暴雨洪涝是当今世界上主要的气象灾害之一, 每年因暴雨洪涝灾害造成的损失数以亿计。但是, 由于对暴雨成因的认识尚很不够, 加之探测信息时空密度的限制, 目前的暴雨预报水平还比较低, 不能满足社会经济发展的需求。因此, 对暴雨成因、预报理论及方法研究一直是国内外气象工作者关注的热点和前沿^[1-10]。

持续性暴雨过程因降水持续时间长、降水集中、所诱发的灾害最为严重而倍受科研和业务预报人员的重视。但在过去的分析研究工作中, 我们更多地关注暴雨天气过程的发生与维持的条件, 重视对暴雨天气过程演变的特征分析, 很少分析暴雨持续期的平均特征, 这对我们认识持续性暴雨的主要特征, 理解并揭示暴雨持续的物理机制是十分不利的。本文以2004年9月2—6日发生于四川盆地中部到东北部的持续性特大暴雨过程为例, 分析强降水持续期间 (2004年9月3—5日) 对流层高、中、低层物理量的配置情况, 研究大气运动的平均特征, 探讨持续性暴雨维持的宏观条件, 提高对持续性暴雨天气过程的认识水平。

2004年9月2—6日, 受500 hPa高空短波槽与850 hPa低涡等天气系统的共同影响, 四川盆地中部到东北部发生了一次持续性强暴雨过程。强降水于9月2日夜间从盆地中部的三台县 (31.1°N, 105.1°E) 开始, 逐渐向东北方向扩展, 并迅速加强, 长时间维持在四川省的巴中、达州和广安等3市以及重庆市北部, 其中降水最强的9月4日, 有7个县气象站的24 h降水量超过200 mm, 其中, 渠县24 h (3日20:00—4日20:00, 北京时, 下同) 雨量达272.9 mm, 图 1为本次暴雨过程中主要降水时段 (2日20:00—5日20:00) 的累积雨量分布。由于降水持续时间长, 强度大, 降水集中, 造成暴雨区发生数百处滑坡和泥石流灾害, 灾害损失十分严重。

图 1

图 1. 2004年9月2日20:00—5日20:00四川盆地雨量分布 (单位: mm)

图 2给出了本次暴雨过程期间的500 hPa平均位势高度场分布。由图可见, 2004年9月2—5日, 欧洲大陆为阻塞高压, 乌拉尔山东侧为一切断低压, 亚洲中高纬度地区盛行纬向环流。在中低纬度地区, 由于台风“桑达”的影响, 西太平洋副热带高压被截断, 在我国大陆地区形成独立的高压单体。在大陆高压的西北侧有一个低槽, 槽线正好位于四川盆地中部 (30°N, 105°E), 该槽正是影响这次暴雨过程的主要系统。从9月2—5日的逐日500 hPa天气图上看, 乌拉尔山低压不断从东南侧分裂冷槽, 这些冷槽经新疆沿河西走廊向东南方向移动; 在此期间, 由于台风“桑达”西进, 导致大陆高压稳定少动, 中心位于长沙附近, 四川盆地正好处于高压西北侧; 受大陆高压阻挡, 沿河西走廊向东南移动的冷槽正好被阻滞于四川盆地北部; 冷槽在此区域的持续生、消, 是平均高度场上低槽出现的主要原因, 也是强降水持续的重要原因。

图 2

图 2. 2004年9月2—5日08:00 500 hPa平均位势高度场分布 (单位: dagpm)

由于本次暴雨天气过程的主要降水集中发生在9月3—5日, 本研究以9月3日20:00, 4日08:00, 4日20:00与5日08:00共4个观测时次的探测资料为分析强降水持续期的基本资料, 将这些资料做合成平均, 研究暴雨持续期大气运动的主要特征。

利用各探空站获取的9月3日20:00—5日08:00共4个时次的等压面要素资料, 设要素符号为F, 则将4个时次的同一站点、同一等压面要素做算术平均:

(1)

式 (1) 中, p代表等压面层次, k代表站点, i代表观测时次。对于风场, 首先将观测资料做u, v分解, 然后, 用分量进行合成平均, 获得u, v分量的平均值, 再根据需要将u, v分量合成风向、风速。这样就获得了暴雨持续期观测要素的平均值资料F (p, k), 然后将这些资料F (p, k) 进行客观分析, 并计算其他物理量。

涡度与散度是反映大气运动特征的基本物理量。分析暴雨持续期间涡度、散度的平均特征, 有助于理解旋转运动与辐散、辐合运动在本次持续性暴雨过程中所起的不同作用。图 3展示了暴雨持续期间对流层高 (200 hPa)、低层 (850 hPa) 的平均涡度、散度分布。由图可见, 在对流层低层 (850 hPa), 暴雨区被罩在正涡度与辐合区内, 正涡度的量值介于0.2×10^-5~4.0×10^-5s^-1之间, 正涡度中心在暴雨区的西侧; 而散度场上, 暴雨区内的辐合值介于-4.0×10^-5~-9.2×10^-5s^-1之间, 强辐合区呈准东西向带状结构, 与强降水中心一致。可见, 这一层次上, 大气运动性质以气流的汇合运动为主, 旋转性较弱。在对流层中层 (500 hPa, 图略), 暴雨区仍被罩在正涡度区内, 强的正涡度区与暴雨区比较一致, 正涡度的量值介于2.2×10^-5~6.4×10^-5s^-1之间; 散度场上暴雨区与辐合区相配合, 但强辐合区位于暴雨区东部, 强度介于-0.2×10^-5~-3.0×10^-5s^-1之间。这一层次上, 大气运动性质以气流的气旋式旋转为主, 气流的汇合较弱。在对流层高层 (200 hPa), 暴雨区被罩在负涡度区内, 负涡度的量值介于-4.2×10^-5~-8.0×10^-5s^-1之间, 强负涡度中心位于暴雨区的西侧; 散度场上, 暴雨区西北部为弱辐合区控制, 其余为较强的辐散区控制, 强度介于0.2×10^-5~-5.4×10^-5s^-1之间; 强辐散区位于暴雨区的东侧。这一层次上, 大气运动性质以气流的反气旋式旋转为主, 气流的辐散较弱。总体上看, 在暴雨持续期间, 对流层低层大气运动性质以气流的辐合为主, 并伴随一定强度的气旋式旋转; 对流层中、高层大气运动性质则以气流的旋转为主, 并伴随一定强度的气流散合, 随着高度的增加, 气流由气旋式向暴雨区汇合变成由暴雨区反气旋式向外辐散。另外, 从各等压面层的计算结果来看, 本次暴雨的辐合层次十分深厚, 从地面一直持续到500 hPa以上, 且低层的辐合强度明显大于高层辐散强度。这些事实表明, 暴雨天气过程的持续将以对流层中低层气流的强烈辐合为主要特征, 分析暴雨过程是否持续, 还是应着眼于低层气流辐合维持的条件。

图 3

图 3. 2004年9月3日20:00—5日08:00对流层平均涡度、散度分布 (单位: 10-5s-1) (a) 200 hPa涡度, (b) 850 hPa涡度, (c) 200 hPa散度, (d) 850 hPa散度

雷雨顺等^[11]指出, 能量锋是位势不稳定能量和斜压不稳定能量集中的区域, 中尺度能量锋常与大范围暴雨相联系。本次暴雨过程范围大, 持续时间较长, 暴雨的持续是否与能量锋相联系呢?为此, 研究分析了暴雨持续期间850 hPa等压面上假相当位温θ_se的平均值分布 (图 4)。由图可见, 在31°~33°N间, 有一条准东西向的θ_se等值线密集带, 即能量锋, 其强度约为8 K/100 km, 水平尺度超过500 km, 属于中间尺度的能量锋。暴雨天气过程的持续与这一能量锋的维持密切相关, 强烈降水天气持续发生在能量锋区附近靠暖区一侧。从已有的研究来看^[12-14], 许多持续性暴雨过程都与能量锋的活动密切相关。因此, 能量锋的存在可能是暴雨持续的必要条件之一。在暴雨发生后, 加强对能量锋系统的分析可能有助于暴雨持续期预报。

图 4

图 4. 2004年9月3日20:00—5日08:00 850 hPa等面上平均θse (等值线, 单位: K) 与流场 (矢量, 单位: m·s-1) 分布

低空急流对暴雨过程的重要作用已被广泛研究, 本次暴雨过程仍然伴随着较强的低空急流活动。从图 4可以看出, 在暴雨持续期间, 850 hPa等压面上有一支偏东南急流从湘、黔边界经重庆到四川盆地东北部, 平均风速超过8 m/s。这支急流的存在建立了暴雨天气持续的水汽和能量输送通道, 使暴雨区850 hPa层次上平均比湿达16.2 g/kg, 平均相对湿度达99%, 平均气柱可降水量达66.7 mm; 假相当位温平均超过350 K, 850 hPa与500 hPa等压面上的平均假相当位温差达1.7 K, =5×10^-3K/hPa >0, 大气层结维持弱不稳定状态。研究表明^[15], 这种近中性的弱不稳定层结最有利于β-中尺度暴雨系统的发展和维持。此外, 该低空急流与暴雨区北侧的偏东北气流在暴雨区附近构成强烈的气流辐合, 形成强度超过-8.0×10^-5s^-1的中尺度辐合带, 为暴雨的维持提供有利的动力条件。

从图 4还可以看出, 在暴雨维持期间, 低空急流轴与能量锋之间处于准垂直状态。当急流减弱或急流轴与能量锋转为准平行时, 暴雨过程结束。1989年7月7—10日四川盆地东部暴雨、1991年7月江淮流域持续性暴雨、1994年6月华南地区持续性暴雨等过程, 能量锋与低空急流的配置也都具有这种特征。低空急流轴与能量锋之间的准垂直配置状态是否为持续性暴雨天气过程的必要条件之一, 还有待做进一步分析研究。

水汽输送对暴雨天气至关重要, 持续性暴雨过程尤其如此。由于大气中的水汽主要集中在对流层的中低层, 同时由于我国西部地区地势较高, 因此, 利用850 hPa与700 hPa两个层次上的水汽通量平均来分析本次暴雨过程的水汽输送, 进而分析水汽源地是适宜的。图 5给出了暴雨持续期间对流层中低层水汽通量的分布特征, 可以看出, 本次暴雨持续期的主要水汽输送来源于南海与孟加拉湾。来自南海的水汽, 主要由中心位于湘赣边界的副热带高压单体南侧和西侧的偏东南气流输送; 来自孟加拉湾的水汽, 主要由流经云贵的西南季风气流输送; 两支气流在云贵地区汇合, 向暴雨区输送水汽。因此, 本次暴雨过程的水汽源地是太平洋和西印度洋。细致分析850 hPa与700 hPa各层次上的水汽通量大小发现, 来自于西太平洋的水汽输送量与印度洋的水汽输送量级基本相当, 前者略大于后者。在今后的暴雨分析中, 有必要注意多条路径的水汽来源。

图 5

图 5. 2004年9月3日20:00—5日08:00 850 hPa与 700 hPa平均水汽通量分布 (图中数值为通量大小, 单位: g·kg-1·m·s-1; 风杆表示方向)

强降水天气常常与中尺度系统的活动相联系。在暴雨持续期间的时间平均场上, 是否也有中尺度系统与暴雨天气相联系呢?利用文献[16]的中尺度滤波方法, 取C₁=4000 km², G₁=0.3, C₂=120000 km², G₂=0.3, 构造中尺度带通滤波器, 其最大响应波长为500 km, 所分析的中尺度系统水平尺度约200~300 km。利用该中尺度滤波器对暴雨持续期间的平均风场做滤波分析, 结果表明 (图 6a), 在对流层低层, 与暴雨相对应的中尺度系统是四川盆地中部的中尺度气旋及其向东伸出的中尺度辐合线, 暴雨发生在中尺度涡旋东部, 并紧邻辐合线的南侧。从对500 hPa平均风场的滤波结果来看 (图略), 与暴雨相联系的中尺度涡旋在对流层中层已看不到, 但准东西向中尺度辐合带仍然表现明显, 其位置与低层的辐合带位置相一致。在对流层高层 (300 hPa等压面上), 滤波获得的中尺度风场与中低层情况相反 (图 6b)。在中低层中尺度辐合带的位置上是一条准东西向中尺度辐散带, 在中尺度辐散带的北侧, 为偏南风; 在中尺度辐散带的南侧, 为偏北风; 这种风场结构与低层的风场结构也正好相反。高、中、低层的中尺度流场特征给出本次暴雨过程持续期间中尺度系统的粗略图像:中低层从南北两个方向有气流向辐合带集中, 然后产生强烈上升运动, 将水汽输送至高层, 凝结后产生强降水, 凝结后比较干的气流一部分流向南, 一部分流向北, 形成中尺度辐散带; 高、低层流场上中尺度辐散、辐合带的垂直耦合对系统的持续维持可能是有利的。由于中尺度辐散、辐合带的特征在4个时次的时间平均场上都能清楚地反映出来, 这说明与本次暴雨相联系的中尺度辐散、辐合带是一个深厚、长生命史和准静止的中尺度系统, 它的维持机制有待做进一步和分析研究。

图 6

图 6. 2004年9月3日20:00—5日08:00 850 hPa (a), 300 hPa (b) 等压面上平均流场中尺度滤波特征

从上面的分析可以看出, 在对流层低层, 暴雨区附近辐合的平均值远比涡度平均值大, 这是值得注意的一个事实。若按照地转适应的观点^[17], 在一级近似下有:

(2)

根据式 (2), 强辐合流D将在地转适应约束下, 激发出强烈的正涡度增长, 涡度应与辐合强度同量值, 甚至超过散度量值。然而, 事实并非如此, 在强暴雨发生或持续过程中, 地转平衡是很难维持的, 在某些因素作用下, 大气运动的非平衡特征可以得到较长时间的维持, 从而支撑强辐合流场在某一特定区域长时间持续, 下面用诊断结果予以说明。

根据文献[18], 对于中尺度运动, 其非平衡性质可用下式诊断:

(3)

当时, 大气运动处于非平衡状态, 这种非平衡的动力强迫将激发散度场演化 ();当时, 大气运动处于准平衡状态, 散度场处于缓变状态。利用暴雨持续期间等压面上的平均风场与平均高度场资料, 计算了暴雨持续期间4个观测时次850 hPa与700 hPa等压面上的平均非平衡值, 结果如图 7所示。由图可见, 在暴雨发生的邻近区域内, 的量级达10^-8s^-2, 尤其是在暴雨中心附近 (31.5°N, 108°E), 850 hPa与700 hPa两个层次上的非平衡值都超过-3.0×10^-8s^-2, 这样强的非平衡强度, 将促进低层气流辐合持续增长, 从而使850 hPa上该区域的散度值在时间平均场上能维持-8.0×10^-5s^-1强度。强负值非平衡区与强辐合区以及暴雨区的一致进一步肯定了暴雨持续期间大气运动的非平衡特征及其与暴雨的联系。因此, 分析对流层低层大气运动的非平衡特征将有助于揭示暴雨持续的物理本质。

图 7

图 7. 2004年9月3日20:00—5日08:00 850 hPa (a), 700 hPa (b) 等压面上平均中尺度非平衡值分布 (单位: 10-8s-2)

通过对2004年9月2—6日发生在四川盆地中东部的暴雨持续期平均特征的分析, 得到如下初步结果:

1) 台风“桑达”西进, 导致大陆高压单体稳定少动, 使沿河西走廊向东南移动的冷槽被阻滞于四川盆地北部; 冷槽在此区域的持续生、消, 为暴雨持续提供了有利的环境场条件。

2) 在暴雨持续期间, 对流层低层大气运动性质以气流的辐合为主, 并伴随一定强度的气旋式旋转; 对流层中、高层大气运动性质则以气流的旋转为主, 并伴随一定强度的气流辐散、辐合, 随着高度的增加, 气流由气旋式向暴雨区汇合变成由暴雨区反气旋式向外辐散。

3) 在暴雨维持期间, 低空急流与能量锋十分稳定, 低空急流轴与能量锋之间处于准垂直状态, 强降水就发生在低空急流轴与能量锋交界处, 并靠暖区一侧。

4) 暴雨持续期的主要水汽输送来源于南海与孟加拉湾, 两者量级相当, 前者略大后者。分析不同源地的水汽输送对分析持续性暴雨过程的水汽来源是必要的。

5) 对流层中低层准东西向中尺度辐合带与对流层高层中尺度辐散带的垂直耦合, 并构成一个深厚的、长生命史中尺度系统, 是直接影响强降水天气维持的中尺度系统。

6) 在暴雨持续期间, 大气运动处于强烈非平衡状态, 在暴雨中心附近, 中尺度非平衡强迫平均超过-3.0×10^-8s^-2, 支撑着低层强辐合的维持, 也是暴雨持续的重要动力因子。