2018, Vol. 37
2. 宾县气象局, 黑龙江 宾县 150400
东北地区位于东亚季风的最北端, 夏季受西风带、副热带, 甚至热带环流的影响, 同时又有极地冷空气的频繁入侵, 使东北暴雨具有季节性强, 降水次数少, 历时短, 强度大等特点, 又受独特地理环境的影响, 东北暴雨的突发性和局地性较为显著, 且越往北越明显(郑秀雅等, 1992)。多年来, 气象工作者们对东北暴雨的特征和成因展开研究, 发现东北地区暴雨的影响系统较为复杂, 除了有冷涡(低槽)东移类和低涡(切变)北上类(孙军等, 2011), 还有热带气旋北上与中高纬度冷空气相互作用产生暴雨(孙力等, 2015; 王承伟等, 2017; 任丽等, 2013)。暴雨过程中水汽贡献主要来自于西太平洋和南海附近, 以及相邻海域(包括鄂霍次克海、日本海、黄海、渤海和东海)(马梁臣等, 2017; 孙力等, 2016; 魏铁鑫等, 2015)。每一次暴雨过程均是在有利的天气尺度背景下, 由中尺度对流系统活动造成的, 袁美英等(2011)普查了2005-2007年6-8月FY-2C卫星红外云图资料, 把影响东北及其邻近地区中尺度对流系统分成3种尺度, 统计分析了它们的时空分布及其与暴雨的关系。对一次短历时特大暴雨中尺度对流系统(MCS)发展过程, 及其发生的天气尺度背景和中尺度环境与触发机制做了细致研究(袁美英等, 2010)。还有一些学者利用加密观测资料和数值模拟手段研究暴雨过程的中小尺度系统结构和发生发展特征, 得到许多有益的结论(钟水新等, 2011; 刘英等, 2012; 王宗敏等, 2015; 梁军等, 2015; 王宁等, 2016; 常煜等, 2016)。
2017年8月3-4日受1710号台风“海棠”残余环流北上影响, 东北地区迎来大范围的暴雨、大暴雨天气, 最大单日降水量为185. 6 mm, 最大小时雨强为51. 1 mm·h-1。暴雨区呈带状分布, 出现向北增强的趋势, 在时空分布上都有明显的中尺度特征:降水强度大、突发性强、降水时段集中。大暴雨区呈线状分布, 水平宽度50 km左右, 长度300 km左右, 具有典型的β中尺度特征。本文将使用常规观测资料、卫星云图、雷达回波资料、自动气象站降水量以及0. 25°×0. 25°的NCEP/NCAR再分析资料, 对造成暴雨的中尺度对流系统(MCS)的活动特征和环境条件及触发机制进行研究, 加强对暴雨中尺度系统的理解, 深化对暴雨及中尺度系统的认识, 也可为暴雨预报提供有指示意义的信息。
2 暴雨概述和天气尺度环境背景 2.1 暴雨概述及特点2017年8月3-4日, 东北地区遭遇了大范围的暴雨、大暴雨天气过程, 具有降水范围广, 局地强度大的特点。8月3日08:00(北京时, 下同)至4日08:00累积降水量分布图上[图 1(a), 仅显示≥50 mm, 该图及文中涉及的地图是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)2879号的中国地图制作, 底图无修改], 最大单日降水量为185. 6 mm[吉林省大安站(124. 16°E, 45. 30°N), 位于黑吉交界处]。从辽蒙交界到黑龙江省南部的东北平原地区为一条东北-西南向的暴雨带, 并呈现向北增强的趋势。其中降水量≥100 mm的大暴雨呈线状分布, 水平宽度50 km左右, 长度300 km左右, 具有典型的β中尺度特征。
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图 1 2017年8月3日08:00至4日08:00大于等于50 mm的降水量(a, 单位: mm)及大安和安达两站逐小时降水量(b) Fig. 1 Distribution of rainfall greater than or equal to 50 mm (a, unit: mm) and hourly rainfall of Da'an and Anda (b) from 08:00 on 3 to 08:00 on 4 August 2017 |
从吉林大安和黑龙江安达(125. 19°E, 46. 23°N)两个大暴雨站的逐小时降水量[图 1(b)]来看, 短时强降水集中在3日20:00至4日03:00, 每站均出现一个雨强峰值, 大安为45. 8 mm·h-1(4日00:00), 安达为51. 1 mm·h-1(4日02:00)。两站相距136 km, 雨强峰值出现的时间相差2 h, 可见中尺度对流系统自南向北传播, 并逐渐增强。
2.2 天气尺度环流背景300 hPa上, 降水开始前, 西西伯利亚地区为冷涡, 35°N以南为东西向暖高压带。冷涡向东南方向移动, 其南侧的锋区逐渐加强, 锋区上有高空槽引导冷空气东移, 位置和移动速度均超前于冷涡。高压带断裂, 1710号台风“海棠”残余环流由高压带南侧向北移动减弱, 逐渐并入东移的高空槽中。500 hPa等压面上, 8月1日, 冷涡东南侧贝加尔湖以南100°E附近有冷槽东移, 副高位置偏西偏北, 588 dagpm线北界超过41°N, 西界到华北东部。2日, 台风“海棠”残余环流继续北上减弱为高空槽, 与东移的冷槽同位相叠加, 表现为从华北北部到华东地区南北向的深槽。副高逐渐东退到黄海和日本海上, 其西侧的偏南气流将海上的水汽和热量向北输送, 与槽后冷空气交绥, 给华北北部和东北南部地区带来大范围的暴雨天气, 特别是沿海和平原向高原的过渡地区出现大暴雨天气。3日, 副高位置较为稳定, 深槽东移受阻, 其向北移动分量逐渐增大, 20:00位于东北地区西部, 暴雨区移至东北地区, 除了辽宁东南沿海及长白山脉南侧迎风坡的几个大暴雨站外, 其余大暴雨均出现在深入内陆的东北平原地区。
850 hPa上, 表现为台风残涡北上的过程, 3日20:00[图 2(a)]低涡中心移至辽蒙交界地区, 其北侧倒槽切变经吉林西部向东北方向延伸至黑龙江省西部地区。从华东沿海经渤海到倒槽切变南侧为偏南风低空急流(12~22 m·s-1), 将海上的水汽向东北地区输送, 并在倒槽处辐合抬升, 为暴雨的出现和维持提供了有利条件。暴雨期间, 倒槽切变及偏南风低空急流随低涡环流缓慢北上, 沿着切变线自南向北出现了大范围的暴雨和大暴雨。
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图 2 2017年8月3日14:00 850 hPa高度场(实线, 单位: dagpm)和风场(风羽, 单位: m·s-1)(a)以及3日20:00海平面气压场(实线, 单位: hPa)和3 h变压(黑点, ΔP3 < -2. 0 hPa)(b) (a)中阴影为风速≥12 m·s-1的低空急流 Fig. 2 850 hPa geopotential height (solid lines, unit: dagpm) and wind field (barb, unit: m·s-1) at 14:00 (a) and the sea level pressure field (solid line, unit: hPa) and the 3 h surface allobaric field (black dots: ΔP3 < -2. 0 hPa) at 20:00 (b) on 3 August 2017. The shaded is the low level jet in Fig. 2(a) |
海平面气压场上, 1710号台风“海棠”于福建省登陆后强度逐渐减弱, 其残余环流不断北上, 移入东北地区后再度加强, 给东北地区带来大范围的暴雨、大暴雨天气。8月3日20:00[图 2(b)], 地面气旋中心移至吉蒙交界地区, 中心气压最低为991 hPa。气旋北部倒槽内有较大范围ΔP3 < -2. 0 hPa的负变压区, 与大暴雨区基本一致, 黑、吉两省交界处为ΔP3≤-5. 0 hPa的负变压中心, 有强烈的变压风辐合。3日20:00至4日02:00, 地面气旋快速发展, 向负变压中心移动, 加强的低层辐合作用, 导致大暴雨的出现。
3 中尺度对流云团活动特征8月3日, 降水云系在东北地区获得发展, 形成连续完整的涡旋云系。午后可见光云图上[图 3(a)], 涡旋云系位于东北地区上空, 东侧云顶表面较为光滑、均匀, 多为卷云。云系西侧与晴空区交界附近不断有对流被触发, 云顶多凸起的褶皱和斑点, 出现上冲云顶, 对流云东侧的暗影清晰可见, 特别是在气旋中心附近对流活跃, 给吉林和辽宁西部地区带来较大降水。
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图 3 2017年8月3日16:00 FY-2F可见光云图(a, 单位: %)和08:00长春站探空曲线(b) Fig. 3 The visible cloud image at 16:00(a, unit: %) and T-lgp diagram of Changchun station at 08:00 (b) on 3 August 2017 |
8月3日20:00, 从涡旋云系内部长春站的探空曲线上[图 3(b)]可以看到, 抬升凝结高度、对流凝结高度和自由对流高度均为0. 45 km, 0 ℃层高度为5. 15 km, 表明暖云层深厚, 降水效率高。本次降水之前东北大部地区最高气温连续多日维持在30 ℃以上, 累积了一定的不稳定能量, 此时对流有效位能1 316 J·kg-1, K指数达39 ℃, 沙氏指数为-0. 7 ℃, 抬升指数-3. 6 ℃。整层风速较大≥16 m·s-1, 0~6 km垂直风切变较大, 达3×10-3 s-1; 500 hPa以下风随高度顺转, 表明低层有暖平流。对流层低层和高层, 温度与露点曲线基本贴合在一起, 在700~400 hPa的对流层中层有干空气活动, 温度露点差在4~8 ℃。这些均可以表明云系内部大气处于不稳定状态, 有利于以短时强降水为主的对流发展。
使用国家卫星气象中心提供的FY-2F红外卫星云图来考察大暴雨中心中尺度对流云团的活动特征。在8月3日16:00至4日07:00经过大暴雨中心沿125°E的TBB随纬度-时间演变分布图(图 4)清晰地显示出对流云团自南向北传播的过程, 期间有2次对流云团强盛期(TBB低值中心), 与强降水集中时段相对应, 值得注意的是云团南部亮温梯度大, 表明干冷空气从南部侵入, 激发对流, 使降水增强。3日18:00-23:00, 中尺度对流云团在吉林西北部地区活动, 并在向北传播的过程中加强。21:00-22:00在大安附近TBB达到-60 ℃, 给此处带来短时强降水(45. 8 mm·h-1)。3日23:00至4日02:00, 随着干冷空气的加强及向北推进, 在其北部激发出新的对流云团, 在其强列发展的过程中给安达带来了较强的降水(51. 1 mm·h-1)。每次短时强降水均与TBB低值中心相对应, 并滞后1 h左右。
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图 4 2017年8月3日16:00到4日07:00沿125°E的FY-2F红外云图TBB随时间纬度的分布(单位: ℃) 虚线为大暴雨中心大安和安达所在的纬度, 分辨率为0. 1°×0. 1° Fig. 4 Time-longitudinal cross section of the TBB along 125°E from 16:00 on 3 to 07:00 on 4 August 2017. Unit: ℃. The dashed line is the latitude of the rainstorm center of Da'an station and Anda station the resolution is 0. 1°×0. 1° |
逐小时的TBB演变能更加直观地反映出中尺度对流的发生发展过程, 及每一阶段的特征(图 5)。3日17:00-19:00(图略), 对流云团A在吉蒙交界地区强烈发展, 向东北方向移动。20:00[图 5(a)]对流云团A北移接近大安站, 大安降水强度迅速增强[见图 1(b)]; 21:00-22:00[图 5(b), (c)], 云团A在东北移过程中TBB≤-57 ℃的冷云区面积减小, 并分裂为两个中心。大安一直处于TBB≤-57 ℃的冷云内, 降水强度逐渐增强; 23:00[图 5(d)], 云团A中云区结构逐渐变得松散, 在对流云团减弱阶段大安站小时雨强达到最大。
3日23:00, 受气旋后部加强的干舌影响, 在云系南侧TBB大梯度区, 出现了倒“V”缺口, 并维持到4日01:00[图 5(d)~(f), 箭头所示位置为倒“V”缺口]。从南部进入的干空气使原本减弱的云团A再度获得发展, 分裂为三个尺度较小的对流云团B、C、D。4日00:00-01:00[图 5(e), (f)], 对流云团C范围最大, 向东北方向移动最快, 远离云系南侧TBB大梯度区后逐渐减弱; 而对流云团B、D一直处于云系南侧TBB大梯度区附近, 随云系北移, 故而维持时间较长。安达站受云团C活动影响, 降水强度迅速增强, 处于云团后部TBB大梯度区处时雨强达到最大。4日02:00[图 5(g)], 对流云团C减弱东北移后, 在安达附近有尺度更小的对流云团E新生, 受其影响强降水持续; 到03:00[图 5(h)], 对流云团E、C、D合并加强为对流云团F, 逐渐远离安达站, 此处降水逐渐结束; 同时云团B获得发展。之后对流云团B、F一直维持在云系南侧TBB大梯度区处, 随云系加速北移。
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图 5 2017年8月3日20:00至4日04:00 FY-2F逐小时红外云图TBB分布(单位: ℃) 图中A、B、C、D、E、F都表示对流云团, (d)~(f)中箭头表示云系南侧TBB大梯度区 Fig. 5 FY-2F hourly infrared brightness temperature at the top of cloud from 20:00 on 3 to 04:00 on 4 August 2017. Unit: ℃. All capitals A, B, C, D, E and F represent convective clouds, and the arrow in Fig. 5 (d)~(f) represents the large gradient region of TBB on the south side of the cloud system |
由以上分析可知, 大安站的强降水是由一个尺度较大的MCS造成的, 强降水时间长(4 h), 时间分布相对较为均匀, 在对流云团减弱阶段小时雨强达到最大, 出现在云团内部冷云区内; 而安达站的强降水是由两个尺度更小的MCS造成, 受干空气活动的影响, 强降水更为猛烈, 持续时间更短(2 h), 出现在云团后部边缘TBB大梯度区处。
4 雷达回波演变特征以上的卫星资料分析可以反应出中尺度对流云团云顶亮温发展演变特征, 下面使用分辨率更高的多普勒雷达资料, 进一步分析中尺度对流云团的内部结构特征。3日17:00-22:00(图略)绥化雷达0. 5°仰角反射率因子图上, 表现为大范围自南向北移动的混合云降水回波, 反射率因子普遍在40 dBz以下。3日22:00[图 6(a)], 南部开始出现晴空区, 晴空区周围有强回波生成, 并连成向北凸起的带状回波, 南界的反射率因子梯度增大。3日23:00至4日01:00[图 6(b), (c)], 随着晴空区范围的不断向北扩大, 带状回波向北凸起得更加明显, 逐渐形成倒“V”型强回波带, 其西侧东北西南向的回波带中强对流单体增多, 特别是其南端对流更加活跃, 此处不断有新对流生成和发展(图 6中黑色椭圆处), 最大反射率因子维持在50 dBz左右。沿着图 6(c)中直线做反射率因子垂直剖面[图 6(g)], 可见此处强对流的反射率因子在垂直方向上以回波顶为中心对称分布, 高度在10 km以下, 50 dBz的强反射率因子高度不超过5 km, 在0 ℃等温线高度以下, 表明此处的强降水是暖云降水, 降水效率高, 雨强大。
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图 6 2017年8月3日22:01(a)、23:31(b)和4日01:01(c)、01:35(d)、02:03(e)、02:36(f)绥化雷达0. 5°仰角反射率因子演变以及4日01:01沿图(c)中直线的反射率因子垂直剖面图(g) 黑色椭圆表示安达附近大暴雨区, (c)中红色实线为图(g)的剖面线 Fig. 6 The change of reflectivity with 0. 5° elevation from the Doppler radar at Suihua station at 22:01(a), 23:31(b) on 3 and at 01:01(c), 01:35(d), 02:03(e), 02:36(f) on 4, and the radar reflectivity cross the section at 01:01(g) on 4 August 2017. The black ellipse represents the heavy rain area near Anda, and the red solid line in Fig. 6(c) is the section line in Fig. 6(g) |
4日01:01-02:36[图 6(c)~(e)], 倒“V”型强回波带, 逐渐北移, 其西侧东北西南向的回波带南端(图 6中黑色椭圆处, 也是安达附近的大暴雨区)不断有新对流生成和发展, 沿着回波带向北移动。可见, 回波的后向传播造成大暴雨区一直有降水效率高的强回波(最大反射率因子可达50 dBz)活动, 持续时间超过1. 5 h。地面上降水强度达到最大, 持续时间较长(2 h)。02:36以后, 回波带加速向东北方向移动, 强回波中心变成更窄的条状后逐渐消失, 随着回波强度的减弱, 地面降水强度也减小。
5 中尺度对流系统发展环境条件特征 5.1 水汽和动力条件1710号台风“海棠”残余环流一路北上的过程中, 其东侧一直存在偏南风低空急流, 将海上的水汽和热量向环流中输送, 使其强度得以维持。3日20:00[图 7(a)], 东北地区北部强降水开始, 在低空850 hPa上有一条近乎南北向的带状水汽通量高值区从江淮地区、经东海及黄海源源不断地向北输送, 水汽输送带上的通量大值中心位于吉林中部和辽宁北部超过42 g·s-1·cm-1·hPa-1; 同时造成东北地区北部低层大气湿度不断增大。不断向北输送的水汽在低涡中心北部及水汽输送带上均有辐合, 在低涡中心北部辐合切变处, 也就是水汽通量高值舌区北部形成中心值为-12×10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1的低层水汽辐合中心。水汽输送带及水汽辐合大值区随低涡加强北上, 4日02:00[图 7(b)], 带状水汽通量高值区向北推进, 强度略有增强, 大值中心移到黑、吉交界附近; 水汽辐合中心也相应地向北偏东移动1~2个纬距, 移至黑龙江南部偏西地区, 辐合强度显著增大, 加强到-15×10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1。暴雨区与水汽辐合大值区相对应, 一直处于低涡中心北部辐合切变处, 水汽通量高值舌区北部。
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图 7 2017年8月3日20:00(a)和4日02:00(b)的850 hPa水汽通量(等值线, 单位: g·s-1·cm-1·hPa-1)、水汽通量散度(阴影, 单位: ×10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1)和风场(风羽, 单位: m·s-1)分布及其分别沿124°E(c)和125°E(d)水汽通量散度(阴影, 单位: ×10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1)、垂直速度(等值线, 单位: Pa·s-1)和v-w(w放大100倍)的垂直剖面(剖面图分辨率为0.25°×0.25°，下同) Fig. 7 The 850 hPa vapor flux (contour, unit: g·s-1·cm-1·hPa-1), the vapor flux divergence(the shaded, unit: ×10-5 g·s-1·cm-2·hPa-1) and wind field (barb, unit: m·s-1) at 20:00 on 3 (a) and at 02:00 on 4 (b) August 2017 and the vertical cross-sections of vapor flux divergence (the shaded, unit: ×10-5 g·s-1·cm-2·hPa-1), vertical velocity (contour, unit: Pa·s-1) and v-w (w is amplified by 100 times) (the resolution of the vertical cross-sections is 0.25°×0.25°, the same below) along 124°E at 20:00 on 3 (c) and along 125°E at 02:00 on 4 (d) August 2017 |
3日20:00沿124°E的经向剖面图[图 7(c)]上, 强的水汽辐合区在低层850 hPa以下集中位于45°N以南, 随高度向北倾斜, 向上伸展高度超过500 hPa; 垂直速度分布与水汽通量散度类似, 低层倾斜向上的强上升运动区一直延伸至对流层高层, 在45°N附近的对流层中层(500 hPa)达到最大, 为-4. 8 Pa·s-1。对流层中低层的强水汽辐合区与强上升运动相重叠的区域即为暴雨区, 暴雨区北侧出现下沉运动。到4日02:00[图 7(d)]强上升运动区向北移动1. 5个纬距, 向上伸展的高度及中心强度均减小, 最大上升运动区的高度下降到700 hPa上下, 同时上升运动在低层加强, 高层减弱; 强的水汽辐合区随之北移, 强中心下降到700 hPa以下, 变得更狭窄强度更强。46°N-47°N, 中低层增强的水汽辐合及加强的上升运动造成了更加猛烈的降水。
前期位于40°N附近的高空急流, 受大尺度扰动影响, 断裂为东西两个急流带, 东部急流不断向北传播, 并发生反气旋式弯曲。3日20:00[图 8(a)], 高空急流核向北移到50°N附近, 同时随台风残余环流北上的低空偏南急流, 移至东北地区中南部, 暴雨区位于高空急流核右后方强辐散与低空急流左前侧强辐合的重叠区域内。通过安达站的相对涡度和散度的高度-时间演变[图 8(b)]可见, 强降水发生前, 对流层高层200 hPa上下即出现了强辐散, 并逐渐往下扩展至450 hPa, 随后在低层出现强辐合。强降水发生时(4日02:00), 低层辐合达最强, 与此处的强上升运动相对应。同时中低层的正涡度迅速增大, 正涡度柱不断向高层伸展, 超过300 hPa, 表明中尺度系统的发展相当深厚。
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图 8 2017年8月3日20:00高低空急流(a, 单位: m·s-1)及3日08:00至4日20:00过安达站涡度(阴影, 单位: ×10-5 s-1)和散度(等值线, 单位: ×10-5 s-1)的高度-时间演变(b) (a)中阴影为850 hPa时大于等于12 m·s-1的风速, 黑实线为200 hPa时大于等于30 m·s-1的风速, 箭头线为急流轴 Fig. 8 The high-and low-level jet at 20:00 on 3 (a, unit: m·s-1) and the height-time evolution of vorticity (shaded, unit: ×10-5 s-1) and divergence(contour, unit: ×10-5 s-1) passing Anda station from 08:00 on 3 to 20:00 on 4 August 2017 (b). The shaded and the solid black line representes wind speed that greater than or equal to 12 m·s-1 at 850 hPa and 30 m·s-1 at 200 hPa respectively, and the arrow line is the axis of the jet stream |
从假相当位温θse与比湿的经向-高度剖面图(图 9)可以看到, 对流层低层高能舌自南向北移动; 中高层加强的干冷空气侵入, 与暖湿空气的交界面上锋区加强向北推进的过程。3日20:00[图 9(a)]700 hPa以下有θse>352 K, 比湿>12 g·kg-1的暖湿空气随偏南风向北伸展到44°N-45°N。在暖湿空气上方, 700~300 hPa有θse低值区, 低值中心θse < 336 K, 位于500 hPa上下, 此处在比湿场上显示为比湿随高度迅速减小的干区, 特别是500 hPa以上, 比湿 < 0. 5 g·kg-1。45°N以南的地区, 表现为上干冷、下暖湿的状态, 大气具有对流不稳定。45°N附近区域在垂直方向上存在强烈的上升运动[图 7(a)], 有利于低层的水汽和热量向上混合输送, 使得此处整个对流层中θse的数值几乎不变。4日02:00[图 9(b)]暖湿空气继续向北推进, 低层θse>352 K的区域向北伸展, 越过46°N, 44°N-46°N近地面层显著增湿, 比湿达到18 g·kg-1。中高层θse低值区北移, 范围和强度增大, 与前侧暖湿空气的交界面上θse等值线逐渐密集, 低值中心值减小到θse < 332 K, 高度降低到600 hPa, 大气中低层变得更加对流不稳定, 导致更加猛烈的降水。
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图 9 2017年8月3日20:00沿124°E(a)和4日02:00沿125°E(b)的比湿(阴影区, 单位: g·kg-1)和假相当位温θse(等值线, 单位: K)的垂直剖面 Fig. 9 The vertical cross-sections of the specific humidity (the shaded, unit: g·kg-1) and the pseudo-equivalent potential temperature (contour, unit: K) at 20:00 on 3 along 124°E (a) and at 02:00 on 4 August 2017 along 125°E (b) |
干侵入具有大的位势涡度和小的湿球位温这两个特征(Browning et al, 1995, 1996, 1997), 有助于中气旋的发生发展(Lemen, 1998)。卫星水汽图像是监测干侵入最为直观有效的工具, 干侵入在水汽图像上表现为深灰暗区(刘会荣, 2010; 吴庆梅, 2015; 赵宇, 2016)。3日20:00[图 10(a)], 500 hPa上内蒙古东北部有气旋性环流, 其南侧的偏西风里有较强的冷平流, 冷平流中心位于辽蒙交界地区, 强度达-150×10-6 K·s-1。从黄河下游向东北方向延伸的干区, 与内蒙古中部向东南方向扩展的干区合并向北伸展到吉辽西部, 相对湿度 < 20%, 并随气旋向北传播。干区分布与水汽图像暗区相吻合, 反映了干侵入位于对流层中高层。
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图 10 2017年8月3日20:00 500 hPa风场(风羽, 单位: m·s-1)、相对湿度(阴影, 单位: %)和温度平流(等值线, 单位: ×10-6 K·s-1, 只显示负值区)(a), 500 hPa位势涡度(b, 单位: PVU, 1 PVU=1×10-6 m2·K·s-1·kg-1), FY-2F卫星水汽图像(c, 单位: K)以及通辽站探空曲线(d) Fig. 10 Distribution of 500 hPa wind (barb; unit: m·s-1), relative humidity (shaded, unit: %) and temperature advection (contour, unit: ×10-6 K·s-1) (a), geopotential vorticity (b, unit: PVU, 1 PVU=1×10-6 m2·K·s-1·kg-1), the water vapor image from FY-2F satellite (c, unit: K) and T-lgp diagram of Tongliao station (d) at 20:00 on 3 August 2017 |
位势涡度水平分布[图 10(b)]显示, 从华北到东北地区西部为一条自南向北传播的高位涡带, 与干区基本重合, 由于冷平流作用使其温度较低, 表明对流层中高层存在一支东北-西南向的干冷空气。水汽图像上[图 10(c)]与干冷空气对应的是冷锋云系后部直接伸向气旋中心的暗区部分, 在暗区边界处不断有新对流被触发。位于暗区北界的吉林西北部地区有对流发展, 给大安等地带来强降水天气。之后, 随着干冷空气不断加强, 暗区在不断向北伸展的过程中其北侧变得更暗, 新触发的对流也更加猛烈, 造成强度更大的降水。位于暗区北部的通辽站探空曲线上[图 10(d)], 500 hPa以上为T-Td≥30 ℃的干区, 表明中高层已经有干冷空气侵入, 而中低层依然为湿区, 这种“上干下湿”的对流不稳定, 使降水维持; 随后干冷空气进一步向下侵入到中低层, 降水随即结束。
可见, 降水期间, 对流层中高层有明显的干冷空气活动, 干冷空气来源于中纬度地区, 分别来自黄河下游和内蒙古中部地区。中高层干冷空气活动不仅可以触发对流, 而且降低了大气稳定度, 为对流的发生、发展提供了有利条件。
6 结论使用常规观测资料、卫星云图、雷达回波资料、自动气象站降水量和0. 25°×0. 25°的NCEP/NCAR再分析资料, 对2017年8月3-4日发生在东北地区北部的大暴雨过程进行中尺度特征分析, 得出如下主要结论:
(1) 1710号台风“海棠”残余环流不断北上, 移入东北地区后再度加强。地面上负变压中心位于气旋北侧倒槽切变处, 气旋的快速发展和加强的变压风辐合, 造成低层辐合加强, 导致大暴雨的出现。
(2) 暴雨区带状分布, 呈现向北增强的趋势, 在时空分布上都有明显的中尺度特征:降水强度大、突发性强、降水时段集中。大暴雨区呈线状分布, 水平宽度50 km左右, 长度300 km左右, 具有典型的β中尺度特征。
(3) 午后可见光云图上, 涡旋云系西侧对流活跃, 云系内部探空分析显示大气处于不稳定状态, 有利于以短时强降水为主的对流发展。暴雨是由MCS活动造成的, 每次短时强降水均与TBB低值中心相对应, 并滞后1 h左右。对流云团自南向北传播的过程, 暴雨主要出现在冷云区内或是云团后部边缘TBB大梯度区处。
(4) 大暴雨区的强对流单体反射率因子在垂直方向上以回波顶为中心对称分布, 50 dBz的强反射率因子高度在0 ℃等温线高度以下, 表明强降水是暖云降水, 降水效率高, 雨强大。雷达回波的后向传播造成大暴雨区一直有强回波活动, 持续时间超过1. 5 h。导致持续时间较长(2 h)的强降水出现。
(5) 物理量诊断分析表明, 暴雨区位于高空急流核右后方的强辐散与低空急流左前侧的强辐合的重叠区域内。引发暴雨的中尺度对流系统具有深厚的垂直运动, 加强了低层热量和水汽的向上输送。中低层正涡柱迅速增强, 水汽辐合增强, 加强了中尺度对流系统的发展和持续时间。
(6) 中高层有干冷空气活动, 不仅触发对流, 而且大大降低了大气稳定度, 为对流的发生、发展提供了有利条件。
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