2013年浙江兩次汛期暴雨過程對比分析

錢卓蕾,郭品文

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2013年浙江兩次汛期暴雨過程對比分析

錢卓蕾①*,郭品文②

① 浙江省紹興市氣象局,浙江 紹興 312000;

② 南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044

2014-02-21收稿，2014-05-01接受

中國氣象局氣候變化專項(xiàng)項(xiàng)目(CCSF201535)

利用NCEP/NCAR再分析資料,對2013年4月29日(4.29)和6月6日(6.6)浙江兩次汛期暴雨的天氣形勢場、熱力動(dòng)力和水汽條件進(jìn)行對比分析,研究浙江暴雨的機(jī)理,為暴雨預(yù)報(bào)提供依據(jù)。結(jié)果表明:1)4.29暴雨影響系統(tǒng)高層為西風(fēng)槽、低層為低渦;6.6暴雨高低層影響系統(tǒng)均為低渦。2)4.29暴雨高空西風(fēng)急流強(qiáng),垂直方向上存在正向環(huán)流圈,低層輻合對應(yīng)高層輻散;6.6暴雨高空西風(fēng)弱,垂直方向上無明顯環(huán)流圈,散度場分布較復(fù)雜。3)4.29暴雨主要水汽來源為孟加拉灣、南?！魈窖?6.6暴雨主要水汽來源為孟加拉灣、南?！魈窖蠛蜄|海。4)4.29暴雨過程中鋒區(qū)呈東西走向,有較強(qiáng)冷空氣侵入,而6.6暴雨過程中鋒區(qū)呈東南—西北走向,只有較弱冷空氣侵入。

暴雨低渦西風(fēng)急流濕位渦

我國夏季南方暴雨頻發(fā),往往造成嚴(yán)重的洪澇,學(xué)界圍繞我國暴雨的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了廣泛而深入的研究,成果豐富。眾多研究表明:大尺度環(huán)流形勢(陶詩言等,1980)、風(fēng)場配置(閻鳳霞等,2005;張恒德等,2011;陳威斌等,2012;舒斯等,2015)和水汽輸送(郭英蓮等,2010;胡燕平等,2011)對暴雨的形成和維持有重要意義。中尺度環(huán)境場對暴雨也有重要作用,中尺度系統(tǒng)的生成和強(qiáng)烈發(fā)展與暴雨直接關(guān)聯(lián)(趙玉春和王葉紅,2010;井喜等,2011)。此外,物理量診斷分析是研究暴雨成因和機(jī)制的重要手段。常用的物理量有Q矢量(王川等,2005)、濕位渦(吳國雄等,1995;翟國慶等,1999;高守亭等,2002;任余龍等,2007;沈桐立等,2010)等。

浙江暴雨主要出現(xiàn)在汛期(3—10月),汛期暴雨具有較好的典型性與代表性。本文的研究對象是2013年浙江兩次汛期暴雨過程,一次屬于春季暴雨,另一次是梅汛期暴雨,具有典型的梅雨形勢。通過對比分析這兩次暴雨發(fā)生過程的異同點(diǎn),探討浙江汛期暴雨發(fā)生的客觀機(jī)理,為當(dāng)?shù)乇┯觐A(yù)報(bào)工作提供理論依據(jù)。

1　暴雨概況和環(huán)流形勢

1.1暴雨概況

第一次暴雨(4.29暴雨)出現(xiàn)在4月29日20時(shí)—30日11時(shí)(北京時(shí)間,下同)。其中浙北和浙西部分地區(qū)出現(xiàn)暴雨,局部大暴雨。大于50 mm的強(qiáng)降水區(qū)主要在浙中北和浙西(圖略),雨量中心分布在紹興和杭州,中心值在100 mm以上。自動(dòng)站數(shù)據(jù)顯示最大降水出現(xiàn)在紹興東湖,達(dá)180 mm。降水峰值出現(xiàn)在30日02時(shí)和05時(shí)。

第二次暴雨(6.6暴雨)開始于6月6日20時(shí),結(jié)束于6月8日14時(shí)。浙江普降暴雨,局部大暴雨。50 mm以上強(qiáng)降水區(qū)位于浙中北(圖略),中心在杭州地區(qū),中心值180 mm以上。最大降水出現(xiàn)在杭州清涼峰,雨量為243 mm。降水在7日14時(shí)達(dá)到最大值,18時(shí)以后降水減弱明顯。

1.2環(huán)流形勢

4.29暴雨期間,東亞中高緯度環(huán)流形勢在500 hPa高度上顯示為西高東低型(圖1a):貝加爾湖高壓脊緩慢東移并有東傾趨勢,高壓脊前為西北氣流,日本附近存在一個(gè)大低渦,其一端向我國東北伸出一個(gè)橫槽,冷空氣沿著高壓脊前的西北氣流南下,與橫槽西部的偏北氣流合并成一股較強(qiáng)冷空氣,這股冷空氣與中低緯南支槽前的西南氣流交匯于32°N附近,低緯度西太平洋副高脊線在15°N附近,強(qiáng)度較弱。

6.6暴雨的中高緯環(huán)流形勢主要表現(xiàn)為雙阻型(圖1b),貝加爾湖是一個(gè)寬廣的低壓槽,槽線近似東東北—西西南走向,槽底位置在45°N附近,東亞沿岸和烏拉爾山以東則存在高壓脊,其中東亞沿岸高壓脊脊線方向也是東東北—西西南走向,槽前脊后有大范圍西南偏西氣流,表明高緯的冷空氣對本次暴雨的影響不大。中緯度地區(qū),在我國東部有一個(gè)低渦,這是本次暴雨的主要影響系統(tǒng)。從圖1b還可以看到,在低渦的后部,有一個(gè)相對較弱的高壓脊存在,將高空槽底的弱冷空氣向低渦后部輸送,促進(jìn)低渦的發(fā)展和維持。西太平洋副熱帶高壓位置偏南偏東,東退至135°N以東,脊線在20°N附近。綜合以上分析,可以看到,6.6暴雨與4.29暴雨差異顯著,特別是在中高緯度,呈幾乎完全相反的分布。

從兩次暴雨的850 hPa平均流場(圖2)可以發(fā)現(xiàn):兩次暴雨在低層均有低渦東移,但是,4.29暴雨低渦中心平均位置位于江西北部,位置偏南,而在6.6暴雨中低渦位于安徽南部,位置偏北。

由環(huán)流形勢分析可知,4.29暴雨主要影響系統(tǒng)是中高緯度西風(fēng)槽,中低層有低渦配合,冷空氣較強(qiáng),暖濕氣流北抬的位置較偏南,降水偏南;6.6暴雨在中高緯表現(xiàn)為典型的梅雨期雙阻型,就直接影響系統(tǒng)而言,從低層到中層都是低渦,冷空氣很弱,西南氣流北抬位置較北,因而暴雨偏北。

2　暴雨過程物理量診斷分析

2.1動(dòng)力因子分析

由暴雨中心散度的時(shí)間—高度剖面(圖3)可以看到,4.29暴雨發(fā)生前,29日14時(shí)的近地面輻合較弱,延伸高度較低;29日20時(shí),即強(qiáng)降水開始時(shí),輻合區(qū)向上伸展,強(qiáng)度增強(qiáng),從近地面直到500 hPa附近都為輻合,輻合中心出現(xiàn)在650 hPa,中心值為-2×10-5s-1;此后,在29日21時(shí)—30日05時(shí),950 hPa存在另一個(gè)輻合中心,中心值為-4×10-5s-1,與暴雨中心強(qiáng)降水時(shí)段是基本對應(yīng)的。與中低層的輻合相反,4.29暴雨開始后,高層300 hPa附近是輻散中心,中心值為2×10-5s-1,輻散中心強(qiáng)度一直維持到30日05時(shí),之后逐漸減弱。表明在4.29暴雨過程中,近地面到低層輻合中心的出現(xiàn)對暴雨中心降水強(qiáng)度有指示意義,而強(qiáng)降水是由于中低層一致的強(qiáng)輻合以及高層的強(qiáng)輻散抽吸作用造成的。30日11時(shí),低層輻合和高層輻散明顯減弱,且近地面出現(xiàn)輻散,降水基本結(jié)束。因此,整個(gè)暴雨過程基本是高層輻散對應(yīng)低層輻合的一致分布。

圖1　500 hPa平均環(huán)流形勢場(單位:gpm)　　a.4.29暴雨;b.6.6暴雨Fig.1　500 hPa circulation pattern(units:gpm):(a)rainstorm 4.29;(b)rainstorm 6.6

圖2　850 hPa平均流場(單位:m·s-1)　　a.4.29暴雨;b.6.6暴雨Fig.2　850 hPa stream field(units:m·s-1):(a)rainstorm 4.29;(b)rainstorm 6.6

圖3　暴雨中心散度的時(shí)間—高度剖面(陰影代表絕對值>2;單位:10-5 s-1)　　a.4.29暴雨;b.6.6暴雨Fig.3　Time-height cross sections of rainstorm center divergence(units:10-5 s-1;shaded area indicates an absolute value of>2):(a)rainstorm 4.29;(b)rainstorm 6.6

6.6暴雨發(fā)生前,6日12時(shí),近地面到700 hPa以下是輻散區(qū),700～400 hPa為弱輻合,再往上是輻散。降水開始后,低層仍為輻散,輻散區(qū)的高度降至800 hPa,但是降水前期輻散強(qiáng)度反而加強(qiáng),925 hPa附近的中心達(dá)3×10-5s-1,這種輻散一直維持到7日中午前后,此后轉(zhuǎn)為弱輻合。當(dāng)強(qiáng)降水開始時(shí),500～800 hPa之間的輻合強(qiáng)度有所增強(qiáng),中心強(qiáng)度為-4×10-5s-1,此時(shí)高層輻散也加強(qiáng)到3×10-5s-1,因而中層的輻合和高層輻散的加強(qiáng)與降水的起始時(shí)間有比較好的對應(yīng)關(guān)系。從時(shí)間演變上看,中層的輻合區(qū)和高層的輻散區(qū)都有一個(gè)下傳的趨勢。暴雨中心的降水強(qiáng)度在7日14時(shí)達(dá)到最強(qiáng),即為中層輻合延伸到地面,同時(shí)高空仍維持較強(qiáng)輻散的時(shí)刻,表明近地面輻合的出現(xiàn)與最強(qiáng)降水時(shí)刻是對應(yīng)的。在7日20時(shí)以后,近地面為弱輻合,而700～900 hPa出現(xiàn)了弱輻散,在往上輻合輻散不明顯,降水強(qiáng)度明顯減弱?？偟脕碚f,這次暴雨過程散度場的最顯著特點(diǎn)是降水前期從近地面到低層是輻散區(qū),輻合區(qū)出現(xiàn)在中層,直到降水后期近地面才轉(zhuǎn)為弱輻合。

2.2水汽輸送分析

兩次暴雨過程的水汽來源是不同的(圖4a、d):4.29暴雨過程的水汽主要由西南急流提供,這支強(qiáng)西南急流有三個(gè)來源,除了來自孟加拉灣和南海,還包括西太平洋副高南側(cè)的偏東氣流在副高邊緣轉(zhuǎn)向而成的西南氣流。主要的水汽通量中心在浙西地區(qū);6.6暴雨過程的水汽來自西南急流和東南急流,西南支水汽來源主要是孟加拉灣、南海和西太平洋,這支西南急流在30°N附近由于低渦氣旋式旋轉(zhuǎn),形成東南支水汽來源,將東海的水汽輸送到降水地區(qū)。與4.29暴雨過程不同,6.6暴雨的主要水汽通量中心在浙東地區(qū),主要原因在于該地區(qū)除了西南急流輸送水汽之外,也是東南支水汽的強(qiáng)輸送區(qū)。

暴雨中心的水汽通量散度的時(shí)間演變情況由圖4b、e給出,4.29暴雨過程中水汽通量從近地面到500 hPa都是較明顯的輻合,中心在800 hPa附近,量值為-4×10-5g·m-2·hPa-1·s-1,出現(xiàn)時(shí)段為29日23時(shí)—30日05時(shí),對應(yīng)強(qiáng)降水時(shí)段。而中層以上是弱水汽通量輻散,兩者共同作用促進(jìn)了降水的增強(qiáng)。30日12時(shí),低層出現(xiàn)輻散,降水基本結(jié)束。

圖4　兩次暴雨過程的850 hPa平均水汽通量場(a,d;單位:g·m-1·hPa-1·s-1)、暴雨中心水汽通量散度的時(shí)間—高度剖面(b,e;單位:10-5 g·m-2·hPa-1·s-1)和850 hPa水汽通量散度的時(shí)間—緯度剖面(c,f;單位:10-5 g·m-2·hPa-1·s-1)　　a—c.4.29暴雨;d—f.6.6暴雨Fig.4　The (a,d)integrated moisture flux(units:g·m-1·hPa-1·s-1) and (b,e)time-height and (c,f)850 hPa time-latitude cross sections of the divergence of integrated moisture flux(units:10-5 g·m-2·hPa-1·s-1) in the rainstorm center:(a—c)rainstorm 4.29;(d—f)rainstorm 6.6

6.6暴雨開始降水后,850 hPa到近地面呈水汽通量輻散,中心在925 hPa附近,中心值為2×10-5g·m-2·hPa-1·s-1,850 hPa以上是逐漸增強(qiáng)的水汽通量輻合,因此降水的開始是與850 hPa到中層的水汽通量輻合增強(qiáng)相對應(yīng)的;7日06時(shí)以后,近地面輻散消失,輻合區(qū)從近地面一直延伸到對流層中層;7日14時(shí),近地面附近出現(xiàn)水汽通量輻合中心,強(qiáng)度為-4×10-5g·m-2·hPa-1·s-1,而此時(shí)為暴雨中心的最強(qiáng)降水時(shí)刻,因此近地面的水汽通量輻合加強(qiáng)對于雨強(qiáng)有明顯的增幅作用。中層以上為輻散區(qū),強(qiáng)度很弱。7日夜里,降水明顯減弱,對應(yīng)近地面到低層的水汽通量輻合明顯減弱,而低層以上轉(zhuǎn)為水汽通量輻散。而到了8日14時(shí),即降水結(jié)束時(shí)刻,高低層都為一致的水汽通量輻散。

觀察850 hPa水汽通量經(jīng)向時(shí)間剖面(圖4c、f)可以發(fā)現(xiàn):4.29暴雨從發(fā)生前到發(fā)生后,水汽通量輻合中心有一個(gè)明顯的向南傳播,且降水開始后輻合中心數(shù)值明顯增大,達(dá)到-4×10-5g·m-2·hPa-1·s-1,暴雨過程中輻合中心維持在29～30°N。而其北面較弱的水汽通量輻散中心也南傳,表明干冷空氣南壓趨勢明顯;而在6.6暴雨過程中,前期30°N附近的低層主要表現(xiàn)為水汽通量輻散,水汽通量輻合中心出現(xiàn)在7日14時(shí),中心值為-4×10-5g·m-2·hPa-1·s-1,與暴雨中心最強(qiáng)降水時(shí)刻是一致的,同樣說明低層水汽通量輻合對于降水強(qiáng)度的重要意義。降水結(jié)束后,輻合中心分為南北兩支,30°N附近又轉(zhuǎn)為水汽通量輻散。暴雨中心北面沒有較顯著的水汽通量輻散中心,表明沒有明顯的干冷空氣入侵。

2.3熱力條件分析

圖5　兩次暴雨期間850 hPa假相當(dāng)位溫(單位:K)平均場(a,c;深陰影代表>344 K,淺陰影代表<320 K的區(qū)域)和暴雨中心假相當(dāng)位溫的時(shí)間—高度剖面(b,d;深陰影代表>344 K,淺陰影代表<340 K的區(qū)域)　　a,b.4.29暴雨;c,d.6.6暴雨Fig.5　The (a,c)mean equivalent potential temperature(units:K) at 850 hPa(dark shaded area:>344 K;light shaded area:<320 K) and (b,d)time-height cross sections of rainstorm center divergence in the rainstorm center (dark shaded area:>344 K;light shaded area:<340 K):(a,b)rainstorm 4.29;(c,d)rainstorm 6.6

圖5給出了兩次暴雨期間850 hPa假相當(dāng)位溫平均場和其時(shí)間—高度剖面圖,由圖7a可見,4.29暴雨過程中,在華南地區(qū)有一條西南—東北走向的高位溫舌,中心達(dá)到340 K,其向東北伸展到浙南地區(qū),假相當(dāng)位溫低值區(qū)位于渤海和朝鮮,他與高能舌在28～34°N之間形成一條近似東西走向的位溫線密集帶,與暴雨的走向是基本一致的。從暴雨中心的假相當(dāng)位溫時(shí)間剖面圖(圖5b)看,在暴雨發(fā)生前,800 hPa以下等位溫線向上凸起,受暖區(qū)控制,同時(shí)位溫隨高度減小,已經(jīng)存在不穩(wěn)定,表明能量的累積過程;暴雨發(fā)生時(shí),可以觀察到,低層到近地面有冷舌伸入,與冷空氣的侵入有關(guān),低層冷空氣與上空的暖濕空氣形成等位溫線密集帶,即鋒面,鋒面的坡度很小。從圖5b還可以發(fā)現(xiàn):冷空氣的入侵對暴雨增幅作用僅局限于冷空氣在低層以下,當(dāng)冷空氣擴(kuò)展到低層以上且強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí),降水明顯減弱直至結(jié)束,主要原因在于近地面的冷空氣作為一種不穩(wěn)定能量的觸發(fā)機(jī)制,使得暖濕空氣的抬升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),有利于強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展,而當(dāng)冷空氣厚度較厚,強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí),會(huì)破壞不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),不利于暴雨的增幅。

在6.6暴雨過程中(圖5c),348 K高位溫舌仍然位于華南,呈東東北—西西南走向,一直伸展到浙中地區(qū),較第一次過程偏北。假相當(dāng)位溫低值中心在山東半島,與高能舌在浙江沿海形成一條東南—西北走向的位溫線密集帶。而本次暴雨帶的走向基本為東西走向,降水與低渦關(guān)系密切,受鋒面影響較弱,因此雨帶與鋒區(qū)走向出現(xiàn)了不一致。垂直方向上看(圖5d),在降水前期,觀察到900 hPa有一個(gè)340 K冷舌伸入,表明近地面層有干冷空氣滲透,;7日14時(shí),近地面的冷空氣侵入作用消失,600 hPa到地面都是高位溫區(qū),近地面假相當(dāng)位溫隨高度遞減,有不穩(wěn)定性,900 hPa以上位溫垂直梯度很小,而600～400 hPa存在弱冷舌侵入,高層冷平流,低層暖平流,使得對流性不穩(wěn)定增強(qiáng),暴雨增幅,該時(shí)刻對應(yīng)暴雨中心最強(qiáng)降水時(shí)刻;7日18時(shí),低層位溫降低,中低層暖心結(jié)構(gòu)受到破壞,降水減弱;7日夜里隨著暖心結(jié)構(gòu)的消失,降水基本結(jié)束。

3　結(jié)論

1)4.29暴雨過程中影響系統(tǒng)中層為西風(fēng)槽、低層為低渦;而6.6暴雨過程中從中層到低層影響系統(tǒng)均為低渦。

2)兩次暴雨在高空都存在分流區(qū),有利于抽吸作用。4.29暴雨過程對流層上層有很強(qiáng)的西風(fēng)急流,浙江上空位于西風(fēng)急流的右側(cè),有強(qiáng)輻散,從對流層高層到低層,垂直方向上存在一個(gè)低緯度上升,中緯度下沉的巨大環(huán)流圈,將高低空環(huán)流耦合起來,上下層的散度分布基本是上層輻散對應(yīng)下層輻合。而6.6暴雨中高空西風(fēng)較弱,低空存在東風(fēng)急流,但是垂直方向上沒有環(huán)流圈,高低空耦合弱,降水過程中中層輻合,高層輻散,而近地面前期是輻散,到后期才轉(zhuǎn)為輻合。

3)4.29暴雨主要水汽來源為孟加拉灣、南海和西太平洋,水汽通量散度分布為低層輻合對應(yīng)高層輻散,而6.6暴雨主要水汽來源有孟加拉灣、南海、西太平洋和東海,水汽通量散度分布為降水前期低層輻散,中層輻合,后期中層以下轉(zhuǎn)為一致的輻合,近地面的水汽通量輻合加強(qiáng)對于雨強(qiáng)有明顯的增幅作用。

4)4.29暴雨過程鋒區(qū)為東西走向,有較強(qiáng)冷空氣侵入,而6.6暴雨過程鋒區(qū)為東南—西北走向,只有較弱冷空氣侵入,兩者都有利于斜壓位能的釋放,促進(jìn)對流的發(fā)展。

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Rainstorms in Zhejiang mainly occur in the flood season(February—October),during which heavy rainfall is common.The focus of the present study was two flood season rainstorm processes that occurred in Zhejiang in 2013,one belonging to the heavy spring rains hereafter referred to as the 4.29 rainstorm,based on its date of occurrence(29 April 2013) and the other being a typical Mei-yu rainstorm(hereafter referred to as the 6.6 rainstorm,using the same notation as previously mentioned).Based on NCEP analysis data,the circulation,thermal,dynamic and water vapor conditions of these rainstorm processes were analyzed.Through comparative analysis,the mechanistic similarities and differences were studied,providing a theoretical basis for further work on local rainstorm forecasting.The results can be summarized as follows:(1)During the 4.29 rainstorm,the high latitude circulation at the height of 500 hPa in East Asia was characterized by a western high and eastern low pattern.The main system of impact was the westerly trough at high latitudes together with a lower-level vortex,with stronger cold air,and a more southerly northward position of warm air,which induced southerly rain.A double block was present in the high-latitude circulation of the 6.6 rainstorm,and a low vortex was the main influence from the upper to lower levels,with weak cold air,and southwesterly flow further north,thus resulting in a northerly storm.(2)During the 4.29 process,an upper-level strong westerly jet existed,with a positive vertical circulation and low-level convergence corresponding to high-level divergence.During the 6.6 rainstorm,the high-level westerly wind was weak,with a more complex divergence field of a divergence zone during the early stage of precipitation from the near-surface to the lower levels,and a convergence zone in the middle levels,which transferred to weak convergence until the later stage of precipitation near the ground and with no apparent vertical circulation.(3)The source of water vapor for the two rainstorm processes was different:the water vapor for the 4.29 rainstorm process was mainly provided by the southwest jet stream,with the main source regions being the Bay of Bengal,the South China Sea and the western Pacific.The divergence distribution of water vapor flux was convergence in the lower layers,corresponding to upper-level scattered divergence.In the 6.6 rainstorm,the water vapor come from the southwest and southeast,with the main source regions being the Bay of Bengal,the South China Sea,the western Pacific,and the East China Sea.There was low-level divergence in the early stages of the divergence distribution of water vapor flux and convergence in the middle stages.In the later stages,however,there was consistent convergence under the middle level.The strengthened vapor flux convergence above the near-surface level played an obvious role in the rainfall intensity increasing.(4)An east—west oriented front with a strong cold air intrusion existed in the 4.29 process,while a northwest—southeast front with a weak cold air intrusion was apparent in the 6.6 process,both of which were advantageous for the release of baroclinic potential energy,and could promote convection development.

torrential rain;low vortex;westerly jet;moist potential vorticity

(責(zé)任編輯：孫寧)

Comparative analysis of two torrential rainstorms that occurred in Zhejiang in 2013

QIAN Zhuolei1,GUO Pingwen2

1ShaoxingMeteorologicalOffice,Shaoxing312000,China;2SchoolofAtmosphericSciences,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140221010

*聯(lián)系人，E-mail:guoguovs666@sohu.com

引用格式：錢卓蕾,郭品文.2016.2013年浙江兩次汛期暴雨過程對比分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(2):253-259.

Qian Z L,Guo P W.2016.Comparative analysis of two torrential rainstorms that occurred in Zhejiang in 2013[J].Trans Atmos Sci,39(2):253-259.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140221010.(in Chinese).