“海棠”殘留低壓引發(fā)魯中東部暴雨中尺度特征分析

王文波，李曉利，趙 華，韓 曉，王 旭

(1.山東省濰坊市氣象局，山東 濰坊 261011；2.山東省東營市氣象局，山東 東營 257091)

引 言

熱帶氣旋所造成的影響和災(zāi)害主要由大風(fēng)、暴雨與風(fēng)暴潮引起，而臺風(fēng)暴雨還可衍生出洪澇、泥石流、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。因此，深入開展臺風(fēng)降水研究并提高其預(yù)報水平，對預(yù)防和減輕臺風(fēng)災(zāi)害具有重要現(xiàn)實(shí)意義。熱帶氣旋北上過程中與西風(fēng)槽冷空氣發(fā)生相互作用，可造成暴雨甚至特大暴雨。許多學(xué)者對此進(jìn)行了研究[1-12]。林志強(qiáng)等[13]研究殘留低壓對內(nèi)陸地區(qū)的影響時發(fā)現(xiàn)，殘留低壓對內(nèi)陸降水的影響較熱帶氣旋的更為顯著，降水影響自東南向西北逐漸減弱，影響范圍較熱帶氣旋的西擴(kuò)，且強(qiáng)度更大。杜惠良等[14]分析“莫蘭蒂”臺風(fēng)時指出，暴雨主要由臺風(fēng)殘留云系、副高邊緣的暖濕氣流和北方的弱冷空氣共同影響產(chǎn)生。尹東屏[15]、鈕學(xué)新[16]等分析臺風(fēng)暴雨特征時發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)強(qiáng)度冷空氣侵入臺風(fēng)倒槽和外圍，可以加劇動力和熱力的不穩(wěn)定，冷空氣影響到的地區(qū)降水量明顯增加。在對20世紀(jì)90年代臺風(fēng)登陸北上并與西風(fēng)槽合并造成暴雨天氣個例的研究中，孫建華等[17]發(fā)現(xiàn)暴雨區(qū)處在臺風(fēng)倒槽、西風(fēng)槽前和副高之間。劉淑媛等[18]分析低空急流與暴雨關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，2 km高度以上的低空急流中心早于2 km高度以下超低空急流中心1～2 h出現(xiàn)，強(qiáng)降水的出現(xiàn)和超低層急流風(fēng)速中心的出現(xiàn)相對應(yīng)。盛日峰等[19]分析發(fā)現(xiàn)，反演風(fēng)場能細(xì)致地揭示本次降水過程中尺度風(fēng)場的演變過程，并清楚地給出了風(fēng)場中尺度結(jié)構(gòu)、輻合線的位置及二者演變特征。此外，隨著新型探測系統(tǒng)的發(fā)展，高分辨率衛(wèi)星和新一代雷達(dá)圖像及其反演資料越來越多地用于強(qiáng)對流天氣的研究[20-26]，并且取得了較好的研究成果。

2017年10號熱帶風(fēng)暴“海棠”北上過程中強(qiáng)度迅速減弱，其殘留低壓環(huán)流造成8月2-3日魯中東部地區(qū)出現(xiàn)暴雨局部大暴雨天氣。強(qiáng)降雨導(dǎo)致魯中部分街道村莊遭受洪澇災(zāi)害，使農(nóng)作物受災(zāi)減產(chǎn)。由于魯中東部大暴雨發(fā)生時的環(huán)流形勢并不是非常有利于暴雨發(fā)生，致使預(yù)報和實(shí)況出現(xiàn)一定偏差。本文利用多普勒天氣雷達(dá)、邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)和自動站加密觀測資料，從垂直風(fēng)廓線、低空急流演變和天氣雷達(dá)風(fēng)場反演等方面對“海棠”殘留低壓引發(fā)魯中東部暴雨天氣的成因進(jìn)行分析，旨在提供一些對臺風(fēng)殘留低壓降水預(yù)報有指導(dǎo)意義的依據(jù)。

1 降水概況和環(huán)流形勢分析

2017年10號熱帶風(fēng)暴“海棠”于7月31日02時在福建省福清市沿海登陸，登陸后強(qiáng)度迅速減弱。8月1日08時,熱帶低壓中心移至江西北部時停止編號(圖1a)。在8月2-3日,“海棠”殘留低壓北上的過程中造成山東出現(xiàn)兩處暴雨中心(圖1b)。其中，2日08時至20時，當(dāng)?shù)蛪褐行奈挥诎不瘴鞑繒r，魯西北出現(xiàn)暴雨局部大暴雨天氣；2日20時至3日08時，低壓中心由皖西北進(jìn)入魯西南的過程中，魯中東部地區(qū)出現(xiàn)暴雨局部大暴雨天氣，而魯西南、魯南和半島等地區(qū)雨量相對較小。山東此次暴雨的總體特點(diǎn)為降水落區(qū)集中在魯西北和魯中東部，降水強(qiáng)度大，出現(xiàn)多站次大暴雨，同時伴有明顯的短時強(qiáng)降水，濰坊昌邑站最大雨強(qiáng)達(dá)到54 mm/h。

圖1 “海棠”及其殘留低壓路徑圖(a)和2017年8月2日08時-3日08時山東省降水量分布(b)

8月2日08時(圖2a)，“海棠”殘留低壓中心移至安徽西北部，500 hPa副熱帶高壓呈塊狀，較1日20時有明顯東撤，中心移到東海海面，引導(dǎo)氣流由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，“海棠”低壓轉(zhuǎn)向偏北方向移動，而西風(fēng)槽緩慢東移至河套地區(qū)。山東位于“海棠”低壓環(huán)流的東北部，魯西北地區(qū)位于低壓倒槽頂端，850 hPa比濕達(dá)14 g/kg以上，具有充沛的水汽和強(qiáng)上升運(yùn)動條件，對應(yīng)2日08時至20時魯西北地區(qū)出現(xiàn)暴雨天氣。到2日20時(圖2b)，500 hPa副熱帶高壓繼續(xù)東撤至日本海南部上空，“海棠”低壓環(huán)流北上，并入西風(fēng)槽中，在魯西地區(qū)形成深厚的低槽，槽前正渦度平流加強(qiáng)進(jìn)而造成上升運(yùn)動加強(qiáng)，同時槽后冷空氣與副高外圍暖濕空氣在魯中地區(qū)上空交匯。850 hPa(圖2c)低壓倒槽仍維持在魯西地區(qū)，倒槽東側(cè)青島站東南急流加強(qiáng)至16 m·s-1。低空急流使魯中東部地區(qū)建立起較強(qiáng)的天氣尺度上升運(yùn)動。而925 hPa(圖2d)超低空急流軸位于120°E附近，東南風(fēng)風(fēng)速達(dá)18 m·s-1，魯中東部處于急流軸左側(cè)，倒槽切變線位置偏西，超低空急流為暴雨區(qū)提供了充足的水汽和輻合上升運(yùn)動，進(jìn)而觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量的釋放。從天氣尺度分析可知，盡管850 hPa倒槽處于魯西北，但500 hPa西風(fēng)槽與“海棠”低壓倒槽的合并加強(qiáng)并引導(dǎo)冷空氣南下，與低空急流和超低空急流輸送的暖濕空氣相互作用，造成2日20時至3日08時魯中東部暴雨天氣的發(fā)生。

圖2 2017年8月2日08時500 hPa(a)及20時500 hPa(b)、850 hPa(c)、925 hPa(d)高空綜合圖

2 低空急流演變與降水強(qiáng)度的關(guān)系

2.1 風(fēng)廓線分析

常規(guī)探空觀測時氣球受高空風(fēng)影響，測得的結(jié)果并非本站上空真實(shí)數(shù)據(jù)。高時空分辨率的風(fēng)廓線雷達(dá)資料顯示出中小尺度天氣系統(tǒng)連續(xù)的詳實(shí)的變化過程，清楚地揭示了對流層和邊界層急流的脈動特征。低空急流軸上的中小尺度脈動及向超低空快速擴(kuò)展的程度與暴雨之間存在密切的關(guān)系。因此利用濰坊風(fēng)廓線雷達(dá)資料對本次天氣過程的垂直風(fēng)廓線結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究降水發(fā)生前后風(fēng)廓線演變特征。

由濰坊站風(fēng)廓線分布(圖3)可見，由于“海棠”北上造成魯中東部中低空非常強(qiáng)的東南風(fēng)，2017年8月2日16-17時，在1-4 km處有12-16 m·s-1以上的東南向風(fēng)速帶出現(xiàn)，4 km以上為較弱的西南偏南風(fēng)。18-19時，1.8-3.0 km上出現(xiàn)20 m·s-1的強(qiáng)東南風(fēng)，低空東南急流建立了水汽和熱量的輸送通道，但測站上空并無明顯輻合特征，因此2日20時之前并無降水發(fā)生。從20時風(fēng)場的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，2 km以下為東南風(fēng)，以上為西南偏南風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)繼續(xù)維持，20 m·s-1的急流中心下降至1.5 km高度，到21時降水開始時降到1 km附近，說明低空急流向超低空的快速擴(kuò)展對應(yīng)著降水的開始。2日23時至3日03時是強(qiáng)降水時段，各小時雨強(qiáng)基本都在10 mm/h以上。在此階段，近地面層?xùn)|南風(fēng)4 km以上中高層為西南偏南風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)依舊維持。在3日00時，22.5 mm/h的最大雨強(qiáng)出現(xiàn)時，高空5 km以上突然轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，應(yīng)為槽后甩下的冷空氣。因此冷暖空氣在魯中東部地區(qū)交匯，冷空氣的侵入觸發(fā)了對流不穩(wěn)定能量的釋放，造成雨強(qiáng)迅速增大。此外在此強(qiáng)降水階段，2 km以下的東南風(fēng)急流略有減小，風(fēng)速在16～18 m·s-1，因此低空急流脈動對降水也有影響。從該降水階段的風(fēng)廓線特征分析可知，低空強(qiáng)東南急流向超低空的快速擴(kuò)展與降水的開始相對應(yīng)，高空5 km西北風(fēng)的出現(xiàn)和短時強(qiáng)降水的出現(xiàn)也有很好的對應(yīng)關(guān)系。

3日03時，2 km以下轉(zhuǎn)為南風(fēng)，5 km高度以上轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)(圖3)。這樣的垂直風(fēng)場結(jié)構(gòu)使冷暖平流特征不明顯，對應(yīng)03-04時降水量只有2.9 mm，雨強(qiáng)明顯減弱。到04時，2 km以下維持16 m·s-1以上的南風(fēng)，而5 km以上則再次出現(xiàn)西北風(fēng)，說明有冷空氣再次侵入，對應(yīng)04-05時和05-06時的雨強(qiáng)分別達(dá)到12.9 mm/h和13.6 mm/h。自3日06時開始，垂直風(fēng)場結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化，3 km以下均轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，且風(fēng)速減小至12 m·s-1左右，低空急流明顯減弱，同時3 km以上轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，風(fēng)速在6 m·s-1上下，對應(yīng)06時之后降水減弱和08時降水結(jié)束。說明雖然有弱冷空氣侵入“海棠”低壓環(huán)流中，但是由于暖濕空氣輸送強(qiáng)度減弱，已無法造成強(qiáng)降水。

圖3 2017年8月2日16時至3日10時濰坊站風(fēng)廓線分布

綜上分析，低空20 m·s-1以上強(qiáng)東南急流剛剛建立時并無降水發(fā)生，當(dāng)其向超低空快速擴(kuò)展達(dá)1 km以下高度時，降水開始并增強(qiáng)；2 km以下東南風(fēng)、2-5 km偏南風(fēng)急流和5 km以上西北風(fēng)的垂直風(fēng)場結(jié)構(gòu)對應(yīng)著短時強(qiáng)降水時段；5 km以下高度均轉(zhuǎn)為西南風(fēng)且低空急流強(qiáng)度的明顯減弱，對應(yīng)著降水的減弱和結(jié)束。

2.2 風(fēng)場演變與強(qiáng)降水機(jī)制分析

利用FNL全球分析資料對暴雨物理量特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，2017年8月2日20時降水開始前低空急流向下擴(kuò)展至1.2 km高度(圖3)，濰坊站斜T-lnp探空曲線顯示，1 km以上高度大氣處于不穩(wěn)定層結(jié)(圖4a)，對流有效位能CAPE為805 J·kg-1，對流抑制CIN只有18 J·kg-1，這種條件性不穩(wěn)定層結(jié)一直持續(xù)到3日08時。同時大氣相對濕度近飽和的層次由低層向高層逐漸擴(kuò)展，K指數(shù)達(dá)到了39 ℃，這種濕層深厚、不穩(wěn)定的大氣層結(jié)對短時強(qiáng)降水的發(fā)生非常有利。20 m·s-1的超低空急流提供了大量的水汽通量輻合，是暴雨區(qū)水汽的主要提供者。而深層(500-900 hPa)垂直風(fēng)切變較14時增大至2×10-3s-1，較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有利于對流云團(tuán)的維持和發(fā)展。

同時，風(fēng)場的演變對上升運(yùn)動有明顯加強(qiáng)作用。8月2日14時(圖略)，最大上升速度為-0.2 Pa·s-1，位于600 hPa高度附近，且700 hPa以下為弱下沉運(yùn)動。到2日20時(圖4b)，從低層到高層為一致的垂直上升區(qū)，上升速度最大值達(dá)-1.2 Pa·s-1，對應(yīng)散度場500 hPa以下為輻合區(qū)，大值區(qū)在700 hPa高度附近，略低于最大上升區(qū)的高度(圖略)。通過分析2日20時假相當(dāng)位溫沿119°E垂直剖面發(fā)現(xiàn)，36°-40°N在850-500 hPa高度等θse線梯度逐漸加大，鋒區(qū)隨高度向冷區(qū)傾斜。同時低空急流的向下擴(kuò)展也致使水汽和能量在超低空匯聚，引起低層大氣鋒生，等θse線變得非常密集，鋒區(qū)斜壓性進(jìn)一步加強(qiáng)，有利于暖濕氣流抬升。隨著3日00時高空槽東移南下，中層5 km高度附近干冷空氣侵入觸發(fā)不穩(wěn)定能量的急劇釋放，造成短時強(qiáng)降水的發(fā)生。

圖4 2017年8月2日20時濰坊站T-lnp圖(a)和假相當(dāng)位溫與垂直速度沿119°E剖面圖(b)

2.3 低空急流指數(shù)(I)分析

劉淑媛等[18]以2 km以下邊界層急流中心的最大風(fēng)速V(m·s-1)和12 m·s-1風(fēng)速在該小時中的最低位置D(km)的比值定義了一個低空急流指數(shù)I(V/D)，用它定量地表示低空急流向下擴(kuò)展的程度和風(fēng)速脈動的強(qiáng)度。為了更清楚地顯示降水強(qiáng)度的變化趨勢與低空急流的關(guān)系，本文也參照該方法，定義低空急流指數(shù)I(V/D)，即2 km以下邊界層急流中心的最大風(fēng)速V(m·s-1)和12 m·s-1風(fēng)速在該小時中的最低位置D(km)的比值。從指數(shù)I和雨強(qiáng)的時間演變(圖5)可以看出，2017年8月3日00-01時、03時和05-06時3次小時雨量超過10 mm的強(qiáng)降雨時段，對應(yīng)著低空急流指數(shù)I的3次峰值，分別是2日22時的59、3日01時的59和3日03時的63，且指數(shù)I的增大較雨強(qiáng)的增大提前了2 h左右。這說明每次短時強(qiáng)降水的發(fā)生，都對應(yīng)低空急流指數(shù)的加強(qiáng)，而低空急流指數(shù)對于低空急流的脈動及向超低空擴(kuò)展程度有密切的關(guān)系，因此可以通過低空急流指數(shù)的分析預(yù)判短時強(qiáng)降水的發(fā)生。

圖5 2017年8月2日19時至3日08時低空急流指數(shù)I及濰坊站每小時雨量圖

3 多普勒雷達(dá)風(fēng)場反演分析

由于“海棠”北上引發(fā)的魯中東部暴雨發(fā)生時，在地面自動站風(fēng)場上為一致的東南風(fēng)，風(fēng)速為4～8 m·s-1，并不能看出有明顯的風(fēng)向風(fēng)速輻合。因此利用多普勒天氣雷達(dá)資料，選取3個較強(qiáng)降水時間節(jié)點(diǎn)的基數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)場反演，進(jìn)一步分析降水的中小尺度特征。在2017年8月3日00:08時刻的2 km高度的反演風(fēng)場圖(圖6a)上，因?yàn)轸斨袞|部地區(qū)處于“海棠”低壓環(huán)流東北部，故主要受偏南風(fēng)控制，而魯西北主要受偏東風(fēng)控制，沿萊州灣西岸至昌樂雷達(dá)站一線有南北向的中尺度切變線發(fā)展，垂直伸展高度達(dá)5 km以上。從圖中看到，切變線左側(cè)有較強(qiáng)的西北風(fēng)侵入，說明槽后有冷空氣擴(kuò)散南下，與偏南暖濕氣流交匯造成切變線右側(cè)強(qiáng)降水回波發(fā)展，導(dǎo)致昌邑和濰坊等地出現(xiàn)短時強(qiáng)降水。暴雨區(qū)南部并沒有中尺度切變線，但是卻可以看到有一條西北-東南向的中尺度輻合線發(fā)展，西南急流的強(qiáng)風(fēng)速輻合造成了該地區(qū)強(qiáng)降水的發(fā)生。3日02：06(圖6b)，冷空氣再次侵入魯中地區(qū)。在2 km高度反演風(fēng)場圖上，沿萊州灣東岸至濰坊北部一線出現(xiàn)東北-西南向切變線，西北風(fēng)風(fēng)速達(dá)12～16 m·s-1，冷暖空氣的強(qiáng)烈交匯造成了切變線附近50 dBZ以上強(qiáng)回波發(fā)展，產(chǎn)生強(qiáng)降水天氣，而南部地區(qū)屬于暖區(qū)降水，中尺度輻合線偏弱。3日04：51的3 km高度反演風(fēng)場圖(圖6c)上，高空槽后大范圍冷空氣東移南下，西到西北風(fēng)侵入魯中地區(qū)，東北-西南向中尺度切變線在萊州灣西岸到昌樂雷達(dá)站一線重新發(fā)展，北部地區(qū)強(qiáng)降水再度加強(qiáng)，昌邑站出現(xiàn)54 mm/h的短時強(qiáng)降水。同時暴雨區(qū)南部由于低空急流的風(fēng)速脈動，西北-東南向中尺度輻合線再度發(fā)展，造成安丘站出現(xiàn)30.2 mm/h的短時強(qiáng)降水過程。

圖6 2017年8月3日00:08(a)、02:06(b)、04:51(c)濰坊多普勒雷達(dá)風(fēng)場反演圖

在8月2日23時至3日06時強(qiáng)降水發(fā)生過程中，由于槽后冷空氣是分股擴(kuò)散南下，所以北部的中尺度切變線并不是一直維持，而是出現(xiàn)了3個較強(qiáng)降水時段。冷暖空氣強(qiáng)烈交匯產(chǎn)生的中尺度切變線和低空急流風(fēng)速脈動造成的中尺度輻合線，是魯中東部暴雨的直接影響系統(tǒng)，對強(qiáng)降水的落區(qū)有很好的指示作用。

4 結(jié) 論

本文對2017年8月2-3日“海棠”殘留低壓引發(fā)的魯中東部暴雨中尺度特征分析結(jié)果表明：

(1)500 hPa西風(fēng)槽與“海棠”低壓倒槽的合并加強(qiáng)并引導(dǎo)冷空氣南下，與低空急流和超低空急流輸送的暖濕空氣相互作用，造成2日20時至3日08時魯中東部暴雨天氣的發(fā)生。

(2)低空20 m·s-1以上強(qiáng)東南急流向超低空快速擴(kuò)展到達(dá)1 km以下高度，造成降水的開始和增強(qiáng)；2 km以下東南風(fēng)、2-5 km偏南風(fēng)急流和5 km以上西北風(fēng)的垂直風(fēng)場結(jié)構(gòu)對應(yīng)著短時強(qiáng)降水時段；5 km以下高度均轉(zhuǎn)為西南風(fēng)且低空急流強(qiáng)度的明顯減弱，對應(yīng)著降水的減弱和結(jié)束。

(3)低空急流向下擴(kuò)展，使大氣濕層加厚、斜壓鋒區(qū)加強(qiáng)，中層干冷空氣的侵入觸發(fā)了不穩(wěn)定能量釋放。

(4)低空急流指數(shù)I對低空急流的脈動及向超低空擴(kuò)展程度有密切的關(guān)系，指數(shù)I越大，脈動越大，指數(shù)I的峰值出現(xiàn)時刻較雨強(qiáng)的峰值出現(xiàn)時刻提前2 h左右。

(5)冷暖空氣強(qiáng)烈交匯產(chǎn)生的中尺度切變線和低空急流風(fēng)速脈動造成的中尺度輻合線，是魯中東部暴雨的直接影響系統(tǒng)，對強(qiáng)降水的落區(qū)有很好的指示作用。