唐偉民 劉漢華

(臺州市氣象局,浙江臺州318000)

“20070814”臺州市特大暴雨過程診斷分析

唐偉民 劉漢華

(臺州市氣象局,浙江臺州318000)

通過對2007年8月14日臺州市沿海特大暴雨的診斷分析,結果表明:(1)特大暴雨發(fā)生是高空西風槽、低層暖切和地面倒槽共同作用的結果;(2)東海上中β對流云團發(fā)展,并移至臺州上空,是強降水發(fā)展和維持的重要原因;(3)局地的風場輻合是此次特大暴雨主要集中在臺州沿海地區(qū)的關鍵原因;(4)暴雨過程中的物理量場變化對暴雨區(qū)有一定的指示作用。最后對3次相似過程做了對比分析,發(fā)現(xiàn)一些共性,對于提高暴雨預報準確率有一定的指導意義。

特大暴雨;暖式切變;水汽輻合;診斷分析;對比分析

0 引 言

2007年8月14日臺州市東部沿海地區(qū)遭遇了罕見的特大暴雨,降水時間集中在14日7—17時(北京時,下同),累積雨量大于100 mm的站點有20個,其中最大降水中心在赤龍站(299.8 mm)和椒江站(295.9 mm),最大雨強達91.9 mm/h。此次降水過程雨勢猛、強度大,突發(fā)性和局地性非常強,臺州市有6個站點超警戒水位,部分山區(qū)出現(xiàn)山體滑坡。此類暴雨預報難度大,一旦出現(xiàn)就直接致災。本文將運用天氣圖、云圖、多普勒雷達圖,以及NCEP 1°×1°的6 h分析資料來對此次特大暴雨進行形勢、物理量等的診斷分析,并對與以往有相似特點的“20020913”、“20030914”特大暴雨過程做了對比分析,發(fā)現(xiàn)一些明顯的特征和這類暴雨的共性。

1 環(huán)流背景分析

2007年8月12日08時起500 hPa高度場上,華北到華中有一深厚的大槽緩慢東移,溫度槽明顯落后于高度槽,低槽的徑向度較大,槽底接近23°N,13日高空槽維持少動,槽底加寬,臺州上空偏西氣流控制。14日08時流場(圖1)可以看出由于塊狀副高穩(wěn)定地維持在日本上空, 500 hPa西風槽仍維持少動,且分為兩段,北段槽底位于26°N,南支槽底在20°N左右,南支槽前的西南氣流和副高西側的南南東氣流在浙中沿海附近交匯。700 hPa,江蘇-安徽-江西為一穩(wěn)定的低槽,槽后西北氣流不斷地輸送弱冷空氣到浙江沿海地區(qū),在廣東有一低渦。850 hPa,廣東低渦倒槽向東北伸至浙江中南部沿海地區(qū)形成一穩(wěn)定的暖切。地面圖上,14日08時,浙中南沿海地區(qū)在西南-東北向倒槽頂部。分析發(fā)現(xiàn),14日白天,副高有所加強西伸, 588線西伸到126°E,西風槽北段仍維持,南支發(fā)展成低壓環(huán)流,臺州上空中高層轉由副高西南側和低壓環(huán)流之間的南南東氣流控制。同時,低層地面倒槽不斷向東北發(fā)展,頂部維持在浙江沿海,臺州低層逐漸轉受東南氣流控制,水汽和能量輸送非常有利于沿海地區(qū)強降水維持。通過以上分析,可見此次強降水發(fā)生是西風槽、低層暖切、地面倒槽共同作用的結果。

2 云圖、雷達圖分析

此次強降水發(fā)生前,赤道輻合帶活動非常活躍,前期7號臺風“帕布”、8號熱帶風暴“蝴蝶”剛走,3號熱帶低壓于11日消亡,9號臺風“圣帕”于13日凌晨在菲律賓以東洋面上生成。14日凌晨,東海上不斷有中對流云團發(fā)展,并隨東南引導氣流,移至臺州沿海地區(qū),使強降水得以維持發(fā)展(圖2a)。

組合反射率可以很直觀地反映強回波的中心位置和降水回波強度。14日7時30分(圖略),臺州黃巖、三門東部有兩塊回波產(chǎn)生,最強強度達63 dBz,對應此時臺州黃巖、三門東部、臺州市區(qū)出現(xiàn)降水,臺州市區(qū)1 h降水達54.8 mm。此后,兩塊回波逐漸發(fā)展合并,同時,溫州地區(qū)也有局地強回波產(chǎn)生,并逐漸與臺州地區(qū)回波連成一線,東海上有西北-東南向帶狀回波發(fā)展(與云圖上顯示有中對流云團發(fā)展一致),并有與溫臺回波帶結合的趨勢,10時34分 (圖2b),兩條回波帶組合成“人”字狀,最強強度達62 dBz,左段覆蓋了寧波石浦-臺州沿海地區(qū)-溫州一帶,右段則繼續(xù)發(fā)展向西北移動。此種形態(tài)維持兩個小時左右,臺州沿海地區(qū)降水強度達到最強,臺州市區(qū)赤龍站11時1 h累積降水達91.9 mm。12時32分(圖略),右段逐漸斷開并有所減弱,左段維持少動,回波中心強度為58 dBz,此后該段回波緩慢北移。16時08分(圖略),回波強度減弱至30 dBz,臺州地區(qū)的強降水才逐漸結束。由此可見,海上中對流云團回波對強降水發(fā)展起了重要作用,組合反射率的變化可以反映降水強度的變化。

圖1 14日08時不同高度流場圖

圖2 a 14日11時36分紅外線云圖

圖2 b 14日10時34分CR

3 自動站實時資料分析

出現(xiàn)如此強烈的降水,除了很好的形勢配置,應該有局地小系統(tǒng)環(huán)流的明顯作用。下面我們將利用自動站實時風場資料來分析此次強降水產(chǎn)生過程中的中小尺度系統(tǒng)。

14日08時(圖3a),臺州市區(qū)東部沿海有明顯的風向輻合,10時(圖3b)地面中小尺度輻合仍維持,風速輻合變明顯,東南風加大,對應此時臺州市區(qū)降水強度變更強。此后,坎門到溫州北部沿海局地的風場輻合變明顯,對應雷達回波上溫州沿海到坎門產(chǎn)生強降水回波。12時(圖略),臺州市區(qū)的風向輻合仍在,風速輻合減弱,故降水強度有所減弱。風向輻合一直貫穿了整個強降水過程中,直到16時(圖略),臺州沿海地區(qū)風向轉為一致的偏北風,臺州市區(qū)的強降水才逐漸結束。由此可見,臺州沿海地區(qū)局地的風場輻合是此次強降水主要集中在臺州沿海地區(qū)的關鍵原因。從14日08時24h變溫場(圖略)來看,臺州沿海地區(qū)低層到地面都處于負變溫中心(-2℃)區(qū)域中,說明之前低層到地面有弱冷空氣滲透,這和前面環(huán)流背景分析是一致的。此次局地的中小尺度輻合正是由于有弱冷空氣滲透、地面又有倒槽發(fā)展而引起的,容易產(chǎn)生在弱冷空氣與暖濕氣流交匯處,也即倒槽頂部。

圖3 地面自動站兩分鐘平均風風場(圖中黑色矩形為臺州市區(qū))

4 物理量場診斷分析

充足的水汽、垂直運動和不穩(wěn)定能量的釋放是暴雨產(chǎn)生的必要條件,下面將利用實時觀測資料、NCEP 1°×1°的6 h分析資料作物理量場診斷分析,發(fā)現(xiàn)這些物理量對本次大暴雨的產(chǎn)生有一定的指示作用。

4.1 水汽條件

選用各等壓面的比濕、水汽通量、水汽通量散度分析,發(fā)現(xiàn)水汽的輸送和輻合主要發(fā)生在中低層,在低層尤其明顯。水汽來源主要有兩個通道(圖4):一是華南低渦東部的西南氣流;一是海上高壓西側的東南偏南氣流。后一個水汽通道主要是出現(xiàn)在08時后,兩條水汽通道在臺州沿海匯合,使降水得以顯著的發(fā)展和維持(這與上面的雷達圖分析是一致的)。

根據(jù)1000 hPa水汽通量散度分析,14日02 (圖略)時,浙中南處于水汽的弱輻合區(qū),隨后輻合逐漸加強,08時(圖4a),中心達-7×10-5g· cm-2·hPa-1·s-1,位于臺州東部海上。此后,東部海上水汽通道作用加強。14時((圖4b),輻合區(qū)范圍擴大,并形成兩個輻合中心:一個位于江西、福建交界處;一個則位于臺州沿海南部海上,中心強度增強到-8×10-5g·cm-2·hPa-1· s-1。此后,輻合區(qū)逐漸減弱,沿海的輻合中心逐漸向東北移到東部海上。低層水汽輻合加強至減弱,與強降水過程的起止時間有很好的對應關系。

圖4 1000 hPa水汽通量散度場(單位:10-5g·cm-2·hPa-1·s-1)和風矢量場(單位:m/s)

4.2 垂直運動分析

分析各層的渦度、散度場(圖略),可以發(fā)現(xiàn),此次低層輻合比較明顯,而中高層的輻散不怎么明顯,這意味著地方性強降水的產(chǎn)生不一定要求有很深的輻合層,只要低層的輻合足夠強,中高層有弱輻散,也會有利于上升運動的發(fā)生發(fā)展。此外通過分析經(jīng)過強降水中心經(jīng)度121.3°E的渦度剖面圖(圖5),可以發(fā)現(xiàn),27.3°N～28.7°N低層的正渦度區(qū)跟強降水區(qū)有很好的對應關系。

圖5 14日14時,沿121.3°E的渦度緯向垂直剖面圖(單位:10-5s-1)

4.3 不穩(wěn)定能量分析

根據(jù)實況探空圖(圖略),13日20時,椒江洪家站的沙氏指數(shù)為0.5℃,K指數(shù)為33℃, Δ θse(500hPa-850hPa)為-9.9℃;14日08時,其沙氏指數(shù)加大為-1.0℃,K指數(shù)增為38℃, Δ θse(500hPa-850hPa)減小至-2.1℃。K指數(shù)、沙氏指數(shù)為適中的數(shù)值,說明不穩(wěn)定度比較適中,低層冷平流南下,激發(fā)中小尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展,引發(fā)強降水的產(chǎn)生,而不是高空冷平流南下,后者易造成很強的不穩(wěn)定天氣現(xiàn)象,反而不利于大降水持續(xù)。Δ θse(500hPa-850hPa)在暴雨產(chǎn)生后,急劇減小,可能與低層堆積的不穩(wěn)定能量向上傳輸,造成整個中低層的增溫增濕有關[2]。

分析各時次的地面最佳抬升指數(shù),可以發(fā)現(xiàn)強降水發(fā)生時,中低層大氣層結是不穩(wěn)定的,地面最佳抬升指數(shù)對暴雨區(qū)有一定的指示作用(圖略),14時,地面最佳抬升指數(shù)負值區(qū)正好覆蓋了浙中南沿海地區(qū)。

分析假相當位溫場,14日08時(圖6),臺州沿海地區(qū)正好處于能量鋒區(qū)等θe密集帶地區(qū),接近76 K的高能中心。

圖6 14日08時850 hPa等θe分布(單位:K)

5 與以往兩次特大暴雨的對比分析

10 h左右的時間內,在沿海平原地區(qū)產(chǎn)生300 mm左右的強降水,排除熱帶氣旋的直接影響,這種過程產(chǎn)生的系統(tǒng)和條件肯定有著特殊之處。

將近10 a發(fā)生在臺州沿海地區(qū)的另兩次具有相似特點的強降水過程(20020913,最大降水為368.4 mm;20030914,最大降水為319 mm)與此次過程作對比分析,發(fā)現(xiàn)雖然3次過程產(chǎn)生的大尺度背景不盡相同,但在利于強降水產(chǎn)生的條件上存在一些共同的特性:

(1)強暴雨發(fā)生前幾天,赤道輻合帶非常活躍并向北發(fā)展至東海。強暴雨發(fā)生前,東海上不斷有對流云團發(fā)展并移向沿海。

(2)3次過程發(fā)生前,近地面層均有西南倒槽伸至浙江中南沿海。

(3)這3次強暴雨過程中,從華南至浙江有穩(wěn)定的西南氣流輸送;暴雨發(fā)生前,海上副高西南側出現(xiàn)很強的低層東南氣流。兩支氣流在浙江中南部沿海地區(qū)匯合,是此類過程的一個很顯著的特點。

(4)幾次過程發(fā)生在副高強盛(如20020913,暴雨中心洪家站500 hPa達591位勢什米)或副高增強西伸時,副高的態(tài)勢是出現(xiàn)偏東南急流的主要原因。

(5)由于低層水汽輸送強盛,沿海地區(qū)能量堆積大,其鋒區(qū)非常明顯,能級高(表1)。3次強降水落區(qū)均處于能量鋒區(qū)密集帶靠近θe≥72 K的高能中心。

(6)強降水中低層為不穩(wěn)定層結,對流不穩(wěn)定度較弱(表1)。表格中K、S和Δ θse(500hPa-850hPa)均取自強暴雨中心附近的洪家站的記錄。由于探空時次的限制,20020913和20070814的數(shù)據(jù)為降水剛開始后,20030914取自降水發(fā)生前。分別與其前一時次的數(shù)據(jù)對比,K、S指數(shù)略增,但Δ θse(500hPa-850hPa)在降水開始后有一個明顯的減小過程。這幾次過程均未出現(xiàn)大風與雷電,這使得能量釋放只能以降水形式發(fā)生,且一旦發(fā)生,降水量會比較大。

表1 3次過程不穩(wěn)定參數(shù)表

(7)低層弱冷空氣擴散南下,使得地面倒槽頂部能量鋒區(qū)維持并加強,并且激發(fā)鋒區(qū)能量密集帶中小尺度的發(fā)生發(fā)展。幾次過程中,地面風場輻合的開始到結束與強降水的起止時間對應很好。

6 結 論

本文通過運用實時探測資料、云圖、6 min一次的多普勒雷達圖、以及NCEP 1°×1°的6 h分析資料來對此次特大暴雨進行的形勢和物理量診斷分析,得到以下結論:

(1)此次強降水發(fā)生是西風槽、低層暖切、地面倒槽共同作用的結果。

(2)東海上中β對流云團發(fā)展,并移至臺州上空,是強降水發(fā)展和維持的重要原因。

(3)局地的風場輻合是此次特大暴雨主要集中在臺州沿海地區(qū)的關鍵原因。

(4)暴雨過程中的物理量場變化對暴雨區(qū)有一定的指示作用,強降水區(qū)與水汽通量輻合區(qū)、低層正渦度區(qū)、最佳抬升指數(shù)負值區(qū)有很好的對應關系。此外,強降水區(qū)中低層為不穩(wěn)定層結,并且位于等密集帶靠高能一側。

此外,通過以往兩次特大暴雨的對比分析,發(fā)現(xiàn)臺州沿海地區(qū)強暴雨產(chǎn)生時具有一些共性,我們在做預報時,要重視這些共同的特征,雨量預報要突破常規(guī)。

[1] 濮梅娟.暴雨天氣動力過程及降水增幅機理的研究[D].南京信息工程大學,2005.

[2] 朱乾根,林錦瑞,壽紹文,等.天氣學原理和方法.北京:氣象出版社,2000:649.

[3] 壽紹文,勵申申,姚秀萍.中尺度氣象學.北京:氣象出版社,2003:370.

2009-12-23