应用气象学报  2007, 18 (1): 29-35   PDF    
引用本文
陈永林, 杨引明, 曹晓岗, 王智. 上海“0185”特大暴雨的中尺度强对流系统活动特征及其环流背景的分析研究[J]. 应用气象学报, 2007, 18(1): 29-35.
Chen Yonglin, Yang Yinming, Cao Xiaogang, Wang Zhi. Meso-scale and Small-scale Circulation Characteristics Analysis of "0185" Heavy Rainfall in Shanghai[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2007, 18(1): 29-35  
上海“0185”特大暴雨的中尺度强对流系统活动特征及其环流背景的分析研究
陈永林, 杨引明, 曹晓岗, 王智     
上海中心气象台, 上海 200030
2005-06-14 收到, 2006-06-29 收到修改稿.
资助项目: 国家自然科学基金项目 (40505011) 和上海市科委课题 (05dZ05815) 共同资助    
摘要: 通过对常规观测资料、自动站资料、GMS-5卫星云图和多普勒雷达等气象资料分析发现, 2001年8月热带低压在福建北部登陆, 途经江苏无锡、常熟时, 其南侧西南气流与沪浙沿海的东南风形成切变线。受源源不断地水汽输送和切变线动力抬升作用, 热带低压南侧不断产生β-中尺度强对流回波带, 它们形成后随热带低压气旋性环流向东移动, 在上海城区附近辐合形成β-中尺度强对流回波群, 在卫星云图上呈现出以此为核心的中尺度对流辐合体 (MCC)。分析表明, 受水汽凝结、潜热释放这种正反馈机制作用, 在热带低压东南侧大尺度切变线中段北侧派生出一个独立、完整的近地面β-中尺度的气旋性环流, 它就是MCC的内核, 直接造成了上海“ 0185”特大暴雨的发生。
关键词: 热带低压    螺旋回波带    MCC    中气旋    
Meso-scale and Small-scale Circulation Characteristics Analysis of "0185" Heavy Rainfall in Shanghai
Chen Yonglin, Yang Yinming, Cao Xiaogang, Wang Zhi     
Shanghai Meteorological Center, Shanghai 200030
Abstract: Heavy rainfall happens on August 5, 2001 in Shanghai, especially in the central urban area with 75.4 mm of 1-hour maximum precipitation and 264 mm of 12-hour cumulated precipitation at Xujiahui. Analyses on the conventional observations, automatic stations data, GMS-5 satellite cloud images and Doppler radar data show that it is closely related with a mesoscale convective compound (MCC) in Shanghai. The number 9 tropical depression moves slowly right to the north of Shanghai because of the adjustment of the long-wave system in the middle latitude and suddenly weakening of the northwest Pacific subtropical high. The MCC is triggered in the shear line between southwesterly current in the southeast of the tropical depression and the strong southeasterly current in Shanghai and Zhejiang, when the tropical depression moves to the north of the Taihu Lake. A slowly eastward-moving circle zone without any echo is found near Wuxi at the night of August 5 in the base reflectivity products of Doppler radar. Some spiral echo bands rotate counterclockwise around the circle zone in the east. The spiral echo bands in the southeast moves to Shanghai under the effect of the shear line and the converge counterclockwise to form a strong echo group of several coordinate meso-β-scale echoes in the central urban zone of Shanghai. This strong echo group in radar products is correspondent to the mesoscale convective cloud above Shanghai, which forms in the northwest of Shanghai and Suzhou initially, and begins to weaken soon after its formation. Subsequently the mesoscale convective cloud develops strongly to be a typical mesoscale convective compound (MCC) about 102600 km2 in the northwest of Shanghai. Temperature of the cloud top bright core reaches -81 ℃, and the convective clouds with top temperature of -63 ℃ cover the whole of Shanghai. A couple of positive and negative speed centers about -20 and 20 m/s respectively are located in the central urban zone of Shanghai in the radial speed products of Doppler radar. The circle zone without echo in Wuxi is corresponding to the surface convergent center in the stream field, which shows that the circle zone is just the tropical low center. The strong echo group rotating counterclockwise in the central urban zone in Shanghai and the couple of speed centers are also corresponding to another meso-β-scale surface convergent center in Shanghai, which is a meso-β-scale convergent system, named mesoscale cyclone, and is located in the core of the MCC. The meso-β-scale cyclone circulation, as well as the process of its formation and development in the core of the MCC leading to the heavy rainfall at August 5, 2001 in Shanghai, is testified through analyses of automatic weather stations data and Doppler radar data.
Key words: tropical low     spiral echo band     MCC     meso-cyclone    
引言

2001年8月5日夜间, 上海普降暴雨, 中心城区出现特大暴雨, 降水量创50年来之最。5日夜间 (5日20:00—6日08:00(北京时, 下同)) 的强降水主要集中在5日20:00—6日02:00和6日06:00—08:00。徐家汇1 h最大雨量75.4 mm, 12 h雨量264 mm, 24 h雨量275 mm (黄浦区294 mm为最大)。

由于中纬度长波的调整, 引起西北太平洋副热带高压 (简称副高) 突然减弱分裂成东西两个高压中心, 促使热带低压在皖南穿过副高脊线后, 路径右偏、移速减慢, 而且到达安徽宣城时, 在其东南新生切变线, 当热带低压途径江苏无锡、常熟时, 在切变线上激发出中尺度对流辐合体 (MCC)[1]。已有研究对这次特大暴雨过程的环流特征、天气学条件以及中尺度天气系统特征等作了较深入的分析[2-10]。分析表明, 缓慢移动的热带低压和强大的副高为这次特大暴雨的发生提供了有利的环流背景, 而在上海局地生成的MCC直接导致了这一次暴雨过程[8-9], 一系列中尺度对流云团的形成发展与低压内部特有的动力、热力结构有直接的关系[10]。

上述研究虽然对这次特大暴雨过程的中尺度特征做了详细的分析, 但是, 由于这次强降水过程局地性强, 尺度小, 对中尺度对流云团和MCC的内部环流结构大多未做深入的探讨。而本次强降水过程主要发生在上海中心城区, 热带低压和中尺度对流云团都发生在上海WSR-88D多普勒天气雷达的有效探测范围内, 结合上海地区每10 min的地面自动站观测资料和卫星云图等资料, 可以对MCC的发展过程及其内部中小尺度对流系统的环流特征做重点研究。

1 MCC发生前的环境场分析 1.1 副高西进、热带低压转向东北偏东移动

形成于西北太平洋的热带低压, 8月4日08:00登陆闽北, 当天半夜在皖南穿越副高脊线转向东北移动。热带低压登陆时, 位于日本九州附近的副高中心强度达5990 gpm, 5日08:00副高西进至济州岛南部海面, 强度减弱至5930 gpm, 但在湘、赣交界出现同样强度的分裂高压中心。使来自华西的500 hPa西风槽加深, 与正位于皖南东部的热带低压形成南北同位相。这一天气形势的形成, 对热带低压的突然加强及路径东折起到至关重要的作用[2,11], 使向东北方向移动的热带低压在安徽宣城附近进一步右偏, 朝江苏无锡、常熟、上海崇明岛方向移动。

1.2 切变线的形成

自热带低压登陆至离开大陆, 副高主体长时间摆动于东海或以东海域, 在沪浙沿海维持着较强的气压梯度, 4日和5日500 hPa上海、杭州、大陈平均风速达14 m·s-1, 其中4日08:00杭州风速达20 m·s-1, 特别是上海强东南风一直维持到5日20:00。当热带低压在皖南穿过副高脊线向东北偏东方向移动过程中, 遇沪浙沿海强劲的东南气流而发生变形, 于5日08:00在其东南出现西南气流与沪浙沿海的东南风之间的大尺度切变线 (图略)。5日20:00热带低压到达江苏无锡, 其切变线也到达无锡、苏州至上海奉贤一线。切变线的形成和到达, 首先为MCC提供了重要的动力条件; 其次切变线两侧气流的辐合, 使MCC内部对流云团的移向、移速发生改变, 在穿越切变线前朝东南偏东方向移动, 穿越切变线时停滞少动, 越过切变线后折向东北偏北方向移动, 且突然加速。这是在上海中心城区产生中气旋和特大暴雨的重要原因之一。

1.3 水汽条件

分析8月4日20:00—6日08:00对流层中下层水汽通量的分布状况发现, 热带低压登陆后, 在其南部始终存在水汽通量大值区, 5日08:00后随着热带低压向崇明岛移动, 西南和东南气流将暖湿水汽输送到上海中心城区附近边界层及对流层低层内聚集, 5日20:00 850 hPa水汽通量最大值出现在长江口, 上海上空为16 g·cm-1·hPa-1·s-1[9] (图略), 但在同时刻沿上海南北向的水汽通量垂直剖面图上, 水汽通量最大值出现在上海900 hPa高度上, 达18 g·cm-1·hPa-1·s-1[7] (图略)。由此认为, 此次暴雨过程中有两条水汽输送带, 一条是从海上延伸到长江下游附近的东南气流, 另一条是与热带低压相伴的西南气流, 两条水汽带将来自南海和西太平洋的水汽源源不断地输送到上海, 为上海特大暴雨提供了不稳定能量。这对登陆后热带低压的维持、加强和上海地区中尺度对流系统和特大暴雨的发生具有重要意义。

2 中尺度对流辐合体的形成 2.1 卫星图像分析

彩图 1为2001年8月5日18:00—6日11:00逐小时GMS-5红外云图。由图可见, 这是一次典型的MCC形成和发展过程[1], 先后与4个强对流核的发生发展密切相关。

图 1. 2001年8月5日18:00-6日11:00 GMS-5红外星云图 (图中①，②，③，④为对流核编号) Fig 1. GMS-5 infrared satellite images from 18:00 on August 5 to 11:00 on August 6, 2001 (①, ②, ③ and ④ denote convective core number)

第一个对流核 (图中标①, 依次类推) 于5日19:00在上海西北郊和苏州附近形成, 在21:00减弱消失。它虽然未发展成熟, 但为后面的MCC发展创造了有利条件。受其影响, 上海中心城区开始出现强降水, 20:00—21:00徐家汇1 h雨量为32 mm。

第二个对流核②于5日22:00开始在上海西北郊形成, 云顶最低亮温≤-71 ℃, 之后迅速发展, 6日00:00出现-81 ℃的最低云顶亮核; 01:00, 对流云顶亮温≤-63 ℃区域已扩展波及到上海周边地区; 02:00整个对流云团发展到最强、面积最大, 云顶亮温≤-32 ℃的冷云罩面积为102600 km2 (长轴396 km, 短轴330 km, 偏心率0.83), 云顶亮温≤-52 ℃的冷云罩面积为66860 km2 (长轴315 km, 短轴271 km, 偏心率0.86), 对流云团已发展为典型的MCC。这一阶段MCC发展最为旺盛, 维持时间长达6 h, 是此次上海地区特大暴雨过程最集中的强降水时段。

第三个对流核③于6日04:00在上海西南郊形成, 第四个对流核④于05:00在长江口形成。06:00对流核②③④合并为一体, 它们的合并大大延迟了MCC的衰亡, 其形态一直维持到08:00。08:00 MCC的云顶亮温≤-32 ℃的冷云罩面积为111400 km2(长轴430 km, 短轴330 km, 偏心率0.77), 云顶亮温≤-52 ℃的冷云罩面积为41800 km2 (长轴251 km, 短轴203 km, 偏心率0.81)。从其动态看, 5日22:00—6日08:00仅向东移动了60 km, 平均时速6 km, 移速极慢, 以致上海普降暴雨, 中心城区为大暴雨, 5日22:00—6日08:00徐家汇雨量192 mm, 其中6日07:00—08:00浦东新区还发生了F1级的龙卷风。

2.2 雷达基本反射率因子图像分析

本次过程发生在上海WSR-88D多普勒雷达的有效探测范围内。仔细观察5日傍晚到夜间雷达图像动画发现, 在太湖北侧的无锡附近有一直径约60 km的圆形无回波区, 在其北侧和东侧分布着强弱不等, 围绕中心作逆时针旋转的不规则螺旋回波带, 由此断定这一圆形无回波区正好对应热带低压中心 (图 2中标“D”的圆形区域)。

图 2. 2001年8月5日16:48—6日00:17上海WSR-88D雷达基本反射率因子素描图 (a) 5日16:48, (b) 5日18:44, (c) 5日20:00, (d) 5日22:14, (e) 5日23:36, (f) 6日00:17 (图中标“D”的圆形区域表示热带低压位置, , , , , 为强对流回波编号, 双线包围淡阴影区表示基本反射率因子≥25 dBz区域, 单线包围重阴影区表示基本反射率因子≥40 dBz的区域, 仰角: 0.5°, 距离每圈56 km) Fig 2. Base reflectivity from Shanghai WSR-88D radar at (a) 16:48, (b) 18:44, (c) 20:00, (d) 22:14, (e) 23:36 on August 5 and (f) 00:17 on August 6, 2001 ("D" denotes tropical depression, , , , and denote convective echo band number, the light shading denotes the base reflectivity lager than 25 dBz, and the dark shading denotes the base reflectivity lager than 40 dBz)

图 2为5日傍晚到半夜上海多普勒雷达0.5°仰角的基本反射率因子素描图。由图 2a可以看到, 在热带低压的外围有一条超过25 dBz外螺旋回波带和两条超过25 dBz内螺旋回波带组成。18:44外螺旋带断裂 (图 2b), 北段并入北部内螺旋中, 南段并入南部内螺旋中。由于北部螺旋带移速快, 而南部螺旋带移速慢, 二者距离扩大, 螺旋结构也变得更为清晰。20:00北部螺旋带显著减弱, 已不具有带状结构, 而南部螺旋带却明显加强, 即热带低压完成了由双螺旋向单螺旋演变的能量转移 (图 2c)。

从图中还可以看到, 在大尺度单螺旋回波带内不断有强对流回波新生东移, 图 2b~图 2f中基本反射率因子≥40 dBz的强对流回波带逐渐向上海中心城区辐合, 最后演变为与卫星云图上MCC内核相对应的多条并列的β-中尺度强对流回波群。

第一条强对流回波带 (图中标, 依次类推)5日18:03在低压东南的苏州至淀山湖一线形成, 18:44达到最强 (图 2b), 随后向东南偏东移动, 20:00进入上海中心城区 (图 2c), 导致上海中心城区的第一段强降水的开始, 22:14移出市区向崇明中部移去 (图 2d)。

第二条强对流回波带于5日18:44在金山附近形成 (图 2b), 在向东北移动中于20:00并入回波带, 进入上海中心城区 (图 2c)。

第三条强对流回波带于5日20:00在雷达站附近形成 (图 2c), 随后原地增强扩大, 最后于6日00:17随着, , 强对流回波带在上海中心城区的合并而扩大 (图 2c~图 2f)。

第四条强对流回波带于5日19:48在苏州及以西形成, 20:00达到最强 (图 2c), 22:14断裂, 北段在减弱过程中快速北移, 南段东移, 最后于6日00:17与, , 强对流回波带在上海中心城区合并 (图 2e~图 2f), 使上海中心城区的第一段强降水延续, 同时浦东开始强降水。

第五条强对流回波带于5日22:14在莫干山至嘉兴一带形成 (图 2d), 23:36开始进入上海中心城区 (图 2e), 赶上已在上海中心城区呈准静止的强对流回波带, 随后继续向东北偏东移动, 6日00:17与, , 在上海中心城区合并 (图 2e、图 2f), 并列于上海, 使上海中心城区的第一段强降水继续保持。

由此可见, 热带低压完成大尺度螺旋带间能量转移后, 进一步在大尺度螺旋带内部完成能量的转移, 即来自切变线以西地区的强对流回波带向上海中心城区辐合, 形成多条并列的β-中尺度强对流回波群 (图 2f)。这是由于热带低压南部的高能、高湿气团在东移接近大尺度切变线时, 受其动力抬升而爆发对流, 在到达上海中心城区时受近地层小尺度气旋环流的进一步作用所致。

2.3 云团与回波对比分析

5日夜间卫星云图上云顶亮温≤-63 ℃的对流核①自19 :00开始形成, 20 :00强烈发展, 面积迅速扩大, 雷达上强对流回波带, 也发展到最强。可见, 卫星云图上对流核①的出现和发展是强对流回波带, 发展到一定高度时的综合体现。21:00对流核①突然消失, 但40 dBz以上的强对流回波带依然存在, 只是强度稍有减弱。22:00对流核②迅速发展起来, 强对流回波带, , 也迅速发展, 23:00后, 强对流回波带在北移中减弱消失, 强对流回波带, , , 相互靠近, 面积扩大, 对流核②面积同步迅速扩大, 6日00:17回波带, , , 在上海中心城区并列成为回波群, 这时的对流核②已迅速覆盖了全上海及周边地区, 也是由于这4条回波带的合并造成的。而对流核③、④分别发生在04:00和05:00以后, 与02:00之前发展成熟的MCC不具有对应关系。

3 中尺度对流辐合体环流分析 3.1 上海中心城区的近地层小尺度辐合流场

“0185”特大暴雨发生前, 上海市辖区内已经建成了密集地面自动气象站, 其中上海中心城区的布点密度达3~8 km, 资料搜集间隔可达10 min。这些高时、空分辨率自动站为研究上海“0185”特大暴雨的环流特征提供了极为有用的资料。

图 3为8月5日22:00—6日00:00上海地面小尺度流场分析图。图中可以看到, 22:00, 位于热带低压东南的大尺度切变线已进入上海南部地区 (图 3a), 它北侧上海中心城区的风场逐渐演变为偏南气流和偏东气流的小尺度倒槽切变线 (图 3a中短的粗实线)。23:00, 上海中心城区的小尺度切变又演变为气旋性辐合环流 (图 3b)。5日23:30和6日00:00, 上海中心城区的气旋性辐合环流保持少动。另外, 强对流回波 (图中阴影区) 具有围绕热带低压中心的螺旋状结构特征, 而且内、外螺旋带有较大的距离间隔, 从回波的演变看, 23:30之前内螺旋结构完整, 尔后内螺旋回波明显减弱, 6日00:00以后内螺旋回波几乎全部转移至外螺旋位置的上海中心城区的气旋性辐合环流附近 (图 3c和图 3d)。以至热带低压成为空心低压, 而新生而少动的气旋性辐合环流的中东部地区却始终被强对流回波所覆盖。

图 3. 2001年8月5—6日上海地面小尺度流场和雷达基本反射率因子图 (a) 5日22:00, (b) 5日23:00, (c) 5日23:30, (d) 6日00:00 (图中细实线为流线, 粗实线为切变线, 西北地区“D”为热带低压中心, 上海中心城区“C”为MCC内核中的β-中尺度气旋性辐合环流中心, 阴影区为流场对应时刻≥40 dBz的反射率因子区域) Fig 3. Surface stream field and radar base reflectivity in Shanghai at (a) 22:00, (b) 23:00, (c) 23:30 of August 5 and (d) 00:00 of August 6, 2001 (thin and thick solid lines denote stream line and shear line respectively, the "D" and "C" denote the tropical depression and the meso-β scale cyclonic convergent center in MCC respectively, the shading denotes the base reflectivity lager than 40 dBz)

以上分析表明, 由于西部地区强回波不断向东转移, 上海中心城区发生大暴雨, 在正反馈机制的作用下, 上海中心城区的气柱迅速被加热膨胀, 气压降低, 并发生气旋性旋转, 使MCC得以发展成熟。由此在上海中心城区出现结构完整、独立的气旋性辐合环流, 同时由于系统移动缓慢, 上海中心城区普降大暴雨, 5日22:00—6日01:00徐家汇观测站雨量达106 mm。

3.2 雷达速度图上的中气旋

上海WSR-88D多普勒雷达安装在南汇东海岸边, 最大不模糊速度26.6 m·s-1, 经判断, 本次过程并没有出现大于26.6 m·s-1的速度模糊现象。图 3中的上海中心城区β-中尺度气旋性辐合环流中心距雷达站约25 n mile, 经查算, 该位置在雷达0.5°仰角上的探测高度为356.6 m, 在2.4°仰角上的探测高度为2046.6 m, 在3.4°仰角上的探测高度为2919.6 m。

彩图 4为8月5日23:59和6日00:05上海多普勒雷达速度图, 可见, 在常熟地区存在0~5 m·s-1的圆形弱速度区, 该圆形弱速度区就是热带低压的中心位置与2.2节中基本反射率因子图中的圆形无回波区完全一致, 在雷达的西南有5~11 m·s-1的西南入流, 在雷达东南的沪浙沿海则有5~11 m·s-1的东南入流, 即在上海市的中北部地区, 有两支分别来自热带低压南部的西南暖湿气流和东海的东南暖湿气流同时涌入, 速度流的强度与实测风强度基本一致。根据矢量叠加原理, 它们的出流应大于它们的任一入流, 然而从雷达径向速度上看, 它们在上海市中北部确实存在着强烈的辐合。图中较强的西南速度流就是热带低压南部的西南气流, 而东南速度流就是沪浙沿海的东南气流, 速度流的强度与实测风强度基本一致。

图 4. 2001年8月5日23:59和6日00:05上海多普勒雷达速度图 (a) 5日23:59, 05仰角径向速度图，（b) 5日23:59, 2.4°仰角风暴相对速度图，（c) 6日00:05, 3.4°仰角风暴相对速度图 (位于西北部位的圆体和圆心“D”示意热带低压位置，上海中心城区圆体示意正负速度中心的β-中尺度气旋性辐合环流中心，距离每圈56 km) Fig 4. Radial velocity from Shanghai WSR—88D radar at (a) elevation of 0.5° (b) elevation of 2.4° at 23:59 of August 5 and (c) elevation of 3.4° at 00:05 of August 6, 2001 (the circle around "D" denotes the tropical low, another little circle in Shanghai denotes meso-β scale cyclonic convergent center and boundary of negative and positive radar radial velcxity at the range of 56 km)

图中除了热带低压本体流场和副高西侧流场外, 在23:53的0.5°仰角基本径向速度图 (彩图 4a) 和风暴相对速度图上, 在上海中心城区分布着一对沿切向排列的正负速度中心, 最大正负速度值约为20 m·s-1, 而且在1.5°~3.4°仰角的多普勒雷达速度图上也同样存在 (图略), 它们组成一个β-中尺度的气旋性辐合系统, 简称为中气旋 (彩图 4中的蓝色圆圈)。这对正负速度中心在6日00:05 2.4°和3.4°仰角风暴相对速度图上速度值达到最强 (彩图 4b和4c), 并一直保持到00:11。这一雷达径向速度上中气旋的位置与图 3中的地面自动站实测风流场相同。而且还与卫星云图上MCC的内核和雷达基本反射率因子图中的螺旋带回波群位置相吻合。可见, 地面自动气象站发现的上海中心城区的气旋性辐合环流确实客观存在。究其根源, 在5日23:36到6日00:28基本反射率因子图像上, 回波带, 曾维持近1 h的弓型, 这是易发生中气旋的一个重要特征。

由上分析可见, 热带低压在东移过程中, 受太阳辐射影响, 低压南部对流迅速发展并不时东移进入切变线附近。受切变线动力抬升、水汽凝结和潜热释放这种正反馈机制作用, 在大尺度切变线中段北侧的上海中心城区首先形成小尺度切变线, 继而派生出一个β-中尺度的气旋性环流系统, 对雷达资料分析表明, 该环流系统向上至少可以伸展到约3000 m高度。

4 小结

通过以上的分析, 可以得到以下一些结论:

1) 2001年8月热带低压在皖南穿过副高脊线时, 由于副高正处于减弱期, 导致热带低压移动路径进一步右偏, 向江苏无锡、常熟、上海崇明岛移动, 而热带低压在移到115°N以东苏皖地区, 与东移西风槽形成南北同位相, 加剧了热带低压外围大尺度螺旋云带的活动。

2) 热带低压在东移中受沪浙沿海的东南气流阻挡而变形, 形成低压南部西南气流与沪浙沿海东南气流的大尺度切变, 受源源不断的水汽输送和切变线动力抬升作用, 对流云团在到达切变线附近时强烈发展, 并向上海中心城区辐合并列为回波群。

3) 受水汽凝结、潜热释放正反馈机制影响, 在大尺度切变线中段北侧的上海中心城区派生出一个独立、完整的近地面β-中尺度的气旋性环流———MCC的内核。

致谢 上海中心气象台王洪富助理工程师和万健高级工程师填绘了上海地面小尺度天气图, 在此一并感谢。
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