楊雨軒,張立鳳,謝勝浪
(1.中國人民解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院,南京211101;2.空軍95080部隊(duì)氣象臺(tái),汕頭545041)
2015年12月廣東罕見暴雨的成因分析
楊雨軒1,張立鳳1,謝勝浪2
(1.中國人民解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院,南京211101;2.空軍95080部隊(duì)氣象臺(tái),汕頭545041)
利用ECMWF的逐日再分析資料,通過環(huán)流分析和物理量診斷方法,揭示2015年12月9日廣東暴雨的產(chǎn)生機(jī)理。結(jié)果表明:來自東歐高緯度的干冷空氣南下對(duì)暴雨的發(fā)生起了重要作用;干冷空氣流經(jīng)青藏高原時(shí)發(fā)生繞流,南支氣流繞過青藏高原并在孟加拉灣反氣旋環(huán)流的挾卷作用下經(jīng)南支槽抵達(dá)華南,形成了干冷空氣的主要通道。暴雨發(fā)生前,暖濕氣流主要來自西太平洋,暴雨發(fā)生期間,偏東氣流轉(zhuǎn)為偏南氣流,使南海成為9日暴雨的主要水汽源地。冷暖空氣的匯合使暴雨區(qū)上空等θse線陡峭,沿等θse面有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng),但上升運(yùn)動(dòng)區(qū)不存在深厚的位勢不穩(wěn)定。冷空氣的南下激發(fā)了暴雨區(qū)700 hPa的鋒生,其中水平變形項(xiàng)和水平輻合項(xiàng)對(duì)鋒生有正貢獻(xiàn)。鋒生激發(fā)了正的次級(jí)環(huán)流,環(huán)流中心也位于700 hPa,這有利于氣流的抬升,故鋒生及次級(jí)環(huán)流是暴雨區(qū)上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展的重要機(jī)制。
冬季暴雨;冷空氣活動(dòng);水汽輸送;中空鋒生
楊雨軒,張立鳳,謝勝浪.2015年12月廣東罕見暴雨的成因分析[J].暴雨災(zāi)害,2016,35(4):326-333
YANG Yuxuan,ZHANG Lifeng,XIE Shenglang.Causal analysis of an unusual torrential rain in Guangdong in December 2015[J].Torrential Rain and Disaster,2016,35(4):326-333
我國是一個(gè)多暴雨的國家,持續(xù)性暴雨事件多發(fā)生在華南和江淮流域。華南地區(qū)的暴雨一直是氣象學(xué)家研究和關(guān)注的重點(diǎn)之一,但大量的研究多關(guān)注的是華南前汛期暴雨或夏季暴雨。關(guān)于華南前汛期降水,已有的研究表明,其主要發(fā)生在夏季風(fēng)脈動(dòng)或加強(qiáng)期[1]。在華南前汛期,高緯度多呈現(xiàn)穩(wěn)定的兩槽一脊環(huán)流形勢,低緯度存在偏南的西太平洋副熱帶高壓,這種環(huán)流形勢有利于西南的暖濕氣流和北方的干冷空氣在華南交匯的環(huán)流形勢[2-4]。高空南亞高壓的位置會(huì)影響華南夏季降水的強(qiáng)度,南亞高壓位置偏西,則華南降水偏強(qiáng)[5]。在華南夏季風(fēng)降水盛期,對(duì)流發(fā)展極其旺盛,大氣表現(xiàn)為不穩(wěn)定層結(jié)[6]。
相對(duì)于華南前汛期暴雨或夏季暴雨,華南冬季暴雨以往發(fā)生較少,對(duì)其研究也相對(duì)較少。但近年來隨著全球變化,極端天氣事件的增多,華南冬季暴雨發(fā)生的頻率也大大增加。近幾年對(duì)華南冬季暴雨的相關(guān)研究也得出了一些有意義的結(jié)論,研究表明,穩(wěn)定的“北脊南槽”為持續(xù)的低溫雨雪冰凍天氣提供了穩(wěn)定的環(huán)流背景,使冷暖氣流在廣東上空交匯[7]。南支鋒區(qū)上短波槽東移配合低層冷空氣活動(dòng),在華南形成鋒生,也可形成有利于華南冬季暴雨生成條件[8]。在華南局地鋒生中,非絕熱項(xiàng)和傾斜項(xiàng)是主要影響因子,而水平輻合項(xiàng)和形變項(xiàng)的作用卻比較?。?]。由于華南冬季大氣層結(jié)較為穩(wěn)定,不容易出現(xiàn)深厚的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié),冬季暴雨往往以系統(tǒng)性降水為主,通常缺乏強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)的明顯條件,因此很難作出及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。
2015年12月1—10日廣東省出現(xiàn)大范圍持續(xù)性降水,其中12月9日廣東中東部降水達(dá)到暴雨量級(jí),梅州、揭陽、汕頭、潮州、汕尾等多個(gè)站點(diǎn)日降水量遠(yuǎn)超歷史同期水平。本文利用ECMWF再分析資料和診斷分析方法,從環(huán)流形勢、水汽條件、層結(jié)穩(wěn)定度及鋒生因子等幾個(gè)方面,分析了12月1—8日的降水過程以及9日暴雨的產(chǎn)生機(jī)制,以期對(duì)今后華南冬季暴雨的預(yù)報(bào)提供一些參考和借鑒。
1.1資料
研究所用資料包括:歐洲中心天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的每日4次的再分析資料,水平分辨率為0.5°×0.5°;全球GTS降水資料和廣東省氣象局提供的2015年12月1—11日廣東省86個(gè)站的逐日12時(shí)—12時(shí)(UTC,下同)的累積降水資料和12月9日的逐小時(shí)降水資料。
1.2診斷方法
1.2.1位渦診斷
位渦是綜合反映大氣熱力和動(dòng)力性質(zhì)的物理量。通過分析此次降水過程中干位渦的時(shí)空變化,可以追蹤冷空氣活動(dòng),探究冷空氣對(duì)激發(fā)暴雨的作用。在絕熱無摩擦的干空氣中,由于干位渦具有守恒性質(zhì),使得其在暴雨研究中得到廣泛應(yīng)用[10-12]。在p坐標(biāo)系下忽略ω的垂直變化后,干位渦可以寫為:
式中,ζp為相對(duì)渦度,f為科氏參數(shù),θ為位溫。(1)式右端第一項(xiàng)表示靜力穩(wěn)定性的貢獻(xiàn),第二項(xiàng)表示水平風(fēng)垂直切變的貢獻(xiàn)。在冬季,由于冷空氣的靜力穩(wěn)定度比較大,因此在不考慮水平風(fēng)垂直切變的情況下,高位渦可以用來描述冷空氣的活動(dòng)。袁佳雙等[13]的研究表明,位渦場能比高度場和溫度場更清楚、簡潔地示蹤冷空氣。
1.2.2鋒生診斷
冬季大氣往往比較穩(wěn)定,不容易出現(xiàn)深厚的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié),因此冬季暴雨的形成和加強(qiáng)往往與鋒面活動(dòng)有關(guān)。通過診斷鋒生函數(shù),可以分析鋒面強(qiáng)度變化對(duì)暴雨的影響。鋒生函數(shù)可以定量的分析鋒區(qū)變化,可寫為:
式中,F(xiàn)為鋒生函數(shù),當(dāng)F>0時(shí)對(duì)應(yīng)鋒生,當(dāng)F<0時(shí)對(duì)應(yīng)鋒消。F1為水平輻散項(xiàng),F(xiàn)2為水平變形項(xiàng),F(xiàn)3為與垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng),A為氣流的伸展變形,B為氣流的切變變形,D為氣流的水平輻合,具體表示如下:
2015年12月1—10日,廣東出現(xiàn)大范圍冬季持續(xù)降水,圖1a和圖1b分別給出了廣東12月1—11日86站平均的日降水量以及12月8日20時(shí)—9日20時(shí)粵東(115°—116.5°E,22.5°—24.5°N,下同)20站逐小時(shí)降水量演變。分析可知,降水過程于12月1日00時(shí)開始,9日12時(shí)迎來降水峰值,之后降水逐漸減弱,10日04時(shí)降水結(jié)束。在10天的降水過程中,12月9日廣東中東部地區(qū)降水達(dá)到暴雨量級(jí),其中佛岡、新豐的日降水量超過100 mm,達(dá)到大暴雨量級(jí),9日07—12時(shí)為粵東暴雨的降水最強(qiáng)時(shí)段,降水量達(dá)12.2 mm。圖1c給出了12月8日12時(shí)—9日12時(shí)的24 h累積降水,其中梅州(78.4 mm)、揭陽(94.9 mm)、汕頭(87.1 mm)、潮州(106.2 mm)、汕尾(63.6 mm)5個(gè)站的日降水量均遠(yuǎn)超歷史同期水平,強(qiáng)降水范圍遍布整個(gè)粵東地區(qū)。
通過分析逐日環(huán)流演變(圖略)可知,此次降水過程中,亞歐中高緯始終保持兩槽一脊或兩脊一槽的形勢,低緯有活躍的南支槽,這構(gòu)成了有利冬季持續(xù)性降水的環(huán)流背景。而由圖1a可看出,此次冬季降水過程雖歷時(shí)10 d,但僅在12月9日產(chǎn)生暴雨。因此,為了進(jìn)一步分析暴雨產(chǎn)生的原因,首先分析暴雨期間的位勢高度場以及相對(duì)于1—8日的平均位勢距平場。
在12月9日12時(shí),降水強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng),圖2a給出了12時(shí)500 hPa位勢高度場及相對(duì)于12月1—8日平均環(huán)流的距平場。由圖可見,中高緯西伯利亞地區(qū)有一高壓脊,東歐平原有一個(gè)高壓脊強(qiáng)烈發(fā)展,形成阻塞形勢;中低緯原本位于孟加拉灣的南支槽東移至我國華南地區(qū),廣東位于槽線附近,500 hPa高度場呈現(xiàn)出穩(wěn)定的北高南低的環(huán)流特征,這有利于引導(dǎo)高緯的強(qiáng)冷空氣南下,低緯度的暖濕氣流北上,在我國的華南地區(qū)匯合。值得注意的是槽脊處分別對(duì)應(yīng)負(fù)、正距平,這說明在降水最強(qiáng)時(shí)刻,高空槽脊均比此次降水過程的環(huán)流平均態(tài)偏強(qiáng),且廣東位于冷槽附近,受冷空氣影響明顯。圖2b給出了12時(shí)850 hPa的流場分布,在廣東中東部暴雨區(qū),存在一條明顯的輻合帶,有利于低空氣流的輻合上升,這為暴雨發(fā)生提供了動(dòng)力條件。
4.1水汽條件
充沛的水汽輸送是產(chǎn)生暴雨的重要條件,通過比較暴雨發(fā)生前和暴雨發(fā)生過程中水汽條件的差異,可以揭示水汽對(duì)暴雨產(chǎn)生的重要作用。
圖3a和圖3b分別給出了12月1—8日和12月9日850 hPa的平均水汽通量和水汽通量散度場。分析可知,暴雨發(fā)生前華南受偏東氣流影響明顯,水汽主要來自于西太平洋,水汽強(qiáng)輻合區(qū)位于華南,輻合中心位于24°N附近,輻合中心強(qiáng)度可達(dá)2×10-5g·cm-2· hPa-1·s-1;暴雨發(fā)生期間,來自西太平洋的偏東水汽通量轉(zhuǎn)為東南,對(duì)華南的水汽輸送減弱,南海地區(qū)的偏南水汽通量開始影響華南,并成為華南地區(qū)主要的水汽源地,水汽輻合大值區(qū)向東移動(dòng),并在廣東中東部形成一條水汽輻合大值帶,輻合中心位于廣東中部,強(qiáng)度達(dá)到5×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1。
對(duì)比12月1—8日和12月9日的平均水汽通量和水汽通量散度,可發(fā)現(xiàn)來自南海源源不斷的水汽供應(yīng)為12月9日的暴雨提供了有利的水汽條件。
4.2干位渦及冷空氣活動(dòng)
前文對(duì)500 hPa的溫度場、濕度場和流場的分析表明,12月9日中高緯有強(qiáng)冷空氣南下,華南500 hPa高空受冷槽和干區(qū)控制。為追蹤冷空氣的傳播,圖4a給出了此次降水過程粵東地區(qū)的平均干位渦隨高度時(shí)間的變化。可以看出,12月7日和12月9日對(duì)流層中層存在兩個(gè)位渦大值區(qū),分別出現(xiàn)在650 hPa和550hPa,大小分別為0.6×10-6m2·K·kg-1·s-1和0.8×10-6m2·K·kg-1·s-1。其中12月9日12時(shí)的冷空氣從800 hPa一直延伸至400 hPa,冷空氣較為深厚,勢力較強(qiáng)。
圖4b、4c、4d分別給出了12月9日00時(shí)、06時(shí)、12時(shí)的550 hPa干位渦的水平分布??梢钥闯?,9日00時(shí),來自東歐的冷空氣南下,在流經(jīng)青藏高原時(shí),氣流被分為南北兩支,北支氣流沿高原北側(cè)繞流并擴(kuò)散南下,南支氣流沿高原南側(cè)繞流,并在孟加拉灣反氣旋的挾卷作用下(圖略),迅速向東南運(yùn)動(dòng),兩支氣流在云南、貴州一帶相匯,并在貴州、湖南一帶形成一條東北—西南走向的高位渦帶,位渦大值中心處于貴州、湖南兩省的交界處。由于冷空氣的繞流作用,高原兩側(cè)也產(chǎn)生兩條明顯的高位渦帶,南北的位渦大值中心分別達(dá)到0.8×10-6m2·K·kg-1·s-1和1.2×10-6m2·K·kg-1·s-1。06時(shí),東北—西南走向的位渦大值區(qū)繼續(xù)向東北方向移動(dòng),部分干冷氣流向東南沿海擴(kuò)散,粵東、閩西地區(qū)形成南北向的位渦次大值區(qū),粵東地區(qū)的位渦值均大于0.4×10-6m2·K·kg-1·s-1,這表明影響粵東的冷空氣勢力增強(qiáng)。12時(shí),東南沿海的位渦大值區(qū)進(jìn)一步東移,雖然強(qiáng)度略有減弱,但廣東中東部都處在冷空氣的勢力范圍內(nèi)。整個(gè)暴雨期間,華南都處在溫度冷槽附近,冷空氣影響明顯。
由上可見,冷空氣對(duì)此次暴雨的產(chǎn)生作用明顯,冷空氣主要來自東歐平原,并經(jīng)青藏高原繞流后影響華南。
水的比熱容大于氫氣,反應(yīng)氣氛中的水帶走部分熱量,此外水的存在抑制反應(yīng)正向進(jìn)行,降低了中間相造成的板結(jié)程度,平緩了反應(yīng)速率,得到較為松散的二氧化鉬粉末,這也解釋了粒度分布圖呈現(xiàn)的結(jié)果。
4.3穩(wěn)定性分析
圖5為12月9日12時(shí)沿116.5°E暴雨中心的假相當(dāng)位溫、層結(jié)穩(wěn)定度?θse?p和流場的經(jīng)向垂直剖面。由圖可見,位勢不穩(wěn)定區(qū)主要出現(xiàn)在雨區(qū)南側(cè)(陰影區(qū)),雨區(qū)南側(cè)的700 hPa以下及中層500—400 hPa都存在?θse?p>0區(qū),暴雨區(qū)上空沒有深厚的位勢不穩(wěn)定層結(jié),只是在700 hPa附近及中空有淺薄的?θse?p>0區(qū);雨區(qū)上空850—300 hPa的等θse線密集陡峭,沿等θse面有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng),上升運(yùn)動(dòng)區(qū)位于位勢穩(wěn)定區(qū),雖然850 hPa的輻合線為低空氣流的上升運(yùn)動(dòng)提供了動(dòng)力條件(圖2b),但上升運(yùn)動(dòng)的維持和發(fā)展的動(dòng)力機(jī)制可能與冷空氣的活動(dòng)有關(guān),中空冷空氣的活動(dòng)會(huì)引起動(dòng)力鋒生。
4.4鋒生及其次級(jí)環(huán)流
關(guān)于鋒生對(duì)降水的重要性,已有的研究表明,鋒生對(duì)氣流的抬升起著關(guān)鍵的作用。陳紅專等[14]對(duì)冬季暴雪的研究發(fā)現(xiàn),高空鋒區(qū)最強(qiáng)階段與暴雪最強(qiáng)階段一致,高空急流和鋒面的耦合加強(qiáng)了暴雪區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)。杜正靜等[14]建立的滇黔春季暴雨物理模型中,指出地面至對(duì)流層中高空存在的深厚鋒生區(qū)對(duì)暴雨有重要作用。由于冬季的大氣往往比較穩(wěn)定,不容易出現(xiàn)深厚的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié),因此冬季暴雨的形成和加強(qiáng)一般都與鋒面有關(guān),鋒面對(duì)暖濕氣流的抬升對(duì)冬季暴雨具有觸發(fā)作用。
圖6給出了暴雨區(qū)的鋒生函數(shù)及其各項(xiàng)的診斷結(jié)果。在12月9日12時(shí)暴雨區(qū)出現(xiàn)中空鋒生,鋒生大值中心位于700 hPa(圖6a)。進(jìn)一步分析鋒生函數(shù)各組成項(xiàng)的作用(圖6b),可以發(fā)現(xiàn),12時(shí)的水平輻散項(xiàng)F1和水平變形項(xiàng)F2均為正值,共同作用于鋒生,對(duì)700 hPa鋒生都有正貢獻(xiàn),其中F2的貢獻(xiàn)略大于F1,垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)F3出現(xiàn)負(fù)的大值,起鋒消作用。
鋒生過程是一個(gè)非地轉(zhuǎn)過程,這個(gè)過程將會(huì)強(qiáng)迫出垂直于鋒面的橫向次級(jí)環(huán)流。圖8給出了9日12時(shí)沿116.5°E的經(jīng)向環(huán)流。由圖可見,暴雨區(qū)上空出現(xiàn)正的次級(jí)環(huán)流,從近地面延伸至550 hPa,對(duì)應(yīng)12時(shí)700 hPa最大鋒生,環(huán)流中心位于700 hPa附近,鋒面北側(cè)冷空氣下沉,南側(cè)暖空氣上升,有利于氣流沿鋒面抬升,上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),觸發(fā)暴雨發(fā)生。
實(shí)際上不同季節(jié)鋒生次級(jí)環(huán)流所起的作用往往不同。李銀娥等[16]分析了夏季暴雨低層鋒生特征發(fā)現(xiàn),跨鋒面次級(jí)環(huán)流的上升支有利于觸發(fā)位勢不穩(wěn)定能量的釋放,這是由于夏季大氣層結(jié)常常處在位勢不穩(wěn)定狀態(tài),而對(duì)于冬季暴雨,冬季大氣一般比較穩(wěn)定,暴雨區(qū)上空沒有深厚的位勢不穩(wěn)定層結(jié)(圖5),垂直于鋒面的次級(jí)環(huán)流加強(qiáng)了上升氣流,這一結(jié)果也與顧佳佳等[17]對(duì)河南暴雪的研究結(jié)果一致。
利用ECMWF的逐日再分析資料及診斷分析方法,對(duì)2015年12月9日發(fā)生在華南的冬季暴雨過程進(jìn)行了分析,從環(huán)流特征、水汽條件、冷空氣活動(dòng)、大氣穩(wěn)定度及鋒生函數(shù)等方面進(jìn)行了診斷,得到以下結(jié)論:
(1)2015年12月1—10日,廣東出現(xiàn)大范圍降水,9日粵東降水達(dá)到暴雨量級(jí),部分站點(diǎn)降水量達(dá)到大暴雨量級(jí),降水強(qiáng)度遠(yuǎn)超歷史同期水平。
(2)華南冬季暴雨期間,500 hPa呈現(xiàn)為典型的北高南低環(huán)流形勢,中高緯東歐為阻塞高壓,西伯利亞為高壓脊,中低緯中南半島到我國華南為南支槽,廣東位于槽底附近;850 hPa廣東中東部存在一條明顯的輻合帶,氣流輻合強(qiáng)烈,為暴雨發(fā)生提供了動(dòng)力條件。
(3)12月1—8日,華南降水的水汽來源于西太平洋的偏東氣流,華南處在水汽輻合大值區(qū);9日華南弱降水轉(zhuǎn)為暴雨,偏東氣流轉(zhuǎn)為偏南氣流,南海成為華南主要的水汽源地,其水汽輻合大值區(qū)向東移動(dòng),輻合中心與暴雨中心一致。
(4)環(huán)流分析和干位渦診斷都發(fā)現(xiàn),此次暴雨的發(fā)生與中層冷空氣活動(dòng)密切相關(guān),來自東歐的高緯冷空氣南下流經(jīng)青藏高原時(shí)繞過青藏高原南側(cè),在孟加拉灣反氣旋的挾卷作用下經(jīng)南支槽抵達(dá)華南,形成了冷空氣的主要通道。
(5)暴雨區(qū)上空等θse線陡峭,沿θse面有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng),但上升運(yùn)動(dòng)區(qū)不存在深厚的位勢不穩(wěn)定,這說明位勢不穩(wěn)定不是冬季暴雨發(fā)生的必要條件。
(6)冷空氣的南下,使華南暴雨期間在700 hPa出現(xiàn)中空鋒生,其中水平變形項(xiàng)和水平輻散項(xiàng)有利于鋒生,水平變形項(xiàng)對(duì)鋒生的貢獻(xiàn)最大,主要體現(xiàn)在伸展變形項(xiàng)上;鋒生激發(fā)出正的次級(jí)環(huán)流有利于上升氣流增強(qiáng)。故鋒生及次級(jí)環(huán)流是暴雨發(fā)生發(fā)展的觸發(fā)機(jī)制。
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(責(zé)任編輯鄧雯)
Causal analysis of an unusual torrential rain in Guangdong in December 2015
YANG Yuxuan1,ZHANG Lifeng1,XIE Shenglang2
(1.College of Meteorology and Oceanography,PLA University of Science and Technology,Nanjing 211101;2.No.95080 Unit of Force,Shantou 515041)
Based on ECMWF daily reanalysis data,the mechanism of the heavy rain event occurred in Guangdong Province on 9 December 2015 was revealed by conducting circulation and diagnostic analysis.The results show that the southward moving dry cold air from eastern Europe has played an important role in exciting the heavy rain;the dry cold air flows around the Tibetan Plateau when flowing through;southern branch of the airflow around the Tibetan Plateau is entrained under the action of the anticyclonic circulation in the Bay of Bengal and the cold air reaches southern China via the Southern branch trough,which forms the main channel of dry cold air.Moist warm air comes from the Western Pacific before the heavy rain,and the easterly flow turns into southerly flow on Dec.9 2015,thus South China Sea becomes the main source of water vapor of the heavy rainfall.The convergence of cold and warm air masses contributes to the steep slope of potential pseudo-equivalent temperature.There is strong upward movement along the slope.But there is no deep potential instability in the ascending moion area.The southward motion of the cold air triggers the frontogenesis which centers in 700hPa.The terms of horizontal deformation and horizontal convergence have positive contributions to the frontogenesis.Frontogenesis stimulates positive secondary circulation centering at 700hPa,which contributes to the uplifting of the airflow,so the frontogenesis with the secondary circulation is the important mechanism of the upward movement in this heavy rainstorm region.
torrential rain in winter;activity of cold air;water vapor transportation;frontogenesis
P458.1+21
A
10.3969/j.issn.1004-9045.2016.04.004
2016-03-28;定稿日期:2016-06-20
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41375063)
楊雨軒,主要從事中尺度氣象學(xué)研究。E-mail:yang_1993_ok@126.com
張立鳳,主要從事中尺度氣象學(xué)研究。E-mail:Zhanglif_qxxy@sina.com