2009, 20 (3): 295-302
全球气候变暖所带来的极端天气气候事件越来越多, 仅2007年7月我国就有许多地方多次出现了极端天气事件。其中, 以7月18日济南及其周边地区遭受特大暴雨的袭击尤为显著, 从17:30—20:30 (北京时, 下同), 短短3 h济南市的降水量就达到了153.1mm, 突破历史极值, 成为该市有气象记录以来的最大值。这种历时短、强度强的突发性暴雨往往是在一定的大尺度环流背景下由中小尺度系统直接造成的, 许多气象工作者已从不同的角度对这种中尺度降水作了研究[1-3]。柳艳菊等[4]通过对1998年南海北部夏季风爆发时在大尺度背景下中尺度对流活动及降水形成的物理条件的讨论, 揭示了中尺度对流系统和中尺度雨带形成的可能机制。张顺利等[5]、廖移山等[6]、矫梅燕等[7]分别对造成长江中下游地区、淮河地区和西南地区暴雨过程的大尺度条件及中尺度特征进行了分析, 认为中尺度系统的发展是造成强降雨的主要原因。但是, 这些研究主要侧重于探讨南方暴雨成因, 而对北方暴雨的研究相对较少。近年来, 北方暴雨影响逐渐凸现, 一些学者开始关注北方的强对流天气, 毛冬艳等[8]、张丰启等[9]对华北地区夏季暴雨成因作了分析, 认为冷空气入侵是夏季北方暴雨的主要诱因, 而中尺度辐合则为降水提供了有利条件。这些研究从不同侧面探讨了北方暴雨成因, 但对其突发性的分析还不够深入。
本文针对2007年7月18日济南市突发性大暴雨天气过程, 以常规资料为基础, 结合NCEP再分析资料、FY-2C卫星反演资料和首次应用于业务的FY-2双星15min间隔的云图动画, 对造成本次暴雨过程的大尺度环流背景和中尺度系统的发生发展原因及其特征进行了分析和探讨, 以期为北方地区夏季突发性暴雨的监测和预报提供参考。
1 降水实况2007年7月18日傍晚, 济南市自北向南出现了一次突发性的暴雨到特大暴雨天气过程, 雨势强、历时短、范围小, 具有明显的中尺度对流性降水特征。从济南市自动站的逐时雨量记录可以看出, 降水主要集中在18日17:30—20:30, 3 h降雨量高达153.1mm, 突破历史极值。
2 暴雨形成的大尺度环境场 2.1 大尺度环流形势暴雨发生前的17日14:00 (图略), 对流层中层500 hPa形势场上亚洲中高纬地区呈两脊一槽型, 贝加尔湖东北部有一低槽, 中西伯利亚地区和鄂霍次克海一带各维持一高压脊。冷空气沿着中西伯利亚高压脊东侧的西北气流南下, 促使贝加尔湖东部的低槽快速发展, 并有切断低涡形成。18日14:00 (图 1), 低涡向东南方向移动, 其中心位于我国黑龙江北部边境, 强度进一步加强、范围扩大, 主斜槽位于贝加尔湖东南方, 前方已有冷空气抵达河北北部与内蒙古中部的交界处。之后, 随着地面锋面系统的东移, 它进一步向东南方向移动, 成为济南大暴雨突发的触发系统。
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| 图 1. 2007年7月18日14:00 500 hPa位势高度场 (单位:dagpm) 和850 hPa风矢量场 (粗实线为500 hPa槽线，粗虚线为850 hPa切变线; 黑色圆点为济南市, 下同) Fig 1. The geopotential height of 500 hPa (unit：dagpm) and wind field of 850 hPa at 14：00 on July 18, 2007 (solid line is for the rough, dashed line is for the shear; black dot is Jinan, hereinafter) | |
与此同时, 副热带高压明显加强西伸北抬, 18日14:00它已与位于我国黄海至日本海一带的弱脊相叠加, 形成了一条东北—西南向的脊轴, 十分有利于其西北侧来自较低纬度的西南暖湿气流输送到黄河下游一带, 为大暴雨的形成提供水汽条件。
由图 1可见, 在对流层低层850 hPa上有一条东北—西南向的切变线位于500 hPa华北槽的下方, 与其形成前倾槽结构, 反映出中低层大气处于不稳定状态。切变线后方是回流南下的冷空气, 前方是一支16 m/s左右的西南低空急流, 急流与500 hPa上较强的西南气流叠置, 构成贯通中低层的深厚的西南暖湿气流, 将低纬度地区的水汽和热量畅通无阻的传送到山东北部, 为大暴雨的发展提供水汽和能量。
2.2 高、低空急流高、低空急流对强降水天气的产生有着重要作用。一般高空急流的抽吸作用有利于上升运动的维持和加强, 是产生高空辐散的重要机制之一[10]。偏南的低空急流向北输送大量水汽和能量, 是形成强降水的主要水汽源[11], 而高、低空急流的耦合是有利于暴雨或大暴雨产生的重要机制。
17日08:00—18日14:00, 200 hPa上位于我国中东部40°N附近的西风急流出现了一次显著的加强, 30 h内最大风速由36 m/s增加到52 m/s (图略), 急流轴位于黑龙江中北部至内蒙古中部一带。在此时段内, 这支高空急流南侧的大陆高压也明显加强, 济南恰好位于急流入口区右侧、大陆高压东北侧的辐散区下方, 此处盛行偏北辐散气流。
同时, 850 hPa上 (图略), 西南风急流伸展至山东境内的黄河下游一带, 位于200 hPa急流入口区右侧辐散气流的下方, 二者形成了很好的高、低空耦合, 山东北部恰好处于耦合区内。
3 中尺度对流系统发生发展的卫星图像特征在上述有利于暴雨形成发展的大尺度环境场中, 暴雨能否发生以及出现在何处, 取决于中尺度对流系统的发生和发展。下面运用卫星资料作进一步分析。
3.1 水汽图像上的水汽羽水汽图像可以反映对流层中上部的水汽分布[12], 并可以看出夏季北方暴雨形成的低纬度地区水汽输送和中低纬度系统的相互作用[13], 同时, 水汽图像上的明暗特征还和大气的动力特征紧密相连[14]。通过15 min一次的FY-2双星水汽图像 (图略) 演变可以看出, 在大暴雨发生前夕, 自孟加拉湾向东北方向伸展的热带水汽羽有明显的变亮过程, 说明有较强的上升运动维持。18日15:00 (图 2) 左右形成了一条白亮的水汽输送带“A—B”, 直抵华北南部。在它的东南侧伴有低空急流 (图 1), 低空急流的左前方有中尺度对流云团生成和发展, 可见强劲的西南风将低纬度充足的水汽不断地向北输送, 抵达黄河下游一带。同时, 在东北平原东部至华北东南部上空还有一条中纬度水汽羽“C—D”, 位于高空急流轴东段的南侧, 中尺度云团出现在急流入口区右侧, 距离急流轴约3~4个纬距。在中纬度水汽羽“C—D”西南端后部的渤海西岸、辽宁西南部、天津以及河北东部一带逐渐变得灰暗, 说明对流层上部的干空气出现强烈的下沉运动, 下沉区的前缘已抵达山东北部。随后已下沉的干冷空气在低空回流的作用下向西南方向入侵, 与北上的西南暖湿气流在山东北部碰撞, 产生若干个强的对流云团, 它们迅速发展、合并, 造成了这场大暴雨的突发。
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| 图 2. 2007年7月18日15:00 FY-2C卫星水汽图像 Fig 2. FY-2C water image at 15：00 on July 18, 2007 | |
3.2 红外云图上对流云团的形成发展
8月17—18日15 min间隔的FY-2双星红外云图动画显示 (图略):贝加尔湖东部的低涡云系在向东偏南方向移动过程中不断发展, 与之相伴的锋面云系向华北平原北部移动, 其后边界逐渐变得清晰整齐, 表明锋面云系后部的冷空气在不断加强。18日13:00位于山东北部、晋冀交界处的锋面云系尾部有若干个小对流单体生成, 面积迅速扩大, 很快覆盖了山东北部、河北南部及山西东南部一带; 14:30对流单体发展为对流云团, 并有相互合并的趋势; 15:15位于山东北部的对流云团和位于河北南部的对流云团的外边界开始相接, 云团面积继续扩大, 其南部边界临近济南市。之后对流云团合并发展, 并随锋面云系进一步东移南压, 于18日16:00—19日05:00移过济南市, 并在17:00—21:00短短4 h给济南市带来了特大暴雨。
为了定量追踪此次暴雨过程中上述云系内云团的形成发展过程, 选用FY-2C卫星探测反演的逐时红外辐射亮温 (TBB) 资料作具体分析。
18日13:00, 上述锋面云系在冀鲁交界处和冀西偏南的地方各有多个小对流单体活动 (图 3中A, B)。14:00前后, 对流单体A面积已明显膨胀, 云顶冷云盖的亮温达到-62℃以下, 对流单体B与其西侧和南侧的小对流单体合并, 发展成一个较大的云团, 云顶亮温低于-52℃。16:00, 对流云团A, B经过迅速发展, 发生合并, 云顶亮温低于-72℃的区域明显扩大, 济南市恰好处于原云团A的南侧, 此处具有较大的亮温梯度。之后, 它们进一步发展南移, 17:00, 云团A, B继续强烈发展, 并在二者合并处激发出一个新的深对流云团C, 其云顶亮温低达-82℃。18:00—19:00, C云团强烈发展, A, B, C 3个云团以C云团为中心发展成一个200 km× 200 km的准圆状大云团, 中心处TBB值低于-82℃的面积明显扩大, 济南市位于其中心处。20:00—21:00, C云团中心处-82℃以下的强对流核缓慢南移, 形状逐渐演变为椭圆状, 济南市位于其北部边缘, 该市的强降水明显减弱, 并趋于结束。
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| 图 3. 2007年7月18日13:00—21:00 FY-2C卫星 BB分布图 (单位: ℃;阴影为TBB低于-32℃) Fig 3. The infrared brightness temperature of FY-2C during 13:00-21 :00 on July 18, 2007 (unit: ℃; shaded areas denote infrared brightness temperature below -32℃) | |
通过上述分析可知, 此次济南市突发性大暴雨天气是由嵌入冷锋云系尾部的两个中尺度对流云团合并后快速激发出的一个新的深对流云团造成的, 两个云团在进一步合并中强烈发展, 对流十分强盛, 在济南市上空前后历时不足5 h, 具有明显的中尺度特征。
3.3 降水量与TBB的关系图 4展示了济南市逐时降雨量与TBB的关系。从中可以看出, 在大暴雨出现前, 济南市上空的云顶温度急剧下降, 14:00—16:00, 云顶亮温从15℃快速降至-69℃, 2 h后的TBB值逐渐降低到-89℃, 对应的降水则是在TBB值下降速率变缓的17:00以后才爆发, 这表明对流云团内上升运动发展强烈, 云顶急剧升高, 低层大量水汽被送至高空, 不稳定能量经过聚集后, 突然释放, 促使了大暴雨的突发。当云顶温度降至最低时, 对流云团发展成熟, 最强降水相伴而来。19:00以后, TBB缓慢升高, 对流上升运动减弱, 降雨强度也快速减小, 直至停止。
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| 图 4. 2007年7月18日08:00—19日07:00济南市每小时降雨量和FY-2C逐时TBB变化 Fig 4. The change of ihe hourly precipitation and FY-2C hourly TBB from 08：00 on July 18 to 07：00 on July 19, 2007 | |
TBB值和降水量的这种逐时变化, 对于突发性强降水来说, 在有充沛水汽供应的情况下, 对流云团的发展速度越快, 说明上升运动越强, 能量聚集越快, 越容易产生突发性暴雨, 而强降雨一般出现在云团强烈发展接近成熟的阶段。TBB值转为升高, 云顶高度开始降低, 则说明上升运动减弱, 预示着大气层结开始由极不稳定向稳定方面转换, 降水量将减小。TBB和降水量的这种对应关系, 为用云图制作强对流降水短时和临近预报提供了重要线索。
4 物理量场特征 4.1 稳定度分析突发性暴雨的产生必须有足够的不稳定能量。暴雨出现前夕, 济南站的探空曲线 (图略) 显示, 济南市上空400 hPa以下为一致的西南风, 300 hPa以上高层为西北风。这种风向随高度顺转, 说明中低层盛行暖平流。同时, 650 hPa以下, 温度露点差很小, 尤其在900~700 hPa之间, 温度露点差几乎为0℃, 表明低层大气十分潮湿。而650~600 hPa之间的温度露点差出现急增, 达到12℃以上, 之后虽然温度露点差有所减小, 但到550~300 hPa的高度, 温度露点差再次出现急剧增加, 这说明中层大气非常干冷。这种中层干冷、低层暖湿的结构表明济南市上空大气层结非常不稳定。从不稳定能量在暴雨发生前后的变化 (表 1) 可以看出, 暴雨发生前济南市上空有很强的不稳定能量, 为其特大暴雨的产生提供了有利条件。而能量释放主要集中在14:00—20:00, 说明由于强对流性天气的产生, 不稳定能量释放得很快。
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表 1 2007年7月18日暴雨发生前后不稳定能呈的比较 Table 1 The comparison of instability energy between the pre-past rainstorm on July 18, 2007 |
从沿117.0°E假相当位温θse的经向垂直剖面图可看出, 18日14:00 (图 5), 在低层850 hPa以下济南市处在暖舌之中, 近地面层θse接近370 K。随着高度的上升θse逐渐减小, 500~300 hPa之间为θse低值区, 形成一个强的不稳定层, 一旦低层有扰动出现, 很容易触发对流产生。对流活动后期 (18日20:00, 图略), 济南市低层虽然仍维持一个θse的大值区, 但暖舌已经不复存在, θse的低值区也下降至600~400 hPa, 可见其上空的不稳定能量已明显减弱。19日02:00, 济南市附近的θse线几乎呈直立状 (图略), 说明由于有效能量的释放, 大气层结已趋于中性, 伴随的降雨也相应结束。
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| 图 5. 2007年7月18日14:00沿117°E的θse经向垂直剖曲图 (单位: K; ▲为济南市） Fig 5. Meridian-height section of θse along 117.0°E at 14:00 on July 18, 2007(unit: K; ▲ is Jinan) | |
4.2 垂直运动场
蒋尚城的研究指出, 卫星观测的射出长波辐射 (OLR) 值的大小可以很好地反映大气的垂直运动和散度风[15]。当OLR值大于250 W/m2时对应为下沉区, 当OLR值小于220 W/m2时对应为上升区, 且OLR值越大或越小, 所反映的大气中下沉运动或上升运动也就越强。在18日08:00—19日05:00沿117.0°EOLR时间-经向剖面图 (图略) 中, 18日15:00之前, 济南市上空为下沉区, 之后的两个小时里, OLR值迅速下降, 说明上升运动加强迅速, 在暴雨发生阶段 (17:00—21:00), OLR值维持在100 W/m2以下, 表明济南市上空维持着很强的垂直上升运动, 低层辐合和高层辐散都十分强烈, 对流凝结潜热释放量大, 这与表 1中所示的不稳定能量的变化相一致。21:00之后, OLR值开始增大, 上升运动逐渐减弱, 凝结潜热释放量减少, 降水趋于停止。
4.3 地面流场和温度场在18日14:00的地面流场 (图 6a) 中, 晋冀交界处和渤海湾处各有一个辐合中心, 分别对应于TBB图上的两个中尺度对流云团。济南市位于包括它们在内的变形场东南部的辐合区内 (粗点线圈区), 此处盛行西南风。之后, 随着这个变形场向东南方向移动, 其内的辐合进一步加强。由逐小时自动站气压变化看到, 暴雨发生前, 济南市的地面气压不断下降, 并于15:00左右发展出一个闭合的中尺度涡旋 (图 6b), 且一直维持到17:00左右, 其间济南市的最低气压值达到990.5 hPa。
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| 图 6. 2007年7月18日14:00地面流场 (a) 和17:00地面气压场 (b) (Unit: hPa) Fig 6. The surface stream field at 14:00 and the surface pressure field at 17:00 on July 18, 2007 (unit：hPa) | |
为了进一步探寻暴雨的突发性, 查找冷空气的来源, 绘制了18日14:00 925 hPa 24 h变温场 (图 7), 可以看出, 在过去24 h内, 东北南部至华北北部一带出现了4℃以上负变温, 其中最大负变温区位于冀辽蒙3省交界处, 达到-12℃以下, 最大负变温区与水汽图像上中纬度水汽羽西南端后部的暗区相对应, 表明干冷空气通过下沉运动已渗透到低层。在18日14:00 850 hPa温度场 (图略) 中, 东北至河北东部为冷气团控制, 而济南市的南面则是一暖脊, 在随后的几个小时里, 冷空气在850 hPa切变线后部东北风回流的作用下逐渐向西南方向入侵, 加强了边界层内冷暖气流的辐合。并在18日17:00左右到达济南市附近, 加剧了此处的大气层结不稳定, 触发了强对流天气的产生。
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| 图 7. 2007年7月18日14:00 925 hPaa 24 h 变温场 (单位: ℃) Fig 7. The 24-hour change temperature field of 925 hPa at 14:00 on July 18, 2007 (unit: ℃) | |
4.4 水汽条件
充足的水汽为暴雨的维持提供了有利条件。18日14:00, 西南地区东部至黄淮北部一带500 hPa以下的相对湿度普遍大于70%, 700 hPa的相对湿度达到80%以上, 济南更是高达90% (图略)。在18日14:00 1000~400 hPa整层积分的水汽通量散度场 (图 8) 中, 济南市的西部、东部和东北部各有一个带状水汽辐合区, 其中西部辐合区内嵌有3个较强的辐合中心, 在850 hPa上16 m/s的强西南风急流的作用下, 位于河南省东北部辐合区中的强辐合中心逐渐向山东北部推进, 与济南市东部的强水汽辐合区合并加强, 为济南市随后的大暴雨储备了充足的水汽。
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| 图 8. 2007年7月18日14:00 1000~400 hPa水汽通量散度场 (单位：10-4g/(s·hPa·cm2), 虚线为最大水汽通量散度轴） Fig 8. The divergence of water flux integrated from bottom to 400 hPa at 14:00 on July 18, 2007 (unit：10-4g/(s·hPa·cm2), dashed line indicates the maximum axis of water flux divergence) | |
5 小结
本文综合运用FY-2号卫星高时空分辨率资料、常规资料、自动站加密观测资料以及NCEP再分析资料, 对2007年7月18日济南市百年一遇的突发性大暴雨天气过程的成因及其特征进行了分析, 得到以下结果:
1) 此次突发性大暴雨天气过程, 发生在中层低涡的南侧和西风带高压脊叠加区的西部边缘处, 位于200 hPa急流入口区右侧的辐散场中, 850 hPa上16 m/s左右的西南风急流顶端在此与其耦合。暴雨发生前期, 高、低空急流和副热带高压出现明显加强, 为此次大暴雨的突发提供了有利的高能高湿大尺度环境场条件。
2) 这次大暴雨是由冷锋云系尾部的两个强中尺度对流云团在合并过程中激发出的一个新对流云团强烈发展造成的。500 hPa短波槽东移, 冷锋云系后部的冷空气入侵, 激发了前方暖湿空气中对流单体的发展, 它们经过发展合并之后再次激发出一个深对流云团, 它具有准圆形结构, 水平尺度为200 km×200 km, 时间尺度不足5 h, 有明显的中尺度特征, 地面还对应一个中尺度低压系统。
3) 暴雨发生在强的对流不稳定层结条件下, 850 hPa以下有明显的假相当位温暖舌。深厚的强西南风将低纬地区的暖湿空气输送到山东北部, 并与向西南方向回流的冷空气碰撞, 导致能量锋区加强, 触发了暴雨的产生。
此外, 这次强降雨天气过程造成的严重后果说明虽然气象部门能够预报出降雨, 但在其量级把握上明显不足, 可见目前对于此类由中小尺度系统引发的突发性、短时强降雨的准确预报能力还比较差。通过分析发现, 对于这类降水, 仅凭常规观测资料和数值预报产品, 预报水平难有改观, 而已投入业务使用的FY-2号卫星15 min一次的高时间分辨率云图资料对此类暴雨的监测和临近、超短时预报有着重要作用。
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