庄千宝 叶子祥 卢卫星 余贞寿

(1.乐清市气象局,浙江乐清325600;2.温州市气象台,浙江温州325027)

0 引 言

2010年7月24日下午到27日晨,浙江省温州、台州、宁波南部3地沿海地区先后发生大暴雨(以下简称“2010·7·24”大暴雨),过程雨量普遍在200 mm以上,共有23个站点(自动站记录)48 h雨量在300 mm以上,26日11时—23时13个个自动站的12 h雨量大于150 mm;其中温州和台州部分地区为特大暴雨,温岭市温峤站过程雨量达516 mm,造成这些地区的局部洪涝。

“2010·7·24”大暴雨是受沿海低空 SE风急流及东风波影响发生的,对于低空SE风急流和大暴雨的关系曾有过不少研究。王德瀚[1]对1960年9月22—24日及1973年10月9—11日2次东南风急流大暴雨过程进行分析指出,这2次大暴雨的发生都同南海台风外围和副热带高压之间的低空东南风急流有关,大暴雨区处于SE风急流的轴的左侧,急流的垂直切变明显,同时具有非地转的性质,浙江沿海的迎风坡地形也对产生大暴雨有利。据王德瀚对1958—1977年的资料统计,22 a中浙江省共发生这类大暴雨21例,占浙江 9—10月非台风大暴雨的24.4%。

叶子祥等[2]曾对1981年9月22日在浙南沿海发生的一次特大暴雨过程(乐清市24 h雨量达709 mm)进行分析指出,在广东西部登陆的8116号台风减弱为热带低压后,副热带高压SW侧和热带低压之间在浙南形成SE风急流带,中低层的SE风急流和低层的东风波是这次特大暴雨的主要影响系统,中低层浙南沿海的水汽辐合和不稳定层结为大暴雨的发生提供了有利的条件。

黄文根等[3]分析了1994年7月12日河北到辽宁的暴雨过程(北京48 h过程雨量≥200 mm)指出,9416号台风在武汉减弱为低压后,和朝鲜到东海的南北向副热带高压之间形成的超地转东南风低空急流,大暴雨区位于超地转风速中心下游。这支超地转低空急流对促进位势不稳定、加强动力辐合上升运动及提供能量和水汽等方面起着重要作用,从而为暴雨持续发展提供了极为有利的条件。

“2010·7·24”大暴雨预报技术难度较大 ,各种数值预报产品仅预报中到大雨。本文利用NCEP再分析资料、气象卫星探测资料、自动气象站监测网资料进行综合分析,探讨这类大暴雨发生的物理机制和预报思路。

1 大暴雨时空分布及卫星云图分析

2010年7月24日下午温州南部开始发生暴雨,到27日晨暴雨过程持续60 h,自南而北先后在温州北部、台州、宁波南部沿海发生大暴雨或特大暴雨;温岭市的温峤站26日21时1 h雨量达68 mm。据过程雨量分布图(图1),暴雨主要集中在温州到宁波的东南部沿海一带。

图1 2010年7月24日14时—27日02时过程雨量图

温州地区在24日午后、25日午后至傍晚、25日夜至26日晨分别有3次雨量相对集中的暴雨或大暴雨过程;温州北部和台州的大暴雨主要发生在25日下半夜、26日午后到26日夜;而宁波南部主要发生在26日午后到27日凌晨。从各地的暴雨中心逐时雨量分布图可以看到,大暴雨的发生有明显的日变化,一般都发生在午后到凌晨。

据24日08时到27日08时的卫星云图反映(图2),7月24日08时台湾东部沿海有一α中尺度热带云团,该云团向NE方向移动减弱后,25日在台湾东部沿海又新生一个α中尺度云团。24日14时,浙南沿海新生成一个β中尺度云团,温州南部开始发生暴雨;20时该云团减弱,其后,β中尺度云团在逐渐北移的过程中强度时强时弱有明显的日变化,但云顶温度都在-10～ -40 ℃;在 25日 14时、25日 22时—26日06时、26日13—23时处于加强发展阶段,对应温州中北部和台州南部、宁波南部先后发生大暴雨。图2说明,“2010·7·24”大暴雨过程并非受东海热带云团西移影响,而是和浙江中南部沿海就地生成的中低层对流云团活动有关,这种大暴雨的短期预报技术难度较大。

图2 2010年7月24日08时—27日02时卫星云图图

2 天气形势

500 hPa图上(图略),24日08时—26日08时浙中南处于副热带高压(脊线在30°N)和华北大陆高压及朝鲜半岛低槽、台湾海峡南部东风波倒槽的鞍型场中,26日20时南北槽合并成低压环流,27日20时该低压北移到长江口。整个过程在浙中南沿海没有形成SE风急流。

据NCEP再分析资料提供的850 hPa(图3)和700 hPa(图略)流场图分析,7月24—27日20°N以南无台风和热带风暴活动。7月22日08时菲律宾东部海面低空有东风波生成向NW方向移动,24日08时在台湾海峡南部形成热低压环流,其倒槽从台湾海峡南部伸向江西东北部,河北到关岛为NW-SE向副热带高压带,高压中心在九州岛,浙中南沿海处于副热带高压带SW侧和倒槽的NE侧,“2010·7·24”大暴雨发生在倒槽NE侧、低空SE风急流左侧;大陈岛和宫古岛 850 hPa风速达 14～16 m/s。25日 20时,倒槽西移到南海东部到安徽一线,26日08时在闽南沿海发展为低压;24—26日浙中南沿海的SE风急流一直维持,27日08时闽南低压向北移到浙北,浙中南转为SW风,大暴雨过程结束。

据以上形势场分析“2010·7·24”大暴雨主要和低层SE风急流有关。

3 低空急流及超地转风的分析

有关研究[4]认为,低空急流指风速≥12 m/s或16 m/s、在边界层到3 km高度的气流,和暴雨的相关系数可达0.80,暴雨一般发生在低空急流风速最大值的左前方;低空急流以中尺度扰动的形式给中纬度暴雨提供水汽、热量和动量,是暴雨发生的最重要机制。

低空急流有明显的日变化,一般在凌晨达最大值。在夏季,当副热带高压位置偏北时,常出现来自东海或黄海的偏东风急流,在无台风或台风处于1000 km之外远距离情况下,对流层的气压梯度和温度梯度都很小,低空急流及其附近的大风区都为超地转,最大超地转强度(地转风偏差)可达该风速的40%,这种超地转风的特性与暴雨的发生有密切的关系[5]。

孙淑清[6]利用衡山、九仙山两个高山站资料,通过3次低空急流对暴雨的作用分析指出：急流轴上各站的强降水几乎全部发生在风速急增,超地转最强的时段内,一旦急流又接近地转平衡时,降水就几乎停止。低空急流轴上风速急增时,出现很强的超地转不平衡,触发了中尺度雨团的发展,导致暴雨发生。

根据24日08时—26日20时850 hPa和925 hPa大陈站、宫古和石桓站的风实况记录,这一段时间都维持SE风,且风速都在12 m/s以上,从流场图可以看到浙中南都处于SE风急流的中心轴的左侧。

为了探讨SE风急流中超地转风和“2010·7·24”大暴雨的关系,我们利用地面自动站网提供的逐时探测资料,对7月24—27日浙东南沿海的超地转风进行分析计算。

3.1 超地转风的分析方法

据地面图上地转风的计算公式[7]

vg=8.9979×10-4(取空气密度为1 kg/m3)。

式中:ω为地球自转角速度(ω =7.29×10-5/s),φ为计算点的纬度,Δp为计算点附近和等压线法向方向Δn纬距的气压差。由该式看出,地转风速和气压梯度成正比。

将有关参数代入,实际的计算式为:

vg取Δvg=v-vg为地转风偏差,v为计算点的实际风速(自动站取该时次最大风速)。

在台站实际计算中,如果只考虑某一风向(如本文考虑SE风急流),就可用计算点两侧和该风向垂直方向的某两个站点的气压差来计算。如图1所示,我们计算浙江石塘站(28.60°N,121.37°E)的地转风,取石塘NE侧的檀头山(29.11°N,122.20°E)和 SW 侧的北麂岛 (27.37°N,122.2°E)两个站点的气压差及距离差(单位取纬距)来计算;同样,北麂站的地转风可用石塘站和福建省霞浦站(26.53°N,121.55°E)的资料计算。

3.2 地转风计算结果分析

为了剖析“2010·7·24”大暴雨过程中低空急流及超地转风和大暴雨的关系,利用上述地转风的计算方法,根据7月24—27日晨温岭市的温峤站和乐清市的四都站两个大暴雨中心的逐时雨量和风记录,对应两个大暴雨中心上游的石塘站和北麂站(地处海岛或半岛)的每天8个时次的实际风速、地转风风速、地转风偏差的计算,发现中低空急流中的超地转风和大暴雨的发生有明显的相关关系。

图4给出了24日08时—27日08时石塘站每天8个时次的实际风速和地转风偏差变化曲线、温峤站逐时雨量分布图,对比两曲线和雨量分布的对应关系可以看到：

25日05—07时、26日02—14时、26日20—23时分别发生3次风速 v和地转风偏差Δvg同时急增的时段,对应时段都发生大暴雨或特大暴雨;这几个时段 v≥6 m/s,Δvg≥0 m/s。特别是26日02时—27日02时(24 h雨量423 mm)发生特大暴雨期间 v≥6 m/s,Δvg≥1.0 m/s,在26日13时和27日21时当出现v＞12 m/s且Δ vg分别为5.5 m/s和8.5 m/s的极大值时,对应两时段出现62 mm/h,67.5 mm/h的罕见的特大强降水。这说明低层急流中的明显的超地转风不平衡会触发中小尺度的云团急速发展,导致大暴雨的发生。

图4 7月24日05时—27日07时石塘站风速(实线)、地转风偏差(虚线)、逐时雨量演变图

北麂站的实际风速、地转风偏差变化曲线与乐清四都站逐时雨量分布图的分析结果与石塘站分析大致相同,在24日14时、25日17—20时、26日02—08时分别发生3次风速 v和地转风偏差Δvg同时急增的时段,对应时段都发生大暴雨,26日出现Δvg=5.8的极大值(图略)。

3.3 低空和地面地转风偏差的分析

地转风的计算公式是在假设无摩擦的条件下导出的,为了分析近地层地转风和低层上空地转风的差异,我们计算分析了大陈站(20.48°N,121.1°E)的850 hPa和地面 24—26日 6个时次实测风、地转风对比分析发现,850 hPa和地面(自动站记录)的最大风速差值都＞4.0 m/s,26日08时差值最大,为11 m/s。而地面地转风偏差Δvg明显小于850 hPa的同时次值。这说明,由于地面摩擦作用,一般情况下在地转风平衡状态,地面实测风小于理论计算的地转风,这和图2给出的结果一致,当地面出现Δvg≥0时就应当判断为明显的超地转风。

另外应该指出的是超地转风发生时,近地层和低层上空出现较强的风垂直切变。根据重力波发展条件表达式[8],层结稳定度大、风速垂直切变大的地区容易产生重力波不稳定,一些大振幅重力波经常发生在低层稳定层结且低空风速较强切变同时存在的地区,激发中小尺度系统的形成和发展,促使不稳定能量的释放。有关研究[6]指出：地转风偏差能够激发出重力惯性波,重力惯性波的强度与地转风偏差强度成正比,可触发中尺度雨团的产生,这和上述卫星云图反映的β中尺度云团活动相一致。

上述计算分析说明,“2010·7·24”大暴雨过程中,沿海的β中尺度雨团的发生发展和SE急流中的超地转风密切相关,而超地转风偏差引发的重力波及沿海的地形条件可能是特大暴雨发生的重要因素。

4 地形条件的分析

地形条件的作用主要反映在两个方面：

(1)浙中南沿海多为丘陵地带,陆地较强的摩擦效应和山地的阻挡使得近海海面和沿海陆地的风速产生较强的切变;据温州和台州沿海站点的逐时风速记录对比统计分析,海岛站和半岛站的风速明显大于陆地站,例如温峤站距石塘半岛站仅40 km,26日温峤站风速比石塘站平均偏小51%。当超地转风出现时就有利于在沿海底层发生强烈的辐合并出现如图1所示的暴雨带分布靠近海边的特征。

(2)浙江中南部沿海山脉多呈NE-SW走向(如雁荡、括苍山系),西北高东南低的迎风坡很有利于SE气流的抬升效应;温峤站就处于迎风坡东侧。另外ESE-WNW向山谷的地形条件很容易形成大暴雨中心,四都就是处于这类山谷的西侧山坡处。

5 物理量场分析

5.1 散度场和水汽场

据7月24日08时—26日20时散度场分布图,25日之前浙中南850～500 hPa都无明显的辐合,26日08时850 hPa才出现-0.6×10-6/s的辐合带;但是,在1000 hPa图上,24日08时—26日08时,台湾东北部海面到浙中南始终维持一个-1.0×10-6/s以上的强辐合带,强辐合带的位置处于低空急流SW侧,中心轴向和急流方向一致。26日20时强度为-1.5×10-6/s的辐合中心就处于浙中南沿海(图5a)。这说明,底层的强辐合可能和低空急流及超地转风有关。

图5 26日08时、20时物理量场图

充足的水汽条件是暴雨发生和持续的主要条件,低空急流在给暴雨区输送大量水汽的同时,也输送了不稳定能量,在发生超地转风时,低层的强辐合也有利于沿海产生较强的水汽辐合。

根据“2010·7·24”过程 的水汽通量散度和水汽通量的计算发现,“2010·7·24”大暴雨发生过程中,水汽辐合主要发生在1000～850 hPa;且1000 hPa的水汽辐合明显大于850 hPa,24日20时—26日20时中心强度在-1.5×10-6g/cm2·hPa以上的水汽辐合带在宫古岛到浙中南、闽北之间一直 维持。图5b给出26日08时台州南部和温州北部发生特大暴雨时水汽通量的分布图,特大暴雨区处于沿海水汽通量≥6×10 g/s·hPa·cm的高值区NW侧。

5.2 涡度场和涡度平流

据1000～300 hPa涡度场的分析,“2010·7·24”大暴雨过程中,和东风波及低压环流相对应的正涡度中心区主要反映在1000～700 hPa低层,两者移动方向一致,而且1000 hPa最为明显。26日20时1000 hPa图上,25×10-5～40×10-5/s的正涡度区在浙中南。同样,给浙中南沿海提供正涡度平流也主要发生在1000～700 hPa,且较强正涡度平流带的轴向也和低空急流基本一致;1000 hPa图上,26日20时特大暴雨区东部沿海为5×10-9/s2的较强涡度平流区(图 5c)。

5.3 位势稳定度分析

分析24—26日的θse500-850场发现,“2010·7·24”大暴雨期间浙闽沿海海面到琉球群岛一直维持稳定的层结(图 5d),浙、赣、皖、闽南为θse500-850≤-5℃的不稳定区,大暴雨带就处于陆地不稳定区和和沿海海面稳定区交界的等值线密集带附近。章淹[9]指出：暴雨区并不处于最不稳定的区域,而是出现在急流下风方、θse500-850等值线密集区,流场和θse500-850场这样的配置有利于暴雨区的对流活动在相当长的时间内得以维持。据此,可以认为,沿海海面低层稳定层结和风垂直切变的存在有利于沿海海面产生大振幅重力波;同时,处于SE风急流轴上近海陆地的稳定度等值线密集区的存在,也有利于激发中尺度的对流云团在较长时段内减弱后又不断新生。

以上物理量场的分析说明,“2010·7·24”大暴雨的发生主要和边界层到850 hPa低空急流有关,有利的水汽输送条件、较强的底层辐合、正涡度平流都发生在边界层;由于中高层无急流,中高层物理量场也就无明显反映。

6 讨 论

综上所述,“2010·7·24”浙中南沿海大暴雨发生在低空SE风急流左侧,在较强的低空风切变和稳定层结条件下,低空急流的超地转特性引发重力惯性波,低空急流还有利于低层充沛的水汽输送、低层强辐合和正涡度平流;在这些因素和浙中南地形条件的共同作用下,导致浙中南沿海β中尺度对流云团发生发展,产生强降水。这一类大暴雨的预报技术难度较大,在具体预报诊断分析时还应注意以下几点。

(1)超地转风和大暴雨的发生有密切的相关,在风速急增,超地转最强的时段内容易发生大暴雨或特大暴雨,利用地面自动监测网的实时探测资料计算地转风偏差可作为短时预报的参考。

(2)“2010·7·24”大暴雨的发生主要和边界层到850 hPa的低空急流及物理量场有关,而边界层的分析在预报诊断时往往被忽视,因此,应该加强对边界层流场和物理量场的分析。

(3)“2010·7·24”大暴雨属于非台风外围的大暴雨,也并非海面热带云团西移引发;而是受沿海就地发生的β中尺度云团影响所致;据1980—2010年相关资料查询 ,和“2010·7·24”大暴雨过程相似,在低空SE风急流中发生的这种大暴雨有6次,这一类大暴雨预报技术有一定难度,需进一步研究探讨其发生的物理机制。

[1] 王德瀚.浙江沿海在低空东南风急流影响下产生暴雨的二例.气象 ,1978(11)：3-6.

[2] 叶子祥,张志尧,邱志雄.一次罕见的特大暴雨的初步分析.气象 ,1983(1)：7-9.

[3] 黄文根,邓北胜,熊廷南.一次台风暴雨的初步分析.应用气象学报,1997,8(2)：247-251.

[4] 丁一汇.高等天气学.北京：气象出版社,2005：443-444.[5] 陆汉城,杨国祥.中尺度天气原理和预报.北京：气象出版社 ,2004：61-62.

[6] 孙淑清.关于低空急流对暴雨的触发作用的一种机制.气象 ,1979(4) ：8-10.

[7] 朱乾根,林锦瑞,寿绍文.天气学原理和方法.北京：气象出版社,1983：485-486.

[8] 陆汉城,杨国祥.中尺度天气原理和预报.北京：气象出版社 ,2004：29-30.

[9] 章 淹.暴雨预报.北京：气象出版社,1990：78-80.