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2003年7月9~10日在长江流域的梅雨锋上发生了一次大暴雨天气过程,最大降水中心(200.5ram)在湖南省西北部(武陵山区)的桑植,次大中心(138mm)在湖北麻城(大别山区)。本文对这一次梅雨锋暴雨过程中不同降水中心作了较全面的对比分析,找出了在相同的环流背景下,两者在主要影响系统、梅雨锋的结构、云系特征等方面的异同。另外,本文也用WRF模式在有、无地形情况下模拟的降水量、降水影响系统和梅雨锋结构等结果,探讨了地形对梅雨锋暴雨的影响。得到的主要结果和结论如下:
一、这次梅雨锋暴雨是在有利的高、中、低层系统配合下,高、中、低纬环流相互作用的结果,同时梅雨锋暴雨具有多尺度特征,不同地域降水的影响系统不完全相同。
1.这次梅雨锋暴雨过程发生在100 hPa南亚高压主体偏西,500 hPa高纬为三阻(高)形势,副热带高压脊线在20~25°N之间的有利大尺度背景下。主要影响系统为天气尺度的500hPa西风槽、中低层切变线、地面静止锋以及切变线上生成的中尺度低涡和静止锋生成的中尺度气旋。β中尺度深对流系统是暴雨的直接影响系统。
2.尽管在相同的大尺度环流背景下,西部(武陵山区)降水中心由500hPa槽前冷、暖切变线产生的持续性降水,而东部(大别山区)降水中心则是由冷切变线、切变线上生成的中尺度低涡及地面江淮气旋波造成的。
二、这次梅雨锋的锋面结构既有典型梅雨锋的一般特点,又有其独特的特征,不同地区梅雨锋结构不同,梅雨锋的结构是多样的。
1.从梅雨锋的水平结构特征和沿115°E的垂直剖面来分析,这次梅雨锋具有典型的梅雨锋特征。即梅雨锋在对流层中低层为多支气流的汇合区,高层为反气旋辐散区:湿度场为中间湿、南北两边干的结构,长江中下游表现为双锋梅雨锋系,高湿带自长江上游到长江下游有变窄的趋势:梅雨锋两侧湿度对比大而温度对比小,锋区在低层为冷性,高层逐渐表现为暖性,暖脊向北倾斜:梅雨锋在对流层低层为正涡度带及水汽和风场的辐合带,正涡度柱、水汽和风场的辐合带随高度几乎垂直,略向北倾,具有相当正压结构;梅雨锋区内水平切变大而垂直切变小也表明锋区斜压性很弱;梅雨锋区在对流层低层850 hPa以下略向南倾,而向上几乎垂直地伸展到600hPa;但梅雨锋区与暴雨区分离,暴雨区与上升运动、高湿区对应,它们位于梅雨锋区的前沿;梅雨锋的南侧为东北~西南向的垂直次级反环流。梅雨锋和暴雨区位于高空西南急流入口处的右侧、低空急流的左侧,也位于高空西风急流和南亚高压之间。低空急流的加强主要是南风从低层加强引起的。高、低空风急流及其与南亚高压东侧的东北急流的有利配置对上升运动和垂直反环流的形成和维持有重要贡献。
2.分析沿1100°E的垂直剖面,发现它与典型的梅雨锋结构差异很大,具有其独特的特征。即梅雨降水区上空湿舌比较宽阔,湿舌南侧对流层中低层更湿,其北侧的湿度锋区明显而南侧不明显:梅雨锋区从地面到900 hPa以下是弱的对流不稳定区,略向南倾,向上θ se密集带随高度向北倾斜,也可达到600hPa。但锋区在1000~800hPa、800~600hPa可分为不相连的两段,表明该处梅雨锋在对流层中低层具有多重锋区结构;在对流层低层水汽通量辐合区、散度辐合区、正涡度柱随高度向北的倾斜,为斜压结构;从温度场来看:梅雨锋区也为下冷上暖的结构;800hPa以下温度的水平梯度较大,说明梅雨锋是斜压的;梅雨锋区内东西风和南北风的水平切变和垂直切变都很大,也反映出该梅雨锋具有斜压性;对流层低层的梅雨锋区、梅雨降水区与上升运动及高湿舌一致,在梅雨锋上升运动的北侧对流层上部400hPa还有一个上升运动中心;在梅雨锋区的南侧存在西南~东北向的次级反环流圈;在梅雨锋区的北侧由于风的分布比较复杂,在对流层高、中、低层各有一个环流存在。低空急流的加强是高层西风下传和低层南风的加强共同造成的。三.地形不仅改变梅雨雨带的落区、强度,还使相应的降水系统增强,对梅雨锋的热力、动力结构等都有影响,其中对动力场(风场)的影响最大。
1.在有地形情况下,模拟的结果较好地再现了梅雨锋降水过程、主要影响系统和梅雨锋的水平和垂直(沿115°E的剖面)结构。即
(1)模拟的雨带整体走向、落区、强度及其变化趋势与实况基本一致。
(2)对高空槽、副热带高压、中低层切变线、低涡等降水主要影响系统的模拟与观测分析场吻合;同时还模拟出了切变线上中尺度系统的生成(消失)、发展的演变过程。
(3)模拟的梅雨锋(切变线)在对流层低层为多支气流的汇合带;在高空为西南气流和西北气流的散开区。模拟的温度场表明梅雨锋在低层为冷性,中、高层逐渐变为暖性。
(4)模拟的暴雨带位于高空急流的右侧、低空急流的左侧;也位于高空急流轴和南亚高压脊线之间;同时也验证出了南风从低层开始加大这一事实。模拟的结果反映出梅雨锋在对流层低层表现为一条风和水汽的辐合带以及正涡度带,风和水汽的辐合带以及正涡度柱随高度接近垂直,具有相当正压结构;梅雨锋区内风的垂直切变小而水平切变大,表明梅雨锋区斜压性很弱。
(5)模拟的湿度场表明梅雨暴雨带上空为高湿区,高湿区自长江上游到长江下游有变窄的趋势:高湿区南、北两侧分别存在湿度锋区,梅雨锋系统在长江中下游表现为双锋梅雨锋系;梅雨锋是强湿度锋而不是温度锋。梅雨锋区在850 hPa以下略向南倾,向上接近垂直地伸展到600hPa,模拟的上升运动与暴雨区及湿中性层结对应;模拟的暴雨区与梅雨锋区是分离的,它位于梅雨锋区的前沿。
2.而无地形情况下,模拟的雨带偏南,强降水范围偏大;高空槽偏深;副热带高压、中低层切变线及低涡、温度锋区、湿度锋区、高、低空急流也偏南:散度、相对涡度、水汽辐合等动力场的模拟明显偏强;风场和水汽通量矢的变化较大,尤其是在对流层中层会出现与实况相反的结果,在105°E以西的长江上游出现了虚假的急流和高湿区。