2018, Vol. 37
2. 国家气象中心, 北京 100081;
3. 中国气象局武汉暴雨研究所, 湖北 武汉 430074;
4. 重庆市气象台, 重庆 401147
西南低涡是青藏高原、云贵高原、大巴山、四川盆地等复杂地形和大气环流相互作用的产物, 是造成中国暴雨天气仅次于台风的重要影响系统(陶诗言等, 1980), 国内外众多专家做了大量分析研究工作。李国庆等(1976)和罗四维等(1977, 1992)研究认为青藏高原、横断山脉对西南低涡形成有着重要影响。大多数研究表明对于一个典型的西南低涡, 大体上呈近圆形而动量、热力、层结等非对称, 初生阶段是暖性浅薄系统, 成熟阶段正涡度可从底层一直伸展到100 hPa左右, 受冷空气影响减弱消失或东移(卢敬华, 1986; Wang et al, 1993; 彭新东等, 1994; 韦统键等, 1996; 陈忠明等, 1998; 赵思雄等, 2007; 顾清源等, 2008)。当中层有扰动叠加在低涡上空, 扰动后部同时有冷平流从涡西侧进入时, 是低涡发展演变成斜压涡的重要原因(黄福均, 1986)。Kuo et al(1986, 1988)、Chen et al(1984)、陈忠明(1989)、赵玉春等(2010)及段海霞等(2008)研究指出积云对流释放的潜热是西南低涡发展的主要因子, 并有利于西南低涡暖区的形成和维持(赵平等, 1992); 地面感热加热与暖平流对暖性西南低涡的形成起着重要作用(李国平等, 1991)。在四川盆地上空500 hPa高原低涡前部强的正涡度平流与850 hPa盆地浅薄低涡区弱的正涡度平流造成的垂直差动涡度平流强迫激发了上升运动与气旋性涡度加强, 是盆地浅薄涡旋系统发展的一种动力机制(陈忠明等, 2004)。卢萍等(2014)认为涡度辐合辐散项对西南涡发展加强起最主要的作用。郝丽萍等(2016)诊断物理量显示湿位势涡度水平和垂直分量分布能较好地预示西南低涡降水落区。李黎等(2017)统计分析指出, 在春季西南低涡偏多年, 影响西南低涡出现次数多寡的大气环流易在青藏高原南北部形成“北低南高”以及在贝加尔湖和日本海附近形成“东高西低”型的位势高度。此外, 冷空气入侵对四川盆地暴雨的时空分布有重要影响(杨舒楠等, 2016), 夏季长生命史西南型盆地涡频数远大于东北型盆地涡(李超等, 2017)。这些研究极大地丰富了对西南低涡的认识, 但是, 西南低涡活动期的影响系统、边界层结构及其演变非常复杂(何光碧, 2012), 不同阶段温湿度、动力场尤其是MCSs的发展都还有待更深入的认识, 以提高暴雨预报水平。
2015年8月16日08:00(北京时, 下同)至18日20:00, 四川盆地经历了2015年最强的一次持续性大暴雨天气过程(下称“8·16”大暴雨过程), 给川渝两地都带来了严重洪涝灾害与经济损失。此次过程有持续冷空气影响, 西南低涡受西太副高阻塞作用在四川盆地徘徊持续有近60 h, 降水强度大, 范围较广, 停滞性明显, 根据《西南低涡概论》中冷性西南低涡的定义(卢敬华, 1986)及移动性判断, 定义为一次典型的冷性停滞型西南低涡大暴雨过程。过程总降水量形态上呈“π”形, MCSs阶段性发展明显, 两个主要区域的降水呈现交替发展特征。下面应用常规观测、NCEP再分析资料、多普勒雷达、卫星红外云图以及自动观测站资料来分析此次过程中西南低涡结构演变特征、冷空气与地形对西南低涡的影响作用以及MCSs活动来揭示成因, 同时, 构建此次西南低涡大暴雨过程中MCSs与锋面系统的演变模型, 分析南侧MCSs对中心MCSs发展的制约机制, 以加强对西南低涡演变的进一步认识。
2 降水特征“8·16”大暴雨过程降水主要分布在四川盆地的中部区域[图 1(a), 此图及下文涉及的地图均基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)2927号和审图号为GS(2016)1609号的标准地图制作, 底图无修改], 100 mm以上降水范围逾5×104 km2。过程降水量形态上呈“π”形, 其中含有纬向与经向两个主要雨区(分别标记为A、B区, A区范围为103°E-109. 5°E, 30. 2°N-32°N; B区范围为105°E-108°E, 27. 5°N-30. 2°N)。比较两区1 h雨量大于等于20 mm的短时强降水站数的时序图及逐12 h降水量图可以发现[图 1(b)~(f)]: A、B区短时强降水均呈双峰特征, 第一峰值均大于第二峰值; A区主要降水阶段分别在16日15:00至17日05:00、17日09:00-22:00, 最强1 h雨量大于等于20 mm的站数达30个站。B区主要降水阶段分别在16日20:00至17日16:00和17日20:00至18日12:00, 17日05:00有78个站出现1 h雨量大于等于20 mm降水。24 h最大降水量出现在A区的四川中江仓山, 16日20:00至17日20:00达329. 1 mm, 过程总雨量也是最强, 达473. 9 mm; 最强小时雨量出现在B区的重庆永川花桥, 17日04:00达106. 3 mm·h-1。A、B区降水有明显的交替发展特征, A区降水持续性强, B区局地强。以前关于西南低涡研究关注较多的是其降水落区, 特别是低涡东部强降水, 少有研究西南低涡演变时不同部位强降水的演变过程以及相互作用关系, 本文以个例试图来剖析其中的原因。
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图 1 2015年8月16日08:00至18日20:00四川盆地累积降水量分布(a, 彩色区, 单位: mm; 白色圆点虚线为雨带中心区域连线)、A与B区1 h雨量大于等于20 mm降水站数的时序分布(b)及逐12 h降水量(c~f, 彩色区, 单位: mm)分布 Fig. 1 The distribution of accumulated precipitation amount (a, color area, unit: mm; white dotted line denotes the line through centres of rain belts), time series of total stations with greater than 20 mm·h-1 of precipitation in A and B regions (b) and the distribution of 12 h accumulated precipitation (c~f, color area, unit: mm) in Sichuan Basin from 08:00 on 16 to 20:00 on 18 August 2015 |
从天气系统演变图来看(图 2), 16日08:00至19日08:00 200 hPa四川盆地处于青藏高原南亚高压东侧脊线附近, 有较强的高空辐散; 500 hPa蒙古冷涡逐渐东移与东北冷涡合并[图 2(a)], 冷涡后部偏北气流先后两次引导冷空气南下侵入四川盆地; 西太平洋副热带高压(下称西太副高)受“天鹅”和“艾莎尼”双强台风西进影响, 588 dagpm线东抬西落, 形成“东高西低”的阻塞形势, 引导中低层偏南暖湿气流从孟加拉湾和南海向四川盆地辐合; 500 hPa青藏高原先后有两个高原涡东移影响四川盆地[图 2(b)]。这样, 在西太副高阻塞形势下, 四川盆地正好处于高原涡前西南气流、西太副高西北侧西南气流以及北方冷空气交汇区, 是天气尺度上升气流发生发展区域, 700 hPa西南低涡在四川盆地持续发展约48 h [图 2(c)], 850 hPa低涡发展约60 h[图 2(d)], 形成持续性暴雨。
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图 2 2015年8月16日08:00至19日08:00天气系统演变 黑线表示等位势高度线(单位: dagpm); 细红色箭头表示系统或等值线移动方向; 粗红色箭头表示中低层暖湿移动方向; 粗蓝色箭头表示低层冷空气移动方向; 阴影区为海拔(单位: m); 虚线矩形框表示A、B区 Fig. 2 Development of synoptic systems from 08:00 on 16 to 08:00 on 19 August 2015. black line denotes isogeopotential height contour (unit: dagpm), thin red arrow denotes the moving direction of systems or contours, thick red arrow denotes moving direction of cold air at low levels, the shaded denotes altitudes (unit: m) and dotted line denotes A, B areas |
本次过程中700 hPa西南低涡的演变根据四川盆地700 hPa环流形态大致可分为初生形成、发展成熟和变形减弱三个阶段(卢敬华, 1986), 对应时段分别是16日14:00-20:00、16日20:00至17日20:00和17日20:00至18日20:00。下面利用物理量诊断分析各阶段动力、热力结构特征。
西南低涡初生形成阶段。16日白天, 受500 hPa暖脊影响[图 3(a)], 四川盆地中东部天气晴好, 中低层为偏南暖湿气流, 有利增温增湿。16日14:00, 垂直剖面图上四川盆地大部区域700 hPa以下等θse的351 K线抬升到800 hPa附近[图 4(a)], 600 hPa以下
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图 3 2015年8月16-18日500 hPa动力和热力特征分布 蓝短划线表示正涡度(单位: ×10-5s-1); 彩色区表示涡度平流(单位: ×10-10s-2); 黑线为等位势高度线(单位: dagpm); 细红线为等温度线(单位: ℃); 粗红线为温度槽; 风羽表示风场(单位: m·s-1) Fig. 3 The characteristic distribution of dynamic and thermal analysis at 500 hPa from 16 to 18 August 2015. The blue short line denotes positive vorticity (unit: ×10-5s-1), color area denotes vorticity advection (unit: ×10-10 s-2), black line denotes isogeopotential height contour (unit: dagpm), fine red line denotes isothermal (unit: ℃), thick redline denotes temperature trough, and the barb denotes the wind field (unit: m·s-1) |
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图 4 2015年8月16-18日沿30°N的温度(蓝线, 单位: ℃)、θse(红线, 单位: K)、涡度(彩色区, 单位: ×10-5 s-1)及风场(风羽, 单位: m·s-1)垂直剖面分布 粗蓝短划线为低θse(温度槽)垂直轴线; 粗蓝线为锋区; 粗绿短划线为涡度中心垂直轴线; 粗红短划线为高θse垂直轴线; 粗棕短划线为高空低槽垂直连线 Fig. 4 The vertical profileanalysis of temperature (blue line, unit: ℃), θse (red line, unit: K), vorticity (color area, unit: ×10-5s-1) and wind field (barb, unit: m·s-1) along 30°N from 16 to 18 August 2015. Thick blue short line denotes vertical axis of low θse, thick blue line denotes frontal region, thick green short line denotes vertical axis of vorticity centre, thick red short line denotes vertical axis of high θse , and thick brown short line denotes vertical connection between troughs at high levels |
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图 5 2015年8月16-18日西南低涡演变过程中700 hPa流场(流线, 单位: m·s-1)、温度场(红线, 单位: ℃)及比湿场(彩色区, 单位: g·kg-1)(a~d)及对应的Ki指数(彩色区)与700 hPa θse(细黑线, 单位: K; 粗黑线为θse强梯度区)(e~h)分布 灰色阴影为地形(单位: m) Fig. 5 The flow patterns (streamline, unit: m·s-1), temperature (red line, unit: ℃) and specific humidity fields (color area, unit: g·kg-1) at 700 hPa during the evolution of the Southwest Vortex (a~d), and distribution corresponding to Ki index (color area) and 700 hPa θse(thin black line, unit: K; thick black line denotes intense θse gradient area) (e~h) from 16 to 18 August 2015. The gray shaded denotes the terrain (unit: m) |
西南低涡发展成熟阶段。16日20:00到17日08:00, 高原涡A缓慢南移[图 3(c)], 冷空气侵入低涡西侧形成干冷舌, 而低涡东侧中低层偏南气流持续向盆地输送能量和水汽, 冷暖空气在高Ki、700 hPa θse梯度区持续交汇, A、B区先后出现强降水[图 1(d)]。凝结潜热加热对低涡发展有增强作用(赵平等, 1991; 许威杰等, 2017)。利用潜热加热率公式(Kuo, 1974)诊断低涡, 17日02:00, 西南低涡中心附近700 hPa上升速度达-2 Pa·s-1, 潜热加热率达2. 5 K·d-1以上(图 6), 凝结潜热的释放促使西南低涡进一步增强。17日08:00, 700 hPa西南低涡中心值降到309 dagpm, 西南低涡水平流场形态上表现为近圆形, 但Ki指数、700 hPa温度和水汽、θse均表现为“S”形非对称形态[图 5(b), (f)], 西南部为低值区, 东北部为高值区, 此形态一直维持到17日20:00。受冷空气影响, 西南低涡斜压性明显, 西南低涡底部逐渐变成低θse区[图 4(c)], 重庆西部层结趋于稳定, B区降水减弱, 但是, 700 hPa西南低涡东侧温度脊和湿舌东移缓慢[图 5(g)], 850 hPa以下仍然有一支偏东暖湿气流向西南低涡北部输送, 700 hPa西南低涡东北部维持暖切变, 盆地中部仍为高Ki指数梯度区, 不稳定机制维持, A区持续强降水[见图 1(e)]。17日20:00, 西太副高东段北抬, 西北侧西南风增强(图略), 正涡度和正涡度平流带均达最强, 中心涡度达14×10-5 s-1以上, 中心涡度平流达30×10-10 s-2以上, 剖面图上耦合的高低层正涡度柱几乎垂直(图略), 但是, 低θse区范围明显扩大, 西南低涡形态上转为椭圆形并向东北移动[图 5(c)]。
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图 6 2015年8月17日02:00沿30°N的潜热加热率(彩色区, 单位: K·d-1)、垂直速度(黑线, 单位: Pa·s-1)及风场(风羽, 单位: m·s-1)垂直剖面 Fig. 6 The vertical cross sections of condensation heating rate (color area, unit: K·d-1), vertical velocity (black line, unit: Pa·s-1) and wind field (barb, unit: m·s-1) along 30°N at 02:00 on 17 August 2015 |
西南低涡变形减弱阶段。17日20:00到18日08:00, 西太副高略有西进, 高原涡A迅速减弱, 高原涡B东移但与西南低涡相距较远[图 3(d)]), 动力作用减弱, 同时冷空气持续侵入西南低涡[图 4(d)], 700 hPa西南低涡西侧温度槽和干舌加深[图 5(d)], 东侧温度脊和湿舌东移, 而且部分冷空气以迴流方式从东南方向侵入西南低涡东南部, 高Ki指数区急剧缩小[图 5(h)], 西南低涡东部层结趋于稳定, 上升运动减弱, 西南低涡形状演变为扁椭圆。14:00之后西南低涡迅速减弱。
综合以上分析来看, 在此过程中, 高原涡东侧和西太副高西北侧的正涡度平流共同为西南低涡提供动力条件, 盆地中部持续的正涡度平流有利于西南低涡发展增强; 西南低涡中的降水通过凝结潜热释放作用与西南低涡相伴增强, 西南低涡在成熟阶段水汽、温度、能量均表现出“S”形非对称形态, 有利于中低层较长时间维持向东北部(即A区)的暖湿输送和不稳定机制, 而B区即西南低涡东南部受冷空气影响层结较快趋于稳定, 这是A区降水强于B区的根本原因。
5 盆地地形与冷空气对西南低涡发展的影响四川盆地地形特殊, 周边有青藏高原、云贵高原、秦岭、大巴山、武陵山脉, 内有龙泉山、川东平行岭谷, 对冷空气侵入路径、形态及形成的锋面有直接影响, 进而影响到西南低涡的发展变化。
从中尺度分析图来看, 16日14:00, 地面热低压中心在重庆西部[图 7(a)], 重庆沙坪坝站中低层风从低到高呈顺时针旋转, 盆地中部偏东区域有暖平流, 850 hPa、925 hPa均在重庆西北部形成南北向暖切变, 地面暖锋锋生, 500 hPa正涡度平流与温度槽也叠加在这个区域, 强对流发展。同时, 第一股冷空气从盆地西北部山间低洼处侵入, 成都温江站850 hPa出现10 m·s-1的东北风[图 7(a)], 龙泉山附近出现地面辐合线, 冷锋锋生并逐渐东移。
16日20:00左右, 冷锋北段与暖锋接近[图 7(b)], 南段受重庆西部山脉(海拔600~800 m)阻挡移速减慢, 700 hPa等θse线在盆地中部梯度明显加大[图 5(e)], 西南低涡东侧偏南暖湿气流在锋区强烈抬升, 16日夜间A、B区先后出现过程中最强降水。由于盆地西南区域地势较低, 有利于冷空气堆积, 到17日08:00, 冷空气主体逐渐汇集到盆地的西南部, 低层冷平流对气柱的收缩作用使得中低层低涡中心均向西南方移动[图 7(c)], 850 hPa、700 hPa和500 hPa低涡位置明显接近。17日08:00, 南段冷锋侵入偏南气流下, 重庆西部层结趋于稳定, B区降水减弱; 而西南低涡东北部A区中低层暖湿气流输送来源于东南气流, 盆地中部区域仍为暖切变控制, 地面锋面表现为准静止锋, 强降水持续。
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图 7 2015年8月16-18日西南低涡演变过程中中尺度系统分析 红色矢量线为偏南风暖湿气流显著流线; 黑色矢量线为偏北风冷气流显著流线; 红色短划线为温度脊; 深蓝色短划线为温度槽; 红色双线为暖切变; 棕色线为槽线; L、N、D和G分别为冷中心、暖中心、低涡(低压)中心和地面高压; 数字表示气压层(单位: hPa) Fig. 7 Mesoscale analysis during the evolution of the Southwest Vortex from 16 to 18 on August 2015. Red vector line denotes significant streamline of warm, humid southerly; black vector line denotes significant streamline of cold, dry northerly; red short line denotes temperature ridge; deep blue short line denotes temperature trough; red double line denotes warm shear; brown line denotes trough; L, N, D and G denotes cold centre, warm centre, vortex centre and surface high centre, respectively; the number denotes pressure layer (unit: hPa) |
17日傍晚, 第二股冷空气侵入, 成都温江站700 hPa出现17 m·s-1的东北大风(图 8), 冷空气侵入700 hPa西南低涡中心, 低涡沿暖切变线向东北移动。18日08:00, 冷锋东移到盆地东部山区, 部分冷空气从湖北西部回流, 侵入西南低涡东侧西南气流的底部, 形成地形锢囚锋[图 7(d)], 整个降水系统减弱并逐渐消亡。
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图 8 2015年8月16—18日成都温江站(a)和重庆沙坪坝站(b)探空时间序列图 红色等值线为等温线(单位: ℃); 黑色等值线为等风速线(单位: m·s-1) Fig. 8 The time series of soundings of Chengdu Wenjiang (a) and Chongqing Shapingba (b) from 16 to 18 August 2015. The red line denotes isothermal (unit: ℃); black line denotes iso-windspeed contour (unit: m·s-1) |
过程中四川盆地独特的地形使得冷空气缓慢侵入盆地南部, 西南低涡斜压性明显, 北部暖切变强, 冷锋北段与暖锋相遇形成的准静止锋有利于西南低涡北偏东区域(A区)持续的强降水, 向南绕行的冷锋触发了西南低涡东偏南区域(B区)的强降水, 盆地东南缘形成的地形锢囚锋导致西南低涡减弱并消亡。
6 西南低涡中MCSs的活动西南低涡中大范围强降水主要由MCSs持续发展形成(王晓芳等, 2011; 陈贵川等, 2013; 陈永仁等, 2013)。此次过程持续约60 h, 数个MCSs生成发展, 下面利用SWAN(Severe Weather Auto Nowforecasting, 目前中国气象部门常用的灾害性天气短时临近预报业务系统, 本过程SWAN拼图含重庆、成都、宜宾、达州、南充、万州、永川等共7部雷达资料)分析的组合反射率因子、3 km高度COTREC(an improved cross-correlation extrapolation method, 一种改进后的交叉相关法)风场反演产品进一步分析西南低涡中MCSs的活动过程, 探讨其活动特征及相互作用的某种机制, 以便深入了解西南低涡发展中强降水落区的变化过程, 为预报员提供参考。
从Swan拼图组合反射率因子与3 km高度COTREC风场演变分析(图 9)来看, 图中的黑色箭头清楚地反映了西南低涡流场的演变情况, 可见西南低涡的流场形态在16日22:00到18日00:00都比较清晰, MCSs主要出现在西南低涡的东部偏南气流中, 其中明显地以30. 2°N为界分为两个区域, 东北区域的MCS主要为团块状, 东南区域为带状(为了分析方便, 前者定义为中心MCSs, 后者为南侧MCSs)。结合前面对西南低涡发展结构、冷空气及地形作用的分析, 将此过程中MCSs的活动细分为八个阶段:第一次冷锋带状MCSs发展、中心MCSs第一次发展、中心MCSs螺旋对流带形成、南侧MCSs增强与中心MCSs合并发展、中心MCSs第一次减弱、中心MCSs第二次增强发展、第二次冷锋带状MCSs发展、冷锋带状MCSs东移减弱。具体分析如下:
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图 9 2015年8月16-18日Swan拼图组合反射率因子(彩色区, 单位: dBZ)与3 km高度COTREC风场(风羽, 单位: m·s-1)演变 黑色虚线为主要雨带; 黑色粗箭头表示3 km高度显著流线; 红色粗箭头表示雨带移动方向; 图中右上角数值1~8表示8个阶段的代表形态 Fig. 9 The Swan patchwork of composite reflectivity (color area, unit: dBZ) and series analysis of COTREC wind field (barb, unit: m·s-1) at 3 km from 16 to 18 August 2015. Black dotted line denotes main rain belt; thick black arrow denotes significant streamline at 3 km; thick red arrow denotes moving direction of rain belt; the number 1~8 in the upper right corner denotes eight stages |
第一阶段: 16日09:00-14:00, 第一次冷锋带状MCSs发展[图 9(a)]。随着高原涡东移, 高原涡前侧温度槽携地面冷空气侵入四川盆地西北部, 形成东北-西南向冷锋带状MCSs并逐渐向东移动, 850 hPa在盆地西部形成低涡, 700 hPa在盆地中部和西北部出现弱切变辐合。由于盆地西部层结比较稳定, 锋线上对流性较弱, 以混合型降水为主。
第二阶段: 16日14:00-21:00, 中心MCSs第一次发展[图 9(b), (c)]。16日白天盆地中东部天气晴好, 中低层增温增湿迅速, 重庆14:00探空资料计算得K指数42, SI指数-2. 8, CAPE(对流有效位能)达1 590 J·kg-1, 层结对流不稳定强。强对流先形成在700 hPa偏南暖湿气流中的横切变线附近(盆地中部四川简阳-重庆渝北一线), 然后北移聚拢, 在850 hPa低涡北侧暖切变线与700 hPa横切变线相交的区域(四川中江-遂宁附近)辐合上升最强, 很快形成团块状MCSs并产生强降水, 700 hPa西南低涡形成。MCSs组织特征表现为平行层状MCSs(PS)向团块状MCSs变化的过程。由于高层200 hPa风场在四川盆地上空为南亚高压脊控制, 为较强的西北风, 卫星TBB(Black Body Temperature, 相当黑体亮度温度)低温区明显处于强降水区域的下风方向(图 10), 整个过程中都如此。
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图 10 2015年8月16日20:00小时雨量(彩色等值线, 单位: mm)、卫星TBB(阴影, 单位: ℃)与200 hPa风场(风羽, 单位: m·s-1)合成 Fig. 10 The composite image of hourly rainfall (colored contour, unit: mm), satellite TBB (the shaded, unit: ℃) and wind field on 200 hPa (barb, unit: m·s-1) at 20:00 on 16 August 2015 |
第三阶段: 16日21:00至17日00:00, 中心MCSs螺旋对流带形成[图 9(d)]。随着中心MCSs发展, 凝结潜热释放对西南低涡发展的增强作用, 偏南风暖湿输送增强并表现出脉动性(图 11), 同时, 低层冷空气呈“C”形在盆地中移动(图 7), 使得中心团状MCSs的周边先后形成多个带状的中尺度对流系统, 在形状上形成近似于台风的螺旋云带, 700 hPa西南低涡迅速增强, 其中, 在中心MCSs南侧由冷空气触发的带状MCSs发展尤其明显。组织特征表现为中心团块状MCSs持续发展, 周边平行层状MCSs(PS)螺旋形旋转的过程。
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图 11 2015年8月16-18日Swan拼图组合反射率因子(彩色区, 单位: dBZ)与3 km高度COTREC风场(风羽, 单位: m·s-1)沿106. 0°N的时间序列A1为中心对流第一次发展; A2为中心对流第二次发展; B为南侧对流第一次发展; 红色箭头表示风速大于等于12 m·s-1 Fig. 11 The Swan patchwork of composite reflectivity (color area, unit: dBZ) and series analysis of COTREC wind field (barb, unit: m·s-1) profiled along 106. 0°N at 3 kmfrom 16 to 18 August 2015. A1 represent the first development of central convection; A2 is the second development of central convection, B is the first development of southern convection; red arrow denotes areas where windspeed exceeds 12 m·s-1 |
第四阶段: 17日00:00-05:00, 南侧MCSs增强与中心MCSs合并发展[图 9(e), (f)]。此阶段, 850~500 hPa低涡系统逐渐接近, 偏南暖湿气流在夜间继续增强, 200 hPa维持强辐散, 低涡东部大范围上升运动强烈发展, 南侧MCSs与中心MCSs逐渐合并并缓慢东北移, 形成大范围强降水。17日05:00, 南侧B区雨强超过20 mm·h-1的站数达78个站, 这是整个过程中降水最强的阶段[见图 1(b)], 700 hPa西南低涡随后在08:00发展成近圆形[图 5(c)]。MCSs组织特征表现为中心团块状MCSs与南侧平行层状(PS)MCSs逐渐合并并向东扩展的过程。
第五阶段: 17日05:00-09:00, 中心MCSs第一次减弱[图 9(g)]。从Swan拼图组合反射率因子与3 km高度COTREC风场沿106. 0°N时间序列分析来看(图 11), 无论对于中心MCSs还是南侧MCSs, 当大范围对流发展时, 强对流扰动和辐合使得对流区3 km高度附近的西南风减弱(考虑对流的上下伸展高度, 实际影响的范围应该大得多), 而当对流减弱时, 风速则会明显增强。由于大范围南侧MCSs的持续发展, 南侧对流区低层的西南风减弱, 向中心对流区的水汽输送也随之减弱, 中心MCSs中水汽凝结潜热减弱, 中心MCSs随之减弱。此阶段, 随着冷空气向东南侵入[见图 7(c)], MCSs组织特征表现为中心MCSs逐渐演变为线形平行层状MCSs(PS)并迅速减弱, 南侧MCS逐渐向线状尾随层状MCSs(TS)演变。
第六阶段: 17日09:00-14:00, 中心MCSs第二次增强发展[图 9(h)]。南侧MCSs由冷空气触发形成, 当冷空气不断侵入, 层结趋于稳定, 对流东移减弱, 但西南低涡环流仍然维持, 高原涡东侧正涡度平流大值区仍在盆地中部[见图 3(c)], 南侧MCS减弱使得偏南风增强(图 11), 向中心的水汽输送增强, 中心MCSs再次发展增强。此阶段由于中低层温度下降, 对流不稳定程度下降, 对流强度弱于中心MCS增强的第一阶阶段, 700 hPa西南低涡中心未动但形状略变扁, 由于持续时间较长, 降水仍然比较强。MCSs组织特征表现南侧线性尾随层状MCSs(TS)迅速消散, 中心团块状MCSs持续新生发展。
第七阶段: 17日14:00-22:00, 第二次冷锋带状MCSs发展[图 9(i)~(k)]。第二次较强冷空气从四川盆地西北部侵入, 一部分冷空气促使中心对流减弱, 团块状MCSs演变为平行层状(PS)MCSs并减弱东移; 另一部分顺西南低涡西侧向东南运动, 再次在西南低涡的南侧激发出平行层状(PS)MCSs并增强发展, 700 hPa西南低涡又增强, 形状变为近圆形, 略向东北移动。由于冷锋降水会降低降水区的对流不稳定, 第二次冷锋降水在第一次的偏东区域, 降水强度比第一次弱但带状降水范围大。MCSs组织特征表现为中心团块状MCSs向平行层状(PS)MCSs演变, 南侧平行层状(PS)MCSs新生发展, 两者逐渐连成长约500余km的平行层状(PS)MCSs。
第八阶段:东移减弱[图 9(l)~(n)], 17日22:00至18日20:00。18日00:00南北两个MCSs连成“S”形, 逐渐向东移动。冷空气侵入四川盆地东部山地[见图 7(d)], 并逐渐完全控制四川盆地, “S”形锋面的北段与绕巫山回流的冷空气在重庆东南部形成锢囚锋, “S”形锋面雨带减弱发生断裂, 700 hPa西南低涡减弱为椭圆形并东北移, 降水逐渐减弱。MCSs组织特征表现为“S”形平行层状(PS)MCSs断裂减弱的过程。
从以上MCSs的分析来看: (1)MCSs发展增强的过程也是西南低涡发展增强的过程, 且与两次冷空气进入盆地密不可分; (2)大范围暴雨是多个MCSs持续发展的结果, 由于形成两次中心MCSs发展的高原涡、西南低涡位置没有明显变化, A区降水主要是中心MCSs两次稳定发展的结果, 降水集中在西南低涡中心向东北方向延伸出的切变线南侧, 降水过程中中低层暖湿气流持续补充水汽和能量, 强度大, 持续时间长, 累计雨量大; B区主要是两次冷锋MCSs降水, 位于西南低涡中心向南延伸出的低槽前部, 且有一定距离, 降水强度大, 但时间不长, 累计雨量较大。A、B区降水共同构成大范围“π”形暴雨带。
7 过程中MCSs与锋面系统的演变模型综合分析来看, 此次四川盆地强降水过程为西太副高阻塞下, 高原涡东移, 冷空气缓慢侵入, 典型的冷性停滞型西南低涡持续发展形成的。过程中MCSs及锋面系统演变模型如图 12所示, 结合前面的分析可见: (1)西南低涡MCSs与锋面系统紧密联系, MCSs形成在西南低涡中心偏北的暖锋和准静止锋以及南侧冷锋附近; (2)西南低涡中心东北部是强降水的中心, 其MCSs主要表现为线状和团块状MCSs相互转换发展的过程, 西南低涡东南侧是另一个次中心区域, 主要表现为两次平行层状(PS)MCSs发展的过程; (3)从西南低涡MCSs第四到第七阶段分析来看, 在中心MCSs发展的动力机制维持情况下, 中心MCSs与南侧MCSs表现出“跷跷板”此消彼长的现象, 南侧MCSs发展通过影响水汽输送对中心MCSs表现出一种制约机制, 具体表现为:南侧MCSs发展->南侧降水截留了向北的水汽(此处“->”表示因果逻辑关系, 前为因, 后为果, 下同), 同时南侧中低层辐合与扰动减弱偏南风->偏南风对中心区域的水汽输送减弱->中心MCSs发展潜热释放减弱->中心区域上升运动减弱->中心MCSs活动减弱(图 13), 反之亦然, 南侧MCSs发展减弱则中心MCSs发展增强。
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图 12 20105年8月16-18日西南低涡MCSs(第1、3行黑色阴影, 反射率因子≥40 dBZ; 灰色阴影, 反射率因子≥35 dBZ; 浅灰色阴影, 反射率因子≥30 dBZ)八个阶段(a~h)的演变及其相对应的700 hPa西南低涡中心及地面锋面(第2、4行)的演变模型 黄色短线表示MCS中心轴线; 红色箭头表示MCS的运动方向; 蓝色箭头表示对流单体的传播方向; D为700 hPa西南低涡中心 Fig. 12 The conceptual model of the developmenteight evolutionary stages (a~h) of MCSs (The first and third line, black shade represent reflectivity ≥40 dBZ; gray shade represents reflectivity ≥35 dBZ; light gray shade represent reflectivity≥30 dBZ) and the development of Southwest Vortex center at 700 hPa and the front on surface (The second and forth line) corresponding to eight evolutionary stages of Southwest Vortex from 16 to 18 August 2015. Yellow short line is axis of MCS centre; red arrow is propagation direction of MCS; blue arrow is propagation direction of convective monomer; the letter D represent Southwest Vortex centre at 700 hPa |
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图 13 南侧MCSs对中心MCSs发展的制约机制示意图 D为西南低涡中心; A为中心对流区, B为南侧对流区; 黑色箭头表示偏南风(粗强细弱); 短线表示降水 Fig. 13 The diagram of the inhibitive mechanism of southern MCSs on the development of central MCSs. The letter D represent Southwest Vortex centre; A is central convective zone; B is southern convective zone; black arrow denotes southerly wind, with width denoting windspeed; short line represent precipitation |
通过对2015年“8·16”四川盆地持续性大暴雨的分析, 得出主要结论如下:
(1) 四川盆地200 hPa处于南压高压东侧脊线的强辐散区, 500 hPa亚洲中高纬双涡结构向单涡结构缓慢转变, 西太副高“西落东抬”形成阻塞, 两个高原涡先后东移, 两次冷空气缓慢持续影响, 共同促进了西南低涡生成发展, 造成了此次持续性大暴雨过程。
(2) 西南低涡形成前期为暖性浅薄天气系统; 初生形成阶段, 高原涡东侧和西太副高西北侧的正涡度平流共同为西南低涡提供动力条件, 前侧温度槽叠加在中低层暖性浅薄天气系统上构成了强对流不稳定结构, 西南低涡受冷空气影响表现出明显的斜压性; 西南低涡中的降水通过凝结潜热释放作用与西南低涡相伴增强, 发展成熟阶段, 西南低涡中心高低层正涡度柱几乎垂直耦合, 西南低涡水平流场形态上表现为近圆形, Ki指数、700 hPa温度和水汽、θse均表现为“S”形非对称形态, 有利于中低层较长时间维持向东北部(A区)的暖湿输送机制, 而B区即西南低涡东南部受冷空气影响层结较快趋于稳定, 这是A区降水强于B区的重要因素; 变形减弱阶段, 冷空气侵入西南低涡中心和东南部, 西南低涡变形减弱。
(3) 根据冷空气活动和MCSs发展程度将此过程中MCSs的活动分为八个阶段, MCSs发展增强的过程也是西南低涡发展增强的过程, 且与两次冷空气进入盆地密不可分; A区降水主要是中心MCSs两次稳定发展的结果, 降水集中在西南低涡暖切变线南侧, 地面静止锋附近; B区主要是两次冷锋MCSs降水, 位于西南低涡低槽前部, 两者共同构成大范围“π”形暴雨带。
(4) 构建了此次西南低涡大暴雨过程中MCSs及锋面系统的演变模型。在促进西南低涡发展的动力机制维持情况下, 南侧MCSs通过影响水汽输送对中心MCSs发展形成制约机制, 西南低涡东北部和东南部降水呈现此消彼长的“跷跷板”发展特征。
本文主要分析了一次冷性停滞型西南低涡大暴雨过程, 由于相似的历史个例缺乏完整的雷达回波和加密降水资料, 以后还需利用新资料继续深入研究此类过程的规律性。同时, 在其它西南低涡暴雨过程中也有与此次过程中西南低涡不同部位MCS发展的“跷跷板”特征相似的现象, 可能其机制是相似的, 也可能有差别, 这还需要大量个例的深入分析和数值模拟研究。
致谢: 最后衷心感谢倪允琪教授对本文给予的无私指导！
Chen S J, Lorenzo D. 1984. Numerical prediction of the heavy rainfall vortex over eastern Asia monsoon region[J]. J Met Soc Japan, 62(5): 730–747.
DOI:10.2151/jmsj1965.62.5_730 |
|
Kuo H L. 1974. Further studies of the parameterization of the influence of cumulus convection on large-scale flow[J]. J Atmos Sci, 31(5): 1232–1240.
DOI:10.1175/1520-0469(1974)031<1232:FSOTPO>2.0.CO;2 |
|
Kuo Y H, Cheng L S, Anthes R A. 1986. Mesoscale analyses of the Sichuan flood catastrophe, 11-15 July 1981[J]. Mon Wea Rev, 114(11): 1984–2003.
DOI:10.1175/1520-0493(1986)114<1984:MAOTSF>2.0.CO;2 |
|
Kuo Y H, Cheng L S, Bao J W. 1988. Numerical simulation of the 1981 Sichuan flood. PartI:Evolution of a mesoscale southwest vortex[J]. Mon Wea Rev, 116(12): 2481–2504.
DOI:10.1175/1520-0493(1988)116<2481:NSOTSF>2.0.CO;2 |
|
Wang W, Kuo Y H, Thomas T W. 1993. A diabatically driven mesoscale vortex in the lee of the Tibetan Plateau[J]. Mon Wea Rev, 121(9): 2542–2561.
DOI:10.1175/1520-0493(1993)121<2542:ADDMVI>2.0.CO;2 |
|
陈贵川, 谌芸, 张勇, 等. 2013. "12·7·21"西南涡极端强降雨的成因分析[J]. 气象, 39(12): 1529–1541.
Chen G C, Chen Y, Zhang Y, et al. 2013. Causes analysis of the southwest vortex extremely heavy rainfall on 21 july 2012[J]. Meteor Mon, 39(12): 1529–1541.
DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.2013.12.001 |
|
陈永仁, 李跃清. 2013. "12·7·22"四川暴雨的MCS特征及对短时强降雨的影响[J]. 气象, 39(7): 848–860.
Chen Y R, Li Y Q. 2013. Characteristics of mesoscale convective system and its effects on short-time severe rainfall in sichuan basin during 21-22 july 2012[J]. Meteor Mon, 39(7): 848–860.
|
|
陈忠明. 1989. 环境场作用与西南低涡移动的初步分析[J]. 高原气象, 8(4): 301–312.
Chen Z M. 1989. The preliminary study of effect of environment flow fields on movement of southwest vortex[J]. Plateau Meteor, 8(4): 301–312.
|
|
陈忠明, 廖强, 闵文彬. 1998. 一次强烈发展西南低涡的中尺度结构分析[J]. 应用气象学报, 9(3): 273–282.
Chen Z M, Miao Q, Min W B. 1998. A case analysis on mesoscale structure of severe southwest vortex[J]. Quart J Appl Meteor, 9(3): 273–282.
|
|
陈忠明, 闵文彬, 缪强, 等. 2004. 高原涡与西南低涡相互耦合作用的个例诊断[J]. 高原气象, 23(1): 75–80.
Chen Z M, Min W B, Miao Q, et al. 2004. A case study on coupling interaction between plateau and southwest vortexes[J]. Plateau Meteor, 23(1): 75–80.
DOI:10.3321/j.issn:1000-0534.2004.01.011 |
|
段海霞, 陆维松, 毕宝贵. 2008. 凝结潜热与地表热通量对一次西南低涡暴雨影响分析[J]. 高原气象, 27(6): 1315–1321.
Duan H X, Lu W S, Bi B G. 2008. Impact of the condensation heating and surface heat flux on a rainstorm event of southwest vortex[J]. Plateau Meteor, 27(6): 1315–1321.
|
|
顾清源, 周春花, 青泉, 等. 2008. 一次西南低涡特大暴雨过程的中尺度特征分析[J]. 气象, 34(4): 39–47.
Gu Q Y, Zhou C H, Qing Q, et al. 2008. Mesoscale characteristics analysis of severe torrential rain caused by a southwestern low vortex process[J]. Meteor Mon, 34(4): 39–47.
|
|
郝丽萍, 周瑾, 康岚. 2016. 西南涡暴雨天气过程分析和数值模拟试验[J]. 高原气象, 35(5): 1182–1190.
Hao L P, Zhou J, Kang Lan. 2016. Weather analyses and numerical study of Southwest China vortex and its induced heavy rainfall[J]. Plateau Meteor, 35(5): 1182–1190.
DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2015.00046 |
|
何光碧. 2012. 西南低涡研究综述[J]. 气象, 38(2): 155–163.
He G B. 2012. Review of the southwest vortex research[J]. Meteor Mon, 38(2): 155–163.
DOI:10.3969/j.issn.1004-9045.2012.02.009 |
|
黄福均. 1986. 西南低涡的合成分析[J]. 大气科学, 10(4): 402–408.
Huang F J. 1986. A composite analysis of the southwest vortex[J]. Scientia Atmospherica Sinica, 10(4): 402–408.
DOI:10.3878/j.issn.1006-9895.1986.04.07 |
|
李超, 李跃清, 蒋兴文. 2017. 夏季长生命史盆地涡活动对川渝季节降水的影响[J]. 高原气象, 36(3): 685–696.
Li C, Li Y Q, Jiang X W. 2017. Mechanism of long lifespan Sichuan Basin vortex's activity influence the precipitation in Sichuan-Chongqing region on summer[J]. Plateau Meteor, 36(3): 685–696.
DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00064 |
|
李国平, 万军, 卢敬华. 1991. 暖性西南低涡形成的一种可能机制[J]. 应用气象学报, 2(1): 91–99.
Li G P, Wan J, Lu J H. 1991. A potential mechanism of the warm vortex genesis in southwest china[J]. Quart J Appl Meteor, 2(1): 91–99.
|
|
李国庆, 陈瑞荣, 杨广基, 等. 1976. 青藏高原东南部低涡的初步模拟试验[J]. 中国科学(3): 286–294.
Li G Q, Chen R R, Yang G J, et al. 1976. A preliminary simulative experiment of the vortex to the southeast of Tibetan Plateau[J]. China Science(3): 286–294.
|
|
李黎, 刘海文, 吕世华. 2017. 春季西南低涡年际和年代际变化特征分析[J]. 高原气象, 36(6): 1512–1520.
Li L, Liu H W, Lu S H. 2017. Interannual and interdecadal variations analysis of the spring Southwest Vortex[J]. Plateau Meteor, 36(6): 1512–1520.
DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00016 |
|
罗四维. 1977. 青藏高原东侧动力性低涡形成机理的分析[J]. 气象科技(suppl): 54–65.
Luo S W. 1977. An analysis of formation of the dynamic vortex to the east side of Tibetan Plateau[J]. Meteor Sci Technol(suppl): 54–65.
|
|
罗四维. 1992. 青藏高原及其邻近地区几类天气系统的研究[M]. 北京: 气象出版社, 56-96.
Luo S W. 1992. A study of several synoptic systems on Tibetan Plateau and adjacent areas[M]. Beijing: China Meteorological Press, 56-96.
|
|
卢敬华. 1986. 西南低涡概论[M]. 北京: 气象出版社, 129-146.
|
|
Lu J H. 1988. Introduction to the southwest vortex[M]. BeiJing: China Meteotological Press, 129-146.
|
|
卢萍, 李跃清, 郑伟鹏, 等. 2014. 影响华南持续性强降水的西南涡分析和数值模拟[J]. 高原气象, 33(6): 1457–1467.
Lu P, Li Y Q, Zheng W P, et al. 2014. Analysis and numerical simulation of southwest vortex on continuous heavy rain processes in south china[J]. Plateau Meteor, 33(6): 1457–1467.
DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2013.00137 |
|
彭新东, 程麟生. 1994. 高原东侧低涡切变线发展的个例数值研究:Ⅱ中尺度数值模拟[J]. 兰州大学学报(自然科学), 30(1): 124–131.
Peng X D, Cheng L S. 1994. A case numerical study on the evolution of the low vortex and shear-1ine on the east side of the plateau:Ⅱ mesoscale numerical simulation[J]. Journal of Lanzhou University (Natural Sciences), 30(1): 124–131.
|
|
陶诗言. 1980. 中国之暴雨[M]. 北京: 科学出版社, 1-7.
Tao S Y. 1980. China Storms[M]. BeiJing: China Science Press, 1-7.
|
|
许威杰, 张耀存. 2017. 凝结潜热加热与对流反馈对一次高原低涡过程影响的数值模拟[J]. 高原气象, 36(3): 763–775.
Xu W J, Zhang Y C. 2017. Numerical study on the feedback between latent heating and convection in a Qinghai-Tibetan plateau vortex[J]. Plateau Meteor, 36(3): 763–775.
DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00061 |
|
赵平, 孙淑清. 1991. 一次西南低涡形成过程的数值试验和诊断(一):地形动力作用和潜热释放作用对西南低涡影响的数值试验对比分析[J]. 大气科学, 15(6): 46–52.
Zhao P, Sun S Q. 1991. Numerical simulation and diagnosis of the formation of SW Vortex Ⅰ:an analysis of numerical simulation of the effects of topography and latent heat on SW Vortex[J]. Scientia Atmospherica Sinica, 15(6): 46–52.
DOI:10.3878/j.issn.1006-9895.1991.06.05 |
|
赵平, 胡昌琼, 孙淑清. 1992. 一次西南低涡形成过程的数值试验和诊断Ⅱ:涡度方程和能量转换函数的诊断分析[J]. 大气科学, 16(2): 177–184.
Zhao P, Hu C Q, Sun S Q. 1992. Numerieal simulation and diagnosis of the formation process of SW vortex Ⅱ:The diagnosis of vorticity equation and energy conversion function[J]. Scientia Atmospherica Sinica, 16(2): 177–184.
DOI:10.3878/j.issn.1006-9895.1992.02.06 |
|
赵思雄, 傅慎明. 2007. 2004年9月川渝大暴雨期间西南低涡结构及其环境场分析[J]. 大气科学, 31(6): 1059–1075.
Zhao S X, Fu SM. 2007. An anaiysis on the southwest vortex and its environment fields during heavy rainfali in eastem sichuan province and chongqing in september 2004[J]. Chinese J Atmos Sci, 31(6): 1059–1075.
DOI:10.3878/j.issn.1006-9895.2007.06.03 |
|
赵玉春, 王叶红. 2010. 高原涡诱生西南涡特大暴雨成因的个例研究[J]. 高原气象, 29(4): 819–831.
Zhao Y C, Wang Y H. 2010. A case study on plateau vortex inducing southwest vortex and producing extremely heavy rain[J]. Plateau Meteor, 29(4): 819–831.
|
|
杨舒楠, 张芳华, 徐珺, 等. 2016. 四川盆地一次暴雨过程的中尺度对流及其环境场特征[J]. 高原气象, 35(6): 1476–1486.
Yang S N, Zhang F H, Xu J, et al. 2016. Mesoscale convective systems and characteristics of environment field of a heavy rainfall process occurred in Sichuan Basin[J]. Plateau Meteor, 35(6): 1476–1486.
DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2015.00105 |
|
王晓芳, 崔春光. 2011. 中尺度对流系统研究的若干进展[J]. 暴雨灾害, 30(2): 97–106.
Wang X F, Cui C G. 2011. A number of advances of the research on heavy rain mesoscale convective systems[J]. Torrential Rain Disaster, 30(2): 97–106.
DOI:10.3969/j.issn.1004-9045.2011.02.001 |
|
韦统键, 薛建军. 1996. 影响江淮地区的西南涡中尺度结构特征[J]. 高原气象, 15(4): 456–463.
Wei T J, Xue J J. 1996. The meesoscale structure characteristics of southwest vortex over Jiang-Huai River areas[J]. Plateau Meteor, 15(4): 456–463.
DOI:10.3321/j.issn:1000-0534.1996.04.001 |
2. National Meteorological Centre, Beijing 100081, China;
3. Institute of Heavy Rain, China Meteorological Administration. Wuhan, Wuhan 430074, Hubei, China;
4. Chongqing Meteorological Bureau, Chongqing 401147, China