引言.
暴雨及其造成的洪澇是我國主要的自然災害之一,中尺度對流系統是暴雨的直接制造者,致洪暴雨往往由中尺度對流系統持續影響所致.中尺度對流復合體\\(MCC\\)是造成大范圍暴雨、強對流天氣的重要中尺度天氣系統,與一般中尺度系統相比,其生命期較長,面積要大得多.自Maddox發現MCC以來,對其發生發展的大尺度天氣條件已有很多研究.Maddox[2]指出,MCC是在弱的地面鋒面附近有明顯的南風低空急流輸送暖濕空氣的區域生成,往往與對流層中層向東移動的短波槽相聯系,該短波槽東南方相當大的區域中大氣呈條件性不穩定狀態,主要的強迫因子是對流層低層的暖濕氣流,高層則位于西風急流的反氣旋一側.此后,我國氣象工作者對MCC形成機制和物理背景進行了較多研究.覃丹宇等[3]對MCC和一般暴雨云團發生發展的物理條件差異進行個例分析指出,MCC發生在較弱的斜壓環境,對流層低層有明顯的天氣系統\\(如切變線、中尺度低渦\\),高層出現在反氣旋環流里.井喜等[4]分析淮河流域一次MCC環境流場及動力場表明,對流層中層來自北方的干侵入對MCC生成發展起重要作用.呂艷彬等[5]研究華北平原MCC發生環境條件指出,華北產生MCC的環境背景及物理條件與我國南方及北美類似,多發生在對稱不穩定的高溫高濕大氣中.MCC作為暴雨過程中比較特殊的系統,尺度較大,持續時間長,能產生較大范圍暴雨,常造成一些地區出現致洪暴雨事件[6-12].
本文選取長江中游2007年2例有相似降水特點的MCC過程,采用天氣學診斷方法,對MCC發生的大尺度環流場和物理量場進行診斷分析;通過比較2例MCC的發生發展條件,以期更好地揭示其形成機制和特點,加強對長江中游地區MCC發生發展規律研究,為MCC暴雨業務預報提供有價值的參考依據.
1、資料說明.
本文分析采用的資料主要包括:常規氣象觀測資料和 全 國 一 般 站 逐 日 降 水 資 料,每6h一 次NCEP 0.5°×0.5°GFS再分析資料,FY-2C云圖資料.選取滿足 以下條件 的 暴 雨 云 團 為MCC[6-8]:①TBB≤-32℃的冷云蓋面積在10×104km2以上;②TBB≤-52℃的冷云蓋面積在5×104km2以上;③滿足條件①和條件②的時間達到6h以上;④TBB≤-52 ℃面積達最大時云團的偏心率大于等于0.7.
文中選取出現在長江中游2007年5月30-31日 \\(以下稱個例Ⅰ\\)和2007年7月1-2日MCC\\(以下稱個例Ⅱ\\)暴雨過程為研究對象,在同時滿足上述條件①和②的情況下,個例Ⅰ中MCC生命史為10h,個例Ⅱ中MCC生命史長達11h.
2、暴雨過程概述.
2007年5月30-31日和7月1-2日,長江中下游受低槽云系及低槽云系尾部MCC影響,在湖北省中東部地區、河南南部出現了暴雨到大暴雨天氣過程\\(圖1\\).兩次過程暴雨走向略有區別,個例Ⅰ呈南北走向,個例Ⅱ呈西南-東北走向;大暴雨主要集中在江漢平原北部到鄂東北地區,雨帶較為相似,在河南南部出現小范圍大暴雨區,但是范圍較小,個例Ⅱ在河南南部出現降水中心達253mm,只有一個站達到了大暴雨量級,局地性較強.
個例Ⅰ和個例Ⅱ在湖北省暴雨和大暴雨相似性較高,暴雨主要集中在江漢平原、鄂東北、鄂東南北部地區,大暴雨在江漢平原北部和鄂東北地區;其不同點是,個例Ⅰ24h累積最大降水達150mm,個例Ⅱ達124mm,個例Ⅰ在24h累積降水比個例Ⅱ強度大.
3 、MCC演變特征與大尺度環流背景分析
3.1、衛星云圖演變特征從FY-2C紅外亮溫圖上分析
造成兩次暴雨過程的MCC發展和演變方式.個例Ⅰ中,2007年5月30日16:00\\(圖略\\),中緯度地區113°E附近存在南北向低槽云系,隨著低槽云系東移,其尾部β、α中尺度云團出現合并,合并使得云團快速發展,冷云區面積擴大,20:00\\(圖2a,彩頁\\),在114°E、32°N附近,河南南部與鄂東北交界處MCC開始形成.隨著西側β云團東移與MCC合并,MCC面積不斷擴大,并略有南壓,31日00:00,TBB≤-53 ℃冷云區面積達11×104km2,TBB≤-63 ℃冷云區變得狹長,呈準東西帶狀,北邊界出現“V”形缺口,強降水主要發生在“V”形缺口附近的紅安、安陸境內,安陸站31日01:00 1h降水達52.2mm.31日02:00\\(圖2b,彩頁\\),MCC位置幾乎不變,TBB≤-53℃冷云區面積增大,“V”形缺口向南發展,TBB≤-63 ℃冷云區出現分裂,后部的云團增強,前部的云團迅速減弱消亡.05:00\\(圖2c,彩頁\\),MCC幾乎發展成圓形,偏心率≥0.7,TBB≤-53 ℃冷云區面積達到12×104km2.07:00,云團不再具有MCC特征,強降水隨之結束.
個例Ⅱ中,2007年7月1日14:00\\(圖略\\),從東海到淮河流域有東西向低槽云系,低槽云系尾部α中尺度云團出現向后發展,同時從湖南西北部有小尺度云團向江漢平原移動并急劇增強.
17:00\\(圖3a,彩頁\\),低槽云系尾部和江漢平原北部α云團在鄂東北上空合并發展,18:00MCC形成,MCC開始呈東西向長條形,隨后偏心率逐漸增大.
20:00\\(圖3b,彩頁\\),MCC在鄂東北快速發展,TBB≤-53℃冷云區面積達到15×104km2,TBB≤-83℃冷云區面積達到4×104km2.22:00\\(圖3c,彩頁\\),TBB≤-63℃冷云區幾乎呈圓形,偏心率達到最大,此時強降水出現在TBB≤-85℃冷云區內部,隨MCC東移,強降水中心隨之東移并略有南壓.
2日00:00,TBB≤-85℃冷云區面積開始迅速縮小,MCC進入減弱消亡階段;02:00,TBB≤-53℃冷云區面積小于5×104km2,云區不再具有MCC特征,強降水也隨之結束.
對比分析兩次MCC發展演變和形態特征,相同點是MCC都是在低槽云系尾部由幾個中尺度云團發展、合并形成的,其不同點是,MCC演變和中心強度有較大差別,個例Ⅰ經歷了一次分裂再發展的過程;個例ⅡTBB≤-53 ℃冷云區面積比個例Ⅰ要大的多,且出現較大范圍TBB≤-85℃冷云區,但是個例Ⅱ24h累積降水比個例Ⅰ要弱,說明云頂亮溫與降水不是簡單的線性關系.
在水汽云圖上\\(圖略\\),個例Ⅰ中,在MCC發展過程中,在陜西和河南附近出現南北向干裂縫\\(即干空氣區\\),干裂縫向南緩慢移動,31日05:00,干裂縫南部到達MCC北邊界,說明有干冷空氣緩慢入侵;例Ⅱ中,在MCC持續期間,在MCC北側有大片干區維持,沒有干冷空氣緩慢滲透情況,兩次過程干空氣的影響方式完全不同.
3.2、大尺度環流背景
個例Ⅰ,5月30日08:00\\(圖略\\),200hPa等壓面上,10°~30°N地區為南亞高壓控制,35°N附近存在西風急流帶\\(大于等于30m·s-1\\),500hPa河套中部有短波槽,副熱帶高壓控制廣東地區,華中位于高壓環流外圍西南氣流中,700hPa河套中部有南北向冷切變線發展,850hPa四川東部有西南低渦,低渦東南側有大于等于12m·s-1西南急流帶發展.
20:00\\(圖略\\),南亞高壓增強并略有北抬,中緯度急流帶變窄增強,500hPa短波槽南壓到河南中部,副熱帶高壓外圍西南風明顯增大,武漢站風速由6m·s-1增至20m·s-1,700hPa南北向冷切變線從河套地區迅速東移到103°E附近,850hPa西南渦東移到江漢平原北部,從低渦中心向北伸出南北向暖切變線,在暖式切變線右側出現偏南急流帶\\(大于等于12m·s-1\\).在衛星云圖上,14:30,在南北向低槽云系尾部\\(112.2°E,33°N\\)有一中尺度云團新生發展,該云團東移過程中與后部中β云團合并迅速增強,20:00在鄂東北附近發展形成MCC,MCC在高空急流右后側、700hPa冷切尾部、850hPa暖切變線頂部形成.
31日02:00\\(圖4a\\),500hPa短波槽迅速南壓到暴雨區上空,槽后偏北氣流引導低層偏北風增強,850hPa暖切變線轉變成冷切變線,此時西南暖濕增強發展,形成從南海向華北發展的水汽、能量通道,在切變線兩側南北兩支氣流同時加強導致在河南形成中尺度低渦,該低渦環流發展導致低層輻合明顯加強.
MCC在500hPa槽線上、低層冷切尾部、偏南急流核左前側發展增強.
個例Ⅱ,7月1日08:00\\(圖略\\),200hPa中緯度地區出現不連續的急流帶,500hPa東北低渦槽線延伸至河南中部,副熱帶高壓西脊點至117°E,長江中下游地區位于高壓環流北部偏西氣流上,低層從渤海到河南中部有西南-東北向冷切變線,切變線以南西南急流核達到18m·s-1.14:00\\(圖略\\),受華南穩定副熱帶高壓影響,低層切變線南壓受阻,在其尾部\\(鄂東北附近\\)形成東西向冷切變線.衛星云圖上,從11:00開始,在低槽云系尾部有中β云團向后發展加強.20:00\\(圖4b\\),200hPa南亞高壓向東、向北擴張,中緯度西風急流帶風速增強,但較個例Ⅰ明顯偏弱,鄂東北位于東段急流帶右后側氣流輻散區.
500hPa華北低槽東移出海,在華北低槽和河套短波槽之間有弱脊發展,使得低層河南境內有高壓環流發展,加上西南暖濕氣流穩定維持,導致鄂東北東西向切變線維持和鄂西南暖切變線形成.16:00,在湖南西北部有中β云團沿暖切變線東移發展,18:00與低槽云系 尾部云團 在 江 漢 平 原 北 部 合 并 形 成MCC,MCC在低層冷切變線尾部與暖切變線頂部相交處形成并發展成熟.
2日02:00,河套低槽快速東移南壓到湖北東部,低層冷切變位置幾乎不變,暖切變風場輻合減弱,此時MCC演變成一般暴雨云團.
上述對兩次過程環流背景進行了詳細分析,對比兩次過程,其相同點:低層范圍寬廣的西南暖濕急流帶、穩 定 切 變 線 是 主 要 動 力、熱 力、水 汽 來 源,MCC都出現在高空急流右后側、500hPa短波槽前部、低層冷切變線尾部和暖切變線頂部.這與Mad-dox指出的MCC與500hPa短波槽相聯系,主要強迫因子是低層暖濕氣流相一致.
其不同點是:
①兩次過程高空急流強弱不同,個例Ⅰ高空急流較強,導致高層抽吸作較強;②低層冷切變形成方式不同,個例Ⅰ冷切變線是快速東移發展型,使得其后部偏北風東移南下影響,個例Ⅱ是穩定維持型,其后部偏北風也是穩定維持.上述水汽云圖分析中,兩次過程干空氣的影響方式完全不同,可能是低層冷切變線形成方式不同所致;③西南急流和切變線走向不同,個例Ⅰ西南急流向華北發展,在南北向切變線底部,即暴雨區有偏北風和偏南風劇烈交匯,個例Ⅱ西南急流向長江下游發展,切變線呈東西向,河南高壓和西南暖濕氣流在31°~32°N對峙,導致低層冷切變線穩定少動\\(超過了12h\\),但風場為偏北風和偏西風交匯,風向輻合沒有個例Ⅰ明顯.
4、兩次過程MCC形成物理條件比較.
4.1、能量及不穩定條件差異.
假相當位溫\\(θse\\)是表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合特征量,其分布反映大氣中能量的分布和潛在的不穩定,通常850hPa取θse=340K為高能暖濕氣團和一般氣團的分界線[7].
為了進一步分析干濕空氣影響產生的不穩定情況,圖5\\(彩頁\\)給出個例Ⅰ暴雨中心\\(114°E\\)和個例Ⅱ暴雨中心\\(114.5°E\\)θse和風矢量經向垂直剖面.
在MCC形成初期\\(圖略\\),隨著西南暖濕氣流發展,個例Ⅰ和個例Ⅱ邊界層能量迅速增大,高能區\\(大于等于350K\\)發展到暴雨中心北側,MCC在高溫高濕區發展.
31日02:00\\(圖5a\\),個例Ⅰ邊界層偏南風轉為偏北風引導弱冷空氣南下,低能舌侵入到高能區內,低層假相當位溫線變密集,低層出現能量鋒生,干濕空氣在MCC云罩北側\\(32.5°N附近\\)劇烈交匯,能量鋒區從南向北傾斜,形成上濕下干配置,在暴雨區上空形成寬廣的從近地面到200hPa的一致上升氣流,促使不穩定能量釋放.個例Ⅱ中,1日14:00\\(圖略\\),南北干濕空氣在32°N附近對峙,垂直能量鋒區從地面發展到300hPa,高能舌向高空發展,20:00\\(圖5b\\),700hPa附近有低能舌向南發展但無明顯南壓,說明北部增強干冷空氣和南部暖濕氣流發生對峙,這與前面環境場分析中河南有高壓環流發展相一致,導致中層假相當位溫線變密集出現鋒生,在暴雨區形成上干下濕配置,上升運動增強,但較個例Ⅰ弱.
從上述分析可知,受干冷和暖濕空氣共同作用,兩次過程在暴雨區上空都出現了能量鋒生現象,由于干冷空氣作用方式不同,個例Ⅰ能量鋒生主要出現在低層,個例Ⅱ能量鋒生出現在中層.兩個過程干冷空氣入侵高度不同,導致垂直高度上干濕配置和能量鋒生高度不同并由此帶來的影響需要做進一步分析.
4.2、水汽條件分析.
對于持續時間長、雨強大的中尺度暴雨過程,水汽維持和補充至關重要,水汽通量散度大小反映水汽聚集情況.圖6給出個例Ⅰ、Ⅱ在MCC持續期間925hPa水汽通量散度分布.個例Ⅰ中,MCC形成前12h\\(圖略\\),從鄂西到河南西部有一條西南-東北向水汽輻合帶穩定維持.
31日02:00\\(圖6a\\),隨著低層切變線東移和西南急流向北發展,水汽輻合帶向東發展且輻合強度和范圍增大,水汽輻合帶控制江淮流域大部地區,在暴雨中心即鄂東北上空出現水汽輻合中心\\(小于等于-12×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1\\),強降水區水汽出現劇烈輻合,給暴雨發生提供充足的水汽條件.
\\(圖略\\),湖北省中北部地區有東西向水汽輻合帶;20:00\\(圖6b\\),水汽輻合帶略有南壓,在鄂東南出現水汽輻合中心\\(小于等于-10×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1\\),水汽輻合中心位于暴雨中心東南側,水汽輻合條件較個例Ⅰ差.從上述對環境場分析可知,個例Ⅰ在暴雨區為偏北風和偏南風交匯,風向輻合較個例Ⅱ明顯,這可能是導致個例Ⅰ水汽輻合較強的原因.
此外分析兩次過程中低層濕度條件表明\\(圖略\\),在MCC形成前12h,從低層到500hPa華南到暴雨區均為高濕度區\\(\\(t-td\\)≤3 ℃\\),說明在個例Ⅰ、個例ⅡMCC形成過程中,在其南側存在大范圍深厚高濕區,在有利的風場條件下,在暴雨區形成水汽輻合,給暴雨發生提供了充足的水汽條件.
4.3、動力抬升條件.
低空急流是動量、熱量和水汽的高度集中帶,為暴雨發生提供水汽、動力和熱力條件,對不穩定能量的積累、輸送和釋放起關鍵作用.分析850hPa西南急流發展演變可知\\(圖略\\),MCC形成前,兩例均表現為MCC南側有南北兩個西南急流帶\\(大于等于12m·s-1\\),隨著MCC發展,兩個急流帶合并加強,形成從南海發展的遠距離暖濕氣流輸送帶.個例Ⅰ中,西南急流從華南向華東發展,急流輸送帶較為集中,MCC發生在風速大于等于16m·s-1西南急流核左前側50km范圍內;個例Ⅱ中,西南急流從華南向長江中下游發展,急流帶范圍寬廣,MCC發生在風速大于等于16m·s-1西南急流核左前側100km范圍內,急流出口區左側強氣旋性切變有利于暴雨區輻合上升運動發展.
分析渦度場和散度場分布,可進一步了解MCC發生時動力環境場特征.圖7為MCC持續期間沿個例Ⅰ暴雨中心\\(114°E\\)和個例Ⅱ暴雨中心\\(114.5°E\\)經向渦度垂直剖面.個例Ⅰ中,5月30日20:00\\(圖略\\),低層有一條從暴雨中心向北傾斜發展的正渦度帶,正渦度帶向上發展到600hPa,高層有大片輻散區;31日02:00\\(圖7a\\),正渦度帶向上發展,在300hPa以下形成深厚垂直正渦度柱,中層500~600hPa之間出現正渦度中心\\(大于等于8×10-5s-1\\),高層負渦度增強.個例Ⅱ與個例Ⅰ類似,到1日20:00\\(圖7b\\),低層正渦度區向中層發展,在600hPa附近出現正渦度中心\\(大于等于8×10-5s-1\\),高層負渦度中心增強.用類似方法作個例Ⅰ和個例Ⅱ的散度垂直剖面\\(圖略\\),均表現為低層為輻合中心、高層為輻散中心,同時中層出現弱輻合現象.上述分析表明,個例Ⅰ、Ⅱ在MCC發生區域,近地面為氣旋性輻合環流,中層也為氣旋性輻合環流使MCC維持,高層則為反氣旋輻散環流;從低層到中層均為正渦度,形成深厚垂直正渦度柱,低層和中層分別出現正渦度中心.個例Ⅰ與個例Ⅱ相比,中低層正渦度值較大,正渦度柱發展高度較高,導致上升氣流較個例Ⅱ明顯;從圖上還可發現,個例Ⅰ暴雨中心位于正渦度中心南側,個例Ⅱ暴雨中心位于正渦度中心上,上述兩點區別可能與西南急流和切變線走向不同有關.
5、結論.
通過對長江中游2例MCC過程衛星云圖演變特征、大尺度環境場和物理量診斷的綜合分析,得出以下結論:
\\(1\\)MCC是在低槽云系尾部由幾個β、α中尺度云團傳播、合并的結果,合并是其發展最重要因子,在鄂東持續時間均超過了8h,位置少動略有東移.
\\(2\\)MCC發生在有利的天氣形勢背景下,中層有短波槽、低層有冷暖切變線和范圍寬廣的西南急流帶,穩定西南急流帶給暴雨區提供充足的動力、水汽、不穩定條件.在低層冷切尾部和暖切頂部,干冷與暖濕空氣交匯出現鋒生導致上升運動加強,激發不穩定能量釋放,MCC在此處形成.
\\(3\\)受干冷和暖濕空氣共同作用,兩次過程在暴雨區上空都出現了能量鋒生現象,由于干冷空氣作用方式不同,個例Ⅰ能量鋒生主要出現在低層,個例Ⅱ能量鋒生主要出現在中層.能量鋒生與高空急流右后側輻散氣流耦合可能是導致MCC發展主要動力強迫機制.
\\(4\\)MCC發生區域,低層和中層為氣旋性輻合環流使MCC維持,高層則為反氣旋輻散環流,從低層到中層正渦度柱連成一片,形成深厚垂直正渦度柱,低層和中層分別出現正渦度中心,中低層深厚輻合為MCC維持提供了有利動力條件.
\\(5\\)兩次MCC過程在高空急流、冷暖切變線的走向和形成方式、西南急流走向等不同,并由此帶來的水汽輻合程度、冷空氣作用方式、不穩定能量和渦度發展有所區別,可能是導致兩次MCC在發展演變和由此帶來的降水強度、分布差異的主要原因.
參考文獻
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