川東北一次秋季暴雨的診斷分析

劉林春, 肖天貴, 羅 娟

(成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225)

0 引言

暴雨的產(chǎn)生是由不同時(shí)間和不同空間尺度的天氣系統(tǒng)互相作用的結(jié)果。大尺度環(huán)流為中小尺度系統(tǒng)提供必要的環(huán)境場,并影響中小尺度系統(tǒng)的發(fā)展[1]。而暴雨在降水時(shí)間、強(qiáng)度和空間分布上存在的不均勻性,表明暴雨具有明顯的中尺度特征。事實(shí)證明,暴雨的發(fā)生往往與中尺度系統(tǒng)有直接關(guān)系[2-13]。因此,分析中尺度系統(tǒng)在暴雨中的作用,對探明暴雨機(jī)制及指導(dǎo)暴雨預(yù)報(bào)有著非常重要的意義。多年來,許多氣象工作者利用濾波尺度分離技術(shù)從流場中提取中尺度系統(tǒng)進(jìn)行分析。覃丹宇[14]在用濾波方法進(jìn)行MαCS云團(tuán)形態(tài)差異的個(gè)例分析中,使用濾波方法對NCAR/NCEP1°×1°再分析資料進(jìn)行尺度分離,結(jié)果表明,利用改進(jìn)的Shuman-Shapiro濾波方法,可以有效地分離出中尺度擾動。濾波結(jié)果顯示,不論是前期的近圓形中尺度對流云團(tuán),還是隨后發(fā)展起來的寬帶狀MαCS,二者都具有低空輻合高空輻散擾動結(jié)構(gòu),只是擾動的強(qiáng)度后者大于前者。陳麗英等[15]利用NCEP再分析資料,采用帶通濾波處理技術(shù),對0509號臺風(fēng)“麥莎”的活動過程進(jìn)行研究,將原始場進(jìn)行尺度分離,分為大尺度場和次天氣尺度場。通過大尺度場分析得出,“麥莎”登陸前,主要是在副熱帶高壓西側(cè)氣流的引導(dǎo)下,向西北方向移動;登陸后,主要是由于副高主體形狀的變化以及西風(fēng)槽的作用下,導(dǎo)致其路徑的突變。段旭等[16]在一次滇西南秋季暴雨的中尺度分析與診斷中應(yīng)用大尺度物理量場診斷分析和中尺度帶通濾波處理技術(shù),對2001年10月25日發(fā)生在云南西南部的一次暴雨過程機(jī)制進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,在副熱帶高壓外圍大尺度西南氣流環(huán)境場中,中尺度系統(tǒng)是此次暴雨產(chǎn)生的直接原因;大尺度環(huán)境場為暴雨的發(fā)生提供了充沛的水汽來源,而中尺度系統(tǒng)則在水汽的強(qiáng)烈輻合、向上輸送,使對流層中下層達(dá)到準(zhǔn)飽和狀態(tài)扮演了十分重要的角色。

2012年8月30日～9月1日四川東北地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性暴雨天氣,強(qiáng)降水天氣使巴中、南充、達(dá)州、廣元、廣安等地出現(xiàn)大范圍的洪澇災(zāi)害,其中巴中市共有7個(gè)站點(diǎn)降雨量超過400mm,全市128個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi),恩陽鎮(zhèn)遭遇自1965年以來最大洪水。文中利用Barnes帶通濾波方法對此次暴雨過程進(jìn)行尺度分離,探討暴雨過程的中尺度影響系統(tǒng),揭示此次暴雨發(fā)生、發(fā)展的物理機(jī)制,以期為暴雨的預(yù)報(bào)提供思路。

1 天氣過程及環(huán)流背景

分析逐日降雨量發(fā)現(xiàn),強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在2012年8月30日～9月1日(UTC,所用時(shí)間均為世界時(shí))。8月30日～9月1日累計(jì)降水量圖顯示,在川東北地區(qū)的降水區(qū)有3個(gè)強(qiáng)降水中心,最大降水中心位于儀隴縣,中心雨量超過450mm。此次暴雨過程由2次強(qiáng)降雨時(shí)段組成,第1個(gè)降水時(shí)段為8月30日00時(shí)～8月31日06時(shí);第2個(gè)降水時(shí)段為8月31日07時(shí)～9月1日12時(shí)。這次暴雨過程持續(xù)時(shí)間長、強(qiáng)度大、雨帶呈準(zhǔn)南北向(圖1),暴雨在四川地區(qū)主要集中在川東北地區(qū),暴雨強(qiáng)盛期主要發(fā)生在第2個(gè)降水時(shí)段。

圖1 2012年8月30日00時(shí)至9月1日12時(shí)降水量(單位:mm)

此次暴雨發(fā)生前2012年8月30日00時(shí),500hPa環(huán)流形勢(圖2a)特征為,歐亞地區(qū)中高緯為兩脊一槽的環(huán)流形勢,烏拉爾山和我國東北地區(qū)為高壓脊控制,兩高之間在巴爾喀什湖至蒙古高原為寬廣槽區(qū),槽底有短波槽分裂從青藏高原下滑東移影響四川盆地;在中低緯地區(qū),副熱帶高壓主體控制西南地區(qū)和南海北部,副高脊線位于25°N附近,西伸脊點(diǎn)位于90°E附近。之后,隨著強(qiáng)冷空氣的侵入,強(qiáng)冷平流使得高空槽加深東移,副熱帶高壓逐漸斷裂,到31日18時(shí)四川位于兩高之間,短波槽移至盆地上空,此時(shí)槽后冷空氣與副熱帶高壓西北側(cè)的西南暖濕氣流交匯于川東地區(qū),為暴雨的發(fā)生和持續(xù)提供有利環(huán)流背景和充足的水汽條件。

圖2 500hPa位勢高度場(單位:dagpm)和風(fēng)場分布(圖中粗實(shí)線為高空槽線)

2 暴雨中尺度系統(tǒng)特征

利用NCEP 1°×1°每6h一次的再分析格點(diǎn)資料;采用Barnes濾波方法進(jìn)行中尺度濾波[17],取濾波常數(shù)C1=4000km2,C2=120000km2,G1=G2=0.3,構(gòu)造中尺度帶通濾波器,對 90°E ～ 120°E、15°N ～ 45°N 范圍內(nèi)格點(diǎn)上的高度、溫度和相對濕度等要素進(jìn)行濾波處理,該濾波器最大響應(yīng)波長為500km,由這一濾波器可提取水平尺度約200～300km的中α尺度波動。

從濾波后850hPa擾動高度場和未來6小時(shí)降水量疊加圖上看,在暴雨開始前,8月 30日00時(shí)(圖4a),在川東北地區(qū)有一條東北西南向的中尺度擾動低壓帶,其值為-2gpm,6小時(shí)降水圖上,川東地區(qū)開始出現(xiàn)降水,最大雨量為35mm;30日18時(shí),中尺度擾動低壓在川東北有所增強(qiáng),其值為-3gpm,與其對應(yīng)的降水也增強(qiáng),1小時(shí)雨量由4mm增加到9mm(圖3),之后逐小時(shí)降水量開始減少,直到31日12時(shí)降水量又開始增強(qiáng),此階段對應(yīng)西南急流的減弱到重新建立(圖5);到31日18時(shí)(圖4b),川東北中尺度擾動低壓繼續(xù)發(fā)展,中心值為-5gpm,未來6小時(shí)降水圖上,50mm的雨團(tuán)范圍擴(kuò)大,雨團(tuán)位于擾動低壓中心東部,此后,低壓中心和強(qiáng)雨團(tuán)維持在川東北地區(qū)少動;到9月1日04時(shí),隨著中尺度擾動低壓的東移減弱,川東北的強(qiáng)降水開始減弱(圖3),未來6小時(shí)的降水圖上(圖4c),50mm雨團(tuán)范圍縮小。由此可知,此次暴雨過程中,中尺度擾動低壓的發(fā)生、發(fā)展和移動在對中尺度雨團(tuán)的產(chǎn)生、雨幅增強(qiáng)及降水落區(qū)的改變中有十分重要的作用。在暴雨發(fā)生發(fā)展和結(jié)束階段,中尺度雨團(tuán)主要位于低壓中心,在暴雨強(qiáng)盛期,雨團(tuán)主要位于低壓中心東部。

分析帶通濾波后的中尺度系統(tǒng)擾動溫度場、濕度場特征發(fā)現(xiàn),在850hPa上,川東北地區(qū)的中尺度低壓和輻合線具有暖性、高濕特點(diǎn),到8月31日18時(shí),濕層到達(dá)對流層中層500hPa,且濕度加大,但其中心溫度卻略有降低。

圖3 2012年8月30日00:00～9月1日12:00川東北地區(qū)逐小時(shí)平均降水演變圖

圖4 850hPa等壓面上中尺度濾波后的高度場(線條)與未來6小時(shí)降水量疊加圖(單位:mm)

3 中尺度系統(tǒng)與低空急流

低空急流是一個(gè)動量、熱量和水汽的集中輸送帶,是給暴雨和強(qiáng)對流天氣提供水汽和能量的最重要機(jī)制[18]。在此次暴雨過程中,低空急流對中尺度低壓、中尺度輻合線、擾動溫、濕中心等的形成、發(fā)展起到了積極作用。圖5是8月30日～9月1日川東北暴雨中心所在的31.5°N,106.5°E格點(diǎn)的全風(fēng)速高度-時(shí)間演變圖。從圖5可見,在西南氣流控制期間,8月30日00時(shí),在800hPa上風(fēng)速＞9m/s,到06時(shí)增大為12m/s,形成低空急流,這支急流的建立對應(yīng)著川東北中尺度擾動低壓的形成,并開始出現(xiàn)強(qiáng)降水。30日夜間,西南風(fēng)速有所減弱。31日00時(shí)午,在750hPa處又出現(xiàn)一支低空急流,但之后迅速消失。直到9月1日12時(shí),低空急流再次建立,這支急流持續(xù)到川東北大暴雨過程結(jié)束,到1日06時(shí),600hPa上已形成一個(gè)16m/s的風(fēng)速中心,相對于1日00時(shí)的風(fēng)速增加了6m/s,這種風(fēng)速的短時(shí)脈動加強(qiáng)了與北方偏北氣流的輻合。可見,低空西南急流不僅為川東北暴雨提供豐沛的水汽,同時(shí)也為中尺度系統(tǒng)的形成、發(fā)展提供能量來源和有利的動力條件。

4 中尺度系統(tǒng)與水汽輻合

暴雨的產(chǎn)生需要在本地上空有水汽輻合及充足的水汽來源。沿106.5°E作850hPa水汽通量及其散度的時(shí)間演變圖,由圖6可見,從8月30日00時(shí)起水汽大值輻合中心一直位于川東北地區(qū),只有在31日白天水汽通量散度值有所下降。隨著低空急流和中尺度系統(tǒng)的生成,水汽輻合開始迅速增強(qiáng),到8月31日18時(shí),水汽通量散度值增大為-12×10-7g/(s·hPa·cm2),持續(xù)的水汽輻合使暴雨區(qū)水汽含量達(dá)到最大,水汽輻合還可造成空氣的濕層增厚。由此可見,大尺度環(huán)流場為暴雨提供水汽來源,而中尺度系統(tǒng)為水汽的輻合和向上輸送做出貢獻(xiàn)。

圖7是8月31日18時(shí)沿106.5°E的水汽通量及散度垂直剖面圖,可見從地面到400hPa,暴雨區(qū)域上空是一條向北傾斜的水汽通量輻合帶,水汽通量最大輻合區(qū)主要集中在900hPa～700hPa,與低空急流的位置同步,再次表明低空急流的建立為暴雨區(qū)帶來了充沛的水汽。

圖5 8月30日～ 9月1日 31.5°N,106.5°E 格點(diǎn)全風(fēng)速的高度-時(shí)間演變圖

圖6 水汽通量及散度隨時(shí)間演變

圖7 8月31日18時(shí)沿106.5°E的水汽通量及散度垂直剖面圖

5 中尺度系統(tǒng)與能量鋒區(qū)

暴雨的發(fā)生需要高能量的條件。θse(假相當(dāng)位溫)是表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合特征量。圖8給出了8月30日00時(shí)～9月1日12時(shí)850hPa面上的θse連續(xù)演變,可見8月30日00時(shí)(圖8a),由于從青藏高原上不斷分裂短波槽下來,使冷空氣在陜西南部活動頻繁,而川東北基本為350K的暖區(qū);8月30日18時(shí)(圖8b),短波槽逐步東移,而由南風(fēng)輸送的暖濕氣流加強(qiáng),重慶中部出現(xiàn)360K的暖區(qū),并影響到川東北地區(qū),地面出現(xiàn)9mm/h降水;8月31日12時(shí)(圖8c),短波槽的加深致使冷空氣開始入侵,川東北的θse隨之減弱;8月31日18時(shí)(圖8d),隨著低空急流的再次建立,南支暖濕氣流不斷加強(qiáng),350K暖區(qū)再次控制川東北地區(qū),并出現(xiàn)鋒面,此時(shí)該地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)層結(jié)不穩(wěn)定,對應(yīng)地面出現(xiàn)9mm/h降水;9月1日12時(shí)(圖8e),隨著低空急流的消失,暖濕氣流的輸送逐步減弱,北方冷空氣全面入侵,降水過程隨之結(jié)束。在川東北地區(qū)θse高值區(qū)重復(fù)出現(xiàn),來自北方的冷空氣不僅為降水的形成提供有利鋒面形勢,同時(shí)冷空氣的侵入使低層輻合加強(qiáng),輻合區(qū)內(nèi)上升運(yùn)動加劇。在大尺度西南氣流和冷空氣影響下,層結(jié)不穩(wěn)定有利于中尺度系統(tǒng)觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量和潛熱的大量釋放,從而產(chǎn)生暴雨。此外,暴雨區(qū)平均的假相當(dāng)位溫的時(shí)間-高度剖面圖(圖9)反映出在降水區(qū)有明顯的暖濕能量鋒出現(xiàn),并在中層500hPa附近有冷空氣活動,川東北地區(qū)的不穩(wěn)定垂直對流層結(jié)出現(xiàn),暖濕能量與北方侵入的干冷氣流共同作用產(chǎn)生了此次大暴雨過程。

圖8 850hPa面上的的連續(xù)演變

6 暴雨的動力特征

在渦度和散度圖上,500hPa以下為正渦度,大值中心位于800hPa上,達(dá)14×10-5s-1,這是對流層低層存在負(fù)值擾動相對應(yīng)。500hPa以上為負(fù)渦度,大值中心位于250hPa上,達(dá)-8×10-5s-1。這種高低層正負(fù)渦度的配置有利于暴雨的產(chǎn)生。再看散度分布,700hPa以下為輻合層,最強(qiáng)中心位于800hPa上,達(dá)-8×10-5s-1,600hPa以上為輻散層,最強(qiáng)中心位于450hPa上,達(dá)-8×10-5s-1,低層輻合高層輻散的配置有利于垂直上升運(yùn)動的發(fā)展和中尺度低渦的維持及強(qiáng)暴雨的發(fā)生。

同時(shí)間段的垂直速度時(shí)間演變圖上,8月31日18時(shí),有一上升氣流柱從低層一直延伸至350hPa,中心位于600hPa,其值達(dá)-2.4pa/s,強(qiáng)烈的上升運(yùn)動將下層暖濕氣流帶到高空,為暴雨的發(fā)生積累不穩(wěn)定能量,該時(shí)刻也恰好是川東北暴雨的強(qiáng)盛期。這次過程的動力條件分析表明,暴雨期間的低層輻合、高層輻散與垂直上升運(yùn)動及正渦度的耦合,對中尺度系統(tǒng)的發(fā)展與維持起著重要的作用,從而也加強(qiáng)和維持了川東北的強(qiáng)降水過程。

圖9 2012年8月30日00時(shí)～9月1日12時(shí)暴雨區(qū)平均的時(shí)間高度剖面(單位:K)

圖10 2012年 8月30日～9月1日31.5°N,106.5°E 格點(diǎn)

7 結(jié)論

通過對此次暴雨的分析,了解到在大尺度背景場中,中尺度系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展的機(jī)制,為氣象預(yù)報(bào)提供一些思路。

(1)歐亞地區(qū)中高緯為兩脊一槽的環(huán)流形勢,隨著強(qiáng)冷空氣的侵入,強(qiáng)冷平流使得高空槽加深并分裂出高原短波槽東移發(fā)展,副熱帶高壓帶逐漸斷裂,之后四川地區(qū)處于兩高之間,短波槽位于盆地上空,槽后攜帶的冷空氣與副高西北側(cè)的暖濕氣流交匯于川東地區(qū),為暴雨的發(fā)生和持續(xù)提供有利的環(huán)流背景和充足的水汽條件。

(2)濾波后獲得的中尺度低壓是此次暴雨的直接影響系統(tǒng),中尺度低壓具有暖性、高濕特點(diǎn)。

(3)低空西南急流不僅為川東北暴雨提供豐沛的水汽,同時(shí)也為中尺度系統(tǒng)的形成、發(fā)展提供能量來源和有利的動力條件。

(4)暴雨不僅需要充足的水汽,強(qiáng)烈的水汽輻合也是必不可少的。大尺度環(huán)流場為暴雨提供水汽來源,而中尺度系統(tǒng)為水汽的輻合和向上輸送做出貢獻(xiàn)。

(5)暴雨的發(fā)生需要高能量的條件。在大尺度西南氣流和冷空氣影響下,層結(jié)不穩(wěn)定有利于中尺度系統(tǒng)觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量和潛熱的大量釋放,從而形成有利于垂直運(yùn)動的低層輻合、高層輻散的散度配置,有利于暴雨的發(fā)生與維持。

[1] 陸漢城.中尺度天氣原理和預(yù)報(bào)(第二版)[M].北京:氣象出版社,2004:1-10.

[2] 文莉娟,程麟生,左洪超,等.“98.5”華南前汛期暴雨中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的動力、熱量和水汽收支診斷[J].高原氣象,2006,25(1):45-51.

[3] 廖移山,李俊,王曉芳,等.2007年7月18日濟(jì)南大暴雨的β中尺度分析[J].氣象學(xué)報(bào),2010,68(6):944-956.

[4] 高守亭,孫建華,崔曉鵬.暴雨中尺度系統(tǒng)數(shù)值模擬與動力診斷研究[J].大氣科學(xué),2008,32(4):854-866.

[5] 楊波,孫繼松,魏東.北京奧運(yùn)會開幕式期間的中尺度天氣系統(tǒng)研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2010,21(2):164-170.

[6] 董海萍,趙思雄,曾慶存.低緯高原地區(qū)一次強(qiáng)降水過程的中尺度雨團(tuán)數(shù)值模擬研究[J].大氣科學(xué),2008,32(5):1159-1173.

[7] 孫繼松,楊波.地形與城市環(huán)流共同作用下的β中尺度暴雨[J].大氣科學(xué),2008,32(6):1352-1364.

[8] 陶王月,齊彥斌,洪延超.華北一次暴雨過程中潛熱對中尺度系統(tǒng)和降水影響的數(shù)值研究[J].氣象學(xué)報(bào),2012,70(1):50-64.

[9] 趙玉春,王葉紅,崔春光.一次典型梅雨鋒暴雨過程的多尺度結(jié)構(gòu)特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2011,34(1):14-27.

[10] 王培,沈新勇,高守亭.一次東北冷渦過程的數(shù)值模擬與降水分析[J].大氣科學(xué),2012,36(1):130-144.

[11] 夏茹娣,趙思雄,孫建華.一類華南鋒前暖區(qū)暴雨β中尺度系統(tǒng)環(huán)境特征的分析研究[J].大氣科學(xué),2006,30(5):987-1008.

[12] 肖天貴,孫照渤,葛非.四川“9.22”暴雨過程的波包分布及傳播特征[J].氣象科學(xué),2010,30(2):185-192.

[13] 張雷,肖天貴,燕亞菲等.四川巴中地區(qū)38年來氣候變化特征分析[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào),2010,25(3):293-300.

[14] 覃丹宇.用濾波方法進(jìn)行Mα CS云團(tuán)形態(tài)差異的個(gè)例分析[J].大氣科學(xué),2010,34(1):154-162.

[15] 陳麗英,趙蕾,李春鑾,等.臺風(fēng)”麥莎”移動路徑及其內(nèi)部熱力結(jié)構(gòu)的診斷分析[J].氣象研究與應(yīng)用,2011,32(3):8-11.

[16] 段旭,許美玲,孫績?nèi)A,等.一次滇西南秋季暴雨的中尺度分析與診斷[J].高原氣象,2003,22(6):598-601.

[17] 陳忠明.氣象場中尺度帶通濾波方法研究[J].氣象學(xué)報(bào),1992,50:504-510.

[18] 丁一匯.高等天氣學(xué)[M].北京:氣象出版社,2005,443-452.