2006, 17 (2): 138-144
2. 国家卫星气象中心, 北京 100081
2. National Satellite Meteorological Center, Beijing 100081
对流层上部的环流与气旋、强降水、强对流等重要天气有密切的关系。早在1956年Ramaswamy[1]就指出, 巴基斯坦和印度的强对流天气与高空急流有关系。强对流天气常常出现在高空槽前的辐散气流下面。Palmen等[2]指出, 对流层上部的急流控制着气旋、强降水、强对流等重要天气的发生发展。Kloth等[3]提出高空急流的位置和强度对于龙卷的发生也有密切关系。
由于对流层上部的环流系统尺度大, 对于大尺度环流的分析, 不仅需要陆地上的资料, 而且也需要海上的资料。洋面和高原上空, 常规探空资料少。如果只用探空资料进行分析, 对对流层上部环流系统的诊断、分析难以做好。国家卫星气象中心从1997年开始用日本GMS-5卫星的图像推导了卫星导风。这套资料提供了亚洲东部、印度洋东部和西太平洋地区对流层上部较为细致的流场信息。方翔等[4]指出高密度卫星导风资料是判断热带气旋潜在发展可能性的有用工具。王峰等[5]通过对1997—1998年的卫星导风匹配OLR产品进行分析, 证实对流层上部的环流形势对我国南方雨带的位置等都有很好的指示意义, 在西太平洋副热带高压上空的对流层上部, 存在槽脊汇合体或汇合渐近线。
国家卫星气象中心的上述两项工作用典型个例指出, 在热带气旋、暴雨、强对流发生发展时, 对流层上部存在与急流相关联的高空辐散区。为了说清楚对流层上部环流形势和我国雨带位置的关系, 有必要做以下两方面的工作:①要用尽可能多的资料从统计上证实, 在我国主要雨带上空, 对流层上部是否存在特定的流型; ②如果存在特定的流型, 那么要指出这些特定流型的细致特征。本项研究工作围绕以上两个目标进行。
1 资料和方法 1.1 雨量资料收集了1998—2002年全国656个气象站的逐日雨量资料, 取候累积, 插值到1°×1°经纬度网格点作图, 代表我国范围内的候雨量分布。
在35°N以北地区, 我国候雨量分布图上出现累积降水量100 mm等值线 (当大于或者等于3个临近站点出现100 mm降雨量时绘制的等值线, 下同) 的候, 被定义为北方出现了重要降水过程的候。在35°N以南地区, 我国候雨量分布图上出现累积降水量150 mm等值线的候, 被定义为南方出现了重要降水过程的候。北方和南方都出现了重要降水过程的候, 被定义为北方和南方同时出现了重要降水过程的候。在35°N附近出现了重要降水过程的候, 被定义为35°N附近出现了重要降水过程的候。
对1998—2002年的4—10月共210个候的雨量图进行了普查。结果表明, 在所普查的时间段内, 我国共有86个候样本出现了重要降水过程 (如表 1所示)。
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表 1 1998—2002年我国北方和南方出现重要降水过程的候样本数统计表 |
1.2 卫星导风资料
本文使用的卫星导风资料是1997—2003年期间, 国家卫星气象中心利用GMS-5卫星红外和水汽图像计算的对流层上部 (400 hPa以上) 卫星导风。范围为90°E~170°W, 50°S~50°N, 水平分辨率为1.25°×1.25°。计算并绘制了1998—2002年200 hPa候平均卫星导风图并将这些图与同时间的降水场叠合, 分析了对流层上部环流形势与我国重要降水之间的关系。
2 我国出现重要降水过程时对流层上部的环流特征分析由表 1可知, 1998—2002年的4—10月期间我国范围内出现重要降水过程的候样本数共有86个。对这86个候的对流层上部平均卫星导风场进行普查分析, 归纳我国主要雨带上空对流层上部的3种环流形势。
2.1 第一种环流形势候累积强降水区位于对流层上部反气旋脊的脊线附近, 与副热带西风急流或热带东风急流相伴。
2.1.1 个例分析1999年6月26—30日候平均 (图 1) 和1999年6月23—30日逐日 (图 2) 累积降水量与卫星导风矢量叠合图显示了该降水过程对应的对流层上部环流形势的特点。由图 1可知, 沿长江流域有较强的东东北—西西南走向的雨带, 候降水量中心值达250 mm以上。
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| 图 1. 1999年6月26—30日候平均对流层上部卫星导风和候累积降水分布叠合图 (单位:mm) | |
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| 图 2. 1999年6月23—30日部分日平均卫星导风矢量和降水分布 (阴影区, 单位:mm) 叠合图 | |
图 2描述了1999年6月23—30日对流层上部卫星导风和降水的分布情况。23日, 安徽、湖北南部和贵州南部有暴雨过程, 两个暴雨区呈东北—西南向分布, 北侧的暴雨中心位于高空副热带西风急流入口区右侧, 雨区上伴随西风和西北风的风向疏散, 贵州南部暴雨中心上空伴随脊线以南流向赤道气流中的风向辐散。23—24日 (24日图略) 对流层上部反气旋脊线约位于25°N附近 (以100°~120°E的平均位置来表征反气旋脊线的位置, 下同)。26—30日 (28日图略), 对流层上部反气旋脊线稳定在27°N附近, 沿长江中下游流域有强的纬向雨带停滞, 脊线北侧的西风急流距离脊线非常近, 雨带走向和西风急流平行; 20°N附近的气流由23日、24日的东北风转变为2日以后的东风, 脊线南侧东北风和东风气流汇合, 这个区域对应为大范围少雨区。
2.1.2 普查分析对我国范围内86个出现重要降水过程的候进行普查, 符合第一种环流形势的有35个候, 候累积强降水中心位于21°~32°N之间。
4月上旬到5月下旬我国范围内共有5个出现重要降水过程的候, 其主要降水中心均位于青藏高原对流层上部反气旋东北部、副热带西风急流入口区右侧区域 (图略)。有21个候发生于6月上旬到7月上旬期间, 在我国长江流域和华南地区较为多见, 为主要发生时期。7月中旬到8月下旬, 符合第一种环流形势的有9个样本。9月上旬到10月下旬, 第一种环流形势发生的样本数为零。
2.1.3 合成图对符合第一种环流形势的35个样本, 按强降水区相对于青藏高原对流层上部反气旋脊线的位置划分, 将暴雨区位于脊线北侧、副热带西风急流入口区右侧样本的卫星导风资料, 以最大候累积降水中心为原点, 辅助计算机进行求平均计算, 得到200 hPa流场的合成图 (如图 3a所示), 强降水中心位于对流层上部反气旋脊线和副热带西风急流之间的气流辐散区。同样, 将暴雨区位于脊线南侧、热带东风气流速度辐散区中的样本, 运用同样的方法也可以得到相对应的200 hPa流场的合成图 (如图 3b所示), 强降水中心位于对流层上部反气旋脊线南侧、热带东风的速度辐散区。
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| 图 3. 200 hPa流场叠合风场速度合成图 (a) 暴雨区位于脊线北侧、副热带西风急流入口区右侧, (b) 暴雨区位于脊线南侧、热带东风气流速度辐散区 (☆为强降水中心; 水平分辨率为1.25°×1.25°, 南北跨度为25°, 东西跨度为25°; 阴影区为风速, 单位:m·s-1) | |
2.2 第二种环流形势
候累积强降水区位于我国东南沿海对流层上部反气旋中心附近, 没有急流相伴。
2.2.1 个例分析由2001年9月1—5日候平均的卫星导风资料叠合候累积降水分布图 (图 4), 可以看到, 在我国广东省南部沿海有较强的降水过程, 候累积降水量中心值达250 mm以上。绘制了2001年8月30日—9月5日的逐日 (上一日12:00 (世界时, 下同)—该日12:00) 累积降水量图叠合上一天23:00瞬时的卫星导风场 (图 5)。
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| 图 4. 2001年9月1—5日候平均的卫星导风叠合候累积降水 (阴影区, 单位:mm) 分布图 | |
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| 图 5. 2001年8月30日—9月1日逐日平均卫星导风和降水 (阴影区, 单位:mm) 分布图 | |
由图 5可见, 8月30日, 我国广东沿海和海南省的暴雨区在对流层上部伴随强烈的风向辐散, 我国广东南部沿海上空存在不对称的高空反气旋, 在暴雨区和青藏高原对流层上部反气旋之间, 可以看到高空变形场的中性点。9月1—5日 (部分图略), 暴雨区上空的环流形势与8月30—31日相比没有太大变化, 暴雨区稳定在广东南部沿海, 间或东西或者南北向的变化; 我国长江中下游流域在对流层上部处于暴雨区北侧向北的辐散气流和副热带西风急流之间的气流汇合区, 以晴朗少雨的天气为主。
2.2.2 普查分析1998—2002年的4—10月我国发生重要降水过程的候里, 符合第二种环流形势的有26个样本, 占发生总数的30.2%, 其中有6个样本出现候累积降雨量达到250 mm。主要发生在我国华南 (海南、广东、广西沿海等) 地区, 以7月中旬至9月下旬较为多见。
2.2.3 合成图对符合第二种环流形势的26个样本, 以最大候累积降水中心为原点, 以相同的水平分辨率在原点的上下左右各取出相同点数, 得到该种降水对应的200 hPa流场的合成图 (如图 6所示), 强降水中心在对流层上部存在不对称的高空反气旋; 在降水中心和对流层上部反气旋之间, 可以看到高空变形场的中性点; 雨区上对应的风速较小。
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| 图 6. 200 hPa流场叠合风场速度合成图 (水平分辨率为1.25°×1.25°, 南北跨度为25°, 东西跨度为25°; 阴影区为风速, 单位:m·s-1; ☆为候累积强降水中心所在位置) | |
2.3 第三环流形势
候累积强降水区位于中纬度西风槽的前面。
2.3.1 个例分析作2000年8月26—31日候平均 (图 7) 和2000年8月29—31日逐日平均 (图 8) 卫星导风叠合降水量分布图。由图 7可知, 在山东南部、江苏北部有一个南北向的雨带, 候降水量中心值达150 mm以上。
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| 图 7. 2000年8月26—31日候平均的卫星导风叠合候累积降水 (阴影区, 单位:mm) 分布图 | |
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| 图 8. 2000年8月29—31日逐日平均的卫星导风矢量叠合降水 (阴影区, 单位:mm) 分布图 | |
由图 8可知, 在8月29—31日这3天里, 在山东、江苏北部附近有一个暴雨系统停滞。8月29日, 在河套西部上空有一个高空槽存在, 山东半岛南部的暴雨区位于高空槽前辐散的西南气流里。8月30日河套上空的槽与29日相比, 向东移了3个经距; 在山东中西部、江苏、安徽北部和河北唐山出现了暴雨中心, 雨势较前一日有所增强。8月31日, 由于风场资料的分布不是很好, 高空槽的准确位置不易判别, 雨区较前一日有所减弱, 山东的中部地区仍然为暴雨区控制, 雨区上空的高空气流由前两日的西南气流转为正南风。9月1日 (图略) 以后, 高空槽移出山东半岛, 过程结束。
2.3.2 普查分析研究期间我国出现重要降水过程的86个样本中, 符合第三种环流形势的有19个样本, 占发生总数的22.1%, 其中有18个样本发生在7月中旬至8月下旬期间, 有15个样本的强降水中心发生在35°N以北地区。
2.3.3 合成图对86个样本里符合第三种环流形势的19个样本求平均, 得到第三种环流形势的200 hPa流场叠合风场速度合成图, 如图 9所示。候累积强降水中心位于高空槽前的西南气流里。
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| 图 9. 200 hPa流场叠合风场速度合成图 (☆为强降水中心所在位置; 水平分辨率为1.25°×1.25°, 南北跨度为16°, 东西跨度为40°; 阴影区为风速, 单位:m·s-1) | |
3 主要环流形势的流场特征总结 3.1 主要环流形势特征
第一种环流形势特征:①候累积强降水区位于青藏高原对流层上部反气旋东部脊线附近, 雨区上空对流层上部有明显的辐散。②降水强的时段, 青藏高原对流层上部反气旋东部脊脊线北侧的西风急流与脊线靠得很近。此时的主要降水区常位于副热带西风急流入口区右侧, 这里的气流辐散明显。有时候, 在非常靠近青藏高原对流层上部反气旋东部脊线的南侧, 还有一支东风急流, 当它增强北进并且非常靠近脊线时, 在热带东风急流的速度辐散区里也常有候累积强降水中心出现, 这种配置以6—7月时在我国华南出现最多。当青藏高原对流层上部反气旋的东部脊线与南北两支急流靠得非常紧时, 特别当脊线南侧气流的风向汇合明显时, 反气旋东部脊线上流线剧烈转折, 形成曲率负涡度, 加之在脊线两侧两支急流之间还存在切变负涡度, 使得脊线附近在对流层上部有大的负相对涡度, 并伴有辐散。③候累积强降水区位于青藏高原对流层上部反气旋中心以东, 脊线上有北风。④对流层上部的急流走向与雨带趋于平行, 急流指向雨区的气流分量小, 降水持续。
第二种环流形势特征:①候累积强降水区上空气流的辐散非常明显, 它的南侧区域在对流层上部有东风气流存在, 西侧、北侧和东侧有向外的强辐散气流, 这提供了雨区周围较强的反气旋性涡度。②这种流型的降水区域发生的纬度比较低, 常在27°N以南的地区出现。③我国35°N以南地区在对流层上部有两个高压控制, 一个位于青藏高原上空, 另一个位于我国华南或华东沿海上空。候累积强降水区位于我国东部或南部沿海对流层上部反气旋中心的西侧。在候累积强降水区和青藏高原对流层上部反气旋中心之间, 可以看到有中性点存在, 雨区上空对应的风速较小, 平均为10 m/s。
第三种环流形势特征:①候累积强降水区位于高空槽前的西南或者偏南气流里, 在对流层上部对应为明显的风向辐散区。②候累积强降水区位于高空西风槽前正涡度平流区的下面。正的涡度平流使得该处气旋性涡度增加, 在地转偏向力作用下, 高空气流辐散增强, 需要有上升的补偿运动来达到质量平衡。③对流层上部指向雨区的气流分量强, 即雨区的轴线直指气流的流向。
3.2 主要环流形势特征对比3种环流形势的共同点是, 在候累积强降水区对流层上部都存在气流的辐散。这说明大范围区域性降水必须伴有对流层里一致的上升运动, 而对流层上部的流场辐散正是对流层存在上升运动的表现形式之一。
3种环流形势的不同点是, 第一、二种环流形势的主要降水区在对流层上部有反气旋性涡度存在, 对流层上部指向雨区的气流分量弱, 而第三种环流形势的主要降水区位于高空西风槽前正涡度平流区的下面, 对流层上部指向雨区的气流分量强。
对第一和第二种环流形势而言, 第一种环流形势发生的纬度高、候累积强降水区上伴随有明显的急流、青藏高原对流层上部反气旋东部脊脊线上有北风分量, 而第二种环流形势发生的纬度低、候累积强降水区上没有明显的急流、青藏高原对流层上部反气旋东部脊脊线上有南风分量。
4 结论本文综合运用1998—2002年降水资料和卫星导风资料, 对我国夏季出现重要降水过程时, 对流层上部的流场特征进行了统计分析, 证实我国夏季出现重要降水过程时对流层上部存在特定的3种环流形势。对3种环流形势的特点进行了分析总结, 并进行了异同点的比较:3种环流形势的共同点是在对流层上部均存在气流的辐散; 不同的是, 第一、二种环流形势的主要降水区在对流层上部有反气旋性涡度, 对流层上部指向雨区的气流分量弱, 第三种环流形势在高空西风槽前正涡度平流区的下面, 对流层上部指向雨区的气流分量强; 第一种环流形势发生的纬度高、伴随有明显的急流、青藏高原对流层上部反气旋脊线上有北风分量, 第二种环流形势发生的纬度低、不伴随有明显的急流、青藏高原对流层上部反气旋脊线上有南风分量。
| [1] | Ramaswamy C. On the subtropical jet-stream and its role in the development of large-scale convection. Tellus, 1957, 8, (1): 26–60. |
| [2] | Palmen E, Newton C W. Atmospheric Circulation Systems:Their Structure and Physical Interpretation. New York: Academic Press, 1969: 1-374. |
| [3] | Kloth C M, Davies-Jones R P.The Relationship of the 300mb Jet Stream to Tornado Occurrence.NOAA Tech Memo, ERL NSSL-88, 1980:1-62. |
| [4] | 方翔, 许健民, 张其松. 高密度云导风资料所揭示的发展和不发展热带气旋的对流层上部环流特征. 热带气象学报, 2000, 16, (3): 218–224. |
| [5] | 王峰, 许健民. 云迹风资料所揭示的对流层上部环流形势与1998年夏季我国南方雨带的关系∥1998年长江嫩江流域特大暴雨的成因及预报应用研究. 北京: 气象出版社, 2001: 142-147. |