夏季江淮切变线结构特征及与暴雨相互作用机制研究

The summer rainstorm over the Yangtze-Huaihe River Valley is one of the most important synoptic disasters in China, and it often occurs with the local Shear Line (hereafter, SL). However, the theoretical mechanism of such interaction has not been clearly explored in contrast to the synoptic analysis, due to the limited usage of multi-observational data resources and the poor understanding in the mechanism in the previous studies. Better understanding the mechanism of the interaction between the SL and its related rainstorm will benefit the operational rainstorm forecast. Therefore, on the basis of dynamic, theoretical analysis，and numerical modeling in this project，we intend to discuss the following important scientific issues: 1）the characteristics of the three-dimensional structure of SL, revealed by the dynamical and thermal features ; 2）the physical process and impact of SL on the local rainstorm, and 3）the physical process and the feedback of rainstorm on the SL. Based on the generalization theory of slantwise vorticity on the basis of potential vorticity-potential temperature and the potential vorticity-diabatic heating , we will extend the development of slantwise vorticity theory which much reasonable for those cases to the saturation moist atmosphere. We will reveal the inherent interaction between the SL and rainstorm from the individual term analysis, such as the variation of the vertical vorticity, adiabatic heating, local circulation, vertical shear of the horizontal wind, and the atmospheric baroclinicity and instability. The current study will focus on the impact of these terms on the formation and development of SL and its related rainstorm, and the physical feedback of rainstorm on the SL as well, and we try to present a clear physical explaining for the interactions between SL and local rainstorm after this project.

江淮暴雨是中国夏季最严重的天气灾害之一，常与江淮切变线发生发展相伴随，因此研究江淮切变线与暴雨的相互作用，对于理解江淮暴雨发生发展机制具有重要的科学意义和预报价值。由于观测系统多源资料没有被充分应用和理论上的认识不足，导致对切变线和暴雨相互作用研究不够深入。目前，对切变线研究主要集中在天气分析，理论研究和机制研究甚少。为此，本项目拟采用理论分析、动力诊断和数值模拟相结合方法，重点研究（1）切变线三维动力和热力结构特征；（2）切变线对暴雨影响的动力热力过程和机制；（3）暴雨对切变线的反馈过程和机制。通过建立湿饱和大气广义倾斜涡度发展理论，实现理论创新；通过诊断分析，揭示大气垂直涡度变化与非绝热加热、大气环流、风垂直切变、斜压性和稳定性的内在联系及其对切变线和暴雨发生发展维持的作用，给出非绝热加热对切变线的反馈过程和机制；通过中尺度数值模式进行客观验证，建立切变线和暴雨相互作用的物理概念图像。

每年6月中旬至7月上旬，东亚夏季风雨带主要维持在长江中下游和淮河地区，这一期间的夏季风降水被称为江淮梅雨。梅雨期间暴雨及其引发的自然灾害对当地经济社会发展构成严重威胁，因此梅雨暴雨一直是气象学界研究的重点。梅雨期间的雨带稳定少动，呈东西向带状分布，在风场上表现为辐合带或切变线。梅雨暴雨是多尺度天气系统共同作用的结果，其中江淮切变线与梅雨期降水关系紧密，是暴雨形成的触发条件。. 本项目研究了江淮切变线与暴雨的定量关系，江淮切变线三维动力和热力结构特征，江淮切变线影响暴雨的动力和热力过程及其机制，暴雨对江淮切变线维持和发展的反馈过程及其机制。. 研究表明，夏季6—7月，江淮地区近75%的暴雨是由江淮切变线引起，近66%的江淮切变线能够产生暴雨，江淮切变线是江淮地区最主要的影响天气系统；在暖切变线、冷切变线、准静止切变线和低涡切变线等四类江淮切变线中，暖切变对江淮切变线暴雨总雨量的贡献最多（33%），梅雨期降水以暖切变线降水为主；江淮切变线通常出现在500hPa以下，具有随高度北倾特征；江淮切变线是对流层不同高度上天气系统合理配置的产物，四种类型切变线与高低空急流、西太平洋副热带高压、南亚高压和西风槽等天气系统的位置和强度有关；大气的斜压性是造成江淮切变线随高度北倾的原因之一；江淮切变线附近低层为上升运动，对流不稳定层结，易出现辐合产生暴雨；暴雨产生后，出现凝结潜热释放，这种非绝热效应对江淮切变线维持和发展起着重要的反馈作用，使得江淮切变线维持可以达到60小时之长。. 该项目研究成果更新了教科书《天气学原理和方法》中的关于“江淮切变线和暴雨定量关系”的表述，深化了对江淮切变线三维动力和热力结构特征及其对暴雨影响机制的理论认识，完善了暴雨对江淮切变线的反馈过程及其机制，有利于提高江淮切变线暴雨天气的预报水平。