一次梅雨锋暴雨与中-β尺度低涡及小高压的关系

一次梅雨锋暴雨与中-β尺度低涡及小高压的关系
孙素琴;于爱兵;郑婧
【摘要】利用NCEP再分析资料、常规观测资料和WRF中尺度数值模式,对2010年6月19-20日江西特大暴雨过程进行数值模拟及诊断分析.结果表明,此次过程中,中-β尺度小高压的维持和破坏对雨带的生成与发展有显著的影响.由于小高压的存在,阻挡了北方弱冷空气南下,不利于强降水发生.当小高压减弱消失时、冷、暖气流的交汇引发强烈辐合上升运动,从而触发强降水.中-β尺度小高压的产生维持、消亡与高空急流的非地转质量调整有关.中尺度低涡的稳定维持、弱冷空气南下、高空急流动量南扩、低层西南急流维持等多个因素共同导致了大暴雨的产生.
【期刊名称】《气象与减灾研究》
【年(卷),期】2012(035)002
【总页数】8页(P23-30)
【关键词】暴雨;低涡;小高压;急流;耦合
【作者】孙素琴;于爱兵;郑婧
【作者单位】江西省气象台,江西南昌330046;河北省气象台,河北石家庄050021;江西省气象台,江西南昌330046
【正文语种】中文
【中图分类】P458.1+21.1
对于梅雨锋及其引发的暴雨天气一直是国内外气象专家们关心的问题。

从目前对梅雨锋及梅雨锋暴雨的研究进展可以看出，专家们从天气学和动力学角度对其影响因
子及时空分布研究较多［1-3］。

20世纪90年代以后，长江流域梅雨锋降水持续异常，多次引发局地性的大洪水，气象专家们组织对梅雨锋上降水进行专门研究，如1991年和1998年对该流域内大洪水的研究［4-5］，表明梅雨锋上有中-α尺度、中-β尺度和中-γ尺度多种尺度组合的暴雨。

高坤等［6］通过对1999年6月下旬梅雨锋上低涡形成发展及扰动分析认为，与梅雨锋有着密切关系的低涡分为两类：一类是高原东侧形成，之后沿梅雨锋逐渐东移，到达长江中下游；另一类是在有利的动力、热力条件下在梅雨锋上形成，移动较慢，这两类低涡的形成和移动均与长江流域地形有着密切的关系，并对长江中下游暴雨的突发有重大影响。

对梅雨锋暴雨上的低涡、切变线的研究较多，对切变线北侧小高压的存在对降水的影响研究较少。

如，廖捷等［7］认为暴雨北侧小高压的存在有利于切变线的加强和维持，从而有利于梅雨锋降水的形成。

当小高压存在时，通常暴雨的瞬时雨强较大，预报上难于掌握，故有必要对此类暴雨过程进行研究。

2010年6月17—20日发生在江西的一次暴雨过程，属于梅雨锋上中-β尺度的对流性暴雨，低涡的生成、发展对降水贡献较大，而低涡西北侧中-β尺度小高压的生消与降水的突增有着密切关系。

文中利用WRF中尺度模式的模拟结果，试图找出引发降水突增的原因，为梅雨锋暴雨的分析和预报提供参考。

2010年6月17—20日，江西北部出现一次罕见的连续暴雨过程，其中19日08时—20日08时（北京时，下同）降水过程尤为明显，其间有25个县（市）出现大暴雨，5个县（市）出现特大暴雨，最大降水量为329 mm。

此次暴雨过程中，东亚地区呈现“两槽一脊”型环流分布。

分析2010年6月19日08时500 hPa高度场（图略）发现，贝加尔湖以西、乌拉尔山以东地区存在阻塞高压，在其东部维持一个低压槽区，此低槽经向度较大，槽底伸至长江中下游地区。

中低纬度副热带高压呈现带状分布，脊点西伸至中南半岛，脊线稳定维持在20°N附近。

由于槽底位置偏南，有利于干冷气流不断南下，与南方具有高位势不
稳定能量的暖湿气流交绥，从而形成大范围的暴雨天气。

采用WRF（V3.2）中尺度数值模式，使用由NCEP提供的1°×1°分辨率的全球再分析资料。

模式采用双向作用的嵌套网格域，模拟区域的中心位置定于（32°N，116°E），母域和子域是同一中心。

粗、细网格的水平分辨率分别为30 km和10 km，细网格点数为218×314，垂直方向积分层为27个不等距的σ层，模式顶气压为10 hPa。

积分时间从2010年6月19日02时—20日20时，每1 h输出一次结果。

微物理过程运用WSM3方案，积云对流参数化方案采用浅对流Kain-Fritsch方案，同时采用了YSU边界层方案、Dudhia短波辐射方案、RRTM长波辐射方案、Monin-Obukhov近地面层方案和Noah陆面过程方案等。

对比分析19日08时—20日08时实况与模拟降水分布（图1a、1b）发现，模
式对雨带的位置模拟效果较好，雨带呈东西走向，但整体偏南。

对江西东北部降水中心模拟效果较好，但对西部雨带模拟较差，表现为雨带偏南，并且有一虚假大值中心，这可能与模拟的尺度相对较大有关。

又分析模拟的850 hPa流场（图1d）可以发现，江西北部切变线北侧的小高压生成于19日05时，消失于19日09时，小高压的活动与消亡也与实况（图1c）一致。

可见，对850 hPa流场的模拟也很成功，模拟再现了本次强降水过程。

因此，模拟结果可以用作对暴雨过程的分析。

通过对暴雨过程中850 hPa流场分析发现，雨带北部在暴雨发生前伴有中-β尺度小高压存在，小高压的生消对降水的影响明显，在其崩溃后，江西北部降水突然加大。

由19日05时—08时850 hPa流场和500 hPa温度场（图2）演变可以发现，
从19日05时开始，在湖北中东部有一个中-β尺度的小高压生成，07时移至鄂
东北，小高压的东南部为一低涡切变，该低涡中心19日07时位于（117°E，30°N），之后迅速东移南压。

4 h后移至（118.5°E，28°N），在低涡移动过程中，其西北侧30°N以北逐渐由小高压环流控制，19日09时前小高压在鄂东维持，
在小高压维持期间，30°N附近有切变线存在，但赣北降水不明显，09时，小高
压迅速北抬减弱消失，赣北降水在这一时期开始加强，10时小高压完全消失，鄂
东北至赣北地区转为东北气流，赣北以南为西南气流，降水发生在东北风和西南风的辐合线上，随后5 h辐合系统东移至江西北部，19日10—17时降水维持在赣
北地区，17时后雨带南压，降水略减弱。

可见，在小高压的控制下降水不明显，
小高压减弱消亡后降水逐渐加强，同时低涡的生成发展对降水的加强有明显的指示作用。

分析热力性质结构发现，小高压为“上冷下暖”的不稳定结构（图2a、2e）。

19日02时500 hPa层湖北西北部有一个低于-6℃的冷中心东移发展，在小高压北
侧普遍低于-6℃，南侧的暖势力也随之减弱。

05时冷中心已南压到小高压西北侧，中心值低于-8℃。

07时小高压开始减弱，其原先所处的区域转受反气旋性环流控制，弱冷空气快速南下。

同时在19日08时小高压南侧的暖势力开始加强，有利
于冷暖气流的交汇。

分析19日02时850 hPa层温度场（图2e）和700 hPa层
温度场（略）可以发现，中低层小高压处于暖性气团内，随着高层弱冷空气快速南下，小高压迅速消亡，中低层也转为偏北气流。

分析850 hPa层沿114.8°E的负涡度随时间的变化（图3a）也可以看出，大范围的负涡度区域在19日02—14时维持在30°N以北，随后6 h内逐渐向南移动，20时江西北部降水开始成片加强。

分析850 hPa层沿117°E的散度随时间的变化（图3b）发现，在小高压维持阶段，湖南北部至江西北部的切变线上有弱辐合存在，随着小高压的减弱消亡，辐合进一步加强。

因此，中-β尺度小高压的存在有
利于梅雨锋切变线的维持，但切变上辐合强度较弱，不能为暴雨提供较强的辐合系统，只有在其消亡后南北辐合加强，才有利于强降水的产生。

小高压减弱的原因，以及当小高压减弱时降水突然在江西北部加强的原因是关注的重点。

高空急流与梅雨期暴雨发生发展关系密切，暴雨多出现在高空急流的出口区的右后
方［8-9］。

利用模式输出资料进一步分析此次暴雨的高空急流的配置，发现高空急流在此次过程中发生了显著调整。

降水发生前，小高压处在高空西风急流右前方（图4a），由文献［10］可知，高空急流出入口区附近次级环流的质量调整使急流右前方正是空气辐合下沉的区域，高空的空气下沉在低层形成堆积的趋势，从而使850 hPa小高压及反气旋环流形势得以维持，这与实际环流场变化一致。

由
200 hPa高度层急流演变（图略）可以发现，随着中纬度西风急流的逐渐东传，
江西北部地区转处高空西风急流入口区的右侧，前期急流核稳定位于35°N以北，急流区动量南移，且与小高压北侧急流合并，在长江中下游地区汇合。

这种形势配置下，高空急流右后方次级环流的作用,即入口区右侧空气的强烈辐散，使得此处
低层空气强烈辐合上升，导致小高压遭到破坏，有利于地面低涡的生成和发展，从而在低涡附近及其东侧南侧的降水开始增强（图4b）。

以往的研究［10］指出，无论是在水平剖面上还是垂直剖面上，一般梅雨锋都用
等假相当位温的密集带来定义的。

因此，这里利用假相当位温（θse）作为锋生指数来考虑小高压消失前后锋区的变化。

分析模拟的19日02时—20日20时700 hPa沿114.5°E的θse随时间演变（图5a），可以发现，在29°N附近维持着一
个θse密集区，这与之前局地辐合有关。

19日04时以后，小高压开始建立和发展，等θse线开始变得稀疏。

随后，随着小高压迅速减弱，反气旋环流逐渐消失，等θse线开始变密并南压，直到反气旋环流崩溃，江西北部转为一致东北气流控制，逐渐形成一等θse密集区。

伴随等θse密集带的缓慢南移，降水随之产生并
加强，雨区南压。

而低层表现没有中层明显（图略）。

这也说明在小高压消失后，江西北部发生一次梅雨锋中层锋生过程。

分析700 hPa层沿116°E的v分量随时间变化（图5b）可以看出，小高压存在及反气旋环流维持时，江西北部处于v分
量零线附近，南北方向上风速都较小。

当小高压消亡后，赣北南部的南风分量首先明显加大，随后北风分量也不断加强并南压，在江西北部形成了一个南北风风向、
风速的辐合区，对应降水开始加强。

这里看到的北风分量的加强表示冷空气加强，有利于锋生，同时使锋区快速南压。

这种锋生在700 hPa层上表现得很明显。

可见，本次暴雨过程是一次明显的中层锋生引起的降水过程。

由以上分析可知，中层锋区的生成与小高压的消亡有关，中层锋区的加强南压是本次强降水的关键影响因子之一。

强降水的发生与中-β尺度低涡的生成发展密不可分。

此次暴雨过程中，不仅有在
赣东北南部生成的局地低涡系统，还有从湖南境内不断发展东移的低涡系统。

此次暴雨过程中，中低层中尺度低涡的形成主要是由西南暖湿急流加强及北方弱冷空气活动这两个因子造成的［11］。

在江西东北部局地形成的中-β尺度低涡和从
湖南境内发展东传的低涡，对此次大暴雨都有很大贡献。

分析模式输出资料可以看出，19日09时江西北部辐合线上存在一结构完整的中-β尺度低涡，呈现东北—
西南向分布。

气旋式环流向东北方向扩展，与东面的低压区融通，促进了低涡向东部快速移动，对19日出现的暴雨及大暴雨发生起很重要的作用。

19日09时以后，2个中-β尺度对流系统沿低层切变线南侧发生发展并东传。

选取江西北部低涡经
过之处的一点（28.3°N，115°E），作涡度的高度-时间剖面（图6b）。

分析发现，江西北部出现特大暴雨的时段（19日10—20时），中低层为强低涡环流控制，600 hPa层以上为强烈气流辐散区。

19日10时低涡移至江西北部地区，并不断
发展东移，暴雨发生在低空低涡的南侧，这与1 h强降水的实际发生时间及地点相对应。

因此，特大暴雨与该时段存在的低涡关系密切。

另外，分析19日12时风速、温度沿114.8°E的垂直剖面（图6d）可以看出，在28°N附近整层有一向北
倾斜的风速辐合区存在，说明此时冷、暖空气已交汇于此，且低层较高层汇合强烈。

利用模式输出资料分析中-β尺度低涡发生发展的原因，发现低空急流在这次过程
中发生了显著变化。

降水发生前850 hPa层西南急流位于26°N附近地区（图
6c）。

19日09时，西南暖湿气流明显北抬1—2个纬距，最大风速达20 m/s。

为了研究西南低空急流空间结构变化及中-β尺度对流系统空间结构特征，选取点（28°N，116°E）作其时间-高度风速剖面（图略）。

分析发现，在暴雨发生时段，该区域存在高空西风动量的不断下传东移，强降水附近有较大的风速梯度存在。

积分9 h内，急流区域稳定维持在28°N以南地区。

从急流中心的移动路径及强度变化可以清楚看出，19日10时，急流中心向东北推进的同时，高度也开始延伸至
近地层，动量的向下传输必定带来不稳定能量释放，风速也不断增加，风速大值区位于暴雨区南侧，呈现东北—西南向的带状分布，最大急流核风速超过24 m/s。

模拟的急流中心时空变化特征，从实况场（图略）也可以得到验证。

19日04时
之前，西南低空急流的强度未发生较大变化，700 hPa层的西南向中层轴线有一
个明显的南压过程。

19日04—16时，中层西南急流强度加强，江西东北部形成
低涡环流，700 hPa层切变线南侧的急流区开始北抬至赣北南部。

上述变化与模
式输出结果是一致的，这就进一步证实模拟的真实性及可靠性。

沿116°E v分量随时间演变图（图5b）中风速零线所在位置，即西南风和东北风
的过渡带，可以大致认为是切变线的位置。

分析图5b发现，模式积分的前12 h 内，700 hPa切变线向东北方向推进了约1—2个经距。

由于剖面位于切变线南侧，积分12—19 h内切变线位置变化不明显；19日20时，切变线呈东西向分布（风速零线接近竖直）。

这些都与实况变化一致。

随着弱冷空气沿偏西路径向南扩散，中-β尺度气旋发生、发展并东移，切变线西侧的西南气流明显加强，切变线也随
之转为东北—西南向。

700 hPa层切变线的南压，850 hPa层低涡的少动，都与
实况相符。

总之，随着小高压的减弱及高空急流的动量不断东移、下传（图7），低空暖湿气流不断发展加强，并向东北方向移动，大暴雨区正好落在低空急流左前方。

随着低空急流的不断减弱和向东南方向移动，江西北部降水随之减弱。

从高低空急流发展演变情况也可发现，高、低空急流发生发展有一定的关联性。

由
于副热带高压的稳定维持，其西南侧的风速不断增大，将海上充沛的水汽源源不断地输送至江淮地区。

随着高空急流核不断东移，使得小高压填塞消亡，从而使北部弱冷空气不断南扩，与低空不断增加的西南暖湿急流相结合。

江西北部的高空为急流右后方的辐散区，低空为西南暖湿急流左前方的辐合区，这样的配置有利于垂直运动的生成和发展。

高、低空急流的相互作用是梅雨期暴雨形成的重要原因，两者的耦合有利于低层中尺度系统的发生、发展。

在一定的环流背景下，两者的适宜配置：高空急流的东传、动量下传，低空急流的加强，产生高温、高湿的大气条件。

动力及热力条件上高、低空耦合作用，为大暴雨的发生、发展提供了有利条件。

这与Chen等［12］对1991年6月发生在长江中下游梅雨锋上MCS暴雨个例的数值模拟分析结果一致。

通过对2010年6月19—20日江西一次梅雨暴雨的成因进行数值模拟及诊断分析，主要得到以下结果：
（1）暴雨过程中，在雨带的北部出现中-β尺度小高压。

中-β尺度小高压维持时，降水较弱；小高压被破坏后，降水加强。

小高压的产生原因与高空急流右前方的质量调整产生的下沉运动而形成的质量堆积有关，小高压的消亡与高空急流右后方质量调整造成上升气流加强及中层锋区的生成等因素有关。

（2）强降水发生与中-β尺度低涡的生成、发展、东移密不可分。

中-β尺度低涡
的形成与西南暖湿急流的加强及北方弱冷空气活动密切相关，冷、暖气流的相互作用可能是暴雨过程中低涡形成的重要原因。

（3）高空急流东传后小高压消亡，北方冷空气穿过小高压原先所在位置快速南下，同时西南低空急流不断加强北抬。

高低空急流耦合、冷暖气流交汇，为大暴雨的发生、发展提供了有利条件。

致谢：感谢江西省气象台许爱华正研级高级工程师的悉心指导!
【相关文献】
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