張端禹 王曉芳 崔春光 閔愛榮 向芬

(1 中國氣象局 武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點實驗室,武漢 430205;2 湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心,武漢 430074)

引 言

熱帶氣旋是影響我國夏秋季暴雨過程的因素之一,其中熱帶氣旋倒槽引發(fā)較多。不僅沿海地區(qū)[1],內(nèi)陸省份也可能受到它的侵?jǐn)_[2]。熱帶氣旋倒槽的垂直結(jié)構(gòu)與移向、移速是關(guān)系到暴雨落區(qū)、時間與強度的關(guān)鍵因素。吳蓁等[3-4]研究發(fā)現(xiàn),中層臺風(fēng)低壓倒槽的移速快于低層且在暴雨區(qū)形成一支自下而上向西傾斜的上升氣流,引發(fā)對稱不穩(wěn)定能量釋放,使傾斜對流發(fā)展;當(dāng)前方或北方有明顯的24 h負(fù)變溫時,倒槽將停滯或倒退。

熱帶氣旋倒槽與西風(fēng)槽、切變線和冷空氣等天氣系統(tǒng)的相互作用是關(guān)系到暴雨落區(qū)、時間與強度的另一個關(guān)鍵因素。陳小蕓等[5]分析2002年9月27日佛山、廣州暴雨發(fā)現(xiàn),暴雨發(fā)生在臺風(fēng)倒槽與西風(fēng)槽相結(jié)合、斜壓性最強的地方。JIANG, et al[6]研究2001年7月6—7日上海嘉定特大暴雨發(fā)現(xiàn),暴雨發(fā)生在北方西風(fēng)槽與南方臺風(fēng)倒槽相互作用形勢下。黃志勇等[7]分析2005年臺風(fēng)“海棠”和“泰利”對湖北降水影響時發(fā)現(xiàn),有無次級環(huán)流是在臺風(fēng)倒槽影響下能否發(fā)生強降水的決定條件。徐遠(yuǎn)波等[8]分析2005年8月鄂西北臺風(fēng)“珊瑚”倒槽暴雨時發(fā)現(xiàn),中、低緯環(huán)流系統(tǒng)的相互作用是暴雨發(fā)生的關(guān)鍵。ZHAO, et al[9]分析研究2004年8月臺風(fēng)“艾利”同西風(fēng)槽后冷空氣相互作用引發(fā)山東強降水表明,暴雨由倒槽觸發(fā),而倒槽又是與臺風(fēng)低壓外圍東南風(fēng)低空急流向北輸送熱量和動量相聯(lián)系。周明飛等[10]對比分析貴州3次臺風(fēng)倒槽暴雨,發(fā)現(xiàn)由單一臺風(fēng)倒槽引發(fā)的暴雨區(qū)別于由臺風(fēng)倒槽與切變線或冷空氣結(jié)合所引發(fā)的暴雨。朱明等[11]分析2012年8月4—6日鄂西北特大暴雨發(fā)現(xiàn),臺風(fēng)“蘇拉”倒槽、東南風(fēng)和東風(fēng)超低空急流與華北擴(kuò)散南下的冷空氣是其主要影響系統(tǒng)。潘婧茹等[12]研究2012年8月8—10日蘇北特大暴雨后期發(fā)現(xiàn),臺風(fēng)倒槽東側(cè)低空暖濕氣流與高空槽后冷空氣疊加,釋放不穩(wěn)定能量,維持和增強大暴雨過程。

江漢平原地處29.5°～31.5°N、111.5°～114.0°E，屬湖北省中部,由長江及其支流漢江沖積而成,屬于比較典型的河積—湖積平原。它的西部是地勢較高的鄂西山地,東部有大別山和幕府山。2013年8月23—24日,受1312號登陸熱帶低壓“潭美”北側(cè)的中、低層倒槽等影響,江漢平原連續(xù)2 d出現(xiàn)強降水過程。這次暴雨與短時強降水各有何特點?短時強降水落區(qū)與熱帶氣旋低層倒槽位置關(guān)系是否密切?熱帶低壓低層倒槽移動的特征與原因各是什么?這是本文分析的主要問題,以期為當(dāng)?shù)叵摹⑶锛緩娊邓A(yù)報增加依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

包括:(1)CMA-STI 2013年熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)(http:∥tcdata.typhoon.org.cn),時間間隔為6 h,包括熱帶氣旋強度、中心緯度和經(jīng)度、中心最低氣壓(hPa)和近中心最大風(fēng)速(m·s-1)等[13];(2)美國環(huán)境預(yù)報中心(National Center of the Environmental Prediction, NCEP) 的地球預(yù)報系統(tǒng)(Global Forecast System, GFS)分析場資料,時間分辨率為6 h、水平分辨率為0.5°×0.5°,該資料垂直方向分為26層;(3)常規(guī)高空、地面觀測與湖北省國家級自動氣象站小時降水量觀測數(shù)據(jù);(4)FY-2E靜止衛(wèi)星(定點于105°E赤道上空)TBB資料,水平分辨率為0.1°×0.1°、時間間隔為1 h。其中,每日00—02時(北京時,下同)TBB資料缺測。

Olanski[14]將大氣運動分為大、中、小3種尺度,中尺度運動的水平尺度為2～2 000 km。參考楊大升等[15]:對流云團(tuán)水平尺度在250～2 500 km稱為α尺度,25～250 km稱為β尺度, 2.5～25 km稱為γ尺度。與以往研究一致,將TBB≤-32.0 ℃定義為一般對流,TBB≤-52.0 ℃定義為深對流。與孫磊等[16]研究相同,將國家級自動氣象站小時降水量大于等于20.0 mm定義為短時強降水。

1.2 能量鋒區(qū)強度計算

等壓面能量鋒區(qū)表示干冷、暖濕等不同屬性氣團(tuán)之間的過渡帶;能量鋒區(qū)對暴雨、強對流等天氣具有激發(fā)作用[17]。能量鋒區(qū)強度InteF計算公式為:

(1)

其中:θe是相當(dāng)位溫,單位:K或℃;InteF是能量鋒區(qū)強度,單位:K·m-1或K·(100 km)-1,其數(shù)值越大,能量鋒區(qū)越明顯。

1.3 經(jīng)向風(fēng)局地變化診斷

熱帶低壓倒槽從其中心向北伸出,其西側(cè)是東北風(fēng)、東側(cè)是東南風(fēng)。倒槽兩側(cè)雖都是偏東風(fēng),但南北風(fēng)分量分布卻有區(qū)別,即倒槽西側(cè)是偏北風(fēng),東側(cè)是偏南風(fēng)。倒槽向西經(jīng)過會導(dǎo)致該地由偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng),當(dāng)?shù)亟?jīng)向風(fēng)局地變化項為正值。局地P坐標(biāo)系中,行星邊界層頂附近忽略湍流粘性力,y方向水平運動方程為[15]:

(2)

v的全微商計算式為:

(3)

地轉(zhuǎn)風(fēng)的緯向風(fēng)計算式為:

(4)

地轉(zhuǎn)偏差緯向分量u′的計算式為:

u′=u-ug,

(5)

同時，將公式(3)、(4)、(5)代入公式(2),得到v局地變化計算式:

(6)

其中:公式(6)右端三項分別為v平流、v對流以及u地轉(zhuǎn)偏差的科氏力(單位:10-4m·s-2)。由此可見,經(jīng)向風(fēng)局地變化與此三項皆有關(guān)系,求此三項之和即可得v的局地變化項。

2 “潭美”倒槽活動與江漢平原強降水

2.1 環(huán)流背景與“潭美”活動分析

從2013年8月23—25日08時500 hPa位勢高度平均(圖1)來看:副熱帶高壓在杭州灣至臺灣以東洋面較強,氣流以下沉為主;在湖南、廣西至北部灣一帶為低值區(qū),以上升運動為主;華北至朝鮮半島上空受偏西氣流影響。臺風(fēng)“潭美”于8月16日于我國臺灣以東洋面生成,先向東南方向、后轉(zhuǎn)向西偏北方向移動。22日08時以強熱帶風(fēng)暴級別登陸福建。23日08時向西北方向移動至湘贛交界并減弱為熱帶低壓,20時在湖南西南部停止編號。24日08時“潭美”減弱后的環(huán)流折向西南方向進(jìn)入廣西,25日08時進(jìn)入云南?！疤睹馈北倔w環(huán)流及其北側(cè)倒槽給福建、浙江、江西、安徽、河南、湖北、湖南、廣西、貴州、云南多地帶來了明顯的降水天氣[18]。

圖1 “潭美”移動路徑以及2013年8月23—25日08時我國東南部500 hPa位勢高度平均與風(fēng)場(等值線間隔:4 dagpm;風(fēng)速桿:4 m·s-1;風(fēng)速旗為20 m·s-1,下同)Fig.1 Moving path of Trami;the average geopotential height and wind at 500 hPa over Southeast China at 08∶00 BST from 23 to 25 on August 2013(Contour interval is 4 dagpm;full barb and pennant denote 4 and 20 m·s-1respectively, the same below)

8月22—25日,850 hPa貝加爾湖南側(cè)反氣旋環(huán)流逐步東移南下,其中心位勢高度變化不大;其前方的偏北風(fēng)也不斷南下,最后匯入至“潭美”外圍環(huán)流中,影響我國黃河以南部分地區(qū)(圖略)。

2.2 江漢平原暴雨特征

如圖2所示,湖北省8月23—24日累積降水超過100.0 mm的范圍主要位于鄂西北及鄂西南山地以東的江漢平原。其中,23日08時—24日08時,江漢平原共有9站出現(xiàn)暴雨,未出現(xiàn)大暴雨;24日08時—25日08時,5站出現(xiàn)暴雨、1站出現(xiàn)大暴雨。江漢平原共有4站出現(xiàn)2 d連續(xù)性暴雨,分別為鐘祥、蔡甸、天門和松滋站。平原北部的鐘祥站23日降水量達(dá)87.7 mm,24日降水量達(dá)112.5 mm,是江漢平原暴雨中心。連續(xù)暴雨給當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活造成了嚴(yán)重影響。

圖2 8月23—24日長江中游附近累積降水量超過100.0 mm的站點(陰影表示地形高度超過750 m;虛線矩形框代表江漢平原,下同)Fig.2 Stations whose accumulative rain amount over 100.0 mm in the middle reaches of the Yangtze River from 23 to 24 in August 2013 (Shades denote topography higher than 750 m; dashed line rectangle denotes the Jianghan Plain, the same below)

2.3 江漢平原短時強降水特征

由表1可見,8月23日09時—25日08時,江漢平原共有15個國家級自動氣象站發(fā)生短時強降水,皆出現(xiàn)在15時—次日02時,這表明江漢平原短時強降水易發(fā)生在傍晚前后。其中,23日15—20時2站次發(fā)生短時強降水,平均降水量為29.3 mm,最大小時降水量為17時應(yīng)城站33.4 mm;23日21時—24日02時3站次發(fā)生短時強降水,平均降水量為29.0 mm,最大小時降水量為21時漢川站34.8 mm;23日短時強降水的平均降水量與最大降水量均不是很大。24日15—20時共5站次發(fā)生短時強降水,平均降水量為42.2 mm,最大小時降水量為20時潛江站58.8 mm;24日21時—25日02時共5站次發(fā)生短時強降水,平均降水量為28.4 mm,最大小時降水量為22時仙桃站45.0 mm。綜上,24日短時強降水平均降水量和最大小時降水量比23日同時段明顯增加,且24日發(fā)生短時強降水站次較23日增多。

表1 2013年8月23—24日江漢平原國家級自動氣象站短時強降水特征統(tǒng)計Table 1 Statistical characteristics of short duration heavy rain atautomatic meteorological stations over the Jianghan Plain from23 to 24 in August 2013

23日08時,位于湖南的“潭美”環(huán)流中心距離江漢平原最近約300 km。那么江漢平原此次強降水是否由熱帶低壓環(huán)流本身產(chǎn)生?考慮到:(1)“潭美”在福建沿海最強曾達(dá)到臺風(fēng)級別,偏西行至湖南境內(nèi)已減弱為熱帶低壓,且附近主要對流云位于中心南側(cè),明顯不對稱。(2)基于臺風(fēng)范圍以其系統(tǒng)最外圍近圓形的等壓線為準(zhǔn)[19],23日08時—24日14時,“潭美”外圍圓形等壓線隨熱帶低壓中心從湖南、江西向云南、貴州、廣西一帶轉(zhuǎn)移即遠(yuǎn)離江漢平原,且24日17時后圓形等壓線幾乎不再出現(xiàn)。(3)江漢平原位于“潭美”北側(cè),中低層?xùn)|北風(fēng)與東南風(fēng)之間的切變非常明顯,具有典型的熱帶風(fēng)暴倒槽風(fēng)場特征。綜上,江漢平原強降水主要是由“潭美”北側(cè)的熱帶低壓倒槽而非低壓環(huán)流本身影響所致。

3 “潭美”倒槽垂直結(jié)構(gòu)

23日08時,低層850 hPa“潭美”較長倒槽大致為南北走向,自魯中、皖北南伸至贛北,此時,倒槽只位于湖北省東端,尚未向西經(jīng)移武漢站,倒槽東西兩側(cè)風(fēng)速都較大,氣流輻合明顯。中層500 hPa倒槽也較長,自豫東南延伸至鄂東、贛北,位置比850 hPa倒槽略偏西。

如圖3a所示,23日20時,850 hPa“潭美”較長倒槽自魯南、豫東經(jīng)江漢平原延伸至湘中,江漢平原位于倒槽中段。隨著“潭美”向西南方向移動,倒槽也隨之拖動,甚至還出現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)。倒槽西側(cè)東北風(fēng)風(fēng)速較大,如芷江、宜昌與南陽站風(fēng)速都超過20.0 m·s-1;北風(fēng)區(qū)域較前一個時次向南加強移動。倒槽東側(cè)東南風(fēng)風(fēng)速較小,但仍達(dá)12.0 m·s-1的低空急流標(biāo)準(zhǔn)。就湖北省而言,倒槽自鄂東向西移至武漢站與宜昌站之間的江漢平原。此時“潭美”停止編號。江漢平原東側(cè)武漢站低層暖平流、高層冷平流顯著,西側(cè)宜昌站低層、高層都是暖平流。23日20時前后江漢平原12 h共6站次出現(xiàn)短時強降水,平均降水量達(dá)28.7 mm。

圖3 觀測氣象要素演變(紅風(fēng)羽為200 hPa風(fēng);紫風(fēng)羽為500 hPa風(fēng);紫粗線為500 hPa倒槽;綠風(fēng)羽為850 hPa風(fēng);綠粗線為850 hPa倒槽;綠點線為850 hPa切變線;綠數(shù)字為850 hPa溫度露點差):(a)23日20時;(b)24日08時;(c)24日20時;(d)25日08時Fig.3 Change of observed weather elements(Red barb is wind at 200 hPa;purple barb is wind at 500 hPa; purple bold line is inverted trough at500 hPa; green barb is wind at 850 hPa; green bold line is inverted trough at 850 hPa; green dotted line is shear line at 850 hPa;green digits are the difference of temperature and dew point at 850 hPa)at:(a)20∶00 BST on 23; (b)08∶00 BST on 24;(c)20∶00 BST on 24; (d)08∶00 BST on 25, August 2013

如圖3b所示,24日08時,850 hPa倒槽自湘黔交界向北延伸至湘西北、江漢平原、豫東。倒槽長度較長,湖北還是位于倒槽中段。倒槽北側(cè)鄭州、南陽兩站東北風(fēng)風(fēng)速仍達(dá)到低空急流標(biāo)準(zhǔn)。500 hPa倒槽自湘黔交界向北延伸至鄂西南、西北。

如圖3c所示,24日20時,850 hPa倒槽自桂西、黔東經(jīng)湘西北延伸至江漢平原。倒槽已順時針旋轉(zhuǎn)為東北—西南走向,湖北位于倒槽頂端。此時,由于華北高壓南壓,江淮地區(qū)出現(xiàn)冷式切變線,該切變線西段影響鄂東北。倒槽西側(cè)至切變北側(cè)偏北風(fēng)較大,如重慶、安康和鄭州東北風(fēng)都達(dá)到低空急流標(biāo)準(zhǔn)。500 hPa倒槽經(jīng)黔東、重慶至陜南。此時武漢、宜昌兩站都是低層暖平流、高層冷平流。24日20時前后江漢平原12 h共11站次出現(xiàn)短時強降水,平均降水量達(dá)35.4 mm。這與2012年“?？钡共塾绊懡K東北部引發(fā)特大暴雨[20-21]相似,中層冷平流疊置于低層暖平流之上更有利于強降水的發(fā)生;也相似于2019年受登陸臺風(fēng)“利奇馬”影響的浙西北特大暴雨過程中出現(xiàn)的低層暖濕氣流之上對流層中層出現(xiàn)弱干冷空氣現(xiàn)象[22]。

如圖3d所示,25日08時,850 hPa倒槽移至貴陽、重慶至達(dá)州以西,其走向從逆時針旋轉(zhuǎn)為南北走向。恩施、宜昌兩站都已轉(zhuǎn)為倒槽后東南風(fēng),該層倒槽對湖北的影響結(jié)束。江淮切變線西端仍影響鄂北。500 hPa倒槽則西移至貴陽、重慶至達(dá)州之西,湖北位于加強后的副高西北側(cè)。25日03—08時,江漢平原未發(fā)生短時強降水,09—14時,江漢平原西邊緣枝江縣出現(xiàn)單站短時強降水。25日白天至夜間,湖北僅在鄂東北地區(qū)的英山站出現(xiàn)單站弱暴雨。

23日08—20時,500 hPa與850 hPa倒槽位置基本重合,從武漢站以東移至江漢平原。24日08時,500 hPa倒槽繼續(xù)西移至恩施站上空,850 hPa倒槽卻停留在江漢平原上。24日20時,500 hPa倒槽繼續(xù)西移接近重慶站,而850 hPa倒槽順時針旋轉(zhuǎn)為西南—東北走向,江漢平原位于倒槽北端。24日08—20時,500 hPa與850 hPa倒槽隨高度增加而西傾即前傾。25日08時,850 hPa倒槽快速掃過宜昌、恩施與重慶三站,500 hPa與850 hPa倒槽再次在貴陽、重慶一線西側(cè)重合。此外,自24日20時開始,湖北北部還受到850 hPa江淮弱切變線西端影響。

綜上,當(dāng)500 hPa與850 hPa倒槽于江漢平原上空重合時,當(dāng)?shù)囟虝r強降水站次較少、降水量也較少;當(dāng)500 hPa倒槽西移、850 hPa倒槽順時針旋轉(zhuǎn)為西南—東北走向且頂端繼續(xù)影響江漢平原時,江漢平原短時強降水站次增多、強度增大。相比于500 hPa倒槽,短時強降水落區(qū)與850 hPa倒槽位置更為接近。

4 物理量與對流指數(shù)分析

從表1可以發(fā)現(xiàn),江漢平原短時強降水站次在24日傍晚前后明顯多于23日傍晚前后,強度較大。那么23、24日傍晚前后江漢平原水汽輻合與上升運動有何區(qū)別?

由圖4a可見,23日08時—25日08時,江漢平原區(qū)域平均800 hPa以下層次基本維持水汽輻合。其中,23日傍晚前后較大,輻合值超過6.0×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1;24日傍晚減小但仍超過3.0×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1。從圖4b可以看出,23日08時—25日08時,江漢平原對流層大部基本維持上升運動,24日傍晚上升運動比前一天有所減弱。僅從水汽輻合與上升運動來看,23日傍晚比24日傍晚更有利于當(dāng)?shù)囟虝r強降水的發(fā)生,而實際觀測的短時強降水卻與此矛盾,原因值得進(jìn)一步分析。

圖4 2013年8月江漢平原區(qū)域平均物理量隨高度—時間變化:(a)水汽通量散度(陰影表示水汽輻合,等值線間隔為2.0×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1);(b)上升運動(陰影表示上升運動,等值線間隔為0.2 Pa·s-1)Fig.4 Evolution of physical elements with time and height over the Jianghan Plain on August 2013: (a) divergence of water vapor flux (shade is vaporconvergence; contour interval is 2.0×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1); (b) vertical velocity (shade is upward movement; contour interval is 0.2 Pa·s-1)

大氣低層的能量鋒區(qū)是冷暖與干濕等不同屬性氣團(tuán)之間的過渡帶,在不少暴雨過程往往可找到能量鋒區(qū)的活動[23-25]。由第3節(jié)可知,24日20時,850 hPa江淮冷式切變線的西端開始影響鄂北,到25日08時,該切變線的西端仍在影響鄂北。在更低一些的層次可能受到能量鋒區(qū)的影響。在此分析925 hPa邊界層能量場演變與強降水的關(guān)系。

23日全天925 hPa湖北沒有超過15.0 K·(100 km)-1的明顯相當(dāng)位溫鋒區(qū)活動。24日08時(圖5a)，925 hPa相當(dāng)位溫低值中心位于豫北，其數(shù)值低于60.0 ℃，高值中心位于鄂西南、江漢平原東部、鄂東至豫東南，其中心數(shù)值高于80.0 ℃,東北—西南走向的超過15.0 K·(100 km)-1明顯能量鋒區(qū)位于豫東。24日14時(圖5b),河南北部相當(dāng)位溫下降,其中心數(shù)值低于50 ℃;江漢平原東部相當(dāng)位溫數(shù)值增加,中心數(shù)值超過90 ℃;且在江漢平原首次出現(xiàn)超過15.0 K·(100 km)-1的明顯能量鋒區(qū)。24日20時(圖5c)與25日02時,北部能量鋒區(qū)繼續(xù)加強。第2.3節(jié)分析表明,江漢平原短時強降水正是在24日14時至25日02時達(dá)到鼎盛。25日08時(圖5d),能量鋒區(qū)減弱,降水明顯減弱?？梢?24日14時—25日02時,江漢平原短時強降水盛期,其北部925 hPa也有明顯能量鋒區(qū)活動。此階段925 hPa能量鋒區(qū)增強是與該層相當(dāng)位溫在河南西南部減少、在江漢平原到鄂東南大值基本維持有關(guān)。23日20時—24日20時,850 hPa近于南北走向的倒槽在江漢平原順時針轉(zhuǎn)為西南—東北走向,且倒槽北端與長江切變線連接,黃河下游冷空氣南侵。在此形勢下,低層925 hPa豫西南地區(qū)東北大風(fēng)維持氣溫下降明顯(南陽站24 h降溫4.0 ℃),低值相當(dāng)位溫空氣從豫西南沿鄂西山地東側(cè)的漢江河谷東移南壓影響湖北江漢平原,導(dǎo)致豫、鄂之間的能量鋒區(qū)加強,因此也加強了江漢平原的雨強。

圖5 8月24日08時(a)、14時(b)、20時(c)與25日08時(d) 925 hPa相當(dāng)位溫及其明顯鋒區(qū)(等值線表示相當(dāng)位溫,間隔10.0 ℃;陰影表示超過15.0 K·(100 km)-1能量明顯鋒區(qū))Fig.5 Equivalent potential temperature and its obvious frontal zone at 925 hPa at (a) 08∶00 BST; (b)14∶00 BST; (c)20∶00 BST on 24;(d) 08∶00 BST on 25, August 2013(Isoline is equivalent potential temperature, and contour interval is 10.0 ℃; shade is obvious energy front zone more than 15.0 K·(100 km)-1)

對流天氣大致可分為兩類,一是以冰雹、大風(fēng)為主的所謂干對流;二是以短時強降水為主的濕對流。鐘敏等[26]對比分析湖北兩類強對流環(huán)境條件發(fā)現(xiàn),濕對流K指數(shù)正值與沙氏指數(shù)負(fù)值較大,但0～3 km與0～6 km風(fēng)的垂直切變均相對較小。鄭媛媛等[27]根據(jù)500 hPa形勢場將安徽省強對流天氣分為兩種類型:冷渦槽后類和槽前類。其中,前者主要導(dǎo)致雷暴大風(fēng)和冰雹天氣,后者主要導(dǎo)致雷雨大風(fēng)、短時強降水和龍卷天氣。槽前強降水類K指數(shù)、可降水量皆較大,但0～1 km與0～6 km風(fēng)的垂直切變均相對較小。可見,兩地水平風(fēng)的垂直切變濕對流一般要小于干對流。

由2013年8月22日08時—25日08時逐12 h降水量記錄可見,江漢平原西側(cè)宜昌站分別為0、0、0、20、23.9、24.1與4.1 mm,東側(cè)武漢站分別為0、5.3、3.9、29.5、32.1、36.3與4.4 mm,兩站降水都是從23日白天開始明顯加強,到24日白天最強。表2給出了22—25日江漢平原西側(cè)宜昌站與東側(cè)武漢站K指數(shù)、沙氏指數(shù)負(fù)值與可降水量變化情況,發(fā)現(xiàn)宜昌站24日08時3個指數(shù)均比23日08時更有利于24日濕對流天氣即短時強降水的發(fā)生。而武漢站24日08時K指數(shù)、沙氏指數(shù)負(fù)值與可降水量仍然分別達(dá)到37.7 ℃、-0.50 ℃與71.85 mm,也都有利于24日短時強降水的發(fā)生。

表2 2013年8月22日08時—25日08時宜昌站與武漢站靜力穩(wěn)定度與可降水量變化Table 2 Static stability indexes and precipitable water vapor change at Yichang and Wuhan radio-sonde stations from08∶00 BST on 22 to 08∶00 BST on 25, August 2013

表3給出了2013年8月22—25日江漢平原西側(cè)宜昌站與東側(cè)武漢站水平風(fēng)垂直切變變化情況?？梢?24日08時兩站的風(fēng)垂直切變值比23日08時小。綜合表2、3發(fā)現(xiàn),23日08時—24日08時,宜昌站不穩(wěn)定程度與可降水量都增加;武漢站雖然不穩(wěn)定度與可降水量都有所減小但仍有利于濕對流發(fā)生;至于風(fēng)的垂直切變,兩站3個切變值都是減小的。結(jié)果表明:宜昌站與武漢站的降水峰值都出現(xiàn)在24日白天。結(jié)合表1不難發(fā)現(xiàn),兩站中間的江漢平原短時強降水24日比23日站點增多、平均降水量增大,表明24日江漢平原上的對流天氣在向濕對流轉(zhuǎn)變。

表3 2013年8月22日08時—25日08時宜昌站與武漢站水平風(fēng)垂直切變Table 3 Vertical shear value of horizontal wind change at Yichang and Wuhan radio-sonde stations from08∶00 BST on 22 to 08∶00 BST on 25, August 2013 m·s-1

5 江漢平原主要對流云活動

從地面觀測資料看,受“潭美”北側(cè)倒槽影響,江漢平原主要發(fā)生雷陣雨天氣。23日08時,850 hPa風(fēng)場倒槽為南北走向且位于武漢站以東,雷陣雨出現(xiàn)在鄂東南。23日20時,倒槽維持南北走向并西進(jìn)至宜昌、武漢之間的江漢平原,雷陣雨范圍也向西擴(kuò)展到江漢平原。24日08時,倒槽在江漢平原上空開始原地順時針旋轉(zhuǎn),江漢平原雷陣雨維持。24日20時,倒槽繼續(xù)在江漢平原上順時針旋轉(zhuǎn)成西南—東北走向,并在東段與長江下游的切變線連接,江漢平原南部至鄂東北都發(fā)生雷陣雨。25日08時,倒槽與切變線斷裂并快速西進(jìn)至重慶站以西,切變線則減弱北抬至淮河流域,江漢平原雷雨明顯減弱,鄂東北雷陣雨也減弱。可見,“潭美”低層倒槽是強對流觸發(fā)與維持的關(guān)鍵因子。

5.1 23日傍晚前后對流云活動

23日傍晚前后,江漢平原先后受到兩個α尺度深對流云團(tuán)影響。第一個α尺度深對流云團(tuán)首先在江漢平原東南側(cè)生成,然后向西北方向發(fā)展,最后向西南方向移出。第二個α尺度深對流云團(tuán)從鄂東南向西北方向發(fā)展并影響江漢平原東北部。雖然這兩個云團(tuán)過程中最低亮溫均低于-72 ℃,且發(fā)展旺盛,但江漢平原發(fā)生短時強降水的站次并不多,強度也不大。例如,23日17時(圖6a),α尺度對流云控制了江漢平原東南部,受深對流云中心區(qū)影響,東北部的應(yīng)城站也出現(xiàn)了33.4 mm的小時強降水。到18時,α尺度對流云的強度少變,位置基本保持不變,該時次江漢平原沒有站點觀測到短時強降水(圖6b)。

圖6 8月23日17時(a)與18時(b)、24日17時(c)與18時(d)FY-2E衛(wèi)星觀測TBB(綠色數(shù)字為相應(yīng)站點的小時降水量,單位:mm)Fig.6 TBB observed by satellite FY-2E at (a) 17∶00 BST and (b) 18∶00 BST on 23, (c) 17∶00 BST and (d) 18∶00 BST on 24, August 2013(green digits are station hourly rainfall, unit: mm)

5.2 24日傍晚前后對流云活動

24日傍晚前后對流云團(tuán)在江漢平原及其附近生成、合并,最終形成一個α尺度深對流云團(tuán),在此期間云團(tuán)在江漢平原上至少發(fā)生了4次合并現(xiàn)象。張端禹等[28]分析表明,對流云團(tuán)合并是導(dǎo)致湖北省短時強降水發(fā)生的原因之一。雖然這次云頂亮溫一直未低于-72 ℃,但發(fā)生短時強降水的站次與降水量平均值仍超過23日。例如,24日17時(圖6c),兩個β尺度對流云分別控制了江漢平原的西北部與東北部,平原東部邊界另有一個尺度稍小的β尺度對流云,此時還沒有站點出現(xiàn)小時強降水。到18時,3個β尺度對流云面積擴(kuò)大,它們之間的邊界消失,從而合并形成了一個α尺度對流云。結(jié)果顯示:該時次江漢平原有蔡甸、鐘祥和云夢3站觀測到短時強降水,降水量分別為31.5、47.1和45.5 mm(圖6d)。從對流云移動與變化來看,可初步判定蔡甸受到對流云前邊界的影響,鐘祥站受深對流云中心區(qū)影響,云夢站則受對流云合并影響。此外,江漢平原東側(cè)的武漢站也受對流云前邊界影響出現(xiàn)了36.3 mm的短時強降水。

湖北省三面環(huán)山,地勢為西、北、東面較高,中部向南敞開,呈馬蹄形分布;江漢平原有長江、漢江流經(jīng),河網(wǎng)湖泊眾多,在特定的地形等條件下,可能會出現(xiàn)與華北等地夏季強降水不一樣的特點。江漢平原23日下午至上半夜先后受到兩個α尺度深對流云團(tuán)影響,亮溫值低,對流旺盛,24日傍晚前后只受到一個α尺度深對流云團(tuán)影響,亮溫值稍高,對流稍弱。為何23日下午至上半夜江漢平原發(fā)生短時強降水站點較少、平均降水量較小,而24日傍晚前后發(fā)生短時強降水站點較多、平均降水量較大?原因分析如下:(1)從此次江漢平原對流云的水平尺度來看,23日有兩個α尺度對流云團(tuán),24日只有一個,但24日的α尺度對流云是由β尺度對流云發(fā)生了4次以上合并才得以形成。對于降水來說,α尺度對流云與β尺度對流云是不一樣的,α尺度對流云降水面積較大、時間較長,但β尺度對流云造成的雨強卻更大、短時強降水站點更多,β尺度對流云是造成強對流、強降水的直接實體[29-30];(2)將站點逐時降水量與云頂亮溫結(jié)合起來(圖略)發(fā)現(xiàn),午后到傍晚江漢平原對流云23日移動有規(guī)律、強度變化緩慢,而24日則生消合并快、強度變化突然,更有利于短時強降水發(fā)生。

6 850 hPa“潭美”倒槽停滯于江漢平原的原因淺析

江漢平原暴雨與短時強降水發(fā)生與23日20時—24日20時850 hPa倒槽連續(xù)36 h以上準(zhǔn)靜止在當(dāng)?shù)厣峡沼嘘P(guān)。而850 hPa倒槽停留在江漢平原,原因既與鄂西山地地形阻擋有關(guān),又與倒槽西側(cè)的鄂西南地區(qū)偏北風(fēng)減弱較慢而東側(cè)的鄂東地區(qū)偏南風(fēng)減弱較快有關(guān)。運用公式(2)—(6),利用GFS資料,微分方程改差分方程,定量診斷倒槽西側(cè)的鄂西南地區(qū)偏北風(fēng)減弱緩慢的原因。

6.1 850 hPa鄂西南經(jīng)向風(fēng)變化特征

先從850 hPa經(jīng)向風(fēng)逐6 h變化(圖略)來看,鄂西南地區(qū)在24日20時之前一直小于零,即偏北風(fēng),但從25日02時開始該地區(qū)經(jīng)向風(fēng)轉(zhuǎn)為大于零，即偏南風(fēng)。因此“潭美”倒槽應(yīng)該是在24日20時至25日02時之間從江漢平原向西移過緊鄰的鄂西南地區(qū)。這與第3節(jié)實況觀測850 hPa倒槽位置移動一致。

再看850 hPa經(jīng)向風(fēng)局地變化項。24日08時(圖7a)及以前,鄂西南經(jīng)向風(fēng)一直存在負(fù)值變化。但從24日14時(圖7b)開始,鄂西南地區(qū)經(jīng)向風(fēng)局地變化項全部轉(zhuǎn)為正值。表明從24日14時開始,該處經(jīng)向風(fēng)持續(xù)增加,后期北風(fēng)有可能轉(zhuǎn)為南風(fēng),即倒槽有可能在24日14時之后向西移過鄂西南。據(jù)此,經(jīng)向風(fēng)局地變化項轉(zhuǎn)為正值比經(jīng)向風(fēng)本身轉(zhuǎn)為正值約提前12 h。

6.2 850 hPa鄂西南經(jīng)向風(fēng)變化原因

利用公式(6)分析鄂西南經(jīng)向風(fēng)局地變化的原因：分別考察v平流項、v對流項與u地轉(zhuǎn)偏差的科氏力項三者演變,研究“潭美”倒槽在江漢平原停滯較長時間的原因。

23日08時—25日08時,鄂西南v平流項一直以負(fù)值為主,不利于經(jīng)向風(fēng)正值增加,亦不利于倒槽西移。圖8a、b給出了24日08時與24日14時v平流項分布。以24日08時為例,查閱850 hPa天氣資料可知，倒槽西側(cè)東北風(fēng)范圍較大,從河北、山東經(jīng)過河南、陜南、鄂西、川東一直延伸至貴州等地。從這支東北氣流的風(fēng)速來看,河南風(fēng)力達(dá)到低空急流標(biāo)準(zhǔn)且超過鄂西風(fēng)速,因為其位于鄂西的上游地帶,東北大風(fēng)核向下游平流北風(fēng)動量導(dǎo)致鄂西平流項為負(fù)值。23日08時—25日08時,鄂西南v對流項也一直是以負(fù)值為主,不利于經(jīng)向風(fēng)正值增加,亦不利于倒槽西移。圖8c、d給出了24日08時與24日14時v對流項分布。由圖7a可知,宜昌站為上升運動,南北風(fēng)分量隨氣壓增加而減小(隨高度增加而增加),兩項結(jié)果綜合,南北風(fēng)的對流項為負(fù)值,即空氣的垂直運動造成對流項為負(fù)值。查閱GFS資料知，24日08時之前鄂西南地區(qū)緯向風(fēng)地轉(zhuǎn)偏差為較大的西風(fēng)，自24日08時開始此西風(fēng)明顯減小并逐漸轉(zhuǎn)為東風(fēng)。由此導(dǎo)致緯向風(fēng)地轉(zhuǎn)偏差的科氏力項從負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，從而有利于鄂西南地區(qū)南風(fēng)的增加即有利于倒槽從鄂西南上空西進(jìn)。圖8e、f給出了24日08時與14時850 hPa鄂西南附近緯向風(fēng)地轉(zhuǎn)偏差的科氏力分布。

圖8 24日08時(a)與14時(b)850 hPa v平流項;24日08時(c)與14時(d) 850 hPa v對流項; 24日08時(e)與14時(f) 850 hPa緯向風(fēng)地轉(zhuǎn)偏差的科氏力項(陰影為負(fù)值區(qū),等值線間隔5.0×10-4 m·s-2)Fig.8 Advection item of v wind at 850 hPa at (a) 08∶00 BST and (b) 14∶00 BST on 24 August 2013; convection item of v wind at 850 hPa at(c) 08∶00 BST and (d) 14∶00 BST on 24 August 2013; coriolis item of geostrophic deviation of u wind at 850 hPa at (e) 08∶00 BST and(f) 14∶00 BST on 24 August 2013 (shade is negative;contour interval is 5.0×10-4 m·s-2)

通過經(jīng)向風(fēng)局地變化定量診斷發(fā)現(xiàn),暴雨過程850 hPav平流項與v對流項均在鄂西南維持負(fù)值。這有利于鄂西南地區(qū)北風(fēng)分量維持,即有利于該層“潭美”倒槽在江漢平原上停滯。而緯向風(fēng)地轉(zhuǎn)偏差的柯氏力項則不同,24日08時開始轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣诘共蹚慕瓭h平原西移。

7 結(jié)論

2013年8月23—24日,受登陸熱帶低壓“潭美”北側(cè)的850 hPa倒槽而非“潭美”環(huán)流本身影響,鄂中江漢平原連續(xù)2 d出現(xiàn)暴雨。期間短時強降水主要發(fā)生在傍晚前后,其中23日短時強降水發(fā)生站次與強度均不如24日。主要結(jié)論如下:

(1) 23日20時—24日20時,850 hPa倒槽一直位于宜昌至武漢之間的江漢平原上,停滯時間為24 h。當(dāng)江漢平原位于850 hPa倒槽中段、中低層倒槽重合時,短時強降水發(fā)生站次較少、降水量較小;當(dāng)500 hPa倒槽西移,850 hPa倒槽順時針旋轉(zhuǎn)為西南—東北走向時,江漢平原短時強降水發(fā)生站次較多、強度較大。

(2) 江漢平原短時強降水24日超過23日,其原因既與850 hPa倒槽順時針旋轉(zhuǎn),925 hPa邊界層相當(dāng)位溫鋒區(qū)在24日午后至上半夜于江漢平原北部得到明顯加強有關(guān),還與24日傍晚江漢平原西部靜力不穩(wěn)定與可降水量加大而東部依然維持大值有關(guān)。尤其是24日08時,宜昌、武漢兩站水平風(fēng)的3個垂直切變都較23日08時減小,因此有利于江漢平原濕對流天氣發(fā)展即短時強降水加強。

(3) 23日傍晚前后,江漢平原先后受到兩個旺盛的α尺度深對流云團(tuán)影響;雖然武漢、宜昌兩探空站低層都受暖平流影響,但高層冷平流只出現(xiàn)在武漢站。到24日傍晚前、后,對流云多次合并最終在江漢平原及其附近形成一個強度稍弱的α深對流云團(tuán),且宜昌、武漢兩站皆是低層暖平流、高層冷平流。對流云團(tuán)合并,低層暖平流、高層冷平流也是24日傍晚前、后江漢平原短時強降水站點加多、強度加大的兩個原因。

(4) 24日20時以后,850 hPa鄂西南地區(qū)由偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng),倒槽向西逐步移出湖北。經(jīng)向風(fēng)局地變化定量診斷結(jié)果表明,緯向風(fēng)地轉(zhuǎn)偏差的科氏力項對該地區(qū)偏北風(fēng)轉(zhuǎn)偏南風(fēng)起到促進(jìn)作用,而南北風(fēng)的平流項與對流項卻不利于鄂西南地區(qū)的南風(fēng)增加。因此,南北風(fēng)的平流項與對流項是倒槽在江漢平原滯留的主要原因。此結(jié)論是否具有普遍性,有待今后更多個例驗證。

本文僅針對夏季一次登陸臺風(fēng)影響湖北江漢平原特定地形條件下的暴雨過程進(jìn)行初步診斷分析。希望今后能夠獲取更為豐富的觀測資料,或利用較為先進(jìn)的數(shù)值模式對登陸臺風(fēng)暴雨機理開展細(xì)致深入的研究。

致謝:感謝武漢暴雨研究所李紅莉提供NCEP 0.5°×0.5°GFS分析場資料。