暴雨是我国夏季的主要气象灾害之一。多年来,国内许多专家从中尺度方面对其进行了大量研究。韩桂荣等[1]对一次梅雨锋上特大暴雨过程的研究表明,暴雨是在有利的环流背景形势下,由梅雨锋上的中尺度对流系统造成的。张家国等[2]研究指出,大暴雨与中尺度气旋波扰动发展形成的中尺度对流系统有关,锋前暖低压倒槽内中尺度对流系统后向传播对暴雨加强起重要作用。赵思雄等[3]分析2007年6—7月淮河流域致洪暴雨中尺度系统特征认为,中尺度涡旋是强暴雨发展的直接影响系统。柯文华等[4]的研究表明,中尺度辐合线长期维持、多单体风暴有组织排列引发的“列车效应”是导致暴雨的主要原因。蒋义芳等[5]也认为,地面中尺度辐合线长时间维持是大暴雨产生的直接原因。不少研究表明[6-9],边界层急流对中尺度对流系统的触发具有重要作用。另外,刘蕾等[10]通过中尺度地形对柳州一次大暴雨过程影响的数值试验认为,地形对强降水的落区和强度有重要影响。
上述研究和结论对开展暴雨中尺度机理研究、指导暴雨实时业务预报意义重大。然而,影响暴雨天气发生发展的原因极为复杂,尤其是突发性暴雨过程中的局地短时强降水仍是预报业务中的难点。如2014年8月7—8日江苏东南部地区的一次大暴雨天气过程(以下简称“8.7”苏南暴雨过程),是在台风远海(130°E以东)北上背景下发生的,明显有别于以往该地区同类暴雨过程。近年来,随着气象卫星、新一代天气雷达、风廓线雷达和地面区域自动站等高分辨率探测资料的广泛应用,为深入分析“8.7”苏南暴雨这类短时强降水的特征和成因提供了便利,且新资料在中尺度暴雨分析中也取得了较好的应用效果[11-12]。“8.7”苏南暴雨过程突发性强、历时短、降水强度大,给江苏多地造成严重城市内涝和农田积水。对该过程,各种数值预报提示不足,造成实际预报偏差较大。本文期望通过对该过程降水实况、环境场和中尺度特征的分析,为今后此类强天气精细化预报和临近预警提供更多参考依据。
文中使用的资料主要有:常规地面和高空气象观测资料,FY-2F卫星红外云图IR1及反演的云顶量温(TBB)资料(分辨率5 km×5 km),江苏省内1 175个地面自动站逐小时观测资料,盐城、南通新一代天气雷达及反演的风场资料,南通风廓线雷达资料,以及NCEP逐6 h再分析资料(分辨率1°×1°)。
1 降水实况受高空槽和2014年第11号(1411号)台风“夏浪”影响,当年8月7日08时—8日08时(北京时,下同)江苏东南部地区出现一次暴雨、局部大暴雨过程。强降水主要集中在7日中午和傍晚前后,降水量分布极不均匀。从8月7日08时—8日08时24 h累积雨量分布图上看(图 1a),全省有273个自动站(含区域站,下同)降水量超过50 mm,其中,76站超过100 mm,10站超过200 mm,最大24 h累积雨量(258.9 mm)在大丰市大桥镇。强降水主要出现在江苏东南部,其历时较短,其中两个强降水中心分别位于大丰市大桥镇和南通市幸福镇,最大雨强均为109.2 mm·h-1,前者出现在7日12—13时,后者出现在7日16—17时(图 1b)。
由图 1b可知,大桥镇降水主要分三个阶段:第一阶段在7日08—09时(2 h降水量为40.6 mm);第二阶段在12—14时(3 h降水量达179.6 mm);第三阶段在8日04—06时(3 h降水量为34.8 mm)。幸福镇7日傍晚前后开始降水,强降水主要发生在16—18时,这3 h降水量达134.3 mm,夜间还出现小阵雨。本文主要分析降水最集中、强度最大的大桥镇第二阶段和幸福镇傍晚前后的短时强降水的中尺度特征和成因。
2 大尺度环流背景与探空资料分析“8.7”苏南暴雨发生前的8月5—6日(图略),500 hPa图上俄罗斯远东到我国东北地区有西风槽,贝加尔湖地区有横槽,副热带高压断裂成东西两环,长江中下游地区受大陆高压控制,江苏省地面温度普遍达35~37 ℃。7日08时(图 2a),贝加尔湖地区高压脊建立并东移,脊前西北气流增大,东北低槽经向度加大并逐渐东移南压,大陆高压减弱,脊前槽后的西北气流引导冷空气南下影响江苏地区,地面有冷锋相配合;同时1411号台风“夏浪”沿131°E北上到25°—26°N附近,使江苏南部地区转为偏东风。7日08时地面图上(图 2b),苏浙皖交界处有α中尺度低压生成,低压倒槽呈东北—西南向,位于常州、泰州、南通和盐城等地;200 hPa图上江苏处于分流区,850 hPa图上河南东部地区有一α中尺度气旋性涡旋,涡旋东部至苏北地区有一切变线;中低层江苏处于温度露点差(T-Td)小于等于4 ℃的高湿区中,850—925 hPa华北地区有高压环流,高压底部有一支东北急流(图略);925 hPa图上超低空东北急流达12~14 m·s-1,同时安徽沿江地区有α中尺度气旋性涡旋,江苏沿江北部地区有东北—西南向切变线。可见,“8.7”苏南暴雨过程是在1411号台风北上、高层200 hPa有辐散、500 hPa东北低槽东移南压、中低层有切变线、高湿区配合、地面有弱冷空气南下和低压倒槽发展等有利的大尺度环流背景下发生的。
另从7日08时南京站和射阳站探空图上看到(图 2c、d),射阳上空整层大气湿度很大,两地抬升凝结高度和对流凝结高度均在980 hPa附近;南京站对流有效位能(CAPE)为2 420 J·kg-1,对流抑制能(CIN)为2.5 J·kg-1,K指数为36 ℃;射阳站CAPE值为30 J·kg-1,CIN为0.8 J·kg-1,K指数为30℃;同时,上海站(图略) CAPE值为934 J·kg-1,CIN为77 J·kg-1,K指数为30 ℃,对流凝结高度在880 hPa附近,T-Td较大,大气相对湿度较小。对比分析上述3站探空曲线推断,射阳以南、南京以东和上海以北地区(暴雨区)有一定的对流抑制能量和对流有效位能,K指数在30 ℃以上。同时,上述3站探空资料的欧阳位温分析图显示(图略),南京站700 hPa、射阳站850 hPa和上海站650 hPa以下,假相当位温(θse)随高度(z)增加而减小(
7日08时比湿场显示(图略),江苏东部地区925 hPa比湿达18 g·kg-1,850 hPa和700 hPa比湿分别为12 g·kg-1和9 g·kg-1,说明该地区水汽充沛。低层较强的水汽输送和辐合有利于暴雨产生。分别从8月7日08时和14时925 hPa风场、水汽通量与水汽通量散度叠加图上可见,当日08时(图 3a),受弱冷空气南下影响,从渤海经山东到江苏为东北急流,且有水汽输送带相配合,水汽通量大值中心(20 g·cm-1·hPa-1·s-1)位于苏北;同时,受1411号台风外围影响,长江口附近形成偏东水汽输送带;在超低空急流左侧存在水汽辐合区。14时(图 3b),东北水汽输送带南移,与偏东水汽输送带在江苏东南部相遇,水汽通量散度大值区随之南移至暴雨区上空,其辐合中心增大到-5× 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1。到20时(图略),上述水汽输送和辐合依然较强。
图 3c、d分别为8月7日08时和14时沿121°E经暴雨中心(大丰市大桥镇附近)所作的垂直速度和全风速经向剖面图。从中看到,7日08时,34°N附近为上升运动区,强中心(-1.8×10-3 hPa·s-1)在500 hPa附近;36°N附近为下沉运动区,其强中心(0.9×10-3 hPa·s-1)在800 hPa附近。到7日14时,随着冷空气南压,强下沉运动中心在下沉的同时也南移,使得34°N附近低层850 hPa以下由之前的上升运动变成下沉运动;低层下沉运动区南移,强迫抬升其前部的暖湿空气,使32°N附近再次出现上升运动。由于垂直上升运动区北侧存在下沉补偿气流,从而形成垂直方向上的次级环流,使上升运动得以长时间维持[13]。从图 3c、d中还可看到,上升运动区随高度向北倾斜,形成斜升气流,降水粒子降落时可以很快脱离上升气流,使上升气流不致被削弱,从而强降水得以维持。
综上所述可知,925 hPa超低空东北急流带来的水汽与台风外围偏东风带来的水汽交汇于江苏东南部,在斜升气流的作用下,水汽长时间向垂直方向输送,促使暴雨发展增强。
4 中尺度特征分析 4.1 初始对流云团的形成地面自动站观测显示(图略),6日夜间到7日凌晨,江苏南部有东北—西南向地面辐合线长时间维持;7日06时(图略),有弱冷空气(3 h负变温在3 ℃左右)自北向南移至淮河一带。受冷空气强迫抬升和地面辐合线抬升的共同作用,有两个云团(A、B)分别在兴化县东部和江都县新生。08时,冷锋继续南下到盐城至高邮一线,地面辐合线稳定少动(图 4a),辐合线南侧温度有所上升,冷暖空气交汇处大气斜压性增大,垂直上升运动加强(图 3c),辐合线上的β中尺度云团A、B快速发展(图 4b)。此时,地面观测到高邮有降水,云团B造成高邮市高邮镇最大降水达40.3 mm·h-1。对流云团产生时间比降水开始时间提前2 h左右,这对强降水临近预报有一定的参考意义。
图 5给出2014年8月7日12:00江苏省地面自动站资料、12:30 FY-2F TBB分布图,11:54—12:30不同时刻盐城雷达1.5°仰角基本反射率与风暴追踪信息叠加图以及径向速度图。地面自动站资料显示,8月7日08:30—10:30 (图略),地面冷锋继续南下,辐合线稳定少动。12:00 (图 5a),冷锋与辐合线结合,同时辐合线上镇江沿江地区有γ中尺度气旋性涡旋生成。地面冷锋以及辐合线的抬升作用,使暴雨区附近对流不稳定能量释放,上述两个β中尺度对流云团A、B东移南压过程中继续发展。云团A、B发展过程中发生分裂、合并,12:30 (图 5b),苏北地区东移云团(D)的外围扩散云系与分裂后的云团A1、B1相遇在大丰市附近,后又逐渐合并发展,在大桥镇北侧触发γ中尺度对流单体S2、G5 (图 5c1),之后两个对流单体逐渐合并发展,50 dBz回波范围迅速扩大,发展后的G5向东南方向移动(图 5c2、c3)。同时,雷达径向速度图上(图 5d1-d3),11:54—12:30逆风区范围增大、强度增强(高仰角图上也有此特征),表明单体风暴G5后侧有较强的上升气流,且上升气流高度逐渐增加,G5不断发展增强,云顶亮温中心达220 K(图 5b)。12:12—12:54单体风暴G5主体持续影响大桥镇,使其长时间受45~50 dBz强回波影响,造成其12—13时109.2 mm强降水。之后,强回波持续影响到14时(图略),造成其第二阶段强降水(3 h降水179.6 mm)。此间,云团B逐渐向常州地区移动,之后多个云团在江苏东南部合并发展成一东北—西南向α中尺度系统(MCS)。
地面自动站资料显示,8月7日13:00—16:00 (图略),随着地面辐合线缓慢南移,同时上述MCS发展并缓慢南移,受其影响,暴雨区长时间持续强降水。此间,镇江地区的γ中尺度气旋性涡旋沿长江自西向东移动,16:00—17:00 (图 6a),该涡旋移到南通沿江地区并稳定少动。从南通多普勒天气雷达基本反射率因子和风暴追踪信息叠加图看到,15:56 (图 6c1),有一单体(B2)东移靠近幸福镇,在其东北方向存在单体H5;16:02 (图略),45 dBz强回波开始影响幸福镇,同时B2北面、H5南面有F5单体生成并南移与H5、B2合并后快速发展。16:08 (图 6c2),合并后多单体风暴45 dBz以上强回波范围扩大,此时在幸福镇南面又有单体A0发展,并很快与多单体风暴合并。
南通雷达1.5°仰角径向速度图上,单体风暴H5处是一个明显的辐合系统,从15:39 (图略)—16:08 (图 6d1-d2)持续6个体扫,单体风暴B2处为中气旋(10 km内正负速度中心差大于等于19 m·s-1),从15:56—16:08持续3个体扫,均有利强对流单体发展和维持,其中B2是发展成旺盛的超级单体。16:20 (图 6d3),两个对流单体风暴有所减弱,速度图上中气旋和辐合系统减弱为逆风区,同时在幸福镇附近又有单体D9生成(图 6c3 )。16:26 (图略),F5南移影响幸福镇,16:32 (图略),N5南移与多单体风暴合并发展;16:44 (图略),幸福镇北面又有X0单体生成,影响幸福镇并持续到17:02 (图略)。γ中尺度涡旋稳定少动,促使多单体风暴发展,云顶亮温中心达210 K (图 6b)。可见,先后多个对流单体风暴在幸福镇附近生成发展并影响幸福镇,使其长时间受45~50 dBz强回波影响,造成幸福镇16—17时降水达109.2 mm。
4.4 对两个值得关注的问题的剖析对比大桥镇和幸福镇的短时强降水发生过程,其形成原因不同。大桥镇强降水是在冷空气南下触发对流单体风暴S2、G5合并发展且受G5长时间影响下产生的,而幸福镇强降水是γ中尺度气旋性涡旋稳定少动促使多对流单体风暴生成发展以及先后受B2 (超级单体)、H5、F5、A0、D9、N5、X0等7个对流单体风暴影响所致。其共同点是,两地均有45~50 dBz强回波长时间影响,短时强降水均发生在云团西侧TBB强梯度带。另外, MCS发展过程中,地面冷锋、辐合线和γ中尺度涡旋在每一阶段都扮演了非常重要的角色,它们触发了γ中尺度单体风暴,既是β中尺度对流云团的组织者,又是α中尺度对流系统的组织者[14]。因此,边界层抬升作用是此次暴雨及局地短时强降水发生的关键因素。在“8.7”苏南暴雨对流风暴发展过程中,至少有两个问题值得关注: (1)为什么单体风暴S2、G5会在大桥镇附近合并发展,之后移动缓慢?(2)为什么γ中尺度气旋性涡旋东移到南通沿江地区之后稳定少动并触发了多单体风暴?针对这两个问题,利用地面自动站资料、盐城和南通多普勒天气雷达拼图及反演的风场资料、南通风廓线雷达等高时空分辨率资料对其分析如下。
4.4.1 单体风暴S2、G5在大桥镇附近合并且移动缓慢的原因从3 km高度CAPPI三维雷达拼图及反演的CO-TREC风场叠加图上可见,8月7日11:54 (图 7a),单体风暴S2的高空引导风为西北偏北气流,单体风暴G5的高空引导风为偏西气流。单体风暴向引导风方向右侧移动,据此可判断未来S2将向南移动、G5将向东偏南方向移动,两个单体风暴将在大桥镇附近合并发展(上文分析已证实其合并)。同时,江苏省自动站观测资料显示(图 5a),地面以偏东风为主;盐城多普勒天气雷达径向速度图上(图 5d),大桥镇附近上空0—2.5 km高度气流向雷达方向吹。结合地面自动站和雷达资料可判断,大桥镇附近上空0—2.5 km以东南到东风为主,与风暴移动方向相反,且大桥镇附近雷达径向速度11:30 (图略)—12:30从5 m·s-1增大到12 m·s-1,低空东南到东风明显加大。因此,对流风暴发展和移动过程中(抬升凝结高度和对流凝结高度均在980 hPa附近),其移速减慢。
8月7日13:00—15:00三维雷达拼图(图略)显示,与地面气旋性涡旋相对应,有一较强中尺度雨团,该雨团沿长江向东移动,15:10左右(图 7c)移到南通沿江地区,雨团回波强度有所减弱。南通风廓线雷达显示(图 8),15:00—16:00边界层内东南风明显加大,高空3—4 km偏西风也有所加大,环境垂直风切变增大,有利于对流风暴发展[15]。16:00后,低层东南风逐渐向上扩展,与地面涡旋相对应的中尺度雨团移速减慢,这或许与地形阻挡作用有关。南通沿江地区有狼山(海拔109 m)、马鞍山、黄泥山、剑山和军山(海拔118 m),此五山沿长江相连一起,使得地面气旋性涡旋移动减慢。幸福镇北侧雨团在高空西北偏北风引导下向南移动,16:00左右与地面气旋性涡旋结合。之后,在有利的环境垂直风切变条件下,地面涡旋右侧触发了多个对流风暴,并依次经过幸福镇而持续影响之。
影响大桥镇和幸福镇的对流风暴,其45 dBz强回波直径均达25 km以上。两地强降水对流风暴的垂直剖面显示(图 7b、d、e、f),45 dBz强回波高度均达到6 km。对造成大桥镇和幸福镇强降水对流风暴的相关特征归纳见表 1。
(1“) 8.7”苏南暴雨是在1411号台风远海北上、贝加尔湖高压脊建立、500 hPa东北低槽东移南压的背景下发生的。大尺度环流为暴雨区提供了充足的水汽条件和强烈的上升运动条件。
(2) 地面冷锋、辐合线和γ中尺度涡旋等边界层抬升作用是此次暴雨以及局地短时强降水发生的关键因素。
(3) 地面冷锋、辐合线触发了两个γ中尺度单体风暴,在高空引导风的作用下,两个单体风暴合并发展,受低空风影响,风暴移动缓慢,造成大丰市大桥镇短时强降水。
(4) 地面γ中尺度气旋性涡旋东移到南通沿江地区,受地形阻挡移速减慢,与来自北面的雨团结合,在有利的环境垂直风切变条件下,其右侧触发多个对流风暴单体,造成南通市幸福镇短时强降水。
(5) 初始对流云团的生成和发展以及对流风暴的雷达基本反射率因子和径向速度特征演变信息,可为短时强降水短临预报提供参考依据。
本文仅就“8.7”苏南暴雨过程的环境场、强降水回波和云图特征以及强降水成因和落区进行了分析,但实际预报业务工作中,不仅需要预报强降水的可能落区,还需要预报其降水强度。对降水强度的预报问题,国内已有不少学者做过研究,如张小玲等[16]通过对梅雨锋上短时强降水系统的发展模态的研究,总结了30、50 mm·h-1强降水的相关特征;段鹤等[17]利用多普勒天气雷达资料,统计分析了短时强降水相关的雷达资料特征。但对“8.7”苏南暴雨过程中出现的类似100 mm·h-1的极端强降水,其预报难度仍然很大,要真正弄清楚其形成的物理机制和相关特征,还需要积累更多个例进行总结分析。
[1] |
韩桂荣, 何金海, 梅伟. 2003年江淮梅雨期一次特大暴雨的研究-中尺度对流和水汽条件分析[J]. 气象科学, 2008, 28(6): 649-654. DOI:10.3969/j.issn.1009-0827.2008.06.010 |
[2] |
张家国, 黄小彦, 周金莲, 等. 一次梅雨锋上中尺度气旋波引发的特大暴雨过程分析[J]. 气象学报, 2013, 71(2): 228-238. |
[3] |
赵思雄, 张立生, 孙建华. 2007年淮河流域致洪暴雨及其中尺度特征的分析[J]. 气候与环境研究, 2007, 12(6): 731-727. |
[4] |
柯文华, 俞小鼎, 林伟旺, 等. 一次由"列车效应"造成的致洪暴雨分析研究[J]. 气象, 2012, 38(5): 552-560. |
[5] |
蒋义芳, 李超, 曹璐, 等. 热带低压倒槽引发江苏东北部大暴雨过程分析[J]. 气象科学, 2013, 33(6): 671-677. |
[6] |
尹东屏, 王啸华, 张备, 等. 一次发生在α中尺度涡旋东部的特大暴雨过程分析[J]. 气象科学, 2013, 36(6): 656-663. |
[7] |
盛春岩, 高守亭. 一次北京大暴雨过程低空东南风气流形成机制的数值研究[J]. 地球物理学报, 2010, 53(6): 1284-1294. |
[8] |
孙继松. 北京地区盛夏边界层急流的基本特征及形成机理研究[J]. 大气科学, 2005, 29(3): 445-452. DOI:10.3878/j.issn.1006-9895.2005.03.12 |
[9] |
吴海英, 曾明剑, 尹东屏, 等. 一次苏皖特大暴雨过程中边界层急流结构演变特征和作用分析[J]. 高原气象, 2004, 23(6): 1431-1440. |
[10] |
刘蕾, 张凌云, 李家文. 中尺度地形对柳州一次大暴雨过程的数值试验[J]. 暴雨灾害, 2015, 34(1): 74-79. DOI:10.3969/j.issn.1004-9045.2015.01.010 |
[11] |
牛淑贞, 张一平, 梁俊平, 等. 郑州市两次强降水过程的环境条件和中尺度特征对比[J]. 暴雨灾害, 2016, 35(2): 138-147. DOI:10.3969/j.issn.1004-9045.2016.02.006 |
[12] |
陈双, 王迎春, 张文龙. 北京香山"7. 29"γ中尺度短时局地大暴雨过程综合分析[J]. 暴雨灾害, 2016, 35(2): 148-157. DOI:10.3969/j.issn.1004-9045.2016.02.007 |
[13] |
吴琼, 钱鹏, 郭煜, 等. 江苏一次持续梅雨锋暴雨过程诊断与分析[J]. 气象科学, 2014, 34(5): 549-555. |
[14] |
廖移山, 李俊, 王晓芳, 等. 2007年7月18日济南大暴雨的β中尺度分析[J]. 气象学报, 2010, 68(6): 944-956. |
[15] |
俞小鼎, 郑媛媛, 廖玉芳, 等. 一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体风暴研究[J]. 大气科学, 2008, 32(3): 508-522. DOI:10.3878/j.issn.1006-9895.2008.03.08 |
[16] |
张小玲, 余蓉, 杜牧云. 梅雨锋上短时强降水系统的发展模态[J]. 大气科学, 2014, 38(4): 770-781. |
[17] |
段鹤, 夏文梅, 苏晓力, 等. 短时强降水特征统计及邻近预警[J]. 气象, 2014, 40(10): 1194-1206. DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.2014.10.004 |