摘 要:利用高空探測(cè)資料、歐洲中心ERA5 0.25°×0.25°逐小時(shí)再分析資料、GDAS數(shù)據(jù),分析了低空急流對(duì)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(guò)程的作用,結(jié)果表明:(1)此次過(guò)程發(fā)生在“兩高切變”的環(huán)流形勢(shì)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(guò)分析暴雨期間水汽輻合、利用MeteoInfo軟件對(duì)水汽進(jìn)行后向追蹤,可知水汽主要來(lái)自南海一帶;(3)低空急流的維持和加強(qiáng)使中低層渦度呈現(xiàn)“上負(fù)下正”的特征,與垂直速度大值區(qū)對(duì)應(yīng),提供了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng);(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(dòng)力觸發(fā)
中圖分類號(hào):P458.121 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):2095–3305(2024)05–0-03
近年來(lái),極端天氣受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注,四川盆地東北部的極端暴雨具有來(lái)勢(shì)猛、雨量大的特點(diǎn),亦是短時(shí)災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)難點(diǎn),受到學(xué)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(dòng)和短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生時(shí)間有密切的關(guān)系,通常強(qiáng)降水產(chǎn)生于低空急流出現(xiàn)后的1~2 h后[3]。同時(shí),邊界層急流配合山脈地形,有利于對(duì)流的觸發(fā),是沿山地區(qū)極端強(qiáng)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(gè),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(duì)暴雨的產(chǎn)生、發(fā)展和結(jié)束具有一定指示意義。周長(zhǎng)艷等[7]指出,還有阿拉伯北部西南風(fēng)經(jīng)高原東南部進(jìn)入四川盆地的水汽通道,水汽輸送和輻合形勢(shì)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(lái)自850 hPa以下的區(qū)域,孟加拉灣和南海的水汽貢獻(xiàn)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(duì)水汽輸送、不穩(wěn)定層結(jié)維持、動(dòng)力觸發(fā)的作用,在此基礎(chǔ)上,基于HYSPLIT模式,進(jìn)一步對(duì)強(qiáng)降雨期間的水汽輸送進(jìn)行反演,以加深對(duì)川東北暴雨水汽輸送軌跡的認(rèn)識(shí),探尋新的研究方法。
1 資料和方法
采取了高空探測(cè)資料、歐洲中心ERA5再分析資料及GDAS數(shù)據(jù)。ERA5時(shí)間精度為逐小時(shí),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(fēng)場(chǎng)、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(qiáng)最大的巴州區(qū)三江站作為代表,對(duì)動(dòng)力和熱力環(huán)境場(chǎng)進(jìn)行診斷分析,并基于MeteoInfo軟件對(duì)暴雨期間水汽輸送進(jìn)行反演,MeteoInfo是一款開(kāi)源的氣象數(shù)據(jù)顯示和分析軟件,可通過(guò)GDAS數(shù)據(jù)進(jìn)行水汽后向追蹤分析。水汽通量計(jì)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(shì)
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(guò)程,從遂寧中部到巴中東部出現(xiàn)暴雨到大暴雨,北部個(gè)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(dǎo)造成雨帶呈帶狀分布。從朱元站的小時(shí)雨強(qiáng)來(lái)看,強(qiáng)降雨時(shí)段主要集中過(guò)程的開(kāi)始階段,22日02:00~04:00,最大小降雨量可達(dá)68.6 mm,強(qiáng)降雨(小時(shí)雨強(qiáng)>20 mm)自西南向東北方向擴(kuò)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(lái)看,此次過(guò)程是一次典型的“兩高切變”暴雨過(guò)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(fù)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(shì)高度場(chǎng)形成,盆地東北部受槽前和副高邊緣強(qiáng)盛的西南氣流控制。22日夜間低空偏南風(fēng)的顯著增強(qiáng),為川東北地區(qū)提供充足的水汽和不穩(wěn)定能量,是導(dǎo)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(fēng)速增大到12 m/s,且在盆地北部有明顯的風(fēng)速輻合,850 hPa(圖略)有一支來(lái)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(fēng)場(chǎng)輻合,配合500 hPa不斷有弱冷空氣補(bǔ)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(qiáng)烈的抽吸作用,為暴雨的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定的上升運(yùn)動(dòng)。
3 低空急流診斷分析
3.1 動(dòng)力觸發(fā)分析
暴雨的產(chǎn)生和維持,離不開(kāi)低層暖濕氣流,尤其是西南低空急流的加強(qiáng)和維持,它是暴雨區(qū)水汽的供應(yīng)者,也是對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的建立者和維護(hù)者,亦是對(duì)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(duì)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(kāi)始階段700 hPa和850 hPa的風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)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(fēng)速可達(dá)16~17 m/s,在急流核的前端存在明顯的風(fēng)速輻合,同時(shí),850 hPa主要受來(lái)自南海的偏南急流影響,急流核最大風(fēng)速可達(dá)18~19 m/s。
圖2a是急流核心區(qū)垂直速度和渦度隨時(shí)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(dòng)力配置和演變特征,受南亞高壓抽吸作用的影響,高層負(fù)渦度區(qū),400 hPa以下為正渦度區(qū),在700~850 hPa存在一個(gè)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(shí)間為22日00:00~03:00。圖2b是暴雨區(qū)在產(chǎn)生極端降水時(shí)段的自南向北垂直速度和渦度剖面的時(shí)間平均,正渦度柱延伸至500 hPa附近,700 hPa至近地面正渦度場(chǎng)和垂直速度的大值區(qū)配合最好,最大垂直速度達(dá)-2 Pa/s,該區(qū)域具有深厚的動(dòng)力抬升機(jī)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(qiáng)烈的上升氣流有利于強(qiáng)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(guò)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(lái)自水汽充沛源地的水汽補(bǔ)給,這是暴雨得以產(chǎn)生的必要條件。計(jì)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(lái)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(jiàn)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(lái)自南海的一支偏南暖濕氣流,將來(lái)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(duì)水汽輸送進(jìn)行模擬,根據(jù)降雨落區(qū)和量級(jí),選取了巴中三江站(31.7°N,106.7°E)作為后向軌跡的起始點(diǎn),時(shí)間選取為北京時(shí)間7月21日20:00,高度選取了700 hPa和850 hPa分別對(duì)應(yīng)的3 000 m和1 500 m,追蹤時(shí)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(lái)自南海,水汽的貢獻(xiàn)率最大,為45.95%,第2、3條路徑主要來(lái)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(lái)自南海和四川盆地南部地區(qū),對(duì)水汽的貢獻(xiàn)率分別為48.66%和13.51%,且1 500 m和3 000 m水汽貢獻(xiàn)率最大的軌跡均為偏南的水汽輸送通道,故通過(guò)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(qiáng)和維持對(duì)水汽輸送有顯著的貢獻(xiàn)作用。
3.3 對(duì)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(qiáng)盛的動(dòng)力抬升機(jī)制和充沛的水汽輸送,還需要大氣的層結(jié)的對(duì)流不穩(wěn)定。通過(guò)上述分析可知,此次暴雨過(guò)程中700 hPa西南低空急流從21日23:00左右開(kāi)始加強(qiáng),引導(dǎo)偏南暖濕氣流進(jìn)入四川盆地,22日00:00~03:00,隨著700 hPa
低空急流引導(dǎo)暖濕平流進(jìn)入四川盆地,850 hPa低空急流引導(dǎo)南海充足水汽和不穩(wěn)定能量在盆地東北部形成補(bǔ)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(jiàn)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(duì)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(shì),可見(jiàn)川東北地區(qū)上空大氣存在對(duì)流性不穩(wěn)定,配合暖濕平流的不斷補(bǔ)充和強(qiáng)勁的上升運(yùn)動(dòng),強(qiáng)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(tuán)或雨帶的產(chǎn)生,22日04:00后,近地面層的θse值開(kāi)始迅速下降至330 K以下。
4 結(jié)論
利用多種資料,著重對(duì)西南低空急流在極端暴雨過(guò)程中起到的動(dòng)力抬升、水汽輸送和能量觸發(fā)作用進(jìn)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(guò)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(shí)段主要發(fā)生在22日凌晨,日變化特征顯著。
(2)通過(guò)分析水汽的輻合輻散、基于后向追蹤方法對(duì)水汽來(lái)源和通道進(jìn)行模擬,可知水汽源地來(lái)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(dòng)力配置來(lái)看,渦度場(chǎng)具有“上負(fù)下正”的動(dòng)力特征,高層有顯著的抽吸作用,與垂直速度的負(fù)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(qiáng)盛的動(dòng)力抬升條件。
(4)低空急流對(duì)暖濕氣流的輸送有利于建立大氣的對(duì)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(shuō)明中低層大氣存在強(qiáng)的位勢(shì)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(chǎng)。配合強(qiáng)盛的上升運(yùn)動(dòng)和充足的水汽,有利于觸發(fā)中小尺度極端降水。
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作者簡(jiǎn)介:李雯婕(1995—),女,四川江油人,助理工程師,研究方向?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)。