水汽对梅雨期切变线大暴雨影响的数值试验

张雪蓉 李晓容 廖一帆 王宏斌 濮梅娟

(1 中国气象局交通气象重点开放实验室， 南京 210041;2 南京气象科技创新研究院， 南京 210041; 3 江苏省气象科学研究所，南京 210041;4 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室， 成都 610072; 5 南充市气象局， 四川 南充 637000;6 南京信息工程大学， 南京 210044;7 江苏省气象台， 南京 210041)

引 言

江淮切变线导致的暴雨过程是长江流域梅雨期主要灾害性天气，一直是气象工作者关注和研究的重点。江淮切变线是纬向风气旋式切变形成涡层的表现形式[1]。切变线附近不断有中尺度系统发生发展，其中一部分中尺度系统达到了很强烈的程度，引发强降水[2]。切变线上类似“涡街式”的中尺度低值系统常引发强降水。切变线上涡层不稳定，高低空正涡度中心的叠加和耦合是切变线上低涡持续发展的一种动力学机制[3-4]。沿切变线走向有一条中尺度涡管，波峰处有较强的经向环流，强降水位于波峰附近的经向垂直环流之下[5]。切变线南侧强烈的辐合和抬升运动，对降水的形成十分重要[6]。切变线暴雨的落区和强度与高低空急流的位置及强度密切相关，高低空急流耦合激发深厚的上升运动，而上升运动加强是暴雨发生发展和降水量增幅的一种重要物理机制[7]。切变线暴雨强度受高层冷空气的影响更大，低层暖湿气流与高层干冷空气构成不稳定层结，使大量暖湿空气得以抬升凝结并最终产生降水[8]。夏季江淮流域切变线、低涡和低空急流是暴雨频发的重要条件，三者配合最终导致暴雨的产生和加强[9-10]。

切变线上的水汽辐合与梅雨降水有直接关系[11]，湿空气的抬升凝结可使低层急流轴向上抬升[12]，水汽凝结可使锋区垂直运动显著增强[13]。数值试验表明，将初始场中印度洋—孟加拉湾高湿中心减弱，则江淮地区降水减少[14-15]。针对2006年强热带风暴“Bilis”降水过程的数值试验分析发现，无论水汽输送强或弱，降水均对850 hPa水汽初值最为敏感[16]，而凝结潜热的释放有助于触发强对流活动，使降水增幅[17]。对梅汛期江淮切变线暴雨与非暴雨演变过程的合成分析表明，切变线南侧热力不稳定条件较好，有利于中尺度系统发生发展[18]。

2010年7月12—13日，我国苏皖地区出现了入梅以来最强的一次大暴雨过程，影响江苏省的大暴雨区域主要位于沿江、苏南地区，暴雨中心泰州姜堰日降水量达228 mm，江淮切变线发展、高空槽东移、高低空急流耦合为暴雨发生提供了十分有利的环流背景。本文采用WRF V3.3模式，对此次大暴雨过程进行数值模拟，探讨水汽变化对暴雨发生和降水量增幅的作用机理，为此类暴雨预报和气象防灾减灾提供参考依据。

1 模式及试验方案设计

1.1 模式简介

模式选用WRF V3.3版本，微物理过程方案为Ferrier，积云参数化选用Betts-Miller-Janjic方案，陆面过程采用Noah方案，长波辐射方案为rrtm，短波辐射方案为Dudhia，近地面层采用Monin-Obukhov方案，边界层采用YSU方案。模拟区域如图1所示，采用内外两层嵌套网格，垂直层数27，细网格中心为(30°N， 110°E)，格点数为295×271，格距为10 km；粗网格中心为(30°N， 105°E)，格点数为140×127，格距为30 km。模式初始场和侧边界条件采用NCEP/NCAR全球客观再分析资料，时间间隔为6 h、水平分辨率为1°×1°，侧边界采用时变松弛方案。模式积分开始时间为2010年7月11日20时(北京时，下同)，累计积分36 h。粗、细网格模拟试验输出结果分别间隔3 h和1 h。

图1 数值模拟区域Fig.1 The area of numerical simulation

图2 2010年7月12日08时850 hPa风场和相对湿度(其中深红色实线表示850 hPa切变线; 风羽单位: m·s-1; 阴影表示相对湿度， 单位: %): (a)实况;(b)控制试验Fig.2 Wind (wind barb， unit: m·s-1) and relative humidity (shaded， unit: %) at 850 hPa at 08∶00 BST on July 12， 2010(The dark red lines represent shear lines at 850 hPa): (a) observation; (b)control experiment

1.2 控制试验模拟结果

控制试验模拟所得36 h降水、高度场、风场等均与实况基本一致，图2为实况和控制试验细网格模拟所得850 hPa风场和相对湿度场，可以看出模拟所得切变线及其南侧西南风急流位置、形态均与实况场较为吻合，且相对湿度(Relative Humidity，RH)水平(图2)及垂直分布也较为一致，可见模式对本次暴雨过程模拟能力较强，可以用于敏感性试验研究。

1.3 敏感性试验方案设计

江淮切变线暴雨水汽对降水的影响主要取决于切变线南侧水汽供应的变化，其中水汽强度、垂直厚度以及输送位置对降水的影响是本文关注的重点。将控制试验(表1中试验编号1)

表1 2010年7月12日05时—13日05时控制试验(试验1)和敏感性试验(试验2—9)模拟得到的江苏境内 (或离江苏最近)的24 h累计降水量中心值及其中心经纬度比较Table 1 Comparison of the maximum 24 h accumulated precipitation from 05∶00 BST on 12 to 05∶00 BST on 13 July 2010 and corresponding central locations in Jiangsu (or nearest to Jiangsu) of control (experiment 1) and sensitivity experiments (experiment 2-9)

初始场中切变线南侧垂直各层次上相对湿度大于80%(即RH大于80%)的区域定义为高湿区，且由于10 ～12 km以下水汽约占大气水汽总量的99%，可以认为对流层绝大部分水汽主要分布在1 000 ～ 300 hPa，因此，敏感性试验基于改变模式初始场切变线南侧1 000～300 hPa之间不同层次、不同厚度高湿区相对湿度的大小及高湿区位置设计8种敏感性试验方案(表1中试验编号2—9)，用于模拟分析切变线南侧水汽变化对暴雨过程的影响。

2 水汽变化对暴雨影响的数值试验分析

水汽变化对暴雨影响的敏感性试验重点分析12日05时—13日50时江苏沿江苏南的强降水时段，对流层水汽垂直厚度、强度和输送位置变化对暴雨的影响。

2.1 水汽垂直厚度及强度变化对降水强度及雨带分布影响的数值试验

控制试验模拟所得12日05时—13日05时累计降水(图3a)分布和强度与实况均较为吻合，其中降水中心值180.9 mm位于(32.3°N， 120.4°E)，如表1所示，与姜堰、海安等地实况大暴雨区域相对应。

分析水汽垂直厚度和强度变化对降水的影响，设计了3种敏感性试验(表1中试验编号2—4)。试验2将模式初始场切变线南侧400 ～ 300 hPa高湿区RH乘以0.5(即将对流层高层水汽强度减弱一半)，模拟的雨带走向、暴雨和大暴雨区域分布(图3b)与控制试验(图3a)最为接近，江苏境内24 h累计降水量中心值(下称暴雨降水量中心值)为177.5 mm，与控制试验暴雨降水量中心值(表1中试验编号1)仅相差3.4 mm，降水中心与控制试验相距0.1个纬距、0.7个经距。试验3将模式初始场切变线南侧700～300 hPa高湿区RH乘以0.5(即将对流层中低层到高层的水汽强度减弱一半)，模拟的雨带分布较控制试验结果发生明显变化，暴雨和大暴雨区域显著缩小至江苏境内(图3c)，但暴雨降水量中心值与控制试验仅相差7.9 mm，降水中心纬度与控制试验相同，经度偏东0.7个经距。试验4将模式初始场切变线南侧850～300 hPa高湿区RH乘以0.5(即将对流层低层至高层的水汽强度减弱一半)，降水强度和雨带分布与控制试验完全不同，雨带明显收缩且主要分布在距离切变线较远的安徽和浙江交界一线，交界处暴雨降水量中心值仅为55.5 mm(图3d)，较控制试验下降了125.4 mm(减少了69.3%)，江苏境内暴雨区消失，沿江以西仅存小块中雨区域，降水量为14.7 mm。

上述结果表明，将对流层高层(400 ～ 300 hPa)的水汽减弱，对降水强度和雨带分布影响较小，这也符合90%的水汽分布在500 hPa以下的特征[19]；将对流层中低层到高层(700 ～ 300 hPa)的水汽减弱，暴雨降水量中心值和位置变化不明显，但是整体降水强度及雨带分布发生了明显变化，暴雨和大暴雨区域显著向东缩小；将对流层低层至高层(850 ～ 300 hPa)水汽减弱后，降水强度及雨带分布发生彻底变化，雨带明显收缩南移远离切变线，暴雨区仅零星分布，大暴雨区全部消失，江苏境内仅存小块中雨区域。可见，对流层高层水汽占比小，对降水影响较小，而越接近对流层低层，水汽占比越大，对降水影响越明显。从对流层高层至低层减弱不同层次之间的水汽强度，相当于同时降低了水汽柱的垂直厚度，而降水随之减小说明水汽强度愈强，水汽柱愈深厚则降水强度越强，雨带越宽广。

2.2 低层水汽强度变化对降水强度及雨带分布影响的数值试验

有研究指出850 hPa水汽对降水影响最大[20-21]。本文针对850 hPa水汽强度变化设计了3种敏感性试验方案(表1中试验编号5—7)。试验5将模式初始场切变线南侧850 hPa高湿区RH乘以0.2(水汽强度减弱80%)，原本沿切变线呈准东西连续带状分布的大暴雨区在江苏境内(32°N， 120°E)附近断裂，江苏境内暴雨降水量中心值较控制试验下降了60.9 mm(减少33.7%)，降水中心偏南、偏东各0.3个经纬距，暴雨区南缘随整体雨带分布一起向北往切变线收窄缩小(图3e)。试验6将模式初始场切变线南侧850 hPa高湿区RH乘以0.5(水汽强度减弱50%)，模拟所得大暴雨雨带仍十分狭窄细长，南北宽度不超过0.4个纬距，但不像试验5那样在中间明显断开，江苏境内暴雨降水量中心值较控制试验减少30.6%，降水中心位置与控制试验差别不大(图3f)。试验7将模式初始场切变线南侧850 hPa高湿区RH乘以0.8(水汽强度减弱20%)，雨带分布虽然较控制试验也有一定变化，但由于试验7是3个敏感性试验中对850 hPa单层水汽强度减弱最小的，模拟所得降水强度和雨带分布与控制试验差异最小，江苏境内大暴雨区呈东西连续带状分布且南北宽度与控制试验相当，出现了150 mm以上的暴雨降水量中心值(较控制试验减少16.5%)，降水中心位置较控制试验略偏西偏南(图3g)。比较试验5—7的降水量分布发现，3个试验的大暴雨区域存在明显差异，但是暴雨区域分布的差异并不大，反映出850 hPa水汽强度的变化对100 mm以上大暴雨量级的降水影响明显，对暴雨及以下量级降水的雨带分布影响稍弱(图3e—g)。

上述结果表明，减弱850 hPa水汽强度对大暴雨量级的降水影响较大，对暴雨及以下量级降水的雨带分布影响不明显。模式初始场850 hPa水汽强度减弱越多则模拟所得大暴雨降水量中心值减少越多，大暴雨雨带越狭窄细长甚至出现断裂，可见若850 hPa水汽强度越强，则降水强度越强，且强降水区域越连续宽广。此外，对比试验5、6与试验4发现，中层水汽对整体雨带形态的维持起着重要作用(与试验3模拟结论相符)，而低层单层水汽强度的大幅减弱并不会彻底改变降水的雨带分布，主要是对暴雨降水量中心的强度存在影响。

2.3 对流层水汽水平输送位置变化对降水强度及雨带分布影响的数值试验

分析对流层整层水汽水平输送位置对降水强度和雨带分布的影响，设计了2种敏感性试验方案(表1中试验编号8—9)。试验8将模式初始场切变线南侧1 000 ～ 300 hPa高湿区南移3个纬距(即将对流层整层水汽输送位置较切变线位置南移3个纬距)，模拟所得雨带分布和走向与控制试验较为接近，但降水强度发生了明显变化，暴雨区域宽度收窄，大暴雨区域明显向西南收缩变小，分布在安徽境内，暴雨降水量中心值为115 mm，较控制试验下降了65.9 mm(降水量减少了36.4%)，降水中心偏南0.9个纬距、偏西2.7个经距，而江苏境内大暴雨区消失，24 h最大降水量仅为80 mm (图3h)。试验9将模式初始场切变线南侧1 000 ～ 300 hPa高湿区南移6个纬距(即将对流层整层水汽输送位置较切变线位置南移6个纬距)，雨带分布和降水强度的模拟结果与控制试验完全不同，原本沿切变线走向呈准东西连续带状分布的雨带，分裂为若干块状不规则雨区，各块状雨区均未出现大暴雨，较大的降水中心值分别为60 mm和57 mm(图3i)。

图3 2010年7月12日05时—13日05时(a)控制试验和(b—i)敏感性试验的24 h累计降水量(阴影， 单位：mm): (b)试验2; (c)试验3; (d)试验4; (e)试验5; (f)试验6; (g)试验7; (h)试验8; (i)试验9Fig.3 24 h accumulated precipitation of (a) control and (b-i) sensitivity experiments from 05∶00 BST on 12 to 05∶00 BST on 13 July 2010 (shaded， unit: mm): (b) experiment 2; (c) experiment 3; (d) experiment 4; (e) experiment 5; (f) experiment 6; (g) experiment 7; (h) experiment 8; (i) experiment 9

上述结果表明水汽水平输送位置较切变线位置南移，改变了切变线辐合抬升与水汽配合的条件和时机，影响降水的发展增强，水汽水平输送至切变线的距离越远，水汽在输送过程中能量耗散越多，降水强度减弱越多，雨带收缩断裂越明显。可见，水汽供应越充足，输送位置离切变线越近，切变线的辐合上升动力条件与输送而来的水汽条件的配合就越好，越有利于暴雨的发生发展。

3 水汽变化影响暴雨的成因分析

3.1 水汽变化对流场和风场的影响

暴雨的形成需要同时具备充足的水汽供应和强烈的上升运动，江淮切变线暴雨的水汽供应主要依靠切变线南侧的低空急流输送，上升运动由低空切变线气旋性辐合提供动力条件。下文重点分析水汽变化对850 hPa切变线及其南侧低空急流的影响，以剖析水汽变化影响暴雨的动力因素。

本次降水过程，850 hPa实况流场上江淮切变线及其南侧西南风低空急流由安徽不断东移发展影响江苏，控制试验模拟所得切变线及其南侧低空急流发展过程与实况基本一致(图4a)，模拟开始时(11日20时)切变线东西向横跨湖北、河南和安徽省，尚未进入江苏境内，切变线南侧低空急流中心位于安徽南部，急流核风速为14.0 m·s-1，随后切变线东移发展，西南急流逐渐增强，12日02时切变线从江苏西部沿江地区进入，12日08时前后，江苏境内切变线发展达到最强，南侧低空急流核风速增强至16.0 m·s-1(图4b)，江苏境内降雨强度相应达到最强，此后，切变线及低空急流逐渐减弱并东移入海，不再影响江苏。

敏感性试验2—4改变了模式初始场切变线南侧水汽的垂直厚度和强度，其中试验2模拟得到的850 hPa流场演变(图4b)与控制试验流场(图4a)最为接近，高层水汽强度的减弱对850 hPa上切变线的影响不明显。试验3模拟得到的流场分布与控制试验结果发展过程明显不同，850 hPa上切变线发展增强十分缓慢，模拟至12日08时切变线两侧风场气旋式切变仍然很弱(图4c)，12日11—15时，才开始有低涡结构出现于切变线上影响江苏，而切变线南侧西南风急流于12日11时前缓慢发展东移但急流核强度明显弱于控制试验，12日11时后西南气流明显减弱，江苏境内基本均在10.0 m·s-1以下。试验4至模拟结束，850 hPa切变线都未得到充分发展，12日02时前后切变形势就开始减弱，12日08时切变形势较之前更为松散并仍在不断减弱过程中(图4d)，至12日14时已完全消失，江苏境内为一致的西南气流，风速减弱至6.0 m·s-1以下，至切变形势消失始终未有低涡生成。

敏感性试验5—7改变了850 hPa水汽强度，模拟得到的850 hPa流场演变趋势与控制试验(图4a)均较为相似，切变线及切变线上低涡的发展过程及移动方向也大体一致，切变形势均于12日02时前后在沿江地区开始显著增强，而850 hPa水汽强度越强，则切变线南侧西南风速越大、北侧偏北风分量越明显，切变辐合形势越剧烈(图4e—g)。3个敏感性试验中，试验5模拟得到的切变线南侧西南风强度最弱，急流核离切变线最远，切变线及切变线上低涡活跃程度最低，试验6其次。而试验7模拟的切变线南侧西南风急流最强，风速超过16 m·s-1的急流核一直沿东西走向紧贴切变线发展，并有多个低涡沿切变线生成自西向东排列。

图4 2010年7月12日08时控制试验(a)和敏感性试验(b—i)的850 hPa流场和风速(其中绿色阴影表示850 hPa风速，单位: m·s-1):(b)试验2; (c)试验3; (d)试验4; (e)试验5; (f)试验6; (g)试验7; (h)试验8; (i)试验9Fig.4 850 hPa wind streamline of (a) control and (b-i) sensitivity experiments at 08∶00 BST on 12 July 2010(Green shadings represent wind speed at 850 hPa，unit: m·s-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

敏感性试验8—9改变了对流层整层水汽水平输送的位置，试验8模拟得到的850 hPa流场演变趋势较控制试验(图4a)发生了明显变化，模拟开始后，切变形势增强及东移均十分缓慢，切变线南侧急流几乎没有发展，12日02时开始，尚未充分发展的弱切变线转而快速减弱，切变形势愈发松散，原本位于安徽西南部的急流核开始随低空急流发展向江苏安徽两省沿江交界处伸展增强，12日08时急流核风速达16.0 m·s-1，偏南急流输送而来的水汽使切变形势突然于沿江一线短暂发展增强(图4h)，14时后切变形势减弱。试验9对流层整层水汽水平输送更偏南，12日02时弱切变形势尚未对江苏造成显著影响就开始减弱，至模拟结束切变线都未得到充分发展。

综上，改变模式初始场切变线南侧的水汽强度、垂直厚度及输送位置，均会对水平流场上切变线及其南侧低空急流的强度发展和分布变化产生影响，切变线南侧水汽供应越充足、水汽强度越强、水汽柱愈深厚、输送位置离切变线越近，切变线及其南侧西南急流发展越充分，切变线上低涡越活跃(图4)，相应降水强度越强、雨带分布越宽阔连续(图3)，小时降水量峰值的出现与切变线、切变线上低涡以及南侧低空急流发展增强阶段相对应(图6)。

3.2 水汽变化对高低空散度和上升运动的影响

高层辐散与低层辐合是上升运动维持和加强，继而引发大暴雨的有利动力机制[22]，而水汽条件的变化通过凝结潜热释放对上升运动产生直接影响的同时，也会反馈在高低空散度及其耦合位置的变化上，从而共同改变降水强度和雨带分布。在此沿控制试验和各敏感性试验模拟所得暴雨中心所在经度(表1)，对比分析本次大暴雨过程各试验的时间平均散度及时间平均垂直上升速度(图5)。

控制试验模拟所得大暴雨中心上空，时间平均低层辐合(下称低层辐合)强度达-8×10-5s-1，辐合区一直向上伸展到600 hPa，时间平均高层辐散(下称高层辐散)强度达-4×10-5s-1，高层辐散与低层辐合耦合于32.3°N附近，对应32° ～ 32.5°N的垂直上升运动区，时间平均垂直上升速度(下称垂直上升速度)大值中心于大暴雨中心上空600 hPa附近达0.24 m·s-1，可见原水汽条件下，相应的垂直上升运动及高低空散度耦合为大暴雨发生提供了有利动力条件(图5a)。

敏感性试验2—4改变了模式初始场切变线南侧水汽的垂直厚度和强度，其中试验2模拟所得大暴雨中心上空高层辐散和低层辐合耦合位置(32.2°N附近)和对应的垂直上升运动区分布在32°～ 32.5°N之间，与控制试验基本一致，故试验2大暴雨中心位置及整体雨带分布与控制试验非常接近，但大暴雨中心上空高低空散度和上升运动的强度均较控制试验明显增强，高低空散度分别达12×10-5s-1和-12×10-5s-1，垂直上升速度大值区由600 hPa向上伸展至200 hPa，并于300 hPa附近达最大值0.55 m·s-1(图5b)，这是因为试验2将对流层高层水汽强度减弱一半，加强了大气垂直方向上“低层暖湿、高层干冷”的对流不稳定性，使得垂直上升运动和高低空散度均相应增强，但由于试验2的水汽供应条件与控制试验相差不大，故模拟所得降水中心量级与控制试验相当。试验3模拟所得大暴雨中心上空高低空散度同控制试验一样耦合于32.3°N附近，强度分别达6×10-5s-1和-4×10-5s-1，低层辐合明显减弱，对应的垂直上升运动区收缩至以32.3°N为中心的0.5个纬距内，垂直上升速度大值区也较控制试验明显缩小，上升速度中心值位于500 hPa附近，强度下降至0.2 m·s-1(图5c)，故试验3大暴雨中心值略有下降，暴雨和大暴雨区域明显收缩。试验4模拟所得高低空散度分别减弱为2×10-5s-1和-4×10-5s-1，耦合位置(30.2°N)也较控制试验南移约2个纬距，对应的垂直上升运动也显著减弱，中心值仅达0.09 m·s-1(图5d)，故试验4模拟所得暴雨降水量中心值及其位置较控制试验发生彻底变化，降水中心值显著减小，雨带也明显收缩南移。

敏感性试验5—7改变了850 hPa水汽强度，模拟所得高低空散度耦合位置均在32°N附近，对应的垂直上升运动区也与控制试验一样分布在以32°N为中心的一个纬距内(图5e—g)，故试验5—7模拟得到的大暴雨中心位置及雨带整体形态与控制试验均较为接近。但850 hPa水汽强度的改变，令高低空散度的发展耦合及垂直上升速度产生了相应变化，除试验7低层辐合强度达-10-5s-1稍强于控制试验外，试验5和试验6的辐合和辐散中心值均与控制试验差别不大，但分析发现850 hPa水汽强度越强，则低层辐合中心向上伸展愈高，高层辐散中心向下伸展愈低，高低空散度发展耦合愈充分，相应的垂直上升运动愈强，对应的大暴雨中心降水强度愈强，强降水区域愈连续宽广。

敏感性试验8—9改变了对流层整层水汽水平输送的位置，试验8模拟所得大暴雨中心上空高层辐散和低层辐合耦合位置(31.4°N附近)和对应的垂直上升运动区分布在31° ～ 32°N均较控制试验结果南移，故大暴雨中心位置及大暴雨区域也相应明显南移，且由于试验8水汽水平输送位置南移了3个纬距，影响了辐合上升运动与水汽输送配合的条件和时机，其大暴雨中心降水强度下降，暴雨区域收缩。试验9将对流层整层水汽输送位置较切变线位置南移6个纬距，模拟得到的高低空散度及垂直上升运动的分布与控制试验完全不同，虽然垂直上升速度中心达0.24 m·s-1，但高低空散度的发展耦合以垂直方向为主，垂直上升运动收缩在以30.4°N为中心的狭窄范围内，故模拟所得雨带较控制试验发生彻底变化，均呈分散的不规则块状，且各降水中心值均显著减弱，未有大暴雨中心出现。

图5 2010年7月12日05时—13日05时(a) 控制试验和(b—i)敏感性试验的时间平均散度(等值线，单位：10-5s-1)和时间平均垂直速度(阴影，单位：m·s-1)沿降水中心所在经度的垂直剖面:(b)试验2;(c)试验3;(d)试验4;(e)试验5; (f)试验6; (g)试验7; (h)试验8; (i)试验9Fig. 5 Vertical-meridional cross sections of time-averaged divergence (contoured， unit: 10-5s-1) and vertical velocity (color shaded， unit: m·s-1) along precipitation centers of (a) control and (b-i) sensitivity experiments; averaging time is from 05∶00 BST on 12 to 05∶00 BST on 13 July 2010:(b) experiment 2;(c) experiment 3; (d) experiment 4; (e) experiment 5; (f) experiment 6; (g) experiment 7; (h) experiment 8; (i) experiment 9

综上分析，改变模式初始场切变线南侧的水汽强度、垂直厚度以及输送位置，会影响高低空散度耦合和上升运动的发展位置及强度，继而改变江淮切变线暴雨的降水中心位置、整体雨带分布及降水强度，而切变线南侧水汽供应越充足、水汽强度越强、水汽柱愈深厚、输送位置离切变线越近，则高低空散度发展耦合愈充分，相应的垂直上升运动愈旺盛，降水强度越强、雨带分布越宽阔连续(图3)。值得注意的是：试验2将400 ～ 300 hPa水汽强度减弱一半，模拟所得高低空散度和上升运动明显增强，降水中心量级却与控制试验相当，这是因为对流层高层水汽强度的减弱，增强了大气的对流不稳定性，但试验2的水汽总量却略少于控制试验。

3.3 水汽引起湿位涡变化对降水的指示意义

湿位涡是一个能同时表征大气动力、热力和水汽性质的综合物理量，近年来得到深入研究，并应用于揭示暴雨发生发展的物理机制[23-30]。等压面湿位涡的表达式为：

(1)

(2)

(3)

本次大暴雨过程降水最强时段为12日05时—13日05时，该时段内控制试验模拟所得最大24 h累计降水量为180.9 mm，降水中心位于(32.3°N， 120.4°E)。由于各敏感性试验水汽的强度、垂直厚度、输送位置设置不同，故模拟所得降水强度和暴雨中心位置均与控制试验存在差异(表1)，若以控制试验大暴雨中心所在位置(32.3°N， 120.4°E)作为参照点，该点各敏感性试验模拟所得24 h累计降水量与控制试验也存在明显差异(表 2)。下文从湿位涡角度分析参照点(32.3°N， 120.4°E)处控制试验和各敏感性试验逐小时降水量与700 hPa湿位涡的时间变化关系，揭示水汽条件变化情况下，湿位涡对江淮切变线降水的指示性。

表2 2010年7月12日05时—13日05时控制试验(试验1)和敏感性试验(试验2—9)在参照点(32.3°N， 120.4°E)处的24 h累计降水量Table 2 24 h accumulated precipitation from 05∶00 BST on 12 to 05∶00 BST on 13 July 2010 of control (experiment 1) and sensitivity experiments (experiment 2-9) at (32.3°N， 120.4°E)

敏感性试验5—7改变了对流层低层850 hPa水汽强度，模拟所得参照点24 h累计降水量均低于控制试验，分别为80 mm、87 mm和107 mm(表2)。湿位涡正压项MPV1与斜压项MPV2对试验5—7模拟所得降水也有较好的指示性(图6e—f)，试验5和试验6分别将模式初始场切变线南侧850 hPa水汽强度减弱80%和50%，两个试验700 hPa上的对流不稳定性、水平风速垂直切变和湿斜压性均明显弱于控制试验，MPV1负峰值均未超过-1 PVU，︱MPV2︱基本在零值附近没有明显峰值出现，相应的试验5和试验6小时降水量均在10 mm以下，且在MPV1达负峰值后，参照点均没有短时强降雨出现，小时降水量最大值仅达13 mm和16 mm。试验7将模式初始场切变线南侧850 hPa水汽强度减弱20%，参照点于12日05—12时出现一段明显降水，期间随着低空急流输送水汽，700 hPa上对流不稳定性增强，湿斜压性发展，切变线及其南侧低空急流发展增强，09时MPV1和MPV2分别达负峰值-1.81 PVU和-0.08 PVU后，小时降水量出现峰值的24.2 mm(图6g)，这一现象与前文MPV1< 0且MPV2 > 0指示江淮切变线强降水发生的结论并不矛盾，因为SVD指数CD<0是有利于垂直气旋性涡度发展、引发暴雨的充分条件[32]，实际短时强降水发生时可能不满足CD<0的最佳条件，这也从湿位涡角度解释了试验7参照点短时强降雨仅维持1 h，24 h累计降水量也小于控制试验的原因。

敏感性试验8—9改变了对流层整层水汽水平输送的位置，模拟所得参照点24 h累计降水量均较控制试验明显下降，分别达到65 mm和4.9 mm(表2)。试验8水汽水平输送至切变形势的距离变远，模拟开始阶段参照点700 hPa上的对流不稳定性、湿斜压性均较控制试验明显减弱，垂直气旋性涡度和水平风速垂直切变很小，切变线及南侧西南风急流发展缓慢，︱MPV1︱和︱MPV2︱均在零值附近，参照点无降水发生。随着低空急流发展增强，南移的水汽被急流输送至切变形势附近，700 hPa上湿斜压性和对流不稳定性增大，切变线突然发展增强(即垂直气旋性涡度突然增大)，降水随之开始。随后MPV2和MPV1分别于12日10时和11时达正峰值0.09 PVU和负峰值-0.72 PVU，小时降水量相应出现峰值，为9.4 mm。试验9水汽水平输送至切变形势的距离更远，700 hPa上对流不稳定性和湿斜压性更弱，至模拟结束垂直气旋性涡度均无明显增长，切变形势几乎未得到发展，︱MPV1︱和︱MPV2︱均在零值附近，故参照点小时降水量均小于0.1 mm，24 h累计降水量仅为4.9 mm。

图6 2010年7月12日05时—13日05时(a)控制试验和(b—i)敏感性试验在(32.3°N， 120.4°E)处的逐小时降水量(黑色柱状， 单位: mm)以及700 hPa上MPV1(红色实线，单位：10-6 m2·s-1·K·kg-1； 1 PVU=10-6 m2·s-1·K·kg-1)和 MPV2 (蓝色实线， 单位: 10-7 m2·s-1·K·kg-1； 10-1 PVU=10-7 m2·s-1·K·kg-1)的时间变化:(b)试验2; (c)试验3; (d)试验4; (e)试验5; (f)试验6; (g)试验7; (h)试验8; (i)试验9Fig.6 Time series of MPV1 (red lines， unit: 1×10-6 m2·s-1·K·kg-1；10-6m2·s-1·K·kg-1=1 PVU) and MPV2 (blue lines， unit: 10-7 m2·s-1·K·kg-1; 10-1 PVU=10-7 m2·s-1·K·kg-1) at 700 hPa， and hourly precipitation (black columns， unit: mm) at (32.3°N， 120.4°E) of (a) control and (b-i) sensitivity experiments from 05∶00 BST on 12 to 05∶00 BST on July 13, 2010: (b) experiment 2; (c) experiment 3; (d) experiment 4; (e) experiment 5; (f) experiment 6; (g) experiment 7; (h) experiment 8; (i) experiment 9

综上，在切变线南侧不同水汽条件影响下，湿位涡对江淮切变线降水均有较好的指示性，且以正压项MPV1的影响和指示为主、斜压项MPV2为辅。当700 hPa上MPV1<0时，降水发生并维持；MPV1>0时，降水出现间歇或渐止，且MPV1负峰值的出现指示降水峰值出现，当MPV1<-1.5 PVU时，有小时降水量大于20 mm的短时强降水发生。在MPV1 <0条件下，若︱MPV2︱>0.05 PVU且尤其当MPV2>0时，降水强度明显增强，而MPV1为负、MPV2为正维持时间越久、︱MPV1︱和︱MPV2︱峰值越大，说明切变线附近对流不稳定性越大，湿斜压性和水平风垂直切变越强，垂直气旋性涡度发展越剧烈，切变线及其南侧低空急流发展越充分，降水持续时间越久、强度越强。

4 结论

本文通过改变模式初始场江淮切变线南侧水汽的强度、垂直厚度以及输送位置进行数值试验和分析，主要得到以下结论：(1)水汽条件变化对降水强度及雨带分布的影响。对流层高层水汽占比小，对降水影响较小，而越接近对流层低层，水汽占比越大，对降水影响越明显。水汽强度愈强，水汽柱愈深厚，降水强度越强，雨带越宽广。对流层中高层尤其是中层水汽对整体雨带形态的维持起重要作用；低层水汽强度的变化主要对大暴雨区域及大暴雨中心的降水强度存在影响。水汽输送位置离切变线越近越有利于暴雨的发生发展。(2)水汽条件变化对流场和风场的影响。切变线南侧水汽供应越充足、水汽强度越强、水汽柱愈深厚、输送位置离切变线越近，切变线及其南侧西南急流发展越充分，切变形势及切变线上低涡越活跃，相应的降水强度越强、雨带分布越宽阔连续，小时降水量峰值的出现与切变线、切变线上低涡以及切变线南侧低空急流发展增强阶段相对应。(3)水汽条件变化对高低空散度和上升运动的影响。切变线南侧水汽供应越充足、水汽强度越强、水汽柱愈深厚、输送位置离切变线越近，则高低空散度发展耦合愈充分，相应的垂直上升运动愈旺盛，愈有利于强降水发生发展。值得注意的是，将对流层高层水汽强度减弱一半，增强了大气“低层暖湿、高层干冷”的对流不稳定性，切变线附近高低空散度和上升运动明显增强。(4)水汽条件变化下湿位涡对江淮切变线降水有较好的指示性，且以湿位涡正压项MPV1的影响和指示为主、斜压项MPV2为辅。MPV1负峰值的出现指示降水峰值出现，当MPV1<-1.5 PVU时，切变线附近有小时降水量大于20 mm的短时强降雨发生。在MPV1<0条件下，若︱MPV2︱>0.05 PVU且尤其当MPV2>0时，降水强度明显增强，而MPV1为负、MPV2为正维持时间越久、︱MPV1︱和︱MPV2︱峰值越大，则江淮切变线降水持续时间越久、强度越强。

致谢感谢江苏省气象局“海洋天气预报技术”培育团队在研究过程中的帮助支持。