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本文从资料诊断、动力学分析和数值试验(含敏感区)三个方面讨论了两个紧密联系的问题:一个是在大尺度有利环流条件下,β中尺度的暴雨中心是如何发展起来的;另一个是通过改进初值(包含敏感性和敏感区)来提高模式对暴雨过程的预报水平。
个例分析表明,长江流域的暴雨是季节内振荡(MJO)和在稳定的大尺度条件具体通过β中尺度系统所产生的;而环北京地区的暴雨既与有利的MJO条件有关,又与移动的有利的大尺度环境场有关。共同的特征是:一方面MJO通过远距离和局地的动力学作用,在西风波导和副高相互作用下,导致暴雨的形成;另一方面与低空切变、低层水汽输送和500hPa槽有关。动力学分析表明:首先,相对于天气系统的特征时间,β中尺度天气系统的特征时间尺度为快过程。故β中尺度降水的过程有突发的特点。其次,基于激波的数学方法,证明切变线上涡度很大,加上流场的特点,会产生多种涡旋。基于上述分析,与目前流行的理论仅解释与切变线正交方向的观点不同,本文针对切变线平行方向,提出了在切变上产生β中尺度暴雨的动力学机制,即第一步,存在切变流型,同时大气的水汽是饱和或者接近饱和的;第二步,切变产生多个涡度中心;第三步,涡度中心的上升运动产生了降水;然后第四步,降水潜热提供能量加强低层辐合,导致正涡度产生,这样,正涡度与降水相互作用,维持了β中尺度的暴雨。
数值试验表明该暴雨过程对初始风场和水汽场相当敏感。就水汽而言,要求初始的水汽达到一定的临界值,否则就不会导致暴雨的发生。就风场而言,初始的切变信息是本质的,如果没有初始的切变,而只改变风场的大小,降水将不发生。故风场的切变是本质的,与动力气象学的基本动力学原则是一致的。
利用最新发展的条件非线性最优扰动(CNOP)方法,发现该个例敏感区在北京的南面和西南面,南面的敏感区反映了850hPa低空切变和自南向北的水汽输送,西南面的敏感区对应了500hPa的槽前,并且敏感区的物理意义是十分明显的。敏感区的方法表明:数学中最优化找到的敏感区对应的850hPa低空切变和自南向北的水汽输送是导致暴雨的最敏感物理因子,与经典的结论一致,因此不仅有动力学上的意义,而且表明这种方法可用于具体的数值预报的初值方案的设计,和时间和空间加密观测的设计,故可为数值预报对暴雨预报的提高,提供一种切实可行的方案。