基于微壓計(jì)觀測(cè)的暴雨過程重力波特征分析*

王秀娟 冉令坤 齊彥斌 馬淑萍 慕秀香 姜忠寶 畢瀟瀟

1) (吉林省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心,長(zhǎng)春 130062)

2) (中國氣象局吉林省人民政府人工影響天氣聯(lián)合開放實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130062)

3) (中國科學(xué)院大氣物理研究所,中國科學(xué)院云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)

4) (吉林省氣象臺(tái),長(zhǎng)春 130062)

5) (吉林省氣候中心,長(zhǎng)春 130062)

利用高精度微壓計(jì)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星、地面觀測(cè)數(shù)據(jù)和GDAS 數(shù)據(jù),對(duì)2020 年7月29日—30日東北冷渦暴雨過程重力波特征進(jìn)行分析,結(jié)果表明:重力波激發(fā)了此次暴雨,在暴雨發(fā)生前2—4 h,出現(xiàn)了周期約128 min的重力波先兆活動(dòng);在暴雨期間,重力波周期集中在120—180 min;在強(qiáng)對(duì)流發(fā)展期間出現(xiàn)了周期為128—256 min 的重力波和8—64 min 周期更短的重力波.強(qiáng)對(duì)流與重力波相互影響、相互作用.強(qiáng)對(duì)流發(fā)展時(shí),地面出現(xiàn)雷暴高壓、冷池、出流邊界,在冷池前方形成氣流輻合區(qū);氣流輻合輻散區(qū)向前移動(dòng),形成重力波傳播,最終激發(fā)暴雨.重力波先兆活動(dòng)這一特征對(duì)東北冷渦暴雨有一定的指示預(yù)警意義.

1 引言

東北冷渦暴雨是我國北方夏季主要的災(zāi)害性天氣,往往會(huì)造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害,引發(fā)山體滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害.東北冷渦暴雨發(fā)生在條件不穩(wěn)定的環(huán)境下,配合水汽輸送,受到低空急流的影響,并伴有明顯的中尺度對(duì)流系統(tǒng)活動(dòng)[1,2].暴雨強(qiáng)對(duì)流的因素很多,重力波是一個(gè)重要因素.重力波發(fā)生發(fā)展往往與暴雨、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害天氣密切相關(guān)[3-5],重力波能夠觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流,造成短時(shí)強(qiáng)降雨[6].強(qiáng)對(duì)流也能夠激發(fā)多種尺度的重力波[7],對(duì)重力波的傳播和發(fā)展起到積極的作用[8].因此,研究東北冷渦暴雨過程重力波特征與機(jī)理對(duì)深入認(rèn)識(shí)二者發(fā)生發(fā)展機(jī)制、東北冷渦暴雨預(yù)警有著重要的科學(xué)意義.

重力波追趕和碰撞是形成暴雨的重要機(jī)制之一[9].當(dāng)強(qiáng)對(duì)流發(fā)展時(shí),非地轉(zhuǎn)平衡作用會(huì)激發(fā)重力波;重力波反過來促進(jìn)對(duì)流組織化發(fā)展,產(chǎn)生暴雨,并且暴雨區(qū)位于中低壓和中高壓之間,渦度中心比散度中心落后 π/2.尤其是大振幅(0.5—15 hPa)、長(zhǎng)周期(0.5—4.0 h)、中尺度波長(zhǎng)(50—500 km)重力波組織帶狀降水的能力較強(qiáng)[10-13],易引起大風(fēng)、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流活動(dòng).2018 年,Liu 等[14]在一次四川地形暴雨分析中發(fā)現(xiàn),在10—14 km高度有周期80—100 min、波長(zhǎng)40—50 km 的重力波,該波動(dòng)是引起暴雨的關(guān)鍵尺度重力波.2020 年,Huang 等[15]在新疆地形暴雨研究中指出,高、低空存在周期73—200 min、波長(zhǎng)50—85 km 的重力波,低層波動(dòng)與中尺度渦旋共同作用促進(jìn)對(duì)流發(fā)展,導(dǎo)致暴雨.

以往人們常常采用氣壓儀探測(cè)氣壓波動(dòng)來觀測(cè)重力波[16-18].與常規(guī)氣壓儀相比,微壓計(jì)探測(cè)精度和采樣頻率更高,能夠更準(zhǔn)確地探測(cè)到幾分鐘至幾十分鐘更短周期的重力波特征[19].Curry和Murty[20]利用微壓計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析雷暴激發(fā)的重力波特征,指出波動(dòng)平均周期為10 min.Grachev等[21]統(tǒng)計(jì)分析俄羅斯5 年期間20 次雷暴激發(fā)的重力波特征,指出雷暴發(fā)展移動(dòng)中存在周期為40—300 min 的重力波.Kulichkov 等[22]分析指出,在俄羅斯,夏季冷鋒激發(fā)的重力波周期約為5—6 min,波速小于50 m/s.Blanc 等[23]利用微壓計(jì)網(wǎng)統(tǒng)計(jì)了非洲地區(qū)10 年強(qiáng)對(duì)流過程的重力波特征,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流激發(fā)的重力波平均速度約37 m/s、周期約96 min.

部分雷暴發(fā)生前會(huì)有重力波提前出現(xiàn)的現(xiàn)象,稱為重力波先兆活動(dòng).Uccellini[10]研究指出,重力波先兆活動(dòng)與強(qiáng)對(duì)流的生成發(fā)展有密切關(guān)系.1993 年,李啟泰等[24]利用微壓計(jì)數(shù)據(jù)分析降雹天氣重力波特征,發(fā)現(xiàn)降雹前數(shù)小時(shí)間歇出現(xiàn)振幅大于30 Pa 的重力波,其周期范圍小于90 min.2015 年,Wu 等[25]分析發(fā)現(xiàn),暴雨發(fā)生前約2 h 有周期120—240 min 的重力波存在,并起到觸發(fā)暴雨的作用.2018 年,Yang 等[26]模擬一次新疆地形暴雨,發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)20—45 km、周期50—120 min、波速10—25 m/s 的重力波提前于暴雨出現(xiàn),并促進(jìn)暴雨發(fā)生發(fā)展.

受觀測(cè)技術(shù)手段限制,以往重力波研究主要是利用數(shù)值模式或者地面氣壓觀測(cè)數(shù)據(jù)來分析重力波,關(guān)注重力波在一段時(shí)間內(nèi)的平均態(tài)特征.本文利用高精度微壓計(jì)數(shù)據(jù)分析東北冷渦暴雨中寬周期范圍(幾分鐘到幾小時(shí))重力波頻譜隨時(shí)間演變的動(dòng)態(tài)特征,研究重力波先兆活動(dòng)和產(chǎn)生機(jī)制,為此類暴雨預(yù)測(cè)預(yù)警提供科學(xué)的依據(jù).

2 數(shù)據(jù)與方法

中國氣象局吉林云物理野外科學(xué)試驗(yàn)基地位于吉林省白山市靖宇縣,試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布設(shè)了微壓計(jì)、云雷達(dá)、微波輻射計(jì)、微雨雷達(dá)、激光雨滴譜、大氣電場(chǎng)儀等儀器.微壓計(jì)(圖1)是用于觀測(cè)地面低頻大氣擾動(dòng)的一種設(shè)備,可探測(cè)周期范圍幾分鐘到幾小時(shí)的重力波.微壓計(jì)從2020 年7月1日不間斷運(yùn)行至今,該儀器由中國科學(xué)院大氣物理研究所云與強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室(LACS)自主研發(fā),采集的氣壓數(shù)據(jù)有以下特點(diǎn):一是探測(cè)精度和靈敏度高,氣壓分辨率為0.1 Pa,采集的信號(hào)頻率可以達(dá)到10—5Hz,采樣頻率高達(dá)1 Hz;二是改良了微壓計(jì)容易受溫度影響這一缺點(diǎn),應(yīng)用恒溫技術(shù)使得微壓計(jì)僅對(duì)氣壓變化響應(yīng)而對(duì)溫度變化響應(yīng)較小,環(huán)境的溫度誤差控制在0.5 ℃內(nèi);三是輸出的氣壓數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理,濾掉了高頻噪音.雖然常規(guī)氣壓儀也能夠觀測(cè)到地面氣壓,但是常規(guī)氣壓儀的采樣頻率通常為1 min/次,探測(cè)精度最高為10 Pa.而重力波導(dǎo)致的氣壓波動(dòng)往往小于100 Pa,因此,相比較常規(guī)氣壓儀,微壓計(jì)儀器可以更好地滿足重力波特征.

圖1 微壓計(jì)Fig.1.Microbarograph.

為分析2020 年7月29日—30日東北冷渦暴雨過程重力波頻譜特征,本文利用微壓計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù),采用小波分析方法[27]計(jì)算重力波周期、頻率隨時(shí)間演變的動(dòng)態(tài)特征,其中,母波選取Morlet.Morlet 小波分析是在傅里葉(Fourier)變換基礎(chǔ)上引入窗口函數(shù),能夠反映信號(hào)在時(shí)域、頻域信號(hào)的局部特征.假設(shè)有時(shí)間序列數(shù)據(jù)Xn,時(shí)間步長(zhǎng)均為Δt,小波函數(shù)表達(dá)式為

式中,η是無量綱時(shí)間參數(shù),ω0是無量綱頻率,這里取值ω0=6.

對(duì)離散序列Xn進(jìn)行連續(xù)小波變換,即得到Xn和?0(η) 的卷積為其中s是小波尺度,*表示共軛復(fù)數(shù),當(dāng)小波尺度、時(shí)間參數(shù)發(fā)生變化時(shí),可以建立一個(gè)二維圖,顯示不同頻率信號(hào)的功率譜及其隨時(shí)間的變化.

為了近似連續(xù)小波變換,對(duì)于每個(gè)尺度s,(2)式要計(jì)算N次,通過卷積定理可知,(2)式可以用離散傅里葉變換(DFT)在傅里葉空間同時(shí)進(jìn)行N次卷積,得到

其中,離散序列Xn的DFT 為

式中k=0,···,N -1 是頻率序號(hào).小波尺度s為

其中,s0是最小可分辨尺度,J是最大尺度.本文中Δj取值1/12,Δt=1,s0=2Δt.由此得到小波功率譜|Wn(s)|2.因?yàn)樘幚淼氖怯邢揲L(zhǎng)度的時(shí)間序列,誤差出現(xiàn)在小波功率譜的開頭和尾端,這種邊緣效應(yīng)稱為影響錐(COI)[26].

傅里葉變換是一種分析信號(hào)的方法,可以將信號(hào)由時(shí)域轉(zhuǎn)為頻域.定義f(x) 是在任何有限區(qū)間上只存在有限個(gè)第一類間斷點(diǎn)和有限個(gè)極值點(diǎn),并且f(x)在 (-∞,+∞)上絕對(duì)可積,則在f(x) 的連續(xù)點(diǎn)處

而在間斷點(diǎn)處f(x)=(f(x+0)+f(x-0))/2,定義

為f(t)的傅里葉變換,f(t)稱為F(ω) 的逆傅里葉變換.為了體現(xiàn)2020 年7月29日—30日東北冷渦暴雨過程關(guān)鍵重力波頻段特征,本文對(duì)48 h(2020年7月28日12:00—30日12:00)微壓計(jì)氣壓數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行傅里葉變換,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為172800,選取周期120—180 min 的重力波進(jìn)行逆傅里葉變換重構(gòu)關(guān)鍵尺度重力波信號(hào).

本文采用吉林省981 個(gè)地面加密站數(shù)據(jù),結(jié)合3 路微壓計(jì)數(shù)據(jù)分析暴雨過程的重力波特征;采用美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic And Atmospheric Administration)GDAS 同化數(shù)據(jù)(空間分辨率0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率3 h)分析天氣形勢(shì)、重力波產(chǎn)生機(jī)制;采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/) FY-2G 黑體亮溫?cái)?shù)據(jù)(空間分辨率0.1°× 0.1°,時(shí)間分辨率1 h)分析強(qiáng)對(duì)流演變過程.

3 暴雨過程

2020 年7月29日07:00—30日5:00吉林省中部和南部發(fā)生暴雨(圖2),43 個(gè)加密站出現(xiàn)暴雨,1 個(gè)站出現(xiàn)大暴雨.強(qiáng)降雨帶主要分布在吉林省中東部(四平東部、遼源、吉林)和吉林省南部(通化、白山).其中,短時(shí)強(qiáng)降雨(小時(shí)雨量≥20 mm)主要發(fā)生在7月29日13:00—21:00、7月29日21:00—30日2:00,具有雨強(qiáng)大、降雨量不均勻的特點(diǎn).

圖2 2020年7月29日7:00-30日5:00 吉林省累計(jì)降雨量 (填色圖,mm)、加密站E7215(黑色加號(hào))、E9039(黑色圓點(diǎn))、微壓計(jì)1,2,3號(hào)站(黑色三角形)Fig.2.Accumulated heavy rainfall (shaded,mm) on 7 BJT 29-5 BJT 30 July 2020,the locations of surface automated mesonet station E7215 (black plus),E9039 (black dots) and microbarograph 1,2,3 (black triangle).

動(dòng)力抬升條件方面,此次暴雨發(fā)生時(shí),高層天氣形勢(shì)(圖3(a)(b))從低緯到高緯呈現(xiàn)了“低-高-低”的3 帶(西風(fēng)帶、副熱帶、熱帶環(huán)流系統(tǒng))分布特征,即在熱帶地區(qū)有低值區(qū),表明有臺(tái)風(fēng)活動(dòng),副熱帶高壓位置偏北,588 脊線北端位于40°N 附近,脊線呈東-西狀.吉林省位于東北冷渦前部、副熱帶高壓后部,高層大氣以西南暖濕氣流為主(圖3(a)(b)),低層850 hPa 東北冷渦中心位于內(nèi)蒙中部地區(qū),低層850 hPa 吉林省也處于暖濕西南氣流中,另外,高、低層渦中心位置幾乎一致,表明冷渦系統(tǒng)較為深厚.同時(shí),地面有西南風(fēng)與偏東風(fēng)輻合區(qū)(圖3(d)),高低層動(dòng)力抬升機(jī)制明顯.

圖3 2020年7月29日20:00 (a) 200 hPa 風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿,m/s);(b) 500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)(黑色等值線,gpm)、溫度場(chǎng)(紅色等值線,℃);(c) 850 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)(黑色等值線,gpm)、風(fēng)矢;(d) 地面比濕(填色圖,g/kg)、風(fēng)矢Fig.3.(a) 200 hPa wind field (wind stick,m/s),(b) 500 hPa geopotential height field (black lines,gpm),temperature field (red lines,℃),(c) 850 hPa geopotential height field (black lines,gpm),wind vector,(d) surface specific humidity (contour lines,g/kg),wind vector on 20 BJT 29.

熱力、水汽條件方面,在有利的天氣形勢(shì)下,當(dāng)東北冷渦系統(tǒng)內(nèi)的短波槽東移下滑,東北冷渦攜帶的干冷空氣與副熱帶高壓后部暖濕氣流交匯,這為暴雨提供了有利的熱力條件.同時(shí),受副熱帶高壓后部與臺(tái)風(fēng)外圍水汽輸送的共同影響,地面比濕高達(dá)12—14 g/kg(圖3(d)).因此,高低層大氣動(dòng)力、熱力、水汽條件充分,當(dāng)有合適的中尺度觸發(fā)因子,就會(huì)引發(fā)暴雨、雷電等強(qiáng)對(duì)流天氣.

此次暴雨過程伴有中尺度對(duì)流系統(tǒng)活動(dòng),在紅外衛(wèi)星云圖(圖4)上,7月29日11:00 吉林省中部(長(zhǎng)春、吉林)存在零散云頂亮溫高值區(qū),中心值達(dá)到—38 ℃—48 ℃,代表有對(duì)流云團(tuán)活動(dòng).7月29日14:00 對(duì)流云團(tuán)逐漸發(fā)展合并,并向東南方向伸展,吉林省中北部地區(qū)云頂亮溫高值中心達(dá)到—50 ℃—60 ℃,伴有強(qiáng)降雨(小時(shí)雨量≥20 mm)產(chǎn)生;同時(shí)白山北部和延邊東部有亮溫約—26 ℃—30 ℃的新生對(duì)流云團(tuán).7月29日17:00 強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)主體南移到四平、吉林、遼源、通化北部,云頂亮溫中心值高達(dá)—50 ℃—60 ℃、白山北部強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)發(fā)展,亮溫增至—40 ℃.7月29日20:00 零散的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)合并形成中尺度對(duì)流系統(tǒng),亮溫高值區(qū)位于四平東部、遼源、通化北部,中心值高達(dá)—60 ℃,同時(shí)白山和延邊仍存在對(duì)流云團(tuán).至7月30日2:00 (圖4(e),(f)),中尺度對(duì)流系統(tǒng)主體移至白山、延邊,云頂亮溫中心值約—60 ℃,進(jìn)入降水強(qiáng)盛階段.

圖4 2020年7月 (a) 29日11:00,(b) 29日14:00,(c) 29日17:00,(d) 29日20:00,(e) 29日23:00和(f) 30日2:00 FY-2G 衛(wèi)星云圖亮溫Fig.4.FY-2G satellite black body temperature on (a) 11 BJT 29,(b) 14 BJT 29,(c) 17 BJT 29,(d) 20 BJT 29,(e) 23 BJT 29,(f) 2 BJT 30 July 2020.

在此暴雨過程中,隨著中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展變化,地面氣象要素具有明顯的波動(dòng)特征.如圖5(a)所示,地面自動(dòng)站E7215 降水出現(xiàn)在29日14:00—21:00;29日14:00 開始有小量降水,氣壓整體變化呈現(xiàn)下降趨勢(shì),溫度達(dá)到峰值后迅速減小,表明天氣系統(tǒng)開始影響本站;29日17:00—20:00 短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)兩個(gè)峰值,同時(shí)氣壓整體呈現(xiàn)明顯的升高趨勢(shì),氣溫先減小后增加(氣溫低至21 ℃).在降水前后,氣壓和溫度都表現(xiàn)出脈動(dòng)特征.地面自動(dòng)站E9039 氣壓、溫度和降水變化具有類似特點(diǎn).該站降水時(shí)段在29日18:00—30日4:00,在30日1:00—2:00 短時(shí)強(qiáng)降水達(dá)到峰值,雖然氣壓整體趨勢(shì)是增加的,但在降水前后仍表現(xiàn)出明顯的脈動(dòng);在輻射作用下,夜間氣溫整體表現(xiàn)為降溫,但在降水期間存在明顯的降溫增幅,加劇氣溫下降.綜上所述,在降水過程中地面氣壓和氣溫的變化具有兩個(gè)特點(diǎn):第一,氣壓和溫度的日變化特征顯著,氣壓在15:00—18:00 達(dá)到最小值,如果沒有降水,此時(shí)氣溫達(dá)到最大值;如果有降水,地面降水蒸發(fā)冷卻作用會(huì)引起短時(shí)降溫;第二,在局地降水發(fā)生前后,氣壓和氣溫都出現(xiàn)短時(shí)脈動(dòng),代表存在某種波動(dòng).本文主要關(guān)注這種氣壓脈動(dòng),因?yàn)樗鼘?duì)降水有一定的預(yù)兆指示意義.

圖5 2020年7月29日-30日 (a) E7215 站(125.31°E,43.04°N),(b) E9039 站(126.27°E,41.95°N)1 h 累積降雨量(黑色實(shí)線,mm)、氣壓(綠色實(shí)線,hPa)、溫度(藍(lán)色實(shí)線,℃)Fig.5.The 1 h accumulated rainfall (black solid line,mm),pressure (green solid line,hPa),temperature (blue solid line,℃) in(a) E7215 (125.31°E,43.04°N),(b) E9039 (126.27°E,41.95°N) on 29-30 July 2020.

4 重力波特征

下面利用中國科學(xué)院大氣物理研究所研發(fā)的1,2,3號(hào)微壓計(jì)采集的高精度氣壓數(shù)據(jù)分析重力波特征.參考強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)自西向東的移動(dòng)路徑,由于自西向東安裝的微壓計(jì)分別為3號(hào)、1號(hào)、2號(hào),以下采用上述順序進(jìn)行微壓計(jì)數(shù)據(jù)分析.

4.1 重力波時(shí)域特征

圖6—圖8分別是3號(hào)、1號(hào)、2號(hào)微壓計(jì)采集的原始?xì)鈮?、氣壓日變化和擾動(dòng)氣壓.在信號(hào)處理中,常用到移動(dòng)平均濾波進(jìn)行濾波,這種方法本質(zhì)上是一種低通濾波,假設(shè)輸入數(shù)據(jù)為x,輸出為y,窗口寬度為N,在新的一次計(jì)算中,將上個(gè)窗口隊(duì)列的首數(shù)據(jù)去掉,其余N -1 個(gè)數(shù)據(jù)依次前移,并將新的計(jì)算數(shù)據(jù)插入,作為新隊(duì)列的尾.移動(dòng)平均濾波的計(jì)算公式為

對(duì)兩日(48 h)微壓計(jì)原始?xì)鈮簲?shù)據(jù)(2020 年7月28日12:00—30日12:00)進(jìn)行移動(dòng)平均濾波,窗口寬度設(shè)為21600,可以得到氣壓的日變化,原始?xì)鈮簻p去氣壓日變化可以得到擾動(dòng)氣壓,其中,圖6—圖8僅顯示29日0:00—30日6:00 氣壓原始數(shù)據(jù)、氣壓日變化、擾動(dòng)氣壓.可以看出,平均氣壓與原始?xì)鈮旱淖兓厔?shì)基本一致,29日7:00—15:00 氣壓顯著下降并有降水,29日15:00—22:00氣壓明顯上升,并且氣壓波動(dòng)非常劇烈,伴隨持續(xù)性強(qiáng)降水;29日22:00—30日5:00,仍有降雨的發(fā)生,同時(shí)氣壓小幅下降.

圖8 微壓計(jì)2號(hào)站(126.8°E,42.4°N) (a) 原始?xì)鈮?紅色實(shí)線,hPa)、氣壓日變化(黑色實(shí)線,hPa);(b) 擾動(dòng)氣壓(黑色實(shí)線,Pa)、小時(shí)雨量(綠色實(shí)線,℃)Fig.8.Microbarograph 2 (126.8°E,42.4°N):(a) Original pressure data (red line,hPa),pressure daily variation (black line,hPa);(b) pressure disturbance (black line,Pa),hourly rain (green line,℃).

對(duì)于微壓計(jì)3號(hào)站,如圖6(b)所示,29日1:00氣壓擾動(dòng)開始增強(qiáng),振幅從—5 Pa 增大到—30 Pa,此后氣壓擾動(dòng)振幅減小,29日8:00 氣壓擾動(dòng)再度增大至20 Pa,11:00 該站出現(xiàn)降水,可以看到氣壓擾動(dòng)的增強(qiáng)先于降水出現(xiàn),表明這種重力波對(duì)降水來說具有明顯的先兆活動(dòng)特征.另外,對(duì)比圖4(a)可以看出,此時(shí)降水是由孤立的對(duì)流系統(tǒng)造成的,因此氣壓擾動(dòng)振幅不是很強(qiáng).隨著對(duì)流系統(tǒng)的合并增強(qiáng),13:00 出現(xiàn)第二次降水峰值,氣壓擾動(dòng)振幅在12:00 增強(qiáng)為23 Pa 左右,在13:00—22:00 氣壓波動(dòng)很劇烈,擾動(dòng)振幅進(jìn)一步增強(qiáng)到40—60 Pa,22:00 出現(xiàn)了降水第三次峰值,特別地,在17:00—19:00 降水非常弱,但是,氣壓擾動(dòng)顯示出對(duì)未來強(qiáng)降水的先兆信號(hào);30日03:00 降水結(jié)束,氣壓擾動(dòng)趨于減弱.因此氣壓擾動(dòng)對(duì)第二次、第三次峰值降水來說依然保持一定的提前量.

圖6 微壓計(jì)3號(hào)站(126.61°E,42.43°N) (a) 原始?xì)鈮?紅色實(shí)線,hPa)、氣壓日變化(黑色實(shí)線,hPa);(b) 擾動(dòng)氣壓(黑色實(shí)線,Pa)、小時(shí)雨量(綠色實(shí)線,mm)Fig.6.Microbarograph 3 (126.61°E,42.43°N):(a) Original pressure (red line,hPa),pressure daily variation (black line,hPa);(b) pressure disturbance (black line,Pa),hourly rain (green line,mm).

1號(hào)微壓計(jì)和2號(hào)微壓計(jì)觀測(cè)的擾動(dòng)氣壓具有類似的特點(diǎn).1號(hào)微壓計(jì)記錄的氣壓擾動(dòng)對(duì)峰值降水依然保持一定的提前量.例如,對(duì)于1號(hào)微壓計(jì)(圖7(b)),29日11:00 降水達(dá)到第一次峰值,但是氣壓擾動(dòng)從29日7:00 就開始增強(qiáng),振幅從5 Pa增長(zhǎng)到20 Pa.14:00 出現(xiàn)第二次降水峰值,氣壓擾動(dòng)振幅在11:00—13:00 保持在20 Pa 左右,在13:00—15:00 進(jìn)一步增強(qiáng)到—50 Pa.第三次降水開始于18:00,氣壓擾動(dòng)從16:00 開始進(jìn)一步增強(qiáng),在23:00 振幅增大達(dá)到103 Pa,此后第三次降水達(dá)到峰值.對(duì)于2號(hào)微壓計(jì)(圖8(b)),降雨量峰值出現(xiàn)在29日14:00,22:00(圖8(b)),同時(shí)氣壓擾動(dòng)也達(dá)到極值,分別為 —40 Pa和102 Pa;需要強(qiáng)調(diào)的是,在強(qiáng)降水發(fā)生前已經(jīng)出現(xiàn)明顯的氣壓擾動(dòng),例如,19:00 時(shí)的—40 Pa 的氣壓擾動(dòng)先于21:00 降水的出現(xiàn),表明對(duì)于強(qiáng)降水,重力波具有先兆活動(dòng)特征.

圖7 微壓計(jì)1號(hào)站(126.70°E,42.41°N) (a) 原始?xì)鈮?紅色實(shí)線,hPa)、氣壓日變化(黑色實(shí)線,hPa);(b) 擾動(dòng)氣壓(黑色實(shí)線,Pa)、小時(shí)雨量(綠色實(shí)線,℃)Fig.7.Microbarograph 1 (126.70°E,42.41°N):(a) Original pressure (red line,hPa),pressure daily variation (black line,hPa);(b) pressure disturbance (black line,Pa),hourly rain (green line,℃).

從降雨量主要時(shí)段來看,3號(hào)微壓計(jì)、1號(hào)微壓計(jì)、2號(hào)微壓計(jì)主要時(shí)段分別為29日11:00—30日3:00、29日11:00—30日3:00、29日14:00—30日4:00.同時(shí),3 路微壓計(jì)出現(xiàn)重力波先兆信號(hào)的時(shí)間分別為29日8:00、29日7:00、29日10:00,這也體現(xiàn)了強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)自西向東移動(dòng)的特征.

上述分析表明,強(qiáng)降水伴隨著明顯的重力波氣壓擾動(dòng),該波動(dòng)的周期約為幾十分鐘至幾小時(shí),并且先于降水的出現(xiàn),具有明顯先兆活動(dòng)特征,對(duì)降水預(yù)報(bào)有一定的先兆指示意義.

4.2 重力波動(dòng)態(tài)頻譜特征

為了分析重力波頻率的時(shí)間變化特征,采用小波分析方法對(duì)微壓計(jì)采集的氣壓擾動(dòng)進(jìn)行小波變換.小波分析方法不僅能夠顯示信號(hào)的時(shí)域、頻域特性,也能夠反映信號(hào)的多尺度特征和局部特征.圖9為3,1,2號(hào)微壓計(jì)氣壓擾動(dòng)功率譜的時(shí)間變化.

對(duì)于3號(hào)微壓計(jì),由圖9(a)可見,重力波信號(hào)主要出現(xiàn)在兩個(gè)時(shí)段:7月28日21:00—29日8:00,7月29日8:00—30日6:00.主要特征如下.1) 7月28日21:00 出現(xiàn)了較強(qiáng)的氣壓擾動(dòng)功率譜,高功率譜的波動(dòng)周期約為128—230 min,29日2:00 開始波動(dòng)能量開始減弱.29日6:00—8:00 出現(xiàn)128 min 的高能重力波,而本站降水從29日10:00 才開始,可見,重力波先兆信號(hào)的出現(xiàn)比降雨開始提前了約4 h.2) 29日8:00 開始,256 min重力波能量開始增長(zhǎng),高能重力波向低頻發(fā)展,29日10:00 本站開始了持續(xù)性降雨,在13:00—20:00 出現(xiàn)了周期96—128 min 高功率譜重力波,與13:00 第一個(gè)降水峰值相對(duì)應(yīng);20:00 以后高能重力波的周期以128—256 min 為主,一直持續(xù)到30日3:00,同時(shí)激發(fā)了更短周期(約32—64 min)的重力波,第二次降水峰值出現(xiàn)在29日22:00.可見在降水發(fā)生前重力波的能量有增強(qiáng)過程,同時(shí)波動(dòng)周期也是變化的,代表存在多種頻率重力波的混合波動(dòng),在不同階段,起主要作用的波動(dòng)的頻率是不同的.

對(duì)于1號(hào)微壓計(jì)(圖9(c)),較強(qiáng)的重力波功率譜出現(xiàn)在29日6:00,在10:00—15:00 降水期間,高功率譜的波動(dòng)周期為128—256 min,在15:00—18:00 弱降水期間高功率譜的波動(dòng)周期為256 min,同時(shí)功率譜開始增強(qiáng),在29日21:00—30日0:00強(qiáng)降水階段,高功率譜重力波的周期為128—256 min,同時(shí)激發(fā)了更短周期(32—64 min)的重力波.可見,在降水發(fā)生前3 h,重力波周期以128 min 為主.

圖9 2020年7月28日20:00-30日7:00 重力波動(dòng)態(tài)譜 ((a),(c),(e)) (填色圖:功率譜;縱坐標(biāo):周期;橫坐標(biāo):時(shí)間;黑色包絡(luò)線顯示了小波影響錐,其外側(cè)為邊緣效應(yīng)較大的區(qū)域,綠色實(shí)線包圍的是置信度在95%以上的區(qū)域;▲表示降雨開始時(shí)間)與降雨量圖 ((b),(d),(f)) (a),(b) 微壓計(jì)3號(hào)站;(c),(d) 微壓計(jì)1號(hào)站;(e),(f) 微壓計(jì)2號(hào)站Fig.9.Gravity waves dynamic frequency spectra ((a),(c),(e)) (shaded:amplitudes;Y-axis:periods;X-axis:time;The black envelope line shows the cone of influence,outside of which edge effects might be large,and green solid lines designates the 95% confidence level,▲ denotes the start time of rainfall) and precipitation figure ((b),(d),(f)):(a),(b) Microbarograph 3;(c),(d) microbarograph 1;(e),(f) microbarograph 2 on 20 BJT 28-07 BJT 30 July 2020.

對(duì)于2號(hào)微壓計(jì)站(圖9(e)),弱降水發(fā)生在29日7:00—11:00,但在7月29日5:00—7:00 一直有周期約128 min 的重力波先兆信號(hào),該波動(dòng)比降雨開始提前約2 h 出現(xiàn).在29日13:00—15:00和29日21:00—30日4:00 的強(qiáng)降水階段分別出現(xiàn)了降雨峰值,其中,在第一個(gè)降雨峰值期間,重力波能量不斷增強(qiáng),高能重力波周期為64—128 min,并且有更短周期32 min 重力波產(chǎn)生,隨著對(duì)流的發(fā)展,很快256 min 的重力波也開始出現(xiàn).在第二個(gè)降雨峰值期間,高能量重力波從20:00 開始周期擴(kuò)展至96—192 min 重力波的能量增長(zhǎng),30日2:00開始衰減,此時(shí)段也激發(fā)了更短周期(8—32 min)的重力波.可見,在降水期間都伴有不同頻率的重力波,并且降雨前2 h 就已經(jīng)有重力波信號(hào)增強(qiáng).

從上述分析可看出,在暴雨發(fā)生前2—4 h 出現(xiàn)周期約128 min 的重力波先兆活動(dòng).暴雨期間,高能重力波的周期主要為128—256 min,并且隨著強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展演變,高能重力波頻譜也相應(yīng)地調(diào)整,強(qiáng)對(duì)流會(huì)激發(fā)更短周期(8—64 min)重力波.2020 年,Wang 等[28]利用佛山微壓計(jì)數(shù)據(jù)分析了佛山地區(qū)一次局地暴雨過程重力波動(dòng)態(tài)譜特征,暴雨前約4 h,出現(xiàn)了長(zhǎng)周期(140—270 min)重力波,局地暴雨同時(shí)激發(fā)了更短周期(≤36 min)重力波.本次東北暴雨過程也體現(xiàn)了重力波這一特征.

由圖9可看出,周期120—180 min 的重力波能量最強(qiáng),提取此頻段重力波,利用逆傅里葉變換進(jìn)行重力波重構(gòu),對(duì)于重構(gòu)的微壓計(jì)3號(hào)重力波(圖10(a)),在降雨時(shí)段29日10:00—30日3:00,重力波呈現(xiàn)周期性擾動(dòng),并且振幅迅猛增大,可達(dá)約60 Pa,并且在29日13:00和22:00 峰值降水前都有明顯的重力波,例如12:00 出現(xiàn)的振幅約為20 Pa 重力波早于13:00 的峰值降雨,20:00 出現(xiàn)的振幅約65 Pa 的重力波早于22:00 的峰值降雨.重構(gòu)的微壓計(jì)1和微壓計(jì)2 重力波信號(hào)也呈現(xiàn)相同的特征(圖10(b)和圖10(c)).例如,對(duì)于微壓計(jì)2號(hào)重力波重構(gòu)信號(hào)(圖10(c)),降雨時(shí)段29日7:00—30日3:00,12:00 之前,重力波振幅較小,約小于20 Pa,29日12:00—15:00 振幅增大,約為30 Pa,這早于14:00 的降水峰值,隨后波動(dòng)出現(xiàn)周期性擾動(dòng),20:00 開始波動(dòng)振幅迅速增長(zhǎng),約為40 Pa,這也早于22:00 的降水峰值.這表明周期為120—180 min 的重力波對(duì)強(qiáng)降水的發(fā)生、發(fā)展有著積極的作用.

圖10 重力波重構(gòu)(黑色實(shí)線,Pa)和小時(shí)雨量(綠色實(shí)線,mm) (a) 微壓計(jì) 3號(hào)站;(b) 微壓計(jì) 1號(hào)站;(c) 微壓計(jì) 2號(hào)站Fig.10.Gravity waves restruction (black line,Pa) and hourly precipitation (green line,mm):(a) Microbarograph 3;(b) microbarograph 1;(c) microbarograph 2.

4.3 重力波產(chǎn)生機(jī)制

重力波是指在層結(jié)穩(wěn)定大氣內(nèi)部的不連續(xù)面上(如速度不連續(xù)的切變線,密度不連續(xù)的鋒面),空氣微團(tuán)受到擾動(dòng)后偏離平衡位置,在重力和浮力共同作用下產(chǎn)生的波動(dòng).重力波方程組[9]為:

式中u′,v′,w′分別代表風(fēng)速在x,y,z方向的擾動(dòng),f為 Coriolis參 數(shù),θ′為位溫?cái)_動(dòng).由 于w′=W0sin(Kzz)sin(ωt-Kxx-Kyy),Kx,Ky,Kz分別為x,y,z方向上的波數(shù),頻率為

得到散度、渦度、擾動(dòng)氣壓方程為

由(8)式和(10)式可見,氣壓擾動(dòng)能夠體現(xiàn)重力波特征,水平輻合輻散、渦度也與重力波產(chǎn)生密切相關(guān).水平輻合輻散引起上升下沉運(yùn)動(dòng),在重力作用下形成重力波.下面從地面氣壓擾動(dòng)、地面風(fēng)場(chǎng)、散度擾動(dòng)和氣溫?cái)_動(dòng)綜合分析重力波產(chǎn)生機(jī)制.

7月29日14:00 強(qiáng)回波主體位于吉林省中部地區(qū)(圖4(b)),由圖11可見,29日14:00 在降水粒子下沉運(yùn)動(dòng)作用下,出現(xiàn)了雷暴高壓G1,引起氣流輻散.在G1 前方,有西北風(fēng)與西南風(fēng)的輻合,周邊有輻散.可以看出,在散度場(chǎng)上,存在明顯的輻散輻合異常值區(qū),呈現(xiàn)帶狀,向東南方向傳播,這是重力波的明顯特征.

圖11 2020年7月29日14:00 (a) 地面氣壓擾動(dòng),(b) 風(fēng)場(chǎng),(c) 散度擾動(dòng),(d) 溫度擾動(dòng)(綠色等值線為正值,紅色虛線為負(fù)值,℃).綠色、紅色、黃色圓點(diǎn)分別代表微壓計(jì)1,2,3號(hào)站位置Fig.11.(a) Surface pressure disturbances,(b) surface wind filed,(c) divergence disturbances fields,(d) temperature disturbances(green solid lines denotes positive values,red dotted lines denotes negative values,units:℃) on 14 BJT 29 July 2020.Green,red and yellow dot respectively denotes the locations of microbarograph 1,2,3.

29日17:00,強(qiáng)對(duì)流主體向東南方向移動(dòng)到四平、遼源、吉林、通化北部、白山北部(圖4(c)),由圖12可見,29日17:00 相應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)中高壓G2,輻散出流在西南方向輻合.輻合輻散交替出現(xiàn),波動(dòng)特征明顯.需要注意的是,在D2 區(qū)域同時(shí)有西北風(fēng)、西南風(fēng)、偏南風(fēng)的輻合,可能是傳播的重力波在局地條件下增強(qiáng)的結(jié)果.

圖12 2020年7月29日17:00 (a)地面氣壓擾動(dòng),(b) 風(fēng)場(chǎng),(c) 散度擾動(dòng),(d) 溫度擾動(dòng)(綠色等值線為正值,紅色虛線為負(fù)值,℃).綠色、紅色、黃色圓點(diǎn)分別代表微壓計(jì)1,2,3號(hào)站位置Fig.12.(a) Surface pressure disturbances,(b) surface wind filed,(c) divergence disturbances fields,(d) temperature disturbances(green solid lines denotes positive values,red dotted lines denotes negative values,units:℃) on 17 BJT 29 July 2020.Green,red and yellow dot respectively denotes the locations of microbarograph 1,2,3.

7月29日20:00,強(qiáng)對(duì)流降水區(qū)位于遼源、吉林南部、通化北部、白山北部(圖4(d)),由圖13可知,強(qiáng)降水區(qū)出現(xiàn)雷暴高壓G3,G4,G5(圖13(c)),由于降水蒸發(fā)冷卻作用造成負(fù)氣溫?cái)_動(dòng)中心(—2 ℃—3 ℃),形成地面冷池,冷池對(duì)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的維持有著重要的作用[29,30],同時(shí)G3和G4 區(qū)域輻散出流強(qiáng)勁.輻合輻散帶狀分布,呈現(xiàn)東西向分布的特征,代表重力波東西向傳播.這種輻合輻散主要是由對(duì)流的下沉氣流造成的地面高壓和降水蒸發(fā)引起的冷池,造成的出流引起在下游輻合,根據(jù)質(zhì)量連續(xù)性原理,進(jìn)而導(dǎo)致其下游出現(xiàn)輻散,因此這種帶狀的輻散輻合向外傳播,會(huì)形成重力波,由于中尺度是質(zhì)量場(chǎng)向風(fēng)場(chǎng)適應(yīng),因此這種風(fēng)場(chǎng)的波動(dòng)也會(huì)引起氣壓場(chǎng)的波動(dòng).

圖13 2020年7月29日20:00 (a) 地面氣壓擾動(dòng),(b) 風(fēng)場(chǎng),(c) 散度擾動(dòng),(d) 溫度擾動(dòng)(綠色等值線為正值,紅色虛線為負(fù)值,℃).綠色、紅色、黃色圓點(diǎn)分別代表微壓計(jì)1,2,3號(hào)站位置Fig.13.(a) Surface pressure disturbances,(b) surface wind filed,(c) divergence disturbances fields,(d) temperature disturbances(green solid lines denotes positive values,red dotted lines denotes negative values,units:℃) on 20 BJT 29 July 2020.Green,red and yellow dot respectively denotes the locations of microbarograph 1,2,3.

29日23:00 地面氣溫?cái)_動(dòng)為—2 ℃(圖略),冷池強(qiáng)度變?nèi)?輻合輻散強(qiáng)度也明顯減小,表明強(qiáng)對(duì)流已發(fā)展到成熟階段并開始減弱,但輻合輻散依然保持帶狀,呈現(xiàn)波動(dòng)特征.

由以上分析可知,在對(duì)流降水發(fā)展過程中,降水粒子下落和雨水蒸發(fā)冷卻在近地面產(chǎn)生冷高壓,形成向外輻散的出流,加強(qiáng)與下游氣流的輻合,根據(jù)質(zhì)量連續(xù)性原理,在輻合區(qū)產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng),在輻散區(qū)形成下沉運(yùn)動(dòng),這種輻合輻散促進(jìn)了重力波的生成以及強(qiáng)對(duì)流向下游的發(fā)展.由于重力波形成在對(duì)流的下游,因此先于對(duì)流的傳播,對(duì)強(qiáng)對(duì)流有一定的先兆指示作用.

5 結(jié)論

利用中國科學(xué)院大氣物理研究所自主研制的微壓計(jì)探測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合地面自動(dòng)站觀測(cè)、GDAS 數(shù)據(jù),分析了2020 年7月29日—30日吉林省暴雨過程的重力波特征,得出以下結(jié)論.

1)暴雨與重力波密切相關(guān),降雨量峰值與氣壓擾動(dòng)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并且周期為幾分鐘至幾小時(shí)的重力波早于降雨數(shù)小時(shí)出現(xiàn).

2)擾動(dòng)氣壓的小波分析表明,在暴雨發(fā)生前2—4 h,就有周期約128 min 的重力波先兆活動(dòng)(圖14重力波A),暴雨(圖14左側(cè)對(duì)流云)發(fā)生后又加強(qiáng)了重力波的發(fā)展,促進(jìn)了96—256 min 重力波產(chǎn)生(圖14重力波B),并激發(fā)了更短周期(8—64 min)的重力波.重構(gòu)重力波信號(hào)表明,此次暴雨過程重力波的主要周期為120—180 min.相比于對(duì)流降水,重力波信號(hào)提前2—4 h 出現(xiàn),表明重力波對(duì)強(qiáng)對(duì)流降水有一定的預(yù)兆指示意義.

3)在對(duì)流降水云發(fā)展過程中,降水粒子下落和雨水蒸發(fā)冷卻在近地面產(chǎn)生冷高壓,形成向外輻散的出流(圖14輻散區(qū)),加強(qiáng)與下游氣流的輻合(圖14輻合區(qū)),根據(jù)質(zhì)量連續(xù)性原理,在輻合區(qū)產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng),在輻散區(qū)形成了較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng),這種輻合輻散促進(jìn)了重力波的生成以及強(qiáng)對(duì)流向下游對(duì)流云(圖14右側(cè)對(duì)流云)的發(fā)展.這是重力波形成的主要機(jī)制,重力波的產(chǎn)生促進(jìn)了下游對(duì)流的發(fā)展和移動(dòng).

圖14 重力波對(duì)暴雨的觸發(fā)機(jī)制概念模型Fig.14.Conceptual model of triggering mechanism of gravity waves on rainstorm.

本文利用高精度微壓計(jì)探測(cè)數(shù)據(jù),分析了暴雨過程重力波特征和產(chǎn)生機(jī)制,但是有一些問題仍待深入研究,比如重力波先兆活動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)制是什么,重力波是如何激發(fā)暴雨的,重力波其他的頻譜特征,比如波長(zhǎng)、波速是多少,重力波的傳播和發(fā)展是如何完成的,這些問題需要利用數(shù)值模式進(jìn)行更深入的研究.