高原涡与西南涡相互作用引发MCC暴雨的形成机制分析

蒲学敏 白爱娟

(成都信息工程大学 大气科学学院,成都 610225)

引 言

高原涡主要出现在500 hPa等压面,当其东移出高原,会造成我国东部地区大范围暴雨、雷暴等灾害性天气[1-2]。西南涡是一闭合低压涡旋系统,在有利的环流形势配合下,部分西南涡会强烈发展、东移或者与其他天气系统发生相互作用,造成大范围强对流天气。相关研究揭示了高原涡与西南涡的相互作用[3],郁淑华等[4]分析得出两涡伴行有三种活动形式,分别是高原涡诱发西南涡、高原涡与西南涡耦合以及同一天气系统下两涡。邱静雅等[5]发现高原涡与西南涡处于非耦合状态时,高原东侧的下沉气流将抑制西南涡的发展。赵玉春等[6]研究发现,高原涡东移诱生的低层偏东气流释放对流有效位能激发MCS产生强降水。许多研究揭示了高原涡与西南涡的相互作用,但还缺乏高原涡与西南涡相互作用引发中尺度对流复合体(Mesoscale Convective Complex, MCC)暴雨的一些认识。

相关研究表明西南涡和高原涡作用时,经常伴随强降水天气,而MCC是暴雨云系在卫星云图上的反映。马红等[7]通过分析西南地区一次暴雨天气过程,得出850 hPa盆地西南涡引发的MCC是暴雨的直接影响系统。MCC是一个独特的、结构完整的中尺度对流系统,通常发生在对流不稳定且高温高湿的大气环境中,并有充足的水汽输送,且常造成区域性暴雨[8-9]。范俊红等[10]对一次MCC个例研究发现强降水出现在TBB梯度区。赵桂香等[11]发现MCC的形成与不稳定度有关。

总之,高原涡与西南涡相互作用是西南地区产生大暴雨天气的典型环流形势,分析两涡作用的环流特征,及伴随的MCC云图特征,讨论西南地区暴雨的形成机制,对西南地区灾害性天气的预警具有重要意义。

1 数据与个例选取

所用资料为常规观测资料、ERA-Interim再分析资料(世界时00、06、12、18时,分辨率为0.25°×0.25°)、FY-2D卫星资料和GPM(Global Precipitation Mission,GPM)卫星资料。

已有不少有关高原涡与西南涡相互作用的强降水过程的研究[12-14]。本文以2014年7月8—10日四川盆地发生的一次强降水过程为例,围绕两涡相互作用的环境场和物理量场进行分析,8日20时(北京时,下同)同一天气系统下的两涡相距较远,盆地西南涡强烈发展引发盆地强降水,9日20时后东移出高原的高原涡与西南涡垂直耦合作用引发MCC,降水强度显著增大,以此揭示高原涡与西南涡相互作用引发MCC暴雨的主要物理机制。

2 降水实况

2014年7月8—10日,西南地区发生区域性强降水。其中四川绵阳、彭州、德阳、广安等地累积降水量均大于100 mm,达大暴雨量级。图1为8—10日间部分时段的6 h降水量分布。8日18时(图1a)盆中地区有一强降水中心,6 h累积降水量达141.4 mm。9日18时(图1b)后盆地降水落区呈东北—西南向分布,范围扩大,强度增强,降水中心6 h累积降水量达168.2 mm。10日(图1c)暴雨强度减弱,范围缩小,此时强降水中心东移至盆地东部,其6 h累积降水量为88.1 mm。总体分析8—10日累积降水量可知,8日(图1a)和9日(图1b)盆地夜雨现象显著,其变化特征突出,降水量大且范围广,此次降水过程具有局地性强,强度大的特征。

在此次过程中,绵阳站和彭州站地处高原东部、四川西北部,属平原地区,随两涡相互作用产生短时强降水,对强降水中心区域作逐小时降水量演变分析。结果表明：绵阳站(图2a)的降水时段集中在8日22—00时和9日21—00时,8日18—21时的小时降水量都在5 mm以下,而21时之后其降水量开始大幅度增长,高原涡与西南涡耦合前,西南涡发展强烈,到9日00时的小时降水强度最强,达到72.3 mm,8日22—00时的3 h降水量达149.5 mm,随后降水减弱。9日22时前的降水量在15 mm以下,而后两涡耦合作用,降水量增多,9日22—00时的3 h降水量达121.3 mm,其中23时的小时降水量强度较强,达到了39.2 mm,之后降水减弱,至10日04时降水基本结束,在此阶段有5个时次小时降水量为超过了20 mm 的短时强降水。

图1 2014年7月8—10日暴雨过程的 6 h累积降水量(单位：mm)：(a)8日18—00时;(b)9日18—00时;(c)10日00—06时;(d)10日18—00时Fig.1 6 h accumulative precipitation during the rainstorm on July 8-10, 2014(unit:mm)： (a) 18∶00-00∶00 BST on 8; (b) 18∶00-00∶00 BST on 9; (c) 00∶00-06∶00 BST on 10; (d) 18∶00-00∶00 BST on 10

图2 暴雨中心站点逐小时的降水演变(单位：mm):(a)绵阳站; (b)彭州站Fig.2 The hourly precipitation evolution of the rainstorm center site(unit:mm): (a)Mianyang station; (b)Pengzhou station

彭州站(图2b)的降水时段集中在9日21—00时,其中9日00时有一次短时强降水,其小时降水量为30.4 mm。9日18—21时的小时降水量都在10 mm以下,从21时开始高原涡移出高原与西南涡垂直耦合作用导致降水量增加,23时的降水强度最强,小时降水量达97.0 mm,9日21—23时的3 h降水量达175.9 mm,随后降水强度显著减弱,至10日06时降水基本结束,在此阶段有 4 个时次小时降水量为超过了20 mm的短时强降水。

3 环流形势演变

分析500 hPa 环流形势,8日08时(图3a)高原低槽发展,青海南部向南延伸的低槽内有一低涡生成,位于高原中部。8日20时(图3b)槽前高原涡东移南下至四川西北部,且强度增强,盆地西南涡发展强烈,与高原涡处于同一低槽前,此时高原涡与西南涡涡心间的纬向距离较远(大于等于5经/纬度),500 hPa高位涡空气伸入西南涡上空,造成西南涡上空斜压不稳定增强,两涡同一天气系统下相互作用引发盆地暴雨。9日08时(图3c)高原低槽东移,30°N形成一高压脊,西太平洋副热带高压移动过程中在其西北侧形成西南急流。9日20时(图3d)高原涡南下移至100°E附近,此时副高强盛,588 dagpm深入我国华南地区。此后东移出高原的高原涡东部正涡度平流与850 hPa西南低涡发生垂直耦合,高原涡强度相较于之前有所减弱,两涡耦合作用后引发盆地暴雨。10日08时(图3e)两涡继续发展东移。两涡相互作用前处于同一低槽前,盆地西南涡发展强烈,暴雨发生时,移出高原的高原涡与西南涡涡垂直耦合叠加。

图3 2014年7月8—10日500 hPa等高线(单位:dagpm)和位涡(阴影,单位:s-1)(黄色三角形为西南涡所在位置,粗黑线为高原边界):(a)8日08时; (b)8日20时； (c)9日08时； (d)9日20时； (e)10日08时； (f)10日20时Fig.3 The 500 hPa contour line (unit: dagpm) on July 8-10, 2014 and the vortex (shadow, unit:s-1)(the yellow triangle is the location of the southwest vortex; thick black line is plateau boundary) at：(a) 08∶00 BST on 8;(b) 20∶00 BST on 8; (c) 08∶00 BST on 9; (d) 20∶00 BST on 9; (e) 08∶00 BST on 10; (f) 20∶00 BST on 10

分析850 hPa环流形势,8日08时(图4a)盆地中部受一致偏南气流影响,盆地西南涡发展。8日20时(图4b)盆地处于较强东南气流中,风速显著增大,此时不同高度上两涡均位于同一低槽前,在同一天气系统下共同作用,造成盆地暴雨。9日08时(图4c)盆地内西南涡强烈发展,风速变大。9日20时(图4d)盆地西南涡影响范围扩大,涡旋中心稳定在盆地,具有强烈辐合抬升,东移出高原的高原涡与西南涡垂直耦合作用,引发盆地暴雨。10日08时(图4e)两涡耦合作用后,正涡度中心发展东移。10日20时(图4f)气旋性涡旋东移至川东,暴雨过程基本结束。此次过程中暴雨区与涡旋中心位置相对应,涡旋中心位于暴雨区右前方,暴雨区随低涡的东移而东移,低涡的发展对本次盆地暴雨产生和发展起决定性作用。

图4 2014年7月8—10日850 hPa等高线(单位:dagpm)和位涡(阴影,单位:s-1)(黄色实心圆为高原涡所在位置,粗黑线为高原边界):(a)8日08时；(b)8日20时；(c)9日08时；(d)9日20时；(e)10日08时；(f)10日20时Fig.4 850 hPa contour line on July 8-10, 2014 (unit: dagpm) and position vortex (shadow, unit:s-1) (yellow solid circle is the position of the plateau vortex; thick black line is the plateau boundary) at：(a)08∶00 BST on 8; (b)20∶00 BST on 8; (c)08∶00 BST on 9; (d)20∶00 BST on 9; (e)08∶00 BST on 10; (f)20∶00 BST on 10

4 两涡作用的卫星云图特征

从卫星云图(图5)分析MCC的特征,可见,此次暴雨过程中伴随着旺盛的中尺度对流活动。8日12时四川及周边区域上空分布零散云团,盆地上空没有明显的降水云系,17时四川西北部对流云团迅速发展东移,云核面积增大,顶部温度降低。20时(图5a)，其云顶亮温基本在-72 ℃左右,MCC呈现椭圆状,长轴呈现东北—西南向,此时同一天气系统下西南涡强烈发展引发盆地MCC发生发展,导致盆地暴雨。23时，MCC发展成熟,范围扩大,云顶温度小于-72 ℃,此时盆地暴雨(图5b)。9日01时前后，MCC进入消亡阶段,云团尺度减小,结构变得松散,但仍然满足MCC标准,云团对应区域的降水强度明显减小。

图5 2014年7月8日08时至10日00时红外云图空间分布(a—c、g—i)及其对应时刻降水分布(d—f、j—l):(a、d)7月8日20时;(b、e)7月8日23时;(c、f)7月9日01时;(g、j)7月9日19时;(h、k)7月9日23时; (i、l)7月10日00时Fig.5 Spatial distribution of (a-c,g-i) infrared cloud image and (d-f,j-l)its corresponding time precipitation distribution during 08∶00 BSTon 8 to 00∶00 BST on 10 in July, 2014：(a,d)20∶00 BST on July 8; (b，e)23∶00 BST on July 8; (c,f)01∶00 BST on July 9;(g,j)19∶00 BST on July 9; (h,k) 23∶00 BST on July 9； (i,l)00∶00 BST on July 10

9日18时，四川地区多个对流云团发展,21时，多个云团合并,其冷中心合为一体,云团面积增大,此时东移出高原的两涡垂直耦合作用引发MCC,造成盆地暴雨天气。23时，MCC成熟阶段,系统移动较为缓慢,此时盆地暴雨,降水区域主要集中在TBB梯度大值区一侧,位于MCC云团TBB冷中心附近(图5e)。10日00时，冷云面积明显减小,MCC特征逐渐消失(图5i)。分析可见,两涡耦合作用时短时强降水区域与MCC相对应,降水落区位于MCC云团TBB冷云团中心,强降水集中出现在两涡耦合作用伴随MCC发展至成熟阶段。

5 两涡作用引发MCC的形成机制分析

5.1 水汽条件

对此次两涡作用的暴雨天气分析其水汽输送和辐合特征。两涡耦合作用前(图6a)来自孟加拉湾的西南急流和副热带高压西侧南海偏南气流,在四川西北侧汇合,形成-3.7×10-3kg·m-2·s-1·hPa-1的水汽通量辐合区,有利于MCC的生成。8日20时(图6b)，水汽通量散度辐合区强度加强,范围扩大,涡心附近辐合中心强度达-4.2×10-3,西南涡南部有充沛的水汽输送,此时西南涡强烈发展并引发MCC,导致盆地暴雨。9日08时(图6c),强度为-2.2×10-3的水汽辐合区南下,强度减小。

9日20时(图6d)，水汽辐合中心强度增强至-3.7×10-3,盆地有充沛的水汽输送,此时移出高原的高原涡与西南涡耦合作用引发MCC,造成盆地暴雨。10日08时(图6e),盆地仍处于水汽辐合散度大值区,强度减弱,至10日20时(图6f)减弱至2.2×10-3。分析其水汽走向可以看出,暴雨期间水汽通量大值轴线呈东西走向。

在此次相互作用过程中,同一天气系统下两涡共同作用下引发MCC,盆地暴雨区的水汽辐合中心强度增强,带来局地强降水。两涡耦合作用引发MCC,盆地暴雨区的水汽辐合中心强度显著增强,导致盆地暴雨。

5.2 动力抬升机制

为了揭示此次两涡相互作用的动力结构特征,对各物理量的演变特征进行了分析。两涡耦合作用前(图7a),绵阳市(104°E)在500 hPa以下有正涡度柱,中心在700 hPa,强度为6.3×10-5s-1。8日20时(图7b)，绵阳市上空正涡度柱强度明显增强,中心仍在700 hPa,强度达7.6×10-5s-1,此时西南涡与高原涡在同一天气系统下共同作用引发MCC,伴随盆地暴雨。9日08时(图7c)，在500 hPa层结上下存在明显的正负涡度锋区,低层辐合高层辐散有利于MCC的发展。

图7 2014年7月8—10日散度(阴影,单位:10-5s-1)、涡度(灰线,单位:10-5s-1)、垂直速度(黑线,单位:hPa·s-1)沿31°N的纬度—时间剖面:(a)8日08时; (b)8日20时; (c)9日08时; (d)9日20时; (e)10日08时; (f)10日20时Fig.7 Latitude-time profile along 31°N from July 8-10, 2014 of divergence (shadow, unit:10-5s-1), vorticity (grey line, unit:10-5s-1),vertical velocity (black line, unit:hPa·s-1) at: (a) 08∶00 BST on 8; (b) 20∶00 BST on 8; (c) 08∶00 BST on 9;(d) 20∶00 BST on 9; (e)08∶00 BST on 10; (f) 20∶00 BST on 10

9日20时(图7d)，绵阳市上空正涡度柱达到了150 hPa,正涡度柱有两个中心,一个位于700 hPa,强度达6×10-5s-1,对应此时中低层的气旋性涡旋,在250 hPa还存在另一个正涡度中心,此时高原涡在较强的斜压不稳定情况下与西南涡耦合,合并为一个强涡,低空强烈辐合高空辐散,辐合中心与耦合区相对应,耦合区上空垂直速度为正,最大垂直速度出现在对流层高层,有明显的辐散场,对底层有明显抽吸作用,此时上升运动很强,存在短时强降水。10日08时(图7e),绵阳市上空出现两个正涡度中心两个负涡度中心,此时两涡耦合后东移。10日20时(图7f),MCC消散,正涡度中心明显东移至108 °E附近。此次两涡相互作用过程中,对流层中低层正涡度与高层负涡度的垂直分布有利于MCC的发展成熟,散度涡度和垂直速度与暴雨的时段和落区有很好的对应关系。

5.3 不稳定条件

分析此次过程中θse水平分布,700 hPa上,若以355 K为特征线,特征线以南为θse的高值区,与高温高湿区相对应,特征线以北为低温低湿的θse低值区。则θse等值线的密集带就是冷暖空气交汇区域所在。两涡耦合前(图8a)盆地处于θse高值区,高温高湿,有利于MCC发展。8日20时(图8b)，暴雨区θse水平梯度增大,高值区西北侧为等θse线密集带,此时大量不稳定能量聚积,引发MCC伴随盆地强降水。9日08时(图8c)，等θse密集带逐渐向南发展,范围扩大。

图8 2014年7月8—10日700 hPa θse 水平分布(单位:K): (a)8日08时; (b)8日20时; (c)9日08时; (d)9日20时; (e)10日08时; (f)10日20时Fig.8 700 hPa θse horizontal distribution from July 8 to 10, 2014(unit: K) at: (a)08∶00 BST on 8; (b)20∶00 BST on 8; (c)08∶00 BST on 9; (d)20∶00 BST on 9; (e)08∶00 BST on 10; (f)20∶00 BST on 10

9日20时(图8d)，暴雨区位于能量区前沿,此时两涡耦合且引发MCC,暴雨区大气中有较高能量释放,伴随盆地暴雨产生。此后等θse密集带缓慢东移,至10日20时(图8f),四川盆地东南部为θse低值区,不稳定能量逐渐消耗,降水基本结束。

图9 2014年7月8—10日700 hPa θse 垂直分布(单位:K):(a)8日08时; (b)8日20时; (c)9日08时; (d)9日20时; (e)10日08时; (f)10日20时Fig.9 θse vertical distribution of 700 hPa from July 8 to 10, 2014(unit: K) at:(a)08∶00 BST on 8；(b)20∶00 BST on 8, (c)08∶00 BST on 9; (d)20∶00 BST on 9; (e)08∶00 BST on 10; (f)20∶00 BST on 10

9日20时(图9d)，盆地上空θse垂直梯度增大,其等值线的倾斜度越大,大气对流显著不稳定,两涡耦合作用引发MCC,导致盆地暴雨。直至10日20时(图9f)，θse等值线倾斜度逐渐平缓,大气层结稳定,降水显著减少。两涡耦合作用前期,对流层低层存在弱的对流不稳定区域,耦合作用时,暴雨区对流稳定度减小,导致垂直上升运动加强,且满足了MCC维持和发展需要的高能高湿需求,引发盆地暴雨。

由湿位涡的定义可知,当MPV1>0,表示大气对流稳定,MPV1<0,表示大气对流不稳定。由于MPV2 比MPV1 要小一个量级,本文只分析MPV1。两涡耦合前(图10a)盆地基本处于对流稳定。8日20时(图10b)，盆地对流层中低层呈不稳定性,此时两涡相互作用下西南涡强烈发展引发MCC,为盆地带来暴雨。9日08时(图10c)，MPV1负值增大,不稳定性增强。

图10 2014年7月8—10日沿31°N的MPV1垂直剖面(单位:10-6K·kg-1·m2·s-1):(a)8日08时; (b)8日20时; (c)9日08时; (d)9日20时; (e)10日08时; (f)10日20时Fig.10 Vertical profile of MPV1 along 31°N from July 8-10, 2014(unit:10-6K·kg-1·m2·s-1) at:(a)08∶00 BST on 8; (b)20∶00 BST on 8; (c)08∶00 BST on 9; (d)20∶00 BST on 9; (e)08∶00 BST on 10; (f)20∶00 BST on 10

9日20时(图10d)，MPV1负值区范围变大,不稳定性显著增强,此时两涡垂直耦合作用引发MCC,带来暴雨天气。10日08时(图10e)，MPV1负值区有所东移,暴雨区850 hPa以上层结维持对流不稳定,850 hPa以下层结出现强度为2.5 PVU(1 PVU=10-6K·kg-1·m2·s-1)的MPV1正值中心,大气层结稳定。至10日20时(图10f)落雨区东移,盆地东南部处于对流不稳定状态。此次两涡相互作用过程中,低层湿位涡负值区范围变大,大气不稳定性显著增强,为盆地暴雨提供不稳定条件。

6 结论

本文分析了2014年7月8—10日一次由高原涡与西南涡相互作用引发MCC产生大暴雨的天气过程,通过对不同活动形式的两涡相互作用时环境场特征、卫星云图特征以及形成机制的分析,主要结论如下:

(1) 高原涡与西南涡相互作用前期,两涡涡心间距离较远时,同一天气系统下生成的两涡,有500 hPa高位涡空气伸入西南涡上空,西南涡上空斜压不稳定增强;高原涡东移至100°E附近时,低涡东部的正涡度平流与850 hPa西南低涡发生垂直叠加,盆地产生暴雨,暴雨区位于低涡中心。

(2) 红外云图明显表征了MCC的发展成熟对暴雨的落区和移动有较强的指示意义:由两涡相互作用引发的MCC是产生强降水的重要原因,降水基本集中出现在MCC发展成熟阶段,强降水位于对流云团黑体亮温(TBB)冷中心附近,靠近亮云核。

(3) 两涡相互作用时高原涡与西南涡南部来自孟湾和南海的暖湿气流强盛发展带来了充沛的水汽输送,在涡心附近形成水汽辐合区,水汽辐合中心与强降水落区相对应。MCC在其发展到成熟阶段,均存在水汽辐合加强的特征。

(4) 两涡相互作用前对流层低层存在弱的对流不稳定区域;两涡作用时低空辐合高空辐散的散度场分布特征以及对流层中低层正涡度与高层负涡度的垂直分布特征有利于MCC的发展成熟,且θse水平和垂直梯度加大,随高度递减,大气层结出现显著的不稳定,此时垂直上升运动加强,满足了MCC维持和发展需要的高能高湿需求。