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1999年梅雨锋系结构特征的模拟诊断
崔晓鹏 高守亭 张海霞 郝世峰
摘 要 通过中尺度模式MM5对1999年江淮流域一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟，利用高分辨率模拟资料，诊断了江淮地区梅雨锋锋系的双锋结构特征及相应的大气相当位温、比湿分布。结果表明，大气位温梯度和湿度梯度均对江淮梅雨锋系双锋结构中两个强大气相当位温梯度区有着重要贡献，且湿度梯度的贡献更大。进而从理论上推导了大气湿度梯度倾向方程，指出大气湿度梯度的变化与平流效应、散度效应、水平或垂直涡管(次级环流)效应以及水汽源汇的梯度有关；利用江淮流域暴雨的中尺度模拟资料，对湿度梯度倾向方程的经向分量进行了简单的方程诊断。模拟时间平均的诊断分析表明，大气经向湿度梯度绝对值的变化主要同散度效应、水平涡管及相关次级环流效应以及水汽源汇效应相关。由于水汽源汇是由与空气中水汽相关的相变过程造成，直接关系到云物理过程的发展和演变，因此，比湿度梯度的变化与云和降水系统的分布、发展和演变密切相关。梅雨锋系的存在为其附近暴雨中尺度系统的发展提供了有利的环境条件，起到一定的组织或控制作用；反过来,暴雨系统的发展、降水云系的发展和演变,又通过改变大气温、湿状况,对梅雨锋系产生影响。
关键词 梅雨锋系,双锋结构,湿度梯度,倾向方程
1 引 言
夏季季风时节，常有一条发生在中国长江中下游到日本西南部且维持长达数周的降水带，常造成大雨或者暴雨天气，在中国这条雨带被称为梅雨。梅雨一直是东亚地区尤其是中国、日本以及韩国的气象学者十分关注的气象现象和研究课题。早期研究表明，梅雨主要由一条东西走向的准静止锋及锋面附近的降水系统造成，即梅雨锋。针对梅雨锋,气象学家们做了大量的研究(Akiyama,1973,1975;Gao, et al., 1990, 2002;Matsumoto et al., 1970, 1971Ninomiya, 1999;寿绍文等,2001;Cui, et al., 2003a, 2003b;崔晓鹏, 2001;Yan, et al., 2005;倪允琪等, 2004;覃丹宇等,2004)，指出：（1）梅雨锋两侧大气湿度对比明显，对梅雨锋的表征，应该使用相当位温梯度，而不是温度梯度。（2）梅雨锋是个多尺度的副热带锋面系统，其上对流活动明显。梅雨锋从中国大陆向东，经过东海、日本群岛，一直延伸到北太平洋。它是东亚季风区最重要的水循环系统之一。由于其明显的南北向湿度梯度和相对较弱的温度梯度特征，梅雨锋与其他典型中纬度锋面明显不同。
很多研究讨论了梅雨锋附近的湿层结构、水汽输送特征等(Akiyama, 1973, 1975;Ninomiya,1999a, 1999b, 2000; Kato, 1992, 1995; Shinoda,et al., 2002; Murakami, 1959; Lim, 2002; Motekiet al., 2004a, 2004b; Xu, et al., 2003;丁一汇等,2003;仪清菊等,2002)。Shinoda等(2005)研究指出，由于中国大陆上空白天湿对流混合层的发展以及浅对流云的生成，大陆上空的湿层较东部海洋上空的湿层深厚。Moteki等(2004a,2004b)利用观测资料，研究了东海上空两个并合的云雨带的结构和发展特征，发现梅雨锋南侧存在一个具有明显湿度梯度分布的“水汽锋”。Zhou等(2005)指出，梅雨锋附近，水汽由对流层低层向对流层中、高层输送,在向上输送的水汽通道的南北边缘存在两个明显的湿度梯度高值带，其中北面一支与梅雨锋对应，南面的一支为一个湿度对比明显的露点锋，他们将这支露点锋与其北面的梅雨锋，统称为“梅雨锋系”(Meiyu Front System,简称MYFS)。并指出梅雨锋系的发展，与江淮梅雨的强弱有很好的对应关系。Jiang等(2004)诊断了典型梅雨锋的结构特征及其维持机制，也指出了双锋结构(Zhou et al.,2005)的存在，并指出充足的水汽供应对梅雨锋的维持十分重要。显然水汽分布与梅雨锋系双锋结构的形成和维持关系密切。然而，Moteki等(2004a,2004b)、Zhou等(2005)和Jiang等(2004)均没有直接从水汽分布(梯度)的角度，对梅雨锋系中双锋结构的形成和维持机制等进行细致的理论和诊断研究，Wang等(2000)和Wang等(2002)分别利用理论模式以及ARPS中尺度模式研究了冷锋锋生与湿物理过程的相互作用，给出了冷锋与锋面云带相互作用的概念模型,强调了大气水汽分布的影响。Cui等(2005)从理论上初步探讨了大气湿度(水汽)分布特征与梅雨锋系双锋结构的关系，指出湿度梯度对梅雨锋系双锋结构的存在较位温梯度更重要。本文将继续从大气湿度分布角度入手，进一步深入探讨大气湿度分布与双锋结构的关系，并推导大气湿度梯度倾向方程，从理论以及模拟诊断角度探讨双锋结构形成的原因。
2 梅雨锋系双锋结构与大气水汽分布特征
Cui等(2005)从相当位温定义出发，从理论上探讨了梅雨锋系双锋结构与大气湿度分布的关系。对相当位温定义式取自然对数，并作运算Delta;，再利用简单的尺度分析，略去小项，得
(1)
这里theta;e、theta;、T和q分别为相当位温、位温、大气温度以及比湿。L=2.5times;106J/kg,cp=1004 J/(kg·K)为气象常数,如果选择典型大气值如下,T=300.0 K,theta;e=300.0 K,theta;=300.0 K，则方程(1)可进一步简化为
(2)
众所周知，大气相当位温梯度可以用来指示梅雨锋系的位置和强度变化(Ninomiya, 2000; Jiang,et al., 2004)，从方程(1)和(2)，可以看出，大气相当位温梯度主要与两项有关，一项为大气位温梯度，另一项为大气比湿梯度，并且,即使是很小的大气比湿梯度的变化，由于配合着相对较大的尺度因子(2500)，仍然可以引起相当位温梯度较大的变化,即梅雨锋系较大的变化。大气中的水汽主要集中在对流层低层，因此大气水汽分布和变化对相当位温梯度变化的影响一般也主要集中在对流层低层。然而在某些地区某些时候，这种影响会到达对流层中层,甚至高层。在梅雨锋附近地区,由于梅雨锋的存在，水汽被垂直输送到对流层中、高层；从而在水汽上传通道的南北两侧形成两个水平水汽梯度大值带(Jiang, et al.,2004)，由方程(1)和(2)可知，对应两个水汽梯度大值带，将存在两个水平相当位温梯度大值带，其中，北面的一支对应传统意义上的梅雨锋，南面的一支对应“露点锋”(Zhou, et al., 2005)或者“水汽锋”(Moteki, et al., 2004a, 2004b)，而这两个锋面共同构成了梅雨锋系(Zhou, et al., 2005)(由下面的模拟诊断分析可以看到，尽管大气位温梯度对梅雨锋系两个相当位温梯度大值带的贡献不可忽略，但大气比湿梯度的贡献要更大些，并且至少在水汽梯度大值区是这样)。
这里利用一次江淮暴雨过程的中尺度数值模拟，从模拟诊断角度,探讨江淮梅雨锋系双锋结构与大气湿度分布(梯度)之间的关系。采用的模式为PSU/NCAR MM5中尺度非静力数值模式，个例为1999年6月22—24日发生在江淮地区的暴雨过程。在这段时间里,江淮地区有明显的暴雨系统沿着梅雨锋发展，造成江淮地区明显的降水。利用MM5,从22日0时(世界时)启动模式，对这次暴雨过程进行了60 h的模拟，模拟结果与实际观测资料的对比分析表明(Cui, et al., 2003b;崔晓鹏,2001)，模式对这次江淮暴雨过程的模拟是比较成功的，对暴雨系统的发展和移动过程、降水落区及走向、高低空环流形势以及梅雨锋演变特征等都有很好的模拟(篇幅所限,具体实验设计及模拟验证和结果分析参见文献(Cui, et al., 2003b;崔晓鹏,2001)。将模式粗网格3 h间隔的模拟输出结果用于本文的诊断研究。由于梅雨锋系主要表现为南北向的相当位温梯度,下面的诊断中将重点诊断式(1)的经向分量
（3）
图1 模拟时段(3—57小时)平均的经过120°E的纬度-高度剖面
(a.位温经向梯度项）,等值线间隔0.5, b.比湿经向梯度项）,等值线间隔1;阴影区为相当位温的经向梯度;单位:10-5K/m)
图1给出了模拟时段平均的方程(3)中各项的纬度-高度剖面分布，由图可以清楚的看到大气经向湿度分布(比湿梯度)与经向相当位温梯度的分布十分一致，并且数值上也相差不多，尤其是在正负极值区，两者对应的更好，并且在梅雨锋区两者较好的对应关系甚至可以到达对流层中高层(图1b)。在江淮地区,与梅雨锋系双锋结构对应的两个经向相当位温梯度大值带主要由水汽梯度项()贡献，而位温梯度(主要反映了大气温度的分布)贡献(）在这两个大值区的表现较差，尤其是对江淮地区与梅雨锋对应的负极值的贡献明显不如比湿梯度项,甚至贡献相反(图1a)。可见，至少从经向梯度的分布可以看出，对于与江淮地区梅雨锋系双锋结构对应的南北两个相当位温梯度大值区，大气位温梯度和湿度梯度均有贡献，但湿度梯度更重要(位温梯度主要对南侧的正梯度带有贡献；而对位于北侧的负梯度带贡献不大，且主要集中在中、高层，在中、低层贡献相反，且较弱，而比湿梯度对南北两侧正负极值均有重要贡献)。
由以上分析可知,梅雨锋系双锋结构与大气湿度梯度关系密切；那么大气湿度梯度又有怎样的变化特征呢?下面进一步分析大气湿度梯度的变化。
3 大气湿度梯度倾向方程
为了分析大气湿度梯度的变化，首先推导出大气湿度梯度倾向方程。大气比湿方写为 （4）
这里Sv为大气比湿(水汽)源汇,与水汽相变有关。云尺度模式的研究表明(Li, et al., 1999; Gao, et al., 2006; Gao, et al., 2005),Sv可以表示为 （5）
这里既包含了与水汽相变相关的水相微物理过程又包含了冰相微物理过程。其中PCND为水汽向云水的转化(凝结)率,PDEP、PSDEP和PGDEP分别为水汽向云冰、雪以及软雹(霰)的转化(凝华)率，PREVP、PMLTS和PMLTG分别为雨滴、融雪以及软雹表面液态水向水汽的转化(蒸发)率。对方程(4)两端做运算Delta;,得到
（6）
进一步推导得到
（7）
式(7)便是大气比湿梯度的倾向方程,为了更好的理解此倾向方程的物理意义,将上述倾
向方程写成分量形式
（8a）
（8b）
（8c）
（9a）
（9b）
（9c）
由式(9)可知，大气湿度梯度的局地变化与平流效应、散度效应()、水平或垂直涡管(次级环流)效应（）以及水汽源汇效应(云物理过程)的梯度有关。由于江淮梅雨锋系主要表现为南北向的相当位温梯度，因此，下面的分析将主要关注大气湿度梯度经向分量的变化,即方程(9b)。由式(9b)可知，大气经向湿度梯度的局地变化与经向湿度梯度的平流效应、水平涡旋(变形或者扭转)效应()、经向辐合、散(变形)效应()、经向次级环流()以及水汽源汇(云物理过程)的经向分布(梯度)（)有关。
4 双锋结构倾向方程模拟诊断
为了便于讨论梅雨锋系双锋结构的发展和演变,即锋生(消)过程,这里参照Ninomiya(1984)锋生函数的定义,对方程(9b)两边同时乘以qy,得
（10）
方程(10)左边表示了经向湿度梯度绝对值的局地变化，右端各项是对这种变化的贡献项,方程(10)将用于这一节的诊断。其中A为经向比湿梯度绝对值的局地变化项,代表梅雨锋系双锋结构极值的演变,进而代表了锋生(消)的变化;B为比湿梯度的平流效应项,C为水平涡旋(变形或者扭转)效应项,D为经向辐合、散(或变形)效应项,E为次级环流效应项。对于方程(10)中水汽源汇的经向梯度项(),由于受模式目前没有输出详细物理过程的限制,在这里仅做间接的诊断(即)及定性的理论探讨,待今后改造模式输出详细物理过程后,再做详细定量诊断。
模拟时段(3—57小时)平均的经过120°E的纬度-高度剖面
(粗实线为相当位温,单位:K;a.垂直相对涡度(zeta;z),细线,等值线间隔1.0,单位:10-5s-1;b.模式模拟的水凝物(云水、雨水等)之和,细实线,等值线间隔2,单位:10-5kg/kg)
我们先来定性分析水汽源汇效应项(qySvy)的作用，由方程(4)和(5)可知,Sv代表由于水汽相变造成的大气比湿的个别变化。在梅雨锋附近,降水系统(云系)紧邻梅雨锋发展和演变(Cui, et al.,2003b)，图2给出了模拟时段平均的经过120°E的纬度-高度剖面，由图可见，降水系统及降水云系总是沿着与梅雨锋对应的陡立的等相当位温面发展，我们知道，降水系统(云系)的发展与水汽相变过程密切相关，因此在降水系统(云系)附近，Sv具有显著的分布和变化。当降水和云系发展旺盛时，在梅雨锋附近，其南侧Sv往往为负值，并向北侧逐渐增长。因此，我们有，根据方程(10),从而造成经向比湿梯度绝对值出现负的变化，即经向比湿梯度减弱，进一步由方程(3)可知，这里的经向相当位温梯度也将减弱,即梅雨锋将出现锋消。
图3 模拟时段(3—57小时)平均的经过120°E的纬度-高度剖面
(细实线为相当位温,单位:K;粗线代表方程(10)中各项,单位:10-21kg/(kg·m·s);a.经向比湿梯度绝对值的局地变化；b.平流效应项；c.水平旋转效应项；d.经向辐合、散效应项；e.经向次
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