一次多弓状中尺度雨带的成因机理及其与水平涡度的关系

王丹妮; 丁治英; 王咏青; 窦慧敏; 乔娜; 王联军

doi:10.16032/j.issn.1004-4965.2020.013

一次多弓状中尺度雨带的成因机理及其与水平涡度的关系

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.013

1.
南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京 210044
2.
双峰县气象局，湖南娄底 417700

基金项目:

国家重点基础研究发展计划 2015CB453201

国家自然科学基金 41975054

国家自然科学基金 41530427

国家自然科学基金 41790471

国家自然科学基金 41775040

详细信息

通讯作者:
丁治英, 女, 江苏省人, 教授, 从事中尺度气象学研究。E-mail: dingzhiying@nuist.edu.cn

中图分类号: P445
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出版历程
- 收稿日期: 2019-05-30
- 修回日期: 2019-11-08
- 刊出日期: 2020-02-01

THE RELATIONSHIP BETWEEN THE FORMATION MECHANISM OF A MULTI-MESOSCALE-BOW-RAINBAND AND HORIZONTAL VORTICITY

1.
Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education/ Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change/ Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
2.
Shuangfeng Meteorological Administration, Loudi 417700, China

摘要

摘要: 用WRF中尺度数值模式、NCEP/NCAR再分析资料、多普勒雷达观测资料等，对2018年5月5日发生在我国华中地区的一次多弓状雨带降水过程的形成机理及其与水平涡度的关系进行分析发现：雨带发生在切变线南侧的西南气流中，多弓状雨带出现前，大尺度高低层气旋式曲率的水平涡度和对流有效位能为降水提供了有利于上升运动的背景场。弓状雨带最初形成在对流不稳定和低层气流辐合条件下，局地强降水引发的下沉运动使中低层大风出现，大风中心南侧反气旋式的环流与背景场中的西南气流汇合构成了短波槽，尾部雨带出现在短波槽中，弓状头部生成于北侧的气旋式风场切变中，大风中心相较南北两侧更快的移速使雨带中部向前侧凸起。流场上的短波槽发生在700 hPa以下，在西南气流的背景场下，该槽向前后两侧的双向传播是多弓状雨带形成的重要触发因子。中尺度弓状雨带附近低层的水平涡度在强盛期、减弱期和消散期有着明显不同的结构特征；而在高层，雨带发展时和强盛期都为气旋式水平涡度控制，减弱期多为反气旋式水平涡度控制。
- 多弓状雨带 /
- 水平涡度 /
- 负浮力 /
- 对流有效位能 /
- 短波槽
Abstract: A multi-bow-rainband process in central China on May 5, 2018 was simulated using WRF mesoscale numerical model, NCEP / NCAR reanalysis data and Doppler radar observation data. The relationship between the formation of multi-bow-rainband and horizontal vorticity was studied. It is found that these rainbands occurred in the southwest airflow on the south of the shear line. Before the multi-bow-rainband emerged, the large-scale clockwise-rotating horizontal vorticity in the high and low level and convective effective potential energy provided a favorable background for precipitation. The bow-rainband was originally formed under the condition of convective instability and low-level airflow convergence. The gale in the middle and low level appeared as a result of downward motion caused by local heavy precipitation. The anticyclonic circulation on the south side of low-level gale center merged with southwest airflow in the background field, forming a short-wave trough where the tail of rainband emerged. The head of the bow-rainband generated in the cyclonic circulation on the north side of gale center. The gale center moved faster than the north and south side of the gale, inducing the middle of the rainband convex to move forward. The short-wave trough of airflow field occurred below 700hPa in the background of south-west airflow, and the two-way propagation (forward and backward) of this trough was an important trigger for the formation of multi-bow-rainband. The horizontal vorticity in the low level near the mesoscale-bow-rainband had different structural characteristics during the strong, weak and dissipative periods of the mesoscale-bow-rainband. In the high level, horizontal vorticity was cyclonic in the developing and strong periods of rainbands, whereas it was anticyclonic in the weak period of rainbands.
- multi-bow-rainband /
- horizontal vorticity /
- negative buoyancy /
- convective effective potential energy /
- short wave trough

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图 1 2018年5月5日实况06:00(a、c)、12:00(b、d) 200 hPa(a、b)和850 hPa(c、d)上相当位温(红色等值线，单位：K)、风场(流线，单位：m/s)和急流(阴影，单位：m/s)的分布图(黑色椭圆指示降水落区)；15:00—22:00的7 h累积降水量分布(e，彩色阴影，单位：mm)

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图 2 2018年5月5日实况13:00(a)、15:06(b)、16:12(c)、17:36(d)、19:36(e)、21:42(f)的最大雷达回波反射率(阴影，单位：dBZ)

黑色椭圆指示对应时刻中尺度雨带的位置。

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图 3 由WRF3.9模拟得到的2018年5月5日11:30(a)、14:00(b)、15:20(c)、16:10(d)、19:10(e)、21:30(f)的最大雷达回波反射率(彩色阴影，单位：dBZ)

黑色椭圆指示对应时刻中尺度雨带的位置。

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图 4 2018年5月5日宜昌站实况雷达垂直风廓线(a，风向杆表示水平风场分布，每条风羽的风速为4 m/s，黑色椭圆指示风速≥20 m/s的区域)；宜昌站实况雷达回波反射率(阴影，单位：dBZ)的垂直剖面图(b); 模拟对应点的雷达回波反射率(阴影，单位：dBZ)和风场(风向杆，每条风羽的风速为4 m/s)的垂直剖面图(c，黑色实线指示水平风速≥16 m/s区域)

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图 5 2018年5月5日模拟得到的13:00沿着109.8 °E上的垂直环流(v-w流线，v的单位: m/s，w的单位：10^-1 m/s)和109~110 °E平均的雷达回波反射率(阴影，单位：dBZ)和相当位温(紫色等值线，单位：K) (a)，18:00沿着113.5 °E上的垂直环流(v-w流线，v的单位: m/s，w的单位：10^-1 m/s)和113~114 °E平均的雷达回波反射率(阴影，单位：dBZ)和相当位温(紫色等值线，单位：K) (b)，15:00—22:00 7 h累积降水量分布(c，彩色阴影，单位：mm)

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图 6 2018年5月5日实况06:00(a)、12:00(b)的最大雷达回波反射率(彩色阴影，单位：dBZ)和250 hPa水平涡度(ξ_x2, ξ_y2)流场(流线，单位：10^-3 m/(s·Pa))，12:00(c)、18:00(d)的最大雷达回波反射率(彩色阴影，单位：dBZ)和800 hPa水平涡度(ξ_x2, ξ_y2)流场(流线，单位：10^-3 m/(s·Pa))

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图 7 2018年5月5日模拟得到的10:20的最大雷达回波反射率(阴影，单位：dBZ)和250 hPa水平涡度(ξ_x2, ξ_y2)流场(流线，单位：10^-3 m/(s·Pa)) (a)，10:20(b)、16:40 (c)①号雨带，17:10 ③号雨带(d)，19:10②号雨带(e)，21:30(f)的最大雷达回波反射率(阴影，单位：dBZ)和800 hPa水平涡度(ξ_x2, ξ_y2)流场(流线，单位：10^-3 m/(s·Pa))的分布图，白色光滑箭头表示水平涡度的弯曲特征，强盛期(g)、减弱期(h)弓状雨带的演变和低层水平涡度关系的示意图

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图 8 2018年5月5日模拟得到的06:00(a)、21:30(b) 800 hPa上对流有效位能CAPE(阴影，单位：J/kg)的分布

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图 9 2018年5月5日模拟得到的09:20、11:30、12:50 (a~c)最大雷达回波反射率(阴影，单位：dBZ)和800 hPa上全风速(黑色等值线，单位：m/s)；800 hPa上垂直涡度(阴影，单位：10^-4 s^-1)和风场(流线，单位：m/s) (d~f)；800 hPa上浮力(阴影，单位：10^-1 m/s²)和雷达回波反射率(黑色实线，单位：dBZ) (g~i)；800 hPa上垂直速度(j~l，阴影，单位：m/s)的分布图

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图 10 弓状雨带形成的流程图

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图 11 2018年5月5日模拟得到的11:40、16:30、17:00最大雷达回波反射率(阴影，单位：dBZ)和800 hPa风场(流线，单位：m/s) (a~c)；800 hPa全风速(b~f，黑色实线，单位：m/s)；地面10 m风速(g~i，黑色实线，≥4 m/s)的分布图；5月5日06:00—21:00 800 hPa的雷达回波反射率(阴影，单位：dBZ)和全风速(黑色实线，单位：m/s) (j)，U′风速(k，U' = U - U，黑色等值线，单位：m/s)沿29.2 °N的分布图

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