干冷空氣對江蘇熱帶低壓倒槽大暴雨影響的數(shù)值試驗*

張雪蓉 王麗芳 王博妮 廖一帆 濮梅娟

1 中國氣象局交通氣象重點開放實驗室，南京氣象科技創(chuàng)新研究院，江蘇省氣象科學(xué)研究所，南京 210041 2 上海市嘉定區(qū)氣象局，上海 201800 3 江蘇省氣象服務(wù)中心，南京 210008 4 南京信息工程大學(xué)，南京 210044 5 江蘇省氣象臺，南京 210008

提 要： 采用WRF中尺度數(shù)值模式，通過對2011年7月11—13日江蘇持續(xù)性熱帶低壓倒槽大暴雨的數(shù)值試驗，揭示干冷空氣強度變化對暴雨分布和強度影響的動力、熱力機制。結(jié)果表明：對流層高層干冷空氣加強不利于降水增強，一定濕度的干冷空氣對降水有利；中層干冷空氣增強有助于暴雨增強，但濕度太低不利于強降水持續(xù)；低層干冷空氣愈強愈有助于暴雨增強。暴雨強度不僅與低層輻合和高層輻散耦合動力配置的強度有關(guān)，還與其維持時間有關(guān)，中層和低層干冷空氣增強均有利于動力配置的增強和維持，對應(yīng)于暴雨的增強和維持。中層干冷空氣增強，低層鋒區(qū)增強，降水增強；低層干冷空氣增強(減弱)，鋒區(qū)明顯加強(減弱)，對應(yīng)降水增強(減弱)，暴雨中心東南(西北)移。暴雨中心濕位渦分量MPV1(500 hPa)和MPV2(800 hPa)維持“上正下負”配置，有利于降水增強。高層和中層干冷空氣加強時，MPV1和MPV2峰值先于降水最大值出現(xiàn)；低層干冷空氣加強，MPV1峰值先于降水最大值出現(xiàn)，MPV2峰值與降水最大值同時出現(xiàn)，對降水增強有先導(dǎo)和增幅效果，MPV1和MPV2的峰值愈大，降水愈強。

引 言

熱帶低壓倒槽暴雨或熱帶氣旋遠距離暴雨的產(chǎn)生和發(fā)展除了與暖濕氣流息息相關(guān)外，干冷空氣作用也很重要。暖濕氣流的抬升是觸發(fā)臺風(fēng)暴雨的重要因素(尹東屏等，2011；任麗等，2019；陳博宇等，2020)。與西風(fēng)槽相伴隨的冷空氣與暖濕氣流之間形成流場輻合切變線，觸發(fā)輻合線上的中尺度擾動(李志楠等，2000；張經(jīng)珍等，2000；趙宇等，2005；2011；2016；陳有利等，2019)，干冷空氣入侵不僅引發(fā)中小尺度對流發(fā)展，使降水加強，還會延長降水時間(Browning and Golding，1995；Browning，1997；仇永炎，1997；朱洪巖等，2000；崔晶和張豐啟，2002；濮梅娟等，2002；郭英蓮和徐海明，2010；王麗芳等，2013a)。冷空氣與臺風(fēng)結(jié)合后往往通過影響臺風(fēng)的熱力和動力結(jié)構(gòu)，進而導(dǎo)致暴雨(程正泉等，2005；朱佩君等，2003；李英等，2006；董美瑩等，2009)。臺風(fēng)或臺風(fēng)倒槽受冷空氣影響，往往有利于降水增幅(于玉斌和姚秀萍，2000；吳海英等，2014；陳鵬等，2017；王麗芳，2013)。熱帶低壓倒槽大暴雨發(fā)生在E指數(shù)能量鋒區(qū)南側(cè)高溫高濕的對流不穩(wěn)定區(qū)，低層濕位渦分布能較好指示高低緯冷暖空氣的活動和暴雨區(qū)的濕斜壓性，大暴雨發(fā)生在MPV1零等值線靠近負值區(qū)一側(cè)，MPV2負值強弱與降水強弱成正比(王叢梅等，2005；王麗芳等，2013b)。

江蘇地處中緯度沿海，遭受臺風(fēng)正面登陸襲擊不多，但受臺風(fēng)倒槽的影響比較多(錢維宏等，1990)。當(dāng)臺風(fēng)或熱帶低壓中心位置還在華南沿海時，北伸倒槽就開始影響華東地區(qū)北部，引發(fā)降水，特別是與西風(fēng)槽或冷空氣結(jié)合時，能夠誘發(fā)更強的降水(張芹等，2008)，給人民生命財產(chǎn)造成了嚴重的影響。受2000年臺風(fēng)派比安倒槽影響，江蘇淮北地區(qū)出現(xiàn)大暴雨、部分地區(qū)特大暴雨，大暴雨中心鹽城市響水縣24 h雨量達到830.3 mm。2012年臺風(fēng)海葵倒槽與冷空氣結(jié)合，江蘇淮北地區(qū)再次出現(xiàn)大暴雨、局部特大暴雨，大暴雨中心響水縣24 h雨量達到507.8 mm(潘婧茹等，2016)。由于熱帶低壓倒槽暴雨或臺風(fēng)暴雨受中低緯多個系統(tǒng)相互作用，影響機理復(fù)雜，一直是預(yù)報業(yè)務(wù)中的難點(于玉斌和姚秀萍，2003；高拴柱等，2018；徐道生等，2020；危國飛等，2021)。本文利用WRF v3.3系統(tǒng)對2011年7月11—13日江蘇淮河以南地區(qū)熱帶低壓倒槽大暴雨過程進行多種敏感性試驗，旨在揭示中緯度干冷空氣對熱帶低壓倒槽暴雨的影響機制，為此類暴雨預(yù)報提供有益的參考。

1 天氣實況

1.1 降水實況

2011年7月11—13日，受南海熱帶低壓倒槽和西風(fēng)帶槽后干冷空氣的共同影響，蘇皖兩省淮河以南地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性大暴雨，江蘇大暴雨區(qū)域位于江淮之間和沿江地區(qū)(圖1a)，部分地區(qū)累計雨量在200 mm以上，部分縣市達到250 mm以上，其中海安縣達到301.9 mm。連日強降水使江蘇江淮之間和沿江江河湖庫水位暴漲，大部分城鎮(zhèn)出現(xiàn)嚴重內(nèi)澇，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成了嚴重影響。

1.2 環(huán)流背景

暴雨產(chǎn)生在有利的環(huán)流背景下，在500 hPa上蒙古冷渦維持，南側(cè)不斷有低槽發(fā)展東移，帶動干冷空氣持續(xù)自貝加爾湖擴散南下，影響江淮地區(qū)(圖1b)。850 hPa上南海熱帶低壓受赤道東風(fēng)氣流引導(dǎo)緩慢西行，倒槽自廣東、江西、安徽伸向江蘇北部。副熱帶高壓偏北偏東，熱帶低壓與副熱帶高壓之間存在偏南風(fēng)低空急流，淮河以南地區(qū)處在副熱帶高壓西南側(cè)的偏南氣流中，冷暖空氣在倒槽頂部附近交匯。200 hPa高空偏西急流核不斷向東部沿海傳遞，急流南側(cè)的風(fēng)場輻散使低層倒槽穩(wěn)定在江蘇沿淮地區(qū)，低空急流增強并緩慢向北移動。12日副熱帶高壓加強西伸，倒槽頂部有中尺度低渦生成(王麗芳等，2013b)，隨著低渦加強，降水增強。所以，本次大暴雨過程是在高低空有利的環(huán)流背景下發(fā)生的。

2 模式及試驗方案設(shè)計

2.1 模式簡介

運用WRF v3.3模式系統(tǒng)，采用雙向兩層嵌套網(wǎng)格，粗、細網(wǎng)格水平分辨率分別為30 km、10 km，粗網(wǎng)格格點數(shù)為129×115，細網(wǎng)格格點數(shù)為184×154，模擬區(qū)域中心位置為33°N、120°E，垂直方向為27層。模式初始場和側(cè)邊界條件使用NCEP/NCAR(1°×1°)全球客觀再分析資料。微物理過程使用Ferrier(new Eta)方案，積云參數(shù)化方案為淺對流Kain-Fritsch方案，陸面過程采用Noah方案，邊界層方案為YSU方案，大氣長波輻射選用RRTM方案，太陽短波輻射采用Dudhia方案，近地面層采用Monin-Obukhov方案。模式從11日20時開始積分，積分時間為48 h，積分步長為180 s。模擬過程中粗網(wǎng)格3 h輸出一次結(jié)果，細網(wǎng)格1 h輸出一次結(jié)果。

圖1 2011年7月(a)11日08時至14日08時累計降水量分布,(b)12日20時環(huán)流綜合圖 (圖1b中等值線代表500 hPa高度場,單位:dagpm；黑色粗實線表示500 hPa槽線；風(fēng)向標(biāo)和陰影 分別代表850 hPa風(fēng)場和急流；粗虛線表示850 hPa倒槽輻合線；D表示熱帶低壓及中尺度低渦中心)Fig.1 (a) Accumulated precipitation distribution from 08:00 BT 11 to 08:00 BT 14 July, (b) atmospheric circulation at 20:00 BT 12 July 2011 (InFig.1b contour represents height field at 500 hPa, unit: dagpm； thick black solid line denotes trough line at 500 hPa； wind barbs and shaded areas represent wind field and LLJ at 850 hPa, respectively, unit: m·s-1； thick dashed line represents inverted trough convergence line at 850 hPa； D sign represents the center of tropical depression and mesoscale vortex)

2.2 控制試驗?zāi)M結(jié)果

模式控制試驗預(yù)報的降水場和環(huán)流場與實況場基本一致。模式較好地模擬出11日20時至13日20時的強降水區(qū)域和雨帶走向，模擬48 h江蘇境內(nèi)雨量最大值為220 mm，中心位于32.4°N、120.6°E，與實況48 h累計降水大值中心沿江地區(qū)靖江(220.7 mm)、如皋(205.8 mm)對應(yīng)。環(huán)流場上，對于低層熱帶低壓倒槽及其頂部中尺度低渦、低空急流、中層蒙古冷槽和副熱帶高壓、高空西風(fēng)急流等主要影響系統(tǒng)，模式模擬結(jié)果與實況場基本吻合，各系統(tǒng)的發(fā)展演變過程也能夠較好地再現(xiàn)。總體而言，模式預(yù)報能力較強，在此基礎(chǔ)上進行敏感性試驗研究，對本次暴雨過程進行分析。

2.3 敏感性試驗方案設(shè)計

干冷空氣對暴雨影響的敏感性試驗有關(guān)模式參數(shù)與控制試驗一致。干冷空氣的熱力學(xué)屬性包括濕度和溫度兩個方面，一般而言，中緯度西風(fēng)槽后攜帶來自中高緯度的干冷空氣，溫度和濕度均相對較低，降溫和降濕作用有利于暴雨區(qū)對流不穩(wěn)定和斜壓性增強(姚秀萍和于玉斌，2005)。以往研究大多通過改變初始場溫度模擬分析不同強度冷空氣對臺風(fēng)暴雨的影響(梁軍等，2008；姚晨等，2019)，對于干冷空氣濕度變化作用的研究相對較少。本文主要選取改變初始場相對濕度，模擬干冷空氣濕度變化對于暴雨發(fā)生發(fā)展的作用，探討不同強度的干冷空氣對降水的影響。將相對濕度(RH)低于60%的區(qū)域作為干冷區(qū)，選擇200～400、400～600和600～800 hPa分別代表對流層高層、中層和低層，將初始場不同層次干冷空氣的相對濕度分別乘以系數(shù)0.5、0.2和1.5(相對濕度分別降低50%、80%和升高50%)，分別對應(yīng)初始場干冷空氣增強、大幅增強和減弱，敏感性試驗設(shè)計了9種方案(表1：試驗編號為2～10)，以此分析不同層次干冷空氣增強和減弱對應(yīng)降水落區(qū)和強度的變化。

表1 2011年7月12日20時至13日20時數(shù)值試驗江蘇最大降水量比較Table 1 Comparison of maximum accumulated precipitation in Jiangsu Province in the numerical experiments from 20:00 BT 12 to 20:00 BT 13 July 2011

3 干冷空氣對暴雨影響的數(shù)值試驗分析

干冷空氣濕度的敏感性試驗重點分析12日20時至13日20時江蘇東部強降水時段，對流層高層、中層和低層干冷空氣強度變化對暴雨的影響。

3.1 高層干冷空氣對暴雨影響的數(shù)值試驗

高層干冷空氣濕度變化敏感性試驗2、3、4，分別將高層干冷空氣相對濕度乘以系數(shù)0.5、0.2和1.5，試驗結(jié)果與控制試驗相比(圖2a)，雨帶均為西南—東北走向，試驗2和試驗3雨量大于25 mm的區(qū)域位置基本相同，試驗4大雨區(qū)北界稍偏南、范圍略縮小。降水強度和位置變化不同，與控制試驗相比，試驗2相對濕度下降50%，干冷空氣增強，暴雨中心雨量為120 mm，減小40 mm，中心位置東北移0.05經(jīng)距、0.05緯距(圖2b)；試驗3高層相對濕度下降80%，干冷空氣大幅增強，暴雨中心雨量減小40 mm(圖2c)，中心位置東北移0.05經(jīng)距、0.15緯距；試驗4高層相對濕度升高50%，干冷空氣減弱，暴雨中心雨量為170 mm，比控制試驗增大10 mm，中心位置西北移0.55經(jīng)距、0.35緯距(圖2d)。因此，對流層高層干冷空氣濕度降低，暴雨中心強度明顯減弱，中心位置稍向東北移動；干冷空氣相對濕度升高，暴雨中心強度略有增大，中心位置明顯向西北移動。表明對流層高層干冷空氣加強不利于降水加強，一定濕度的干冷空氣對降水有利。

3.2 中層干冷空氣對暴雨影響的數(shù)值試驗

中層干冷空氣濕度變化敏感性試驗5、6、7，分別將中層干冷空氣的相對濕度乘以系數(shù)0.5、0.2和1.5，試驗結(jié)果與控制試驗相比，雨帶位置和走向基本一致，但暴雨強度和位置變化明顯。試驗5中層相對濕度下降50%，暴雨中心雨量為230 mm，比控制試驗增大70 mm，中心位置東北移0.1經(jīng)距、0.2緯距(圖2e)；試驗6中層相對濕度下降80%，暴雨中心雨量為190 mm，比控制試驗增大30 mm，但比試驗5減小40 mm，中心位置東北移0.15經(jīng)距、0.1緯距(圖2f)；試驗7中層相對濕度升高50%，暴雨中心雨量比控制試驗減小10 mm，中心位置西北移0.05經(jīng)距、0.95緯距(圖2g)。可見，對流層干冷空氣增強有利于降水增強，暴雨中心稍向東北移，但濕度過低，不利于暴雨中心雨量繼續(xù)增幅。中層干冷空氣減弱，暴雨中心強度略有減弱，中心位置明顯西北移。

3.3 低層干冷空氣對暴雨影響的數(shù)值試驗

低層干冷空氣濕度變化敏感性試驗8、9、10，分別將低層干冷空氣的相對濕度乘以系數(shù)0.5、0.2和1.5。試驗結(jié)果與控制試驗相比，雨帶走向基本一致，位置有所變化。試驗8、9干冷空氣增強，120°E處大雨區(qū)北界位于33.3°N，比控制試驗偏南0.3緯距。試驗10干冷空氣減弱，120°E處大雨區(qū)北界在33.9°N，比控制試驗偏北0.3緯距。從暴雨中心強度和位置來看，試驗8低層干冷空氣增強，暴雨中心雨量為190 mm，比控制試驗大30 mm，中心位置東南移0.1經(jīng)距、0.1緯距(圖2h)；試驗9低層干冷空氣大幅增強，暴雨中心雨量為230 mm，比控制試驗增大70 mm，比試驗8增大40 mm，小時雨強顯著增大，1 h最大雨量達到68 mm，暴雨中心位置東南移0.25經(jīng)距、0.1緯距(圖2i)；試驗10干冷空氣明顯減弱，暖濕空氣勢力加強，暴雨中心雨量為120 mm，比控制試驗減小40 mm，中心位置西北移0.1經(jīng)距、0.85緯距(圖2j)。可見對流層低層干冷空氣增強，雨帶南壓，暴雨中心東南移，降水增強，干冷空氣愈強，暴雨增幅愈大；干冷空氣減弱，雨帶北抬，暴雨中心西北移，降水減弱。

通過上述分析可知，對流層高層干冷空氣加強，對降水不利，一定濕度的干冷空氣對降水有利；對流層中低層干冷空氣增強有利于降水增強，但中層干冷空氣濕度過低不利于暴雨繼續(xù)增幅；低層干冷空氣愈強降水愈強。低層干冷空氣變化還影響雨帶的南北擺動，干冷空氣增強，雨帶南移，暴雨中心東南移；干冷空氣減弱，雨帶北抬，暴雨中心西北移。

4 干冷空氣對暴雨影響的動力熱力機制探討

4.1 干冷空氣對高低空散度的影響分析

低層輻合上升、高層輻散抽吸對于強降水的形成具有十分重要的作用。不同數(shù)值試驗雨帶位置和暴雨中心強度不同，可能與冷空氣強度改變后高低空散度動力配置(以下簡稱動力配置)不同有關(guān)，下文通過分析強降水時段高低空散度場和垂直運動場，探討干冷空氣濕度變化對暴雨影響的動力機制。

控制試驗，降水變化與高低空散度和垂直運動密切相關(guān)，隨著高低空散度動力配置形成，降水不斷增強。13日05時之前，暴雨區(qū)上空500 hPa附近為輻散，700 hPa附近為弱的輻合，降水很弱，06時出現(xiàn)帶狀的輻散輻合帶，但強度較弱，對應(yīng)雨強小于10 mm·h-1。07時550 hPa以下輻合增強為-60×10-5s-1，其正上方輻散增強為75×10-5s-1，動力配置逐漸形成，垂直上升區(qū)速度超過3.0 m·s-1，雨強增大為36 mm·h-1。08時低層輻合和高層輻散中心繼續(xù)增強為-90×10-5s-1和90×10-5s-1(圖3a)，動力配置達到最強，狹長的垂直上升區(qū)加強中心為3.5 m·s-1，對應(yīng)雨強也達到最大52 mm·h-1。之后，動力配置逐漸減弱，800 hPa以下轉(zhuǎn)為輻散，降水逐漸減弱，09時雨強減弱為27 mm·h-1，10時減弱為13 mm·h-1，11時以后減弱至5 mm·h-1以下。07—09時，25 mm·h-1以上的短時強降水(以下簡稱強降水)維持了3 h。可見，高層輻散和低層輻合動力配置的形成，持續(xù)的高層輻散抽吸作用使低層輻合和垂直上升運動持續(xù)增強，為強降水的產(chǎn)生和暴雨增幅提供了動力條件。

對應(yīng)強降水時段，各種敏感性試驗暴雨區(qū)上空基本都形成了高層輻散、低層輻合耦合的動力配置，但動力配置的位置和強度存在一定差異。改變高層干冷空氣強度與控制試驗比較分析，試驗2高層干冷空氣相對濕度降低50%，動力配置形成時間滯后1 h、位置北移至32.45°N，低層輻合比控制試驗弱，13日08時輻合中心為-60×10-5s-1(圖3b)，強降水共維持了2 h(08—09時)，最大雨強為32 mm·h-1，累計降水量比控制試驗小；試驗3將干冷空氣濕度降低80%，低層輻合減弱和位置北移更明顯，輻合中心維持在-45×10-5s-1(圖3c)，位于32.6°N，盡管強降水也維持了3 h(07—09時)，但最大小時雨強為42 mm·h-1，累計降水量比控制試驗小，累計降水量也比控制試驗小；試驗4將干冷空氣濕度提升50%，動力配置形成時間提前1 h、位置略南移，輻合、輻散中心分別為-60×10-5s-1和60×10-5s-1(圖3d)，強降水共維持了4 h(06—09時)，累計降水量比控制試驗大，但最大雨強(38 mm·h-1)比控制試驗小。

改變中層干冷空氣強度，試驗5、6分別將中層干冷空氣相對濕度降低50%和80%，與控制試驗相比，動力配置位置略北移、形成時間提前1 h，垂直上升運動分別增強1 m·s-1和2 m·s-1，且上升區(qū)更寬、垂直伸展更高。13日08時，試驗5高層輻散中心為75×10-5s-1，強于低層輻合中心(-60×10-5s-1，圖3e)，動力配置有利于強降水持續(xù)，07—10時連續(xù)4 h雨強超過30 mm·h-1，其中07—09時連續(xù)3 h雨強達到40 mm·h-1以上，最大小時雨強為52 mm·h-1，強降水持續(xù)時間和累計降水量均大于控制試驗。試驗6低層輻合和高層輻散均較強，中心值分別達-90×10-5s-1和75×10-5s-1(圖3f)，07—09時連續(xù)3 h雨強超過40 mm·h-1，最大為53 mm·h-1，累計降水量大于控制試驗。與試驗5相比，試驗6相對濕度減弱幅度更大，干冷空氣更強，對應(yīng)動力配置和垂直上升速度更強，小時雨強更大，但強降水持續(xù)時間短，故累計降水量小于試驗5。表明對流層中層干冷空氣濕度太低，不利于強降水持續(xù)增幅。若入侵冷空氣過強，雖然對流系統(tǒng)中能發(fā)展出強的垂直運動，但垂直運動維持時間短，不利于產(chǎn)生持續(xù)性強降水(姚晨等，2019)。試驗7中層干冷空氣相對濕度上升50%，動力配置略南移(圖3g)、形成時間滯后1 h，強度偏弱，對應(yīng)降水強度也減弱，僅09時雨強為35 mm·h-1，其余均小于15 mm·h-1。

改變低層干冷空氣強度，試驗8、9分別將低層干冷空氣濕度降低50%和80%，與控制試驗相比，動力配置提前1 h形成、位置略南移，低層輻合維持在-75×10-5s-1以上，高層輻散均大于75×10-5s-1(圖3h，3i)，高層輻散的抽吸作用有利于動力配置的維持，垂直上升速度大于4 m·s-1，降水明顯增幅。試驗9強降水維持了4 h，其中07—09時連續(xù)3 h雨強超過40 mm·h-1，13日08時達到68 mm·h-1，累計降水量和雨強均明顯大于控制試驗，同時也大于試驗8。試驗10干冷空氣相對濕度上升50%，動力配置滯后1 h形成、位置北移至33°N、強度顯著減弱，輻合中心最大值為-30×10-5s-1，輻散中心小于15×10-5s-1，垂直上升運動僅1 m·s-1，對應(yīng)雨強明顯減弱，最大為19 mm·h-1(10時)，其余均小于11 mm·h-1(圖3j)。

由上述分析可知，暴雨發(fā)生在低層輻合與高層輻散垂直疊加的狹長垂直上升運動區(qū)，暴雨強度不僅與高低空散度動力配置的強度有關(guān)，還與其維持時間有關(guān)。高層輻散強于低層輻合，較強的高層抽吸效應(yīng)有利于動力配置的增強和維持，有利于垂直上升運動增強，觸發(fā)短時強降水，造成累計降水量增大。高層干冷空氣增強，動力配置減弱，對應(yīng)強降水持續(xù)時間和雨強減弱，累計雨量減小，暴雨中心略東北移；中層干冷空氣增強，動力配置和上升運動增強、位置北移、形成時間提前，對應(yīng)降水增強，暴雨中心東北移；但中層相對濕度太低，不利于強降水持續(xù)增幅；低層干冷空氣增強(減弱)，動力配置南移(北抬)、形成時間提前(滯后)，對應(yīng)降水增強(減弱)，暴雨中心東南(西北)移。

圖2 2011年7月12日20時至13日20時降水量分布 (a)試驗1,(b)試驗2,(c)試驗3,(d)試驗4,(e)試驗5,(f)試驗6, (g)試驗7,(h)試驗8,(i)試驗9,(j)試驗10Fig.2 The 24 h accumulated precipitation distributions from 20:00 BT 12 to 20:00 BT 13 July 2011 (a) Experiment 1, (b) Experiment 2, (c) Experiment 3, (d) Experiment 4, (e) Experiment 5, (f) Experiment 6, (g) Experiment 7, (h) Experiment 8, (i) Experiment 9, (j) Experiment 10

圖3 同圖2，但為13日08時沿暴雨中心所在經(jīng)度的散度(等值線，單位：10-5 s-1) 和垂直速度(填色)垂直剖面Fig.3 Same asFig.2, but for the vertical cross sections of divergence (contour, unit: 10-5 s-1) and vertical velocity (colored) along the longitude of heavy rain center in different experiments at 08:00 BT 13 July 2011

4.2 干冷空氣對能量鋒的影響分析

各數(shù)值試驗?zāi)芰夸h區(qū)(假相當(dāng)位溫等值線密集區(qū))均為東北—西南走向，位于江蘇江淮地區(qū)，但鋒區(qū)的位置和強度有所不同。暴雨出現(xiàn)在能量鋒區(qū)東南側(cè)高溫高濕不穩(wěn)定區(qū)，雨帶走向與鋒區(qū)走向一致。橫穿控制試驗和各敏感性試驗?zāi)芰夸h區(qū)制作假相當(dāng)位溫垂直剖面圖，分析干冷空氣影響能量鋒區(qū)的情況。

蒙古低槽攜帶干冷空氣南下，能量鋒區(qū)前緣不斷向東南擴展，12日20時，控制試驗假相當(dāng)位溫336 K以下的干冷氣團位于34°N、118°E西北側(cè)，324 K的冷中心位于700 hPa上空，348 K以上的暖濕氣團位于33°N以南，能量鋒區(qū)與等壓面近乎垂直(圖略)。13日08時，336 K等值線前緣南推到達33°N、119°E上空(圖4a)，324 K的冷中心移至35°N、117°E，對應(yīng)降水也達到了最強。

各種敏感性試驗改變干冷空氣相對濕度，不同程度上影響能量鋒的強度和位置。試驗2、3、4改變高層干冷空氣相對濕度，鋒區(qū)強度和位置變化不明顯(圖略)。試驗5、6中層干冷空氣加強，冷中心假相當(dāng)位溫分別降低到322 K和320 K，冷空氣前緣向東向南擴展，低層能量鋒區(qū)增強(圖4b)，對應(yīng)降水增強；試驗7中層干冷空氣相對濕度升高，冷空氣主體北縮，低層能量鋒區(qū)略減弱，對應(yīng)降水減弱。試驗8、9低層干冷空氣增強，冷中心加強，假相當(dāng)位溫降至320 K以下，高度降至800 hPa，336 K等值線前緣明顯比控制試驗偏東偏南。強盛的干冷氣團向東南入侵，疊加到低層暖濕氣團之上，鋒區(qū)強度和位置比控制試驗明顯增強和南移(圖4c)，對應(yīng)小時雨強比控制試驗顯著增強，暴雨中心位置東南移；試驗10低層干冷空氣減弱，暖濕氣團范圍顯著向西北擴展，低層鋒區(qū)減弱北縮，對應(yīng)降水減弱，暴雨中心位置西北移(圖4d)。

圖4 2011年7月13日08時假相當(dāng)位溫垂直剖面(單位：K) (a)試驗1,(b)試驗6,(c)試驗9,(d)試驗10Fig.4 Vertical cross-sections of pseudo-equivalent potential temperature (unit: K) in different experiments at 08:00 BT 13 (a) Experiment 1, (b) Experiment 6, (c) Experiment 9, (d) Experiment 10

從上述分析可知，能量鋒區(qū)受高層干冷空氣影響不明顯；能量鋒區(qū)隨中層干冷空氣增強而增強，對應(yīng)降水也增強；低層干冷空氣加強南侵，能量鋒區(qū)增強南移，對應(yīng)降水增強，雨帶南壓，暴雨中心東南移；當(dāng)干冷空氣減弱北縮，低層暖濕空氣主導(dǎo)，能量鋒區(qū)減弱北抬，對應(yīng)降水減弱，雨帶北抬，暴雨中心西北移。

4.3 干冷空氣對濕位渦的影響分析

濕位渦(MPV)是表征了大氣動力、熱力和水汽作用的綜合物理量，分析濕位渦的時空分布，可以較好地探討強降水發(fā)生發(fā)展的物理機制。將濕位渦在等壓面上展開為MPV1(濕正壓項)和MPV2(濕斜壓項)，一般絕對渦度為正值，當(dāng)MPV1為負值，表示大氣為對流不穩(wěn)定，反之則為大氣對流穩(wěn)定；MPV2表征大氣的濕斜壓性。濕位渦單位為PVU(1 PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1)。MPV1正值可表征干冷空氣活動(李耀輝和壽紹文，2000)，MPV2負值絕對值越大表明大氣的斜壓性越強，越有利于降水的產(chǎn)生(劉峰等，2011；鐘利華等，2016；李靜楠等，2016)。對流層高層MPV1正值區(qū)與低層MPV2負值區(qū)相互作用，有利于不穩(wěn)定能量積累和釋放(范學(xué)峰和席世平，2012)。下文利用模擬結(jié)果分析暴雨中心逐小時500 hPa的MPV1和800 hPa 的MPV2變化與小時雨強的關(guān)系，揭示濕位渦對暴雨發(fā)生發(fā)展的影響機制。

控制試驗對應(yīng)強降水時段，暴雨中心上空中層(500 hPa)MPV1為正值，低層(800 hPa)MPV2為負值，分別代表對流層中層為對流穩(wěn)定，低層為斜壓不穩(wěn)定，這種“上正下負”的垂直配置，有利于暴雨發(fā)生發(fā)展。12日22時開始，隨著MPV1增大和MPV2減小，降水逐漸增大，至13日07時，MPV1和MPV2分別出現(xiàn)正、負峰值(以下簡稱峰值)，分別達到3.2 PVU和-0.9 PVU(圖5a)，對應(yīng)降水顯著增強，雨強達到36 mm·h-1，比06時增大了25 mm，13日08時，雨強出現(xiàn)最大值達到52 mm·h-1。MPV1和 MPV2的峰值比雨強最大值提前1 h出現(xiàn)，表明受隨著干冷空氣影響，大氣斜壓性增強，降水增強，09時開始，隨著MPV1和 MPV2強度減弱，對應(yīng)降水也減弱。

敏感性試驗改變各層干冷空氣相對濕度，暴雨中心濕位渦強度和演變趨勢與控制試驗不同。試驗2和試驗3高層干冷空氣增強，MPV1和MPV2強度均比控制試驗減弱(圖5b，5c)，表明中層對流穩(wěn)定性和低層斜壓性均減弱，對應(yīng)小時雨強明顯減弱，累計降水量也減小。中層和低層干冷空氣增強(圖5e,5f,5h,5i)，MPV1上升和MPV2下降趨勢劇烈，中層對流穩(wěn)定性和低層斜壓性顯著增強，對應(yīng)降水顯著增強，雨強和累計降水量均明顯大于控制試驗。如試驗9低層干冷空氣大幅增強，MPV1和MPV2于13日06時和08時先后出現(xiàn)峰值，分別達到3.6 PVU和-1.3 PVU，同時，降水強度顯著增強，07時雨強達43 mm·h-1，08時雨強出現(xiàn)最大值達到68 mm·h-1(圖5i)，累計降水量和小時雨強均比控制試驗顯著增大。相比試驗8(圖5h)，試驗9的MPV1和MPV2峰值更大，且MPV1正的高值和MPV2負的低值持續(xù)的時間更長，故對應(yīng)小時雨強更大，強降水持續(xù)時間更長，累計降水量也更大。而干冷空氣減弱(圖5d,5g,5j)，濕位渦強度減弱，對應(yīng)小時雨強和累計降水量均小于控制試驗。

上述分析表明，濕位渦的變化與干冷空氣變化具有較好的對應(yīng)關(guān)系。高層干冷空氣增強，MPV1和MPV2強度均減弱，中層對流穩(wěn)定性和低層斜壓性均減弱，對應(yīng)降水強度減弱。中層和低層干冷空氣增強，MPV1和MPV2強度顯著增強，中層對流穩(wěn)定性和低層斜壓性顯著增強，對應(yīng)降水強度顯著增強。各層干冷空氣減弱，MPV1和MPV2強度減弱，對應(yīng)降水強度減弱。從變化趨勢看，高層和中層干冷空氣加強時，MPV1和MPV2峰值基本都先于降水最大值出現(xiàn)，對降水的增強具有先導(dǎo)性作用。低層干冷空氣加強，MPV1峰值先于降水最大值出現(xiàn)，對降水增強有先導(dǎo)性作用，而MPV2峰值與小時最大降水量同時出現(xiàn)，即暴雨區(qū)低層斜壓性和降水同時達到最強，對降水有增幅效果，MPV1和MPV2的峰值愈大，降水愈強。

圖5 同圖2，但為12日22時至13日12時暴雨中心逐時降水量(直方柱)，500 hPa MPV1(實線) 和800 hPa MPV2(虛線)的時間變化Fig.5 Same asFig.2, but for time series of hourly precipitation (gray column), MPV1 at 500 hPa (solid line) and MPV2 at 800 hPa (dashed line) of heavy rain center from 22:00 BT 12 to 12:00 BT 13 July 2011

5 結(jié)論與討論

本文通過對2013年7月11—13日發(fā)生在江蘇淮河以南地區(qū)的一次熱帶低壓倒槽大暴雨過程的數(shù)值試驗，揭示了干冷空氣強度變化對暴雨分布和強度影響的動力熱力機制，主要得出如下結(jié)論：

(1)對流層高層干冷空氣加強，不利于降水增強，一定濕度的干冷空氣對降水有利；中層干冷空氣增強有助于暴雨增強，但濕度過低不利于降水持續(xù)增幅；低層干冷空氣越強，越有助于暴雨增幅。同時，低層干冷空氣活動還對雨帶的南北擺動有影響，干冷空氣增強(減弱)，雨帶南壓(北抬)，暴雨中心向東南(西北)移動。

(2)暴雨強度不僅與低層輻合與高層輻散動力配置的強度有關(guān)，還與其維持時間有關(guān)，較強的高層輻散抽吸效應(yīng)有利于垂直上升運動增強，觸發(fā)短時強降水，造成降水增幅。高層干冷空氣增強，動力配置減弱，對應(yīng)降水減弱。中層干冷空氣增強，動力配置增強，對應(yīng)垂直上升運動增強，降水增強。低層干冷空氣增強(減弱)，動力配置南移(北抬)，形成時間提前(滯后)，垂直上升運動增強(減弱)，降水增強(減弱)，暴雨中心東南(西北)移。

(3)能量鋒受高層干冷空氣影響不明顯。中層干冷空氣增強，能量鋒區(qū)有所增強，對應(yīng)降水增強。能量鋒位置和強度受低層干冷空氣活動影響較明顯，低層干冷空氣加強南侵，能量鋒區(qū)增強并南移，對應(yīng)降水增強，雨帶南壓，暴雨中心東南移；干冷空氣減弱北縮，低層暖濕空氣主導(dǎo)，能量鋒區(qū)減弱北抬，對應(yīng)降水減弱，雨帶北抬，暴雨中心明顯西北移。

(4)暴雨中心中層MPV1(500 hPa)和低層MPV2(800 hPa)維持“上正下負”配置，對應(yīng)中層對流穩(wěn)定、低層斜壓不穩(wěn)定，有利于降水增強。高層干冷空氣增強，中層對流穩(wěn)定性和低層斜壓性減弱，降水減小；中低層干冷空氣增強，中層對流穩(wěn)定性和低層斜壓性明顯增強，暴雨明顯加強；各層干冷空氣減弱，均對應(yīng)中層對流穩(wěn)定性和低層斜壓性減弱，暴雨減弱。高層和中層干冷空氣加強時，MPV1和MPV2峰值先于降水最大值出現(xiàn)，對降水的增強具有先導(dǎo)性作用；低層干冷空氣加強，MPV1峰值先于降水最大值出現(xiàn)，MPV2峰值與降水最大值同時出現(xiàn)，對降水增強有先導(dǎo)性和增幅效果，MPV1和MPV2的峰值愈大，降水愈強。

實際大氣中干冷空氣對熱帶低壓倒槽暴雨的影響問題十分復(fù)雜，干冷空氣強度及分布的變化可以改變暴雨發(fā)生發(fā)展動力、熱力因子的強度和分布，干冷空氣的強度及與熱帶低壓倒槽結(jié)合的位置直接影響暴雨的落區(qū)和強度。一般情況，預(yù)報員比較關(guān)注干冷空氣降溫的作用，預(yù)報過程中常常低估降水的量級。本文通過對流層不同層次干冷空氣相對濕度變化對熱帶低壓倒槽暴雨過程進行數(shù)值試驗，初步探討了干冷空氣相對濕度變化對暴雨落區(qū)和強度的影響機理，對這類暴雨的預(yù)報具有參考意義。但這些結(jié)論僅模擬分析了一次個例，結(jié)論有待進一步驗證。下一步還將通過改變干冷空氣溫度，以及同時改變干冷空氣的相對濕度和溫度等數(shù)值試驗，對影響暴雨落區(qū)和強度的物理機制，及對直接造成暴雨的中小尺度系統(tǒng)活動等，進行進一步深入研究。

致謝：感謝江蘇省氣象局“海洋天氣預(yù)報技術(shù)”培育團隊在研究過程中的幫助支持。