梅汛期中的暴雨和大暴雨环流特征及物理量诊断分析.pdf

第27卷 第1期气象科学Vol. 27 , No. 1 2007年2月SCIEN TIA METEOROLOGICA SINICAFeb. , 2007 梅汛期中的暴雨和大暴雨环流特征 及物理量诊断分析 尹东屏 胡洛林 曾明剑 陶 玫 徐惠茹 (江苏省气象台,南京210008) 摘 要 2003年江苏省梅雨期暴雨频繁,大部分地区的总降水量多于历史平均。本文利用 对比分析的方法,抓住典型个例,将其与梅雨期12个暴雨日的平均环流场、 物理量场进行了对比 分析,得到日暴雨量的增强与物理量参数的增大密切相关。 关键词 梅汛期 暴雨 物理量 诊断分析 分类号 P458 文献标识码 A 收稿日期:2005211214 ;修改稿日期:2006201224 基金项目:本文由国家自然科学基金项目(编号:40475017)资助 第一作者简介:尹东屏(19572 ) , 女(汉 ) , 江苏南京,学士,高工,现在江苏省气象台,主要从事短期天气预报研究 E2mail :ydpyl 引 言 梅汛期暴雨的研究,从天气学角度分析主要与副热带高压的进退和弱冷空气的南下有关,仅仅考虑这两 个因素,无法预报出梅雨量的大小。陶诗言指出,暴雨水汽来源在水平方向输入主要是在对流层低层,它是 靠西南风低空急流大量向暴雨区输送水汽1。低空辐合、 高空辐散、 低空正涡度区、 高空负涡度区是暴雨产 生的主要动力条件2。有人曾对江苏梅汛期三场暴雨进行数值模拟分析,得到高层辐散量大于低层辐合量, 有利于低层辐合的维持和发展3。梅汛期是江苏暴雨频发期,这一时期也易产生大暴雨。2003年的梅雨从 6月21日开始,7月12日结束,共计22 d。江苏共出现12个暴雨日,大部分地区的总降水量多于历史平均, 其中暴雨日占总梅雨日数的57 % ,其中江苏沿江苏北11个暴雨日,苏南2个暴雨日。大范围暴雨日比1954 年以来最涝的1991年更为集中,主要集中在沿江苏北地区。7月5日的区域性大暴雨,是2003年梅汛期强 度最强的一场暴雨。为了对暴雨量的产生机制有较好的认识,文章将2003207205的大暴雨作为典型个例, 将其与2003年梅汛期暴雨的合成平均场在天气形势、 物理量场等方面进行了对比研究。得到:暴雨量的大 小与急流的强度及水汽通量散度的大小密切相关,涡散度、 垂直速度场的计算量也反映了同样事实。从而为 进一步研究暴雨与大暴雨环流及条件差异,为提高梅汛期暴雨和大暴雨的预报能力作了有益的探讨。 1 2003年梅雨期降雨的分布特点 1. 1 暴雨落区较为稳定 2003年梅雨期的暴雨落区较为稳定,主要集中在沿江苏北,大暴雨落区也集中在这一区域。 1. 2 南北雨带分布较宽 按梅雨的定义,应为江苏省淮河(苏北灌溉总渠)以南的气候特征,然而,2003年在江苏淮河以南处于梅 雨期的同时,淮北地区也出现了较强降水。 1. 3 降水量偏多 2003年梅雨期江苏沿江苏北许多市县的总降水量超过500 mm ,是历史平均值的3倍,个别市县达到历 史平均值的45倍(宿迁)。总梅雨量的大值区主要集中在西部地区,雨带呈经向型,有6个市县超过了 600 mm ,最大梅雨量在江浦,为672 mm。 1. 4 降水强度较集中 2003年梅雨期共出现12 d暴雨,在梅雨期中,平均不到2 d一场暴雨,暴雨日密度之大实属罕见,使江 河湖泊汛情严重。 2 2003年梅雨期天气形势特征 2. 1 副热带高压 江淮流域梅雨的形成,与西太平洋副热带高压的季节性西伸、 北进密切相关。2003年入梅日为6月21 日,500 hPa 120E副高脊线由20日的17N北上至22N ,在梅雨期内,120E副高脊线在1727N之间 摆动(见图1) ,588线基本稳定在2832N之间,588线北缘的暖湿气流为暴雨的生成提供了有利条件。 分析表明,除22日、26日、29日的三场暴雨外,另外9场暴雨的120E副高脊线位置都在2427N之间。 可见,梅雨期内偏北的副高脊线位置是2003年梅雨期中沿江苏北的暴雨日数远大于苏南的根本所在。 图1 0721707214 500 hPa120E副高脊线动态 (6 月21日入梅,7月12日出梅) Fig. 1 The trends of subtropical ridge along 120E at 500 hPa from June 17 to July 14 (beginning of the Meiyu period on June 21 ,end of the Meiyu period on July 12) 2. 2 中纬度低压槽 2003年梅雨期,亚欧中纬度主要呈纬向环流,12次暴雨过程中500 hPa上9次有中纬度低槽活动,其它 三次为低空切变。低槽东移南下所带来的冷空气,激发了中尺度系统生成,产生暴雨。 2. 3 中低空切变线 2003年梅雨期暴雨形势中,中低空切变线起到了关键作用。暴雨发生在低空辐合、 高空辐散的条件中, 除7月3日的过程外,每场暴雨过程都有切变线存在,暴雨的落区在850 hPa切变线一到两个纬距里。 2. 4 地面冷锋和低压 地面低压系统或冷锋附近,常是低层偏北气流与偏东或偏南气流形成切变线的地区,这也是强对流发生 发展的一种触发机制。2003年暴雨天气系统的最大特点在于地面低压系统活动频繁,12次暴雨过程中共有 10次我省有地面中低压活动,另外两次为冷锋活动。 3 2003年7月5日暴雨特征 3. 1 强降水带纬向分布 2003年7月5日大暴雨的降水过程是2003年梅汛期暴雨范围最大,大暴雨最多的一次暴雨过程,降水 落区在沿江和江淮之间,雨带呈纬向型,有18个市县下了大暴雨,丹阳和靖江下了特大暴雨,24 h最大降水 量为238. 2 mm ,出现在靖江(见图 2) 。 3. 2 低层有低压系统 7月5日大暴雨的主要天气形势,08点地面图上有一低压环流在安徽中部,14点移至江苏沿江江淮,20 点移出。而850 hPa和700 hPa均有低压系统与地面低压环流相配合。 4 2003年梅汛期暴雨日合成平均和7月5日暴雨天气形势对比分析 4. 1 500 hPa天气形势对比分析 图3为12次暴雨日合成平均和7月5日大暴雨的500 hPa形势图,它们的共同特点是:120E副高脊 341期 尹东屏等:梅汛期中的暴雨和大暴雨环流特征及物理量诊断分析 图2 07205T05 - 06T05 05 h江苏省降水量(单位:mm) Fig. 2 The rainfall at 0500 from July 5 to July 6 (unit :mm) 图3 暴雨日合成平均(a)和7月5日大暴雨(b)的500 hPa环流图和850 hPa急流区 (淡阴影部分,风速 12m/ s ,深阴影部分,风速 14m/ s ,其中实黑曲线是槽线,虚线是副高脊线) Fig. 3 The 500 hPa circulation and the 850 hPa jet flow of composite average of rainstorm(a) and heavy rainstorm on July 5 (b) (the shade is wind speed12m/ s ,the black shade is wind speed14 m/ s , the solid lines are trough2lines , the dash line is subtropical ridge) 线在26N ,586线在长江口,四川西部为一浅槽区,槽前有西到西南气流向江淮地区输送着暖湿气流,华西 低槽东移,槽前暖空气与北方的冷空气交汇于淮河流域以南地区,这是形成梅汛期暴雨天气的天气尺度环流 系统。所不同的是:图a中纬度在华北有低槽,而7月5日大暴雨河套低槽与华西低槽相结合,形成了一较 深的槽区,使得7月5日大暴雨西南气流的偏南分量明显大于暴雨的平均环流场。因此较深的华西低槽是 造成7月5日大暴雨的500 hPa环流特点。 4. 2 低空急流对比分析 低空急流对暴雨一共有三个方面的贡献,一是通过低层暖湿平流的输送产生位势不稳定;二是急流出口 区的左前方有明显的水汽辐合和质量辐合的强上升运动;三是在急流的左前方有正涡度区。图3中阴影部 分为850 hPa风速 12 m/ s的低空急流合成,图3a和图3b中阴影部分为东北-西南走向的带状急流区,图 3a急流的出口区位于江苏淮河以南地区,为一狭长的带状;图3b中的急流带明显宽于合成平均场,强度也 强于合成平均场,有大于14 m/ s急流带(见图中阴影暗区)。两条急流带都处于高空槽前和副热带高压西北 44气 象 科 学 27卷 侧的暖区之中。它们的存在造成了很强的暖湿气流平流,使得南方的暖湿气流通过西南(或偏南)急流通道 向江苏输送,加强了层结不稳定度,而且可以加强低层的扰动,致使垂直方向的温湿层结结构发生变化,构成 对流不稳定。急流的存在,也造成急流的左前方存在明显的风速不连续区,非地转风加强,气压梯度力与地 转偏向力不平衡,该区正是辐合上升的急流动力作用区,从而为形成暴雨的中尺度天气系统的发生发展创造 了条件。 5 2003年梅汛期暴雨日合成平均和7月5日暴雨水汽和热力条件特征分析 图4 暴雨日的水汽通量散度合成平均(a)和7. 5大暴雨水汽通量散度(b) (单位:10 - 7g/ cm2hPa s) Fig. 4 The moisture flux divergence of composite average of rainstorm (a) and heavy rainstorm on July 5(b) (unit :10 - 7g/ cm2hPa s) 5. 1 水汽通量散度对比分析 水汽通量散度反映了水汽辐合量的大小,图4说明了暴雨日合成平均和7月5日大暴雨水汽辐合情况。 图4a中看出,暴雨日合成平均水汽通量散度中心位于江苏的沿江苏北地区,最大中心值是- 1510 - 7 g/ (cm hPas) ;而图4b是7月5日大暴雨水汽通量散度,从安徽到江苏有一最大水汽通量散度的辐合带, 最大水汽输送轴线沿着32N ,08时最大中心值在安徽境内,为- 3010 - 7 g/ (cmhPas) ,明显大于暴雨 的合成平均场。配合850 hPa急流图(图3b) ,最大中心值位于急流带的左侧,在强盛的西南急流输送下,水 汽辐合中心向江苏移动,7月5日白天雨量逐渐增大,这与实况相符。 5. 2 E指数对比分析 E =se850+se700+se500- 3273. 16表征夏季风中具有高温高湿且位势不稳定的气团,图5a、b分别为暴 雨E合成平均图和7月5日大暴雨E值形势图。图中可以看到,合成平均图中的E高值中心轴线在3132 N ,位于淮河以南地区,其数值为200210,大值区尚在四川贵州等地。7月5日大暴雨日虽然高值中心 轴线比合成平均值略偏北,但沿江和江淮之间均处于220 的大值区,比合成平均值要大1015。7月5 日大暴雨是从6月29日以来江苏区域内连续出现的第七场暴雨,但是其降水量之大,暴雨范围之大的确比 较少见,这与高E的贡献分不开,E值明显的增大给7月5日大暴雨营造了良好的温湿条件。 6 2003年梅汛期暴雨日合成平均和7月5日暴雨动力条件特征分析 为进一步说明有2003年梅汛期暴雨和7月5日大暴雨涡、 散度垂直方向的动力特征,我们用T213资料 沿32N制作合成平均和7月5日大暴雨涡度、 散度的垂直剖面图 6. 1 涡度垂直剖面图对比分析 暴雨日合成涡度剖面图中(图略 ) , 涡度大值区位于118E附近,与总雨量的大值区相对应,其高度800 541期 尹东屏等:梅汛期中的暴雨和大暴雨环流特征及物理量诊断分析 图5 暴雨期间(a) E指数合成平均和7. 5大暴雨(b) E指数形势图(单位: C) Fig. 5 The E2index of composite average of rainstorm (a) and heavy rainstorm on July 5 (b) (unit : C) 880 hPa ,中心值为2610 - 6/ s。正涡度区一直伸展到 460 hPa高空。其上为负涡度区,中心值在200 150 hPa附近,为- 4810 - 6/ s。而 7. 5大暴雨日的涡度垂直剖面图中的强中心则明显强于合成图,正涡度 区横跨近10个经度,中心值位于700 hPa ,为7010 - 6/ s ,比合成图大 4410 - 6/ s。60 10 - 6/ s 的正涡度区 从770 hPa一直伸展到640 hPa高空,也明显高于合成图的高度,它的正涡度区达到400 hPa的高度。其上 的负涡度区,中心值的区域在250 hPa左右,为- 7510 - 6/ s ,比合成场的中心值大 2710 - 6/ s。而且正涡 度左右两侧的辐散区7月5日也大于合成平均。 从雨量分布图(图 2) 上,我们可以看到,沿32N ,7月5日大暴雨的落区主要在118120E范围内,但 在涡度剖面图上,700 hPa正涡度的中心值向西偏,位于114E ,低层正涡度的大值区却是处于118121E 之间。从降水实况来看,降水集中在5日的白天,而我们计算物理量场用的是5日08点的实况场,从其分布 以及当日低压东移的情况可以判断,在整个大降水过程中,高层涡度并不是一开始就达到最大值,而是有一 个逐渐增大的过程,这就造成了上升运动的持续性,为大降水创造了有利条件。 图6 暴雨日的合成平均散度(a)和7月5日大暴雨日散度(b)垂直剖面图(单位:10 - 6 / s) Fig. 6 The cross2section of perpendicular divergence of composite average of rainstorm (a) and heavy rainstorm on July 5 (b) (unit :10 - 6 / s) 64气 象 科 学 27卷 6. 2 散度垂直剖面图对比分析 暴雨日合成散度垂直剖面图(图 6b) 中,沿32N ,大散度区位于118E附近,比7月5日大暴雨明显偏 东,辐合区一直伸到400 hPa ,负中心位于500 hPa ,中心值为- 810 - 6/ s;其上为辐散区 ,正中心位于100 200 hPa ,中心值为1210 - 6/ s。7 月5日大暴雨日散度垂直剖面图(图 6b) 中,辐合区在117122E ,江 苏沿江地区为辐合区,延伸到500 hPa ,负中心的区域在920850 hPa ,其值- 3010 - 6/ s。而辐散中心位 于200300 hPa ,最大值为4510 - 6/ s。不论低层的辐合还是高层的辐散 ,其中心值都明显大于暴雨日合 成平均值,而且高层辐散的中心值远大于低层辐合中心值,这与唐洵昌等的研究成果一致。暴雨日的涡度、 散度垂直剖面图比较好地反映出暴雨形成的垂直方向的动力特征:低层辐合,高层辐散,无辐散层在400 500 hPa附近。 6. 3 垂直速度剖面图对比分析 许多研究表明:暴雨发生在较深厚层次的上升运动中。计算表明,暴雨日平均场中,在118E附近, 为负值,从地面一直伸展到500 hPa以上,中心值为- 2510 - 3 hPa/ s。其左右两侧均是正区。7月5日 大暴雨发生在沿江一带,即118121E ,在这一区域中,为负值,负值区从地面一直伸展到500 hPa以上, 中心值为- 11010 - 3 hPa/ s ,比平均场要大一个量级,其左右两侧正区范围也明显大于合成平均图。 7 分析结论 (1)梅汛期暴雨的产生是与副热带高压的西伸北抬后的少动有关,副高的存在,使暴雨系统移动缓慢,有 利于造成大暴雨过程。 (2)低空急流向暴雨输送热量、 动量、 和水汽,一般暴雨多出现在急流轴的左前方或最大风速的前方。暴 雨量的大小与急流的强弱有关,7月5日大暴雨低空急流明显增强。 (3)水汽通量散度的对比分析得出,暴雨的增量与水汽通量的辐合辐散密切相关,在大暴雨过程中,有大 的辐合中心向暴雨产生区输送,分析表明:7月5日大暴雨的水汽通量辐合的中心值要比平均值大一倍。 (4)从上面分析得出,暴雨的产生过程中,500 hPa往往都有华西低槽东移。弱冷空气与南方季风暖湿 气流相结合,即具备了发展能量的凝结潜热产生,又具备温带系统发展的斜压位能,有利于暴雨的产生,大暴 雨过程的出现,与这种能量的增大有关,7月5日大暴雨E指数明显增大,其中心值比平均值大1015。 (5)从动力的角度对2003年梅汛期暴雨的平均场和7月5日大暴雨对比分析得出,暴雨量的增大和物 理量场量的局地增大密切相关。 涡度场对比分析表明,暴雨的平均场和7月5日大暴雨在500 hPa以下各层均表现为正涡度,暴雨平 均场的涡度随高度的分布很好地反映了暴雨的落区,而7月5日大暴雨的涡度剖面图中,大值区向西倾斜, 说明涡度有一定的滞后性。也正是这种特性,使得暴雨区移动缓慢,有利于产生大暴雨。7月5日大暴雨正 涡度的中心值比暴雨的平均值要大4410 - 6/ s。 散度场对比分析表明,平均场暴雨落区400 hPa以下为辐合区,其上为辐散区,而大暴雨落区的辐合 区高于平均场,一直伸展到300 hPa ,正负散度区的中心值都大于平均场。说明暴雨大小与气流低层的辐合 强度以及高层的辐散能力成正相关。 垂直速度剖面图表明,大暴雨对应着相对强烈的上升运动,7月5日大暴雨的垂直速度的最大值为 11010 - 3 hPa/ s ,比平均场的中心值大一个量级。 8 总 结 通过对2003年梅汛期暴雨合成平均和一次大暴雨的天气形势、 热力条件和动力条的研究得出:在同样 的梅雨天气形势下,大暴雨的产生与暖湿气流的强度、 水汽辐合的大小、 动力因子的增强有密切的关联。暴 雨量的增大与这些物理量的增大成正比关系,因此,如果确定了这些物理量参数值的域值与暴雨量之间的关 系,就能够提高暴雨预报的准确率。这方面的工作有待于进一步研究。 741期 尹东屏等:梅汛期中的暴雨和大暴雨环流特征及物理量诊断分析 参 考 文 献 1 陶诗言.中国之暴雨.北京:科学出版社,1980 :1022111. 2 陆汉城.中尺度天气原理和预报.北京:气象出版社,2000 :60265 ,2612264. 3 唐洵昌,张欣,陶玫,等.三次梅雨锋大暴雨过程的数值模拟分析,气象科学,1997 ,17(3) :2212229. 4 张欣,扬秋明,赵永玲,等.