淮北入汛以来一场暴雨过程分析

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  摘要利用现有地面加密自动气象站、探空、雷达等资料,从天气学和物理量诊断分析等方面,对2011年7月18~19日淮北地区暴雨过程的大气环流、影响系统、物理量特点等进行系统分析。结果表明,此次暴雨过程是典型的槽前类天气尺度暴雨,副热带高压势力相对较强,高空和低空均受槽前西南气流影响,850、700和500 hPa低槽位置比较接近,200 hPa安徽处于分流区,有辐散场与之配合;地面图上,暴雨发生前安徽处于暖低压区,气压值大多低于1 000 hPa,安徽在暴雨发生前处偏南风中,地面要素场表现为高温高湿的特征;深厚低槽前部的上升运动为暴雨的发展提供了有利条件;有利的湿度条件使槽前类强对流在产生大风的同时,在暖区一侧常伴有明显的适时强降雨;中低层强烈的辐合上升运动和高层辐散气流的强烈“抽吸”作用,也是暴雨强度强、持续时间长的重要原因之一。
  关键词暴雨;诊断分析;环流形势;物理量场
  中图分类号S161.6文献标识码
  A文章编号0517-6611(2015)28-150-04
  暴雨常造成江河洪水和区域内涝,易造成人员伤亡和重大财产损失,淮北地区是暴雨多发区。多年来气象专家对不同地区的暴雨形成机制进行了大量研究,在暴雨强度和落区预报方面总结了很多宝贵经验[1-4]。淮北位于安徽北部,地处苏豫皖三省交界处,属暖温带半湿润季风气候,降水主要集中在6~8月份,由于降水量的相对集中,且各月分配不均,易发洪涝等灾害;近年来暴雨出现的频率明显增加,暴雨带来的洪涝灾害也在加重[5]。2011年7月18~19日淮北地区的强降水过程造成淮北大部分地区出现暴雨、大暴雨,此次强降水天气过程具有影响范围大、短时降雨强、强降水集中等特点。笔者在此利用现有地面加密自动气象站、探空、雷达等资料,从天气学和物理量诊断分析等方面对此次暴雨过程的大气环流、影响系统、物理量特点等进行系统分析,总结出预报经验和教训为今后暴雨预报做好积累。
  1天气实况分析
  1.1雨量过程7月18日00:00~20日12:00淮北地区出现了2011年入汛以来第一场大暴雨天气过程(图1)。淮北大部分地区普降大到暴雨,降雨强度大、范围广,强降水集中在18日08:00~20日08:00。从降雨的空间分布来看,强降雨中心轴为东北—西南沿锋线走向,两侧基本对称,这是一个尺度较大的雨团所造成。
  1.2暴雨时空分布分析此次暴雨的时空分布发现,降雨从萧县开始,经宿州市,持续到泗县,是一个含有多个中尺度的雨带系统,集中降雨时段是18日08:00~20日08:00,19日20:00略有减弱。从逐3 h降雨分布可以看到,引起强降雨的中尺度对流系统多是单体的对流系统,在这种系统中包含多个处在不同发展阶段的对流单体,这一点在云图和雷达回波特征图上有非常清楚的表现;从暴雨中心的时间分布来看,中尺度对流系统是自西向东移动的,且最强的对流出现在中尺度系统的西侧,说明在中尺度系统的西侧不断有新对流单体生成,这些单体生成后并不断随环流风向向东移动。
  2大气环流和影响系统分析
  2.1环流形势及地面气压场特征7月18日中高纬环流维持两槽一脊型,两槽分别位于巴湖和贝湖南部,在120°~130°E有阻塞高压存在,形势稳定。冷空气不断从贝湖向南扩散,朝鲜半岛南部有台风,西太平洋副热带高压位置稳定,副高脊线稳定在17°~20°N。槽前短波携带小股干冷空气向东伸展,提供了中层干冷空气入侵条件,对强对流天气生成有利。海平面气压图上,强对流天气发生前安徽处于暖低压区,气压值大多低于1 000 hPa,安徽在强天气发生前为偏南风控制,地面要素场上表现为高温高湿的特征。深厚低槽前部的上升运动为强对流的发展提供了有利条件;有利的湿度条件使槽前类强对流在产生大风的同时,在暖区一侧也造成有明显的短时强降雨。
  2.2高低空环流配置特征从7月19日08:00欧洲EC预报场资料绘制的暴雨区域对流层高层和中低层环流配置(图2)可以看出,副热带高压势力相对较强,高低空均受槽前西南气流影响,850、700和500 hPa低槽位置比较接近,200 hPa安徽处于分流区,有较强辐散场与之配合。200 hPa风场(图2d)显示,急流轴位于25°~45°N,110°E以西和120°E以东各有一个风速>30 m/s的急流中心,沿淮淮北位于东部入口处右后方的正涡度平流和辐散区,有利于对流云的发展[5]。
  经分析发现,暴雨中心具有低层辐合、高层辐散的特点,强辐散中心位于300 hPa附近,650 hPa以下为辐合,在低层辐合对应正涡度,高层辐散对应负涡度。低层辐合、高层辐散加强了暴雨区的上升运动。中低层强烈的辐合上升运动和高层辐散气流的强烈“抽吸”作用,是暴雨强度强、持续时间长的重要原因之一[1]。在115°~119°E存在强烈的上升运动,上升运动从对流层低层一直到对流层高层,最大的上升运动区位于700~850 hPa。在上升运动两侧为下沉运动,形成2个纬向垂直环流圈,上升直达对流层顶向东西2个方向辐散产生下沉运动,两支下沉气流在近地面辐合,从而产生高低空急流耦合而引发的次级环流。较强烈的上升运动为对流的发生发展提供了动力条件,并触发高温高湿气流的能量释放。
  3中尺度结构特征分析
  由前面天气形势分析可知,高低空有着不同的形势特征,这些为暴雨的预报提供了重要的参考。但对于这种强降水过程,中小尺度的降水落区和预警预报起到了更较为关键的作用。为此,下面着重从中小尺度特征方面对影响强降水过程进行分析。
  3.1中尺度系统的对流云团演变特征从高原东侧沿长江中上游到淮河流域不断有对流系统生成,并迅速东移,根据卫星遥测资料分析发现,宿州地区中尺度对流云团的云顶亮温低于-65 ℃的云区对应10 mm/h以上的降雨;对流云团的移动方向基本和低空急流的流场方向一致,说明低空急流对水汽和能量的输送起着非常重要的作用,它既为暴雨的产生提供充足的水汽,又使得雨区低层增暖增湿,从而引起对流不稳定的加强。从7月18日早晨开始,在流域西部河南中东部有小的对流系统发展,在随后的时间内不断发展加强,形成淮北地区持续数小时的强降雨,18日12:00~16:00强降雨中心集中在淮北西部,在21:00合并成一条东北—西南向的云带,从河南延伸至安徽、江苏,并逐渐向东南方向移动,云带中的对流有减弱。从FY2C云顶亮温分布可以看到,19日凌晨到上午淮北有一小于230 K的相当黑体亮温低值中心,从地面加密自动观测站上看,强降雨中心与相当黑体中心重合。   3.2风场垂直结构选取暴雨中心点(117°E、34°N),分析7月18日00:00~19日20:00风场垂直剖面发现,对流层到下边界有明显的气旋切变,低层为偏南风,风随高度出现强烈的顺转,有利于强对流发展。
  4物理量诊断分析
  4.1水汽和层结条件特征
  从降水时间段的水汽和层级条件来分析,淮北降水区域上空有一块西北—东南向的水汽辐合区,18日08:00强度弱、范围小,此时降雨也刚刚开始,20:00水汽辐合区明显扩大,中心强度有所加大,降雨强度对应也加强,范围进一步扩大(图3a);23:00水汽辐合中心强度增强至-14×10-5 g/(cm2·hPa·s),直至19日08:00在沿淮淮北一直维持水汽辐合大值区,范围逐渐扩大,强度不断加强(图3b)。这与19日08:00强降雨有很好的对应关系。20日08:00,淮北由辐合转为辐散,对应此时的降雨基本过程结束。
  4.2热力特征在暴雨期间,500 hPa高层33°N附近有假相当位温向中低层延伸,而低层有假相当位温高值区向上伸展,北方干冷冷空气南下与偏南暖湿气流在34°N附近形成锋区,344 K等θse线上下贯通,说明高层有冷空气下滑,33°N地区700 hPa以下为对流不稳定区,存在θse的高值区,是能量聚积区。锋区附近等θse线密集且陡峭,锋区南侧中低层的高湿区为对流不稳定层,假相当位温高达345 K(图4)。根据湿位涡的守恒特征[4],诱发倾斜涡度发展的过程中,θse面的倾斜将导致垂直涡度的显著发展,且倾斜越大气旋性涡度增长越强,所以锋区南侧的中低层是气旋性涡度最易发展区域。因此,低层冷空气南下加剧了淮北地区涡度发展,增强了水汽辐合,使得大气不稳定能量增加。由于在沿淮淮北存在很强的上升运动,冷暖空气相遇,使得该地区对流得到强烈发展。θse场的这种分布贯穿了整个强降雨过程,过程中θse的密集区相对稳定,暴雨落区对应在θse密集区偏向暖空气一侧。此外,中层干冷空气入侵使得上干下湿更为明显,淮北上空中低层将变得更为不稳定,一旦配合有中小尺度系统激发,降水很可能会十分激烈。
  4.3动力特征从7月18和19日的高低空涡度、散度分布图可以明显看到高层辐散、低层辐合的特征。在850 hPa涡度图(图5a)上,有一条东西向的正涡度带位于淮河流域上空,正涡度大值区与江淮气旋位置非常吻合。沿淮淮北200 hPa高空为辐散区(图5b),对对流层低层有较强的抽吸作用,从而加强低层辐合上升运动,为降水的形成和发展提供了高空环境条件。随着暴雨的出现,对流层中低层有大量凝结潜热释放,在低层风的辐合和凝结潜热的共同影响和作用下,对流不稳定度增大,绝对温度增大,从而促成低涡切变发展且维持,为产生新的强降水创造了极为有利的环流条件。
  4.4其他物理量分析7月18日08:00徐州和阜阳的Tlog表明,淮北地区K指数在20 ℃左右,层结较稳定。T639模式预报12:00~20:00 K指数>30 ℃的大值区从河南信阳到安徽北部扩展,对流发生时对应K指数也增大至35 ℃,落区也对应35 ℃的等值区内。K指数和不稳定层结对强对流发生有指示作用。
  18日08:00沙氏指数SI=-3 ℃,强天气威胁指数(Isweat)为300,已经达到发生强天气的指标。根据统计Isweat≥300,发生强雷暴且伴有风速≥25 m/s可能性非常大[6],全总指数(TT>50 ℃,这些指数集中反映出灾害性天气发生的区域大气层结极不稳定,已经具备了发生强对流天气的潜在条件[7]。
  5雷达资料分析
  从雷达图上看(图略),7月18日14:21从阜阳到蒙城有一条有中β尺度对流回波,中心强度为55 dBz,回波顶高13 km。对流向东北迅速发展加强,同时,也有多个块状小对流出现,并不断东移加强,面积逐渐增大,成为一条东南—西北向、中心达50 dBz以上、平均回波顶高达11 km的中尺度雨带,19日12:00雨带东移南压后中心雨强减弱。同时在此次降水过程的多普勒速度场上还监测到多个中尺度气旋。中尺度气旋是超级单体风暴最本质的特征,也是预报强天气的重要指标,结合水平和垂直反射率图分析,雨带中分布多个较强的γ中尺度超级单体风暴和多单体超级风暴。
  6结论与讨论
  (1)此次暴雨过程是典型的槽前类天气尺度暴雨,副热带高压势力相对较强,高空和低空均受槽前西南气流影响,850、700和500 hPa低槽位置比较接近,200 hPa安徽处于分流区,有辐散场与之配合。地面图上,暴雨发生前安徽处于暖低压区,气压值大多低于1 000 hPa,安徽在暴雨发生前处偏南风中,地面要素场表现为高温高湿的特征。深厚低槽前部的上升运动为暴雨的发展提供了有利条件;有利的湿度条件使槽前类强对流在产生大风的同时,在暖区一侧常伴有明显的适时强降雨。
  (2)中低层强烈的辐合上升运动和高层辐散气流的强烈“抽吸”作用,也是暴雨强度强、持续时间长的重要原因之一。
  (3)针对这次暴雨的分析得知,暴雨发生前不稳定能量有一个加大的过程,K指数、沙氏指数及Isweat值有一定的指示意义;T639模式24 h预报对强降水落区有参考价值,但降水强度偏小。数值预报对形势场、暴雨落区和强度预报不足,仍需继续进一步加强特殊条件下出现异常强降水的科学研究和应对措施。
  (4)对于突发性强、致灾性强的中尺度系统,现有的天气尺度预报模式对其预报能力存在明显的局限性,一是24 h预报对系统有弱化的现象;二是时空分辨率低,对中尺度系统的预报能力不强。
  参考文献
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