湖南 2010年6月19日大暴雨過程地面中尺度分析

劉 兵,陳靜靜,姚 蓉,陳 明

(1.湖南省張家界市氣象局,湖南 張家界 427000;2.湖南省氣象臺,湖南 長沙 410007; 3.湖南省株洲市氣象局,湖南 株洲 412003)

湖南 2010年6月19日大暴雨過程地面中尺度分析

劉 兵1,陳靜靜2,姚 蓉2,陳 明3

(1.湖南省張家界市氣象局,湖南 張家界 427000;2.湖南省氣象臺,湖南 長沙 410007; 3.湖南省株洲市氣象局,湖南 株洲 412003)

利用加密自動站資料對湖南“6.19”大暴雨過程進行地面中尺度分析。結果表明:地面輻合線是中尺度對流云團發(fā)生發(fā)展的必要條件之一。6.19大暴雨過程主要受到 2條地面輻合線影響,強降雨帶與地面輻合線的走向相一致,位置較地面輻合線略偏北。對大暴雨過程產(chǎn)生重要影響的 2條地面輻合線都初生于山脈地形的北端,最后又消失于地形作用之下。3個大暴雨區(qū)域中心位置與海平面干氣壓場低值中心、水汽壓場高值中心位置非常匹配。強降水集中區(qū)域發(fā)生在海平面干氣壓場低值中心及水汽壓場高值中心的邊緣區(qū)域,即梯度最大的區(qū)域。強降水過程出現(xiàn)之前的 24～48h,海平面干氣壓場低值中心及水汽壓場高值中心就已經(jīng)存在并不斷發(fā)展。

地面輻合線;強降水;輻合對流效應;中尺度;地形

1 前言

眾所周知,產(chǎn)生強降水的 3個必要條件是:充足的水汽、強烈的上升運動和較長的持續(xù)時間[1]。如果存在穩(wěn)定的天氣形勢,那么充足的水汽條件和強烈的上升運動就成為產(chǎn)生強降水的關鍵,也是預報員預報暴雨過程的著眼點。區(qū)域性強降水過程產(chǎn)生之前,該區(qū)域中低層的環(huán)流運動和水汽運動都有一個中尺度的發(fā)展、孕育過程,這就為預報員提前準確做出暴雨預報提供了可能。然而,現(xiàn)有的每日2次定時高空觀測不僅時間分辨率低,空間分辨率也很低,無法對導致區(qū)域性強降水的大氣中低層中尺度環(huán)流運動和水汽運動進行有效監(jiān)測,這成為區(qū)域性暴雨定量預報和落區(qū)預報的難點。區(qū)域中尺度自動氣象站每小時一次的風場監(jiān)測和國家自動氣象站每小時一次的氣壓場、水汽壓場監(jiān)測,為預報員連續(xù)監(jiān)測大氣中低層的中尺度環(huán)流運動和水汽運動特征提供了一個重要的視窗[2]。

2 近地面風場對強降水的影響

利用全省中小尺度區(qū)域加密自動站每小時一次的風場資料,分析地面風場對強降水的作用。結果發(fā)現(xiàn),對 19日全省大暴雨過程產(chǎn)生的 3個強降水中心(分別位于湘西北、湘東北和湘南),地面一直伴隨著 2個長度為幾十到 300Km的中尺度輻合線的影響,這兩個中尺度輻合線分別用?和?表示,湘西北強降水中心伴隨輻合線?的影響,湘東北和湘南強降水中心伴隨著輻合線?的影響。

19日 06時 (圖 1),從疊加地形的地面風場可以看到:湘南為大片偏南氣流,風速自南向北逐漸遞減,在湘中一帶形成風速輻合之勢;湘中以北共有 2支偏北氣流,較強的一支從鄂西南沿湘西北進入雪峰山脈北部地區(qū),較弱的一支從湘東沿長沙地區(qū)進入南岳山北側,同時分流一支向西沿谷地進入雪峰山脈北部谷地;在雪峰山脈北部峽谷地帶和南岳山北側分別有 2個中尺度輻合線?和?,輻合線?尺度為 140Km左右,輻合線 ?的尺度不到100Km,均處于發(fā)展階段。輻合線?共有來自北面、東面、西南面和南面 4支氣流在此交匯,輻合線?共有來自東北面、西南面和南面 3支氣流在此交匯。?輻合線由于其輻合的偏北風分量較大,風速較大,加上地形影響,中尺度雨團在此得以迅速形成,強降水在稍微偏北的位置開始發(fā)展,懷化沅陵以東地帶開始出現(xiàn)小范圍的強降水,中心點 1h降水量達到 40mm。此后的幾小時內(nèi),強降水在湘西北開始成片發(fā)展。東側的?輻合線由于其輻合的偏北分量較小,風速較弱,其北側只有弱的陣性降水出現(xiàn)。

圖 1 6月19日 05-06時降水量(a)及 6月19日 06時地面風場地形疊加圖(b)

19日 10時 (圖 2),從地面風場可以看到,?輻合線和?輻合線的尺度均有不同程度增大,地面南北風交匯區(qū)域進一步擴大,?輻合線西北側的偏北風更強,此時,?輻合線正處于發(fā)展到成熟階段,?輻合線的偏北輻合分量仍然較小,輻合線位置有所北移,仍然處于發(fā)展階段。從連續(xù)的地面風場圖可以看到,湘中以南仍然以偏南氣流為主,特別湘南地區(qū)一直維持著強勁的偏南氣流。與風場相對應,此時湘北強降水區(qū)域開始擴散發(fā)展,整個湘北都出現(xiàn)了大范圍的降水,東西 2個降水中心走向與輻合線走向向一致,中心位置較輻合線位置稍為偏北0.3個緯距左右,湘西北開始出現(xiàn)成片短時暴雨,最大沅陵縣烏宿鄉(xiāng) 1h雨量達 88.3mm,湘東北降水強度稍弱,局部出現(xiàn) 1h40mm左右的強降水。

19日 15時 (圖 3),從地面風場可以看出,?輻合線西北側的偏北氣流進一步向南滲透,輻合線逐漸轉為NE-S W向,輻合線正處于成熟到逐步減弱階段;?輻合線偏北風分量有所加強,也出現(xiàn) NES W向轉向趨勢,仍然處于發(fā)展階段。與風場變化相對應,?輻合線所在的芷江—懷化—辰溪—沅陵一線出現(xiàn) S W-NE走向強降雨帶,湘東北出現(xiàn) EW走向較強雨帶,與兩條輻合線相一致,位置略偏西或偏北。

19日 21時 (圖 4),隨著中上層切變系統(tǒng)東移南壓,近地面的輻合線也出現(xiàn)東移南壓趨勢。隨著中尺度輻合線能量的不斷釋放,21時?輻合線尺度已經(jīng)明顯減小,輻合線西北側的偏北氣流有明顯減弱,輻合強度隨之減弱,此時?輻合線正處于減弱到逐漸消失階段。此時,湘西北降水范圍明顯縮小,降水強度呈現(xiàn)明顯減弱。?輻合線此時已經(jīng)轉為 S W-NE走向,輻合線北側偏北氣流分量明顯增強,輻合線正緩慢南移,輻合強度得到明顯增強,正處于發(fā)展到成熟階段。此時,沿?輻合線北側平江、長沙—雙峰一線,出現(xiàn)雨強在 30mm左右的強降水帶,最大 1h雨強在 50mm以上。

6月20日凌晨 (圖 5),從地面風場可以看出,湘中以北已經(jīng)轉為主要受偏北氣流的影響,?輻合線已經(jīng)完全消失不見。?輻合線隨中低層切變的南移及地面偏北氣流的作用下,逐步南移至南嶺山脈北側。?輻合線受南嶺山脈地形的阻擋,不能再往南移,原本是 S W-NE向的輻合線逐漸演變?yōu)榕c地形一致的橫向輻合線,偏南風與偏北風在山區(qū)和平地的交界線處交匯,近地面冷空氣在山前迎風坡產(chǎn)生輻合抬升作用。也就是說,這一地區(qū)近地面除了風向本身產(chǎn)生的切變輻合外,山脈阻擋還提供了附加的地形抬升輻合作用,伴隨這些近地面輻合,冷暖氣流在這里持續(xù)劇烈的交匯,使得輻合線得到進一步發(fā)展成熟。此后持續(xù)數(shù)小時,在?輻合線附近永州、衡陽、株洲南部一帶生成連續(xù)的中尺度雨團,構成了強降水雨帶。一直維持到 20日 06時,交界線附近大部分轉為偏北風,風向切變南壓,山脈阻擋作用下的輻合作用消失,強降水區(qū)域進一步南壓,此次強降水過程也逐漸趨于結束。

3 地形對地面中尺度輻合線的影響及對強降水產(chǎn)生的影響分析探討

對湖南 6月19日大暴雨過程產(chǎn)生重要影響的2條地面輻合線都初生于山脈地形的北端,沿河谷地帶發(fā)展成熟,最后又消失于地形作用之下。這不僅突出的體現(xiàn)了山脈地形的影響對于中尺度對流云團產(chǎn)生的觸發(fā)機制,同時也體現(xiàn)了山脈地形在中尺度對流云團逐步走向消亡的過程中所起到的作用。在地面大范圍偏南風的背景下,當近地層有小股偏北氣流侵入,遇到山脈地形的作用,則此時極易形成如?和?的地面中尺度輻合線;伴隨地面輻合線的發(fā)展,如果中低層恰好有切變系統(tǒng)經(jīng)過,則中低層切變系統(tǒng)在地面輻合線產(chǎn)生的上升氣流的不斷觸發(fā)作用下,中低層與近地面產(chǎn)生輻合對流效應,使得中尺度對流云團得以發(fā)生發(fā)展;隨著對流的發(fā)展,近地層輻合氣流越來越強,地面輻合線也不斷向東或向南拓展;當再次遇到地形阻擋,直至中低層輻合氣流不足以維持中尺度對流所需能量時,中低層至近地面的對流效應就會逐漸減弱,地面輻合氣流也隨之減弱,直至消失,地面輻合線的消失則加速了中低層對流效應的消失。6.19大暴雨過程中,?輻合線初生于雪峰山脈北側,中尺度對流云團產(chǎn)生之后輻合線西端沿雪峰山脈左側向南發(fā)展,由于受到雪峰山脈屏障的阻擋,當中尺度云團能量耗盡仍無法越過山脈地形的影響,最后?輻合線向東北方向收縮,逐漸消失在雪峰山脈的北側;?輻合線初生于南岳山北側,隨著中尺度對流云團的產(chǎn)生和發(fā)展,?輻合線也不斷發(fā)展,當中尺度對流云團發(fā)展到足夠旺盛時,顯然南岳山地形不足以阻擋地面輻合線繼續(xù)向南發(fā)展,中尺度對流云團隨之南壓,影響湘東大部分地區(qū)。當?輻合線南移到南嶺山脈北側,遇到南嶺屏障無法逾越,隨著中尺度對流云團能量的不斷釋放,最后?輻合線消失于南嶺山脈北側,強降水過程隨之趨于結束。

可以這么說,地面中尺度輻合線是中低層到地面產(chǎn)生輻合對流效應的關鍵觸發(fā)機制所在,地面中尺度輻合線通過產(chǎn)生輻合對流效應對中尺度對流云團的產(chǎn)生起到重要作用;山脈地形對地面中尺度輻合線的生成和移動都具有巨大的約束作用,甚至是決定性的作用[2];山脈地形對強降水產(chǎn)生影響是通過地面中尺度輻合線起作用的,進而對強降水的落區(qū)和強度產(chǎn)生重大影響。

4 氣壓場與水汽壓場對強降水影響分析

利用全省國家一級自動氣象站逐小時氣壓和水汽壓資料,分析了強降水來臨之前和來臨時地面氣壓場和水汽壓場的變化特征,試圖為預報人員提前準確做出強降雨預報尋找依據(jù)。

水汽壓和氣壓的急升急降是強降水過程前后的重要反應特征之一。為了更好的描述中低層中尺度大氣環(huán)流特征,定義大氣中除去水汽重量而在任意表面上所受到的壓強為干氣壓,其大小等于:

其中 P干為干氣壓,P為氣壓,E為水汽壓,單位均為 hPa。由此可繪制出湖南省范圍內(nèi)干氣壓場和(圖略)。

通過水氣壓場的連續(xù)演變圖分析可知,在強降水來臨之前的 18日 20時,海平面干氣壓場存在 3個相對獨立的低值中心,分別位于湘西北的自治州南部到懷化中部、湘東北的常德至長沙中西部、湘南的永州北部至衡陽中南部與郴州北部及株洲中部地區(qū),在湘西北低值中心的西北側、湘東北低值中心東北側分別存在著干氣壓高值中心,在湘南低氣壓中心南側存在著一個干氣壓高值中心;水汽壓場圖上在與之相對應的區(qū)域出現(xiàn) 3個相對獨立的高值中心,在湘西北高值中心的西北側、湘東北高值中心東北側分別存在著水汽壓低值中心,在湘南高值中心的南側存在著一個水汽壓低值中心。這時,湘西北的海平面干氣壓場低值中心值達到最小,為 968hPa左右,水汽壓場高值中心達到最大,為 33hPa左右。19日上午,湘西北出現(xiàn)區(qū)域性大暴雨過程。

19日 08時,3個干氣壓低值中心和水汽壓高值中心繼續(xù)維持,其中湘西北干氣壓場低值中心和水汽壓場高值中心均開始減弱;湘東北干氣壓中心和水汽壓中心區(qū)域進步一向東發(fā)展增強,海平面干氣壓場低值中心值達到最小,為 969hPa左右,水汽壓場高值中心達到最大,為 33hPa左右。19日晚 21時左右,湘東北出現(xiàn)區(qū)域性大暴雨過程,湘西北降水過程趨于結束。

19日 20時,湘西北干氣壓場和水汽壓場進一步減弱,湘東北干氣壓場和水汽壓場減弱,湘南干氣壓場和水汽壓場達到最強,干氣壓場中心值達967hPa左右,水汽壓場高值中心達 33hPa左右。19日 20時至 20日 08時,湘南地區(qū)出現(xiàn)成片大暴雨過程;湘東北降水過程趨于結束。

20日 08時,海平面氣壓場 3個低值中心和水汽壓場 3個高值中心雖然繼續(xù)存在,但都已大為減弱,干氣壓場低值中心值均在 977hPa以上,水汽壓場高值中心值均在 28hPa或以下,湘南的強降水已經(jīng)大為減弱,整過湖南 6.19大暴雨過程也趨于結束。

5 小結

通過對湖南 6月19日大暴雨過程發(fā)生前后每小時一次地面風場、氣壓場和水汽壓場進行中尺度分析,初步得出如下幾點結論:

①地面輻合線是中尺度對流云團發(fā)生發(fā)展的必要條件之一。強降水過程隨著地面輻合線的發(fā)展而發(fā)展,隨著地面輻合線的成熟而達到過程雨強最強,隨著地面輻合線的消失強降水過程也隨之消失。

②此次大暴雨過程主要受到 2條地面輻合線影響。?輻合線對湘西北的強降水做出了主要貢獻,?輻合線對湘東北和湘南的強降水做出了主要貢獻。

③此次大暴雨過程的強降雨帶與地面輻合線的走向相一致,位置較地面輻合線略偏北。

④地面輻合線的提前識別和發(fā)現(xiàn),對局地強對流天氣過程的預警預報具有很好的指示作用。

⑤對湖南此次大暴雨過程產(chǎn)生重要影響的 2條地面輻合線都初生于山脈地形的北端,沿河谷地帶發(fā)展成熟,最后又消失于地形作用之下。

⑥海平面干氣壓場高、低值中心與水汽壓場低、高值中心位置極為吻合,表現(xiàn)出明顯的反相位變化趨勢。

⑦湖南此次大暴雨過程出現(xiàn)的 3個大暴雨區(qū)域中心位置與海平面干氣壓場低值中心、水汽壓場高值中心位置非常匹配。說明在大氣的中低層空間,強降水中心總是同時與一個中尺度的水汽輻合中心相伴隨。

⑧強降水集中區(qū)域發(fā)生在海平面干氣壓場低值中心及水汽壓場高值中心的邊緣區(qū)域,即梯度最大的區(qū)域。該區(qū)域能夠很好的指示強降水的落區(qū),可以為預報員制作中尺度的強降水落區(qū)預報產(chǎn)品提供很好的參考依據(jù)。

⑨強降水過程出現(xiàn)之前的 24～48h,海平面干氣壓場低值中心及水汽壓場高值中心就已經(jīng)存在并不斷發(fā)展。強降水過程最強降水時段大概出現(xiàn)在海平面干氣壓場低值中心和水汽壓場高值中心開始減弱之后的 6-14個小時時段。這可以為預報員提前 24～48h時效做出暴雨預報及提前 12h左右發(fā)出短時暴雨警報提供重要的參考依據(jù)。

⑩地面風場與海平面干氣壓場、水氣壓場綜合應用,可以更為準確的把握好強降水過程的落區(qū)預報及時效預報,對預報員制作強降水預報可以起到很好的借鑒作用。

[1] 朱乾根,林錦瑞,壽紹文,等 .天氣學原理與方法 (修訂本).北京:氣象出版社,1992:151-156.

[2] 壽紹文,勵申申,姚秀萍 .中尺度氣象學[M].北京:氣象出版社,2003:359-360,50-51.

P458

B

2010-09-10

劉兵(1975-),男,高工,主要從事短期天氣預報工作。

1003-6598(2010)增刊 -0078-05