陜西暴雨若干特征的綜合分析＊

(1.西安市氣象臺,陜西西安 710016;2.陜西省氣象臺,陜西西安 710014)

0 引言

陜西是北方多暴雨地區(qū)之一。暴雨及誘發(fā)的洪水、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害是陜西重大自然災(zāi)害之一。暴雨,尤其是大暴雨,因其來勢猛、強度大、歷時短且局地性強,常常引發(fā)嚴重的洪澇災(zāi)害和誘發(fā)局部山地災(zāi)害,給人民生命財產(chǎn)帶來極大危害。如延河“77.7”大暴雨、陜南丹風“98.7”特大暴雨、陜南佛坪“02.6.8”特大暴雨、2003年渭河流域連續(xù)性暴雨、2005年7月上旬陜南鎮(zhèn)巴連續(xù)大暴雨等均給當?shù)卦斐芍卮髶p失和人員傷亡。氣象部門準確及時做好暴雨的預(yù)報、預(yù)警,對政府指揮防災(zāi)、減災(zāi),減少或避免災(zāi)害損失意義重大。

陜西地處青藏高原東北側(cè),南部為東西向秦嶺巴山山脈,北部為黃土高原地區(qū),南北跨8個緯度,地形復(fù)雜。特殊的山脈走向和地形分布同大氣環(huán)流的相互作用,使得該地區(qū)的降水有著獨特的分布規(guī)律和特征,暴雨的形成機理與其他區(qū)域有明顯差異。因此,對陜西及周邊地區(qū)暴雨的分析預(yù)報是目前該區(qū)域天氣預(yù)報業(yè)務(wù)的重點和難點。

1 持續(xù)性強降水特征

發(fā)生持續(xù)性強降水要有一定的大尺度環(huán)流條件,其發(fā)生發(fā)展和時空分布并非隨機偶成,往往受到具有更長時間尺度和更大空間尺度的異常背景,即氣候背景的約束,還直接受副熱帶高壓、阻塞高壓等大尺度環(huán)流的影響[1-2]。

分析研究2003年8月24日-9月7日渭河流域、甘肅部分地區(qū)持續(xù)性強降水天氣過程和2005年7月上旬陜西南部—四川北部連續(xù)暴雨、大暴雨發(fā)生過程(圖1),可以得出如下認識。

圖1 500 hPa高度場(單位:dagpm)

(1)500 hPa歐亞中高緯度與中低緯度槽脊的反位相分布,即中高緯度為兩槽一脊、中低緯度為兩高一低是該地區(qū)產(chǎn)生持續(xù)強降水的一種有利機制。它不僅出現(xiàn)在秋季,而且在初夏也可發(fā)生,易誘發(fā)嚴重的洪澇災(zāi)害。

(2)烏山阻高和西太平洋副熱帶高壓等天氣尺度系統(tǒng)的有利配置及穩(wěn)定少動是這類持續(xù)性強降水大尺度環(huán)流的典型環(huán)流特征。烏山阻高前貝湖低壓底部小槽引導(dǎo)西北路冷空氣和副高西北側(cè)暖濕氣流在高原東北側(cè)一帶反復(fù)交綏是這類持續(xù)性強降水的主要成因。

(3)低空急流對這一區(qū)域強降水的形成起著輸送水汽和能量的重要作用,而高低空急流的耦合有利于強降水的發(fā)生和發(fā)展。低空急流造成暖濕空氣輸送與高空急流干冷空氣平流疊置,加強了暴雨區(qū)上空的大氣潛在不穩(wěn)定,且高低空急流耦合產(chǎn)生的次級環(huán)流上升支觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放促進了暴雨時中小尺度對流的活躍,有利于產(chǎn)生強降水。

2 高空中尺度流場特征

采用三種帶通濾波方法進行中尺度分離,分析了部分暴雨個例,分別對暴雨日前一天和暴雨當天的850、700、500、300 hPa等4層3個時次的高空風場資料進行了中尺度分離。分析暴雨個例的中尺度流場特征[3-4],得出如下認識。

(1)暴雨發(fā)生期間,暴雨區(qū)的中低層存在中尺度氣旋或輻合區(qū),其水平尺度屬于中α尺度,生命史約為幾小時到十幾小時(圖2)。一般來說,陜北的中尺度系統(tǒng)時間尺度和水平尺度比關(guān)中陜南略小。中尺度系統(tǒng)是在一定的環(huán)境下由天氣尺度系統(tǒng)激發(fā)生成的,中尺度輻合系統(tǒng)一般隨著天氣系統(tǒng)的發(fā)展而增強,降水強度也隨之增大。

圖2 中尺度帶通濾波流場圖(陰影區(qū)為暴雨區(qū))

(2)高空中尺度流場輻合系統(tǒng)主要表現(xiàn)為兩種類型:即渦旋型和輻合線型,中層通常為輻合線型,低層二者均有,且多為渦旋型。500 hPa輻合線分緯向類和經(jīng)向類,它的分布形態(tài)與暴雨的類型和暴雨落區(qū)相關(guān)。

(3)中尺度流場輻合系統(tǒng)主要出現(xiàn)在對流層中下層,即在500 hPa層以下,垂直尺度較小,高層水平尺度相對較大,低層水平尺度相對較小。850、700、500 hPa層中尺度系統(tǒng)一般隨高度呈傾斜狀,且多向西傾斜。

(4)應(yīng)用中尺度分離流場與水汽條件、大尺度環(huán)境場合成分析,可以在一定程度上提高暴雨落區(qū)預(yù)報準確率和預(yù)報時效。

3 地面中尺度系統(tǒng)

根據(jù)單位質(zhì)量空氣的相對濕靜力能量和位勢能之比(稱之為“地面能量比”),表達式為:

式中:TσG為地面相對總溫度;P0為海平面氣壓。實際分析表明,該方法對不同屬性小股空氣的分布狀況反映靈敏,而且其大梯度的高能區(qū)往往與有一定動力抬升條件的位勢不穩(wěn)定區(qū)相配合。

用陜西96個地面測站資料,采用地面能量比方法,分析暴雨時地面能量場特征,以及它同暴雨和落區(qū)的關(guān)系[4-5],得出如下認識。

(1)陜西暴雨發(fā)生時,經(jīng)常在地面能量場上表現(xiàn)為中β-中α尺度的Ω系統(tǒng),地面能量場Ω系統(tǒng)具有幾十千米到幾百千米的空間尺度,其時間尺度在6～15 h。其中高能軸代表了高溫、高濕且不穩(wěn)定的暖濕氣團,其兩側(cè)的兩股低能軸代表了干冷氣團,這兩股干冷氣團夾擠暖濕氣團,形成不同屬性氣團的激烈交匯,雨區(qū)就落在高能軸附近(圖3),對暴雨的預(yù)報具有明確指示意義。

圖3 地面能量比圖(實線:高能軸;虛線:低能軸;陰影:暴雨區(qū))

(2)地面能量場中尺度Ω系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展,取決于地面冷、暖氣團的相互運動,暴雨就發(fā)生在其發(fā)展強盛時期。隨后,隨著能量的釋放和暖濕氣團的減弱,Ω系統(tǒng)趨于減弱消失,暴雨隨之結(jié)束。暴雨出現(xiàn)時暖濕氣團往往起著主導(dǎo)的作用。

(3)在Ω系統(tǒng)發(fā)展前期,其上空θse500-θse850＜0,表現(xiàn)為強烈位勢不穩(wěn)定。在Ω系統(tǒng)發(fā)展強盛時期和降水時刻,渦度場中低層表現(xiàn)為正值,高層為負值;散度場中低層表現(xiàn)為負值,一般700 hPa為最大負值層,高層為正值,有些暴雨發(fā)生時的無輻散層較高,大約在400 hPa附近;垂直速度經(jīng)常為對流層整層的上升運動,最大上升運動層與無輻散層對應(yīng)。

4 暴雨散度分布的一種特殊結(jié)構(gòu)

對部分暴雨個例診斷及數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn),暴雨發(fā)生前散度垂直分布從對流層低層到高層呈現(xiàn)輻合-輻散的雙重結(jié)構(gòu),而不是低層輻合、高層輻散的簡單形式[6]。如在2002年6月8日陜南佛坪特大暴雨中心的散度垂直剖面圖上可以看出(圖4a、b),20時暴雨區(qū)附近600 hPa以下為一中尺度的輻合區(qū),在600～400 hPa為弱輻散。值得注意的是,在對流層中、高層(400 hPa以上)還存在著另一個輻合-輻散結(jié)構(gòu),從圖中發(fā)現(xiàn)400～250 hPa為輻合區(qū),高層200 hPa為輻散區(qū)。得出如下認識。

圖4 沿34°N,108°E散度剖面圖(▲:暴雨區(qū))(單位:10-5s-1)

(1)高原東側(cè)的中尺度系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜。物理量場的分布、結(jié)構(gòu)往往與一般暴雨有顯著差異。如暴雨發(fā)生前散度垂直分布常常表現(xiàn)為從對流層低層到高層呈現(xiàn)輻合-輻散的雙重結(jié)構(gòu),而不是低層輻合、高層輻散的簡單形式。

(2)高原東側(cè)散度垂直分布出現(xiàn)的特殊結(jié)構(gòu)并不是一種偶然現(xiàn)象,它是影響該區(qū)域大暴雨高、低層環(huán)流系統(tǒng)的綜合反映。在陜西暴雨研究中[5]發(fā)現(xiàn),有別于一般暴雨時“三股氣流”的作用,陜西大暴雨時常存在“四股氣流”的作用,即多出了一支500～300 hPa高原槽前的偏南氣流,并證實了這股氣流的高能、不穩(wěn)定特征,這與散度場的特殊結(jié)構(gòu)有著緊密聯(lián)系。

(3)高原槽前偏南氣流的強輻合區(qū)與急流右側(cè)的強輻散區(qū)耦合導(dǎo)致的對流層中、高層第2層輻合、輻散結(jié)構(gòu)對中尺度對流系統(tǒng)(MCSs)形成和維持的動力作用相當明顯,為暴雨區(qū)強烈的上升運動發(fā)展、深對流的形成等提供了十分有利的條件。

5 中尺度對流系統(tǒng)(MCSs)

中尺度對流系統(tǒng)(MCSs)是造成嚴重氣象災(zāi)害的主要天氣系統(tǒng)之一,利用G MS-5、FY-2衛(wèi)星云圖資料,對影響陜西的一些暴雨個例進行分析得出如下認識[6-9]。

(1)在我國西部的青藏高原東北側(cè),中尺度對流系統(tǒng)(MCSs)是造成局地大暴雨或特大暴雨的直接天氣系統(tǒng)。其多發(fā)生在冷鋒前部(如2002年6月8日陜南佛坪特大暴雨);另外也可發(fā)生在副熱帶高壓外圍或臺風低壓環(huán)流北側(cè)偏東風急流帶中(如2002年7月4-5日陜北子長連續(xù)大暴雨(圖5)。

圖5 G MS-5紅外云圖

(2)中尺度對流系統(tǒng)(MCSs)經(jīng)歷發(fā)展、成熟、消亡3個階段,通常先由若干個中小尺度對流單體合并而成,呈橢圓狀,水平尺度在幾十千米到100 km左右,其生命史約在3～8 h左右。云頂亮溫低于-50℃。最強的降水出現(xiàn)在MCSs成熟期,隨著云團的減弱消散,降水隨之減弱消失。

(3)暴雨區(qū)附近,高空西風急流和低空西南急流耦合產(chǎn)生的次級環(huán)流為中尺度對流系統(tǒng)的反復(fù)發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件。中尺度對流系統(tǒng)的重復(fù)發(fā)生具有時間間隔,與強降水落區(qū)和降水強度密切相關(guān),間隔時間越長,降水越強。分析暴雨期間高低空急流等天氣尺度系統(tǒng)的影響、監(jiān)測中尺度對流云團演變,對暴雨強度和落區(qū)預(yù)報具有一定指示意義。

(4)發(fā)生在青藏高原東北側(cè)的中-β尺度對流系統(tǒng)(MCβSs),不是孤立的系統(tǒng),它有自己獨特的環(huán)境場特征,不論在高空、地面,還是動力學(xué)上有其特殊的特征和規(guī)律。產(chǎn)生中尺度對流系統(tǒng)的環(huán)境條件,其成因和機理有待更深入的研究。

6 近海臺風與陜西暴雨

陜西地處黃土高原東北側(cè)的內(nèi)陸地區(qū),以往對這一區(qū)域臺風影響的暴雨研究相對較少,近年來通過對近海臺風與陜西暴雨的相關(guān)、作用等分析,得出如下認識[10-12]。

(1)陜西汛期區(qū)域性暴雨與近海臺風相關(guān)率較高,可達60%以上,大暴雨與臺風關(guān)系更為密切。近海臺風對地處高原東北側(cè)的陜西暴雨有明顯作用。這種遠距離臺風影響產(chǎn)生的暴雨突發(fā)性強、雨強大,且各自成因差異明顯。

(2)低空臺風低壓環(huán)流北側(cè)東風氣流形成的水汽和能量通道在地處內(nèi)陸的陜西產(chǎn)生強水汽輻合,并造成不穩(wěn)定能量的積蓄和釋放直接導(dǎo)致暴雨的發(fā)生、發(fā)展。如2002年6月8日陜南佛坪特大暴雨、7月4-5日陜北子長突發(fā)大暴雨均有臺風活動(圖6a、b),而臺風中心與暴雨區(qū)的距離在1 000 km左右。以往,如此遠距離臺風影響內(nèi)陸地區(qū)的暴雨過程在實際業(yè)務(wù)中很容易被忽略。

圖6 500 hPa高度場(單位:dagpm)

(3)暴雨的水汽、能量輸送以850 hPa層或925 hPa最為顯著。強降水多在夜間增強。因此充分利用衛(wèi)星云圖、多普勒雷達和加密氣象站觀測資料,加強短時預(yù)報和臨近預(yù)報預(yù)警服務(wù)是減少或避免災(zāi)害損失的重要環(huán)節(jié)。

(4)近海臺風對高原東側(cè)遠距離暴雨影響的研究是一項重要的科學(xué)問題,其研究不僅關(guān)系到該區(qū)域的暴雨洪澇災(zāi)害,對擴展我國臺風暴雨的研究、深化臺風暴雨的理論和實踐均具有明確意義。

7 結(jié)論

(1)西太平洋副熱帶高壓、烏拉爾山阻塞高壓等大尺度系統(tǒng)的有利配置及穩(wěn)定少動是陜西發(fā)生持續(xù)性強降水的典型環(huán)流。副高西側(cè)(或西北側(cè))的低空暖濕氣流(急流)對陜西及周邊地區(qū)強降水(特別是暴雨、大暴雨)的水汽輸送起著關(guān)鍵作用。

(2)利用濾波方法對高空風場進行中尺度分離,在對流層中低層暴雨區(qū)附近存在明顯的中尺度輻合系統(tǒng),結(jié)合地面流場、能量場分析對判斷暴雨落區(qū)有一定的指示意義。

(3)部分暴雨發(fā)生前,散度垂直分布從對流層低層到高層常呈現(xiàn)輻合-輻散的雙重結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與高原東北側(cè)暴雨時的特殊環(huán)流有著緊密聯(lián)系。暴雨時,對流層出現(xiàn)的復(fù)雜環(huán)流也是該地區(qū)中尺度對流系統(tǒng)(MCSs)多樣性的主要原因。

(4)陜西汛期區(qū)域性暴雨與近海臺風有著較高的相關(guān)率。近海臺風對陜西暴雨的影響主要有兩類:一是對中低緯度系統(tǒng)起阻擋作用,使暴雨的影響系統(tǒng)移動減慢或停滯,造成降水增強。二是低空臺風低壓環(huán)流北側(cè)的東風氣流(急流)直接將西太平洋的水汽輸送到暴雨區(qū),甚至東風氣流產(chǎn)生的波動可成為暴雨的觸發(fā)機制。

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