盧萍李旭李英李躍清鄭偉鵬

1中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都6100722四川省氣象服務(wù)中心，成都6100723中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

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空間加密探空觀測(cè)資料對(duì)西南低渦暴雨天氣過程數(shù)值模擬的影響

盧萍1李旭2李英1李躍清1鄭偉鵬3

1中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610072
2四川省氣象服務(wù)中心，成都610072
3中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

摘 要本文基于AREM（Advanced Regional Eta Model）模式，結(jié)合中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所西南低渦加密觀測(cè)科學(xué)試驗(yàn)得到的探空觀測(cè)第一手資料，通過對(duì)2012年7月3～4日四川區(qū)域性暴雨天氣過程（20120703過程）進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：（1）降水雨帶的分布主要取決于西南低渦移動(dòng)路徑，不同初值會(huì)使得低渦路徑在磨合協(xié)調(diào)期產(chǎn)生強(qiáng)擺動(dòng)，穩(wěn)定后則在此基礎(chǔ)上，隨著環(huán)境流場(chǎng)繼續(xù)移動(dòng)發(fā)展。（2）引入4個(gè)加密探空站點(diǎn)資料會(huì)對(duì)整個(gè)大氣物理量場(chǎng)造成一定影響，最大差值分布在這些站點(diǎn)附近，熱力和動(dòng)力物理量場(chǎng)最大偏差中心并不重合。時(shí)間演變直觀地說明了初值對(duì)局地大氣狀態(tài)的影響時(shí)段有限，主要集中在前期，與模式自身調(diào)整期相重疊。（3）初始的大氣狀態(tài)必然會(huì)隨著模式的磨合過程進(jìn)行調(diào)整，不同初值在調(diào)整期能對(duì)中小尺度低渦系統(tǒng)的位置及強(qiáng)度產(chǎn)生影響，形成各自穩(wěn)定的低渦系統(tǒng)初態(tài)。（4）低渦中心所對(duì)應(yīng)的散度、渦度、垂直速度關(guān)系非常密切，但三者強(qiáng)度和發(fā)展高度的演變并非完全一致。

關(guān)鍵詞西南低渦 AREM（Advanced Regional Eta Model）模式 加密探空 初值 移動(dòng)路徑

盧萍, 李旭, 李英, 等. 2016. 空間加密探空觀測(cè)資料對(duì)西南低渦暴雨天氣過程數(shù)值模擬的影響 [J]. 大氣科學(xué), 40 (4): 730?742. Lu Ping, Li Xu, Li Ying, et al. 2016. The influence of spatially intensive sounding observation data on the numerical modeling of southwest vortex rainfall [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (4): 730?742,

1 引言

西南低渦是在青藏高原復(fù)雜地形與大氣環(huán)流相互作用下，發(fā)生于我國(guó)西南地區(qū)的700或850 hPa等壓面上的中尺度氣旋式閉合低壓系統(tǒng)，是影響我國(guó)夏半年降水天氣過程的一個(gè)相當(dāng)重要的天氣系統(tǒng)。半個(gè)多世紀(jì)以來，對(duì)西南低渦開展了大量卓有成效的分析研究，取得了一些重要進(jìn)展（陳忠明等，2004；劉紅武和李國(guó)平，2008；何光碧，2012）。西南低渦的三個(gè)生成集中區(qū)分別位于九龍地區(qū)、四川盆地和小金縣一帶。移動(dòng)類西南低渦僅占低渦總數(shù)的20.5%，且主要取偏東路徑（70.7%）。關(guān)于西南低渦的基本結(jié)構(gòu)，解明恩等（1992）的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：700 hPa 西南低渦在邊界層內(nèi)具有較復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，在整個(gè)氣旋式環(huán)流的局部存在反氣旋式環(huán)流，形成了上升與下沉運(yùn)動(dòng)的交替出現(xiàn)。彭新東和程麟生（1992）通過對(duì)高原東側(cè)低渦的分析認(rèn)為：西南低渦具有暖濕的中心結(jié)構(gòu)。Fu et al.（2014）指出降水是長(zhǎng)生命史西南低渦存在的必要條件，其不同象限的演變機(jī)制和能量特征顯著不均勻。韋統(tǒng)健和薛建軍（1996）、王曉芳等（2007）指出：西南低渦的溫濕場(chǎng)和垂直流場(chǎng)在低渦區(qū)呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱分布，低渦是一個(gè)顯著的斜壓系統(tǒng)。康嵐等（2011）指出，引發(fā)暴雨的西南低渦相對(duì)于環(huán)境場(chǎng)是濕渦，南邊界是主要水汽輸送方向。辜旭贊和徐明（2012）研究認(rèn)為，“西南低渦—切變線”系統(tǒng)的暴雨發(fā)生在暖濕氣團(tuán)與變性冷氣團(tuán)之間的中尺度風(fēng)場(chǎng)輻合上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，中尺度雨團(tuán)發(fā)生在層結(jié)不穩(wěn)定的暖濕氣團(tuán)一側(cè)。對(duì)于西南低渦機(jī)理的研究，高守亭等（1987）認(rèn)為西南低渦的形成與盆地、河谷和氣流分層有關(guān)。Kuo et al.（1986，1988）研究認(rèn)為動(dòng)力過程決定西南低渦的生成，熱力過程在其發(fā)展過程中有重要影響。李國(guó)平等（1991）、朱禾等（2002）分別從熱力、地形方面指出，地面感熱加熱與暖平流對(duì)暖性西南低渦形成起著較大的作用，地形與環(huán)流的恰當(dāng)配置與耦合作用是西南低渦生成的主要因素。母靈和李國(guó)平（2013）指出，秦嶺、大巴山山脈對(duì)西南低渦的形成不具有決定性影響，但對(duì)西南低渦的維持和發(fā)展具有非常重要的作用；橫斷山脈、云貴高原對(duì)西南低渦的生成位置、強(qiáng)度以及移動(dòng)路徑均很重要，青藏高原大地形對(duì)偏東氣流的阻擋而產(chǎn)生的繞流有利于西南低渦的生成，對(duì)西南低渦的移動(dòng)也有重要影響。Wang and Tan （2014）通過理想化的地形試驗(yàn)，指出青藏高原和橫斷山脈對(duì)西南低渦的位置和尺度起決定性作用，四川盆地則增加了地形梯度，有利于西南低渦的維持和發(fā)展。在西南低渦對(duì)降水的影響方面，何光碧等（2005）得到，西南低空急流建立于暴雨出現(xiàn)之前，暴雨和盆地渦同時(shí)出現(xiàn)，而暴雨、低空急流和盆地渦幾乎同時(shí)減弱。蔣璐君等（2014）指出西南低渦引發(fā)的強(qiáng)降水中不管是層云降水還是對(duì)流云降水，6 km 高度以下降水量的貢獻(xiàn)最大，不同高度降水量對(duì)總降水量貢獻(xiàn)的大小隨著高度的升高而減小。郝麗萍等（2013）得到大氣水汽總量（GPSPWV）的急升與陡降對(duì)西南低渦大暴雨的形成與減弱有一定指示意義。

但是，對(duì)于西南低渦這樣的中尺度天氣系統(tǒng)，由于現(xiàn)有觀測(cè)資料的限制，分析使用的數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率不夠精細(xì)，影響了對(duì)西南低渦基本結(jié)構(gòu)、活動(dòng)特征及其天氣影響的具體認(rèn)識(shí)。2010年夏季開始，中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所（簡(jiǎn)稱高原所）建立了常態(tài)化的西南低渦加密觀測(cè)試驗(yàn)機(jī)制：在西南低渦主要活動(dòng)區(qū)與影響區(qū)，每年進(jìn)行為期 41天的高時(shí)空分辨率的現(xiàn)場(chǎng)綜合氣象觀測(cè)，獲取了連續(xù)加密觀測(cè)的探空資料（李躍清等，2010，2011）取得一些初步成果（盧萍等，2012，2013）。因此，本文在西南低渦加密觀測(cè)大氣科學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模式模擬，深入地分析研究典型西南低渦及其暴雨天氣過程，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)西南低渦的結(jié)構(gòu)特征、演變過程和天氣影響，為西南低渦及其暴雨研究與預(yù)報(bào)提供新的成果。

2 加密資料及模式簡(jiǎn)介

西南低渦加密觀測(cè)科學(xué)試驗(yàn)是高原所從 2010年起持續(xù)開展的一項(xiàng)大氣科學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)段為每年的6月21日至7月31日，試驗(yàn)期間每天進(jìn)行4次探空觀測(cè)，其中，高原所在四川地區(qū)增設(shè)九龍、名山、劍閣以及金川4個(gè)空間加密探空站，這些站點(diǎn)分布在川西高原、高原東側(cè)邊坡及川東北部，采用GPS觀測(cè)系統(tǒng)；溫江、達(dá)州、宜賓、西昌、甘孜、紅原、巴塘7個(gè)業(yè)務(wù)探空站開展時(shí)間加密觀測(cè)[除了每天00時(shí)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）、12時(shí)2次常規(guī)探空，另外增加了06時(shí)和18時(shí)的2次探空]。觀測(cè)試驗(yàn)的資料包括：氣壓、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、露點(diǎn)溫度、比濕、時(shí)間、高度、距離、經(jīng)度、緯度。

本文基于 AREM2.5（Advanced Regional Eta Model）/LASG數(shù)值模式，該模式垂直方向采用ETA坐標(biāo)，對(duì)于地形復(fù)雜的西南山地區(qū)域暴雨天氣具有較好的模擬和預(yù)報(bào)能力（宇如聰, 1994; 宇如聰和徐幼平，2004；吳蓁等，2008；盧萍和肖玉華2010；公穎等，2010），模式參數(shù)詳見盧萍等（2014），即模式區(qū)域范圍為（15°～45°N，85°～125°E），水平分辨率約為12 km，垂直方向分為42層，模式層頂為10 hPa。模式物理過程包括：顯式云預(yù)報(bào)方案、簡(jiǎn)化的Betts對(duì)流調(diào)整方案、非局地大氣邊界層方案、Berjamin和Seaman的考慮地表輻射平衡的簡(jiǎn)單輻射參數(shù)化方案、多層結(jié)通量—廓線的地表參數(shù)化方案。模式以NCEP再分析資料（1°×1°）為背景場(chǎng)和時(shí)變（6 h）邊界場(chǎng)，結(jié)合常規(guī)臺(tái)站資料作為初值，積分72 h，輸出逐時(shí)的溫、壓、濕、風(fēng)場(chǎng)和雨量等要素預(yù)報(bào)場(chǎng)。這里，敏感性試驗(yàn)即在基本業(yè)務(wù)探空資料（模式包含568站點(diǎn)信息，其中129個(gè)站分布在模擬區(qū)域）的基礎(chǔ)上，增加4個(gè)加密臺(tái)站的探空資料進(jìn)行客觀分析，作為模式的初始場(chǎng)開展模擬試驗(yàn)。文中以“obs”代表觀測(cè)，“ctr”代表控制試驗(yàn)，“sim”代表敏感性試驗(yàn)。

3 西南低渦的移動(dòng)低渦路徑及其降水分布

2012年6月21日至7月31日，西南低渦加密觀測(cè)試驗(yàn)期間，西南低渦頻繁發(fā)生，活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣，影響大。四川地區(qū)一共發(fā)生了多次西南低渦降水過程，包括6月24～25日，7月3～4日，7月12～14日，7月15～16日，7月21～22日5次強(qiáng)降水天氣過程。對(duì)這幾次西南低渦降水過程皆進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，因各個(gè)過程效果相似，受篇幅所限，本文僅針對(duì)7月3～4日的典型個(gè)例進(jìn)行深入分析。

2012年7月3日00時(shí)～4日00時(shí)，四川地區(qū)出現(xiàn)了一次區(qū)域性的暴雨天氣過程，稱為20120703過程。西南低渦中尺度系統(tǒng)是造成這次暴雨過程的主要因素，該過程最大降水中心位于川東北，降水強(qiáng)度超過100 mm d?1（圖1a），控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)皆能較好地再現(xiàn)這次強(qiáng)降水的位置及強(qiáng)度，敏感性試驗(yàn)的最強(qiáng)降水中心與實(shí)況更為接近（圖1b、c），將2個(gè)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，引入空間加密探空資料以后模擬的雨帶比控制試驗(yàn)?zāi)M的雨帶略微偏東偏南（圖 1d）。下面，具體分析造成這一差異的可能原因及其演變過程。

20120703過程中，初始時(shí)刻已經(jīng)有一個(gè)低渦存在于川北地區(qū)（32.1°N，106.8°E），由于模式中對(duì)初值沒有進(jìn)行同化處理，而是采用更為直接的客觀分析方法，因此在模擬初期，模式存在一段較為明顯的spin-up（磨合）過程（通常為3～6 h），可以發(fā)現(xiàn)在初始場(chǎng)中加入4個(gè)新的探空站點(diǎn)資料以后，模式的前期調(diào)整更為劇烈，截止到09時(shí)，低渦中心不再打轉(zhuǎn)，各個(gè)物理量場(chǎng)已經(jīng)磨合協(xié)調(diào)一致，2個(gè)試驗(yàn)中低渦中心皆同步向東北方向移動(dòng)，移動(dòng)路徑接近平行，與控制試驗(yàn)相比敏感性試驗(yàn)的路徑比較偏東南，與路徑偏差模擬的雨帶偏差分布相一致。低渦的前期移動(dòng)速度較慢，后期移速明顯加快，低渦中心的位勢(shì)高度值前期一直降低，并在3日15時(shí)至4日06時(shí)一直維持較低的值，此后迅速升高（表 1），對(duì)應(yīng)的雨量也是中前期多后期少。2個(gè)試驗(yàn)中，低渦路徑的強(qiáng)波動(dòng)主要發(fā)生在模擬前期，此后的低渦路徑則是在前期磨合協(xié)調(diào)狀態(tài)的基礎(chǔ)上繼續(xù)移動(dòng)發(fā)展（圖2）。

4 引入探空資料后造成的初始場(chǎng)的差異及演變情況

圖1 2012年7月3日00時(shí)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）至4日00時(shí)24 h降水分布（單位：mm）：（a）觀測(cè)；（b）控制試驗(yàn)；（c）敏感性試驗(yàn)；（d）差（敏感性試驗(yàn)－控制試驗(yàn)）Fig. 1 Accumulative precipitation from 0000 UTC 3 to 0000 UTC 4 July 2012 (units: mm): (a) Observed; (b) control test; (c) sensitivity test; (d) difference (sensitivity test minus control test)

圖2 20120703過程中，西南低渦中心移動(dòng)路徑（黑線是控制試驗(yàn)，白線為敏感性試驗(yàn)，時(shí)間間隔為3 h，時(shí)間標(biāo)注在實(shí)心圓點(diǎn)上，0300代表3日00時(shí)，以此類推，下同）及24 h降水分布差異（陰影：敏感性試驗(yàn)－控制實(shí)驗(yàn)；單位：mm）Fig. 2 Movement path of the Southwest vortex in the regional-scale heavy rainfall process that occurred in the Sichuan area during 3–4 July 2012 (the black and white lines indicate the control test and sensitivity test, respectively; time interval: 3 h; shading shows the difference between the sensitivity test and the control test for 24-h accumulated precipitation, i.e., sensitivity test minus control test)

4個(gè)新增站點(diǎn)中，位于川西地區(qū)的九龍（29°N，101.5°E；2925 m）和金川（31.48°N，102.07°E；2169 m）的海拔比較高，位于高原東側(cè)邊坡的名山（30.08°N，103.12°E；691 m）和四川東北部的劍閣（32.02°N，105.47°E；536 m）海拔高度較低。比較兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)的初始客觀分析場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)20120703過程在初值中引入加密探空資料以后，其700 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)主要呈現(xiàn)西面（四川甘肅交界地帶）偏高東部（川東北）偏低的分布形態(tài)，最大偏差值分別位于控制試驗(yàn)中低渦中心的東西兩側(cè)（圖3a）。溫度場(chǎng)則是以偏低為主，越靠近高原東側(cè)邊坡地帶，偏差越顯著（圖3b），850 hPa和500 hPa層上的溫度皆偏高（圖略）。四川地區(qū)上空700 hPa高度上的比濕整體表現(xiàn)為高值區(qū)，靠近高原東坡地帶比濕略微偏低（圖3c）。就整層水汽分布而言，川西高原上空偏低而川北（川甘陜交界處）偏高（圖略）。風(fēng)場(chǎng)在盆地雖然存在一個(gè)明顯的氣旋環(huán)流，但其與低渦位置并不重合，最大風(fēng)速差值區(qū)集中在低渦中心區(qū)域（圖3d）。整個(gè)四川地區(qū)上空大氣的熱力和動(dòng)力物理量場(chǎng)的最大偏差出現(xiàn)位置并不一致。

表1 2個(gè)數(shù)值試驗(yàn)中各個(gè)時(shí)次低渦中心的位勢(shì)高度值（單位：gpm）Table 1 　Geopotential height (units: gpm) at the vortex center at each time in the two numerical experiments

圖3 控制試驗(yàn)在700 hPa層上各物理量場(chǎng)的分布（等值線或流線）及引入加密探空資料后初始場(chǎng)差值（陰影：敏感性試驗(yàn)－控制試驗(yàn)）：（a）位勢(shì)高度（單位：gpm）；（b）溫度（單位：K）；（c）比濕（單位：g kg?1）；（d）風(fēng)場(chǎng)（單位：m s?1）。四個(gè)三角形分別表明了4個(gè)站點(diǎn)所處位置Fig. 3 Distribution of each physical quantity at 700 hPa in the control test (contour or streamline) and the initial difference after the introduction of intensive sounding data (shading; sensitivity minus control): (a) Geopotential height (units: gpm); (b) temperature (units: K); (c) humidity (units: g kg?1); (d): wind (units: m s?1). The four triangles represent the four site locations

下面，分析各個(gè)物理量場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)差異及偏差隨時(shí)間的演變。700 hPa上最大的負(fù)值中心位于（32°N，107°E）（圖4a1），600 hPa以下層的位勢(shì)高度偏小值都在?8 gpm左右，往上位勢(shì)高度差值逐漸減小，300 hPa附近縮小到?3 gpm左右，其上層大氣的位勢(shì)高度差值又隨高度增高而增長(zhǎng)（圖4b1）。并且，隨著模擬時(shí)間的增長(zhǎng)，該中心點(diǎn)位勢(shì)高度的差值演變情況是：500 hPa以下層負(fù)的極大值在1 h后就明顯減弱，至7 h以后，2個(gè)試驗(yàn)?zāi)M的位勢(shì)高度相差無幾了，此后還逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎牟钪怠?00 hPa以上層前4 h躍變?yōu)檎牟钪担?～9 h又突變?yōu)閺?qiáng)的負(fù)差值，此后再次突變?yōu)閺?qiáng)的正差值，并隨模擬時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸衰減（圖4c1）。最大差值的垂直廓線結(jié)構(gòu)反映了2個(gè)試驗(yàn)中整層大氣的位勢(shì)高度偏差強(qiáng)度并不完全一致，甚至?xí)诓煌叨壬铣霈F(xiàn)反位相的偏差值（溫度，比濕及風(fēng)場(chǎng)圖略），差值在垂直高度上的變幅比較顯著（圖4b）。時(shí)間演變直觀地說明了初值對(duì)局地大氣狀態(tài)的影響時(shí)段有限，主要集中在前期，與模式自身調(diào)整期相重疊（圖4c）。

圖4 （a1）700 hPa和（a2）500 hPa上的位勢(shì)高度（等值線，單位：gpm）及差值（陰影）分布，最大差值中心（700 hPa：32°N，107°E；500 hPa：33.5°N，105°E）隨（b1，b2）高度及（c1，c2）時(shí)間的演變Fig. 4 Geopotential height at (a1) 700 hPa and (a2) 500 hPa (contours, units: gpm) and the difference between the sensitivity test and the control test (shading); Evolution of the biggest difference’s center with (b1, b2) height and (c1, c2) time (700 hPa: 32°N, 107°E; 500 hPa: 33.5°N, 105°E)

基于加密觀測(cè)資料，將觀測(cè)站點(diǎn)（九龍和劍閣）模擬的位勢(shì)高度與加密探空觀測(cè)的垂直廓線進(jìn)行比較，分析他們初值及其后演變的差異（圖5）。3 日 00時(shí)，敏感性試驗(yàn)?zāi)M的九龍站上空的位勢(shì)高度總是略低于控制試驗(yàn)的結(jié)果，600 hPa以下層，模擬的位勢(shì)高度值皆大于實(shí)測(cè)值，敏感性試驗(yàn)的位勢(shì)高度偏差略小，600 hPa以上層則是模擬的位勢(shì)高度值小于實(shí)測(cè)值，敏感性試驗(yàn)?zāi)M的位勢(shì)高度值更小。隨著時(shí)間的推移，3日12時(shí)，2個(gè)數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M位勢(shì)高度值非常接近，在500 hPa以下層位勢(shì)高度值完全一致，皆比實(shí)測(cè)值小20 gpm左右，而其上層，敏感性試驗(yàn)?zāi)M的位勢(shì)高度值僅比控制試驗(yàn)?zāi)M的值略小一點(diǎn)。4日00時(shí)，敏感性試驗(yàn)?zāi)M的位勢(shì)高度值反而略大于控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，與探空觀測(cè)相比，低層表現(xiàn)為較強(qiáng)的負(fù)偏差，越向高空，偏差越小，350 hPa高度以上層轉(zhuǎn)變?yōu)檎睿▓D5a）。再看劍閣站的偏差廓線，3日00時(shí)，模擬的位勢(shì)高度值皆低于實(shí)測(cè)值，最大負(fù)偏差出現(xiàn)在 400 hPa高度附近，偏差值約為40 gpm左右，550 hPa以上層敏感性試驗(yàn)的偏差值顯著小于控制試驗(yàn)，隨著時(shí)間的推移，模擬的中高層大氣的位勢(shì)高度偏差逐漸縮小，而800 hPa以下層大氣的位勢(shì)高度負(fù)偏差反而有所增長(zhǎng)（圖 5b）。初始時(shí)刻，越往高層，大氣位勢(shì)高度偏差越大，隨著時(shí)間的推移，低層大氣的位勢(shì)高度偏差略有增大，而高層的位勢(shì)高度偏差則明顯減小。

圖5 觀測(cè)和模擬的位勢(shì)高度差異廓線（單位：gpm）：（a）九龍站；（b）劍閣站Fig. 5 Difference in geopotential height between the observation and simulation (units: gpm): (a) Jiulong station; (b) Jian’ge station

再通過假相當(dāng)位溫廓線來分析觀測(cè)和模擬的2個(gè)站大氣的層結(jié)穩(wěn)定性（圖6）。首先對(duì)比九龍站的假相當(dāng)位溫廓線：3日00時(shí)，500 hPa以下層大氣層結(jié)比觀測(cè)更為不穩(wěn)定，3日12時(shí)，觀測(cè)和模擬的550 hPa以下層大氣皆不穩(wěn)定，實(shí)測(cè)廓線表現(xiàn)得更加不穩(wěn)定，4日00時(shí)，觀測(cè)和模擬的大氣層結(jié)廓線皆趨于穩(wěn)定，但模擬的假相當(dāng)位溫值比實(shí)測(cè)值偏大（圖6a）。再分析劍閣站大氣層結(jié)結(jié)構(gòu)：3日00時(shí)，實(shí)測(cè)725 hPa以下層的大氣皆不穩(wěn)定，尤其是850～725 hPa層之間，幾乎是超絕熱的，模擬的大氣從地面到350 hPa幾乎是絕熱的。3日12時(shí)，實(shí)測(cè)的725 hPa以下層依然非常不穩(wěn)定，模擬結(jié)果則是825 hPa以下層為絕熱層，825～775 hPa之間大氣呈現(xiàn)層結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)，775～600 hPa的中間層大氣又表現(xiàn)為層結(jié)不穩(wěn)定，敏感性試驗(yàn)?zāi)M的該層的大氣假相當(dāng)位溫最高。4日00時(shí)，觀測(cè)的800 hPa以下大氣層依然不穩(wěn)定，模擬的結(jié)果則是725 hPa以下大氣層結(jié)皆不穩(wěn)定，750 hPa以下大氣的模擬值明顯高于實(shí)測(cè)值，最大差異主要體現(xiàn)在中低層大氣中（圖6b）。通過站點(diǎn)上空的垂直廓線對(duì)比，發(fā)現(xiàn)與實(shí)況相比，初始時(shí)刻的差異最為顯著，隨著模擬時(shí)段的增長(zhǎng)，差異有縮小的趨勢(shì)。控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)在這九龍站的垂直廓線結(jié)構(gòu)非常相似，而劍閣站位置比較接近降水中心，2個(gè)試驗(yàn)?zāi)M的中低層大氣的最大差異出現(xiàn)在3日12時(shí)，恰好是最強(qiáng)降水出現(xiàn)前夕，4日00時(shí)，降水過后，二者模擬的垂直結(jié)構(gòu)又趨于一致。

初始場(chǎng)中，兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)的低渦中心位置比較一致，但敏感性試驗(yàn)的低渦強(qiáng)度略強(qiáng)于控制實(shí)驗(yàn)，且敏感性試驗(yàn)在低渦中心上空的水汽含量更為豐富（圖7a）。3日01～03時(shí)，模式自身的調(diào)整較為劇烈，位勢(shì)高度場(chǎng)的形態(tài)因此發(fā)生了劇烈的變化，此時(shí)降水中心與低渦位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不顯著（圖7b，c），直到3日03時(shí)，2個(gè)數(shù)值試驗(yàn)低渦位置與降水分布才有了較好的一致性，即低渦中心位置與各自最大降水中心位置相接近（圖 7d，e，f）。在模式調(diào)整期，初始場(chǎng)的差異導(dǎo)致控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)在對(duì)流調(diào)整時(shí)，局地輻合的中心位置有所偏差，致使前期降水落區(qū)及強(qiáng)度皆不盡相同。因此，模式在磨合調(diào)整過程以后，低渦中心位置便各自傾向于其降水中心，敏感性試驗(yàn)的低渦中心位置比控制試驗(yàn)的低渦中心位置略偏東偏南，這一偏差狀態(tài)一直持續(xù)到該西南低渦系統(tǒng)東移消失（圖7，2）。

圖6 實(shí)測(cè)及模擬的假相當(dāng)位溫廓線（單位：K）：（a）九龍站；（b）劍閣站Fig. 6 Potential pseudo-equivalent temperature from the observation and simulation (units: K): (a) Jiulong station; (b) Jian’ge station

圖7 700 hPa位勢(shì)高度（單位：gpm）及逐時(shí)降水（單位：mm h?1）分布隨時(shí)間的演變（黑色等值線為控制試驗(yàn)的位勢(shì)高度，紅色等值線是敏感性試驗(yàn)的位勢(shì)高度，紫色等值線為控制試驗(yàn)?zāi)M的逐時(shí)降水，陰影是敏感性試驗(yàn)減去控制試驗(yàn)逐時(shí)降水之差）：（a）0300；（b）0301；（c）0302；（d）0303；（e）0306；（f）0400Fig. 7 Time evolution of the geopotential height at 700 hPa (units: gpm) and hourly precipitation (units: mm h?1) distribution (black contours are the geopotential height in the control test; red contours are the geopotential height in the sensitivity test; purple contours are the hourly rainfall in the control test; shading is the hourly precipitation difference, i.e., the sensitivity test minus the control test): (a) 0300; (b) 0301; (c) 0302; (d) 0303; (e) 0306; (f) 0400

由此可見，初始的大氣狀態(tài)必然會(huì)隨著模式的spin-up過程進(jìn)行調(diào)整，雖然最大差異區(qū)局地大氣狀態(tài)會(huì)很快得到調(diào)整，但不同初值會(huì)在調(diào)整期產(chǎn)生迥異的水汽輻合，其凝結(jié)潛熱對(duì)大氣的反饋?zhàn)饔茫軐?duì)中小尺度低渦系統(tǒng)的位置及強(qiáng)度產(chǎn)生影響，而此后的降水天氣過程，則是在調(diào)整后得到的該低渦系統(tǒng)基礎(chǔ)上，繼續(xù)發(fā)展、加強(qiáng)、減弱并最終消亡。

5 西南低渦中心區(qū)域動(dòng)力演變特征

圖 8 降水中心區(qū)域平均的渦度（陰影，單位：10?4s?1）、散度（白色等值線，單位：10?4s?1）、垂直速度（黑色等值線，單位：Pa s?1）隨時(shí)間的演變：（a）控制試驗(yàn)區(qū)域（31.9°～32.2°N，107°～107.4°E）；（b）敏感性試驗(yàn)區(qū)域（31.6°～31.9°N，106.8°～107.2°E）Fig. 8 Time evolution of the regionally averaged vorticity (shading; units: 10?4s?1), divergence (white contours; units: 10?4s?1), and vertical velocity (black contours; units: Pa s?1): (a) Control experiment (31.9°–32.2°N, 107°–107.4°E); (b) sensitivity test (31.6°–31.9°N, 106.8°–107.2°E)

可以看到：控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)?zāi)M的這次降水皆有2次對(duì)流發(fā)展過程，控制試驗(yàn)?zāi)M的最大渦度、散度及垂直速度分別出現(xiàn)在3日03時(shí)和3 日19時(shí)，敏感性試驗(yàn)則出現(xiàn)在3日02時(shí)和3日13時(shí)，峰值出現(xiàn)時(shí)間比控制試驗(yàn)超前。敏感性試驗(yàn)?zāi)M的前一峰值中，渦度、散度和垂直速度強(qiáng)度明顯大于控制試驗(yàn)的值，而后一峰值強(qiáng)度卻弱于控制試驗(yàn)，但持續(xù)時(shí)間略長(zhǎng)于控制試驗(yàn)（圖8）。這一結(jié)果說明：有助于降水的敏感性試驗(yàn)的初始場(chǎng)，在數(shù)值試驗(yàn)初期就能通過垂直上升運(yùn)動(dòng)使得近飽和大氣凝結(jié)并產(chǎn)生降水，再通過凝結(jié)潛熱等反饋?zhàn)饔玫恼{(diào)整，使二者中小尺度結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的偏差，當(dāng)然，僅4個(gè)站點(diǎn)初始場(chǎng)的加入，對(duì)于大尺度形勢(shì)場(chǎng)的作用甚微。因此，初始場(chǎng)的這種改變對(duì)于積分后一階段的整體趨勢(shì)模擬結(jié)果的影響是有限的。

從圖9可以看到：實(shí)況和模擬皆呈現(xiàn)2個(gè)降水峰值，觀測(cè)的前一個(gè)峰值出現(xiàn)在3日04時(shí)，后一峰值出現(xiàn)在3日13時(shí)?？刂圃囼?yàn)?zāi)M的前一峰值同樣出現(xiàn)在3日04時(shí)，后一峰值比較滯后，出現(xiàn)在3日18～19時(shí)前后。敏感性試驗(yàn)?zāi)M的前一峰值出現(xiàn)在3日03時(shí)，后一峰值同樣出現(xiàn)在3日13時(shí)。敏感性試驗(yàn)?zāi)M的前一峰值的降水強(qiáng)度最大，其次是控制試驗(yàn)，實(shí)況最小，而后一峰值的降水明顯大于前一峰值，實(shí)況的降水峰值最強(qiáng)，但持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短（圖 9a），加入探空資料后，敏感性試驗(yàn)?zāi)M的降水發(fā)生發(fā)展過程更接近于實(shí)況。兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)M的最大垂直速度出現(xiàn)在500 hPa附近，將其演變情況與700 hPa的位勢(shì)高度進(jìn)行對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，控制試驗(yàn)中，前一垂直速度峰值出現(xiàn)在3日03時(shí)，降水峰值和位勢(shì)高度極小值皆出現(xiàn)于 3日 04時(shí)，而后一降水峰值、垂直速度極大值及位勢(shì)高度最小值的出現(xiàn)時(shí)間都在3日19時(shí)，比較一致；敏感性試驗(yàn)中，前一垂直速度峰值出現(xiàn)在3日02時(shí)，降水峰值出現(xiàn)在3日03時(shí)，而位勢(shì)高度極小值出現(xiàn)于3日04時(shí)，而后一降水峰值出現(xiàn)在3日13時(shí)、垂直速度極大值出現(xiàn)在3日13時(shí)，位勢(shì)高度最小值出現(xiàn)在3日14時(shí)（圖9b）。在模式磨合過程中，自身調(diào)整造成輻合輻散使得大氣產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，形成降水，同時(shí)對(duì)中小尺度系統(tǒng)的位置及強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響，而此后的降水則是取決于低值天氣系統(tǒng)的強(qiáng)度及其位置。

圖10給出了低渦中心（位置如圖2）對(duì)應(yīng)的渦度、散度和垂直速度的強(qiáng)度及高度隨時(shí)間的演變。對(duì)比同一時(shí)刻三者最大中心高度，顯而易見垂直速度伸展發(fā)展最高，其次是渦度，最強(qiáng)輻合中心所在位置最低。三者無論是強(qiáng)度還是伸展高度的總趨勢(shì)皆是先增長(zhǎng)，再衰減。三者的演變過程都出現(xiàn)2個(gè)顯著的相同拐點(diǎn)時(shí)刻：分別為3日15時(shí)和4日06時(shí)。3日15時(shí)以前，低渦一直處于調(diào)整狀態(tài)，低渦中心最強(qiáng)的渦度、散度和垂直速度強(qiáng)度都存在較大的波動(dòng)，此后則幾乎是持續(xù)增強(qiáng)，且向上發(fā)展。4 日 06時(shí)三者都達(dá)到一個(gè)極大值，此后，無論強(qiáng)度還是高度都逐漸衰減。單從伸展高度的演變情況看，垂直速度最先（3日18時(shí)）達(dá)到極值，其次是渦度（3日21時(shí)），低層輻合最晚（4日03時(shí)）。由此可見，對(duì)流的確可以促使正渦度由低層向上發(fā)展。雖說低渦中心所在位置也是最強(qiáng)輻合、最大正渦度及最大垂直速度中心（圖8），但細(xì)究其結(jié)構(gòu)，三者的強(qiáng)度和發(fā)展高度的演變并非完全一致，他們之間的相互作用有待深入研究。

圖9 降水中心平均的（a）逐時(shí)降水分布（單位：mm h?1）及（b）700 hPa位勢(shì)高度（單位：gpm）、500 hPa垂直速度（單位：Pa s?1）。其中，實(shí)況降水中心（31.9°～32.2°N，107.9°～108.3°E；控制試驗(yàn)降水中心（31.9°～32.2°N，107°～107.4°E）；敏感性試驗(yàn)降水中心（31.6°～31.9°N，106.8°～107.2°E）Fig. 9 Regionally averaged (a) hourly rainfall distribution (units: mm h?1) and (b) geopotential height at 700 hPa (units: gpm) and vertical velocity at 500 hPa (units: Pa s?1) [observation area: (31.9°–32.2°N, 107.9°–108.3°E); control test area: (31.9°–32.2°N, 107°–107.4°E); sensitivity test area: (31.6°–31.9°N, 106.8°–107.2°E)]

6 結(jié)論

本文基于AREM模式，結(jié)合高原所在四川地區(qū)開展的大氣加密探空試驗(yàn)所收集的第一手資料，對(duì)發(fā)生在 2012年西南低渦加密觀測(cè)試驗(yàn)期間的幾次西南低渦強(qiáng)降水過程進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)，并以20120703過程為例進(jìn)行了深入的分析，得到了以下主要結(jié)論：

（1）降水雨帶的分布主要取決于西南低渦移動(dòng)路徑，雨強(qiáng)則與低渦的強(qiáng)度及移動(dòng)速度密切相關(guān)。不同初值的模擬試驗(yàn)表明低渦路徑的強(qiáng)擺動(dòng)主要發(fā)生在模擬試驗(yàn)前期，此后則在磨合達(dá)到的協(xié)調(diào)狀態(tài)基礎(chǔ)上，繼續(xù)移動(dòng)發(fā)展。

（2）引入4個(gè)空間加密探空站點(diǎn)對(duì)四川地區(qū)上空的大氣物理量場(chǎng)皆會(huì)造成一定的影響，最大差值分布在站點(diǎn)附近，但并不與站點(diǎn)位置相重疊，而且熱力和動(dòng)力物理量場(chǎng)的最大偏差出現(xiàn)位置也并不一致。物理要素場(chǎng)偏差強(qiáng)度在垂直方向上也不一致，甚至?xí)诓煌叨壬铣霈F(xiàn)反位相的偏差值，差值在垂直高度上的變幅比較顯著。時(shí)間演變直觀地說明了初值對(duì)局地大氣狀態(tài)的影響時(shí)段有限，主要集中在前期，與模式自身調(diào)整期相重疊。

（3）初始的大氣狀態(tài)必然會(huì)隨著模式的磨合過程進(jìn)行調(diào)整，雖然最大差異區(qū)局地大氣狀態(tài)會(huì)很快得到調(diào)整，但不同初值會(huì)在調(diào)整階段對(duì)中小尺度低渦系統(tǒng)的位置及強(qiáng)度產(chǎn)生影響，而此后的降水天氣過程，則是在調(diào)整后得到的低渦狀態(tài)基礎(chǔ)上，繼續(xù)發(fā)展、加強(qiáng)、減弱并最終消亡。

（4）雖然低渦中心所對(duì)應(yīng)的散度、渦度、垂直速度的關(guān)系非常密切，但這三者強(qiáng)度和發(fā)展高度的演變并非完全一致。

本文引入高原所空間加密4個(gè)探空站資料，基于AREM模式進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，旨在討論它們?cè)跀?shù)值模式中對(duì)西南低渦天氣過程可能產(chǎn)生怎樣的作用？初步表明：引入空間加密資料后，在模式調(diào)整期，中小尺度（這里，主要針對(duì)西南低渦）系統(tǒng)的位置及強(qiáng)度能在一定程度上隨之改變，而且，這個(gè)改變將一直影響此后該系統(tǒng)的發(fā)展、加強(qiáng)、減弱及其消亡過程，進(jìn)而影響到與之密切相關(guān)的降水強(qiáng)度和落區(qū)。但其對(duì)大尺度環(huán)流場(chǎng)的影響不突出，所以不能改變天氣過程的整體趨勢(shì)。當(dāng)然，這些認(rèn)識(shí)還有待于今后更加細(xì)致深入的分析研究。

圖10 控制試驗(yàn)低渦中心的渦度、散度和垂直速度的強(qiáng)度（橫坐標(biāo)）及高度（縱坐標(biāo)）隨時(shí)間的演變（ 時(shí)間間隔為3 h），同一時(shí)刻用相同類型的點(diǎn)標(biāo)記，實(shí)線代表渦度，點(diǎn)線代表散度，虛線為垂直速度Fig. 10 Evolution of vorticity, divergence, and vertical velocity at the low vortex center in the control test [time interval: 3 h; the same time is marked with the same type of dots; horizontal axis represents the strength; vertical axis represents the height; solid line represents the vorticity; dotted line represents the divergence; dashed line represents vertical velocity

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資助項(xiàng)目公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目GYHY201206039，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41275051、41405145，成都高原氣象研究所開放實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目BROP201512

Funded by Special Scientific Research Fund of Meteorological Public Welfare Profession of China (Grant GYHY201206039), National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grants 41275051, 41405145), Laboratory Open Fund Project of Institute of Plateau Meteorology of Chengdu (Grant BROP201512)

文章編號(hào)1006-9895(2016)04-0730-13中圖分類號(hào) P443

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1511.15170.

收稿日期2015-03-26；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-11-10

作者簡(jiǎn)介盧萍，女，1976年出生，副研究員，主要從事天氣分析研究。E-mail: abc-123@mail.iap.ac.cn

通訊作者鄭偉鵬，E-mail: zhengwp@mail.iap.ac.cn

The Influence of Spatially Intensive Sounding Observation Data on the Numerical Modeling of Southwest Vortex Rainfall

LU Ping1, LI Xu2, LI Ying1, LI Yueqing1, and ZHENG Weipeng3
1 Institute of Plateau Meteorology, China Meteorological Administration/Heavy Rain and Drought–Flood Disasters in Plateaus and Basins Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610072
2 Sichuan Meteorological Service Center, Chengdu 610072
3 State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geographical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy Sciences, Beijing 100029

AbstractA regional-scale heavy rainfall process that occurred in the Sichuan area during 3–4 July 2012 was simulatedby the Advanced Regional Eta Model, forced by first-hand data obtained from the Intensive Observation Scientific Experiment of the Southwest vortex. Results show that: (1) The distribution of the rain belt was determined by the moving path of the Southwest vortex; different initial conditions lead to a strong shift of the path in the spin-up processes, and then the large-scale circulation becomes important in regulating the movement and development of the vortex. (2) Four newly added sounding stations have impacts on all atmospheric fields; the largest differences occurred around these stations, and the largest deviations of the thermal and dynamical field were not consistent. The time series indicates that the impact of initial conditions is constrained at the beginning of the simulation, related to the model spin-up process. (3) The initial atmospheric circulation adjusted to the model spin-up process. Different initial conditions have impacts on the location and strength of the meso-small-scale vortex and forms a distinct initial state of the stable vortex. (4) The diversion, vorticity and vertical velocity corresponding to the vortex are tightly related; however, the evolutions of strength and height are not consistent.

KeywordsSouthwest vortex, Advanced Regional Eta Model, Intensive sounding, Initial value, Movement path