1998年梅雨锋暴雨中尺度对流系统的模拟与诊断研究

1998年梅雨锋暴雨中尺度对流系统的模拟与诊断研究1998年梅雨锋暴雨中尺度对流系统的模拟与诊断研究王建捷国家气象中心 2003年11月10日

报告内容 • 个例简介 • 观测分析及模拟结果验证 • 中尺度对流系统结构 • 暴雨发生发展机制 Wangjj

中尺度活动？ 怎么样活动？结构特征、演变特点 1998年6月16-17日(08-08时)，长江中下游的江南北部连续出现较强降水。自我国西南至长江中下游和江南有一条雨带，雨带中分布着3个雨量大值中心，且以位于我国大陆最东一处（大致在赣闽浙沿五夷山北麓地区）的雨量中心为最强，24小时累积降水量达221毫米 . 为什么活动？主要物理过程、机理 Wangjj

200hPa 环流形势 (观测) 500hPa 850hPa Wangjj

直线距离为250-300km的相邻测站 Wangjj

B E 51725 距暴雨中心区最近距最强/次强中心约110-150km 51665 距暴雨中心区最远距最强/次强中心约440-600km 1998年6月16-17日测站的CAPE（J/kg） A: 16日08时B: 16日14时C: 16日20时D: 17日02时E: 17日08时 Wangjj

1998年6月16日08时 –17日08时（北京时） 24小时累积降水量实况模拟数值模拟结果较好地复制了从我国西南至长江中下游和江南的雨区分布和走向特征，特别是赣闽浙沿五夷山北麓的暴雨落区（50mm以上的降水区）的模拟与观测相当吻合；但暴雨中心的位置与实况仍有几十公里的偏差，中心值也比实况偏弱一些. Wangjj

每2小时 雨量模拟结果与观测的对比模拟: 图中的等值线部分观测: 图中填出的数字（资料不全, 未能收集到更多资料） Wangjj

每2小时降水量随时间变化的直方图 58715站（27.35N 116.39E，降水次强中心）观测实况格点49,34（27.46N 116.37E，靠近58715站）模拟结果暴雨区的雨峰变化在模拟中得到合理地反映；较为成功地模拟了 6月17日00-08时（北京时）强暴雨发生阶段的演变特点 Wangjj

中尺度影响系统中尺度对流系统 D 诊断分析思路示意图暴雨发展机理热力结构动力结构 Wangjj

Wangjj

B A’ A B’ TBB 观测图C中，中尺度低压中心；中尺度辐合线； 10mm雨量线 Wangjj

N 200hPa W E 500hPa B A’ S A B’ 台湾岛 850hPa 1998年6月17日02时的模拟雨水含量等值面（0.05g/kg）3维图象准东西向雨带上的云系厚度分布不均匀，有明显的中尺度变化；对流云系垂直发展强烈，沿着雨带已形成数个中尺度降水云塔，在低层连成一片，但在上层是分开的 Wangjj

50 31 37 21 B 北 B’ 南 B 北 B’ 南 VOR DIV 1998年6月17日02时经过暴雨中心的涡度、散度（10-5s-1）南北向垂直剖面强烈发展的中降水云塔对应着一个狭窄的、从地面伸展到250hPa的正涡度区，与低层强辐合和高层强辐散相伴随 Wangjj

150 24.5 B 北 B’ 南 B 北 B’ 南 W QDIV 1998年6月17日02时经过暴雨中心的垂直速度（cm/s）、水汽通量散度（kg/h/m2/s）的南北向垂直剖面强烈发展的中降水云塔中有深厚层次的垂直上升运动，且有大量水汽在550hPa以下集中 Wangjj

W E 17.7 17.1 E N S N S se、qv U 1998年6月17日02时经过暴雨中心的se（K）、比湿（g/kg）和东西风（m/s）的南北向垂直剖面 Wangjj

3.1°C B 北 B’ 南温度离差分布 800-250hPa层均是温度正离差，正离差区以中尺度降水云塔为中心向南北方向扩展，正离差最大值为3.1C（350hPa）；800hPa 以下和250hPa以上是温度负离差。 Wangjj

29 38 35 13 6 11 1998年6月17日00时 1998年6月17日02时 1998年6月17日04时沿雨带经过暴雨中心的云水（虚线, 10-2g/kg）、雨水（实线, 10-1g/kg）含量的垂直剖面 Wangjj

中尺度对流系统结构 • 动力场特征表现为低层辐合高层辐散、伴有强烈上升运动（米/秒量级）的正涡柱;各量随时间的变化并不是完全同步的。水平风垂直切变小、水平变化大（对流层中下层） • 温度/湿度场特征中部暖而上下部冷(与凝结释热作用有关)；高湿气柱；近乎对流中性 • 云物理特征云厚分布不均匀，中云系中有多个中尺度降水云塔（在低空连成一片，在对流层上部是分开的，云塔的垂直高度达150 hPa）,雨水含量的大值中心出现在450-400hPa Wangjj

A 西 A’ 东 B 北 B’ 南上图：中β降水云塔区域均可见上升运动，但强烈发展的降水云塔对应的则是深厚的上升运动。下图：中β降水云塔区域上空有强烈上升运动，云塔南北边缘附近的上升气流在400hPa附近向两侧流去，分别在距中β降水云塔约150km处下沉（北侧至约800hPa、南侧至约 650hPa）回流，形成南北两个中尺度垂直环流，有利于中β降水云塔区上升运动的维持；云塔中心区的上升气流相当深厚，其中500hPa处出现最大上升速度（约1.5m/s），上升气流直到200hPa后才向南流到较远处。 Wangjj

116E 中尺度辐合线 118E 27.5N 梅雨锋低层中尺度辐合线上强烈发展的中β尺度对流系统气流运动的图象在对流层低层，空气从西南和西北两个方向流入中β降水云塔区，在云塔中垂直（略向东倾斜）上升；靠近云塔南（北）侧边缘的上升气流在约400hPa 高度向东南（东北）方向外流至约150km处，下沉300-400hPa后沿东北（东南）方向向云塔区回流，形成南北两个非闭合、似呈螺旋式运动的中尺度垂直环流；而降水云塔中心区域的上升气流则一直伸展到对流层高层（200hPa），向东南一侧水平流出中β降水云塔区域 Wangjj

200hPa ULJ 南亚高压 500hPa 副高 850hPa LLJ Back Wangjj

中β尺度对流系统空气运动图象 • 中心和边缘气流运动特征不同 • 中心：垂直（略向东倾斜）上升，伸展到对流层高层（200hPa），向东南一侧水平流出 • 边缘：上升后在约400hPa高度向外（东南/东北）水平流至约150km处下沉，在700-800hPa层回流（沿东北/东南），即构成南北两个非闭合、似呈螺旋式运动的中尺度垂直环流 Wangjj

控制试验地形高度 敏感性试验地形高度 Wangjj

观测控制试验 Wangjj “干”试验地形试验

3.4 8.4 3.7 9.7 -14.1 -6.2 N S N S T U 1998年6月17日02时经过暴雨中心的T（C）和U（m/s）南北向垂直剖面. =控制试验-“干”试验 Wangjj

暴雨物理过程和发生发展机理 • 地形不是梅雨暴雨发生的关键，但对梅雨暴雨有加强和增幅作用 • 凝结释热是梅雨暴雨发生发展的至关重要的物理过程 • 凝结潜热释放可加热中尺度对流区相当深厚的大气层，凝结过程造成的温度场变化引起风场的改变，在中尺度对流区激发出附加垂直环流，与环境场之间产生正反馈相互作用，通过类似于第二类条件不稳定的机制使暴雨得到发生和发展 Wangjj

暴雨点涡度高度-时间剖面 暴雨点比湿高度-时间剖面 Wangjj

暴雨点 u/x高度-时间剖面 暴雨点 v/y高度-时间剖面 Wangjj

250hPa 涡度纬度-时间剖面 250hPa 全风速纬度-时间剖面 Wangjj

有利的梅雨大尺度环流背景 （高层辐散、中层冷空气、副高）高层副涡度加强并向中层扩展抑制正涡柱的发展（高空急流核移近暴雨区过程中，环境场发生变化）梅雨锋上暖湿空气上升，产生水汽凝结 500hPa 冷槽抬升触发在强正CAPE的局部区域有显著水汽凝结凝结释热激发出附加的中尺度垂直环流低层辐合高层辐散上升运动正涡柱更强的辐合辐散上升运动更多的凝结释热 Wangjj

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1998年梅雨锋暴雨中尺度对流系统的模拟与诊断研究