張雪慧 田德寶 曾令建 張珊珊 陸琛莉 謝帥
(浙江省嘉興市氣象局,嘉興 314050)
臺(tái)風(fēng)是每年夏季影響我國(guó)的重要天氣系統(tǒng),受臺(tái)風(fēng)本體影響時(shí)多狂風(fēng)暴雨,而僅受臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流影響,有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)距離暴雨。臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨通常發(fā)生在臺(tái)風(fēng)中心1000 km以外,雨量往往被低估,一旦發(fā)生容易致災(zāi)。臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的預(yù)報(bào)難度較大[1],因?yàn)椴⒎撬信_(tái)風(fēng)均能產(chǎn)生遠(yuǎn)距離暴雨;臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的落區(qū)受多系統(tǒng)影響不確定性很大;日降水量和過(guò)程降水量波動(dòng)范圍很大。
在前人的研究中,臺(tái)風(fēng)引起遠(yuǎn)距離暴雨的作用形式多樣。起初人們研究較多的是華北和西北地區(qū)的臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨[2-4],臺(tái)風(fēng)倒槽外圍環(huán)流將熱量和水汽輸送到北方地區(qū),與中高層西風(fēng)槽帶來(lái)的冷空氣進(jìn)行耦合,并常伴有高空急流非緯向性增加;之后發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)環(huán)流還可引導(dǎo)南下冷空氣加強(qiáng),誘發(fā)中尺度系統(tǒng)產(chǎn)生暴雨[5-7];另外,臺(tái)風(fēng)能量頻散波動(dòng)特征的遠(yuǎn)距離傳播也能造成1000 km以外的遠(yuǎn)距離暴雨[8];還有研究發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)西側(cè)下沉氣流或與暴雨區(qū)的上升氣流構(gòu)成次級(jí)環(huán)流,臺(tái)前颮線也可造成遠(yuǎn)距離暴雨[9-11]等等。陳聯(lián)壽等在2007年給出了臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離降水的宏觀定義[12]:①降水發(fā)生在臺(tái)風(fēng)范圍之外;②這塊降雨與臺(tái)風(fēng)存在著內(nèi)在的物理聯(lián)系。眾多研究成果顯示,臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨是臺(tái)風(fēng)與其相鄰的中緯度系統(tǒng)(包括西風(fēng)槽、東北冷渦、西南渦、弱冷空氣、高低空急流及副熱帶高壓等)相互作用的結(jié)果[13-14],在多數(shù)臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨個(gè)例中,臺(tái)風(fēng)東側(cè)或北側(cè)的偏南或偏東的暖濕急流及臺(tái)風(fēng)誘發(fā)的混合重力波是聯(lián)系中低緯相互作用的橋梁和紐帶[15-17]。
江浙地區(qū)每年受臺(tái)風(fēng)的直接影響較為嚴(yán)重[18-20],而對(duì)遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)暴雨的關(guān)注和研究相對(duì)來(lái)說(shuō)較少。2014年8月8日發(fā)生在江浙江地區(qū)的暴雨過(guò)程,強(qiáng)降水時(shí)段2 h雨量超100 mm,且在夜間和清晨前后爆發(fā),預(yù)報(bào)難度較大,對(duì)此次過(guò)程進(jìn)行分析研究,找出暴雨產(chǎn)生的機(jī)制,以期在類似天氣形勢(shì)時(shí)增強(qiáng)災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)能力。
本文使用的資料有:地面和高空氣象觀測(cè)資料、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(簡(jiǎn)稱 ECMWF)數(shù)值模式預(yù)報(bào)資料、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NECP)1°×1°的再分析資料與多普勒雷達(dá)資料等。
2014年8月4—9日,11號(hào)臺(tái)風(fēng)“夏浪”沿131.0°~131.5°E洋面北上,8日江蘇東部至浙江東北部出現(xiàn)大范圍暴雨,部分地區(qū)短時(shí)雨量達(dá)特大暴雨量級(jí)。從7日23:00至8日11:00 12 h累積降水量(圖1a)來(lái)看,強(qiáng)降水分為兩個(gè)區(qū)域:A區(qū)是江蘇東部雨帶,從鹽城至無(wú)錫呈南北向分布,主要降水時(shí)段為7日23:00至8日06:00,最大小時(shí)雨強(qiáng)87.9 mm·h-1,12 h 累積雨量最大為南通市海安李堡鎮(zhèn)170.4 mm,從逐小時(shí)降雨量圖(圖1b,深色)可見(jiàn),過(guò)程累積雨量大但雨強(qiáng)較為平均,說(shuō)明江蘇東部雨帶具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、暴雨范圍較大等系統(tǒng)性特征;B區(qū)是浙江北部雨帶,從江浙滬交界過(guò)紹興至金華,呈東北西南向分布,主要降水時(shí)段為8日04:00—11:00,暴雨區(qū)域較為分散,最強(qiáng)在浙江省嘉興市東北部,最大小時(shí)雨強(qiáng)81.7 mm·h-1,12 h累積雨量最大為嘉興市嘉善縣大云鎮(zhèn)170.0 mm(圖1 b,淺色),可見(jiàn)雨強(qiáng)極度不均,降水量的85%集中在06:00—08:00兩小時(shí)內(nèi),說(shuō)明該雨帶具有突發(fā)性強(qiáng)、短時(shí)雨量大等強(qiáng)對(duì)流天氣降水特征。
圖1 2014年8月7日23:00至8日11:00累積降水量(a)和南通市海安市李堡鎮(zhèn)測(cè)站(深色)、嘉興市嘉善縣大云鎮(zhèn)測(cè)站(淺色)逐小時(shí)降水量(b)(圖a中2個(gè)黃色圓點(diǎn)為李堡鎮(zhèn)和大云鎮(zhèn)測(cè)站的位置)
從2014年8月7日20:00 500 hPa形勢(shì)場(chǎng)(圖2a)上看,中高緯為兩槽一脊形勢(shì),120°~140°E有短波槽東移,槽后有冷平流;西太平洋副熱帶高壓(副高)主體位于140°E以東,588 dagpm線西界呈方形,其西側(cè)臺(tái)風(fēng)“夏浪”沿偏南風(fēng)引導(dǎo)氣流北上,為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別,發(fā)展深厚,其渦旋從海平面到200 hPa環(huán)流場(chǎng)上皆有反映;但臺(tái)風(fēng)渦旋并未對(duì)我國(guó)大陸產(chǎn)生直接影響,我國(guó)中部及南部大部分地區(qū)受大陸高壓環(huán)流控制,江浙東部地區(qū)上空引導(dǎo)氣流較弱,有利于降水系統(tǒng)的停留。圖2b為700 hPa形勢(shì)圖,中高緯兩槽一脊形勢(shì)和臺(tái)風(fēng)位置與500 hPa對(duì)應(yīng),華北地區(qū)有高壓環(huán)流,環(huán)流底部在朝鮮半島南端至江蘇省南部有東西向的切變線存在,暴雨區(qū)處于切變線南側(cè)。
圖2 2014年8月7日20:00 500 hPa(a)和700 hPa(b)的高度、溫度和風(fēng)場(chǎng)(藍(lán)色線為等高線,單位:dagpm;紅色線為等溫線,單位:℃)
7日20:00 850 hPa流場(chǎng)和風(fēng)速演變(圖3)顯示,東亞地區(qū)主要影響系統(tǒng)為中高緯度的高壓環(huán)流和中低緯度的臺(tái)風(fēng)低壓環(huán)流,這兩個(gè)大尺度環(huán)流之間在朝鮮半島南端至湖北省東部存在1~2個(gè)中尺度渦旋。較明顯的是安徽至江蘇中尺度渦旋,它產(chǎn)生在急流中心(風(fēng)速14 m·s-1)南側(cè)(圖3a)并逐步發(fā)展,8日02:00強(qiáng)度和范圍都進(jìn)一步增大(圖3b),渦旋東部的正渦度大值區(qū)(圖略)有系統(tǒng)抬升作用,對(duì)應(yīng)著A區(qū)暴雨的產(chǎn)生。隨著臺(tái)風(fēng)中心北上,8日08:00(圖3c)安徽至江蘇上空中尺度渦旋被臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流吞并,形成了較大跨度的116°~138°E低壓環(huán)流,原中尺度渦旋流線方向改變,安徽東南部至浙江北部流線轉(zhuǎn)為西北向,有利于引導(dǎo)弱冷空氣南下,西北氣流南端位于上海至浙北,在該處形成西北風(fēng)與偏東風(fēng)、偏北風(fēng)的風(fēng)向切變。925 hPa系統(tǒng)形勢(shì)(圖略)演變與850 hPa類似,由此可見(jiàn),A區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展與安徽至江蘇上空中尺度渦旋直接相關(guān),而臺(tái)風(fēng)強(qiáng)大環(huán)流的存在和靠近是B區(qū)暴雨發(fā)生的必要條件,它使安徽至江蘇上空中尺度渦旋流場(chǎng)發(fā)生改變,安徽東南部至浙江北部產(chǎn)生的西北氣流對(duì)B區(qū)暴雨形成至關(guān)重要。
圖3 2014年8月7日20:00(a)、8日02:00(b)、8日08:00(c)850 hPa風(fēng)速(陰影)和流場(chǎng)(為A區(qū)暴雨位置,為B區(qū)暴雨位置)
使用不同起報(bào)時(shí)次的 ECMWF數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果與再分析資料對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)暴雨落區(qū)和量級(jí)的偏差與安徽至江蘇上空渦旋強(qiáng)度、臺(tái)風(fēng)位置預(yù)報(bào)的差異有關(guān)。
圖4中陰影區(qū)為不同起報(bào)時(shí)次預(yù)報(bào)的過(guò)程(對(duì)應(yīng)圖1a時(shí)段)累積雨量,圖4a起報(bào)時(shí)次為6日20:00,預(yù)報(bào)降雨落區(qū)在江蘇中部偏北,雨帶呈東北—西南向,雨量中心僅大雨級(jí)別(25~50 mm);圖4b起報(bào)時(shí)次為7日08:00,江蘇中部報(bào)出100 mm以上大暴雨,蘇南及浙北雨帶(B區(qū))暴雨量級(jí)未報(bào)出,但雨帶位置和形狀與實(shí)況相符。
分析兩個(gè)起報(bào)時(shí)次江蘇東部雨量的預(yù)報(bào)值變化原因,作8日02:00 850 hPa的渦度圖(圖略),發(fā)現(xiàn)安徽至江蘇上空渦旋東北部有渦度大值中心,6日20:00起報(bào)的渦度中心值為30×10-5s-1,7日08:00起報(bào)的渦度中心值增為45×10-5s-1,說(shuō)明渦旋的強(qiáng)度與預(yù)報(bào)的累積雨量有正相關(guān)關(guān)系。
圖4b中蘇南及浙北雨帶位置和形狀預(yù)報(bào)優(yōu)于前一時(shí)次預(yù)報(bào),對(duì)比兩個(gè)時(shí)次對(duì)8日08:00 850 hPa流場(chǎng)形勢(shì)預(yù)報(bào)發(fā)現(xiàn),圖4a中臺(tái)風(fēng)中心位置大致在130.5°E、28°N,與圖4b相比略偏西偏北,安徽至江蘇渦旋偏弱,結(jié)合位置位于安徽東南部到江蘇南部,只在安徽中南部有小范圍的西北氣流,西北氣流頂端位置處預(yù)報(bào)的累積雨量?jī)H5~10 mm;圖4b中臺(tái)風(fēng)中心位置調(diào)整至131.0°E、27.5°N附近,安徽至江蘇渦旋強(qiáng)度增強(qiáng),與臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流結(jié)合的情況比前一預(yù)報(bào)時(shí)次更接近實(shí)況,安徽東南部至浙北地區(qū)出現(xiàn)西北氣流,風(fēng)向切變位于蘇南至浙北,對(duì)應(yīng)著B(niǎo)區(qū)位置,雨量報(bào)至25 mm。對(duì)比這兩個(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào)場(chǎng)和預(yù)報(bào)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)位置、環(huán)流范圍和安徽至江蘇上空中尺度渦旋的強(qiáng)度三者聯(lián)合決定了臺(tái)風(fēng)與中尺度渦旋的結(jié)合位置與結(jié)合的緊密程度,進(jìn)而決定了流場(chǎng)形勢(shì)與暴雨產(chǎn)生的條件配置。但不同時(shí)次對(duì)蘇南至浙北地區(qū)的雨量預(yù)報(bào)均偏小,出現(xiàn)極端降水原因還需進(jìn)一步分析。
圖4 ECMWF 2014年8月6日20:00(a)、7日08:00(b)起報(bào)的8日08:00 850 hPa流場(chǎng)和7日23:00至8日11:00累積降水量(陰影)
水汽通量是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位截面積所輸送的水汽量,反映水汽輸送的強(qiáng)度。大氣中的水汽集中在對(duì)流層中下層,使用再分析資料作水汽通量圖(圖5),圖中矢量標(biāo)記了水汽通量的方向和大小,陰影區(qū)展示了臺(tái)風(fēng)與暴雨區(qū)之間的聯(lián)系。
本次暴雨區(qū)與臺(tái)風(fēng)中心相距約1300 km,出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)西北方向,7日20:00 850 hPa水汽通量極大值區(qū)位于江蘇至安徽北部(圖5a),925 hPa(圖5b)位于江蘇中北部,水汽來(lái)源大致可分為兩支:北支較短較弱,從黃海及其北部往水汽通量大值區(qū)輸送,南支由臺(tái)風(fēng)北側(cè)洋面輸送至水汽通量大值區(qū);南支水汽輸送的通道寬廣,925 hPa華東沿海30°~35°N范圍都受臺(tái)風(fēng)北側(cè)偏東氣流的水汽輸送。8日08:00水汽通量圖與7日20:00相比,南、北兩支水汽通道有臺(tái)風(fēng)北側(cè)水汽加入,明顯加寬增強(qiáng):850 hPa層(圖5c)臺(tái)風(fēng)北側(cè)水汽從日本本州島南端至朝鮮海峽加入,在韓國(guó)中部出現(xiàn)水汽通量10 g·s-1·hPa-1·cm-1的大值區(qū),925 hPa層(圖5 d)在朝鮮海峽出現(xiàn)20 g·s-1·hPa-1·cm-1大值中心,從大值區(qū)有偏東氣流將水汽輸送至江蘇至浙北一帶??梢?jiàn)本次暴雨過(guò)程中臺(tái)風(fēng)通過(guò)北側(cè)的偏東氣流對(duì)暴雨區(qū)一直提供水汽,對(duì)暴雨的產(chǎn)生和維持起到支撐作用。
圖5 2014年8月7日20:00(a,b)、8日08:00(c,d)850 hPa和925 hPa水汽通量
本次暴雨過(guò)程中雨帶呈南北向,作緯向垂直剖面圖有助于判斷暴雨區(qū)上空天氣系統(tǒng)和能量情況。假相當(dāng)位溫(θse)是表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合特征量,反映了大氣能量的分布,θse高值區(qū)既是高溫高濕區(qū)也是高能區(qū)[21]。當(dāng)假相當(dāng)位溫隨氣壓降低而減小時(shí),滿足對(duì)流不穩(wěn)定條件,即此處氣塊的溫濕度大于周?chē)h(huán)境空氣,在發(fā)生整層抬升時(shí)易產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。
利用再分析資料沿32°N作假相當(dāng)位溫的緯向剖面圖(圖6a),暖色調(diào)代表θse高值區(qū),冷色調(diào)代表θse低值區(qū)??梢?jiàn)在A區(qū)暴雨發(fā)生前,119°E以西低層空氣偏干冷,而118°~122°E上空有高能舌,θse為351 K線呈“Ω”形結(jié)構(gòu)[22]向上空擴(kuò)展至600 hPa,θse中心達(dá)354 K以上,上暖濕下干冷的結(jié)構(gòu)表明對(duì)流不穩(wěn)定能量大,且A區(qū)上空經(jīng)向風(fēng)顯示中下層有偏東風(fēng)與偏西風(fēng)分量的輻合,產(chǎn)生較明顯的上升運(yùn)動(dòng),容易促進(jìn)高能舌不穩(wěn)定能量的釋放。暴雨發(fā)生前B區(qū)的緯向剖面圖(圖6b)顯示,120°E以西的低層有干冷空氣,并有偏西風(fēng)分量,122°E以東低層有強(qiáng)勁的偏東氣流將高溫高濕區(qū)從東往西輸送,它們之間120°~122°E上空形成窄高的高能舌,θse351 K線向上擴(kuò)展至675 hPa,表明臺(tái)風(fēng)環(huán)流從洋面上空往暴雨區(qū)輸送暖濕空氣,在與干冷空氣交接處的東側(cè)上空形成高能區(qū)。根據(jù)能量條件分析,B區(qū)上空在受到系統(tǒng)觸發(fā)抬升時(shí),容易產(chǎn)生劇烈天氣。
圖6 2014年8月7日20:00沿32°N(a)、8日2:00沿31°N(b)的垂直剖面(陰影為θse,單位:K;風(fēng)矢為風(fēng)東西分量與垂直分量合成)
從形勢(shì)場(chǎng)看,B區(qū)上空并沒(méi)有明顯的抬升系統(tǒng),在形勢(shì)預(yù)報(bào)基本正確的情況下(圖4b),B區(qū)雨帶預(yù)報(bào)為中雨量級(jí)。B區(qū)上空有對(duì)流不穩(wěn)定能量積聚,觸發(fā)機(jī)制和極端暴雨產(chǎn)生原因需分析更高時(shí)空分辨率的資料。
多普勒雷達(dá)資料時(shí)空分辨率高,對(duì)于顯示雨帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)、揭示中小尺度系統(tǒng)十分有用。使用寧波多普勒雷達(dá)的徑向速度圖分析關(guān)鍵區(qū)風(fēng)場(chǎng)演變情況(圖7),冷色調(diào)代表回波位置風(fēng)的徑向分量朝向雷達(dá)測(cè)站,暖色調(diào)代表風(fēng)的徑向分量遠(yuǎn)離雷達(dá)測(cè)站,黑色表示0速度線,有降水回波的區(qū)域才有徑向風(fēng)速數(shù)值。圖7a為嘉興地區(qū)回波初生時(shí),可以看到0速度線位置較寬,呈西北東南向,0速度線兩側(cè)冷暖兩色徑向風(fēng)速都較小,說(shuō)明存在一定的風(fēng)向輻合。3 h后(圖7b)輻合帶北段仍位于嘉興與上海交界,存在長(zhǎng)時(shí)間的輻合抬升作用,且圖上顯示風(fēng)速增大,輻合作用更強(qiáng),最大回波強(qiáng)度57 dBz,回波頂高最高達(dá)17.1 km(強(qiáng)度圖和回波頂高圖略),南段杭州灣處激發(fā)出新的對(duì)流,圖7c中輻合線位置依然少動(dòng)。圖7b、c中輻合線上還出現(xiàn)了中γ尺度的氣旋,左下角為速度對(duì)放大,圖7b中的速度對(duì)維持3個(gè)體掃時(shí)間,圖7c中的速度對(duì)維持8個(gè)體掃時(shí)間,位置與暴雨點(diǎn)相合(圖略)。由此可見(jiàn),較長(zhǎng)時(shí)間的輻合作用造成了抬升,觸發(fā)了強(qiáng)對(duì)流天氣,高能區(qū)的不穩(wěn)定能量強(qiáng)烈釋放,輻合線上激發(fā)的中γ尺度系統(tǒng)存在和維持,對(duì)應(yīng)著B(niǎo)區(qū)出現(xiàn)的極端降水。
圖7 2014年8月8日04:04(a)、07:13(b)、07:41(c)寧波多普勒雷達(dá)0.5°仰角徑向速度(左下角為圓圈處放大)
2014年8月8日江蘇東部至浙江北部出現(xiàn)大范圍暴雨,通過(guò)研究暴雨性質(zhì)、再分析形勢(shì)場(chǎng)和不同起報(bào)時(shí)次的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品,發(fā)現(xiàn)暴雨量級(jí)和落區(qū)變化與遠(yuǎn)在1300 km外的西太平洋上的11號(hào)臺(tái)風(fēng)“夏浪”有關(guān)聯(lián)。
(1)臺(tái)風(fēng)為本次暴雨過(guò)程提供了充足的水汽條件。水汽通量分析顯示,臺(tái)風(fēng)本體與暴雨區(qū)之間存在相互聯(lián)系,臺(tái)風(fēng)北側(cè)一直有偏東氣流向暴雨區(qū)輸送暖濕空氣,并隨著臺(tái)風(fēng)北上,水汽輸送的通道更廣更強(qiáng),在上升運(yùn)動(dòng)區(qū)水汽聚集抬升,對(duì)暴雨的產(chǎn)生和維持起到了支撐作用。
(2)臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流影響了暴雨落區(qū)位置。系統(tǒng)演變分析顯示,A區(qū)暴雨是由低層急流南側(cè)中尺度渦旋引發(fā)的,且華東區(qū)高空引導(dǎo)氣流弱,中低層降水系統(tǒng)有較長(zhǎng)作用時(shí)間;之后臺(tái)風(fēng)北上,臺(tái)風(fēng)中心與中尺度渦旋距離縮短,臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流對(duì)渦旋產(chǎn)生了牽引,使流場(chǎng)形勢(shì)發(fā)生改變,引導(dǎo)弱冷空氣南下,在浙北近海低層冷暖空氣交匯,輻合抬升使積累的對(duì)流不穩(wěn)定能量劇烈釋放,B區(qū)產(chǎn)生暴雨。
(3)臺(tái)風(fēng)環(huán)流輸送的暖濕空氣為強(qiáng)對(duì)流爆發(fā)和維持提供能量條件。在能量條件與觸發(fā)條件分析中發(fā)現(xiàn),臺(tái)風(fēng)北側(cè)底層的偏東氣流將θse高值區(qū)(暖濕空氣)輸送至B區(qū),使B區(qū)上空對(duì)流不穩(wěn)定能量積聚,當(dāng)有觸發(fā)條件時(shí),便激發(fā)出強(qiáng)對(duì)流,輻合帶上中γ尺度的氣旋造成了極端強(qiáng)降水。
(4)本次過(guò)程臺(tái)風(fēng)中心在130°E以東,按經(jīng)驗(yàn)對(duì)華東近海地區(qū)影響較小,但由于其外圍環(huán)流與中尺度降水系統(tǒng)結(jié)合,產(chǎn)生的輻合抬升位置處于不穩(wěn)定能量高值帶,激發(fā)了強(qiáng)對(duì)流產(chǎn)生局地強(qiáng)降水,說(shuō)明臺(tái)風(fēng)對(duì)遠(yuǎn)距離暴雨作用形式的復(fù)雜性。當(dāng)有臺(tái)風(fēng)影響時(shí),應(yīng)多關(guān)注不同起報(bào)時(shí)次天氣形勢(shì)場(chǎng)的異同,加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)結(jié)合可能性的分析,及時(shí)調(diào)整預(yù)報(bào)偏差。