• CN 62-1175/P
  • ISSN 1006-7639
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干旱气象, 2022, 40(1): 73-83 DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2022)-01-0073

论文

一次典型东风波极端暴雨的中尺度特征及地形影响分析

胡振菊,1,2, 黎璐2, 黄小玉3, 何炳文2, 叶日新2

1.气象防灾减灾湖南省重点实验室,湖南 长沙 410118

2.湖南省常德市气象局,湖南 常德 415000

3.国家气象中心,北京 100081

Analysis of mechanism of topographic influence and meso-scale convective characteristics of an extremely severe rainfall affected by typical easterly wave

HU Zhenju,1,2, LI Lu2, HUANG Xiaoyu3, HE Binwen2, YE Rixin2

1. Key Laboratory of Hunan Province for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation, Changsha 410118, China

2. Changde Meteorological Bureau of Hunan Province, Changde 415000, Hunan, China

3. National Meteorological Centre, Beijing 100081, China

责任编辑: 黄小燕;校对:王涓力

收稿日期: 2020-12-22   修回日期: 2021-04-28  

基金资助: 湖南省气象局重点项目(XQKJ18A002)
湖南省气象局预报员专项(XQKJ19C001)
湖南省气象局预报员专项共同资助(XQKJ21C002)

Received: 2020-12-22   Revised: 2021-04-28  

作者简介 About authors

胡振菊(1971—),女,硕士,高级工程师,主要从事天气分析及数值模式检验研究.E-mail:zhj_zhs@163.com

摘要

利用湖南省常规气象观测资料、区域自动站资料、NCEP再分析资料、常德多普勒雷达资料,分析2016年8月8—15日在多个东风波倒槽接力影响下,湘北地区反复出现的极端暴雨天气的中尺度特征,并利用WRF-ARW中尺度数值模式,对8月10—11日湘北地区极端暴雨过程进行数值模拟和地形敏感性试验。结果表明:(1)1604号台风在广东深圳登陆后沿西北路径移动和1605号台风在西北太平洋向北移动后,副热带高压快速西伸控制华东及沿海地区,其底部的东风波扰动为极端暴雨提供了环流背景;(2)近地面不均匀加热为东风波槽附近强对流提供了充足的热力不稳定条件,地面中尺度辐合线为对流的触发和加强起到重要作用;(3)东风波槽带来的边界层暖湿气流在武陵山东侧激发深厚中尺度涡旋,是极端暴雨形成的主要原因;(4)地形敏感性试验进一步验证了东风波暖湿气流在武陵山脉地形抬升和阻挡作用下,在迎风坡上游地区形成气旋性辐合导致暴雨增幅。

关键词: 东风波; 极端强降水; 武陵山脉; 地形敏感性试验

Abstract

Based on conventional observation data, regional automatic station data of Hunan Province, NCEP reanalysis data and Changde Doppler radar data, the mesoscale characteristic of extreme rainstorms occurring repeatedly in the north of Hunan Province from 8 to 15 August 2016 affected by several easterly waves was analyzed comprehensively. The effect of the Wuling mountains topography on rainfall increase was further verified by WRF-ARW mesoscale numerical experiments. The results are as follows: (1) After the typhoon 1604 landing at Shenzhen of Guangdong Province and moving northwestward and the typhoon 1605 moving northward, the western Pacific subtropical high rapidly extended westward and controled east China and coastal areas. At this time, the easterly wave disturbance at the bottom of the subtropical high provided the circulation background for extreme rainstorms. (2) The non-uniform heating near the ground provided sufficient thermal instability for the strong convection near the easterly wave trough, the surface mesoscale convergence line played an important role in triggering and strengthening the convection. (3) During the eastward movement of the boundary-layer warm moist air, a deep mesoscale vortex formed in east side of the Wuling mountains, which was the main reasons for the extreme rainstorm formation. (4) The topographic numerical sensitivity experiment further verified that the existence of the Wuling mountains was beneficial to the development and maintenance of strong convection on the east side of the mountain under the guidance of the easterly wind flow.

Keywords: easterly wave; extreme precipitation; the Wuling mountains; orographic experiment

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本文引用格式

胡振菊, 黎璐, 黄小玉, 何炳文, 叶日新. 一次典型东风波极端暴雨的中尺度特征及地形影响分析[J]. 干旱气象, 2022, 40(1): 73-83 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2022)-01-0073

HU Zhenju, LI Lu, HUANG Xiaoyu, HE Binwen, YE Rixin. Analysis of mechanism of topographic influence and meso-scale convective characteristics of an extremely severe rainfall affected by typical easterly wave[J]. Journal of Arid Meteorology, 2022, 40(1): 73-83 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2022)-01-0073

引言

东风波是热带和副热带沿海地区重要天气系统之一,其在西移过程中得到发展,使得我国江南地区常常出现局地暴雨、雷雨大风、冰雹等强对流天气[1]。RIEHL[2]1954年提出东风波模式后,很多研究开始关注东风波的形成、结构、天气以及其对热带气旋形成的影响[3,4,5,6,7,8]。随着数值模式的发展,东风波暴雨成因的物理量诊断分析得以进行[9,10,11],预报员对东风扰动发展过程中低纬多尺度天气系统的综合影响有了进一步了解。

地形对降水的发展、维持有重要影响,它通过改变地形上空边界层风场,引起局地中尺度对流发生发展,其热力作用使得垂直环流加强,导致降水增幅。另外,地形对降水增幅作用是一个多尺度过程[12,13,14,15,16]:如钮学新等[15]研究指出迎风坡强迫抬升可使台风、东风波等热带系统降水明显增加;王晓芳等[16]通过地形阻滞模型分析0604号热带风暴“碧利斯”在罗霄山脉迎风坡前侧平原地区引起的强降水,认为地形强迫上升及其对暴雨的触发主要在迎风坡气流上游平原地区。

2016年8月8—15日,受多个东风波槽接力影响,位于武陵山脉迎风坡前侧的湘北地区连续8 d午后至夜间出现分散性大暴雨、雷暴大风等强对流天气,这是否与山脉综合效应有关?本文利用常规气象观测、区域自动站、NCEP再分析资料和多普勒雷达资料,对此次典型东风波过程环流背景、结构特征、触发机制进行分析,利用WRF高分辨率数值模式探讨8月10—11日受其中一个东风波槽影响湘北地区极端暴雨过程中地形的影响,以期加深对东风波分散暴雨和地形影响的认识,为改进预报提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

利用湖南省97个国家站、3522个区域站2016年8月8—15日逐日天气图、逐时降水量进行降水实况分析;利用湖南常德多普勒雷达组合反射率因子及速度图等分析雷达回波特征;利用同时期分辨率为1°×1°的NCEP逐6 h再分析资料,包括位势高度、风、水汽通量、水汽通量散度、垂直速度、假相当位温、涡度、散度等物理量,分析东风波环流结构及物理量特征。

文中附图所涉及行政边界均基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1699号的中国地图制作,底图无修改。

1.2 数值试验方案

中尺度数值模式选用WRF-ARW 4.0版,分别采用WSM 6-class方案[17]、Dudhia短波[18]、RRTM长波[19]、YSU边界层和Kain-Fritsch积云对流方案[20,21,22]。初始场为NCEP每6 h资料,积分时间为10日20:00(北京时,下同)至11日20:00。模拟区域设置如图1所示,采用三重嵌套方案,D01(14°N—39°N、101°E—129°E),D02(24.5°N—32°N、107.5°E—117°E),D03(27°N—31°N、109°E—114°E),分辨率分别为9、3、1 km,模式垂直方向设为55层。设计2组试验即控制试验和敏感性试验进行对比分析,控制试验采用美国地质测量局(USGS)提供的2'(4 km)地形高度数据,敏感性试验将山脉高度降低至200 m。通过2组试验主要对D02、D03区域模拟结果进行对比分析,探讨特殊地形对降水的增幅作用及其对暴雨云团动力过程的影响。

图1

图1   模式嵌套区域及地形分布(单位:km)

Fig.1   The setting of mode domain and the topography distribution (Unit: km)


2 东风波环流背景

图2为2016年7月29日至8月9日1604和1605号台风路径,8月10日08:00、14:00、11日02:00 500 hPa位势高度场、850 hPa涡度场及风场。可以看出,高层大气环流调整是此次东风波形成的重要前兆信号。即在东风波生成前期,台风“妮妲”(1604号)在广东深圳登陆,西太平洋副热带高压(简称“副高”)断裂成东西两环,东环退至海上。8月7日台风“奥麦斯”(1605号)在菲律宾以东洋面生成,其北上后东环副高迅速西伸控制华东及沿海地区。8—15日副高强盛且位置偏北,西脊点西伸至105°E附近,副高南边界588 dagpm线位于32°N以北,其南侧多个深厚的东风波槽接力向西传播。受其中一个东风波槽影响,8月10—11日湖南北部出现极端暴雨。10日08:00东风波东移至华东沿海,随后不断发展并向西北方向移动。10日14:00至11日02:00随着东风波槽向西移动至湖南北部,一条明显的正涡度带随之移近,为强降水发生提供有利的环流条件。

图2

图2   2016年7月29日至8月9日1604和1605号台风路径(a),2016年8月10日08:00(b)、14:00(c)、11日02:00(d)500 hPa位势高度场(等值线,单位:dagpm)、850 hPa涡度场(阴影,单位:10-5 s-1)及风场(箭矢,单位:m·s-1)

(红色线包围区域为湖南省,下同)

Fig.2   The tracks of the typhon 1604 and 1605 from 29 July to 9 August 2016 (a), the geopotential height field (the isolines, Unit: dagpm) on 500 hPa, vorticity field (the shaded, Unit: 10-5 s-1) and wind field (the vectors, Unit: m·s-1) on 850 hPa at 08:00 BST 10 (b), 14:00 BST 10 (c) and 02:00 BST 11 (d) August 2016

(the area in the red border for Hunan Province, the same as below)


此次极端暴雨过程中,湘北常德市受多个东风波接力影响,反复出现暴雨天气。分析2016年8月7—15日常德站(29.07°N、111.41°E)风场及垂直速度的时间-高度剖面(图3)可以看出,对流层中下层均为东风气流,13日前风速较弱且相对稳定,14日起整层东风风力加大、厚度加深,东风波轴向西倾斜,16日波轴完全移出湘北地区,强对流天气结束。在东风波向西传播靠近武陵山脉时,特别是7—13日整层东风风速较小的情况下,强对流天气在湘北地区长时间反复出现,这是否与武陵山地形屏障及强迫抬升作用有关,后面利用数值试验加以验证。

图3

图3   2016年8月7—15日常德站风场(箭矢,单位:m·s-1)及垂直速度 (阴影,单位:Pa·s-1)的时间-高度剖面

Fig.3   The height-time sections of wind field (the vectors, Unit: m·s-1) and vertical velocity (the shaded, Unit: Pa·s-1) at Changde station from 7 to 15 August 2016


3 东风波强对流概况及降水极端性特征

2016年8月8—11日受东风波槽影响,湖南夜间降雨均较为分散,暴雨区主要集中在湘北地区,并逐日增强:8日夜间强降水在武陵山脉东侧沿山一带,暴雨中心雨量131.1 mm[图4(a)];9日夜间强降水集中在武陵山与雪峰山交界地带,暴雨区范围增大,暴雨中心雨量248.5 mm[图4(b)];10日夜间强降雨区北抬,暴雨区范围进一步增大,暴雨中心雨量增大至253.2 mm[图4(c)]。由暴雨中心临澧县杨板乡区域自动站11日01:00—07:00逐时降水量[图4(d)]可以看出,11日03:00—05:00是暴雨集中时段,连续3 h雨强超过50 mm·h-1,最大达93.8 mm·h-1,3 h累计降水量达214.3 mm,占该时段总降水量的89%。总体上,此次东风波过程的极端性表现为持续时间长、对流特征明显,且雨强之强和累计雨量之大在湖南省北部地区均少见。

图4

图4   2016年8月8日20:00至9日08:00(a)、9日20:00至10日08:00(b)、10日20:00至11日08:00(c)湖南累计降水量(单位:mm)空间分布及8月11日01:00—07:00杨板乡站逐时降水量(d)

Fig.4   The distribution of accumulative precipitation (Unit: mm) from 20:00 BST 8 to 08:00 BST 9 (a), 20:00 BST 9 to 08:00 BST 10 (b) and 20:00 BST 10 to 08:00 BST 11 (c) in Hunan Province, hourly precipitation of Yangban township station from 01:00 BST to 07:00 BST 11 August 2016


4 中尺度对流演变与触发

4.1 雷达回波演变

8月10日午后分散的对流单体在湘中东部生成,对流单体向西北方向移动过程中缓慢加强,回波范围逐渐扩大。21:00开始回波加强,并逐渐发展成线状自东南向西北移动。在移动过程中南端逐渐减弱,北端组织化明显且移动缓慢,当其移至武陵山脉东侧的湘北地区时发生旋转,10日22:00至11日05:00,湘北地区出现大暴雨、强雷电和大风天气,常德多普勒雷达回波图上表现为强弓状回波。研究表明,短时暴雨、雷暴大风、冰雹等强对流天气往往由中尺度对流系统(MCS)引起[23,24],因此对10日20:00至11日08:00 MCS演变与触发进行分析。

此次中尺度对流系统经历了西北向发展(10日14:00至11日02:00)、准静止(11日02:00—03:00)以及西南—东北后向传播(11日04:00—05:00)3个阶段,极端降水主要出现在准静止及后向传播阶段。图5为2016年8月10日22:35、11日02:19常德多普勒雷达组合反射率因子及沿图5(b)中蓝色直线的反射率因子垂直剖面及风暴属性。10日14:00分散对流单体在湘中长沙、益阳一带发展,22:00对流单体合并,形成一条长宽比大于5:1的线状雷暴群自东南向西北方向移动并加强,中心强度约50 dBZ,该时段降水分散。11日02:00线状回波北端移至洞庭湖西岸,形成东北—西南向的短雨带,雨带上多个强对流单体排列,呈现出合并、成熟、消亡的过程,回波中心强度约55 dBZ。11日02:00强回波移至武陵山脉东侧的澧阳平原交界地带,雨带旋转至与山脉平行,并停滞。

图5

图5   2016年8月10日22:35(a)、11日02:19(b)常德多普勒雷达组合反射率因子(单位:dBZ)及沿图5(b)中蓝色直线的反射率因子垂直剖面(c, 单位:dBZ)及风暴属性(d)

Fig.5   The combined reflectivity factor of Changde Doppler radar at 22:35 BST 10 (a) and 02:19 BST 11 (b) (Unit: dBZ) August, the vertical section of base reflectivity factor along the blue solid line in Fig.5b (c, Unit: dBZ) and the radar storm properties (d)


图6为2016年8月11日02:25常德多普勒雷达0.5°、1.5°仰角径向速度及11日02:00—04:00杨板乡站逐分钟降水量。可以看出,本次过程中对流云团向西移动接近武陵山脉时在山脉东侧的临澧县东北部激发出一个中尺度涡旋[图6(a)、图6(b)中黑色圆圈],该中尺度涡旋旋转速度约15 m·s-1,尺度为20 km,持续10个体扫约60 min,其主体回波中心高度在3 km以下,距离该气旋中心最近的临澧县杨板乡区域站11日02:30—03:30逐分钟降水量基本超过1.5 mm,最强时接近3.0 mm[图6(c)]。在低层水汽充沛、湿层深厚和垂直风切变较弱的环境下,该风暴具有典型热带降水回波的低质心特征。俞小鼎等[25]指出在有利于强降水的环境条件下,中气旋或比中气旋尺度更大的涡旋均会导致降水增幅。受该中尺度涡旋前侧强下沉运动影响,在对流单体的北侧形成一条阵风锋。阵风锋的北侧与东北风发生辐合,新单体在强回波带后方新生、合并,形成后向传播,缓慢向西北方向移动,该状态维持近5 h。

图6

图6   2016年8月11日02:25常德多普勒雷达0.5°(a)、1.5°(b)仰角径向速度(单位:m·s-1)及11日02:00—04:00杨板乡站逐分钟降水量(c)

Fig.6   The radial velocity on 0.5° (a) and 1.5° (b) elevation of Changde Doppler radar at 02:25 BST 11 August (Unit: m·s-1), the minutely precipitation at the Yangban township station from 02:00 BST to 04:00 BST 11 (c) August 2016


4.2 中尺度对流触发机制和水汽来源

强对流发生发展主要取决于低层触发机制[26],本次暴雨过程期间湘西北地区午后气温均维持在35~37 ℃之间,大气具备较好热力不稳定条件。8月10日14:00、20:00湘西北地区850 hPa与500 hPa假相当位温差(Δθse850-500)分别为6、12 K,说明在强对流启动前,东风气流为湘西北地区持续输送了大量的不稳定能量。10日夜间,东北和东南两支气流在湘北地区交汇,形成水汽辐合中心。图7为2016年8月10日23:00和11日02:00湖南省地面风场叠加过去6 h降水量。可以看出,10日23:00湘中以北有一条准南北向、近乎与波轴重合的地面辐合线。东风波倒槽前部的东北气流携带冷空气南下,在武陵山东侧及雪峰山南侧迎风坡汇集,激发出一条线状对流风暴,在西移过程中南端减弱、北端加强。随着东风波倒槽向西推进,在武陵山脉东侧迎风坡上,南北向地面辐合线发生旋转成准东西向,并在此相对静止。在地面辐合线强迫下,暖湿气流得以抬升,触发强对流发展。该辐合线长时间存在,对流得以组织并维持。这与孙继松[13]研究结论基本一致,即在浅薄东风气流背景下,远离山坡端偏南(北)分量加大(减小),而靠近山坡端偏南(北)分量减小(增大)。

图7

图7   2016年8月10日23:00(a)和11日02:00(b)湖南省区域站风场(风矢量,单位:m·s-1)和过去6 h降水量(阴影,单位:mm)

Fig.7   The wind field (the vectors, Unit: m·s-1) and past 6 hours precipitation (the shaded, Unit: mm) of regional stations in Hunan Province at 23:00 BST 10 (a) and 02:00 BST 11 (b) August 2016


此次暴雨过程突出特点是强对流发生在暖区内。图8为2016年8月10日20:00、11日02:00 850 hPa风场和水汽通量散度,850 hPa风场和假相当位温θse,500 hPa风场及850 hPa与500 hPa θse差值(Δθse850-500)场。从850 hPa θse演变可以发现,10日20:00至11日02:00 355 K的θse等值线从华南东部沿海向西北扩展,并随着东风波槽向西移动,在其带动下,低层暖湿气流向西输送并在湘北地区形成强辐合。从Δθse850-500变化可以看出,其具有与低层θse同步变化的趋势,11日02:00湘北地区Δθse850-500较大,达10~15 K。进一步说明,东风波槽向西移动和传播过程中,源于热带和副热带的暖湿空气持续输送,为暴雨区出现极端雨强提供充沛的水汽和不稳定能量。

图8

图8   2016年8月10日20:00(a、c、d)、11日02:00(b)850 hPa风场(箭矢,单位:m·s-1)和水汽通量散度(阴影,单位:10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1)(a、b),850 hPa风场(箭矢,单位:m·s-1)和假相当位温θse(阴影,单位:K)(c), 500 hPa风场(箭矢,单位:m·s-1)及Δθse850-500(阴影,单位:K)(d)

Fig.8   The wind field (the vectors, Unit: m·s-1) and water vapor flux divergence (the shaded, Unit: 10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1) on 850 hPa (a, b), the wind field (the vectors, Unit: m·s-1) and θse (the shaded, Unit: K) on 850 hPa (c), the wind field (the vectors, Unit: m·s-1) on 500 hPa and Δθse850-500 (the shaded, Unit: K) (d) at 20:00 BST 10 (a, c, d) and 02:00 BST 11 (b) August 2016


5 地形敏感性试验

研究[27,28]表明,山地通过动力作用和热力过程使相应的空气层中天气尺度系统或气流发生重大改变。湘北地区西北侧为平均海拔1500 m的武陵山脉,南面为平均海拔1200 m的雪峰山,东北侧为海拔不足50 m的洞庭湖平原。表1列出2016年8月10日22:00至11日05:00雨强大于20 mm·h-1的中尺度雨团演变。可以看出,10日23:00雨强大于20 mm·h-1的中尺度雨团最初从东部的汉寿县、安乡县发展,随后向西移至临澧县、石门县、澧县,移动过程中,中尺度雨团增多,雨强增大。11日02:00—04:00是中尺度雨团发展最旺盛阶段,2 h内临澧县、石门县均有雨强超过90 mm·h-1的中尺度雨团生成。

表1   2016年8月10日22:00至11日05:00雨强大于20 mm·h-1的中尺度雨团演变

Tab.1  The development of mesoscale rain cluster with rainfall intensity more than 20 mm·h-1 from 22:00 BST 10 to 05:00 BST 11 August 2016

时段雨强大于20 mm·h-1的站数最大雨强/(mm·h-1)所属县
10日22:00—23:00120.7汉寿
10日23:00—00:001034.9安乡
11日00:00—01:003483.3安乡
11日01:00—02:003552.0临澧
11日02:00—03:004193.8临澧
11日03:00—04:004693.3石门
11日04:00—05:003458.8澧县

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5.1 控制试验模拟结果

从控制试验对8月10日20:00至11日08:00湖南及周边地区的降水量模拟结果[图9(a)]来看,试验模拟的大暴雨落区与实况基本接近,湘北地区出现250 mm以上强降水中心。此外,控制试验显示10日20:00后对流逐渐加强,10日22:00至11日05:00为中尺度对流特征显著阶段,这均与实况较吻合,说明模式设计方案对本次过程模拟效果较好。

图9

图9   控制试验(a)和敏感性试验(b)模拟的2016年8月10日20:00至11日08:00累计降水量(单位:mm)分布

Fig.9   The distribution of accumulated precipitation simulated by control test (a) and sensitivity test (b) from 20:00 BST 10 to 08:00 BST 11 August 2016 (Unit: mm)


5.2 地形对降水增幅作用的对比分析

对比控制试验和敏感性试验模拟结果(图9)可以看出,敏感性试验模拟降水空间分布较控制试验发生明显变化:一是迎风坡暴雨中心降水强度明显减小,控制试验模拟出成片暴雨,而敏感性试验表现为分散暴雨点;二是暴雨中心向西发生明显位移,控制试验模拟暴雨区位于武陵山脉东侧,而敏感性试验模拟暴雨区靠近或在山脉之上;三是暴雨区形态和范围出现较大变化,控制试验表现为片状,而敏感性试验变为线状且范围变窄。因此,在偏东气流影响下,武陵山脉地形对迎风坡降水量有一定增幅作用。

5.3 地形对暴雨云团动力及维持机制的对比分析

图10为2016年8月10日20:00至11日20:00控制试验和敏感性试验模拟的暴雨中心附近(临澧县杨板乡站)风场及垂直速度的高度-时间剖面。可以看出,控制试验显示对流层中低层上升、下沉耦合运动交替出现,而敏感性试验均表现为单一的弱上升运动。10日21:00至11日03:00,在山脉东侧控制试验的气流方向发生较大改变,2 km以下为5 m·s-1的东北风,而敏感性试验为2 m·s-1左右的平直东风,当接近山脉的空气不能越过抬高的地形时,气流在水平方向偏转并绕过山脉,引起各种局地风场变化和天气系统的发展。11日03:00—04:00暴雨最强阶段,控制试验显示暴雨中心存在一个低层下沉、中层上升、高层下沉的垂直运动柱,即3 km以下为下沉运动,下沉运动中心气流达2 m·s-1以上,下沉气流的出现与强降水粒子的拖拽有关,预示对流云团由最强盛即将转为衰减阶段;3~6 km为上升运动,中心气流达2 m·s-1以上;7~8 km有明显下沉运动,中高层的抽吸作用明显。而降低山脉地形后的敏感性试验显示暴雨区云系的动力场均发生明显变化,维持暴雨的对流层中低层上升、高层下沉的垂直结构减弱,整层均由弱的上升气流取代,对流维持机制不存在。

图10

图10   2016年8月10日20:00至11日20:00控制试验(a)和敏感性试验(b)模拟的杨板乡站风场(箭矢,单位:m·s-1)及垂直速度(阴影,单位:m·s-1)的高度-时间剖面

Fig.10   The height-time sections of wind field (the vectors, Unit: m·s-1) and vertical velocity (the shaded, Unit: m·s-1) simulated by control test (a) and sensitivity test (b) at Yangban township station from 20:00 BST 10 to 20:00 BST 11 August 2016


分析2016年8月11日04:00控制试验和敏感性试验模拟湘北区域(27°N—30°N、110°E—112°E)0.5 km风场及雷达反射率(图11)。可以看出,控制试验中受东北与东南风辐合影响,一个直径为30 km左右的中尺度对流云团在武陵山脉东侧强烈发展,强回波沿山脉呈西南-东北向分布。当山脉地形降低后,山脉的屏障作用消失,临澧县东北方向的东北风速由控制试验的10 m·s-1减小到敏感性试验的5 m·s-1,其西南方向的东北风速则由控制试验的5 m·s-1增大到敏感性试验的8 m·s-1;东北风覆盖范围在山脉降低后的敏感性试验比控制试验增加了一倍,对流未能触发和组织。

图11

图11   2016年8月11日04:00控制试验(a)和敏感性试验(b)模拟的湘北区域0.5 km风场(箭矢,单位:m·s-1)和雷达反射率(阴影,单位: dBZ)

(+为暴雨中心)

Fig.11   Distribution of the 0.5 km wind field (the vectors, Unit: m·s-1) and radar reflectivity (the shaded, Unit: dBZ) by control test (a) and sensitivity test (b) at 04:00 BST 11 August 2016 in northern Hunan area

(+ indicates the location of rainstorm)


中尺度涡旋的生消和发展均与降水密切相关,尤其与天气尺度系统叠加时降水增幅明显。为进一步了解山地地形对垂直运动的影响,对2016年8月11日03:00—06:00两组试验模拟的中尺度涡旋中心(杨板乡站)的垂直速度(图12)进行比较。两组试验均显示低层(2 km及以下)辐合、高层(4 km及以上)辐散逐渐增强;中尺度涡旋衰亡期(11日05:00—06:00)两组试验均显示低层辐合上升、高层辐散下沉的特征逐渐消失。同时,控制试验中,11日03:00—04:00(中尺度涡旋初期到盛期),对流层中层(3~6 km)辐合上升、对流高层(6~9 km)下沉辐散运动始终较改变山脉地形之后的敏感性试验强。11日05:00—06:00(中尺度涡旋衰减期)两组试验中垂直运动差别逐渐缩小。其机制可能是没有山脉大地形存在时,中尺度系统的垂直运动由环境大气决定,当有较大山体存在时,在地形阻滞抬升作用下,气流在山前平原地区对流层中层形成强地形辐合上升、高层下沉辐散,为中尺度系统加强和维持提供动力条件。

图12

图12   2016年8月11日03:00—06:00控制试验和敏感性试验模拟的杨板乡站垂直速度廓线

(a)03:00,(b)04:00,(c)05:00,(d)06:00

Fig.12   The vertical velocity profiles simulated by control test and sensitivity test at Yangban township station from 03:00 BST to 06:00 BST 11 August 2016

(a) 03:00 BST, (b) 04:00 BST, (c) 05:00 BST, (d) 06:00 BST


6 结论

(1)1604号台风在广东深圳登陆后沿西北路径移动和1605号台风在西北太平洋向北移动后,副热带高压快速西伸控制华东及沿海地区,其底部的东风波扰动为此次极端暴雨过程提供了环流背景。

(2)近地面不均匀加热为东风波槽附近强对流提供充足的热力不稳定条件,地面中尺度辐合线对新生对流的触发和已有对流的维持与加强起到重要作用。

(3)东风波槽带来的边界层暖湿气流东移过程中在武陵山东侧形成深厚中尺度涡旋,是极端暴雨形成的主要原因。

(4)地形敏感性试验进一步验证了东风波暖湿气流在武陵山脉地形抬升和阻挡作用下,在迎风坡上游地区形成气旋性辐合导致暴雨增幅。主要表现在:山脉的存在使得气流在水平方向发生偏转,在山脉东侧引起风场变化和天气系统的发展;地形的变化对对流云系的动力结构有显著影响,当山脉地形降低后,在整个过程中对流层中层辐合上升与下沉辐散水平环流消失而表现为单一的弱上升运动,在对流旺盛阶段垂直方向上对流层中低层辐合上升、高层下沉的垂直运动结构减弱,对对流触发和维持起到抑制作用。

对于不同尺度及不同影响系统造成的降水过程,地形作用的影响是多样的,因此今后将选取不同降水个例进行研究很有必要。此外,该过程中东风波激发的中尺度系统均发生在云带与武陵山脉东侧平原向山脉过渡处,地形与雨团生成发展的定量关系仍有待进一步研究。

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