劉林春, 肖天貴, 羅 娟

(成都信息工程學院大氣科學學院,四川成都610225)

0 引言

暴雨的產(chǎn)生是由不同時間和不同空間尺度的天氣系統(tǒng)互相作用的結果。大尺度環(huán)流為中小尺度系統(tǒng)提供必要的環(huán)境場,并影響中小尺度系統(tǒng)的發(fā)展[1]。而暴雨在降水時間、強度和空間分布上存在的不均勻性,表明暴雨具有明顯的中尺度特征。事實證明,暴雨的發(fā)生往往與中尺度系統(tǒng)有直接關系[2-13]。因此,分析中尺度系統(tǒng)在暴雨中的作用,對探明暴雨機制及指導暴雨預報有著非常重要的意義。多年來,許多氣象工作者利用濾波尺度分離技術從流場中提取中尺度系統(tǒng)進行分析。覃丹宇[14]在用濾波方法進行MαCS云團形態(tài)差異的個例分析中,使用濾波方法對NCAR/NCEP1°×1°再分析資料進行尺度分離,結果表明,利用改進的Shuman-Shapiro濾波方法,可以有效地分離出中尺度擾動。濾波結果顯示,不論是前期的近圓形中尺度對流云團,還是隨后發(fā)展起來的寬帶狀MαCS,二者都具有低空輻合高空輻散擾動結構,只是擾動的強度后者大于前者。陳麗英等[15]利用NCEP再分析資料,采用帶通濾波處理技術,對0509號臺風“麥莎”的活動過程進行研究,將原始場進行尺度分離,分為大尺度場和次天氣尺度場。通過大尺度場分析得出,“麥莎”登陸前,主要是在副熱帶高壓西側氣流的引導下,向西北方向移動;登陸后,主要是由于副高主體形狀的變化以及西風槽的作用下,導致其路徑的突變。段旭等[16]在一次滇西南秋季暴雨的中尺度分析與診斷中應用大尺度物理量場診斷分析和中尺度帶通濾波處理技術,對2001年10月25日發(fā)生在云南西南部的一次暴雨過程機制進行了分析。結果表明,在副熱帶高壓外圍大尺度西南氣流環(huán)境場中,中尺度系統(tǒng)是此次暴雨產(chǎn)生的直接原因;大尺度環(huán)境場為暴雨的發(fā)生提供了充沛的水汽來源,而中尺度系統(tǒng)則在水汽的強烈輻合、向上輸送,使對流層中下層達到準飽和狀態(tài)扮演了十分重要的角色。

2012年8月30日～9月1日四川東北地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性暴雨天氣,強降水天氣使巴中、南充、達州、廣元、廣安等地出現(xiàn)大范圍的洪澇災害,其中巴中市共有7個站點降雨量超過400mm,全市128個鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災,恩陽鎮(zhèn)遭遇自1965年以來最大洪水。文中利用Barnes帶通濾波方法對此次暴雨過程進行尺度分離,探討暴雨過程的中尺度影響系統(tǒng),揭示此次暴雨發(fā)生、發(fā)展的物理機制,以期為暴雨的預報提供思路。

1 天氣過程及環(huán)流背景

分析逐日降雨量發(fā)現(xiàn),強降水主要出現(xiàn)在2012年8月30日～9月1日(UTC,所用時間均為世界時)。8月30日～9月1日累計降水量圖顯示,在川東北地區(qū)的降水區(qū)有3個強降水中心,最大降水中心位于儀隴縣,中心雨量超過450mm。此次暴雨過程由2次強降雨時段組成,第1個降水時段為8月30日00時～8月31日06時;第2個降水時段為8月31日07時～9月1日12時。這次暴雨過程持續(xù)時間長、強度大、雨帶呈準南北向(圖1),暴雨在四川地區(qū)主要集中在川東北地區(qū),暴雨強盛期主要發(fā)生在第2個降水時段。

圖1 2012年8月30日00時至9月1日12時降水量(單位:mm)

此次暴雨發(fā)生前2012年8月30日00時,500hPa環(huán)流形勢(圖2a)特征為,歐亞地區(qū)中高緯為兩脊一槽的環(huán)流形勢,烏拉爾山和我國東北地區(qū)為高壓脊控制,兩高之間在巴爾喀什湖至蒙古高原為寬廣槽區(qū),槽底有短波槽分裂從青藏高原下滑東移影響四川盆地;在中低緯地區(qū),副熱帶高壓主體控制西南地區(qū)和南海北部,副高脊線位于25°N附近,西伸脊點位于90°E附近。之后,隨著強冷空氣的侵入,強冷平流使得高空槽加深東移,副熱帶高壓逐漸斷裂,到31日18時四川位于兩高之間,短波槽移至盆地上空,此時槽后冷空氣與副熱帶高壓西北側的西南暖濕氣流交匯于川東地區(qū),為暴雨的發(fā)生和持續(xù)提供有利環(huán)流背景和充足的水汽條件。

圖2 500hPa位勢高度場(單位:dagpm)和風場分布(圖中粗實線為高空槽線)

2 暴雨中尺度系統(tǒng)特征

利用NCEP 1°×1°每6h一次的再分析格點資料;采用Barnes濾波方法進行中尺度濾波[17],取濾波常數(shù)C1=4000km2,C2=120000km2,G1=G2=0.3,構造中尺度帶通濾波器,對 90°E ～ 120°E、15°N ～ 45°N 范圍內(nèi)格點上的高度、溫度和相對濕度等要素進行濾波處理,該濾波器最大響應波長為500km,由這一濾波器可提取水平尺度約200～300km的中α尺度波動。

從濾波后850hPa擾動高度場和未來6小時降水量疊加圖上看,在暴雨開始前,8月 30日00時(圖4a),在川東北地區(qū)有一條東北西南向的中尺度擾動低壓帶,其值為-2gpm,6小時降水圖上,川東地區(qū)開始出現(xiàn)降水,最大雨量為35mm;30日18時,中尺度擾動低壓在川東北有所增強,其值為-3gpm,與其對應的降水也增強,1小時雨量由4mm增加到9mm(圖3),之后逐小時降水量開始減少,直到31日12時降水量又開始增強,此階段對應西南急流的減弱到重新建立(圖5);到31日18時(圖4b),川東北中尺度擾動低壓繼續(xù)發(fā)展,中心值為-5gpm,未來6小時降水圖上,50mm的雨團范圍擴大,雨團位于擾動低壓中心東部,此后,低壓中心和強雨團維持在川東北地區(qū)少動;到9月1日04時,隨著中尺度擾動低壓的東移減弱,川東北的強降水開始減弱(圖3),未來6小時的降水圖上(圖4c),50mm雨團范圍縮小。由此可知,此次暴雨過程中,中尺度擾動低壓的發(fā)生、發(fā)展和移動在對中尺度雨團的產(chǎn)生、雨幅增強及降水落區(qū)的改變中有十分重要的作用。在暴雨發(fā)生發(fā)展和結束階段,中尺度雨團主要位于低壓中心,在暴雨強盛期,雨團主要位于低壓中心東部。

分析帶通濾波后的中尺度系統(tǒng)擾動溫度場、濕度場特征發(fā)現(xiàn),在850hPa上,川東北地區(qū)的中尺度低壓和輻合線具有暖性、高濕特點,到8月31日18時,濕層到達對流層中層500hPa,且濕度加大,但其中心溫度卻略有降低。

圖3 2012年8月30日00:00～9月1日12:00川東北地區(qū)逐小時平均降水演變圖

圖4 850hPa等壓面上中尺度濾波后的高度場(線條)與未來6小時降水量疊加圖(單位:mm)

3 中尺度系統(tǒng)與低空急流

低空急流是一個動量、熱量和水汽的集中輸送帶,是給暴雨和強對流天氣提供水汽和能量的最重要機制[18]。在此次暴雨過程中,低空急流對中尺度低壓、中尺度輻合線、擾動溫、濕中心等的形成、發(fā)展起到了積極作用。圖5是8月30日～9月1日川東北暴雨中心所在的31.5°N,106.5°E格點的全風速高度-時間演變圖。從圖5可見,在西南氣流控制期間,8月30日00時,在800hPa上風速＞9m/s,到06時增大為12m/s,形成低空急流,這支急流的建立對應著川東北中尺度擾動低壓的形成,并開始出現(xiàn)強降水。30日夜間,西南風速有所減弱。31日00時午,在750hPa處又出現(xiàn)一支低空急流,但之后迅速消失。直到9月1日12時,低空急流再次建立,這支急流持續(xù)到川東北大暴雨過程結束,到1日06時,600hPa上已形成一個16m/s的風速中心,相對于1日00時的風速增加了6m/s,這種風速的短時脈動加強了與北方偏北氣流的輻合?？梢?低空西南急流不僅為川東北暴雨提供豐沛的水汽,同時也為中尺度系統(tǒng)的形成、發(fā)展提供能量來源和有利的動力條件。

4 中尺度系統(tǒng)與水汽輻合

暴雨的產(chǎn)生需要在本地上空有水汽輻合及充足的水汽來源。沿106.5°E作850hPa水汽通量及其散度的時間演變圖,由圖6可見,從8月30日00時起水汽大值輻合中心一直位于川東北地區(qū),只有在31日白天水汽通量散度值有所下降。隨著低空急流和中尺度系統(tǒng)的生成,水汽輻合開始迅速增強,到8月31日18時,水汽通量散度值增大為-12×10-7g/(s·hPa·cm2),持續(xù)的水汽輻合使暴雨區(qū)水汽含量達到最大,水汽輻合還可造成空氣的濕層增厚。由此可見,大尺度環(huán)流場為暴雨提供水汽來源,而中尺度系統(tǒng)為水汽的輻合和向上輸送做出貢獻。

圖7是8月31日18時沿106.5°E的水汽通量及散度垂直剖面圖,可見從地面到400hPa,暴雨區(qū)域上空是一條向北傾斜的水汽通量輻合帶,水汽通量最大輻合區(qū)主要集中在900hPa～700hPa,與低空急流的位置同步,再次表明低空急流的建立為暴雨區(qū)帶來了充沛的水汽。

圖5 8月30日～ 9月1日 31.5°N,106.5°E 格點全風速的高度-時間演變圖

圖6 水汽通量及散度隨時間演變

圖7 8月31日18時沿106.5°E的水汽通量及散度垂直剖面圖

5 中尺度系統(tǒng)與能量鋒區(qū)

暴雨的發(fā)生需要高能量的條件。θse(假相當位溫)是表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合特征量。圖8給出了8月30日00時～9月1日12時850hPa面上的θse連續(xù)演變,可見8月30日00時(圖8a),由于從青藏高原上不斷分裂短波槽下來,使冷空氣在陜西南部活動頻繁,而川東北基本為350K的暖區(qū);8月30日18時(圖8b),短波槽逐步東移,而由南風輸送的暖濕氣流加強,重慶中部出現(xiàn)360K的暖區(qū),并影響到川東北地區(qū),地面出現(xiàn)9mm/h降水;8月31日12時(圖8c),短波槽的加深致使冷空氣開始入侵,川東北的θse隨之減弱;8月31日18時(圖8d),隨著低空急流的再次建立,南支暖濕氣流不斷加強,350K暖區(qū)再次控制川東北地區(qū),并出現(xiàn)鋒面,此時該地區(qū)出現(xiàn)強層結不穩(wěn)定,對應地面出現(xiàn)9mm/h降水;9月1日12時(圖8e),隨著低空急流的消失,暖濕氣流的輸送逐步減弱,北方冷空氣全面入侵,降水過程隨之結束。在川東北地區(qū)θse高值區(qū)重復出現(xiàn),來自北方的冷空氣不僅為降水的形成提供有利鋒面形勢,同時冷空氣的侵入使低層輻合加強,輻合區(qū)內(nèi)上升運動加劇。在大尺度西南氣流和冷空氣影響下,層結不穩(wěn)定有利于中尺度系統(tǒng)觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量和潛熱的大量釋放,從而產(chǎn)生暴雨。此外,暴雨區(qū)平均的假相當位溫的時間-高度剖面圖(圖9)反映出在降水區(qū)有明顯的暖濕能量鋒出現(xiàn),并在中層500hPa附近有冷空氣活動,川東北地區(qū)的不穩(wěn)定垂直對流層結出現(xiàn),暖濕能量與北方侵入的干冷氣流共同作用產(chǎn)生了此次大暴雨過程。

圖8 850hPa面上的的連續(xù)演變

6 暴雨的動力特征

在渦度和散度圖上,500hPa以下為正渦度,大值中心位于800hPa上,達14×10-5s-1,這是對流層低層存在負值擾動相對應。500hPa以上為負渦度,大值中心位于250hPa上,達-8×10-5s-1。這種高低層正負渦度的配置有利于暴雨的產(chǎn)生。再看散度分布,700hPa以下為輻合層,最強中心位于800hPa上,達-8×10-5s-1,600hPa以上為輻散層,最強中心位于450hPa上,達-8×10-5s-1,低層輻合高層輻散的配置有利于垂直上升運動的發(fā)展和中尺度低渦的維持及強暴雨的發(fā)生。

同時間段的垂直速度時間演變圖上,8月31日18時,有一上升氣流柱從低層一直延伸至350hPa,中心位于600hPa,其值達-2.4pa/s,強烈的上升運動將下層暖濕氣流帶到高空,為暴雨的發(fā)生積累不穩(wěn)定能量,該時刻也恰好是川東北暴雨的強盛期。這次過程的動力條件分析表明,暴雨期間的低層輻合、高層輻散與垂直上升運動及正渦度的耦合,對中尺度系統(tǒng)的發(fā)展與維持起著重要的作用,從而也加強和維持了川東北的強降水過程。

圖9 2012年8月30日00時～9月1日12時暴雨區(qū)平均的時間高度剖面(單位:K)

圖10 2012年 8月30日～9月1日31.5°N,106.5°E 格點

7 結論

通過對此次暴雨的分析,了解到在大尺度背景場中,中尺度系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展的機制,為氣象預報提供一些思路。

(1)歐亞地區(qū)中高緯為兩脊一槽的環(huán)流形勢,隨著強冷空氣的侵入,強冷平流使得高空槽加深并分裂出高原短波槽東移發(fā)展,副熱帶高壓帶逐漸斷裂,之后四川地區(qū)處于兩高之間,短波槽位于盆地上空,槽后攜帶的冷空氣與副高西北側的暖濕氣流交匯于川東地區(qū),為暴雨的發(fā)生和持續(xù)提供有利的環(huán)流背景和充足的水汽條件。

(2)濾波后獲得的中尺度低壓是此次暴雨的直接影響系統(tǒng),中尺度低壓具有暖性、高濕特點。

(3)低空西南急流不僅為川東北暴雨提供豐沛的水汽,同時也為中尺度系統(tǒng)的形成、發(fā)展提供能量來源和有利的動力條件。

(4)暴雨不僅需要充足的水汽,強烈的水汽輻合也是必不可少的。大尺度環(huán)流場為暴雨提供水汽來源,而中尺度系統(tǒng)為水汽的輻合和向上輸送做出貢獻。

(5)暴雨的發(fā)生需要高能量的條件。在大尺度西南氣流和冷空氣影響下,層結不穩(wěn)定有利于中尺度系統(tǒng)觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量和潛熱的大量釋放,從而形成有利于垂直運動的低層輻合、高層輻散的散度配置,有利于暴雨的發(fā)生與維持。

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