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1、2004年渝北川东大暴雨环流及其非绝热加热特征第17卷增刊2006年8月应用气象JOURNALOFAPPLIEDMETEOROLOGICALSCIENCEVo1.17,Supp1.August20062004年渝:tEJIl东大暴雨环流及其非绝热加热特征周兵文继芬2(国家气象中心,北京100081)(贵州省人212影响天气办公室,贵阳550002)摘要2004年9月上旬渝北川东发生了一次持续性大暴雨天气过程,造成了极为严重的局地洪涝灾害.应用国家气象中心实时加密观测降水资料,结合多卫星微波反演的降水资料及高分辨NCEP/NCAR再分析资料,通过对西南低涡等主要影响系统的分析,揭示暴雨次天气尺度
2、环流特征,探讨高层非地转平流风分量与暴雨落区的关系,比较第i暴雨阶段(9月2日)和第2暴雨阶段(9月3日)大气非绝热加热的差异,发现前者以稳定性降水为主,后者则为显着的对流性降水.北方弱干冷空气和南方水汽输送在西南低涡暴雨持续和发展中具有重要作用.关键词:渝北川东;西南低涡;大暴雨;非绝热加热引言长江流域洪涝灾害为我国主要的气象灾害之一,强降水活动也是东亚季风区重要的天气事件,提高暴雨监测,预测能力是国家防灾减灾的重大需求.近十年来,暴雨预报在机理及预报技术上取得了重大进展【1-3,通过数值试验和合成分析揭示暴雨发生发展的可能机理HJ,发现对流层上部和对流层中下部的大尺度环流形势对长江流域梅雨
3、强降水有重要作用6-7J,低层西部低涡的活动是暴雨发生发展的重要天气系统.关于西南涡的研究已取得较多的研究成果8-11,高低空气旋性涡度中心的叠加和耦合是西南涡在成熟阶段强烈发展的一种重要机制.本文利用国家气象中心实时加密观测资料和多卫星微波反演的CMORPH资料u,结合NCEP/NCAR高分辨率(1.1.)再分析资料和GOES卫星资料,通过对西南涡暴雨的非绝热加热诊断分析,探讨2004年渝北川东大暴雨过程的成因.I暴雨洪水灾害特征由于受低层西南低涡,高空低槽和地面较强冷空气的共同影响,2004年9月上旬,四川东部,重庆北部等地区出现了范围广,强度大,持续时间长的区域性暴雨,大暴雨天气,四川盆
4、地东北部过程降水量达100200mm,其中四川渠县,宣汉日最大降水量分别达到272.9mill和257.0mm;重庆开县出现200年一遇特大暴雨,过程雨量达415.7mm.由于本次暴雨过程降水集中,强度大,致使江河水位陡涨,部分市,县城区进水,暴雨还引发多处滑坡,泥石流等地质灾害,造成188人死亡,直接经济损失达98亿元,成为2004年最为严重的暴雨洪涝灾害.此次大暴雨发生在主汛期后的初秋季节,实属少见.图1a给出了暴雨主要降水时段卫星微波反演的高时空分辨CMORPH对流累积降水空间分布特征,不难发现主要降水集中在2932.N,106.109.E区域,过程最大降水总量超过240mm,并有两个强
5、中心.进一步分析经向平均(29.32.N)时间一纬向降水率的分布(图1b)表明,前期强降水集中在2004年9月2日夜间到9月3日白天和9月3日夜间到9月4日白天,平均最大降水强度分别为8mm?h和7mm?h以上.逐3h最大降水率分别出现在9月2日18:00(世界时,下同)和9月3日15:00,降水强度超过18miTt?h和22mm?h(图?国防科技重点实验室基金试点项目(51486040204QT3601),中国气象局新技术推广项目(cMATG2006M02)和国家自然科学基金项目(40275014)共同资助.2005.0912收到,200605.11收到再改稿.应用气象17卷图12004年9
6、月2日15:005日06:00CMORPH对流累积降水量(单位:mm)(a)及经向平均(29.32.N)时间一纬向降水率(单位:mm?hI1)(b)略),因此,本文主要分析此次连续性暴雨前期也即9月2日(第1暴雨阶段)和9月3日(第2暴雨阶段)的过程.2004年9月2日以后,长江上游出现三峡水库蓄水以来最大一次洪水,其特点为:大江大河过境洪水水位高,流量大;中小流域洪水涨率快,变幅大,綦江,梅溪河,壁南河,汤溪河等流域均出现了明显涨水过程;达州,开县段发生特大洪水,达州的最大洪水水位达285.7m,涨幅达18.7m.此次洪峰水位超过1982年7月16日特大洪水近2m.2环流背景及主要影响系统此
7、次大暴雨的主要影响系统是西南低涡.该低涡于9月2日00:00在四川盆地东北部生成,直至9月6日00:00该低涡仍稳定维持,说明此次西南低涡非常强大,稳定.青藏高原上不断有低值系统生成并东移,进入四川盆地;在地面图上可以看到一个弱冷锋面位于盆地附近.9月2日开始,在700hPa和850hPa图上,位于黑龙江一日本一带为弱后倾槽,且移动缓慢,700hPa槽后的内蒙古中部到甘肃南部有小股弱于冷空气南侵.同时,又有暖湿气流向四川盆地输送,因此,引发了大气的斜压不稳定度增大,低涡环流系统形成.分析500hPa环流系统可以发现,在贝加尔湖到科曼多尔群岛的中高纬度地区暴雨过程的环流形势表现为两脊一槽型向两槽
8、一脊型转变,东亚大槽在45.N附近断裂,北段东移速度加快,南段移速相对缓慢;亚洲中纬度地区表现为纬向环流,我国北方大部位于平直西风带中,西风带上有短波小槽活动,并带来从青藏高原下来的小股冷空气影响四川盆地;我国西北地区由于暖平流和负涡度的加压作用,使得该地区位势高度迅速抬高,并由偏西南气流转为偏西北气流;副热带高压受到东亚大槽和0419号热带气旋的共同挤压而切断,其西部控制我国长江以南大部,四川东部和重庆北部位于副热带高压西北侧的偏西南气流中.9月2日18:00(第1暴雨阶段),副热带高压在我国大陆部分呈东西向狭窄形态,其北界位于30.N(图2a中实线)附近;850hPa的环流场在四川盆地为一
9、显着的次天气尺度西南低涡(虚线),在105.E以东的中低纬度形成南风暖湿水汽通道,其主要是由于副热带高压南侧的低纬度东风气流的转向而致.随着热带气旋的进一步西进和中高纬天气系统的影响,副热带高压主体受到挤压,其强度和形态在我国控制区经历了断裂,增强,东退,减弱等过程.9月3日18:00(第2暴雨阶段),西南低涡持续稳定少动(图2b),在低涡的东侧为一致的南风气流;副热带高压在120.E以东区域断裂,西段控制了30.N以南的华南,西南等区域.在平直气流的西风带中,青藏高原自西向东有小股冷空气进入四川盆地.分析经过暴雨中心的平均经圈环流可以发现,9月2日,四川盆地的偏北侧为一致强上升运动(图3a)
10、,其中心位于对流层低层900700hPa附近,四川盆地南侧的中层为强降水激发出一次天气尺度气旋性环流系统.副热带高压区500hPa以下为下沉运动,负中心位于对流层低层,冷空气倾斜地由对流层中低层进入四川盆地;同时,低空对流层热带暖湿气流沿着反Hadly环流圈进入暴雨区.高层反Hadly环流圈主要由来自暴雨上升运动向南转向气流和中高纬北风气流的贡献;9月3日,四川盆地为一致的上升运动区(图3b),主要正中心位置稍偏增刊周兵等:2004年渝北川东大暴雨环流及其非绝热加热特征73l00l00llO120l3O.E30l00llOl2Ol3O.E30图2850hPa风矢场及高度场(虚线,单位:dagp
11、m)和500hPa副热带高压特征线(实线,单位:dagpm)(阴影区为1500m以上地形高度)(8)第1暴雨阶段,(b)第2暴雨阶段l00202530354045.N202530354045.N图3暴雨过程平均垂直经圈环流(黑色区域为地形高度;阴影区为垂直速度,单位:一10一zPa?s-t)(a)2004年9月2日18:00(104106.E),(b)2004年9月3日18:00(106.108E)北,下沉运动强度减弱,经圈环流明显减弱.分析暴雨过程纬圈环流的特征显示,对流层中高层存在偏西下沉气流(图略),青藏高原地形作用显着,暴雨区上升运动在高空向东转向.3高空非地转风特征与对流活动对流层上
12、部的大尺度环流与对流层下部一样,对强降水具有重要影响.陈受钧_6J和斯公望等_7的研究结果发现暴雨发展与高低空环流耦合及南亚高压北缘的高空气流发散有关.周兵等_4分析发现非地转惯性平流风散度是总散度的主要贡献者.为此分析高低空环流相对位置及惯性平流风中经向.风分量()的配置.在第1暴雨阶段,东亚大槽.,oy两侧分别为西风带高空急流区(图4a),西段急流轴线位于40.N附近,并具有倾斜特征,急流核强度为60m?SI1;低层盛行偏南急流,在低空急流东侧为非地转惯性平流北风,表明在急流出口区右侧形成很5040302OlO-102O一3O强的北风,导致急流出口区右侧出现一致的向南地转偏差,非地转中心西
13、侧为暴雨目标区.由此可见,正是由于在高空急流出口区右侧存在这样的南北向地转偏差风分量,会导致该处较强的高空辐散场,因此纬向风经向平流项在高空辐散和暴雨形成过程中具有重要作用.第2暴雨阶段的情况基本类似(图4b),低空偏南急流强度继续维持,非地转惯性平流风负中心(北风)位置偏东,相应的暴雨落区位置也较第1阶段偏东.由GOES一9逐时亮温的演变(图略)可以发现,第1暴雨阶段对流云系主要是由西向东进入四川I盆地,表明青藏高原不断有低值系统和对流单体向东移动.9月2日夜间强降水云系在四川I和重庆境内部分地区发展,最小亮温值已低于一50.C,对流强度和面积范围已达到中尺度对流复合体(MCC)的标准;第2
14、暴雨阶段,对流活动的特点与第1次有所不同,对流单体沿着长江上游自西南向东北方向进入四JlI盆地,9月3日夜间对流强度达到最大.随着低层偏南暖湿气流和偏北弱冷空气的交汇,该地区N加N加瑚珈枷咖咖咖刍恒OOOO如们加m瑚枷姗鲫瑚咖啪咖L/避恒74应用气象5ON403O2OlO图4惯性平流风中经向风分量(手,阴影区)及高空急流(实线)和低空急流(虚线)配置(单位:m/s)(a)第1暴雨阶段,(b)第2暴雨阶段西南低涡维持稳定,暴雨过程持续发生.4暴雨期大气视热源和视水汽汇特征在Luo等【l3J和Yanai等【J发展和完善了视热源和视水汽汇计算方案后,丁一汇等Ll5J和陆尔等L16J对长江中下游梅雨的
15、热源和热汇进行系统性分析,给出了梅雨期加热的主要特征;孙淑清等Ll揭示了梅雨期暴雨高低空流场的反季风经向环流的存在和耦合特征,认为江淮大暴雨是高低空流场和热力强迫通过经向环流而发生耦合相互作用的产物.本文的计算方案与文献18一致,试图通过对2004年渝zgJlI东大暴雨视热源和视水汽汇的计算,揭示其非绝热加热的结构特征.第1暴雨阶段,整层大气视热源<Q,>的分布特征(图5a)表明,长江上游北部地区有2个主要的加热中心,东西两个中心强度分别为400W?m和600W?m,其位置较对流活动中心稍偏北.在青藏高原东部有负热源区,其分布由北向南进入长江上游一带,表明该地区有热冷却存在,进一步显示了北方干冷空气和南方水
