台风登陆背景下陕西两次大暴雨过程对比分析

2011-06-29侯建忠陈小婷刘瑞芳

成都信息工程大学学报 2011年5期

侯建忠, 陈小婷, 刘瑞芳, 雷斌

(陕西省气象台,陕西西安710015)

2010年7月中旬至下旬初,受1002(康森)、1003(灿都)号台风在中国南海一带活动、登陆影响和西南涡、黄河河套低压共同作用,7月16日至7月24日,短短不足10天时间,陕西南部和除榆林外大部地区先后两次出现大范围、持续大暴雨天气过程,共有5个大暴雨日,大暴雨引发特大山洪、滑坡、泥石流和多条河流决口等灾害,造成陇海铁路中断10余小时。受灾死亡和失踪人数超过300人,所造成的人员伤亡和直接经济损失为陕西近10年来最严重的一年。

其中7月中旬的暴雨过程还使四川渠江流域达州段出现超历史极值的洪水,造成该地区重大人员伤亡,直接经济损失过100亿元,也使得长江出现1998年以来的最大洪峰;7月下旬暴雨的过程给甘肃东部、河南西部地区造成重大人员伤亡和经济损失,其中河南是近10年来较严重的一年,可见两次暴雨过程影响范围之广且造成的灾害是较为罕见。

通过对两次过程的环流形势、卫星云图和动力诊断等进行对比分析,找出影响和造成两次大暴雨过程发生的异同点,旨在为此类天气的成功预报提供参考,以提高台风远距离影响陕西大暴雨天气的预报、预警能力。

1 两次大暴雨过程降水概况

2010年7月中旬的强降水于16日晚从陕南西部开始,夜间降水特征明显,暴雨落区集中在陕南南部地区(20时统计),过程共出现暴雨24站,其中7站大暴雨,最大紫阳184.6 mm。7月下旬初强降水是22日凌晨从汉中西南部开始的,白天降水特征明显(08时统计),强降水落区分散在陕北、关中和陕南3个地区,过程中3天均出现大暴雨,23日是此次过程降水最强的一天,出现暴雨28站,其中大暴雨12站,最大彬县200.3mm。

两次大暴雨过程中共出现68站暴雨,仅陕西有10站日降水量突破历史极值;甘肃东部也有3站日降水量突破历史极值。而7月23日在陕西南中北3个地区同时出现区域性暴雨的情况,在陕西区域性暴雨的历史个例中仅有5%[1]。

2 两次大暴雨过程近海台风活动特征和影响

台风“康森”于2010年7月12日在菲律宾东侧生成,西行路径特征明显,16日20时在海南登陆后继续西行在越南再次登陆。台风“灿都”于2010年7月19日在中国南海区域生成,路径以西行略有北上,22日13时在广东吴川登陆后继续西行进入广西境内(见表1)。分析并与历史个例对比发现,正是“康森”、“灿都”两个台风在中国南海海域活动和在海南、广东一带登陆背景影响下[2-7],使得陕西在2010年7月16-24日先后出现两轮罕见的大暴雨天气过程。再次验证了近海台风活动是影响陕西出现极端暴雨的一个关键因子[9]。

表1 “康森”与“灿都”台风影响陕西大暴雨的相关对比分析

3 两次大暴雨过程的高低空环流特征

就环流形势配置和影响系统而言,除适当的副高位置外,远距离台风的作用十分关键。7月中旬的大暴雨过程是西南涡与台风“康森”远距离作用的结果,7月下旬初的大暴雨过程则是位于河套地区的深厚低压系统与台风“灿都”远距离作用造成的,以下选取两次过程中降雨最强时段的特征进行分析。

3.1 300hPa高空急流特征

陕西出现大范围区域性暴雨时,在对流层高层多为反气旋环流形势,同时有高空急流配合。7月中旬大暴雨过程300hPa有反气旋性环流(图1(a)),北纬33°N-40°N附近存在着一个纬向约16-30m/s的强风速带,暴雨发生时,该纬向强风速带的风速出现明显的南压或南移。

7月下旬初的大暴雨过程中,300hPa反气旋环流形势和高空急流相配合的特征不明显,其急流轴是以南北向和东西向(纬向)两段构成(图1(b)),反气旋环流形势和高空急流出现较以往偏高,在200hPa可分析到一些特征。若以实测风资料分析,高层急流仍清晰可辨,但此次高层纬向急流较短。以延安、西安、郑州站实测风为例,22日20时延安、西安、郑州3站分别是16m/s、10m/s和14m/s的西西北风,23日08时,上述3站演变成为16m/s、14m/s和14m/s的西南风和偏西风,出现急流轴南压,并在陕西与甘肃东部有一个小的反气旋环流形成。

图1 两次大暴雨过程的300hPa风矢量图

3.2 高低空环流特征

500hPa图上(图2(a)、(b)),16日08时至19日08时,副高在中国大陆东西向带状稳定维持着,588dagpm大都在30°N附近摆动或越过长江中游以北地区,其西脊点多在103°E-108°E进退,16日20时副高西伸到最西端,随着台风“康森”在海南登陆继续西行,副高略有东退,其径向特征加大,使得环流“鞍”型特征更加明显。22日08时至25日08时,在河套底部以北广大地区稳定维持着一个东西向带状具有闭合的588dagpm大陆高压,台风“灿都”登陆后的影响使大陆高压更加稳定,24日08时中心达到592dagpm,该带状高压南侧为深厚的河套低压,24日08时低压发展为最强盛时刻,低压中心有闭合的582dagpm,200hPa仍能分析出完整的低压环流,可见其深厚。而此低压系统直接影响造成陕西7月下旬初区域性暴雨。

由图2(c)知,两次过程都具有东高西低型环流特征。16日20时四川大部处在西南涡影响中,17日08时西南涡影响不断北上东移,陕西南部已在倒槽影响之中,850hPa图上西南涡东移发展的特征更加清晰。

7月22日20时低压中心还在黄河源头一带,从该低压中心到陕西境内为一个东西向低压横槽区域,23日08时横槽区域东部出现加深南压,陕西西南部已受低槽控制、影响(图2(d))。23日20时至24日08时横槽继续东移、加深发展成与高层环流相对应的一个完整深厚低压系统,此时段为陕西本次降水最强的时段,多站降水突破日最大降水记录。

图2 两次大暴雨过程的高空环流图

4 两次大暴雨过程的云图特征

通过对降水过程的FY-2卫星红外云图演变分析发现,最强降水时段,影响云系(带)和台风云系之间有一个大的晴空区存在,晴空区域具有明显东西向带状特征,其区域与副热带高压位置、范围基本一致,两次罕见的大暴雨过程中副热带高压主体稳定少动,东西向带状特征明显[8]。

影响云系分析显示,7月上旬的过程是高原低槽云系在东移过程中受西南涡影响发展、加强、东移所致,造成陕南出现区域性大暴雨是西南涡云系中的暴雨云团东移北上的直接结果。暴雨云团在17日00时开始生成发展,东北移向发展、加强特征十分明显,03-04时云团的云顶最低温度达到-80℃,表明有剧烈对流、上升运动,07时为云团达到尺度最大和成熟时段,成熟的暴雨云团呈以东北-西南向为长轴的椭圆状,云团顶温度梯度最大的地方在椭圆状的西北侧和东南侧(图3(a)),此时云团的云顶最低温度不但没有降低反而有所回升在-75℃左右,陕南已出现较大的强降水,期间近邻陕南的四川万源、宣汉站降水均已超过100mm。17日16时影响云系、云团基本移出陕西,此次降水随之减弱消逝。

图3 两次大暴雨过程相应时次的FY-2卫星红外云图

7月下旬初的大暴雨过程则是位于黄河河套地区的深厚的低压系统云系原地发展、加强和东移所造成。低涡云系在23日00时已清晰可辨(图3(b)),随着低涡云系在原地不断加强、发展,03时已发展成为一个以南北向特征为主的由多个对流云团组成的云系,云系内对流云团的云顶亮温在-50℃--55℃。04时云系发展、形成一个完整南北向的云带,最强的云团不在低涡云系附近,是在云带南段,生成一个尺度约200km左右的云团,云顶亮温为-75℃,而在河套地区的低涡云系特征依然明显,08时整个影响云带南北向整体性更加完整,南段的对流云团稳定维持并略有发展,北段的低涡云系出现明显的发展加强和范围扩大特征,但云顶亮温下降现象不明显,维持在-50℃--55℃。09-16时影响云系主体移动十分缓慢,只是云系前部出现东移和加强,云顶亮温在-55℃--61℃。直至晚上22时云系相对有所减弱,随后又在次日凌晨再次发展加强,豫西出现大暴雨,造成陇海线中断。像此次河套低压影响云带在河套原地维持约30h之久,这在陕西暴雨过程是非常少见的。

5 水汽输送和低空急流特征

水汽是形成暴雨的必要条件,低空急流是向暴雨区输送大量水汽的通道。在对流层下部可用风矢量场演变分析水汽的辐合输送情况,基于此对发生在2010年7月两次大暴雨的水汽输送进行分析,16日20时在700hPa图上,低空急流最强处出现在台风“康森”环流的南侧、东侧,风速最大值在30m/s以上,17日08时(图4(a)),从海南、广西西部、重庆到陕西,南风气流输送带均出现明显加强或剧增现象,南风急流已从台风登陆地区扩展北伸到陕西南部,并在四川东部、重庆及陕南南部一带形成一个强的风速辐合中心,辐合中心与暴雨区相对应。

22日20时700hPa图上,约20m/s的低空急流从台风“灿都”环流的东侧一直北伸越过秦岭直至陕西北部,风速仍维持在10m/s以上;23日08时(图4(b))在四川东部、陕西西南部一带形成一个强的风速辐合中心。23日20时该辐合中心略有东移,在关中地区形成东西向的辐合带,此时该辐合带北侧的延安以北地区偏东风风速已剧增到12-16m/s。850hPa图上风速演变和分布特征与700hPa图一致。

图4 两次大暴雨过程的700hPa风矢量图

上述分析显示,两次大暴雨的水汽输送均由台风低压环流东侧的700hPa偏南急流来实现的。这与以往研究发现的当影响台风在海南附近时,水汽输送以台风东侧的偏南风特征显著的结论相同,但影响台风在台湾岛附近时,水汽输送则以台风东北侧的偏东风特征显著[9,10]。

另外,两次过程中在对流层中低层图上(图略)均可以发现经华北地区进入陕西的偏东北气流在暴雨出现时段有突然加强(即有冷空气输送)的现象,而这突然增大的偏东北风南压直伸入暴雨区北侧可能是产生大暴雨过程的一个触发因子[10]。

6 能量和垂直运动分析

热力(能量)条件是暴雨形成、发生的一个必要条件。假相当位温θse是大气中温、压、湿的综合特征的反映。在诊断分析时,利用本次过程的高空报文资料(即ttaa报文)进行相关物理量计算。对 θse值分布分析发现,16日20时700hPa(图5(a))四川东部、重庆存在一个85℃的高能中心,陕西陕南处在高能中心北侧测密集能量锋区。暴雨的落区整好位于θse高能中心北端及密集能量锋区一带。23日20时700hPa(图5(b))河套地区为一个Ω型高能中心控制影响,但没有前次如此密集能量锋区存在,暴雨的落区位于Ω型的高能轴偏东一侧区域。

比较两次过程的垂直运动上升区与暴雨落区发现,两次对应比较吻合,17日08时700hPa的垂直运动显示,在四川东部、重庆、陕西大部地区为一个近乎于南北向的上升运动区,暴雨落区正好在此范围内,最大垂直速度层在500-400hPa之间为-7×10-3hPa◦s-1,且垂直速度极为深厚在200hPa也十分明显(图5(c))。此时位于四川强降水云团的云顶亮温达到-120℃,足见本次四川、陕南一带出现大暴雨天气对流上升运动之剧烈,表明高层存在着强的抽吸和辐散。

23日08时至20时,其垂直运动上升中心区有北移加强的特征,上升中心区与暴雨区对应较前更加吻合(图5(d)),最大垂直速度在500hPa为-5×10-3hPa◦s-1,可见垂直运动和对流强度均弱于7月上旬。

从分析500hPa水平面的垂直运动分布可知,在大暴雨和台风所在区域为较大范围的上升运动区,而两个上升区之间则为宽广的下沉区域(恰好是副高所在位置,图5(b)),由此可见台风低压系统的维持、发展和加强对副热带高压有一定的维稳作用进而使强降水形势能够稳定的维持;这点在卫星云图分析中得到验证,即随着台风登陆西移,台风与影响云系之间的带状晴空区趋于明显,且晴空区的对流云团出现了减弱和减少的现象,表明副热带高压在加强。