陕西暴雨若干特征的综合分析＊

(1.西安市气象台,陕西西安 710016;2.陕西省气象台,陕西西安 710014)

0 引言

陕西是北方多暴雨地区之一。暴雨及诱发的洪水、滑坡、泥石流等地质灾害是陕西重大自然灾害之一。暴雨,尤其是大暴雨,因其来势猛、强度大、历时短且局地性强,常常引发严重的洪涝灾害和诱发局部山地灾害,给人民生命财产带来极大危害。如延河“77.7”大暴雨、陕南丹风“98.7”特大暴雨、陕南佛坪“02.6.8”特大暴雨、2003年渭河流域连续性暴雨、2005年7月上旬陕南镇巴连续大暴雨等均给当地造成重大损失和人员伤亡。气象部门准确及时做好暴雨的预报、预警,对政府指挥防灾、减灾,减少或避免灾害损失意义重大。

陕西地处青藏高原东北侧,南部为东西向秦岭巴山山脉,北部为黄土高原地区,南北跨8个纬度,地形复杂。特殊的山脉走向和地形分布同大气环流的相互作用,使得该地区的降水有着独特的分布规律和特征,暴雨的形成机理与其他区域有明显差异。因此,对陕西及周边地区暴雨的分析预报是目前该区域天气预报业务的重点和难点。

1 持续性强降水特征

发生持续性强降水要有一定的大尺度环流条件,其发生发展和时空分布并非随机偶成,往往受到具有更长时间尺度和更大空间尺度的异常背景,即气候背景的约束,还直接受副热带高压、阻塞高压等大尺度环流的影响[1-2]。

分析研究2003年8月24日-9月7日渭河流域、甘肃部分地区持续性强降水天气过程和2005年7月上旬陕西南部—四川北部连续暴雨、大暴雨发生过程(图1),可以得出如下认识。

图1 500 hPa高度场(单位:dagpm)

(1)500 hPa欧亚中高纬度与中低纬度槽脊的反位相分布,即中高纬度为两槽一脊、中低纬度为两高一低是该地区产生持续强降水的一种有利机制。它不仅出现在秋季,而且在初夏也可发生,易诱发严重的洪涝灾害。

(2)乌山阻高和西太平洋副热带高压等天气尺度系统的有利配置及稳定少动是这类持续性强降水大尺度环流的典型环流特征。乌山阻高前贝湖低压底部小槽引导西北路冷空气和副高西北侧暖湿气流在高原东北侧一带反复交绥是这类持续性强降水的主要成因。

(3)低空急流对这一区域强降水的形成起着输送水汽和能量的重要作用,而高低空急流的耦合有利于强降水的发生和发展。低空急流造成暖湿空气输送与高空急流干冷空气平流叠置,加强了暴雨区上空的大气潜在不稳定,且高低空急流耦合产生的次级环流上升支触发不稳定能量的释放促进了暴雨时中小尺度对流的活跃,有利于产生强降水。

2 高空中尺度流场特征

采用三种带通滤波方法进行中尺度分离,分析了部分暴雨个例,分别对暴雨日前一天和暴雨当天的850、700、500、300 hPa等4层3个时次的高空风场资料进行了中尺度分离。分析暴雨个例的中尺度流场特征[3-4],得出如下认识。

(1)暴雨发生期间,暴雨区的中低层存在中尺度气旋或辐合区,其水平尺度属于中α尺度,生命史约为几小时到十几小时(图2)。一般来说,陕北的中尺度系统时间尺度和水平尺度比关中陕南略小。中尺度系统是在一定的环境下由天气尺度系统激发生成的,中尺度辐合系统一般随着天气系统的发展而增强,降水强度也随之增大。

图2 中尺度带通滤波流场图(阴影区为暴雨区)

(2)高空中尺度流场辐合系统主要表现为两种类型:即涡旋型和辐合线型,中层通常为辐合线型,低层二者均有,且多为涡旋型。500 hPa辐合线分纬向类和经向类,它的分布形态与暴雨的类型和暴雨落区相关。

(3)中尺度流场辐合系统主要出现在对流层中下层,即在500 hPa层以下,垂直尺度较小,高层水平尺度相对较大,低层水平尺度相对较小。850、700、500 hPa层中尺度系统一般随高度呈倾斜状,且多向西倾斜。

(4)应用中尺度分离流场与水汽条件、大尺度环境场合成分析,可以在一定程度上提高暴雨落区预报准确率和预报时效。

3 地面中尺度系统

根据单位质量空气的相对湿静力能量和位势能之比(称之为“地面能量比”),表达式为:

式中:TσG为地面相对总温度;P0为海平面气压。实际分析表明,该方法对不同属性小股空气的分布状况反映灵敏,而且其大梯度的高能区往往与有一定动力抬升条件的位势不稳定区相配合。

用陕西96个地面测站资料,采用地面能量比方法,分析暴雨时地面能量场特征,以及它同暴雨和落区的关系[4-5],得出如下认识。

(1)陕西暴雨发生时,经常在地面能量场上表现为中β-中α尺度的Ω系统,地面能量场Ω系统具有几十千米到几百千米的空间尺度,其时间尺度在6～15 h。其中高能轴代表了高温、高湿且不稳定的暖湿气团,其两侧的两股低能轴代表了干冷气团,这两股干冷气团夹挤暖湿气团,形成不同属性气团的激烈交汇,雨区就落在高能轴附近(图3),对暴雨的预报具有明确指示意义。

图3 地面能量比图(实线:高能轴;虚线:低能轴;阴影:暴雨区)

(2)地面能量场中尺度Ω系统的发生、发展,取决于地面冷、暖气团的相互运动,暴雨就发生在其发展强盛时期。随后,随着能量的释放和暖湿气团的减弱,Ω系统趋于减弱消失,暴雨随之结束。暴雨出现时暖湿气团往往起着主导的作用。

(3)在Ω系统发展前期,其上空θse500-θse850＜0,表现为强烈位势不稳定。在Ω系统发展强盛时期和降水时刻,涡度场中低层表现为正值,高层为负值;散度场中低层表现为负值,一般700 hPa为最大负值层,高层为正值,有些暴雨发生时的无辐散层较高,大约在400 hPa附近;垂直速度经常为对流层整层的上升运动,最大上升运动层与无辐散层对应。

4 暴雨散度分布的一种特殊结构

对部分暴雨个例诊断及数值模拟分析发现,暴雨发生前散度垂直分布从对流层低层到高层呈现辐合-辐散的双重结构,而不是低层辐合、高层辐散的简单形式[6]。如在2002年6月8日陕南佛坪特大暴雨中心的散度垂直剖面图上可以看出(图4a、b),20时暴雨区附近600 hPa以下为一中尺度的辐合区,在600～400 hPa为弱辐散。值得注意的是,在对流层中、高层(400 hPa以上)还存在着另一个辐合-辐散结构,从图中发现400～250 hPa为辐合区,高层200 hPa为辐散区。得出如下认识。

图4 沿34°N,108°E散度剖面图(▲:暴雨区)(单位:10-5s-1)

(1)高原东侧的中尺度系统空间结构复杂。物理量场的分布、结构往往与一般暴雨有显著差异。如暴雨发生前散度垂直分布常常表现为从对流层低层到高层呈现辐合-辐散的双重结构,而不是低层辐合、高层辐散的简单形式。

(2)高原东侧散度垂直分布出现的特殊结构并不是一种偶然现象,它是影响该区域大暴雨高、低层环流系统的综合反映。在陕西暴雨研究中[5]发现,有别于一般暴雨时“三股气流”的作用,陕西大暴雨时常存在“四股气流”的作用,即多出了一支500～300 hPa高原槽前的偏南气流,并证实了这股气流的高能、不稳定特征,这与散度场的特殊结构有着紧密联系。

(3)高原槽前偏南气流的强辐合区与急流右侧的强辐散区耦合导致的对流层中、高层第2层辐合、辐散结构对中尺度对流系统(MCSs)形成和维持的动力作用相当明显,为暴雨区强烈的上升运动发展、深对流的形成等提供了十分有利的条件。

5 中尺度对流系统(MCSs)

中尺度对流系统(MCSs)是造成严重气象灾害的主要天气系统之一,利用G MS-5、FY-2卫星云图资料,对影响陕西的一些暴雨个例进行分析得出如下认识[6-9]。

(1)在我国西部的青藏高原东北侧,中尺度对流系统(MCSs)是造成局地大暴雨或特大暴雨的直接天气系统。其多发生在冷锋前部(如2002年6月8日陕南佛坪特大暴雨);另外也可发生在副热带高压外围或台风低压环流北侧偏东风急流带中(如2002年7月4-5日陕北子长连续大暴雨(图5)。

图5 G MS-5红外云图

(2)中尺度对流系统(MCSs)经历发展、成熟、消亡3个阶段,通常先由若干个中小尺度对流单体合并而成,呈椭圆状,水平尺度在几十千米到100 km左右,其生命史约在3～8 h左右。云顶亮温低于-50℃。最强的降水出现在MCSs成熟期,随着云团的减弱消散,降水随之减弱消失。

(3)暴雨区附近,高空西风急流和低空西南急流耦合产生的次级环流为中尺度对流系统的反复发生提供了有利的环境条件。中尺度对流系统的重复发生具有时间间隔,与强降水落区和降水强度密切相关,间隔时间越长,降水越强。分析暴雨期间高低空急流等天气尺度系统的影响、监测中尺度对流云团演变,对暴雨强度和落区预报具有一定指示意义。

(4)发生在青藏高原东北侧的中-β尺度对流系统(MCβSs),不是孤立的系统,它有自己独特的环境场特征,不论在高空、地面,还是动力学上有其特殊的特征和规律。产生中尺度对流系统的环境条件,其成因和机理有待更深入的研究。

6 近海台风与陕西暴雨

陕西地处黄土高原东北侧的内陆地区,以往对这一区域台风影响的暴雨研究相对较少,近年来通过对近海台风与陕西暴雨的相关、作用等分析,得出如下认识[10-12]。

(1)陕西汛期区域性暴雨与近海台风相关率较高,可达60%以上,大暴雨与台风关系更为密切。近海台风对地处高原东北侧的陕西暴雨有明显作用。这种远距离台风影响产生的暴雨突发性强、雨强大,且各自成因差异明显。

(2)低空台风低压环流北侧东风气流形成的水汽和能量通道在地处内陆的陕西产生强水汽辐合,并造成不稳定能量的积蓄和释放直接导致暴雨的发生、发展。如2002年6月8日陕南佛坪特大暴雨、7月4-5日陕北子长突发大暴雨均有台风活动(图6a、b),而台风中心与暴雨区的距离在1 000 km左右。以往,如此远距离台风影响内陆地区的暴雨过程在实际业务中很容易被忽略。

图6 500 hPa高度场(单位:dagpm)

(3)暴雨的水汽、能量输送以850 hPa层或925 hPa最为显著。强降水多在夜间增强。因此充分利用卫星云图、多普勒雷达和加密气象站观测资料,加强短时预报和临近预报预警服务是减少或避免灾害损失的重要环节。

(4)近海台风对高原东侧远距离暴雨影响的研究是一项重要的科学问题,其研究不仅关系到该区域的暴雨洪涝灾害,对扩展我国台风暴雨的研究、深化台风暴雨的理论和实践均具有明确意义。

7 结论

(1)西太平洋副热带高压、乌拉尔山阻塞高压等大尺度系统的有利配置及稳定少动是陕西发生持续性强降水的典型环流。副高西侧(或西北侧)的低空暖湿气流(急流)对陕西及周边地区强降水(特别是暴雨、大暴雨)的水汽输送起着关键作用。

(2)利用滤波方法对高空风场进行中尺度分离,在对流层中低层暴雨区附近存在明显的中尺度辐合系统,结合地面流场、能量场分析对判断暴雨落区有一定的指示意义。

(3)部分暴雨发生前,散度垂直分布从对流层低层到高层常呈现辐合-辐散的双重结构。这种结构与高原东北侧暴雨时的特殊环流有着紧密联系。暴雨时,对流层出现的复杂环流也是该地区中尺度对流系统(MCSs)多样性的主要原因。

(4)陕西汛期区域性暴雨与近海台风有着较高的相关率。近海台风对陕西暴雨的影响主要有两类:一是对中低纬度系统起阻挡作用,使暴雨的影响系统移动减慢或停滞,造成降水增强。二是低空台风低压环流北侧的东风气流(急流)直接将西太平洋的水汽输送到暴雨区,甚至东风气流产生的波动可成为暴雨的触发机制。

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