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华东地区夏季中尺度对流系统的活动特征及成因研究

2020-09-01张柳霍利微潘玉洁

大气科学学报 2020年2期
关键词:通量低层短波

张柳 霍利微 潘玉洁

摘要 采用FY-2E卫星云图TBB(Black Body Temperature)资料,统计分析2010—2014年夏季(6—8月)华东地区的α中尺度对流系统(MαCS)和β中尺度对流系统(MβCS),发现两类MCS(Mesoscale Convective System)均具有夜发性,且发生主要集中于安徽、江苏、江西和浙江地区,形成后自西向东移动。进一步利用NCEP-CFSR和NCEP-CFSV2每6 h的再分析数据,通过主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和K-means聚类分析对两种尺度MCS成因进行分析,结果显示:850 hPa切变线和低空急流、500 hPa副高和中纬度短波槽以及200 hPa的高空急流是影响MCS形成主要的天气系统,对流层中层以下的水汽供应、低层大气不稳定性和低层辐合、高层辐散的动力结构是MCS形成的必要条件。MαCS发生前的天气形势可以分为两类:①生成位置位于850 hPa低空急流的西侧、气旋性环流的南侧,500 hPa、200 hPa分别受槽前西南气流、反气旋性环流的影响;②850 hPa切变线南部的偏西气流、500 hPa的偏西气流和200 hPa的高空急流配合。MβCS发生前的两类环流形势中,850 hPa切变线南部的偏西气流控制的为第一类,切变线南部的西南气流和生成位置东部的低空急流影响的为第二类,500 hPa生成位置位于短波槽东部,200 hPa均有西风急流与中低层配合。

关键词华东地区中尺度对流系统主成分分析聚类分析

中尺度对流系统(Mesoscale Conrective System,MCS)是水平尺度2~2 000 km左右具有旺盛对流运动的天气系统,其组织形式多样,具有突发性强等特点。诸多研究表明(Shibagaki et al.,2000;薛秋芳等,2000;赵思雄等,2007),MCS的发生常伴随强烈的短时强降水、雷雨大风、冰雹等灾害性天气,是造成气象灾害的主要影响系统之一。因此,MCS的统计、中尺度特征及其发生发展物理机制是国内外研究的重难点之一。

最初,Maddox(1980)提出了中尺度对流复合体(MCC,Mesoscale Convective Complex)的概念及识别标准,即将满足条件:1)云顶亮温≤-32 ℃的连续冷云面积≥100 000 km2;2)云顶亮温≤-52 ℃的连续冷云面积≥50 000 km2;3)≤-32 ℃的冷云盖面积达到最大时,偏心率≥0.7;4)云团持续时间≥6 h的对流系统称为MCC,MCC是MCS特殊形态,是MCS的一小部分。随后的研究对Maddox的标准进行了不同程度的修改。Augustine and Howard(1991)研究表明:云顶亮温≤-52 ℃冷云盖面积达到Maddox标准而≤-32 ℃冷云盖面积达不到标准的MCC个例极少,因此,去掉了云顶亮温≤-32 ℃冷云盖面积尺度的要求。Miller and Fritsch(1991)用-56 ℃冷云盖标准代替-52 ℃的冷云盖。Anderson and Arritt(1998)识别出较MCC更为狭长、呈现线状或长条状的中尺度对流系统PECS(Persistent Elongated Convective Systems)。Jirak et al.(2003)进一步将MCS分为两大类,即α中尺度对流系统(MαCS)和β中尺度对流系统(MβCS),前者包括MCC和PECS,而后者包括MβCC(Meso-β scale MCC)和MβECS(Meso-β scale PECS)。在MCS识别标准的修订中,研究发现我国的MCS偏心率特征与北美相比略有差异,项继康和江吉喜(1995)利用红外云图选取了10个典型的MCC个例,指出我国的MCC偏心率比北美小。Yang et al.(2015)在统计分析我国及周边地区MCS的物理性质时得出了类似的结论。因此,利用符合我国偏心率条件的识别标准,统计分析我国MCS的活动特征有着重要的意义。

其次,关于MCS的气候特征、发生发展物理机制已有较多研究,Maddox(1983)分析表明,MCCs在弱地面锋附近有明显南风低空急流输送暖湿空气的区域生成,中层有弱短波槽东移。Laing and Fritsch(2000)发现美国、南美洲、非洲、澳大利亚和中国5个地区MCC的形成有极大的相似之处,它们多在具有低层强垂直风切变和高对流有效位能的斜压区生成。梁巧倩等(2012)研究华南前汛期MCS的发生发展发现,MCS主要发生在下午到上半夜,其分布与地形没有明显的对应关系,MCS的发生发展主要受500 hPa的短波槽、850 hPa的切变线和低槽影响。丁治英等(2013)对我国夏季青藏高原地区稳定存在的带状MCSs进行归类,研究表明高层的南亚高压及高空急流和低层500 hPa切变线辐合及南侧的高温高湿是带状MCS生成的主要原因。

我国华东地区是夏季强对流天气频发的区域,对该地区MCS的研究较为普遍。研究发现,梅雨锋上的MCS在发生发展的过程中,有大量的不稳定能量堆积,湿Q矢量低层辐合高层辐散加强了上升运动和次级环流,有源源不断的水汽供应及水汽通量辐合,同时具有较强的垂直风切变等特征(孙建华等,2004;何斌等,2013;曾波,2015)。赵玉春(2011)通过数值模拟发现基本气流的平流效应有利于抵消梅雨锋对流雨带南移效应,风的方向变化引起的垂直切变有利于梅雨锋对流的启动和梅雨锋上MCS的组织。王晓芳(2012)研究长江中下游地区梅雨期的MCS发现,高温高湿是梅雨锋上各类MCS发展的共同特征。

然而,以往对于MCS发生前环境要素的合成分析多为求取多个样本的算术平均值,这增加了样本间差异性的抵消,大大削弱了统计结果的普遍性和客观性。John and Schumacher(2014)利用主成分分析和K-mean聚类分析,对美国地区产生极端降水的MCS进行统计分类,并分析各类别MCS的成因,研究结果与观测较为匹配,为客观分析环境要素对MCS形成的影響提供了统计依据。因此,本文将采用主成分分析和K-means聚类分析,对我国华东区MCS的不同成因进行研究。

MαCS和MβCS的形成、成熟和消散的日变化特征(图1)大致相似,3个阶段都表现出多峰型的结构。MαCS形成主要的峰值为07—08时(世界时,下同)和16—17时,成熟峰值为11—12时,其次为20时,消散多发生在13时和15时。而MβCS的形成主要集中07—08时,其他时次虽有发生,但次数较少。09—10时和12—13时是MβCS发展成熟最多的两个时段。MβCS的消散多发生在11—12时和13—14时。

综上可见,MCS多发生在午后,傍晚到夜间达到旺盛,次日凌晨前后消散。午后时分太阳辐射强烈,促使地面不稳定能量积累,有利于对流的形成。日落之后由于山谷环流的存在,对流活动仍有维持(郑永光等,2010)。

2.2 MCS的空间分布特征

MCS的空间分布如图2所示,其中阴影区域为统计区域,MαCS和MβCS分布多集中于安徽省、江苏省、江西省以及浙江省境内。夏季,副高脊线主要位于35°N以南位置,有利于不稳定能量的累积,同时,副高北部的西南气流不断输送暖湿气流,有利于对流的产生。相反,35°N以北地区,由于副高较少到达,暖湿气流输送较少。因此,华东地区35°N以北,夏季MCS形成较少。

MCS的移动路径分布(图3)指出两类MCS多形成于陆地,形成后主要的移动方向是自西向东,和我国中纬度西风带的气流方向基本一致,但也有部分移动方向出现转折,其可能是形成后受到天气系统(如锋面、台风等)的影响而产生。相对于MβCS,MαCS消散于海上的次数更为频繁,其可能与MαCS的移速快、生命周期较长有关。

3 MCS的形成原因分析

图1显示MαCS多发时次为07时,MβCS为08时。因此选取,07时的MαCS(14例)和08时的MβCS(28例)为研究对象,通过06时的NCEP资料,采用主成分和K-means聚类分析方法,研究两类MCS生成前的环境条件。通过主成分和K-means聚类分析,进一步将MαCS和MβCS的环境场分成2类(图4)。

3.1 MαCS的形成原因分析

3.1.1 第一类MαCS

如图5所示,黑色原点代表第一类MαCS系统的平均发生位置,系统发生前,850 hPa华东地区主要受西南气流控制,平均生成位置位于气旋性环流东南部,东侧存在低空急流,生成位置为辐合区;同时温度场显示平均生成位置处有暖平流的输送,为有利于MαCS的形成的环境条件。

图5b显示500 hPa,副高位于太平洋,平均生成位置位于短波槽的前部,为正涡度平流区。200 hPa(图5c)平均生成位置位于反气旋性环流区、为辐散。垂直配置形成低层(850 hPa)辐合,中层(500 hPa)正涡度平流和高层(200 hPa)辐散的结构,有利于次级环流形成,有利于MCS的发生发展。

图6展示了第一类MαCS的水汽条件,低层(850 hPa)水汽主要来自南海和孟加拉湾,自西南往东北在MαCS生成位置附近水汽汇集,呈现负水汽通量散度,为MαCS的发生提供了充足水汽条件。700 hPa,MαCS生成位置处水汽通量方向和850 hPa上基本相同,但量级偏小。500 hPa水汽通量方向与低层相似,但水汽散度绝对值比低层小,形成位置处水汽通量散度几乎无负值,随着高度的增加水汽表现为低层辐合、高层辐散,说明第一类MαCS发生前水汽供应同时来自水平和垂直方向的输送。

分别沿119°E和29.4°N(第一类MαCS系统生成平均位置经纬度)作假相当位温的垂直剖面(图略)显示,在MαCS生成前平均生成位置附近,低层假相当位温随高度明显减小,低层有不稳定层结存在,有利于对流形成。在中层500 hPa附近,大气表现为中性层结。500 hPa假相当位温随高度呈现逆温现象,表明高层大气稳定。

产生对流系统需要有产生上升运动的条件,从图7中可以看出,第一类中MαCS在发生之前,850 hPa上平均形成位置处位于散度的负值区域,对应低层辐合。随着高度的增加,中上层辐合减弱,到500 hPa时平均形成位置处散度呈现正值,表明中层为辐散区。200 hPa散度正值更为明显,空气辐散显著,低层辐合与高层辐散的动力结构有利于对流系统的形成。

3.1.2 第二类MαCS

第二类MαCS的形成位置相对于第一类偏西北,850 hPa的环流形势(图8)显示,华东地区受偏西气流控制,偏西气流将南海的暖湿空气向平均生成位置輸送,有利于促进生成位置处不稳定能量的积累和上升运动的产生,激发对流。同时在第二类MαCS平均生成位置的北部存在一条切变线,贯穿于安徽、江苏地区,生成位置处对应辐合。500 hPa显示,副高西伸至浙江、福建省地区,平均生成位置处主要受副高北部西南气流和偏西气流的控制。MαCS生成位置位于短波槽前侧,正涡度平流有利于对流的产生。200 hPa最显著的系统为南亚高压,南亚高压北部有偏西风的急流带,急流中心位于35°N附近,平均生成位置位于西风急流出口区的右前侧,对应高层大气的辐散区域。

与环流形势相对应,850 hPa存在广阔的水汽供应带,水汽自西南向东北方向输送,平均生成位置位于水汽输送的路径上。700 hPa水汽通量与850 hPa的方向基本一致,水汽通量较850 hPa小,生成位置处仍有水汽的汇合。较低层而言,中层500 hPa的水汽通量方向仍与低层保持一致。与第一类相似,第二类中形成位置处同样对应低层水汽辐合和高层的水汽辐散。

第二类MαCS发生前,大气稳定性与第一类中基本一致(图略),表现为低层不稳定、中层中性、高层稳定的形势。但与第一类相比,第二类MαCS形成前上升运动条件差异明显。850 hPa、500 hPa生成位置处同样对应大气的辐合与辐散,但200 hPa生成位置处辐合辐散趋势不明显,表明第二类MαCS形成前大气的上升运动集中在中层以下。

3.2 MβCS的形成原因分析

3.2.1 第一类MβCS

第一类MβCS发生前,850 hPa华东地区主要受偏西气流控制,平均生成位置处有暖平流(图11),生成位置北部有切变线的存在,对应平均生成位置处辐合,为MαCS形成的有利条件。500 hPa显示,副高位于太平洋,平均生成位置位于短波槽的前部,对应正的涡度平流,使地面出现辐合高层出现辐散,中层是垂直上升气流,易产生对流。200 hPa上,南亚高压北部有偏西风的急流带,急流中心位于35°N附近,平均生成位置位于西风急流出口区的右前侧,对应高层大气的辐散区域。

水汽通量(图12)显示,与MαCS相比,MβCS形成前各层的水汽通量均小于同层次的MαCS。850 hPa生成位置处有西南往东北的水汽输送,水汽主要来自南海和孟加拉湾。700 hPa生成位置处水汽通量方向和850 hPa上基本相同,但量值略小。500 hPa水汽通量方向与低层相似,量值与850 hPa相当。其次,水汽通量散度显示,在850 hPa生成位置附近水汽匯集,表现为水汽通量散度呈负值。700 hPa水汽通量散度绝对值较850 hPa略大,表明700 hPa水汽辐合强烈。500 hPa水汽散度比低层小,形成位置处水汽通量散度几乎无负值,随着高度的增加水汽表现为低层辐合、高层辐散的趋势。综合来看,第一类MβCS形成前,水汽的水平输送较少,水汽供应主要来自水汽的垂直输送。

第一类MβCS发生前,大气稳定性与MαCS基本一致(图略),表现为低层不稳定、中层中性、高层稳定的形势。同时,第一类MβCS形成前,850 hPa、500 hPa生成位置处对应大气的辐散,200 hPa生成位置处辐合辐散趋势不明显,形成前大气的上升运动延伸至对流层中上层(图13)。

3.2.2 第二类MβCS

第二类MβCS的平均生成位置相对于第一类偏东北,850 hPa环流形势(图14)中,华东地区受西南气流控制。生成位置东部有低空急流的存在,生成位置位于急流入口区的左前侧,为辐合区。与第一类MβCS类似,第二类MβCS平均生成位置的北部存在一条切变线,贯穿于安徽、江苏地区,生成位置处对应辐合,易产生上升运动,激发对流形成。500 hPa副高位置偏东,平均生成位置处主要受副高北部西南气流和偏西气流的控制。同时,MβCS生成位置位于短波槽前侧、正涡度平流区域。200 hPa平均生成位置位于南亚高压北部,有偏西风的急流带,急流中心位于40°N附近,平均生成位置位于西风急流出口区的右前侧,对应高层大气的辐散区域,低层辐散、高层辐合的动力结构促进对流的产生。

第二类MβCS形成前,各层等压面上的水汽通量均小于同层次的MαCS,水平方向的水汽输送相对较少。850 hPa、700 hPa、500 hPa生成位置处均有自西南往东北的水汽输送,水汽主要来自南海和孟加拉湾。与第一类MβCS不同,第二类MβCS形成前850 hPa水汽通量散度绝对值较小,水汽辐合较弱,而700 hPa和500 hPa水汽辐合显著,表明该类MβCS在形成前水汽供应主要来自中上层的垂直输送。

从稳定度条来看,低层不稳定、中层中性、高层稳定的稳定度条件是第二类MβCS形成的必要条件。同时,低层辐合、高层辐散、中层上升运动的垂直配置对系统的产生起到促进作用(图略)。

4 结论

利用FY-2E卫星云图TBB资料,对2010—2014年6—8月华东地区发生的MαCS和MβCS进行统计研究,分析其活动特征。其次,利用NCEP-CFSR(2010)和NCEP-CFSV2(2011—2014)每6 h的再分析数据,挑选出6个与MCS形成关系较密切的物理量,运用主成分、K-means聚类分析,分析MCS的形成原因,得出如下结论:

1)7月是MCS发生次数较多的月份,其他两个月发生次数相对较少。两类MCS多形成于当地时间的午后和傍晚,在夜间成熟,体现了夜发性特点。MCS的发生多集中于安徽、江苏、江西和浙江地区,形成后主要自西向东移动。

2)850 hPa的切变线和低空急流、500 hPa的副高和中纬度短波槽以及200 hPa的南亚高压和高空急流是MCS形成前主要的影响系统。

3)MαCS发生前的天气形势分为两类:850 hPa的西南气流影响、生成位置东侧的低空急流、生成位置北部的气旋性环流和500 hPa生成位置西部的短波槽配合以及200 hPa的反气旋性环流是第一类;850 hPa的偏西气流影响、生成位置北部的切变线和500 hPa生成位置北部的短波槽以及200 hPa的西风急流配合是第二类。

4)MβCS发生前的天气形势也分为两类:850 hPa的偏西气流、生成位置西北部的切变线和500 hPa生成位置西北部的短波槽以及200 hPa的高空急流配合是第一类;850 hPa的西南气流影响、生成位置东侧的低空急流、生成位置北部的切变线和500 hPa生成位置西部的短波槽以及200 hPa的西风急流配合是第二类。

5)中层以下的水汽供应、低层的大气不稳定性和低层辐合、高层辐散的动力结构是MCS形成的必要条件。

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Research on the activity characteristics and the formation cause of MCS over East China in summer

ZHANG Liu,HUO Liwei,PAN Yujie

Key Laboratory of Meteorological Disaster,Ministry of Education(KLME)/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters(CIC-FEMD),Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China

By using TBB(Black Body Temperature) data of FY-2E satellite,statistical research of Meso-α Convective System(MαCS) and Meso-β Convective System(MβCS) occurred over East China in summer(from June to August) during the year of 2010 to 2014 is carried out respectively,which finds two scales of MCS are nocturnal that mainly occurred in Anhui,Jiangsu,Jiangxi and Zhejiang area and moved from west to the east.Based on the reanalysis data of NCEP-CFSR and NCEP-CFSV2 every 6 hours,the causes of MCS were analyzed by principal component analysis(PCA) and K-means clustering analysis.Secondly,the analysis of the formation cause of two kinds of MCS shows the shear line and low-level jet at 850 hPa,subtropical high and short wave trough in middle latitude at 500 hPa and upper-level jet at 200 hPa are the main impact systems before MCS formed.The water vapor supply in the middle and lower troposphere,atmospheric instability in the low layer and the power structure of convergence at low level and divergence at upper level are the necessary conditions for the formation of MCS.The weather situation before initiation of MαCS can be divided into two categories:(1)the formation position is in the western part of the low level jet and the southern part of the cyclonic circulation at 850 hPa,and affected respectively by the southwest airflow in front of trough at 500 hPa and anti-cyclonic circulation at 200 hPa;(2) westerly flow in the south of the shear line at 850 hPa and westerly flow at 500 hPa cooperated with the upper-level jet at 200 hPa.In the two types of circulation situations before the occurrence of MβCS,the westerly in the southern part of the shear line at 850 hPa controls is the first type,while the southwest flow in the southern part of the shear line and low level jet in east of the formation position belongs to the second category.Both of them correspond to short wave trough in the eastern part of the formation position at 500 hPa and westerly jet at 200 hPa.

East China;MCS;activity characteristics;principal component analysis;cluster analysis

doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20170111001

(责任编辑:张福颖)

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