2011年浙江梅汛期强降水成因分析*
2012-12-04曾欣欣黄新晴滕代高
曾欣欣 黄新晴 滕代高
(浙江省气象台,浙江杭州310017)
2011年浙江梅汛期强降水成因分析*
曾欣欣 黄新晴 滕代高
(浙江省气象台,浙江杭州310017)
利用浙江省69个气象站和1600个中小尺度自动站的降水资料、MICAPS3.0版现有的温度、Qse、锋生函数和NCEP1°×1°再分析资料,对2011年浙江梅汛期降水进行分析。得出,2011年6月上旬新西伯利亚群岛和乌拉尔山地区两个阻塞高压的建立,阿留申群岛低涡、我国东北低压和副热带高压的偏强,印度和南海季风爆发时间早,阿拉伯海、孟加拉湾、南海的西风和西北太平洋东风强度强,副高脊线稳定维持在23°N,是2011年浙江入梅时间早的主要原因;“米雷”强热带风暴北上转向,副热带高压西伸北跳到北纬30°N,浙江梅雨结束。700 hPa和850 hPa长达20 d左右持续维持西南急流,为连续大雨到暴雨提供了热量和充沛的水汽;暖湿空气上方有弱冷空气活动,有助于雨量的加大;θse密集区的形状可以判断降水的强弱;强降水期间对流层下层均有明显的锋生出现。
梅汛期;暴雨到大暴雨;大气环流;季风;θse;锋生
0 引言
2011年6月3日—6月25日浙江出现连续性的暴雨到大暴雨天气。6月3日08时—6月26日08时全省平均雨量344.9 mm(包括中小尺度站,下同),其中衢州、杭州、绍兴、湖州、宁波地区平均雨量分别为588.1 mm,532.2 mm,459.7 mm,402.6 mm,397.5 mm,其中单站前 5位降水量最大值杭州临安的大明山920.8 mm、衢州开化的苏庄914.6 mm、杭州淳安的金尖村891.2 mm、杭州建德的上姜 819.3 mm、杭州临安的清凉峰803 mm。500 mm以上有356站,300 mm以上有931站,200 mm以上有1130站(图1a),暴雨范围大,强度强为历史所罕见。
图1 6月3日08时—25日08时累计降水量(a)与湖州站降水时间系列(b)
1 2011年浙江梅汛期降水特征
1.1 2011年梅汛期开始早,结束也早
历年来,浙江梅雨主要在浙北地区和浙中的西部地区,常年平均入梅日为6月14日,平均出梅日为7月8日。根据浙江梅雨的标准,连续出现5 d以上的阴雨天气(日雨量≥1.0 mm,允许其中有2 d日雨量≤1.0 mm或有1 d无雨),以后出现多阴雨天气,无连续5 d或5 d以上的无雨天气出现,以日雨量≥1.0 mm为梅雨开始,以嘉兴(湖州)、杭州、嵊州、鄞县、金华(衢州)5个代表站的多数入(出)梅日期为浙江入(出)梅日期,如果5个代表站的入(出)梅日期不一致时,主要参考嘉兴(湖州)、杭州两站的入(出)梅日期。同时参考副高脊线北跳到20°N左右,并稳定在10 d以上。2011年浙江入梅日为6月4日,出梅日为6月26日,入梅日比常年提前10 d,出梅日比常年提前12 d(图1b)。
1.2 降水强度强,范围大,为历史罕见
据统计,全省 500 mm以上有 356站,250 mm以上有1027个站,其中单站前5位降水量最大值杭州临安的大明山920.8 mm、衢州开化的苏庄 914.6 mm、杭州淳安的金尖村891.2 mm、杭州建德的上姜 819.3 mm、杭州临安的清凉峰803 mm。500 mm以上有356站,250 mm以上有1027个站。湖州安吉章村1 h最大78 mm,衢州开化桐村12 h最大230 mm。全省有6.8万km2出现250 mm以上降水,其中超过500 mm的达2.3万km2。
1.3 暴雨到大暴雨过程多,雨量集中,过程间隔时间短
2011年6月3日夜里—6月25日梅汛期间,暴雨到大暴雨天气过程多,共出现5段降水过程,前4次均为大范围的暴雨到大暴雨,分别出现在6月3日夜里—6日、9—12日、13日夜里—15日和18—19日,最后1次强度弱,范围小,为局部大雨到暴雨过程,出现在24—25日。
第1段暴雨过程,6月3日20时—6日20时累计雨量,全省平均为74 mm,主要雨量集中在浙北地区和浙中西部地区。各地区平均雨量100 mm以上的有杭州地区127.2 mm,衢州地区120.7 mm、绍兴地区100.3 mm,全省100 mm以上有484站,150 mm以上有70站,200 mm以上有7站,其中最大的为杭州淳安的金尖村261.2 mm。
第2段暴雨过程,6月9日20时—12日20时累计雨量,全省平均雨量46.1 mm,主要雨量集中在浙北地区。各地区平均雨量最大的杭州地区73.4 mm、嘉兴地区71.2 mm、舟山地区69 mm、湖州地区 65.5 mm、宁波地区62.2 mm,全省150 mm以上有3站,100 mm 以上有86站,其中最大的为杭州临安大明山出现189 mm。
第3段暴雨过程,6月13日20时—16日08时累计雨量,全省平均累计雨量为89.9 mm,为2011年梅汛期雨量最大的一次过程,主要雨量集中在浙北地区的南部和浙中西部地区。各地区平均雨量最大的为衢州地区194.1 mm,杭州地区168.5 mm、绍兴地区136.9 mm、金华地区 125.7 mm、宁波地区 101.4 mm,全省300 mm以上有19站,200 mm以上有155站,100 mm以上有653站,其中最大的为衢州苏庄384.1 mm。
第4段暴雨过程,6月17日20时—19日20时累计雨量,全省平均累计雨量为59.4 mm,主要雨量集中在浙北地区和浙中西部地区。各地区平均雨量100 mm以上的有衢州地区129.3 mm,50 mm以上的地区有杭州94.1 mm、嘉兴91 mm、金华85.1 mm、舟山83.5 mm、绍兴78.2 mm、湖州76.9 mm、宁波66.4 mm,全省 200 mm 以上有19站,100 mm以上有257站,其中最大的为衢州生态园234.4 mm。
第5段暴雨过程,6月24日08时—25日20时累计雨量,全省平均累计雨量为12.6 mm,主要雨量出现在浙北地区,100 mm以上只有7站,最大杭州姚家山出现145.6 mm,属局部暴雨过程(图略)。
从以上5次暴雨到大暴雨天气过程看,雨带稳定,强降水集中在浙中北地区的衢州、杭州、绍兴、金华、宁波、湖州和嘉兴等地区;最强的降水为第3时段,其次是第1时段,第4时段为第3强,第2时段为第4强,第5段为最弱;每次强降水时段之间间隔时间短,第2、第3和第4时段的强降水尽隔1 d时间左右。
1.4 灾情严重
6月3日起出现连续性暴雨,6月3日08时—6月26日08时全省平均雨量344.9 mm,比常年梅汛期雨量284 mm偏多21.4%。引发了钱塘江流域性大洪水,钱塘江干流中上游兰溪站洪峰水位33.72 m,超保证水位2.72 m,为1955年以来最高水位。新安江水库是华东地区最大的水库,2011年 6月20日水库水位达107.18 m,超过汛限水位 0.68 m,是1999 年以来最高的水位。浙江省政府决定于6月21日开3孔泄洪。全省直接经济损失108亿元,因灾死亡3人。
2 欧亚大环流形势出现明显异常
陶诗言[1-2]等对夏季暴雨的形成机理和欧亚洲上空大气环流的季节变化及梅雨锋的形成进行了许多的研究;徐群[3]分析了近80 a长江中下游梅雨的特征,把梅雨分为早梅雨和典型梅雨,取得较好结果。本文利用NCEP1°×1°再分析资料,分析了全球2011年6月1—30日,上、中、下3旬的平均高度、距平发现,2011年6月上旬大气环流与常年平均环流比较有明显的异常,新西伯利亚群岛和乌拉尔山地区两个阻塞高压的建立,阿留申群岛低涡、我国东北低压和副热带高压的偏强是2011年梅汛期偏早的主要原因;“米雷”强热带风暴北上转向,副热带高压西伸北跳到北纬30°N,是出梅日偏早的重要因素。
2.1 欧亚高纬度地区双阻塞高压
图2 500hPa高度场和500hPa距平
图2a,2b,2c分别为500 hPa 1971—2000 年6月上旬平均高度、2011年6月上旬平均高度和2011年6月上旬距平场图。从图3a可以看出,常年欧亚高纬度(50°N以北)6月上旬为平直的纬向性环流,有小振幅波动传播。而2011年6月上旬平均高度,在新西伯利亚群岛和欧洲西北部至乌拉尔山地区分别出现强而稳定的阻塞高压,高压中心位势高度分别高达556 dagpm和576 dagpm,并伴有18 dagpm和20 dagpm的位势高度正距平。两个阻塞高压之间的阿留申群岛切断低涡明显强于常年,中心值分达540 dagpm,距平达-6 dagp位势,同时东亚大槽偏弱,阿留申群岛切断低涡西侧至贝加尔湖地区为宽阔的低槽区,东北低槽明显偏强,最大负距平值达-4 dagp位势,乌拉尔山阻塞高压东部至中国大陆30°N以北的中东部地区长时间维持西北气流,西伯利亚冷空气沿着西北气流,经贝加尔湖不断东移南下到长江以南地区,由于副热带高压的加强稳定,脊线位于23°N,脊线西北侧的西南气流与北方不断南下的冷空气在30°N附近相遇,形成冷暖交界的辐合带,这种环流形势配置是浙江省比较典型的梅汛期环流形势,典型的梅汛期环流形势的提前出现是2011年浙江梅汛期偏早的原因。
2.2 副热带高压脊偏强
从图2可以看出,2011年6月上旬,西北太平洋副热带高压脊偏西偏北偏强。588 dagpm线登陆东南沿海,588 dagpm西线脊点到达112°E,比常年平均偏西15个经距,588 dagpm线北脊点到达28°N,比常年平均偏北3个纬距;副高脊线位于23°N,比常年平均偏北4个纬距;西北太平洋30°N以南海域至印度洋北部高度均为正距平,最大的2 dagpm正距平闭合线在我国东南沿海、东海及以东洋面;青藏高原东部至孟加拉湾持续维持低槽,低槽在东移过程中遇到西北太平洋副热带高压加强的阻挡,与副热带高压西北侧西南气流的共同作用,产生强的西南气流或低空急流,为浙江连续大雨到暴雨提供了热量和充沛的水汽。6月22日14时“米雷”热带风暴在菲律宾以东洋面生成,生成后向西北偏北方向移动,于6月25日经过浙江沿海北上,副热带高压减弱东退,脊线北跳到30°E,梅雨结束。
3 季风环流与梅汛期暴雨
梅汛与季风的关系,中国气象学者在季风环流的研究上取得了重大突破[4-5]。涂长望等[6]指出中国季风的进退有明显的跳跃现象,梅雨锋是东亚夏季风向北推进过程中,东亚大气环流由春到夏过渡季节的产物。陈隆勋等[7]将东亚地区自春到夏的雨季分为副热带季风雨季和热带季风雨季。前者在4月初开始于华南北部和江南地区,主要由冷空气和副热带高压西侧转向的西南风以及南亚地区冬春副热带南支西风槽的西风汇合形成。南海热带季风爆发使副热带高压向北推进,副热带季风雨带也随之由华南向北推进,从而形成梅雨期和淮北、华北雨季。我们利用NCEP1°×1°再分析资料,分析了2011年6月1—30日,上、中、下3旬的季风环流发现,2011年浙江梅雨与季风有密切的关系。
图3为2011年6月1—30日,上、中、下3旬的850hPa平均流场和平均全风速。从图3明显看出,2011年6月上、中旬阿拉伯海、孟加拉湾、南海和西北太平洋有3支气流。第1支气流是120°E以东跃赤道气流北涌与西北太平洋副热带高压南侧的气流形成了西太平洋副热带高压南侧偏东气流,并有急流存在,急流区域大范围的东风急流平均全风速达10~12 m/s,平均全风速正距平达3~5m/s,显然西太平洋副热带高压南侧季风明显。第2支气流为阿拉伯海和孟加拉湾的强劲的西风气流,称印度季风。6月上旬阿拉伯海和孟加拉湾平均全风速达10~14 m/s,平均全风速正距平达3~6 m/s。也就是说,印度季风在6月初就已经爆发,到6月中旬印度季风到达最强盛。阿拉伯海和孟加拉湾平均全风速高达14~19 m/s,平均全风速正距平达5~7 m/s,南海南部也出现正距平达,有此可见印度季风和南海季风全面爆发。另有国家气候中心提供的印度季风和南海季风指数(图略)显示,2011年印度季风在6月第1候爆发,与2011年浙江入梅日提前1候出现,南海季风在6月第2候爆发,与2011年浙江入梅日同步出现。第3支气流为印度季风的西风在南海遇到西北太平洋副高南侧来的东风气流,这2支气流在南海合并转向为南风,沿着副高西侧和西南侧,由南风逐渐转为西南风,到达江南和长江流域,产生很强的西南气流或低空急流,强劲的西南气流控制浙江、江西、湖南上空,西南风明显比常年风速大,平均全风速正距平达3~4 m/s,为浙江北部和浙中西部6月上中旬4次暴雨到大暴雨提供了动量、热量和水汽条件。6月下旬,“米雷”热带风暴在浙江沿海北上,破坏了季风的环流结构,副热带高压东退,脊线北跳,印度季风和南海季风的西风气流与副热带高压南侧偏东气流的辐合位置在东海,长江中下游上空850 hPa西南风减小,出现负距平降水强度逐渐减弱,梅雨结束,浙江于6月26日出梅。因此2011年浙江梅雨期暴雨到大暴雨与印度季风、南海季风和西太平洋副热带高压南侧季风相互作用有密切关系;印度和南海季风爆发时间早,阿拉伯海、孟加拉湾、南海和西北太平洋3支气流强度强,是2011年浙江入梅时间早,梅雨期降水强度强的重要原因;“米雷”热带风暴在浙江沿海北上,大气环流出现调整是2011年浙江出梅时间早的主要因素。
图3 2011年6月850 hPa平均流场、平均全风速和平均全风速距平
4 梅汛期暴雨与锋生
初夏期间由北方冷空气南下变性与热带季风北上的暖湿气流在我国长江中下游汇合,产生初夏季节的梅汛期暴雨,称梅雨锋暴雨。70年代以来,不少科学家对梅雨锋的结构作了许多研究,如:胡伯威[8-9]在分析 1996 年暖切变型梅雨锋结构及其形成和维持机制发现,在尺度相对大的高空副热带弱波扰掠过长江中、下游时,低层正涡度的发展都选择地出现在低层“Qse锋区”的南侧狭窄范围内。黄伟[10]和韦统健等[11]在分析 1991 年梅雨期暴雨中提出,冷空气是梅雨锋发展中的一个活跃因子,它造成了冷暖空气在长江流域的对峙,低层冷空气对梅雨锋暴雨有很大影响。为了在梅汛期预报服务中,预报员能方便掌握梅雨锋的锋生状况,提高梅汛期暴雨的预报能力。本节利用MICAPS3.0版现有的温度、风场、Qse和锋生函数[12]分析与2011年梅汛期暴雨关系。
4.1 高低空急流和冷暖空气
图4为杭州站2011年6月1—30日气温和风向风速的垂直剖面图。从图4风向风速分布看,2011年梅汛期降水期间400 hPa以上盛行西—西北风急流,500 hPa西南风与西北风交替,但在4次强降水时段内均出现西南急流,出现西北风时间短,700 hPa和 850 hPa盛行14 m/s的西南风急流。由此可见,高层辐散下沉气流明显,中低层辐合上升气流强,上下2支气流在中层的强辐合是2011年梅汛期强降水的动力条件;特别是低层700 hPa和850 hPa长达20 d左右持续维持西南急流,500 hPa出现西北风时间短是连续强降水和强降水时段之间间隔时间短的主要原因。
图4 杭州站2011年6月1—30日(从右到左)气温和风向风速的垂直剖面图
从温度分布图看,2011年梅汛期降水期间高低空气温起伏明显,起伏最大的在低层700 hPa以下,20°C 温度线从 850 hPa降到1000 hPa,再由1000 hPa升到850 hPa或以上,这样来回起伏共有5次过程,说明6月份浙中西部地区和浙北地区有5次冷暖交替过程。中高层700 hPa以上气温起伏比低层弱一些,但还可以看出有“V”型的起伏,但每次降温时间较短,说明有弱冷空气活动,降温时间比低层提前1~2 d,当温度降到最低并伴一致的西北风时,对应低层回温最强,850 hPa气温回升到20°C或以上,并出现暖切变,850 hPa以上至500 hPa存在反气旋,这种情况在梅汛期共出现4次,分别出现在6日3日08时、8日20时、13日08时、17日20时,对应地面正是前4次强降水的开始,而后低层气温逐渐下降,出现西南急流,雨势开始加大;6日20时、12日08时、15日20时和19日08时中高层气温回升到峰点,低层气温下降到低点,对应地面正是4次强降水减弱。最后一次降水过程6月24—25日,降水过程前23日和降水开始时24日从低层到高层均为升温,显示上下均为暖脊,25日冷温槽从高空迅速伸向低层,并出现西北风,降水结束,此次降水过程强度弱,范围小,为局部大雨到暴雨过程。由此可见暖湿空气上方有弱冷空气活动有助于雨量的加大。
4.2 θse与强降水的关系
在梅雨期间,北支冷气团变性较快,在气温上体现不出有明显的锋区,一般用θse判断湿能锋区与梅雨期间暴雨的关系。我们用θse分析发现,2011年梅汛期间,北方冷气团向南推进时遇上南方的暖气团向北移动的过程中,在两气团之间850 hPa的长江以南地区有明显的θse密集带,在密集带上存在较多的暖舌和低能槽,由西向东不断的传播,当暖舌与低能槽之间θse密集带经过浙江时就有一次强降水(图略),强降水主要出现在θse密集带靠近暖舌一侧。图5为沿119°E,28°N ~ 35°N 之间 θse垂直剖面图,从图5 θse的小值区和大值区反映,淮河流域有干冷空气向南推进,浙江省暖空气强,浙江省中北部(28°N ~31°N)500 hPa 以下出现 θse密集区,θse密集区的形状有2种:一种是暖空气发展旺盛,能到达700 hPa或700 hPa~500 hPa之间,垂直剖面密集的 θse梯度为南北向(见图5a,5c,5d),这种形状对应的是第1、第3、第4时段的强降水,这说明冷暖空气坡度陡,接近垂直,对流强,有利于强降水;另一种是暖空气浅薄,主要在850 hPa或以下,冷空气向暖空气上爬坡,θse密集区出现在700 hPa以下,对流层下层θse向上递减(见图5b),对应的是第2时段的降水,降水强度弱一些,第5时段弱降水的θse垂直剖面图与第2时段的降水θse垂直剖面图相同(图略),也出现弱降水,这是由于冷空气向暖空气上爬坡,坡度宽而小,大气对流强度不强,降水强度弱。
图5 4 段强降水期间,沿119°E,28°N ~35°N 之间 θse垂直剖面图
在日常短期天气预报服务中,用θse(850~500)值的强弱来判断对流强弱的重要指标之一,θse(850~500)>0℃为对流不稳定,有利于强对流和强降水的发生,而<0℃为对流稳定,不利于强对流和强降水的发生。从2011年6月梅汛期衢州站 θse(850~500)资料看(见图 6),第 1、第 2、第4 段暴雨过程中,θse(850~500)出现在 2.3 ~18.6℃之间,验证了前面的观点;第3段暴雨过程,是2011年梅汛期最强的暴雨过程,13日夜里—15日除14 日20 时 θse(850~500)出现6.1℃外,其它时间全部<0℃。分析其原因,第3段暴雨过程的θse密集梯度走向为南北向,冷暖空气坡度陡,接近垂直,尽管θse(850~500)出现负值,也是有利于强降水的发生。因此θse(850~500)值的大小不能单一的使用,要结合θse垂直剖面等值线的走向来判断降水的强弱。
图6 2011年6月衢州站逐日θse(850~500)
4.3 锋生函数的作用
为了解锋生函数在2011年浙江梅汛期暴雨中的作用,采用锋生公式计算锋生函数F,公式如下:
式中:
式中,F1,F2,F3,F4分别为非绝热加热项、水平辐散项、水平变形项和与垂直运动有关的倾斜项。
从计算结果得出,锋生函数的演变清楚地反映了锋生函数值的大小在对流层的位置与暴雨的关系。图7为30°N,119°E处6月份锋生函数逐日垂直剖面图,可以看出梅汛期间每个暴雨时段对流层下层均有锋生出现,最明显的是在925~850 hPa。每次锋生出现时,对应的降水开始。因此,在梅汛期间锋生有助于暴雨的发生。第1时段,3日14时在700 hPa上出现锋生,中心达 20 ×10-10K·m-1·s-1,实际上浙西已经开始下小雨,4—5日锋生中心下移到850 hPa,中心发展到 45 ×10-10K·m-1·s-1,此时强降水明显,6日14时锋消,降水结束;第2时段,10—11日600 hPa以下出现锋生,最强的出现在600~850 hPa,中心达55×10-10K·m-1·s-1,12 日锋消;第3 时段13—15日在850 hPa出现强锋生,中心达 60×10-10K·m-1·s-1以上,16日锋消;第4时段和第5时段锋生出现的时间最短,只有出现在19日和23日14时—24日14时的925 hPa,锋消时间分别出现在20日08时和24日20时。从5个降水结束与锋消的时间看,除第一时段外,后4个时段锋消比降水结束时间提前12 h左右。
图7 为30°N,119°E处6月份锋生函数逐日垂直剖面图
5 结语
(1)新西伯利亚群岛和乌拉尔山地区两个阻塞高压的建立,阿留申群岛低涡、我国东北低压和副热带高压的偏强是2011年梅汛期偏早的主要原因;“米雷”强热带风暴北上转向,副热带高压西伸北跳到北纬30°N,是出梅日偏早的重要因素。
(2)2011年浙江梅雨期暴雨到大暴雨与印度季风、南海季风和西太平洋副热带高压南侧季风相互作用有密切关系;印度和南海季风爆发时间早,是2011年梅汛期偏早的第2原因;阿拉伯海、孟加拉湾、南海和西北太平洋3支气流强度强,是2011年浙江梅雨期降水强度强的主要原因;“米雷”热带风暴在浙江沿海北上,大气环流出现调整是2011年浙江出梅时间早的主要因素。
(3)低层700 hPa和850 hPa长达20 d左右西南急流,为连续大雨到暴雨提供了热量和充沛的水汽;500 hPa出现西北风时间短是连续强降水和强降水时段之间间隔时间短的主要原因。
(4)中高层有弱降温,低层回温最强,有助于强降水的发生,
(5)在梅汛期预报服务中可用θse密集区的形状判断降水的强弱,当850 hPa暖舌与低能槽之间θse密集带经过浙江时就有一次强降水(略),强降水主要出现在θse密集带靠近暖舌一侧。垂直剖面密集的θse梯度南北向,降水强度强;对流层下层θse向上递减,降水强度弱一些。θse(850~500)值的大小不能单一的使用,要结合 θse垂直剖面等值线的走向来判断降水的强弱。
(6)在梅汛期间锋生有助于暴雨的发生,每次锋生出现时,对应的降水开始,锋消比降水结束时间提前12 h左右。
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2011-12-23
*项目资助:2011年中国气象局预报员专项(CMAYBY2011-019),浙江省气象局科研所开放专项(kf2010005)