2006, Vol. 32 2. 湖南省气象台；
3. 国家气象中心
2. Hunan Provincial Meteorological Observatory;
3. National Meteorological Center
2005年6月17~21日江西中南部发生了一次持续性强暴雨天气过程, 过程总雨量>100mm有50个县市, >200mm有13个县市, >300mm为6个县市, >500mm和400mm各有1个县市, 广昌最大515mm。强暴雨主要集中在17日20时至19日20时(北京时, 下同), 其中63个站点出现暴雨、17个站点大暴雨, 宜黄最大达146mm, 致使抚河流域和赣江上中游45个县市发生洪涝和滑坡、泥石流等地质灾害, 大片房屋倒塌, 交通中断(鹰厦铁路中断10小时), 农作物被淹。据不完全统计, 受灾人口达359万人, 死亡9人, 直接经济损失19亿元。
江西6月暴雨属于长江中下游梅雨锋暴雨, 国内对梅雨已有不少研究。"我国重大天气灾害形成机理与预测理论研究"项目对长江中下游梅雨锋暴雨的形成机理和多尺度物理模型的研究已取得最新成果[1], 认为暴雨是在有利大尺度环流背景下产生的中尺度现象, 中β尺度强对流系统是造成暴雨的直接影响系统。近年来有些研究也得出以上结果[2~5], 但多以单日暴雨进行分析。本文利用NCEP1°×1°的6小时分析资料、逐小时加密雨量资料、常规观测资料及FY-2C卫星的TBB资料, 对2005年6月17~25日暴雨过程进行了天气动力学诊断分析, 探讨触发中尺度系统发生发展的动力学条件, 以提高对梅雨锋暴雨形成机理及预报理论的认识。
1 环流形势特征本次持续性暴雨过程500hPa环流形势特征是欧亚中高纬为两槽一脊形势(图略), 两槽分别位于欧洲到西西伯利亚平原和贝加尔湖东部到东西伯利亚, 长波脊在中西伯利亚到贝加尔湖, 该脊相对较弱, 则使本次暴雨过程成为江西省梅汛期持续性暴雨仅10%在无阻塞高压下产生的个例。
暴雨期间, 在中低纬度南海到菲律宾以东洋面上空, 西太平洋副高呈带状分布, 120° E副高脊线稳定在17° N附近, 其西侧和北侧盛行一支强西南气流, 将低纬海洋上的水汽、动量和热量源源输向暴雨区。同时东部长波槽中不断分裂冷空气东移南下与副高西北侧的西南暖湿气流交绥于江南一带, 为本次暴雨过程提供了有利的环流形势。
冷暖空气的交绥是通过位于江南一条近于东西走向中低层切变线来实现, 850hPa切变线南侧维持一支风速达14~20m·s-1的西南低空急流。北侧是一支风速为6~8 m·s-1的偏东气流。中低层切变线是本次暴雨过程天气尺度的影响天气系统。
2 暴雨的天气动力学诊断分析 2.1 持续性暴雨的中尺度特征分析暴雨是一种复杂的天气现象, 涉及到各种尺度的相互作用。暴雨的发生必须具备一定的大尺度背景条件, 而暴雨的强度、落区又直接与中尺度扰动的活动密切相关。有研究指出[2~5], 梅雨锋上常有中尺度系统活动, 并伴随一个个中尺度暴雨雨团直接造成暴雨, 它们在各种系统相互作用中起关键性的作用。
2.1.1 降水的中尺度特征将1小时降雨量≥10mm、生命史≥2小时、空间尺度在100km以内的雨区定义为中尺度雨团, 其中每小时降雨量≥25mm雨区定义为强中尺度雨团。据此对本次暴雨过程中的降雨中尺度特征进行分析得到, 该过程共出现12个中尺度雨团(表 1), 其中7个强雨团, 生命史最长8个小时, 最短3个小时。它们均产生在850hPa上切变线南侧和地面静止锋附近, 并沿静止锋方向缓慢东移, 水平尺度一般在100~200km。分析发现, 17日20时至19日20时共有8个中尺度雨团生成并发展, 其中5个强雨团, 是中尺度雨团发展最旺盛阶段, 随后48小时是雨团发展相对弱的阶段, 仅生成4个雨团。
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表 1 6月17~21日江西暴雨期间雨团概况 |
定义云顶亮温≤-52℃、面积在400~45000km2以内并且生命史≥3小时的对流云团为中β尺度云团, 统计结果见表 2。
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表 2 6月17~21日江西暴雨期间中β尺度对流云团活动特征 |
在表 2中, 本次暴雨过程共有9个中β尺度对流云团活动, 对流云团的云顶亮温均≤-60℃, 生命史通常为4~9小时。它们生成于中低层切变线南侧、西南低空急流左侧和位于地面静止锋附近, 并沿500hPa低槽前部主气流方向向东移动。
从表 1和表 2中可知, 中尺度雨团的发生与中尺度对流云团的活动密切关联。中尺度对流云团发展期也是中尺度雨团活跃期。此时段均在19日20时之前, 与江西暴雨强度强和范围大相对应(图 1), 表明强暴雨主要是中β尺度对流云团所造成的。
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图 1 2005年6月17日08时~22日08时江西省逐3小时雨量 |
利用NCEP1° ×1°的6小时再分析资料计算的物理量场, 用以诊断分析触发中尺度对流系统发生发展的动力学条件。
表 1显示17日20时至18日17时是中尺度雨团活跃期、并出现暴雨峰值。该时段的动力学诊断结果如图 2所示, 18日02~08时, 江西中部有一正涡度区从西向东发展加强, 08时正涡度中心移至赣中, 强度增至大于12 ×10-5 s-1(图 2b), 相伴出现第一次暴雨峰值, 14时以后正涡度中心东移到闽北, 江西降水减弱。
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图 2 2005年6月18日02时(a)、08时(b)、14时(c)850hPa涡度(单位:10-5 s-1) |
由散度场显示出(图 3), 18日02~08时, 江西东南部有一辐合区向东偏北移动并加强, 08时辐合中心移至赣东到闽西一带, 强度小于-7 ×10-5 s-1, 与第一次暴雨峰值相对应, 强降水位于辐合中心北侧。18日14时辐合区移出江西, 暴雨减弱。
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图 3 2005年6月18日02时(a)、08时(b)、14时(c)850hPa散度(单位:10-5 s-1) |
从水汽通量散度分布图上可见(图略), 18日02~08时, 江西中南部有一水汽通量辐合区向西北方向移动并加强, 08时辐合中心加强(小于-10 ×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1), 强降水出现在辐合中心附近。
图 4是6月18日08时沿116° E暴雨区垂直速度经向高度剖面图, 由图可见, 18日08时在暴雨区上空有一强上升运动区, 上升运动中心小于-140 ×10-2 Pa·s-1, 位于400hPa上, 强降水分布在上升区北侧。14时其强度减弱(小于-50 ×10-2 hPa·s-1), 并下移到600hPa层(图略), 20时暴雨区上空被下沉气流所控制, 降水明显减小。
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图 4 2005年6月18日08时沿116° E暴雨区垂直速度经向-高度剖面图 阴影部分为地形廓线, 垂直速度单位:10-2 Pa·s-1 |
从图 5a中可看到, 17日08时至21日20时, 在700hPa层以下是辐合区, 以上层以辐散为主, 但有时也出现辐合区, 反映了大气运动的复杂性。中低层辐合区中辐合并非总是均匀的, 呈现时强时弱的波动状况。18日08时和19日08时前后发生了两次辐合显著加强过程, 辐合中心极值依次小于-6.8 ×10-5s-1和-6 ×10-5 s-1, 与图 1中前2次暴雨高峰值区相吻合。揭示了暴雨区中低层辐合强度大小与中尺度雨团强弱有很好的关系。暴雨区高层辐散强度与中尺度暴雨雨团强度也相应有类似的关系, 这可能对暴雨强度预报有一定指示意义。
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图 5 暴雨区(27 °N、117 °E)散度(a)、涡度(b)和垂直速度(c)时间垂直剖面 单位:散度、涡度为10-5 s-1, 垂直速度为Pa·s-1 |
17日08时至21日20时, 925~650hPa为正涡度区, 以上是负涡度区。正涡度呈现波状变化。18日08时涡度最强, 中心值大于12 ×10-5 s-1, 正涡度柱顶端最高, 对应首次最强暴雨峰值区, 19日08时为次强涡度区, 中心值大于8 ×10-5 s-1, 对应第二次次强暴雨峰值区。此后又有3次涡度加强, 但强度较弱, 分别对应3次弱暴雨峰值。由此可见, 中低层涡度大小与中尺度雨团强弱也有很好的关系。
暴雨期间, 18日08时和19日08时各出现一次强上升运动区, 上升运动中心分别小于-1Pa·s-1和-0.9Pa·s-1, 对应前2次暴雨峰值区。此后又出现2次弱上升区, 暴雨强度也相应减弱。可见上升运动强度与中尺度雨团强弱也存在很好对应关系。
综上所述, 19日20时之前低层辐合、高层辐散及上升运动明显强于后期, 此间是中尺度雨团和云团发展最盛期间, 暴雨亦最明显。19日20时以后低层辐合、高层辐散及上升运动均减弱, 暴雨也明显变弱。由此可见, 中低层辐合、高层辐散及上升运动的加强对中尺度云团和雨团加强发展有重要作用。
2.3 低空急流脉动低空急流是一种动量、热量和水汽的高度集中带, 是中纬度产生暴雨的重要系统。有研究表明低空急流与暴雨的相关系数达0.8[6]。据统计, 江西省汛期暴雨期间850hPa上有89%的天数出现西南低空急流[7]。
分析逐6小时850hPa全风速场发现, 本次暴雨过程期间, 在850hPa切变线南侧到华南地区一直维持强西南低空急流, 在急流中存在长约200~250km的急流核并沿急流轴向下游传播, 即急流核不是固定在某个区域, 而是随时间不断形成并东移加强, 出现低空急流脉动现象。17~21日共有5次急流核东移发展过程, 并且每次急流核发展都与急流核北侧的强辐合区在时空上配合得很好。以第1次急流核东移发展为例(图 6), 17日20时, 在赣南有-12m·s-1的急流核, 18日02时加强(大于16m·s-1)并略北移, 18日08时急流核移至赣东南到闽西, 并增强(大于24m·s-1), 18日14时, 继续东移至闽东到台湾海峡。从图 3中可看出, 17日20时850hPa辐合区位于急流核的前部, 随着急流核的东移发展, 18日02~08时辐合区强度也随之加强, 且辐合区位于急流核的左前方。由此进而证实, 在低层急流的前方或左前方易出现强辐合区。
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图 6 2005年6月17日20时(a)、18日02时(b)、08时(c)、18时(d)850hPa全风速 D为850hPa正涡度中心, 阴影区为6小时暴雨区 |
从图 6还可见, 中尺度雨团与急流核配置很有规律, 即在急流核东移发展过程中, 中尺度雨团始终位于急流核中心北部约200km处, 并与急流核同时加强, 当急流核移到闽东到台湾海峡时(图 6d), 江西处于急流核后部, 这时仅出现中到大雨, 进一步表明暴雨与急流核关系密切。18日20时之后4次急流核过程中也同样存在上述配置规律(图略)。可见低空急流对梅雨锋暴雨的重要作用, 它是为暴雨区提供水汽和动量的重要机制。丁一汇[6]研究指出:低空急流主要以中尺度扰动的形式向暴雨区输送动量、热量和水汽, 因此沿低空急流轴传播的中尺度风速脉动或风速最大值甚至比低空急流本身更为重要。
3 结论(1) 本次持续性暴雨是在欧亚中高纬为两槽一脊、中西伯利亚未形成阻高的环流形势下产生的, 中低层切变线、西南低空急流是暴雨天气尺度的主要影响系统, 中β尺度对流云团是暴雨的直接影响天气系统。
(2) 该暴雨过程是12个中尺度雨团和9个中尺度云团沿切变线东移发展造成的。中低层辐合、高层辐散及上升运动的强度与中尺度对流云团、中尺度雨团强弱有很好对应关系, 对暴雨强度预报有一定预报指示意义。
(3) 在中低层西南气流中共出现5次急流核东移发展过程, 在急流核的前方或左前方出现强辐合区。中尺度暴雨雨团始终位于急流核中心北部约200km处, 并与急流核同时加强。
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