侯建忠,劉瑞芳,王文強(qiáng),杜繼穩(wěn)
(1.陜西省氣象臺(tái),陜西西安 710015;2.陜西省氣象局,陜西西安 710015)
突發(fā)性暴雨預(yù)報(bào)是氣象工作者廣泛研究的課題之一[1-2]。研究表明,位于青藏高原東北側(cè)的陜西突發(fā)性暴雨既有局地性的,也有區(qū)域性的。就暴雨過(guò)程而言,陜西出現(xiàn)的暴雨無(wú)論是范圍,還是強(qiáng)度,幾乎為西北地區(qū)之冠[3]。鑒于突發(fā)性暴雨前期征兆不明顯,往往難以準(zhǔn)確地預(yù)報(bào),加之該地區(qū)復(fù)雜的地形和脆弱的生態(tài)環(huán)境,極易給當(dāng)?shù)氐膰?guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。如2002年6月8-9日,發(fā)生在陜西秦嶺山區(qū)和秦嶺北麓的突發(fā)性特大暴雨,致使我國(guó)交通大動(dòng)脈隴海線的灞河鐵路大橋完全被洪水沖毀,暴雨中心的陜南佛坪死亡和失蹤數(shù)百人,全省直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)25億元人民幣。因此,分析研究和總結(jié)高原東北側(cè)突發(fā)性暴雨天氣的規(guī)律顯得十分重要。
選取1970-2007年38年間陜西所出現(xiàn)的暴雨個(gè)例,當(dāng)滿足:①中心強(qiáng)度6 h降雨量≥30 mm,且12 h降雨量≥50 mm;②降暴雨站數(shù)≥3站,且連片;③暴雨發(fā)生前12 h高原東側(cè)(95°~110°E;27.5°~42.5°N)無(wú)明顯低值系統(tǒng)時(shí),則定義為一次突發(fā)性暴雨過(guò)程,否則稱之為一般性暴雨。通過(guò)普查歷史天氣圖和降水量,符合突發(fā)性暴雨條件的共有46例,年均1.2次。從暴雨在一年當(dāng)中降落的時(shí)間上看,最早是1987年5月31日,最遲為1999年10月1日;其中5月份1次,6月份8次,7月份17次,8月份16次,9月份3次,10月份1次。就突發(fā)性暴雨的落區(qū)而言,陜南出現(xiàn)26次,關(guān)中19次,陜北14次;這與陜西出現(xiàn)的一般性暴雨落區(qū)分布基本相同,即南部多北部少,與大暴雨的落區(qū)分布差異不明顯的特征有一定差別[4]。
比較突發(fā)性暴雨和一般性暴雨的雨量隨時(shí)間變化發(fā)現(xiàn),兩者差異明顯[5],主要表現(xiàn)在降水歷時(shí)和降水強(qiáng)度上。突發(fā)性暴雨可歸為3類:①單鋒陡型,主要是降水歷時(shí)短,約6 h,雨強(qiáng)最大達(dá)25 mm/h以上;②單鋒緩型,降水歷時(shí)較長(zhǎng),約16 h,雨強(qiáng)最大約12 mm/h;③雙峰型,約12 h,雨強(qiáng)最大達(dá)27 mm/h以上。而一般性暴雨的雨強(qiáng)最大均未超過(guò)10 mm/h。
對(duì)46次突發(fā)性暴雨的日變化統(tǒng)計(jì)顯示,其降雨過(guò)程的日降水特征是,夜間為33次,白天為13次;后半夜為29次,上午為8次(依據(jù)中國(guó)氣象局劃定,夜間指20-08時(shí)(北京時(shí),下同),白天指08-20時(shí);上半夜指20-02時(shí),后半夜指02-08時(shí);上午08-14時(shí),下午14-20時(shí))。后半夜和上午共34次占75%,下午和上半夜只有25%。可見(jiàn)突發(fā)性暴雨過(guò)程的日降水特征與以往的特大暴雨夜間多發(fā)性的結(jié)論是一致的[6]。
分析突發(fā)性暴雨前期和發(fā)生時(shí)的氣象要素特征發(fā)現(xiàn),首先是突發(fā)性暴雨前期,陜西大部均出現(xiàn)或維持較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)性高溫天氣,這為此類暴雨形成過(guò)程積聚了大量的能量,使暴雨發(fā)生時(shí)具備充分的能量?jī)?chǔ)備。其次往往有一個(gè)突然增濕的過(guò)程,相對(duì)濕度出現(xiàn)一個(gè)明顯的遞增。高溫、高濕的存在就是突發(fā)性暴雨強(qiáng)于一般暴雨的一個(gè)主要原因。
由于7、8兩個(gè)月是突發(fā)性暴雨的高峰期,約占其總次數(shù)的72%,將其作為重點(diǎn)進(jìn)行分析。分析時(shí)考慮到秦嶺高度(秦嶺山脈平均海拔約為2 500 m)的影響,主要重點(diǎn)分析500 hPa、300 hPa及700 hPa的環(huán)流特征,而850 hPa受地形影響較大不予分析。
對(duì)發(fā)生暴雨前12 h 500 hPa的環(huán)流演變特征及暴雨降水特點(diǎn)進(jìn)行分析,認(rèn)為突發(fā)性暴雨高空環(huán)境場(chǎng)可概括為:低槽副高型(東高西低),高原東側(cè)受副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱為副高)邊緣西南氣流(v≥10 m/s)控制,影響系統(tǒng)距暴雨區(qū)較遠(yuǎn),但移速快,暴雨落區(qū)多在關(guān)中、陜南。副高控制型,副熱帶高壓強(qiáng)盛,降雨區(qū)受副熱帶高壓控制,受北部的冷鋒南壓東移影響導(dǎo)致降水,暴雨落區(qū)常在陜北。西北氣流型(貝湖冷槽),降雨區(qū)受西北氣流控制,貝加爾湖底部的冷空氣在較強(qiáng)的西北氣流引導(dǎo)下直接影響造成降水,這類暴雨更具有較強(qiáng)的突發(fā)性和局地性,暴雨落區(qū)的隨機(jī)性也較大。在38年間7、8兩個(gè)月所出現(xiàn)的突發(fā)性暴雨個(gè)例中,低槽副高型占16次、副高控制型為14次,屬西北氣流型的僅有3次。
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),大多數(shù)的突發(fā)性暴雨過(guò)程表現(xiàn)在500 hPa環(huán)流圖上,陜西的關(guān)中、陜南為副高所控制。足見(jiàn)發(fā)生在陜西的突發(fā)性暴雨與副高的關(guān)系是十分密切的。雖然其前期征兆不太明顯,暴雨發(fā)生前12 h的關(guān)鍵區(qū)無(wú)明顯低值系統(tǒng),但在較高層的300 hPa幾乎所有的突發(fā)性暴雨均為高壓環(huán)流區(qū)(即反氣旋環(huán)流)(圖1)。這就充分說(shuō)明高層的高壓環(huán)流是陜西突發(fā)性暴雨發(fā)生的必要條件。值得一提的是對(duì)流層中低層的700 hPa圖上均為一個(gè)東高西低的特征,即在河套地區(qū)南端的西安、漢中一帶為低值區(qū)域(低壓區(qū))或有切變存在,位于黃河中下游及陜西東部的河南、山西和湖北西北部為高值區(qū)域(高壓區(qū))(圖2)。再對(duì)突發(fā)性暴雨前一日08時(shí)和當(dāng)日08時(shí)的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),降水范圍較大的區(qū)域性突發(fā)性暴雨,其特征比較統(tǒng)一,即西安、漢中、安康均為一致的偏南氣流或偏西南氣流,且突發(fā)性暴雨當(dāng)日08時(shí)700 hPa風(fēng)場(chǎng)中的風(fēng)速較前一時(shí)次明顯加強(qiáng),有時(shí)在風(fēng)向相同時(shí),風(fēng)速甚至可以增加一倍之多。
圖1 2007-07-04 08時(shí)300 hPa風(fēng)矢量圖
圖2 2007-07-04 08時(shí)700 hPa環(huán)流圖
眾所周知,衛(wèi)星云圖能夠直接反映出突發(fā)性暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展及演變。對(duì)突發(fā)性暴雨過(guò)程中逐時(shí)次的G MS或FY-2衛(wèi)星云圖分析顯示,當(dāng)青藏高原東北側(cè)的陜西出現(xiàn)突發(fā)性暴雨時(shí),云圖上常常都有中β尺度對(duì)流系統(tǒng)(MβCSS)的中尺度云團(tuán)相伴,只是中尺度云團(tuán)尺度大小有所差異。范圍小的突發(fā)性暴雨對(duì)應(yīng)的中尺度云團(tuán)一般為單個(gè)中尺度β云團(tuán),水平尺度在幾十到100 km左右,其生命史約在3~6 h;范圍較大的突發(fā)性暴雨對(duì)應(yīng)的中尺度云團(tuán)多為200 km以上的中尺度云團(tuán)或幾個(gè)中尺度β云團(tuán)交替出現(xiàn)[7],有時(shí)是中尺度復(fù)合體(MCC)(圖3),其對(duì)流云團(tuán)的生命史長(zhǎng)達(dá)6~10 h[8]。
就中尺度云團(tuán)的位置而言,多數(shù)突發(fā)性暴雨的中尺度云團(tuán)發(fā)生、生成于冷鋒云系的前部,云團(tuán)多與冷鋒相伴而行。對(duì)比顯示,中β尺度對(duì)流系統(tǒng)(MβCSs)是造成局地大暴雨或特大暴雨的直接天氣系統(tǒng)。它通常由幾個(gè)中小尺度對(duì)流單體合并而成,經(jīng)歷發(fā)展、成熟、消亡3個(gè)階段。成熟時(shí)的中尺度云團(tuán)的形狀多以東北-西南向?yàn)殚L(zhǎng)軸的橢圓狀,云頂亮溫一般低于-50℃,突發(fā)性暴雨的雨強(qiáng)隨著中尺度云團(tuán)的發(fā)展而加強(qiáng),最大、最強(qiáng)的降水出現(xiàn)在MβCSs成熟期,云團(tuán)的減弱消散,降水也隨之減弱停止。表明降水的增強(qiáng)與中尺度發(fā)展是同步的。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的中尺度云團(tuán)生成在前半夜,發(fā)展、加強(qiáng)、成熟于后半夜,成熟的鼎盛期多在凌晨03時(shí)至清晨07時(shí)左右(圖4),最強(qiáng)的降水出現(xiàn)在中尺度云團(tuán)的成熟期。這與前面雨量的統(tǒng)計(jì)分析突發(fā)性暴雨多出現(xiàn)在夜間的結(jié)論相一致,這也從另一個(gè)方面解釋了青藏高原東側(cè)的突發(fā)性暴雨多發(fā)生在夜間的原因,即是受其中尺度云團(tuán)生成、發(fā)展和成熟的時(shí)間所致。
圖4 2002-06-09 03時(shí)FY-2紅外云圖
分析還發(fā)現(xiàn),大多數(shù)大范圍的突發(fā)性大暴雨出現(xiàn)時(shí),在我國(guó)臺(tái)灣附近有一個(gè)臺(tái)風(fēng)(熱帶氣旋)存在[7-8],冷鋒云系與臺(tái)風(fēng)之間的晴空區(qū)明顯,顯示副高十分強(qiáng)盛,足見(jiàn)臺(tái)風(fēng)活動(dòng)對(duì)突發(fā)性暴雨影響是不可忽視的[8-9],這類臺(tái)風(fēng)的活動(dòng)特征可為青藏高原東北側(cè)的突發(fā)性暴雨預(yù)報(bào)提供一定的背景預(yù)報(bào)。
一般而言中尺度系統(tǒng)并非是孤立的,利用中尺度帶通濾波方法,選擇13個(gè)較典型的突發(fā)性暴雨過(guò)程分析發(fā)現(xiàn):突發(fā)性暴雨區(qū)對(duì)應(yīng)在高空中下層均伴有中尺度流場(chǎng)輻合系統(tǒng)。中尺度流場(chǎng)輻合系統(tǒng)表現(xiàn)為兩種類型:即渦旋型和輻合線型(圖5),高層通常為輻合線型,低層二者均有。中尺度流場(chǎng)輻合系統(tǒng)主要表現(xiàn)在對(duì)流層中下層,垂直尺度較小,即在500 hPa層以下,高層水平尺度相對(duì)較大,低層水平尺度相對(duì)較小,中尺度系統(tǒng)隨高度呈傾斜狀,且多向西傾斜。說(shuō)明對(duì)突發(fā)性暴雨預(yù)報(bào)來(lái)講,關(guān)注中低層小范圍流場(chǎng)是非常重要的。
圖5 2002-06-08 20時(shí)700 hPa的濾波流場(chǎng)
對(duì)7、8月所出現(xiàn)的突發(fā)性暴雨過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力場(chǎng)及水氣輸送等方面的物理量分析。
風(fēng)矢量圖上,通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),大多數(shù)突發(fā)性暴雨過(guò)程無(wú)論在暴雨發(fā)生時(shí)的前一時(shí)次還是當(dāng)日08時(shí)300 hPa風(fēng)矢量圖上,北緯33°~38°,均有一個(gè)自南向北遞增,且為沿緯向的12~20 m·s-1強(qiáng)風(fēng)速帶(見(jiàn)圖1)。在強(qiáng)等風(fēng)速帶以南的廣大地區(qū)多數(shù)為小風(fēng)速區(qū)域,有時(shí)接近無(wú)風(fēng)速區(qū)域。要強(qiáng)調(diào)的是當(dāng)上述強(qiáng)等風(fēng)速帶位置偏南,突發(fā)性暴雨落區(qū)就偏南。反之,強(qiáng)等風(fēng)速帶位置偏北,暴雨落區(qū)相應(yīng)北移。而強(qiáng)等風(fēng)速帶所擺動(dòng)的范圍正好與陜西南北跨度及暴雨落區(qū)相吻合。這說(shuō)明較高層300 hPa的強(qiáng)等風(fēng)速帶,在陜西突發(fā)性暴雨過(guò)程發(fā)生前期起著重要的引導(dǎo)性作用,這與我們?cè)谌粘5奶鞖忸A(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中發(fā)現(xiàn)的300 hPa急流超前暴雨出現(xiàn)的結(jié)論是一致的。也有研究顯示300 hPa急流和高空散度及渦度中心對(duì)應(yīng)很好,這支急流的存在和維持,能使突發(fā)性暴雨區(qū)高層存在和維持強(qiáng)烈輻散。表明在陜西突發(fā)性暴雨過(guò)程產(chǎn)生時(shí)該強(qiáng)等風(fēng)速帶是為突發(fā)性暴雨提供高層抽吸作用,增加了暴雨的對(duì)流強(qiáng)度,促使垂直環(huán)流的發(fā)展,使暴雨得益于加強(qiáng)與維持[10]。同樣,在中低層的700 hPa風(fēng)矢量圖上,多數(shù)突發(fā)性暴雨過(guò)程時(shí)在我國(guó)南海的111°E附近,即湛江以西存在一支強(qiáng)的偏南氣流(圖6),并一直伸到陜西境內(nèi)(范圍為32°~38°N),另外較少一類是從我國(guó)南海的廣州到湛江之間有一支東南氣流與孟加拉灣穿過(guò)橫斷山脈的偏西氣流在金佛山附近相合并,匯合后同樣直伸陜西境內(nèi)(圖7)。這支偏南急流北伸位置與陜西突發(fā)性暴雨落區(qū)相關(guān)特別好,即急流北伸的位置偏北,突發(fā)性暴雨落區(qū)偏北,否則相反。由此可見(jiàn),位于700 hPa的偏南急流或東南氣流是突發(fā)性暴雨低層水汽和能量及動(dòng)力輻合的關(guān)鍵因子,它導(dǎo)致不穩(wěn)定性增強(qiáng)和不穩(wěn)定能量積蓄和釋放,是突發(fā)性暴雨的觸發(fā)機(jī)制,這一點(diǎn)再次說(shuō)明突發(fā)性暴雨預(yù)報(bào)中分析關(guān)注中低層小范圍流場(chǎng)是非常重要的。
圖6 1987-08-25 08時(shí)700 hPa風(fēng)矢量圖
圖7 1982-08-30 20時(shí)700 hPa風(fēng)矢量圖
分析水汽通量發(fā)現(xiàn):發(fā)生在青藏高原北側(cè)的突發(fā)性暴雨,其水汽來(lái)源主要集中在對(duì)流層的700 hPa和850 hPa之間,水汽的主要來(lái)源地有兩個(gè),一個(gè)是孟加拉灣附近,另一個(gè)則是位于我國(guó)南海附近。為了將進(jìn)入陜西境內(nèi)的水汽通量具體地?cái)?shù)量化,選取陜西南端A-B兩點(diǎn)(即沿33°N,過(guò)106°…112°E)作一條直線,將過(guò)A-B之間共分為7個(gè)點(diǎn),并將7個(gè)點(diǎn)上各層的數(shù)據(jù)之和視為進(jìn)入陜西的水汽通量。計(jì)算出在7、8兩個(gè)月前兩類突發(fā)性暴雨的水汽通量的矢量和;然后作其算術(shù)平均值。通過(guò)分層數(shù)值計(jì)算(表1),特征如下:無(wú)論是突發(fā)性暴雨前一日08時(shí)次還是當(dāng)日08時(shí)次,均是700 hPa為最強(qiáng)水汽通量層(既水氣輸送層),850 hPa次之,500 hPa最小。若按3層之比例分配水汽輸送的話,500 hPa、700 hPa、850 hPa分別為2∶5∶3。充分說(shuō)明突發(fā)性暴雨的水汽輸送主要集中在對(duì)流層中下層的700 hPa以下。因此700 hPa既是陜西突發(fā)性暴雨的所需水汽輸送的主要貢獻(xiàn)者又是其低層動(dòng)力輻合條件提供者。這與前面分析中發(fā)現(xiàn)突發(fā)性暴雨700 hPa均存在著一支較強(qiáng)偏南(或偏東南)氣流的事實(shí)是相符合的。有趣的是這支偏西南氣流的高度與秦嶺山脈的平均海拔高度較為接近。也說(shuō)明陜西突發(fā)性暴雨中層流場(chǎng)有其特殊的地方性,這一點(diǎn)還須在以后的研究中進(jìn)一步探討。
表1 進(jìn)入陜西南界1~7各格點(diǎn)的水汽通量g·cm-1·hPa-1·s-1
在突發(fā)性暴雨的散度場(chǎng)及垂直速度分布圖上,多數(shù)突發(fā)性暴雨過(guò)程中,其暴雨發(fā)生當(dāng)日08時(shí),暴雨落區(qū)上空的300 hPa層以上,幾乎均為一個(gè)正散度區(qū),其散度強(qiáng)度一般為20~35μs-1,中心最大強(qiáng)度約為45μs-1。散度場(chǎng)的垂直分布為最大輻合、輻散層分別在500 hPa和300 hPa附近,無(wú)輻散層較高,大約在400 hPa附近。而在500 hPa層以下則為負(fù)的散度區(qū),其最大負(fù)的散度層位于對(duì)流層中層的700 hPa以下,一般散度值為負(fù)的20~40μs-1。在垂直上升運(yùn)動(dòng)方面,多數(shù)突發(fā)性暴雨過(guò)程上升運(yùn)動(dòng)最大值位于700~400 hPa層之間[11],有時(shí)甚至可直達(dá)300 hPa層。最大的上升運(yùn)動(dòng)值為-8×10-5hPa·s-1。若結(jié)合暴雨落區(qū)對(duì)比發(fā)現(xiàn),當(dāng)突發(fā)性暴雨出現(xiàn)在陜南時(shí),最大垂直上升運(yùn)動(dòng)位置大約在600~400 hPa層附近;當(dāng)出現(xiàn)在秦嶺以北的關(guān)中、陜北時(shí),最大垂直上升運(yùn)動(dòng)最大值的高度位置要偏高一些,一般位于對(duì)流層較高的500~300 hPa層附近(圖略)。在散度場(chǎng)分布上也有與垂直速度同樣的特征分布[12],所不同的是當(dāng)突發(fā)性暴雨出現(xiàn)在陜西的偏北地區(qū)時(shí)無(wú)輻散層一般較深厚,即無(wú)輻散層有向高層擴(kuò)展趨勢(shì),而突發(fā)性暴雨出現(xiàn)的地區(qū)偏南時(shí)情況相反。
以上可知,多數(shù)的突發(fā)性暴雨過(guò)程中,整層為上升運(yùn)動(dòng),最大上升運(yùn)動(dòng)層與無(wú)輻散層相對(duì)應(yīng)。關(guān)中、陜北的突發(fā)性暴雨在垂直上升運(yùn)動(dòng)方面要比陜南的突發(fā)性暴雨大且強(qiáng)烈,對(duì)流層中高層的輻散強(qiáng)度也明顯的多。就突發(fā)性暴雨出現(xiàn)的范圍來(lái)講,陜西北部的突發(fā)性暴雨往往沒(méi)陜西南部的突發(fā)性暴雨在水平尺度上大,這可能與前面所提到對(duì)流層中低層較強(qiáng)的偏南氣流翻越秦嶺山脈有關(guān),其陜北的水汽輸送條件不如陜南的緣故。這也可以從另一個(gè)角度解釋陜南為何多出現(xiàn)區(qū)域性突發(fā)性暴雨,而陜北多為局地大暴雨的緣故[13]。
綜上所述,青藏高原東北側(cè)的陜西夏季所發(fā)生的突發(fā)性暴雨其特征如下:
(1)突發(fā)性暴雨7、8月居多,夜間降水特點(diǎn)比較明顯。
(2)對(duì)流層中低層,700 hPa存在一支較強(qiáng)的偏南氣流,該偏南氣流北伸的位置與突發(fā)性暴雨的落區(qū)相關(guān),濾波顯示對(duì)流層中低層均伴有中尺度流場(chǎng)輻合系統(tǒng)。700 hPa是陜西突發(fā)性暴雨水汽輸送貢獻(xiàn)最大者也是低層輻合的主要?jiǎng)恿?lái)源。
(3)對(duì)流中高層,300 hPa存在一致的緯向12~20 ms-1強(qiáng)風(fēng)速帶為暴雨對(duì)流輻合提供高層抽吸作用,另外300 hPa的強(qiáng)等風(fēng)速帶對(duì)突發(fā)性暴雨落區(qū)有一定預(yù)報(bào)指示意義。
(4)突發(fā)性暴雨的水汽主要來(lái)自于我國(guó)南海附近的偏東南急流和越過(guò)橫斷山脈的源于孟加拉灣的偏西南急流來(lái)實(shí)現(xiàn)。
(5)產(chǎn)生突發(fā)性暴雨的中尺度云團(tuán)多數(shù)生成于前半夜,發(fā)展、加強(qiáng)、成熟在后半夜。影響云團(tuán)一般發(fā)生、生成在冷鋒云系的前部,其云團(tuán)多是與冷鋒相伴而行。這可能是突發(fā)性暴雨夜間降水較明顯的一個(gè)主要原因。
(6)多數(shù)的突發(fā)性暴雨過(guò)程中,整層為上升運(yùn)動(dòng),最大上升運(yùn)動(dòng)層與無(wú)輻散層相對(duì)應(yīng)。上升運(yùn)動(dòng)最大值的高度層與突發(fā)性暴雨落區(qū)出現(xiàn)的區(qū)域有關(guān);關(guān)中、陜北出現(xiàn)暴雨,垂直上升運(yùn)動(dòng)最大值偏高,出現(xiàn)在陜南的暴雨垂直上升運(yùn)動(dòng)最大值偏低,這可能與偏南氣流翻越秦嶺山脈有關(guān)。
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