渦旋自組織現(xiàn)象在上海一次暴雨預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

漆梁波,曹曉崗,張吉,馬革蘭,余暉

(1.上海中心氣象臺(tái),上海200030;2.南京信息工程大學(xué),江蘇南京210044;3.中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所,上海200030;4.中國(guó)氣象局臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,上海200030)

0 引言

近年來(lái),在強(qiáng)非線(xiàn)性的框架內(nèi),不同尺度渦旋之間強(qiáng)耦合的問(wèn)題,已有一系列的結(jié)果給出(Montgomery and Kallenbach,1997;周嘉陵等,2006;周秀驥等,2006;Luo and Liu,2006a,2006b;Ping et al.,2006;羅哲賢和李春虎,2007;Luo,2007;Luo and Liu,2007;Ping and Luo,2007)。在臺(tái)風(fēng)相關(guān)研究領(lǐng)域,渦旋相互作用的動(dòng)力學(xué)研究也在廣泛開(kāi)展(Enagonio and Montgomery,2001;羅哲賢,2005;Ping et al.,2008;Yu et al.,2010)。

相關(guān)研究(Enagonio andMontgomery,2001;漆梁波,2002;羅哲賢,2005;漆梁波等,2006;Ping et al.,2008;Yu et al.,2010)表明:中尺度暴雨云團(tuán)的生成和消散,與更小尺度(20～40 km)的云團(tuán)合并有著非常密切的聯(lián)系。依據(jù)動(dòng)力學(xué)理論,小尺度云團(tuán)也對(duì)應(yīng)著一定結(jié)構(gòu)的渦旋運(yùn)動(dòng),從這個(gè)意義上講,中尺度暴雨云團(tuán)的生消也可以看成小渦旋和更大尺度的渦旋之間的組織和分裂。多年以來(lái),半徑小于50 km的小渦一直被渦旋動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外同行忽略不計(jì)。羅哲賢和李春虎(2007)、周嘉陵等(2006)研究表明:尺度小于50 km的小渦可以構(gòu)成主渦的微環(huán)境場(chǎng)。不同的微環(huán)境場(chǎng)導(dǎo)致不同的渦旋自組織結(jié)果,一定程度上也決定主渦運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。

理論研究已經(jīng)取得了矚目的成果,但是,理論結(jié)果的應(yīng)用還很少。本文主要描述渦旋自組織理論在上海地區(qū)一次中尺度暴雨中的應(yīng)用,試圖說(shuō)明該理論在實(shí)際業(yè)務(wù)中的應(yīng)用具有很好的前景,并且可以在中小尺度天氣系統(tǒng)(30～50 km)的預(yù)報(bào)中得到適用,而不僅僅限于臺(tái)風(fēng)的發(fā)生和發(fā)展(臺(tái)風(fēng)是最典型的天氣尺度渦旋系統(tǒng))。

1 天氣實(shí)況及背景

2008年8月25日早晨,上海中心城區(qū)出現(xiàn)了一場(chǎng)雨強(qiáng)百年未遇的強(qiáng)雷電和大暴雨天氣,主要降水時(shí)段出現(xiàn)在25日05—08時(shí)(北京時(shí)間,下同)。徐家匯站1 h最大雨量達(dá)117.5 mm,有7個(gè)自動(dòng)站總雨量超過(guò)100 mm。突發(fā)強(qiáng)降水造成上海大面積道路嚴(yán)重積水,部分交通主干道地道被水淹沒(méi),由于正值上班高峰期,大量人員被困上班途中,給城市交通運(yùn)營(yíng)和工作生活帶來(lái)嚴(yán)重影響。

2008年8月下旬初,在東北亞地區(qū)有一個(gè)穩(wěn)定而龐大的低壓,24日500 hPa上低壓中心在蒙古東北部,我國(guó)淮河以北地區(qū)處在這個(gè)大低壓南側(cè)緯向性較大的西風(fēng)帶中,08時(shí)一支低槽在黃河上游秦嶺西側(cè)(圖略)。在較低緯度地區(qū),“0812”號(hào)臺(tái)風(fēng)“鸚鵡”繼22日先后在香港和廣東中山市登陸后繼續(xù)西行,24日減弱為低壓,其中心在廣西境內(nèi)。與此同時(shí),副熱帶高壓在前期有一個(gè)東撤,此后于24日跟隨“鸚鵡”西進(jìn),588 dagpm等值線(xiàn)在福建沿海。24日20時(shí)500 hPa上西風(fēng)淺槽東移到淮河上游,東南沿海副高略向西擠(圖1a)。在低層850 hPa上“鸚鵡”登陸后形成了向東北側(cè)伸展的倒槽,24日20時(shí)在此倒槽中,也在500 hPa槽前位置,有誘生低壓生成(圖1b);地面相應(yīng)位置上有倒槽。25日凌晨地面低壓形成并繼續(xù)東移和增強(qiáng),10時(shí)30分低壓入海,過(guò)程結(jié)束。

從云圖演變(圖2)看,自8月25日05時(shí)開(kāi)始,浙江北部和上海北部各有一個(gè)云團(tuán)在發(fā)展,并逐漸靠近。到07時(shí)前后,兩個(gè)云團(tuán)合并成一個(gè)更大的云團(tuán),強(qiáng)度更強(qiáng),這一點(diǎn)可以從云團(tuán)的面積和最大云頂亮溫的變化中得到證實(shí)。從前人的各種研究成果看,衛(wèi)星云圖上尺度大于30～50 km的云團(tuán),往往對(duì)應(yīng)大氣中的一個(gè)渦旋。很顯然,在這次個(gè)例中,小渦旋合并導(dǎo)致大渦旋的產(chǎn)生或者加強(qiáng),并帶來(lái)了致災(zāi)的降水。

圖1 2008年8月24日20時(shí)500 hPa(a)和850 hPa(b)形勢(shì)(圖a中棕色線(xiàn)表示槽;圖b中雙棕色線(xiàn)表示850 hPa高度上的切變,陰影區(qū)表示急流(＞12 m/s);圓點(diǎn)線(xiàn)表示臺(tái)風(fēng)的路徑)Fig.1 (a)500 hPa and(b)850 hPa synoptic situation at 20:00 BST 24 August 2008(The brown line indicates trough in Fig.1a.The double line indicates shear line,and the shaded area indicates jet stream(＞12 m/s)in Fig1.b.The dotted line indicates the typhoon track)

圖2 2008年8月25日04—08時(shí)的紅外云圖演變(箭頭指示合并之前的小云團(tuán)和合并后的大云團(tuán))a.04:00;b.05:00;c.06:00;d.07:00;e.07:30;f.08:00Fig.2 FY-3C I R image from 04:00 to 08:00 BST 25 August 2008(Arrows point to s mall cloud masses before combination and large cloud mass after combination) a.04:00 BST;b.05:00 BST;c.06:00 BST;d.07:00 BST;e.07:30 BST;f.08:00 BST

2 雷達(dá)、地面自動(dòng)站觀(guān)測(cè)結(jié)果分析

由圖3可知,8月25日05時(shí)02分位于南通、太湖東側(cè)、嘉興有3個(gè)中尺度對(duì)流回波單體在形成發(fā)展,編號(hào)分別為a、b、c,強(qiáng)度為40～50 dBZ。a、b回波單體向東移動(dòng),c回波單體向東北移動(dòng),其中b回波單體東移加強(qiáng)明顯,強(qiáng)中心達(dá)50 dBZ。06時(shí)30分,b、c回波單體已非常接近;06時(shí)59分已開(kāi)始合并,中心強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)到55 dBZ。這也是徐家匯站降水開(kāi)始加大的時(shí)候,并且a、b回波也有合并趨勢(shì)。07時(shí)34分,a、b回波也已合并到一起。由于回波的不斷合并、加強(qiáng),最大回波頂高達(dá)15 km,加上雷暴云團(tuán)移動(dòng)緩慢,有利于局地強(qiáng)降水的發(fā)生,最終造成了上海市南洋中學(xué)1 min最大雨量為5 mm,徐家匯07:17—07:26的10 min雨量達(dá)到30 mm。

圖4是上海地區(qū)密集自動(dòng)站網(wǎng)的風(fēng)場(chǎng)觀(guān)測(cè)?？梢?jiàn),上述回波單體由于尺度較小,從地面自動(dòng)站的風(fēng)場(chǎng)信息中無(wú)法得到體現(xiàn)。但是,與上述回波單體有關(guān)的尺度較大的渦旋則可以從圖中分析出來(lái),對(duì)應(yīng)地面有低氣壓中心存在。如前所述,小渦旋(雷達(dá)回波單體)的合并時(shí)間是在07時(shí)左右。圖4表明,07時(shí)的低壓環(huán)流較06時(shí)明顯加強(qiáng),這可以從低壓環(huán)流中心附近風(fēng)向的變化得到證明,在07時(shí)的地面風(fēng)場(chǎng)中,低壓中心附近的風(fēng)向輻合(入流)更加明顯。此外,低壓中心附近最低氣壓值的變化(圖5)也表明了低壓環(huán)流的加強(qiáng),即:中心附近最低氣壓值在07時(shí)達(dá)到最低。這證明小渦旋合并導(dǎo)致大渦旋加強(qiáng)。

圖6為2008年8月25日01:00—08:00徐家匯站(云團(tuán)合并處附近)的逐時(shí)降水變化。由圖6可看出,渦旋合并導(dǎo)致降水集中出現(xiàn)(出現(xiàn)時(shí)間為07:00—08:00,1 h降水量達(dá)117.5 mm),表明該時(shí)段有很強(qiáng)的上升氣流。這從側(cè)面證實(shí)了渦旋合并且導(dǎo)致更大的渦旋加強(qiáng)或生成,即小渦旋自組織合并導(dǎo)致大渦旋加強(qiáng),大渦旋加強(qiáng)使得低氣壓加深,低氣壓加深帶來(lái)強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng),最終導(dǎo)致強(qiáng)降水的發(fā)生。

圖3 8月25日05時(shí)02分—07時(shí)34分的雷達(dá)回波(圖中a、b、c分別表示3個(gè)回波單體)a.05:02;b.05:48;c.06:30;d.06:59;e.07:05;f.07:34Fig.3 Radar echo from 05:02 to 07:34 BST 25 August in Shanghai(a,b and c denote the different echoes,respectively) a.05:02 BST;b.05:48 BST;c.06:30 BST;d.06:59 BST;e.07:05 BST;f.07:34 BST

3 主客觀(guān)預(yù)報(bào)過(guò)程分析

3.1 數(shù)值模式的預(yù)報(bào)表現(xiàn)

圖4 2008年8月25日06時(shí)(a)和07時(shí)(b)上海地區(qū)地面風(fēng)場(chǎng)(粗線(xiàn)表示低壓環(huán)流)Fig.4 Surface wind fields at(a)06:00 and(b)07:00 BST 25 August 2008 in Shanghai(Thick line denotes low circulation)

圖5 2008年8月25日02—10時(shí)上海地區(qū)低壓環(huán)流中心附近最低地面氣壓值的演變Fig.5 Evolution of the lowest pressure near low depression in Shanghaifrom02:00to10:00BST25 August 2008

圖6 2008年8月25日01—14時(shí)徐家匯站的逐小時(shí)降水量Fig.6 Evolution of hourly rainfall at Xujiahui station from 01:00 to 14:00 BST 25 August 2008

在8月24日17時(shí)預(yù)報(bào)發(fā)布之前能參考的主要數(shù)值模式有:23日20時(shí)起報(bào)的T639模式(分辨率約30 km),23日08時(shí)和20時(shí)歐洲中心的數(shù)值預(yù)報(bào)(分發(fā)產(chǎn)品,分辨率約250 km),以及23日20時(shí)起報(bào)的日本數(shù)值預(yù)報(bào)(分發(fā)產(chǎn)品,分辨率約100 km)。通過(guò)對(duì)各家數(shù)值模式預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)來(lái)看,數(shù)值預(yù)報(bào)在短期時(shí)效內(nèi)能較好地反映出高低空切變、高空槽及低渦等環(huán)流形勢(shì)的特點(diǎn),但對(duì)風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)弱、水汽條件等的預(yù)報(bào)能力較差,主要雨帶的位置也有偏差。數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)25日清晨發(fā)生在上海的強(qiáng)降水過(guò)程的預(yù)報(bào)能力較弱,特別是限于模式輸出產(chǎn)品的時(shí)間間隔(3 h)和空間分辨率(30～100 km),對(duì)渦旋自組織導(dǎo)致大渦旋加強(qiáng)的過(guò)程幾乎無(wú)法體現(xiàn)。因此,中小尺度渦旋自組織現(xiàn)象的預(yù)報(bào),需要高空間分辨率(＜10 km)和高時(shí)間分辨率(＜30 min)輸出的模式資料來(lái)支撐。

3.2 預(yù)報(bào)員應(yīng)用渦旋自組織理論的主要過(guò)程

8月25日04時(shí)30分開(kāi)始,當(dāng)班預(yù)報(bào)員發(fā)現(xiàn)太湖東側(cè)淀山湖地區(qū)首先有回波出現(xiàn),但強(qiáng)度不強(qiáng);05時(shí)20分以后回波加強(qiáng),西部青浦地區(qū)出現(xiàn)雷電和降水,值班預(yù)報(bào)員根據(jù)回波演變情況,于05時(shí)54分發(fā)布雷電黃色預(yù)警信號(hào)。06時(shí)許,雷達(dá)上顯示浙北有一回波發(fā)展,有向東北方向移動(dòng)趨勢(shì),且青浦的降水帶也有緩慢東移跡象。當(dāng)班預(yù)報(bào)員判斷兩塊回波很可能在市區(qū)上空合并,而根據(jù)渦旋自組織理論,這種合并將導(dǎo)致更大范圍和更強(qiáng)的對(duì)流回波—更有組織的環(huán)流渦旋的出現(xiàn),從而帶來(lái)短時(shí)的強(qiáng)降水,因此,在06時(shí)25分發(fā)布了暴雨黃色預(yù)警信號(hào),以后又根據(jù)最新雨情,于07時(shí)31分變更暴雨黃色為暴雨橙色預(yù)警信號(hào)。

4 結(jié)論與討論

從本次上海大暴雨的預(yù)報(bào)來(lái)看,渦旋自組織理論對(duì)預(yù)報(bào)中小尺度天氣系統(tǒng)(30～100 km)的發(fā)生發(fā)展有很好的指導(dǎo)意義。在具體工作實(shí)踐中,觀(guān)測(cè)事實(shí)、預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)與基礎(chǔ)理論的相互結(jié)合和印證既有利于預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高,也能促進(jìn)基礎(chǔ)理論研究的發(fā)展。

從前人的研究和業(yè)務(wù)實(shí)踐看,中小尺度天氣系統(tǒng)突然生成或發(fā)展的預(yù)報(bào)仍然是個(gè)未解決的問(wèn)題。而對(duì)于上海這樣的特大城市,中小尺度系統(tǒng)在原地的自組織和加強(qiáng)尤其會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的影響。2001年8月5日,上海發(fā)生了類(lèi)似于本次降水強(qiáng)度的特大暴雨(24 h降水量達(dá)到275 mm),其中也涉及到類(lèi)似的渦旋組織和合并現(xiàn)象(漆梁波,2002;漆梁波等,2006;Yu et al.,2010)。2007年7月18日濟(jì)南特大暴雨(雨強(qiáng)達(dá)到151 mm/h),也造成了嚴(yán)重的人員和財(cái)產(chǎn)損失,從相關(guān)文獻(xiàn)(楊曉霞等,2008;張少林等,2009)看,渦旋自組織現(xiàn)象在那次特大暴雨的產(chǎn)生之前也有所體現(xiàn)。因此,渦旋自組織理論在預(yù)報(bào)中小尺度天氣系統(tǒng)中應(yīng)用前景是非常廣闊的,特別在特大城市突發(fā)暴雨的預(yù)報(bào)中,可以得到很好的應(yīng)用。

渦旋自組織理論從全新的科學(xué)視角揭示了很多實(shí)際天氣過(guò)程背后所蘊(yùn)藏的科學(xué)本質(zhì),并能業(yè)務(wù)應(yīng)用。但在今后的研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用中,還有更多的領(lǐng)域需要更加深入的探索,比如:渦旋自組織理論如何更好地指導(dǎo)業(yè)務(wù)數(shù)值模式的研發(fā);如何得到渦旋自組織過(guò)程的更精確觀(guān)測(cè)事實(shí)(更高的觀(guān)測(cè)分辨率和更多的觀(guān)測(cè)手段);如何得到業(yè)務(wù)中可以比較實(shí)用的渦旋發(fā)生發(fā)展預(yù)報(bào)技術(shù)或判據(jù)等。

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