应用气象学报  2013, 24 (3): 257-267   PDF    
大陆高压对强热带风暴碧利斯内陆强降水影响
程正泉1,2,3, 陈联寿3, 李英3     
1. 区域数值天气预报重点实验室,广州 510080;
2. 广州中心气象台,广州 510080;
3. 中国气象科学研究院,北京 100081
摘要: 强热带风暴碧利斯 (0604)(简称碧利斯) 登陆后造成极其严重的灾害。对该次强降水过程诊断分析发现,除强盛的西南季风外,深厚的大陆高压也起着重要作用。自高层向低层逐渐加强的大陆高压,其东南侧深厚的偏东北气流,与碧利斯登陆后西北象限的东北风相叠加,配合强盛的西南季风,使得碧利斯残涡以及槽区得以长时间维持。涡度收支表明:长时间维持的台风槽,其低层强烈的辐合效应,对暴雨区低涡发展作用显著,致使中尺度对流系统不断发展而造成内陆连续强降水。数值试验表明:在强盛西南季风背景下,大陆高压的增强东伸,不仅能够提供高空强辐散,而且能增强碧利斯西北象限东北风,使得登陆后减弱的碧利斯残涡和台风槽得以长时间维持,致使内陆暴雨区各层涡度增加而导致暴雨维持与增幅。
关键词: 强热带风暴碧利斯 (0604)    强降水    大陆高压    涡度收支    
Influences of Continental High on Inland Torrential Rain Associated with Severe Tropical Storm Bilis (0604)
Cheng Zhengquan1,2,3, Chen Lianshou3, Li Ying3     
1. Key Laboratory of Regional Numerical Weather Prediction, Guangzhou 510080;
2. Guangzhou Central Meteorological Observatory, Guangzhou 510080;
3. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081
Abstract: The remnant vortex of severe tropical storm Bilis (0604) endures over land for a few days, results in a large range of torrential rain over South China and leads to a calamity after it lands in Fujian Province on 14 July 2006. Many studies are carried out and reveal the crucial effect of low level southwesterly monsoon jet to the extreme rain event. But the influence of the continental high on the torrential rain is also worth being discussed. The analysis of circulation shows that during the torrential rain process associated with Bilis, the continental high at upper level strengthens, moves eastwards, and stretches downwards to the low level after Bilis makes landfall, which strengthens the northeasterly stream at the southeastern side of the continental high. When Bilis moves westwards, the northeasterly stream at the low and middle levels in the northwestern quadrant of Bilis, overlapping with that southeast to the continental high, is strengthened and increases the transfer of water vapor and instability energy to the inland, which is favorable to the maintenance of the remnant low and the typhoon trough. The vorticity above the inland rainstorm area remains high during the process. The budget shows that it is the long existing remnant vortex and typhoon trough whose intense convergence at the low level produces a large amount of vorticity, triggers the successive development of MCS and results in the continuous heavy rain. The contribution of the continental high is to help the maintenance of the remnant low and the typhoon trough, and to enlarge the horizontal advection of vorticity at the upper level. And a set of numerical sensitivity experiments reveals that, based on the background of strong southwestern monsoon, the intensification and eastward stretch of the continental high not only forces Bilis to move southwestwards, but also provides strong divergence at upper level over Bilis. Besides, the continental high influences the intensity and the distribution of heavy rain. The endurance of the remnant vortex and the typhoon trough, due to the strong low level southwesterly monsoon jet and the continental high, enhances the intensification of vorticity above the inland rainstorm area and the occurrence of torrential rain. And in the sensitivity experiment of weakened continental high, the northeasterly winds in the northwestern quadrant of Bilis become weakened and the transfer of water vapor to the inland rainstorm area and the vorticity decrease accordingly, which leads to the northward movement of rain bands and the decline of rain intensity with the decrease of the 24 h rainfall maximum in the inland by 1/3, compared with the control experiment.
Key words: severe tropical storm Bilis (0604)     torrential rain     continental high     vorticity budget    
引言

台风是世界上致灾最严重的天气系统。2005年大西洋飓风Katrina重创美国南部,新奥尔良一夜之间变成一座死亡之城,造成美国历史上最为惨重的自然灾害。而2006年登陆中国东南沿海的强热带风暴碧利斯 (0604)(简称碧利斯),其大范围的连续强降水造成山洪爆发、山体滑坡和泥石流等,死亡人数超过800人,财产损失超过一百亿元。

台风暴雨一直是台风研究领域中的重点课题。研究表明,除台风本身结构和范围外,大气环流[1-5]、下垫面特征[6-8]等均可对台风的陆上维持及暴雨产生重要影响。其中,当西太平洋副热带高压加强西伸在登陆台风北侧形成强高压带时,高压南侧的东风急流会加强水汽输送和正涡度叠加,造成降雨增强。但由于高压阻止登陆台风从中高纬度地区获得斜压能量,台风衰减较快,暴雨不易维持[9]。另外,夏季亚洲大陆上空受大尺度的南亚高压控制,对西太平洋热带气旋活动及我国雨带均有影响[10-11]。当位于青藏高原的南亚高压中心东移离开高原时,其环流往往可以伸展至中低层[12],此时若有台风登陆则常会与之发生相互作用。通常认为,当台风登陆后受大陆高压阻挡往往移动变慢、强度很快减弱,暴雨也难以维持。但也有一些不同的个例, 碧利斯登陆后与强大的大陆高压相遇,缓慢偏西南行,特大暴雨维持数日。研究[13-15]表明,此次过程中强盛西南急流向低压环流的水汽、潜热输送是碧利斯环流及暴雨维持的重要原因。初步分析[16]认为,大陆高压可能对内陆的强降水有正贡献。本文对碧利斯影响期间大气环流进行诊断分析,重点讨论大陆高压在这次登陆热带气旋造成粤湘两省交界处强降水过程的作用,同时利用数值试验对诊断结果进行验证。

本文所用的降水资料取自2006年7月14日00:00 (世界时,下同)—18日00:00全国气象业务遥测站逐时及24 h降水观测资料,水平分辨率为1°×1°的NCEP/NCAR再分析资料以及2006年热带气旋年鉴资料。热带气旋减弱为低气压后的位置由低层环流中心来确定,文中重点研究的内陆暴雨区特指粤湘两省交界处 (24°~27°N, 112°~114°E)。

1 过程及环流形势简介

碧利斯于2006年7月9日在菲律宾以东西太平洋加强为热带风暴,之后向偏西北方向移动,7月13日14:20和14日04:50先后登陆我国台湾宜兰和福建霞浦,登陆福建时中心最大风速为30 m·s-1。登陆后偏西行,强度减弱,24 h后减弱为热带低压并向偏西南方向移动 (图 1a), 其低压环流维持了数日。

图 1. 碧利斯路径 (a) 及过程降水量 (b) Fig 1. The track (a) and process rainfall (b) of Bilis

碧利斯登陆后造成福建、广东、浙江南部、江西南部、湖南南部和广西大范围的强降水 (图 1b)。表 1显示,该次强降水过程强度强、范围广。24 h最大降水量和过程最大降水量分别为358 mm和629.9 mm,其中11个测站过程降水量超过400 mm,3个站超过500 mm,发生大暴雨的共有129站次。此次降水过程存在两个明显的强降雨带,一个位于福建沿海及广东东部沿海地区,另一个位于粤湘两省交界处。后者是本次强降水过程的重灾区,强降水引发了洪水泛滥及山体滑坡、泥石流等,造成巨大的灾难。分析该地区逐时降水发现,强降水主要集中在7月15日白天至16日白天 (图略)。

表 1 2006年7月14日00:00—18日00:00碧利斯降水过程概况 Table 1 Survey of rain events caused by Bilis from 0000 UTC 14 July to 0000 UTC 18 July in 2006

碧利斯登陆前,200 hPa上南亚高压加强东进,其中心逐渐移到青海东部地区 (图 2a),且高度场不断加强。华南处于其东南侧的偏东北气流,华南区域平均的散度随时间和高度的分布 (图略) 表明,从2006年7月14日开始,华南高空辐散明显加强,平均散度超过4×10-5s-1

图 2. 2006年7月15日00:00形势场 (a) 200 hPa风场 (矢量) 及高度场 (等值线,单位:gpm), (b) 500 hPa风场 (矢量) 及高度场 (等值线,单位:gpm), (c) 850 hPa风场 (矢量) 及水汽通量 (阴影,单位:g·cm-1·hPa-1·s-1) Fig 2. Circulations at 0000 UTC 15 July 2006 (a) wind (vector) and height (contour, unit:gpm) fields at 200 hPa, (b) wind (vector) and height (contour, unit:gpm) fields at 500 hPa, (c) wind (vector) and water vapor flux (shaded, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1)) fields at 850 hPa

同时,随着南亚高压的加强东进,500 hPa上大陆高压也加强,与西太平洋副热带高压连通,碧利斯其偏东、偏北和偏西方向均为高压或高压带 (图 2b),因此登陆后移动比较缓慢。由于大陆高压以及高压带的长时间维持,使得碧利斯残涡环流后期缓慢向西南移动。同时受四周高压的影响,碧利斯环流由登陆前的准对称形状变成登陆后的东北—西南向的椭圆状,向西南方向伸展的台风槽长时间维持。

碧利斯登陆后一个非常明显的特征是季风十分强盛 (图 2c)。碧利斯登陆期间,南海季风指数达到该时期最大值,比10 d后同样在福建登陆的台风格美 (0605) 偏强[16]。强盛的西南急流为碧利斯输送大量的水汽和不稳定能量。碧利斯登陆后维持24 h左右即减弱为低气压,但由强盛季风输送至华南的水汽通量仍可达30~40 g·cm-1·hPa-1·s-1以上,远大于格美 (0605) 登陆后的水汽输送。研究表明[2],水汽对登陆热带气旋的维持和强降水有重要影响。个例分析[15, 17]认为西南急流输送的大量水汽是碧利斯造成大范围强降水的根本原因。

2 大陆高压影响

从碧利斯登陆前开始,大陆高压即开始加强东进,环流中心逐渐控制河套以西的西北地区,高度场强度不断增加。分别计算大陆高压 (32°~40°N,98°~108°E) 各层 (以200, 500, 700 hPa为例) 区域平均位势高度随时间的变化 (图 3a~图 3c),可以清楚地反映大陆高压加强这一过程。2006年7月12日夜间南亚高压开始加强,此后稳定增强至15日,以后持续维持。高压加强,不仅仅体现在高层 (200 hPa),中低层 (500,700 hPa) 也表现出同样加强的趋势。计算该区域内200 hPa与各层平均位势高度的同步相关及滞后相关,发现随着层次的降低,200 hPa与该层的最大相关系数出现得越滞后 (见表 2)。因此,大陆高压的加强,首先从高层开始,逐步向低层传递,自高向低建立起强盛而深厚的大陆高压。

图 3. 2006年7月各层大陆高压区域32°~40°N,98°~108°E 200 hPa (a), 500 hPa (b) 和700 hPa (c) 平均位势高度以及碧利斯西北象限 (5°×5°经纬度范围) 平均全风速随时间-高度的变化 (单位:m·s-1)(d) Fig 3. Regional average of geo-potential height of continental high at 200 hPa (a), 500 hPa (b) and 700 hPa (c) within 32°—40°N, 98°—108°E and regional average of wind velocity (unit:m·s-1) in the northwestern quadrant of Bilis (5°×5° domain) in July 2006

表 2 大陆高压 (32°~40°N,98°~108°E) 区域平均200 hPa高度与各层高度场滞后相关系数 Table 2 Synchronous and lag correlation coefficients between regional average of 200 hPa height and that of lower levels over the continental high of 32°—40°N, 98°—108°E

分析各层流场及高度场的演变,发现随着大陆高压的加强,其东南侧的深厚东北风自高向低逐渐建立。碧利斯登陆后,即处于深厚的东北流场中,其西北象限的东北风与环境场东北气流出现叠加。计算碧利斯西北象限 (5°×5°经纬度范围) 区域平均的东北风全风速随时间-高度变化 (图 3d),发现碧利斯于2006年7月14日登陆后,由于摩擦导致能量耗散使得碧利斯西北象限东北风迅速减弱,但7月15日在650~850 hPa的中低层,东北风重新得到加强,尽管此时碧利斯残涡在地面的强度继续减弱。这种东北风加强与大陆高压加强东移导致其外围东南侧东北风的加强以及碧利斯逐渐移近大陆高压是有一定联系的。分析碧利斯环流范围内水汽通量随时间变化 (图略) 可以发现,除了碧利斯东侧及东南侧最强的水汽通量区外,碧利斯西北侧是另一个水汽通量极大值区。加强的东北风有利于水汽、不稳定能量向内陆暴雨区的输送。因此,大陆高压的加强,不仅使得碧利斯残涡移动缓慢,而且其东南侧深厚的偏东北气流,与碧利斯西北象限的偏东北风出现叠加,使得东北风得以长时间维持一定强度。

850 hPa风场及水汽通量的动态合成 (方法见文献[18]) 表明,碧利斯登陆前,强劲的低空西南急流与之相连 (图 4a),碧利斯环流呈现沿东西向轴对称分布,其中东半圆风速明显大于西半圆。登陆后,西南急流依然强盛 (图 4b),同时碧利斯环流结构也发生了变化。碧利斯东侧及东南侧是风速最大值区,其次就是西北侧的偏东北风。由碧利斯中心向西南方向伸展出一条明显的台风槽。因此,强盛的西南季风不仅输送大量水汽和不稳定能量,碧利斯登陆后西南急流与受大陆高压动力加压而加强的东北风,在湖南南部、广东西北部维持一个东北—西南向的台风槽。持续的动量输送有利于其残涡及台风槽区的维持。

图 4. 碧利斯环流的850 hPa风场的动态合成图 (矢量表示风场;等值线表示比湿,单位:g·kg-1;阴影表示水汽通量,单位:g·cm-1·hPa-1·s-1; 横、纵坐标代表距离台风中心的格点数,向西、向南为负,格距为1个经纬度,碧利斯位于网格中心) (a) 登陆前2 d,(b) 登陆后2 d Fig 4. Dynamic composite fields at 850 hPa before and after landfall (vector: wind; contour: specific humidity, unit: g·kg-1; shaded: water vapor flux, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1; coordinates represent grid number with the grid space 1.0 degree from typhoon center, while negative denotes westwards and southwards, TC center locates at the origin) (a) 2 days before landfall, (b) 2 days after landfall

3 内陆暴雨区涡度

以上分析表明,强盛的西南季风与大陆高压共同作用使东北风加强,可导致碧利斯残涡以及台风槽区的维持。涡度是度量大气旋转状态的一个物理量,能较好地反映出天气过程的强度。图 5a给出了暴雨区平均涡度随时间-高度的变化。分析碧利斯影响期间受灾最为严重的粤湘交界的内陆暴雨区 (24°~27°N,112°~114°E)(以下简称内陆暴雨区) 平均涡度随时间和高度的变化,发现从2006年7月14日开始,暴雨区涡度自高向低各层均出现显著增加,高涡度维持至17日该地区强降水结束 (图 5a),与该地区强降水过程一致。为了分析影响涡度增加的因子,采用以下形式涡度方程[19]对其涡度进行计算:

(1)
图 5. 2006年7月粤湘交界暴雨区平均涡度及其收支 (a) 平均涡度 (单位:10-5s-1), (b) 水平散度项 (单位:10-10s-2), (c) 水平平流项 (单位:10-10s-2), (d) 垂直平流项 (单位:10-10s-2) Fig 5. Regional average of vorticity and its budget over the inland rainstorm area in July 2006 (a) regional average of vorticity (unit: 10-5s-1), (b) horizontal divergence term (unit: 10-5s-2), (c) horizontal advection term (unit: 10-5s-1), (d) vertical transfer term (unit: 10-10s-2)

式 (1) 中,等号左边为垂直涡度的局地变化项;等号右边第1项为绝对涡度的水平平流项,第2项为垂直涡度的垂直平流项,第3项为水平散度项,第4项为扭转项,R为剩余项。一般认为剩余项R是涡度方程中不能显示的摩擦效应、积云尺度对涡度垂直输送作用造成的综合结果,这里作为方程余项求出。本文中对内陆暴雨区涡度的区域平均进行了涡度收支计算,发现涡度的参数主要由水平平流项、垂直平流项和水平散度项产生。图 5a~图 5d是暴雨区区域平均涡度以及上述3项的时间-高度剖面图。

绝对涡度水平散度项与绝对涡度和风的散度有关。该项值 (图 5b) 在图 5各项中最大,这是暴雨区中低层涡度最主要的来源。碧利斯登陆后,自其中心向西南方向伸展经过暴雨区的台风槽即已形成,槽区低层出现强烈辐合,600 hPa以下水平散度项导致涡度急剧增加,15日00:00前后在900 hPa附近达到最大值,超过50×10-10s-2;而600 hPa以上,除16日白天涡度短暂增加外,水平散度项均导致中高层涡度减小。分析850 hPa和200 hPa涡度及涡度平流 (图略) 可知,在碧利斯登陆后,850 hPa有热带气旋环流中心的高涡度区向暴雨区输送涡度,随后由于暴雨区受台风槽控制,低层强辐合涡度激增,此后虽然暴雨仍有来自上游的涡度输送,但暴雨区向下游输送涡度的强度更强而导致损耗涡度。而在高层200 hPa,碧利斯登陆后,从碧利斯环流的高涡度区有较强的涡度平流输送至暴雨区,15日随着碧利斯的移近,涡度平流输送强度进一步增大。对比高层环流变化可以发现,15日后高空增涡与大陆高压加强西伸、其东南侧偏东北风增强过程一致。

分析绝对涡度的水平平流项 (图 5c)、对比环流形势场以及涡度分布可知,对于中高层,7月14日开始台风本身涡旋对暴雨区的水平平流涡度输送使得涡度增加,而碧利斯西北侧加强的东北风会使这一效应更为加强。16日开始由于台风环流的迅速减弱以及向西南移动,水平平流作用减弱至不明显。而对中低层,在登陆前后台风涡旋对暴雨区的涡度水平平流输送有正贡献,但随后水平平流项对暴雨区的涡度负贡献明显。

垂直平流项与垂直涡度的垂直分布以及垂直速度有关。低层散度项导致涡度明显增加 (图 5d),随着上升运动涡度向上输送,使得暴雨区涡管得以维持。

因此,内陆暴雨区的涡度来源,在低层主要是强烈的辐合效应,在高层则是水平平流和来自低层的向上输送。因此大陆高压的加强东进,加强了其东南侧的偏东北风。在强盛西南气流的背景下,碧利斯西北象限东北风的加强,将对碧利斯残涡及台风槽的维持有利。在低层有利于台风槽区的维持,使得低层能持续产生正涡度,在中高层加强了水平涡度的平流输送,同时低层产生的正涡度也会增强涡度的向上输送。这一过程有助于内陆暴雨区高涡度的维持,对强降水的维持和增幅有利。

分析卫星云图以及雷达图 (图略) 可以发现, 内陆暴雨区涡度的变化与中尺度对流活动有很好的对应关系。碧利斯登陆后处于台风槽区的粤湘交界处有中尺度对流系统不断生成南移,导致该地区连续强降水。可以认为,强盛的西南急流和大陆高压的动力加压作用,使得台风槽区得以长时间维持,导致内陆暴雨区涡度的增加和维持,在西南急流不断输送大量水汽和不稳定能量基础上,激发旺盛的中尺度对流活动和连续强降水。

4 数值模拟结果

利用美国国家环境预报中心 (NCEP) 和大气研究中心 (NCAR) 等机构联合开发的天气研究和预报模式 (WRF 2.1.2) 非静力方案,进行数值试验。选取2006年7月14日00:00作为初始时刻,利用NCEP/NCAR 1°×1°资料初始化后积分48 h,模拟14日00:00—16日00:00的强降水过程。模式采用双向反馈两重嵌套,模拟区域中心为39°N,90°E,粗细网格格距分别为54 km和18 km,格点数分别为171×101和130×121,垂直方向为σ坐标共31层,时间积分步长为324 s。控制试验 (CTRL) 采用的物理方案如下:云微物理过程选用Lin等的方案,积云参数化方案选用浅对流的Kain-Fritsch (New Eta) 方案,长波辐射选用RRTM方案,短波辐射选用Dudhia方案,地表层物理过程为基于Monin-Obukhov方案,陆面过程选用5层热辐散方案,行星边界层过程为Eta Mellor-Yamada-Janjic湍流动能方案。文中对子区域的模拟结果进行分析,但对天气尺度系统的模拟验证使用母区域的模拟结果。

在控制试验 (CTRL) 基础上,设计敏感性试验 (EXP) 来验证大陆高压在碧利斯强降水过程中的影响。利用卢咸池等[20]提出的Legendre滤波方法,改变初始场中大陆高压的强度。即采用Legendre球谐函数对初始场进行波谱分析,通过不同的波谱截断得出初始场中的高频和低频谱,然后将高、低频波谱进行重新组合。孟智勇等[21]采用该方法成功改变了中纬度西风槽强度。据此,纬向取6波截断,将初始风场、高度场和温度场分解为高频场AH和低频场AL。初始场A=AH+AL。在高频场的中高纬度地区 (30°~50°N,55°~110°E),可以发现有深厚的大陆高压及其上游的西风槽。敏感性试验中,将高频场乘系数0.2,即A′=AH+0.2AL,新的初始场中大陆高压及其上游的西风槽明显减弱 (图略)。

4.1 控制试验及其验证

控制试验较好地模拟了碧利斯登陆后的路径 (图 6a) 和强度变化趋势 (图 6b)。对2006年7月14日00:00—16日00:00 48 h的强降水分布总体上模拟较为成功,尤其是模拟出了福建至广东东部沿海地区和广东、湖南、广西交界处的两个强降水区,但沿海地区模拟出的强降水中心较实况偏弱 (图 7)。不仅如此,模式对大尺度环流形势和温、压、湿结构的模拟与观测也较为接近 (图略)。因此,试验不仅对碧利斯登陆过程、降水有很好的模拟,而且再现了天气尺度背景场、大气的温、压、湿结构及其演变过程。下面以控制试验的结果作为参考,对比分析敏感性试验与控制试验的差异,探讨碧利斯强降水过程中大陆高压的影响机制。

图 6. 控制试验、敏感性试验模拟结果与观测对比 (a) 路径,(b) 2006年7月14—16日中心附近最低海平面气压 Fig 6. Comparison of control and sensitivity experiment outputs to observations (a) track, (b) minimal sea level pressure from 14 July to 16 July in 2006

图 7. 2006年7月观测、控制试验与敏感性试验24 h累积降水量对比 Fig 7. Accumulated rainfall in 24h from observations, control and sensitivity experiments

4.2 大陆高压的作用

在敏感性试验中,初始时刻的温度场和风场经过处理后,原来经向梯度较明显的西风带环流变得较为平直,且大陆高压明显减弱。在模式积分过程中,大陆高压仍出现加强,但强度较控制试验明显偏弱,且位置偏西 (图略)。敏感性试验中,碧利斯残涡登陆后在7月15日出现向西北方向移动 (图 6a),表明大陆高压的存在是碧利斯登陆后移动缓慢且向西南方向移动的主要原因。同时,由图 6b还可发现,大陆高压的减弱对碧利斯残涡地面最低气压影响并不明显,其与控制试验的最低气压相差很小。但对比低层碧利斯西北象限的偏东北风,可以发现高压减弱后,残涡西北象限的风速减小 (图 8a)。即控制试验中大陆高压的存在可以增加碧利斯残涡西北象限低层的东北风,这对残涡及低槽的维持有利。值得注意的是,大陆高压加强了碧利斯西北象限低层的东北风,使得低层低压槽区更容易维持,但在地面层反映不明显,地面碧利斯残涡中心附近最低气压似乎受大陆高压影响不明显。

图 8. 控制试验与敏感性试验中碧利斯西北象限 (5°×5°经纬度范围) 区域平均风速 (a) 与碧利斯高空200 hPa区域 (10°×10°经纬度范围) 平均散度 (b) Fig 8. Comparison of the regional average of wind velocity in the northwestern quadrant (a 5°×5° domain) of Bilis (a) and divergence at 200 hPa (10°×10° domain)(b) between control and sensitivity experiments in July 2006

诊断分析发现,大陆高压的存在,使得华南上空出现对强降水有利的强辐散。在控制试验中,碧利斯登陆后强度减弱,高空辐散随之减弱,但当大陆高压明显加强后,从7月15日00:00开始,高空辐散开始显著加强,为15日内陆强降水提供了有利的条件。而在敏感性试验中,由于15日碧利斯向西北方向移动 (此时大陆仍为弱的高压),高空辐散仍出现加强,但强度较控制试验明显偏弱 (图 8b)。表明大陆高压的存在及加强,加大了碧利斯高层 (大陆高压东南侧) 的东北风,从而增强了高空辐散,不仅有利于中低层的碧利斯残涡的维持,而且对华南强降水十分有利。

对比内陆暴雨区 (24°~27°N,112°~114°E) 上空大气平均涡度随时间-高度的变化 (图 9) 发现,在低层7月15日白天控制试验与敏感性试验中涡度差别较小,从15日夜间开始,如果大陆高压明显减弱,则低层涡度显著减小。对中高层来说,大陆高压的减弱会导致涡度从15日开始出现减弱。根据前面的涡度收支诊断可以认为,大陆高压的存在,15日开始加强了碧利斯西北象限的东北风,强季风条件下在低层可增强辐合效应而导致涡度增加,同时低层涡度的增加会加强涡度向中高层输送;而在中高层可导致涡度水平平流增加。中高层涡度变化在时间上的不一致,从另一个方面也证明了东北风的加强是先从高层开始的与大陆高压的加强一致。

图 9. 2006年7月内陆暴雨区 (24°~27°N,112°~114°E) 平均涡度随时间-高度的变化 (a) 控制试验,(b) 敏感性试验 Fig 9. Regional average of vorticity over the inland rainstorm area 24°—27°N, 112°—114°E in July 2006 (a) control experiment, (b) sensitivity experiment

对比分析控制试验和敏感性试验的降水结果发现, 7月14日00:00—15日00:00 24 h累积降水量差别不大 (图略),这是由于此时碧利斯离大陆高压仍较远,二者之间的相互作用并不显著。而15日00:00—16日00:00沿海地区降水强度与分布仍十分相似,但粤湘交界附近地区降水出现较明显差异。首先,敏感性试验的内陆强降水区位置较控制试验更偏北,且强降水的东北—西南走向变成准对称分布 (图 7),这与削弱大陆高压后碧利斯残涡移向西北方向、残涡环流环流非对称性减弱有关。同时,内陆强降水中心最大值由控制试验的286 mm减弱至敏感性试验的192 mm,减少了1/3左右。

5 小结

强热带风暴碧利斯 (0604) 登陆后迅速减弱,但其带来的连续强降水造成洪水泛滥、山体滑坡和泥石流等,造成近年来罕见的严重的气象灾害。强盛的季风输送大量水汽和不稳定能量是造成本次大范围强降水的根本原因,分析发现碧利斯登陆后深厚的大陆高压加强东进对其残涡的维持及强降水有重要影响, 并得到以下结论:

1) 大陆高压在高层的加强东进,其动力加压使其逐步向低层扩展。这一效应使碧利斯登陆后其西北象限的偏东北风增强,不仅增加了向内陆暴雨区水汽和不稳定能量的输送,而且与强盛的西南急流相配合,对碧利斯残涡及槽区的长时间维持有利。

2) 诊断分析结果表明:大陆高压对粤湘桂交界暴雨区在强降水期间维持高值涡柱有贡献,体现在增强碧利斯西北侧的东北风、对槽区的维持有利,从而在槽区低层持续产生正涡度、高层加大涡度水平输送。

3) 数值试验表明:深厚大陆高压的存在,不仅使碧利斯登陆后的残涡缓慢向西南方向移动,还为华南提供高空强辐散场。同时,大陆高压的加强,使得处于其东南侧的碧利斯残涡西北象限的东北风增大,有利于台风槽的维持,从而使内陆暴雨区出现涡度明显增加而导致强降水的发生。当大陆高压减弱时,内陆强降水极值将减小1/3左右。

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