孫雅文,付 迪,王 彬*,孫即霖,時(shí)曉曚

(1. 自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;2.國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心,山東 青島 266100;3. 山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100;4. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院,山東 青島 266100;5. 中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100;6. 青島市氣象臺(tái),山東 青島 266100)

引 言

熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上的低壓渦旋,是一種強(qiáng)大而深厚的熱帶天氣系統(tǒng),常伴隨狂風(fēng)、暴雨和巨浪等災(zāi)害性天氣。我國(guó)是受熱帶氣旋影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]。隨著全球變暖趨勢(shì)的加劇,熱帶氣旋影響的風(fēng)險(xiǎn)將繼續(xù)增加[2]。暴雨作為熱帶氣旋的主要災(zāi)害之一,往往造成洪澇爆發(fā)、農(nóng)田受淹、耕地流失、城市內(nèi)澇和路毀車阻等災(zāi)害[3],很多強(qiáng)烈的持續(xù)性暴雨都與熱帶氣旋密切相關(guān)[4]。熱帶氣旋暴雨最重要的兩個(gè)因素是落區(qū)和強(qiáng)度[5]。對(duì)于落區(qū),陳聯(lián)壽等[5]指出主要有三個(gè)影響因子:臺(tái)風(fēng)渦旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)、臺(tái)風(fēng)周圍環(huán)境大氣影響和臺(tái)風(fēng)下墊面強(qiáng)迫作用。其中臺(tái)風(fēng)周圍環(huán)境大氣影響又可分為三類,干冷空氣和輻合線,季風(fēng)涌,以及中緯度西風(fēng)槽。影響熱帶氣旋暴雨的因素有很多,比如高空急流[6-9]、西風(fēng)槽[9-10]、冷空氣[11-13]、西南渦[14]、不對(duì)稱結(jié)構(gòu)[15]、螺旋雨帶[16]、下墊面環(huán)境[17-19]等。

山東是我國(guó)北方最容易受熱帶氣旋影響的省份之一,熱帶氣旋北上會(huì)給山東帶來大風(fēng)和強(qiáng)降水[19]。受1909號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響,2019年8月10日8時(shí)至13日17時(shí),山東平均降雨量165.9 mm,過程降雨量是山東有氣象記錄以來最大值,全省16市均出現(xiàn)暴雨以上降水,多地降雨量突破歷史極限值。對(duì)于這次過程,譚震等[20]認(rèn)為山東的降水主要是對(duì)流層中低層的冷空氣入侵臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的降水。向純怡等[21]研究發(fā)現(xiàn)山東半島出現(xiàn)的強(qiáng)降水與臺(tái)風(fēng)倒槽和干冷空氣疊加形成的鋒生作用有關(guān)。郭云謙等[22]指出山東地區(qū)的降水主要是受臺(tái)風(fēng)北側(cè)穩(wěn)定維持的倒槽和西風(fēng)槽結(jié)合影響。雖然對(duì)這次山東省內(nèi)降水已有一些研究,但未能解釋暴雨中心出現(xiàn)的原因和雨區(qū)為什么呈東南-西北走向。同時(shí)這次過程是一次強(qiáng)對(duì)流過程,它的啟動(dòng)機(jī)制是什么,是本文所關(guān)注的重點(diǎn)。

1 資料

本文使用的數(shù)據(jù)為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的ERA5再分析數(shù)據(jù),時(shí)間分辨率為1 h,空間分辨率分為氣象(0.25°×0.25°)和海洋(0.5°×0.5°)兩種。為了檢驗(yàn)再分析數(shù)據(jù)的可靠性,對(duì)同時(shí)段再分析數(shù)據(jù)累計(jì)降水量和山東省氣象站累計(jì)降水量(圖略)以及環(huán)流形勢(shì)(圖略)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明再分析數(shù)據(jù)的降水在分布形態(tài)上與氣象監(jiān)測(cè)站降水基本一致,但再分析數(shù)據(jù)的降水量略小于氣象監(jiān)測(cè)站,但均是在山東北部存在一個(gè)大值中心。從地面和高空的環(huán)流形勢(shì)來看,結(jié)果較為一致。因此再分析數(shù)據(jù)可以體現(xiàn)這次暴雨過程。

2 降水特征分析

通過分析逐時(shí)降水量與海平面氣壓(圖略),山東省的暴雨區(qū)主要位于超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”外圍的西北側(cè)。從10日16 UTC開始,山東省內(nèi)出現(xiàn)明顯的降水中心,主要位于山東省的東南部。之后“利奇馬”向偏北方向移動(dòng),降水中心向西北方向移動(dòng)且強(qiáng)度加強(qiáng)。20—23 UTC降水中心強(qiáng)度較大且位于山東省北部,其位置及強(qiáng)度變化不大。

從850 hPa (圖1)來看,存在明顯的低空急流,且急流強(qiáng)度較大,風(fēng)速達(dá)到了32 m/s以上。整個(gè)過程中,低空急流位于臺(tái)風(fēng)中心的東北側(cè)和北側(cè),可將海上的水汽輸送至陸地,為山東強(qiáng)降水提供了充足的水汽條件。

圖1 2019年8月10日22 UTC 850 hPa位勢(shì)高度(實(shí)線,單位: 10 gpm)和風(fēng)速(填色,單位: m/s)。黑點(diǎn)為對(duì)應(yīng)時(shí)刻“利奇馬”中心位置

從500 hPa (圖2)來看,臺(tái)風(fēng)存在暖心結(jié)構(gòu)。16—22 UTC,臺(tái)風(fēng)受到高空槽和副熱帶高壓的共同影響。副熱帶高壓強(qiáng)度略微減弱東退,高空槽后的冷平流使槽發(fā)展加深,促使臺(tái)風(fēng)向偏北方向移動(dòng)并逐漸并入到西風(fēng)槽中。

圖2 2019年8月10日500 hPa位勢(shì)高度(實(shí)線,單位: 10 gpm)和氣溫(虛線,單位: ℃)。(a) 16 UTC,(b) 22 UTC。黑點(diǎn)為對(duì)應(yīng)時(shí)刻“利奇馬”中心位置

為了進(jìn)一步研究雨區(qū)的結(jié)構(gòu),過降水區(qū)做垂直剖面(圖3)。從垂直運(yùn)動(dòng)速度來看(圖3a—b),16—20 UTC,上升運(yùn)動(dòng)逐漸加強(qiáng),上升運(yùn)動(dòng)的高度由16 UTC的400 hPa升至20 UTC的200 hPa,同時(shí)垂直運(yùn)動(dòng)速度中心的數(shù)值也逐漸增大。20 UTC山東逐時(shí)降水量明顯加強(qiáng),此時(shí)雨區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)速度出現(xiàn)兩個(gè)中心,分別位于700 hPa和350 hPa。上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)是造成降水加強(qiáng)的又一重要因素。

圖3 2019年8月10日垂直剖面圖。(a)和(c) 16 UTC,(b)和(d) 20 UTC。 (a)和(b)為垂直運(yùn)動(dòng)速度(單位: Pa/s),(c)和(d)為視水汽匯(單位:J kg-1 s-1)

熱帶氣旋降水與潛熱釋放密切相關(guān)。根據(jù)Yanai等[23]的研究計(jì)算視水汽匯(apparent moisture sink)Q,Q可以表征潛熱[24],公式如下:

(1)

其中,L是凝結(jié)潛熱,q是水汽混合比,V是水平風(fēng)速,ω是垂直運(yùn)動(dòng)速度。從Q的分布可以發(fā)現(xiàn)(圖3c—d),潛熱釋放與上升運(yùn)動(dòng)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,16—20 UTC潛熱上升釋放的高度及強(qiáng)度逐漸增加,且潛熱釋放中心與上升運(yùn)動(dòng)中心對(duì)應(yīng)一致,表明這次降水是一次對(duì)流發(fā)展加強(qiáng)的過程。

從850 hPa水汽通量散度和風(fēng)矢量來看(圖4),存在明顯的水汽輻合區(qū)和風(fēng)向的切變,低空急流將海上的水汽不斷輸送到陸地,水汽輻合上升,釋放潛熱形成降雨。16—22 UTC水汽輻合區(qū)呈東南-西北走向,與雨區(qū)位置對(duì)應(yīng)一致,表明雨區(qū)的走向是由于水汽輻合區(qū)的移動(dòng)造成的。

圖4 2019年8月10日20 UTC 850 hPa水汽通量散度(填色,單位:1×10-8 kg hPa-1 m-2 s-1)和風(fēng)矢量分布。黑點(diǎn)為對(duì)應(yīng)時(shí)刻“利奇馬”中心位置

從同一時(shí)刻的高空?qǐng)D上看(圖5),10日16 UTC開始,山東東北部上空位于高空急流入口區(qū)的右側(cè),存在一個(gè)明顯的輻散區(qū),此時(shí)雨區(qū)位于山東東南部。隨時(shí)間推移,雨區(qū)向東北方向移動(dòng),山東東北部上空西側(cè)的低壓槽發(fā)展,振幅加大,輻散區(qū)強(qiáng)度加強(qiáng)。20 UTC雨區(qū)位于高空急流入口區(qū)右側(cè),與輻散區(qū)重合,對(duì)流發(fā)展加強(qiáng)。至23 UTC,由于雨區(qū)一直位于高空急流入口區(qū)右側(cè),對(duì)應(yīng)高空為強(qiáng)輻散區(qū),這是雨區(qū)發(fā)展為深厚對(duì)流系統(tǒng)且長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的主要原因。

圖5 2019年8月10日200 hPa環(huán)流形勢(shì)。(a) 16 UTC,(b) 20 UTC。實(shí)線為位勢(shì)高度(間隔80 gpm),虛線為風(fēng)速(間隔10 m/s)。填色為散度(單位:1×10-5 s-1),黑點(diǎn)為對(duì)應(yīng)時(shí)刻“利奇馬”中心位置

高空輻散區(qū)的形成與環(huán)流形勢(shì)的演變密切相關(guān)。從前期來看(圖6),00 UTC開始,山東北部位于高壓脊后,存在明顯的暖平流,且暖平流的作用不斷加強(qiáng)。暖平流使高空脊發(fā)展加強(qiáng),振幅加大,等壓線密集,形成高空急流。山東北部位于高空急流入口區(qū)右側(cè),為強(qiáng)輻散區(qū),與對(duì)流層低層的雨區(qū)重合,促使對(duì)流發(fā)展成為深厚系統(tǒng)并維持。因此對(duì)于這次降水過程,前期高空暖平流促使高空脊發(fā)展形成高空急流,是其重要的啟動(dòng)機(jī)制和預(yù)報(bào)信號(hào)。

圖6 2019年8月10日200 hPa環(huán)流形勢(shì)。(a) 00 UTC,(b) 06 UTC ,(c) 12 UTC ,(d) 18 UTC。實(shí)線為位勢(shì)高度(間隔80 gpm),虛線為氣溫(間隔4 ℃)。填色為溫度平流(單位:1×10-4 ℃ s-1),黑點(diǎn)為對(duì)應(yīng)時(shí)刻“利奇馬”中心位置

與前人的研究相比,本文分析了對(duì)流層中、低層有利于山東降水的各種影響因素,包括低空急流為降水發(fā)展提供了充足的水汽,雨區(qū)上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)等。但不同于前人的研究主要集中在對(duì)流層的中、低層,本文分析發(fā)現(xiàn)高空急流對(duì)這次山東強(qiáng)降水有著不可忽視的作用。前期高空槽發(fā)展加強(qiáng)形成高空急流,使得山東北部上空對(duì)應(yīng)為強(qiáng)輻散區(qū)。隨著水汽輻合區(qū)的移動(dòng),雨區(qū)向西北方向移動(dòng),低層輻合上升區(qū)疊加高空輻散作用,促使對(duì)流發(fā)展加強(qiáng),從而造成了這次山東的強(qiáng)降水過程。

3 總結(jié)

本文使用ECMWF提供的ERA5再分析數(shù)據(jù),分析了2019年09號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”造成山東降水的原因。雖然已有多位學(xué)者分析過“利奇馬”造成降水的有利因素,但并未對(duì)其啟動(dòng)機(jī)制進(jìn)行深入探究。

本文研究發(fā)現(xiàn),“利奇馬”造成山東降水是一次較長(zhǎng)時(shí)間的臺(tái)風(fēng)外圍持續(xù)性降水,且隨著臺(tái)風(fēng)北移雨區(qū)向西北方向移動(dòng)。雨區(qū)的移動(dòng)方向是由水汽輻合區(qū)向西北方向移動(dòng)造成的。本次山東降水是對(duì)流發(fā)展形成的深厚系統(tǒng)。前期高空暖平流促使高壓脊發(fā)展形成高空急流,山東北部位于高空急流入口區(qū)右側(cè),使高空一直維持強(qiáng)輻散區(qū)。對(duì)流層低層的東南風(fēng)為降水提供了充足的水汽,水汽輻合上升,釋放潛熱,形成降雨。隨著雨區(qū)向山東北部移動(dòng),低層輻合區(qū)和高空輻散區(qū)重疊,發(fā)展為深厚對(duì)流,降水加強(qiáng)。由于高空輻散區(qū)一直維持,造成了本次山東較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)性降水。