ｍｍｈ１的区域

9 338 大气科学 28 卷上而对应时次犠 2 沿锋区均为负值区在 MCS 的发展过程中, 我们曾模拟出 MCS 的右侧有偏南风中尺度低空急流的发展, 其高度随 MCS 的发展可抬升到 850hPa 附近因此, 犠 2 的负值主要是来自水平风的垂直切变的增大和湿斜压度增强的贡献随着 MCS 的发展和南移, 锋区上正的犠 1 区和负的犠 2 区也向南压至珠江口北侧 ( 图 6c d), 而且随着对流稳定性的减少和斜压性的增强, 犠 1 和犠 2 的绝对值均增大, 与 MCS 和涡旋的发展有很好的关系图 6 上在 MCS 发展的位置上均有相应的犠 1 和犠 2 大值中心对应, 特别是与 MCS 对应的犠 2 负值中心, 由于湿斜压度的增大此时的负值达到了 m 2 s -1 Kkg -1 以上, 与犠 1 正值中心的值已可以相互比较因此, 尽管从区域平均来看, 在 MCS 和暴雨的发展过程中, 犠 1 的绝对值比犠 2 的绝对值大很多 ( 图 5b),MCS 以及涡旋的发生发展主要来自正压部分的贡献, 但斜压项的贡献也是不容忽视的 4 条件对称不稳定与倾斜上升运动 MCS 和涡旋的发展并不是在对流最不稳定区中发展起来的, 而是位于暖湿气流北侧的锋区前沿或低层正犠 1 和负犠 2 的大值中心区, 这是一个很值得研究的现象从本次暴雨个例的模拟情况看,MCS 内部的强上升气流呈向北倾斜的状态, 其南部气层中有对流不稳定能量的积聚在 MCS 明显发展起来之前 12 小时 ( 即 23 日 12 时 ) 模拟的位于澳门站的犜 lg 狆图表明, 对流有效位能 (CAPE) 一直在增加, 此时已达 1156 Jkg -1,700hPa 以下的层次基本处于饱和状态 ( 图略 ) 倾斜上升运动把对流不稳定区具有强不稳定能量的暖湿空气向北和向上输送, 在那里由于湿等熵面倾斜引起的涡旋发展作为一种强迫机制促使不稳定能量得到释放, 使降水落在具有较强的犠 1 和犠 2 值的弱不稳定区中, 而不是垂直落在气流最不稳定的区域由此看来, 倾斜上升运动在此次 MCS 的形成和发展中起来了重要的作用大气在垂直方向上为对流稳定在水平方向上为惯性稳定的情况下, 由于气流作倾斜上升运动仍可能引发不稳定扰动的发展, 这种对称不稳定 (SI) 机制早已被人们 [13,14] 认识到按照 Bennets 和 Hoskins [13] 犠 <0 是判断气层中条件对称不稳定 (CSI) 的一个必要条件, 从图 7a 所给出的 24 日 00 时经暴雨区和 MCS 南北方向的垂直剖面图上可以看到, 尽管在暴雨区上空低层的犠值为正, 但在其中层有从 MCS 南部低层一直伸向北侧低层正值区上空的负犠值区, 说明中层大气是满足 CSI 条件的为了进一步证实 CSI 机制在本次 MCS 和暴雨发生发展中的作用, 我们还绘制了相当位温 θ 犲和绝对动量犕的垂直剖面图图 7b 也是 24 日 00 时的情况, 从图上可以看到在 MCS 形成的位置上空,800~500hPa 的层次上, 等 θ 犲线的倾角大于等犕线的倾角, 按照理论模式推导出的判据, 这种情况也是满足 CSI 发生条件的因此,CSI 机制应该是本次暴雨和 MCS 得到发展的一种可能的重要机制由于 CSI 条件下可形成中尺度的倾斜环流并触发扰动的不稳定发展,MCS 中的倾斜上升运动可能是扰动发展的一种结果综合以上的分析, 我们给出了在倾斜的湿等熵面上暴雨和 MCS 发生发展的物理模型 ( 图 8) 在倾斜的湿等熵面下陷区对流稳定性小, 从暴雨区和 MCS 北侧沿湿等熵面下滑的冷空气与来自南侧作倾斜上升具有较强对流有效位能的暖湿空气在下陷区会

3 期蒙伟光等 : 华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析 339 图 7 1998 年 5 月 24 日 00 时模拟的经暴雨和 MCS 南北方向剖面图的犠分布 (a, 单位 :10-6 m 2 s -1 Kkg -1 ) 以及绝对动量犕和 θ 犲的分布 (b, 实线 : 等 θ 犲线, 间隔 2K; 虚线 : 绝对动量犕线, 间隔 4ms -1 ) 阴影区为雨水混合比大于 0.

10 3 期蒙伟光等 : 华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析 339 图年 5 月 24 日 00 时模拟的经暴雨和 MCS 南北方向剖面图的犠分布 (a, 单位 :10-6 m 2 s -1 Kkg -1 ) 以及绝对动量犕和 θ 犲的分布 (b, 实线 : 等 θ 犲线, 间隔 2K; 虚线 : 绝对动量犕线, 间隔 4ms -1 ) 阴影区为雨水混合比大于 0.4gkg -1 的区域图 8 湿等熵面上暴雨和 MCS 发生发展的物理概念模型合的过程中经历了对流稳定性减小的过程对流稳定性的减小和气流在湿等熵面上的辐合造成了系统气旋性涡度的增大, 导致暴雨和 MCS 发生发展区域有气旋性的涡旋发展, 有利于暴雨和 MCS 的形成对流发展区域的上空满足 CSI 发生的条件, 扰动发展的结果引起上升运动呈倾斜状态另外, 由于湿等熵面倾斜, 在暴雨和 MCS 的发展过程中, 水平风垂直切变和湿斜压度的增大也有利于涡旋的发展, 使暴雨和 MCS 得以维持

11 340 大气科学 28 卷通过分析, 我们可以看到尽管在暴雨过程中有时等 θ 犲面与等压面的交角较大, 或者非静力过程比较明显, 但即使在这样的时候湿等熵面上湿位涡的异常对暴雨和 MCS 的发生发展仍有较好的指示作用, 湿位涡守恒和倾斜涡度发展理论在这种情况下还是有很大的意义近年来, 有不少的工作继续从理论上探讨湿位涡异常与强暴雨系统发 [15~17] [15] 生发展的关系问题, 如高守亭等进一步从动力上推导了热力质量强迫下的湿位涡方程, 指出强暴雨系统中湿位涡随时间的变化不仅要受热力的强迫, 而且还受到因强降水造成的质量强迫的影响, 暴雨系统中的湿位涡异常与这两种强迫的共同作用有密切关系这些工作都表明湿位涡异常作为暴雨系统移动和落区的示踪量, 在暴雨诊断和预报工作中有着广阔的前景 5 结论 (1)MM5 较好地模拟了 1998 年 5 月 23~24 日的华南暴雨和中尺度对流系统 (MCS) 的活动, 模式输出的要素资料是可信的 (2) 暴雨和 MCS 在倾斜湿等熵面呈下陷的区域中发展起来, 与暴雨区相应湿等熵面上气压较高的区域有正的湿位涡对应正的湿位涡值随着暴雨和 MCS 的发展增大, 范围也扩大 (3) 湿位涡值的增大与冷暖空气在湿等熵面下陷区会合有关由于 MCS 发生区域北侧冷空气沿倾斜的湿等熵面下滑的过程中与南边暖湿空气会合, 倾斜的湿等熵面上有明显的辐合区 ; 而且南北冷暖空气向湿等熵面下陷区移动的过程中都经历了对流稳定性减弱的过程, 导致涡旋发展, 降水发生, 湿位涡值增大凝结的作用进一步减小对流不稳定性,MCS 在弱对流不稳定的区域中形成和发展 (4) 水平风垂直切变的增大和湿斜压度的增加对涡旋的发展从而对 MCS 的形成也有较大的贡献与暴雨和 MCS 发生区域对应的低层等压面上湿位涡的正压分量为正值, 而斜压分量为负值 (5) 对称不稳定可能是暴雨和 MCS 发生发展的一种重要机制在 MCS 发生的弱对流不稳定区, 等 θ 犲线的倾斜度比绝对动量犕等值线的倾斜度大, 中层对应有湿位涡的负值区, 满足 CSI 条件, 来自 MCS 南侧的倾斜上升运动把对流不稳定区具有强不稳定能量的暖湿空气向北和向上输送, 并促使不稳定能量释放参考文献 1 Hoskins,B.J.,Theroleofpotentialvorticityinsymmetricstabilityandinstability, 犙狌犪狉狋. 犑. 犚狅狔. 犕犲狋犲狅狉. 犛狅犮.,1974,100,480~ Hoskins,B.J.,Ontheuseandsignificanceofisentropicpotentialvorticitymaps, 犙狌犪狉狋. 犑. 犚狅狔. 犕犲狋犲狅狉. 犛狅犮.,1985,111,877~ 盛华, 81.7 大暴雨位涡与相当位涡的诊断分析, 高原气象,1984,3 (3),10~18. 4 陆尔丁一汇李月洪,1991 年江淮特大暴雨的位涡分析与冷空气活动, 应用气象学报,1994,3 (8),266~ 王建中马淑芬丁一汇, 位涡在暴雨成因分析中的应用, 应用气象学报,1996,7 (1),19~27. 6 吴国雄蔡雅萍唐晓菁, 湿位涡和倾斜涡度发展, 气象学报,1995,53 (4),378~405.

12 3 期蒙伟光等 : 华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析李耀辉寿绍文, 一次江淮暴雨的 MPV 及对称不稳定研究, 气象科学,2000,20 (2),172~ 段旭李应, 滇中暴雨的湿位涡诊断分析, 高原气象,2000,19 (2),253~ 寿绍文李耀辉范可, 暴雨中尺度气旋发展的等熵面位涡分析, 气象学报,2001,59 (6),560~ MengWeiguang,WangAnyu,LiJiangnanetal.,Numericalsimulationofamesoscaleconvectivesystem (MCS) duringthefirstrainyseasonoversouthchina, 犃犮狋犪犕犲狋犲狅狉. 犛犻狀犻犮犪,2003,17 (1),79~ 蒙伟光王安宇李江南等, 华南前汛期一次暴雨过程中的中尺度对流系统, 中山大学学报 ( 自然科学版 ), 2003,42 (3),73~ 仪清菊刘品王明志,1998 年华南暴雨试验期暴雨过程概述, 气象科技,1999,(3),33~ Bennets,D. A.,andB.J. Hoskins,Conditionalsymmetricalinstability possibleexplanationforfrontrain bands, 犙狌犪狉狋. 犑. 犚狅狔. 犕犲狋犲狅狉. 犛狅犮.,1979,105,945~ Emanual,K. A.,Onassessinglocalconditionalsymmetricinstabilityfromatmosphericsounding, 犕狅狀. 犠犲犪. 犚犲狏.,1983,111,2016~ 高守亭雷霆周玉淑, 强暴雨系统中湿位涡异常的诊断分析, 应用气象学报,2002,13,662~ Gaoshouting,LeiTing,andZhouYushu,Moistpotentialvorticityanomalywithheatandmassforecingsintor rentialrainsystems, 犆犺犻狀. 犘犺狔狊. 犔犲狋.,2002,19,878~ CuiXiaopeng,GaoShouting,andWuGuoxiong,Moistpotentialvorticityandup slidingslantwisevorticityde velopment, 犆犺犻狀. 犘犺狔狊. 犔犲狋.,2003,20,167~169. 犕狅犻狊狋犘狅狋犲狀狋犻犪犾犞狅狉狋犻犮犻狋狔犃狀犪犾狔狊犻狊狅犳狋犺犲犎犲犪狏狔犚犪犻狀犳犪犾犪狀犱犕犲狊狅狊犮犪犾犲犆狅狀狏犲犮狋犻狏犲犛狔狊狋犲犿狊犻狀犛狅狌狋犺犆犺犻狀犪 MengWeiguang 1,2),WangAnyu 1),LiJiangnan 1), FongSoikun 1,3),andHouEr bin 2) 1)( 犇犲狆犪狉狋犿犲狀狋狅犳犃狋犿狅狊狆犺犲狉犻犮犛犮犻犲狀犮犲, 犣犺狅狀犵狊犺犪狀犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔, 犌狌犪狀犵狕犺狅狌 ) 2)( 犌狌犪狀犵狕犺狅狌犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犜狉狅狆犻犮犪犾犪狀犱犗犮犲犪狀犻犮犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵狔, 犌狌犪狀犵狕犺狅狌,510080) 3)( 犌犲狅狆犺狔狊犻犮犪犾犪狀犱犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犗犫狊犲狉狏犪狋狅狉狔犕犪犮犪狅, 犕犪犮犪狅, 犆犺犻狀犪 ) 犃犫狊狋狉犪犮狋 ByusingtheMM5modeloutputsofasuccessfulnumericalsimulationonaSouthChina heavyrainfaleventandthemesoscaleconvectivesystem (MCS)occuredduring23~24May1998,the developmentoftheheavyrainfaland MCShavebeeninvestigatedintermsofmoistpotentialvorticity principleandslantwisevorticitydevelopmenttheory.theresultsshowthat,ontheslantwisemoistisen tropicsurface,areaswithhighpressureandpositivemoistpotentialvorticityarefavorableforthedevel opmentofheavyrainfalandmcs.asthecoldairslidedownalongthemoistisentropicsurfaceandcon fluencewiththeslantwiseupwardmotionwarmandmoistairwithhighconvectiveavailablepotentialen ergyvalues,bothofthemexperienceastabilitydecreasingprocess,andleadtocyclonicvorticitydevel opment. Overdeepconvectionarea,theatmosphereexhibitsthesignatureofconditionalsymmetricin stability,andmcsischaracterizedbyslantwiseupwardmotion. Asfortheslantwiseofmoistisentropic surface,theincreaseinverticalshearofhorizontalwindorenhancementinmoistbaroclinityalsoresulted intheincreaseofverticalvorticityandthedevelopmentofmcs.finalyinthearticle,aphysicalconcep tualmodelaboutthedevelopmentofheavyrainfalandmcsoversouthchinawaspresented. 犓犲狔狑狅狉犱狊 :moistpotentialvorticity;conditionalsymmetricinstability;mesoscaleconvectivesystem; SouthChina;heavyrainfal;numericalsimulation

殐殐 27 1 Vol.27 No ImagingScienceandPhotochemistry Jan.,2009 檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐 *O! "# #B) 1,CDE 1, 2, 1 (1., ;2., ) $ %:3 J = 2J4

殐殐 27 1 Vol.27 No ImagingScienceandPhotochemistry Jan.,2009 檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐 *O! # #B) 1,CDE 1, 2, 1 (1., ;2., ) $ %:3 J = 2J4 殐殐 27 1 Vol.27 No.1 2009 1 ImagingScienceandPhotochemistry Jan.,2009 檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐 *O! "# #B) 1,CDE 1, 2, 1 (1., 200092;2., 200092) $ %:3 J = 2J4 ',V T, _` * C?. + SU L 3 H4 E '.< 4 893?, V 9 P>?.