台风“潭美”(1312)倒槽影响江汉平原强降水分析

张端禹 王晓芳 崔春光 闵爱荣 向芬

(1 中国气象局 武汉暴雨研究所 暴雨监测预警湖北省重点实验室,武汉 430205;2 湖北省气象信息与技术保障中心,武汉 430074)

引 言

热带气旋是影响我国夏秋季暴雨过程的因素之一,其中热带气旋倒槽引发较多。不仅沿海地区[1],内陆省份也可能受到它的侵扰[2]。热带气旋倒槽的垂直结构与移向、移速是关系到暴雨落区、时间与强度的关键因素。吴蓁等[3-4]研究发现,中层台风低压倒槽的移速快于低层且在暴雨区形成一支自下而上向西倾斜的上升气流,引发对称不稳定能量释放,使倾斜对流发展;当前方或北方有明显的24 h负变温时,倒槽将停滞或倒退。

热带气旋倒槽与西风槽、切变线和冷空气等天气系统的相互作用是关系到暴雨落区、时间与强度的另一个关键因素。陈小芸等[5]分析2002年9月27日佛山、广州暴雨发现,暴雨发生在台风倒槽与西风槽相结合、斜压性最强的地方。JIANG, et al[6]研究2001年7月6—7日上海嘉定特大暴雨发现,暴雨发生在北方西风槽与南方台风倒槽相互作用形势下。黄志勇等[7]分析2005年台风“海棠”和“泰利”对湖北降水影响时发现,有无次级环流是在台风倒槽影响下能否发生强降水的决定条件。徐远波等[8]分析2005年8月鄂西北台风“珊瑚”倒槽暴雨时发现,中、低纬环流系统的相互作用是暴雨发生的关键。ZHAO, et al[9]分析研究2004年8月台风“艾利”同西风槽后冷空气相互作用引发山东强降水表明,暴雨由倒槽触发,而倒槽又是与台风低压外围东南风低空急流向北输送热量和动量相联系。周明飞等[10]对比分析贵州3次台风倒槽暴雨,发现由单一台风倒槽引发的暴雨区别于由台风倒槽与切变线或冷空气结合所引发的暴雨。朱明等[11]分析2012年8月4—6日鄂西北特大暴雨发现,台风“苏拉”倒槽、东南风和东风超低空急流与华北扩散南下的冷空气是其主要影响系统。潘婧茹等[12]研究2012年8月8—10日苏北特大暴雨后期发现,台风倒槽东侧低空暖湿气流与高空槽后冷空气叠加,释放不稳定能量,维持和增强大暴雨过程。

江汉平原地处29.5°～31.5°N、111.5°～114.0°E，属湖北省中部,由长江及其支流汉江冲积而成,属于比较典型的河积—湖积平原。它的西部是地势较高的鄂西山地,东部有大别山和幕府山。2013年8月23—24日,受1312号登陆热带低压“潭美”北侧的中、低层倒槽等影响,江汉平原连续2 d出现强降水过程。这次暴雨与短时强降水各有何特点?短时强降水落区与热带气旋低层倒槽位置关系是否密切?热带低压低层倒槽移动的特征与原因各是什么?这是本文分析的主要问题,以期为当地夏、秋季强降水预报增加依据。

1 资料与方法

1.1 资料

包括:(1)CMA-STI 2013年热带气旋最佳路径数据(http:∥tcdata.typhoon.org.cn),时间间隔为6 h,包括热带气旋强度、中心纬度和经度、中心最低气压(hPa)和近中心最大风速(m·s-1)等[13];(2)美国环境预报中心(National Center of the Environmental Prediction, NCEP) 的地球预报系统(Global Forecast System, GFS)分析场资料,时间分辨率为6 h、水平分辨率为0.5°×0.5°,该资料垂直方向分为26层;(3)常规高空、地面观测与湖北省国家级自动气象站小时降水量观测数据;(4)FY-2E静止卫星(定点于105°E赤道上空)TBB资料,水平分辨率为0.1°×0.1°、时间间隔为1 h。其中,每日00—02时(北京时,下同)TBB资料缺测。

Olanski[14]将大气运动分为大、中、小3种尺度,中尺度运动的水平尺度为2～2 000 km。参考杨大升等[15]:对流云团水平尺度在250～2 500 km称为α尺度,25～250 km称为β尺度, 2.5～25 km称为γ尺度。与以往研究一致,将TBB≤-32.0 ℃定义为一般对流,TBB≤-52.0 ℃定义为深对流。与孙磊等[16]研究相同,将国家级自动气象站小时降水量大于等于20.0 mm定义为短时强降水。

1.2 能量锋区强度计算

等压面能量锋区表示干冷、暖湿等不同属性气团之间的过渡带;能量锋区对暴雨、强对流等天气具有激发作用[17]。能量锋区强度InteF计算公式为:

(1)

其中:θe是相当位温,单位:K或℃;InteF是能量锋区强度,单位:K·m-1或K·(100 km)-1,其数值越大,能量锋区越明显。

1.3 经向风局地变化诊断

热带低压倒槽从其中心向北伸出,其西侧是东北风、东侧是东南风。倒槽两侧虽都是偏东风,但南北风分量分布却有区别,即倒槽西侧是偏北风,东侧是偏南风。倒槽向西经过会导致该地由偏北风转为偏南风,当地经向风局地变化项为正值。局地P坐标系中,行星边界层顶附近忽略湍流粘性力,y方向水平运动方程为[15]:

(2)

v的全微商计算式为:

(3)

地转风的纬向风计算式为:

(4)

地转偏差纬向分量u′的计算式为:

u′=u-ug,

(5)

同时，将公式(3)、(4)、(5)代入公式(2),得到v局地变化计算式:

(6)

其中:公式(6)右端三项分别为v平流、v对流以及u地转偏差的科氏力(单位:10-4m·s-2)。由此可见,经向风局地变化与此三项皆有关系,求此三项之和即可得v的局地变化项。

2 “潭美”倒槽活动与江汉平原强降水

2.1 环流背景与“潭美”活动分析

从2013年8月23—25日08时500 hPa位势高度平均(图1)来看:副热带高压在杭州湾至台湾以东洋面较强,气流以下沉为主;在湖南、广西至北部湾一带为低值区,以上升运动为主;华北至朝鲜半岛上空受偏西气流影响。台风“潭美”于8月16日于我国台湾以东洋面生成,先向东南方向、后转向西偏北方向移动。22日08时以强热带风暴级别登陆福建。23日08时向西北方向移动至湘赣交界并减弱为热带低压,20时在湖南西南部停止编号。24日08时“潭美”减弱后的环流折向西南方向进入广西,25日08时进入云南。“潭美”本体环流及其北侧倒槽给福建、浙江、江西、安徽、河南、湖北、湖南、广西、贵州、云南多地带来了明显的降水天气[18]。

图1 “潭美”移动路径以及2013年8月23—25日08时我国东南部500 hPa位势高度平均与风场(等值线间隔:4 dagpm;风速杆:4 m·s-1;风速旗为20 m·s-1,下同)Fig.1 Moving path of Trami;the average geopotential height and wind at 500 hPa over Southeast China at 08∶00 BST from 23 to 25 on August 2013(Contour interval is 4 dagpm;full barb and pennant denote 4 and 20 m·s-1respectively, the same below)

8月22—25日,850 hPa贝加尔湖南侧反气旋环流逐步东移南下,其中心位势高度变化不大;其前方的偏北风也不断南下,最后汇入至“潭美”外围环流中,影响我国黄河以南部分地区(图略)。

2.2 江汉平原暴雨特征

如图2所示,湖北省8月23—24日累积降水超过100.0 mm的范围主要位于鄂西北及鄂西南山地以东的江汉平原。其中,23日08时—24日08时,江汉平原共有9站出现暴雨,未出现大暴雨;24日08时—25日08时,5站出现暴雨、1站出现大暴雨。江汉平原共有4站出现2 d连续性暴雨,分别为钟祥、蔡甸、天门和松滋站。平原北部的钟祥站23日降水量达87.7 mm,24日降水量达112.5 mm,是江汉平原暴雨中心。连续暴雨给当地生产生活造成了严重影响。

图2 8月23—24日长江中游附近累积降水量超过100.0 mm的站点(阴影表示地形高度超过750 m;虚线矩形框代表江汉平原,下同)Fig.2 Stations whose accumulative rain amount over 100.0 mm in the middle reaches of the Yangtze River from 23 to 24 in August 2013 (Shades denote topography higher than 750 m; dashed line rectangle denotes the Jianghan Plain, the same below)

2.3 江汉平原短时强降水特征

由表1可见,8月23日09时—25日08时,江汉平原共有15个国家级自动气象站发生短时强降水,皆出现在15时—次日02时,这表明江汉平原短时强降水易发生在傍晚前后。其中,23日15—20时2站次发生短时强降水,平均降水量为29.3 mm,最大小时降水量为17时应城站33.4 mm;23日21时—24日02时3站次发生短时强降水,平均降水量为29.0 mm,最大小时降水量为21时汉川站34.8 mm;23日短时强降水的平均降水量与最大降水量均不是很大。24日15—20时共5站次发生短时强降水,平均降水量为42.2 mm,最大小时降水量为20时潜江站58.8 mm;24日21时—25日02时共5站次发生短时强降水,平均降水量为28.4 mm,最大小时降水量为22时仙桃站45.0 mm。综上,24日短时强降水平均降水量和最大小时降水量比23日同时段明显增加,且24日发生短时强降水站次较23日增多。

表1 2013年8月23—24日江汉平原国家级自动气象站短时强降水特征统计Table 1 Statistical characteristics of short duration heavy rain atautomatic meteorological stations over the Jianghan Plain from23 to 24 in August 2013

23日08时,位于湖南的“潭美”环流中心距离江汉平原最近约300 km。那么江汉平原此次强降水是否由热带低压环流本身产生?考虑到:(1)“潭美”在福建沿海最强曾达到台风级别,偏西行至湖南境内已减弱为热带低压,且附近主要对流云位于中心南侧,明显不对称。(2)基于台风范围以其系统最外围近圆形的等压线为准[19],23日08时—24日14时,“潭美”外围圆形等压线随热带低压中心从湖南、江西向云南、贵州、广西一带转移即远离江汉平原,且24日17时后圆形等压线几乎不再出现。(3)江汉平原位于“潭美”北侧,中低层东北风与东南风之间的切变非常明显,具有典型的热带风暴倒槽风场特征。综上,江汉平原强降水主要是由“潭美”北侧的热带低压倒槽而非低压环流本身影响所致。

3 “潭美”倒槽垂直结构

23日08时,低层850 hPa“潭美”较长倒槽大致为南北走向,自鲁中、皖北南伸至赣北,此时,倒槽只位于湖北省东端,尚未向西经移武汉站,倒槽东西两侧风速都较大,气流辐合明显。中层500 hPa倒槽也较长,自豫东南延伸至鄂东、赣北,位置比850 hPa倒槽略偏西。

如图3a所示,23日20时,850 hPa“潭美”较长倒槽自鲁南、豫东经江汉平原延伸至湘中,江汉平原位于倒槽中段。随着“潭美”向西南方向移动,倒槽也随之拖动,甚至还出现顺时针旋转。倒槽西侧东北风风速较大,如芷江、宜昌与南阳站风速都超过20.0 m·s-1;北风区域较前一个时次向南加强移动。倒槽东侧东南风风速较小,但仍达12.0 m·s-1的低空急流标准。就湖北省而言,倒槽自鄂东向西移至武汉站与宜昌站之间的江汉平原。此时“潭美”停止编号。江汉平原东侧武汉站低层暖平流、高层冷平流显著,西侧宜昌站低层、高层都是暖平流。23日20时前后江汉平原12 h共6站次出现短时强降水,平均降水量达28.7 mm。

图3 观测气象要素演变(红风羽为200 hPa风;紫风羽为500 hPa风;紫粗线为500 hPa倒槽;绿风羽为850 hPa风;绿粗线为850 hPa倒槽;绿点线为850 hPa切变线;绿数字为850 hPa温度露点差):(a)23日20时;(b)24日08时;(c)24日20时;(d)25日08时Fig.3 Change of observed weather elements(Red barb is wind at 200 hPa;purple barb is wind at 500 hPa; purple bold line is inverted trough at500 hPa; green barb is wind at 850 hPa; green bold line is inverted trough at 850 hPa; green dotted line is shear line at 850 hPa;green digits are the difference of temperature and dew point at 850 hPa)at:(a)20∶00 BST on 23; (b)08∶00 BST on 24;(c)20∶00 BST on 24; (d)08∶00 BST on 25, August 2013

如图3b所示,24日08时,850 hPa倒槽自湘黔交界向北延伸至湘西北、江汉平原、豫东。倒槽长度较长,湖北还是位于倒槽中段。倒槽北侧郑州、南阳两站东北风风速仍达到低空急流标准。500 hPa倒槽自湘黔交界向北延伸至鄂西南、西北。

如图3c所示,24日20时,850 hPa倒槽自桂西、黔东经湘西北延伸至江汉平原。倒槽已顺时针旋转为东北—西南走向,湖北位于倒槽顶端。此时,由于华北高压南压,江淮地区出现冷式切变线,该切变线西段影响鄂东北。倒槽西侧至切变北侧偏北风较大,如重庆、安康和郑州东北风都达到低空急流标准。500 hPa倒槽经黔东、重庆至陕南。此时武汉、宜昌两站都是低层暖平流、高层冷平流。24日20时前后江汉平原12 h共11站次出现短时强降水,平均降水量达35.4 mm。这与2012年“海葵”倒槽影响江苏东北部引发特大暴雨[20-21]相似,中层冷平流叠置于低层暖平流之上更有利于强降水的发生;也相似于2019年受登陆台风“利奇马”影响的浙西北特大暴雨过程中出现的低层暖湿气流之上对流层中层出现弱干冷空气现象[22]。

如图3d所示,25日08时,850 hPa倒槽移至贵阳、重庆至达州以西,其走向从逆时针旋转为南北走向。恩施、宜昌两站都已转为倒槽后东南风,该层倒槽对湖北的影响结束。江淮切变线西端仍影响鄂北。500 hPa倒槽则西移至贵阳、重庆至达州之西,湖北位于加强后的副高西北侧。25日03—08时,江汉平原未发生短时强降水,09—14时,江汉平原西边缘枝江县出现单站短时强降水。25日白天至夜间,湖北仅在鄂东北地区的英山站出现单站弱暴雨。

23日08—20时,500 hPa与850 hPa倒槽位置基本重合,从武汉站以东移至江汉平原。24日08时,500 hPa倒槽继续西移至恩施站上空,850 hPa倒槽却停留在江汉平原上。24日20时,500 hPa倒槽继续西移接近重庆站,而850 hPa倒槽顺时针旋转为西南—东北走向,江汉平原位于倒槽北端。24日08—20时,500 hPa与850 hPa倒槽随高度增加而西倾即前倾。25日08时,850 hPa倒槽快速扫过宜昌、恩施与重庆三站,500 hPa与850 hPa倒槽再次在贵阳、重庆一线西侧重合。此外,自24日20时开始,湖北北部还受到850 hPa江淮弱切变线西端影响。

综上,当500 hPa与850 hPa倒槽于江汉平原上空重合时,当地短时强降水站次较少、降水量也较少;当500 hPa倒槽西移、850 hPa倒槽顺时针旋转为西南—东北走向且顶端继续影响江汉平原时,江汉平原短时强降水站次增多、强度增大。相比于500 hPa倒槽,短时强降水落区与850 hPa倒槽位置更为接近。

4 物理量与对流指数分析

从表1可以发现,江汉平原短时强降水站次在24日傍晚前后明显多于23日傍晚前后,强度较大。那么23、24日傍晚前后江汉平原水汽辐合与上升运动有何区别?

由图4a可见,23日08时—25日08时,江汉平原区域平均800 hPa以下层次基本维持水汽辐合。其中,23日傍晚前后较大,辐合值超过6.0×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1;24日傍晚减小但仍超过3.0×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1。从图4b可以看出,23日08时—25日08时,江汉平原对流层大部基本维持上升运动,24日傍晚上升运动比前一天有所减弱。仅从水汽辐合与上升运动来看,23日傍晚比24日傍晚更有利于当地短时强降水的发生,而实际观测的短时强降水却与此矛盾,原因值得进一步分析。

图4 2013年8月江汉平原区域平均物理量随高度—时间变化:(a)水汽通量散度(阴影表示水汽辐合,等值线间隔为2.0×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1);(b)上升运动(阴影表示上升运动,等值线间隔为0.2 Pa·s-1)Fig.4 Evolution of physical elements with time and height over the Jianghan Plain on August 2013: (a) divergence of water vapor flux (shade is vaporconvergence; contour interval is 2.0×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1); (b) vertical velocity (shade is upward movement; contour interval is 0.2 Pa·s-1)

大气低层的能量锋区是冷暖与干湿等不同属性气团之间的过渡带,在不少暴雨过程往往可找到能量锋区的活动[23-25]。由第3节可知,24日20时,850 hPa江淮冷式切变线的西端开始影响鄂北,到25日08时,该切变线的西端仍在影响鄂北。在更低一些的层次可能受到能量锋区的影响。在此分析925 hPa边界层能量场演变与强降水的关系。

23日全天925 hPa湖北没有超过15.0 K·(100 km)-1的明显相当位温锋区活动。24日08时(图5a)，925 hPa相当位温低值中心位于豫北，其数值低于60.0 ℃，高值中心位于鄂西南、江汉平原东部、鄂东至豫东南，其中心数值高于80.0 ℃,东北—西南走向的超过15.0 K·(100 km)-1明显能量锋区位于豫东。24日14时(图5b),河南北部相当位温下降,其中心数值低于50 ℃;江汉平原东部相当位温数值增加,中心数值超过90 ℃;且在江汉平原首次出现超过15.0 K·(100 km)-1的明显能量锋区。24日20时(图5c)与25日02时,北部能量锋区继续加强。第2.3节分析表明,江汉平原短时强降水正是在24日14时至25日02时达到鼎盛。25日08时(图5d),能量锋区减弱,降水明显减弱。可见,24日14时—25日02时,江汉平原短时强降水盛期,其北部925 hPa也有明显能量锋区活动。此阶段925 hPa能量锋区增强是与该层相当位温在河南西南部减少、在江汉平原到鄂东南大值基本维持有关。23日20时—24日20时,850 hPa近于南北走向的倒槽在江汉平原顺时针转为西南—东北走向,且倒槽北端与长江切变线连接,黄河下游冷空气南侵。在此形势下,低层925 hPa豫西南地区东北大风维持气温下降明显(南阳站24 h降温4.0 ℃),低值相当位温空气从豫西南沿鄂西山地东侧的汉江河谷东移南压影响湖北江汉平原,导致豫、鄂之间的能量锋区加强,因此也加强了江汉平原的雨强。

图5 8月24日08时(a)、14时(b)、20时(c)与25日08时(d) 925 hPa相当位温及其明显锋区(等值线表示相当位温,间隔10.0 ℃;阴影表示超过15.0 K·(100 km)-1能量明显锋区)Fig.5 Equivalent potential temperature and its obvious frontal zone at 925 hPa at (a) 08∶00 BST; (b)14∶00 BST; (c)20∶00 BST on 24;(d) 08∶00 BST on 25, August 2013(Isoline is equivalent potential temperature, and contour interval is 10.0 ℃; shade is obvious energy front zone more than 15.0 K·(100 km)-1)

对流天气大致可分为两类,一是以冰雹、大风为主的所谓干对流;二是以短时强降水为主的湿对流。钟敏等[26]对比分析湖北两类强对流环境条件发现,湿对流K指数正值与沙氏指数负值较大,但0～3 km与0～6 km风的垂直切变均相对较小。郑媛媛等[27]根据500 hPa形势场将安徽省强对流天气分为两种类型:冷涡槽后类和槽前类。其中,前者主要导致雷暴大风和冰雹天气,后者主要导致雷雨大风、短时强降水和龙卷天气。槽前强降水类K指数、可降水量皆较大,但0～1 km与0～6 km风的垂直切变均相对较小。可见,两地水平风的垂直切变湿对流一般要小于干对流。

由2013年8月22日08时—25日08时逐12 h降水量记录可见,江汉平原西侧宜昌站分别为0、0、0、20、23.9、24.1与4.1 mm,东侧武汉站分别为0、5.3、3.9、29.5、32.1、36.3与4.4 mm,两站降水都是从23日白天开始明显加强,到24日白天最强。表2给出了22—25日江汉平原西侧宜昌站与东侧武汉站K指数、沙氏指数负值与可降水量变化情况,发现宜昌站24日08时3个指数均比23日08时更有利于24日湿对流天气即短时强降水的发生。而武汉站24日08时K指数、沙氏指数负值与可降水量仍然分别达到37.7 ℃、-0.50 ℃与71.85 mm,也都有利于24日短时强降水的发生。

表2 2013年8月22日08时—25日08时宜昌站与武汉站静力稳定度与可降水量变化Table 2 Static stability indexes and precipitable water vapor change at Yichang and Wuhan radio-sonde stations from08∶00 BST on 22 to 08∶00 BST on 25, August 2013

表3给出了2013年8月22—25日江汉平原西侧宜昌站与东侧武汉站水平风垂直切变变化情况。可见,24日08时两站的风垂直切变值比23日08时小。综合表2、3发现,23日08时—24日08时,宜昌站不稳定程度与可降水量都增加;武汉站虽然不稳定度与可降水量都有所减小但仍有利于湿对流发生;至于风的垂直切变,两站3个切变值都是减小的。结果表明:宜昌站与武汉站的降水峰值都出现在24日白天。结合表1不难发现,两站中间的江汉平原短时强降水24日比23日站点增多、平均降水量增大,表明24日江汉平原上的对流天气在向湿对流转变。

表3 2013年8月22日08时—25日08时宜昌站与武汉站水平风垂直切变Table 3 Vertical shear value of horizontal wind change at Yichang and Wuhan radio-sonde stations from08∶00 BST on 22 to 08∶00 BST on 25, August 2013 m·s-1

5 江汉平原主要对流云活动

从地面观测资料看,受“潭美”北侧倒槽影响,江汉平原主要发生雷阵雨天气。23日08时,850 hPa风场倒槽为南北走向且位于武汉站以东,雷阵雨出现在鄂东南。23日20时,倒槽维持南北走向并西进至宜昌、武汉之间的江汉平原,雷阵雨范围也向西扩展到江汉平原。24日08时,倒槽在江汉平原上空开始原地顺时针旋转,江汉平原雷阵雨维持。24日20时,倒槽继续在江汉平原上顺时针旋转成西南—东北走向,并在东段与长江下游的切变线连接,江汉平原南部至鄂东北都发生雷阵雨。25日08时,倒槽与切变线断裂并快速西进至重庆站以西,切变线则减弱北抬至淮河流域,江汉平原雷雨明显减弱,鄂东北雷阵雨也减弱。可见,“潭美”低层倒槽是强对流触发与维持的关键因子。

5.1 23日傍晚前后对流云活动

23日傍晚前后,江汉平原先后受到两个α尺度深对流云团影响。第一个α尺度深对流云团首先在江汉平原东南侧生成,然后向西北方向发展,最后向西南方向移出。第二个α尺度深对流云团从鄂东南向西北方向发展并影响江汉平原东北部。虽然这两个云团过程中最低亮温均低于-72 ℃,且发展旺盛,但江汉平原发生短时强降水的站次并不多,强度也不大。例如,23日17时(图6a),α尺度对流云控制了江汉平原东南部,受深对流云中心区影响,东北部的应城站也出现了33.4 mm的小时强降水。到18时,α尺度对流云的强度少变,位置基本保持不变,该时次江汉平原没有站点观测到短时强降水(图6b)。

图6 8月23日17时(a)与18时(b)、24日17时(c)与18时(d)FY-2E卫星观测TBB(绿色数字为相应站点的小时降水量,单位:mm)Fig.6 TBB observed by satellite FY-2E at (a) 17∶00 BST and (b) 18∶00 BST on 23, (c) 17∶00 BST and (d) 18∶00 BST on 24, August 2013(green digits are station hourly rainfall, unit: mm)

5.2 24日傍晚前后对流云活动

24日傍晚前后对流云团在江汉平原及其附近生成、合并,最终形成一个α尺度深对流云团,在此期间云团在江汉平原上至少发生了4次合并现象。张端禹等[28]分析表明,对流云团合并是导致湖北省短时强降水发生的原因之一。虽然这次云顶亮温一直未低于-72 ℃,但发生短时强降水的站次与降水量平均值仍超过23日。例如,24日17时(图6c),两个β尺度对流云分别控制了江汉平原的西北部与东北部,平原东部边界另有一个尺度稍小的β尺度对流云,此时还没有站点出现小时强降水。到18时,3个β尺度对流云面积扩大,它们之间的边界消失,从而合并形成了一个α尺度对流云。结果显示:该时次江汉平原有蔡甸、钟祥和云梦3站观测到短时强降水,降水量分别为31.5、47.1和45.5 mm(图6d)。从对流云移动与变化来看,可初步判定蔡甸受到对流云前边界的影响,钟祥站受深对流云中心区影响,云梦站则受对流云合并影响。此外,江汉平原东侧的武汉站也受对流云前边界影响出现了36.3 mm的短时强降水。

湖北省三面环山,地势为西、北、东面较高,中部向南敞开,呈马蹄形分布;江汉平原有长江、汉江流经,河网湖泊众多,在特定的地形等条件下,可能会出现与华北等地夏季强降水不一样的特点。江汉平原23日下午至上半夜先后受到两个α尺度深对流云团影响,亮温值低,对流旺盛,24日傍晚前后只受到一个α尺度深对流云团影响,亮温值稍高,对流稍弱。为何23日下午至上半夜江汉平原发生短时强降水站点较少、平均降水量较小,而24日傍晚前后发生短时强降水站点较多、平均降水量较大?原因分析如下:(1)从此次江汉平原对流云的水平尺度来看,23日有两个α尺度对流云团,24日只有一个,但24日的α尺度对流云是由β尺度对流云发生了4次以上合并才得以形成。对于降水来说,α尺度对流云与β尺度对流云是不一样的,α尺度对流云降水面积较大、时间较长,但β尺度对流云造成的雨强却更大、短时强降水站点更多,β尺度对流云是造成强对流、强降水的直接实体[29-30];(2)将站点逐时降水量与云顶亮温结合起来(图略)发现,午后到傍晚江汉平原对流云23日移动有规律、强度变化缓慢,而24日则生消合并快、强度变化突然,更有利于短时强降水发生。

6 850 hPa“潭美”倒槽停滞于江汉平原的原因浅析

江汉平原暴雨与短时强降水发生与23日20时—24日20时850 hPa倒槽连续36 h以上准静止在当地上空有关。而850 hPa倒槽停留在江汉平原,原因既与鄂西山地地形阻挡有关,又与倒槽西侧的鄂西南地区偏北风减弱较慢而东侧的鄂东地区偏南风减弱较快有关。运用公式(2)—(6),利用GFS资料,微分方程改差分方程,定量诊断倒槽西侧的鄂西南地区偏北风减弱缓慢的原因。

6.1 850 hPa鄂西南经向风变化特征

先从850 hPa经向风逐6 h变化(图略)来看,鄂西南地区在24日20时之前一直小于零,即偏北风,但从25日02时开始该地区经向风转为大于零，即偏南风。因此“潭美”倒槽应该是在24日20时至25日02时之间从江汉平原向西移过紧邻的鄂西南地区。这与第3节实况观测850 hPa倒槽位置移动一致。

再看850 hPa经向风局地变化项。24日08时(图7a)及以前,鄂西南经向风一直存在负值变化。但从24日14时(图7b)开始,鄂西南地区经向风局地变化项全部转为正值。表明从24日14时开始,该处经向风持续增加,后期北风有可能转为南风,即倒槽有可能在24日14时之后向西移过鄂西南。据此,经向风局地变化项转为正值比经向风本身转为正值约提前12 h。

6.2 850 hPa鄂西南经向风变化原因

利用公式(6)分析鄂西南经向风局地变化的原因：分别考察v平流项、v对流项与u地转偏差的科氏力项三者演变,研究“潭美”倒槽在江汉平原停滞较长时间的原因。

23日08时—25日08时,鄂西南v平流项一直以负值为主,不利于经向风正值增加,亦不利于倒槽西移。图8a、b给出了24日08时与24日14时v平流项分布。以24日08时为例,查阅850 hPa天气资料可知，倒槽西侧东北风范围较大,从河北、山东经过河南、陕南、鄂西、川东一直延伸至贵州等地。从这支东北气流的风速来看,河南风力达到低空急流标准且超过鄂西风速,因为其位于鄂西的上游地带,东北大风核向下游平流北风动量导致鄂西平流项为负值。23日08时—25日08时,鄂西南v对流项也一直是以负值为主,不利于经向风正值增加,亦不利于倒槽西移。图8c、d给出了24日08时与24日14时v对流项分布。由图7a可知,宜昌站为上升运动,南北风分量随气压增加而减小(随高度增加而增加),两项结果综合,南北风的对流项为负值,即空气的垂直运动造成对流项为负值。查阅GFS资料知，24日08时之前鄂西南地区纬向风地转偏差为较大的西风，自24日08时开始此西风明显减小并逐渐转为东风。由此导致纬向风地转偏差的科氏力项从负值转为正值，从而有利于鄂西南地区南风的增加即有利于倒槽从鄂西南上空西进。图8e、f给出了24日08时与14时850 hPa鄂西南附近纬向风地转偏差的科氏力分布。

图8 24日08时(a)与14时(b)850 hPa v平流项;24日08时(c)与14时(d) 850 hPa v对流项; 24日08时(e)与14时(f) 850 hPa纬向风地转偏差的科氏力项(阴影为负值区,等值线间隔5.0×10-4 m·s-2)Fig.8 Advection item of v wind at 850 hPa at (a) 08∶00 BST and (b) 14∶00 BST on 24 August 2013; convection item of v wind at 850 hPa at(c) 08∶00 BST and (d) 14∶00 BST on 24 August 2013; coriolis item of geostrophic deviation of u wind at 850 hPa at (e) 08∶00 BST and(f) 14∶00 BST on 24 August 2013 (shade is negative;contour interval is 5.0×10-4 m·s-2)

通过经向风局地变化定量诊断发现,暴雨过程850 hPav平流项与v对流项均在鄂西南维持负值。这有利于鄂西南地区北风分量维持,即有利于该层“潭美”倒槽在江汉平原上停滞。而纬向风地转偏差的柯氏力项则不同,24日08时开始转变为有利于倒槽从江汉平原西移。

7 结论

2013年8月23—24日,受登陆热带低压“潭美”北侧的850 hPa倒槽而非“潭美”环流本身影响,鄂中江汉平原连续2 d出现暴雨。期间短时强降水主要发生在傍晚前后,其中23日短时强降水发生站次与强度均不如24日。主要结论如下:

(1) 23日20时—24日20时,850 hPa倒槽一直位于宜昌至武汉之间的江汉平原上,停滞时间为24 h。当江汉平原位于850 hPa倒槽中段、中低层倒槽重合时,短时强降水发生站次较少、降水量较小;当500 hPa倒槽西移,850 hPa倒槽顺时针旋转为西南—东北走向时,江汉平原短时强降水发生站次较多、强度较大。

(2) 江汉平原短时强降水24日超过23日,其原因既与850 hPa倒槽顺时针旋转,925 hPa边界层相当位温锋区在24日午后至上半夜于江汉平原北部得到明显加强有关,还与24日傍晚江汉平原西部静力不稳定与可降水量加大而东部依然维持大值有关。尤其是24日08时,宜昌、武汉两站水平风的3个垂直切变都较23日08时减小,因此有利于江汉平原湿对流天气发展即短时强降水加强。

(3) 23日傍晚前后,江汉平原先后受到两个旺盛的α尺度深对流云团影响;虽然武汉、宜昌两探空站低层都受暖平流影响,但高层冷平流只出现在武汉站。到24日傍晚前、后,对流云多次合并最终在江汉平原及其附近形成一个强度稍弱的α深对流云团,且宜昌、武汉两站皆是低层暖平流、高层冷平流。对流云团合并,低层暖平流、高层冷平流也是24日傍晚前、后江汉平原短时强降水站点加多、强度加大的两个原因。

(4) 24日20时以后,850 hPa鄂西南地区由偏北风转为偏南风,倒槽向西逐步移出湖北。经向风局地变化定量诊断结果表明,纬向风地转偏差的科氏力项对该地区偏北风转偏南风起到促进作用,而南北风的平流项与对流项却不利于鄂西南地区的南风增加。因此,南北风的平流项与对流项是倒槽在江汉平原滞留的主要原因。此结论是否具有普遍性,有待今后更多个例验证。

本文仅针对夏季一次登陆台风影响湖北江汉平原特定地形条件下的暴雨过程进行初步诊断分析。希望今后能够获取更为丰富的观测资料,或利用较为先进的数值模式对登陆台风暴雨机理开展细致深入的研究。

致谢:感谢武汉暴雨研究所李红莉提供NCEP 0.5°×0.5°GFS分析场资料。