登陸臺(tái)風(fēng)低壓再度發(fā)展引發(fā)的特大暴雨診斷分析＊

尹東屏,張 備,吳海英,劉安寧

(江蘇省氣象臺(tái),江蘇南京 210008)

特大暴雨具有致災(zāi)時(shí)間短、范圍小,但影響力大的特點(diǎn),而且常常具有不可預(yù)測性。近年來我國在臺(tái)風(fēng)暴雨的災(zāi)害和中尺度動(dòng)力分析方面有了很大的進(jìn)展[1-4]。研究表明[5-8],臺(tái)風(fēng)登陸后造成的大暴雨不僅要有充足的水汽來源,而且往往與地形有關(guān)。近地面輻合對(duì)大暴雨的發(fā)生具有重要的意義,對(duì)流單體在暴雨區(qū)匯聚、合并增強(qiáng),臺(tái)風(fēng)向暴雨區(qū)輸送的對(duì)流不穩(wěn)定能量等,是使暴雨區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定重新建立和加強(qiáng)的重要機(jī)制。在暴雨加強(qiáng)時(shí),正渦度向中層伸展,高層輻散明顯加強(qiáng),同時(shí),暴雨區(qū)會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的垂直運(yùn)動(dòng)。朱佩君等[9]、李英等[10]對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)變性后的結(jié)構(gòu)演變特征進(jìn)行了深入研究,發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)的變性階段主要完成了從熱帶氣旋的基本對(duì)稱的垂直結(jié)構(gòu)到氣旋的斜壓非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換,陸地上的變性加強(qiáng)與西風(fēng)帶高空槽的強(qiáng)度密切相關(guān),冷平流、正渦度平流,以及較強(qiáng)的槽前輻散有利于變性臺(tái)風(fēng)的維持和變性發(fā)展。但是每一次臺(tái)風(fēng)變性后造成的大暴雨的熱力和動(dòng)力機(jī)制都會(huì)有所不同,因此給準(zhǔn)確預(yù)報(bào)造成了很大的難度。2008年7月31日-8月2日滁河地區(qū)的特大暴雨過程是臺(tái)風(fēng)“鳳凰”減弱為熱帶低壓兩天后產(chǎn)生的,在短時(shí)間內(nèi)對(duì)蘇皖交界地區(qū)造成了巨大的洪澇災(zāi)害。究竟是什么原因?qū)е铝藲埩舻牡蛪涵h(huán)流重新發(fā)展,最終產(chǎn)生持續(xù)性的強(qiáng)降水?其水汽來源于哪里?動(dòng)力機(jī)制是什么?我們對(duì)此進(jìn)行了較深入的診斷分析。

1 實(shí)況和災(zāi)情

2008年7月31 日20時(shí)-8月2日08時(shí),滁河上中游的安徽和江蘇部分地區(qū)出現(xiàn)了大暴雨和特大暴雨天氣。7月31日和8月1日2 d總雨量:全椒517.0 mm、滁州496.7 mm、含山409 mm。尤其是8月1日08時(shí)-2日08時(shí),江蘇和安徽兩省交界處共有16個(gè)基本站降雨量達(dá)到100 mm以上,其中3站＞250 mm,安徽滁州站最大降雨量達(dá)428.5 mm。兩省布設(shè)的氣象自動(dòng)站監(jiān)測數(shù)據(jù)中有126個(gè)站雨量＞100 mm,其中13個(gè)站雨量＞250 mm,最大降雨量在安徽滁州市黃圩站,達(dá)464.8 mm。南京浦口曉橋站399.2 mm,為南京有記錄以來日降水量最大值。本次降水過程具有以下特點(diǎn):①雨量集中,強(qiáng)降水主要發(fā)生在8月1日14時(shí)-2日05時(shí),歷時(shí)15 h;②雨強(qiáng)大,浦口曉橋1 h最大雨量達(dá)69.0 mm,12 h內(nèi)最大降水量達(dá)339.3 mm;③強(qiáng)降水范圍小,強(qiáng)降水主要發(fā)生在安徽的含山、滁州和南京中北部地區(qū),水平尺度只有100多km,具有典型的中尺度天氣特征。強(qiáng)降水造成滁河洪水來得急,漲勢猛,浦口區(qū)曉橋水文站水位30 h內(nèi)由7.50 m漲至12.62 m,比歷史最高紀(jì)錄(12.63 m)僅差0.01 m。這次暴雨過程無論是降雨強(qiáng)度還是總降雨量,均為歷史罕見。強(qiáng)降水引起山洪暴發(fā),河水暴漲,城區(qū)嚴(yán)重積澇,地勢低洼處變成澤國,許多民房、商鋪進(jìn)水,損失慘重。另據(jù)民政部門統(tǒng)計(jì),浦口區(qū)滁河共發(fā)生堤防滑坡、塌洞、漫溢、滲漏、散漫等大小險(xiǎn)情45處。強(qiáng)降雨導(dǎo)致安徽受災(zāi)人口160萬人,緊急轉(zhuǎn)移安置47 900多人,因?yàn)?zāi)死亡2人;農(nóng)作物受災(zāi)面積10.7萬hm2,因?yàn)?zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失6.05億元。

2 天氣背景和觀測事實(shí)

2.1 天氣背景

2008年8 號(hào)臺(tái)風(fēng)“鳳凰”于7月25日在菲律賓以東洋面上生成,28日22時(shí)在福建省福清市減弱為熱帶風(fēng)暴,29日晚由福建省西北部進(jìn)入江西省東北部后向西北偏北方向移動(dòng),30日14時(shí)減弱為熱帶低壓(圖1)。臺(tái)風(fēng)進(jìn)入內(nèi)陸后,移動(dòng)過程中強(qiáng)度逐漸減弱。到達(dá)江西境內(nèi),繞過黃山山脈,在大別山南麓調(diào)頭沿長江向東北方向移動(dòng),然后環(huán)流滯留在安徽和湖北交界處。地面31日08時(shí)在安徽維持一弱的低壓系統(tǒng),從地面一直到300 hPa能分析出低壓環(huán)流,降水明顯減弱。低壓中心的東部安徽境內(nèi)6 h降水量最大只有31 mm,在低壓的東南部地區(qū),大多在下小雨。

圖1 0808號(hào)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑

7月30日08 時(shí)-20時(shí),925～700 hPa滁河地區(qū)處于“鳳凰”低壓環(huán)流東部的西南氣流中,500 hPa河套地區(qū)西部有低槽東移。31日02時(shí),925～850 hPa南海有偏南氣流北上,同時(shí)副熱帶高壓增強(qiáng)西進(jìn),其西部的偏南風(fēng)和南海北部的偏南氣流匯合,使偏南風(fēng)速加速。由偏南風(fēng)輸送的水汽源源不斷地流入到滁河地區(qū),暖濕空氣的大量涌入使溫度梯度加大,原來減弱的低壓系統(tǒng)重新發(fā)展。隨后河套東部冷空氣和烏拉爾山偏北氣流分別南下,再一次加強(qiáng)了輻合上升運(yùn)動(dòng),使滁河地區(qū)一直處于有利于強(qiáng)降水的條件下,持續(xù)降水造成洪澇泛濫。

2.2 雨情

滁河地區(qū)的這次強(qiáng)降水過程根據(jù)雨強(qiáng)和降水時(shí)間分為兩個(gè)階段。第一階段從7月31日22時(shí)開始到8月1日08時(shí)結(jié)束,強(qiáng)降水區(qū)主要在安徽的含山附近(圖2a),6 h(7月31日22時(shí)-8月1日04時(shí))最大雨量為202 mm。第二階段的強(qiáng)降水時(shí)間從8月1日14時(shí)-2日05時(shí),特大暴雨中心在安徽滁州附近(圖2b),1日20時(shí)-2日02時(shí)6 h最大降水量269 mm。

圖2 蘇皖兩省實(shí)測雨量分布

3 低空急流對(duì)特大暴雨的作用

低空急流往往與暴雨相聯(lián)系,為暴雨區(qū)輸送高濕高能的暖濕氣流,低空急流附近有很強(qiáng)的非地轉(zhuǎn)性,其左側(cè)往往伴有輻合上升運(yùn)動(dòng)。觀測表明,925～850 hPa南京偏南風(fēng)速7月31日20時(shí)開始加強(qiáng),8月1日08時(shí)從12 m/s躍增到20 m/s,6 h增大了8 m/s。偏南風(fēng)在滁河地區(qū)加速的原因是臺(tái)風(fēng)環(huán)流雖然減弱,但其東部仍然維持西南風(fēng),另外熱帶低壓的減弱使副熱帶高壓恢復(fù)性增強(qiáng)西進(jìn),此時(shí)滁河地區(qū)恰好位于低壓環(huán)流東部和副熱帶高壓的西南部邊緣,加之南海偏南氣流北上,造成三股西南氣流在暴雨區(qū)匯合。西南暖濕氣流向暴雨區(qū)的涌入使低空急流出現(xiàn)脈動(dòng),暖濕空氣質(zhì)量在滁河地區(qū)堆積,使溫度梯度加大,原來穩(wěn)定的低壓環(huán)流的結(jié)構(gòu)因此發(fā)生了變化,“鳳凰”減弱的低壓環(huán)流重新發(fā)展。低空急流促進(jìn)了對(duì)流層低層中尺度渦度發(fā)展,低壓環(huán)流東部的上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),因此對(duì)流云團(tuán)進(jìn)入滁河地區(qū)就迅速發(fā)展。衛(wèi)星云圖上可以看到7月31日20時(shí)有對(duì)流云團(tuán)沿長江流域(九江-南京段)向東北方向發(fā)展,并較長時(shí)間地停留在含山附近。在整個(gè)暴雨過程中,暴雨區(qū)一直位于低空急流中心的左后方。

8月1日14 時(shí)急流主體東移入海,中心位于朝鮮半島的南部,原來在江蘇和安徽的急流已經(jīng)消失,降水減小,除了安徽全椒以外,大多只有中雨的量級(jí)。14時(shí)以后,河套西部有冷空氣南下,由于冷暖氣團(tuán)的實(shí)力相當(dāng),冷空氣在安徽中部形成了一個(gè)冷壩,致使冷暖空氣在滁河地區(qū)輻合。20時(shí),由于北上的暖濕氣流在輻合線南端的堆積使低空急流再度增強(qiáng),滁河地區(qū)再次位于急流的左后方,暴雨區(qū)一直維持在安徽滁州、全椒和江蘇的江浦附近。衛(wèi)星云圖顯示:8月1日07時(shí)-2日07時(shí)對(duì)流云團(tuán)穩(wěn)定在蘇皖交界的滁河地區(qū),隨著北方冷空氣的逐漸逼近,云團(tuán)的西北部和北部不斷有新的對(duì)流單體增生并入原來的對(duì)流云團(tuán),維持在此處的對(duì)流云團(tuán)經(jīng)歷著不斷地合并、增強(qiáng)、、減弱、再合并的循環(huán)過程。

這兩個(gè)階段暴雨增強(qiáng)過程中都出現(xiàn)了低空急流的脈動(dòng),不同的是第一次急流脈動(dòng)是西南氣流大量涌入造成的,第二次是由于冷空氣南下阻擋造成了暖濕氣流的再度增強(qiáng)。暴雨區(qū)一直位于低空急流的左后方。

4 傾斜上升運(yùn)動(dòng)對(duì)暖濕氣流的向上輸送

“鳳凰”北上攜帶了充沛的暖濕氣流,南海和副高西部邊緣的暖濕空氣在暴雨區(qū)的會(huì)合加劇了該地低層大氣的增溫增濕。利用表征空氣溫濕程度的θse來解釋冷暖空氣在暴雨過程中的影響,沿32°N制作了θse和U-W風(fēng)場的垂直剖面圖。7月31日20時(shí)-8月1日02時(shí),暴雨區(qū)θse一直有一大值區(qū)從近地面向高空伸展,高度達(dá)到700 hPa,中層的干冷空氣分別在116°E以西和120°E以東。7月31日20時(shí)斜上升氣流很弱,在117°E附近。8月1日02時(shí)(圖3),700～500 hPa出現(xiàn)了一個(gè)350 K的θse中心,說明有弱的冷空氣從中層滲透(這與后面北風(fēng)擾動(dòng)的分析相一致)。斜上升氣流在7月31日20時(shí)-8月1日02時(shí)之間迅速增大,并且自西向東移過暴雨區(qū)。1日02時(shí)斜上升運(yùn)動(dòng)高度達(dá)300 hPa以上,大速度中心在500～600 hPa。在這一時(shí)段中,暴雨區(qū)雨量也隨之加大。到了1日08時(shí),斜上升氣流明顯減弱,逐小時(shí)降水量在1日03時(shí)后開始減弱。

圖3 8月1日02時(shí)沿32°Nθse(等值線)和U-W風(fēng)場的剖面圖(θse單位:K)

1日14時(shí)θse減弱,高度降低。20時(shí)θse的高值區(qū)向高空擴(kuò)展,352 K線從800 hPa向上擴(kuò)展到700 hPa,斜上升運(yùn)動(dòng)發(fā)生在700 hPa以上。上升運(yùn)動(dòng)造成中層減壓,為了維持大氣層的平衡,低層的暖濕氣流開始上升。118°E以西的冷空氣逐漸向東移動(dòng),并逐漸由中高層向下擴(kuò)展,由于在120°E以東也是一個(gè)干冷空氣區(qū),暖濕氣流在東西兩股冷空氣的中間受到“擠壓”,只有向上抬升。2日02時(shí)(圖4)干冷空氣繼續(xù)向低層擴(kuò)展,高θse以東的干冷空氣勢力也在不斷增強(qiáng),受來自于北方的冷空氣的“擠壓”,高θse區(qū)越來越狹窄,滁河地區(qū)700 hPa以下仍為θse大值區(qū),大暴雨區(qū)(117.8～118.9°E)有明顯的傾斜上升運(yùn)動(dòng),高度達(dá)到300 hPa以上,說明在“擠壓”產(chǎn)生的動(dòng)力作用下暖濕氣流出現(xiàn)了爆發(fā)性抬升,在這期間滁州6 h的降水量達(dá)到了269 mm。2日08時(shí),在不斷增強(qiáng)下侵的冷空氣推動(dòng)下,高θse和強(qiáng)的斜上升氣流快速移到了海上,降水隨之減弱。

對(duì)兩個(gè)不同階段的暴雨過程分析得到,對(duì)流層低層的暖濕氣流在暴雨出現(xiàn)前和出現(xiàn)時(shí)在垂直方向有明顯增強(qiáng),同時(shí)都有干冷空氣從對(duì)流層中層侵入,因此冷空氣觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放是大暴雨產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。第二階段冷空氣的下沉入侵非常明顯,這與朱佩君等[11]對(duì)臺(tái)風(fēng)W innie(1997)的變性演變過程的研究結(jié)論一致。不同的是第二階段的特大暴雨過程中,強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的爆發(fā)是由對(duì)流層中層減壓和東、西兩側(cè)的干冷空氣對(duì)暖濕氣流的“擠壓”共同造成的。

圖4 8月2日02時(shí)沿32°Nθse(等值線)和U-W風(fēng)場的剖面圖(θse單位:K)

5 經(jīng)向風(fēng)擾動(dòng)和垂直渦度發(fā)展對(duì)特大暴雨的作用

5.1 經(jīng)向風(fēng)擾動(dòng)分析

為了確定強(qiáng)降水系統(tǒng)發(fā)展的動(dòng)力機(jī)制,選擇32°N、118°E格點(diǎn)資料,將臺(tái)風(fēng)登陸后的10天資料進(jìn)行平均,用實(shí)況場減去平均場,得到徑向風(fēng)隨時(shí)間的演變(圖5),用以分析冷暖空氣的動(dòng)態(tài)和擾動(dòng)場。結(jié)果表明,7月29日08時(shí)-30日02時(shí)滁河地區(qū)南風(fēng)擾動(dòng)隨時(shí)間增強(qiáng),高空沒有北風(fēng)擾動(dòng),這與臺(tái)風(fēng)北上為單一的暖氣團(tuán)有關(guān)。31日08時(shí)南風(fēng)擾動(dòng)中心值減弱,31日20時(shí)中心值突增,高度在700 hPa以下,與天氣形勢上南海和副高的偏南氣流向這一地區(qū)涌入相符。7月31日20時(shí)600～300 hPa出現(xiàn)了北風(fēng)波動(dòng),說明低層暖濕氣流增強(qiáng)的同時(shí),高空有冷空氣南下,北風(fēng)擾動(dòng)觸發(fā)了低層不穩(wěn)定能量的釋放,促使對(duì)流活動(dòng)加劇。8月1日08時(shí)后,出現(xiàn)了明顯的北風(fēng)擾動(dòng),可以看到北風(fēng)擾動(dòng)隨時(shí)間逐漸增強(qiáng),中心在800～400 hPa之間,1日20時(shí)達(dá)到最大,北風(fēng)擾動(dòng)的逐漸增大并向下發(fā)展有利于暖濕氣流中不穩(wěn)定能量的充分釋放。2日08時(shí),近地面受北風(fēng)控制,降水已經(jīng)減弱。

圖5 7月29日-8月2日32°N、118°E經(jīng)向擾動(dòng)風(fēng)的變化(單位:m/s)

5.2 特大暴雨過程中渦度的發(fā)展

為了分析渦度和垂直速度的垂直分布和演變情況,制作了沿32°N的垂直剖面圖。隨著臺(tái)風(fēng)的北上,從7月28日14時(shí)開始,滁河地區(qū)的正渦度逐漸增大,30日08時(shí)達(dá)到最大,為18×10-5/s。隨后正渦度中心開始減弱,31日14時(shí)中心值最小,為9×10-5/s,中心區(qū)域很小,高度在900 hPa,位于117°E,在暴雨區(qū)的西部。由于低層西南氣流的增強(qiáng),殘留低壓的斜壓性加大,正渦度從低層開始重新發(fā)展。31日20時(shí)正渦度中心移到暴雨區(qū),中心值抬高至800 hPa附近,10×10-5/s的渦度中心與正的垂直速度中心重疊。8月1日02時(shí)雖然渦度中心仍為10×10-5/s,高度在800 hPa附近,但中心值區(qū)域擴(kuò)大,上升運(yùn)動(dòng)區(qū)與正渦度的中心值重合,高度直達(dá)100 hPa(圖6)。從正渦度中心隨時(shí)間的變化得到,7月31日20時(shí)-8月1日02時(shí)正渦度中心自西向東緩慢移動(dòng)的,因此安徽含山附近的特大暴雨是在渦度東移發(fā)展過程中產(chǎn)生的。1日08時(shí),雖然正渦度繼續(xù)發(fā)展,但上升運(yùn)動(dòng)明顯減弱,降水也相應(yīng)減小。

圖6 8月1日02時(shí)沿32°N渦度(等值線)和垂直速度(陰影區(qū))的剖面圖(渦度單位:×10-5/s;垂直速度單位:×10-2m/s)

圖7 8月2日02時(shí)沿32°N渦度(等值線)和垂直速度(陰影區(qū))的剖面圖(渦度單位:×10-5/s;垂直速度單位:×10-2m/s)

8月1日14 時(shí)正渦度中心值明顯減弱,20時(shí)河套東部西北氣流南下至滁河地區(qū)以北,冷空氣先從對(duì)流層中高層影響滁河地區(qū),渦度開始在中層發(fā)展。20時(shí)正渦度中心值在600 hPa附近,較14時(shí)增大了8×10-5/s(為14×10-5/s),強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)也在650 hPa以上。滁河地區(qū)的降水在1日下午15時(shí)開始增大,因此暴雨發(fā)生在中層渦度發(fā)展和垂直速度增大的過程中。從渦度的垂直分布變化得到,在冷空氣不斷由中高層向低層侵入的過程中,渦度的正值中心也逐漸向下發(fā)展并減小。2日02時(shí)渦度的正值中心是11×10-5/s(圖7),在800 hPa附近。同時(shí)強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)也向下擴(kuò)展到900 hPa,垂直速度中心在600 hPa附近,為24×10-2m/s,與1日20時(shí)相比,6 h內(nèi)增大了15×10-2m/s。強(qiáng)降水區(qū)偏在正渦度中心西部的渦度強(qiáng)梯度帶中,垂直速度的大值區(qū)也偏在這一區(qū)域中,對(duì)流云團(tuán)也在這一區(qū)域合并發(fā)展。

以上分析表明:暴雨發(fā)生在渦度發(fā)展的過程中。第一階段的暴雨中,大量暖濕氣流從對(duì)流層低層的涌入導(dǎo)致了低層大氣斜壓性的增強(qiáng),中層弱冷空氣的滲透起到了觸發(fā)暴雨區(qū)不穩(wěn)定能量釋放的作用,因此渦度從低層向高層發(fā)展。第二階段的暴雨過程中冷空氣由中高層逐漸下沉侵入,中層大氣斜壓性先增大,不穩(wěn)定能量自上而下不斷釋放,渦度也是自中層向低層發(fā)展。

6 結(jié)語

(1)7月31日-8月2日產(chǎn)生在滁河地區(qū)的特大暴雨過程的暖濕空氣來自于臺(tái)風(fēng)低壓、南海和副高的東南部邊緣,暖濕空氣的大量涌進(jìn)使對(duì)流層低層聚集了大量的不穩(wěn)定能量。

(2)造成含山附近特大暴雨的北風(fēng)弱擾動(dòng)來自于對(duì)流層中層。特大暴雨過程中滁河地區(qū)處在低空急流的左后方,暖濕空氣質(zhì)量堆積使這一地區(qū)溫度梯度增大,同時(shí)加大了氣壓梯度,減弱的臺(tái)風(fēng)低壓重新發(fā)展,低層的正渦度加強(qiáng),中層北風(fēng)弱擾動(dòng)加劇了不穩(wěn)定能量釋放,特大暴雨發(fā)生在低空急流傳送的中尺度對(duì)流系統(tǒng)在低壓東南部發(fā)展的過程中。

(3)滁州附近特大暴雨的觸發(fā)機(jī)制首先來自于北方南下冷空氣在對(duì)流層中高層的擾動(dòng)。氣旋性渦度在中層發(fā)展,上升運(yùn)動(dòng)也始發(fā)于對(duì)流層中上層,中層暖濕空氣的抬升導(dǎo)致低層不穩(wěn)定能量爆發(fā)性釋放。隨著低層暖濕空氣的抬升,正渦度中心也逐漸隨高度降低,不穩(wěn)定能量從高層往低層的逐層釋放創(chuàng)造了有利于持續(xù)降雨的條件,使維持在滁河地區(qū)的對(duì)流云團(tuán)經(jīng)歷著不斷地合并、增強(qiáng)、減弱、再合并的循環(huán)過程。

(4)特大暴雨過程產(chǎn)生在正的垂直渦度發(fā)展和上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)的過程中,當(dāng)上升運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)最大值后,雨勢開始減弱。

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