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        冀中平原暴雨中小尺度系統(tǒng)特征分析

        2024-10-21 00:00:00李娜劉淇淇張湘涵
        農業(yè)災害研究 2024年7期

        摘 要:對2011—2020年冀中平原暴雨天氣過程進行研究,著重分析了中小尺度天氣系統(tǒng)的特點和雷達回波特征。結果表明:冀中平原暴雨與中小尺度系統(tǒng)直接相關,地面輻合線、中尺度切變線、中尺度低壓是冀中平原暴雨最常見的中小尺度系統(tǒng)。根據(jù)850、700 hPa切變線或槽線與急流軸的距離,中小尺度系統(tǒng)在雷達回波圖上表現(xiàn)為兩種形式:一種是切變線或槽線位置偏北,與低空急流中心軸的位置相距較遠,在雷達上表現(xiàn)為局地發(fā)展少動的強雷暴群;另一種是切變線或槽線位于河北省中南部,與西南(偏南)急流中心軸相距500 km以內,在雷達上表現(xiàn)為片狀或帶狀的中尺度強回波帶。

        關鍵詞:暴雨;中小尺度系統(tǒng);特征分析;冀中平原

        中圖分類號:P458.121.1 文獻標志碼:B 文章編號:2095–3305(2024)07–0-03

        冀中平原位于河北省中部,是華北平原的一部分,暴雨是冀中平原夏季的主要災害性天氣之一[1]。據(jù)統(tǒng)計,冀中平原發(fā)生多次區(qū)域性暴雨、大暴雨天氣,其中影響較大的有2012年“7·21”特大暴雨、2016年“7·19”暴雨及2023年由臺風“杜蘇芮”北上導致的極端大暴雨天氣。這些均造成了嚴重的城市內澇和農業(yè)損失,甚至導致了人員傷亡,嚴重阻礙了經(jīng)濟發(fā)展與社會進步。

        研究表明,無論是區(qū)域性暴雨還是局地暴雨,其發(fā)生發(fā)展與中小尺度系統(tǒng)有著不可分割的關系,中小尺度天氣系統(tǒng)往往是導致暴雨發(fā)生的直接影響系統(tǒng)[2-4]。

        針對中小系統(tǒng)和暴雨的關系,氣象學者從不同角度進行了研究,龔琬丁等[5]對2020年7月山東半島一次暴雨天氣過程進行分析,利用天氣預報模式(The Weather Research and Forecasting Model,WRF)進行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)此次過程伴隨典型的中尺度低渦流場分布,最終導致了此次極端暴雨天氣;陳碧瑩、閔錦忠[6]對2016年“7·19”暴雨進行模擬研究,發(fā)現(xiàn)中尺度系統(tǒng)對低層輻合中心的影響最大;段麗等[7]通過多種觀測資料分析北京夏季2次暴雨過程,結果表明2次暴雨過程均明顯受到中尺度系統(tǒng)的影響。

        然而,上述研究大多局限于單次或者局地暴雨過程中的中小尺度系統(tǒng)發(fā)展特征及成因,且針對冀中平原地區(qū)的研究較少?;诖耍瑢?010—2020年冀中平原的典型暴雨天氣過程的中小尺度天氣系統(tǒng)進行深入分析和研究,以期獲得可應用于冀中平原地區(qū)的暴雨短臨預報指標,為提高暴雨預報預警準確率作出貢獻。

        1 資料與方法

        選取冀中平原區(qū)域內的廊坊市全境、保定市東部地區(qū)(涿州市、高碑店市、徐水區(qū)、高陽縣、安新縣、蠡縣等)、雄安新區(qū)及滄州西部(河間市、獻縣、任丘市、肅寧縣)共計25個國家氣象觀測站的氣象資料。

        研究案例的選擇標準:2011—2020年冀中平原地區(qū)至少3個相鄰國家氣象觀測站日降水量≥50 mm。

        2 過程概況與環(huán)流背景分析

        統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),2011—2020年冀中平原共出現(xiàn)24次暴雨天氣過程,其基本概況見表1。在24次暴雨天氣過程中,暴雨站次在6~10站次之間的有9個,占比37.5%,暴雨站次為1~5站次之間的有5個,暴雨站次在11~15站次之間的有5個,暴雨站次超過15的有5個。

        此外,從年份分布來看,除2015年未出現(xiàn)暴雨,其他年份冀中平原地區(qū)暴雨次數(shù)均≥2次,其中2013年暴雨次數(shù)最多,為4次。值得注意的是,暴雨過程更易出現(xiàn)在7、8月,尤其集中在7月下旬,除2017年10月9日,其他年份均伴有短時強降水。

        3 冀中平原暴雨中小尺度系統(tǒng)分析

        研究表明,一次暴雨天氣過程的降水量并非由一次連續(xù)降水組成,而是在大尺度環(huán)流背景影響下,主要由中小尺度對流系統(tǒng)不斷生成和移動導致的[8-9]。因此,中小尺度系統(tǒng)在冀中平原暴雨過程中的作用具有重要意義,常見的中小尺度系統(tǒng)包括中尺度低壓、氣旋性輻合中心、輻合線和切變線等。

        根據(jù)暴雨過程中出現(xiàn)中小尺度系統(tǒng)的個數(shù),對2011—2020年冀中平原天氣過程中出現(xiàn)的中小尺度系統(tǒng)進行分類,分別是Ⅰ類(受單個中小尺度系統(tǒng)影響)、Ⅱ類(受2個中小尺度系統(tǒng)影響)、Ⅲ類(受3個中小尺度系統(tǒng)影響)。

        分析發(fā)現(xiàn),在2011—2020年冀中平原暴雨天氣過程中,Ⅱ類的過程數(shù)量最多,為14個,占比超過50%;Ⅲ類的過程數(shù)量最少,僅有3個。此外,所有的暴雨天氣過程均出現(xiàn)了地面輻合線(中尺度輻合線),地面輻合線是指溫度、濕度的氣流輻合線,包括邊界層冷鋒、露點鋒、海風鋒及雷暴的出流邊界(陣風鋒)等[10-13]。研究表明中尺度輻合線是風暴發(fā)生發(fā)展的動力條件之一,且大多數(shù)風暴都起源于邊界層輻合線附近,此處的大氣垂直層結有利于對流發(fā)展,易生成風暴[14-15]。

        借鑒馮晉勤等[16]在分析福建暴雨雷達回波特征和中小尺度系統(tǒng)分析時的方法,利用雷達回波資料,結合850、700 hPa天氣系統(tǒng),對24個暴雨過程進行中小尺度系統(tǒng)分析,并根據(jù)對流系統(tǒng)的組織發(fā)展情況對其發(fā)展演變趨勢做出判斷,為暴雨預報提供參考依據(jù)。

        在冀中平原暴雨的環(huán)流配置中發(fā)現(xiàn),暴雨發(fā)生時,其850、700 hPa處存在切變線或槽線,同時,在低空切變或槽南側常有偏南風或西南風低空急流與之配合。根據(jù)切變線或槽線與急流軸的位置距離的差異,以及切變或槽線在發(fā)展過程中的強度變化,其在雷達平面顯示器上主要表現(xiàn)為兩種形式。

        第一種形式,切變線或槽位置偏北,位于河北省北部,與低空急流中心軸的位置相距較遠,距離>500 km,切變線在東移南壓的過程中受南面副熱帶高壓的影響,移動緩慢或停滯。這種天氣形勢下,在切變線附近或在切變線南端西南急流左側,午后常常觸發(fā)中-γ尺度天氣系統(tǒng),并迅速發(fā)展成為中-β尺度的雷暴群,在徑向速度圖上顯示該切變或輻合線附近有逆風區(qū)、中氣旋或小尺度的輻合、輻散(圖1),此時,強雷暴的垂直伸展高度一般>12 km,反射率因子剖面上能看到明顯的“穹隆”。

        此外,降水時常伴有短時大風等強對流天氣,在強回波帶附近易形成短時暴雨,這種類型下的中小尺度系統(tǒng)維持時間一般較短,造成的短時暴雨尺度和范圍也相對較小。

        第二種形式是切變線或槽線位于河北省中南部,也就是冀中平原一帶,與西南(偏南)急流中心軸相距500 km以內。切變線在移動過程中,其前沿、急流軸的左側易形成中尺度強回波帶,回波帶的走向與切變線走向一致。在雷達平面顯示器上反映為層云和積云混合降水回波,回波強度在30~50 dBz,有密實的片絮狀結構,由多個雷暴單體組成,垂直伸展高度一般≤12 km。徑向速度場主要表現(xiàn)為大面積入流速度和出流速度,零速度線呈“S”形,低層為東風,高層為東南風,存在明顯的暖平流。

        以2020年8月23—24日暴雨過程為例,從反射率剖面圖上看(圖2),降水強回波主要集中在低層,>45 dBz的強回波距地<6 km,密度大,質心位置較低。同時,云體的主要部分在0 ℃層以下,為熱帶海洋型降水,降水效率高,同時在地面輻合線附近,不斷有較強的回波新生,呈東北—西南走向片狀分布,其走向與引導氣流一致,向東北方向移動,形成列車效應,不斷影響高碑店市、固安縣、永清縣、廊坊市等地,其中永清國家氣象站最大雨強為71.7 mm/h。這種類型下的中小尺度系統(tǒng)造成的降水時間相對較長,易造成區(qū)域性暴雨天氣。

        4 結論

        (1)冀中平原地區(qū)幾乎每年都會出現(xiàn)2~3次3個相鄰國家氣象觀測站以上的暴雨天氣,其主要影響系統(tǒng)為副熱帶高壓、高空槽、低空急流、切變線和地面低壓等。

        (2)所有暴雨過程均受到中小尺度過程的影響,多數(shù)過程出現(xiàn)了2種以上中小尺度系統(tǒng),地面輻合線、中尺度切變線、中尺度低壓是冀中平原暴雨最常見的中小尺度系統(tǒng)。

        (3)根據(jù)850、700 hPa切變線或槽線和急流的位置變化,中小尺度系統(tǒng)在雷達回波圖上表現(xiàn)為2種形式:一種是切變線或槽線位置偏北,與低空急流中心軸的位置相距較遠,在回波上表現(xiàn)為局地發(fā)展少動的強雷暴群;另一種是與急流中心軸距離相對較近,在回波上表現(xiàn)為片狀或帶狀的中尺度強回波帶。

        參考文獻

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