1981—2000年四川夏季暴雨大尺度環(huán)流背景特征

陳棟,顧雷,蔣興文

(1.中國氣象局成都高原氣象研究所,四川成都 610072; 2.中國科學(xué)院大氣物理研究所季風(fēng)系統(tǒng)研究中心,北京 100080)

1981—2000年四川夏季暴雨大尺度環(huán)流背景特征

陳棟1,顧雷2,蔣興文1

(1.中國氣象局成都高原氣象研究所,四川成都 610072; 2.中國科學(xué)院大氣物理研究所季風(fēng)系統(tǒng)研究中心,北京 100080)

利用四川盆地及周邊地區(qū)1981—2000年逐日降雨量資料和ECMWF逐日4次再分析資料,合成分析近20 a發(fā)生在四川夏季的22次典型暴雨過程的大尺度環(huán)流背景特征。結(jié)果表明,四川夏季暴雨的發(fā)生具有顯著的軸向分布性和區(qū)域移動(dòng)性特征。西伸的西太平洋副熱帶高壓、北上東進(jìn)的伊朗高壓及高原東部的弱高壓、活躍的孟加拉低壓和影響四川北部的中高緯長波分裂的低壓槽共同作用形成了四川暴雨發(fā)生階段的特殊的“鞍”型大尺度環(huán)流背景。在“鞍”型大尺度環(huán)流背景下,有利于西南支孟加拉灣水汽和南海水汽輸送在四川盆地形成低層輻合,同時(shí)在高層形成西南—東北的軸向急流輻合帶,水汽輸送散度負(fù)的大值區(qū)即為暴雨發(fā)生的主要落區(qū)。此外,四川北部在兩高壓相夾下,有利于高緯度大尺度的兩高一脊環(huán)流調(diào)整產(chǎn)生的弱槽攜帶冷空氣影響四川盆地,形成高層弱冷干與低層強(qiáng)暖濕的強(qiáng)垂直對流不穩(wěn)定。對比40 a四川夏季平均環(huán)流可知,導(dǎo)致四川夏季暴雨發(fā)生的“鞍”型大尺度環(huán)流背景特征極為顯著,具體表現(xiàn)為:西太平洋副熱帶高壓西伸到110°E附近,青藏高原西側(cè)伊朗高壓偏北、青藏高原高層南壓高壓偏東,而高原低層有弱高壓,四川北部冷槽顯著偏南。

暴雨;大尺度環(huán)流;合成分析;“鞍”型背景

Abstract:Based on the observed daily precipitation data and ECMWF reanalysis data from 1981 to 2000, the characteristics of large-scale circulation background of twenty-two typical processes of summer heavy rainfall in Sichuan are analyzed by the composite method.Results show that there are obvious characteristics of axial distribution and regionalmoving for summer heavy rainfall in Sichuan.The special large scale background of saddle pattern in the stage of heavy rainfall of Sichuan is formed by the combined action of the western Pacific subtropical high shifting westward,the Iran high center strengthening and moving northeastward,the active low pressure of the Bay ofBengal,and low pressure troughs in the northern part of Sichuan separated from the eastward propagation and adjustment of atmospheric long waves at middle and high latitudes.Under the background of saddle pattern,it is favorable for the for mation of the low level convergence ofwater vapor transportation from theBay ofBengal and South China Sea and the upper levelconvergence belt from southwest to northeast over Sichuan.The main areas of heavy rainfall are corresponding to the negative center ofwater vapor transportation divergence.Moreover,the strong instability of vertical convection(weak cold dry air in the upper layer,and strongwar m moist air in the low layer)was caused over northern Sichuan Basin between the two high pressure systems,which is favorable for cold air activity by the low pressure troughs separated from the east ward propagation and adjustment of at mospheric longwaves atmiddle and high latitudes.Contrast to summer average circulation from 1961 to 2000 in Sichuan,it is very remarkable for the special large scale background of the saddle pattern leading to the summer heavy rainfall in Sichuan,namely the western Pacific subtropical high shifting westward near to 110°E,the Iran high center being northward,the South Asia high being eastward,the weak high pressure system occurring at low level over the Tibet Plateau,and the low pressure troughs being southward over the northern Sichuan.

Key words:heavy rainfall;large-scale circulation;composite analysis;saddle pattern background

0 引言

暴雨天氣的發(fā)生發(fā)展是大尺度與中小尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果,因此在大尺度背景下的中小尺度天氣系統(tǒng)的活動(dòng)直接導(dǎo)致了暴雨的發(fā)生[1]。暴雨是一種中尺度現(xiàn)象,但它的發(fā)生與大尺度風(fēng)場、濕度場和氣層的穩(wěn)定度有關(guān)[2]。暴雨是在有利的大尺度環(huán)流條件下產(chǎn)生的,這是大尺度系統(tǒng)對暴雨的制約作用,暴雨出現(xiàn)后反過來又影響大尺度氣象要素的分布[3]。中尺度對流系統(tǒng)是在某種特定的大尺度環(huán)境中產(chǎn)生的,這種大尺度環(huán)境可能在中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生前就已經(jīng)存在[4]。在過去的70 a里,關(guān)于長江流域夏季降水的氣候特征、環(huán)流形勢以及中尺度結(jié)構(gòu)方面已有許多研究成果[5-11]。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,夏季西太平洋副高的3個(gè)參數(shù)(面積、強(qiáng)度和脊線緯度)與長江流域夏季降水存在很高的相關(guān)[12-14]。此外,中國夏季的降水與副熱帶高壓、中高緯環(huán)流的變化密切相關(guān)[15-16],在夏季風(fēng)環(huán)流背景下,在青藏高原的影響下,在副熱帶高壓的西側(cè)和北側(cè)季風(fēng)暴雨具有頻發(fā)性[17]。

四川盆地位于長江中上游地區(qū),也是中國暴雨的多發(fā)地區(qū)之一,其復(fù)雜的地形地貌,和處于青藏高原東側(cè)的特殊地理位置都導(dǎo)致了四川盆地夏季復(fù)雜的暴雨天氣系統(tǒng)。就四川盆地的大尺度環(huán)流影響系統(tǒng)而言,Tao和Chen等[18]給出的東亞夏季風(fēng)環(huán)流形勢圖與張慶云和陶詩言[14]在前者基礎(chǔ)上給出的夏季東亞季風(fēng)和印度洋季風(fēng)環(huán)流特征圖反映了影響四川盆地降水的幾個(gè)重要的大尺度環(huán)流系統(tǒng)。目前,對長江中下游地區(qū)的梅雨鋒的大尺度影響系統(tǒng)研究比較深入,相比之下,對于長江中上游,尤其發(fā)生在青藏高原東側(cè)四川盆地的夏季暴雨過程的大尺度環(huán)流背景特征的研究涉足較少。因此,通過對四川盆地及周邊地區(qū)1981—2000年逐日降雨量資料的普查,篩選分析近20 a發(fā)生在四川的夏季典型暴雨過程,同時(shí),利用ECMWF1981—2000年逐日4次再分析資料合成分析四川夏季(6—8月)暴雨天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的大尺度環(huán)流背景對四川暴雨發(fā)生機(jī)理研究具有重要意義。

1 近20 a四川典型大暴雨過程

四川夏季暴雨具有顯著的區(qū)域性特點(diǎn),其發(fā)生機(jī)理在中小尺度方面取得了很多進(jìn)展,研究中發(fā)現(xiàn)其發(fā)生的大尺度環(huán)流背景場也具有顯著特征。因此,通過對四川盆地及周邊地區(qū)1981—2000年逐日降雨量資料的普查,以日降水量大于100 mm、降水面積大于5 000 km2為條件分析并篩選得出了近20 a發(fā)生在四川的夏季典型區(qū)域性暴雨過程22次(表1),以此對四川夏季暴雨發(fā)生的大尺度環(huán)流背景進(jìn)行合成分析。

四川夏季暴雨的發(fā)生具有顯著的軸向分布性和區(qū)域移動(dòng)性特征。為了直觀描述,對22次暴雨過程降水計(jì)算平均(圖1),近20 a四川夏季典型暴雨中心顯著分布在3個(gè)區(qū)域:川西南的雅安、眉山和樂山;川北的綿陽、廣元和南充;川東北的達(dá)州。此外,四川夏季典型暴雨分布以川西南到川東北形成軸向分布,大暴雨發(fā)生區(qū)域占四川面積1/3以上,暴雨發(fā)生區(qū)域占四川面積1/2以上。同時(shí),表1中四川夏季暴雨主要分布區(qū)域給出了暴雨過程發(fā)生的主要降水區(qū)域及移動(dòng)趨勢,四川暴雨存在川北平移型,川西南—川北軸向移動(dòng)型,川東—川北移動(dòng)型三種基本移動(dòng)趨勢。軸向分布性和區(qū)域移動(dòng)性特征反應(yīng)了四川暴雨的特殊性,而特有的大尺度環(huán)流背景是決定四川夏季暴雨具有此顯著特征的關(guān)鍵因素。

表1 1981—2000年22次夏季暴雨過程的分布區(qū)域和移動(dòng)類型Table1 D istribution areas and m oving types of22processes of summ er heavy rainfall in Sichuan from1981to2000

2 四川暴雨的顯著“鞍”型大尺度環(huán)流背景

青藏高原東側(cè)地區(qū)是受到最多大尺度系統(tǒng)影響的典型地理區(qū)域,夏季東亞季風(fēng)的變化、西太平洋副熱帶高壓和東部沿海臺風(fēng)的阻塞作用、位于高原東側(cè)的南支西風(fēng)的繞流和孟加拉灣的水汽輸送、中高緯長波調(diào)整中的分裂槽、青藏高原夏季高空熱高壓以及南亞高壓,諸多系統(tǒng)共同作用建立了四川夏季暴雨發(fā)生的獨(dú)特的復(fù)雜的大尺度環(huán)流背景。

四川夏季暴雨的產(chǎn)生與西南低渦以及高原低值系統(tǒng)移動(dòng)等中小尺度系統(tǒng)有直接關(guān)系,通過對2000年后發(fā)生在四川的典型暴雨過程利用觀測資料分析診斷后發(fā)現(xiàn)在四川暴雨發(fā)生階段存在顯著的“鞍”型大尺度環(huán)流形勢:四川盆地北部受中高緯長波調(diào)整分裂低壓槽影響,四川盆地西南孟加拉灣季風(fēng)槽比較活躍,南海季風(fēng)輸送受西風(fēng)輸送作用在四川盆地東南形成弱橫槽,以及西太平洋副高西伸到四川東部與青藏高原中部高壓的共同作用,且在此形勢下極利于對流不穩(wěn)定的發(fā)展[19]。因而,為了證實(shí)“鞍”型大尺度環(huán)流形勢在四川夏季暴雨中的普遍性和顯著性,對1981—2000年夏季(6—8月)四川22次典型暴雨過程的高度場、風(fēng)場、水汽輸送以及溫度場進(jìn)行合成分析。

2.1 “鞍”型大尺度環(huán)流背景的建立

四川夏季(6—8月)暴雨過程的500hPa位勢高度和風(fēng)矢量的合成場(圖2)濾除了不穩(wěn)定場的影響,在大尺度環(huán)流形式上表現(xiàn)為:在東亞夏季風(fēng)作用下,西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng),其5 870gpm高壓舌西伸至四川盆地東側(cè);伊朗高壓加強(qiáng)東進(jìn)北移,青藏高原西側(cè)為高壓控制區(qū),同時(shí)青藏高原東部有弱高壓脊存在;在兩大高壓之間,孟加拉灣低壓活躍,且東移北上到青藏高原南側(cè);在中高緯的兩槽一脊調(diào)整下,四川盆地北部有顯著的弱槽影響。上述分析表明,西太平洋副熱帶高壓西伸、伊朗高壓北上東移且高原東部的弱高壓和活躍的北移孟加拉低壓、影響四川北部的中高緯長波分裂的低壓槽共同作用形成了四川暴雨發(fā)生階段的顯著的“鞍”型大尺度環(huán)流形勢。

圖1 四川夏季暴雨平均過程雨量分布(淺色和深色陰影分別為平均過程雨量大于50mm、100mm的區(qū)域;單位:mm)Fig.1 D istribution of average process precipitation of summ er heavy rainfall in Sichuan(The light and dark shaded areas represent the precipitation greater than50mm and100mm,respectively;units:mm)

圖2 合成的四川暴雨過程500hPa位勢高度場(單位:gpm)和風(fēng)矢量場(單位:m·s-1)(淺色和深色陰影分別為地形高度大于1 500m、3 000m的區(qū)域)Fig.2 Composite500hPa geopotential height(gpm)and w ind vector field(m·s-1)of heavy rainfall in Sichuan(The light and dark shaded areas represent the terrain height greater than1 500m and3 000m,respectively)

四川盆地位于青藏高原大地形的東側(cè),高原上層環(huán)流形勢復(fù)雜,分析合成的四川暴雨過程100hPa位勢高度場和風(fēng)矢量場(圖3)可知,在暴雨發(fā)生階段,高原上空南壓高壓強(qiáng)盛,西部型南壓高壓特征明顯,考慮到南壓高壓的準(zhǔn)雙周東西振蕩性,在影響中高緯度長波調(diào)整的槽脊轉(zhuǎn)換過程中,四川北部易產(chǎn)生弱低壓槽。同時(shí),對于降水的產(chǎn)生,南壓高壓與西太平洋副熱帶高壓存在顯著的配合作用。

圖3 合成的四川暴雨過程100hPa位勢高度場(單位:gpm)和風(fēng)矢量場(單位:m·s-1)(淺色和深色陰影分別為地形高度大于1 500m、3 000m的區(qū)域)Fig.3 Composite100hPa geopotential height(gpm)and w ind vector field(m·s-1)of heavy rainfall in Sichuan(The light and dark shaded areas represent the terrain height greater than1 500m and3 000m,respectively)

2.2 “鞍”型大尺度環(huán)流背景下的水汽輸送

暴雨產(chǎn)生重要條件之一是需要有利的水汽輸送。在“鞍”型大尺度環(huán)流形勢下,四川暴雨過程的水汽來源和輸送也具有重要特征。為此,進(jìn)一步分析合成的四川暴雨過程整層積分(1 000～100hPa)水汽輸送場和水汽輸送散度場(圖4)。四川暴雨發(fā)生的水汽輸送來源主要是孟加拉灣水汽輸送和南海水汽輸送。孟加拉灣氣旋性低壓活躍,在氣旋性流場作用下,孟加拉水汽輸送分為兩支:一支向北輸送;一支繼續(xù)向東輸送。向北輸送支在青藏高原大地形阻擋下,同時(shí),在“鞍”型大尺度環(huán)流形勢下,輸送進(jìn)入四川盆地。而向東輸送支在西太平洋副熱帶高壓作用下,與南海水汽合并沿西太平洋副熱帶高壓西部流入四川盆地東部。西太平洋副熱帶高壓的位置直接影響南海水汽向四川盆地的輸送區(qū)域。

四川暴雨發(fā)生的水汽輸送具有西南—東北的軸向性和輻合性。孟加拉灣水汽在青藏高原東側(cè)繞流進(jìn)入云貴高原和四川盆地西南部,而南海水汽輸送在西太平洋副熱帶高壓作用下隨流場輸入川南和川東,由此形成西南—東北向的水汽輸送帶。并且,在西太平洋副熱帶高壓西伸至110°E以西時(shí),四川盆地形成孟加拉灣繞流水汽和南海南支水汽輸送輻合急流,這是形成四川暴雨的一個(gè)重要因素。

在“鞍”型大尺度環(huán)流形勢下,根據(jù)圖4的水汽輸送散度分析,四川北部和東北部為負(fù)的大值閉合水汽輸送散度區(qū),是強(qiáng)水汽匯聚區(qū)。對比圖1,此區(qū)域與暴雨落區(qū)有高度的一致性,因而大尺度的水汽輸送場特征決定了四川暴雨的分布的區(qū)域性特征。

2.3 “鞍”型大尺度環(huán)流背景下的高、低層溫度場

圖4 合成的四川暴雨過程整層積分(1 000～100hPa)水汽輸送場(單位:kg·m-1·s-1)和水汽輸送散度(單位:10-4kg·m-2·s-1)(淺色和深色陰影分別為地形高度大于1 500m、3 000m的區(qū)域)Fig.4 Composite integrated(1 000—100hPa)water vapor transportation(kg·m-1·s-1)and its divergence (10-4kg·m-2·s-1)of heavy rainfall in Sichuan(The light and the dark shaded areas represent the terrain height greater than1 500m and3 000m,respectively)

暴雨產(chǎn)生的另外一個(gè)重要條件是有利的對流不穩(wěn)定條件。在“鞍”型大尺度環(huán)流形勢下,四川暴雨發(fā)生的高、低層溫度場的分布特征對對流不穩(wěn)定的發(fā)展有重要意義。圖5為合成的四川暴雨過程500 hPa以及70 0和8 50hPa平均溫度場。在暴雨過程中,四川盆地500hPa上(圖5a)四川北部有弱冷平流侵入,四川盆地東部暖平流發(fā)展旺盛,冷空氣向南影響到30oN附近;低層(圖5b)暖平流主要分布在川南和川東北部。從高低層的溫度場配置可知,四川暴雨發(fā)生階段低層暖濕空氣向高層強(qiáng)烈發(fā)展,而對于高層,存在弱冷平流,這種下層暖濕而上部弱冷干的配置有利于對流不穩(wěn)定的發(fā)展。

3 四川夏季暴雨過程與近40a平均的夏季大尺度環(huán)流背景的差異

圖5 合成的四川暴雨過程500hPa(a)以及700hPa和850hPa平均(b)的溫度場(單位:℃;淺色和深色陰影分別為地形高度大于1 500m、3 000m的區(qū)域)Fig.5 (a)Composite500hPa temperature field,and(b)composite700and850hPa average temperature field of heavy rainfall in Sichuan(units:℃;The light and dark shaded areas represent the terrain height greater than1 500m and3 000m,respectively)

圖6 合成的1961—2000年四川夏季500hPa位勢高度場(單位:gpm)和風(fēng)矢量場(單位:m·s-1)(淺色和深色陰影分別為地形高度大于1 500m、3 000m的區(qū)域)Fig.6 Composite summ er500hPa geopotential height(gpm)and w ind vector field(m·s-1)from1961to2000in Sichuan (The light and the dark shaded areas represent the terrain height greater than1 500m and3 000m,respectively)

顯著的“鞍”型大尺度環(huán)流背景是四川夏季暴雨發(fā)生的重要物理機(jī)制,對比分析四川夏季1961—2000年40a合成的500hPa位勢高度場和風(fēng)矢量場(圖6)可知,夏季的伊朗高壓偏西偏南、西太平洋副熱帶高壓偏東和中高緯平直西風(fēng)帶不利于四川盆地的“鞍”型大尺度環(huán)流形勢建立。隨著西太平洋副熱帶高壓東退后,仍然活躍的孟加拉灣低壓與之配合的流場只能作用在長江中下游及江淮地區(qū)。同時(shí),對比圖7可知,南壓高壓偏西以及高緯兩槽一脊形勢尚未建立都不利于四川夏季暴雨發(fā)生。同時(shí),隨著青藏高原弱高壓脊向北抬升,北支西風(fēng)與南支東亞季風(fēng)的急流輻合帶東移到長江中下游地區(qū)。

圖7 合成的1961—2000年四川夏季100hPa位勢高度場(單位:gpm)和風(fēng)矢量場(單位:m·s-1)(淺色和深色陰影分別為地形高度大于1 500m、3 000m的區(qū)域)Fig.7 Composite summ er100hPa geopotential height(gpm)and w ind vector field(m·s-1)from1961to2000in Sichuan(The light and the dark shaded areas represent the terrain height greater than1 500m and3 000m,respectively)

綜上分析,四川暴雨過程的“鞍”型大尺度環(huán)流背景與近40a平均的夏季大尺度環(huán)流背景的顯著差異表現(xiàn)在:西太平洋副熱帶高壓西伸到110°E附近;伊朗高壓在青藏高原西側(cè)顯著偏北偏東,南壓高壓強(qiáng)盛偏東且根據(jù)高壓中心位置表現(xiàn)為顯著西部型,高緯長波調(diào)整為兩槽一脊型,而高原東部500 hPa高度層有弱暖高壓;四川北部中高緯弱冷槽偏南。

4 結(jié)論

針對四川暴雨個(gè)例診斷中存在的“鞍”型大尺度環(huán)流背景而行此文,通過對四川1981—2000年夏季(6—8月)發(fā)生的22次典型區(qū)域性暴雨過程的合成分析,形成了對四川夏季暴雨發(fā)生的“鞍”型大尺度環(huán)流背景的構(gòu)成系統(tǒng)及特征、“鞍”型大尺度環(huán)流背景下四川暴雨產(chǎn)生的重要條件場的特征以及其與40a平均夏季大尺度環(huán)流背景差異的整體輪廓,結(jié)果如下:

(1)四川夏季暴雨的發(fā)生具有顯著的軸向分布性和區(qū)域移動(dòng)性特征。西南低層暖濕空氣輸送和四川北部中高緯高層干冷空氣侵入的共同作用導(dǎo)致了川西南的雅安、眉山和樂山,川北的綿陽、廣元和南充以及川東北的達(dá)州是暴雨甚至大暴雨的多發(fā)區(qū)。

(2)西太平洋副熱帶高壓西伸、伊朗高壓北移東進(jìn)且高原東部的弱熱高壓和活躍的孟加拉低壓、影響四川北部的中高緯長波分裂的低壓槽共同作用形成了四川夏季暴雨發(fā)生階段的特殊的“鞍”型大尺度環(huán)流形勢。

(3)夏季,在“鞍”型大尺度環(huán)流背景下,有利于西南支孟加拉灣水汽和南海水汽輸送在四川盆地形成低層輻合,同時(shí),在高層形成西南—東北的軸向急流輻合帶,水汽輸送的大值區(qū)即為暴雨發(fā)生的主要落區(qū)。除此以外,四川北部在兩高壓相夾下,致使高緯度大尺度的兩高一脊環(huán)流調(diào)整分裂的弱槽攜帶弱冷空氣影響四川盆地,形成高層弱冷干與低層強(qiáng)暖濕的對流不穩(wěn)定配置。

(4)對比40a四川夏季平均環(huán)流而言,導(dǎo)致四川暴雨發(fā)生的“鞍”型大尺度環(huán)流背景特征顯著,表現(xiàn)為:西太平洋副熱帶高壓位于110°E附近,青藏高原西側(cè)伊朗高壓偏北、青藏高原高層南壓高壓偏東,而高原東部低層500hPa高度層有弱暖高壓,高緯長波調(diào)整為兩槽一脊型,四川北部中高緯弱冷槽顯著偏南。

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(責(zé)任編輯:倪東鴻)

Characteristics of Large-scale Circulation Background of Summer Heavy Rai nfall in Sichuan duri ng 1981—2000

CHEN Dong1,GU Lei2,J IANG Xing-wen1
(1.Chengdu Institute of PlateauMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Chengdu 610072,China; 2.Center forMonsoon System Research,Institute ofAtmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080,China)

P466

A

1674-7097(2010)04-0443-08

陳棟,顧雷,蔣興文.1981—2000年四川夏季暴雨大尺度環(huán)流背景特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(4):443-450.

Chen Dong,Gu Lei,Jiang Xing-wen.Characteristics of large-scale circulation background of summer heavy rainfall in Sichuan during 1981—2000[J]. TransAtmos Sci,2010,33(4):443-450.

2009-12-02;改回日期:2010-03-18

中國氣象局成都高原氣候研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(BROP200709)

陳棟(1976—),男,新疆石河子人,碩士,工程師,研究方向?yàn)樘鞖鈿夂驅(qū)W,westwind2000@163.com.