闽东地区前汛期大暴雨过程统计特征及其概念模型分析

孙巍巍 林 凌 缪语沛

(宁德市气象局,福建 宁德 352100)

1 概述

闽东地区位于我国东南沿海,平原少、山地丘陵多,强降水易引发山体滑坡、泥石流等次生灾害,而暴雨是频发的、危害重大的灾害性天气,会直接影响当地经济社会发展和人民生命财产安全。长期以来,暴雨的研究和预报一直受政府和气象部门的高度重视[1],随着气象现代化的不断升级与进步,各行各业对防灾减灾能力提出越来越高的要求,而闽东地区前汛期大暴雨过程具有突发性、局地性、灾害性等特点,时常会有漏报空报的状况发生。目前国内对闽东地区前汛期大暴雨过程的研究较少,本文通过对闽东地区大暴雨过程的大尺度流场分析,建立天气概念模型,在日常的预报服务工作中将天气概念模型与模式预报产品相结合,以期提高短期和中期的预报服务能力与水平。

2 闽东地区前汛期大暴雨过程概况

统计1960—2019年闽东地区年暴雨日数变化发现,20世纪90年代起闽东地区年暴雨日数普遍增多,且明显高于平均值(图1)。而整理1980—2019年前汛期区域性大暴雨或连续过程案例,发现前汛期大暴雨过程时空分布有以下特征:屏南县和古田县受季风雨带影响明显,全年大暴雨主要集中在前汛期;周宁县、寿宁县、福安市等地前汛期大暴雨约占30%左右,蕉城区、霞浦县、福鼎市和柘荣县等地前汛期大暴雨占10%以下,东部县市前汛期大暴雨发生概率小,而西部型、全区型大暴雨过程占前汛期总数的80%。此外,前汛期大暴雨过程在6月的第2候和第5候出现的次数最多,主要原因是南海夏季风爆发后,热带系统影响占主导,季风雨带由南向北推进,6月中旬末经闽东地区上空。可见,大尺度环流是闽东地区大暴雨过程的重要背景场,了解其天气概念模型可以为气象预报与决策服务提供重要参考。

图1 1960—2019年闽东地区年暴雨日数变化

3 形势特征及概念模型建立

整理并提取1980—2019年前汛期区域性大暴雨或连续过程个例,以200、500、850hPa为对象,对大暴雨天气过程发生前12h的大尺度环流进行分析并得出五种天气概念模型。各种天气模型下造成的大暴雨时空分布如表1所示,其中,西部型大暴雨过程以南支槽东移—急流型为主,中部型大暴雨却没有出现过南支槽东移—急流型,全区型大暴雨以两槽一脊—急流型和中亚阻塞高压—切变线型为主,东部型大暴雨最少,只有两槽一脊—急流型这一天气模型。

表1 1980—2019年闽东地区大暴雨

分析五种天气概念模型的各典型大暴雨过程发现,200hPa南亚高压从4月中下旬逐渐加强到中南半岛附近,而闽东地区这时处于南亚高压东北侧的西风和西北风的辐散区域,其高空同时处在西风急流入口区右侧,在显著的高空辐散作用下,有利于低层上升运动的维持[2];500hPa主要影响系统为西风槽东移、南支槽东移、两槽一脊、中亚阻塞高压、副高边缘;850hPa有低涡、急流、切变线、暖切。以下将针对500、850hPa流场的上下层配置,对天气背景进行分型。

3.1 西风槽东移—低涡型

此种模型下,500hPa在贝加尔湖附近为高压脊,脊前环流存在很大的经向度,西风槽位于贝加尔湖以东至鄂霍次克海和我国东北、华北地区,槽底伸至黄海、东海。冷空气从巴尔喀什湖东移,经新疆、河西走廊从西路或中路南下,或者从贝加尔湖经蒙古从东路南下影响闽东地区。850hPa有低涡切变线东移,它为中小尺度天气系统提供了形成暴雨的水汽条件、位势不稳定条件和辐合上升运动条件,低涡南侧西南气流输送大量暖湿空气容易引起静止锋锋生。随之锋后升压、锋前降压,不断激发出有利于暴雨的中尺度天气系统。

3.2 南支槽东移—急流型

此种模型下500hPa乌拉尔山到贝加尔湖以西为高压脊(图2),贝加尔湖以东为低压槽,槽区宽广,环流相对平直,西部多伴有南支槽东移,槽底伸至华西地区,冷空气从新疆或蒙古东南下影响闽东地区。此时,槽前低压区与北部高压脊常形成北高南低对峙的形势,且东部副热带高压第一次季节性北跳,其在西北侧边缘较强的暖平流和正涡度平流的共同作用下,气压梯度加大,风速增强,从而在850hPa形成低空急流。这股潮湿的低空气流向北输送大量水汽,与副高边缘不稳定能量的输送带相配合,为闽东地区暴雨的形成提供了必要条件。

(a)500hPa高度场 (b)200hPa流场

(c)500hPa流场 (d)850hPa流场

3.3 两槽一脊—急流型

此种模型下贝加尔湖以西为西槽,以东为脊,西槽槽底较宽平,东槽槽底伸至华东地区,槽内伴有东北冷涡,低涡内不断分裂冷空气沿低槽南下,冷平流明显,冷空气从中路或东路南下影响闽东地区。而此时如果副高西风带明显西伸,在闽东地区上空就会存在一支极好的暖湿空气和不稳定能量带,此时850hPa急流区常与暖舌相吻合,暖舌两侧为冷舌,湿热程度增大,局地层结变得极不稳定,有利于对流天气的发展。急流风场辐合引起湿不稳定和强迫抬升,暖舌区的上升运动和冷舌区的下沉运动所构成的环流圈有利于位能的释放并向动能转换,促使急流加强和维持。

3.4 中亚阻塞高压—切变线型

此种模型下贝加尔湖—泰米尔半岛为高压脊,西槽位于乌拉尔山附近,东槽由鄂霍次克海经日本海伸向长江中下游,副高脊线位于20°N以南,南海有闭合的592hPa中心,闽东地区上空暖湿气流活跃,这与河套附近南下的冷空气不断交汇于闽东地区。由于阻塞高压的建立与维持,对整个下游形势的稳定起着十分重要的作用,当冷空气南下使低槽不断加深,容易形成稳定的经向型暴雨,因此此种模型下带来的大暴雨常是全区性的。同时,850hPa存在一条稳定的东北—西南向切变线,其南侧始终存在一支很强的西南风急流,并激发出一系列中小尺度的扰动,有利于大暴雨的维持。

3.5 副高边缘—暖切型

此种模型下,副热带高压位置适中且稳定(图3),副高脊线稳定维持在18°N～20°N之间,这使得副高北侧的西南暖湿气流完全控制整个华南—江南地区,此时该区域既有西南气流的水汽输送,也有动力抬升的作用,这样从低槽槽后南下的冷空气长时间与副高北侧的西南暖湿气流在闽东地区上空交汇对峙,一旦低层热力抬升激发暖切发生发展,便容易在副高西北部边缘诱发大暴雨。切变线以南的偏南气流一方面可将南方的水汽输送过来,一方面沿着锋面向上滑升,使得水汽冷却凝结成雨。尤其是下半年,由于锋面坡度陡,水汽供应多,大气又不稳定,切变线上常出现雷阵雨,降水区狭窄而降水量大,常出现短时强降水。因此,此种模型下带来的大暴雨常是局部性的,没有出现区域性的大暴雨。

(a)500hPa高度场 (b)200hPa流场

(a)500hPa流场 (b)850hPa流场

4 闽东地区前汛期大暴雨的天气概念模型

根据以上对大暴雨过程200、500、850hPa流场的上下层配置,分析归纳出闽东地区前汛期大暴雨的天气概念模型,以期对今后暴雨过程的短期预报提供一定的参考。

从环流背景来看,200hPa南亚高压位于闽东地区上空,此反气旋环流为暴雨的发生发展提供了高空辐散条件,反气旋环流加强了南北两侧的气压梯度,使得其北侧的西风急流有明显加强的现象[2](图4)。中层500hPa环流整体是趋于稳定的,虽然大尺度天气系统本身并不直接产生降水,但是其制约着天气尺度系统在某一固定地带活动,有利于该地区产生持续性降水。从以上分析可见,西风槽东移、南支槽东移、两槽一脊、中亚阻塞高压(或横槽转竖)、副高边缘等大尺度系统的变动大致决定了雨带发生的地点、强度和持续时间,其不仅能将南海、孟加拉湾和西太平洋的水汽不断向暴雨区输送,还能够在其稳定存在的基础上或分裂出小槽东移,或与大槽合并,或对其上游的西风槽起阻挡作用(副热带高压),继而产生直接影响降水的天气尺度系统,从而形成稳定的纬向型或经向型暴雨。而850hPa流场上表现为低涡、急流、切变线、暖切等,其中,强降水区主要分布在低涡的中心区和低涡移向的右前方、低空急流的左侧、低层切变线的右侧,此时与高空急流入口区右侧的经向垂直反环流相对应,高空辐散,对应低层气压降低,使得副高北侧的气压梯度力加大。气压力做功又使气流加速,西南气流增强,一方面将南方的暖湿空气不断输送过来,如遇冷空气渗透便会沿着锋面抬升,另一方面低层辐合上升气流中也有对流发展,使得水汽强烈冷却凝结成雨,凝结潜热的释放又使低层气压下降,从而北低南高的气压梯度更大。因此,低层中尺度系统与中高层大尺度系统的相互作用实际上是经向垂直环流中高低空的耦合作用。从天气概念模型分析也可以看出,低涡移向的右前方也就是急流中心的左前方,也是暴雨甚至大暴雨的集中区。沿着闽东地区所在位置做经向垂直剖面图,从低层到对流层中高层假相当位温值较大,对应高温高湿区,北方受地形影响,对流层低层有扩散南下的弱冷空气在闽东地区渗透,有利于激发中小尺度扰动,触发不稳定能量释放,中层有干冷空气侵入,这将导致闽东地区温度层结更加不稳定[3],配合中尺度辐合、充分的水汽供应,造成了闽东地区前汛期大暴雨的出现。当然,地形强迫抬升对降水的增幅也有明显的作用。

图4 闽东地区前汛期大暴雨的天气概念模型

5 结论

本文阐述1980—2019年闽东地区前汛期大暴雨时空分布统计特征,分析200、500、850hPa风场和流场特征、上下层流场配置,总结闽东地区前汛期大暴雨过程天气概念模型,得到以下结论:

①200hPa南亚高压位于闽东地区上空,此反气旋环流为暴雨的发生发展提供了高空辐散条件,也加强了南北两侧的气压梯度,使得其北侧的西风急流有明显加强的现象。

②西风槽东移、南支槽东移、两槽一脊、中亚阻塞高压(或横槽转竖)、副高边缘等大尺度系统的变动虽然本身并不直接产生降水,但大致决定了雨带发生的地点、强度和持续时间,继而产生直接影响降水的天气尺度系统,从而形成稳定的纬向型或经向型暴雨。

③850hPa流场上表现为低涡、急流、切变线、暖切等,一方面将南方的暖湿空气不断输送过来[4],另一方面低层辐合上升气流中水汽强烈冷却凝结,潜热释放又对辐合系统形成正反馈机制。

④低层弱冷空气激发对流不稳定能量的释放,中层干冷空气增加了大气的斜压不稳定性。此外,由降水物引起的拖曳下沉能快速地离开对流云团主体,且降水将中层干冷空气卷入,使得降水物强烈蒸发冷却下沉,在地面形成一个个副冷锋,有利于暴雨的持续发展和维持。