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1999年6月22日,一系列中尺度强对流系统沿梅雨锋相继生成、强烈发展,导致了长江中下游地区的梅雨锋暴雨过程。本文利用中尺度数值模式ARPS对这次梅雨锋过程进行数值模拟,通过模拟结果重点分析了这次暴雨过程中的不同尺度天气系统的演变与相互作用过程及其对中尺度对流系统和暴雨形成的作用、中尺度对流系统成熟结构以及潜热加热对不同尺度天气系统的影响程度和途径等。结果表明:
本次暴雨过程中,中尺度对流系统与中尺度低涡的相互作用主要经历了三个发展阶段。在第一阶段中,位于四川盆地的西南涡东移,导致中尺度对流系统的爆发。在第二阶段中,中尺度对流系统在向下游传播过程中,促成低层切变线建立,切变线的建立又导致了中尺度对流系统的加强和组织化。在第三阶段中,中尺度对流系统在有利的环境中得以旺盛发展,其潜热释放导致切变线上形成中尺度对流性低涡,中尺度对流性低涡与对流系统通过正反馈机制彼此促进、共同发展,有效地调整锋区垂直环流,将高低空多尺度系统紧密的联系起来,造成了江淮流域的强降水。梅雨锋上中尺度对流系统与低涡扰动的这种相互作用过程在以后的研究中应引起充分的重视。
与中尺度对流系统演变的三个阶段相对应,高低空急流发展同样经历了三个阶段。在第一阶段中,高空天气尺度低压系统促进高空急流中心的加速与东移,并引导和加强了低空急流东移、北上。在第二阶段中,高空天气形势的调整与中尺度对流系统对高空流场的反馈作用共同导致了高空急流内新生急流中心在江淮地区北侧生成,相应对流潜热释放引起的低层降压大幅度地加强了低空急流。进入第三阶段后,在天气尺度的高低空急流继续增强的同时,中尺度对流系统与中尺度对流性低涡的相互作用导致了中尺度高低空急流的形成和发展,中尺度高低空急流的发展反过来又加强了中尺度对流系统和中尺度对流性低涡,最后实现梅雨锋上的多尺度天气系统的耦合发展。
锋区垂直环流在不同尺度天气系统耦合发展的过程中发挥着重要的作用。在中尺度对流系统的调整下,沿锋面的倾斜爬升气流转变为贯穿整个对流层的垂直强上升气流,构成高低空急流之间动量传输的主要通道。锋前反环流从对流层中高层发展至低层,其下沉回流支促进低空急流的发展。跨锋面环流同样得到加强,其回流支进一步促进了中尺度对流性低涡。中尺度对流的潜热释放导致的加热作用是这次暴雨形成过程的关键因素,在不同尺度天气系统的发展与相互作用过程中具有重要的影响。潜热过程通过大幅度地加热中低层大气,明显地冷却高层大气的作用,导致低空低压、高空高压的发展,从而促进了天气尺度高低空急流的发展,同时导致了中尺度高低空急流形成。另外,潜热加热在锋区南北两侧激发了中尺度垂直环流,对锋区垂直环流进行有效地调整,一方面加强了低层气旋性涡度、高层反气旋性涡度形成,另外一方面加强了不同高度、不同尺度天气系统的耦合发展。
利用理想化的梅雨锋中尺度对流系统加热廓线,进行了三维层结大气对给定热源的响应理想试验。理想试验结果表明,非绝热加热引起层结大气的惯性重力波响应过程,在波扰动向下游传播的过程中,风压场向热源的调整过程导致了中尺度低涡、中尺度高低空急流的持续加强,构成了有利于对流系统发展的动力条件。与低涡扰动相伴的垂直运动则为对流的激发提供了可能,进一步深化了梅雨锋暴雨形成过程中潜热加热作用的认识。