一次西南渦引發(fā)MCC暴雨的衛(wèi)星云圖和多普勒雷達(dá)特征分析

馬紅,鄭翔飚,胡勇,曾廳余,鄭洪

(1.云南大學(xué)大氣科學(xué)系,云南昆明 650091;2.云南省昭通市氣象局,云南昭通 657000)

一次西南渦引發(fā)MCC暴雨的衛(wèi)星云圖和多普勒雷達(dá)特征分析

馬紅1,2,鄭翔飚2,胡勇2,曾廳余2,鄭洪2

(1.云南大學(xué)大氣科學(xué)系,云南昆明 650091;2.云南省昭通市氣象局,云南昭通 657000)

利用常規(guī)觀測資料、自動站資料、衛(wèi)星資料和多普勒雷達(dá)資料,對2008年6月30日至7月1日發(fā)生在滇東北和四川盆地南部一次暴雨天氣過程的分析發(fā)現(xiàn),850 hPa四川盆地南部西南渦引發(fā)的中尺度對流復(fù)合體(mesoscale convective complex,MCC)是暴雨的直接影響系統(tǒng),700 hPa青藏高原東南側(cè)西南渦引發(fā)的中尺度對流云團(tuán)并入MCC后導(dǎo)致MCC迅速加強(qiáng)并向西移動。MCC生成于對流層高層急流出口區(qū)左側(cè)強(qiáng)輻散區(qū)和低層強(qiáng)輻合區(qū)。雷達(dá)回波上“人”字形回波、平行短帶回波和逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)說明MCC內(nèi)部存在多個β中尺度對流系統(tǒng),直接造成多個暴雨中心。M CC成熟階段表現(xiàn)出中低層輻合和高層輻散的動力特征,其前沿中層以下有強(qiáng)氣流流入,以上則有強(qiáng)氣流流出。M CC消散階段從低層到高層都有強(qiáng)西南氣流進(jìn)入,相應(yīng)氣流輻合減弱,失去中尺度組織結(jié)構(gòu)。

西南渦;暴雨;M CC;雷達(dá)回波

0 引言

2008年6月30日20時至7月1日08時,云南東北部和四川盆地南部出現(xiàn)了大范圍特大暴雨天氣過程,有13個站12 h降雨量超過50 mm,4個站降雨量超過100 mm,其中鎮(zhèn)雄縣(169 mm)和威信縣(142 mm)均突破歷史極值。由于該次降水來勢迅猛,暴雨區(qū)范圍大,造成城市內(nèi)澇,道路交通中斷,并誘發(fā)多處山洪、滑坡和泥石流等災(zāi)害,造成人員傷亡和財產(chǎn)損失,直接經(jīng)濟(jì)損失上億元。利用常規(guī)觀測資料和衛(wèi)星資料分析發(fā)現(xiàn)造成這次暴雨過程的直接影響系統(tǒng)是西南渦引發(fā)的中尺度對流復(fù)合體(mesoscale convective complex,MCC)。對于西南渦和MCC暴雨的研究,我國氣象工作者已經(jīng)做了大量工作。顧清源等[1]的研究表明,特大暴雨過程中西南低渦內(nèi)存在著一個向西南傾斜的、深厚的β中尺度低渦,具有低層輻合、高層輻散的暴雨典型垂直結(jié)構(gòu)。張秀年和段旭[2]對低緯高原暴雨個例研究發(fā)現(xiàn),暴雨主要出現(xiàn)在西南渦西南象限的中尺度輻合線、變形場和氣旋之中。趙思雄和傅慎明[3]的研究表明,500hPa高空小槽以及700、850hPa低層鞍型流場均是西南低渦產(chǎn)生和維持的重要條件。周國兵等[4]對一次西南渦造成重慶特大暴雨天氣的分析發(fā)現(xiàn),水汽的輸送和輻合從低層到高層是沿著西南氣流的方向向東傾斜,落區(qū)的分布與中高層500～300hPa的風(fēng)場輻合相關(guān)性非常好。張騰飛等[5]研究發(fā)現(xiàn),西南渦是一個具有斜壓性的極其深厚的系統(tǒng),隨高度前傾,高層500hPa西南渦誘發(fā)了低層700hPa西南渦的產(chǎn)生,強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在西南渦的西南方。高安寧等[6]對兩次暴雨過程的對比分析發(fā)現(xiàn),深厚西南低渦伴隨著強(qiáng)盛的西南低空急流,正渦度值達(dá)200hPa高度,上升運動強(qiáng)烈。段旭和李英[7]對低緯高原地區(qū)一次M CC的研究發(fā)現(xiàn),M CC位于500hPa一個明顯的中尺度輻合線上,垂直速度中心強(qiáng)度比其他地區(qū)的M CC約大1倍。覃丹宇等[8]研究發(fā)現(xiàn),M CC發(fā)生在較弱的斜壓環(huán)境里,對流層低層有明顯的天氣系統(tǒng)如切變線、中尺度低渦。井宇等[9]研究發(fā)現(xiàn),多普勒雷達(dá)徑向速度場顯示東南低空急流配合對流層中高層中α尺度輻散帶的生成和維持,構(gòu)成M CC的三維流場結(jié)構(gòu)。陳永林等[10]研究發(fā)現(xiàn),一個獨立完整的近地面β中尺度氣旋性環(huán)流構(gòu)成了M CC的內(nèi)核。井喜等[11]對淮河流域一次M CC的分析發(fā)現(xiàn),來自北方的干侵入對M CC的生成發(fā)展起著重要作用。高低空急流耦合、天氣尺度經(jīng)向間接次級環(huán)流圈的形成,為M CC的生成、發(fā)展和維持提供了動力條件。張晰瑩和王承偉[12]對高緯地區(qū)罕見M CC和非M CC強(qiáng)降水天氣衛(wèi)星云圖特征進(jìn)行了分析。由于本次強(qiáng)降水過程局地性強(qiáng),本文旨在揭示M CC發(fā)生發(fā)展的觸發(fā)機(jī)制,M CC內(nèi)部中小尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的過程及其空間結(jié)構(gòu)特征,為改進(jìn)M CC暴雨預(yù)報提供有益的理論依據(jù)。

1 天氣形勢

1.1 高空環(huán)流形勢及西南渦的形成和發(fā)展

200hPa高度場上(圖1a),6月30日20時青藏高壓位置偏南,中心在玉樹一帶,青藏高壓北側(cè)為高空副熱帶西風(fēng)急流,M CC生成區(qū)位于西風(fēng)急流出口區(qū)左側(cè)強(qiáng)輻散區(qū),強(qiáng)輻散中心散度達(dá)14×10-5s-1。溫度場上有一冷舌從青藏高壓內(nèi)部伸到M CC生成區(qū)。

500hPa高度場上,6月30日08時有一低槽位于川西高原東部,20時西太平洋副熱帶高壓增強(qiáng),脊線位于25°N附近,西脊點位于113°E附近。從30日20時高低空天氣系統(tǒng)綜合圖(圖1b)上可以看到,500 hPa低槽東移到四川盆地中部,槽前正渦度平流所造成的低層減壓誘發(fā)了850hPa西南渦的產(chǎn)生。

30日20時700hPa高度場上巴塘存在3 020 gpm地形性西南低渦,伴隨18℃的冷中心,表現(xiàn)為冷性渦。由于冷鋒對地形性低渦的不斷侵襲,觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放,導(dǎo)致西南渦快速啟動,500 hPa槽后強(qiáng)西北氣流引導(dǎo)700hPa西南渦移出源地并向東南方向移動。700hPa垂直速度場上(圖略)滇中到滇東北存在-20×10-3hPa·s-1的上升速度中心,該中心一直向上延伸到400hPa附近,說明對流層中層存在強(qiáng)烈的上升運動。850hPa溫度場上云南中部到貴州北部有一暖舌,重慶和威寧之間有一1 420gpm西南渦生成,伴隨23℃的暖中心,表現(xiàn)為暖性渦。M CC生成于冷鋒前異常暖區(qū)中,出現(xiàn)在850hPa西南渦西側(cè)。

1.2 低空西南急流

6月30日08時700hPa高度場上云南北部到重慶境內(nèi)(26～30°N)有一支大于12m·s-1的低空西南急流,其中威寧出現(xiàn)了14m·s-1的急流核,地面圖上冷鋒位于四川盆地北部。從30日20時天氣系統(tǒng)綜合圖(圖1b)分析,隨著冷鋒南壓到昭通北部,700hPa西南急流南移到云南中部到貴州北部(25～28°N),威寧14m·s-1的急流核維持,貴陽西南風(fēng)由08時的10m·s-1增加到14m·s-1,M CC生成于700hPa低空西南急流左前側(cè)。另在850 hPa廣西境內(nèi)有一支12m·s-1的低空西南急流,M CC生成于急流北側(cè)偏南風(fēng)最大值前端的強(qiáng)暖平流區(qū)中。700hPa低空急流來自孟加拉灣,850hPa低空急流則來自南海,兩支低空急流從不同的方向把水汽源源不斷向高緯度輸送,為暴雨的發(fā)生提供了動力、熱力和水汽條件。200hPa青藏高壓北側(cè)副熱帶西風(fēng)急流和低空急流的耦合作用,為大范圍暴雨的發(fā)生、發(fā)展提供了動力條件[13-14]。

圖1 2008年6月30日20時天氣圖 a.200hPa高度場(實線;單位:gpm)、溫度場(虛線;單位:℃)和風(fēng)場(單位:m·s-1);b.850hPa溫度場(實線;單位:℃)和風(fēng)場(單位:m·s-1)(斜線陰影區(qū)為暴雨區(qū);灰色底圖為FY-2C紅外衛(wèi)星云圖)Fig.1 The weather charts at20:00BST30June2008 a.geopotential height(solid lines;units:gpm),temperature field(dashed lines;units:℃)and wind field(units:m·s-1)at200hPa;b.temperature field(units:℃)and wind field(units:m·s-1)at 850hPa(bias shaded areas are strong precipitation;gray base map is FY-2C infrared satellite cloud image)

1.3 位勢穩(wěn)定度

宜賓位于M CC生成區(qū)北側(cè),宜賓探空資料反映了M CC生成區(qū)的局地變化特征。從宜賓探空曲線(圖略)可以判斷過程發(fā)生前6月25—26日存在逆溫層,逆溫層以下形成穩(wěn)定的暖干蓋,有利于暖濕能量的積累,850hPa和500hPa假相當(dāng)位溫θse之差Δ θse(θse850-θse500)小于-9℃,K指數(shù)小于30℃,Si指數(shù)大于3℃(圖2),表現(xiàn)為穩(wěn)定層結(jié),不利于對流的發(fā)展。28日,隨著冷空氣的侵入,穩(wěn)定的逆溫層被打破,θse隨高度遞減,29日Δ θse增加到16.2℃,K指數(shù)增加到39℃,Si指數(shù)減小到-2.0℃,形成條件不穩(wěn)定層結(jié),有利于深對流的發(fā)展。7月1日08時以后,隨著位勢不穩(wěn)定能量釋放,不穩(wěn)定層結(jié)消失。6月30日20時,宜賓風(fēng)速隨高度順轉(zhuǎn),由低層的東北風(fēng)轉(zhuǎn)為高層的西北風(fēng),為暖平流特征。26日對流有效位能CA PE接近于0J·kg-1,27日開始上升,29日達(dá)到峰值1 842.4J·kg-1,30日降水出現(xiàn)后迅速降低到9.4J·kg-1。CA PE的巨大變化表明前期有大量的能量積累,暴雨發(fā)生后,有效位能充分釋放,降水減弱消失。

圖2 2008年6月25日至7月1日20時宜賓K指數(shù)、Δ θse(θse850-θse500;單位:℃)、Si指數(shù)(單位:℃)和CA PE(單位:J·kg-1)Fig.2 K index,Δ θse(θse850-θse500;θseis potential pseudo-equivalent temperature with unit of℃),Si index(units:℃),and CAPE(units:J·kg-1)from20:00BST25June to20:00BST1July2008in Yibin

2 衛(wèi)星云圖中尺度對流復(fù)合體的演變特征

從衛(wèi)星云圖分析發(fā)現(xiàn),過程先后在川西高原和四川盆地南部出現(xiàn)兩個較強(qiáng)對流云團(tuán),結(jié)合高空資料分析可以判斷,850hPa西南渦誘發(fā)了四川盆地南部對流云團(tuán)的生成,該對流云團(tuán)發(fā)展形成的中尺度對流復(fù)合體(M CC)是暴雨的直接影響系統(tǒng)。700 hPa西南渦誘發(fā)了川西高原對流云團(tuán)的生成,該對流云團(tuán)并入M CC后導(dǎo)致M CC迅速加強(qiáng)并向西移動。

FY-2C紅外衛(wèi)星云圖上(圖3),6月30日16時在巴塘附近有一對流單體A生成,19時對流單體A加強(qiáng)并向東移出源地,同時在四川盆地南部有一對流單體B生成。20時單體A在向南移動的過程中發(fā)展加強(qiáng),單體B穩(wěn)定少動,強(qiáng)度加強(qiáng)。22時單體A快速南移,向單體B靠近。單體B迅速發(fā)展,外形為橢圓形,最冷云頂紅外溫度達(dá)-82℃,出現(xiàn)在對流云團(tuán)中心附近,小于-52℃的內(nèi)部冷云區(qū)面積達(dá)到1.05×105km2,小于-32℃的紅外溫度冷云罩面積達(dá)到1.37×105km2,偏心率為0.84(長軸456km,短軸383km),滿足上述條件的持續(xù)時間約為7h,符合M addox[15]定義的M CC特征。此時降水已經(jīng)開始出現(xiàn),強(qiáng)降水區(qū)位于宜賓南部和昭通東部。

7月1日00時M CC穩(wěn)定少動,呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài),單體A南移進(jìn)入M CC,導(dǎo)致M CC強(qiáng)度迅速增強(qiáng),小于-52℃的內(nèi)部冷云區(qū)面積增加到2.49×105km2,小于-32℃的紅外溫度冷云罩面積增加到3.43×105km2,偏心率變?yōu)?.71(長軸786km,短軸556km),2h內(nèi)面積擴(kuò)大了約2.5倍。M CC強(qiáng)中心仍舊滯留在昭通東部到四川盆地南部。03時單體A完全并入M CC,形成單體C,強(qiáng)中心向西移動,最冷云頂出現(xiàn)在M CC的前沿,暴雨區(qū)也隨之西南移,其后部出現(xiàn)大面積層狀云降水系統(tǒng)。M CC在其南側(cè)引發(fā)了一條外流邊界DD,表現(xiàn)為弧狀積云線。06時M CC云體開始分散,結(jié)構(gòu)變得松散,衰變?yōu)闇u旋云系,水平尺度達(dá)1 000km以上,不再具有M CC特征。原M CC的外流邊界DD觸發(fā)了新的對流單體E,造成二次對流的發(fā)展。從地面附近到冷外流邊界頂?shù)妮椇蠈?dǎo)致了沿外流邊界以及外流邊界之上的垂直運動,它維持著該地區(qū)云的產(chǎn)生[16]。09時云罩解體,渦旋云系減弱混合在大尺度氣流之中。對流單體E發(fā)展加強(qiáng),形成新的風(fēng)暴,這一風(fēng)暴正在產(chǎn)生自己的外流邊界FF。之后單體E不斷發(fā)展加強(qiáng)并向南移動影響云南南部及以南地區(qū)。

3 多普勒雷達(dá)回波特征

暴雨是各種尺度天氣系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物,衛(wèi)星云圖上造成這次暴雨的M CC屬于α中尺度系統(tǒng),而多普勒雷達(dá)則探測到M CC內(nèi)部的各種β中尺度系統(tǒng),更細(xì)致地反映M CC的內(nèi)核結(jié)構(gòu)。

圖3 2008年6月30日16時至7月1日09時FY-2C紅外衛(wèi)星云圖(M CC演變特征)Fig.3 FY-2C infrared satellite im ages from16:00BST30June to09:00BST1July2008

根據(jù)昭通自動站資料(圖4),強(qiáng)降水過程可分為兩個階段。第1階段為對流性降水階段,雨強(qiáng)較強(qiáng),持續(xù)時間較短,出現(xiàn)在6月30日21時到7月1日03時,有兩個暴雨中心,一個位于東北部50km附近,其中鎮(zhèn)雄林口自動站6h雨量達(dá)126.5mm,坪上達(dá)97.4mm(21:00—03:00);另一個暴雨中心位于西北部60km附近,其中永善馬楠自動站5h雨量達(dá)81.7mm(22:00—03:00)。第2階段為層狀云降水階段,雨強(qiáng)較弱,持續(xù)時間較長,出現(xiàn)在7月1日03時到15時,有一個暴雨中心位于西南部50km附近,其中巧家東坪自動站6h雨量達(dá)71.3 mm(02:00—08:00)。

3.1 基本反射率因子特征

利用昭通CINRAD/CC多普勒天氣雷達(dá)回波資料,根據(jù)雷達(dá)回波特征并結(jié)合自動站降水資料,將本次降水過程分為對流性降水和層狀云降水兩個階段。

1)對流性降水階段。從衛(wèi)星云圖(圖3)分析,6月30日19時四川盆地南部對流云團(tuán)B已經(jīng)開始出現(xiàn),受昭通雷達(dá)可探測范圍限制,21時后才有回波反映。22時對流云團(tuán)B已發(fā)展為典型的M CC,雷達(dá)開始捕捉到M CC的西部前沿部分。基本反射率因子圖(圖5)上,22時可以看到在雷達(dá)東方有南北向回波出現(xiàn),西北方及北方有分散塊狀回波出現(xiàn)。7月1日00時隨著川西高原對流云團(tuán)A南移進(jìn)入M CC,兩個回波帶在北部匯合。01時開始由于M CC強(qiáng)中心向西移動,M CC內(nèi)核位于雷達(dá)附近,因而可以探測到成熟階段M CC的內(nèi)核結(jié)構(gòu)。此時回波面積迅速擴(kuò)大,在雷達(dá)東北方出現(xiàn)長約60km的“人”字形回波帶(加框部分),該回波帶上分布了多處50dBZ以上的強(qiáng)回波點,最強(qiáng)處達(dá)58dBZ,回波頂高為16km,大于40dB Z的回波高8km。同時北方出現(xiàn)分散的強(qiáng)回波塊。01:32“人”字形回波消失,北方強(qiáng)回波塊發(fā)展加強(qiáng)形成平行短帶回波(加框部分)?！叭恕弊中位夭ê推叫卸處Щ夭ǚ謩e造成了東北部和西北部暴雨中心。03:00(圖略)以后強(qiáng)回波南移到測站南方,回波以東西向短帶回波為主。

圖4 2008年6月30日20時至7月1日08時自動站逐時實況降水量(單位:mm) a.林口;b坪上.c.馬楠;d.東坪Fig.4 1-hr precipitation(mm)observed at automatic weather stations from20:00BST30June to08:00BST1July2008a.Linkou;b.Pingshang;c.Manan;d.Dongping

圖5 2008年6月30日22時至7月1日05時雷達(dá)基本反射率因子(R;01:32為2.4°仰角,其余為3.4°仰角;單位:dBZ;距離圈每圈30km)和徑向速度(V;05:01為0.5°仰角,其余為3.4°仰角;單位:m·s-1)Fig.5 The base reflectivity(R;2.4°elevation at01:32BST,and3.4°elevation at other time;units:dBZ;the distance between two adjacent circles is30km),and the radial velocity(V;0.5°elevation at05:01BST,and3.4°elevation at other time;units:m·s-1)of Doppler weather radar from22:02BST30June to05:01BST1July2008

2)層狀云降水階段。1日03時以后對流回波開始演變?yōu)閷訝钤平邓夭?回波分布較均勻,強(qiáng)度減小,降水進(jìn)入第2階段。05:01出現(xiàn)圓環(huán)狀零度層亮帶(位于2.5～3.5km高度附近),大約持續(xù)了11h(04:00—15:00)。從回波的演變特征看,整體上回波具有自北向南移動的趨勢。

3.2 徑向速度特征

1)對流性降水階段。徑向速度圖(圖5)上,6月30日22時,當(dāng)M CC從東北方進(jìn)入測站時,雷達(dá)探測到東北方西南急流及14m·s-1的正負(fù)速度中心,表現(xiàn)為氣旋性輻合流場。7月1日00時西南急流加強(qiáng),正速度中心數(shù)值增加到22m·s-1,明顯大于負(fù)速度中心數(shù)值,氣旋性輻合流場加強(qiáng)。由于雷達(dá)東北方20km附近有約45°的山脈阻擋,無法探測到低層的速度特征,但沿46°徑向的徑向速度垂直剖面圖VCS上(圖6a)可以看出,3～7km高度范圍內(nèi)出現(xiàn)一條零速度線,零速度線以下為15 m·s-1以下的西南暖濕氣流,以上為20m·s-1以下的偏東氣流,說明M CC前沿中層以下有強(qiáng)氣流流入,中層以上則有的強(qiáng)氣流流出。零速度線隨高度增加向正速度區(qū)傾斜,說明風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn),為暖平流特征。這條零速度線可以看成是相對氣流的匯合線,表現(xiàn)出成熟階段M CC中低層輻合的特征,并導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)強(qiáng)烈的上升氣流。

01時云團(tuán)合并后正負(fù)速度區(qū)面積迅速擴(kuò)大,西南急流軸線穿過雷達(dá)站,出現(xiàn)了穿過雷達(dá)的“S”型零速度線及“牛眼”型結(jié)構(gòu),體現(xiàn)了強(qiáng)暖平流大范圍輻合風(fēng)場特征。此時強(qiáng)降水出現(xiàn)在急流軸的左側(cè)。雷達(dá)西北方60～80km范圍內(nèi)“S”型零速度線北段出現(xiàn)一個明顯直角,零速度線為N E—SW走向,靠近雷達(dá)一側(cè)為正速度區(qū),遠(yuǎn)離雷達(dá)一側(cè)為負(fù)速度區(qū),這種風(fēng)場不連續(xù)的現(xiàn)象和冷鋒的風(fēng)場結(jié)構(gòu)十分相似[17]。冷鋒從西北方移近雷達(dá),鋒后為西北風(fēng),負(fù)速度中心達(dá)18m·s-1,鋒前為西南風(fēng),從而形成風(fēng)向切變,冷暖氣流的交匯導(dǎo)致了對流的加強(qiáng)。此時在東北方70～100km處正速度區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了逆風(fēng)區(qū)(加框部分),逆風(fēng)區(qū)位于4km高度以上,對應(yīng)基本反射率因子上“人”字形回波,位置比“人”字形回波偏東。逆風(fēng)區(qū)與暴雨的關(guān)系,張沛源和陳榮林[18]進(jìn)行了深入的研究,認(rèn)為逆風(fēng)區(qū)反映了局部中尺度垂直環(huán)流的形成,有利于強(qiáng)降水的發(fā)生,并將逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)作為暴雨發(fā)生的主要判據(jù)之一。

01:32沿87°徑向VCS上(圖6b),逆風(fēng)區(qū)向上擴(kuò)展到6～12km高度范圍內(nèi),逆風(fēng)區(qū)西側(cè)12km以上存在風(fēng)暴頂輻散。逆風(fēng)區(qū)持續(xù)了1.5h后消失。逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)的位置地面出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水,其中鎮(zhèn)雄林口自動站2h降水達(dá)77.5mm(00:00—02:00),坪上2h雨量達(dá)73.5mm(00:00—02:00)(圖4)?！叭恕弊中位夭◣恰叭恕弊中吻凶冊诶走_(dá)回波上的反映,配合逆風(fēng)區(qū)和風(fēng)暴頂輻散的出現(xiàn),直接造成了短時強(qiáng)降水。抬高雷達(dá)仰角可以發(fā)現(xiàn)雷達(dá)正北方正速度區(qū)內(nèi)4km高度附近存在另一個較強(qiáng)逆風(fēng)區(qū)(圖略),和基本反射率因子上平行短帶回波相對應(yīng),位置比平行短帶回波偏東。沿335°雷達(dá)徑向的VCS(圖6c)上2～7km為10m·s-1以下的西南氣流,7km以上為強(qiáng)偏北氣流,距雷達(dá)30～40 km處8～10km高度有20m·s-1的負(fù)速度中心,說明中層維持強(qiáng)西南暖濕輸送,而高層冷空氣已侵入到雷達(dá)站附近。2km以下有流向雷達(dá)的偏北氣流,且西北方50km內(nèi)零速度線北段呈現(xiàn)出反“S”型冷平流特征(圖5加圈部分),說明冷鋒已移到雷達(dá)站西北側(cè)。

圖6 2008年7月1日沿不同徑向的徑向速度垂直剖面(VCS;單位:m·s-1) a.沿46°;b.沿87°;c.沿335°;d.沿239°Fig.6 The vertical cross-sections of radial velocity along Radar radial(VCS;units:m·s-1)of D oppler w eather radar on July1,2008 a.along46°;b.along87°;c.along335°;d.along239°

2)層狀云降水階段。05時(圖5)后冷鋒加強(qiáng)南移,西南氣流加強(qiáng),西南方20m·s-1以上的負(fù)速度區(qū)面積擴(kuò)大,“S”型零速度線消失,暖平流結(jié)構(gòu)破壞,且東北方出現(xiàn)中低層輻散,預(yù)示降水強(qiáng)度減弱。南下冷空氣和加強(qiáng)的西南急流在雷達(dá)西南方交匯,在雷達(dá)西南方40km附近形成一條長約80km的β中尺度輻合線,強(qiáng)降水中心南移。這條輻合線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,持續(xù)時間較長(約為10h),和南部維持時間較長的降水相對應(yīng)。由于輻合線前強(qiáng)西南急流的暖濕輸送,從而能夠維持輻合線的水汽供應(yīng),使其得以穩(wěn)定發(fā)展并長時間維持。沿239°徑向(幾乎和輻合線垂直)VCS上(圖6d)可以看到輻合線位于2.5km高度以下,輻合線以下為偏北氣流,以上為入流中心達(dá)22m·s-1的強(qiáng)西南急流,高層8km以上可以看到風(fēng)暴頂輻散。可見層狀云降水階段仍然存在低層輻合和高層輻散的動力特征,但從低層到高層均有強(qiáng)西南暖濕氣流進(jìn)入MCC,相對氣流輻合減弱,失去中尺度組織結(jié)構(gòu),降水強(qiáng)度減小。08時以后正負(fù)速度中心數(shù)值減小,入流急流減弱,降水趨于結(jié)束。

4 多普勒雷達(dá)二次產(chǎn)品分析

4.1 組合反射率(CR)、回波頂高(ET)、垂直累積液態(tài)水含量(V IL)

由圖7可以看出,對流性降水階段最大反射率因子首先在正北方75km附近出現(xiàn),強(qiáng)度最大達(dá)60 dB Z,對應(yīng)回波頂高在14km以上。7月1日00時云團(tuán)合并后45dB Z以上強(qiáng)回波面積擴(kuò)大,為東西向帶狀分布,西北方和東北方分別有兩個回波頂高大于14km的中心,和兩個暴雨中心對應(yīng)。01時回波頂高大于14km的區(qū)域集中在“人”字形回波出現(xiàn)的地方。層狀云降水階段回波分布均勻,最大反射率因子小于等于45dBZ,回波頂高降低到10km以下。對流性降水階段垂直累積液態(tài)水含量最大達(dá)45kg·m-2,層狀云降水階段降低到10kg·m-2以下。由此可見各項指標(biāo)大值區(qū)和暴雨中心相對應(yīng),各項指標(biāo)的大幅下降是對流性降水向?qū)訝钤平邓D(zhuǎn)化的標(biāo)志。由于風(fēng)暴距離雷達(dá)太近而不能完全掃描到風(fēng)暴頂,造成雷達(dá)附近ET和V IL值偏低。

4.2 垂直風(fēng)廓線(VW P)

垂直風(fēng)廓線(VW P)代表雷達(dá)站附近50km左右范圍內(nèi)風(fēng)場的垂直分布情況。圖8為1h間隔VW P產(chǎn)品。6月30日21:57M CC從東部進(jìn)入雷達(dá)探測范圍,其西部邊緣距雷達(dá)70km左右,雷達(dá)60 km范圍內(nèi)回波稀少,無法得到完整的垂直風(fēng)廓線。23:55隨著M CC移近測站,雷達(dá)開始探測到完整的垂直風(fēng)廓線,其中1.8km以下無資料區(qū)為雷達(dá)運行模式探測不到的區(qū)域。此時平均風(fēng)場從低層到高層風(fēng)向逐漸順轉(zhuǎn),說明有深厚的暖平流維持,其中低層2.1～2.4km處有一強(qiáng)垂直風(fēng)切變,切變層以下為東南風(fēng),以上順轉(zhuǎn)為西南風(fēng),5.2km以上繼續(xù)順轉(zhuǎn)為西北風(fēng),10.7km以上轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)。00:55中高層5.2～8.5km高度范圍內(nèi)的西北風(fēng)被西南風(fēng)取代,整個西南風(fēng)層厚度加大,04:56—06:54出現(xiàn)14 m·s-1以上的強(qiáng)西南氣流。07:54開始西南風(fēng)層逐漸被西北風(fēng)取代,且西北風(fēng)層頂高不斷降低,降水強(qiáng)度減弱。由此可見,西南急流的建立、維持和消失與降水強(qiáng)度有較好的對應(yīng)關(guān)系。

圖7 2008年6月30日22時至7月1日05時雷達(dá)組合反射率(CR;單位:dBZ)、回波頂高(ET;單位:km)和垂直累積液態(tài)水含量(V IL;單位:kg·m-2)產(chǎn)品的時間演變Fig.7 The composite reflectivity(CR;units:dBZ),echo tops(ET;units:km),and vertically integrated liquid(V IL;units:kg·m-2)products of D opplerw eather radar from22:02BST30June to05:01BST1July2008

圖8 2008年6月30日21時至7月1日11時雷達(dá)垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品(VW P;單位:m·s-1)Fig.8 The vertical wind profile(VW P;units:m·s-1)product of Doppler weather radar from21:57 BST30June to11:56BST1July2008

在降水加強(qiáng)階段,22:56—04:56高層10.7～15.2km高度范圍內(nèi)出現(xiàn)了20m·s-1以上的偏北風(fēng)急流,說明高層有冷空氣侵入,冷空氣疊加在深厚暖平流之上,加劇了暴雨區(qū)層結(jié)不穩(wěn)定性,也說明對流層頂存在強(qiáng)輻散層。偏北風(fēng)急流出現(xiàn)的時間和第一階段強(qiáng)降水時間(22:00—03:00)有較好的對應(yīng)關(guān)系。01:59—02:58低層2.1～3.7km處出現(xiàn)了厚度達(dá)1.6km的大量ND字符。根據(jù)VW P產(chǎn)品算法[17]可以判斷,造成ND字符的原因是方差或?qū)ΨQ性太大,數(shù)據(jù)被舍棄。這說明風(fēng)場中的小尺度擾動較為活躍,且對流層低層的風(fēng)場擾動比中高層強(qiáng)烈。04:56ND字符消失,原位于2.1～2.4km的強(qiáng)垂直風(fēng)切變上升到3.0～3.4km處。切變層以下為東北風(fēng),且風(fēng)向隨高度增加逆轉(zhuǎn),說明有冷平流侵入到低層。切變層持續(xù)到07:54后消失。ND字符和低層強(qiáng)垂直風(fēng)切變出現(xiàn)的時間與強(qiáng)降水時段(22:00—05:00)有較好的對應(yīng)關(guān)系。深厚的暖平流為暴雨區(qū)提供了持續(xù)不斷的水汽和熱量輸送,低層強(qiáng)垂直風(fēng)切變和高層強(qiáng)輻散層為暴雨提供了充足的動力條件。

5 結(jié)論和討論

1)850hPa四川盆地南部西南渦和700hPa青藏高原東南緣西南渦的相互作用是M CC的主要誘發(fā)因素。高低空急流的耦合作用、低層強(qiáng)垂直風(fēng)切變和高層強(qiáng)輻散為大范圍暴雨的發(fā)生、發(fā)展提供了充足的動力條件。深厚的暖平流為暴雨區(qū)提供了持續(xù)不斷的水汽和熱量輸送,冷鋒南移觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放。

2)雷達(dá)回波顯示出成熟階段M CC內(nèi)部中低層輻合和高層輻散的動力特征,其前沿中層以下有強(qiáng)氣流進(jìn)入系統(tǒng),中層以上則有強(qiáng)氣流流出。消散階段從低層到高層都有強(qiáng)西南氣流進(jìn)入M CC,相對氣流輻合減弱,失去中尺度組織結(jié)構(gòu)。

3)“人”字形回波是“人”字形切變在雷達(dá)回波上的反映,配合多個逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)說明,M CC內(nèi)部可能存在多個β中尺度對流系統(tǒng),直接造成多個暴雨中心。降水加強(qiáng)階段風(fēng)場中的小尺度擾動較為活躍,且對流層低層的風(fēng)場擾動比中高層強(qiáng)烈。低層β中尺度輻合線是層狀云降水穩(wěn)定發(fā)展和長時間維持的原因。

4)M CC生成前本地有大量不穩(wěn)定能量累積,CA PE的變化反映了暴雨天氣過程的演變,對暴雨預(yù)報有指示意義?！叭恕弊中位夭?、平行短帶回波和逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)時間和地面強(qiáng)降水時段相對應(yīng),是降水加強(qiáng)的時間信號。組合反射率、回波頂高和垂直累積液態(tài)水含量等大值區(qū)與暴雨中心相對應(yīng),各項指標(biāo)的大幅下降是對流性降水向?qū)訝钤平邓D(zhuǎn)化的標(biāo)志。垂直風(fēng)廓線顯示出西南急流的建立和維持時間以及低層強(qiáng)垂直風(fēng)切變出現(xiàn)的時間與強(qiáng)降水時段有較好的對應(yīng)關(guān)系,對于暴雨臨近預(yù)報有指導(dǎo)作用。衛(wèi)星云圖反映出M CC的演變特征,衛(wèi)星云圖和雷達(dá)資料結(jié)合應(yīng)用是M CC跟蹤監(jiān)測的重要手段。

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Analyses on Satellite Cloud Images and Doppler Radar Echo Features of a MCC Rainstorm Caused by Southwest Vortex

MA Hong1,2,ZHENG Xiang-biao2,HU Yong2,ZENG Ting-yu2,ZHENG Hong2

(1.Department of Atmospheric Sciences,Yunnan University,Kunming 650091,China;2.Zhaotong Meteorological Office of Yunnan Province,Zhaotong 657000,China)

Arainstorm occurred in the northeast of Yunnan Province and the south of Sichuan Basin from June 30 to July 1,2008 is analyzed based on routine observation data,automatic station data,satellite cloud images and Doppler weather radar data.The results show that the mesoscale convective complex(MCC)caused by the southwest vortex at 850 hPa in the south of Sichuan Basin is a system directly influencing the rainstorm.MCC is rapidly strengthened and moves westward after the combining with the mesoscale convective cloud cluster caused by the southwest vortex at 700 hPa in the southeast of Tibetan Plateau.MCC appears in the divergent region on the left of jet exit at high level and the convergent region at low level.The emergence of special structure echo like“人”character,parallel short belts echo and mid-altitude radial convergence(MARC)in radar echo picture indicate that there are severalβmesoscale convective system s in M CC,which directly cause the several heavy rainfall centers.In maturity stage of M CC,Radar echoes demonstrate the dynamic characteristics of low-level convergence and high-level divergence,with strong inflow below middle level and strong outflow above middle level.In dissipated stage of M CC,there is strong southwest inflow from low level to top level,in such a way that the convergence is weakened and the mesoscale structure disappears.

southwest vortex;rainstorm;mesoscale convective complex(MCC);radar echo

P458.121.1

A

1674-7097(2010)06-0688-09

2009-09-07;改回日期:2010-02-20

昭通市氣象局課題“昭通強(qiáng)對流天氣預(yù)警和人工影響天氣作業(yè)研究”

馬紅(1969—),女,云南昭通人,高級工程師,研究方向為中短期天氣預(yù)報,mahong69@126.com.

馬紅,鄭翔飚,胡勇,等.一次西南渦引發(fā)MCC暴雨的衛(wèi)星云圖和多普勒雷達(dá)特征分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報,2010,33(6):688-696.Ma Hong,Zheng Xiang-biao,Hu Yong,et al.Analyses on satellite cloud images and Doppler radar echo features of aMCC rainstorm caused by southwest vortex[J].Trans Atmos Sci,2010,33(6):688-696.

(責(zé)任編輯:倪東鴻)