周明飛,杜小玲,齊大鵬,楊秀莊
(貴州省氣象臺,貴州 貴陽 550002)
對稱不穩(wěn)定(Symmetric instability,SI)是大氣穩(wěn)定度的判據(jù)之一。它是指當大氣在垂直方向上不能有對流的發(fā)展,而在重力和慣性力的共同作用下卻可以在傾斜方向上產(chǎn)生上升氣流[1-2]。對稱不穩(wěn)定又可根據(jù)干濕情況分為3類,分別為干對稱不穩(wěn)定(干空氣)、位勢對稱不穩(wěn)定(未飽和濕空氣)和條件性對稱不穩(wěn)定(Conditional symmetric instability,CSI)(飽和濕空氣),其中后兩者統(tǒng)稱為濕對稱不穩(wěn)定(Moist symmetry instability,MSI)[3]。當大氣處于干狀態(tài)時,較難滿足對稱不穩(wěn)定的發(fā)生發(fā)展條件,而當大氣處于濕狀態(tài)時,在部分暴雨、降雪、熱帶氣旋以及鋒面降雨等天氣過程中均有對稱不穩(wěn)定的發(fā)展。
國內(nèi)外的一些研究發(fā)現(xiàn)在一些降水異常事件會多次出現(xiàn)對稱不穩(wěn)定。如Byrd[4]發(fā)現(xiàn),美國南部的帶狀降水多與條件對稱不穩(wěn)定有關(guān),Reuter and Aktary[5]發(fā)現(xiàn)加拿大Alberta中部冬季、春季、秋季均多次出現(xiàn)濕對稱不穩(wěn)定。王晨曦等[6]模擬一次華北帶狀降水天氣過程發(fā)現(xiàn),帶狀降水過程中CSI的發(fā)展伴隨著對流不穩(wěn)定的減弱和慣性不穩(wěn)定的增強。閻琦等[7]分析1210號臺風(fēng)所致的持續(xù)性暴雨成因指出,暖濕、冷干空氣長時間在遼寧作用,期間有對稱不穩(wěn)定的持續(xù)發(fā)展,同時伴隨有對流不穩(wěn)定的再次建立,使得對流云團不斷新生造成暴雨天氣過程。
同時,對稱不穩(wěn)定通常與鋒生有一定的關(guān)系。Schltz and Schumacher[8]分析發(fā)現(xiàn)鋒區(qū)附近有濕對稱不穩(wěn)定的發(fā)展,它的釋放是造成鋒區(qū)降水的主要原因。張芳華等[9]對我國江南和華南一次冬季暴雨過程中的鋒生與條件對稱不穩(wěn)定進行診斷分析表明,鋒生次級環(huán)流和CSI實質(zhì)是鋒面次級環(huán)流方程在不同穩(wěn)定性條件下的解,鋒生強迫環(huán)流的性質(zhì)可由濕位渦作為等價判據(jù)進行分析。鄧承之等[10]分析了重慶南部一次大暴雨天氣過程指出,緯向雨帶形成并發(fā)展于低空濕對稱不穩(wěn)定區(qū),鋒生效應(yīng)的增強,引起低空濕位渦水平分量MPV2的負值增長,為濕對稱不穩(wěn)定的增強及維持提供了有利條件。任麗等[11]分析黑龍江南部一次暖區(qū)暴雨過程的中尺度特征及成因認為,CSI存在于鋒生區(qū)附近,CSI的釋放會導(dǎo)致沿鋒面的傾斜上升氣流加強,形成鋒面次級環(huán)流,從而觸發(fā)對流不穩(wěn)定。同時針對鋒區(qū)附近的帶狀強降雨[12-13]和暴雪天氣過程中[14-15]的研究均發(fā)現(xiàn)鋒面的抬升作用與濕對稱不穩(wěn)定性的釋放存在一定的相關(guān)性。
2018年9月17日,受登陸減弱臺風(fēng)“山竹”的倒槽影響,貴州中南部地區(qū)出現(xiàn)了一次暴雨天氣過程。不同于貴州夏季常見的對流性暴雨天氣過程,本次降雨時間長、雨強較小,具有一定濕對稱不穩(wěn)定降水的特性,故使用常規(guī)觀測資料及NCEP/NCAR再分析資料對此次暴雨過程中的鋒生與濕對稱不穩(wěn)定進行分析,以期為今后臺風(fēng)倒槽影響云貴高原預(yù)報提供一定的參考意義。
采用各類常規(guī)氣象觀測資料、風(fēng)云2G衛(wèi)星資料、多普勒天氣雷達資料以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料。
本次天氣過程為暴雨天氣,適用于濕絕熱過程,采用包含水汽的鋒生函數(shù)[16-17]如下:
(1)
其中:
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
方程式中F>0為鋒生、F<0為鋒消。F1為非絕熱加熱項、F2為水平輻散項、F3為水平變形項,F(xiàn)4為和垂直運動有關(guān)的傾斜項。其中Af和Bf分別表示伸展變形和切變變形。伸展變形的物理意義是氣流在一個方向拉長,而在另一個方向收縮產(chǎn)生的變形。切變變形從風(fēng)矢量場上表現(xiàn)為經(jīng)向風(fēng)的東西向切變和緯向風(fēng)的南北向切變。兩種均可以引起鋒生。由于鋒生函數(shù)中F1難以分析準確,故不討論,F(xiàn)4中垂直速度估算具有一定誤差,討論不準確。故主要對F、F2和F3進行分析。
對處于飽和的潮濕大氣來說,對稱不穩(wěn)定的判據(jù)為,當濕位渦<0,或濕理查森數(shù)<1,或等θse面斜率大于等于M面的斜率時為條件性對稱不穩(wěn)定。本文主要用濕位渦<0作為判定條件性對稱不穩(wěn)定的條件。
(7)
濕位渦包含水汽的變化,也可分為濕正壓項(MPV1)和濕斜壓項(MPV2),其中MPV1表示慣性不穩(wěn)定(ζp+f<0)和對流不穩(wěn)定(?θse/?p>0)的作用,MPV2包含了濕斜壓性和水平風(fēng)垂直切變的貢獻。
2018年22號臺風(fēng)“山竹”于9月7日20時(北京時,下同)在西北太平洋洋面上生成,隨后不斷加強,9日08時左右加強為臺風(fēng)級,其一路向西偏北方向移動,登陸后慢慢減弱,中央氣象臺于17日晚20時停編。期間“山竹”經(jīng)歷了兩次登陸:9月15日,臺風(fēng)“山竹”在菲律賓北部登陸;16日17時在廣東臺山海宴鎮(zhèn)再次登陸(登陸時,最大風(fēng)速45 m·s-1,中心氣壓955 hPa,移向西北西,移速30 km·h-1)。隨后一路西行,其北部倒槽于16日傍晚開始影響貴州,倒槽移動緩慢,在貴州中西部停留時間較長,于18日中午左右減弱移出貴州,貴州轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)影響。分析倒槽垂直結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),中高層系統(tǒng)移速較低層系統(tǒng)快(圖1a、1b)。進入貴州后,受貴州西高東低的地形影響,對低層系統(tǒng)阻擋明顯,倒槽的正壓結(jié)構(gòu)遭到破外,系統(tǒng)逐步隨高度向西傾斜。臺風(fēng)外圍的純暖濕熱帶氣團與貴州山地氣團相互作用,兩個氣團之間形成界面,整個天氣系統(tǒng)開始呈現(xiàn)出斜壓性。
16日傍晚至18日中午,受“山竹”外圍云系影響,貴州中南部出現(xiàn)降雨天氣。其中9月16日18時—18日14時貴州中南部地區(qū)有3縣站99區(qū)域站出現(xiàn)大暴雨,33縣站756區(qū)域站出現(xiàn)暴雨,國家站最大降水出現(xiàn)在荔波縣(129.5 mm)(圖1c)。通過分析逐小時降水量(以荔波站為例),發(fā)現(xiàn)本次降雨持續(xù)時間較長,荔波站降雨總時長33 h,降水強度較小,最強小時降雨出現(xiàn)在18日07時,為21.5 mm(圖1d)。且降雨中不伴有雷電、冰雹等強對流天氣的出現(xiàn),故本次暴雨天氣過程具有降雨時間長、小時雨強較小、穩(wěn)定性降水的特點。
圖1 2018年9月17日08時(a)500 hPa高度場(黑實線,單位:gpm)、風(fēng)場(風(fēng)向桿,單位:m·s-1),(b)850 hPa風(fēng)場(風(fēng)向桿,單位:m·s-1)、地面海平面氣壓場(黑實線,單位:hPa),(c)2018年9月16日18時—18日14時降雨量,(d)荔波站2018年9月16日18時—18日14時逐小時降水量Fig.1 (a) The 500 hPa geopotential height(black contours,unit:dagpm),500 hPa wind(wind barb,unit∶m·s-1), (b) 850 hPa wind(wind barb,unit∶m·s-1),sea level pressure(black contours,unit∶hPa), (c)The accumulated precipitation in Guizhou province,from 18:00 September 16 to 14:00 September 18,2018 (d) hourly precipitation at Libo from 18:00 September 16 to 14:00 September 18,2018
從衛(wèi)星云圖演變來看(圖2),“山竹”外圍云系于2018年9月16日18時左右開始影響貴州東南部,此時,臺風(fēng)云系較為緊湊,外圍螺旋云帶清晰,云頂亮溫較低,隨后臺風(fēng)云系緩慢西移,并快速減弱,至17日08時左右,臺風(fēng)云系已明顯減弱,無明顯螺旋狀,云團結(jié)構(gòu)松散,呈分散帶狀分布,云頂亮溫增高,貴州大部地區(qū)受此減弱的分散云系影響。其中17日08時—18日08時,有多條分散云帶影響貴州中西部地區(qū),云帶大多呈東北—西南走向,云頂亮溫較高,多為-20~-40 ℃,云頂高度低。雷達回波圖像顯示(圖略),降水回波與云帶分布較一致,呈東北—西南走向帶狀分布,回波強度偏弱,大部分回波強度在20~30 dBz,局部超過35 dBz。回波移動緩慢,形成帶狀的中尺度雨帶。雨帶基本位于低層倒槽西側(cè)、中高層倒槽東側(cè)的系統(tǒng)傾斜區(qū)。結(jié)合地面小時雨量分析,發(fā)現(xiàn)雨帶的降水率大多為5~10 mm·h-1。
圖2 2018年9月16日18時(a)、23時(b)、17日04時(c)、09時(d)、14時(e)、19時(f)、18日00時(g)、05時(h)、10時(i)FY-2G亮溫TBB圖(單位:℃)Fig.2 TBB of FY-2G satellites at 18:00 (a), 23:00 (b) on September 16, 04:00 (c),09:00 (d),14:00 (e), 19:00 (f) on September 17,00:00 (g),05:00 (h),10:00 (i) on September 18,2018(unit∶ ℃)
隨著臺風(fēng)的登陸,臺風(fēng)東南側(cè)的水汽通道打開,南海的水汽沿偏南氣流向貴州輸送。從700 hPa、850 hPa水汽通量、水汽通量散度、比濕(圖3)分析可以看出,倒槽東側(cè)的偏南氣流將南海的水汽向北輸送,在倒槽附近形成水汽輻合區(qū)經(jīng)垂直運動向上輸送。相對濕度的垂直分布顯示(圖略),整個大氣從低到高均為高濕狀態(tài),水汽的飽和區(qū)達較高層300 hPa左右。比濕是表征大氣中水汽絕對量的特征值,9月16—18日,850 hPa貴州大部地區(qū)比濕為11~13 g·kg-1,700 hPa比濕為10~12 g·kg-1,500 hPa比濕為6~8 g·kg-1。
圖3 2018年9月17日14時水汽通量(箭矢,單位:10-3g·cm-1·hPa-1·s-1)、水汽通量散度(線條,單位:10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1)、比濕(陰影,單位:g·kg-1),700 hPa(a);850 hPa(b)Fig.3 The vapor flux(vector,unit∶10-3g·cm-1·hPa-1·s-1)and the vapor fluxdivergence(contour,unit∶10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1),specific humidity(shadow,unit∶g·kg-1)at 700 hPa(a),and 850 hPa(b) at 14:00 on September 17,2018
由上述分析可知,在地形阻擋下,臺風(fēng)倒槽進入貴州后高層?xùn)|風(fēng)氣流移動快于低層,使得整個天氣系統(tǒng)呈向西傾的形勢。低層受原山地氣團影響,屬于相對較干冷氣團(低θse),而中高層氣流來源于臺風(fēng)外圍的相對暖濕氣團(高θse),暖濕氣團沿干冷氣團爬升,形成了與地形相平行的類似鋒面系統(tǒng)。如圖4顯示了θse沿26°N空間剖面,可以看出從17日08時開始,在104~108°E附近大氣低層800~600 hPa之間出現(xiàn)θse密集區(qū)(鋒區(qū)),呈帶狀隨高度向西傾斜,與地形走勢相一致。17日14—20時,θse密集區(qū)(鋒區(qū))達最強,位于貴州中西部維持少動。至18日08時,θse密集區(qū)(鋒區(qū))進一步向西移出貴州,并明顯減弱。此密集區(qū)與中尺度雨帶相一致,證明降雨與此類鋒面系統(tǒng)有密切關(guān)系。
圖4 2018年9月17日14時(a)、20(b)時假相當位溫θse(黑線:單位:K)、風(fēng)(矢線,由U與W×50合成)沿26°N垂直剖面圖(陰影為地形)Fig.4 The pseudo-equivalent potential temperature (solid lines, unit∶ K),and wind (vector,formatted by U and W×50) along 26°N at 14:00 (a) and 20:00 (b) on September 17,2018 (black shadow represent terrain)
兩種不同屬性氣團在鋒面附近的鋒生作用將會對鋒面附近的次級環(huán)流以及降水過程產(chǎn)生重大影響。通過對過程中的鋒生函數(shù)計算發(fā)現(xiàn)(圖5)。16日夜間,臺風(fēng)外圍系統(tǒng)開始影響貴州東部,貴州東部地區(qū)開始出現(xiàn)鋒生現(xiàn)象,至17日鋒生強度不斷加強,鋒生區(qū)向西移,中心位于貴州中西部地區(qū)(海拔相對較高處),強度最大時為17日下午至夜間達6K·h-1·100 km-1以上,其中F2和F3兩項均有較大貢獻(圖略),F(xiàn)2貢獻最大,低層風(fēng)的輻合造成θse梯度加強引起鋒生。18日,隨著倒槽系統(tǒng)的進一步西進減弱,鋒生現(xiàn)象明顯減弱。
圖5 2018年9月17日08時(a)、14時(b)、20時(c)、18日02時(d)750 hPa鋒生函數(shù)F(陰影,單位:K·h-1·100 km-1),假相當位溫(黑線,單位:K),風(fēng)場(矢線,由U與V合成,單位:m·s-1)Fig.5 The 750 hPa frontogenesis function(shadow,unit∶K·h-1·100 km-1),pseudo-equivalent potential temperature(black lines,unit∶K) and wind (vector, unit∶m·s-1) at 08:00 (a),14:00 (b),20:00 (c) on September 17,2018 ,02:00 (d) on September 18,2018
Bennetts和Hoskins提出在鋒面附近產(chǎn)生的云和雨帶可能是對稱不穩(wěn)定的一種表現(xiàn)形式。當判定對稱不穩(wěn)定時,首先需判定其為慣性穩(wěn)定和對流穩(wěn)定。
慣性穩(wěn)定的條件可由絕對渦度>0判定,即ζp+f>0。對流穩(wěn)定的條件為?θse/?p<0。圖6a、6b顯示了17日08時、18日02時慣性穩(wěn)定和對流穩(wěn)定的水平分布圖,從17日開始,貴州大部均處于正渦度區(qū),滿足慣性穩(wěn)定條件;同時,?θse/?p<0,滿足對流穩(wěn)定條件。為了更清晰了解此次暴雨過程中對流穩(wěn)定性的分布及演變,圖6c、6d給出了貴陽站9月17日08時探空圖,從探空圖上可以看出貴陽站對流有效位能為0,表明大氣層結(jié)是靜力穩(wěn)定的,濕層非常深厚,300 hPa以下相對濕度超過80%,整層大氣幾乎飽和。
圖6 2018年9月17日08時(a)、18日02時(b)750 hPa正絕對渦度(實線,單位:10-4s-1)、?θse/?p(陰影,單位:10-4K·Pa-1),9月17日08時貴陽站探空圖(c)、(d)Fig.6 The 750 hPapositive absolute vorticity (black lines,unit∶10-4s-1),negative ?θse/?p(shadow,unit∶10-4K·Pa-1)at 08:00 (a) on September 17,2018,02:00 (b) on September 18,2018, observed T-lnp of Guiyang station (c) and (d)at 08:00 on September 17,2018
圖7顯示了MPV與鋒生函數(shù)的水平(750 hPa)與垂直(沿26°N)空間分布圖,16日夜間開始貴州境內(nèi)開始出現(xiàn)鋒生時,貴州大部也處于濕對稱不穩(wěn)定區(qū)(MPV<0),鋒生區(qū)與濕對稱不穩(wěn)定區(qū)基本一致。17日鋒生現(xiàn)象加強,并集中在貴州中西部,濕對稱不穩(wěn)定也開始發(fā)展加強,強的濕對稱不穩(wěn)定區(qū)位于強鋒生區(qū)的東側(cè)即低層倒槽東側(cè)以及東南氣流中。18日,鋒生區(qū)減弱進入云南,濕對稱區(qū)也明顯減弱。從MPV與鋒生函數(shù)的垂直空間剖面圖看到,鋒生區(qū)主要位于大氣低層(近地層至600 hPa),呈帶狀與地形走勢相一致,由低到高向西北方向傾斜。濕對稱不穩(wěn)定區(qū)也位于大氣低層(近地層至600 hPa),形態(tài)走勢與鋒生區(qū)一致,中心區(qū)位于鋒生區(qū)上方,濕對稱不穩(wěn)定區(qū)及其上方為上升氣流,下方為下沉氣流。
圖7 2018年9月17日14時(a)、20時(b)750 hPa鋒生函數(shù)F(實線,單位:K·h-1·100 km-1),MPV(虛線,單位:PVU),水平風(fēng)場(風(fēng)向桿,單位:m·s-1),2018年9月17日14時(c)、20時(d)鋒生函數(shù)F(實線,單位:K·h-1·100 km-1),MPV(虛線,單位:PVU),風(fēng)場(風(fēng)向桿,由U與W×50合成,單位:m·s-1)沿26°N垂直剖面圖Fig.7 The 750 hPa frontogenesis function(solid line,unit∶K·h-1·100 km-1),MPV(dashed lines,unit∶PVU)and wind(barb,unit∶m·s-1) at 14:00 (a), 20:00 (b) on September 17,2018. The frontogenesis function (solid line, unit∶K·h-1·100 km-1),MPV(dashed lines,unit∶PVU)and wind(barb,formatted by U and W×50)along 26°N at 14:00 (c)and 20:00 (d) on September 17,2018
從25~26°N,105~110°E區(qū)域內(nèi)鋒生函數(shù)、MPV(平均值)隨時間的變化圖(圖8)可以看出,鋒生現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展的時間基本與濕對稱不穩(wěn)定一致。濕對稱不穩(wěn)定最強時段與鋒生最強時段也一致,尤其是與鋒生的輻合項F2。孫力、鄧承之等指出,濕位渦<0的主要貢獻來源于濕斜壓項。由鋒生函數(shù)與濕位渦的表達式可知,鋒生函數(shù)與濕位渦的濕斜壓項均與水平假相當位溫梯度相聯(lián)系。在本次暴雨天氣過程中,鋒區(qū)附近θse線呈東北—西南走向,經(jīng)向度大于緯向度,?θse/?x>?θse/?y,貢獻更大,因此鋒生函數(shù)F∝|?θse/?x|。而臺風(fēng)倒槽系統(tǒng)西移過程中高層快于低層,使得?v/?p<0,且?θse/?x>0,因此MPV2∝?θse/?x。由此可知,MPV2∝-F。由此可知,鋒生函數(shù)的增強與濕對稱不穩(wěn)定的發(fā)展相一致,兩者的加強發(fā)展均主要來自于θse在經(jīng)向上密集度的加強,即|?θse/?x|的大小。當臺風(fēng)倒槽北上影響貴州時,倒槽右側(cè)的氣流帶來高θse的氣團,與原地的相對較低θse區(qū)相匯,在倒槽附近形成θse密集區(qū),從而形成鋒生現(xiàn)象。貴州西高東低的地形一方面加強了|?θse/?x|,一方面使得倒槽系統(tǒng)高低層不再垂直一致,即?v/?p<0,對稱不穩(wěn)定發(fā)展,形成平行于鋒區(qū)與CSI的中尺度雨帶。
圖8 2018年9月16日00時—19日02時750 hPa鋒生函數(shù)F及其輻合項、變形項(單位:K·h-1·100 km-1),MPV2(單位:PVU)的時間演變圖Fig.8 The 750 hPa frontogenesis function and its divergences part,deformation part(unit∶K·h-1·100 km-1) and MPV2(unit∶PVU) during 00:00 on 16 to 02:00 on September 19,2018
本文對2018年9月17日臺風(fēng)“山竹”倒槽造成貴州中西部暴雨過程中的鋒生與濕對稱不穩(wěn)定進行分析。得出以下幾點初步結(jié)論:
①1822號臺風(fēng)“山竹”登陸后,其北部倒槽北上于9月16日傍晚至18日中午影響貴州,倒槽東側(cè)的偏南氣流帶來充沛水汽,造成貴州出現(xiàn)大范圍降雨天氣。降雨穩(wěn)定,強度較小,降水率大多為5~10 mm·h-1,持續(xù)時間較長。降雨云系多呈分散的帶狀,云頂亮溫高,云頂高度低,回波強度較小,多為20~30 dBz,以層狀云降雨為主。倒槽西進過程中其正壓結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,受地形影響,低層系統(tǒng)移動受阻,其移速慢于高層系統(tǒng),使得倒槽系統(tǒng)傾斜出現(xiàn)斜壓性。
②結(jié)合假相當位溫與風(fēng)場的垂直結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),大氣低層800~600 hPa之間出現(xiàn)θse密集區(qū)(鋒區(qū)),呈帶狀隨高度向西傾斜,與地形走勢相一致,密集區(qū)(鋒區(qū))上暖濕氣團沿干冷氣團爬升,形成傾斜上升運動,此密集區(qū)與中尺度雨帶相一致,由貴州東部逐步向西部移動。
③鋒生函數(shù)計算分析發(fā)現(xiàn),伴隨著雨帶的不斷東移,雨帶中出現(xiàn)明顯的鋒生現(xiàn)象,降雨最強時段17日下午至夜間也是鋒生最強時段,鋒生達6 K·h-1·100 km-1以上。貢獻最大的為F2水平輻散項和F3水平變形項,尤其是低層風(fēng)的輻合造成梯度加強引起鋒生。通過對降雨過程中貴州區(qū)域的穩(wěn)定度分析發(fā)現(xiàn),雨帶附近處于慣性穩(wěn)定和對流穩(wěn)定,同時濕位渦MPV小于0,為對稱不穩(wěn)定。鋒生現(xiàn)象與對稱不穩(wěn)定具有相關(guān)性,對稱不穩(wěn)定區(qū)位于鋒生區(qū)的東側(cè),即東南暖濕氣流中,垂直結(jié)構(gòu)上對稱不穩(wěn)定區(qū)位于鋒生區(qū)的上部,與傾斜的上升運動區(qū)相對應(yīng)。
本文采用多種資料分析了此次臺風(fēng)倒槽暴雨過程中的成因及上升運動機制,發(fā)現(xiàn)了臺風(fēng)倒槽進入貴州以后,受貴州西高東低地形的影響,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傾斜,出現(xiàn)了類鋒面系統(tǒng)、對稱不穩(wěn)定和鋒生過程,在地形對貴州天氣的影響中具有一定的意義。但對地形在天氣過程中的作用僅通過實況和再分析資料進行判定,缺乏對其動力和物理機制的解釋,今后需進一步通過中尺度模式更深入的模擬地形敏感實驗。