利用常规资料和MM5模拟结果分析了2003年10月10—12日华北地区大暴雨物理成因。分析表明,高层稳定持续的经向环流是大暴雨产生的大环流背景。低空暖切变线和低空急流的直接影响,以及西南涡的加强和日本海高压的阻挡起了重要作用。强烈的上升运动、能量的积累和充沛的水汽输送是大暴雨发生的必要条件。对流层中下层偏南急流、低层的偏东气流和高空的西南急流提供了充足的水汽和能量输送。强涡度柱与强散度区、强上升运动与饱和气柱的互耦,是大暴雨产生的重要机制。强冷空气与强暖湿空气在切变线附近长时间对峙,使大降水持续。这些是形成这次华北地区秋季大暴雨的重要原因
Based on meteorological observational data and mesoscale numerical model products, the physical mechanism of a heavy rain is analyzed. The analysis shows that sustaining meridional circulation at upper levels, low level warm shear line and jets, the strengthening of Southwest vortex and the obstruction from the high pressure on Japanese sea are the important reasons of the heavy rain. The main mechanisms are long-time transfer of vapor and energy by various jet streams, and the coupling among the strong vorticity column, violent convergence ascending motion and saturated air column.
2003年10月10—12日,华北东部环渤海地区出现狂风暴雨及强降温天气,渤海西部沿海出现风暴潮。这次天气过程持续时间之长,影响范围之广,降水量、风力、降温幅度之强,均为近50年历史同期罕见。降水连续且稳定,过程降水量冀东鲁北部分站超过200mm (见
2003年10月10日08时-12日08时降雨总量(单位:mm)
华北地区的降水主要集中在盛夏,以往对夏季暴雨的研究较多,对本次大暴雨过程许多人只对当地暴雨作了分析[
这次大暴雨过程是在欧亚中高纬度为稳定的经向环流,呈两脊一槽的形势下产生的。从10月7日08时起,500hPa在60°N、l00°E附近有冷涡形成,10日08时(图略)冷涡南压至贝加尔湖附近,此时乌拉尔山阻塞高压形成,脊前到蒙古国中部为一宽阔的低压槽,同时,蒙古国东部到我国东北为高压脊。贝加尔湖低涡中心强度为5400gpm,配合冷中心强度为-40℃,冷空气从冷涡底部不断南下,华北地区处于槽前明显的西南暖湿气流中,10日上午开始冷暖气流交汇,河北省出现降水天气。在这次降水过程中,500hPa两脊一槽环流形势相对稳定,一直持续到12日08时,冷暖空气在华北地区持续交汇,为强降水天气提供了丰富的水汽和有利的环流背景。
850hPa的低涡中心位于贝加尔湖东部,冷空气在低涡后部东移南下,低涡在东移过程中受日本海高压的阻挡,低涡槽线10日08时在我国东北地区转变成东—西南向的切变线,冷空气在切变线后部从东北回流南下影响华北地区。由于南方暖湿气流较强,700~850hPa在四川盆地生成深厚而广大的西南涡,西南倒槽从四川向东北伸展,与东北地区的切变线在渤海湾相衔接,11日08时西南涡中心移入河南(图略)。西南涡前部的强暖湿气流与北方强冷空气在华北南部交绥对峙,造成华北地区这次强降水。
MM5是美国宾西法尼亚大学(PSU)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合开发的第五代中尺度气象模式。MM5除了具有非流体静力平衡外,在描述降水和辐射等物理过程方面更加合理周密,大大提高了预报和模拟效果。本文采用MM53.6版,模式设计的主要技术要点如下:
① 采用双向嵌套网格域,模拟区域中心位于(38°N、117°E),母域和子域是同一中心。粗、细网格的水平分辨率分别为60公里、20公里,网格点数均为61×61。模拟中采用了10°×10°的地形资料,初始资料场为NCEP/NCAR全球1°× 1°资料。垂直方向分为不等距26层。初始时刻为10月10日08时,积分48小时,积分步长为180s。
② 物理过程采用Grell积云对流参数化方案及简单冰相显示水汽方案,侧边界条件采用时变流入流出方案,行星边界层过程用高分辨率blackadar参数化方案。
模拟的2003年10月10日08时- 12日08时降雨分布图(单位:mm)
分析10—12日相当位温
模拟的2003年10月10—12日
通过分析还发现,10日14时38°N以南山东地区上空到600hPa附近为不稳定层结大气(
以上分析可知降水前期、初期能量积累充分,为强降水和大风的发生提供了能量基础;38°N以北的河北等地始终是稳定性降水,而山东地区由对流性降水逐渐转为稳定性降水。
粗网格模拟的2003年10月10 — 11日高低空风场
模拟的700hPa风场10日08时在云贵高原东部有一支西南风急流,携带来自孟加拉湾的丰沛水汽,10日20时东移北伸到了渤海(
从水汽通量场和相当位温
200hPa风场10日08时南亚高压的中心位于20°N的海上,其北侧西风急流在36°N附近,10日20时(图略)南亚高压增强,脊线北抬,对应高空西风急流加强并北抬东移到39°N附近,急流轴转为西南一东北向,急流轴上有两个急流中心:一个位于青海东部,另一个在东北地区。暴雨区位于东北高空急流中心的右后方,低空700hPa和850hPa急流的左前方。华北南部地区为明显的反气旋辐散流场,具备了产生大暴雨天气的高层动力条件[
在整个降水过程中降水区高低层的散度场一直存在良好的配置,750hPa以下为强辐合区,中心在117°E附近,与大暴雨中心对应,强度小于-14×10-5s-1 (
模拟的2003年10月10日20时物理量场垂直剖面图
在400hPa以上为强辐散区,辐散中心在250hPa附近,强度为8×10-5s-1, 与低层强辐合区对应的400hPa以上为强辐散区,中心强度高达8×10-5s-1。高层辐散、低层辐合这种有利配置使10日夜间的上升运动加强,降水强度加大。
由
10日8时-11日20时华北中南部地区500hPa以下一直处于上升运动区,其中以10日20时上升运动最强(
10日8时-12日8时华北中南部地区500hPa以下相对湿度始终超过90%,10日20时(
(1) 华北地区这次秋季罕见的大暴雨天气是在欧亚中高纬度为稳定的经向环流背景下,受低空暖切变线和低空急流直接影响产生的,同时西南涡的加强和日本海高压的阻挡对大暴雨天气的产生和维持也起到重要作用。
(2) 双向嵌套的非静力MM5模式模拟结果表明:粗网格与细网格均较好地模拟出大范围降水走势和强降雨中心位置,但粗网格模拟的降水效果远好于细网格。
(3) 降水前期、初期能量积累充分,为强降水和大风的发生提供了能量基础;38°N以北的河北等地始终是稳定性降水,而山东地区由对流性降水逐渐转为稳定性降水。
(4) 850hPa上西南风急流、东南风急流、偏东风急流这三支急流以及700hPa的西南急流与本层水汽通量大值轴、能量大值轴对应较好。700hPa急流与850hPa上三支急流相互叠加,向暴雨区源源不断地输送了大量的水汽和能量,使暴雨得以维持和发展。暴雨产生在低空急流的左前方、高空急流的右后方。高、低空急流的耦合作用,形成有利的高层辐散、低层辐合动力场,产生深厚、强烈的上升运动,为大暴雨和大风提供了重要的动力条件。
(5) 强涡度柱与强散度区、强上升运动与饱和气柱的互耦,是大暴雨产生和持续的重要机制。
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