孙兴池,主要从事预报业务把关和暴雨落区的精细预报等业务疑难问题研究. Email:
应用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料,对纬向切变线的暴雨落区进行精细化分析。结果表明:虽然低层切变线的位置对暴雨落区很重要,但不是判断暴雨落区的唯一依据。影响系统的空间结构及冷暖空气的相互作用对暴雨落区的精细化预报至关重要。当东北地区有冷空气入侵,山东省为一致东北风时,除了与切变线对应的暴雨区,还有因锋面抬升作用造成的地面东北风中的暴雨区;而当东北地区为暖低压,850 hPa冷中心盘踞山东省时,切变线南侧西南暖湿气流强盛,此时暴雨区位于切变线南侧和地面静止锋之间的鲁南地区;风场辐合中心往往和高湿舌对应,高湿舌前部和风场辐合中心附近是暴雨落区。
Based on the conventional observational data and NCEP 1°×1° reanalysis data, the rainfall distribution of zonal shear line heavy rain was refinedly analyzed. The results show that, although the location of low-level shear line is important to the distribution of heavy rain, it is not the unique decisive factor to the distribution. The spatial structure of affecting system and the interaction between cold and warm air are essential to the heavy rain fine forecast. With the cold air invasion from the northeast region of China and northeast wind crossing Shandong Province, there are two rainfall areas. One is related with the shear line, and the other is caused by frontal uplift of the ground northeast of the heavy rain area. When a warm low is located in the northeast region of China and 850 hPa cold center entrenched in Shandong Province and there is a strong southwest warm air flow with shear line, the rainfall area of heavy rain is located between the shear line and the stationary front in South Shandong Province. Wind convergence center is often accompanied with high humidity area, and the rainfall area is usually located in the front of high humidity area and near wind convergence center.
切变线是指700、850 hPa上气旋性的风向不连续线,大部分降水过程都有低层切变线存在,考虑到天气系统的空间结构,山东把低层为切变线, 地面为静止锋或与地面锋面无关的天气系统划归为切变线过程,而低层为切变线, 地面有冷锋或温带气旋时则归为低槽冷锋或温带气旋过程。由于切变线影响过程地面形势复杂,尤其当切变线影响与地面锋面无关时,地面可能为高压后部、低压前部,甚至为均压场等,这时地面往往不存在明显的中尺度辐合线,暴雨落区预报难度大,空、漏报几率高,近几年山东多次空、漏报及落区报错的暴雨过程都与切变线有关。因此,切变线暴雨的预报是实际业务的难点。
以往对山东暴雨的研究多集中在气旋、台风造成的区域性暴雨的诊断分析,而对切变线造成的突发暴雨尚缺乏系统的研究。在近10年山东200余次暴雨过程中,发现多次预报失误的过程都与没有地面冷锋或气旋配合的切变线有关,且由于地面系统弱,多造成漏报。文献[
山东切变线暴雨的概念模型[
2010年9月7日(简称“0907”过程),受纬向切变线影响,分别在鲁西北西部和鲁南地区出现两片暴雨区。其中,鲁南的雨量中心与切变线位置相对应,而另一片则位于地面静止锋后的鲁西北西部(聊城),雨量更大,过程最大降水量东阿为183.7 mm,而24 h预报仅报出了鲁南暴雨,聊城暴雨漏报。同样受纬向切变线影响,2003年7月12日(简称“0712”过程),鲁南地区降大到暴雨,局部大暴雨,聊城一带雨量较小。对这两次过程对比分析,研究在纬向切变线影响时,由于系统的空间结构、冷暖空气的配置不同,所造成的暴雨落区的差异,从而为切变线暴雨的落区预报提供依据。
两次过程500 hPa形势皆为副高边缘和高空槽前西南气流共同影响(图略),副高呈带状分布,588 dagpm线西伸到110°E以西,588 dagpm线位于长江流域一带且在暴雨过程中缓慢北抬。不同的是,“0907”过程经向度较大,河套以西为深厚低涡,涡前西南气流经向度大,而“0712”过程500 hPa中纬度环流平直,山东上空为偏西风。可见,两次过程500 hPa高空引导气流有显著差异,由于“0907”过程引导气流为西南气流,初生云团向东北方向移动,而“0712”过程引导气流为偏西气流,云团向偏东方向移动。
850 hPa形势是预报暴雨落区的重要因素,850 hPa低涡、切变线的位置及走向、低空急流对暴雨落区有指示意义。但在暴雨的精细化预报中,仅仅讨论这些是远远不够的,因为在实际中遇到很多个例,虽然低涡、切变线位置相似,但暴雨落区却有明显差别。
2010年9月7日08时(a, c)和2003年7月12日08时(b, d)850 hPa天气图(a, b)及散度场(c, d, 单位:10-5 s-1)
Weather charts (a, b) and divergence fields (c, d, unit: 10-5 s-1) of 850 hPa at 08:00 BT 7 September 2010 (a, c) and 08:00 BT 12 July 2003 (b, d)
对比两者温度场、高度场结构,可看出明显差异,“0907”过程我国东北地区为冷高压,高压前部为大于12 m·s-1的强劲东北风,且与等温线垂直,为冷平流,这支强劲东北风经渤海入侵山东省西部,低涡北侧东北、东南气流较强(大于12 m·s-1),由于冷空气从低涡后部侵入,冷暖空气交汇在低涡顶端并在鲁西辐合。虽然涡前有纬向切变存在,但切变南侧西南气流较弱,动力和热力辐合都不在纬向切变附近。而“0712”过程的纬向切变线是中心位于黄海北部的西风带高压和带状副高之间形成的,东北地区为暖低压,盛行南风,西风带弱冷空气盘踞山东省,冷暖空气交汇在850 hPa纬向切变线上,切变线南侧西南暖湿气流强盛。850 hPa形势的显著差异反映在散度场上(
2010年9月7日20时(a, b)和2003年7月12日14时地面图和对应的6 h降雨量(c, d)
Surface weather charts (a, c) and 6 h precipitation (b, d) at 20:00 BT 7 September 2010 (a, b) and 14:00 BT 12 July 2003 (c, d)
为了揭示暴雨落区与影响系统空间结构的关系,制作聊城(36°N、116°E附近)有、无暴雨的两次过程沿116°E的经向垂直剖面图(
2010年9月7日08时(a, b)和2003年7月12日08时(c, d)沿116°E垂直剖面
Vertical cross sections along 116°E at 08:00 BT 7 September 2010 (a, b) and 08:00 BT 12 Jul 2003 (c, d)
从相当位温(
在“0712”过程中,850 hPa切变线南侧即35°N以南存在明显的纬向锋区(
2010年9月7日08时(a, c)和2003年7月12日08时(b, d)850 hPa物理量
The physical fields of 850 hPa at 08:00 BT 7 September 2010 (a, c) and 08:00 BT 12 July 2003 (b, d)
两次过程高空槽都明显偏后,为后倾槽结构,500 hPa以上为西南气流,锋面坡度均较小,属第一型冷锋,锋前暖湿空气均沿锋面爬升,但“0712”过程锋面明显偏南,锋区北界在35°N,暖湿空气在锋前抬升,同样在锋后1个纬距处上升速度达到最强,在对流层中低层形成了-7×10-3 hPa·s-1的上升运动中心(
两次过程暖湿气流强度有明显差异,“0712”过程切变线南侧有大范围西南气流北上,低空急流轴上有达28 m·s-1的风速中心,而“0907”过程仅在低涡中心附近有大于12 m·s-1的偏南风,华南沿海西南风较小。表现在空间剖面图上,“0712”过程锋前有
总之,锋面抬升往往在锋面之后1个纬距(在锋面坡度小时,也可能在锋后2个纬距)左右的对流层中层达到最强,也就是锋面以北1~2个纬距左右处存在暴雨区,当东北地区有冷空气入侵山东省时,干冷和暖湿空气在山东省交汇,当温度梯度不明显时,可能表现为湿度锋区,即
两次过程均发生在副高边缘,除了大气本身高温高湿外,由于500 hPa高空槽和低层切变线的存在,大范围西南气流从华南经长江流域伸向鲁南,对流层中低层(400 hPa)以下建立了明显的水汽通道,从850 hPa水汽通量可见(
2010年9月7日08时(a, c)和2003年7月12日08时(b, d)850 hPa物理量
The physical fields of 850 hPa at 08:00 BT 7 September 2010 (a, c) and 08:00 BT 12 July 2003 (b, d)
从850 hPa的水汽通量散度和水平风场(
源源不断的水汽输送和较强的上升运动是形成大范围暴雨的基本条件,
在“0712”过程中,切变线南侧西南气流强,西南气流在纬向切变线上辐合,切变线南侧为东西向带状高湿区,高湿区同样向辐合区凸起。处于切变线北侧的聊城850和700 hPa比湿在10 g·kg-1以下。
两次过程高湿舌(区)都向辐合中心凸起,说明风场动力辐合对水汽集中起重要作用。暴雨区与高湿舌前部的湿度梯度区相对应,这里为强辐合区,可见动力作用在暴雨过程中十分重要,而动力作用取决于冷暖空气的相互作用、高低空系统的垂直配置。
从比湿和上升运动的垂直剖面可见,“0907”过程(
两次过程200 hPa高空急流与辐散如
2010年9月7日08时(a)和2003年7月12日08时(b)200 hPa急流(色斑)与辐散
Upper-level jet (shaded areas) and divergence of 200 hPa at 08:00 7 September 2010 (a) and 08:00 12 July 2003 (b)
(1) 低层切变线是暴雨预报的重要因素,但仅根据切变线位置来判断暴雨落区是不够的,暴雨落区的精细化预报更依赖于对冷暖空气的相互作用、影响系统的空间结构的细致分析。
(2) 在切变线影响时,当东北地区有冷空气入侵时,山东省位于东北高压前部一致东北风中,除了与切变线对应的暴雨区外,应注意锋面抬升作用造成的地面东北风中的暴雨区。
(3) 分析系统空间结构可见,锋面抬升往往在锋面之后1个纬距(在锋面坡度小时,也可能在锋后2个纬距)左右的对流层中层达到最强,也就是锋面以北1~2个纬距左右处存在暴雨区。当东北地区有冷空气入侵山东省时,即便锋面到达了鲁南(35°N附近),锋面抬升作用恰恰在36°~37°N达到最强,鲁中和鲁西北的多次暴雨过程都与由东北经渤海入侵山东省的冷空气有关。要特别注意东北地区冷空气从边界层入侵,这时在常规天气图上温度梯度不明显,容易被忽视,但湿度锋区清楚,即
(4) 而当东北地区为暖低压,850 hPa冷中心位于山东省时,冷暖空气交汇在纬向切变线上,切变线南侧西南暖湿气流强盛,此时暴雨区位于切变线南侧的鲁南地区。
(5) 高湿舌向风场辐合中心凸起,高湿舌前部和风场辐合中心附近是暴雨落区。
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