青藏高原東側(cè)特殊地形對(duì)低層風(fēng)場(chǎng)調(diào)整作用對(duì)比分析

周春花，張 駒

(1.四川省氣象臺(tái)，四川成都610072;2.四川省氣象局科技與預(yù)報(bào)處，四川成都610072)

0 引言

暴雨[1－9]的產(chǎn)生是多種因素共同作用的結(jié)果，地形是其中之一。山地可以直接通過(guò)地形抬升和感熱誘發(fā)降水，也可以間接通過(guò)地形誘發(fā)局地環(huán)流和不穩(wěn)定性的釋放來(lái)誘發(fā)降水。李川等[2]研究表明:青藏高原東側(cè)陡峭地形結(jié)構(gòu)造成四川西北部和黃河上游的強(qiáng)水汽輻合中心，并使低層高能舌和能量鋒區(qū)位于海拔較低的四川盆地，在四川盆地對(duì)流層低層建立起位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)。青藏高原東側(cè)陡峭地形結(jié)構(gòu)引起低層偏東氣流強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)，最強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在東西風(fēng)垂直切變與陡峭地形交匯處，激發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，促使強(qiáng)對(duì)流猛烈發(fā)展。丁一匯等[3]對(duì)1975年8月河南特大暴雨的研究表明:特殊地形使氣流產(chǎn)生輻合，從而形成強(qiáng)迫抬升是該次暴雨增強(qiáng)的主要因素。葛晶晶等[1]對(duì)地形影響下四川暴雨的數(shù)值模擬分析表明:大巴山地形使得西南暖濕氣流所帶來(lái)的水汽和熱量在迎風(fēng)坡堆積，從而在迎風(fēng)坡和山頂出現(xiàn)較強(qiáng)的降水中心。何光碧[4]對(duì)高原東側(cè)陡峭地形對(duì)一次盆地中尺度渦旋及暴雨的數(shù)值試驗(yàn)也表明:地形與渦旋的活動(dòng)及降水的分布密切相關(guān)。以上文獻(xiàn)從不同方面闡述了地形對(duì)暴雨的增幅作用，然而地形影響降水的動(dòng)力、熱力、微物理效應(yīng)十分復(fù)雜，要真正揭示峽谷地形對(duì)降水增幅作用的本質(zhì)特征，還需作大量深入細(xì)致的研究。位于高原東側(cè)陡峭地形區(qū)的四川盆地西部地形極其復(fù)雜，局地強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)。2013年7月3～5日、7月7～11日在四川盆地西部發(fā)生了兩次大暴雨天氣過(guò)程。利用NCEP模式分辨率為1°×1°經(jīng)緯度的實(shí)時(shí)分析資料，著重分析青藏高原東側(cè)陡峭地形對(duì)低層風(fēng)場(chǎng)的調(diào)整作用。

1 雨量實(shí)況

2013年7月3日20時(shí)～7月5日08時(shí)(北京時(shí)，下同，以下簡(jiǎn)稱“7.3”過(guò)程)四川盆地出現(xiàn)了暴雨、大暴雨。根據(jù)加密雨量站監(jiān)測(cè)顯示，有97個(gè)站累計(jì)雨量超過(guò)100 mm，大暴雨落區(qū)主要位于盆地西部沿山一帶。圖1(a)是暴雨中心漢旺的的逐小時(shí)雨量圖，從圖1(a)可看出強(qiáng)降雨主要有兩個(gè)時(shí)段，3日23時(shí)～4日04時(shí)、4日08～16時(shí)，小時(shí)最大雨強(qiáng)43.2 mm，發(fā)生在7月4日11時(shí)。

圖1 雨量圖

7月7日20時(shí)～7月11日10時(shí)四川盆地西部持續(xù)性暴雨，累計(jì)降水量1000 mm以上的1站，500～1000 mm以上的60站，250～500 mm以上184站，100～250 mm 553站，50～100 mm 437站。最大降雨出現(xiàn)在都江堰幸福鎮(zhèn)為1107.9 mm。強(qiáng)降雨時(shí)段主要在8日20時(shí)～9日14時(shí)，9日22時(shí)～10日20時(shí)，如圖1(b)。此次降水總量大、降水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，都江堰幸福鎮(zhèn)最大小時(shí)雨強(qiáng)為125.3 mm，出現(xiàn)在9日03時(shí)。不管從24h雨量還是小時(shí)雨強(qiáng)，該過(guò)程與“7.3”過(guò)程相比，大暴雨站點(diǎn)更多，雨強(qiáng)更大，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

2 天氣環(huán)流背景及環(huán)境場(chǎng)分析

2.1 環(huán)流背景分析

“7.3”過(guò)程的主要影響系統(tǒng)是高原低槽東移。從500 hPa環(huán)流形勢(shì)看(圖略)，副高脊線在28°N，588線西界位于109°E附近，受巴湖低渦影響，青藏高原多波動(dòng)，青海中部到西藏中部有一低槽，“溫比亞”臺(tái)風(fēng)登陸后位于廣西南部，并逐漸向西偏北方向移動(dòng)，受其影響，副熱帶高原開(kāi)始減弱東退，青藏高原低槽并隨東移，與東北低渦南部低槽合并加強(qiáng)，位于陜西平?jīng)鼋?jīng)溫江到西昌一線，影響四川盆地西部，同時(shí)700 hPa上有切變線生成，850 hPa四川盆地風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)為氣旋性環(huán)流，輻合區(qū)從盆地西北部逐漸南移到盆地西南部。降雨落區(qū)就位于700 hPa切變線南部和850 hPa的風(fēng)向輻合區(qū)。此次過(guò)程的另一特點(diǎn)就是冷空氣強(qiáng)，移動(dòng)速度快。

“7.9”過(guò)程的主要影響系統(tǒng)也是高原低槽東移造成這次暴雨天氣。500 hPa環(huán)流形勢(shì)是副高穩(wěn)定維持在我國(guó)東南沿海一帶，臺(tái)風(fēng)“蘇力”(SOULIK)在西太平洋上分別增強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，往西北方向移動(dòng)，高原東部的低值系統(tǒng)維持在盆地西部，同時(shí)低層700 hPa維持強(qiáng)的西南急流，攀西地區(qū)到盆地的西南氣流伴有氣旋式曲度，向盆地西部彎曲，造成盆地西部持續(xù)性的大暴雨天氣。相對(duì)于“7.3”過(guò)程，本次過(guò)程的冷空氣強(qiáng)度勢(shì)力偏弱，而弱冷空氣侵入到強(qiáng)烈發(fā)展的暖濕氣團(tuán)內(nèi)對(duì)其起到一定的擾動(dòng)作用，導(dǎo)致積蓄的不穩(wěn)定能量得到釋放，對(duì)于強(qiáng)的中尺度對(duì)流云團(tuán)形成發(fā)展起到重要作用。

2.2 環(huán)境場(chǎng)分析

大暴雨是在有利的大尺度天氣形勢(shì)下配合有利的環(huán)境條件產(chǎn)生的。表1給出兩次過(guò)程中降水量最大站點(diǎn)環(huán)境參數(shù)隨時(shí)間的演變。從中可看出，在“7.3”過(guò)程中，3日20時(shí)至4日08時(shí)，K指數(shù)均為41℃，表明該過(guò)程中有強(qiáng)烈不穩(wěn)定能量形成發(fā)展，且CAPE值在3日20時(shí)高達(dá)2236.2 J.Kg－1，表明熱力不穩(wěn)定強(qiáng)度大，且CAPE能量釋放后形成上升氣流的強(qiáng)度強(qiáng)，因此具有更好的降水效率，這可能是漢旺雨強(qiáng)能達(dá)到45.7 mm·h－1的原因之一。850 hPa水汽通量散度均大于10 ×10－5g.cm.hPa－1.s－1，且輻合強(qiáng)度明顯增大，到 4日 20 時(shí)達(dá)到－40 ×10－5g.cm.hPa－1.s－1，說(shuō)明有強(qiáng)的水汽輸送和輻合上升，并且該過(guò)程后期有明顯的冷空氣參與，在3日20時(shí)至4日08時(shí)期間漢旺位于溫度平流零線附近，到4日20時(shí)冷空氣占主導(dǎo)地位，侵入暖氣團(tuán)中觸發(fā)對(duì)流不穩(wěn)定能量。“7.9”過(guò)程，在7日20時(shí)至9日08時(shí)期間K指數(shù)都大于39℃，CAPE值夜間都顯著增加，7日20時(shí)和8日20時(shí)CAPE值分別達(dá)到2163.2和1635.2 J.Kg－1，說(shuō)明在此期間內(nèi)大氣層結(jié)時(shí)及其不穩(wěn)定，夜間對(duì)流不穩(wěn)定度加大，帶來(lái)短時(shí)的強(qiáng)降雨，都江堰小時(shí)雨強(qiáng)最大達(dá)到57.9 mm。850 hPa水汽通量散度過(guò)程期間都在－15×10－5g.cm.hPa－1.s－1以上，整個(gè)過(guò)程期間都維持著強(qiáng)的水汽輸送和輻合。并且過(guò)程后期有弱冷空氣侵入。對(duì)比兩次過(guò)程的天氣背景和環(huán)流場(chǎng)特征的分析表明，兩次暴雨過(guò)程都發(fā)生在有利的水汽和不穩(wěn)定的環(huán)境場(chǎng)中，在“7.9”過(guò)程中有持續(xù)的低空急流維持，發(fā)生持續(xù)性的暴雨天氣，“7.3”過(guò)程的急流不明顯，但冷空氣較“7.9”過(guò)程強(qiáng)，但兩次過(guò)程均發(fā)生在青藏高原東側(cè)龍門山沿線，表明特殊地形對(duì)大暴雨的產(chǎn)生有非常關(guān)鍵的作用。

表1 兩次過(guò)程不同時(shí)次環(huán)境參數(shù)變化

3 地形對(duì)低層風(fēng)場(chǎng)的調(diào)整作用

3.1 地形對(duì)低層水平風(fēng)場(chǎng)的調(diào)整

研究表明[5]，山地通過(guò)動(dòng)力作用和熱力過(guò)程在相應(yīng)的空氣層中使天氣尺度系統(tǒng)或氣流發(fā)生重大改變。為分析龍門山地形對(duì)近地面層風(fēng)場(chǎng)的影響，圖2給出“7.3”和“7.9”兩次過(guò)程不同時(shí)次的850 hPa流場(chǎng)?！?.3”過(guò)程中，3日20時(shí)暴雨區(qū)開(kāi)始有8 m.s－1的東南風(fēng)，盆地內(nèi) 105°E～ 108°E，26°N～ 29°N 有大于8 m.s－1的東南風(fēng)，最大風(fēng)速達(dá)14 m.s－1，此時(shí)盆地西部的龍門山沿線開(kāi)始普降暴雨。4日08時(shí)盆地西部風(fēng)速開(kāi)始略為加大，但仍不到8 m.s－1，但急流向西挺進(jìn)，盆地西部的東南風(fēng)由于地形的影響向南彎曲，在盆地西部形成氣旋性彎曲，此時(shí)龍門山一帶的雨強(qiáng)和范圍加大。4日20時(shí)由于強(qiáng)冷空氣的南下，形成強(qiáng)的偏北風(fēng)，風(fēng)速最大達(dá)16 m.s－1，此時(shí)龍門山一帶的強(qiáng)降雨結(jié)束，暴雨主要發(fā)生在地形與偏北風(fēng)垂直的雅安、樂(lè)山、宜賓一帶。5日08時(shí)盆地內(nèi)的轉(zhuǎn)為西北氣流控制，暴雨結(jié)束。

圖2 850 hPa流場(chǎng)和風(fēng)速

“7.9”過(guò)程中，7月7日20時(shí)龍門山一帶為東南氣流，風(fēng)速為4～6 m.s－1，急流位于 106°E 以東，29°N以南，此時(shí)在沿山一帶有分散的短時(shí)強(qiáng)降雨產(chǎn)生。8日08時(shí)維持4～6 m.s－1的偏東南氣流，但急流向西向北擴(kuò)展，廣元一帶的風(fēng)速增加到8～12 m.s－1，由于大巴山山脈的阻擋作用，在廣元、綿陽(yáng)一帶形成短時(shí)強(qiáng)降雨，青川的小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)47.3 mm。8日20時(shí)，龍門山和大巴山的東南風(fēng)速顯著加大，普遍達(dá)6～10 m.s－1，急流也向西向北調(diào)整，急流區(qū)西界和北界分別達(dá)到104.5°E 和 32°N，由于地形的阻擋作用，在廣元、綿陽(yáng)、德陽(yáng)、成都、雅安、眉山、樂(lè)山一帶形成強(qiáng)降雨帶，都江堰小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)57.9 mm。9日08時(shí)，龍門山沿線的風(fēng)速進(jìn)一步加大，達(dá)8～12 m.s－1，急流核的風(fēng)速也加大到18 m.s－1，此時(shí)由于冷空氣的入侵，加之東南風(fēng)速的加大，促使龍門山沿線的東南風(fēng)向南彎曲，形成氣旋性曲度，降雨主要發(fā)生在成都、雅安、眉山一帶，都江堰的小時(shí)雨強(qiáng)也減小到28.3 mm。9日20時(shí)，東南急流區(qū)向南向東收縮，由于冷空氣的影響，偏北風(fēng)分量加大，在龍門山沿線轉(zhuǎn)為北東北風(fēng)，東北風(fēng)風(fēng)速在8～11 m.s－1，綿陽(yáng)、德陽(yáng)、成都的強(qiáng)降雨持續(xù)，都江堰小時(shí)最大雨強(qiáng)20.7 mm。10日08時(shí)～20時(shí)，東南急流區(qū)又向西向北擴(kuò)展，由于南風(fēng)分量的加大，在龍門山沿線轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，成都附近的風(fēng)速達(dá)12 m.s－1以上，此時(shí)，成都降雨持續(xù)。11日08時(shí)，急流區(qū)東退至106°E以東，盡管龍門山沿線為東南氣流，但風(fēng)速顯著減小，降雨結(jié)束。

以上的分析表明，地形對(duì)兩次暴雨過(guò)程的850 hPa流場(chǎng)起到一定的調(diào)整作用，“7.3”過(guò)程?hào)|南氣流與地形以接近90°的夾角相交，地形的強(qiáng)迫抬升觸發(fā)對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放，但這次過(guò)程?hào)|南氣流的風(fēng)速偏小，暖濕氣流勢(shì)力偏弱，冷空氣較強(qiáng)，冷空氣入侵盆地以后，龍門山沿線風(fēng)向迅速轉(zhuǎn)為西北氣流，降水結(jié)束?！?.9”過(guò)程前期7日20時(shí)～8日20時(shí)，東南氣流較“7.3”過(guò)程略為偏強(qiáng)，東南氣流與龍門山山脈也是接近90°的夾角相交，地形的強(qiáng)迫抬升觸發(fā)對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放，這個(gè)階段為典型的暖區(qū)暴雨階段，雨強(qiáng)大，9日08時(shí)～10日20時(shí)，冷空氣入侵盆地，與強(qiáng)盛的東南氣流在龍門山沿線交綏，冷暖氣流勢(shì)力相當(dāng)，形成偏東北氣流配合復(fù)雜的地形作用，造成龍門山沿線的暴雨，此階段雨強(qiáng)較暖區(qū)降雨時(shí)段的雨強(qiáng)偏小。

3.2 地形對(duì)垂直流場(chǎng)的調(diào)整

圖3 2013年沿32°N的緯向環(huán)流剖面和垂直速度(陰影，單位:Pa.s－1)

為了分析地形對(duì)垂直流場(chǎng)的作用，選取兩個(gè)過(guò)程中的沿暴雨中心(32°N)的垂直經(jīng)向和垂直速度剖面，“7.3”過(guò)程3日20時(shí)，在100°E～105°E 的850 hPa至300 hPa為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，在暴雨區(qū)內(nèi)有0.2 Pa.s－1的上升速度配合，4日08時(shí)，當(dāng)?shù)蛯訓(xùn)|南風(fēng)風(fēng)速加大后，暴雨區(qū)的上升速度也顯著增大，最大上升速度達(dá)到了0.4 Pa.s－1。4日20時(shí)低層轉(zhuǎn)為西北氣流影響后，暴雨區(qū)轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動(dòng)，降雨結(jié)束。

“7.9”過(guò)程，7日20時(shí)～8日08時(shí)，在整個(gè)95°E～115°E范圍內(nèi)的中低層為垂直環(huán)流的上升區(qū)，暴雨區(qū)域內(nèi)上升氣流達(dá)到300 hPa，且垂直上升速度在0.2～1.0 Pa.s－1，最大上升速度在700 hPa附近，為1 Pa.s－1。8日20時(shí)，當(dāng)?shù)蛯訓(xùn)|南氣流加強(qiáng)時(shí)，盡管上升氣流仍在300 hPa附近，但低層700 hPa的上升速度加大，達(dá)1.2 Pa.s－1以上。9日02時(shí)，暴雨區(qū)的上升速度顯著加大，最大上升速度達(dá)1.8 Pa.s－1以上。一直到10日20時(shí)，暴雨區(qū)維持上升氣流支，并配合著上升速度的大值區(qū)。通過(guò)上面分析，“7.9”過(guò)程期間，暴雨區(qū)維持著上升氣流的上升支，且都對(duì)應(yīng)著垂直上升速度的大值區(qū)，上升氣流普遍都達(dá)300 hPa附近，上升速度在700 hPa上最大。當(dāng)?shù)蛯託饬骷訌?qiáng)時(shí)，垂直上升速度加大。且從地形來(lái)看，在103°E～105°E范圍內(nèi)，地形的坡度最大，暴雨區(qū)就發(fā)生在此區(qū)域，進(jìn)一步說(shuō)明地形對(duì)上升氣流的影響。

對(duì)比兩次過(guò)程，當(dāng)龍門山一帶受東南或東北氣流影響時(shí)，由于風(fēng)速的輻合與地形的抬升作用，造成垂直上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈發(fā)展，上升速度的大值區(qū)位于700 hPa附近，上升運(yùn)動(dòng)區(qū)對(duì)應(yīng)著大的上升速度區(qū)?！?.3”過(guò)程由于東南氣流較“7.9”過(guò)程偏弱，因此地形造成的強(qiáng)迫抬升作用相對(duì)較小，上升速度普遍在0.2～0.4 Pa.s－1。而“7.9”過(guò)程一直持續(xù)較大的上升速度，最大上升速度發(fā)生在冷暖空氣剛交匯時(shí)，9日14時(shí)，上升速度達(dá)到了2.4 Pa.s－1以上，從圖中還可看出，上升速度的大值區(qū)域主要位于103.5°E～105.5°E的地形陡峭區(qū)域。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)“7.3”和“7.9”兩次過(guò)程的背景場(chǎng)和地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響分析，得出以下結(jié)論。

(1)兩次過(guò)程都是在副高西側(cè)的低值系統(tǒng)影響下發(fā)生的，過(guò)程發(fā)生前期盆地西部處于高溫高能和及其不穩(wěn)定的情況下，系統(tǒng)影響時(shí)有冷空氣配合，但“7.3”日的冷空氣勢(shì)力較“7.9”強(qiáng)，與此同時(shí)西南暖濕氣流相對(duì)較弱，導(dǎo)致盆地西部快速轉(zhuǎn)為西北氣流，降雨持續(xù)時(shí)間短，但雨量大。“7.9”日西南氣流強(qiáng)，冷暖空氣勢(shì)力相當(dāng)，導(dǎo)致它們?cè)谂璧匚鞑拷唤?，造成盆地西部的持續(xù)暴雨產(chǎn)生。

(2)地形對(duì)兩次暴雨過(guò)程的850 hPa流場(chǎng)起到一定的調(diào)整作用，冷空氣影響前東南氣流與地形以接近90°的夾角相交，地形的強(qiáng)迫抬升觸發(fā)對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放，冷空氣入侵后，偏東北氣流配合復(fù)雜的地形作用，造成龍門山沿線的暴雨。

(3)上升速度的大值區(qū)域主要位于103.5°E～105.5°E的地形陡峭區(qū)域，東南(東北)氣流越強(qiáng)上升速度就越大，上升速度的大值區(qū)主要位于700 hPa。

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