宁夏两次台风远距离暴雨过程对比分析

苏 洋, 闫 军*, 薛宏宇

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室,宁夏 银川 750002;2.宁夏气象防灾减灾重点实验室,宁夏 银川 750002; 3.宁夏气象台,宁夏 银川 750002)

2007年,陈联寿提出台风远距离降水的定义[1],即台风与中纬度西风槽远距离相互作用所产生的暴雨称为台风远距离暴雨.由于该暴雨区与台风相距甚远,该暴雨区与台风本体的降水互相分离.诸多研究表明,在大陆沿海一带活动或登陆的热带气旋与内陆地区暴雨存在着密切的联系[2—7].丛春华等从全国范围着手统计我国的热带气旋远距离暴雨过程[8],发现远距离暴雨事件存在两个高频落区,分别位于环渤海地区和川陕交界处.孙寿全等基于30 a气象资料统计热带气旋与河北暴雨的关系[9],结果表明,约有70%的华北暴雨与热带气旋有直接或间接的联系,而在这70%中又有77%是由热带气旋间接影响所致.姚宗国等的研究表明,西北太平洋台风活动与青藏高原东侧以及西北地区东部一带降水存在明显的正相关关系[10].山东省和陕西省的天气预报工作者从天气学角度对所在省份的台风远距离暴雨历史个例进行较系统的统计分析[11—14].闫军等普查1961—2010年宁夏暴雨个例[15],统计发现,宁夏各监测站远距离暴雨日数在暴雨总日数中普遍占30%～46%,是宁夏暴雨类型中十分重要的一类;台湾岛及其以东洋面、海南岛附近是宁夏产生远距离暴雨的热带气旋高频影响关键区,并据此将宁夏远距离暴雨分为两类(以下简称台湾类和海南类),归纳了两类台风远距离暴雨的预报概念模型.笔者从这两类远距离暴雨中分别选取典型个例进行对比分析,其中,台湾类暴雨选取2006-07-14由位于台湾附近的0604号台风“碧利斯”引发的宁夏北部暴雨个例(以下简称“07·14”过程),海南类暴雨选取2019-08-02由登陆海南岛的1907号热带风暴“韦帕”造成的宁夏南部地区远距离暴雨个例(以下简称“08·02”过程).“07·14”过程是宁夏1961—2010年降水量排位第一、暴雨范围排位第二的极端远距离暴雨过程.虽然宁夏气象工作者从多个角度对此次暴雨做了大量细致的分析[16—18],但未从台风远距离暴雨角度进行深入分析;“08·02”过程则是近年来宁夏发生的一次极端性远距离暴雨过程,降水量在海南类远距离暴雨样本的降雨量中排位第一.文中基于宁夏常规观测站的小时降水量,高空、地面观测等资料及美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)水平分辨率为1.0°×1.0°的FNL (final operational global analysis)再分析资料,对两次典型远距离暴雨过程进行对比分析.

1 暴雨过程实况

随着0604号台风“碧利斯”沿西北路径进入台湾类远距离暴雨台风影响关键区,在2006-07-14午后至15日白天( “07·14”过程),宁夏北部出现区域性暴雨(图略),6个观测站24 h的降水量超过50 mm,其中银川站和惠农站24 h降水量分别达104.8,92.6 mm,均创有气象记录以来日降水量的极大值.暴雨过程持续近30 h,强降水时段主要集中在14日13:00至15日01:00.从逐时降水量分布看(图1a),惠农站在13:00—14:00的降雨强度超过30 mm/h,主要原因是惠农站南侧不断有新生对流单体生成并北移形成“列车效应”;银川站的强降水时段集中在14日19:00至15日01:00,小时降雨强度最大值出现在14日23:00,达27.8 mm/h.银川站与惠农站虽然相距100 km左右,但强降水时段存在很大差异,降水中尺度特征显著.

图1 逐时降水量(mm)

2019-08-02午后至3日白天,1907号热带风暴“韦帕”沿西北偏西路径进入海南类远距离暴雨台风影响关键区,在到达广西北海南侧近海时引发宁夏东南部地区的区域性远距离暴雨( “08·02”过程).该过程中,5个观测站的降水量超过50 mm,其中彭阳站24 h降水量为102.7 mm,超过1961—2010年所有海南类远距离暴雨历史样本的极大值,具有极端性.从逐时降水量分布看(图1b),彭阳站和泾源站的强降水时段相近,主要集中在2日14:00至3日01:00,均存在2个降雨强度峰值,最大降雨强度在20 mm/h左右.从宁夏南部六盘山周围观测站降水量的空间分布看,位于六盘山西侧(背风坡)的西吉、隆德两站的降水量为45～50 mm,而位于六盘山东侧和南侧(迎风坡)的彭阳站和泾源站是此次暴雨的极值中心,降水量均超过95 mm,是西吉、隆德站降水量的2倍左右.可见,在“08·02”过程中,低空东南风急流在六盘山迎风坡强迫抬升,说明地形对暴雨增幅作用十分显著.

2 大尺度环流形势

在200 hPa,“07·14”过程中庞大的南亚高压控制着我国大部分地区,在40 °N以北地区,南亚高压北侧高空急流呈反气旋性弯曲状,急流中心风速超过55 m/s(图2 a～图2 b).宁夏位于高空急流南侧分流区,受辐散气流控制,此时有利于上升运动的发展.“08·02”过程的南亚高压位置相对偏南偏西,高空急流在河套地区有“断裂”迹象(图2 c～图2 d),急流强度及暴雨区高空辐散程度均显著弱于“07·14”过程中的.

在500 hPa(图2)、7月14日08:00,台风“碧利斯”位于台湾岛附近,副热带高压位于北侧且呈东西向带状分布.受台风影响,副热带高压位置偏北,脊线到达33 °N附近,青藏高原受偏南气流控制,宁夏位于高原短波槽东侧偏南气流中(图2a);14日20:00,随着台风在福建沿海登陆,副热带高压明显西伸,588线西伸至陕西北部,使高原短波槽东移受阻位置变化不大(图2b).在“08·02”过程中,2日08:00至3日02:00,台风“韦帕”位于海南岛西北侧的广西南部近海区域并缓慢向西移动,强度为热带风暴级,台风环流影响有所减弱,副热带高压位于朝鲜半岛至日本一带,脊线位于33°N附近(图2 c～图2 d),30 °N～40 °N高原东侧有高原槽东移,至3日02:00,高原槽在宁夏南部加强为低涡,低涡东侧的偏南风显著增大.

在对流层中低层,7月14日08:00—20:00,随着台风“碧利斯”向西移动,在河套地区至甘肃西部,沿着河西走廊的低空急流与台风北侧的偏东气流存在汇合的过程,且低空急流逐渐加强.其中,700 hPa低空急流带横穿宁夏北部暴雨区,850 hPa副热带高压西侧东南气流与北方冷空气伴随的东北气流在内蒙古中东部至宁夏北部形成一条辐合线,为暴雨的发生提供动力触发机制.“08·02”过程中,2日08:00—20:00,河套南部的偏南气流有所发展,随着台风“韦帕”缓慢西移,台风北侧东南气流逐渐与河套偏南气流汇合,偏南低空急流得到显著加强;3日02:00,随着高原槽东移,宁夏南部动力抬升条件增强,700 hPa出现闭合气旋式环流并与500 hPa低涡位置一致,表明低涡系统深厚、强度较强,它“捕获”了低空急流的水汽与能量,因此在宁夏南部地区产生强烈的暴雨天气.与700 hPa水汽输送通道不同,由于秦岭地形阻挡,850 hPa上的气流以东南向气流输送水汽和能量(图略).

在海平面气压场,“07·14”过程中,在东北冷涡与河套低压槽之间,有一条东北西南向的冷锋,且锋面尾部呈准静止状态,宁夏北部暴雨区就处于这条冷锋的尾部.在“08·02”过程中,高原东北侧受地面高压控制,宁夏一直处于气压鞍形场区域,宁夏24 h为2～3 hPa正变压,表明此次过程没有明显的冷锋过境,但有扩散弱冷空气影响(图略).

对比分析发现,两次远距离暴雨过程均发生在台风登陆之初,且台风强度处于减弱阶段,对流层中低层进入河套的偏南气流与台风北侧的偏东南气流均存在汇合加强的过程.“07·14” 过程中,低空急流强度较强,为暴雨区提供了充沛的水汽和能量,而与东北冷涡对应的地面冷锋尾部和低空辐合线直接触发了暴雨过程;“08·02”过程,具有强大的动力抬升系统,深厚持久的河套低涡系统与热带风暴“韦帕”通过两者之间的偏南低空急流相联结,实现了中低纬系统间的相互作用.

3 水汽条件

在“07·14”过程强降水开始前,台风“碧利斯”与宁夏之间的水汽通道还未建立.7月13日08:00,宁夏处于副热带高压西侧较弱的偏南气流中,水汽通量为5～10 g/(s·hPa·cm),“碧利斯”位于台湾岛东侧,台风周围的水汽通量大值区与河套地区的水汽通量高值区相互分离,这在700 hPa表现尤为明显(图3 a,图3 c).随着“碧利斯”向西移动,台风外围偏东气流与副高偏南气流汇合,14日20:00,低空急流显著加强,河套至甘肃西部出现强水汽输送过程,水汽通量普遍在10～15 g/(s·hPa·cm),台风与暴雨之间在700,850 hPa的水汽通量大值区已联结,深厚的水汽通道已建立(图3 b,图3 d).

图3 “07·14”过程700,850 hPa水汽通量(g/(s·hPa·cm))和风场(m/s)

从水汽通量散度分布图可知7月14日14:00,在700 hPa宁夏中北部出现水汽辐合区,850 hPa宁夏中部水汽辐合中心水汽通量散度达-3×10-5g/(s·hPa·cm2),辐合中心与中尺度对流活动相对应,此时在该辐合中心附近出现小范围的短时强降水天气.14日20:00,700,850 hPa水汽通量散度均增强至-4×10-5g/(s·hPa·cm2),说明水汽辐合上升运动已经变得比较深厚,700 hPa水汽通量辐合区较850 hPa偏北且向冷区倾斜,表明中低层的辐合运动与地面冷锋是相互关联的.

“08·02”过程中对流层中低层的水汽通道建立方式(图略)与“07·14”过程中的相似,同样经历了河套地区内陆偏南气流与台风外围气流从“断开”到相互“联结”,导致低空急流显著增强的水汽通道建立过程.到3日02:00,中低层水汽通量大值区范围明显扩大,河套地区700 hPa水汽通量增大至10 g/(s·hPa·cm)以上,850 hPa水汽输送强度相对700 hPa偏弱,均实现了水汽通道的建立.

8月2日20:00(图4),700 hPa上河套低涡已经在宁夏南部生成,850 hPa上仅表现为1个中尺度涡旋,低涡东南侧的水汽辐合中心的水汽通量散度绝对值在700,850 hPa上均超过-8×10-5g/(s·hPa·cm2),河套低涡经过的区域均出现强降水天气.3日02:00(图4),700 hPa上河套低涡缓慢向东北方向移动,低涡尺度明显增大,辐合强度略有减弱,850 hPa仍然维持中尺度涡旋结构,并在宁夏南部稳定维持在6 h 左右,加之涡旋前侧东南气流在宁夏南部六盘山地区强迫抬升,此次暴雨过程中超过100 mm的大暴雨中心就处于该涡旋所在位置.3日08:00,河套低涡移动至宁夏东部并产生了暴雨.

图4 “08·02”过程700,850 hPa水汽通量散度(10-5 g/(s·hPa·cm2))和风场(m/s)

由此可见,台风“碧利斯”和“韦帕”都起到了增强暴雨区水汽能量输送的作用,两次暴雨过程中水汽通道的建立均经历了水汽通量大值区由分离到合并加强的过程,其中后者中低层水汽通量辐合强度显著高于前者.

4 动力条件

“07·14”过程散度场分布显示台风上空300 hPa为辐散区,850 hPa为辐合区(图略),暴雨区的散度场配置与台风相似,高层辐散区与高空急流南侧分流区相对应,而低层辐合区与850 hPa辐合线位置一致.分别沿暴雨区所在的106 °E和台风所在的118 °E范围作散度剖面,在600 hPa以下暴雨区基本受辐合区控制,辐合中心位于700 hPa,辐合中心散度强度为-5×10-5s-1,600～300 hPa为辐散区域,辐散中心位于400 hPa,散度强度达到3×10-5s-1(图5a);台风600 hPa以下为强辐合区,600 hPa以上为强辐散区,辐合与辐散中心散度强度绝对值均超过3×10-5s-1(图5b).

图5 300,850 hPa 散度(10-5 s-1)和风场(m/s)及沿106°E,118°E散度垂直剖面(10-5 s-1)(黑色矩形分别代表远距离暴雨区域和降水区)

“08·02”过程中最明显的特征是,在35 °N～38 °N区域850～500 hPa存在随高度向北倾斜的强辐合区(图5 c～图5 d).2日20:00,850～700 hPa辐合区在垂直方向接近垂直分布,在500 hPa辐合区出现倾斜;有两个辐合中心分别位于750,500 hPa,中心散度强度均超过-10×10-5s-1,其上空分别对应两个较强的辐散中心,其中300 hPa辐散区对应高空槽前辐散气流区域,有利于垂直运动发展.从2日20:00到3日02:00,上述倾斜辐合区一直维持,并在低层略向北移动1～2个纬度,850～700 hPa辐合区由原来的垂直分布也逐渐变得倾斜,辐合中心由2个变为3个,散度强度有所降低,降至-6×10-5s-1,其上层的辐散中心散度也相应减弱.结合2日20:00散度场和流场在850～500 hPa的水平分布看(图略),该倾斜强辐合区由深厚的河套低涡引起,河套低涡同样向北倾斜,值得注意的是,它的水平尺度从低到高由小变大,在850 hPa表现为1个中尺度涡旋,涡旋直径200 km,700 hPa低涡直径约400 km,500 hPa接近1 000 km.由此可见,作为此次暴雨的重要影响系统,河套低涡不仅起到较强的动力抬升作用,还具有倾斜的“漏斗”状垂直结构.

可见,“08·02”过程中存在深厚的河套低涡,而“07·14”过程中的动力抬升系统仅为近地层的冷锋和850 hPa辐合线,前者中低层辐合抬升运动要显著强于后者,不过,由于“07·14”过程中的高空急流与暴雨区的配置条件较有利,高层辐散程度好于“08·02”过程.

5 热力条件

假相当位温是综合反映大气温湿的物理量,两次过程的假相当位温的垂直分布见图6.7月14日02:00—20:00,暴雨区(38 °N～40 °N)上空700 hPa以下假相当位温明显增大,中心温度由356 K增加至364 K,这是由中低层低空急流与台风外围偏东气流汇合后偏南水汽输送加强产生的结果;低层能量锋区一直准静止维持在40 °N～42 °N(图6a,图6b).14日02:00,500 hPa以下能量锋的走向接近垂直,500 hPa以上的则向冷区倾斜,到20:00强降水发生时,能量锋在700～500 hPa发生明显向暖区倾斜的现象,而高层的锋区向冷区倾斜的程度也较02:00时的增大.高层向冷区倾斜的能量锋与北方冷空气形成的锋区相对应,以温度对比为主,低层向暖区倾斜的能量锋可能是远距离暴雨能量场的关键特征,它是中低纬度系统相互作用的结果.正是由于能量锋在垂直方向上向暖区倾斜,暴雨区600 hPa以下假相当位温具备了明显的垂直梯度,假相当位温随高度迅速减小(垂直温差接近20 K),大气处于对流不稳定状态,一旦有上升运动的触发,就能激发强对流活动.

图6 沿106°E假相当位温垂直剖面(K,黑色矩形区域表示降水区)

在“08·02”过程中,2日14:00,宁夏上空(35 °N～40 °N)700 hPa以下空气逐渐变暖湿,假相当位温高值区在低层超过350 K,低层能量锋区位于38 °N～44°N,锋区强度较弱,假相当位温等值线在低层并不十分密集,能量锋区宽度较宽;此次暴雨过程低层锋区强度虽然偏弱,但仍具有远距离暴雨发生的双层能量锋结构,600 hPa以下锋区向暖区倾斜,而高层锋区向冷区倾斜(图6c).2日20:00,随着河套低涡形成,其所在位置(35 °N～38°N)出现倾斜的假相当位温低值区,该低值区与南侧的假相当位温高值区形成新的假相当位温锋区(水平温差在10 K左右),强降水就出现在这条建立的能量锋区附近(图6d).从水汽条件分析,河套低涡所在位置的湿度条件较好,然而河套低涡却处于假相当位温低值区,原因主要在于温度场.分析温度场的分布情况,发现在700,850 hPa低涡中心对应明显的温度场冷中心,也就是说,河套低涡在低层处于冷湿的环境条件下.

上述分析表明,两次过程均具备双层能量锋区的垂直结构,这是台湾类和海南类远距离暴雨的共同特征,也是宁夏发生远距离暴雨非常重要的热力条件.“08·02”过程的特别之处在于,深厚的河套低涡不仅为此次暴雨过程提供了充足的上升运动条件,还改变了环境场的热力条件,“破坏”了双层能量锋的垂直结构,并在原本强度偏弱的低层能量锋上构建了新的能量锋区.

6 结论

1)两次暴雨过程虽分别属于台湾类和海南类远距离暴雨类型,但也具有若干共同点:暴雨均发生在台风登陆之初、台风强度减弱阶段;均存在内陆偏南气流与台风外围气流从“断开”到相互“联结”,导致低空急流强度显著增强的水汽通道的建立过程;均存在双层假相当位温能量锋区的垂直结构特征,高层锋区向冷区倾斜而低层锋区向暖区倾斜,这种向暖区倾斜的低层能量锋区使对流层中低层大气处于层结不稳定状态.

2)两次远距离暴雨过程的“个性”特点:在“07·14”过程中,低空急流从台湾深入西北内陆腹地,到达甘肃西部形成一条超远距离的水汽通道,如此强度的水汽与能量输送是十分罕见的,而暴雨的动力条件“一般”,远在我国东北的一条冷锋的尾部就足以触发暴雨天气;“08·02”过程中的水汽与能量条件远不如“07·14”过程中的,甚至高空急流和副热带高压的位置条件也不理想,但由于存在一个“漏斗”状深厚持久的河套低涡,而低涡具有较强的倾斜上升动力结构,并在原本强度偏弱的低层能量锋上构建新的能量锋区,使热力条件向着有利于暴雨产生的方向调整,从而产生降雨量超过100 mm的大暴雨.