臺風登陸背景下陜西兩次大暴雨過程對比分析

侯建忠, 陳小婷, 劉瑞芳, 雷 斌

(陜西省氣象臺,陜西西安710015)

2010年7月中旬至下旬初,受1002(康森)、1003(燦都)號臺風在中國南海一帶活動、登陸影響和西南渦、黃河河套低壓共同作用,7月16日至7月24日,短短不足10天時間,陜西南部和除榆林外大部地區先后兩次出現大范圍、持續大暴雨天氣過程,共有5個大暴雨日,大暴雨引發特大山洪、滑坡、泥石流和多條河流決口等災害,造成隴海鐵路中斷10余小時。受災死亡和失蹤人數超過300人,所造成的人員傷亡和直接經濟損失為陜西近10年來最嚴重的一年。

其中7月中旬的暴雨過程還使四川渠江流域達州段出現超歷史極值的洪水,造成該地區重大人員傷亡,直接經濟損失過100億元,也使得長江出現1998年以來的最大洪峰;7月下旬暴雨的過程給甘肅東部、河南西部地區造成重大人員傷亡和經濟損失,其中河南是近10年來較嚴重的一年,可見兩次暴雨過程影響范圍之廣且造成的災害是較為罕見。

通過對兩次過程的環流形勢、衛星云圖和動力診斷等進行對比分析,找出影響和造成兩次大暴雨過程發生的異同點,旨在為此類天氣的成功預報提供參考,以提高臺風遠距離影響陜西大暴雨天氣的預報、預警能力。

1 兩次大暴雨過程降水概況

2010年7月中旬的強降水于16日晚從陜南西部開始,夜間降水特征明顯,暴雨落區集中在陜南南部地區(20時統計),過程共出現暴雨24站,其中7站大暴雨,最大紫陽184.6 mm。7月下旬初強降水是22日凌晨從漢中西南部開始的,白天降水特征明顯(08時統計),強降水落區分散在陜北、關中和陜南3個地區,過程中3天均出現大暴雨,23日是此次過程降水最強的一天,出現暴雨28站,其中大暴雨12站,最大彬縣200.3mm。

兩次大暴雨過程中共出現68站暴雨,僅陜西有10站日降水量突破歷史極值;甘肅東部也有3站日降水量突破歷史極值。而7月23日在陜西南中北3個地區同時出現區域性暴雨的情況,在陜西區域性暴雨的歷史個例中僅有5%[1]。

2 兩次大暴雨過程近海臺風活動特征和影響

臺風“康森”于2010年7月12日在菲律賓東側生成,西行路徑特征明顯,16日20時在海南登陸后繼續西行在越南再次登陸。臺風“燦都”于2010年7月19日在中國南海區域生成,路徑以西行略有北上,22日13時在廣東吳川登陸后繼續西行進入廣西境內(見表1)。分析并與歷史個例對比發現,正是“康森”、“燦都”兩個臺風在中國南海海域活動和在海南、廣東一帶登陸背景影響下[2-7],使得陜西在2010年7月16-24日先后出現兩輪罕見的大暴雨天氣過程。再次驗證了近海臺風活動是影響陜西出現極端暴雨的一個關鍵因子[9]。

表1 “康森”與“燦都”臺風影響陜西大暴雨的相關對比分析

3 兩次大暴雨過程的高低空環流特征

就環流形勢配置和影響系統而言,除適當的副高位置外,遠距離臺風的作用十分關鍵。7月中旬的大暴雨過程是西南渦與臺風“康森”遠距離作用的結果,7月下旬初的大暴雨過程則是位于河套地區的深厚低壓系統與臺風“燦都”遠距離作用造成的,以下選取兩次過程中降雨最強時段的特征進行分析。

3.1 300hPa高空急流特征

陜西出現大范圍區域性暴雨時,在對流層高層多為反氣旋環流形勢,同時有高空急流配合。7月中旬大暴雨過程300hPa有反氣旋性環流(圖1(a)),北緯33°N-40°N附近存在著一個緯向約16-30m/s的強風速帶,暴雨發生時,該緯向強風速帶的風速出現明顯的南壓或南移。

7月下旬初的大暴雨過程中,300hPa反氣旋環流形勢和高空急流相配合的特征不明顯,其急流軸是以南北向和東西向(緯向)兩段構成(圖1(b)),反氣旋環流形勢和高空急流出現較以往偏高,在200hPa可分析到一些特征。若以實測風資料分析,高層急流仍清晰可辨,但此次高層緯向急流較短。以延安、西安、鄭州站實測風為例,22日20時延安、西安、鄭州3站分別是16m/s、10m/s和14m/s的西西北風,23日08時,上述3站演變成為16m/s、14m/s和14m/s的西南風和偏西風,出現急流軸南壓,并在陜西與甘肅東部有一個小的反氣旋環流形成。

圖1 兩次大暴雨過程的300hPa風矢量圖

3.2 高低空環流特征

500hPa圖上(圖2(a)、(b)),16日08時至19日08時,副高在中國大陸東西向帶狀穩定維持著,588dagpm大都在30°N附近擺動或越過長江中游以北地區,其西脊點多在103°E-108°E進退,16日20時副高西伸到最西端,隨著臺風“康森”在海南登陸繼續西行,副高略有東退,其徑向特征加大,使得環流“鞍”型特征更加明顯。22日08時至25日08時,在河套底部以北廣大地區穩定維持著一個東西向帶狀具有閉合的588dagpm大陸高壓,臺風“燦都”登陸后的影響使大陸高壓更加穩定,24日08時中心達到592dagpm,該帶狀高壓南側為深厚的河套低壓,24日08時低壓發展為最強盛時刻,低壓中心有閉合的582dagpm,200hPa仍能分析出完整的低壓環流,可見其深厚。而此低壓系統直接影響造成陜西7月下旬初區域性暴雨。

由圖2(c)知,兩次過程都具有東高西低型環流特征。16日20時四川大部處在西南渦影響中,17日08時西南渦影響不斷北上東移,陜西南部已在倒槽影響之中,850hPa圖上西南渦東移發展的特征更加清晰。

7月22日20時低壓中心還在黃河源頭一帶,從該低壓中心到陜西境內為一個東西向低壓橫槽區域,23日08時橫槽區域東部出現加深南壓,陜西西南部已受低槽控制、影響(圖2(d))。23日20時至24日08時橫槽繼續東移、加深發展成與高層環流相對應的一個完整深厚低壓系統,此時段為陜西本次降水最強的時段,多站降水突破日最大降水記錄。

圖2 兩次大暴雨過程的高空環流圖

4 兩次大暴雨過程的云圖特征

通過對降水過程的FY-2衛星紅外云圖演變分析發現,最強降水時段,影響云系(帶)和臺風云系之間有一個大的晴空區存在,晴空區域具有明顯東西向帶狀特征,其區域與副熱帶高壓位置、范圍基本一致,兩次罕見的大暴雨過程中副熱帶高壓主體穩定少動,東西向帶狀特征明顯[8]。

影響云系分析顯示,7月上旬的過程是高原低槽云系在東移過程中受西南渦影響發展、加強、東移所致,造成陜南出現區域性大暴雨是西南渦云系中的暴雨云團東移北上的直接結果。暴雨云團在17日00時開始生成發展,東北移向發展、加強特征十分明顯,03-04時云團的云頂最低溫度達到-80℃,表明有劇烈對流、上升運動,07時為云團達到尺度最大和成熟時段,成熟的暴雨云團呈以東北-西南向為長軸的橢圓狀,云團頂溫度梯度最大的地方在橢圓狀的西北側和東南側(圖3(a)),此時云團的云頂最低溫度不但沒有降低反而有所回升在-75℃左右,陜南已出現較大的強降水,期間近鄰陜南的四川萬源、宣漢站降水均已超過100mm。17日16時影響云系、云團基本移出陜西,此次降水隨之減弱消逝。

圖3 兩次大暴雨過程相應時次的FY-2衛星紅外云圖

7月下旬初的大暴雨過程則是位于黃河河套地區的深厚的低壓系統云系原地發展、加強和東移所造成。低渦云系在23日00時已清晰可辨(圖3(b)),隨著低渦云系在原地不斷加強、發展,03時已發展成為一個以南北向特征為主的由多個對流云團組成的云系,云系內對流云團的云頂亮溫在-50℃--55℃。04時云系發展、形成一個完整南北向的云帶,最強的云團不在低渦云系附近,是在云帶南段,生成一個尺度約200km左右的云團,云頂亮溫為-75℃,而在河套地區的低渦云系特征依然明顯,08時整個影響云帶南北向整體性更加完整,南段的對流云團穩定維持并略有發展,北段的低渦云系出現明顯的發展加強和范圍擴大特征,但云頂亮溫下降現象不明顯,維持在-50℃--55℃。09-16時影響云系主體移動十分緩慢,只是云系前部出現東移和加強,云頂亮溫在-55℃--61℃。直至晚上22時云系相對有所減弱,隨后又在次日凌晨再次發展加強,豫西出現大暴雨,造成隴海線中斷。像此次河套低壓影響云帶在河套原地維持約30h之久,這在陜西暴雨過程是非常少見的。

5 水汽輸送和低空急流特征

水汽是形成暴雨的必要條件,低空急流是向暴雨區輸送大量水汽的通道。在對流層下部可用風矢量場演變分析水汽的輻合輸送情況,基于此對發生在2010年7月兩次大暴雨的水汽輸送進行分析,16日20時在700hPa圖上,低空急流最強處出現在臺風“康森”環流的南側、東側,風速最大值在30m/s以上,17日08時(圖4(a)),從海南、廣西西部、重慶到陜西,南風氣流輸送帶均出現明顯加強或劇增現象,南風急流已從臺風登陸地區擴展北伸到陜西南部,并在四川東部、重慶及陜南南部一帶形成一個強的風速輻合中心,輻合中心與暴雨區相對應。

22日20時700hPa圖上,約20m/s的低空急流從臺風“燦都”環流的東側一直北伸越過秦嶺直至陜西北部,風速仍維持在10m/s以上;23日08時(圖4(b))在四川東部、陜西西南部一帶形成一個強的風速輻合中心。23日20時該輻合中心略有東移,在關中地區形成東西向的輻合帶,此時該輻合帶北側的延安以北地區偏東風風速已劇增到12-16m/s。850hPa圖上風速演變和分布特征與700hPa圖一致。

圖4 兩次大暴雨過程的700hPa風矢量圖

上述分析顯示,兩次大暴雨的水汽輸送均由臺風低壓環流東側的700hPa偏南急流來實現的。這與以往研究發現的當影響臺風在海南附近時,水汽輸送以臺風東側的偏南風特征顯著的結論相同,但影響臺風在臺灣島附近時,水汽輸送則以臺風東北側的偏東風特征顯著[9,10]。

另外,兩次過程中在對流層中低層圖上(圖略)均可以發現經華北地區進入陜西的偏東北氣流在暴雨出現時段有突然加強(即有冷空氣輸送)的現象,而這突然增大的偏東北風南壓直伸入暴雨區北側可能是產生大暴雨過程的一個觸發因子[10]。

6 能量和垂直運動分析

熱力(能量)條件是暴雨形成、發生的一個必要條件。假相當位溫θse是大氣中溫、壓、濕的綜合特征的反映。在診斷分析時,利用本次過程的高空報文資料(即ttaa報文)進行相關物理量計算。對 θse值分布分析發現,16日20時700hPa(圖5(a))四川東部、重慶存在一個85℃的高能中心,陜西陜南處在高能中心北側測密集能量鋒區。暴雨的落區整好位于θse高能中心北端及密集能量鋒區一帶。23日20時700hPa(圖5(b))河套地區為一個Ω型高能中心控制影響,但沒有前次如此密集能量鋒區存在,暴雨的落區位于Ω型的高能軸偏東一側區域。

比較兩次過程的垂直運動上升區與暴雨落區發現,兩次對應比較吻合,17日08時700hPa的垂直運動顯示,在四川東部、重慶、陜西大部地區為一個近乎于南北向的上升運動區,暴雨落區正好在此范圍內,最大垂直速度層在500-400hPa之間為-7×10-3hPa?s-1,且垂直速度極為深厚在200hPa也十分明顯(圖5(c))。此時位于四川強降水云團的云頂亮溫達到-120℃,足見本次四川、陜南一帶出現大暴雨天氣對流上升運動之劇烈,表明高層存在著強的抽吸和輻散。

23日08時至20時,其垂直運動上升中心區有北移加強的特征,上升中心區與暴雨區對應較前更加吻合(圖5(d)),最大垂直速度在500hPa為-5×10-3hPa?s-1,可見垂直運動和對流強度均弱于7月上旬。

從分析500hPa水平面的垂直運動分布可知,在大暴雨和臺風所在區域為較大范圍的上升運動區,而兩個上升區之間則為寬廣的下沉區域(恰好是副高所在位置,圖5(b)),由此可見臺風低壓系統的維持、發展和加強對副熱帶高壓有一定的維穩作用進而使強降水形勢能夠穩定的維持;這點在衛星云圖分析中得到驗證,即隨著臺風登陸西移,臺風與影響云系之間的帶狀晴空區趨于明顯,且晴空區的對流云團出現了減弱和減少的現象,表明副熱帶高壓在加強。

圖5 兩次大暴雨過程的θse分布和垂直速度圖

7 結論

(1)受“康森”、“燦都”兩個近海臺風活動、登陸影響和西南渦、黃河河套低壓共同作用,7月中旬、下旬初,陜西先后兩次出現區域性暴雨,期間有10站日降水量突破歷史極值,再次驗證近海臺風活動是造成陜西出現極端暴雨的一個關鍵因子。

(2)在中國大陸上,2010年7月兩次相對穩定維持的東西向帶狀副高和河套底部以北具有閉合狀的東西向帶狀大陸高壓是7月中旬和下旬初出現持續大暴雨的另一主要關鍵因子。

(3)對流層中高層的300hPa風矢量圖上,7月中旬的過程存在一個緯向平直的強風速帶;下旬初的過程高層緯向強風速帶則不明顯,其強風帶是以南北向和東西向兩段構成的,這可能是因為有深厚的黃河河套低壓存在的緣故。

(4)兩次大暴雨的水汽輸送都是由登陸后的臺風低壓環流東側的偏南急流來實現,與影響臺風在臺灣島不同的是,該輸送帶徑向性十分明顯,幾乎為一致的南風急流,且700hPa表現最為顯著,相同的是700hPa均為一個“東高西低”形勢。

(5)云圖分析顯示,兩次過程中影響云系(帶)和臺風云系之間在長江以南區域均為一個晴空區(即副高)。隨著臺風登陸西移,晴空區趨于明顯,副熱帶高壓加強。兩次直接造成暴雨的云系南北走向特征顯著,云系移動緩慢,下旬初的過程河套低壓影響云帶在河套原地維持約30h之久,在陜西暴雨過程中非常罕見。

(6)能量與垂直運動分析顯示,前一次暴雨過程中熱力條件和高層抽吸對增強上升運動和對流作用明顯。后一次暴雨過程則是由于持續、深厚和穩定少動的河套低壓自身不斷發展加深,加劇了上升運動發展,也使得上升運動區與暴雨區吻合較好,出現全省區域性暴雨。

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