2013年浙江两次汛期暴雨过程对比分析

钱卓蕾,郭品文



2013年浙江两次汛期暴雨过程对比分析

钱卓蕾①*,郭品文②

① 浙江省绍兴市气象局,浙江 绍兴 312000;

② 南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044

2014-02-21收稿，2014-05-01接受

中国气象局气候变化专项项目(CCSF201535)

利用NCEP/NCAR再分析资料,对2013年4月29日(4.29)和6月6日(6.6)浙江两次汛期暴雨的天气形势场、热力动力和水汽条件进行对比分析,研究浙江暴雨的机理,为暴雨预报提供依据。结果表明:1)4.29暴雨影响系统高层为西风槽、低层为低涡;6.6暴雨高低层影响系统均为低涡。2)4.29暴雨高空西风急流强,垂直方向上存在正向环流圈,低层辐合对应高层辐散;6.6暴雨高空西风弱,垂直方向上无明显环流圈,散度场分布较复杂。3)4.29暴雨主要水汽来源为孟加拉湾、南海—西太平洋;6.6暴雨主要水汽来源为孟加拉湾、南海—西太平洋和东海。4)4.29暴雨过程中锋区呈东西走向,有较强冷空气侵入,而6.6暴雨过程中锋区呈东南—西北走向,只有较弱冷空气侵入。

暴雨低涡西风急流湿位涡

我国夏季南方暴雨频发,往往造成严重的洪涝,学界围绕我国暴雨的产生机制进行了广泛而深入的研究,成果丰富。众多研究表明:大尺度环流形势(陶诗言等,1980)、风场配置(阎凤霞等,2005;张恒德等,2011;陈威斌等,2012;舒斯等,2015)和水汽输送(郭英莲等,2010;胡燕平等,2011)对暴雨的形成和维持有重要意义。中尺度环境场对暴雨也有重要作用,中尺度系统的生成和强烈发展与暴雨直接关联(赵玉春和王叶红,2010;井喜等,2011)。此外,物理量诊断分析是研究暴雨成因和机制的重要手段。常用的物理量有Q矢量(王川等,2005)、湿位涡(吴国雄等,1995;翟国庆等,1999;高守亭等,2002;任余龙等,2007;沈桐立等,2010)等。

浙江暴雨主要出现在汛期(3—10月),汛期暴雨具有较好的典型性与代表性。本文的研究对象是2013年浙江两次汛期暴雨过程,一次属于春季暴雨,另一次是梅汛期暴雨,具有典型的梅雨形势。通过对比分析这两次暴雨发生过程的异同点,探讨浙江汛期暴雨发生的客观机理,为当地暴雨预报工作提供理论依据。

1　暴雨概况和环流形势

1.1暴雨概况

第一次暴雨(4.29暴雨)出现在4月29日20时—30日11时(北京时间,下同)。其中浙北和浙西部分地区出现暴雨,局部大暴雨。大于50 mm的强降水区主要在浙中北和浙西(图略),雨量中心分布在绍兴和杭州,中心值在100 mm以上。自动站数据显示最大降水出现在绍兴东湖,达180 mm。降水峰值出现在30日02时和05时。

第二次暴雨(6.6暴雨)开始于6月6日20时,结束于6月8日14时。浙江普降暴雨,局部大暴雨。50 mm以上强降水区位于浙中北(图略),中心在杭州地区,中心值180 mm以上。最大降水出现在杭州清凉峰,雨量为243 mm。降水在7日14时达到最大值,18时以后降水减弱明显。

1.2环流形势

4.29暴雨期间,东亚中高纬度环流形势在500 hPa高度上显示为西高东低型(图1a):贝加尔湖高压脊缓慢东移并有东倾趋势,高压脊前为西北气流,日本附近存在一个大低涡,其一端向我国东北伸出一个横槽,冷空气沿着高压脊前的西北气流南下,与横槽西部的偏北气流合并成一股较强冷空气,这股冷空气与中低纬南支槽前的西南气流交汇于32°N附近,低纬度西太平洋副高脊线在15°N附近,强度较弱。

6.6暴雨的中高纬环流形势主要表现为双阻型(图1b),贝加尔湖是一个宽广的低压槽,槽线近似东东北—西西南走向,槽底位置在45°N附近,东亚沿岸和乌拉尔山以东则存在高压脊,其中东亚沿岸高压脊脊线方向也是东东北—西西南走向,槽前脊后有大范围西南偏西气流,表明高纬的冷空气对本次暴雨的影响不大。中纬度地区,在我国东部有一个低涡,这是本次暴雨的主要影响系统。从图1b还可以看到,在低涡的后部,有一个相对较弱的高压脊存在,将高空槽底的弱冷空气向低涡后部输送,促进低涡的发展和维持。西太平洋副热带高压位置偏南偏东,东退至135°N以东,脊线在20°N附近。综合以上分析,可以看到,6.6暴雨与4.29暴雨差异显著,特别是在中高纬度,呈几乎完全相反的分布。

从两次暴雨的850 hPa平均流场(图2)可以发现:两次暴雨在低层均有低涡东移,但是,4.29暴雨低涡中心平均位置位于江西北部,位置偏南,而在6.6暴雨中低涡位于安徽南部,位置偏北。

由环流形势分析可知,4.29暴雨主要影响系统是中高纬度西风槽,中低层有低涡配合,冷空气较强,暖湿气流北抬的位置较偏南,降水偏南;6.6暴雨在中高纬表现为典型的梅雨期双阻型,就直接影响系统而言,从低层到中层都是低涡,冷空气很弱,西南气流北抬位置较北,因而暴雨偏北。

2　暴雨过程物理量诊断分析

2.1动力因子分析

由暴雨中心散度的时间—高度剖面(图3)可以看到,4.29暴雨发生前,29日14时的近地面辐合较弱,延伸高度较低;29日20时,即强降水开始时,辐合区向上伸展,强度增强,从近地面直到500 hPa附近都为辐合,辐合中心出现在650 hPa,中心值为-2×10-5s-1;此后,在29日21时—30日05时,950 hPa存在另一个辐合中心,中心值为-4×10-5s-1,与暴雨中心强降水时段是基本对应的。与中低层的辐合相反,4.29暴雨开始后,高层300 hPa附近是辐散中心,中心值为2×10-5s-1,辐散中心强度一直维持到30日05时,之后逐渐减弱。表明在4.29暴雨过程中,近地面到低层辐合中心的出现对暴雨中心降水强度有指示意义,而强降水是由于中低层一致的强辐合以及高层的强辐散抽吸作用造成的。30日11时,低层辐合和高层辐散明显减弱,且近地面出现辐散,降水基本结束。因此,整个暴雨过程基本是高层辐散对应低层辐合的一致分布。

图1　500 hPa平均环流形势场(单位:gpm)　　a.4.29暴雨;b.6.6暴雨Fig.1　500 hPa circulation pattern(units:gpm):(a)rainstorm 4.29;(b)rainstorm 6.6

图2　850 hPa平均流场(单位:m·s-1)　　a.4.29暴雨;b.6.6暴雨Fig.2　850 hPa stream field(units:m·s-1):(a)rainstorm 4.29;(b)rainstorm 6.6

图3　暴雨中心散度的时间—高度剖面(阴影代表绝对值>2;单位:10-5 s-1)　　a.4.29暴雨;b.6.6暴雨Fig.3　Time-height cross sections of rainstorm center divergence(units:10-5 s-1;shaded area indicates an absolute value of>2):(a)rainstorm 4.29;(b)rainstorm 6.6

6.6暴雨发生前,6日12时,近地面到700 hPa以下是辐散区,700～400 hPa为弱辐合,再往上是辐散。降水开始后,低层仍为辐散,辐散区的高度降至800 hPa,但是降水前期辐散强度反而加强,925 hPa附近的中心达3×10-5s-1,这种辐散一直维持到7日中午前后,此后转为弱辐合。当强降水开始时,500～800 hPa之间的辐合强度有所增强,中心强度为-4×10-5s-1,此时高层辐散也加强到3×10-5s-1,因而中层的辐合和高层辐散的加强与降水的起始时间有比较好的对应关系。从时间演变上看,中层的辐合区和高层的辐散区都有一个下传的趋势。暴雨中心的降水强度在7日14时达到最强,即为中层辐合延伸到地面,同时高空仍维持较强辐散的时刻,表明近地面辐合的出现与最强降水时刻是对应的。在7日20时以后,近地面为弱辐合,而700～900 hPa出现了弱辐散,在往上辐合辐散不明显,降水强度明显减弱。总得来说,这次暴雨过程散度场的最显著特点是降水前期从近地面到低层是辐散区,辐合区出现在中层,直到降水后期近地面才转为弱辐合。

2.2水汽输送分析

两次暴雨过程的水汽来源是不同的(图4a、d):4.29暴雨过程的水汽主要由西南急流提供,这支强西南急流有三个来源,除了来自孟加拉湾和南海,还包括西太平洋副高南侧的偏东气流在副高边缘转向而成的西南气流。主要的水汽通量中心在浙西地区;6.6暴雨过程的水汽来自西南急流和东南急流,西南支水汽来源主要是孟加拉湾、南海和西太平洋,这支西南急流在30°N附近由于低涡气旋式旋转,形成东南支水汽来源,将东海的水汽输送到降水地区。与4.29暴雨过程不同,6.6暴雨的主要水汽通量中心在浙东地区,主要原因在于该地区除了西南急流输送水汽之外,也是东南支水汽的强输送区。

暴雨中心的水汽通量散度的时间演变情况由图4b、e给出,4.29暴雨过程中水汽通量从近地面到500 hPa都是较明显的辐合,中心在800 hPa附近,量值为-4×10-5g·m-2·hPa-1·s-1,出现时段为29日23时—30日05时,对应强降水时段。而中层以上是弱水汽通量辐散,两者共同作用促进了降水的增强。30日12时,低层出现辐散,降水基本结束。

图4　两次暴雨过程的850 hPa平均水汽通量场(a,d;单位:g·m-1·hPa-1·s-1)、暴雨中心水汽通量散度的时间—高度剖面(b,e;单位:10-5 g·m-2·hPa-1·s-1)和850 hPa水汽通量散度的时间—纬度剖面(c,f;单位:10-5 g·m-2·hPa-1·s-1)　　a—c.4.29暴雨;d—f.6.6暴雨Fig.4　The (a,d)integrated moisture flux(units:g·m-1·hPa-1·s-1) and (b,e)time-height and (c,f)850 hPa time-latitude cross sections of the divergence of integrated moisture flux(units:10-5 g·m-2·hPa-1·s-1) in the rainstorm center:(a—c)rainstorm 4.29;(d—f)rainstorm 6.6

6.6暴雨开始降水后,850 hPa到近地面呈水汽通量辐散,中心在925 hPa附近,中心值为2×10-5g·m-2·hPa-1·s-1,850 hPa以上是逐渐增强的水汽通量辐合,因此降水的开始是与850 hPa到中层的水汽通量辐合增强相对应的;7日06时以后,近地面辐散消失,辐合区从近地面一直延伸到对流层中层;7日14时,近地面附近出现水汽通量辐合中心,强度为-4×10-5g·m-2·hPa-1·s-1,而此时为暴雨中心的最强降水时刻,因此近地面的水汽通量辐合加强对于雨强有明显的增幅作用。中层以上为辐散区,强度很弱。7日夜里,降水明显减弱,对应近地面到低层的水汽通量辐合明显减弱,而低层以上转为水汽通量辐散。而到了8日14时,即降水结束时刻,高低层都为一致的水汽通量辐散。

观察850 hPa水汽通量经向时间剖面(图4c、f)可以发现:4.29暴雨从发生前到发生后,水汽通量辐合中心有一个明显的向南传播,且降水开始后辐合中心数值明显增大,达到-4×10-5g·m-2·hPa-1·s-1,暴雨过程中辐合中心维持在29～30°N。而其北面较弱的水汽通量辐散中心也南传,表明干冷空气南压趋势明显;而在6.6暴雨过程中,前期30°N附近的低层主要表现为水汽通量辐散,水汽通量辐合中心出现在7日14时,中心值为-4×10-5g·m-2·hPa-1·s-1,与暴雨中心最强降水时刻是一致的,同样说明低层水汽通量辐合对于降水强度的重要意义。降水结束后,辐合中心分为南北两支,30°N附近又转为水汽通量辐散。暴雨中心北面没有较显著的水汽通量辐散中心,表明没有明显的干冷空气入侵。

2.3热力条件分析

图5　两次暴雨期间850 hPa假相当位温(单位:K)平均场(a,c;深阴影代表>344 K,浅阴影代表<320 K的区域)和暴雨中心假相当位温的时间—高度剖面(b,d;深阴影代表>344 K,浅阴影代表<340 K的区域)　　a,b.4.29暴雨;c,d.6.6暴雨Fig.5　The (a,c)mean equivalent potential temperature(units:K) at 850 hPa(dark shaded area:>344 K;light shaded area:<320 K) and (b,d)time-height cross sections of rainstorm center divergence in the rainstorm center (dark shaded area:>344 K;light shaded area:<340 K):(a,b)rainstorm 4.29;(c,d)rainstorm 6.6

图5给出了两次暴雨期间850 hPa假相当位温平均场和其时间—高度剖面图,由图7a可见,4.29暴雨过程中,在华南地区有一条西南—东北走向的高位温舌,中心达到340 K,其向东北伸展到浙南地区,假相当位温低值区位于渤海和朝鲜,他与高能舌在28～34°N之间形成一条近似东西走向的位温线密集带,与暴雨的走向是基本一致的。从暴雨中心的假相当位温时间剖面图(图5b)看,在暴雨发生前,800 hPa以下等位温线向上凸起,受暖区控制,同时位温随高度减小,已经存在不稳定,表明能量的累积过程;暴雨发生时,可以观察到,低层到近地面有冷舌伸入,与冷空气的侵入有关,低层冷空气与上空的暖湿空气形成等位温线密集带,即锋面,锋面的坡度很小。从图5b还可以发现:冷空气的入侵对暴雨增幅作用仅局限于冷空气在低层以下,当冷空气扩展到低层以上且强度增强时,降水明显减弱直至结束,主要原因在于近地面的冷空气作为一种不稳定能量的触发机制,使得暖湿空气的抬升运动增强,有利于强降水发生发展,而当冷空气厚度较厚,强度较强时,会破坏不稳定结构,不利于暴雨的增幅。

在6.6暴雨过程中(图5c),348 K高位温舌仍然位于华南,呈东东北—西西南走向,一直伸展到浙中地区,较第一次过程偏北。假相当位温低值中心在山东半岛,与高能舌在浙江沿海形成一条东南—西北走向的位温线密集带。而本次暴雨带的走向基本为东西走向,降水与低涡关系密切,受锋面影响较弱,因此雨带与锋区走向出现了不一致。垂直方向上看(图5d),在降水前期,观察到900 hPa有一个340 K冷舌伸入,表明近地面层有干冷空气渗透,;7日14时,近地面的冷空气侵入作用消失,600 hPa到地面都是高位温区,近地面假相当位温随高度递减,有不稳定性,900 hPa以上位温垂直梯度很小,而600～400 hPa存在弱冷舌侵入,高层冷平流,低层暖平流,使得对流性不稳定增强,暴雨增幅,该时刻对应暴雨中心最强降水时刻;7日18时,低层位温降低,中低层暖心结构受到破坏,降水减弱;7日夜里随着暖心结构的消失,降水基本结束。

3　结论

1)4.29暴雨过程中影响系统中层为西风槽、低层为低涡;而6.6暴雨过程中从中层到低层影响系统均为低涡。

2)两次暴雨在高空都存在分流区,有利于抽吸作用。4.29暴雨过程对流层上层有很强的西风急流,浙江上空位于西风急流的右侧,有强辐散,从对流层高层到低层,垂直方向上存在一个低纬度上升,中纬度下沉的巨大环流圈,将高低空环流耦合起来,上下层的散度分布基本是上层辐散对应下层辐合。而6.6暴雨中高空西风较弱,低空存在东风急流,但是垂直方向上没有环流圈,高低空耦合弱,降水过程中中层辐合,高层辐散,而近地面前期是辐散,到后期才转为辐合。

3)4.29暴雨主要水汽来源为孟加拉湾、南海和西太平洋,水汽通量散度分布为低层辐合对应高层辐散,而6.6暴雨主要水汽来源有孟加拉湾、南海、西太平洋和东海,水汽通量散度分布为降水前期低层辐散,中层辐合,后期中层以下转为一致的辐合,近地面的水汽通量辐合加强对于雨强有明显的增幅作用。

4)4.29暴雨过程锋区为东西走向,有较强冷空气侵入,而6.6暴雨过程锋区为东南—西北走向,只有较弱冷空气侵入,两者都有利于斜压位能的释放,促进对流的发展。

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Rainstorms in Zhejiang mainly occur in the flood season(February—October),during which heavy rainfall is common.The focus of the present study was two flood season rainstorm processes that occurred in Zhejiang in 2013,one belonging to the heavy spring rains hereafter referred to as the 4.29 rainstorm,based on its date of occurrence(29 April 2013) and the other being a typical Mei-yu rainstorm(hereafter referred to as the 6.6 rainstorm,using the same notation as previously mentioned).Based on NCEP analysis data,the circulation,thermal,dynamic and water vapor conditions of these rainstorm processes were analyzed.Through comparative analysis,the mechanistic similarities and differences were studied,providing a theoretical basis for further work on local rainstorm forecasting.The results can be summarized as follows:(1)During the 4.29 rainstorm,the high latitude circulation at the height of 500 hPa in East Asia was characterized by a western high and eastern low pattern.The main system of impact was the westerly trough at high latitudes together with a lower-level vortex,with stronger cold air,and a more southerly northward position of warm air,which induced southerly rain.A double block was present in the high-latitude circulation of the 6.6 rainstorm,and a low vortex was the main influence from the upper to lower levels,with weak cold air,and southwesterly flow further north,thus resulting in a northerly storm.(2)During the 4.29 process,an upper-level strong westerly jet existed,with a positive vertical circulation and low-level convergence corresponding to high-level divergence.During the 6.6 rainstorm,the high-level westerly wind was weak,with a more complex divergence field of a divergence zone during the early stage of precipitation from the near-surface to the lower levels,and a convergence zone in the middle levels,which transferred to weak convergence until the later stage of precipitation near the ground and with no apparent vertical circulation.(3)The source of water vapor for the two rainstorm processes was different:the water vapor for the 4.29 rainstorm process was mainly provided by the southwest jet stream,with the main source regions being the Bay of Bengal,the South China Sea and the western Pacific.The divergence distribution of water vapor flux was convergence in the lower layers,corresponding to upper-level scattered divergence.In the 6.6 rainstorm,the water vapor come from the southwest and southeast,with the main source regions being the Bay of Bengal,the South China Sea,the western Pacific,and the East China Sea.There was low-level divergence in the early stages of the divergence distribution of water vapor flux and convergence in the middle stages.In the later stages,however,there was consistent convergence under the middle level.The strengthened vapor flux convergence above the near-surface level played an obvious role in the rainfall intensity increasing.(4)An east—west oriented front with a strong cold air intrusion existed in the 4.29 process,while a northwest—southeast front with a weak cold air intrusion was apparent in the 6.6 process,both of which were advantageous for the release of baroclinic potential energy,and could promote convection development.

torrential rain;low vortex;westerly jet;moist potential vorticity

(责任编辑：孙宁)

Comparative analysis of two torrential rainstorms that occurred in Zhejiang in 2013

QIAN Zhuolei1,GUO Pingwen2

1ShaoxingMeteorologicalOffice,Shaoxing312000,China;2SchoolofAtmosphericSciences,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140221010

*联系人，E-mail:guoguovs666@sohu.com

引用格式：钱卓蕾,郭品文.2016.2013年浙江两次汛期暴雨过程对比分析[J].大气科学学报,39(2):253-259.

Qian Z L,Guo P W.2016.Comparative analysis of two torrential rainstorms that occurred in Zhejiang in 2013[J].Trans Atmos Sci,39(2):253-259.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140221010.(in Chinese).