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四川盆地2020年“8.1...暴雨过程中尺度系统演变特征_周春花.pdf
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1、周春花,肖递祥,郁淑华.四川盆地2020年“8.11”特大暴雨过程中尺度系统演变特征J.热带气象学报,2022,38(6):812-824.文章编号:1004-4965(2022)06-0812-13四川盆地2020年“8.11”特大暴雨过程中尺度系统演变特征周春花1,4,肖递祥2,4,郁淑华3,4(1.四川省气象灾害防御技术中心,四川 成都 610072;2.四川省气象台,四川 成都 610072;3.中国气象局成都高原气象研究所,四川 成都 610072;4.高原与盆地气象灾害四川省重点实验室,四川 成都 610072)摘要:针对2020年8月1112日四川盆地西部特大暴雨过程中尺度系统演
2、变特征和维持机制,利用欧洲中心ERA5逐小时再分析资料以及FY-4A的云顶相当黑体温度TBB资料进行诊断分析。(1)本次过程发生在500 hPa巴湖长波槽分裂短波和高原低槽东移发展在四川盆地停滞,副高加强西伸形成阻挡的形势下,同时200 hPa有南亚高压和高空分流区配合。(2)在上述有利的背景条件下,中尺度系统活动经历了中尺度辐合扰动-西南涡生成发展-低空急流影响-西南涡再次发展增强等4个阶段,西南涡两个阶段的发展对降水影响最大,初生发展阶段雨强最强,再次发展阶段强降雨范围最大。(3)西南涡在暖区内初生发展,对流不稳定性强,地面潜热和感热加热以及500 hPa层以下水汽凝结潜热加热均十分显著,
3、在较强暖湿平流作用下,配合低层涡度拉伸项和扭转项的动力作用加强,西南涡迅速发展,但低层辐合相对较弱,正涡度柱高度仅发展至500 hPa。(4)西南涡再次发展阶段冷平流入侵,大气斜压性增强,中高层感热和凝结潜热加热作用加大,“低层辐合-中高层辐散”的动力机制显著加强,配合垂直向上输送正涡度和涡度拉伸项的动力发展作用,西南涡发展旺盛,正涡度柱中心强度和发展高度较初始发展阶段均明显增强。关键词:西南涡;中尺度系统;正涡度;热源;涡度平流中图分类号:P426.62文献标志码:ADoi:10.16032/j.issn.1004-4965.2022.075收稿日期:2021-05-06;修订日期:2022
4、-07-08基金项目:国家自然科学基金重点项目(91937301);中国气象局创新发展专项(CXFZ2021Z033)子项目:2020年盛夏四川盆地二次致洪暴雨过程分析;成都市气象局影响预报创新团队建设;高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室发展基金项目(SCQXKJZD2020006)共同资助通讯作者:肖递祥,男,四川省人,研究员级高级工程师,主要从事天气预报及相关技术研究。E-mail:第38卷 第6期2022年12月热 带 气 象 学 报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.38,No.6Dec.,20221 1 引引言言四川盆地位于青藏高原东侧,是我国暴
5、雨多发区之一,由于特殊的地理位置和复杂的地形条件,触发暴雨的中尺度系统也比较复杂。西南涡、中尺度切变或辐合线、盆地倒槽、低空西南风急流或偏东气流与地形共同作用,均可引发较强的暴雨过程1。其中西南涡的影响最大,“81.7”特大暴雨、2004 年“9.46”川东北持续大暴雨、2012 年“7.21”和2013年“6.30”川渝特大暴雨、2013年7月89日四川盆地西部特大暴雨等众多持续性或极端性暴雨过程,都与西南涡的活动密切相关2-7。西南涡是青藏高原东侧背风坡地形与大气环流相互作用下,700 hPa或850 hPa等压面上在我国西南地区形成的具有气旋式环流的中尺度闭合低压涡旋系统8-9。Feng
6、等10基于NCEP资料对西南涡进行气候分析后指出,西南涡平均生命史为15.1 h、水平尺度435 km,冬春干涡、暖季夜雨涡、混合边界层浅涡和山区强降水涡等四类不同低涡表现出浅薄深厚、冷热中心、干湿中心和正压斜压等不同性质。第6期周春花等:四川盆地2020年“8.11”特大暴雨过程中尺度系统演变特征关于西南涡的形成和发展及其造成的暴雨天气等问题,一直是气象学者和预报员分析研究的重点。陈忠明等11指出不同西南涡以及同一西南涡的不同阶段,动力和热力作用对西南涡的发展也均不同。陈贵川等12研究表明,西太副高形成的阻塞形势、高原涡东侧正涡度平流以及冷空气缓慢侵入是低涡在四川盆地持续发展的主要原因。康岚
7、等13对引发暴雨的4次西南涡结构特征进行分析,认为成熟西南涡正涡度发展,低层转为冷心结构,高层维持暖心结构。屠妮妮等14利用涡度收支方程对一次西南涡进行诊断发现,对西南涡发生发展起主要作用的是水平散度项和水平平流项。翟丹华等15研究发现成熟阶段的西南涡具有“高层辐散、低层辐合”的动力特征,并且认为西南涡的正涡度可发展至对流层顶。Fu等16通过涡度和能量收支给出了长生命史西南涡演变机理及能量转化特征。Cheng等17分析了一次深厚型西南涡与高原涡耦合引发的大暴雨过程,提出了西南涡与高原涡相互作用的横向耦合新机制。西 南 涡 可 诱 发 中 尺 度 对 流 系 统18-19(Mesoscale C
8、onvective System,MCS)强烈发展,同时MCS也会影响西南涡的演变过程。陈涛等20研究表明,在西南涡发展前期,积云对流加热与正位涡异常之间的正反馈过程相当明显,导致了西南涡的快速发展,随着西南涡的发展,低涡系统中的中尺度切变线和低空急流对降水和MCS发展有重要影响。胡祖恒等21研究表明,西南涡发展过程中MCS有利于激发上升气流,促进低涡维持和发展。Chen 等22分析了盆地东北倒槽和低涡共同演变下的对流发展特征及暴雨天气,认为四个阶段的中尺度对流活动阶段都伴随着倒槽和低涡的活动。浦学敏等23和周玉淑等24分别对高原涡和西南涡相互作用影响下的四川暴雨个例进行了对比分析,均发现西南
9、涡活动过程中伴有明显的MCC发展,浦学敏等23认为高原东部地形对低层涡旋的动力强迫抬升产生上升运动,是形成MCC的一种动力机制。目前对于西南涡与其伴随发展的MCS之间的相互影响研究较少,降水主要由西南涡还是其它天气系统触发的MCS引起?是“涡生雨”还是“雨生涡”?这些问题都有待于进一步研究25。另一方面,以往的研究往往受资料精度的限制,对西南涡中尺度特征和发展演变的物理过程认识还不够完善,近年来,一些气象学者利用高精度的观测资料和再分析资料,对西南涡进行统计和诊断分析后得出一些新的认识。高笃鸣等26、程晓龙等27分别利用西南涡加密观测资料和全国汛期高空加密观测资料进行了数值模拟试验,均认为加密
10、探空资料能改善模式对降水和低涡移动路径的模拟,有利于揭示西南涡的发生、发展过程。慕丹等28基于 ERA-Interim 再分析资料对近30年的九龙涡进行了统计分析,得出了不同生命史九龙涡的时空分布特征和活动规律,屈顶等29利用 ERA-Interim再分析资料对西南涡之九龙涡进行了细致分析,得出了细分区域低涡的三维环流结构特征及差异。2020年8月10日晚上至12日白天,四川盆地西部连续出现大暴雨,芦山日降雨量达423.2 mm,为四川全省国家站日降雨量历史记录的第2位,本次极端性暴雨过程西南涡活动特征以及西南涡和MCS对降雨的影响如何,值得探讨,本文利用高分辨率ERA5再分析资料、FY-4A
11、卫星TBB资料和实况降雨量,重点对西南涡和MCS的演变过程、垂直结构特征和发展成因进行诊断分析,以期加深对西南涡和MCS引发极端性暴雨的认识。2 资料与方法资料与方法2.1 资料高空分析资料利用欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析资料(ERA5,https:/cds.climate.copernicus.eu/),垂 直 方 向 27 层,水 平 分 辨 率0.25 0.25,时间间隔1 h。地面降雨资料利用国家和区域自动站逐小时降雨量,以及中国多源降水融合系统(CMPAS)0.01 0.01 逐小时降水实时融合实况分析产品(资料来源于四川省气象局数据中心)。卫星资料来源于 FY-4A的云顶相
12、当黑体温度TBB资料。2.2 方法采用涡度收支方程来具体分析西南涡发展的因子21,即:t=-(ux+vy)-vfy-p+(yup-xvp)-(f+)(ux+vy)(1)813热 带 气 象 学 报第38卷采用视热源和视水汽汇来分析西南涡过程的热力、水汽特征,具体方法如下21:Q1=Cp(Tt+V T+(PP0)kp)(2)Q2=-L(qt+V q+qp)(3)湿位涡的表达式为27-28:MPV=-g(+f)sep+g(vsepx-usepy)(4)其中湿正压项,MPV1=-g(+f)sep(5)MPV1取决于空气块绝对涡度的垂直分量和se的垂直梯度,在北半球绝对涡度通常为正,当sep 0时,表
13、示大气对流不稳定,此时MPV10;而当sep030-33。湿斜压项,MPV2=g(vsepx-usepy)(6)MPV2的数值由水平风的垂直切变和假相当位温的水平梯度决定,这两项的增加,都会导致湿等熵面的倾斜,从而增强垂直涡度,对流层低层大的正值MPV2的移动可作为低空急流和暖湿气流活动和涡旋活动的示踪30-33。式(1)式(6)中:u、v分别为纬向、经向水平风速;为垂直速度;P为气压;为相对涡度;f为柯氏参数;T为温度;V为风场;为位温;se为假相当位温;q为比湿,Cp为定压比热容;L为潜热;g为重力加速度,k为绝热指数;-(ux+vy)-vfy为涡度平流项;-p为涡度垂直输送项;yup-x
14、vp为涡度扭转项;-(f+)(ux+vy)为水平散度项;湿位涡的单位为PVU,1 PVU=10-6m2K/(skg)。3 3 天气背景天气背景3.1 降水概况2020年8月1112日,四川盆地西部出现了大暴雨过程,累计雨量250 mm以上的有210站,400 mm以上的有31站,最大降雨出现在什邡的师古镇,达541.7 mm。从逐日降雨分布来看(图1),10日20时11日20时(除标明外为北京时间,下同)暴雨落区主要位于西部沿山一带,100 mm以上的有253站,250 mm以上的有43站,最大降雨量出现在芦山的芦阳镇,达429.2 mm,最大1 h雨量达到 156.8 mm;11日 20时1
15、2日 20时暴雨落区东扩,范围增大,100 mm以上有461站,250 mm以上有1站,最大降雨量出现在蒲江的朝阳湖,达259.7 mm,最大 1 h雨量 99.3 mm。本次过程中,芦山、绵竹、什邡、蒲江4个国家站日雨量均超过250 mm,并突破了有气象记录以来日降水量极值,其中芦山达423.2 mm,为全省历史第2大日降水量,持续的强降雨导致四川盆地西部出现了50年一遇的洪涝灾害。根据四川省气象局灾情统计,本次降雨造成的直接经济损失约16.3亿元,以上区域总共受灾人口为37.77万人,死亡6人,失踪5人,紧急转移人数为70 805人。3.2 天气形势在本次特大暴雨过程中,500 hPa中高
16、纬地区维持两槽一脊形势,巴湖和贝湖为低槽区,两湖之间为高脊。巴湖低槽底部分裂小槽东移叠加青藏高原小槽发展东移,副高 588 dagpm 线从我国东部沿岸加强西伸形成阻挡形势,高层200 hPa南亚高压脊线位于30 N附近,四川盆地受南亚高压控制,并存在高空分流区。从2天暴雨中对流发展最旺盛时次的中高层形势来看:11日03:00(图2a),500 hPa巴湖底部分裂低槽东移至我国西北地区东部,槽线位于92 E附近,青藏高原西部和东部分别有一高原小槽,四川盆地受高原东部低槽控制,副高 588 dagpm 线西脊点位于118 E;200 hPa四川盆地位于南亚高压中心东侧,受东北气流控制。12 日
17、03:00(图2b),500 hPa巴湖槽分裂小槽东移至 105 E并向南加深,一方面有利于引导中高纬地区的冷空气南下,另一方面与高原东侧低槽形成同位相叠加,副高 588 dagpm线西进至 113 E附近,由于副高加强西伸形成阻挡作用以及高空槽的加强,东高西低的形势较11日更为明显。200 hPa南亚高压稳定,与11日不同的是,在四川盆地西部存在偏北气流和偏东气流的高空分流区,同时高空辐散抽uv-(ux+vy)-vfy-pyup-xvp-(f+)(ux+vy)814第6期周春花等:四川盆地2020年“8.11”特大暴雨过程中尺度系统演变特征uv-(ux+vy)-vfy-pyup-xvp-(f
18、+)(ux+vy)吸作用进一步加强,高层辐散值中心由1010-52010-5s-1加强至3010-5s-1以上。本次过程发生在副高加强西伸和高空低槽东移等有利于极端性暴雨产生7的环流背景下,副高外围偏南气流将暖湿气流向四川盆地输送,为暴雨的发生提供了充足的水汽和能量条件。4 4中尺度系统活动特征及对降水的中尺度系统活动特征及对降水的影响影响通过分析本次过程逐小时700 hPa和850 hPa流场和对流云团演变,结合短时强降水站次统计(图3),表1总结出了中尺度系统和相应降水演变情况,图4给出了其中代表时次的FY-4A高分辨率TBB图像和850 hPa、700 hPa风场,下面结合表1和图3、图
19、4,对中尺度系统演变过程进行分析。10日2023时:弱扰动形势下的对流初生阶段。以21时为例(图4a),此时高空槽云系位于川西高原北部,盆地西南部在850 hPa中尺度辐合流场影响下,有对流云团生成,对流尺度为 100 km左右。这一阶段对流云团呈逐渐增强合并的趋势,对流尺度不大,共造成20 mm以上短时强降水56站次,仅占本次过程的 2.1%,但对流云系发展旺盛,云顶温度普遍低于-72,降水强度较大,其中大于50 mm 23站,占本阶段短时强降水总站次的41%,大于100 mm 3站,最大为107.8 mm。图12020年8月1112日逐日累计降雨量a.10日20:0011日20:00;b.
20、11日20:0012日20:00。阴影,单位:mm。图2500 hPa高度场(单位:dagpm)、200 hPa风矢和辐散(阴影,单位:10-5s-1。)a.11日03:00;b.12日03:00。35N33N31N29N27N25N35N33N31N29N27N25N97E100E103E106E109E97E100E103E106E109E2501005025101(a)(b)3530252015105(a)(b)50N45N40N35N30N25N20N80E90E100E110E120E50N45N40N35N30N25N20N6080E90E100E110E120E60815热 带
21、气 象 学 报第38卷表1中尺度系统演变过程及对应降水情况图32020年8月10日20:0012日20:00小时雨强站次和最大雨强时段中尺度系统MCS活动特征小时雨量20 mm累计站次及占比小时雨量50 mm累计站次小时雨量100mm累计站次10日2023时850 hPa中尺度辐合流场,700hPa偏南气流对流单体合并加强562.1%23311日0005时850 hPa低涡生成原地快速发展,700 hPa气旋性环流加强发展为圆形低涡云团2529.3%79911日0610时850 hPa低涡稳定,低空东南风急流建立对流云团北抬41115.1%91511日1118时850 hPa低涡环流减弱,低空
22、东南风急流北抬对流云团随急流北抬,与高空槽云系合并54920.2%114811日19时12日03时850 hPa低涡发展增强,700 hPa由气旋性环流发展为低涡低涡云团发展增强86431.9%104012日0420时850 hPa、700hPa低涡均逐渐减弱填塞随低涡缓慢减弱69825.7%18011 日 0005 时:西南涡生成并快速发展阶段。随着对流云团的发展,中尺度辐合流场加强,至 11日 00时 850 hPa形成了低涡(图 4b),尺度为200 km左右,700 hPa虽然没有低涡生成,但有气旋性环流存在、且随着低涡发展加强(图 4j 和图4k),西南涡生成后尺度增大、对流云团快速
23、发展,03时(图4c)高度场上出现140 dagpm的低值中心,尺度发展至200 km左右,其南侧风速加大至6 m/s,对应的中尺度对流云团云顶温度低于-72 直径也扩大至200 km。西南涡快速发展期间是整个过程降雨强度最强的阶段,共造成20 mm以上短时强降水 252 站次,占本次过程的 9.3%,其中大于50 mm有79站次,大于100 mm有9站次,11日01时 出 现 了 本 次 过 程 最 大 的 小 时 降 水,高 达156.8 mm。11日 0610时:西南涡维持,低涡东侧风速加大,形成了低空急流,且偏东风分量也有所加大,与上一阶段低涡和MCS均原地发展有所不同的是,这一阶段低
24、涡呈南北向发展,流场上西南涡结构不对称,而 MCS 偏向于低涡的北侧(图 4d)。共造成 20 mm以上短时强降水 411站次,占本次过程的 15.1%,其中大于 50 mm 有 91 站次,大于100 mm有5站次,最大为131.5 mm。11日1118时:西南涡环流减弱,MCS随低空急流北抬。11时(图4e),共造成20 mm以上短时强降水549站次,占本次过程的20.2%,大于50mm 的 114 站次,大于 100 mm 的 8 站次,最大为138.3 mm,虽然相对于西南涡初生发展阶段略微140120100806040200180160140120100806040200站次雨量/m
25、m时间/(日:时)10:2011:0211:0811:1411:2012:0212:0812:1412:20最大小时雨量2049.9 mm站次5099.9 mm站次100 mm站次816第6期周春花等:四川盆地2020年“8.11”特大暴雨过程中尺度系统演变特征逊色,但强度仍非常大,这一阶段强降水主要位于西部沿龙门山地区,可能与东南风低空急流与地形相遇,地形抬升对降水有明显的增幅作用6有关。11日19时12日03时:西南涡再次发展增强阶段。11日19时(图4f),随着盆地西北部逐渐转为东北和偏东气流,850 hPa辐合流场重新加强,低涡和伴随的对流云团开始再次发展,22 时(图4g),低涡云团
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