长江中游一次大暴雨的中尺度分析

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1、长江中游一次大暴雨的中尺度分析 徐双柱 1 沈玉伟 2 王仁桥 1 1 武汉中心气象台, 武汉 4 3 0 0 7 4 2 南京大学南京 2 1 0 0 9 3 提 要 本文通过对 2 0 0 3 年 7 月 8 日发生在长江中游的一场大暴雨进行中尺度分析 初步研究了暴 雨的形成及发展过程总结了暴雨的产生与中小尺度系统的关系着重阐述了低空急流在暴雨 形成中的作用以及在低空急流左侧强正涡度中心附近形成中尺度涡旋激发暴雨云团等 关键词长江中游 中尺度分析 暴雨 低空急流 引言 2 0 0 3 年 7 月份长江中游地区连降暴雨其中 8 日处在长江中游地区的湖北中东部出现 了一场大暴雨在宜都还发生了历

2、史上罕见的泥石流灾害这次大暴雨是 8 日凌晨开始于 鄂西南之后沿西南东北方向以宜昌为上边界武汉为下边界的长江中游地区形成一条 狭长的降雨带如图 17 日 2 0 : 0 0 8 日 2 0 : 0 0 沿江汉平原到鄂东北一线有 1 6 个气象站的 雨量超过 1 0 0 m m 两个暴雨中心分别位于公安和京山 一般情况下在假定微观物理条件如气层的凝结核冰晶水滴碰并等已经具备时 暴雨的产生主要考虑以下两方面情况 1 宏观的物理条件充沛的水汽对流层下饱和比湿要大饱和层厚还要求有源源 不断的水汽供应强烈的上升运动其重要性在于使气流不断上升水汽凝结成云致雨将 平流输送来的水汽不断向上输送使形成降水的过程

3、持续循环地进行较长的持续时间 形成降水的天气系统移动缓慢或具有重复出现的特点有利的地形作用局地地形的强烈抬 升作用可以增强上升运动和水汽辐合对暴雨产生了较强的增幅作用 天气系统的作用天气尺度系统如气旋锋面低槽低涡切变线以及台风 等热带天气系统的活动中尺度天气系统一般认为暴雨是在几种尺度系统相互作用的情况 下发生发展的而中小尺度系统是其产生的最直接的系统因此暴雨在本质上是中尺度天气 图 1 2003 年 7 月 7 日 20008 日 2000 湖北省降水量分布图mm - 注本文已经被气象期刊杂志录用待刊. 现象在一些中尺度雨团中尺度雨带中低压低空急流等强烈中尺度系统中地面气流 辐合量级很高铅直

4、速度很大它们在高温高湿位势不稳定等作用下为暴雨的形成提 供了必要条件 本文主要研究在强烈的低空急流的条件下在长江中游地区的暴雨的发生发展与哪些 中尺度系统有关以及这些中尺度系统的演变在暴雨形成中的作用 1 大尺度环流形势 图 2a 是 2003 年 7 月 7 日 20:00 亚洲地区 500hPa 高度图 由图可见 500hPa 从内蒙东部 穿过陕西到高原东部一线有一深厚低压槽引导冷空气沿等高线南下与暖湿的西南气流辐 a 5 0 0 h P a 高度场温度场及风场 b 8 5 0 h P a 高度场温度场及风场 图 2 2 0 0 3 年 7 月 7 日 2 0 0 0 5 0 0 h P

5、a 8 5 0 h P a 高度场温度场及风场 合于川东鄂西地区从图 2b 可以看出中低层 8 5 0 h P a在川东贵州北部有一低涡和切变线 其南侧芷江长沙一线有一支较强的西南急流风速在 1 2 m s - 1以上 并且不断增强到 8 日 0 8 : 0 0加强到 2 0 m s - 1以上 强辐合线也由西向东移到湘西北湖北中部在 2 0 0 3年 7 月 8日 0 2 : 0 0的地面图上沿河套有一股弱冷空气南下川东鄂西南有一暖低压发展弱 冷空气入暖槽产生锋生在湘西北至湖北中部的强辐合线上产生的中小尺度涡旋配合地面 锋生沿着鄂西山地到江汉平原过渡带触发产生强烈的暴雨 从 7 日 2 0

6、: 0 0 的卫星云图上可以明显看到图 3川东贵州北部有一涡旋云系在其 a 7 日 2 0 : 0 0 红外云图 b 8 日 0 4 : 0 0 红外云图 图 3 2 0 0 3 年 7 月 7 8 日的红外云图 南侧有对流云团生成对流云团在东移过程中强烈发展于 7 月 8 日 0 4 : 0 0 在湖南和鄂西山 地到江汉平原的过渡带形成一个直径 3 0 0 k m 左右中尺度云团该云团 7 月 8 日 0 3 : 0 0 开始 形成7 月 8 日 1 0 : 0 0 左右在鄂东减弱消亡生命史为 7 8 h 在 7 月 8 日 0 5 : 0 0最强时造成 湖北公安 1 小时雨量 5 5 .

7、7 m m的强降水该云团造成湖南北部和湖北中东部的长江中游地区 普遍的暴雨到大暴雨天气 2 中尺度辐合系统对暴雨的作用 一般认为暴雨是在几种尺度系统相互作用的情况下发生发展的而中小尺度系统则是 其产生的最直接的系统中尺度系统的源地与地形有较大的关系有两类地形易形成中尺度 系统一类是西南气流的背风坡如鄂西南山地东侧的长阳宜城湘西北的石门慈利 幕阜山东北侧的阳新九岭山东南一线等二是大山体的中小尺度盆地这可能与绕过大尺 度山体的气流容易在背风坡形成中小尺度环流有关因为在地形障碍下其背风面出现的大 气波动主要是由于障碍物引起空气在垂直方向上振荡造成的在稳定层结条件下这种振荡 沿水平气流向下游传播形成背

8、风波若水平风速较强且有垂直切变则在背风坡下游出现 波状气流或转子气流进而在有利的条件下可以发展出中尺度系统通常情况下中尺度辐 合系统先于暴雨而存在它们出现后较少变化对暴雨的产生有较直接的影响中尺度辐合 系统有中尺度辐合线和中尺度涡旋两种形式前者与低空急流有密不可分的关系 2 1 形成水汽输送带和水汽辐合中心 暴雨过程需要丰富的水汽输送和水汽辐合低空急流为暴雨过程创造了非常有利的水汽 条件在图 2 中已经分析出在 8 5 0 h P a贵州湖南一线有一西南急流并且不断发展增强于 8 日 0 8 : 0 0 达到 2 0 m s - 1以上 相应的强的低空急流必定对应着强的水汽输送和水汽辐合 分析

9、 8 5 0 h P a 相对湿度和水汽通量散度发现暴雨发生前与低空偏南风急流对应的是一条从 孟加拉湾延伸至四川盆地和鄂西南的强水汽输送带 其相对湿度大于 7 0 % 中心相对湿度超过 9 0 % , 形成向东北伸展的湿舌随着西南急流的增强水汽输送带也在不断地向东北方向伸展 至 8日 0 8 : 0 0 湖北北部相对湿度已经达到 9 0 % 以上图 4 a而且向上一直延伸到 4 0 0 h P a 高度左右图略说明这里是一个深厚的高湿层此外 青藏高原东侧有两个水汽辐合中心 a 8 日 0 8 时 8 5 0 h P a 相对湿度场 b 8 日 0 8 时 8 5 0 h P a 水汽通量散度场

10、 图 4 7 月 8 日 8 5 0 h P a 相对湿度和水汽通量散度 其中一个辐合中心长时间处于湖北境内超过 24h且基本位于切变线附近对照图 2 和图 4 可见低空西南风急流不仅将孟加拉湾的水汽向北输送至鄂西地区还在低空急流中心左前 方形成了一个强的水汽辐合中心所以暴雨发生前低空急流的水汽输送和最大风速出口 区左前方的水汽辐合中心为本次暴雨过程创造了十分有利的水汽条件 2 2 有利于暴雨区形成动力耦合结构 与低空西南风急流对应的是鄂西南对流层低层中尺度低压中心的活跃和发展图 5 a 是 8 日 0 8 : 0 0 8 5 0 h P a 涡度场实线和散度场虚线而在 8 日 0 8 : 0

11、 0 8 5 0 h P a高度场上对 应辐散中心与涡度中心有中尺度低压存在 a 8 5 0 h P a 涡度场实线和散度场虚线 b 红外云图 图 5 2 0 0 3 年 7 月 8 日 0 8 时涡度场散度场和红外云图 分析发现低空急流发展时对流层中低层的散度发生了明显的变化 7 日 0 8 : 0 0 的散 度均是正值随着低空急流的发展从 7 日 2 0 : 0 0至 8 日 0 8 : 0 0 中低层的散度全部是负值 暴雨区中低层从辐散气流变成了辐合气流中心散度值已小于- 1 0 - 4 s - 1 同时正涡度也发展 至最强盛中心值大于 2 1 0 - 4 s - 1 , 且最大涡度中心

12、与强散度中心交叠在对流层低层形成正 涡度中心和强散度中心相耦合的动力结构说明此处有强烈的上升运动对应上述耦合中心 和中尺度低压中心有涡旋发展图 5 a它形成于低空急流左侧强正涡度中心附近且沿 切变线向东移动对照云图图 5 b 可以看出涡旋靠急流区一侧有对流云强烈发展正是这 种由低空急流的加强导致正涡度中心和强散度中心耦合处不断激发低涡发展再配合低层位 势不稳定和高湿的特性从而引起强暴雨的发生 3 中尺度雨团的多普勒雷达资料分析 从上面分析得知在低空急流左侧强正涡度中心附近有低涡发展并且在低涡靠急流区 一侧由于强辐合和上升运动激发强对流在雷达上反映为产生对流单体回波但这些对流单 体回波很少直接产

13、生暴雨当大尺度天气系统东移南压的过程中与中尺度辐合系统交汇 图 6 a 2003 年 7 月 8 日 06:18 宜昌雷达反射率 b 2003 年 7 月 8 日 06:18 宜昌多谱勒雷达 半径 115km TVAD 风场反演半径 115km 或合并时雷达回波合并加强暴雨过程开始宜昌多普勒雷达较好地监测到这次大暴雨过 程中的长阳雨团和松滋雨团的演变过程从连续回波动画中看出 长阳雨团于 7 月 8 日 0 5 : 0 0 在长阳形成直径近 5 0 k m 以 2 0 k m h - 1的速度向偏东方向 运动于 8 日 0 7 : 0 0 合并到二号松滋雨团中维持了 2 h 松滋雨团于 7 月

14、8 日 0 7 : 0 0 在松滋形成直径近 5 0 k m 以 2 0 k m h - 1的速度向东南方向 运动于 8 日 1 1 : 0 0 在石首减弱消失维持 3 4 h 从图 6可以看出8 日 0 6 : 0 0 在鄂西南和江汉平原中西部有一混合回波团其中在长阳 东部和松滋西部分别有一个 3 0 k m 5 0 k m 强度 5 0 6 0 d B z 对流回波复合体并在偏西风的引 导气流下向偏东方向移动 T V A D 风场反演资料表明在长阳宜都和松滋有一条偏东风和偏南风的中尺度切变线和 涡旋在其南侧存在西南风急流如图 6 b强回波就位于涡旋前部的中尺度切变线上因为 这里辐合最为强烈

15、强回波对应强降水长阳雨团从一形成就造成 8 日 0 5 : 0 0 到 0 6 : 0 0 长阳 1 小时降雨量高达 4 0 . 2 m m 的强降水该雨团是诱发泥石流灾害的直接原因 这次过程的回波表现出在有利的湿度动力等条件下强的中尺度辐合系统触发对流 产生中尺度暴雨云团在数字化雷达上主要表现为产生混合回波混合回波是由大面积 的层状云降水回波和许多对流云降水回波混合组成, 从雷达回波强度图上可以看出一个中 尺度云团中可以是一个也可以有两个以上的混合回波团或带如果回波团或带两两合并 叠加将会造成剧烈的降水如这次回波过程中在比较大的范围内回波边缘呈支离破碎 状回波中夹有一个个结实的团块似一团团棉花絮回波强度强结构密实在 8 日 0 7 : 3 4 回波团合并叠加形成了一个强度在 4 0 5 0 d B z 的大回波团对应松滋雨团的形成 4 中尺度数值模拟分析 研究表明在江淮梅雨期的暴雨过程中低空急流是为暴雨提供热力学和动力学条件的 重要天气系统具有独特的特点和结构特征并与暴雨的强度有关本文利用中科院大气所 A R E M 模式的 7 0 0 h P a 和 8 5 0 h P a 的模拟计算资料对于这次过