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  暴雨灾害   2017, Vol. 36 Issue (4): 329-338.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2017.04.005

论文

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2017.04.005

资助项目

中国气象局预报员专项(CMAYBY2011-025,CMAYBY2014-036)

第一作者

郑婧, 主要从事短期天气预报相关研究。E-mail: 397561016@qq.com

文章历史

收稿日期:2016-10-14
定稿日期:2017-05-21
远距离台风“康森”与高空西北气流共同作用对大暴雨的影响
郑婧 , 许彬 , 许爱华     
江西省气象台,南昌 330046
摘要:利用GFS 0.5°×0.5°再分析资料、中国地面与CMORPH融合0.1°×0.1°逐小时降水产品、FY2E卫星资料和常规观测资料,对2010年7月14—15日江西东北部大暴雨天气进行分析,重点讨论了15日远距离台风与高空西北气流的相互作用。结果表明:(1)暴雨发生在副高北缘和高空为西北气流的背景下,低层存在台风“康森”的远距离水汽输送,低涡切变、副热带高压、远距离台风、西风槽、中尺度低压等多尺度系统协同作用导致了强降水的发生,其中远距离台风“康森”与西北气流起了主导作用;(2)由于副高结构不够深厚强盛,强降水发生于南亚高压东侧偏北气流、500 hPa大陆高压和海上副高之间的西北气流、700—850 hPa副高西侧的西南急流中:台风“康森”北侧强劲的东南急流和副高西侧西南急流叠加将低纬大量的水汽和热量沿着大陆高压和海上副高之间的甬道向北输送,使江南北部成为高温高湿高不稳定区,200 hPa上16~20 m·s-1西北气流带动500—700 hPa干空气向南移动,与同步加强的暖湿气流相遇形成斜压锋区,使辐合系统稳定于江南北部;(3)高空西北气流和远距离台风的共同作用使斜压锋区的水平和垂直梯度加大、垂直风切变加强,有利于气旋性涡度发展、锋生加剧,强烈的上升气流穿越锋区,引起强的水汽辐合,加大了层结不稳定,在斜压区激发出多个中尺度涡旋,促进对流发展、强降水发生。(4)预报业务中,关键在于对副高、500 hPa冷槽、台风等外强迫系统强弱的预估,一方面需关注上下层系统作用对比的强弱,找出占主导地位的天气系统,另一方面应注意低层扰动环境的改变。
关键词远距离台风暴雨    西北气流    中纬度系统    锋生    
The effect of remote typhoon"Conson"and NW flow on a rainstorm event in Jiangxi
ZHENG Jing, XU Bin, XU Aihua    
Jiangxi Provincial Meteorological Observatory, Nanchang 330046
Abstract: A composite analysis is performed for the rainfall in Jiangxi province during 14-15 July 2010 based on GFS reanalysis data, merged precipitation products, conventional observation data and satellite data. Intensive discussions are made about the effects of the remote typhoon and NW flow. The results show as follows. (1) The storm rainfall is caused by the interactions of multi-scale weather systems, including the vortexes, subtropical high, remote tropical depressions, west trough, meso-scale system with the situation of NW flow. (2) The interactions between remote typhoon and NW flow are beneficial to the stability and development of the vortexes. It also makes the upper level divergence synchronously strengthened with low level convergence. (3) Abundant water vapor and energy are transported from low-latitude areas to storm rainfall regions by the converging southern air flows, which are favorable for the accumulation of water vapor and unstable energy. Cold air from upper level and warm moisture air are mixed up over the rainstorm area, which simulates the baroclinic frontal zone. (4) Horizontal and vertical gradient of baroclinic frontal zones increase with the effect of NW flow and remote typhoon, which also strengthen the vertical wind shear. All these factors are favorable for the development of cyclonic vorticity and frontogenesis. Strong upward flow comes across the frontal zone, which simulates the vapor convergence and convection, and leads to the rainstorm. (5) In prediction, intensity of external forcing systems should be estimated, such as subtropical high, cold trough on 500 hPa, typhoon, etc. For one thing, forecasters should contrast the intensity of upper and lower systems to find out the leading one. On the other hand, change of lower disturbance environment may also be noticed.
Key words: cyclone remote rainfall    NW flow    mid-latitude systems    frontogenesis    
引言

台风是造成中国暴雨的重要天气系统之一,由台风直接或间接地影响造成我国内陆地区的极端降水是业务人员关心的问题之一[1, 2]。除了台风环流导致的暴雨,人们越来越多地发现一些内陆地区强降水的发生与远距离台风活动有关[3-5]。陈联寿等[6]给出远距离台风降水的宏观定义:(1)降水发生在台风范围之外;(2)这块降雨与台风存在着内在的物理联系,从而清楚地将远距离台风暴雨与台风本体暴雨区分开。大量观测事实及研究指出,远距离台风暴雨是与其相邻的中低纬系统(如西风槽、低涡、高低空急流、副热带高压、冷空气等)相互作用的产物[7-11]。台风向远距离暴雨区输送大量的能量和水汽[12],通过与周围系统的作用,使大气环流向有利于远距离暴雨的形势调整[13-14],并使该区域具有较强的对流不稳定、对称不稳定或斜压不稳定性[15-17],从而触发较强的对流天气。

远距离台风暴雨发生的范围非常广,华北是我国出现该类型暴雨最多的区域[18, 5],对长江中下游的关注较少。其降水突发性强、雨强大,中尺度特征显著[19],如何依据仅有的潜势信息判断在距离台风遥远的广大区域是否存在暴雨发生的可能,是预报业务的难点。虽然高空急流形态、副高位置、锋区强度等对暴雨预报具有一定的先兆信号[20-21],但每一类远距离台风与各种形式的中纬度系统相互作用时,其物理概念模型和形成机制都具有明显的不同[22]。例如远距离台风与西风槽或冷空气共同作用时,台风最主要的作用是使得西风槽区获得充沛水汽,其东侧低层偏东风与西风槽带来的偏北风之间形成较强的辐合,可以触发和加强暴雨[7, 23];而当远距离台风与西南涡相互作用时,除了可向西南涡输送大量的水汽和能量,还可改变低涡内的风压场和能量分布,激发正涡度的持续增长,使西南涡发展、暴雨发生[24, 12]。因此加强研究远距离台风与多种中纬度系统相互作用,揭示其环境场特征和触发条件,对延长该类暴雨的预报时效和提升暴雨落区准确率具有积极意义。文章利用GFS 0.5° × 0.5°再分析资料、中国地面与CMORPH融合0.1°×0.1°逐小时降水产品、FY2E卫星资料和常规观测资料,重点分析远距离台风“康森”与高空西北气流在2010年7月15日江西东北部大暴雨天气中的组织和促进作用,以寻求有指示意义的预报思路。

1 降水分布及对流特征 1.1 降水分布

2010年7月8—15日,受江淮梅雨锋影响,暴雨带在江淮、江汉到江南北部之间南北摆动。14—15日降雨南压至鄂、皖南部和赣、浙北部,其中14日暴雨集中在沿江到江南北部,江西位于主雨带南缘(29°—30°N),15日暴雨分布不均, 面雨量有所减小,但降水强度仍然较大,局部点雨量仍超过200 mm。江西东北部连续2天出现大暴雨天气,累计雨量达200 mm以上,局部超过300 mm(图 1a)。尤其是15日,景德镇丽阳乡24 h雨量达268.9 mm。此次暴雨最强时段分为2个:(1)7月14日03—11时(北京时,下同);(2)7月15日07—13时。降雨对流特征明显,以15日为例,景德镇市、丽阳乡、高新区3 h最大降水分别达到115.5 mm、155.8 mm、134.8 mm,其中丽阳乡最大1 h降水93.6 mm,6 h降水达213 mm。由于连续的强降水,景德镇市区出现严重内涝,部分乡镇民房被淹、道路中断,数万名群众被困,昌江流域超警戒线4.25 m。

图 1 2010年7月13日20时—15日20时雨量(a, 单位:mm)以及7月14—15日沿29.5°N TBB随时间和经度的变化(阴影,单位:℃)及小时雨量大于10 mm区域(等值线,单位:mm)叠加(b) Fig. 1 (a) Accumulated precipitation during the period from 20:00 BT 13 July to 20:00 BT 15 July 2010 (unit: mm), and (b)TBB time-longitude cross-section along 29.5°N from 14 to 15 July 2010 (shaded, unit:℃) and area of precipitation above 10 mm per-hour (contour, unit: mm).
1.2 降水性质和对流特征

强降水主要随着中尺度系统的发展而生消演变。由于中尺度雨团主要集中于29°—30°N,为进一步分析和确认中尺度对流活动的存在, 沿暴雨、大暴雨集中带作TBB的时间—经度剖面, 由图 1b可见,强降水期间的2个时段,114°—117° E范围内最大TBB分别达-75 ℃、-55 ℃以上,也就是说,梅雨锋上的降雨主要由多个中尺度对流系统触发。利用暴雨中心附近探空资料对降水性质进一步分析发现(表 1),14—15日抬升凝结高度较低,在1 000 hPa附近,而零度层高度达到5 159 m,说明暖层非常深厚,且整层水汽含量非常大,尤其850 hPa比湿达15~16 g·kg-1。另外,从暴雨中心附近的风垂直切变来看,由地面向上风向随高度顺转角度超过90°,其中15日0~1 km、0~3 km高度范围内的风切变分别为10~13 m·s-1和10~15 m·s-1,达到中等风切变强度。由于暖湿层深厚、辐合高度低、降水效率高,因此此次降水具有热带对流的特征。

表 1 2010年7月14—15日暴雨中心附近探空资料 Table 1 Sounding data in rainstorm area during 14 and 15 JULY 2010

尽管14—15日降水性质相似,均发生在副高北缘的高温高湿高能区中,但导致强降水的成因却有所区别,其中15日主要是由远距离台风“康森”与中纬度系统的相互作用造成的。那么距离暴雨区1 500 km外的台风是通过何种方式促使中尺度对流系统组织发展的?下文将对此展开讨论。

2 “康森”与高空西北气流的作用 2.1 副高的垂直结构与暴雨

副高的垂直结构非常复杂,并非完全的下沉气流[25-27],即使在副高控制区内仍有可能会出现强降水。而且,副高本身也并非处处强盛,高低层触发系统间存在着不同情况的各种组合,如上强下弱、上弱下强或上下层实力相当[28],因此预报这类天气的着眼点在于各层系统作用对比的强弱。

分析500 hPa逐日环流形势可见,尽管14—15日副高逐渐西伸进入内陆,但其结构和强度并不如盛夏一般深厚强盛。在高层, 南亚高压盘踞于高原南部,赣东北位于南亚高压东侧的偏北气流中(图略);500 hPa副高呈高压坝状深入内陆控制江南大部,但从高压中心位置来看,可分为大陆高压和海上高压两环,其中14日大陆高压中心位于华南北部(图 2a),15日大陆高压中心北抬至湖南北部,两环高压之间即江西东北部为西北气流控制(图 2b);而500 hPa以下的中低层,副高主要位于海上,700 hPa上316 dagpm和850 hPa上152 dagpm特征线均位于115°E以东,在其西侧以西南气流为主。也就是说,14—15日的强降水主要位于南亚高压东侧偏北气流、500 hPa两高压中心之间的西北气流、700—850 hPa副高西侧的西南气流中。

图 2 2010年7月14日08时(a)、15日08时(b)500 hPa高度场(实线,单位: dagpm)、500 hPa温度(填值,单位:℃)、700 hPa 316 dagpm特征线(虚线)、850 hPa 152 dagpm特征线(点线) Fig. 2 Geopotential height field of 500 hPa (solid line, unit: dagpm), 500 hPa temperature field (filled value, unit: ℃), 316 dagpm characteristic line on 700 hPa (dash line), 152 dagpm characteristic line on 850 hPa (dotted line) for (a) 08 BT 14 July 2010 and (b) 08 BT 15 July 2010.

从副高垂直热力结构来看,14—15日由低层到高层具有西暖东冷的特征。这是由于随着东亚冷槽经向度加大,槽后西北气流逐渐向南扩展,14日08时500 hPa冷槽槽底伸至浙江北部,-4 ℃等温线到达华东沿海、江南东部(图 2a)。15日贝加尔湖低槽在东移过程中分裂为南、北两支,其中南支短波槽侵入副高北缘影响江南北部,与之对应的是-4~-6 ℃冷舌南压插入副高内部控制江南、华南(图 2b)。

与此同时,低层影响系统的作用愈加明显,15日1002号台风“康森”沿着副高南缘西移至中沙群岛附近,并发展为台风,西行过程中副高与台风之间位势梯度加大导致南风加强,同时“康森”北侧强劲的东南急流和500—850 hPa海上高压中心西侧的西南急流叠加,使低层暖湿气流维持并较前一日愈加明显。水汽通道的长时间维持有利于暴雨区深厚的湿层和强水汽辐合[29],本次过程即是由于“康森”西移过程中更加强盛暖湿气流的建立,源源不断的水汽沿着两高之间的甬道向北输送到达江南北部,与南移短波槽带来的弱冷空气相遇,产生强烈的上升运动,促使中尺度系统发生、发展。由于高空西北气流和低层西南急流的引导,在雷达回波上表现为两条带状回波的持续相交(图略),一条是在西北气流的引导下,回波由湖北东部生成向东南方向移动进入江西,另一条则是受西南气流的引导,鄱阳湖东部不断有回波向东北移动,两条回波呈“列车效应”共同交汇于赣东北,产生强降水。

由此可见,尽管此次过程的副高主体庞大,但并不深厚强盛,热力结构西暖东冷,高低层系统间的力量对比表现为下强上弱,在副高边缘具有强水汽输送的维持和加强,并与南移短波槽带来的冷空气相遇,即暴雨产生于高空西北气流与远距离台风的共同作用下。业务中一方面需关注上下层系统作用对比的强弱,另一方面还应注意低层扰动环境的改变,利用引导气流的方向来判断雨带的走向。

2.2 台风及西北气流对700—925 hPa低涡的影响

700—925 hPa的低涡切变是本次暴雨的重要影响系统,在安徽东南部始终有低涡维持,那么台风和西北气流对低涡的演变起着什么作用?分析图 3a发现,14日江南北部在850—925 hPa存在一支西南气流带,最大经向风为6~8 m·s-1,西南气流的北侧气旋性辐合明显,强降水主要出现在低涡南侧及其西部冷切中。此时台风中心位置尚远,位于15°N以南、117°E以东,对暖湿气流的输送尚不明显,暴雨所必须的水汽沿着副高边缘由南海北部经贵州再东折传递至江南北部,辐合层高度较低,位于850 hPa以下,其中925 hPa水汽辐合中心达到8×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1 (图 3e)。15日低涡西段冷切减弱,但低涡南部西南气流和辐合明显加强。结合图 2b3b可知,15日08时,700—850 hPa副高中心位于海上,副高西侧盛行西南气流,随着“康森”加强并西移至中沙群岛附近,其外围的东南气流和副高西侧的西南气流共同作用将台风、低涡、副高紧密相连,在两高之间形成一宽广的水汽甬道,成为赣东北暴雨的主要水汽来源,沿着急流带江西东部水汽输送中心增强到24 g·cm-1·hPa-1·s-1,加大了江南北部低涡的低空流入,对应低涡南侧最大经向风达到8~10 m·s-1

图 3 2010年7月14日08时(a)、15日08时(b) 925 hPa风场(箭头)、V分量(等值线,单位:m·s-1)和未来6 h降水分布(阴影,单位: mm); 14日08时(c)、15日08时(d)700 hPa风场(箭头)、V分量(等值线,单位:m·s-1)和未来6 h降水分布(阴影,单位: mm); 7月14—15日117°E, 29°N水汽通量散度时间—高度剖面图(e, 单位:10-8g·cm-2·hPa-1·s-1); Fig. 3 Wind filed (vector), v-wind(line, unit: m·s-1) on 925 hPa and precipitation in next 6 hours(shaded, unit: mm) at (a)08:00 BT 14 and (b) 08:00 BT 15 July 2010, wind filed(vector), v-wind(line, unit: m·s-1) on 700 hPa and precipitation in next 6 hours(shaded, unit:mm) at (c) 08:00 BT 14 July and (d) 08:00 BT 15 July 2010, and (e) height-time section of divergence moisture flux on 117°E, 29°N (unit: 10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1) from 14 to 15 July 2010.

与此同时,南支短波槽携冷空气南下,与700 hPa低涡北侧的偏北气流同位相叠加,有利于偏北分量加大。对比图 3c3d可见,14日700 hPa切变呈准东西向横滞于30°N附近,江南北部为一致南风,15日随着冷空气渗透,700 hPa切变逐渐转竖并东移至江西东部,暴雨区附近转受西北气流控制,偏北分量加大到2 m·s-1,从而在系统垂直结构上形成前倾的态势。低涡后部偏北分量的加大有利于中低层辐合维持并加强,对应15日08时辐合层厚度向上扩展至700 hPa(图 3e),925 hPa水汽辐合中心加强至10×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1。由此可见,尽管15日低涡西段冷切的减弱使江南北部面雨量减小,但“康森”使南海北部强盛的东南急流和副高西侧西南急流叠加,大量水汽向江南北部输送,并与高空西北气流结合,使安徽南部低涡稳定维持并加强,赣东北强降水得以延续。

2.3 对江南北部锋生的影响 2.3.1 冷暖平流同步加强交汇于江南北部

暴雨发生前,南亚高压盘踞在青藏高原上空,江西始终位于脊线东侧偏北风和西北风的分流区中。14—15日,南亚高压缓慢东移(图略),江南北部200 hPa偏北风逐渐加大并南压。分析发现,14日02时20 m·s-1以上偏北风主要位于33°N以北地区,江南北部为16 m·s-1西北风,15日08时高空急流随着南亚高压东移到达华东沿海,同时江南北部偏北分量加大,风速达到22~24 m·s-1,且与低空急流水平距离缩小至1个纬距以内。200 hPa上20 m·s-1以上西北风的显著南落带动了中层冷空气向暴雨区的移动,图 4a给出了暴雨发生地上空的经向风时空剖面,发现在暴雨的第一阶段,干冷空气主要位于650 hPa以上,15日凌晨开始,北风分量向下到达800 hPa附近,而800 hPa以下则表现为暖平流不断加强的特征。由850 hPa主雨区温度平流沿115°—118°E经带内的纬度—时间剖面(图 4b)可见,14日低空冷暖平流中心相距较远,暴雨主要发生在低涡切变南侧的暖区中。15日随着台风“康森”的移近,850 hPa暖湿平流明显加强并由南向北推进,与对流层中高层干空气南压同步,暖平流中心由14日的5×10-5 K·s-1加大到10×10-5 K·s-1,冷平流中心也达到-6×10-5 K·s-1,冷暖气团的交界面在30°—31°N附近。暖湿平流的加剧带来了更加强烈的不稳定能量,分析暴雨中心附近探空站的对流有效位能发现(表 1),14日08时南昌、安庆、衢县三站的CAPE分别为456.3 J·kg-1、0.3 J·kg-1、73.3 J·kg-1,15日08时则加强至2941 J·kg-1、81.3 J·kg-1、95.9 J·kg-1。对比强雨区与CAPE分布可知,暴雨主要出现于CAPE高值中心北侧的能量锋区中,说明水汽潜能是不稳定能量的主要来源,低空急流的暖湿输送是江南北部暴雨不稳定能量维持和建立的主要机制。

图 4 2010年7月14—15日117°E, 29°N经向风时间-高度剖面图(a, 单位:m·s-1);2010年7月14—15日850 hPa温度平流沿115°—118°E区域平均的纬度-时间剖面图(b, 单位:10-5K·s-1);2010年7月14日02时(c)、15日08时(d)500 hPa风(箭头)、露点温度(阴影,单位:℃)和850 hPa假相当位温(等值线,单位:K), 黑▲处为江西暴雨中心位置 Fig. 4 (a)Height-time section of v-wind on 29°N, 117°E (unit: m·s-1) during 14 to 15 July 2010, (b) latitude-time cross-section of thermal advection in 115°—118°E area at 850 hPa (unit: 10-5 K·s-1) during 14 to 15 July 2010, and wind field and dew-point temperature (shaded, unit: ℃) on 500 hPa and pseudo-equivalent temperature on 850 hPa (contour, unit: K) at (c) 02:00 BT 14 July 2010 and (d) 08:00 BT 15 July 2010. The dark triangle indicates the center of the rainstorm.

另外,分析500 hPa露点锋和850 hPaθse锋区位置发现,14日02时露点锋和θse锋区位于31°N以北,江南北部处于352 K的高能舌中(图 4c)。15日高空西北气流加强,露点锋自北向南移动,在锋面北侧干空气的作用下θse锋区逐渐南移(图 4d)。与此同时,低空西南急流发展,西北气流与西南急流交汇于赣东北,强烈的辐合穿越θse能量舌使之逐渐汇合,锋区强度加大,30°—32°N两个纬距内θse锋区强度达到20 K,且高能锋区附近干湿梯度显著,造成江南北部大气不稳定度进一步加大。结合图 3e图 5a5b可见,由于冷暖平流在中低层交汇,锋区附近有强烈上升运动发展,尤其是15日在高空西北气流和远距离台风的相互作用下,辐合层厚度加厚、强度加强,上升运动也由14日的-1 Pa·s-1加大到-1.4 Pa·s-1,有利于触发对流单体。

图 5 2010年7月14日08时(a)、15日08时(b)沿117°E假相当位温(等值线,单位:K)、垂直速度(阴影,单位:Pa·s-1)、绝对角动量(虚线, 单位:m·s-1)纬度—高度剖面;14日08时(c)、15日08时(d)沿117°E ζmpv1(等值线,单位:PVU)纬度—高度剖面;14日08时(e)、15日08时(f)沿117°E ζmpv2(等值线,单位:PVU)纬度—高度剖面,黑框处为江西暴雨中心位置 Fig. 5 Height-latitude section of pseudo-equivalent temperature(contour, unit:K), vorticity (shaded, unit:10-5 Pa·s-1), absolute momentun (dash line, m·s-1) along 117°E at (a)08 BT 14 July and (b)08 BT 15 July 2010, height-latitude section of ζmpv1(contour, unit: PVU) along 117°E at (c) 08 BT 14 July and (d)08 BT 15 July 2010, and height-latitude section of ζmpv2(contour, unit: PVU) along 117°E at (e) 08 BT 14 July and (f) 08 BT 15 July 2010. The dark rectangle indicates the center of the rainstorm in Jiangxi.
2.3.2 湿斜压锋区对中尺度对流系统的影响

暴雨期间江南北部有中尺度云团迅速发展,与此相伴的是对流系统不断生成并缓慢东移,这与湿斜压锋区的维持有关。由上文分析可知,中尺度对流发生于强θse锋区前缘的高能舌中,并与湿轴对应,这些特征与以往梅雨锋的普遍特征是吻合的,但在垂直结构上14—15日有着明显的不同。

利用θse垂直结构和湿位涡分析斜压锋区对中尺度系统的促进作用,如图 5a所示,14日08时30°N附近θse锋区随着高度向北倾斜,锋区以南900—650 hPaθse高能舌沿着斜升气流向上伸展,表现为$ \frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial z}} < 0 $位势不稳定层结;900 hPa以下沿着气流绝对角动量$ \frac{{\partial M}}{{\partial y}} < 0 $$ \frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial z}} \approx 0 $,表现为惯性稳定和对流中性层结,将该时刻的等M线和等θse线的斜率进行对比发现,等θse斜率始终大于绝对角动量的斜率,为条件性对称不稳定。由于湿位涡的湿正压项ζmpv1(公式略)主要由惯性稳定性和对流稳定性共同决定,因此雨区上空ζmpv1最大正值在400 hPa以上,表明中高层冷空气的存在,400—900 hPa为负值区(图 5c),其中700 hPa负值中心达到-0.4 PVU(1PVU=10-6 m2·s-1·K·kg-1),在其北侧,则表现为狭窄的正值区倾斜向北发展,与锋区位置对应。这种湿位涡正负叠置的形势有利于低层低涡系统的发展。15日凌晨开始θse锋区斜率增大(图 5b),θse舌的轴线变为垂直向上,由地面抬升至600 hPa,雨区上空转为一致的对流不稳定层结。与此同时中高层干空气向南推进,30°—31°N θse锋区也逐渐转为陡立形态,并扩展至300 hPa。雨区上空θse垂直梯度的加大,意味着对流不稳定度加强,因此15日ζmpv1负值区范围较14日明显扩大,600 hPa以下均为负值区,尤其是低空负值中心加强至-0.8 PVU(图 5d)。

湿斜压项ζmpv2也体现了类似的特征,由湿位涡公式可知(公式略),ζmpv2主要由风垂直切变和θe的水平梯度决定,14—15日,$ \frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial x}} < 0 $, $ \frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial y}} < 0 $, 和水平锋区对应,$ \frac{{\partial v}}{{\partial p}} $$ \frac{{\partial u}}{{\partial p}} $和垂直风切变有关。图 5e中,14日雨区上空湿斜压项表现为与ζmpv1类似的的特征,ζmpv2正值区主要存在于700 hPa之上,强度较弱,ζmpv2负值区与锋区对应,随着高度向北倾斜,最大中心达到-1PVU。15日随着高空西北气流和远距离台风的共同作用,雨区上空ζmpv2正值区范围和中心较14日有所加大(图 5f),最大正中心为0.2 PVU,由800 hPa伸展至300 hPa,究其原因,一是由于冷空气南压导致水平锋区梯度加大,二是因为风垂直切变加大,随着高层20 m·s-1以上高空偏北风与低空急流水平距离的缩短,低空急流辐合区和高空急流辐散区在雨区上空耦合,有利于对流系统的进一步加强。

综上所述,对称不稳定和对流不稳定是14—15日强降水发展的重要机制,14日暴雨具有倾斜对流的性质,15日随着500—700 hPa冷空气的南压、850—925 hPa暖湿气流的同步加强以及高低空急流的耦合,在对流层中低层形成垂直对流并继续发展。因此,对流不稳定度和湿斜压锋区的加强导致垂直涡度显著发展,有利于上升运动的加强和强降水发生,图 5a5b也正体现了这一特征,15日的垂直运动较14日更加剧烈,超过-1 Pa·s-1的上升运动穿越不稳定能量区,使对流系统发展。

锋生函数可以定量地分析暴雨发生前后锋区、气象要素的变化状况,由于此次过程在500—700 hPa存在明显的湿度梯度,因此在锋生函数的计算过程中,选取露点温度为气象参数来计算锋生函数。分析发现,暴雨期间对流层中层出现连续锋生(图略),14日锋生函数正值区位于850—500 hPa,其中700 hPa锋生中心达到20×10-10 K·m-1·s-1,15日锋生区明显加厚,由近地面扩展至450 hPa,强降水主要出现在600—900 hPa最大锋生函数区,700 hPa最大中心超过40×10-10K·m-1·s-1。15日锋生现象加剧,一方面是由于高空短波槽东移叠加于低层锋区上加强了高空锋区发展,另一方面由于中高层偏北气流下沉和低层暖湿气流上升的加剧,增强了对流层中层的斜压性,而锋生过程实际就是大气斜压性增大的过程。如前文所述,对流不稳定度和湿斜压锋区的加强可以导致垂直涡度显著发展,并向低层发展形成气旋性涡度,从而加剧低层辐合导致强降水,这一点在图 6上也得到了反映。14—15日在29°—30°N始终有地面辐合线维持并缓慢移动。其中14日地面辐合线附近共有三个中尺度低压生成(图 6a),主要出现于03—09时,生命史3~5 h。15日大气斜压性增大、锋生加剧,对应低空气旋性辐合也随之加强,地面辐合线附近的高能高湿区中有四个中尺度低压生成(图 6b),以缓慢东移为主,生命史较14日更长,达6~9 h,主要出现于07—14时,且最终汇合于赣东北。分析14—15日中尺度低压的生消演变与雨强对应时段发现,低压中心所到之处,气压骤降,一小时雨强普遍在35~50 mm·h-1

图 6 2010年7月14日(a)、15日(b)江西境内地面中尺度低压中心移动路径 Fig. 6 The moving routes of low pressure center at the surface during (a)14 and (b)15 July 2010 in Jiangxi.
3 一类高空西北气流下暴雨的预报模型和思路

综合以上分析,图 7给出了一类高空西北气流下暴雨的预报模型配置,发现这一类暴雨主要发生在副高边缘、500—700 hPa冷槽后部、850 hPa低涡南侧及其西部冷切中、地面辐合线附近、600—900 hPa较大锋生函数区以及850 hPa 12 m·s-1、925 hPa 10 m·s-1以上急流的前端。通常500 hPa有短波槽侵入副高北缘,并伴有-4 ℃以上的冷温槽,冷舌由海上经苏皖南部、浙北插入赣东北,在切变线南侧为高能高湿区,低空有暖舌伸展,比湿达到14~16 g·kg-1,CAPE超过1 000 J·kg-1,高空急流右后侧入流区的辐散与低空急流出口区的辐合相叠置,有利于中尺度系统的生成。对这类高空西北气流下的暴雨,500—700 hPa冷槽位置、引导气流方向、南海水汽输送、露点锋和副高北侧西风槽的存在与否均是该类暴雨所需考虑的重点,尤其是当海上存在热带系统时,需要关注是否有可能存在热带系统与中纬度系统的相互作用,不可忽视远距离台风的影响。

图 7 2010年7月15日赣东北大暴雨的预报模型图 Fig. 7 Circulation structure for rainstorm on 15 July 2010 in the northeast of Jiangxi province.

总体而言,“7.15”暴雨既有普通梅雨锋暴雨所共有的特征,又具有其特殊性,异常强盛的暖湿气流和低槽后部弱冷空气是关键因素。远距离台风显著加强了副高边缘暖湿气流输送,带来更加强烈的不稳定能量,500 hPa短波槽抑制了低空急流的进一步北抬,200 hPa上16~20 m·s-1西北气流带动500—700 hPa干空气向南推进,有利于低涡后部偏北分量加大,使辐合系统维持并加强,同时带动中层冷空气向暴雨区移动。在这种有利的大尺度外强迫条件下,大气不稳定度和湿斜压锋区得到显著发展,促进了上升运动的加强和中尺度系统的发展,导致强降水发生。预报业务中,关键在于对副高、500 hPa低槽、台风等外强迫系统强弱的预估,一方面需关注上下层系统作用对比的强弱,找出占主导地位的天气系统,另一方面应注意低层扰动环境的改变,利用引导气流的方向来判断雨带的走向,例如本例的高空西北气流和低层西南急流,就是同时作为引导气流使鄂东的对流回波向东南方向移动、鄱阳湖东部的对流回波向东北方向移动,两条回波带呈“列车效应”共同交汇于赣东北。此外,还需关注大气不稳定度、多尺度系统的协同作用,加强数值预报的使用,以提高此类预报的准确率。

4 结论和讨论

文章利用GFS 0.5°×0.5°再分析资料、中国地面与CMORPH融合0.1°×0.1°逐小时降水产品、FY2E卫星资料和常规观测资料,对2010年7月14—15日江西东北部大暴雨天气进行分析,重点讨论了7月15日远距离台风与高空西北气流的相互作用对暴雨的影响。

研究结果如下:

(1) 本次暴雨发生在副高北缘和高空为西北气流的背景下,低层存在台风“康森”的远距离水汽输送,是低涡切变、副热带高压、台风、西风槽、中尺度低压等多尺度系统协同作用的结果,其中远距离台风“康森”与西北气流起了主导作用。

(2) 尽管副高主体庞大,588 dagpm由海上深入内陆控制江南大部,但并不深厚强盛,热力结构西暖东冷,-4~-6 ℃冷舌插入副高内部控制江南、华南,高低层系统间的力量对比表现为下强上弱,在副高边缘具有强的水汽输送和辐合,强降水发生于南亚高压东侧偏北气流、500 hPa两高压中心之间的西北气流、700— 850 hPa副高西侧的西南急流中。

(3) 远距离台风“康森”与西北气流的相互作用之一表现在,“康森”北侧强劲的东南急流和副高西侧西南急流叠加将台风、低涡、副高紧密相连,在大陆高压和海上高压之间形成一宽广的水汽甬道,一方面将低纬大量的水汽和热量沿着两高之间的甬道向北输送,成为江南北部暴雨不稳定能量维持和建立的主要机制,另一方面也加大了低涡的低空流入,与此同时对流层中高层西北气流加强,与低涡北侧的偏北气流同位相叠加,使偏北分量加大,低涡得以维持。

(4) 中高层干空气与850—925 hPa暖湿气流同步加强相遇在江南北部,形成斜压锋区,高空西北气流和远距离台风的共同作用使斜压锋区的水平和垂直梯度加大、垂直风切变加强,有利于气旋性涡度发展、锋生加剧,强烈的上升气流穿越锋区,引起强的水汽辐合,加大了层结不稳定,在斜压区激发出多个中尺度涡旋,使对流发展、强降水发生。

(5) 预报业务中,关键在于对副高、500 hPa低槽、台风等外强迫系统强弱的预估,一方面需关注上下层系统作用对比的强弱,找出占主导地位的天气系统,另一方面应注意低层扰动环境的改变,500—700 hPa冷槽位置、大气不稳定度变化、引导气流方向、南海水汽输送、副高结构以及副高边缘西风槽的存在与否均是该类暴雨所需考虑的重点。

江西汛期暴雨绝大多数发生于高空槽前,当高空为西北气流时,通常多与冰雹、雷雨大风等强对流天气联系在一起,而对于西北气流下的短历时大暴雨较为少见,尤其是当其与远距离台风联系在一起时,预报难度较大、极易漏报,且容易成灾。本文从天气学角度初步讨论了高空西北气流与远距离台风相互作用下一类暴雨的成因机制,并提出了一些可用的预报思路。然而本文工作仅是对某次典型个例的分析,需要将多个历史相似个例进行比较进而研究其普适性或特殊性,在大样本的前提下提出更多实用性指标,并分析该类天气数值模式的可预报性,以对预报业务有所帮助。

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