引言

西北太平洋海面生成的热带气旋在我国登陆后与中纬度西风带系统结合, 常常是造成我国北方夏季强降水过程的重要天气形势, 有关中低纬系统相互作用产生暴雨的机制正成为热带气旋研究的重点^{[1, 2]}。朱洪岩^[3]等通过对9406号台风暴雨模拟, 分析了台风和西风槽相互影响形成台风远距离降水的过程, 指出一方面台风强度影响了东侧的东南急流向中纬度槽前的水汽输送, 另一方面中纬度西风槽前提供了有利于台风远距离降水的大尺度背景场。朱官忠等在“登陆北上热带气旋的特大暴雨落区探讨”一文的分析中, 指出了北方暴雨落区与热带气旋倒槽的关系^[4]。郑峰^[5]分析在南海登陆的9909热带风暴时指出, 北伸倒槽内暖湿切变线的中尺度对流云团是引起特大暴雨的重要条件。据统计^{[6, 7]}, 每年登陆北上直接影响山东的热带气旋并不多, 而热带气旋外围或登陆减弱后的低压环流, 常常与中纬度系统结合, 并可造成山东夏季不同程度的降水。2004年8月26 —28日, 在山东中西部出现的暴雨过程就是一次中低纬度系统相互作用的结果, 也是该年雨季最大一场暴雨过程。文献[8]指出, 进入广东省后的热带气旋造成山东暴雨几率非常小, 仅为11.1 %, 对此类热带气旋造成的北方暴雨分析研究并不太多, 为此我们对此次过程进行了分析, 以寻找对实际预报工作有指示意义的信息。

本文利用NECP再分析资料和高空地面观测实况资料, 对本次大暴雨形成的原因进行了诊断分析。使用的NCEP再分析资料水平分辨率为1°×1°, 垂直方向21层, 分别为1000, 975, 950, 925, 900, 850, 800, 750, 700, 650, 600, 550, 500, 450, 400, 350, 300, 250, 200, 150, 100 hPa, 时间分辨率为6 h, 利用M M5的RAWINS程序和高空、地面实测资料进一步对NCEP数据进行订正, 并利用客观分析方法插值得到东亚范围54 km格距的格点数据, 以便提高资料分析的精度。

1 天气概况

2004年8月26日夜间到28日上午, 在鲁西南、鲁中山区及鲁北地区出现了当年最大的一场大暴雨过程, 全省共有72个县(市、区)过程降水量超过50mm, 有19个超过100mm, 全省过程平均降雨量为65.7mm; 大暴雨中心出现在济宁市金乡站, 为210.0mm。

从雨量的时空分布、云图和天气形势分析看, 此次大暴雨过程可分为两个阶段。26日夜间到27日20时的降水是由在福建西南部登陆的0418号热带气旋向西南移动进入广东后, 由向北伸展的倒槽造成的, 降水出现在鲁南和鲁中南部; 27日20时到28日的降水, 则是由热带气旋倒槽与西风带低槽相结合造成的。两个阶段的降水有着明显差异, 前段的相对较小, 出现个别的暴雨; 而大范围暴雨和部分区域的大暴雨出现在27日20时以后, 与中低纬度系统结合的时间相吻合。

2 产生大暴雨的环流背景和降水系统

本次大暴雨过程发生前, 西北太平洋副热带高压(以下简称副高)位置偏北, 呈东西向带状分布, 与120°E相交的脊线位于32°N附近。0418号热带气旋移到台湾东北部海面后, 向西北移动绕过台湾折向西南方向移动, 在福建西南部登陆, 而后继续向西略偏南移动。由于热带气旋和西风槽共同作用迫使副高断开, 大陆一环逐渐减弱。图 1a给出了8月26日20时500hPa环流形势, 可见, 本次过程与其它暴雨过程不同, 并不是副高强大且稳定在华东沿海, 即山东处于588dagpm线北部边缘。而是副高相对偏弱, 584dagpm线构成的一条东西向高压带, 其北缘位于鲁苏两省交界处。山东处于西风带槽前和副高之间的西南气流控制之下。相应的700hPa, 850hPa图上, 此前控制山东的反气旋环流逐渐减弱, 热带气旋倒槽北伸到鲁西南地区(图 1b)。同时从中纬度分裂南下的冷空气与倒槽的偏南气流结合, 导致豫东、鲁西南地区降水产生, 随着倒槽的北伸和冷空气的进一步侵入, 降水中心向东北方向移动, 导致鲁西南、鲁中和鲁北地区暴雨的产生。可见, 这种中低纬系统的相互作用, 在本次大暴雨中发挥了重要作用。另外, 从暴雨分布看, 暴雨中心位于鲁中山区和鲁西南平原交界处的金乡附近, 这与当地的特殊地形有一定的关系, 热带气旋倒槽移到此处时, 槽后的东南气流受东南-西北走向的蒙山、尼山及准东西走向的泰山的影响, 使气旋性环流加强, 有利于上升运动进一步加强, 促使暴雨增幅。

3 大暴雨成因 3.1 低空东南急流的作用

0418号热带气旋登陆后, 其东北侧到副高边缘的气压梯度加大, 华东地区上空东南气流迅速加强, 26日20时, 低空急流前锋抵达淮河流域。图 2给出了27日08时850hPa水汽通量图, 可以看到, 来自东海的水汽通量轴线达到鲁西南地区。山东大部出现明显的水汽辐合, 暴雨区水汽通量散度小于-5×10^-5 g·hPa^-1·cm^-2·s^-1。可见, 低空东南急流将大量的暖湿空气源源不断地输送到暴雨区, 为大暴雨的产生提供了充沛的水汽条件。同时, 由于风向风速的辐合, 有利于在倒槽前部形成强烈而持久的上升运动, 从而激发暴雨的产生。低空东南急流的建立、北伸并与中纬度冷空气的辐合过程, 充分表明了该急流在中低纬系统相互作用的纽带作用。

3.2 大气总能量

台风是一个最典型的深厚高能系统^[9], 台风暴雨是系统能量的一个积累和释放过程。分别计算了0418号登陆热带气旋影响山东前后各时次的对流层中低层大气总能量。分析暴雨发生前总温度分布可以发现, 在500hPa图上, 自热带气旋中心东北侧到山东中西部为一条近似南北走向的高能舌(图 3), 对应低空东南急流左前方, 其轴线位于高能中心经汉口到济南一线, 高能舌两侧的低能区也十分明显。随着西风槽引领的冷空气的侵入, 影响山东的高能区与热带气旋中心的高能区逐步断开, 并向东移动, 出现两个中心, 意味着能量输送被切断; 28日08时, 高能舌明显变宽, 强度减弱, 降水也逐渐结束。

从降水分布看, 暴雨区主要出现在热带气旋前方的高能舌区内, 两侧为低能区, 有利于0418热带气旋高能空气不断地向高能舌区汇合, 对应水汽辐合上升区, 其两侧为辐散下沉区, 暴雨中心出现在高能舌区, 这与过去的多个个例分析研究结果吻合^[10]。另外, 对流层低层(500hPa以下)的各层大气总温度分布与500hPa上有相似的结构, 且表现得更为明显, 这进一步说明了热带气旋是一个深厚的高温高湿系统, 也充分说明了热带气旋远距离暴雨是水汽、能量条件不同的中低纬系统相互作用的结果。

3.3 中低纬系统的相互作用

本次大暴雨第二阶段降水由于西风带弱冷空气与热带气旋倒槽相结合造成的, 与其它热带气旋北上形成倒槽产生暴雨不同, 本次过程发生在热带气旋远距离倒槽形成后, 西风槽携带弱冷空气南下进入倒槽形成温带气旋所致。由图 4给出的27日08时925hPa温压场配置可见, 在倒槽附近的黄淮地区温度梯度较大, 倒槽东侧东南风与等温线几乎正交, 随着东南气流加强, 倒槽顶部的暖平流十分明显, 具有明显的暖锋锋生作用。

图 5给出了大暴雨中心济宁金乡站暴雨前后垂直风场、湿度场演变, 可见, 27日14时, 对流层低层风向由东南风逐步转为偏北风, 而对流层中高层始终维持西南风, 受倒槽风切变中心影响时, 地面降水最强, 如金乡站27日14 —20时6h降水量达到97mm。另外, 与倒槽对应的湿度分布表明, 暴雨发生前, 低层湿度迅速增加, 降水最强阶段, 比湿大值中心伸展的高度达到700hPa, 但总体看, 倒槽主要在对流层低层明显, 其与西风带弱冷空气的相互作用也主要表现在低层, 500hPa以上并不明显。

4 小结

(1) 伴随着热带气旋生成的低空东南急流是中低纬度系统相互作用的纽带。持续的低层暖湿空气向暴雨区的输送和辐合, 为大暴雨的产生提供了充沛的水汽输送和层结不稳定条件。

(2) 来自低纬热带气旋系统的暖湿气流与来自中纬度西风槽的弱冷空气主要在对流层低层相互作用, 具有明显的暖锋锋生特征。弱冷空气的低层侵入对暖湿空气具有抬升作用, 促使对流的发展和暴雨的产生。

(3) 暴雨主要分布在高能舌区内, 这对预报热带气旋远距离暴雨落区具有重要指示意义。