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        低緯高原兩次冬季南支槽強降水的對比分析

        2010-01-30 02:17:56郭榮芬高安生楊素雨
        大氣科學學報 2010年1期
        關鍵詞:支槽降雪強降水

        郭榮芬,高安生,楊素雨

        (1.云南省氣象臺,云南昆明 650034;2.云南大學大氣科學系,云南昆明 650091;3.云南省氣象局科技減災處,云南昆明 650034)

        0 引言

        關于冬季雨雪的研究,國外Bennetts和Hoskins[1]、Emanuel[2]提出用飽和空氣中的對稱不穩(wěn)定來解釋降水帶狀分布的形成。Frederick和Lance[3]、Frederick[4]、Moors和Blakley[5]討論了鋒生強迫和對稱不穩(wěn)定對暴雪帶的作用;朱愛民和壽紹文[5]對江淮一次大范圍降雪過程的鋒生次級環(huán)流進行過深入分析;胡中明和周偉燦[6]發(fā)現(xiàn),低空急流對濕位渦的輸送,使得暴雪區(qū)條件性對稱不穩(wěn)定加強,利于暴雪的形成;楊柳等[7]利用MM5較好地模擬出地春季暴雪中尺度特征;吳海英等[8]利用多普勒天氣雷達資料江蘇的一次雨雪天氣過程進行了研究;楊成芳等[9]將多普勒天氣雷達與中尺度數(shù)值模式RAMS(V4.4)結合分析了一次冷流暴雪過程的中尺度特征分析,證實了暴雪中尺度垂直環(huán)流的存在,強降雪集中出現(xiàn)在上升運動增強和逆風區(qū)維持的階段;潘曉彬等[10]利用中尺度模式模擬了北京降雪的云場結構特征;劉寧微[11]詳細討論了遼寧暴雪的中尺度系統(tǒng)發(fā)展和演變。

        在南支槽與冬季降水的關系研究方面,羅興宏[12]對西藏那曲冬季雪災天氣的500 hPa形勢進行了客觀分型,其中南支槽是主要的降水系統(tǒng);張自銀等[13]對我國南方冬季異常低溫和異常降水事件分析表明,南方冬季水汽主要來自南支槽的西南氣流和南海上空的轉向氣流。云南省地處低緯高原地區(qū),不同時間會受到西南季風、東亞季風以及中高緯東北季風的影響。南支槽是云南冬季降水主要的影響天氣系統(tǒng)之一[14],大約5~6 d就有一次。對于云南冬季強降水及降雪天氣的研究,秦劍等[15]對10次冬季結合天氣過程進行合成分析,發(fā)現(xiàn)南北槽脊呈反位相配置,利于冷暖空氣在云南結合,極易造成強烈的匯合、不穩(wěn)定鋒生場;郭榮芬等分別應用螺旋度和非地轉濕Q矢量等理論對1999年1月昆明暴雪及強降水和2003年云南冬季的一次強降水過程進行診斷分析[16-17];張騰飛等[18]對2000年以來云南出現(xiàn)的4次強降雪過程進行分類對比分析和診斷分析。這些研究主要針對云南冬季槽潮結合的強降水天氣或寒潮降雪進行的研究。據(jù)以往云南天氣預報實踐經(jīng)驗,單一的南支槽過程一般只產生部分地區(qū)的降溫或陣雨、雪天氣,只有當南支槽與冷空氣、寒潮過程相遇(即“槽潮”結合天氣),才會出現(xiàn)強降雨(雪)天氣,并伴隨強烈降溫,2007年降溫降雪南支槽過程即屬于這類結合天氣。而2008年的南支槽天氣過程從系統(tǒng)上來看,并無明顯強冷空氣配合,出現(xiàn)如此明顯降水實屬少見,在實際預報中出現(xiàn)很大意見分歧。單一南支槽引發(fā)的云南冬季強降水過程,因極少出現(xiàn),相應研究較少。而云南冬季強降水過程(包括大雨、暴雨和大雪)平均每年約有一次,雖然其概率低,但由于強度大、影響范圍廣、危害重,因而成為云南冬半年的主要災害性天氣之一。因此,深入研究冬季南支槽強降水的發(fā)生機理也就極其必要。本文將2007和2008兩次南支槽強降水過程進行對比分析,為今后此類天氣的預報服務積累一些經(jīng)驗。

        1 資料和方法

        2007年1月31日—2月1日云南出現(xiàn)一次明顯的降溫降雪南支槽過程,全省5站無雨,中雨58站次,其中中到大雨(25 mm≥R24≥17 mm)的有30站次,大雨19站次,暴雨1站次,滇中及以北、以東地區(qū)出現(xiàn)小到中雪局部大雪天氣(圖1a)。這次過程降雪范圍大、強度強,是2006年入冬最強的一次南支槽降水過程(圖1b),同時也是繼2005年3月3—5日降雪過程之后最為明顯的一次大范圍降雪過程。此次過程中,一些地區(qū)高海拔路段因積雪、積冰導致高速公路封閉和局部地方蔬菜大棚倒塌等災情,造成一定經(jīng)濟損失。

        2008年1月26—27日云南省出現(xiàn)一次明顯的強降水過程,其中大雨15站次,暴雨1站次,中雨45站次,其中中到大雨(25 mm≥R24≥17 mm)的有17站次,全省僅3站無雨,強降水區(qū)域集中在滇西到滇中的昆明西部,成為2007年入冬以來降水強度最強、范圍最廣的一次降水過程。至此,滇東北昭通冰凍降雪持續(xù)低溫天氣已演變?yōu)?0 a一遇,電線結冰厚度最大達12~60 mm,嚴重的冰凍降雪天氣致使滇東部分地區(qū)交通和通訊中斷。

        圖1 云南降水量分布(mm;陰影區(qū)為大于17 mm)a.2007年1月31日20時—2月1日20時;b.2008年1月26日20時—27日20時Fig.1 The distribution of the precipitation(mm)in Yunnan Province(The shaded area indicates the distribution of precipitation≥17 mm) a.20:00 BST 31 January 2007—20:00 BST 1 February 2007;b.20:00 BST 26 January 2008—20:00 BST 27 January 2008

        資料選取2007年1月30日08時—2月2日08時和2008年1月26日08時—29日08時(北京時,下同)高空探空資料,物理量計算資料取自Micaps系統(tǒng)客觀分析的1°×1°的格點資料,非標準層的資料采用拉格朗日插值方法求得。

        2 環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)對比

        2.1 2007年1月31日—2月1日過程的環(huán)流形勢

        2007年1月31日20時,500 hPa亞歐中高緯為兩槽一脊型,南支槽形成NE—S W向橫槽東移到高原東南部100°E,印度北部85°E附近又有一新生南支槽,除滇西北外,各站T-Td均小于2.0℃。700 hPa麗江—昆明為NW—SE向切變。850 hPa冷高壓增強東南擴展進入貴州,強勁的冷平流推動地面冷鋒西伸增強到達哀牢山附近,與南支槽前西南氣流共同作用,導致滇中的昆明、楚雄東部及滇東的昭通、曲靖開始出現(xiàn)降雪,滇西大部地區(qū)、滇中的楚雄西部降水明顯增強,出現(xiàn)中到大雨天氣。2月1日08時,新生南支槽快速東移與原南支槽疊加,西南氣流增強,20時(圖2a)云南大部轉為風速超過14 m/s的西南急流。850 hPa冷高壓控制了滇中及以東地區(qū),促使地面冷鋒越過哀牢山影響滇西,中低層強勁的暖濕西南水汽配合低層切變、強冷鋒共同作用下,導致云南大部地區(qū)氣溫顯著下降,滇中及以北最高氣溫下降6~10℃,滇中以西出現(xiàn)大雨局部暴雨的強降水天氣,并伴有大范圍降雪,局部強降雪天氣,且大多測站降水達到并超過該站的多年月平均降水量,屬典型的“槽潮”天氣(即南支槽、寒潮降溫降水天氣)。2日,南支槽減弱偏北東移出川,云南大部中低層轉為干冷偏西氣流,地面冷鋒變性減弱東退,寒潮天氣過程結束。

        圖2 500 hPa環(huán)流形勢及700 hPa西南急流分布(實線為500 hPa高度場,單位:dagpm;虛線為700 hPa風速大于等于12 m/s的西南急流,單位:m/s) a.2007年2月1日20時;b.2008年1月27日08時Fig.2 Geopotential height fields at500 hPa and the low-level jet at 700 hPa(solid lines indicate geopotential heights at 500 hPa;dashed lines indicate the low-level southwesterly jet with wind velocity≥12 m/s at 700 hPa) a.20:00 BST 1 February 2007;b.08:00 BST 27 January 2008

        2.2 2008年1月26—27日過程的環(huán)流形勢

        2008年27日08時(圖2b),500 hPa亞歐中高緯度45°N以北為兩槽一脊,由于南海副熱帶高壓略北抬,南支槽穩(wěn)定少動,高原南部西南急流區(qū)維持,云南中部以北地區(qū)濕度增大。同時,700 hPa川西低渦南移靠近麗江,全省大部地區(qū)西南急流風速達20 m/s以上。850 hPa冷高壓停滯于貴州北部,僅有小股弱冷空氣沿冷高壓南側東北或偏東回流進入滇東北,使靜止鋒始終維持在滇東。受東移西南渦的影響,西南暖濕氣流輻合抬升,滇西、滇中出現(xiàn)中到大雨,局部暴雨天氣。因無強冷空氣配合,僅滇西北高海拔地區(qū)受地形抬升作用,出現(xiàn)降雪天氣。而滇東北、滇東地區(qū)因受暖濕水汽與靜止鋒的共同影響,導致滇東北、滇東冰凍降雪天氣持續(xù)。27日20時,500 hPa南支橫槽轉豎并分裂為兩段:前段低槽快速東移出川,后段偏北東移到92°E,繼續(xù)影響滇西,低層700 hPa川西低渦減弱為低槽偏北東移出川,滇西轉為槽后西北氣流區(qū),相應滇西降水強度減弱,雨區(qū)南移。

        綜上分析,兩次南支槽降水的環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)均不同:2007年的過程中,高原南支槽前西南暖濕氣流與低層切變、冷鋒共同影響,為典型的“槽潮”天氣;后者過程則為亞歐中高緯由緯向型兩槽兩脊型轉變?yōu)槠钡膬刹垡患剐?無明顯強冷空氣南下,中低層西南急流的建立并長時間維持,新生南支槽東移補充、西南渦及靜止鋒的共同影響造成。

        3 形成機制對比分析

        3.1 濕位渦診斷分析

        對稱不穩(wěn)定(CSI)是一種中尺度斜壓不穩(wěn)定,許多研究表明[19-22],對稱不穩(wěn)定是鋒面附近強降水和對流發(fā)展的重要物理機制。Bennetts和Hoskins[1]的研究指出,濕球位渦(MPV)小于零是大氣發(fā)生條件性對稱不穩(wěn)定的充分必要條件,濕位渦在等壓面上的水平分布狀況可以反映出CSI的區(qū)域和強弱。為此分析了兩次降水過程期間的濕位渦分布情況。

        2007年1月30日過程開始前滇東為濕位渦正值區(qū),鋒面影響地區(qū)的大氣層結往往是位勢穩(wěn)定的,滇西為濕位渦負值區(qū)。隨著冷鋒加強,正值區(qū)自東向西推進。31日08時,與哀牢山附近鋒面對應,102°E附近形成一條NW-SE向濕位渦等值線密集帶,孟灣北部有一片濕位渦負的大值區(qū)向東北伸展,表明來自孟灣的西南氣流攜帶不穩(wěn)定能量和水汽向云南輸送,滇西濕位渦數(shù)值在-2×10-7m2·s-1·K·kg-1以下。20時(圖3a),云南25°N以北到四川盆地轉為濕位渦正值區(qū),對應低層川滇切變形成,北側正值區(qū)即為下沉穩(wěn)定的偏北氣流區(qū),而25°N以南地區(qū)全部轉為濕位渦負值區(qū),其中-3×10-7m2·s-1·K·kg-1以下的大值中心位于滇西南,與強降水大值區(qū)完全對應(圖3a)。

        2008年1月26—28日整個強降水過程期間,26°N以北至四川盆地、103°E以東地區(qū),即滇西北、滇東北所在區(qū)域一直穩(wěn)定處于濕位渦正值區(qū),這與滇東穩(wěn)定的靜止鋒、滇西北處于低渦環(huán)流西側偏北氣流對應。濕位渦較大的負值區(qū)自孟灣向東北伸展進入云南,滇西、滇南其它地區(qū)始終處于濕位渦較大的負值區(qū),滇西地區(qū)中心數(shù)值在-12×10-7m2·s-1·K·kg-1以上,且26日08時開始增大,20時(圖3b)過程開始時達到最大值-16×10-7m2·s-1·K·kg-1以上,表明中低層西南急流的長久維持,為強降水發(fā)生積聚了大量的較強不穩(wěn)定能量,是強降水發(fā)生必要的熱力不穩(wěn)定條件。

        上述分析表明,前者低層弱的對稱不穩(wěn)定區(qū)中的暖濕氣流在有冷空氣動力觸發(fā)條件下,可導致氣流強迫抬升產生強降水;而后者為強的對稱不穩(wěn)定區(qū),由于積聚了大量的較強不穩(wěn)定能量,稍有擾動,即可產生強降水。

        3.2 θse與垂直速度分析

        為了解強降水發(fā)生前后大氣中的水汽和能量變化,以及高低層風場的配置情況,制作了沿25°N的θse與垂直速度(垂直速度矢用v與-w確定)的剖面合成圖進行分析。

        圖3 700 hPa濕位渦分布(10-7m2·s-1·K·kg-1) a.2007年1月31日20時;b.2008年1月26日20時Fig.3 The distribution of MPVat 700hPa(units:10-7m2·s-1·K·kg-1) a.20:00 BST 31 January 2007;b.20:00 BST 26 January 2008

        2007年1月30日08時,98~102°E強降水落區(qū)的低層600hPa以下為弱的氣流上升區(qū),600hPa以上為一致的偏北下沉氣流,該區(qū)域有316K的θse大值區(qū)向北斜升到650hPa,隨后氣流上升區(qū)向高層發(fā)展。2月1日08時(圖4a)322K的θse大值區(qū)到達350hPa,為本次過程的最大值,表明不穩(wěn)定能量和水汽積聚到最大。同時100~102°E區(qū)域與鋒面對應為θse密集帶,相應氣流上升區(qū)到達300hPa,在102°E向東轉為偏北下沉氣流。這樣,西側低空暖濕氣流被迫抬升,與下沉的冷氣流構成垂直環(huán)流,進而誘發(fā)不穩(wěn)定能量釋放。20時以后,隨著降水釋放能量,θse開始減小,2日08時垂直環(huán)流圈消失,弱的上升氣流區(qū)僅在99°E以東維持,100°E以東自低層到高層轉為下沉氣流,相應強降水結束。

        2008年1月27日08時(圖4b),隨著西南急流的持續(xù)加強,滇西上升氣流增強到達300hPa,在101°E以東轉為下沉氣流,與滇中以東地區(qū)弱的上升氣流在600hPa附近再次形成輻合,相應100~102°E附近的320Kθse線呈舌狀自低層向高層到達400hPa。深厚的輻合上升氣流,促使大量不穩(wěn)定能量釋放,滇西降水強度較大,而滇中以東中低層雖有輻合帶存在,由于抬升凝結的水汽少,相應降水偏弱。20時后,深厚的上升氣流區(qū)東移到105°E以東的貴州境內,云南全境僅700hPa以下維持弱的上升氣流,且由于能量釋放,滇西θse數(shù)值減小到320K以下,降水明顯減弱。28日20時,100°E以西全部轉為下沉氣流,強降水結束。

        圖4 沿25°N的θse(K)及垂直速度(m/s)分布鉛直剖面合成(圖a圓圈區(qū)所示為次級垂直環(huán)流圈,圖b虛直線區(qū)為輻合線) a.2007年2月1日08時;b.2008年1月27日08時Fig.4 Cross section ofθse(K)and vertical velocity(m/s)at25°N(The circle in(a)indicates the secondary circulation;the shaded region w ith dashed lines in(b)denotes convergence) a.08:00BST1February2007;b.08:00BST27January2008

        綜上分析,前者θse強度強于后者,地面鋒區(qū)對應θse密集帶;后者有兩個θse密集帶分別對應滇中以東的靜止鋒和中低層的西南急流鋒區(qū),且自過程開始前就已形成,并一直維持到過程結束。

        從垂直運動看:前者形成次級垂直環(huán)流圈,誘發(fā)不穩(wěn)定能量釋放,導致強降水強降溫并伴有大范圍降雪產生的寒潮天氣出現(xiàn);后者無次級垂直環(huán)流圈形成,但滇中以西持續(xù)的上升氣流不斷增強且深厚,滇中以東中低層有弱的氣流輻合帶,故此次強降水以液態(tài)降水為主,降溫不明顯,僅滇東局部出現(xiàn)降雪。

        3.3 非地轉Q矢量鋒生函數(shù)分析

        昆明準靜止鋒是云貴高原上的重要天氣系統(tǒng),其移動的強弱變化是引發(fā)云南冬季大范圍強降水的主要原因之一。非地轉Q矢量鋒生函數(shù)是一個能反映氣團鋒生或鋒消的物理量,當鋒生函數(shù)值大于0時,氣團鋒生,反之鋒消[23]。分析沿25°N隨時間變化分布的鋒生函數(shù)垂直剖面,圖5a中2007年1月31日08時之后,位于102°E滇中以東的正值鋒生區(qū)開始加強西移,20時快速西進至滇西100°E附近,此后到2月2日一直維持在99°E附近。期間2月1日08—20時,鋒生函數(shù)正值達最大,中心值強度12×10-17K·hPa-1·s-3的范圍正好與降雪及強降雨區(qū)對應。該鋒生為川滇切變增強西移,低層冷高壓推動冷鋒增強所致。之后正值區(qū)范圍少變,但強度減弱,實況切變減弱東退,冷高壓強度減弱,故2日鋒生正值區(qū)范圍仍維持陰冷的寒潮天氣,而降水減弱,強降水過程結束。

        圖5 沿25°N濕Q鋒生函數(shù)(10-17K·hPa-1·s-3)剖面的時間演變 a.2007年1月30日08時—2月2日08時;b.2008年1月26日08時—29日08時Fig.5 T im e evolution of the wet Q Frontogenesis function(10-17K·hPa-1·s-3) a.08:00BST30January2007—08:00BST2Februray2007;b.08:00 BST26January2008—08:00BST29January2008

        圖5b為2008年過程,1月26日08時—27日08時的鋒生函數(shù)正值位于99~103°E,且呈逐步增強趨勢,26日20時正值達最大,中心值強度8×10-17K·hPa-1·s-3的范圍與滇西強降水落區(qū)對應較好。該鋒生為高原東移西南渦,配合南支槽前穩(wěn)定持續(xù)的強勁西南風低空急流,使穩(wěn)定維持的靜止鋒變得活躍起來。強烈的氣流匯合又增強了靜止鋒鋒生,從而促使鋒面加強。27日后,鋒生函數(shù)正值區(qū)減弱東退,實況為西南渦減弱東移,滇西西南急流減弱消失,轉為槽后偏北下沉氣流控制,強降水結束。

        由上分析可見,由于非地轉鋒生造成暖濕水汽被抬升,觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放,從而導致兩次強降水過程的產生。前者鋒生是由切變增強西移,低層冷高壓促使冷鋒增強,后者鋒生則為東移西南渦與穩(wěn)定持續(xù)的強勁西南風低空急流觸發(fā)而成。

        4 結論

        (1)兩次南支槽降水過程對比,前者為典型的“槽潮”天氣,后者非寒潮過程,無明顯強冷空氣配合,是中低層西南急流的建立并長時間維持,新生南支槽東移補充、西南渦及靜止鋒的共同影響造成。

        (2)濕位渦分析表明,前者為弱的對稱不穩(wěn)定區(qū)中,暖濕氣流因強冷空氣動力觸發(fā)造成,后者為強的對稱不穩(wěn)定區(qū),由于西南急流積聚了大量不穩(wěn)定能量,稍有擾動,即可產生強降水。

        (3)θse強度看,前者θse較強,冷暖氣流形成次級垂直環(huán)流圈,進而誘發(fā)不穩(wěn)定能量釋放,后者兩個θse密集帶分別對應滇中以東的靜止鋒和中低層的西南急流鋒區(qū)且長久維持,滇中以西持續(xù)的上升氣流不斷增強且深厚,滇中以東中低層形成有弱的氣流輻合帶。

        (4)兩次強降水過程均有鋒生,前者鋒生是由切變增強西移,低層冷高壓促使冷鋒增強,后者鋒生則為東移西南渦與穩(wěn)定持續(xù)的強勁西南風低空急流觸發(fā)而成。

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