丹江口水库流域秋季连阴雨中一场暴雨的成因分析
Analysis on Causes of a Rainstorm during Continuous Autumn Rain in the Danjiangkou Reservoir Basin

作者: 刘志勇 , 杨普平 :湖北省丹江口市气象局,湖北 丹江口; 王晓南 :湖北省随州市气象局,湖北 随州;

关键词: 秋季连阴雨暴雨东路冷空气锋区水汽辐合Continuous Autumn Rain Rainstorm Cold Air from the East Area Frontal Zone Water Vapor Convergence

摘要:
利用常规天气资料、地面降雨量资料、FNL资料与卫星云图资料,对2014年9月17~18日丹江口水库流域的一次秋季连阴雨中的暴雨过程进行了诊断分析,结果表明:高空低槽、中低空切变线与地面东路冷空气是暴雨发生的主要影响系统;秋季连阴雨中的暴雨与夏季暴雨明显不同,即暴雨发生在稳定的大气层结状态下,卫星云图显示,降雨云系以层状云为主,部分时段出现了弱的对流云系,但较夏季要弱的多;中低空暖湿急流一方面为暴雨提供了源源不断水汽条件,另一方面与低层冷空气在丹江口水库流域形成了较强的锋区,暴雨发生在锋区中水汽辐合较强的区域。

Abstract: In order to improve the forecasting accuracy of this kind of weather, the rainstorm process during continuous autumn rain on Sept. 17~18, 2014 in the Danjiang Reservoir basin was analyzed by using conventional meteorological and rainfall date, FNL date, satellite cloud pictures and so on. The results show that: the main affecting systems of rainstorm come from the low trough of upper air, middle and low level shear line and the cold air from the east area. The rainstorm during the continuous autumn rain is obviously different from that in summertime that stability of atmospheric stratification occurs. The satellite images show that the precipitation cloud system is mainly stratiform cloud, and there are convective clouds in some period, but considerably weaker than those in summertime. The wet and warm of middle and lower tropospheric jets provide abundant moisture for the rainstorm, and it forms strong frontal zone with cold air at the lower troposphere in the Danjiangkou Reservoir basin. Rainstorm occurs in the frontal zone where the water vapor convergence is stronger.

1. 引言

暴雨是丹江口水库流域(105˚12'~112˚10'E, 31˚24'~34˚11'N)汛期(5~10月)的灾害天气,当地的水文气象工作者对丹江口水库流域暴雨分析研究得较多,徐元顺 [1] 等对2003年丹江口水库流域两场致洪暴雨进行诊断分析,结果表明,中低层物理量场配置为暴雨的定性预报提供了客观依据;徐元顺 [2] 等对2005年10月丹江口水库流域秋季致洪暴雨的水文气候特征进行了分析,结果表明:日平均面雨量和过程雨量是衡量致洪过程的重要指标,地形对丹江口水库致洪暴雨过程有着重要贡献;王晓南 [3] 对丹江口水库前汛期的一次暴雨天气过程进行了分析,结果表明:暴雨的落区与850 hPa水汽通量、水汽通量散度大值区的重叠区域相吻合,大多数气象科技工作者对夏季暴雨研究较多 [4] [5] [6] [7] ,而对于在秋季连阴雨中的暴雨研究的较少。

秋季连阴雨是丹江口水库流域秋汛期常见的天气现象,近十年来平均每两年一遇,最长的一次连阴雨天气长达一个多月,秋季连阴雨中的暴雨则出现的较少,特别是在长连阴雨天气背景下,大气层结处于稳定状态,水汽条件一般的情况下为什么会出现区域性暴雨天气成为困扰预报员的问题。

2014年9月6~30日丹江口水库流域出现了一次长连阴雨天气,其中17日08时(北京时,下同)到18日08时出现了一次全流域性暴雨,根据多年丹江口水库流域预报服务工作需要,将丹江口水库流域划分为三个区,其中:石泉以上为I区,石泉到白河段为II区,白河到丹江口为III区(以下简称为I区、II区、III区),此次暴雨天气就发生在长连阴雨天气背景下,强降雨主要集中在II区与III区,本文针对此次暴雨天气进行诊断分析,希望对上述问题有深刻认识,为今后预报类似暴雨天气过程提供帮助。

2. 资料选取和降水实况

本文使用丹江口水库流域与国家气象台站降水资料、FNL资料与FY-2E卫星云图与天气分析资料,计算物理量场使用FNL提供的资料。

2014年9月6日~30日丹江口水库流域出现了长达25天的阴雨天气,全流域总降水量为237.6 mm (图略),连阴雨天气造成丹江口水库水位迅速上涨,从143.02 m (1日08时)涨到157.94 m (30日20时),水库来水量增加了92亿m3,有效的缓解了前期干旱少雨造成丹江口水位低,水资源调度紧张的局面。其中9月17日08时到18时08时水库流域出现了一次暴雨天气过程,流域降雨量(图1) 30.7 mm,图1中显示强降雨主要集中在II

Figure 1. Precipitation from 08:00 Sept. 17 to 08:00 Sept. 18, 2014 at Danjiangkou Reservoir basin

图1. 丹江口水库流域2014年9月17日08时到18日08时雨量图

区与III区,受强降水影响,丹江口水库入库流量明显增加,水位由151.69 m (17日08时)涨至154.14 m (19日08时),库容两日内增加了1亿m3

3. 基本环流形势与主要特征

3.1. 500 hPa与700 hPa形势

9月8~15日500 hPa亚欧中高纬地区出现了两脊两槽形势,其中两个脊区分别位于欧州中西部与鄂霍次克海附近,两个槽区分别位于西西伯利亚到里海一带与日本列岛,巴尔喀什湖到贝加尔湖为平直的西风气流,多小波动东传,西北太平洋副热带高压(以下简称西太副高)控制我国长江以南,9月17日08时(图2(a))西北槽东移到西北地区东部,受2014年15号台风海鸥的顶托,西太副高北跳到准河流域一带,西伸脊点达到109˚E附近,丹江口水库流域受西太副高外围的西南暖湿气控制;17日20时随着海鸥在云南减弱为热低压,西太副高继续加强西伸到四川盆地,西北槽移动缓慢,造成丹江口水库流域降水持续,18日08时后西太副高东撤,西北槽东移南压,丹江口水库流域区降水逐渐减弱停止。700 hPa 16日20时陕西北部到甘肃南部生成一西南东北向切变线,17日08时切变线北段东移南压,南段少动,20时(图2(b))这条切变线东移南压到陕南–河南–江苏连云港附近,受这条切变线影响,丹江口水库流域的II区、III区17日下午到晚间降水明显加强,18日08~20时切变线南压到湖北省中部到湘西一带,丹江口水库流域降水逐渐减弱。

3.2. 地面形势

9月10~15日水库流域处于地面冷高压后部,16日08时,冷高压主体位于贝加尔湖西部地区,中心强度达到1024 hPa,地面冷锋位于贝加尔湖附近,华北平原有一小冷高压,17日02~08时冷锋移动到中蒙边境,其底

Figure 2. 500 hPa at 08:00 on Sept. 17, 2014 ((a) unit: dagpm) and 700 hPa at 20:00 on Sept. 17, 2014 ((b) unit: dagpm) synoptic situations

图2. 2014年9月17日08时500 hPa (a)、20时700 hPa (b)天气形势(单位:位势什米)

部分裂出来的冷空气沿华北平原南下,在华北平原上形成一个1020 hPa的闭合高压中心,08时~20时华北平原上冷高压中心南压到山西中部,冷高压中心达到1024 hPa,丹江口水库流域处于冷高压底部密集的等压线控制中,18日08时后高压中心南压,丹江口水库流域受其控制,降水逐渐减弱。

3.3. 大气层结特征

此次秋季暴雨中大气层结始终处于稳定状态,16日08~20时,丹江口水库流域Δθse(500-850)普遍在5℃~10℃,17日08时~18日08时后随着低层冷空气南下,丹江口水库流域Δθse(500-850)增大,普遍 > 10℃,最大值达到23℃,这说明在此期间,低层没有明显的不稳定能量存在,这次连阴雨中暴雨天气过程是在一种特定情况发下产生的,即发生暴雨的区域大气层结处于稳定状态中。

3.4. 卫星云图特征

通过对卫星云图的分析,发现此次暴雨过程云顶亮温平均值在−30℃,说明暴雨过程的降水云系主要是稳定的层状云,层状云降水具有范围广、持续时间长但雨强弱的特点;从图1中可以看出,较强降主要集中在II区与III区,从III区武当山站17日08时到18日08时逐小时降水量可以看出:17日11~16时与18日02~06时武当山雨强较强,小时雨强普遍在4~6毫米,最大小时雨强达到7.8毫米,出现在18日03时;对应此时段的

(a) (b) (c) (d)

Figure 3. Evolution of TBB of FY2E infrared cloud image at 11:00 (a), 12:00 (b) on 17 and 03:00 (c), 04:00 (d) on Sept. 17, 2014

图3. 9月17日11时(a)、12时(b)、18日03时(c)、04时(d) FY2ETBB图(单位:℃)

FY2ETBB图(图3(a)~(d))上,我们发现武当山及其附近有弱的对流云系发展并持续,云顶亮温达到−45℃,最强时达到−49℃,但这种弱的对流云系的云顶亮温较夏季时高得多,小时雨强也较夏季暴雨小得多;18时07时后,武当山地区云顶亮温又上升到−25℃以上,以稳定的层状云降水为主,没有明显的对流云系出现。

上述分析发现表明,造成此次暴雨过程的降水云系以稳定的层状云为主,部分时段出现了弱的对流云系,但这种弱对流云系没有明显的中尺度特征,发展的高度较夏季低,云顶亮温也较夏季高些,小时雨强也较夏季暴雨小得多。

4. 区域性暴雨成因分析

4.1. 高空急流的作用

高由禧 [8] 指出,华西秋雨的起止时间与高空急流有着密切关系,在此次产生暴雨形势中,200 hPa高空急流始终处于43˚N附近,对区域性暴雨的持续起到了重要作用。

9月16日08时200 hPa青海–甘肃–陕西北部–内蒙古一带出现了风速 ≥ 30 m∙s−1的一支高空急流,17时08时这支高空急流有所发展,沿111˚E散度剖面图上(图略)可见,高空急流入口区(32˚N ~35˚N) 400 hPa以上为辐散,其中散度值达到3 × 10−5∙s−1,500~850 hPa以下为弱的辐合,散度值达到−1.2 × 10−5∙s−1;14~20时高空急流较08时加强,从200 hPa到400 hPa高空有负涡度发展,14时沿111˚E散度剖面图(图4(a))上可见300 hPa高空急流入口区(32˚N~35˚N)高空辐散,其中最强值达到6 × 10−5∙s−1,500~850 hPa以下辐合依然很强,最强值达到−2.8 × 10−5∙s−1,对应同一时刻的垂直速度图上(图4(b)),800 hPa以上垂直速度明显增强,最强出现在600 hPa,达到了−6 × 10−3 hPa∙s−1,由于高空急流的加强,使得高空急流的抽气作用明显,丹江口水库流域的上升运动得到迅速发展,强劲上升运动有利于丹江口水库流域暴雨的发生。

4.2. 中低空急流

在此次过程中,低空急流的建立落后于高空急流,16日20时700 hPa偏南风急流在南海–广东–湖南建立,急流中最大风速达到18 m∙s−1,这支急流沿西太副高边缘北上到湖北西南部后发生了反气旋式旋转,转为西南风,

Figure 4. Cross-sections of divergence ((a) uint: ×10−5∙s−1) and vertical velogity ((b) uint: ×10−3 hPa∙s−1) along 111˚E at 14:00, Sept. 17, 2014

图4. 9月17日14时沿111˚E散度垂直剖面图((a) 单位:10−5∙s−1),垂直速度剖面图((b) 单位:10−3 hPa∙s−1)

Figure 5. 700 hPa Wind speed ((a) unit: m/s) and water vapor flux divergence ((b) unit: ×107 g∙cm2∙hPa1∙S1) at 08:00, Sept. 17, 2014

图5. 9月17日08时700 hPa全风速((a)单位:m/s)、水汽通量散度图((b) 单位:107 g∙cm2∙hPa1∙S1)

其中汉中、安康、南阳风速达到10~12 m∙s−1,丹江口水库流域处于急流轴的左前方,这支急流将来自南海的水汽输送到水库流域上空,但此时水库流域上空水汽为辐合辐散相间;17日08时(图5(a)) 700 hPa急流加强,湖北恩施–襄阳–南阳一带风速增加到12 m∙s−1,这支低空急流将来自南海的水汽源源不断地输送到丹江口水库流域上空,II区与III区的水汽通量迅速增加到4 g∙cm−1∙hPa−1∙S−1,水汽的辐合强度也迅速增强,最强达到−3 × 10−7 g∙cm−2∙hPa−1∙S−1,低空的急流的加强为丹江口水库流域的暴雨提低了充沛的水汽,18日08时以后低空急流东移,丹江口水库流域转为偏北气流控制,水汽通量迅速减小,水汽通量散度达到1 × 10−7 g∙cm−2∙hPa−1∙S−1,降水减弱停止,由此分析可见,高空急流的抽气作用导致丹江口水库流域的上升运动明显加强且持续较长时间,低空急流的产生与加强改善了水库流域的水汽条件,从而有利于丹江口水库流域的暴雨产生,这也为后期预报类似暴雨提供了有益的启示。

4.3. 中低空冷暖空气的作用

4.3.1. 中空冷暖空气

要产生区域性暴雨天气首先要有冷空气活动,此次秋季暴雨与夏季暴雨有明显的不同,暴雨发生在稳定的大气层结中,500 hPa,丹江口水库流域始终处于暖平流控制中,17日08时水库流域处于暖平流控制,暖平流强度达到9 × 10−5 k∙s−1,到18日08时,水库流域仍处于暖平流控制中,说明暴雨过程中,丹江口水库流域中空无明显的冷空气活动,而在夏季,中空冷空气对暴雨的产生起到重要作用。

4.3.2. 低空冷空气

在冬、春、秋季,低层冷空气的活动加剧,特别是东路冷空气对丹江口水库流域的影响很大。

通常认为低层850 hPa回流冷空气起到冷垫的作用,中低层暖湿气流沿冷垫爬升,有利于降水发生。如图6所示,16日08时700 hPa丹江口水库流域大部为弱的暖平流控制,850 hPa I区、II区为弱的冷平流控制,III区为弱的暖平流控制;20时后,随着700 hPa急流建立,丹江口水库流域为强的暖平流控制,中心最强达到12 × 10−5 k∙s−1;850 hPa冷空气自山西–河南南下,水库流域的I区、II区冷平流增强,但III区为弱的暖平流控制中,17日08~20时,随着低层冷空气的持续南压,850 hPa的丹江口水库流域为冷平流控制,中心强度达到−6 × 10−5 k∙s−1,700 hPa水库流域始终为暖平流控制,由于中空无冷空气存在,中层的偏南暖湿气流与低层的冷空气在丹江口水库流域交汇,形成了较强锋区,同时偏南暖湿气流带来了大量的水汽,在锋区附近形成强的水汽辐合,暴雨就发生在锋区水气辐合较强的区域,同时暖湿气流沿低层冷空气向上爬升,锋面的抬升提供了较强的上升运动,有利于暴雨的产生;18日08时后,500 hPa以下丹江口水库流域均为冷平流控制,锋区南压,丹江口水库流域降水减弱结束。

Figure 6. Temperature advection (unit: ×10−5 K∙S−1, Solid line (700 hPa), Shadow (850 hPa)) at 20:00 Sept. 16 (a), at 14:00 Sept. 17 (b)

图6. 9月16日20时(a)、17日14时(b) 700 hPa (实线)、850 hPa (阴影)温度平流图(单位:×10−5 K∙S−1)

5. 小结

1) 此次暴雨天气过程发生在有利天气形势下,高空低槽、中低空切变线与地面东路回流冷空气是主要影响系统。

2) 此次连阴雨天气中的暴雨发生在稳定的大气层结中,由于中层没有冷空气活动,低层冷空气自东路侵入,大气层结处于对流稳定的状态。

3) 降雨云团主要是层状云,部分时段出现了弱的对流云系,弱对流云系没有明显的中尺度特征,发展的高度较夏季低,云顶亮温也较夏季高些,小时雨强也较夏季暴雨小得多。

4) 高空急流先于低空急流建立,持续加强的高空气流抽气作用明显,造成丹江口水库流域的上升运动得到迅速发展并且持续较长时间;中层的偏南暖湿气流与低层的冷空气在丹江口水库流域交汇,形成了较强锋区,暴雨就发生在低层锋区的较强水汽辐合区域,同时暖湿气流沿低层冷空气向上爬升,锋面的抬升提供了较强的上升运动,有利于暴雨的持续。

文章引用: 刘志勇 , 杨普平 , 王晓南 (2018) 丹江口水库流域秋季连阴雨中一场暴雨的成因分析。 水资源研究, 7, 190-198. doi: 10.12677/JWRR.2018.72021

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