应用气象学报  2001, 12 (4): 419-432   PDF    
引用本文
冯伍虎, 程麟生. “98.7”特大暴雨中尺度系统发展的热量和水汽收支诊断[J]. 应用气象学报, 2001, 12(4): 419-432.
Feng Wuhu, Cheng Linsheng. DIAGNOSES OF THE MESOSCALE HEAT AND MOISTURE BUDGETS DURING THE "98.7" EXTRAORDINARY HEAVY RAINFALL[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2001, 12(4): 419-432  
“98.7”特大暴雨中尺度系统发展的热量和水汽收支诊断
冯伍虎, 程麟生     
兰州大学大气科学系, 兰州 730000
2000-03-17 收到, 2000-08-04 收到修改稿.
资助项目: 国家重点基础研究项目 (G1998040907) 资助    
摘要: 1998年7月20~23日 (“98.7”) 发生在鄂东和鄂西南地区的特大暴雨过程, 不仅与700 hPa上低涡切变线的生成和持续发展密切相关, 而且与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MαCS与MβCS直接关联。利用非静力模式MM5.V2.12成功模拟提供的高分辨输出资料对这次特大暴雨中尺度系统发展的热量和水汽收支进行了诊断。结果发现:当有强对流发生并伴有强降水时, 就会有强的视热源Q1和视水汽汇Q2出现, 而强的Q1与Q2和强降水区基本是对应的; Q1随高度增高而增大, 最大加热位面基本上都在486.1 hPa (σ=0.54) 附近; 在对流层深厚的中空加热层是积云对流活跃和强暴雨持续发生、发展的一种重要热力机制; 在对流层上半部的相对冷层为暴雨区上空积云对流提供了极为有利的热力不稳定条件, 积云对流在中、低空的凝结潜热不仅加热对流层中层大气, 而且向高层输送, 加热高层的环境大气; 在暴雨初期, Q2的双峰结构与低空层积云及中空积云对流凝结变干有关; Q2的中空峰值大体与Q1的峰值相应, Q2的深厚变干层与Q1的深厚加热层非常一致。 诊断结果表明, 用非静力中尺度模式成功模拟的高分辨输出资料对Q1和Q2进行数值诊断是可行的。通过对强暴雨过程Q1和Q2的诊断, 可为改进积云对流参数化中加热和增湿廓线提供可靠的物理依据。
关键词: 视热源    视水汽汇    积云对流    数值诊断    
DIAGNOSES OF THE MESOSCALE HEAT AND MOISTURE BUDGETS DURING THE "98.7" EXTRAORDINARY HEAVY RAINFALL
Feng Wuhu, Cheng Linsheng     
Department of Atmospheric Science, Lanzhou University, Lanzhou 730000
Abstract: During the period of 20-23 July 1998 ("98.7"), an extraordinary heavy rainfall event occurred in the eastern and southwest parts of Hubei Province, which was in close relationship with the low vortex with shear line on 700 hPa as well as with the successively generated and intensively developing MαCS and MβCS along the shear line. The numerical simulation for this event is conducted successfully using nonhydrostatic version MM5 (V2.12). The mesoscale heat and moisture budgets are diag nosed using the output data of MM5. The finding sare as follows: strong apparent heat sources Q1 and apparent moisture sink Q2 would appear while the strong convection occurs with heavy rainfall; Q1 and Q2 are basically correspondent with the regions of heavy rains; Q1 increases with height while the maximum heating level is located at 486.1 hPa (σ=0.54); the deep and thick heating layer in the middle troposphere is the main thermody namic mechanism for the both cumulus convective activities and the successive generation and development of severe rainstorms; the relatively cool layer in the upper troposphere provides a favorable thermody namic condition for intensive cumulus convection over the heavy rain areas; the condensation latent heating of cumulus convection in the lower and middle troposphere is not only heating the middle troposphere atmosphere, but also heating the upper environment atmosphere through transporting heat upward; the double-peak structure of Q2 at the early stage of heavy rainfall is relevant to the drying associated with convective condensation of both stratocumulus at the lower levels and cumulus at the middle levels; the peak value of Q2 in the middle level is basically corresponding with that of Q1; the deep and thick drying layer is consistent with the deep and thick condensation-heating layer of Q1. The diagnostic results show that it is reasonable to diagnose Q1 and Q2 using successfully stimulated output data with high resolution. The reliable physical proof for improving heating and moisturizing profiles in the cumulus convective parameterization can be obtained through diagnosing Q1 and Q2 of the rainstorm event.
Key words: Mesoscale systems     Apparent heat sources     Apparent moisture sink     Numerical diagnoses    
引言

在气象研究工作中, 积云和大尺度环境场之间的相互作用至今仍是一个有待解决的问题。尽管对于不同的数值模式, 设计了不同的积云参数化方案, 然而截止目前还没有一种积云参数化方案被公认为是具有通用性的参数化方案, 即可以适用于各种不同降水过程的参数化方案。这是因为积云参数化的困难在于其闭合假设, 即在积云对流和大尺度环境之间关于能量释放和能量转化关系的闭合假设。然而, 由于积云对流经常伴有大量的凝结潜热释放, 同时还在垂直向输送热量、水汽和动量, 这不仅对大尺度环境场有重要的影响, 而且对中尺度系统本身的发展也有很重要的动力反馈作用, 这种反馈与积云对流加热的垂直分布廓线关系密切[1]。可见, 在中尺度大气运动的湿物理过程中, 积云对流起着非常重要的作用。因此, 考虑暴雨中尺度系统发生发展的热量、动量及水汽的收支就成为一个极重要的问题。对此, 通常采用数值诊断方法。由于动量不是保守量, 而动量方程中的气压梯度力项又很难精确计算, 同时动量收支结果也很难独立检验, 所以, 在实际中对动量收支的诊断很少, 而将其重点放在热量和水汽的收支研究上。因此在使用模式作降水预报时, 在热力学方程和水汽方程中对次网格尺度项作参数化处理十分必要。但由于缺乏假设闭合的知识常常使得积云参数化的处理比较困难; 为了提高我们对闭合关系的认识, 就必须有观测和理论方面的研究, 在无法直接通过观测确定积云对流加热和水汽增湿廓线的情形下, 就只能间接地通过计算热量和水汽收支来诊断伴随积云对流加热和凝结变干的垂直分布[1]。

长江流域梅雨期的热量和水汽收支以及降水的性质是梅雨问题中的一个非常重要的方面。然而, 由于在梅雨期存在着不同的大尺度环流条件和不同的降水系统, 梅雨期热源热汇的分布和降水的性质会存在很大的年际差异; 同时, 由于研究的区域不同、天气形势和时空尺度的不同, 所得各类水汽、热量收支的垂直分布特征亦有很大差别。因此, 通过对梅雨期的热量和水汽收支及降水性质问题的深入研究, 不仅可以帮助我们了解梅雨期大气热力和降水性质以及积云对流活动在暴雨形成中的作用, 还可以研究降水的性质和大气加热的特点。Luo和Yanai[2]在用1979年探空资料研究青藏高原的热源和热汇时指出, 梅雨锋的降水以连续性降水为主, 他们认为该年梅雨具有典型的锋面降水特征; 丁一汇和王笑芳[3]用1983年长江中游5个台站的探空观测资料计算了梅雨前后92天的热源和热汇, 指出梅雨期的降水以及热源、热汇分布有明显的日变化, 该梅雨期的大气十分类似于热带大气, 具有很强的对流活动。但对1998年长江流域梅雨期特大暴雨过程的热量和水汽收支诊断工作尚未看到; 因此, 进行这方面的工作很有必要。为了讨论1998年7月20~23日 (简称“98.7”) 发生在鄂东和鄂西南特大暴雨过程中尺度系统的热量和水汽收支, 本文对这次暴雨过程降水特征和中尺度系统以及用MM5成功模拟的高分辨输出资料对Q1和Q2进行数值诊断分析。

1 暴雨过程降水特征

1998年7月20~23日 (“98.7”), 在武汉周边地区、鄂西南、江汉平原、鄂东南发生了特大暴雨过程, 在20日20:00 (北京时, 下同) 至22日20:00的48 h降水量有10个县 (市) 超过300 mm, 黄石最大超过500 mm, 武汉市、鄂城、汉川分别达458、407、370 mm, 武汉、鄂城、黄石、汉川等9个县 (市) 连续两天下了100 mm以上的大暴雨, 为有降水记录以来所少见, 21日武汉市降了268 mm的特大暴雨, 是有降水记录以来7月份出现的最大暴雨, 其中, 21日06:00~07:00的1 h最大雨量达88.4 mm, 突破了历史最高记录。图 1是7月20日08:00至22日20:00湖北省的24 h (a)、36 h (b)、48 h (c) 和60 h (d) 的累积降水量分布。由图可见, 过程降水量逐日增加, 而雨区范围也在不断扩大, 但主要集中在长江中游两岸108°~117°E之间的湖北省及其邻域。这次降水过程主要有两个强降水中心, 一个中心位于鄂西南的来凤站, 24 h观测降水为165 mm, 到22日08:00降水量已高达297 mm。另外两个雨强中心分别位于鄂东的武汉站和黄石站, 24 h的降水分别为161 mm和100 mm, 而48 h降水已分别高达298 mm和365 mm。从累积降水量分布来看, 这次过程的雨带基本呈东西向。

图 1. 1998年7月20日08:00至22日20:00湖北省24 h (a)、36 h (b)、48 h (c) 和60 h (d) 的累积降水量 (mm) 分布 (图中+和●是间隔1°的经、纬线, 粗虚线是长江, 图 (a) 中 ■、▲和●分别代表黄石、武汉和来凤)

该次降水过程具有明显的中尺度时变特征。图 2是该过程特大降水时段 (7月20日20:00至22日20:00) 两个代表站逐时降水量的时变直方图, 每个站1 h最大降水量都超过50 mm。由图可见, 降水的一个显著特征是:突发特大暴雨的间歇性持续。武汉和黄石都有两个时段的强降水; 武汉和黄石1 h最大分别高达88.4 mm (21日06:00~07:00) 和76.4 mm (22日08:00~09:00)。这些站突发而又持续的特大暴雨正是形成上述暴雨雨带两个最大降水中心及其他强降水中心的的原因。

图 2. “98.7”过程特大暴雨时段 (7月20日20:00至22日20:00) 武汉 (a) 和黄石 (b) 的逐时降水量时变直方图

2 中尺度暴雨系统分析 2.1 中-α尺度低涡切变线

图 3是1998年7月21日08:00至22日20:00 700 hPa位势场、温度场及风场。由图可见, 与该持续大暴雨过程直接相关的中-α尺度系统是西南涡及其相伴的切变线, 由低涡主体至鄂东一线逐日加强的切变线在风场上呈现为一条强辐合线。在切变线南侧维持一支持续的偏南低空急流, 暴雨带基本沿切变线两侧分布; 强暴雨中心与低涡切变线的维持和发展及其沿切变线相继生成和发展的强对流云团直接关联。

图 3. 1998年7月21日08:00至22日20:00 700 hPa位势场 (细实线)、温度场 (虚线) 及风场 (每长杆4 m/s), (粗黑线为切变线) (a) 21日08:00, (b) 21日20:00, (c) 22日08:00, (d) 22日20:00

2.2 中-β尺度对流系统 (MβCS)

把水平尺度在100~250 km之间、生命史≥3 h、云顶亮度 (云顶等效黑体温度) TBB≤-30 ℃的中尺度对流云团定义为中-β尺度对流系统, 即MβCS。依此对该过程逐日逐时GMS红外云图进行的分析指出, 在7月20日20:00UTC至21日07:00UTC和21日16:00UTC至22日08:00UTC的两次特大暴雨过程分别发生在武汉和黄石周边的鄂东地区。由第一次特大暴雨过程的逐时GMS IR云图和GMS TBB等值线图可见, 自20日20:00UTC在30°N 114°E (武汉附近) 和30°N 115°E (黄石附近) 分别有两个中-β尺度云团 (分别称MβCS-a和MβCS-b) 开始发展, 与此同时, 武汉和黄石的暴雨已经开始 (见图 2), 这两个持续强烈发展的中-β尺度云团对流十分强盛, 在20日22:00UTC至21日06:00UTC的8 h期间, 云顶最低亮温都低于-60 ℃。该期间正是武汉和黄石周边及其东南部地区特大暴雨突发并持续的时段 (见图 1和图 2)。图 4是20日22:00UTC至21日02:00UTC每两小时的GMS IR云图。对21日16:00UTC至22日08:00UTC主要发生在黄石周边及鄂东地区的特大暴雨过程, 也可由逐时GMS IR云图和GMS TBB等值线图看出另一个MβCS的生成和持续强烈发展 (图略), 该中-β尺度云团, 对流同样十分强盛, 在21日16:00UTC至22日00:00U TC的8 h期间, 云顶最低亮温都低于-70 ℃。该期间正是以黄石 (图 2) 为中心的鄂东地区特大暴雨突发并持续的时段。比较图 2和图 4就会发现, 造成武汉周边突发而又持续的特大暴雨正是由于MβCS-a的生成和强烈发展; 再比较图 4和图 3可见, MβCS-a和MβCS-b都是沿中-α尺度切变线发生和发展的。此外还有其他MβCS (图 4) 在沿中-α尺度切变线 (图 3) 相继生成和发展。由此可见, 这次突发并持续的特大暴雨过程与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MβCS直接关联。

图 4. 1998年7月20日22:00UTC至21日02:00UTC武汉和黄石周边特大暴雨时段的GMS IR云图, 标a和b的分别为MβCS-a和MβCS-b

3 资料和诊断方程 3.1 资料来源

对暴雨中尺度系统的热量和水汽收支诊断来说, 直接使用观测资料是有困难的。这主要是由于探空观测资料较少, 而且时空分辨率低; 如果使用这些不规则站点的低时空分辨率资料于规格的网格点上进行诊断计算, 就必须经过插值才能实现 (包括在水平面和垂直向插值的客观分析); 由于客观分析方案的局限性和观测密度的问题, 这会使计算的中尺度热量和水汽收支存在问题且有较大误差。因此, 对暴雨中尺度系统的热量和水汽收支诊断, 人们基本采用中尺度模式输出资料[4];这里我们将采用和Kuo等[4]相同的作法, 并用σ坐标系给出的热量和水汽收支方程来诊断“98.7”暴雨过程的中尺度热量和水汽收支。在σ坐标系中诊断热量和水汽收支优点在于, 该地形坐标系将地形的影响融入到方程中去。本文将用我们对该过程成功的非静力模式模拟[5]提供的高时、空分辨的输出资料, 即由MM5.V2.12模式输出提供的四维动力协调的数据资料计算该过程的中尺度热量和水汽收支。模式模拟的区域中心在30°N、114°E, 网格距为30 km, 格点数为91×91, 模式顶pt=10 hPa, σ位面垂直分层Kσ=26;模拟域 (图略) 和图 3区域基本相近。模拟使用资料由国家重点基础研究项目 (G1998040900) 提供。模拟时间: 72 h, 即自1998年7月20日08:00至23日08:00 (北京时), 时间步长Δt=90 s。模式的输出是每隔3 h输出一次结果。但用于诊断此次突发性特大暴雨过程的热量和水汽收支的资料用12 h输出结果, 这样便于对比诊断及实测的结果。

3.2 诊断方程

诊断这次特大暴雨过程中尺度系统视热源 (Q1) 和视水汽汇 (Q2) 收支的方程是如下σ坐标系中的形式:

(1)
(2)

其中, σ=(p-pt)/(ps-pt)=(p-pt)/p*, pt=10 hPa为模式顶气压, ps为地面气压。m为地图放大因子, C*为格体平均或网格平均的净凝结率, 带“—”的量为网格尺度变量; 带“′”的量为次网格尺度变量, 表示积云对流和湍流等次网格尺度变量。Q1和Q2分别表示视热源和视水汽汇; Q1包括三部分:辐射加热或冷却、净水汽凝结潜热、次网格尺度积云对流对热量的水平及垂直向涡动输送; Q2包括净水汽凝结潜热、次网格尺度积云对流对水汽的垂直向涡动输送。从方程 (1) 和 (2) 可以看出, 积云对流正是通过凝结潜热释放和对热量与水汽的水平及垂直向涡动输送而影响大尺度环境场。用于计算的Q1主要是温度局地变化项、温度水平平流项、温度垂直平流项和压缩功率项等四部分的贡献总和; 而用于计算Q2主要是比湿局地变化项、比湿水平平流项和比湿垂直平流项三部分总和。在方程中的QR为辐射冷却率, 它对大尺度热量平衡有一定的影响, Kuo等[4]曾指出, 在中纬度强降水中, 与视热源和视水汽汇相比, 辐射冷却很小, 其加热率或冷却率在对流层垂直变化也很小, 其值不超过2 ℃/d。这表明在强降水过程中, 可将辐射冷却略去不计。Q1和Q2项的垂直积分可由地面降水观测来检验, 视热源减去辐射冷却应等于总的潜热释放加上地面热通量, 水汽汇应等于总降水加上固态水的存贮减去地面蒸发, 因此, Q1和Q2的垂直积分都应与观测到的降水分布大体一致, 其强度与雨强成正比。公式中其它符号的含义与气象中常用的符号含义相同。

4 中尺度热量和水汽收支诊断分析

由于观测资料以位于长江流域的湖北省资料最为详细, 为了与实测降水范围相一致, 以下主要给出25°~35°N和108°~120°E范围内的结果。

图 5是诊断的21日08:00的视热源Q1和视水汽汇Q2的垂直积分。可以看出, Q1和Q2的垂直积分相当接近。在武汉—黄石一带均有两个强中心, Q1和Q2的垂直积分与强降水区 (图 1a) 及MβCS-a和MβCS-b云团 (图 4) 基本一致。这表明, 当有强对流发生并伴有强降水时, 就会有强的视热源Q1和视水汽汇Q2出现, 而且与强降水区基本是对应的, 即总潜热释放与地面通量之和的高值区正是“98.7”暴雨区对应时次的暴雨区。图 6是21日20:00的Q1和Q2垂直积分, 但值较小, 这与这一带的对流和降水较弱有关。在22日02:00之后, 由于另一中-β尺度对流系统 (MβCS) 在黄石一带持续强烈发展 (图略), 因而在黄石和武汉一带又发生了持续8 h的大暴雨 (图 2, 图 1);这由诊断的22日08:00的视热源Q1和视水汽汇Q2的垂直积分 (图 7) 可以看出, 这一时段鄂东地区的视热源Q1和视水汽汇Q2的值增加的很迅速, 分别高达80 ℃/d和100 ℃/d, 强中心位于30°N附近的114°~116°E之间; 在22日08:00之后, 伴有大暴雨的强对流系统继续发展, 因而在22日20:00 (60 h) 的Q1和Q2垂直积分与48 h的相似, 但强度较48 h的弱 (图略)。

图 5. 24 h的视热源Q1 (a) 和视水汽汇Q2的垂直积分 (b)

图 6. 36 h的视热源Q1 (a) 和视水汽汇Q2的垂直积分 (b)

图 7. 48 h的视热源Q1 (a) 和视水汽汇Q2的垂直积分 (b)

图 8给出了24 h贡献于Q1诸分量的垂直积分。可以看出, 对于视热源Q1, 其温度局地变化项、压缩功率项和垂直平流项三部分的垂直积分分布与Q1的垂直积分基本相同, 其中温度局地变化项和压缩功率项作正贡献, 而温度垂直平流项却起着反相作用。从贡献于视热源的数值大小来看, 温度水平平流项的贡献很小, 温度垂直平流项主要为负贡献。而温度局地变化项和压缩功率项对视热源的正贡献都很重要。而从Q2的三部分贡献来看 (图略), 比湿垂直平流项占绝对优势, 其分布与Q2的垂直积分也很类似, 这从另一方面反映了上升气流造成的水汽垂直输送是积云对流活动的主要水汽源。

图 8. 7月21日08:00贡献于视热源的诸分量垂直积分 (a) 温度局地变化项 (b) 温度水平平流项 (c) 温度垂直平流项 (d) 压缩功率项

视热源和视水汽汇与观测强降水的一致性表明, 用模式模拟输出的网格点资料计算Q1和Q2是有意义的。为了进一步了解不同时次强对流系统的垂直热力结构, 以下对视热源Q1和视水汽汇Q2的垂直分布进行分析。

由于在武汉—黄石一带, 两次主要暴雨过程都是由中-α尺度切变线和中-β尺度强对流系统所致 (见图 1至图 4), 因此我们对该范围24 h和48 h的Q1和Q2进行了面积平均, 并求出其面积平均的垂直分布, 所取的矩形区域面积为360 km×240 km。Q1和Q2两个时次的区域平均的垂直廓线在图 9中给出。

图 9. Q1 (a) 和 Q2 (b) 各时次区域平均垂直廓线 (24 h: —●—, 48 h: —○—)

从图 9中Q1的垂直分布可以看出, 在最初24 h, 在对流层低层的930.8 hPa以下, Q1的值为负, 这主要是由于降水的蒸发和边界层的复杂物理过程所引起; 而Q1的最大加热层位于842.5 hPa和436.6 hPa之间, 最大峰值约18 ℃/d, 在对流层上半部的相对冷层为暴雨区上空积云对流提供了极为有利的热力不稳定条件, 以致在其后的24 h强积云对流层凝结潜热使原已相当深厚的加热层变得更加深厚, 而高达53 ℃/d的峰值位于486.1 hPa, 如此深厚的中空加热层是该期间强暴雨持续发生发展的一种主要热力机制。从相应的Q2的垂直分布可以看出, 在最初的24 h与Q1深厚加热层相应的Q2正值区是凝结变干层, 在该层出现了双峰结构, 一个峰值位于800 hPa左右的对流层的低层, 其值为42 ℃/d, 另一个峰值位于644.5 hPa附近, 其值为22 ℃/d; 而Q2的低空峰值与低空急流强水汽输送带的水汽凝结变干有关, 而中空峰值大体与Q1的峰值相应, Q2的深厚变干层与Q1的深厚加热层非常一致, 而在535.6 hPa附近高达65 ℃/d的峰值也完全对应。在暴雨初期, Q2的这种双峰结构与Johnson[8, 9]和冯业荣等[10]的结果有相似之处, 但其后Q1和Q2的垂直分布与Kuo等[4]以及程麟生[11]的结果较为相似, 但峰值更高。

通过这两个时段的视热源Q1的垂直分布可以看出, 积云对流在中、低空的凝结潜热不仅加热对流层中层大气, 而且向高层输送, 加热高层的环境大气。这种对流加热的强弱和最大加热位面的高低, 不仅对环境大气及其层结稳定度有明显的影响, 而且对中尺度系统的发展也有重要的反馈作用[11]。正是由于这种次网格尺度系统对网格尺度运动的热力影响十分显著, 因此, 暴雨过程积云对流的反馈作用对中尺度暴雨系统的维持和发展非常重要。在暴雨初期, Q2的双峰结构与低空层积云及中空积云强对流凝结变干有关。

图 10给出了7月21日08:00的Q1 (a) 和Q2 (b) 诸分量平均垂直廓线, 可以看出, 对于Q1 (a), 温度局地变化项在整个对流层变化不大, 值均为正, 始终起着非常重要的作用; 而压缩功率项在930.8 hPa的低层贡献为负, 在此层之上表现为正贡献, 而且在802~387.1 hPa之间的正贡献要比温度局地变化项大; 对于温度水平平流项, 在882.1~703 hPa对视热源起着弱的正贡献, 而温度垂直平流项在整个对流层均表现为负的贡献。对于Q2 (b), 主要是比湿垂直平流项占优势, 这点与其垂直积分相似; 比湿局地变化项在882.1~486 hPa为正, 但其数值要比垂直平流项小得多, 而在此层的比湿水平平流项为负, 其最小值在644.5 hPa可达到-20 ℃/d。

图 10. 7月21日08:00的Q1 (a) 和Q2 (b) 诸分量平均垂直廓线 (a) (压缩功率项: —○—; 温度局地变化项: —●—; 温度水平平流项: —□— ; 温度垂直平流项: —■—) (b) (比湿垂直平流项: —○— ; 比湿局地变化项: —●— ; 比湿水平平流项: —■—)

对于7月22日08:00的Q1 (图 11a) 和Q2(图 11b) 诸分量平均垂直廓线, 可以看出, 在整个对流层, 温度局地变化项始终起着非常重要的作用, 在中、高、低层值同样变化不大; 温度垂直平流项也是在作负贡献; 而压缩功率项在802~100 hPa之间起正贡献, 且在703~337.6 hPa正贡献最大, 与7月21日08:00时相比, 高度有所抬升; 温度水平平流项在535.6 hPa的低层对视热源起着弱的正贡献。而对于Q2, 比湿垂直平流项仍然占有很重要的正贡献, 比湿局地变化项在842.5 hPa以下表现为弱的正贡献; 而对于比湿水平平流项, 与7月21日08:00相比有所不同, 在644.5~387.1 hPa表现为正贡献。

图 11. 7月22日08:00的Q1 (a) 和Q2 (b) 各部分平均垂直廓线 (a) (压缩功率项: —○—; 温度局地变化项: —●—; 温度水平平流项: —□—; 温度垂直平流项: —■—) (b) (比湿垂直平流项: —○— ; 比湿局地变化项: —●— ; 比湿水平平流项: —■—)

应该指出, 视热源和视水汽汇的垂直结构是复杂的。通常在数值模式中用理想垂直廓线描述积云对流的垂直加热和增湿是明显失真的。因此, 改进积云对流参数化中的加热和增湿廓线是提高降水预报水平的关键问题之一。

5 结论

(1) “98.7”发生在鄂东和鄂西南地区的特大暴雨过程, 不仅与700 hPa上低涡切变线的生成和持续发展密切相关, 而且与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MαCS与MβCS直接关联。

(2) 当有强对流发生并伴有强降水时, 就会有强的视热源Q1和视水汽汇Q2出现, 而强的Q1与Q2和强降水区基本是对应的, 即总潜热释放与地面通量之和的高值区正是“98.7”暴雨对应时次的暴雨区。

(3) Q1随高度增高而增大, 最大加热基本上都在486.1 hPa附近, 在对流层深厚的中空加热层是积云对流活跃和强暴雨持续发生发展的一种主要热力结构特征; 在对流层上半部的相对冷层为暴雨区上空积云对流提供了极为有利的热力不稳定条件, 积云对流在中、低空的凝结潜热不仅加热对流层中层大气, 而且向高层输送, 加热高层的环境大气。

(4) 在暴雨初期, Q2的双峰结构与低空层积云及中空积云强对流凝结变干有关; Q2的中空峰值大体与Q1的峰值相应, Q2的深厚变干层与Q1的深厚加热层非常一致; Q2的低空峰值与低空急流强水汽输送带的水汽凝结变干有关。

(5) 温度局地变化项、压缩功率项和温度垂直平流项三部分的垂直积分分布与Q1的垂直积分基本相同, 其中温度局地变化项和压缩功率项作正贡献, 而温度垂直平流项却起着反相作用。而从Q2的三部分贡献来看, 比湿垂直平流项占绝对优势, 其分布与Q2的垂直积分也很类似, 这从另一方面反映了上升气流造成的水汽垂直输送是积云对流活动的主要水汽源。

(6) 诊断结果表明, 用非静力中尺度模式成功模拟的高分辨输出资料对Q1和Q2进行数值诊断是可行的。通过对强暴雨过程Q1和Q2的诊断, 可为改进积云对流参数化中加热和增湿廓线提供可靠的物理依据。

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