臺風(fēng)與副高共同影響下的華西秋雨個例分析

冉津江，齊玉磊，龍治平

(1.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院四川分院，四川成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，四川成都 610072；3.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都 610025；4.重慶市預(yù)警信息發(fā)布中心，重慶401147)

秋季，隨著季風(fēng)系統(tǒng)的南撤，我國大部分地區(qū)雨季結(jié)束。然而在華西地區(qū)(21°～39°N，95°～114°E)，即渭水流域、漢水流域為主的陜南、隴南地區(qū)以及四川盆地、貴州和云南等地常出現(xiàn)影響范圍大、持續(xù)時間長的連陰雨，稱之為華西秋雨[1]。我國華西地區(qū)位于青藏高原的東側(cè)，秋季頻繁南下的冷空氣因受秦嶺和云貴高原以及青藏高原東側(cè)的地形阻滯，與原停留在該區(qū)域的暖濕空氣相互作用，使低層鋒面活躍加劇，產(chǎn)生僅次于夏季降水的一個次極大值降水。華西秋雨一般出現(xiàn)時段以9—10月為主，最早可從8月下旬開始，最晚可在11月下旬結(jié)束，出現(xiàn)地區(qū)以四川盆地、貴州北部及西南最為常見[2-3]。

綿綿秋雨是西南地區(qū)秋季的主要天氣，也是該地區(qū)的氣象災(zāi)害之一。9—10月是華西地區(qū)農(nóng)作物秋收的季節(jié)，連陰雨天氣會導(dǎo)致成熟的秋糧易發(fā)芽霉變，棉花爛桃，也會影響晚稻抽穗揚花，未成熟的秋收作物生長期延緩，容易遭受凍害等，給農(nóng)作物的收成造成嚴重影響。華西秋雨區(qū)山地多，長時間的連陰雨后容易出現(xiàn)滑坡、泥石流等。有些年份由于雨量大，持續(xù)時間長，造成洪澇災(zāi)害。華西秋雨對該地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水庫蓄水、人民生活和財產(chǎn)安全都有著重要的影響，因此研究華西秋雨不僅是個科學(xué)問題，在應(yīng)用上也具有重大的實際意義。

有關(guān)華西地區(qū)的秋季連陰雨天氣，前人的研究多側(cè)重于連陰雨的年際變化、華西秋雨的分布特征、華西秋雨指數(shù)的對比與改進、華西秋雨與大氣環(huán)流轉(zhuǎn)變的關(guān)系、季風(fēng)進退(包括高原季風(fēng)、熱帶季風(fēng)和冬季風(fēng)等)與華西秋雨起止的關(guān)系等[4-13]。林紓等[14]分析了太平洋副熱帶高壓和海溫對西北中東部秋季連陰雨的影響。鮑媛媛等[15]對2001年華西秋雨形成的物理成因進行了詳細分析。王迎春等[16 ]分析了北京2002年冬季連續(xù)6 d降雪的天氣環(huán)流形勢及其垂直結(jié)構(gòu)。方建剛等[17]分析了陜西強連陰雨天氣的大氣環(huán)流及物理量場。川東地區(qū)是華西秋雨的強中心之一，但對該地區(qū)持續(xù)性秋雨的持續(xù)時間和強度的研究較少。筆者通過對2014年9月7—19日連陰雨天氣個例的大氣環(huán)流形勢、垂直結(jié)構(gòu)、水汽條件和熱力學(xué)特征進行綜合分析，揭示此次連陰雨形成的物理機制，對華西秋雨的業(yè)務(wù)預(yù)報起到一定的參考作用。

1 資料介紹

所用資料是國家氣象中心下發(fā)的東北半球T213客觀分析的逐日資料，時間為2014年9月7—19日，分辨率為2.5°×2.5°，物理量包括各標準等壓面的高度(H)、風(fēng)速(u，v)、垂直速度(w)、溫度(T)、相對濕度等。所用降水資料為中央氣象臺提供的逐日08：00 24 h實時觀測降水資料。副熱帶高壓(副高)指數(shù)的日資料來自國家氣候中心發(fā)布的74項環(huán)流指數(shù)。

2 2014年華西秋雨主要特征

根據(jù)羅霄等[18]定義的華西秋雨指數(shù)(IAR)，IAR是指9—10月秋雨量占年降水量的百分比與9—10月秋雨日數(shù)占年降水日數(shù)的百分比之和。從全國2 410個站點中挑選出華西區(qū)域(21°～39°N，95°～114°E)共1 103個站點，計算該區(qū)域各站點的2014年華西秋雨指數(shù)(圖1)，華西秋雨指數(shù)(IAR)≥0.4的區(qū)域為典型華西秋雨區(qū)。由圖1可知，2014年四川盆地中東部華西秋雨明顯，華西秋雨指數(shù)均在0.4以上，東部局地可達0.7。從天氣現(xiàn)象上表現(xiàn)為2014年秋季(9—11月)四川盆地雨日多、日照少、連陰雨天氣明顯。全省有10縣站連陰雨日在10 d以上，鹽亭、射洪最多達13 d(9月7—19日)，為1961年以來秋季連陰雨日數(shù)最長年份；連陰雨持續(xù)日數(shù)在5 d以上的有82縣站，主要集中于四川盆地。

圖1 華西秋雨指數(shù)分布Fig.1 Distributions of autumn rain index in West China

圖2 2014年9月7—19日華西地區(qū)累計降水量Fig.2 Precipitation in West China during the period from September 7 to 19，2014

2014年9月7—19日，四川盆地出現(xiàn)大范圍的連陰雨天氣，降水量普遍在5～360 mm(圖2)。從該過程的累計降水量分布(圖2)可以看出，降水的大值區(qū)(100 mm以上)主要集中在盆地中東部，最大可達360 mm左右。從氣象災(zāi)害的災(zāi)情直報中可知，這次連陰雨天氣造成盆地中東部地區(qū)直接經(jīng)濟損失3 690萬元，總受災(zāi)人數(shù)達5萬多人，房屋倒塌154間，農(nóng)作物受災(zāi)2 328.7 hm2，成災(zāi)905.3 hm2，絕收304.7 hm2。9月11—12日，遂寧市接連出現(xiàn)了暴雨、大暴雨天氣過程，區(qū)域及山洪站中有110站累計雨量大于50 mm，有41站累計雨量大于100 mm。其中，位于四川盆地中東部地區(qū)的射洪縣出現(xiàn)了長達13 d的連陰雨天氣，累計降水量達252 mm，較強降水主要出現(xiàn)在3個時段，分別為11日(49 mm)、12日(95 mm)和18日(42 mm)。

3 環(huán)流形勢分析

3.1500hPa平均高度場及環(huán)流特征2014年9月7—19日500 hPa平均高度場上，中高緯度為兩槽一脊形勢，烏拉爾山以東的歐亞中高緯地區(qū)維持寬廣的低壓區(qū)；極渦偏于東半球，位于新地島以東洋面；北支鋒區(qū)平直且寬闊，位于40°～50° N。在連陰雨開始的前2 d(5—6日)，我國大陸35°～45° N出現(xiàn)3條及以上的等溫線，達到鋒區(qū)要求。從7日開始，北支鋒區(qū)上有不斷分裂的西風(fēng)帶低槽經(jīng)新疆、高原北側(cè)東移，給四川盆地帶來持續(xù)的冷空氣。同時，西太平洋副熱帶高壓勢力強大，588 dagpm線控制了長江中下游以南的大部分地區(qū)，副高整體呈現(xiàn)西伸北抬的趨勢(表1)。12—13日開始，中緯度的等溫線變密，鋒區(qū)加強，副高脊線位于27°N附近、西伸點達到105°E以東。南支槽偏于80°E，位于印度半島，南支槽前的西南氣流與副高西側(cè)的偏南氣流向四川輸送暖濕空氣。在這種背景下，四川中東部地區(qū)受到冷暖氣流的持續(xù)影響，形成了持續(xù)的連陰雨天氣，且極易形成暴雨天氣。

表12014年9月7—20日副高指數(shù)

Table1ThesubtropicalhighindexduringSeptember7to20，2014

日期Date副高面積Area of subtropical high×105 km2副高強度Intensity of subtropical high×106 km2·gpm副高脊線Ridge of subtropical high西伸脊點West ridge point09-07140.9358.722.6°N90.0°E09-08125.2365.619.9°N106.9°E09-09116.8367.922.9°N107.5°E09-10131.8481.323.9°N102.5°E09-11121.3422.924.3°N95.0°E09-12107.1395.724.4°N107.5°E09-1397.8317.724.3°N106.8°E09-1489.5302.624.8°N103.3°E09-1580.8284.726.1°N103.4°E09-16107.5342.326.9°N106.3°E09-17180.6651.626.4°N105.0°E09-18177.6604.524.6°N90.0°E09-19114.7362.024.0°N90.0°E09-2096.8330.422.3°N124.5°E

這種形勢維持到15日08：00，中低緯度環(huán)流出現(xiàn)了明顯的調(diào)整。這是由于2014年15號臺風(fēng)“海鷗”的出現(xiàn)改變了環(huán)流背景，“海鷗”于12日14：00在西北太平洋上生成(表2)。14日08：00臺風(fēng)“海鷗”進入中國南海海域，開始改變副高的形狀，使得副高變成東西走向的帶狀分布(圖3)。臺風(fēng)逐漸向西北方向移動，使得副高從15日開始，向北向東移動。臺風(fēng) “海鷗”于16日09：40在海南文昌首次登陸，同日12：45在廣東徐聞第2次登陸，23：00在越南廣寧第3次登陸，登陸后強度減弱，并于17日23：00在云南普洱境內(nèi)停止編號。同時，副高在“海鷗”停止編號前后迅速西伸。17日20：00，當“海鷗”在中越邊界減弱為倒槽時，副高西伸點從108°E附近迅速西伸至100°E附近，到18日西太平洋副高與中心位于高原的大陸高壓打通合并形成東西帶狀的高壓壩。19—20日盆地中東部處于副高外圍的波動淺槽附近，還有少量降水。20日之后四川盆地全部受到高壓控制，連陰雨天氣結(jié)束。

圖3 2014年9月14日08：00 500 hPa高度場Fig.3 The circulation of 500 hPa at 08：00 on September 14，2014

Table2ThepositionandstrengthoftyphoonKalmaegiduringSeptember12-17，2014

時間Time緯度Latitude經(jīng)度Longitude氣壓Pressure∥hPa風(fēng)速Wind speed∥m/s12日14:0013.6°N131.1°E9981812日20:0013.7°N130.1°E9952013日08:0013.9°N128.7°E9982513日20:0015.0°N126.8°E9703514日08:0016.5°N124.6°E9703514日20:0017.8°N121.8°E9653815日08:0018.0°N118.2°E9703515日20:0018.8°N114.7°E9604016日08:0019.7°N111.6°E9604016日20:0021.0°N108.5°E9604017日08:0022.1°N104.8°E99520

3.2700hPa環(huán)流特征700 hPa切變線的建立和維持是四川中東部連陰雨天氣形成的主要影響系統(tǒng)。2014年9月11日08：00從甘肅南部至四川西南部有切變建立，20：00切變線東移南壓至陜西—川東北一線。12日08：00—15日20：00，切變線在四川東北部維持，并且切變線上不斷有低渦形成(圖4a)，由此造成川東北連續(xù)數(shù)日出現(xiàn)暴雨天氣。16日08：00—17日08：00隨著切變線西退北抬，四川中東部轉(zhuǎn)為偏南氣流控制(圖4b)，暴雨天氣結(jié)束。即前期降水(15日之前)高低空系統(tǒng)配置較好，動力條件較強；后期降水(15日之后)高低空系統(tǒng)配置相對較差，動力條件相對較弱。中尺度分析中顯著流線和濕舌(T-Td≤5 ℃)范圍表明，偏南氣流帶來的暖濕水汽在四川中東部形成高濕區(qū)，從而造成四川中東部在16—20日仍出現(xiàn)降水天氣。

圖4 2014年9月12日08：00(a)和16日08：00(b) 700 hPa風(fēng)場與中尺度分析Fig.4 The wind and mesoscale analysis of 700 hPa at 08：00 on September 12(a)and September 16(b)，2014

3.3850hPa環(huán)流特征850 hPa四川盆地中東部從9月7—15日一直有低渦不斷生成和發(fā)展，以11日20：00 850 hPa的天氣圖為例(圖5)，在四川盆地中東部有西南渦維持，盆地內(nèi)以回流的偏東氣流(東北風(fēng)和東南風(fēng))為主。在盆地北部有甘肅、陜西南部攜帶的冷平流進入四川盆地，南海的水汽由副高邊緣的南風(fēng)輸送到四川東部，盆地內(nèi)的溫度露點差為3 ℃以內(nèi)，水汽條件較好，形成高濕區(qū)。充沛的水汽與低層的輻合上升氣流相配合，造成了11—12日盆地中東部的降水強度較大，其中射洪站日降水量達95 mm。16—18日川東北地區(qū)低渦仍維持，但位勢高度升高至148～152 dagpm，表明低層輻合在此期間減弱，降水強度隨著減弱。

圖5 2014年9月11日20：00 850 hPa風(fēng)場與中尺度分析Fig.5 The wind and mesoscale analysis of 850 hPa at 20：00 on September 11，2014

4 水汽條件

對比分析850、700、500 hPa的水汽輸送通量發(fā)現(xiàn)，連陰雨期間水汽輸送以低層為主。逐日分析盆地中東部低層水汽通量散度發(fā)現(xiàn)，15日08：00之前該地區(qū)的水汽來源主要是副高外圍的偏南風(fēng)，之后的水汽來源主要是臺風(fēng) “海鷗”的外圍云系。以11日08：00和17日08：00的水汽通量散度(圖6)為例，11日08：00盆地中東部受到副高外圍南風(fēng)和東南風(fēng)輸送的水汽為主，輻合中心為-30×10-8g/(cm2·hPa·s)；17日08：00盆地中東部主要受到臺風(fēng)登陸東風(fēng)和東南風(fēng)帶來的水汽，輻合中心在云南地區(qū)，盆地中東部水汽通量散度為-20×10-8g/(cm2·hPa·s)以上。分析9月7—19日的水汽通量散度剖面發(fā)現(xiàn)，這一段時間四川中東部地區(qū)低層都有一定的水汽輻合。11日20：00在四川盆地中東部地區(qū)600～925 hPa維持-0.7×10-8g/(cm2·hPa·s)的輻合區(qū)，而在500 hPa附近為0.3×10-8g/(cm2·hPa·s)的輻散區(qū)，整體表現(xiàn)為低層輻合、高層輻散。對應(yīng)著中低層有切變線和西南渦等天氣系統(tǒng)，水汽條件和動力條件均較好，因此12日08：00盆地中東部降水明顯，局地降水可達95 mm。

一般而言，秋季降水的有利條件是850 hPa的比濕大于8 g/kg， 700 hPa的比濕大于6 g/kg。分析對流層低層850和700 hPa的比濕剖面圖發(fā)現(xiàn)，9月7—19日四川盆地的850 hPa的比濕均在11 g/kg以上， 700 hPa的比濕均在9 g/kg以上，水汽條件較好。在相對濕度的剖面圖中，9月7—19日四川盆地的相對濕度整體較高，水汽條件較好。以12日08：00的100°～110°E水汽通量散度剖面圖為例，在四川中東部地區(qū)(104°E，30.2°N)500～925 hPa維持為80%的濕區(qū)，整體表現(xiàn)為對流層中低層水汽條件較好。從水汽輸送通量、比濕、相對濕度等不同物理量的診斷分析中均可以發(fā)現(xiàn)，9月7—19日盆地中東部水汽條件較好，有利于連陰雨天氣過程的持續(xù)。

5 熱力條件

分析連陰雨期間假相當位溫分布特征(圖7)發(fā)現(xiàn)，盆地南部及東北部處于高值區(qū)，盆地西北側(cè)為能量低值區(qū)。能量高值區(qū)呈現(xiàn)先向北擴展再向南退的過程，對應(yīng)著西南和東南方向暖濕氣流的水汽輸送，由于副高的西伸，大量暖濕空氣輸送到盆地地區(qū)，盆地能量逐漸積累，至12—13日暴雨天氣過程結(jié)束，能量耗散，700和850 hPa的假相當位溫均明顯降低(表3)。而西北側(cè)的低值區(qū)的演變對應(yīng)著干冷空氣的變化。分析9月3—21日單站(射洪)850 hPa的假相當位溫場發(fā)現(xiàn)，在9月9日降水開始之前不斷有能量的累積，假相當位溫逐漸增加達到最大值79 ℃，降水開始之后能量不斷耗散，假相當位溫逐漸降低至60 ℃，降水結(jié)束后隨著能量的聚集，假相當位溫逐漸增加。分析此次連陰雨天氣過程的假相當位溫差值(700 hPa-850 hPa)(表3)發(fā)現(xiàn)，13日之前差值基本為負，代表大氣處于不穩(wěn)定層結(jié)，屬于不穩(wěn)定降水；13日之后，隨著暴雨天氣結(jié)束，不穩(wěn)定能量釋放，差值基本為正，代表大氣處于穩(wěn)定層結(jié)，屬于穩(wěn)定性降水。

圖7 2014年9月12日850 hPa假相當位溫(單位：℃)Fig.7 The pseudo-potential temperature of 850 hPa on September 12，2014

Table3Themeanpseudo-potentialtemperatureincentralandeasternofSichuanfromSeptember7to19，2014

℃

6 動力條件

沿連陰雨區(qū)做垂直速度的剖面圖發(fā)現(xiàn)，在連陰雨天氣期間，四川中東部地區(qū)中低層一直是上升運動，其中9月9日20：00整層大氣都維持著上升運動，一直延展到對流層頂，強中心出現(xiàn)在850 hPa以上。結(jié)合散度場的垂直剖面圖發(fā)現(xiàn)，在連陰雨過程中呈現(xiàn)出低層輻合、高層輻散的分布特點，高層輻散所造成的抽吸作用能夠?qū)е律仙\動和低層輻合的發(fā)展，這種配置為連陰雨天氣提供了良好的動力抬升條件。高層維持強輻散，對降水強度和陰雨持續(xù)起主導(dǎo)作用，高層輻散不僅有利于上升運動的產(chǎn)生和維持，也有利于氣旋性渦度柱上空抽吸作用的加強。連陰雨期間，輻散中心位于500 hPa左右，當高空輻散增強、低層輻合加強，雨勢也相應(yīng)加大。

分析850 hPa渦度場的剖面圖發(fā)現(xiàn)，9月7—19日盆地中東部的渦度值均為正值，且在12日達到最大值(15 s-1)，之后減弱。說明該地區(qū)低層空氣有氣旋性旋轉(zhuǎn)，有利于低層的輻合上升和系統(tǒng)的發(fā)展，有利于連陰雨天氣過程的持續(xù)。

7 結(jié)論

(1)此次連陰雨天氣過程500 hPa中高緯度呈現(xiàn)兩槽一脊的環(huán)流形勢，烏拉爾山長波脊較常年偏強，在連陰雨天氣過程中，不斷經(jīng)向發(fā)展，脊前的西北氣流為連陰雨提供了冷空氣。巴爾喀什湖分裂的小槽東移過程中，經(jīng)過新疆、青海等地，輸送冷空氣到四川盆地。西太平洋副熱帶高壓在連陰雨過程中不斷西伸北抬，最西到達100°E以西地區(qū)，其西南邊緣建立了一個持續(xù)的水汽通道，不斷為四川盆地輸送暖濕空氣。后期由于臺風(fēng) “海鷗”使副高東撤，但臺風(fēng)外圍持續(xù)為該地區(qū)輸送暖濕空氣。在這一環(huán)流背景下，北方南下冷空氣與南方北上暖濕空氣在四川中東部交匯，導(dǎo)致連陰雨天氣。

(2)中低層的天氣形勢表明，700 hPa有西南渦不斷生成，同時在盆地中東部有切變線，850 hPa在四川盆地中東部也有西南渦維持，且盆地內(nèi)以東北風(fēng)和東南風(fēng)氣流為主。切變線是連陰雨天氣的直接影響系統(tǒng)。從甘肅南部有冷平流進入四川盆地，從南海沿副高邊緣源源不斷地輸送暖濕氣流到四川盆地，盆地內(nèi)冷暖空氣交匯，同時盆地內(nèi)的溫度露點差均小于3 ℃，水汽條件較好，有利于連陰雨天氣的維持。

(3)連陰雨期間，前期(15日之前)由副高邊緣提供水汽輸送，低層輻合、高層輻散高低層配置較好，為較強的不穩(wěn)定性降水；后期(15日之后)由臺風(fēng)外圍云系輸送水汽，水汽條件相當，但動力條件減弱，為較弱的穩(wěn)定性降水。副高和臺風(fēng)“海鷗”的共同作用，造成此次連陰雨天氣降水強度大、持續(xù)時間長、過程總雨量偏大等。

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