近海臺風影響下陜北兩次區域性暴雨對比分析

馬曉華,梁生俊,井 宇,胡 皓,衛 瑋

(陜西省氣象臺,西安 710014)

近海臺風影響下陜北兩次區域性暴雨對比分析

馬曉華,梁生俊,井 宇,胡 皓,衛 瑋

(陜西省氣象臺,西安 710014)

利用常規觀測資料、NCEP 1°×1°再分析資料、衛星云圖及雷達資料,對近海臺風影響下,發生時段及降水落區均相似的陜北兩次區域性暴雨個例(2014年7月8—9日(簡稱“7· 8”過程)及2013年7月11—12日(簡稱“7·11”過程))進行對比分析,結果表明:“7·8”過程是東北路冷空氣、高原槽和臺風 “浣熊”外圍偏東氣流共同作用產生,“7·11”過程是高原槽引導西路冷空氣與西南暖濕氣流共同作用產生;近海臺風為 “7·8”過程提供了水汽和能量,對 “7·11”過程無直接作用;“7·8”過程降水云團為冷鋒云系中的5～6個β尺度的對流云團,而 “7·11”過程為副高外圍中-β尺度的對流云團;兩次強降水時段雷達回波均呈現以積狀云為主的混合型降水回波;暴雨發生時,兩次過程低層冷平流均減弱,850 h Pa東北風起到了冷墊作用,暖濕氣流被弱冷空氣強迫抬升,相對濕度大于90%的區域由中層迅速增加到對流層整層;濕涵密集帶對暴雨落區有較好的指示意義。

近海臺風;陜北;區域性暴雨;濕涵場

近年來,學者們對臺風外圍偏東氣流影響下的暴雨做了較為深入的研究[1-4],有關研究表明,陜西夏季區域性暴雨與近海臺風相關率較高,可達70%以上[5]。臺風可為青藏高原東北側暴雨的發生提供水汽和能量,為冷鋒暴雨型降水量起增幅作用[6-8]。對黃土高原α中尺度暴雨研究表明,450 hPa附近垂直上升運動的強弱對未來6小時內該區能否發生暴雨有良好的指示作用[9]。陜北地處黃土高原東部,由于缺乏充足的水汽供應,區域性暴雨較為少見,水汽因素成為能否產生區域性暴雨的首要條件。研究表明,有臺風影響的背景下,臺風外圍偏東急流與西風帶低值系統及地面冷鋒動力抬升作用是造成陜北暴雨的主要原因[10]。降水云團在衛星云圖上主要表現為中-β尺度對流系統[11]。渦度收支的正負值可用來解釋造成黃土高原地區β中尺度暴雨的對流云團發展和消散原因[12]。當副熱帶高壓控制黃土高原時,西風帶弱冷空氣與副熱帶高壓外圍西南暖濕氣流交匯可觸發陜北暴雨[13]。

雖然氣象工作者對近海臺風影響下的陜北黃土高原地區區域性暴雨做了一些理論研究,但仍需從不同的角度研究半干旱地區區域性暴雨的成因。本文選取兩次相似的暴雨個例,其共同點為:時間上兩次強降水均發生在凌晨,歷時短、強度大;空間分布上,兩次強降水雨帶均呈帶狀分布,位置偏北,位于陜北黃土高原地區。通過對這兩次過程進行診斷對比分析,進一步揭示陜北高原區域性暴雨成因,以期為此類天氣過程的預報提供參考依據。

1 過程簡介

2014年7月8—9日陜西北部出現大范圍暴雨天氣過程(圖1a,北京時,下同;下簡稱“7 ·8”過程),強降水主要發生在9日00—05時,暴雨落區主要集中在延安北部和榆林南部,其中最大降水量在榆林清澗為98.5 mm,該次過程為2014年入汛以來陜北范圍最大、小時雨強最強、受災最嚴重的一次暴雨災害過程。

2013年7月11—12日陜西北部出現一次大范圍強降水過程(圖1b,北京時,下同;下簡稱“7·11”過程),強降水主要發生在12日02—05時,其中暴雨落區集中出現在延安北部地區,92個鄉鎮降雨量超過50 mm,降水量最大在延安市延川縣為154.9 mm,降水落區橫跨2個緯度、4個經度。大范圍的短時強降水導致延安市13個縣(區)受災,因災死亡42人。

2 環流形勢和主要影響系統

2014年7月8日20時(圖2a),200 hPa天氣圖上新疆—東北地區有一東—西向分布的高空急流帶,急流軸位于45°N附近,其中心風速達58 m/S以上,高空急流南側,位于青藏高原東側的南亞高壓也呈東—西向帶狀分布,陜北地區位于高空急流帶偏西氣流與南亞高壓東北側偏西北氣流之間的強輻散區。500 hPa歐亞中高緯度為兩槽一脊型,貝加爾湖北部為一高脊區,巴爾喀什湖及我國東北地區維持一冷槽,河套西部到青海湖附近有一短波槽,副熱帶高壓 (下簡稱“副高”)主體位于海上,584 dagpm線控制延安以南地區,臺風 “浣熊”北上到浙江東部海域。700 hPa上,四川、陜西、甘肅交界處風場上可以分析出一低渦環流,延安上空為偏西南氣流,風速為6 m/S。850 hPa上,東北冷渦底部回流的偏東北氣流影響陜北,延安風速達10 m/S,臺風 “浣熊”北部的偏東氣流一直向西伸展到陜西地區。地面上青海湖以東有一中心氣壓為1 010 hPa的冷高壓系統,冷鋒前沿已到達關中地區。9日08時(圖略),200 hPa高空急流加強且位置少動,500 hPa東北冷渦略有東移,陜西仍處于強西南氣流中,低層700 hPa偏南氣流加強,西北渦有所發展,延安上空盛行西南氣流,風速增大到16 m/S,850 hPa臺風北上到浙江沿海附近,偏東氣流向內陸輸送水汽,使強降水維持。

2013年7月11日20時(圖2b),200 h Pa環流形勢與 “7·8”過程相似,高空急流呈東—西走向帶狀分布,陜北位于南亞高壓東北側的強輻散區。500 h Pa歐亞高緯度為兩槽一脊型,貝加爾湖以東為高壓脊,低槽分別位于西伯利亞和鄂霍次克海附近,中高緯度氣流較平直,副高呈帶狀分布,584 dagpm線控制了青藏高原以東的大部分地區,陜北位于584 dagpm線北界邊緣,內蒙中部—甘肅中部—青海東部為高原槽, 588 dagpm線位于淮河、陜西東南部、江南、華南等地,副高脊線位于30°N,同時臺灣東南有超強臺風 “蘇力”活動并向西偏北方向移動。700 hPa貝加爾湖以南低槽引導的冷空氣南下到河套地區,與來自孟加拉灣的偏南暖濕氣流在陜北地區交匯,延安上空西南風風速達6 m/S,距離延安最近的東勝站西北風達8 m/S,整個陜北地區切變輻合非常明顯。850 h Pa陜北上空為偏北氣流。地面上,青藏高原東部有一中心氣壓為1 007.5 h Pa的冷高壓存在,陜北位于冷高壓東北側外圍,冷空氣勢力較弱。12日08時(圖略),200 hPa高空風場輻散加強,500 hPa高原槽東移到陜西上游,臺風 “蘇力”西行到臺灣島東部海域,副高位置有所東退,脊線仍位于30°N附近,700 h Pa偏南暖濕氣流已加強為一支低空急流,延安上空風速達12 m/S,東勝站偏北風達6 m/S,切變線較上一時次位置少動, 850 hPa與地面上以偏北風為主,此時短時強降水轉為穩定性降水。

“7·8”過程,臺風 “浣熊”北側的偏東氣流攜帶的暖濕空氣與東北冷渦底部回流的東北路冷空氣相互作用造成了此次降水,強降水時段開始于冷鋒移動到陜北附近時,降水主要發生在冷鋒附近到冷鋒后部的地面冷空氣與高空暖濕氣流交匯區域。“7·11”過程,上下層為后傾槽結構的天氣形勢配置,降水持續時間較長,臺風 “蘇力”在副高的阻擋下以西行為主。副高南北擺動較少,是雨帶分布較為密集的原因。高原槽引導的西路冷空氣與副高外圍的暖濕氣流在延安交匯,強降水主要發生在588 dagpm線東退時段。

3 中尺度特征

3.1 衛星云圖

“7·8”過程,暴雨發生時段主要集中在9日00—05時,是東北低渦冷鋒云系尾部與高原槽云系相互疊加激發出來的中小尺度對流云團造成的。降水云系中存在5～6個β尺度的對流云團(見第5頁圖3a)。該云團在陜北上空緩慢移動是造成本次強降水的主要原因。由逐小時云頂亮溫(圖略)可見,01時延安和榆林地區均有云頂亮溫為-40℃的β尺度對流云團,水平尺度為100 km左右,造成子洲14.9 mm/h、安塞14.9 mm/h的短時強降水。02時隨著整個鋒面云系東移,β尺度對流云團有所東移但云頂亮溫一直維持在-40℃,水平尺度變化不大,此時吳堡出現了11.3 mm/h降水。03—04時云頂亮溫為-40℃的對流云團繼續東移,富縣出現24.4 mm/h降水。05時隨著鋒面云系的東移,延安上空的對流云團強度有所減弱,結構變松散,此時降水強度也明顯減弱。05時后,降水云系以系統性冷鋒云系為主,陜北沒有出現大于10 mm/h的降水。

“7·11”過程,暴雨發生時段主要集中在12日02—05時,是東北低渦低槽云系尾部與高原槽云系在低層偏南暖濕氣流增大階段相互作用激發出來的對流云團造成的。01時 (圖略)陜北中部有中-β尺度對流云團生成,云頂亮溫為-40℃,志丹產生13.8 mm/h的降水。02時(見第5頁圖3b)對流云團東移發展,云團結構密實,云頂亮溫低于-40℃的區域接近橢圓狀,受其影響延川縣出現了34 mm/h的降水。03時(圖略)對流云團繼續東移,云頂亮溫低于-40℃的區域繼續位于黃河沿線,在其西部激發出一γ尺度小云團,延川出現31 mm/h的強降水,04時(圖略)γ尺度小云團組織成一個帶狀的中-β尺度云團,強度有所加強,之前黃河沿線的中-β尺度云團基本移出陜北,04—05時延安、延川也出現了大于10 mm降水。05時后對流云團減弱移出陜北 (圖略)。

綜合以上分析可知,造成兩次陜北短時強降水的云團均屬于中-β尺度的對流云團,云頂亮溫最低為-40℃,低渦云系尾部與高原槽云系相互疊加,并在近海臺風外圍偏東氣流或副高外圍偏南暖濕氣流的作用下激發出中尺度對流云團,對流云團移動方向的前側,云頂亮溫梯度大的區域為短時強降水落區。

3.2 延安多普勒雷達回波

2014年7月8日20時左右,榆林南部到延安北部是以層狀云降水回波為主的混合型降水回波,在回波主體后部西北方向不斷有新的回波生成并東移,回波面積較大,移動速度緩慢,并在延安西部區域不斷加強。9日00時對流性回波增多,發展為積狀云為主的對流性降水回波,回波主體強度達50 dBz左右,延安北部地區降水增強。02時(圖略)回波東段逐漸變寬,已經演變成榆林橫山至延安洛川的東北—西南向片狀回波,移動速度緩慢并不斷發展,其中對流性回波比較分散,榆林南部、延安北部地區出現強降水站點明顯增多。03—04時偏南氣流加強為低空急流,中層西南風沿低層東北風爬升 (見第5頁圖4a),這也是該時段延安對流性回波強度增強(見第5頁圖5a)的一個重要原因。延安東北部回波松散,強回波分布在以延安為中心的地區,強降水峰值出現在回波梯度較大的地方。06時后回波逐漸東移減弱。

2013年7月12日,延安地區是以積狀云降水回波為主的混合型降水回波,回波整體強度不強,最大回波強度為45～50 dBz。降水開始前,雷達徑向速度圖上低層風場以東風為主,高層以西南風為主,隨著低層風速增大,02時在0.5°～2.4°仰角徑向速度圖上,在延長地區均出現氣旋式輻合流場(見第5頁圖4b),且02—03時對流性回波顯著增多(見第5頁圖5b),延川地區出現強降水。04—05時低空西南氣流明顯增大,氣旋式輻合流場特征仍然明顯,高空西風急流維持,系統穩定,降水持續。

通過對兩次過程雷達回波和徑向速度演變對比發現,在徑向速度圖上,兩次過程的回波移動速度均較慢。“7·11”過程,雷達回波整體范圍較小,對流性降水回波強度強且較為密集。“7· 8”過程,雷達回波整體范圍較大,對流性降水回波強度弱且較為松散。因此,“7·11”過程暴雨強度大但降雨范圍較小,而 “7·8”過程暴雨強度小而降雨范圍較大。

4 物理量診斷分析

4.1 水汽條件

“7·8”過程中,8日20時,850 hPa水汽通量場上,來自臺風 “浣熊”北部的偏東氣流西伸至陜西地區 (圖略),臺風將東海的水汽輸送到內陸,此時延安上空水汽通量值達8 g/(cm ·hPa·S),9日02—07時偏東風仍然維持,08時隨著冷空氣南下,陜北上空轉為東北風。從700 hPa也可明顯看到偏東氣流的發展過程,8日20時(圖略)一支上千公里的偏東氣流非常強盛,延安上空小范圍內水汽通量達到8 g/ (cm·h Pa·S),9日02時隨著臺風北上(見第6頁圖6a),從山東經河南、山西到達陜西北部地區的偏東氣流有所加強,延安到榆林南部上空的水汽通量均在12 g/(cm·hPa·S)以上,黃河沿線處在中心為(-6～-4)×10-7g/(cm2·hPa·S)的水汽輻合區中,08時臺風向東北方向移動,偏東氣流顯著減小,副熱帶高壓外圍的西南氣流有所發展,暴雨區上空水汽通量大值中心達12 g/(cm·hPa·S)。分析700～850 hPa水汽通量散度可知,本次過程強水汽輻合主要發生在700 h Pa,8日20時在陜北上空有中心為-5×10-7g/(cm2·h Pa·S)的水汽輻合大值中心,8日20時到9日02時水汽輻合大值中心強度保持不變,但中心位置移向其東北方向,與強降水落區對應較好,9日08時陜北上空仍處于水汽輻合區中,但強度明顯減弱。上面分析表明,該次區域性暴雨發生時低層700～850 h Pa水汽條件較好,充足的水汽供應配合強的水汽輻合易產生強降水。

“7·11”過程中水汽主要來自700 hPa,暴雨發生前12 h,來自孟加拉灣的水汽沿著副高588 dagpm線外圍向西南地區、青藏高原東部地區及華北地區輸送 (圖略),延安地區處于水汽通道北界,水汽通量為4 g/(cm·hPa·S),12日02時暴雨發生時(圖6b),關中西部水汽通量迅速增大到12 g/(cm·hPa·S),延安仍然處于水汽通道的北界,此時水汽通量迅速增大到8 g/(cm·h Pa·S),此刻黃河沿線也出現了中心強度為(-6～-4)×10-7g/(cm2·hPa·S)的輻合中心。08時低空暖濕氣流加強,陜北上空水汽通量為8 g/(cm·h Pa·S)的范圍有所擴大,14時后水汽通量迅速減小。從整個暴雨發生前后的水汽通量剖面圖 (圖略)上也可看出,水汽供應主要來自700～600 hPa,暴雨發生前6 h,600 h Pa有中心值為10 g/(cm·hPa ·S)的水汽通量大值區,14時后基本減小到4 g/(cm·hPa·S)以下。從水汽通量散度時間剖面圖(圖略)上也可看到,從11日20時開始暴雨區上空700 hPa就出現了輻合區,12日02時達到了最強,輻合一直維持到08時,08時后逐漸轉為輻散區。

4.2 溫度平流

“7·8”過程,8日20時500 hPa青海湖附近的短波槽東移到隴東地區,此時陜北西部上空是中心強度為20×10-5℃/S的暖平流區,700 hPa陜北上空暖平流中心強度達15×10-5℃/S,但 850 hPa東北地區有一支強冷平流輸送帶伸展至陜北 (圖略),延安上空出現中心強度為-25×10-5℃/S的冷平流中心,此時垂直速度場上延安上空為弱上升區,這可能是由于冷空氣勢力較強,強下沉運動產生的拖曳作用導致上升運動減弱。9日02時850 hPa冷平流中心減弱為-5×10-5℃/S,強冷空氣從東北方向直接強迫抬升來自臺風 “浣熊”外圍的偏東氣流,產生強上升運動,觸發了低層不穩定能量的爆發。從整個暴雨區垂直速度的區域平均場(圖略)上也可看到,8日20時整個700 hPa以下沉運動為主,9日02時隨著濕層的增加和低層冷空氣的入侵,暴雨區上空出現了中心強度為-0.5 Pa/S的濕空氣(相對濕度≥95%)上升運動區,低層冷空氣的入侵迫使暖濕空氣上升,產生了本次暴雨過程。08時后850 hPa上冷平流減弱消失,整層大氣的相對濕度也明顯減弱,降水逐漸停止。

“7·11”過程,11日20時500 hPa冷空氣位置偏北,陜北上空為暖平流區,700 hPa陜北處于弱的暖平流區,850 hPa由高原槽引導的高空冷空氣有所擴散,河套西部存在中心強度為-30× 10-5℃/S的冷平流中心(圖7a),700 hPa以下干冷空氣以下沉為主,12日02時850 hPa冷平流減小到-5×10-5℃/S。在相對濕度和垂直速度區域平均場 (圖略)上也可看出,此時濕層已增厚至200 hPa以上,400 hPa出現了中心強度為-0.5 Pa/S的上升運動區(圖7b)。08時低層冷平流輸送更弱,暖濕空氣沿著干冷空氣爬升, 500 hPa仍然存在強上升運動,但由于01—05時出現短時強降水,大氣中水汽含量有所減少,濕層厚度明顯減小,08時后強降水逐漸結束。

分析兩次過程延安探空資料,暴雨發生前6 h(圖略),溫度廓線和層結曲線非常接近,大氣處于飽和狀態。低層850 h Pa以下有強的冷空氣入侵低層大氣,由于較強冷空氣的下沉拖曳作用,往往不會造成強降水。兩個過程的垂直風分布基本一致,850 hPa均為東北風,冷墊作用非常明顯。“7·11”大氣低層風切變率較大,中高層風速切變率較小,這種風速分布有利于垂直運動的發展,同時這種上升運動對中尺度對流系統發展也非常有利。而 “7·8”過程,低層大氣切變率小,中高層較大,較“7·11”過程暴雨區上升速度弱。

兩次過程發生前6 h,由于冷暖空氣交匯時溫度梯度較大,低層大氣冷平流輸送較強,造成大氣低層以下沉運動或弱上升運動為主。暴雨發生時,冷空氣已經入侵低層大氣,低層冷平流明顯減弱,溫度梯度減小,此時暖濕氣流被弱冷空氣強迫抬升,大氣相對濕度大于90%的區域由中層迅速增加到整層,同時低層風速切變增大,中高層風速切變減小,有利于暴雨區上升運動的發展,為中尺度對流云團的發生、發展提供有利的環境場。

5 能量場分析

通常把潛熱能和顯熱能稱之為濕空氣的涵,濕涵即指單位空氣的溫濕能,表達式為EI= CPT+Lq,其中T、q、CP和L分別為溫度、比濕、定壓比熱和凝結潛熱系數,為了方便分析計算了EI/CP,將單位統一為℃,溫濕能與水汽和熱量有關,可很好地反應空氣熱能的累積狀況。

“7·8”過程850 hPa濕涵場上,8日08時整個陜西上空是中心強度為22℃的高濕涵場,甘肅中部有中心強度為17℃的低濕涵場,14時(圖8a),隨著偏東氣流的加強,山西、河南一帶濕涵迅速增大,出現了濕涵密集帶,偏東氣流攜帶的高濕空氣向陜西輸送高溫、高濕能量,陜西上空的濕涵場增大到27℃,同時低濕涵區域東移到寧夏上空,高低濕涵場在陜北地區交匯,出現了等濕涵線密集帶,實際上這條濕涵密集帶就是鋒區所在位置,累積了大量的不穩定能量, 20時密集帶東移南壓,陜北上空處于低濕涵帶前端,直到強降水結束。

“7·11”過程,850 hPa有同樣的濕涵場分布,11日08時,來自南海及孟加拉灣的偏南氣流非常強盛,陜北上空是強度為19℃的高濕涵場,14時在陜西南部地區出現了中心強度為24℃的高濕涵中心(圖8b),偏南氣流繼續向陜北輸送高溫、高濕水汽,此時陜北上空的濕涵強度增加到22～23℃,同時在華北和河西地區各有中心為17℃、20℃的低濕涵區,陜北處于兩低濕涵場中的高值區。20時河西地區的低濕涵場向東移動到陜北上空,陜北上空出現了中心強度為19℃的低能、低溫區。11日20時—12日08時陜北上空一直處于18℃的低濕涵場中。

通過上面分析可以看出,“7·8”過程的濕涵密集帶對12 h后該區發生的暴雨有較好的指示意義,該次過程的濕涵密集帶與鋒區位置對應,在暴雨發生前12 h隨著臺風外圍偏東氣流的加強,陜北暖濕空氣與冷干空氣出現了交匯,暴雨區上空積累了大量的不穩定能量。“7·11”過程,暴雨高濕涵場主要來自于南海和孟加拉灣偏南氣流,偏南氣流攜帶陜南上空的高濕涵大氣向陜北輸送,本次過程的高濕涵場對應的是低空急流,臺風對本次暴雨的能量場沒有直接的貢獻。

5 結論

(1)“7·8”過程是在東北冷渦穩定維持情況下發生的,高原槽后冷空氣與臺風 “浣熊”外圍偏東氣流在陜北交匯造成本次暴雨,“7· 11”過程是500 hPa高原槽后冷空氣與副高外圍西南氣流在陜北交匯產生的,臺風 “蘇力”在西行過程中與副高相互作用下副高東退,暴雨結束。“7·8”地面為東北路冷空氣,“7· 11”為西路冷空氣。兩次過程850 hPa東北氣流均起了冷墊作用,陜北暴雨落區基本位于584 dagpm線附近。

(2)“7·8”過程是東北低渦冷鋒云系后部與高原槽云系相互疊加激發出來的中小尺度對流云團產生的,而 “7·11”過程是東北低渦低槽云系后部與高原槽云系在低層偏南暖濕氣流增大階段相互作用激發出來的對流云團產生的,兩次強降水發生時間均與云頂亮溫強度低于-40℃的時刻對應良好,強降水發生時,雷達回波呈現出以積狀云為主的混合型降水回波。

(3)兩次過程發生前6 h,低層大氣冷平流輸送較強,暴雨發生時,低層冷平流明顯減弱,上升運動加強,強上升運動使大氣濕層增加,同時大氣中高層風速切變越小,越有利于暴雨區上升運動的發展,為中尺度對流云團的發生、發展提供有利的環境場。

(4)濕涵密集帶對未來該區發生暴雨有較好的指示意義,“7·8”過程中濕涵密集帶與鋒區位置對應,在暴雨發生前12 h隨著臺風 “浣熊”外圍偏東氣流的加強暖濕空氣與冷干空氣在陜北交匯,暴雨區上空積累了大量不穩定能量。“7· 11”過程中暴雨高濕涵場主要來自于南海和孟加拉灣偏南氣流,高濕涵場對應的是低空急流,臺風 “蘇力”對本次暴雨的水汽和能量沒有直接的貢獻。

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1006-4354(2015)05-0001-09

2015-04-02

馬曉華(1986—),女,陜西寶雞人,碩士,工程師,主要從事天氣預報理論及方法研究。

中國氣象局預報員專項(CMAYBY2014-069)、陜西省預報員專項(2014Y-11)共同資助