淮河流域致洪暴雨及其中尺度涡旋的发生发展研究
  • 【摘要】

    梅雨锋是东亚季风区特有的天气系统.雨区沿梅雨锋呈带状分布,但空间分布很不均匀,雨带中常有多个强暴雨中心出现,它们与中尺度涡旋(扰动)密切相关,因而中尺度涡旋(扰动)成为当今梅雨锋暴雨研究的热点问题.2003年和2007年6-7月在淮河流域分别发生了严重洪涝灾害,引起了国家和人民的严重关注.已经注意到,它们是由在有利的大尺度背景条件下生成的多个中尺度涡旋和与其相联系的一系列的中尺度对流系统所造成的.... 展开>>梅雨锋是东亚季风区特有的天气系统.雨区沿梅雨锋呈带状分布,但空间分布很不均匀,雨带中常有多个强暴雨中心出现,它们与中尺度涡旋(扰动)密切相关,因而中尺度涡旋(扰动)成为当今梅雨锋暴雨研究的热点问题.2003年和2007年6-7月在淮河流域分别发生了严重洪涝灾害,引起了国家和人民的严重关注.已经注意到,它们是由在有利的大尺度背景条件下生成的多个中尺度涡旋和与其相联系的一系列的中尺度对流系统所造成的.本文集中针对上述两年中暴雨的重要影响系统,即中尺度涡旋等作分析,探讨其发生发展的机理,以期能更好地提出某些预报着眼点.具体的研究将涉及上述两年梅雨期的环流背景异同、涡旋的结构特征以及发生发展的原因等,主要结论如下: 1、2003年和2007年环流和水汽源地的异同:其共同特点是梅汛期间在中高纬度有着明显的阻塞高压稳定维持,在120oE中低纬副热带高压的脊线稳定于25oN附近,中纬度环流较平直,其上短波槽携带弱冷空气不断输送到淮河流域;两年中都至少有3次明显的季风涌活动,季风涌北推达33oN附近,且高低空急流的有效配置,使得淮河流域处于高低空急流的耦合区内.如此有利的大尺度环流形势下,冷暖空气不断交汇于淮河流域,造成了这两年的强降水.但是,二者也有一些差异,2003年为双阻型,2007年为西阻型,前者冷空气多偏西北路径,而后者多偏西路径.季风涌虽同为3次,但2007年间隙期较长,致使淮河汛期长达38天,而2003年只有21天.另外,对水汽源地的分析表明,虽然两年水汽都来自南海等地区,但2003年多与西太平洋有关,而2007年与孟加拉湾和阿拉伯海有关. 2、中尺度涡旋与淮河暴雨有密切的关系:据初步统计,在2003年有7次涡旋,而2007年共有9次涡旋,这些涡旋大体可分为发展和不发展两类,其中发展类居多.2003年7月3日和2007年7月10日王家坝泄洪前后,涡旋均十分活跃,起到了推波助澜的作用.这些涡旋有着两个主要的发生源地,即大别山和桐柏山以南至湖北中部一带地区和河南中部嵩山、伏牛山以东地区,多数是新生的系统.因此,从2003年和2007年两年的分析可知,在探讨淮河流域致洪暴雨时中尺度涡旋应是一个很重要的系统,这与华南前汛期多锋前暖区暴雨而少中尺度涡旋暴雨有较大的不同.这可能是江淮流域暴雨的特点之一. 3、中尺度涡旋的结构特征:利用合成方法分析发现,无论是发展型涡旋还是非发展型涡旋,在初始阶段的垂直结构均倾向于铅直分布,演变过程中逐渐变为向西北倾斜,非发展型涡旋倾斜的更明显;此外,两类涡旋低层的强辐合区、高层的强辐散区都位于涡旋的东侧;非发展型涡旋与发展型涡旋初始阶段的结构类似.两类涡旋都为上暖下冷的结构分布,上层为弱暖中心.这进一步证实我们所讨论的梅雨锋上的中尺度涡旋,它既不同于强暖心的热带气旋,也不同于冷心的温带气旋,而是具有东亚季风区内副热带涡旋的特点.涡旋发展过程中,不断有尺度更小的MCS出现,它们更具有明显的中尺度特征,在有利的中尺度涡旋的背景下,MCS被激发此伏彼起的发展. 4、中尺度涡旋的发生发展:通过对涡度收支和全型涡度方程定量的计算发现,在发生阶段,对于生成前已有降水的涡旋主要是低层风场辐合和潜热释放共同作用的结果,两者基本上同等重要,中层正涡度平流强迫也起着不可忽视的作用;而生成前无降水的涡旋在初始阶段主要是由于中层正涡度强迫和高层辐散场的作用.在发展阶段,发展类涡旋多伴有强降水,潜热释放和风场的辐合辐散强迫对涡旋的发展加强起主要作用.而对于伴随着弱降水的非发展类涡旋,高层辐散与低层辐合的中心和涡旋中心相距甚远,可能是涡旋得不到发展的主要原因. 5、能量收支分析:在涡旋的发展阶段,辐散风穿越等压线制造的动能(DG),其在低层和高层都为正值,使得低层气旋性涡旋得以加强,高层反气旋性的系统加强,如此使得低层辐合加强,高层辐散加强,从而促进涡旋发展.且在850 hPa以下辐散风动能的制造大于无辐散风的制造(NG),在850hPa以上后者大于前者,可见低层辐散风的作用更重要.对于能量的转换,中低层辐散风动能是向旋转风动能转换的,动能的增加促进了涡旋的发展加强.涡旋发展的能量一部分来源于旋转风直接制造的动能,一部分是从辐散风动能的转换而来,使得涡旋得到不断的发展.风场扰动的发生早于涡旋的出现,而且比气压场上的低压也早.风场,尤其是低层风场更具保守性,这一事实,从另一角度再次印证了中尺度适应的理论.因此,在暴雨预报方面,要十分关注中尺度涡旋的发生发展,尤其是要仔细分析并认真考虑低层的流场,特别是它的辐合中心,这正是未来涡旋的发展区及暴雨区的所在. 6、对涡旋及暴雨发生的数值模拟结果的再分析:通过中尺度MM5模式分析发现,模拟结果可以进一步证实本论文诊断的讨论,如冷空气(北风)对涡旋的发生起着非常重要的作用,北风的出现,增强了经向风的切变,促进了涡旋的发生.低空急流对涡旋的生成和发展也起着不可忽视的作用.低空急流一方面加强了风速辐合,一方面输送了大量的水汽给暴雨区,同时也给涡旋输送了正的涡度,还涉及到高低空急流之间的相互作用等.而中层正的涡度平流和700hPa上正的温度平流对涡旋的发生有积极作用,但在发展过程中对涡旋移动的作用明显,而对涡旋发展的作用不很明显.上述结果在一定程度上印证了中尺度涡旋及其暴雨发生的有利环境,尤其是中、低纬度系统相互作用影响的重要性. 7、在上述研究的基础上, 提出了淮河流域致洪暴雨中尺度涡旋发生发展的物理模型 收起<<

  • 【作者】

    张立生 

  • 【学科专业】

    气象学

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    中国科学院大气物理研究所

  • 【导师姓名】

    赵思雄

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    中尺度涡旋%淮河流域%涡度收支%能量收支%数值模拟