华南暴雨试验(SCHeREX)强化观测期一类涡旋暴雨特征的诊断与模拟研究
  • 【摘要】

    2008年汛期,我困华南地区发生了严重的洪涝灾害,而该年恰逢"南方雨野外科学试验(SCtIeREX,即,the South china China Heavy Rainfall Experiment)"开展,本文以外场试验获取的加密资料为基础,主要围绕这一年的强降雨及典型个例进行深入研究,以探讨华南特大暴雨如何发生等科学问题,与以往前汛前多锋前暖区暴雨不同,该年华南地区涡旋暴雨不断发生,其中,低续... 展开>>2008年汛期,我困华南地区发生了严重的洪涝灾害,而该年恰逢"南方雨野外科学试验(SCtIeREX,即,the South china China Heavy Rainfall Experiment)"开展,本文以外场试验获取的加密资料为基础,主要围绕这一年的强降雨及典型个例进行深入研究,以探讨华南特大暴雨如何发生等科学问题,与以往前汛前多锋前暖区暴雨不同,该年华南地区涡旋暴雨不断发生,其中,低续活跃的季风涌,经常在孟加拉湾低棤前部及中南半岛诱生出一类涡旋,其侵入华南后会带来特大暴雨.本文主要采用数值模拟与诊断分析相结合的方法,利用SCHeREX加密观测期间所获取的资料,同时结合其它各种资料,围绕这类涡旋降雨进行深入分折,先后对涡旋的发生发展机制、中尺度对流系统(MCS)结构及演变特征、涡旋与强对流系统的关系、涡旋暴雨的中尺度特征以及降雨机理等一系列问题展开了探讨,得到如下结果.(1) 2008年5月 28-6月 l9日前后,华南前汛期夏季风降雨强化观测期,出现了6次暴雨过程(TOPl一6,TOP即Intensive Observation Period,表现强化观测期,以下同).6次过程的环流分析均表明,经向度较大是2008年汛期显著的环流特征,这对于冷暖空气的南北交汇十分有利.通过对2005-2009年降雨及涡旋活动的埘比分析表明,与以往年份不同,2008年华南地区多涡旋暴雨发生.涡旋暴雨的出现是有利的环流特征、有利的中尺度流场扰动、有利的物理要素等多尺度条件共同作用的结果.华南上空对应于对流层中高层(简称中高层,参学200与 500 hPa资料,以下同)南亚高压东北侧的辐敞区,此处存在显著的上升运动.贝加尔湖以东地区在对流层中层(简称中层,参考500 hPa资料,以下同)为阻塞形势,这有利于北方冷空气到达华南.对流层低层(简称低层,参考850hPa 资料,以下同),季风涌活跃于25°N以南地区.副高("西太洋副热带高压"的简称,以下同)对孟加拉湾低的阻挡使得恰在华南形成低值扰动区,在这大的环流条件下出现的华南低值区,其四周边界的风场扰动与涡旋流场的闭合密切相关,其中,北边界多偏东风扰动,西边界多偏北风扰动尤为重要.(2) 在上述有利的多尺度背景下,lOP一3期间(2008年6月5-7日前后),两广沿海自西向东爆发了一次强烈的涡旋暴雨,分析表明本场涡旋降雨具有典型的特征.中低纬系统相互作用对涡旋发生发展十分重要.西南气流为涡旋提供了主要的水汽输送,副高南侧偏东气流的向北转向水汽输送(后文采用"副高西侧偏南水汽输送"或"副高西侧偏南气流"的提法来表示这条与副高相关的水汽输送带)亦有重要贡献.此外,华南切变区内低值系统间由上升气流而产生的水汽的相互补偿亦起到一定的作用.这些低纬的暖湿水汽与北方冷空气在华南交汇并产生强烈的上升运动.需要指出的是,华南涡旋暴雨的情况是比较复杂的.该场IOP一3的涡旋暴雨与季风涌的活动有密切的关系,它可追溯到来自中南半岛的季风槽区甚至更远地区.这同IOP-5过程中引发广西致洪暴雨的涡旋有较大不同,后者是由西南涡向东南方向移出后,系统的再度加强所致.涡旋降雨发生于从近地层至中高层较为深厚的空间,但涡旋的主体仅存在于较低层次,这里通常是各种物理量最强之处,对强降雨的发生至关重要.涡旋在中高层为弱暖区结构,低层为强冷区结构.华南涡旋的这种热力结构不同于暖心的台风结构,不同于东北冷涡及温带气旋的冷心结构,但与江淮梅雨锋涡旋及西南涡的结构有某些相似之处.这三类涡旋(华南涡旋、江淮涡旋及西南涡)都具有东亚季风区内副热带涡旋的特点.水平方向上,各层的涡度中心与闭合流场中心不完全重合,受辐合辐散与上升运动的影响,涡度中心与水汽中心位于闭合流场的东南部区域.(3) 还需要指出的是,该场暴雨存在明显的高低空急流相互作用,涡旋位于高空南支急流入口区右侧(200 hPa)与低空急流出口区左侧(850 hPa),南支急流与低空急流之间的耦合增强了涡旋上空的上升运动,这在以往的华南涡旋研究中尚不多见.上升运动、涡度、低空急流、水汽输送与辐合区域部发生于涡旋的东南侧,这些均有利于在涡旋东南侧产生强降雨.近地层的中尺度辐合线是冷暖气团的分界,当西南风突然增强时,辐合线会发生变形,辐合线的变形促进了近地层辐合上升的增强与对流系统的产生.近地层气流遇到中小尺度地形后产生爬升,会在背风侧稍远处产生辐合上升运动.而更大尺度的西南气流与偏东南气流辐合后,与上述中小尺度地彤产生的上升运动合并,这三支气流由低层进入雨团体内并辐合上升,上升气流集中于低层,随高度增加而逐渐发散,并在高层沿西南、西北两支气流辐散流出.上述低层三支气流的辐合,伴随着有利的地面温(南北向与东西向中小尺度冷池带)、湿环境、以及近地层的动力、热力扰动,构成了对流系统演变增强的有利条件.暴雨区里大气具有显著的不稳定特性,降雨虽以暖区性质为主,但是仍然体现出了中低纬系统与冷暖气团相互作用的特征.(4) 对涡旋发生发展机制的分析表明,其生成与发展初期,动力作用占主导地位,热力作用有一定贡献.涡旋生成前,已有少量降雨出现,在中层产生弱的闭合流场,此系统在垂直空间扩散后,在低层形成涡旋.随着涡旋的进一步发展,东部上升运动增强,使得降雨增强.降雨增强后,潜热得到进一步释放,这表现为中高层维持大值区,中低层的潜热亦不断增强.潜热增加又进一步增强了涡旋的发展,涡旋的增强使得其东部上升运动再次增强,相应降雨再次增加.由此,潜热作用又得到增强.涡旋在这种正反馈机制中逐步发展并进入强盛期.在涡旋发展后期,热力作用已超过以辐散风为主的动力作用,并逐渐占主导地位.此外,涡旋演变与降雨过程中的能量来源有:自身移动获取的能量(主要作用项);辐散风与旋转风穿越等压线制造的动能;低层辐散风引起的水平动能输送;低层辐散风将环境场能量输送给涡旋;低层辐散风动能向旋转风动能转化(主要作用项).涡旋发展后期,又从更大尺度的系统获取了能量(主要作用项).(5) 数值模拟试验表明,在涡旋降雨过程中,对流系统具有显著的中尺度结构.对流系统多产生于上层辐散下层辐合的有利环流条件下,在低层,西南气流与偏东南气流的辐合对系统的增强有重要贡献.近地层的冷舌自东向西扩展时,沿途大气的稳定性层结遭到破坏,雨团上暖下冷的热力结构得以形成,雨团得到增强.该场涡旋暴雨属典型的混合云降雨过程,在高层,新雨团的产生通常是旧雨团消亡后,其冰、霰、雪中心发生破裂,新的微物理结构的又一次增强及演变过程.地形数值试验表明了涡旋降雨的落区具有显著的中小尺度特征,这也是涡旋带来大暴雨的重要原因.改变水平方向几百千米,垂直方向几百米的地形,可在地形的不同方位引起降雨特征的显著改变;中小尺度地形对大范围的流场影响不大,对小范围流场的影响首先体现在低层,低层流场随地形而起伏、波动,流场遇到地形后更明显地表现为爬升作用.(6) 本文提出了华南地区一类涡旋暴雨的物理模型,并与华南等地的其它暴雨模型作了对比,探讨了它们的异同点.综合本文研究,可以得到如下结论.这类与低纬季风涌关系密切的涡旋,在高空南支急流与低空急流的共同作用下发展演变.在孟加拉湾低槽前部,不断东扩的中层短波扰动对涡旋的移动起引导作用.这类涡旋具有显著的结构特征与发展机制.低纬的西南气流从印度半岛、经孟加拉湾、过中南半岛、走西南路径,将大量水汽输送至我国华南地区.这支气流与北方冷空气在华南地区交汇,并产生涡旋大暴雨.在涡旋东南部,近地层辐合线的变形,配合着有利的物理要素,对雨团的产生十分有利.三支气流进入雨团体内后,产生的强烈上升运动,配合着高层不同雨团间微物理结构的相互补偿,共同促进了雨团的增强.在四周有利的环境条件下,涡旋得到发展,其东南侧的对流系统持续出现,并不断增强,最终导致涡旋东南侧地区大暴雨的发生.2008年,在南北跨度大的经向型环流背景下,我国华南地区涡旋暴雨不断发生,对流系统异常活跃,降雨的中尺度特征十分明显.包括大尺度环流与中尺度系统在内的各方面均具备了有利的条件,正是这些多尺度系统的共同作用,最终导致了2008年华南重大暴雨灾害的发生. 收起<<

  • 【作者】

    李博 

  • 【学科专业】

    气象学

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    中国科学院研究生院

  • 【导师姓名】

    赵思雄

  • 【学位年度】

    2010

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    涡旋暴雨%华南地区%中尺度特征