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“6·18”江汉平原特大暴雨中尺度特征

2012-01-09吴翠红王珊珊

大气科学学报 2012年6期
关键词:江汉平原径向速度中尺度

吴翠红,王珊珊

(武汉中心气象台,湖北武汉430074)

“6·18”江汉平原特大暴雨中尺度特征

吴翠红,王珊珊

(武汉中心气象台,湖北武汉430074)

利用NCEP GFS再分析资料(分辨率0.5°×0.5°)以及地面、新一代天气雷达等观测资料,针对2011年6月18日江汉平原特大暴雨过程进行中尺度特征分析。结果表明,江汉平原附近深厚的中尺度低涡是造成此次强降水的主要天气系统,对流层中层和边界层的干线以及地面中尺度低压是其主要触发机制,强大的西南急流发展为暴雨区提供了充足的水汽。雷达回波特征分析表明,0℃层以下大于45 dBz回波垂直伸展厚度、垂直液态含水量大小与10 min降水量有非常好的一致性。

特大暴雨;滤波;中尺度低涡;雷达回波;干线

0 引言

湖北省是我国暴雨多发省份之一,尤其汛期期间,暴雨强度大、突发性强、尺度小等特点,是目前预报的难点,暴雨灾害及其次生灾害常常给社会造成巨大经济损失和人员伤亡,因此,暴雨成因及其预报技术方法一直是气象科学家们研究的重点,也取得了大量的研究成果。陶诗言(1980)对我国出现的大暴雨天气过程进行了深入系统的分析,阐述了不同尺度(运动)系统对暴雨的影响,对暴雨预报研究具有重要的指导性。暴雨天气是一种中尺度现象,它是各种尺度大气运动相互作用的产物。随着现代气象科技的进步,我国新一代天气雷达布网有利于捕捉暴雨中小尺度天气系统的信息,加密降水量站信息可以及时准确地跟踪降水系统的发生发展,越来越准确的数值预报技术是暴雨预报业务的重要支撑。如20世纪80年代以来,有关我国暴雨雷达回波形态、结构特征的研究取得了若干有意义的成果(杜秉玉,1979;项经魁,1990;徐双柱和邓秋华,1998)。张家国等(2011)以区域性暴雨为研究对象,对回波形态、结构特征进行了系统性总结,概括了湖北省4类区域性暴雨雷达回波模型。Knupp et al.(1998)、Rigo and Llasat(2005)研究了雷达反射率因子变化和降水关系。Wan et al.(2010)研究了雷达反射率因子与雨强的动态关系。马红等(2010)研究了逆风区、组合反射率因子、回波顶高和垂直累积液态水含量等与暴雨对应关系。周文志等(2011)、朱敏华等(2005)、蒋义芳等(2011)运用雷达径向速度资料分析了暴雨发生发展的环境变化特征以及低空急流信息等。俞小鼎等(2006)总结了我国雷达应用的若干技术。此外,由于预报员不能直接从常规观测资料中分析出中小尺度天气系统信息,不少气象学者采用了滤波处理方法,从中分离出暴雨发生的中尺度系统信息,取得了较好研究成果,如寿绍文等(2003)、陈忠明(1992)、李劲(1995)、毛文书等(2008)、张秀年和段旭(2006)、狄利华等(2008)通过该方法成功揭示了产生暴雨的中尺度天气系统。本文将采用Barnes空间滤波方法,通过选择适当的滤波参数C、G,分离出影响此次天气过程的中尺度天气信息,揭示2011年6月18日江汉平原大暴雨过程的中尺度天气系统演变及其触发机制条件,同时,应用高频次雷达资料,分析研究雷达回波特征与强降水之间的关系。

1 天气实况

6月17—18日湖北省中南部地区出现了大范围大暴雨,图1为2011年6月17日08时—19日08时(北京时间,下同)累积降水分布,共63个县市降水达50 mm以上,其中29县市降水超过100 mm,大暴雨中心在江汉平原,期间累积降水量仙桃为206 mm、潜江为202 mm。从逐小时降水量(图略)分析发现,自17日下午开始,降水雨团不断在鄂西南生成发展,1 h降水量达30~40 mm,雨团源源不断向东移动影响宜昌、荆州等地。18日01时以后,降水雨团在江汉平原南部进一步加强,并且东移减缓,最大1 h降水强度达95.7 mm,强降水中心在江汉平原一带一直维持到11时,此后,降水雨团迅速东移影响鄂东地区,所以造成湖北省一条准东西向的暴雨到大暴雨带。

图1 2011年6月17日08时—19日08时湖北省累积降水量分布(单位:mm)Fig.1 The cumulative rainfall in Hubei Province from 08:00 BST 17 to 08:00 BST 19 June 2011(units:mm)

2 大尺度环流背景

17日20时(图2a),500 hPa有南北两支低槽,南支槽位于重庆上空,缓慢东移,槽前西南气流逐渐发展加强,北支槽位于山东—河南上空,其东移缓慢南压带动华北冷空气沿东路南下,与西南暖湿空气在长江沿线交汇,槽前西南风速最大达16 m·s-1,700 hPa低涡中心位于川东及重庆一带,其切变线延伸至江汉平原,湖北位于700 hPa急流左前侧,850 hPa存在两条切变线,一条位于湖南北部,另一条位于鄂东北至安徽中部,整层大气处于高温高湿状态。18日凌晨,西南急流开始加强,至18日08时(图2b),850 hPa湖南怀化出现了20 m·s-1西南急流核。随高空低槽东移,引导边界层低涡向东北移动,低涡南部的西南风得到继续发展,表现为925 hPa形成一支16 m·s-1的西南急流轴,与此同时,湖北东北至安徽中部也发展了一支东北风急流,两支急流在江汉平原形成冷暖空气的剧烈交汇。因此,500 hPa低槽东移导致西南气流发展加强,促使大气不稳定性增强,也为强降水维持建立了水汽输送通道,中低层切变线和边界层两支气流剧烈交汇为江汉平原强降水的发展提供了有利的动力抬升作用。

3 中尺度系统特征

3.1 雷达回波演变特征

通过对每隔6 min一次的长江中游雷达拼图产品分析发现,17日20时,与500 hPa南支低槽相对应,在雷达拼图上有一条接近于南北走向的回波雨带(图3a),回波带南侧不断有中γ尺度对流单体生成发展北移,这预示着槽前南风开始发展,有暖湿气流源源不断补充。18日凌晨01时,随着西南气流进一步增强,冷空气与暖湿气流在江汉平原相遇,导致江汉平原南部低涡发展加强,表现在雷达回波图上是一个结构非常完整的中β尺度涡旋回波(图3b)。同时,又受北支横槽尾部东移摆动,700 hPa上形成一条横切变线,雷达回波沿着此切变线发展东移形成准东西向的带状回波。至18日08时,涡旋回波与带状回波在江汉平原相结合,形成比较典型的涡带回波结构形态(图3c)。在涡带结合位置,雷达回波稳定少动、强度增强,形成了较长时间的强降水,这也是我省区域性暴雨的一种典型雷达回波结构模型(张家国等,2011)。如图3b、c所示,东部带状回波用蓝色双实线表示,江汉平原南部为涡旋状回波,两者结合处造成了潜江、仙桃等地连续4 h降水量大于40 mm的强降水,其中,18日09时仙桃市毛嘴镇最大降水强度达95 mm·h-1。

18日12时以后,由于江汉平原南部低涡发展东移,整个湖北东部降水回波逐渐演变成涡旋结构(图3d),暴雨主要发生在涡旋回波的头部,即东侧及南侧,随着暴雨回波向偏东北方向移动,经过的地方均造成了强降水,14时以后,500 hPa南支低槽东移,低涡快速东移出省,降水也逐渐减弱停止。

图2 2011年6月17日20时(a)和18日08时(b)高空图Fig.2 The upper-air chart at(a)20:00 BST 17 June 2011 and(b)08:00 BST 18 June 2011

图3 2011年6月17日20时(a)、18日01时(b)、18日08时(c)和18日12时(d)雷达组合反射率因子拼图(单位:dBz;D表示涡旋中心;蓝色双实线表示带状回波中心位置)Fig.3 The composite reflectivity at(a)20:00 BST 17,(b)01:00 BST 18,(c)08:00 BST 18 and(d)12:00 BST 18 June 2011(units:dBz;D denotes the vortex center,and the blue double line denotes the center of band echo)

3.2 中尺度流场特征

采用Barnes空间滤波方法,对NCEP GFS 0.5°×0.5°再分析场、地面实况风场及地面实况气压场资料进行尺度分离处理,通过选取合适的滤波参数,尝试揭示产生此次大暴雨的中小尺度天气系统信息,并解释雷达回波的演变特征,具体滤波方案如下。

1)网格点的初估值

其中:F0(i,j)为网格点初估值;F(xk,yk)为网格点周围第k个网格点值(或站点值);Wk为第k点的权重函数;rk为第k个网格点到网格点的距离;m为总网格点数;C为权重常数。对于地面站点资料,再将F0(i,j)插值到站点上,得到F0(xk,yk)。

2)对网格点初估值订正

其中:F(i,j)即为格点分析值;F0(i,j)是由(1)式求得格点的初估值;D(xk,yk)为格点周围第k个网格点值(站点值)F(xk,yk)与初估值F0(xk,yk)之差,F0(xk,yk)可以通过(1)式求得;W'k为修正权重函数;G为小于1的常数。

3)带通滤波结果

F(i,j)即得到的低通滤波场,由于低通滤波器对不同的滤波常数C和G有不同的滤波性能,本文NCEP GFS资料滤波方案中选择两组滤波常数C1=6 000,C2=50 000,使两个低通滤波器F1(i,j)、F2(i,j)分别保留中尺度以上和大尺度以上的波动信息,其中G=0.3,最大响应波长λmax=500 km,然后用F1(i,j)减去F2(i,j),即得带通滤波场。文中地面资料的滤波方案系数取值为C1=1 000,C2=6 000,G=0.3,最大响应波长λmax=200 km。

图4a、b为17日20时NCEP GFS资料经过带通滤波得到的中尺度流场以及与雷达组合反射率因子拼图产品的叠加显示,可以看出,850和925 hPa宜昌西部有一个中尺度辐合中心,与恩施强降水源地有较好的对应关系。到18日02时,925 hPa中尺度辐合中心向北偏东方向移动至荆州南部,对应雷达回波图上是中β尺度的涡旋结构形态,同时,700 hPa流场上也有明显变化,即江汉平原南部至鄂西南一带出现东西走向的辐合线(图4c、d),正是由于这条辐合带存在,使得在恩施产生的降水雨团沿着辐合线东移,不断汇聚到江汉平原南部中β涡旋回波当中,形成雨团列车效应,造成了恩施—荆州南部持续的强降水。

从NCEP GFS格点风场资料分析可知,18日08时500 hPa上江汉平原以东是一致的槽前西南风,但是,经过滤波处理后的中尺度流场上,可清晰地看出位于江汉平原潜江附近存在一个气旋辐合中心,江汉平原以东则是一条中尺度辐合带,恰好与雷达涡旋回波中心和带状回波的位置相对应(图4e),说明500 hPa槽前中β尺度的气旋系统分裂东移,为降水发展加强提供了上升动力作用。700 hPa上(图4f),对应500 hPa低涡位置略偏西的地方也存在一个低涡中心,其后部南风和北风之间的辐合切变,导致了西南方向对流性带状回波的发生发展。由此可见,通过滤波尺度分离之后,可以很好地揭示了造成此次强降水发生发展的中尺度天气系统,直接影响着此次强降水的发生、发展和移动。

3.3 地面中尺度气压场特征

地面气压场经过带通滤波之后,清晰可见地面中尺度低压带的分布与活动,图5是6月18日02时雷达回波与地面扰动气压场叠加,在江汉平原南部有一明显的低值中心,低值中心的发展导致了地面辐合上升运动,与上空500 hPa低涡相呼应,形成此处大气强烈的上升运动,从而使降水回波得到发展加强并持续。在地面气压低值中心附近雷达回波发展也最强、最密实,达55 dBz,因此,地面中尺度低压发展为江汉平原强降水提供了有利的触发条件。

3.4 干线特征

通过分析各层露点温度分布特征发现,此次过程先后受到了两次干线影响,首先是17日20时到18日02时,受对流层中层500 hPa干侵入影响,期间四川上空南支低槽稳定少动,露点锋区处在重庆与湖北的交界处,槽后干空气中心露点温度值为-27℃,受槽后西北气流引导,此干空气不断穿过露点锋区侵入到槽前暖湿气团当中,产生扰动,是导致鄂西南源源不断触发形成中尺度雨团(图6a)的主要原因。其次是18日02—14时,江汉平原北部偏东风急流的发展加强,和南部西南气流的同时发展,使江汉平原附近的露点锋生(又称干锋生)得到迅速发展,经计算发现,18日08时江汉平原南部露点锋生函数大值中心达30 K·hPa-1·s-3(图略),导致了大气不稳定性也迅速增强,是江汉平原强降水发展与维持的又一主要原因。由图6b可以看出,强回波主体主要是沿着露点锋区附近靠近湿区一侧发展加强。

图4 2011年6月17日20时850 hPa(a)、925 hPa(b)中尺度流场、18日02时700 hPa(c)、925 hPa(d)和18日08时500 hPa(e)、700 hPa(f)中尺度流场与雷达组合反射率因子叠加图(雷达组合反射率因子单位:dBz;红色圆圈表示辐合中心;红色双实线表示辐合带)Fig.4 The mesoscale flow fields at(a)850 hPa and(b)925 hPa at 20:00 BST 17 June 2011;the mesoscale flow fields and composite reflectivities at(c)700 hPa and(d)925 hPa at 02:00 BST 18 June 2011;the mesoscale flow fields and composite reflectivities at(e)500 hPa and(f)700 hPa at 08:00 BST 18 June 2011(The unit of composite reflectivity is dBz;The red circle denotes the convergence center,and the red solid double line denotes the convergence zone)

3.5 雷达径向速度场特征

3.5.1 径向速度场辐合特征

通过对荆州雷达资料分析发现,1.5°仰角径向风场具有暖平流和辐合相结合的特征。强降水开始前,荆州雷达50 km距离范围内为一致的偏东风,到17日23时,雷达径向风场结构发生了变化,变成“S”形暖平流结构,并形成风场辐合(图略),这种径向风场结构表明有利于底层水汽的输送和辐合抬升。至18日01时51分,在1.5 km以下,零速度线弯向正速度区的顺转程度明显大于弯向负速度的顺转程度(图7a),即低层入流面积远大于出流面积,表明低层辐合在增强,这种风场特征持续到18日08时才逐渐被破坏,此时,降水东移到了荆州以东地区。

3.5.2 低空急流特征

从17日22时开始,雷达径向速度图上可以观测到西南低空急流经过荆州上空,速度最大中心达26 m·s-1,高度在2.7 km,同时在近地面观测到一支东风急流,高度在0.5 km,最大速度为15 m·s-1。一方面,近地层的东风急流有利于西南急流沿着其爬升,加强上升运动,另一方面,干冷气团与暖湿气团的交汇,产生了中尺度系统扰动触发作用。西南低空急流在荆州上空维持了近7 h,急流附近造成了约5 h的较强降水,到18日05时急流位置发生了改变,急流轴线移到测站东南方向50 km的位置,降水中心也随着向东偏移。

图6 2011年6月18日02时500 hPa(a)和08时925 hPa(b)风场(m/s)、露点场(℃;等值线)与雷达组合反射率因子(dBz)叠加图Fig.6 The GFS wind field(m/s),dew point(isoline;℃)and composite reflectivity(dBz)at(a)500 hPa at 02:00 BST and(b)925 hPa at 08:00 BST 18 June 2011

图7 2011年6月18日01时51分荆州雷达1.5°径向速度图(a;m/s)和雷达组合反射率因子图(b;dBz)Fig.7 (a)1.5°base radial velocity(m/s)and(b)composite reflectivity(dBz)of Jingzhou radar at 01:51 BST 18 June 2011

3.5.3 逆风区特征

进一步分析荆州雷达18日00—05时的径向速度图可以发现,在强降水回波移动路径的前侧均有径向速度大值区,而在后侧均有逆风区,强的回波带就在径向速度大值区和逆风区之间,径向速度相对大值区内有水汽辐合、质量辐合或较强的上升运动,逆风区内有下沉运动,这两个反向速度中心构成了一侧为辐合、另一侧为辐散的中γ尺度垂直环流圈,有利于对流单体的维持与发展(肖艳娇等,2005)。由图7可以看出,在公安地区有一对径向速度大值区和逆风区的对称环流,而强回波带就位于这两个速度中心之间(图7中蓝色实线),这种情况在公安和石首地区维持了5 h之久,正是这种垂直环流的长时间维持造成了江汉平原南部的强降水。

3.6 雷达回波垂直剖面特征

Dosewell et al.(1996)指出短时暴雨是由相对较高的降水率和相对较长的时间造成的。本次大暴雨雷达强回波中心在50~60 dBz之间,持续时间也比较长,从回波垂直剖面分析,大于45 dBz的回波伸展高度普遍在5 km以下,最高达7 km高度,但此高度持续时间很短暂。蒋义芳等(2011)也在一次特大暴雨过程分析中发现,暴雨回波的典型特征是强回波核总是位于云体的中下部。以公安县南平镇为例,对6月17日23时—18日03时期间每10 min降水量和雷达组合反射率因子、VIL(vertically integrated liquid,垂直累积液态含水量)、45 dBz强度回波的高度与厚度进行了对比分析(图8)。10 min降水量资料显示降水有两个峰值阶段,第一个峰值出现在17日23时30分—23时50分,第二个峰值为18日00时50分—02时00分,从图8a可以看出第二阶段的降水持续时间长、强度大,对应着雷达反射率因子大小也有两个峰值阶段,但是,尽管两个阶段的雷达强度都在50 dBz以上,其10 min降水量却相差两倍之多,这说明了仅依据雷达回波强度大小来判断降水量大小会存在较大偏差。

为进一步揭示雷达多种产品特征与10 min降水量的关系,分析了大于45 dBz的回波顶高和底高(图8b),发现6月17日23时—18日03时期间,大于45 dBz回波高度基本上都在0℃层以下,说明该阶段大于45 dBz的降水云团内部基本上是由液态粒子。从垂直剖面可见,大于45 dBz强度的回波垂直厚度与10 min降水量有较好的对应关系,第一次降水峰值期间对应回波厚度在3 km以下,而第二次峰值对应回波厚度在3 km以上,最大7 km厚度时刻对应的10 min降水量也最大,为21.1 mm,这说明越厚的强回波是大气水汽越充足的表征,也对应着更高效率的降水。

8c显示的是VIL值与10 min降水量对应关系,VIL变化与10 min降水量大小有非常好的一致性,VIL值越大10 min降水量也越大。由此可见,仅凭回波强度判断降水强度会带来较大偏差,应将雷达回波强度、强回波厚度、VIL值综合起来判别降水强度才更加合理与准确。

4 结论

1)干线作用是此次大暴雨过程持续时间长、影响范围广的重要中尺度天气系统,500 hPa的干侵入扰动是鄂西南源源产生雨团的主要影响系统,925 hPa的干锋生使得大气不稳定加强,触发锋区附近对流回波产生发展,是江汉平原强降水维持与加强的主要影响系统之一。

图8 2011年6月17—18日南平镇10 min降水量与雷达组合反射率因子(a)、45 dBz回波高度(b;黑色箭头表示大于45 dBz的回波顶高和底高)、VIL(c)的关系Fig.8 Relationship of the 10 min rainfall with(a)composite reflectivity,(b)45 dBz echo height and(c)VIL from 17 to 18 June 2011 in Nanping(The black arrows indicate the top and bottom echo above 45 dBz in Fig.8 b)

2)经过带通滤波后的中尺度扰动场,可以较好地揭示大暴雨发生发展的动力机制特征。500~925 hPa的中尺度气旋和辐合带是直接造成这次大暴雨的中尺度天气系统,地面中尺度低压和两支急流的汇合则是主要触发扰动机制,低空急流发展加强为暴雨区建立了水汽输送通道。

3)本次暴雨过程的雷达回波为涡旋回波与带状回波相结合的涡带型结构,强降水主要发生在涡带结合部位。

4)雷达径向速度图上“零”线的变化可以预示底层气流辐合抬升和底层水汽的输送特征,径向速度相对大值区与其附近的逆风区的维持特征,对判断强降水持续与发展有较好指示作用。

5)综合考虑强的反射率因子、高VIL值,以及强回波高度与厚度,有助于准确判断降水强度,大于45 dBz回波在0℃层以下且厚度越厚,对应降水效率越高。

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Mesoscale characteristics of the torrential rain over the Jianghan Plain in Hubei Province on 18 June

WU Cui-hong,WANG Shan-shan

(Wuhan Central Meteorological Observatory,Wuhan 430074,China)

The NCEP GFS reanalysis data(resolution of 0.5°×0.5°)and surface observation and Doppler radar data were used to analyze the mesoscale systems of the torrential rain which occurred over the Jianghan Plain in Hubei on 18 June.Results show that the torrential rain was mainly caused by the deep low vortex over the Jianghan Plain,the dry line in the middle troposphere-boundary layer and mesoscale low pressure on surface were the main trigger mechanism,and the southwest jet offered sufficient vapor for the rain.After studying the radar echoes feature,it is found that the rain intensity was in good consistency with the vertical thickness of radar reflectivity factor above 45 dBz under 0℃level and with the vertical integrated liquid value.

torrential rain;wave filtering;mesoscale vortex;radar echo;dry line

P458

A

1674-7097(2012)06-0746-08

2011-10-13;改回日期:2012-09-20

公益性行业(气象)科研专项(GYHY(QX)200906003)

吴翠红(1969—),女,江苏兴化人,高级工程师,研究方向为短时临近预警和中尺度天气分析,wuch_wh@yeah.net.

吴翠红,王珊珊.2012.“6·18”江汉平原特大暴雨中尺度特征[J].大气科学学报,35(6):746-753.

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(责任编辑:张福颖)

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江汉平原辞