近海台风影响下陕北两次区域性暴雨对比分析

2015-04-08马晓华梁生俊

陕西气象 2015年5期

关键词：低层强降水陕北

马晓华,梁生俊,井宇,胡皓,卫玮

(陕西省气象台,西安 710014)

近海台风影响下陕北两次区域性暴雨对比分析

马晓华,梁生俊,井宇,胡皓,卫玮

(陕西省气象台,西安 710014)

利用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料、卫星云图及雷达资料,对近海台风影响下,发生时段及降水落区均相似的陕北两次区域性暴雨个例(2014年7月8—9日(简称“7· 8”过程)及2013年7月11—12日(简称“7·11”过程))进行对比分析,结果表明:“7·8”过程是东北路冷空气、高原槽和台风 “浣熊”外围偏东气流共同作用产生,“7·11”过程是高原槽引导西路冷空气与西南暖湿气流共同作用产生;近海台风为 “7·8”过程提供了水汽和能量,对 “7·11”过程无直接作用;“7·8”过程降水云团为冷锋云系中的5～6个β尺度的对流云团,而 “7·11”过程为副高外围中-β尺度的对流云团;两次强降水时段雷达回波均呈现以积状云为主的混合型降水回波;暴雨发生时,两次过程低层冷平流均减弱,850 h Pa东北风起到了冷垫作用,暖湿气流被弱冷空气强迫抬升,相对湿度大于90%的区域由中层迅速增加到对流层整层;湿涵密集带对暴雨落区有较好的指示意义。

近海台风;陕北;区域性暴雨;湿涵场

近年来,学者们对台风外围偏东气流影响下的暴雨做了较为深入的研究[1-4],有关研究表明,陕西夏季区域性暴雨与近海台风相关率较高,可达70%以上[5]。台风可为青藏高原东北侧暴雨的发生提供水汽和能量,为冷锋暴雨型降水量起增幅作用[6-8]。对黄土高原α中尺度暴雨研究表明,450 hPa附近垂直上升运动的强弱对未来6小时内该区能否发生暴雨有良好的指示作用[9]。陕北地处黄土高原东部,由于缺乏充足的水汽供应,区域性暴雨较为少见,水汽因素成为能否产生区域性暴雨的首要条件。研究表明,有台风影响的背景下,台风外围偏东急流与西风带低值系统及地面冷锋动力抬升作用是造成陕北暴雨的主要原因[10]。降水云团在卫星云图上主要表现为中-β尺度对流系统[11]。涡度收支的正负值可用来解释造成黄土高原地区β中尺度暴雨的对流云团发展和消散原因[12]。当副热带高压控制黄土高原时,西风带弱冷空气与副热带高压外围西南暖湿气流交汇可触发陕北暴雨[13]。

虽然气象工作者对近海台风影响下的陕北黄土高原地区区域性暴雨做了一些理论研究,但仍需从不同的角度研究半干旱地区区域性暴雨的成因。本文选取两次相似的暴雨个例,其共同点为:时间上两次强降水均发生在凌晨,历时短、强度大;空间分布上,两次强降水雨带均呈带状分布,位置偏北,位于陕北黄土高原地区。通过对这两次过程进行诊断对比分析,进一步揭示陕北高原区域性暴雨成因,以期为此类天气过程的预报提供参考依据。

1 过程简介

2014年7月8—9日陕西北部出现大范围暴雨天气过程(图1a,北京时,下同;下简称“7 ·8”过程),强降水主要发生在9日00—05时,暴雨落区主要集中在延安北部和榆林南部,其中最大降水量在榆林清涧为98.5 mm,该次过程为2014年入汛以来陕北范围最大、小时雨强最强、受灾最严重的一次暴雨灾害过程。

2013年7月11—12日陕西北部出现一次大范围强降水过程(图1b,北京时,下同;下简称“7·11”过程),强降水主要发生在12日02—05时,其中暴雨落区集中出现在延安北部地区,92个乡镇降雨量超过50 mm,降水量最大在延安市延川县为154.9 mm,降水落区横跨2个纬度、4个经度。大范围的短时强降水导致延安市13个县(区)受灾,因灾死亡42人。

2 环流形势和主要影响系统

2014年7月8日20时(图2a),200 hPa天气图上新疆—东北地区有一东—西向分布的高空急流带,急流轴位于45°N附近,其中心风速达58 m/S以上,高空急流南侧,位于青藏高原东侧的南亚高压也呈东—西向带状分布,陕北地区位于高空急流带偏西气流与南亚高压东北侧偏西北气流之间的强辐散区。500 hPa欧亚中高纬度为两槽一脊型,贝加尔湖北部为一高脊区,巴尔喀什湖及我国东北地区维持一冷槽,河套西部到青海湖附近有一短波槽,副热带高压 (下简称“副高”)主体位于海上,584 dagpm线控制延安以南地区,台风 “浣熊”北上到浙江东部海域。700 hPa上,四川、陕西、甘肃交界处风场上可以分析出一低涡环流,延安上空为偏西南气流,风速为6 m/S。850 hPa上,东北冷涡底部回流的偏东北气流影响陕北,延安风速达10 m/S,台风 “浣熊”北部的偏东气流一直向西伸展到陕西地区。地面上青海湖以东有一中心气压为1 010 hPa的冷高压系统,冷锋前沿已到达关中地区。9日08时(图略),200 hPa高空急流加强且位置少动,500 hPa东北冷涡略有东移,陕西仍处于强西南气流中,低层700 hPa偏南气流加强,西北涡有所发展,延安上空盛行西南气流,风速增大到16 m/S,850 hPa台风北上到浙江沿海附近,偏东气流向内陆输送水汽,使强降水维持。

2013年7月11日20时(图2b),200 h Pa环流形势与 “7·8”过程相似,高空急流呈东—西走向带状分布,陕北位于南亚高压东北侧的强辐散区。500 h Pa欧亚高纬度为两槽一脊型,贝加尔湖以东为高压脊,低槽分别位于西伯利亚和鄂霍次克海附近,中高纬度气流较平直,副高呈带状分布,584 dagpm线控制了青藏高原以东的大部分地区,陕北位于584 dagpm线北界边缘,内蒙中部—甘肃中部—青海东部为高原槽, 588 dagpm线位于淮河、陕西东南部、江南、华南等地,副高脊线位于30°N,同时台湾东南有超强台风 “苏力”活动并向西偏北方向移动。700 hPa贝加尔湖以南低槽引导的冷空气南下到河套地区,与来自孟加拉湾的偏南暖湿气流在陕北地区交汇,延安上空西南风风速达6 m/S,距离延安最近的东胜站西北风达8 m/S,整个陕北地区切变辐合非常明显。850 h Pa陕北上空为偏北气流。地面上,青藏高原东部有一中心气压为1 007.5 h Pa的冷高压存在,陕北位于冷高压东北侧外围,冷空气势力较弱。12日08时(图略),200 hPa高空风场辐散加强,500 hPa高原槽东移到陕西上游,台风 “苏力”西行到台湾岛东部海域,副高位置有所东退,脊线仍位于30°N附近,700 h Pa偏南暖湿气流已加强为一支低空急流,延安上空风速达12 m/S,东胜站偏北风达6 m/S,切变线较上一时次位置少动, 850 hPa与地面上以偏北风为主,此时短时强降水转为稳定性降水。

“7·8”过程,台风 “浣熊”北侧的偏东气流携带的暖湿空气与东北冷涡底部回流的东北路冷空气相互作用造成了此次降水,强降水时段开始于冷锋移动到陕北附近时,降水主要发生在冷锋附近到冷锋后部的地面冷空气与高空暖湿气流交汇区域。“7·11”过程,上下层为后倾槽结构的天气形势配置,降水持续时间较长,台风 “苏力”在副高的阻挡下以西行为主。副高南北摆动较少,是雨带分布较为密集的原因。高原槽引导的西路冷空气与副高外围的暖湿气流在延安交汇,强降水主要发生在588 dagpm线东退时段。

3 中尺度特征

3.1 卫星云图

“7·8”过程,暴雨发生时段主要集中在9日00—05时,是东北低涡冷锋云系尾部与高原槽云系相互叠加激发出来的中小尺度对流云团造成的。降水云系中存在5～6个β尺度的对流云团(见第5页图3a)。该云团在陕北上空缓慢移动是造成本次强降水的主要原因。由逐小时云顶亮温(图略)可见,01时延安和榆林地区均有云顶亮温为-40℃的β尺度对流云团,水平尺度为100 km左右,造成子洲14.9 mm/h、安塞14.9 mm/h的短时强降水。02时随着整个锋面云系东移,β尺度对流云团有所东移但云顶亮温一直维持在-40℃,水平尺度变化不大,此时吴堡出现了11.3 mm/h降水。03—04时云顶亮温为-40℃的对流云团继续东移,富县出现24.4 mm/h降水。05时随着锋面云系的东移,延安上空的对流云团强度有所减弱,结构变松散,此时降水强度也明显减弱。05时后,降水云系以系统性冷锋云系为主,陕北没有出现大于10 mm/h的降水。

“7·11”过程,暴雨发生时段主要集中在12日02—05时,是东北低涡低槽云系尾部与高原槽云系在低层偏南暖湿气流增大阶段相互作用激发出来的对流云团造成的。01时 (图略)陕北中部有中-β尺度对流云团生成,云顶亮温为-40℃,志丹产生13.8 mm/h的降水。02时(见第5页图3b)对流云团东移发展,云团结构密实,云顶亮温低于-40℃的区域接近椭圆状,受其影响延川县出现了34 mm/h的降水。03时(图略)对流云团继续东移,云顶亮温低于-40℃的区域继续位于黄河沿线,在其西部激发出一γ尺度小云团,延川出现31 mm/h的强降水,04时(图略)γ尺度小云团组织成一个带状的中-β尺度云团,强度有所加强,之前黄河沿线的中-β尺度云团基本移出陕北,04—05时延安、延川也出现了大于10 mm降水。05时后对流云团减弱移出陕北 (图略)。

综合以上分析可知,造成两次陕北短时强降水的云团均属于中-β尺度的对流云团,云顶亮温最低为-40℃,低涡云系尾部与高原槽云系相互叠加,并在近海台风外围偏东气流或副高外围偏南暖湿气流的作用下激发出中尺度对流云团,对流云团移动方向的前侧,云顶亮温梯度大的区域为短时强降水落区。

3.2 延安多普勒雷达回波

2014年7月8日20时左右,榆林南部到延安北部是以层状云降水回波为主的混合型降水回波,在回波主体后部西北方向不断有新的回波生成并东移,回波面积较大,移动速度缓慢,并在延安西部区域不断加强。9日00时对流性回波增多,发展为积状云为主的对流性降水回波,回波主体强度达50 dBz左右,延安北部地区降水增强。02时(图略)回波东段逐渐变宽,已经演变成榆林横山至延安洛川的东北—西南向片状回波,移动速度缓慢并不断发展,其中对流性回波比较分散,榆林南部、延安北部地区出现强降水站点明显增多。03—04时偏南气流加强为低空急流,中层西南风沿低层东北风爬升 (见第5页图4a),这也是该时段延安对流性回波强度增强(见第5页图5a)的一个重要原因。延安东北部回波松散,强回波分布在以延安为中心的地区,强降水峰值出现在回波梯度较大的地方。06时后回波逐渐东移减弱。

2013年7月12日,延安地区是以积状云降水回波为主的混合型降水回波,回波整体强度不强,最大回波强度为45～50 dBz。降水开始前,雷达径向速度图上低层风场以东风为主,高层以西南风为主,随着低层风速增大,02时在0.5°～2.4°仰角径向速度图上,在延长地区均出现气旋式辐合流场(见第5页图4b),且02—03时对流性回波显著增多(见第5页图5b),延川地区出现强降水。04—05时低空西南气流明显增大,气旋式辐合流场特征仍然明显,高空西风急流维持,系统稳定,降水持续。

通过对两次过程雷达回波和径向速度演变对比发现,在径向速度图上,两次过程的回波移动速度均较慢。“7·11”过程,雷达回波整体范围较小,对流性降水回波强度强且较为密集。“7· 8”过程,雷达回波整体范围较大,对流性降水回波强度弱且较为松散。因此,“7·11”过程暴雨强度大但降雨范围较小,而 “7·8”过程暴雨强度小而降雨范围较大。

4 物理量诊断分析

4.1 水汽条件

“7·8”过程中,8日20时,850 hPa水汽通量场上,来自台风 “浣熊”北部的偏东气流西伸至陕西地区 (图略),台风将东海的水汽输送到内陆,此时延安上空水汽通量值达8 g/(cm ·hPa·S),9日02—07时偏东风仍然维持,08时随着冷空气南下,陕北上空转为东北风。从700 hPa也可明显看到偏东气流的发展过程,8日20时(图略)一支上千公里的偏东气流非常强盛,延安上空小范围内水汽通量达到8 g/ (cm·h Pa·S),9日02时随着台风北上(见第6页图6a),从山东经河南、山西到达陕西北部地区的偏东气流有所加强,延安到榆林南部上空的水汽通量均在12 g/(cm·hPa·S)以上,黄河沿线处在中心为(-6～-4)×10-7g/(cm2·hPa·S)的水汽辐合区中,08时台风向东北方向移动,偏东气流显著减小,副热带高压外围的西南气流有所发展,暴雨区上空水汽通量大值中心达12 g/(cm·hPa·S)。分析700～850 hPa水汽通量散度可知,本次过程强水汽辐合主要发生在700 h Pa,8日20时在陕北上空有中心为-5×10-7g/(cm2·h Pa·S)的水汽辐合大值中心,8日20时到9日02时水汽辐合大值中心强度保持不变,但中心位置移向其东北方向,与强降水落区对应较好,9日08时陕北上空仍处于水汽辐合区中,但强度明显减弱。上面分析表明,该次区域性暴雨发生时低层700～850 h Pa水汽条件较好,充足的水汽供应配合强的水汽辐合易产生强降水。

“7·11”过程中水汽主要来自700 hPa,暴雨发生前12 h,来自孟加拉湾的水汽沿着副高588 dagpm线外围向西南地区、青藏高原东部地区及华北地区输送 (图略),延安地区处于水汽通道北界,水汽通量为4 g/(cm·hPa·S),12日02时暴雨发生时(图6b),关中西部水汽通量迅速增大到12 g/(cm·hPa·S),延安仍然处于水汽通道的北界,此时水汽通量迅速增大到8 g/(cm·h Pa·S),此刻黄河沿线也出现了中心强度为(-6～-4)×10-7g/(cm2·hPa·S)的辐合中心。08时低空暖湿气流加强,陕北上空水汽通量为8 g/(cm·h Pa·S)的范围有所扩大,14时后水汽通量迅速减小。从整个暴雨发生前后的水汽通量剖面图 (图略)上也可看出,水汽供应主要来自700～600 hPa,暴雨发生前6 h,600 h Pa有中心值为10 g/(cm·hPa ·S)的水汽通量大值区,14时后基本减小到4 g/(cm·hPa·S)以下。从水汽通量散度时间剖面图(图略)上也可看到,从11日20时开始暴雨区上空700 hPa就出现了辐合区,12日02时达到了最强,辐合一直维持到08时,08时后逐渐转为辐散区。

4.2 温度平流

“7·8”过程,8日20时500 hPa青海湖附近的短波槽东移到陇东地区,此时陕北西部上空是中心强度为20×10-5℃/S的暖平流区,700 hPa陕北上空暖平流中心强度达15×10-5℃/S,但 850 hPa东北地区有一支强冷平流输送带伸展至陕北 (图略),延安上空出现中心强度为-25×10-5℃/S的冷平流中心,此时垂直速度场上延安上空为弱上升区,这可能是由于冷空气势力较强,强下沉运动产生的拖曳作用导致上升运动减弱。9日02时850 hPa冷平流中心减弱为-5×10-5℃/S,强冷空气从东北方向直接强迫抬升来自台风 “浣熊”外围的偏东气流,产生强上升运动,触发了低层不稳定能量的爆发。从整个暴雨区垂直速度的区域平均场(图略)上也可看到,8日20时整个700 hPa以下沉运动为主,9日02时随着湿层的增加和低层冷空气的入侵,暴雨区上空出现了中心强度为-0.5 Pa/S的湿空气(相对湿度≥95%)上升运动区,低层冷空气的入侵迫使暖湿空气上升,产生了本次暴雨过程。08时后850 hPa上冷平流减弱消失,整层大气的相对湿度也明显减弱,降水逐渐停止。

“7·11”过程,11日20时500 hPa冷空气位置偏北,陕北上空为暖平流区,700 hPa陕北处于弱的暖平流区,850 hPa由高原槽引导的高空冷空气有所扩散,河套西部存在中心强度为-30× 10-5℃/S的冷平流中心(图7a),700 hPa以下干冷空气以下沉为主,12日02时850 hPa冷平流减小到-5×10-5℃/S。在相对湿度和垂直速度区域平均场 (图略)上也可看出,此时湿层已增厚至200 hPa以上,400 hPa出现了中心强度为-0.5 Pa/S的上升运动区(图7b)。08时低层冷平流输送更弱,暖湿空气沿着干冷空气爬升, 500 hPa仍然存在强上升运动,但由于01—05时出现短时强降水,大气中水汽含量有所减少,湿层厚度明显减小,08时后强降水逐渐结束。

分析两次过程延安探空资料,暴雨发生前6 h(图略),温度廓线和层结曲线非常接近,大气处于饱和状态。低层850 h Pa以下有强的冷空气入侵低层大气,由于较强冷空气的下沉拖曳作用,往往不会造成强降水。两个过程的垂直风分布基本一致,850 hPa均为东北风,冷垫作用非常明显。“7·11”大气低层风切变率较大,中高层风速切变率较小,这种风速分布有利于垂直运动的发展,同时这种上升运动对中尺度对流系统发展也非常有利。而 “7·8”过程,低层大气切变率小,中高层较大,较“7·11”过程暴雨区上升速度弱。

两次过程发生前6 h,由于冷暖空气交汇时温度梯度较大,低层大气冷平流输送较强,造成大气低层以下沉运动或弱上升运动为主。暴雨发生时,冷空气已经入侵低层大气,低层冷平流明显减弱,温度梯度减小,此时暖湿气流被弱冷空气强迫抬升,大气相对湿度大于90%的区域由中层迅速增加到整层,同时低层风速切变增大,中高层风速切变减小,有利于暴雨区上升运动的发展,为中尺度对流云团的发生、发展提供有利的环境场。

5 能量场分析

通常把潜热能和显热能称之为湿空气的涵,湿涵即指单位空气的温湿能,表达式为EI= CPT+Lq,其中T、q、CP和L分别为温度、比湿、定压比热和凝结潜热系数,为了方便分析计算了EI/CP,将单位统一为℃,温湿能与水汽和热量有关,可很好地反应空气热能的累积状况。

“7·8”过程850 hPa湿涵场上,8日08时整个陕西上空是中心强度为22℃的高湿涵场,甘肃中部有中心强度为17℃的低湿涵场,14时(图8a),随着偏东气流的加强,山西、河南一带湿涵迅速增大,出现了湿涵密集带,偏东气流携带的高湿空气向陕西输送高温、高湿能量,陕西上空的湿涵场增大到27℃,同时低湿涵区域东移到宁夏上空,高低湿涵场在陕北地区交汇,出现了等湿涵线密集带,实际上这条湿涵密集带就是锋区所在位置,累积了大量的不稳定能量, 20时密集带东移南压,陕北上空处于低湿涵带前端,直到强降水结束。

“7·11”过程,850 hPa有同样的湿涵场分布,11日08时,来自南海及孟加拉湾的偏南气流非常强盛,陕北上空是强度为19℃的高湿涵场,14时在陕西南部地区出现了中心强度为24℃的高湿涵中心(图8b),偏南气流继续向陕北输送高温、高湿水汽,此时陕北上空的湿涵强度增加到22～23℃,同时在华北和河西地区各有中心为17℃、20℃的低湿涵区,陕北处于两低湿涵场中的高值区。20时河西地区的低湿涵场向东移动到陕北上空,陕北上空出现了中心强度为19℃的低能、低温区。11日20时—12日08时陕北上空一直处于18℃的低湿涵场中。

通过上面分析可以看出,“7·8”过程的湿涵密集带对12 h后该区发生的暴雨有较好的指示意义,该次过程的湿涵密集带与锋区位置对应,在暴雨发生前12 h随着台风外围偏东气流的加强,陕北暖湿空气与冷干空气出现了交汇,暴雨区上空积累了大量的不稳定能量。“7·11”过程,暴雨高湿涵场主要来自于南海和孟加拉湾偏南气流,偏南气流携带陕南上空的高湿涵大气向陕北输送,本次过程的高湿涵场对应的是低空急流,台风对本次暴雨的能量场没有直接的贡献。

5 结论

(1)“7·8”过程是在东北冷涡稳定维持情况下发生的,高原槽后冷空气与台风 “浣熊”外围偏东气流在陕北交汇造成本次暴雨,“7· 11”过程是500 hPa高原槽后冷空气与副高外围西南气流在陕北交汇产生的,台风 “苏力”在西行过程中与副高相互作用下副高东退,暴雨结束。“7·8”地面为东北路冷空气,“7· 11”为西路冷空气。两次过程850 hPa东北气流均起了冷垫作用,陕北暴雨落区基本位于584 dagpm线附近。

(2)“7·8”过程是东北低涡冷锋云系后部与高原槽云系相互叠加激发出来的中小尺度对流云团产生的,而 “7·11”过程是东北低涡低槽云系后部与高原槽云系在低层偏南暖湿气流增大阶段相互作用激发出来的对流云团产生的,两次强降水发生时间均与云顶亮温强度低于-40℃的时刻对应良好,强降水发生时,雷达回波呈现出以积状云为主的混合型降水回波。

(3)两次过程发生前6 h,低层大气冷平流输送较强,暴雨发生时,低层冷平流明显减弱,上升运动加强,强上升运动使大气湿层增加,同时大气中高层风速切变越小,越有利于暴雨区上升运动的发展,为中尺度对流云团的发生、发展提供有利的环境场。

(4)湿涵密集带对未来该区发生暴雨有较好的指示意义,“7·8”过程中湿涵密集带与锋区位置对应,在暴雨发生前12 h随着台风 “浣熊”外围偏东气流的加强暖湿空气与冷干空气在陕北交汇,暴雨区上空积累了大量不稳定能量。“7· 11”过程中暴雨高湿涵场主要来自于南海和孟加拉湾偏南气流,高湿涵场对应的是低空急流,台风 “苏力”对本次暴雨的水汽和能量没有直接的贡献。

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