劉 瑾,王叢梅*,耿 飛,李芷霞
(1.邢臺市氣象局,河北 邢臺054000;2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京210044;3.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100001)
垂直風(fēng)切變在天氣系統(tǒng)的演變中具有重要作用。關(guān)于熱帶氣旋或熱帶擾動的很多研究表明[1-6],垂直風(fēng)切變對熱帶氣旋具有抑制作用,但是近年來也有研究發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋可以在強(qiáng)垂直風(fēng)切變環(huán)境中發(fā)展[7-10]。從中尺度系統(tǒng)形成和發(fā)展的動力學(xué)機(jī)制來看,環(huán)境垂直風(fēng)切變影響對流風(fēng)暴的組織和演變[11-13]。Weisman 等[14]指出在給定的浮力條件下,弱垂直風(fēng)切變環(huán)境產(chǎn)生短生命史孤立單體,低到中等垂直風(fēng)切變環(huán)境產(chǎn)生多單體風(fēng)暴,強(qiáng)垂直風(fēng)切變環(huán)境產(chǎn)生超級單體風(fēng)暴。高守亭等[15]指出當(dāng)大氣處于層結(jié)穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定時,只要風(fēng)的垂直切變足夠大,傾斜對流環(huán)流就可以發(fā)展。Robe 等[16]研究表明,低層風(fēng)垂直切變增加使對流組織成線狀或弧狀,低層垂直風(fēng)切變是風(fēng)暴發(fā)展的關(guān)鍵因子[17-18]。
丁一匯[19]在總結(jié)中國暴雨發(fā)生條件時,指出弱垂直風(fēng)切變有利于暴雨的發(fā)生。樊李苗等[20]研究指出,純粹產(chǎn)生強(qiáng)降水的強(qiáng)對流天氣表現(xiàn)為弱垂直風(fēng)切變。肖遞祥等[21]研究表明,四川盆地的一些極端暴雨天氣過程具有垂直風(fēng)切變小的特征。羅王軍等[22]研究表明,甘肅省的一次局地大暴雨是在弱垂直風(fēng)切變環(huán)境下產(chǎn)生的。但也有一些暴雨過程發(fā)生在較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變環(huán)境中[23-27]。方德賢等[28]研究表明,強(qiáng)降水天氣條件下,重慶沙坪壩風(fēng)廓線雷達(dá)和陳家坪多普勒雷達(dá)觀測的垂直風(fēng)廓線較為一致,降水期間單一方向性風(fēng)切變和低空急流的出現(xiàn)有利于對流維持和水汽輸送。
2016 年7 月19—21 日,華北地區(qū)出現(xiàn)大范圍暴雨,為2016 年京津冀汛期最強(qiáng)的一次降雨過程(簡稱“16·7 華北特大暴雨過程”),多站日雨量突破歷史極值、出現(xiàn)特大暴雨,帶來重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失,國內(nèi)的專家和學(xué)者對“16·7”華北特大暴雨過程的氣旋發(fā)展演變機(jī)制、極端降雨的天氣學(xué)成因、地形作用以及不同數(shù)值模式的預(yù)報效果進(jìn)行了分析研究,取得了一些成果[29-36],而對該過程的垂直風(fēng)切變研究較少。其環(huán)境垂直風(fēng)切變特征如何?對河北南部的降雨會產(chǎn)生什么影響?這些問題尚未見報道。邢臺L 波段探空站、石家莊多普勒天氣雷達(dá)站以及石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)站對此次過程中河北南部的大氣進(jìn)行了探測,獲取了一些風(fēng)場資料,這些風(fēng)場資料在計算垂直風(fēng)切變時是否具有一致的表現(xiàn)特征?本文利用獲得的水平風(fēng)對“16·7”華北特大暴雨過程中河北南部垂直風(fēng)切變的觀測特征進(jìn)行了初步分析。
各類氣象觀測資料來源于河北省氣象信息中心。高程數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)。
小時雨量數(shù)據(jù)為整點(diǎn)前1 h 內(nèi)累計降雨量(時間均為北京時,下同)。
風(fēng)廓線資料有邢臺L 波段探空、石家莊多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品和石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品。依據(jù)《常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務(wù)規(guī)范》[38]中幾何高度和位勢高度轉(zhuǎn)換公式將邢臺L 波段探空水平風(fēng)對應(yīng)的位勢高度轉(zhuǎn)換為海拔高度,利用內(nèi)插的方法將不同探測手段得到的水平風(fēng)的風(fēng)向、風(fēng)速插值到同一高度上進(jìn)行風(fēng)向、風(fēng)速偏差的比較。
2016 年7 月18 日夜間,39°N 以南的河北省南部地區(qū)(下文簡稱“河北南部”)降雨逐漸開始,并不斷增強(qiáng),7 月20 日白天逐漸減弱。18 日20 時—20日20 時,河北南部大部分地區(qū)累計降雨量超過100 mm,西部太行山沿山一帶超過250 mm(圖1a),其中石家莊、邢臺、邯鄲的山區(qū)局地超過500 mm,最大出現(xiàn)在石家莊市贊皇縣嶂石巖為810.2 mm。研究表明[11],幾乎所有小時雨量在20 mm 以上的短時強(qiáng)降水事件都是由深厚濕對流產(chǎn)生的,本次過程中也呈現(xiàn)出深厚濕對流降水的特點(diǎn),在河北南部,太行山沿山一帶到山前平原、平原東部分布著最大小時雨量超過40 mm 的兩片短時強(qiáng)降雨區(qū),前者強(qiáng)度更強(qiáng),強(qiáng)降雨的站點(diǎn)也更加密集(圖1b)。前者最大小時雨量為138.5 mm,出現(xiàn)在邢臺市市區(qū)(南大郭,19日22:00—23:00),次大值為128.1 mm,出現(xiàn)在石家莊市贊皇縣山區(qū)(嶂石巖,19 日16:00—17:00),也就是過程累計雨量最大的位置,屬極端短時強(qiáng)降水天氣;后者最大小時雨量為64.5 mm,出現(xiàn)在衡水市阜成縣(古城鎮(zhèn),20 日04:00—05:00),可見,前者最大小時雨量是后者2 倍。
圖1 2016 年7 月18 日20 時—20 日20 時京津冀降雨量分布(a,單位:mm)和39°N 以南河北省境內(nèi)高程和最大小時雨量在40 mm 以上的雨量站分布(b)
圖2 河北南部36°~39°N 小時雨量經(jīng)向平均值(a)和經(jīng)向最大值(b)逐時變化以及高程經(jīng)向平均(c,d)
2016 年7 月19 日03 時河北南部降雨開始加強(qiáng),最初的強(qiáng)降雨區(qū)并未出現(xiàn)在山區(qū),而是出現(xiàn)在邯鄲南部114.5 °E 附近的平原地區(qū),19 日上午強(qiáng)降雨區(qū)逐漸向西部山區(qū)推進(jìn),19 日11 時河北南部沿太行山區(qū)形成南北向的雨帶。19 日11 時—20 日02時,強(qiáng)降雨區(qū)維持在西部山區(qū)到山前平原的迎風(fēng)坡處(圖2),多個時次最大小時雨量超過60 mm,屬極端短時強(qiáng)降水。20 日02 時之后西部山區(qū)迎風(fēng)坡降雨強(qiáng)度減弱,平原東部的降雨加強(qiáng),強(qiáng)降雨區(qū)集中在平原東部,最大小時雨量超過30 mm。20 日14 時河北南部降雨強(qiáng)度明顯減弱。從同一緯度上降雨強(qiáng)度(小時雨量)經(jīng)向平均和最大值來看,西部山區(qū)到山區(qū)平原的降雨強(qiáng)度明顯大于平原東部地區(qū),這與地形的作用密切相關(guān)。另外,強(qiáng)降雨階段西部山區(qū)到山前平原迎風(fēng)坡處多個時次小時雨量超過60 mm,但經(jīng)向平均小時雨量大部分時次低于30 mm,表明極端短時強(qiáng)降雨具有明顯的局地性特征,這與由中小尺度系統(tǒng)產(chǎn)生有一定的關(guān)系。
圖3a 為同一時次3 種探測方式相互之間的風(fēng)向偏差平均值和風(fēng)向偏差低于30°的樣本比例,可以看到19 日08 時—20 日11 時的大部分時次,3 種探風(fēng)手段之間風(fēng)向偏差平均值<30°,風(fēng)向偏差低于30°的樣本比例在80%以上,對應(yīng)石家莊周邊持續(xù)降雨階段。20 日12 時開始,風(fēng)向偏差平均值有所增大,風(fēng)向偏差低于30°的樣本比例有所降低,對應(yīng)于石家莊周邊降雨顯著減弱到結(jié)束階段。圖3b 為同一時次的風(fēng)速偏差平均值和風(fēng)速偏差低于3 m/s 的樣本比例,可以看到19 日08 時—20 日20 時,3 種探風(fēng)手段之間風(fēng)速偏差和風(fēng)速偏差低于3 m/s 的樣本比例在不同降雨階段沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢,大部時次風(fēng)速偏差平均值在2~4 m/s。因此,在本次降雨過程中,3 種探風(fēng)方式得到的高空風(fēng)具有一定的一致性。
圖3 19 日08 時—20 日20 時石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)(W)、石家莊多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線(R)和邢臺探空(L)對比
俞小鼎[39]將0~6 km 深層垂直風(fēng)切變(Vertical Wind Shear,簡稱“VWS”)矢量大小劃分為3 個等級表征其強(qiáng)度:低于12 m/s 屬較弱垂直風(fēng)切變,12~20 m/s 屬中等偏上強(qiáng)度垂直風(fēng)切變,超過20 m/s 屬較強(qiáng)垂直風(fēng)切變。利用石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)、石家莊多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線整點(diǎn)時刻和邢臺探空站600 m、6 km 處的水平風(fēng)計算VWS,并按照上述劃分將VWS 描述為弱、中等、強(qiáng)三等。3 種不同探測手段計算的河北南部0~6 km 深層VWS 具有一致的變化規(guī)律(圖4)。在降雨初始階段,VWS 為中等大小。在太行山迎風(fēng)坡處強(qiáng)降雨階段,環(huán)境風(fēng)維持著強(qiáng)的VWS,且強(qiáng)度處于最強(qiáng)階段,邢臺探空、石家莊多普勒天氣雷達(dá)和石家莊雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品計算得到的VWS 最大分別達(dá)到25.3、30.8、33.9 m/s(相當(dāng)于4.7×10-3、5.7×10-3、6.3×10-3s-1)。當(dāng)VWS 減弱到20 m/s 左右時,對應(yīng)于迎風(fēng)坡處降雨強(qiáng)度較之前減弱,平原東部降雨強(qiáng)度較強(qiáng);河北南部降雨逐漸減弱的時段對應(yīng)的VWS 也在減弱,降雨結(jié)束時,VWS 為弱垂直風(fēng)切變。
圖4 不同探測手段計算VWS、石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)600 m 和6 km 處風(fēng)向風(fēng)速隨時間變化
“16·7”華北特大暴雨過程中呈現(xiàn)出顯著的對流性強(qiáng)降雨特點(diǎn)[11],在河北南部,分布著最大小時雨量超過40 mm 的兩片短時強(qiáng)降雨區(qū),部分站點(diǎn)最大小時雨量超過100 mm。研究表明[11-13],垂直風(fēng)切變影響對流風(fēng)暴的組織和演變,強(qiáng)垂直風(fēng)切變使對流呈現(xiàn)更高度的組織性,在強(qiáng)垂直風(fēng)切變作用下更容易導(dǎo)致中γ 尺度渦旋形成,產(chǎn)生更強(qiáng)的上升運(yùn)動。在一些強(qiáng)降水事件[11,40]中,強(qiáng)垂直風(fēng)切變使對流增強(qiáng),產(chǎn)生更強(qiáng)的上升運(yùn)動,進(jìn)一步使降雨增強(qiáng)?!?6·7”華北特大暴雨過程中,石家莊多普勒天氣雷達(dá)在河北南部多個時次識別出中γ 尺度渦旋(切變)。圖5 中標(biāo)號為W9 的單體即為中γ 尺度強(qiáng)對流單體,19 日18:00—18:36 伴隨有中γ 尺度渦旋(切變),其附近的東回舍觀測到的最大小時雨量為109.7 mm,出現(xiàn)在19 日18:00—19:00,即W9 強(qiáng)對流單體影響階段,此時也對應(yīng)于環(huán)境強(qiáng)垂直風(fēng)切變階段。可見,“16·7”華北特大暴雨過程中,河北南部強(qiáng)垂直風(fēng)切變環(huán)境有利于本次降雨過程中的對流性增強(qiáng),甚至產(chǎn)生了中γ 尺度強(qiáng)對流單體,增強(qiáng)的上升運(yùn)動利于降水的進(jìn)一步增強(qiáng)。
石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)時間分辨率和各層水平風(fēng)數(shù)據(jù)的獲取率較高,因此利用其600 m 和6 km處風(fēng)的變化來分析引起上述深層垂直風(fēng)切變變化的原因(圖4)。19 日08 時—19 日21 時,低層600 m處維持的偏東風(fēng)風(fēng)速不斷增大,同時中層6 km 處維持西南風(fēng)且風(fēng)速不斷增大,兩層次之間的u 風(fēng)差和v 風(fēng)差均在增大,引起VWS 不斷增強(qiáng),同時低層偏東風(fēng)的增大也增強(qiáng)了迎風(fēng)坡處的水汽輸送,利于地形輻合抬升作用的增強(qiáng),對應(yīng)于迎風(fēng)坡處降雨增強(qiáng)。19 日22 時—20 日10 時,VWS 由30 m/s 以上逐漸降低到20 m/s 左右,此時低層600 m 處偏東風(fēng)維持在較高風(fēng)速,部分時次風(fēng)速仍在20 m/s,中層6 km 處風(fēng)向由西南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為偏東風(fēng),兩層次之間的u 風(fēng)差明顯減小,引起深層垂直風(fēng)切變減小,而此時迎風(fēng)坡處降雨強(qiáng)度較之前有所減弱。20 日11 時之后,兩層次的風(fēng)速均有所減小,v 風(fēng)差也逐漸減小,VWS 逐漸減弱到弱垂直風(fēng)切變等級。
圖5 7 月19 日18:00、18:36 石家莊多普勒天氣雷達(dá)0.5°仰角徑向速度和反射率因子
綜上可知,3 種探風(fēng)方式給出的VWS 的變化特征具有一致性。河北南部強(qiáng)降雨發(fā)生在強(qiáng)VWS 環(huán)境中,強(qiáng)VWS 環(huán)境有利于本次過程中對流的增強(qiáng),對上升運(yùn)動和降水的增強(qiáng)產(chǎn)生積極作用。其中3 種探風(fēng)方式給出的VWS 在迎風(fēng)坡處最強(qiáng)降雨階段超過25 m/s,如此強(qiáng)的VWS 緣于u 風(fēng)差和v 風(fēng)差同時增強(qiáng)。隨著偏東風(fēng)層次增厚,6 km 處由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng),u 風(fēng)差迅速減小,強(qiáng)VWS 由25 m/s 的強(qiáng)度降至20 m/s,對應(yīng)于山區(qū)降雨強(qiáng)度明顯減弱。
從河北南部不同降雨階段石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)高空水平風(fēng)隨高度變化(圖6)來看,無論是西部山區(qū)到山前平原,還是平原東部,水平風(fēng)垂直切變矢量在強(qiáng)降雨階段基本表現(xiàn)為單一方向順時針切變;而在河北南部降雨結(jié)束階段,水平風(fēng)垂直切變矢量在垂直方向上變化復(fù)雜,2 km 以下的低層,呈順時針切變,2~6 km 的風(fēng)切變方向變化較為雜亂,6 km 以上則基本表現(xiàn)為逆時針切變,垂直風(fēng)切變矢量大小也明顯減小,由此可見,本次降雨過程中,水平風(fēng)垂直切變矢量在垂直方向表現(xiàn)為單一方向順時針切變的風(fēng)場環(huán)境對強(qiáng)降雨有積極作用。利用石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)逐240 m 高度間隔的水平風(fēng)計算相鄰層次之間的水平風(fēng)垂直風(fēng)切變,得到水平風(fēng)垂直風(fēng)切變大小隨高度的分布(圖7)。與上文僅用兩層水平風(fēng)計算的0~6 km 的垂直風(fēng)切變相比,大部時次計算得到的6 km 以下的最大垂直風(fēng)切變的數(shù)量級要大出1 個數(shù)量級,個別時次甚至大出2~3 個數(shù)量級,而原因在于風(fēng)隨高度的變化并非線性,文中計算深層垂直風(fēng)切變和各層風(fēng)切變用的高度差分別為5 400 m和240 m,高度差作為分子相差1 個數(shù)量級,而風(fēng)速差的數(shù)量級卻沒有那么大,因此,用這兩種高度差計算的垂直風(fēng)切變強(qiáng)度不宜放在一起直接比較大小。從垂直風(fēng)切變大小隨高度的分布來看,大的垂直風(fēng)切變分布在低層1~4 km,在西部山區(qū)強(qiáng)降雨階段,低層的垂直風(fēng)切變顯著增強(qiáng),最大垂直風(fēng)切變達(dá)到1.15 s-1(19 日15 時),直到20 日05 時,低層仍維持較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變。20 日05 時之后,低層垂直風(fēng)切變明顯減弱,對應(yīng)于河北南部降雨減弱到結(jié)束的階段。
圖6 7 月19 日17、23 時,20 日02、05、14 時風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)矢端隨高度變化
圖7 7 月19 日08 時—20 日20 時石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)垂直風(fēng)切變隨高度分布(單位:s-1)
從河北南部石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)高空水平風(fēng)u 風(fēng)分量垂直分布(圖8)和降雨分布的逐時變化(圖2)來看,19 日08 時開始,隨著黃河氣旋移動和發(fā)展,河北南部偏東風(fēng)厚度不斷增厚,逐漸向高空伸展,從19 日15 時—20 日11 時河北南部逐時最大東風(fēng)分量持續(xù)超過16 m/s。在19 日23 時,偏東風(fēng)伸展高度超過6 km,偏東風(fēng)氣流的增厚,有利于引導(dǎo)氣流的東風(fēng)分量增大,降雨云系隨引導(dǎo)氣流向山區(qū)方向移動,迎風(fēng)坡處多站連續(xù)4~5 h 出現(xiàn)雨強(qiáng)超過20 mm/h的強(qiáng)降雨。19 日08 時開始,太行山脈高度以下的東風(fēng)不斷增強(qiáng),在迎風(fēng)坡出現(xiàn)風(fēng)速的輻合,有利于迎風(fēng)坡處降雨的進(jìn)一步增強(qiáng),19 日11 時迎風(fēng)坡處降雨強(qiáng)度開始明顯增大,對應(yīng)于太行山脈以下最大東風(fēng)分量開始增加到8 m/s 以上且持續(xù)增強(qiáng),至19 日19時東風(fēng)分量達(dá)到最大為28 m/s,出現(xiàn)在1 km 高度上。20 日01 時自近地面開始轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),偏北風(fēng)厚度自地面逐漸向上伸展,東風(fēng)分量逐漸減小,迎風(fēng)坡處輻合減弱,同時最大東風(fēng)分量所處的高度也明顯增高,也可引起迎風(fēng)坡輻合減弱[41],西部山區(qū)和山前降雨逐漸減弱。孫繼松[41]研究表明,當(dāng)東風(fēng)氣流隨高度減弱時,有利于在地形迎風(fēng)坡處形成水平輻合,迎風(fēng)坡的上升速度取決于低空最大東風(fēng)層的風(fēng)速大小和山體的坡度,從36°~39°N 高程平均(圖2)來看,河北南部山區(qū)海拔高度自東向西總體呈升高趨勢,最高超過1 200 m,事實(shí)上部分山峰海拔高度超過1 500 m。本次過程中從19 日11—23 時,1 500 m高度以下多個時次出現(xiàn)東風(fēng)分量隨高度減小的層次,有利于迎風(fēng)坡輻合。
圖8 7 月19 日08 時—20 日20 時石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)6 km 以下水平風(fēng)(風(fēng)標(biāo))和u 風(fēng)分量(填色)垂直分布(單位:m·s-1)
通過對“16·7”華北特大暴雨過程中河北省南部地區(qū)小時雨量、高空風(fēng)垂直分布以及降雨不同階段水平風(fēng)的垂直變化特征分析,得出以下結(jié)論:
(1)河北南部,太行山沿山一帶到山前平原、平原東部分布著小時雨量在40 mm 以上的兩片短時強(qiáng)降雨區(qū),前者降雨強(qiáng)度更強(qiáng),強(qiáng)降雨的站點(diǎn)也更加密集,最大雨強(qiáng)是后者的2 倍,這與地形作用密切相關(guān)。極端短時強(qiáng)降雨具有明顯的局地性特征,這與由中小尺度系統(tǒng)產(chǎn)生有一定關(guān)系。
(2)在本次降雨過程中,不同探風(fēng)方式得到的河北南部的高空風(fēng)以及垂直風(fēng)切變變化特征具有一定的一致性。河北南部強(qiáng)降雨發(fā)生在強(qiáng)深層垂直風(fēng)切變環(huán)境中,強(qiáng)垂直風(fēng)切變環(huán)境有利于本次過程中對流的增強(qiáng),對降水的增強(qiáng)產(chǎn)生積極作用。其中山區(qū)和山前平原出現(xiàn)強(qiáng)降雨階段,3 種探風(fēng)方式給出的0~6 km 深層垂直風(fēng)切變在最強(qiáng)降雨階段超過25 m/s。如此強(qiáng)的垂直風(fēng)切變緣于u 風(fēng)差和v 風(fēng)差同時增強(qiáng),偏東風(fēng)層次伸展到6 km,u 風(fēng)差迅速減小,對應(yīng)于山區(qū)降雨強(qiáng)度明顯減弱。
(3)水平風(fēng)隨高度變化無論是西部山區(qū)到山前平原的強(qiáng)降雨階段,還是平原東部強(qiáng)降雨階段,水平風(fēng)垂直切變矢量基本上表現(xiàn)為單一方向順時針切變,且低層風(fēng)垂直切變較大。垂直風(fēng)切變大小隨高度的分布表明,大的垂直風(fēng)切變分布在低層1~4 km,在西部山區(qū)強(qiáng)降雨階段,低層的垂直風(fēng)切變顯著增強(qiáng)。河北南部降雨減弱到結(jié)束的階段,對應(yīng)于低層垂直風(fēng)切變明顯減弱。水平風(fēng)垂直切變矢量基本上表現(xiàn)為單一方向順時針切變,且低層風(fēng)垂直切變較大的環(huán)境對強(qiáng)降雨有積極作用,而其動力學(xué)作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。
(4)u 風(fēng)分量的垂直分布表明,太行山脈高度以下的東風(fēng)不斷增強(qiáng),最大東風(fēng)分量達(dá)到8~28 m/s,有利于山區(qū)和山前降雨的增強(qiáng)。另外,在山區(qū)和山前強(qiáng)降雨階段,1 500 m 高度以下在多個時次上也出現(xiàn)東風(fēng)分量隨高度減小的層次。