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1、 1热带气旋倒槽造成山东大暴雨过程分析 张少林1龚佃利2张苏平3刘恭淑1 1 山东省气象中心山东 济南2 5 0 0 3 1 2 山东省气象科学研究所山东 济南2 5 0 0 3 1 3 中国海洋大学海洋环境学院山东 青岛2 6 6 0 0 3 摘 要: 利用实况观测和北京 T 2 1 3 数值预报资料对 2 0 0 3 年 9 月 3 - 4 日山东雨季最后一场大暴雨过程进行了诊断分析结果表明本次大暴雨是由在广东登陆的热带气旋倒槽北伸与西风带弱冷空气相结合的产物伴随登陆热带气旋生成的低空东南急流为暴雨输送了丰富的热量和水汽 低层增暖增湿促使层结不稳定加剧而西风带弱冷空气的侵入对暖湿空气具有抬
2、升作用可触发对流发展和不稳定能量释放导致大暴雨产生鲁中山区西南侧有利地形促使了低层气旋环流的形成对暴雨具有明显的增幅作用是该地区出现暴雨中心的重要原因 关键词热带气旋倒槽低空急流中低纬系统大暴雨 引言 西北太平洋海面生成的热带气旋在我国登陆后与中纬度西风带系统结合 常常是造成我国北方夏季强降水过程的重要天气形势 有关中低纬系统相互作用产生暴雨的机制正在成为热带气旋研究的重点 1 - 3 据统计 4 - 6 每年登陆北上直接影响山东的热带气旋并不多而多数情况下是热带气旋外围或登陆减弱后的低压环流 以及与中纬度系统结合 造成山东夏季不同程度的降水2 0 0 3 年 9 月 3 - 4 日在鲁西南鲁
3、中山区及鲁北东部出现的大暴雨过程就是一次中低纬度系统相互作用的结果也是 2 0 0 3 年雨季最后一场暴雨过程该过程前期的环流形势对山东地区暴雨的产生并不有利 如不能准确把握中低纬系统相结合这一有利降水因素 对该类形势的暴雨非常容易漏报 本文利用天气图 气象卫星观测资料和北京 T 2 1 3 数值产品等资料对本次大暴雨形成的原因进行了诊断分析 1 天气概况 2 0 0 3 年 9 月 3 - 4 日在鲁西南鲁中山区及鲁北东部出现了雨季最后一场大暴雨过程也是本年度雨季中最大的一次降水过程全省共有 4 3 个县市区过程降水量超过 5 0 m m有 1 5 个超过 1 0 0 m m 全省平均过程降
4、雨量为 4 9 . 2 m m 大暴雨中心出现在济宁宁阳附近日降水量分别为 1 6 6 . 4 m m 和 1 5 9 . 8 m m 图 1 基金项目山东省自然科学基金项目Y2003E01和山东省气象局重点课题“山东省中尺度数值预报系统的建立及应用课题共同资助 2115E116E117E118E119E120E121E122E34N35N36N37N38N济南德州聊城 泰安莱芜滨州淄博东营青岛烟台威海潍坊临沂日照济宁枣庄菏泽黄 海渤 海黄河图 1 2 0 0 3 年 9 月 3 日 0 6 时- 5 日 0 6 时过程雨量分布图单位m m 从雨量的时空分布结合云图和天气形势分析看此次大暴雨过
5、程可分为两个阶段3 日白天的降水是由登陆广东的 0 3 1 3 号热带气旋倒槽造成的降水出现在鲁南和鲁中南部雨量中等3 日夜间到 4 日白天的降水则是由热带气旋倒槽北伸与西风带低槽结合造成的大暴雨中心出现在鲁西南平原与鲁中山区的结合部 2 环流形势与系统演变 本次暴雨过程是发生在西北太平洋副热带高压以下简称副高不断加强的环流背景下由 9 月 3 日 0 8 时 5 0 0 h P a 环流形势图图 2 a 可见副高位置偏北与 1 2 0 E 相交的脊线位于 3 1 N 附近等 5 8 8 d g p m 线西伸点伸至 1 0 8 E 附近副高外围已覆盖山东大部西风带低槽位于 3 0 4 0 N
6、 区域内的 1 0 0 E 附近 相对应的 7 0 0 h P a 8 5 0 h P a 图上均为反气旋环流控制山东分析表明这种看似不利的天气形势其中却蕴藏着有利的因素由于 0 3 1 3 号热带气旋在广东登陆其东侧到副高边缘的气压梯度加大华东地区上空偏南暖湿气流迅速加强其北端已越过淮河流域此时位于中纬度地区的中支槽携冷空气东移南下这南北两支性质不同而相对稳定的高空气流逐渐交绥于山东上空 为鲁西南 鲁中地区暴雨的形成创造了有利的环境条件可见正是这种中低纬系统的相互作用对后期大暴雨的出现发挥了重要的作用 值得指出的是0 3 1 3 号热带气旋于 2 日 2 1 时前后在广东惠东附近登陆后向偏西
7、方向移动由于势力较强近中心最大风力为 4 0 m s- 1虽然中心远离山东但热带气旋与副高之间的偏南急流开始形成从 3 日 0 8 时 8 5 0 h P a 图上图 2 b 可以看到位于华东地区上空的东南急流中心风速达到 1 6 - 1 8 m s- 1其前锋已越过淮河流域而且在热带气旋北伸倒槽东西两侧风速差异较大西侧的偏北风仅 6 - 8 m s- 1相应地面上在江西中部到安徽北部形成了热带气旋倒槽3日 1 4时热带气旋西移减弱后北伸倒槽与热带气旋中心脱离, 由于副高稳定少动倒槽东侧上空的东南急流不断北上促使高空强暖平流向黄淮地区输送导致上述地区出现负变压区另外原来位于山东的东西向高压带分
8、裂为两个高压中心一个位于黄海中 3图 2 2 0 0 3 年 9 月 3 日 0 8 时 5 0 0 h P a a 和 8 5 0 h P a ( b ) 环流形势图 ( 图中等值线为位势高度单位为 d g p m 双曲线为槽线另各站给出温度和风的测值) 部一个位于河套地区且稳定少动致使地面倒槽在原地维持少动且向北伸展3日 2 0时倒槽到达山东南部4日 0 2时自中纬度地区东移的弱冷空气与北伸至鲁中南一带的热带气旋倒槽相遇由于倒槽附近具有风场辐合的动力条件对流被触发发展导致倒槽前部的鲁西南鲁中地区大暴雨因此倒槽的稳定少动和北伸发展是本次暴雨产生的重要因素 3 大暴雨成因分析 3.1 低空东南
9、急流的作用 暴雨的产生需要本地上空有大量水汽辐合和源源不断的水汽输送 分析本次过程可清楚看到在华东地区上空伴随登陆热带气旋生成的低空东南急流是中低纬系统相互作用的纽带也是这次暴雨过程的主要水汽输送带 本次暴雨过程的特点是 水汽输送主要是由热带气旋东北象限到副高西南侧之间的东南低空急流完成的 从 3 日 0 8 时 8 5 0 h P a等压面上的水汽通量分布图 3可以看出在长江以南地区有两个水汽通量中心一个位于热带气旋中心东北和西北侧中心最大水汽输送通量超过 3 0 g c m- 1 h P a- 1 s- 1另一个处于热带气旋与副高之间自 110E 120E 100E 20N 30N 40N
10、 b a 110E 120E 100E 20N 30N 40N 4图 3 2 0 0 3 年 9 月 3 日 0 8 时 8 5 0 h P a 水汽通量单位为 g c m- 1 h P a- 1 s- 1东海海面到鲁西南地区的水汽输送带 此即山东暴雨的水汽输送通道 最大水汽通量中心在我国东海南部海面上为 2 4 g c m- 1h P a- 1 s- 1到 3 日 2 0 时最大水汽通量中心北移到浙江境内水汽通量轴线达到鲁西南地区 这种水汽输送强度的变化也可从离鲁西南最近的徐州站探空分析得到3 日 0 8 时徐州低空有 1 8 g c m- 1h P a- 1 s- 1的水汽通量中心最大值在
11、 9 5 0 h P a 附近这时徐州上空近地面层达的相对湿度超过 8 0 % 湿层厚度在 8 5 0 h P a以下通常当湿层厚度达到7 0 0 h P a 时就有利于暴雨发生 7 随着东南急流的建立水汽输送辐合增大到 3 日 2 0 时徐州上空的水汽输送中心强度达到 2 7 g c m- 1 h P a- 1 s- 1湿层厚度已达 4 0 0 h P a 这说明正是水汽源源不断地向鲁西南鲁中地区输送为大暴雨的产生提供了充沛的水汽条件 3.2 中低纬系统的相互作用 此次大暴雨属于西风带弱冷空气与热带气旋倒槽相结合造成的暴雨过程 与其他热带气旋北上形成倒槽产生暴雨不同 本次大暴雨过程发生在热带
12、气旋远距离倒槽形成后 西风槽携带弱冷空气扩散南下进入倒槽 触发对流突然发展加强而成 这一特征从卫星云图的演变看得十分清楚3 日 2 0 时地面图上图 4 a热带气旋倒槽北伸到鲁皖两省交界处对应的 2 0 时的G O E S - 9 红外云图上图 4 b在华北到西南地区有一东北- 西南向的带状云系倒槽前部有多个对流云团生成4 日 0 2 时图 4 c热带气旋倒槽移到鲁中南时与西风带低槽结合导致鲁西南地区暴雨产生相应的 0 2时红外云图上图 4 d倒槽与西风槽之间开始形成较强的暴雨云团图 d 箭头所指位置此后大暴雨开始在鲁西南鲁中山区南部出现以下主要从两个方面对中低纬系统相互作用过程进行分析 5图
13、 4 3 日 2 0 时a - b 和 4 日 0 2 时( c - d ) 地面实况天气图和红外卫星云图 图 a , c 中等值线为地面气压单位为 h P a 已减去 1 0 0 0 h P a 其他同图 2 3 . 2 . 1 位势不稳定层结的形成机制 图 5 给出了 3 日 2 0 时由探空资料计算的对流有效位能 C A P E分布 对照 3 日 0 8 时 8 5 0 h P a图图 2 b 可见对应倒槽后部长江中下游及华南地区和中纬度西风槽前河套北部为两个 C A P E 大值区其数值均较 3 日 0 8 时增加对照图 3 可见倒槽后部的 C A P E大值区正与东南暖湿水汽输送带对
14、应而山东处于两者之间是未来两系统交汇的地区从温度的时空变化可以看出3 日白天鲁中南地区对流层低层温度一直升高而中高层温度基本无变化致使层结稳定度下降 以济南站为例 其 C A P E 值由 3 日 0 8 时 0 J / k g 上升至 2 0 时 1 2 3 . 5 J / k g层结趋于对流不稳定 暴雨发生前后的层结演变还可由徐州站探空观测得以验证采用与沙氏指数基本相当的雷暴指数来反映大气稳定程度即 IR= T8 5 0+ Td 8 5 0- T5 0 0当 IR值越大层结愈不稳定通常取 IR4 0将有雷暴天气计算表明倒槽影响前2 日 2 0 时徐州的 IR= 3 8 . 5到 3 日 2
15、 0 时倒槽逼近鲁南时IR上升至 4 3 . 0其间 5 0 0 h P a 温度基本不变可见正是由于低层增暖增湿导致大气层结呈现出位势不稳定为对流和暴雨的发生积累了不稳定能量 110E 120E 30N 40N c 110E 120E 30N 40N a b a d 6图 5 3 日 2 0 时对流有效位能C A P E , J k g- 1分布 3 . 2 . 2 低层暖湿空气与弱冷空气相结合 由图 6 给出的 3 日 0 8 时 9 2 5 h P a 温压场配置可见在倒槽附近自华中到黄淮地区为等温线密集区倒槽东侧东南风与等温线几乎正交随着东南气流的加强倒槽顶部暖平流十分明显具有明显的暖
16、锋锋生作用而西风带弱冷空气侵入倒槽前部后冷暖气流交汇触发对流发展对流产生之后在有利的层结和水汽输送条件配合下加之 2 0 0 h P a 高空急流右后侧辐散区抽吸作用导致对流的加强和暴雨的产生暴雨落区基本上出现在 9 2 5 h P a 与 8 5 0 h P a之间的倒槽区域内 图 6 3 日 0 8 时 9 2 5 h P a 实况天气图 实线为等位势高度线单位为 d g p m , 虚线为等温线 图 7 给出了大暴雨中心济宁上空的风场和假相当位温s e 时间- 高度剖面可见3 日 0 8 时济宁附近 8 0 0 h P a高度附近仍有 3 2 4 K的冷中心此后随着低层偏东气流的加强至 3 日 2 0 时暴雨发生前中低层逐渐由东到东南风控制倒槽顶最高达到 7 5 0 h P a高度附近7 0 0 h P a 以下等s e 线密集水平梯度较大而 5 0 0 h P a 以上高度s e 呈水
