閩東地區(qū)前汛期大暴雨過程統(tǒng)計特征及其概念模型分析

孫巍巍 林 凌 繆語沛

(寧德市氣象局,福建 寧德 352100)

1 概述

閩東地區(qū)位于我國東南沿海,平原少、山地丘陵多,強降水易引發(fā)山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害,而暴雨是頻發(fā)的、危害重大的災(zāi)害性天氣,會直接影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全。長期以來,暴雨的研究和預(yù)報一直受政府和氣象部門的高度重視[1],隨著氣象現(xiàn)代化的不斷升級與進步,各行各業(yè)對防災(zāi)減災(zāi)能力提出越來越高的要求,而閩東地區(qū)前汛期大暴雨過程具有突發(fā)性、局地性、災(zāi)害性等特點,時常會有漏報空報的狀況發(fā)生。目前國內(nèi)對閩東地區(qū)前汛期大暴雨過程的研究較少,本文通過對閩東地區(qū)大暴雨過程的大尺度流場分析,建立天氣概念模型,在日常的預(yù)報服務(wù)工作中將天氣概念模型與模式預(yù)報產(chǎn)品相結(jié)合,以期提高短期和中期的預(yù)報服務(wù)能力與水平。

2 閩東地區(qū)前汛期大暴雨過程概況

統(tǒng)計1960—2019年閩東地區(qū)年暴雨日數(shù)變化發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)90年代起閩東地區(qū)年暴雨日數(shù)普遍增多,且明顯高于平均值(圖1)。而整理1980—2019年前汛期區(qū)域性大暴雨或連續(xù)過程案例,發(fā)現(xiàn)前汛期大暴雨過程時空分布有以下特征:屏南縣和古田縣受季風(fēng)雨帶影響明顯,全年大暴雨主要集中在前汛期;周寧縣、壽寧縣、福安市等地前汛期大暴雨約占30%左右,蕉城區(qū)、霞浦縣、福鼎市和柘榮縣等地前汛期大暴雨占10%以下,東部縣市前汛期大暴雨發(fā)生概率小,而西部型、全區(qū)型大暴雨過程占前汛期總數(shù)的80%。此外,前汛期大暴雨過程在6月的第2候和第5候出現(xiàn)的次數(shù)最多,主要原因是南海夏季風(fēng)爆發(fā)后,熱帶系統(tǒng)影響占主導(dǎo),季風(fēng)雨帶由南向北推進,6月中旬末經(jīng)閩東地區(qū)上空。可見,大尺度環(huán)流是閩東地區(qū)大暴雨過程的重要背景場,了解其天氣概念模型可以為氣象預(yù)報與決策服務(wù)提供重要參考。

圖1 1960—2019年閩東地區(qū)年暴雨日數(shù)變化

3 形勢特征及概念模型建立

整理并提取1980—2019年前汛期區(qū)域性大暴雨或連續(xù)過程個例,以200、500、850hPa為對象,對大暴雨天氣過程發(fā)生前12h的大尺度環(huán)流進行分析并得出五種天氣概念模型。各種天氣模型下造成的大暴雨時空分布如表1所示,其中,西部型大暴雨過程以南支槽東移—急流型為主,中部型大暴雨卻沒有出現(xiàn)過南支槽東移—急流型,全區(qū)型大暴雨以兩槽一脊—急流型和中亞阻塞高壓—切變線型為主,東部型大暴雨最少,只有兩槽一脊—急流型這一天氣模型。

表1 1980—2019年閩東地區(qū)大暴雨

分析五種天氣概念模型的各典型大暴雨過程發(fā)現(xiàn),200hPa南亞高壓從4月中下旬逐漸加強到中南半島附近,而閩東地區(qū)這時處于南亞高壓東北側(cè)的西風(fēng)和西北風(fēng)的輻散區(qū)域,其高空同時處在西風(fēng)急流入口區(qū)右側(cè),在顯著的高空輻散作用下,有利于低層上升運動的維持[2];500hPa主要影響系統(tǒng)為西風(fēng)槽東移、南支槽東移、兩槽一脊、中亞阻塞高壓、副高邊緣;850hPa有低渦、急流、切變線、暖切。以下將針對500、850hPa流場的上下層配置,對天氣背景進行分型。

3.1 西風(fēng)槽東移—低渦型

此種模型下,500hPa在貝加爾湖附近為高壓脊,脊前環(huán)流存在很大的經(jīng)向度,西風(fēng)槽位于貝加爾湖以東至鄂霍次克海和我國東北、華北地區(qū),槽底伸至黃海、東海。冷空氣從巴爾喀什湖東移,經(jīng)新疆、河西走廊從西路或中路南下,或者從貝加爾湖經(jīng)蒙古從東路南下影響閩東地區(qū)。850hPa有低渦切變線東移,它為中小尺度天氣系統(tǒng)提供了形成暴雨的水汽條件、位勢不穩(wěn)定條件和輻合上升運動條件,低渦南側(cè)西南氣流輸送大量暖濕空氣容易引起靜止鋒鋒生。隨之鋒后升壓、鋒前降壓,不斷激發(fā)出有利于暴雨的中尺度天氣系統(tǒng)。

3.2 南支槽東移—急流型

此種模型下500hPa烏拉爾山到貝加爾湖以西為高壓脊(圖2),貝加爾湖以東為低壓槽,槽區(qū)寬廣,環(huán)流相對平直,西部多伴有南支槽東移,槽底伸至華西地區(qū),冷空氣從新疆或蒙古東南下影響閩東地區(qū)。此時,槽前低壓區(qū)與北部高壓脊常形成北高南低對峙的形勢,且東部副熱帶高壓第一次季節(jié)性北跳,其在西北側(cè)邊緣較強的暖平流和正渦度平流的共同作用下,氣壓梯度加大,風(fēng)速增強,從而在850hPa形成低空急流。這股潮濕的低空氣流向北輸送大量水汽,與副高邊緣不穩(wěn)定能量的輸送帶相配合,為閩東地區(qū)暴雨的形成提供了必要條件。

(a)500hPa高度場 (b)200hPa流場

(c)500hPa流場 (d)850hPa流場

3.3 兩槽一脊—急流型

此種模型下貝加爾湖以西為西槽,以東為脊,西槽槽底較寬平,東槽槽底伸至華東地區(qū),槽內(nèi)伴有東北冷渦,低渦內(nèi)不斷分裂冷空氣沿低槽南下,冷平流明顯,冷空氣從中路或東路南下影響閩東地區(qū)。而此時如果副高西風(fēng)帶明顯西伸,在閩東地區(qū)上空就會存在一支極好的暖濕空氣和不穩(wěn)定能量帶,此時850hPa急流區(qū)常與暖舌相吻合,暖舌兩側(cè)為冷舌,濕熱程度增大,局地層結(jié)變得極不穩(wěn)定,有利于對流天氣的發(fā)展。急流風(fēng)場輻合引起濕不穩(wěn)定和強迫抬升,暖舌區(qū)的上升運動和冷舌區(qū)的下沉運動所構(gòu)成的環(huán)流圈有利于位能的釋放并向動能轉(zhuǎn)換,促使急流加強和維持。

3.4 中亞阻塞高壓—切變線型

此種模型下貝加爾湖—泰米爾半島為高壓脊,西槽位于烏拉爾山附近,東槽由鄂霍次克海經(jīng)日本海伸向長江中下游,副高脊線位于20°N以南,南海有閉合的592hPa中心,閩東地區(qū)上空暖濕氣流活躍,這與河套附近南下的冷空氣不斷交匯于閩東地區(qū)。由于阻塞高壓的建立與維持,對整個下游形勢的穩(wěn)定起著十分重要的作用,當(dāng)冷空氣南下使低槽不斷加深,容易形成穩(wěn)定的經(jīng)向型暴雨,因此此種模型下帶來的大暴雨常是全區(qū)性的。同時,850hPa存在一條穩(wěn)定的東北—西南向切變線,其南側(cè)始終存在一支很強的西南風(fēng)急流,并激發(fā)出一系列中小尺度的擾動,有利于大暴雨的維持。

3.5 副高邊緣—暖切型

此種模型下,副熱帶高壓位置適中且穩(wěn)定(圖3),副高脊線穩(wěn)定維持在18°N～20°N之間,這使得副高北側(cè)的西南暖濕氣流完全控制整個華南—江南地區(qū),此時該區(qū)域既有西南氣流的水汽輸送,也有動力抬升的作用,這樣從低槽槽后南下的冷空氣長時間與副高北側(cè)的西南暖濕氣流在閩東地區(qū)上空交匯對峙,一旦低層熱力抬升激發(fā)暖切發(fā)生發(fā)展,便容易在副高西北部邊緣誘發(fā)大暴雨。切變線以南的偏南氣流一方面可將南方的水汽輸送過來,一方面沿著鋒面向上滑升,使得水汽冷卻凝結(jié)成雨。尤其是下半年,由于鋒面坡度陡,水汽供應(yīng)多,大氣又不穩(wěn)定,切變線上常出現(xiàn)雷陣雨,降水區(qū)狹窄而降水量大,常出現(xiàn)短時強降水。因此,此種模型下帶來的大暴雨常是局部性的,沒有出現(xiàn)區(qū)域性的大暴雨。

(a)500hPa高度場 (b)200hPa流場

(a)500hPa流場 (b)850hPa流場

4 閩東地區(qū)前汛期大暴雨的天氣概念模型

根據(jù)以上對大暴雨過程200、500、850hPa流場的上下層配置,分析歸納出閩東地區(qū)前汛期大暴雨的天氣概念模型,以期對今后暴雨過程的短期預(yù)報提供一定的參考。

從環(huán)流背景來看,200hPa南亞高壓位于閩東地區(qū)上空,此反氣旋環(huán)流為暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了高空輻散條件,反氣旋環(huán)流加強了南北兩側(cè)的氣壓梯度,使得其北側(cè)的西風(fēng)急流有明顯加強的現(xiàn)象[2](圖4)。中層500hPa環(huán)流整體是趨于穩(wěn)定的,雖然大尺度天氣系統(tǒng)本身并不直接產(chǎn)生降水,但是其制約著天氣尺度系統(tǒng)在某一固定地帶活動,有利于該地區(qū)產(chǎn)生持續(xù)性降水。從以上分析可見,西風(fēng)槽東移、南支槽東移、兩槽一脊、中亞阻塞高壓(或橫槽轉(zhuǎn)豎)、副高邊緣等大尺度系統(tǒng)的變動大致決定了雨帶發(fā)生的地點、強度和持續(xù)時間,其不僅能將南海、孟加拉灣和西太平洋的水汽不斷向暴雨區(qū)輸送,還能夠在其穩(wěn)定存在的基礎(chǔ)上或分裂出小槽東移,或與大槽合并,或?qū)ζ渖嫌蔚奈黠L(fēng)槽起阻擋作用(副熱帶高壓),繼而產(chǎn)生直接影響降水的天氣尺度系統(tǒng),從而形成穩(wěn)定的緯向型或經(jīng)向型暴雨。而850hPa流場上表現(xiàn)為低渦、急流、切變線、暖切等,其中,強降水區(qū)主要分布在低渦的中心區(qū)和低渦移向的右前方、低空急流的左側(cè)、低層切變線的右側(cè),此時與高空急流入口區(qū)右側(cè)的經(jīng)向垂直反環(huán)流相對應(yīng),高空輻散,對應(yīng)低層氣壓降低,使得副高北側(cè)的氣壓梯度力加大。氣壓力做功又使氣流加速,西南氣流增強,一方面將南方的暖濕空氣不斷輸送過來,如遇冷空氣滲透便會沿著鋒面抬升,另一方面低層輻合上升氣流中也有對流發(fā)展,使得水汽強烈冷卻凝結(jié)成雨,凝結(jié)潛熱的釋放又使低層氣壓下降,從而北低南高的氣壓梯度更大。因此,低層中尺度系統(tǒng)與中高層大尺度系統(tǒng)的相互作用實際上是經(jīng)向垂直環(huán)流中高低空的耦合作用。從天氣概念模型分析也可以看出,低渦移向的右前方也就是急流中心的左前方,也是暴雨甚至大暴雨的集中區(qū)。沿著閩東地區(qū)所在位置做經(jīng)向垂直剖面圖,從低層到對流層中高層假相當(dāng)位溫值較大,對應(yīng)高溫高濕區(qū),北方受地形影響,對流層低層有擴散南下的弱冷空氣在閩東地區(qū)滲透,有利于激發(fā)中小尺度擾動,觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放,中層有干冷空氣侵入,這將導(dǎo)致閩東地區(qū)溫度層結(jié)更加不穩(wěn)定[3],配合中尺度輻合、充分的水汽供應(yīng),造成了閩東地區(qū)前汛期大暴雨的出現(xiàn)。當(dāng)然,地形強迫抬升對降水的增幅也有明顯的作用。

圖4 閩東地區(qū)前汛期大暴雨的天氣概念模型

5 結(jié)論

本文闡述1980—2019年閩東地區(qū)前汛期大暴雨時空分布統(tǒng)計特征,分析200、500、850hPa風(fēng)場和流場特征、上下層流場配置,總結(jié)閩東地區(qū)前汛期大暴雨過程天氣概念模型,得到以下結(jié)論:

①200hPa南亞高壓位于閩東地區(qū)上空,此反氣旋環(huán)流為暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了高空輻散條件,也加強了南北兩側(cè)的氣壓梯度,使得其北側(cè)的西風(fēng)急流有明顯加強的現(xiàn)象。

②西風(fēng)槽東移、南支槽東移、兩槽一脊、中亞阻塞高壓(或橫槽轉(zhuǎn)豎)、副高邊緣等大尺度系統(tǒng)的變動雖然本身并不直接產(chǎn)生降水,但大致決定了雨帶發(fā)生的地點、強度和持續(xù)時間,繼而產(chǎn)生直接影響降水的天氣尺度系統(tǒng),從而形成穩(wěn)定的緯向型或經(jīng)向型暴雨。

③850hPa流場上表現(xiàn)為低渦、急流、切變線、暖切等,一方面將南方的暖濕空氣不斷輸送過來[4],另一方面低層輻合上升氣流中水汽強烈冷卻凝結(jié),潛熱釋放又對輻合系統(tǒng)形成正反饋機制。

④低層弱冷空氣激發(fā)對流不穩(wěn)定能量的釋放,中層干冷空氣增加了大氣的斜壓不穩(wěn)定性。此外,由降水物引起的拖曳下沉能快速地離開對流云團主體,且降水將中層干冷空氣卷入,使得降水物強烈蒸發(fā)冷卻下沉,在地面形成一個個副冷鋒,有利于暴雨的持續(xù)發(fā)展和維持。