Comparative analysis on characteristics of rainstorms caused by northwest vortex in Shaanxi with and without influence of typhoon

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2022)-06-0981

Abstract

Abstract:

Based on daily precipitation data, upper-air observation data and ERA5 hourly reanalysis data with 0.25°×0.25° resolution from 2010 to 2020, the rainstorms caused by the northwest vortex in Shaanxi are counted, and the characteristics of rainstorms caused by the northwest vortex with and without influence of typhoon are comparatively analyzed. The results show that the rainstorms caused by the northwest vortex in Shaanxi mostly occurred in July and August, and it occurred more in northern Shaanxi. The night rain characteristics of the rainstorms are obvious. The rainstorm intensity was stronger under influence of typhoon, and the falling area was to the north of two latitudes than that without influence of typhoon. The northwest vortex, which caused rainstorms in Shaanxi, was located at about 7-8 latitudes to the north of the ridge line of the western Pacific subtropical high. The northwest vortex had the dynamic characteristics of convergence at low level and divergence at high level. The upward motion of the northwest vortex was strengthened by the topographic forcing uplift, and the low-level water vapor transport and convergence provided favorable conditions for the occurrence of rainstorms caused by the northwest vortex. Under the influence of typhoon, the subtropical high was westward and northward, the water vapor and energy in the periphery of the typhoon were transported to the northwest vortex with the southwesterly low-level jet, the atmosphere at lower layer of the northwest vortex was convective instability, and the positive vorticity advection in front of the high trough and strong divergence on the right side of the high-level jet promoted the development and enhancement of the vortex, the strong updrafts on the south and east sides of the vortex triggered the release of unstable energy and formed strong frontogenesis in northern Shaanxi, the frontogenesis further enhanced the vertical movement on the south and east sides of the vortex, which caused heavy rainstorms on the south and east sides of the vortex. When there was no influence of typhoon, the subtropical high was eastward and southward, the southwest wind speed was smaller and the water vapor transport was weaker, the southwest wind in front of the plateau trough transported water vapor from the Bay of Bengal and the South China Sea to Shaanxi, the atmosphere at lower layer of the northwest vortex was stable, the strong updraft was located in the south of the vortex, the cold and warm air converged in central and southern Shaanxi, which resulted in scattered weak frontogenesis and caused rainstorms in the south of the vortex center.

Key words: the northwest vortex, rainstorm, typhoon, instability characteristics, frontogenesis

摘要：

基于2010—2020年地面日降水量资料、高空观测资料以及ERA5（0.25°×0.25°）逐小时再分析资料，对影响陕西的西北涡暴雨天气过程进行统计，并对有无台风影响下西北涡暴雨天气特征进行对比分析。结果表明：陕西西北涡暴雨多发生在7—8月，陕北为暴雨多发区，西北涡暴雨夜雨特征明显；有台风影响时暴雨强度更强，落区比无台风影响时偏北2个纬度。造成陕西暴雨的西北涡位于西太平洋副热带高压脊线北侧7~8个纬度处，西北涡具有低层辐合、高层辐散的动力特征，地形强迫抬升加强了西北涡上升运动，低层水汽输送和水汽辐合为西北涡暴雨发生提供了有利条件。台风影响时，副热带高压偏西偏北，台风外围水汽、能量随着西南低空急流向西北涡输送，西北涡低层呈对流不稳定，高空槽前正涡度平流及高空急流右侧强辐散促使西北涡发展加强，低涡东侧和南侧强上升运动触发不稳定能量释放，在陕北形成强锋区，锋生进一步增强了低涡东侧与南侧垂直运动，造成该区域大暴雨；无台风影响时，副热带高压偏东偏南，西南风风速较小，水汽输送较弱，高原槽前西南风将孟加拉湾和南海水汽向陕西输送，西北涡低层大气层结稳定，低涡中心南部为强上升运动区，冷暖空气在陕西中南部交汇，产生分散的弱锋区，造成低涡中心南部暴雨天气。

关键词: 西北涡, 暴雨, 台风, 不稳定特征, 锋生

CLC Number:

P458.1+21.1

PENG Li, ZHAO Qiang, QIAO Danyang, ZHANG Xiong, XU Haotian, NI Wen. Comparative analysis on characteristics of rainstorms caused by northwest vortex in Shaanxi with and without influence of typhoon[J]. Journal of Arid Meteorology, 2022, 40(6): 981-992.

彭力, 赵强, 乔丹杨, 张雄, 徐浩天, 倪闻. 有无台风影响下陕西西北涡暴雨特征对比分析[J]. 干旱气象, 2022, 40(6): 981-992.

Figures/Tables 9

Tab.1 Statistics of rainstorm processes caused by northwest vortex in Shaanxi from 2010 to 2020

	暴雨日期	暴雨落区	暴雨站数/个	最大日降水量/mm	影响系统
有台风影响	2010年7月22—23日	关中、陕南	20	214.6	台风‘灿都’，500 hPa低涡，700 hPa西南风急流
	2012年7月20—21日	陕北、陕南	7	125.2	南海热带低压，500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2012年8月17—18日	关中	6	100.5	台风‘启德’，500 hPa西风槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2013年7月21—22日	关中、陕南	28	149.8	南海热带低压，500 hPa西风槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2013年7月24—25日	陕北	6	140.5	南海热带低压，500 hPa西风槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2016年7月7—8日	陕北	5	106.6	台风‘尼伯特’，500 hPa低涡，700 hPa西南风急流
	2017年8月21—22日	陕北	10	105.4	台风‘天鸽’，500 hPa西风槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2019年8月2—3日	陕北、陕南	13	115.5	台风‘韦帕’，500 hPa低涡、高原槽，700 hPa西南风急流
	2020年8月4—5日	陕北	12	182.1	台风 ‘黑格比’，500 hPa西风槽，700 hPa西南风急流，高空急流
无台风影响	2010年8月12—13日	关中	11	104.3	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2010年8月17—18日	陕北	4	83.8	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2010年8月20—21日	陕北、陕南	15	146.1	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2013年7月3—4日	陕北	5	81.6	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2013年7月7—8日	陕北、陕南	5	116.4	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2013年7月11—12日	陕北	8	152.0	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2014年7月8—9日	陕北	13	98.5	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2014年8月5—6日	陕北、关中	12	152.4	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2014年9月10—11日	陕北、陕南	11	93.1	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2016年7月18—19日	陕北、陕南、关中	15	118.9	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2017年10月8—9日	陕北	5	59.8	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2019年7月21—22日	陕北、陕南	12	100.3	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa西南风急流，高空急流

Tab.1 Statistics of rainstorm processes caused by northwest vortex in Shaanxi from 2010 to 2020

	暴雨日期	暴雨落区	暴雨站数/个	最大日降水量/mm	影响系统
有台风影响	2010年7月22—23日	关中、陕南	20	214.6	台风‘灿都’，500 hPa低涡，700 hPa西南风急流
	2012年7月20—21日	陕北、陕南	7	125.2	南海热带低压，500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2012年8月17—18日	关中	6	100.5	台风‘启德’，500 hPa西风槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2013年7月21—22日	关中、陕南	28	149.8	南海热带低压，500 hPa西风槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2013年7月24—25日	陕北	6	140.5	南海热带低压，500 hPa西风槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2016年7月7—8日	陕北	5	106.6	台风‘尼伯特’，500 hPa低涡，700 hPa西南风急流
	2017年8月21—22日	陕北	10	105.4	台风‘天鸽’，500 hPa西风槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2019年8月2—3日	陕北、陕南	13	115.5	台风‘韦帕’，500 hPa低涡、高原槽，700 hPa西南风急流
	2020年8月4—5日	陕北	12	182.1	台风 ‘黑格比’，500 hPa西风槽，700 hPa西南风急流，高空急流
无台风影响	2010年8月12—13日	关中	11	104.3	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2010年8月17—18日	陕北	4	83.8	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2010年8月20—21日	陕北、陕南	15	146.1	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2013年7月3—4日	陕北	5	81.6	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2013年7月7—8日	陕北、陕南	5	116.4	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2013年7月11—12日	陕北	8	152.0	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2014年7月8—9日	陕北	13	98.5	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2014年8月5—6日	陕北、关中	12	152.4	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa偏南风气流，高空急流
	2014年9月10—11日	陕北、陕南	11	93.1	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2016年7月18—19日	陕北、陕南、关中	15	118.9	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2017年10月8—9日	陕北	5	59.8	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa西南风急流，高空急流
	2019年7月21—22日	陕北、陕南	12	100.3	500 hPa西风槽、高原槽，700 hPa西南风急流，高空急流

Fig.1 The spatial distribution of rainstorm days caused by northwest vortex （a） and rainstorm days accompanying with （b） and without （c） typhoon in Shaanxi from 2010 to 2020 （Unit： d）

Fig.2 The spatial distribution of daily maximum precipitation during rainstorm processes caused by northwest vortex accompanying with （a） and without （b） typhoon in Shaanxi from 2010 to 2020 （Unit： mm）

Fig.3 The 500 hPa height field （solid contours， Unit： dagpm） and wind field （wind vectors， Unit： m·s-1）（a， b）， 700 hPa height field （solid contours， Unit： dagpm）， wind field （wind vectors， Unit： m·s-1） and vorticity （the shaded， Unit： 10-5 s-1）（c， d）， 800 hPa pseudo-equivalent potential temperature （solid isolines， Unit： K） and wind field （wind vectors， Unit： m·s-1）（e， f）， 200 hPa height field （solid contours， Unit： dagpm）， wind field （wind vectors， Unit： m·s-1） and divergence （the shaded， Unit： 10-6 s-1）（g， h） during rainstorm processes caused by northwest vortex with （a， c， e， g） and without（b， d， f， h） typhoon influence in Shaanxi from 2010 to 2020

Fig.4 Spatial distribution of water vapor flux （vectors， Unit： g·hPa-1·cm-1·s-1） and water vapor flux divergence （the shaded， Unit：10-8 g·hPa-1·cm-2·s-1） at 700 hPa （a， c） and 800 hPa （b， d） during rainstorm processes caused by northwest vortex with （a， b） and without （c， d） typhoon influence in Shaanxi from 2010 to 2020

Fig.5 The latitude-height profiles along 110°E （a） and 109°E （c） and longitude-height profiles along 38°N （b） and 37°N （d） of vorticity （the color shaded， Unit： 10-5 s-1）， divergence （blue dashed lines， Unit： 10-6 s-1）， vertical velocity （black solid lines， Unit： 10-1 Pa·s-1） and stream field （vectors， longitude： v，ω×10， latitude： u， ω×10， Unit： m·s-1） during rainstorm processes caused by northwest vortex with （a， b） and without （c， d） typhoon influence in Shaanxi from 2010 to 2020 （The black shaded is terrain. the same as below）

Fig.6 The latitude-height profiles along 110°E （a） and 109°E （c） and longitude-height profiles along 38°N （b） and 37°N （d） of pseudo-equivalent potential temperature （solid lines， Unit： K） and moist potential vorticity （MPV1）（dashed lines， Unit：10-6 m2·s-1·K·kg-1） during rainstorm processes caused by northwest vortex with （a， b） and without （c， d） typhoon influence in Shaanxi from 2010 to 2020

Fig.7 Spatial distribution of pseudo-equivalent potential temperature （solid lines， Unit： K） and frontgenesis function （the shaded， Unit： 10-9 K·m-1·s-1） at 700 hPa under the influence of typhoon （a） and 800 hPa without influence of typhoon （b） during rainstorm processes caused by northwest vortex in Shaanxi from 2010 to 2020

Fig.8 The circulation situation configuration for rainstorms caused by northwest vortex with （a） and without （b） typhoon influence in Shaanxi

References 31

[1]	刘晓冉, 李国平. 青藏高原低涡研究的回顾与展望[J]. 干旱气象, 2006, 24(1): 60-66.
[2]	李江萍, 王式功, 孙国武. 高原低涡研究的回顾与展望[J]. 兰州大学学报(自然科学版), 2012, 48(4): 53-60.
[3]	LI L, ZHANG R H, WEN M. Diagnostic analysis of the evolution mechanism for a vortex over the Tibetan Plateau in June 2008[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2011, 28(4): 797-808. DOI URL
[4]	LI L, ZHANG R H, WEN M. Diurnal variation in the occurrence frequency of the Tibetan Plateau vortices[J]. Meteorology and Atmospheric Physics, 2014, 125(3/4):135-144. DOI URL
[5]	SUGIMOTO S, UENO K. Formation of mesoscale convective systems over the eastern Tibetan Plateau affected by plateau-scale heating contrasts[J]. Journal of Geophysical Research, 2010, 115(D16):1-15.
[6]	朱乾根, 林锦瑞, 寿绍文, 等. 天气学原理和方法[M]. 4版. 北京: 气象出版社, 2007: 343-345.
[7]	王丛梅, 丁治英. 河北夏季低涡暴雨的统计研究[J]. 自然灾害学报, 2006, 15(5): 69-75.
[8]	李江萍, 沙宏娥, 郭勇涛, 等. 1980—2010年西北涡发生频数的时空分布特征[J]. 兰州大学学报(自然科学版), 2019, 55(6): 733-737.
[9]	荣涛. 柴达木低涡特征及其预报[J]. 干旱气象, 2004, 22(3): 26-31.
[10]	丁治英, 吕君宁. 一次西北涡生成移动过程的数值试验[J]. 南京气象学院学报, 1993, 16(2): 226-232.
[11]	陆倩, 付娇, 胡赛安. 承德市一次西北涡暴雨成因分析[J]. 内蒙古气象, 2016(2): 23-26.
[12]	彭力, 徐浩天, 刘嘉慧敏, 等. 西北涡作用下陕西一次强降水过程成因分析[J]. 陕西气象, 2020(5): 1-5.
[13]	WANG B, ORANSKI I. Study of a heavy rain vortex formed over the eastern flank of the Tibetan Plateau[J]. Monthly Weather Review, 1987, 115: 1370-1393. DOI URL
[14]	WANG B. The development mechanism for Tibetan Plateau warm vortices[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 1987, 44: 2978-2994. DOI URL
[15]	缪强, 刘波, 袁立新. 青藏高原天气系统与背风坡浅薄天气系统耦合相互作用的特征分析[J]. 四川气象, 1999, 19(3): 18-22.
[16]	周丽峰, 李韬. 2007年夏季河套地区两次区域性大暴雨过程模拟分析[J]. 科技导报, 2008, 26(24): 43-50.
[17]	李江萍, 李文弘, 郭勇涛, 等. 西北涡东移的大尺度环流特征分析[J]. 兰州大学学报(自然科学版), 2020, 56(5): 629-634.
[18]	王丛梅, 丁治英, 张金艳, 等. 西北涡暴雨的湿位涡诊断分析[J]. 气象, 2005, 31(11): 28-33.
[19]	马晓华, 马青, 屈丽玮, 等. 低涡影响下的西北地区东部暴雨个例分析[J]. 陕西气象, 2021(4): 1-8.
[20]	侯书勋, 张婉莹, 陈震, 等. 一次东移西北涡暴雨过程的诊断分析[J]. 气象与环境学报, 2018, 34(5): 9-15.
[21]	李明, 高维英, 王兴慧. 西北涡和登陆台风共同影响的一次暴雨过程分析[J]. 陕西气象, 2016(5): 1-6.
[22]	武麦凤, 曹玲玲, 马耀荣, 等. 西北涡与登陆台风相互作用个例的诊断分析[J]. 暴雨灾害, 2015, 34(4): 309-315.
[23]	杜继稳, 侯明全, 梁生俊, 等. 陕西省短期天气预报技术手册[M]. 北京: 气象出版社, 2007: 37-38.
[24]	侯建忠, 王川, 鲁渊平, 等. 台风活动与陕西极端暴雨的相关特征分析[J]. 热带气象学报, 2006, 22(2): 203-208.
[25]	武麦凤, 王旭仙, 王桂梅, 等. 陕西中部一次远距离台风暴雨过程成因分析[J]. 气象科技, 2013, 41(1): 138-145.
[26]	郭大梅, 刘瑞芳, 侯建忠, 等. 陕西一次远距离台风持续性暴雨的成因分析[J]. 气象科学, 2012, 32(3): 325-331.
[27]	张雅斌, 武麦凤, 侯建忠, 等. 陕西4次台风远距离暴雨过程的水汽条件对比[J]. 干旱气象, 2014, 32(5): 788-797. DOI
[28]	赵强, 王楠, 李萍云, 等. 两次陕北暴雨过程热力动力机制诊断[J]. 应用气象学报, 2017, 28(3): 340-356.
[29]	王宏, 马凤莲, 王万筠, 等. 湿位涡分析在河北东北部暴雨预报中的应用[J]. 干旱气象, 2008, 26(4): 86-90.
[30]	SHOU S W, LI Y H. Study on moist potential vorticity and symmetric instability during a heavy rain event occurred in the Jiang-Huai Valleys[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 1999, 16(2): 312-321.
[31]	LI Y H, SHOU S W, FAN K. Isentropic potential vorticity analysis on the mesoscale cyclone development in a torrential rain process[J]. Acta Meteorological Scinica, 2002, 16(4): 75-85.