王 楠,劉炳杰
滄州市氣象局,河北滄州 061001
作為秋季常見氣象災(zāi)害之一,連陰雨對(duì)秋收、秋種以及適時(shí)播種均會(huì)造成一定影響,甚至帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。近年來,對(duì)秋季連陰雨的研究日漸增多。在大尺度環(huán)流背景方面,孫照渤等[1]闡述了不同級(jí)別華北秋季連陰雨期間大氣環(huán)流重要特征,結(jié)合全國(guó)逐日降水資料,給出我國(guó)秋季連陰雨定義。張芹等[2]利用多元觀測(cè)資料,對(duì)2011年山東一次罕見秋季連陰雨分析得出南亞高壓脊線會(huì)在一定程度影響雨帶移動(dòng)。劉慧敏等[3]通過對(duì)一次陜北秋季極端連陰雨過程的動(dòng)力條件診斷,發(fā)現(xiàn)高空急流與副高外圍西南低空急流耦合,提供了持續(xù)上升運(yùn)動(dòng),有利于連陰雨過程。支蓉等[4]指出,2017年9—10月中國(guó)北部雨量異常偏多與500 hPa東亞環(huán)流型組合異常有關(guān),并且850 hPa距平風(fēng)場(chǎng)上朝鮮半島存在異常反氣旋式環(huán)流。在物理量方面,許多專家學(xué)者也進(jìn)行了研究[5-7],于鳳英等[8]在研究魯西北一次秋季連陰雨期間發(fā)現(xiàn):在降水強(qiáng)度大、時(shí)間集中時(shí)段均有深厚濕層和明顯水汽輻合。張榮剛等[9]在對(duì)黃河源區(qū)一次陰雨過程發(fā)現(xiàn),在該區(qū)中低層積累的大量不穩(wěn)定能量提供了有利的熱力條件,冷暖空氣交匯輻合上升加強(qiáng),觸發(fā)不穩(wěn)定能量,溫差正值區(qū)與降水落區(qū)對(duì)應(yīng)很好。趙玲[10]對(duì)秋季北高南低形連陰雨預(yù)報(bào)表明,把握秋季連陰雨環(huán)流特征及形成過程,再充分利用歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心提供的預(yù)報(bào)產(chǎn)品,并結(jié)合預(yù)報(bào)指標(biāo),就能提前3~5 d預(yù)報(bào)連陰雨天氣。
2021年10月3—7日華北出現(xiàn)大范圍的連陰雨天氣,對(duì)滄州本地玉米收獲、蔬菜生長(zhǎng)、冬棗采摘、冬小麥播種等造成不利影響,給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成很大損失。秋季連續(xù)4 d及以上降雨較為罕見,2000年以來滄州市共出現(xiàn)過8次,其他7次分別出現(xiàn)在2000年10月、2003年10月、2007年10月、2008年9月、2015年9月、2017年10月、2018年9月。使用來自常規(guī)觀測(cè)和自動(dòng)站資料、空間分辨率為0.25°×0.25°ERA5再分析格點(diǎn)資料、雷達(dá)資料,對(duì)此次連陰雨過程的環(huán)流背景、物理量場(chǎng)及雷達(dá)特征進(jìn)行了分析,以期為提高未來對(duì)秋季連陰雨的預(yù)報(bào)能力,減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失提供參考。
以持續(xù)3 d以上無日照,平均每日日照≤2 h;降水連續(xù)3 d以上,日均降水量≥5 mm標(biāo)準(zhǔn)稱為一次連陰雨過程。根據(jù)圖1a可知,本次過程日均雨量為13.7 mm,2021年10月3—6日 持 續(xù)4 d有降水,持續(xù)5 d地區(qū)平均日照數(shù)為0 h,符合連陰雨定義標(biāo)準(zhǔn),為一次持續(xù)5 d的連陰雨過程。從2021年10月3日—7日華北地區(qū)累計(jì)降水分布來看(圖略),降水中心在華北中東部,降水量達(dá)80~200 mm,此次發(fā)生在華北地區(qū)連陰雨過程降水量級(jí)和范圍較大;其中,滄州處于華北中東部地區(qū),滄州地區(qū)過程平均雨量達(dá)100.1 mm,累計(jì)雨量自西向東遞減分布(圖1b)。其中,累計(jì)降水量最大縣為肅寧,達(dá)134.3 mm。
圖1 2021年10月3—7日滄州地區(qū)逐日平均降水量和逐日平均日照時(shí)數(shù)(a)、滄州地區(qū)累計(jì)降水分布(b)
從100 hPa實(shí)況場(chǎng)和近30年同期平均值來看(圖2),此次過程南亞高壓中心強(qiáng)度達(dá)1 672 dgpm,相比常年偏強(qiáng)4 dgpm,而且南亞高壓北邊沿處于36°N,比常年偏北10個(gè)經(jīng)度,受南亞高壓北移影響雨帶從淮河流域北推至華北一帶。同時(shí)此次過程南亞高壓處于114°E附近,屬于東部環(huán)流型,有利于中低層西太平洋副熱帶高壓西伸北跳,為連陰雨天氣提供有利環(huán)流背景。
圖2 1990—2020年10月3—7日100 hPa平均高度場(chǎng)(a)、2021年10月3—7日100 hPa平均高度場(chǎng)(b)
急流對(duì)于連陰雨的產(chǎn)生和維持非常重要,尤其是急流南側(cè)有強(qiáng)的輻散,有利于上升運(yùn)動(dòng)。在200 hPa上,3—7日副熱帶西風(fēng)急流軸線位置均分布于41°N~45°N之間(圖略),歷史同期統(tǒng)計(jì)軸線位于39°N附近,此次過程異常偏北,河北處于急流南側(cè),對(duì)應(yīng)強(qiáng)高空輻散,為強(qiáng)降水提供有力上升條件。其中5日急流軸位置在這次過程中最為偏北,中心值最大達(dá)到80 m/s,對(duì)應(yīng)滄州地區(qū)平均雨量最大,達(dá)到34.6 mm/24 h。
從3—7日500 hPa平均高度場(chǎng)上烏拉爾山有一高壓脊、巴爾喀什湖有一低壓槽(圖3a),槽后偏北氣流引導(dǎo)冷空氣不斷南下影響華北地區(qū),同時(shí)588 線平均位置在山東附近,有利于副高外圍西南氣流引導(dǎo)暖濕空氣北上,在華北上空形成冷暖空氣交匯,為連陰雨過程提供穩(wěn)定環(huán)流形勢(shì)。距平圖(圖3b)上,烏拉爾山附近和我國(guó)東部沿海為正距平場(chǎng)區(qū),中心值分別為20、15 dagpm,較歷史同期偏高;巴爾喀什湖為明顯負(fù)距平區(qū),其中心值達(dá)-15 dagpm,東亞大槽較歷史同期偏低,兩高一低環(huán)流形勢(shì)較常年異常偏強(qiáng),這種形勢(shì)維持利于形成華北地區(qū)氣候異常,造成這次初秋較強(qiáng)且范圍較大連陰雨天氣。
圖3 2021年10月3—7日500 hPa平均高度場(chǎng)(a)、2021年與1990—2020年10月3日—7日500 hPa高度距平場(chǎng)(b)
對(duì)于低層的影響系統(tǒng),10月3—7日850 hPa平均風(fēng)場(chǎng)上(圖略)在華北中東部地區(qū)有明顯東北-西南向切變線,北邊有來自貝加爾湖以北地區(qū)的冷空氣,南方有來自副高外圍暖濕氣流,冷暖空氣長(zhǎng)期交匯有利于降水天氣維持。同時(shí)地面平均氣壓場(chǎng)上(圖略)在貝加爾湖和巴爾喀什湖之間存在阻塞高壓,中心值達(dá)到1 024 hPa,高壓呈東—西緯向分布,華北處于高壓前部,有利于東北風(fēng)攜帶干冷空氣侵入華北東部地區(qū)。
從圖4a可知降水過程中在西太平洋西部和南海海域到華北地區(qū)有一條水汽通道;在35°N~40°N之間有條水汽通量大值帶,滄州地區(qū)最大 達(dá)5×10-4kg/(m2/s)水 汽 條 件 較好。過程中滄州泊頭交河鎮(zhèn)(38°N,117°E)累計(jì)雨量為全區(qū)最大,故選此站為代表,比濕風(fēng)場(chǎng)時(shí)序圖上2—3日為西南風(fēng)輸送水汽過程(圖4b),4日開始中高層濕度條件轉(zhuǎn)好,低層逐漸轉(zhuǎn)為偏東風(fēng),冷暖空氣交匯降水逐漸增強(qiáng),由交河鎮(zhèn)逐日降水分布可知3—5日對(duì)應(yīng)降水為增強(qiáng)過程,5日累計(jì)降水最強(qiáng)達(dá)到56.2 mm/24 h;6—7日低層逐漸受反氣旋控制,比濕降到5 g/kg以下,水汽條件轉(zhuǎn)差,降水逐漸減弱停止。
圖4 2021年10月3—7日平均700 hPa以下水汽通量垂直積分疊加850 hPa風(fēng)場(chǎng)(a)、2021年10月2—7日比濕和風(fēng)場(chǎng)時(shí)序圖 38°N,117°E(b)
從垂直速度時(shí)序分布可知(圖5a),3日白天上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng),在500 hPa垂直上升速度最大達(dá)到-1.8 Pa/s,在500 hPa以上也存在一定上升運(yùn)動(dòng),上升高度較高,動(dòng)力條件有利,降水過程開始,到3日夜間轉(zhuǎn)為500 hPa以下存在下沉運(yùn)動(dòng),最大達(dá)到0.4 Pa/s,降水間歇;4日開始700 hPa附近廣大上升運(yùn)動(dòng)一直維持到6日夜間,有利于這次陰雨過程持續(xù)。
圖5 2021年10月2—7日38°N,117°E垂直速度時(shí)間序列圖(a)、θse疊加風(fēng)場(chǎng)時(shí)序圖(b)
從假相當(dāng)位溫和風(fēng)場(chǎng)垂直分布可知(圖5b),2—3日850 hPa以 下θse在320~340 K之間,低層以暖平流為主,同時(shí)在3日-?θse/?z<0,存在一定不穩(wěn)定能量,配合整層上升運(yùn)動(dòng),造成對(duì)流性降水,雷達(dá)拼圖組合反射率最大達(dá)65 dBz。4日低層轉(zhuǎn)為偏東風(fēng),并不斷加強(qiáng),θse<305 K,有冷平流,冷暖空氣在華北地區(qū)上空交匯,存在假相當(dāng)位溫密集帶有弱的鋒區(qū),有利于暖空氣沿著冷空氣動(dòng)力爬升以及凝結(jié),造成4—6日連續(xù)的穩(wěn)定性降水。7日700 hPa以下受冷空氣控制,低層偏東風(fēng)減弱,降水減弱停止,本次連陰雨過程結(jié)束。
(1)2021年10月3—7日滄州地區(qū)出現(xiàn)一次連陰雨天氣過程,累計(jì)平均雨量達(dá)100.1 mm,呈西多東少階梯狀分布。中高層主要影響系統(tǒng)較常年平均異常偏強(qiáng),同時(shí)配合中低層及近地面長(zhǎng)時(shí)間冷暖氣流交匯,維持此次連陰雨過程穩(wěn)定降水形勢(shì)。
(2)此次過程比濕局地變化對(duì)于降水強(qiáng)度演變有一定影響,水汽主要來自西太平洋西部和南海海域,在滄州地區(qū)有明顯水汽通量大值區(qū),為強(qiáng)降雨過程提供有利水汽條件。
(3)過程前期對(duì)流不穩(wěn)定降水和整層上升運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致條件不穩(wěn)定能量釋放;后期穩(wěn)定性降水主要由于近地面偏東風(fēng)回流冷卻作用,抬升暖濕空氣在中層累積不穩(wěn)定能量,外加中低層持續(xù)上升運(yùn)動(dòng)造成鋒面降水。
(4)這次連陰雨期間近地面風(fēng)的變化對(duì)于連陰雨起止時(shí)間有一定指示意義:偏南風(fēng)加強(qiáng),預(yù)示著過程開始;偏東風(fēng)轉(zhuǎn)弱預(yù)示著過程結(jié)束。