劉瑾 許向春
(1海南省三亞市氣象局 海南三亞 572000;2海南省氣象局 海南???570203;3海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 海南???570203)
海南頻發(fā)持續(xù)性暴雨天氣[1],給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)帶來巨大損失。海南暴雨頻次、降雨總量以及強度近年均有上升趨勢,后汛期尤為明顯[2]。秋季,是夏季風(fēng)向冬季風(fēng)過渡的季節(jié),冷空氣頻繁,強度逐漸增大,西北太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)南退,脊線逐漸移至華南沿海至南海北部一帶,在副高南側(cè)熱帶輻合帶活躍,冷空氣南壓至華南沿海一帶與熱帶低值系統(tǒng)相互作用可引發(fā)暴雨。海南秋季的強降雨與熱帶低值系統(tǒng)的活動密切相關(guān),由熱帶低值系統(tǒng)直接引起——直接型[3-8],或由熱帶低值系統(tǒng)與冷空氣相互作用造成——間接型[9]。在實際業(yè)務(wù)預(yù)報中,間接型暴雨多在短臨預(yù)報中進(jìn)行監(jiān)測、實時發(fā)布預(yù)警,相比直接型暴雨,較難提前把握其降雨強度及持續(xù)時間,開展間接型暴雨具體的天氣分析對業(yè)務(wù)工作有重要的現(xiàn)實意義。國內(nèi)外學(xué)者針對冷空氣與熱帶系統(tǒng)相互作用開展了相關(guān)研究。Chang等[10]結(jié)果表明,冷涌進(jìn)入南海的初始階段可促進(jìn)熱帶擾動的增強。Srock等[11]認(rèn)為,熱帶氣旋通過輸送暖濕空氣,與大陸北側(cè)冷空氣產(chǎn)生鋒生,激發(fā)中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生。針對海南秋季持續(xù)性暴雨天氣過程,符式紅等[12]研究結(jié)果表明,中緯冷高壓、南海熱低壓和副高三者相互作用,誘發(fā)的低空急流有利于氣流在海南島輻合,高層輻散、低層輻合的高低空天氣系統(tǒng)配置是海南島后汛期特大暴雨發(fā)生的主要環(huán)流特征。馬學(xué)款等[13]報道,冷、熱氣團(tuán)相互作用導(dǎo)致持續(xù)鋒生,強迫產(chǎn)生的熱力直接環(huán)流上升與低空急流是對流系統(tǒng)發(fā)展的主要動力。周海霞等[14]應(yīng)用w方程對熱帶低壓的不對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行診斷,解釋了海南暴雨分布不均的特征。簡茂球等[15]認(rèn)為,加里曼丹島和菲律賓南部附近地區(qū)的大氣準(zhǔn)雙周低頻振蕩對海南島持續(xù)性暴雨過程有重要影響。暴雨的形成機制一直是業(yè)內(nèi)探討的熱點問題,針對海南島秋季持續(xù)強降雨,現(xiàn)有研究大多是對整個天氣過程進(jìn)行天氣學(xué)診斷,暴雨不同階段的成因可能不同,對比持續(xù)性暴雨不同階段的成因,將進(jìn)一步加深對多系統(tǒng)相互作用下持續(xù)性暴雨形成機制的認(rèn)識。本研究對海南2020年10月15-19日持續(xù)強降雨過程進(jìn)行分析,重點討論冷空氣頻繁誘發(fā)的持續(xù)東北急流,及其與南海輻合帶相互作用造成的持續(xù)強降雨過程,并對比2個強降雨時段(16日20時至17日08時和18日08時至20時)的天氣學(xué)機制。
利用海南島區(qū)域自動站、探空等常規(guī)觀測資料,??谡竞腿齺喺径嗥绽绽走_(dá)和NCEP FNL數(shù)據(jù),NCEP FNL數(shù)據(jù)是空間分辨率為1°×1°的再分析資料,時間分辨率為6 h,從NCAR數(shù)據(jù)庫免費獲?。╮da.ucar.edu/)。
為討論海南島不同時段的降水分布特征,運用北部、中部和南部地區(qū)站點1小時降雨、3小時氣壓與變壓數(shù)據(jù)繪制時序圖。為突出主要降雨特點,選擇北部、中部和南部地區(qū)最大累計雨量站點,分別為??谂f州鎮(zhèn)政府站、瓊中馬場站與三亞大茅山莊站點。對雷達(dá)、再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理,通過計算相關(guān)物理量診斷其分布特征,進(jìn)一步討論降雨成因。其中,對本研究有重要意義的是對濕位渦的診斷。吳國雄等[16]將濕位渦定義為單位質(zhì)量氣塊的絕對渦度在相當(dāng)位溫梯度方向的投影與這一梯度絕對值的乘積,對無摩擦、濕絕熱的飽和大氣滿足濕位渦守恒。將濕位渦在等壓面上展開,定義其垂直和水平分量分別為MPV1,MPV2。
MPV1是濕正壓項,北半球大氣對流不穩(wěn)定時,MPV1<0;在大氣對流穩(wěn)定時,MPV1>0。MPV2是濕斜壓項,它的數(shù)值由風(fēng)的垂直切變(水平渦度)和θe的水平梯度決定,在濕位渦守恒的制約下,θe面傾斜越大,氣旋性渦度越強烈,這種渦度的增長稱為傾斜渦度發(fā)展。
繼2020年第22號臺風(fēng)“環(huán)高”于2020年10月15日中午登陸越南,南海季風(fēng)槽仍然活躍,雖未加強為熱帶低壓,但與冷空氣持續(xù)相互作用,導(dǎo)致海南島2020年10月15日08時至19日08時(北京時間,下同)出現(xiàn)持續(xù)強降雨天氣。如圖1-a所示,過程累計雨量呈中部地區(qū)最大(600~740 mm)、東部和南部地區(qū)次之(200~500 mm)、西部和北部最?。?00 mm以下)的分布特征,其中最大累計雨量為747 mm,位于瓊中地區(qū)馬場站點。分析北部、中部和南部地區(qū)過程最大雨量站點的1小時降雨時序圖,圖1-b表明,整個天氣過程有2個強降雨時段:16日20時至17日08時,主要位于海南島中部地區(qū),小時雨量達(dá)到20 mm及以上的強降水過程持續(xù)達(dá)10 h,12小時累計雨量最大值位于瓊中地區(qū)馬場站點,為265 mm;18日08時至20時,主要位于海南島中部和南部地區(qū),12小時累計雨量最大值位于三亞地區(qū)鳳凰島站點,為164 mm。
圖1 強降雨分布情況
此次強降雨過程影響范圍廣、降水強度大、持續(xù)時間長,給海南島造成了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。
分析2020年10月15-19日平均環(huán)流形勢場(圖2-a),500 hPa高度場亞歐中高緯為一槽一脊形勢,東亞槽從鄂霍次克海經(jīng)日本海南伸至中國東部地區(qū),貝加爾湖受弱脊控制。副高較弱,呈塊狀,脊線位于20°N附近,西伸至廣西沿海一帶。中國中東部地區(qū)850 hPa呈反氣旋環(huán)流,東部海域至華南沿海維持東北氣流,海南島至南海北部有大范圍偏東急流,結(jié)合溫度密集帶,表明低層有冷空氣入侵。中南半島至南海中部有熱帶輻合帶,熱帶對流云團(tuán)發(fā)展活躍。
14日起,東北冷渦及低槽緩慢東移,貝加爾湖高壓脊前不斷有短波槽并入冷渦,其冷平流的動力加壓作用使低層?xùn)|部地區(qū)維持反氣旋環(huán)流,出現(xiàn)東北急流,副高多位于西太平洋至中國東部一帶。16日(圖2-b),蒙古西部冷高壓加強并向我國中部和東部地區(qū)擴散,溫度密集區(qū)南壓至兩廣沿海地區(qū),副高位于在兩廣一帶,呈帶狀,低層長時間東北急流的維持為海南島中部地區(qū)帶來輻合,200 hPa高層輻散,為海南島中部地區(qū)帶來強降雨天氣。18日(圖2-c),青藏高原北部有短波槽東移發(fā)展并引導(dǎo)弱冷空氣南下,副高加強至塊狀,南海輻合帶由12°N北抬至15°N附近海域,出現(xiàn)較明顯氣旋式環(huán)流,水汽輸送增強,東南急流和東北急流的輻合造成海南島中部和南部地區(qū)的第二次強降雨過程。19日之后,南海輻合帶西移至中南半島,海南島全部被東北氣流控制,動力與水汽條件不足,海南大范圍強降雨過程結(jié)束。
分析??凇傊?、三亞最大累積降雨站點三小時氣壓和變壓時序圖,結(jié)果(圖2-d)表明,15日起海南島北部和中部地區(qū)氣壓逐日緩慢上升,南部地區(qū)18日之前緩慢下降,18日之后明顯上升;17日海南島北部和中部地區(qū)變壓達(dá)到峰值,18日南部地區(qū)變壓達(dá)到峰值,說明前期受地形阻擋作用,冷空氣主要影響中部地區(qū),18日冷空氣補充南下,與北移的南海輻合帶共同作用,影響南部地區(qū)。
圖2 環(huán)境背景、氣壓和變壓時序圖
從以上分析可知,冷空氣頻發(fā)導(dǎo)致低空急流長時間維持并南壓,與南海輻合帶相互作用,是此次強降雨過程的主要天氣學(xué)成因,也是海南秋季持續(xù)強降雨的重要預(yù)報著眼點。因此,有必要對二者相互作用的物理機制作進(jìn)一步探討。
2.3.1 冷空氣引發(fā)持續(xù)低空急流
冬季風(fēng)期間,中國北部主要盛行西北氣流,30°N以南則為東北氣流控制,當(dāng)中高緯大陸冷空氣向南爆發(fā),南海和熱帶西太平洋一帶東北風(fēng)風(fēng)速加強的一種低層大氣現(xiàn)象一般稱為冷涌[17]。有關(guān)學(xué)者[18]指出,東亞和東南亞的冷涌是淺薄的,主要限于700 hPa以下。目前關(guān)于冷涌的定義尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),Lau等[19]將冷涌定義為:(1)南海北部海域(15-20°N,110-115°E)偏北風(fēng)增大到8 m/s以上;(2)偏北風(fēng)增大前0~24 h內(nèi),中國香港(或廣州)與武漢的氣壓差大于等于8 hPa。本次過程冷空氣爆發(fā)于華北和華東地區(qū),造成了地面明顯降溫(最大降溫近11℃/d)和大風(fēng)天氣,南海北部海域1 000 hPa垂直運動和偏北分量風(fēng)速的平均值和最大值見圖3。平均值均較小,偏北分量在16日夜間逐漸加強至10.5 m/s,直至19日均大于8 m/s,廣州與武漢氣壓差10月14日達(dá)到10 hPa,直至16日氣壓差達(dá)到最大,為11 hPa。因此,冷涌是此次過程東北急流長時間維持的主要原因。由圖3可知,偏北分量風(fēng)速最大值的出現(xiàn)時段較最大上升氣流提前一天,表明東北急流有利于觸發(fā)強降雨過程。
圖3 南海北部海面(15~20°N,110~115°E)1 000 hPa垂直運動和偏北分量風(fēng)速
2.3.2 冷空氣入侵的影響
14日,低緯地區(qū)受東南風(fēng)控制,干冷空氣維持在25°N附近,南海輻合帶活躍于12°N一帶。受較強冷空氣影響,16日中緯地區(qū)出現(xiàn)東北急流,冷空氣南壓,于16日夜間到達(dá)兩廣一帶(圖4-a),假相當(dāng)位溫經(jīng)向梯度達(dá)到6 K/(100 km),925 hPa海南島陸地的偏東急流風(fēng)速達(dá)到24 m/s,與東北急流輻合帶來強上升運動,并在海南島中部形成明顯水汽輻合(圖4-b),造成第一次強降雨。之后,弱冷空氣繼續(xù)向南擴散(圖4-c),整個海南島受東北急流控制,17日夜間925 hPa風(fēng)速第二次達(dá)到24 m/s,南海輻合帶北移西收,位于14°N附近,氣旋式環(huán)流加強,為海南島南部沿岸帶來暖濕的東南氣流,與東北急流輻合,為海南島南部陸地帶來良好的動力抬升和水汽條件,此時水汽輻合中心南移至海南島南部陸地至南部海面區(qū)域(圖4-d),在海南島南部陸地發(fā)生第二次強降雨過程。冷空氣與南海輻合帶及水汽條件的發(fā)展與移動見圖4-e、圖4-f。楊薇[20]指出,偏東氣流影響下,海南島“中間高、四周低”環(huán)形層狀分布的地形[21]促使東部地區(qū)出現(xiàn)有利于水汽抬升的環(huán)流配置,同時阻擋水汽向西輸送,導(dǎo)致海南島中部地區(qū)長時間維持水汽輻合。18日夜間,隨著冷空氣繼續(xù)擴散,南海輻合帶西退并逐漸減弱,抬升與水汽條件不足,強降雨過程結(jié)束。結(jié)合雷達(dá)組合反射率因子和徑向速度圖像(圖5-a、圖5-b),16日夜間,徑向速度圖呈“S”型,由于地形阻擋,在海南島中部陸地形成范圍較大、東西走向的回波帶。17日夜間,最大徑向速度達(dá)到34 m/s,速度模糊范圍較大,并維持較長時間。
圖4 冷空氣入侵情況
圖5 反射率和徑向速度
以上結(jié)合風(fēng)場與地形分析了冷空氣對此次過程2個強降雨時段的影響,此次過程在暴雨的維持、南海輻合帶的發(fā)展與北移方面的物理機制需要進(jìn)一步思考。
低層濕位渦分析和傾斜渦度發(fā)展理論是持續(xù)暴雨動力天氣和動力氣候研究的一個重要內(nèi)容[22],濕位渦是能表征大氣動力、熱力和水汽性質(zhì)的綜合物理量。
暴雨前期冷空氣主體位于海南島中層(圖6-a),“上冷下暖”為暴雨的持續(xù)發(fā)生積累不穩(wěn)定能量,海南島中低層MPV1<0,大氣呈對流不穩(wěn)定(圖6-b);MPV2在中層為弱負(fù)值,低層為弱正值,在近地面冷暖空氣交界、約23°N附近區(qū)域有明顯較大正值,與上升運動對應(yīng)。第一次強降雨時段(16日20時至17日08時),海南島中層冷空氣下沉,直至低層并侵入暖濕的對流不穩(wěn)定區(qū),不穩(wěn)定能量有所釋放,假相當(dāng)位溫等值線接近垂直,MPV1呈弱負(fù)值,低層MPV2大正值區(qū)移至海南島(圖6-c、6-d)。第二次強降雨時段(18日08時至18日20時)垂直運動、假相當(dāng)位溫、濕位渦的分布與第一次強降雨時段類似,與之不同的是,海南島南部海域偏南風(fēng)大值區(qū)由12°N北抬至16°N(圖6-e、6-f),偏南分量加大與渦度正值區(qū)的北移密不可分(圖6-g),對比圖6-b、6-d、6-f可知,正渦度的強度和延伸高度逐漸增大。
吳國雄等[16]指出,在濕位渦守恒的制約下,假相當(dāng)位溫面傾斜越大,氣旋性渦度越強烈,這種渦度的增長稱為傾斜渦度發(fā)展,為垂直渦度增長的充分條件:當(dāng)MPV1<0且MPV2>0時,傾斜渦度發(fā)展。暴雨發(fā)生時段海南島低層不穩(wěn)定能量釋放,暖濕氣流沿著干冷空氣爬升,與沿等假相當(dāng)位溫面下滑的干冷空氣發(fā)生強烈輔合,低空急流的加強,導(dǎo)致MPV2增加,渦度發(fā)展(圖6-h)。崔曉鵬等[23]指出,氣旋的發(fā)展和移動與等熵面的傾斜密切相關(guān),南海輻合帶的北移很可能與海南島上空渦度發(fā)展有關(guān)(二者詳細(xì)的動力學(xué)方面的機制仍需進(jìn)一步研究),為第二次強降雨過程帶來南海暖濕氣流,補充了不穩(wěn)定能量,再加上地形的強迫抬升,形成強烈的垂直上升運動,導(dǎo)致持續(xù)強降雨。
圖6 濕位渦與傾斜位渦發(fā)展情況
續(xù)圖6 濕位渦與傾斜位渦發(fā)展情況
本研究從傾斜濕位渦發(fā)展的視角解釋南海輻合帶的北移,為研究此類天氣過程的學(xué)者提供思路。低壓北移與眾多因子有關(guān),比如引導(dǎo)氣流的強弱、對流的分布、中尺度系統(tǒng)相互作用等等。暴雨形成與地形和急流的日變化關(guān)系密切,仍需進(jìn)一步研究。
本研究運用常規(guī)觀測資料、多普勒雷達(dá)和NCEP FNL1°×1°再分析數(shù)據(jù),對海南島2020年10月15-19日持續(xù)強降雨過程進(jìn)行分析,著眼頻發(fā)冷空氣與南海輻合帶之間的相互作用,對比分析兩個強降雨時段(16日20時至17日08時和18日08時至20時)的天氣學(xué)機制。
(1)此次持續(xù)強降雨過程發(fā)生在副熱帶高壓環(huán)流較弱的環(huán)流背景下,冷空氣與南海輻合帶相互作用,低層持續(xù)出現(xiàn)東北急流,先后與偏東、東南急流輻合,為對流的發(fā)展提供有利的動力和水汽條件。
(2)冷涌是東北急流長時間維持的主要原因。由于地形阻擋,在海南島中部地區(qū)發(fā)生長時間東北急流與偏東急流的輻合,有利于不穩(wěn)定能量釋放,是第一階段暴雨形成的主要機制。
(3)運用濕位渦與傾斜位渦發(fā)展理論,強降雨發(fā)生之前海南島MPV1明顯為負(fù)值,冷空氣南下為海南島造成“上冷下暖”的對流不穩(wěn)定層結(jié)。隨第一次暴雨過程冷空氣下沉,釋放不穩(wěn)定能量,假相當(dāng)位溫面接近垂直,海南島低層有MPV2較大正值區(qū),斜壓不穩(wěn)定加強,同時傾斜渦度發(fā)展,導(dǎo)致南海輻合帶略有加強并逐漸北移,為海南島南部陸地帶來東南急流,與南壓的東北急流輻合,不穩(wěn)定能量得以重建,造成第二次暴雨過程。