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        低空急流在“7·22”川東北極端強降水中的作用分析

        2024-01-01 00:00:00李雯婕康傈張恒
        農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究 2024年5期
        關(guān)鍵詞:暴雨

        摘 要:利用高空探測資料、歐洲中心ERA5 0.25°×0.25°逐小時再分析資料、GDAS數(shù)據(jù),分析了低空急流對2022年7月22日發(fā)生在四川盆地東北部的一次暴雨天氣過程的作用,結(jié)果表明:(1)此次過程發(fā)生在“兩高切變”的環(huán)流形勢下,主要影響系統(tǒng)為700和850 hPa低空急流;(2)22日夜間700 hPa低空急流的建立和維持有利于水汽輸送,通過分析暴雨期間水汽輻合、利用MeteoInfo軟件對水汽進行后向追蹤,可知水汽主要來自南海一帶;(3)低空急流的維持和加強使中低層渦度呈現(xiàn)“上負下正”的特征,與垂直速度大值區(qū)對應(yīng),提供了強烈的上升運動;(4)中層有明顯的θse突變,有利于大氣層結(jié)不穩(wěn)定性增加,川東北地區(qū)位于850 hPa高能鋒區(qū)偏南一側(cè)。

        關(guān)鍵詞:暴雨;低空急流;動力觸發(fā)

        中圖分類號:P458.121 文獻標志碼:B 文章編號:2095–3305(2024)05–0-03

        近年來,極端天氣受到社會各界的廣泛關(guān)注,四川盆地東北部的極端暴雨具有來勢猛、雨量大的特點,亦是短時災(zāi)害性天氣的預報難點,受到學者的高度關(guān)注。張麗芳[1]指出四川盆地東部沿山一帶是夏季發(fā)生極端暴雨的高發(fā)地,易引發(fā)山洪、泥石流等次生災(zāi)害。周懿等[2]指出西南低空急流在盆地暴雨產(chǎn)生起到的水汽和能量輸送的決定性作用,低空脈動和短時強降水的發(fā)生時間有密切的關(guān)系,通常強降水產(chǎn)生于低空急流出現(xiàn)后的1~2 h后[3]。同時,邊界層急流配合山脈地形,有利于對流的觸發(fā),是沿山地區(qū)極端強降水產(chǎn)生的主要原因。王佳津等[4]利用HYSPLIT模式分析了四川盆地水汽輸送特征,得出水汽源地主要有3個,分別為阿拉伯半島、孟加拉灣—南海和東海地區(qū)。李曉容[5]指出,四川盆地東北部暴雨期間的水汽輸送可以追溯到孟加拉灣、南海、西太平洋及孟加拉灣地區(qū)。張恒等[6]得出水汽的收支變化對暴雨的產(chǎn)生、發(fā)展和結(jié)束具有一定指示意義。周長艷等[7]指出,還有阿拉伯北部西南風經(jīng)高原東南部進入四川盆地的水汽通道,水汽輸送和輻合形勢有利于盆地西部沿山極端降水的產(chǎn)生。李玉婷等[8]基于HYSPLIT模式分析得出水汽主要來自850 hPa以下的區(qū)域,孟加拉灣和南海的水汽貢獻率最大。

        利用多種數(shù)據(jù)資料,分析了低空急流在此次極端暴雨中對水汽輸送、不穩(wěn)定層結(jié)維持、動力觸發(fā)的作用,在此基礎(chǔ)上,基于HYSPLIT模式,進一步對強降雨期間的水汽輸送進行反演,以加深對川東北暴雨水汽輸送軌跡的認識,探尋新的研究方法。

        1 資料和方法

        采取了高空探測資料、歐洲中心ERA5再分析資料及GDAS數(shù)據(jù)。ERA5時間精度為逐小時,空間分辨率為0.25°,定義(30°~33°N,104°~108°E)范圍為四川盆地東北部地區(qū),利用風場、比濕、垂直速度等數(shù)據(jù)集,分析暴雨期間的水汽環(huán)流特征,將雨強最大的巴州區(qū)三江站作為代表,對動力和熱力環(huán)境場進行診斷分析,并基于MeteoInfo軟件對暴雨期間水汽輸送進行反演,MeteoInfo是一款開源的氣象數(shù)據(jù)顯示和分析軟件,可通過GDAS數(shù)據(jù)進行水汽后向追蹤分析。水汽通量計算如下:

        水汽通量的經(jīng)向輸送:

        Qv(lev,t,x,y)=·q(lev,t,x,y)·v(lev,t,x,y)

        水汽通量的緯向輸送:

        Qu(lev,t,x,y)=·q(lev,t,x,y)·v(lev,t,x,y)

        整層大氣水汽通量:

        =Qv·dp+Qu·dp

        2 天氣概況與環(huán)流形勢

        2022年7月21—22日,四川盆地東北部發(fā)生了一次極端暴雨天氣過程,從遂寧中部到巴中東部出現(xiàn)暴雨到大暴雨,北部個別地方特大暴雨,暴雨和大暴雨落區(qū)整體呈東北—西南走向的帶狀分布,主要是由于700 hPa低空急流引導造成雨帶呈帶狀分布。從朱元站的小時雨強來看,強降雨時段主要集中過程的開始階段,22日02:00~04:00,最大小降雨量可達68.6 mm,強降雨(小時雨強>20 mm)自西南向東北方向擴展。這與700 hPa低空急流的建立和維持相關(guān)。

        從此次天氣尺度環(huán)流演變來看,此次過程是一次典型的“兩高切變”暴雨過程。前期500 hPa(圖略)在貝加爾湖以南有低槽生成,且不斷有小槽分裂南下,將冷空氣不斷向四川盆地北部輸送,內(nèi)蒙古一帶有明顯的負變溫。22日20:00,西太平洋副熱帶高壓(后稱副高)和大陸高壓相向發(fā)展,“兩高”切變的位勢高度場形成,盆地東北部受槽前和副高邊緣強盛的西南氣流控制。22日夜間低空偏南風的顯著增強,為川東北地區(qū)提供充足的水汽和不穩(wěn)定能量,是導致此次極端性暴雨的主要原因,700 hPa(圖略)主要受西南暖濕氣流控制,風速增大到12 m/s,且在盆地北部有明顯的風速輻合,850 hPa(圖略)有一支來自南海的偏南氣流源源不斷向川東北地區(qū)輸送水汽和能量,有明顯的風場輻合,配合500 hPa不斷有弱冷空氣補充南下,和偏南暖濕氣流相遇,造成大氣層結(jié)的不穩(wěn)定維持,200 hPa南亞高壓形成強烈的抽吸作用,為暴雨的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定的上升運動。

        3 低空急流診斷分析

        3.1 動力觸發(fā)分析

        暴雨的產(chǎn)生和維持,離不開低層暖濕氣流,尤其是西南低空急流的加強和維持,它是暴雨區(qū)水汽的供應(yīng)者,也是對流不穩(wěn)定層結(jié)的建立者和維護者,亦是對流不穩(wěn)定能量的觸發(fā)者。因此,西南低空急流的演變特征對研究極端暴雨的產(chǎn)生、發(fā)展和維持至關(guān)重要。

        圖1為暴雨的開始階段700 hPa和850 hPa的風場和風速演變特征,川東北中部位于700 hPa西南低空急流左前側(cè),急流軸中心的最大風速可達16~17 m/s,在急流核的前端存在明顯的風速輻合,同時,850 hPa主要受來自南海的偏南急流影響,急流核最大風速可達18~19 m/s。

        圖2a是急流核心區(qū)垂直速度和渦度隨時間變化的高度剖面,可以更直觀地展示暴雨期間川東北地區(qū)的高低空動力配置和演變特征,受南亞高壓抽吸作用的影響,高層負渦度區(qū),400 hPa以下為正渦度區(qū),在700~850 hPa存在一個垂直速度大值區(qū)和正渦度的大值區(qū)分別為-1.6 Pa/s和8×10-5 s-1,其出現(xiàn)時間為22日00:00~03:00。圖2b是暴雨區(qū)在產(chǎn)生極端降水時段的自南向北垂直速度和渦度剖面的時間平均,正渦度柱延伸至500 hPa附近,700 hPa至近地面正渦度場和垂直速度的大值區(qū)配合最好,最大垂直速度達-2 Pa/s,該區(qū)域具有深厚的動力抬升機制主要是由于其位于低空急流左側(cè)的氣旋式輻合區(qū),因此,西南低空急流左側(cè)強烈的上升氣流有利于強降水的產(chǎn)生和維持。

        3.2 暴雨期間的水汽輻合及輸送

        暴雨天氣過程的持續(xù),不僅需要本地上空大氣充足的水汽含量,還需要來自水汽充沛源地的水汽補給,這是暴雨得以產(chǎn)生的必要條件。計算了7月22日00:00~03:00低層平均的水汽通量和水汽通量散度,分析水汽來源和輻合與輻散情況。

        此次的水汽主要源地為南海,700 hPa在南海和副高邊緣有一支顯著的水汽輸送帶,南海為明顯的水汽通量輻散區(qū),川東北中西部為水汽通量的輻合區(qū)(圖3),由此可見充足的水汽借助700 hPa低空急流不斷輸送至川東北地區(qū);850 hPa的水汽輸送(圖略)主要是來自南海的一支偏南暖濕氣流,將來自海上的水汽和不穩(wěn)定能量輸送至川東北地區(qū),850 hPa水汽通量輻合區(qū)分布和暴雨落區(qū)的分布基本一致。

        為更定量分析7月22日極端暴雨期間的水汽輸送源地及路徑,基于MeteoInfo軟件對水汽輸送進行模擬,根據(jù)降雨落區(qū)和量級,選取了巴中三江站(31.7°N,106.7°E)作為后向軌跡的起始點,時間選取為北京時間7月21日20:00,高度選取了700 hPa和850 hPa分別對應(yīng)的3 000 m和1 500 m,追蹤時間為24 h,每隔1 h輸出一次空間位置。

        主要聚類3條水汽通道,3 000 m主要聚類4條水汽通道。1 500 m的第1條水汽通道為偏南路徑,水汽來自南海,水汽的貢獻率最大,為45.95%,第2、3條路徑主要來自甘肅東南部和青海北部;圖4b所示,3 000 m的偏南水汽通道來自南海和四川盆地南部地區(qū),對水汽的貢獻率分別為48.66%和13.51%,且1 500 m和3 000 m水汽貢獻率最大的軌跡均為偏南的水汽輸送通道,故通過模擬暴雨期間的水汽輸送特征,可以看出700~850 hPa低空急流的加強和維持對水汽輸送有顯著的貢獻作用。

        3.3 對流不穩(wěn)定及能量鋒區(qū)的形成

        形成暴雨的必要條件,除了需要強盛的動力抬升機制和充沛的水汽輸送,還需要大氣的層結(jié)的對流不穩(wěn)定。通過上述分析可知,此次暴雨過程中700 hPa西南低空急流從21日23:00左右開始加強,引導偏南暖濕氣流進入四川盆地,22日00:00~03:00,隨著700 hPa

        低空急流引導暖濕平流進入四川盆地,850 hPa低空急流引導南海充足水汽和不穩(wěn)定能量在盆地東北部形成補充,在川東北地區(qū)沿山一帶,可以分析出一條高能鋒區(qū),可見在850 hPa盆地以北有低層干冷空氣的堆積,冷暖空氣在川東北地區(qū)中部對峙,?。?1.7°N,106.7°E)做θse的垂直剖面,21日20:00后,700~850 hPa的θse中心相比于21日白天增加12 K(圖5),在21日23:00至22日04:00期間,近地面層的θse在346 K以上,期間θse在中低層有明顯的隨高度增加—減小的趨勢,可見川東北地區(qū)上空大氣存在對流性不穩(wěn)定,配合暖濕平流的不斷補充和強勁的上升運動,強降水發(fā)生在能量鋒區(qū)附近偏暖區(qū)一側(cè),有利于中尺度雨團或雨帶的產(chǎn)生,22日04:00后,近地面層的θse值開始迅速下降至330 K以下。

        4 結(jié)論

        利用多種資料,著重對西南低空急流在極端暴雨過程中起到的動力抬升、水汽輸送和能量觸發(fā)作用進行分析,主要得出以下結(jié)論:

        (1)此次四川盆地東北部極端暴雨過程主要是發(fā)生在“兩高”切變的環(huán)流背景下,暴雨和大暴雨落區(qū)呈東北—西南帶狀分布,極端降水時段主要發(fā)生在22日凌晨,日變化特征顯著。

        (2)通過分析水汽的輻合輻散、基于后向追蹤方法對水汽來源和通道進行模擬,可知水汽源地來自700和850 hPa南海和盆地南部一帶,水汽通道主要基于偏南低空急流的維持和建立。

        (3)從動力配置來看,渦度場具有“上負下正”的動力特征,高層有顯著的抽吸作用,與垂直速度的負值中心配置較好,正渦度柱和垂直速度中心位于低空急流左側(cè),為暴雨的產(chǎn)生提供強盛的動力抬升條件。

        (4)低空急流對暖濕氣流的輸送有利于建立大氣的對流不穩(wěn)定性。四川盆地東北部位于32°N能量鋒區(qū)以南,上空的θse在700~850 hPa隨高度減小,再隨高度增加的特征,說明中低層大氣存在強的位勢不穩(wěn)定,為極端暴雨的產(chǎn)生提供了不穩(wěn)定能量環(huán)境場。配合強盛的上升運動和充足的水汽,有利于觸發(fā)中小尺度極端降水。

        參考文獻

        [1] 張芳麗.四川盆地突發(fā)性暴雨的影響系統(tǒng)與水汽輸送特征研究[D].成都:成都信息工程大學,2020.

        [2] 周懿,青逸雨,郭云云.四川盆地“8.11”暴雨過程中低空急流作用分析[J].高原山地氣象研究,2022,42(1):51-60.

        [3] 李青春,程叢蘭,全繼萍.夏季兩次不同強度暴雨過程的低空急流特征及其作用對比分析[J].氣象,2022,48(11):1384-1401.

        [4] 王佳津,肖遞祥,王春學.四川盆地極端暴雨水汽輸送特征分析[J].自然資源學報,2017,32(10):1768-1783.

        [5] 李曉容,高青云,付世軍.四川盆地東北部三次持續(xù)性暴雨過程水汽輸送特征分析[J].暴雨災(zāi)害,2020,39(3):234-240.

        [6] 張恒,胥丁凡,許杰偉.初夏四川盆地東北部一次暴雨過程分析[J].高原山地氣象研究,2015,35(1):34-40.

        [7] 周長艷,唐信英,鄧彪.一次四川特大暴雨災(zāi)害降水特征及水汽來源分析[J].高原氣象,2015,34(6):1636-1647.

        [8] 李玉婷,譚貴蓉,何興潼.基于HYSPLIT模式的瀘州特大暴雨水汽輸送特征分析[J].高原山地氣象研究,2020,40(2):49-52.

        作者簡介:李雯婕(1995—),女,四川江油人,助理工程師,研究方向為天氣預報。

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