（气象学专业论文）一次天津局地暴雨的诊断分析和数值模拟.pdf

摘要 本文用n c e p 再分析资料( 1 。l 。) 、雷达资料以及地面自动站每小时资料剐- 2 0 0 5 年6 月 2 8 - 2 9 日发生在天津地区的局地暴雨天气进行诊断分析，采用n c e p 再分析资料( 1 。x l 。) ，利 用中尺度数值模式m m 5 ( v 3 ) 对这次过程进行数值模拟，并利用数值模拟输出的较密的时空 资料探讨这次过程发生发展的特征和机理。通过对这次暴雨过程的诊断分析可以发现除了 大尺度系统提供必须的水汽和环流背景外，中小尺度系统的活动在这次降水过程中起了重 要作用，通过雷达和地面自动站资料对中小尺度系统进行跟踪分析，发现雷达回波强度较 强的地区出现市区范围，且持续时间较长，市区辐合较强；雷达和自动站资料结合能够很 好地反映出中小尺度系统的发展变化，其雷达剖面图能更直观地反应降水情况；当市区为 偏东风的时候，由海风带来的水汽也会使得降水量较大。通过数值模拟，可以看到对模式 进行下垫面的修改对局地城市暴雨来说是很重要的，地面辐合线的运动情况和水汽的输送 情况也可以从模式结果中反映出来，地面辐合线在天津市区的存在与降水量的两个峰值相 配合，同时，模式结果也能很好地反映出中尺度重力波的运动情况。 关键词；局地暴雨，地面辐合线，雷达剖面，数值模拟，重力波。 a b s t r a c t al o c a lc o n v e c t i v et o r r e n t i a lr a i nw h i c hh a p p e n e di nt i a n j i nu r b a n0 1 12 8 - 2 9j u n e2 0 0 5i s a n a l y z e db yu s i n gr e m 】a l y s i sd a t ao f n c e p , r a d a rd a t a a n dt h ed a t ao f t h ea u t o m a t i cs t a t i o n s a n d t h em e s o s c a l en u m e r i c a lm o d e lm m s ( v 3 ) i su s e dt os i m u l a t et h ep r o c e s s u s i n gt h em o d e lo u t p u t w i t hh i g i ls p a t i a la n d t e m p o r a lr e s o l u t i o n , t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s m o f t h ep r o c e s sc a nb e s t u d i e di nm o r ed e t a i lt h e 北毗o f t b er e s e a r c hs h o w st h a tm e s o - s c a l ea c t i v i t i e si nt h i sp r o c e s s p l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei n t h i sp c i p i 伽i n c l u d i n gt h el a r g e - s c a l ec i r c u l a t i o ns y s t e ma n d t h e v a p o r i tp r o v i d e d t h ea n a l y s i so f t h er a d a rd a t aa n dt h ed a t ao f t h ea u t o m a t i cs 嘶o n ss h o w st h a t t h es t r o n gr a d a re c h oi n t e n s i t y , t h ec o n v e r g e n c ea n dt h el o n g e s tl a s tt i m ea p p e a ri nt h eu r b a n r a d a rs t a t i o n s a n d a u t o m a t i c d a t a i n t e g r a t i o nc r e f l e c t t h ec h a n g e s i n t h ed e v e l o p m e n t o f s m a l l a n dm e s o - s c a l es y s t e m , a n dt h er a d a rp r o f i l ew i l lm o r ed i r e c t l yr e f l e c tt h ep r e c i p i t a t i o n w h e nt h e w i n do fu r b a na l e a si sf r o me a s t , m o i s t u r ef r o mt h es e aw i l lm a k eg r e a t e rp r e c i p i t a t i o n t h e m o d i f yo ft h eu n d e r l y i n ge a r t h ss u r f a c ei sv e r yi m p o r t a n tt ot h el o c a lt o r r e n t i a lr a i n t h e m o v e m e n to f t b es u r f a c ec o n v e r g e n c el i n e s ，t h eg r a v i t yw a v ea n d t h ed e l i v e r yo f w a t e rv a p o ra l s o c a nb ew e l lr e f l e c t e db yt h em o d e lr e s u l t s k e yw a r d s ：l o c a lt o r r e n t i a l 商“s u r f a c ec o n v e r g e n c el i n e ，r a d a rp r o f i l e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h e g r a v i t yw a v e 学位论文独创性声明 本人郑重声明。 l 、坚持以。求实、创新”的科学精神从事研究工作- 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所傲的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者张皇】壅塑 日期：逆! ! | 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位 并允许论文进入学校图书馆被查阅 关数据库进行检索；有权将学位论 的学位论文在解密后适用本规定。 论文用于非赢利目的的少量复制 ；有权将学位论文的内容编入有 文的标题和摘要汇编出版保密 作者签名： 日期： 号一 第一章引言 1 1 研究意义和研究进展 我国位于世界上著名的季风区，是多暴雨的地区，在我国几乎每年都会受到突发性降 水或持续性降水的灾害，在有些年份降水相当严重。暴雨的研究和预报一直是我国气象工 作者最关心的问题之一吐暴雨常常按其出现豹范围大小、历时长短、移动快慢、形成原 因，影响系统以及发生的地区和季节而有局地暴雨和大范围暴雨、短历时暴雨和连( 持) 续暴雨，移动性暴雨和停滞性暴雨、地形性暴雨和系统性暴雨、台风暴雨、锋面暴雨等等 各种名称四。我国气象工作者在研究暴雨与洪涝方面已经取得了很多成就，但是这些研究 大多集中在区域性洪涝灾害中持续性暴雨过程，国内外对发生在大城市的局地灾害性降水 过程研究还比较少，近年来，由于大城市的经济发展和特殊的政治地位，关于大城市地区 局地暴雨的研究越来越受到人们的关注p 】。而事实上，城市局地暴雨与城市居民的日常生 活联系更为密切，其发生的频率也更高，随着经济的发展，城市局地突发性暴雨预报在落 区和时效上都还难以满足社会和公众的需求【4 l 。 丁一汇p l 指出天气尺度系统对暴雨起着以下四个作用：( 1 ) 制约造成暴雨的中尺度天 气系统的活动，即天气尺度系统可以提供中尺度天气系统形成的条件或环境场，中尺度天 气系统发生需要一些基本条件如水汽通量辐舍等经常伴随着天气尺度系统出现；( 2 ) 造成 在暴雨区水汽的集中。要使中尺度的暴雨区能够维持，这就要求暴雨外围区外面在大尺度 流场上出现水汽通量的辐合；( 3 ) 在天气尺度系统中，上下不同性质空气的平流可造成位 势不稳定层结；( 4 ) 在天气尺度系统中的风速垂直切变有利于中小尺度的发生与维持。 中尺度天气系统是直接造成暴雨的天气系统，中尺度系统是在天气尺度环流背景上发 展起来的，它对暴雨有两个作用：( 1 ) 它是造成暴雨的直接天气系统；( 2 ) 中尺度系统 对积云对流活动有明显的组织和增强作用嘲。 暴雨是一种深对流系统，与高低空的环流形式有着密切的联系。早在2 0 世纪7 0 年代， 人们就注意到低空急流跟暴雨有很好的相关性及在暴雨过程中的作用，u c e 2 u i n i l 6 】在研究北 美强风暴时发现，由于水平风速分布的不均匀可在高空急流的出口处的左侧产生辐散上升 运动，而在急流出1 3 处的右侧产生辐合下沉运动，并通过高低层环流之间的质量和动量的 调整，在高空急流轴出口处形成一个垂直于急流轴的横向反环流，从而导致高空急流出口 区低层西南急流的形成。低空急流有很强的非地转性，其附近的垂直环流也有特殊结构川， 2 0 世纪8 0 年代，陶诲言p l 对暴雨的研究揭示出高低空急流特别是低空急流的加强与暴雨的 密切关系；朱乾根【9 1 等对不同高度急流对暴雨生成的作用研究表明；超低空、低空和高空 急流对暴雨产生的作用主要表现为提供永汽、利于不稳定层结建立和维持，并且触发不稳 定能量的释放，使中尺度上升运动加强。2 0 世纪9 0 年代，寿绍文吲研究指出，急流与天气 系统的发展相联系，高低空急流耦合加强了大气潜在不稳定，这种耦合有利于强对流风暴 的发生发展。而且高空急流对中尺度系统也有重要影响，寿绍文还指出高空急流附近有利 于重力波发生发展。特别在高低空急流有大风速中心传播，锋生和气旋强烈发展的一些过 程中，出现明显的非地转运动，在地转调整中，就会出现大振幅的中尺度重力波。近年来 国内对高低空急流的研究低空急流与暴雨的相互作用，低空急流的成因，高低空急流耦合 的动力学分析等研究比较多，徐海明，何盒海【1 1 等从理论分析和实例计算两方面探讨了高 空急流轴的倾斜对急流出口处右侧辐散场形成的作用，朱乾根，周伟灿【l l l 等对 1 9 9 8 - 0 7 - 2 2 t 0 8 1 4 发生于武汉附近的一次强暴雨过程的分析发现。低空入流和高空西风急 流上下的耦合作用事起那个暴雨发生的主要原因。李立，朱乾根l 1 2 1 等对一次低空急流过程 的数值模拟结果作了动力学分析，发现低空急流区有一对横向非地转二级环流，它是低空 急流发展的一个重要条件；强频散的低空急流与积云对流造成的静力不稳定场耦合，诱发 出不稳定的中尺度重力惯性波，低空急漉发展过程中静菲她转特征和二级环流都是重力惯 性波发展的产物。翟庆国，孙淑清【1 3 】等对江淮流域8 例与低空急流相伴的大暴雨天气过程 进行了热力学、动力学特征分析，结果表明，从散度计算方程来看，在低空急流的左前侧 有较强的辐合增强区，有利于该地区出现强暴雨天气。彭加毅h 4 1 等认为西南低空急流和重 力惯性波共同作用确实会触发条件不稳定大气中的m c s 。 重力波是因静力稳定大气受到扰动而产生的惯性震荡的传播。当气块受到扰动离开平 衡高度向上移动时绝热冷却，重力使其回复到平衡位置。而当气块继续向下运动时，气块 绝热增温，浮力使其回复到平衡位置去。这种振动向外传播便形成波动，由于引起气块上 2 下移动的力是重力或浮力，因此这种波叫重力波或浮力波f 1 5 3 。重力波对暴雨及其它强对流 天气的影响，从6 0 年代开始逐渐被公认是一种物理机制。国外学者通过一些中尺度试验计 划对此进行了大量研究 x 6 - 1 s l 。7 0 年代李麦村1 ”提出重力波在条件不稳定大气中可以是发动 暴雨的一种机制。丁德刚，王树芬f 2 0 】通过对1 9 8 8 年7 8 2 1 日天津地区大暴雨的个例分析，发 现在北京地区有一降水区，在天津东部也有一个降水区。这两个降水区相向移动，在天津 市附近合并，雨量增大。经过研究表明这是由于两个相向而行的重力波在天津市附近相通、 叠加而促使雨区合并而加强。丁峰1 等研究认为，强逆风场可以使得各中尺度受导波模衰 减距离明显变长，并导致不同尺度重力波的衰减距离出现峰值分布。刘辉志2 1 等经过水槽 实验研究表明，如果地形引起的动力扰动足够强，地形扰动可在上部稳定层结中激发出重 力内波，波动反过来影响低层流场，引起动量输送。周围灿等通过数值计算表明：两个 孤立重力波相遇。相追会使波振幅增大，波宽变窄。强烈对流天气突然爆发的可能原因之 一是中尺度重力波非线性相互作用的结果。龚佃利脚1 等利用非静力平衡模式( m m 5 v 3 5 ) 对2 0 0 1 年8 月2 3 日影响华北地区的一次强对流风暴成功模拟的基础上，对其中的中尺度重力 波系( m g w s ) 特征进行分析，并与美国中部地区的m g w s 进行比较，较好地验证了m g w s 的概念模型以及对流与重力波相互作用的理论。 中尺度辐合线也是产生暴雨的一个重要的中系统。一方面，中尺度辐合线能造成辐合 产生暴雨，另一方面中尺度辐合线上常产生中尺度低压，从而产生暴雨。这些中尺度辐合 线大都对应雨团活动口l 。0 9 u r a 等指出：对于所研究的全部情况，低层辐合线的出现或 加强均先于有组织对流系统的形成。刘跃红期等通过对1 9 9 3 - 2 0 0 2 年焦作辖区2 0 余次强对流 天气过程的统计分析发现，在天气尺度条件下，地面气压场上中尺度辐合线对强对流天气 的维持和落区有很好的指示性。康丽华0 8 1 等用m a 蟠一层二维中尺度原始方程模式对山东半 岛地面中尺度辐合线、辐合区进行数值模拟。郑钢【2 9 】等对1 9 9 8 年6 月1 2 - - 1 3 日的一次长江中 下游切变线暴雨过程进行了诊断研究发现切变线强度对暴雨过程的降水量也有明显的影 响。 到目前为止，国内对高空急流与中尺度低压( 扰动) 之间的关系，以及高空急流与重 力波的关系等研究不多。 1 2 数值模拟在研究中的运用 数值模拟时研究大气动力学过程的主要方法之一，对中尺度暴雨进行数值模拟具有重 要的理论意义和实用价值，埘5 是p s u n c a r 中尺度模式的第五次改进型，与删4 模式相比增 加了非静力平衡模式框架，且可进行资料的四维同化和最大可达1 0 层的网格嵌套，时间积 分采用蛙跃格式，对快波和便波采用时间分离方案，即在静力模式中，采用显式分离方法， 在非静力模式中，采用半隐式分离方法，此外删5 模式对降水物理采用了可供选择的显式和 隐式积云参数化方案，显式方案比腿有所增强，增加了混合水冰显式方案，对流参数化增 加t g r e l l 和g r e l l 改进的a r a k a w a - s c h i b e r t 方案。程麟生1 等采用l 嘶的二重嵌套网格双向 嵌套对“9 8 7 ”突发大暴雨及中尺度低涡结构进行了分析和数值模拟，孙建华。”等利用删5 模拟了一次罕见的华南大暴雨，龚佃利等乖j 用非静力平衡模式( 删5 v 3 5 ) 对2 0 0 1 年8 月 2 3 日影响华北地区的一次强对流风暴成功模拟的基础上，对其中的重力波系( m g w s ) 特征 进行分析。王健，寿绍文。2 1 等对2 0 0 3 年8 月5 - 6 日辽宁地区暴雨过程的环流形势及雷达回波 进行了分析，并利用中尺度m m 5 模式对这次暴雨过程的模拟结果进行了诊断分析，探讨了过 程中主要影响系统华北气旋在渤海西岸生成后迅速发展加强的原因。毕宝贵1 等利用 中尺度非静力模式( 删5 ) 进行了高分辨率数值模拟和敏感性试验，解释明显系统移来时北京 地区降水明显比周围偏多或偏少的问题。王健婕“1 等应用删5 中尺度模式，在6 0 、2 0 和l o k m 模式分辨率下，分别选用4 种不同对流参数化方案( k u o 方案、g r e l l 方案、e a i n - - f r i t s c h 方 案和b e t t sm i l l e r 方案，对1 9 9 6 年8 月3 4 日石家庄暴雨过程进行数值模拟试验，并对模 拟结果进行对比分析。王园香，吴增茂。5 1 等利用中尺度大气非静力模式删5 对山东1 9 9 9 年8 月儿1 2 日的大暴雨过程进行了数值模拟。崔波，李泽椿等利用中尺度非静力模式 姗5 ( v 2 ) ，采用三重网格双向嵌套技术，对北京延庆地区的一次暴雨过程进行了数值模拟， 并探讨利用中尺度非静力模式m m 5 对重点城市进行短期天气预报的方法。结果表明：埘5 模 式能够预报出实际发生的中尺度降水，在有利的大尺度环境下，暴雨的局地分布特征受 中尺度条件制约。 所有这些研究和应用结果表明删5 模式具有较好的稳定性和较成功的模拟能力，而且 4 它的模拟结果可提供高分辨率的动力协调资料，这将很有助于我们认识复杂的中尺度系统 的结构及其发生和发展的物理机制。 1 3 研究目的和研究内容 2 0 0 5 年6 月2 一2 9 日天津普降雷阵雨，局部暴雨，2 4 小时最大雨量均在市区及其周 围，像市区北部的北辰区为8 5 3 m m ，以及其西部的西青区为7 5 6 m m ，而其他郊区的降水 量明显偏少，约在3 0 m m 左右，给天津地区造成了暴雨和洪涝灾害。此次过程中降水主要 集中在市区及周围，降水时间集中在2 8 目2 0 时至2 9 日0 4 时，具有局地暴雨的特征，对 它的研究有助于加深对局地暴雨形成过程物理机制的认识。 城市局地暴雨与城市居民的日常生活联系更为密切，其发生的频率也更高，随着经济 的发展，城市局地突发性暴雨预报在落区和时效上都还难以满足社会和公众的需求。本文 的研究目的就是希望通过对导致此次降水过程的若干要素进行研究，找出它们对此次降水 的影响。提高人们对局地暴雨的认识，从而有利于做好实际业务预报工作和研究工作。然 而，由于暴雨演变过程的复杂性和客观条件的限制，本文仅作初步研究，今后还需进一步 改进深入。 论文主要包括两方面内容：1 ) 用n c e p 再分析资料( 1 。r ) 以及雷达和地面自动 站资料从大尺度背景和中小尺度系统方面分析此次降水过程，对影响此次局地暴雨的大中 小系统进行详细的诊断分析；2 ) 用n c e p 再分析资料( rx1 。) 并且对模式的下垫面进 行修改而后进行模拟，利用模式输出的具有较高分辨率和动力协调性的网格资料从多角度 对此次暴雨的主要影响系统的演变规律。水汽来源对局地暴雨的影响以及重力波对暴雨的 影响进行详细分析。 5 第二章一次天津局地暴雨的诊断分析 本章对2 0 0 5 年6 月2 8 日2 0 时至2 9 日0 4 时的一次天津局地暴雨过程的天气背景和降 水实况进行初步分析，指出了影响暴雨发生的主要天气系统。 2 1 暴雨实况 2 0 0 5 年6 月2 8 _ - 2 9 目天津普降雷阵雨，局部暴雨，2 4 小时最大雨量均在市区及其周 围，像市区为7 5 r 左右，市区北部的北辰区为8 5 3 m m ，以及其西部的西青区为7 5 6 m m ， 而其他郊区( 像市区东部的东丽区，市区南部的津南区) 的降水量明显偏少，约在3 0 m m 左 右，此次过程中降水主要集中在市区及周围西北部地区，降水时间集中在2 8 日2 0 时至2 9 日0 4 时。具有局地暴雨的特征，对它的研究有助于加深对局地暴雨形成过程物理机制的认 识。本文将用n c e p 再分析资料( 1 。x l 。) 以及雷达和地面自动站资料从大尺度背景和中 小尺度系统方面分析此次降水过程的发生发展机制。 2 2 环流形势分析 在5 0 0 h p a 高度场( 图略) ，2 8 日0 8 时，贝加尔湖和河套地区分别有一个低槽，由温 度场和高度场的配置来看，两者都是温度槽落后于高度槽，则均有加深的可能，随着它们 的东移，两者趋于合并；在下游地区，内蒙古东部有一个高压脊，而且有加强的趋势； 副高的5 8 8 线已经到了浙江和福建一带，且将要加强西伸。2 8 日2 0 时原贝加尔湖低槽的 低值中心至0 达蒙古，原河套地区的低槽也东移至山西至河南境内，引导冷空气南下；原内 蒙古东部的高压脊移到黑龙江省，且强度加强：副高进一步西伸北抬。2 9 日0 8 时，原贝 湖槽和河套地区的槽合并加深东移；高压脊仍然在黑龙江省，强度不变；副高进一步西伸。 2 9 日2 0 时，原位于黑龙江的高压脊减弱移走；低压槽移到内蒙东部；副高继续西伸。 在8 5 0 h p a 高度场，2 8 日0 8 时：在贝加尔湖南部以及河套地区各有一低槽，天津位 6 于槽前；黑龙江有一高压；2 8 日2 0 时，原贝湖槽和河套槽合并，移到河北省境内，低压 槽有所加强：由温度场可以看到，有冷中心在槽线上。高压脊大约在东经1 3 0 度。2 9 日 0 8 时高压脊有所加强。 从2 8 目2 0 时到2 9 日2 0 时，天津地区地面一直处于低压控制。 由以上分析可以看出，5 0 0 h p a 贝加尔湖高空槽东移，引导冷空气由西北方向而来； 副熟带高压西伸北抬，其暖湿的西南气流带来丰富的水汽，就天津遗区来说，它在2 s 日 2 0 时处于高空河套地区槽前且地面受低压控制，使得地面辐合，高空辐散，有利于降水的 形成。 2 3 物理量场分析 从卫星云图上可以看出，有一云团从山西南部向天津( 1 1 7 4e ，3 9 。n ) 方向移来， 并且不断发展，正是这一大尺度云团造成了京律地区的降水，所以，为了更清楚地看到该 系统的移动与发展状况，分别在2 8 日1 4 时、2 8 日2 0 时和2 9 日0 2 时沿1 1 3 。e 、1 1 5 。e 和l1 6 。e 做垂直速度、涡度、散度等物理量的垂直剖面图。 2 3 1 垂直速度、涡度及散度场 由2 8 日1 4 时沿1 1 3 。e 做的垂直速度剖面图( 图2 a ) 可以看出，在3 7 - 4 1 。n 。对流 层的中高层以上( 即6 0 0 h p a 以上) 首先出现上升运动区，其中心值位于4 5 0 h p a , 2 8 日2 0 时，沿1 1 5 。e 的垂直速度剖面图可以看出( 图2 ”，该系统东移两个经度并发展，垂直速度 从对流层的中高层扩展到对流层的低层( 2 0 0 h p a - - 9 0 0 h p a ) ，其上升运动的中心位于6 0 0 h p a ； 2 9 日0 2 时，系统东移一个经度左右并发展成熟，在该系统的南部出现了强的下沉运动， 而天津位于该下沉运动的北部的弱上升运动区；2 9 日0 8 时，系统移出天津并消亡。 图2( a ) 2 8 日1 4 时沿东经1 1 3 度的涡度，散度、垂直速度的垂直剖面图，阴影部分为 正相对涡度区( 单位：s - i ) ，0 , ) 2 s 日2 0 时沿东经1 1 5 度的涡度、敌度、垂直速度的垂直剂 面图，其中阴影区域是正相对涡度区，实线表示垂直速度( 单位：p a s ) ，虚线表示散度( 单 位：s 4 ) ，c 为辐合中心，d 为辐散中一t l , ，箭头表示上升运动 7 由涡度敖度场可以看出，2 8 日1 4 时( 图2 a ) ，在3 5 - 3 9 。n 5 0 0 h p a 以上首先出现正涡 度，正涡度中心位于2 5 0 h p a 左右，同时，在5 0 0 h p a - 7 0 0 h p a 出现辐合区，6 0 0 l 】p a 出现了辐 合中心，2 0 0 b p a - 4 0 0 b p a 之间是辐散区，辐散中心位于2 5 0 h p a 左右；2 8 日2 0 时( 图2 b ) ， 1 1 5 。e , 3 5 - 4 3 。n ，正相对涡度贯穿整个对流层，中心位于7 0 0 h p a , 强的辐合中心位于 8 0 0 h p a ；2 9 日0 2 时，正相对涡度的强度加大，其中心位于2 5 0 h p a ，而辐合辐散大值区位于 4 2 。n 左右，3 5 0 ”a 左右是辐合中心，2 0 0 h p a 左右存在辐散中心4 0 0 h p a 以下也有辐合辐 散，中心分别位于8 0 0 h p a 和5 0 0 h p a ；2 9 日0 8 时，该系统已经移出天津。 2 3 2 水汽及不稳定条件 充足的水汽是产生降水的必要条件。判断这一条件是否满足可以通过计算水汽通量和 水汽通量散度的变化来实现。水汽通量指在单位时间内流经某一单位面积的水汽含量( 单 位：g s - ) ，即表示水汽输送强度的物理量。一般所说的水汽输送是指水汽的水平输送。用 水平的水汽量表示其强度，风的方向即水汽输送的方向。单位气压差、单位长度的水汽通 量计算公式为：l 眵i g 。 口ii 水汽通量的数值和方 句只表示水汽的来源。在作降水成因分析时，常常需要进一步考 虑从各个方向输送来的水汽能否在某地集中起来，那么就要分析水汽通量散度。它的意义 是：在单位时间、单位体积内汇合进来或者辐散出去的水汽质量，其单位为 1 0 g c m 2 h p a 一。单位体积的水汽通量散度计算公式为： a = v 0 叨) ：昙4 钾) + 昙0 劫 g蕊g g 若a 0 ，则水汽通量是辐散的( 水汽因输送出去而减少) ；若a 和风场( 单位：m s ) 的垂直剖面图( a ) 2 8 日2 0 时( b ) 2 9 日0 2 时，其中实线为温度场，短箭头为风场，长箭头表示冷空气下沉 2 8 日2 0 时，如图4 c 所示，高空急流继续东移，其前端到达1 1 5 。e ，在急流的前方有 2 个较强的辐散区。位置偏南的辐散区影响天津地区的降水，由于它不仅位于高空急流的 左前方，而且位于3 9 。n ，1 1 6 。e 的一个急流中心的右后方，所以在两者共同作用下辐散 强度较强；与2 8 日1 4 时相比，地面由西北而来的冷空气加强，且在暖空气堆的东面亦有 从海上来的冷空气( 图4 d ) ，暖空气堆在西北方向移来的高空槽引导的冷空气和东面海洋 输送的冷空气的共同作用下，被迫抬升( 见图5 a ) ，使得对流层下层出现较强的上升运动， 这样，对流层下层暖空气抬升引起的上升运动与对流层中高层高空急流左前方引起的上升 运动结合，造成整个对流层均有上升运动以及正的相对涡度。同时在8 5 0 h p a 也激发出低空 急流，图6 为塘沽站雷达风廓线图( 此图时间均为世界时) ，因为塘沽站位于天津市区的东 部7 5 k i n 处，该站的风廓线也可以反映出高低空急流的相互作用，从图上可以看到，2 8 日 1 0 时左右( 世界时) 高空7 k m 有急流将西南风下传，1 l 时左右下传到5 k m 左右的高度， 1 2 时左右西南风下传到4 k m ，1 3 时左右动堑继续下传到3 k i n ；地面在1 0 时至1 2 时左右为 地面暖空气堆积阶段，一直为东南偏南风，在1 3 时左右，由于从西北方向和东面海上来的 冷空气的加强，地面暖空气抬升，使得东南风向上传播至i k m ：1 4 时左右，高空急流引起 的西南风下传至2 5 k i n ，与地面暖空气抬升引起的东南风在这个高度汇合。1 4 时4 0 分左右， 2 - - 2 ，5 k m 高度出现低空急流，风速达到1 2 m s ，1 5 时至2 0 肘，扣_ 3 k m 高度存在着低空急 流，风速 1 2 m s 。1 6 时4 0 分，高空急流对塘沽站的影响减弱，而1 9 时高空急流突然增强， 2 0 时强度又逐渐减弱。同时低空急流随高空急流减弱而减弱。综上所述，1 0 时高空急流开 始影响塘沽，并且其西南风开始下传。其下传的过程可以由上面的一条带箭头的粗实线表 1 0 示，下面的一条带箭头的粗实线可以表示出低空风的向上传播，配合1 3 时地面暖空气抬升， 在1 4 时4 0 分激发出低空急流，在1 6 时4 0 分高空急流对塘沽站的影响减弱，低空急流也 减弱，而1 9 时高空急流突然增强，低空急流也增强，2 0 时高低空急流强度又逐渐减弱。 通过图7 我们看到位于天津东面的东丽区的佟楼站和西青站相比每小时降水明显偏少，而 且在2 8 日2 3 时一2 9 日o l 时( 北京时 西青区降水突然增大到2 5 0 m m h ，对应的雷达风 廓线圈可以看到在1 4 时( 鄄北京时2 2 对左右) 高空急流加强，在2 9 日0 2 时和0 3 时自动 站所测降水普遍减少，对应的雷达风廓线图中1 7 时左右( 即北京时2 9 日0 1 时) 高空急流 也减弱，在2 9 日0 4 时降水量又有一次突然加大，对应雷达廓线图1 9 时( 即北京时2 9 日 0 3 时) 高空急流又有所增加。我们看到高空急流强度的变化和自动站每小时降水量的变化 均成波动状，而且这两种变化曲线波峰和波谷相对应，高空急流的变化比降水量的变化要 提前一个小时左右高空急流对天津影响强弱的变化与天津市区的降水量变化是基本一致 的，高空急流增强时市区的降水量也增大，当高空急流减弱时，市区的降水量也降低。可 见，高空急流对市区的降水量影响是很大的， 图6 塘沽站雷达风廓线图( t 为世界时) 粗实线为高空风和低空风的传播，细实线为高空 急流的变化 第三章天津局地降水的中小尺度系统的影响 因为这次降水过程主要集中在市区，所以主要的影响系统是属于，中尺度的，那么只 是用高地空急流的配置对这次降水进行分析是不够的。 图8 是市区和郊区各选一个代表站的每小时降水量柱状图，由图上可以看出，市区每 小时最大降水量可达到1 4 m m h ，而郊区的每小时最大降水量只有o 3 m m h 。本文用雷达资 料以及地面自动站的资料来分析中小尺度系统。 3 1 雷达资料分析 从雷达1 5 4 仰角基本反射率看出( 图9 a ) ，降水前2 个小时在西南方有一个强度达到 4 5 d b z 的回波向天津移来，并与东北方向移来的同样强度的回波形成一条南北向的回波带： 降水前1 小时，原回波带减弱消散，在西南方又有新的回波向天津移来，这些回波向东北 方向移动并且不断地发展，在2 2 时2 0 分已经可以很明显地看出在天津及附近有两条东西 向且最大强度达到5 5 d b z 的回波带( 图9 b ) 。随后两者合并向东北方向移动。2 9 日0 1 时云 团内又有新的强回波从西南方向发展移来，2 9 日0 4 时系统东北方向移动，移出天津地区。 从雷达1 5 。仰角基本速度资料( 图l o a ) 可以看出，降水前2 个小时，在天津地区有 一条东风西风( 1 m s 与1 5 m s ) 的辐舍带，并向东北方向移动；降水前1 小时，从天津珏 南方移来一风速的辐合区，并且在2 8 日2 0 时已经发展加强移到天津市区；该辐合区与从 西南方向移来的辐合区合并发展，至2 2 时2 0 分，可以看出两条强回波带相对应的两个风 的气旋性切变区( 图l o b ) ，而后两个区合并并向东北方向移动；随着这个系统的向东北方 1 2 向移动，又有新的风切变区移过天津。至2 9 日0 4 时系统移出天津地区。 总之，从雷达资料可以看出，在2 8 日2 0 时至2 9 日0 4 时之问，有多个中y 尺度 系统从西南方向向天津市区移来，在2 8 日2 2 时移到天津地区的中y 尺度系统发展加强成 中口尺度系统，并且在3 k m 高度仍然可以看见其强回波，此时天津市区的降水也突然增大， 2 9 日0 0 时以后也有多个中y 尺度系统移来天津，但是强度均不大，没有发展到3 k r n 的高 度，而此后天津市区每小时的降水量也没有2 9 日0 0 时以前的大。 天津市区大概位于距雷达中心3 8 5 8 1 a n 处，由雷达的反射率剖面图及径向速度剖面 图可以看到( 图略) ，在降水前两个小时，即2 8 日1 8 时2 1 分，距雷达5 0 k i n 左右。还有一 个强回波，回波强度达4 5 d b z , 回波高度达到9 k m ，此时由自动站资料我们发现市区温度相 对于郊区来说比较高，这个孤立的强回波就位于市区的范围内。说明此时市区有较大程度 的对流运动，由径向速度剖面图1 2 a 可以看到，速度色标为正速度远离雷达，负速度向着 雷达，在市区范围约距雷达5 0 k m 处，3 k m 以下有正速度和负速度造成的辐合区，以上两 图表明，市区温度升高，造成该地区在降水前对流活动就较强。并且低层有辐合运动。 在2 8b1 8 时5 1 分，即降水前一个小时，通过每隔6 分钟的雷达剖面图( 图l l a ) 可以看到，在距雷达3 7 5 6 k i n 处，高度6 k m 以下始终有强度5 0 d b z 强度的回波，回波强度 比上一个时次要大，对应着市区和郊区的温差在这个时刻比上个时次也要大，达到了4 7 度。由图1 2 a 可以看到，市区范围，在4 k m 以下，风速是辐合的，6 k m 左右，风速是辐散 的。我们看到在市区对流强度进一步加强，为未来的降水做好准备。此时市区范围的对流 活动也开始增多，但市区对流活动仍是最强。 在2 8 日2 0 时4 6 分，天津市区有降水。整个天津范围内有较大范围的强回波，这与此 时刻有较大范围云团从西南方向移来天津有关，由雷达径向速度剖面图( 图略) 可以看到， 从雷达中心到市区范围，高度在3 k m 以下风速是正的，是远离雷达方向的，5 k m 左右风速 是负的，是指向雷达方向的，风向上下层切交很大，可见此时大气是很不稳定的。产生降 水原因是市区在前两个时次大气就比较不稳定，此时由西南方向移来大范围的对流云团， 提供丰富的水汽，所以降水开始。 在2 8 日2 l 时0 2 分，天津市区有强度为3 0 d b z 的回波，径向速度剖面图显示( 图略) ， 1 3 市区范围3 k m 高度上下有较明显的风切变，天津市区仍然有降水，但降水量依然不大，这 与这个时段内前一个较强回波移走而下一个回波还未移来天津周围有关。这种前一个较强 回波移走而下一个回波还未移来天津周围的情况持续到2 2 时2 0 分。 在2 8 日2 2 时2 6 分。由地面自动站的资料我们可以看出，这个时次的一小时降水量也 不是很大。但是天津的降水由雷达回波剖面图看到( 图略) ，整个天津范围都有较强的回波， 高度达到9 k m 。在天津市区范围，回波强度尤其大，达到了4 5 d b z ，该强回波在接下来的一 个小时中，始终在天津市区范围内活动。而且有加强的表现；由径向速度剖面图( 图略) 可以看到，在天津市区范围，风的辐合很明显，尤其在3 k m 以上，在整个天津范围内我们 可以看到从地面到9 k m 高度有一条较明显的辐合区，离雷达1 9 k i n 处，是明显的辐散区。 在2 8 日2 2 时5 7 分，由图l l b 看出，强回波中心位于天津市区附近，中心强度达5 5 d b z ， 由v c s 图( 图1 2 b ) 可以看到它的入流区大部在低层，距雷达5 0 k m 处出现径向风的辐合， 高度5 k m 以上，辐合更加明显，不仅有风速辐合还有风向的辐合，从整个天津地区来看， 辐合区位于离雷达5 0 1 0 0 k m 处；距雷达4 0 k m 以内，径向风辐散，由于该时次辐合辐散比 较强，回波强度也比较大，所以天津地区的降水继续维持，又由于回波强度较大的云团始 终在市区维持。所以天津市区的降水量依然高于其他郊区。 在2 8 日2 3 时5 7 分，在天津市区范围内回波强度跟周围相比依然较强，强度在 4 0 - 4 5 d b z ，回波高度仍然在9 k m 左右，在2 8 日2 4 时这段时间，市区范围回波强度一直维 持在4 0 4 5 d b z ，所以市区的降水跟上一时刻相比差不多，而其它地区回波强度变化较大， 不利于其他地区的降水。由雷达的径向速度剖蟊图( 图略) 可以看到，在距雷达3 7 k m 处， 低层3 k m 以下有明显的辐合，有利于降水的维持。 在2 9 日0 1 时至0 2 时，由雷达回波剖面图( 图略) 可以看到，天津的市区依然回波较 强，其强度大约在3 0 3 5 d b z ，而相应的径向速度剖面圈( 图略) 上，我们看不到明显的正 负速度造成的辐合辐散区，基本都以负速度为主，在高度3 k m 以上有风速的辐合，但相比 较前两个时次来说，这种辐合弱了很多。根据地面自动站观测的降水量来看，除2 9 日0 l 时市区的降水量较大外，2 9 日0 l 时的郊区以及0 2 时整个天津地区降水量都是相对较少的。 在2 9 日0 3 时，天津自动站降水资料显示，这个时刻的- - 4 , 时降水量突然又增多，在 1 4 2 9 日0 2 时至0 3 时这段时间里，市区仍然有强度达到5 0 d b z 的强回波( 见图h e ) ，其它地 区回波很弱或者没有回波，由图1 2 c 可以看到，在距雷达4 0 1 d n 处有风速的辐合，距雷达 6 0 k i n 低层有较大的辐散。 在2 9 日0 4 时，天津地区的回波趋于减弱消失，降水也逐渐停止。 图1 1 雷达回波箭面图( 单位：d b z ) ( a ) 2 8 日1 8 时5 1 分( b ) 2 8 日2 2 时5 7 分( c ) 2 9 日0 2 时3 0 分( 北京时) 图1 2 雷达径向速度剖面图( 单位：m s ) ( a ) 2 8 日1 8 时5 1 分( b ) 2 8 日2 2 时5 7 分( c ) 2 9 日0 2 时3 0 分( 北京时) 对于天津市区，影响降水的云团以及其内部的中，尺度系统的移动方向是西南一东北 的，天津市区的降水受这些中，尺度系统得影响很大。而且。由以上雷达回波剖面图我们 可以看到，之所以天津市区降水量比较大，是因为雷达的强回波总是出现在市区范围，而 且持续时间较长。而且由经向速度剖面图看较强的辐合也出现在市区。 3 2 地面自动站资料分析 透过分析地面每小时一次的自动站资料发现，降水前一天，天津市区的平均温度比郊 区高出0 4 度。在2 8 日1 8 时( 图1 3 ( a ) ) ，城郊温差迅速加大，最大温差达到2 7 度，2 8 日1 9 时( 图1 3 ( b ) ) ，城郊温差继续加大。最大温差达到4 7 度：而且从2 3 日1 8 时至2 9 日0 3 时降永基本结束，地面一直有条辐合线存在( 图1 3 ( c ) ) ，而且地面辐合线也是由北 向南传播的，与重力波的传播方向一致，但是它并不是由重力波产生的，因为2 9 日0 2 时 它位于重力波传播时产生的辐合区的南部，文献【2 8 】认为城市中尺度地面风场辐合线的产 生可能与城郊的热力差异强迫有关，而且对对流单体有明显的组织作用。 通过对地面自动站资料诊断分析还可以看出，天津市区的假相当位温比较大( 3 5 0 k ) ， 不稳定性市区比郊区要大，而且水汽通量达到0 0 8 9 r f h p a 一5 一，比周围郊区 ( 0 0 5 - 0 0 6 9 所一d a - 1 j - 1 ) 要高。以上这些要素十分有利于天津市区的局地降水 图1 3 ( a ) 2 8 日1 8 时地面温度( 单位：0 1 。c ) 和风场，( b ) 2 8 日2 9 时地面温度( 单位： 0 1 。c ) 和风场，( c ) 2 8 日2 0 时至2 9 日0 3 时地面辐合线的运动情况，其中粗实线为地面 辐合线，细实线为温度等值线，阴影区为温度高值区 3 3 雷达与自动站资料对比分析 将天律市地面自动站每小时一次的观测资料中的风向风速以及地面风的风向风速和大 气稳定度带入天津市沥涝预警系统中计算出2 8 日1 8 时至2 9 日0 4 时天津市区地面至2 k m 高度闻风矢量的情况，并且用五维复杂数据集微机可视化系统( 版本5 0 ) p c _ v i s 5 d 模拟出 其风矢量的情况，并且用该风场情况结合雷达回波进行比较分析。 圉1 4 雷达0 5 。仰角基本反射率图( 单位；d b z ) ( a ) 2 8 日1 9 时( b ) 2 8 日2 0 时( c ) 2 8 日2 1 时( d ) 2 8 日2 2 时( e ) 2 8 日2 3 时( f ) 2 9 日0 0 时( g ) 2 9 日0 1 时( h ) 2 9 日0 2 时( i ) 2 9 日0 3 时q ) 2 9 日 0 4 时 圈1 5 雷达1 5 。仰角基本反射率图( 单位：d b z ) ( a ) 2 8 日1 9 时( b ) 2 8 日2 0 时( c ) 2 8 日2 1 时( d ) 2 8 日2 2 时( c ) 2 8 日2 3 时( f ) 2 9 日时( g ) 2 9 日0 1 时( h ) 2 9 日0 2 时( i ) 2 9 日0 3 时q ) 2 9 日 0 4 时 圉1 6 天津市区范围( 3 9 o 肚3 9 2 7 。n ，1 1 7 n 7 4 e ) 风场流线圈( a ) 2 8 日1 9 时( b ) 2 8 日2 0 时( c ) 2 8 日2 l 时( d ) 2 8 日2 2 时( c ) 2 8 日2 3 时( f ) 2 9 日0 0 时( g ) 2 9 日0 1 时( h ) 2 9 日0 2 时( i ) 2 9 日 0 3 时q ) 2 9 习0 4 时 由图1 6 a 可以看出，沿3 9 1 7 n ，1 1 7 0 0 e 和3 9 2 1 。n ，1 1 7 4 0 e 所拉斜面做剖面，降水 前一个小时( 2 8 日1 9 时) 在市区西部和中部有明显的上升环流，市区东部有一个明显的顺 时针环流，而此时由图1 4 a 及图1 5 a 可以看出，天津市区还没有回波，也就是云团还没有 移到市