何編，孫照渤，李忠賢

(南京信息工程大學大氣科學學院，江蘇南京210044)

一次華南持續(xù)性暴雨的動力診斷分析和數(shù)值模擬

何編，孫照渤，李忠賢

(南京信息工程大學大氣科學學院，江蘇南京210044)

利用傾斜渦度發(fā)展(slantwise vorticity development，SVD)理論，對2008年6月中旬華南地區(qū)持續(xù)性暴雨進行了動力學機制的診斷分析，討論了低空急流(low level jet，LLJ)在低渦發(fā)展過程中起的作用，同時利用MM5數(shù)值模式對暴雨過程進行了驗證并對模擬結果進行了進一步分析。結果表明，高原低渦的發(fā)展是前期廣西地區(qū)降水的主要動力因素，由于濕等熵面相對地形傾斜，且氣塊沿等熵面有相對運動，同時滿足熱力學參數(shù)CM＜0的條件，使得SVD發(fā)生作用，導致低渦移出高原后得到進一步發(fā)展;而LLJ的增強改變了大氣斜壓性，是后期低渦繼續(xù)東移發(fā)展，并造成廣東地區(qū)持續(xù)性暴雨的重要原因。數(shù)值模擬控制試驗結果很好地反映了這次低渦降水的發(fā)展過程。敏感性試驗結果初步表明，LLJ改變了低層大氣穩(wěn)定度和風的垂直切變，即大氣斜壓性增強，從而促進了中尺度低渦的進一步發(fā)展。

傾斜渦度發(fā)展(SVD);低空急流(LLJ);持續(xù)性暴雨;數(shù)值模擬

Abstract:Based on slantwise vorticity development(SVD)theory，the possible dynamical mechanism of a persistent torrential rain which occurred in mid-June of 2008 was analyzed，and the role of low level jet (LLJ)in vorticity development was discussed．Meanwhile，several numerical simulations were performed to testify the rainstorm process based on MM5 and the results were further analyzed．The results indicate that:the development of low vortex from Tibetan Plateau was the primary cause for the precipitation in Guangxi and Guangdong at early stage．SVD took effect while moist isentropic surface tended to slope and air particles had relative motions along isentropic surface．With certain condition(CM＜0)，the vorticity got a further development afterwards．Moreover，the enhancement of LLJ changed the atmospheric baroclinity and caused the vorticity to develop and move eastward，which was the main cause for the persistent torrential rain in Guangdong．The results of simulation control test well revealed the development process of the vortex and precipitation．The result of sensitive test showed that LLJ changed the stability of low level atmosphere and vertical shear of the wind，which meant that the baroclinity of the atmosphere was increasing．It thus made the mesoscale vortex develop further．

Key words:slantwise vorticity development(SVD);low level jet(LLJ);persistent torrential rain;numerical simulation

0 引言

持續(xù)性暴雨由于其時間尺度長且影響范圍廣，給人民生命財產(chǎn)造成巨大的損失，其發(fā)生發(fā)展機理歷來是科學家們研究的重點。以往的研究多集中于持續(xù)性暴雨發(fā)生的大尺度背景，對東亞地區(qū)而言，中高緯西風環(huán)流異常(張慶云等，2001;鮑名，2007)以及孟加拉灣、南海、西太平洋較強的水汽輸送異常(康志明，2004)都是持續(xù)性暴雨發(fā)生所必不可少的條件。但是對持續(xù)性暴雨的維持機制尤其是動力機制的討論并不多，陳忠明等(2007)對1989年7月四川東部的個例分析表明，對流、濕度鋒和低空急流耦合是持續(xù)性暴雨維持的可能機制，這從一個角度說明了影響持續(xù)性暴雨的物理機制是十分復雜的，因此有必要利用有效的動力診斷工具對其進行深入的討論。

位渦(Rossby，1940;Etrel，1942;Hoskins et al．，1985)作為診斷工具如今已廣泛的被應用于氣候及天氣的分析診斷中。中高緯地區(qū)對流層高層等熵面近似水平，利用等熵面上位渦的變化可以較準確的研究重要的天氣過程。但是在中低緯地區(qū)對流層低層，尤其在高原附近，等熵面傾斜度較大，且低層水汽較為豐富，這時再用等熵位渦作為研究工具就有一定局限性了。因此，吳國雄等(1995)做了較為系統(tǒng)的工作，他們從完整的原始方程出發(fā)導出了精確形式的濕位渦守恒方程，并提出了傾斜渦度發(fā)展(slantwise vorticity development，SVD)理論(吳國雄和劉還珠，1999)。近年來，國內(nèi)的許多學者也從不同角度對濕位渦守恒及SVD理論進行了研究與討論，并利用這一有效工具解釋了許多天氣現(xiàn)象(高守亭等，2002;文莉娟等，2006;王子謙等，2010)。余暉和吳國雄(2001)利用SVD理論解釋了熱帶氣旋的突變問題。崔曉鵬等(2002)利用西大西洋鋒面氣旋的個例進一步發(fā)展出了上滑傾斜渦度發(fā)展理論。陳忠明等(2006)將濕位渦理論應用到散度方程中，并強調了熱力學參數(shù)CD的重要性。王瀛等(2007)利用模式揭示了減弱的熱帶氣旋移近高大山脈時可以空氣產(chǎn)生沿傾斜等熵面的下滑運動，其引起的風垂直切變有利于誘生新的渦旋中心。

我國華南地區(qū)由于受高原地形、東亞夏季風等因素的影響，在夏季多發(fā)持續(xù)性暴雨災害。高原東部地區(qū)，經(jīng)常有天氣擾動形成中尺度低渦，在有利條件下進一步向兩廣地區(qū)發(fā)展，是造成持續(xù)性暴雨的重要天氣系統(tǒng)之一，對其發(fā)展機制已有不少研究(趙思雄和傅慎明，2007;于波和林永輝，2008)。陳棟等(2007)利用濕位渦理論對“鞍”型場下中尺度低渦發(fā)展的物理機制進行的分析表明，高溫高濕的強垂直對流不穩(wěn)定是引起低渦強烈發(fā)展的主要原因，而且，在盆地上空低層暖濕空氣相當位溫的水平梯度對中尺度低渦的發(fā)展和暴雨的發(fā)生同樣起了重要作用。蒙偉光等(2004)的研究表明，由于濕等熵面的傾斜，水平風垂直切變和濕斜壓度的增大有利于渦旋的發(fā)展，使得暴雨和中尺度對流系統(tǒng)得以維持。

對于發(fā)生在2008年6月中旬華南地區(qū)的持續(xù)性暴雨過程，何編和孫照渤(2010)的研究已經(jīng)對其發(fā)生的大尺度背景特征進行了詳細分析，但沒有進一步討論中尺度低渦發(fā)展的物理機制。同時，已有的研究(陳業(yè)國和農(nóng)孟松，2010;高安寧等，2010)多從天氣學分析的角度進行了討論，而對于持續(xù)性暴雨得以維持的動力學機制分析不多。本文采用1° ×1°的美國國家環(huán)境預報中心(National Centers for Environmental Prediction Final，NCEP FNL)全球再分析資料及全國逐6 h降水資料，利用SVD理論對這次持續(xù)性暴雨過程進行動力學機制診斷分析，并利用MM5數(shù)值模式對這次持續(xù)性暴雨過程進行模擬，在此基礎上開展了敏感性模擬試驗，以進一步研究低空急流(low level jet，LLJ)在低渦發(fā)展中所起的作用。

1 低渦發(fā)展過程診斷

1.1 低渦和LLJ的演變特征

這次持續(xù)性暴雨過程是在中高緯兩槽一脊的穩(wěn)定形勢和東亞夏季風偏強的大尺度背景下，由中尺度低渦擾動造成的華南地區(qū)持續(xù)性大暴雨，這里僅從中尺度低渦發(fā)展的角度來分析本次暴雨過程。首先給出這一時期對流層低層相對渦度場和垂直速度場分布的演變特征，為了突出低空急流的特征，圖1只繪制了大于12 m/s的風向矢量分布。如圖1所示，11日00時(世界時，下同)的700 hPa渦度場上，早期沿高原下移的低渦位于云南東北部地區(qū)，這已是其發(fā)展較強的時期，中心強度超過10×10－5s－1，渦旋主體伴隨著較強的垂直運動向東向南發(fā)展，在該區(qū)域也有暴雨發(fā)生(圖略)。位于長江中下游的切變線使得該區(qū)域表現(xiàn)出較強的正渦度，而此時廣東地區(qū)的正渦度與其上空的低槽相對應。隨著低渦進一步向東南方向移動，由于地形摩擦等耗散作用，強度有所減弱，到了11日12時，渦度中心降至6×10－5s－1。隨著低空風速的加強，廣西西南地區(qū)上空出現(xiàn)了一個較強的渦度中心和低壓槽，隨后，低空急流帶來的正渦度輸送與高原低渦合并加強發(fā)展。到了12日00時，整個廣西地區(qū)位于低空急流的控制范圍內(nèi)，相對渦度的發(fā)展超過了10×10－5s－1，強上升運動位于低渦的東側，速度超過了0.1 m/s。12日18時是渦度發(fā)展到最強的時期，兩廣地區(qū)大部分地區(qū)都有強上升運動，同時合并后的低渦中心進一步向東北方向移動，這與低空急流的增強有著密切聯(lián)系。13日，低空急流帶位于廣東沿海并伸至長江中下游地區(qū)，而渦度中心向東北方向移去并逐漸減弱?？傮w來看，這一時期華南地區(qū)的持續(xù)性暴雨發(fā)生在低空急流加強侵入華南后，同時中尺度低渦的發(fā)展也和低空急流的增強有著密切關系。

圖1 700 hPa相對渦度場(等值線;單位:10－5s－1)、垂直速度(陰影;單位:m/s)和低空急流(矢量箭頭;單位:m/s;全風速≥12 m/s)分布a．6月11日00時;b．6月11日12時;c．6月12日00時;d．6月12日18時;e．6月13日12時;f．6月13日18時Fig．1Relative vorticity(contour;units:10－5s－1)，vertical velocity(shaded;units:m/s)and LLJ(units:m/s; vectors whose speed≥12 m/s is plotted)at 700 hPaa．0000 UTC June 11;b．1200 UTC June 11; c．0000 UTC June 12;d．1800 UTC June 12;e．1200 UTC June 13;f．1800 UTC June 13

1.2 低渦發(fā)展的動力學分析

為了找出對低渦發(fā)展有主要貢獻的動力學因子，從SVD理論出發(fā)對濕等熵面傾斜造成的垂直渦度發(fā)展進行討論。在絕熱無摩擦情況下，濕空氣位渦PM守恒方程等熵面坐標下形式簡化為(吳國雄和劉還珠，1999)

其中:ξn=αζθ;θen=|▽θe|。在z坐標下，將PM分解成垂直分量(下標z表示)和水平分量(下標s表示，為沿著θe的水平梯度方向)，

其中

從(1)、(2)兩式得到

由于濕位渦守恒時，濕等熵面的θen發(fā)生改變并不能導致垂直渦度的變化，因為它的變化總有ξn的變化所補償(ξnθen=const)。但是考慮如下情況，當濕等熵面傾斜并且氣塊沿該濕等熵面有相對運動時，即下滑或上滑一個角度β(也是濕等熵面相對于水平面的傾角)，由于tanβ=θes/θez，(4)式可以改寫為

從以上3個必要條件出發(fā)，對本次中尺度低渦發(fā)展過程進行SVD診斷。由于此次渦度發(fā)展的主要階段都位于24～26°N以內(nèi)，因此對這一范圍內(nèi)的物理量做緯向平均剖面，以分析其動力學特征。圖2給出了不同時刻濕等熵線以及垂直渦度的演變過程，以及相應時刻傾斜渦度發(fā)展關鍵因子β和CM的水平分布，由于渦度的極大值基本位于800 hPa，因此這里只給出了800 hPa上的分布特征。由圖可見，11日18時(圖2a)渦度中心位于高原斜坡上空105°E附近，中心值超過8×10－5s－1，中心附近濕等熵線傾斜較為明顯，且有一定的垂直運動，說明氣塊沿濕等熵線存在上滑運動。此時，從CM分布來看(圖2b)，相應位置附近出現(xiàn)了超過－5×10－5s－1的低值中心，并且傾角β的正極值中心覆蓋的區(qū)域和CM及渦度中心是一致的，這表明SVD作用是這一時刻渦度發(fā)展的重要因子之一。

12日12時(圖2c、d)，渦度主體明顯增強并移至109°E附近，對流層高層由于較強的西風作用使得渦度主體向東傾斜。在對流層低層800 hPa附近，108°E左右渦度中心量級超過了－12×10－5s－1，低渦西側的濕等熵線密集帶從對流層底伸至對流層中層，并伴有較強的垂直運動。從CM水平分布來看，負值中心包括了渦度場的大值區(qū)，滿足渦度發(fā)展的必要條件。這一時刻由于濕等熵面的傾斜范圍增大，且垂直運動增強，大量氣塊沿等熵面上滑，因此在相應的CM＜0的區(qū)域，低層SVD的強烈作用使得垂直渦度劇烈發(fā)展。13日00時(圖2e，f)，低渦已經(jīng)移動到兩廣地區(qū)，傾斜的濕等熵線伸至300 hPa。由于低空急流的增強，渦度主體已經(jīng)向北移動，在低渦前部，大部分區(qū)域都滿足CM＜0的必要條件，而且有等熵面傾角正值區(qū)與其對應。所以此時兩廣地區(qū)有較強的中尺度低渦的發(fā)展，有利于廣東沿海地區(qū)對流活動的發(fā)生，給持續(xù)性暴雨的維持創(chuàng)造了有利的動力條件。

綜上，此次SVD影響中尺度低渦發(fā)展的演變過程，第一階段在高原附近，由于濕等熵面的傾斜加上對流運動有利于氣塊沿傾斜的濕等熵面滑動，使得SVD產(chǎn)生作用，在CM＜0時，高原上的中尺度低渦得到了進一步增強。當?shù)蜏u東移至了較為平坦的華南地區(qū)，由于低空急流的增強，低層風的垂直切變增強，導致大氣穩(wěn)定度發(fā)生變化，配合CM＜0和β增加的條件，使得垂直方向上渦度劇烈發(fā)展，最終導致華南地區(qū)持續(xù)性暴雨的發(fā)生。由以上分析可知，低空急流在后一階段對渦度的發(fā)展起到了重要作用，那么它和SVD之間的聯(lián)系究竟如何，將在下文詳細分析。

圖2 相當位溫(實線;單位:K)、相對渦度(虛線;單位:10－5s－1)和風場(矢量箭頭;單位:m/s)的垂直剖面(a，c，e);800 hPa上CM＜0的區(qū)域(陰影;單位:10－5s－1)及濕等熵面傾角β(等值線;單位:°)(b，d，f)a，b．11日18時;c，d．12日12時;e，f．13日00時Fig．2(a，c，e)Equivalent potential temperature(solid line;units:K)，vorticity(dashed line;units:10－5s－1) and cross-section of wind field(arrow;units:m/s);(b，d，f)CM＜0(shaded;units:10－5s－1)，slope angle of moist isentrope β(contour;units:°)at 800 hPaa，b．1800 UTC June 11;c，d．1200 UTC June 12;e，f．0000 UTC June 13

2 LLJ對低渦發(fā)展的影響

2.1 LLJ影響低渦發(fā)展的理論分析

LLJ的增強與這次渦度的發(fā)展有著緊密的聯(lián)系。以往對于LLJ、低渦以及降水之間關系的研究，多是討論低渦前部的非絕熱加熱和暖平流增加低層大氣的斜壓性，這些非線性的相互作用過程會加深LLJ的發(fā)展并對低渦的發(fā)展產(chǎn)生正反饋作用(Chen and Chen，1997;Wang and Gao，2003，2006)。本文利用Wu and Liu(1997)關于LLJ的增強對渦度的影響，從動力學角度討論此次持續(xù)性暴雨中LLJ對低渦發(fā)展的影響(圖3)，文獻中推導了對流不穩(wěn)定層結下傾斜渦度的發(fā)展，本文從另一個角度討論對流穩(wěn)定層結的情況。

圖3SVD發(fā)展與LLJ關系的示意Fig．3Schematic diagram showing the relationship between SVD and LLJ

假設大氣為穩(wěn)定層結(θez＞0)，設Y方向為水平面負方向，相當位溫向Y正方向遞增(θes＞0)，并假設LLJ只存在緯向運動，即v=0，因此當氣塊(初始位置A0，濕等熵面水平)沿濕等熵面下滑一個角度β到LLJ上方的位置A時風的垂直切變?yōu)?/p>

根據(jù)(7)式，有CM＜0，有利于垂直渦度的發(fā)展。而下滑到LLJ以下的近地面層G位置由濕位渦守恒原理(3)式，在A0處(PM)A0=ξzθen，在G處(PM)G≈ξsθes≈ξsθen，(θez→0，θes→θen)。

因此由守恒條件約束有

因為，(θen)G=(θen)A0，所以(ξen)G≈(ξen)A0，β

這表明氣塊沿濕等熵面下滑到近地面時，渦度的水平切變要變號，這是由風的垂直切變來決定的。這說明，當氣流沿上述過程運動時，LLJ最大風速的高度z=zJ應該在A層以下、近地面層之上。設θe的曲率半徑為R，下滑到高度zJ的角度為βJ，即=0，因此由(4)式有:

上式表明，LLJ層垂直渦度的強度和LLJ的高度成反比，LLJ層次越低，垂直渦度發(fā)展的越強，這是由于風的垂直切變增強造成的。此外，由于LLJ下方不滿足CM＜0的條件，因此不利于SVD發(fā)展。

下一節(jié)利用上述理論對風的垂直切變場和相對渦度場進行了診斷，分析LLJ增強對這次華南低渦發(fā)展的影響。選取主要的3次相對渦度出現(xiàn)極大值的區(qū)域進行定量分析，給出與這2個物理量相關的3個時刻的垂直廓線分布(圖4)。

2.2 風的垂直切變和渦度發(fā)展的特征

首先從渦度發(fā)展的強度上看，由于低空急流造成的風的垂直切變增強，改變了大氣穩(wěn)定度，通過SVD作用使得后2次渦度發(fā)展明顯比第一階段強。由圖4a、b可見，由于第一次過程低渦仍位于高原斜坡上空，低空急流仍未發(fā)展，風的垂直切變較小，11日18時750 hPa渦度的極值只有4×10－5s－1。而當?shù)蜏u移出高原后，由于低空急流的增強，風的垂直切變明顯增強。由圖4c、e可見，12日18時及隨后幾個時刻，水平全風速的垂直切變在925 hPa左右達到－7×10－4m·s－1·Pa－1，13日06時達到極值，約為－8×10－4m·s－1·Pa－1，隨后逐漸減弱。LLJ的范圍大約覆蓋了750～925 hPa的層次，而由與此對應的渦度場的垂直分布可以看出，渦度的大值區(qū)基本都位于800 hPa以上，因為LLJ下方基本無法滿足SVD的必要條件CM＜0，因此，渦度很少在這里發(fā)展。另外，從CM的垂直分布來看(圖略)，渦度發(fā)展的區(qū)域基本都滿足CM＜0的條件，且大多位于對流層中低層，這也是渦度能在這一層得到發(fā)展的重要因素之一。此外，從量級上來看，對比LLJ增強后的兩次低渦發(fā)展，由圖4c、e可知，13日18時的極值僅比12日18時的略強一些，而對應的渦度的發(fā)展卻高出了約2×10－5s－1。這說明渦度的發(fā)展對風垂直切變的響應是非線性的。

3 數(shù)值模擬

3.1 試驗設計

上文對實況資料進行了診斷分析，較詳細的討論了此次渦旋發(fā)展的動力學機制。為了進一步討論LLJ對低渦發(fā)展的影響，本文擬利用中尺度模式MM5V3.7版本設計了兩個數(shù)值試驗方案，并以此為基礎進行討論。

首先為了檢驗模式對此次低渦發(fā)展過程的模擬能力，設計了如下控制試驗方案。采用NCEP FNL 1°×1°資料作為模式的初始場及邊界條件。模擬區(qū)域采用雙向嵌套，粗網(wǎng)格格距90 km，水平格點數(shù)97×133，細網(wǎng)格格距30 km，水平格點數(shù)97×133，粗細網(wǎng)格選擇同一模擬區(qū)域中心(115°E，24°N)，垂直方向σ坐標24層，模式層頂氣壓為10 hPa，積分時間步長90 s。積云對流參數(shù)化粗網(wǎng)格選擇kuo方案，細網(wǎng)格選擇Grell方案，邊界層參數(shù)化選擇Blackadar方案，顯式水汽方案選擇簡單冰，輻射方案選擇簡單冷卻輻射，側邊界條件粗網(wǎng)格選擇松弛/流入—流出方案，細網(wǎng)格選擇時間依賴方案。模式積分時間為2008年6月11日06時—14日12時，每3 h輸出一次結果。

其次，設計一個敏感性試驗，其初始和邊界條件以及物理過程參數(shù)化方案與控制試驗保持一致，但是將垂直的σ層在0.945～0.625之間的三維風場u、v、w的邊界條件及其傾向值設為0，以去除LLJ對低渦發(fā)展的影響。

3.2 控制試驗結果

圖5 700 hPa高度場(等值線;單位:gpm)、風場(單位:m/s)及降水分布(陰影;單位:mm)的模擬(a，b，c)與觀測(d，e，f)對比a，d．11日18時;b，e．12日18時;c，f．13日12時Fig．5(a，b，c)Simulated and(d，e，f)observed geopotential height(contour;units:gpm)，wind(vector;units:m/s)and precipitation(shaded;units:mm)at 700 hPaa，d．1800 UTC June 11;b，e．1800 UTC June 12;c，f．1200 UTC June 13

控制試驗與實況比較(圖5)，細網(wǎng)格20 h的模擬已經(jīng)較好的刻畫出700 hPa的低壓系統(tǒng)，強度、范圍均與實況大致相當，中心低壓達到3 090 gpm。同時模擬出廣西北部地區(qū)的兩個降水中心，但是120 mm的強度中心略微偏西，且在其東部出現(xiàn)了較強的雨帶，整體上模擬比實況偏強。低渦前部有較強的西南風出現(xiàn)，隨后的模擬過程中，雨帶隨著低渦的推進向東移動，由于降水的凝結潛熱釋放引起的非絕熱加熱使得風的垂直切變增強，并且低渦以東地區(qū)一直存在著相當強度的西南風，從而使LLJ增強。12日18時，模擬的低渦移動速度比實況略快，低渦東部的降水中心模擬比實況偏弱，廣東地區(qū)的降水中心比實況偏北了約1個緯度。到了13日12時，模擬的低渦中心比實況偏弱了20 gpm，雨帶的位置明顯偏北，且強度偏弱，降水中心比實況少了40 mm，已有較大差距。

由上述分析可知，總體上72 h內(nèi)的模擬過程，700 hPa上低壓中心的強度、范圍、移動速度及移動路徑與實況相差不大，模擬結果是可以接受的。但是模擬的降水情況后期不太理想，前48 h模擬的降水與實況也略有差距，這可能與積云對流參數(shù)化方案的設計有關，嘗試采用其他積云對流參數(shù)化方案后的模擬情況與也此方案類似，共同特征是廣東地區(qū)的降水模擬較差，而隨著低壓的移動，各方案都有雨帶位于其東部并隨之移動。這說明華南地區(qū)的暴雨成因比較復雜，需要對現(xiàn)有的參數(shù)化方案加以改進。同時，由于中尺度系統(tǒng)對初始場的選擇十分敏感，再加上邊界條件存在一定的不準確性，隨著積分時間的延長，模擬效果會越來越差，因此48 h以后的模擬結果與實況差距明顯擴大。

從模擬的渦度場分布來看，模擬出了此次低渦的中尺度結構特征。12日00時是LLJ開始增強的時刻，廣西北部地區(qū)表現(xiàn)出兩個較強的渦度中心，西邊的渦度是高原東移的中尺度低渦，109°E附近的渦度是由于風的垂直切變的增強，由SVD作用生成的新渦度，強度達到30×10－5s－1。為了突出LLJ的強度、范圍等特征，采用如下方法表示，計算區(qū)域選擇(98～122°E，18～32°N)。定義

其中:Vh表示水平全風速;Vh表示水平全風速的區(qū)域平均;V'h為疊加在水平基本氣流之上的擾動氣流，其大值帶可以指示LLJ的發(fā)展狀況。由圖6可見，總體上模擬的急流帶和實況的位置是較為吻合的，但強度上偏弱。急流范圍主要位于低渦的南部地區(qū)，那里由于渦度氣旋性切變的增強有利于和LLJ發(fā)生相互作用，即在高原地形等有利的條件下，SVD作用使得低渦發(fā)展，造成其南部的LLJ的增強，從而使得風的垂直切變增加，造成大氣穩(wěn)定度發(fā)生變化，在CM的時間傾向小于0的條件下，促使了新的渦度生成并加強發(fā)展。到12日12時，模擬的低渦達到最強，可見LLJ也隨渦度的增強而增強，中心風速超過24 m/s，模擬的LLJ中心移動的比實況快了約1個經(jīng)度。到13日12時，低渦向東北方向移動，其位置與實況相比(圖1e)較為一致，模擬的LLJ比實況略微偏西，這可能也是模擬的雨帶偏北偏西的主要原因之一。

圖6 控制試驗模擬的700 hPa渦度場(等值線;單位:10－5s－1)、擾動氣流(陰影表示模擬，虛線表示實況;單位:m/s)a．12日00時;b．12日12時;c．13日12時Fig．6Simulated vorticity(contour;units:10－5s－1)，perturbed air flow(shaded:simulation;dashed line:observation;units:m/s)at 700 hPaa．0000 UTC June 12;b．1200 UTC June 12;c．1200 UTC June 13

3.3 敏感性試驗結果

由于在敏感性試驗中，將σ在0.945～0.625之間的三維風場邊界條件及其傾向值設為0，其他層次及變量保持不變，這樣基本去除了對流層中低層LLJ對低渦發(fā)展的影響。根據(jù)圖3所示理論，當不存在LLJ時，風的垂直切變減小，SVD作用減弱，必然不利于低渦的發(fā)展。由圖7可見，將敏感性試驗的低層渦度場及V'h的模擬與控制試驗進行對比。積分30 h后，敏感性試驗與控制試驗(圖6b)差距并不大，此時700 hPa渦度場在兩試驗中量級相當，都超過40×10－5s－1，而由于邊界強迫的原因，V'h的范圍敏感性試驗比控制試驗略小，極值中心小1 m/s。12日18時，敏感性試驗(圖7b)與控制試驗(圖略)渦度場的差別開始顯現(xiàn)出來，敏感性試驗渦度中心強度要比控制試驗小了8×10－5s－1，而V'h強度進一步減小了2 m/s。13日00時，敏感性試驗中，在廣東與江西交界處V'h強度明顯偏弱，導致那里渦度的強度也比控制試驗小了很多。積分54 h后敏感性試驗的渦度中心已比控制試驗偏西偏南約1個經(jīng)緯度，渦度中心強度上敏感性試驗只有控制試驗的一半，V'h大值中心的強度敏感性試驗比控制試驗小4 m/s，說明LLJ在低渦發(fā)展過程中的作用不可忽視，由于垂直風切變的增強，SVD作用使得低渦強烈發(fā)展。

4 結論和討論

利用NCEP FNL再分析資料和傾斜渦度發(fā)展理論對2008年6月中旬華南地區(qū)發(fā)生的持續(xù)性大暴雨進行了動力機制上的診斷分析，揭示了低渦發(fā)展過程中LLJ通過改變大氣斜壓性使得低渦進一步向下游發(fā)展的動力學特征，并在此基礎之上利用MM5數(shù)值模式進行控制試驗和敏感性試驗加以佐證。結果表明

圖7 敏感性試驗模擬的700 hPa渦度場(等值線;單位:10－5s－1)、擾動氣流(陰影表示模擬，虛線表示實況;單位:m/s)a．12日12時;b．12日18時;c．13日00時;d．13日12時Fig．7Simulated vorticity(contour;units:10－5s－1)，perturbed air flow(shaded:simulation;dashed line:observation;units:m/s)at 700 hPaa．1200 UTC June 12;b．1800 UTC June 12;c．0000 UTC June 13; d．1200 UTC June 13

1)2008年6月11—13日，華南地區(qū)受一系列中尺度低渦的影響發(fā)生了持續(xù)性暴雨。低渦的演變主要分3次過程，11日18時之前，低渦位于云南東部地區(qū)，在有利條件下導致當?shù)氐拇蟊┯?。隨后渦度進一步向東發(fā)展，12日00時開始，廣西地區(qū)LLJ開始加強，中尺度低渦開始迅速發(fā)展并進一步向華南地區(qū)移動，導致了華南地區(qū)的持續(xù)性暴雨。

2)這次低渦發(fā)展的一種可能的動力學機制分析認為，第一階段主要受高原地形影響，由于濕等熵面的傾斜，垂直運動的增強，在CM＜0的條件下，SVD使中尺度低渦強烈發(fā)展，低渦移至廣西后與新渦度合并，且由于LLJ的增強使得大氣風的垂直切變增強，改變了大氣穩(wěn)定度，在對稱不穩(wěn)定的環(huán)境內(nèi)仍有CM＜0的條件，新渦度由此迅速發(fā)展并導致了華南地區(qū)的大暴雨。

3)對于此次暴雨過程的數(shù)值模擬研究，控制試驗較好的反映的這次暴雨過程，積分24 h的降水與實況較為一致，整個積分過程中，低渦的移動發(fā)展與實況較為吻合，很好地反映出其中尺度系統(tǒng)的特征，并且證明了濕等熵面傾斜并向東移動是SVD影響低渦發(fā)展的重要特征之一。敏感性試驗表明，LLJ的增強是低渦增強和移動的重要因素，它改變了風的垂直切變以及大氣穩(wěn)定度，當氣塊運動滿足SVD條件時就導致渦度的劇烈發(fā)展。

本文討論的僅是渦度發(fā)展的一種可能的動力學機制，許多學者的研究已經(jīng)指出了低渦前部的非絕熱加熱是導致其發(fā)展的重要因素，那么傾斜渦度發(fā)展導致的渦度增強與非絕熱加熱作用影響下的渦度變化有何聯(lián)系或異同，待進一步探討。

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(責任編輯:劉菲)

Dynamic diagnosis and numerical simulation of a persistent torrential rain case in South China

HE Bian，SUN Zhao-bo，LI Zhong-xian
(School of Atmospheric Sciences，NUIST，Nanjing 210044，China)

P458

A

1674-7097(2012)04-0466-11

何編，孫照渤，李忠賢．2012．一次華南持續(xù)性暴雨的動力診斷分析和數(shù)值模擬［J］．大氣科學學報，35(4):466-476．

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2011-07-11;改回日期:2011-09-16

國家自然科學基金資助項目(40905045);江蘇省研究生科研創(chuàng)新計劃項目(N0782002054)

何編(1983—)，男，江蘇南京人，博士生，研究方向為大氣數(shù)值模擬、大氣動力學，bianH_522@163．com．