Mechanism of trigger and maintenance during an extremely torrential rain in semi-arid region of eastern Northwest China

doi:10.11755/j.issn.1006-7639（2022）-06-0933

Abstract

Abstract:

A torrential rain struck Qingyang on July 15, 2022, which is located in semi-arid region of eastern Northwest China, causing the daily rainfall and hourly rainfall at several stations to exceed the historical extreme values. The formation mechanism of the torrential rain in semi-arid region of Northwest China is analyzed based on multi-source observation data and ERA5 reanalysis data, so as to provide some useful reference for rainstorm forecast in arid and semi-arid areas. The results show that the torrential rain process occurred under the background of weak synoptic scale baroclinic forcing, weak unstable energy and deep wet layer in the complex terrain of the Loess Plateau, with characteristics of strong locality and long duration of heavy precipitation, which is a warm-sector torrential rain. The special circulation configuration of South Asian high, western Pacific subtropical high and pressure system at the lower level is conducive to the occurrence and development of mesoscale convective system. Convective initiation and development were triggered by surface wind convergence line and low-level southerly jet. Development and long-time maintenance of the low-level jet intensified surface convergence line continuously. The left side of low-level jet (rainstorm area) formed two stable secondary circulations with the right side of the exit and entrance of it, respectively, which is the key factor for the maintenance of the convective system. The release of condensation latent heat caused local frontogenesis and low-level positive vorticity development, which is another important factor for development and maintenance of convective systems, and it is also an important reason for maintenance of atmospheric instability. The mesoscale convective system exhibited deep, low center of mass and quasi-stationary characteristics under the combined effects of the above mentioned factors, the radar echoes were characterized by backward propagation and train effect.

Key words: semi-arid area of eastern Northwest China, warm-sector extremely torrential rain, mechanism for trigger and maintenance, low-level jet, secondary circulation

摘要：

2022年7月15日地处西北东部半干旱区的甘肃庆阳出现特大暴雨，多站日雨量和小时雨量均突破历史极值，利用多源观测资料和ERA5再分析资料，针对这次特大暴雨过程形成机制进行分析。结果表明，本次过程是发生在黄土高原复杂地形下弱天气尺度斜压强迫、弱不稳定能量及深厚湿层背景下的暖区暴雨，局地性强、强降水持续时间长；南亚高压、副热带高压及低层气压系统上下叠加的环流形势配置有利于中尺度对流系统发生发展；地面辐合线和偏南低空急流触发对流系统初生、发展，低空急流的发展和长时间维持使地面辐合线不断加强，同时急流左侧（暴雨区）与其出口区和入口区右侧形成的稳定次级环流是对流系统维持的关键，而凝结潜热释放引发的局地锋生、低层正涡度发展则是对流系统发展维持的另一重要因素，同时也是大气不稳定度维持的重要原因。中尺度对流系统呈现深厚低质心、准静止特征，雷达回波具有后向传播和列车效应特征。

关键词: 西北东部半干旱区, 暖区特大暴雨, 触发维持机制, 低空急流, 次级环流

CLC Number:

SHA Honge, FU Zhao, LIU Weicheng, XU Lili, LIU Na, LIU Xinyu, MA Yihao. Mechanism of trigger and maintenance during an extremely torrential rain in semi-arid region of eastern Northwest China[J]. Journal of Arid Meteorology, 2022, 40(6): 933-944.

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Figures/Tables 12

Fig.1 The distribution of accumulated precipitation （a， color dots， Unit： mm；the color shaded for the terrain height， Unit： m； the red triangle for Zhaijiahe station） and short-term heavy precipitation （the color shaded for maximum hourly precipitation， Unit： mm； the circles for heavy rainfall frequency， the triangle is the maximum frequency）（b） from 20：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 in Qingyang and the evolution of hourly rainfall at representative stations from 00：00 BST to 13：00 BST 15 July 2022 （c）

Fig.2 Sketch map of synoptic system configuration

Fig.3 The evolution of radar echo top height and composite reflectivity factor over Zhaijiahe station from 00：00 BST to 11：00 BST July 15， 2022

Fig.4 The evolution of radar composite reflectivity factor on July 15， 2022 （Unit： dBZ）（The red marks are torrential rain stations， among which the triangle is Zhaijiahe station）

Fig.5 The hourly variation of mean lightning frequency from 01：00 BST to 11：00 BST July 15， 2022 in Qingyang

Fig.6 The time-height profiles of relative humidity （a， Unit： %） and water vapor flux divergence （b， Unit： 10-7g·hPa-1·cm-2·s-1） over Zhaijiahe station from 20：00 BST July 14 to 08：00 BST July 15， and water vapor flux at 05：00 BST July 15， 2022 at 700 hPa （c， Unit： g·hPa-1·cm-1·s-1）

Fig.7 The distribution of CAPE （Unit： J·kg-1） at 04：00 BST July 15， 2022 over the eastern region of Northwest China （a）， the time-height profile of pseudo-equivalent potential temperature （the color shaded， Unit： ℃） and the CAPE change with time（the dotted line） from 20：00 BST July 14 to 12：00 BST July 15， 2022 at Zhaijiahe station （b）

Fig. 8 The profile of pseudo-equivalent potential temperature at 06：00 BST July 15， 2022 over Zhaijiahe station

Fig.9 The wind field at 700 hPa at 21：00 BST July 14 （a）， 01：00 BST （b） and 06：00 BST （c） July 15， 2022 （vectors， Unit： m·s-1）（the black line for the 12 m·s-1 wind speed isoline）

Fig.10 The surface wind field （vectors， Unit： m·s-1）， stream field （the white lines with arrow， the result of wind field interpolation） and terrain height （the color shaded， Unit： m） at 21：00 BST July 14 （a） and 01：00 BST July 15， 2022 （b）

Fig.11 The 700 hPa （a） and 500 hPa （b） vorticity （the color shaded， Unit： 10-4 s-1） and wind field （vectors， Unit： m·s-1） and the divergence （the color shaded， Unit： 10-4 s-1） and wind field （vectors， Unit： m·s-1） at 850 hPa （c） at 06：00 BST July 15，2022， the surface wind field （vectors， Unit： m·s-1） and terrain height （the color shaded， Unit： m） at 04：00 BST July 15， 2022 （d）， the zonal vertical section along 107.5°E （e） and the meridional vertical section along 36.5°N （f） of divergence（the color shaded， Unit： 10-4 s-1） and vertical velocity （isolines， Unit： Pa·s-1）（The brown arrow line is low-level jet， and the red rectangular regions are negative vorticity advection areas on the right side of the entrance and the exit of low-level jet，and the area enclosed by black line is Qingyang）

Fig.12 The hourly variation of heating rate of latent heat of condensation （the dotted line） and vertical velocity （the color shaded， Unit： Pa·s-1） over Zhaijiahe station from 00：00 BST to 14：00 BST July 15， 2022

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