Climate Change Research Letters
Vol. 09  No. 06 ( 2020 ), Article ID: 38826 , 12 pages
10.12677/CCRL.2020.96085

长沙地区一次暖区暴雨特征及成因分析

方韵1,王晋宁2,陈婷1,兰娟3

1长沙市气象局,湖南 长沙

2中国人民解放军96732部队

3浏阳市气象局,湖南 浏阳

收稿日期:2020年11月5日;录用日期:2020年11月19日;发布日期:2020年11月26日

摘要

2019年5月12~13日,长沙地区发生了连续暴雨天气,利用常规观测资料、FY-2G卫星TBB资料,自动站降水量以及NCEP/NCAR再分析资料,着重分析此次暖区暴雨的特征及成因,得出以下结论:1) 此次暖区暴雨为低层暖平流强迫型,对流条件弱,水汽条件好,持续时间长,降水落区上游有明显的水汽通量大值区。2) 此次过程低空急流较弱,长沙位于高空急流南侧300 km左右,为暴雨提供了良好的条件。3) 此次暴雨以层积云降水为主,主要降水落区与TBB大值区配合较好。

关键词

暖区暴雨,高空急流,TBB大值区

The Characteristics and Causes of a Warm-Sector Torrential Rainfall in Changsha

Yun Fang1, Jinning Wang2, Ting Chen1, Juan Lan3

1Changsha Meteorological Bureau, Changsha Hunan

2NO. 96732 Troop of PLA

3Liuyang Meteorological Bureau, Liuyang Hunan

Received: Nov. 5th, 2020; accepted: Nov. 19th, 2020; published: Nov. 26th, 2020

ABSTRACT

The characteristics and causes of warm-sector rainfall in Changsha during 12-13 May, 2019 are analyzed using the data of conventional observation, FY-2G, automatic weather station precipitation, and NCEP/NCAR reanalysis product. Results are as follows: 1) The warm-sector torrential rainfall is the type of low layer warm advection forcing with weak convection conditions, sufficient water vapor and lasts a long time while there is obvious high water vapor flux in the falling area. 2) The low-level jet is weak in this process, and Changsha is located about 300 km south of the high-level jet, which provides good conditions for torrential rainfall. 3) The rainfall is dominated by cumulus precipitation, and its falling area is located in the TBB large area.

Keywords:Warm-Sector Rainfall, High-Level Jet, TBB Large Area

Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

一次暴雨过程受诸多复杂条件影响,相较于锋面暴雨而言,暖区暴雨的机理更为复杂,预报难度较大、准确率较低,因此对暖区暴雨天气过程的研究尤为重要。

目前气象学者针对华南暖区暴雨做了大量工作 [1] [2] [3] [4] [5]。华南是中国短时强降水的两大高发地之一,并且此类降水往往没有明显的天气系统影响。黄士松 [6] 对华南前汛期的“暖区暴雨”研究得出此类暴雨有雨量大且集中、突发性强等特点。丁治英等 [7]、陈翔翔等 [8] 等研究指出了副热带高压、西风槽、西南季风等形成系统与华南暖区暴雨的关系。

2019年5月12日~13日白天,长沙地区暴雨,部分大暴雨(暴雨105站,大暴雨145站)。最大累积雨量175.1毫米(长沙县建新村),最大小时雨量26.5毫米(浏阳市大围山中塅村)。此次过程具有持续时间长、强降水范围广、雨强较大等特点。如图1所示。

Figure 1. The accumulated precipitation in Changsha from 8:00 12th to 20:00 13th May (mm)

图1. 5月12日08~13日20时长沙地区累积降水量(单位:mm)

2. 资料和方法

文中使用多种资料进行综合分析:1) 利用常规观测资料、地面自动站资料进行天气形势、雨强等分析;2) FY-2G卫星资料、雷达资料用于分析中尺度系统及对流云团演变;3) 一天四次的NCEP 1˚ × 1˚再分析资料用于物理量分析。取2019年5月12日08时~13日14时的资料,着重分析此次暖区暴雨的降水特点及成因。此次暴雨过程主要分为三个阶段:第一阶段为12日08时至18时;第二阶段:12日19时至13日04时;第三阶段:13日05时至11时。

3. 环流背景

3.1. 大尺度环流形势

Figure 2. Superposition of the major weather influencing systems in upper air at 8:00 12th May(a), 20:00 12th May (b) and 8:00 13th May (c)

图2. (a) 5月12日08时、(b) 5月12日20时和(c) 5月13日08时高空主要影响系统配置综合图

2019年5月12日08时(如图2),500 hPa切断低压位于蒙古地区,有冷中心与之配合;贵州地区有一低槽,东移过程中逐渐减弱;700 hPa在重庆地区有一低涡,低涡的暖切延伸至长江中下游地区,长沙位于暖切南侧,云南、贵州地区存在西南低空急流,向降水区提供能量及水汽;850 hPa低涡位置较700 hPa稍偏南,暖切位置与700 hPa相当,在低涡的暖区也存在西南低空急流,湖南、湖北地区有一暖舌,高空低槽配合低涡东移造成了第一阶段的暖区暴雨。

12日20时,500 hPa切断低压东移至河北以北,温度槽落后于高度槽;700 hPa暖切移动缓慢;850 hPa低涡东移至湖南北部,长沙位于低涡的暖切南侧,暖平流较强,湖南地区有一湿舌,第二阶段的强降水主要受低涡东移的影响。

综上所述,第一、二阶段的暖区降水主要为低层暖平流强迫型。

13日08时,500 hPa切断低压继续东移,冷空气取中路南下,700 hPa华南地区低空急流加强,长沙位于急流轴附近;850 hPa低涡东移,第三阶段长沙降水主要受低涡后冷切的影响。

3.2. 单站探空

12日08时(图3a) T-LogP图可知,近地层存在逆温,中低层有暖平流,高层温度平流不明显;抬升凝结高度位于900 hPa;低层风切变小,层结总能量为负,对流强度弱。12日20时(图3b)、13日08时(图3c),中低层显著增湿,存在暖平流;低层风切变弱,能量条件为负,对流性不强;地面湿度基本达到饱和,整层都为湿绝热上升。由此可见,此次过程对流条件弱,为系统性降水,水汽条件好,持续时间长是造成本次暴雨的主要原因。

Figure 3. The T-LogP chat of Changsha at 8:00 12th May (a), 20:00 12th May (b) and 8:00 13th May (c)

图3. (a) 5月12日08时、(b) 5月12日20时和(c) 5月13日08时长沙站探空图

4. 物理量诊断分析

利用NCEP逐6小时1˚ × 1˚的再分析资料,取5月12日08时至13日08时进行物理量诊断分析。

4.1. 水汽条件

4.1.1. 850 hPa水汽通量

Figure 4. The 850 hPa water vapor flux of 8:00 on May 12th (a), 20:00 on May 12th (b), 02:00 on May 13th (c) and 08:00 on May 13th (d) (g∙cm−1∙hPa−1∙s−1)

图4. (a) 5月12日08、(b) 12日20时、(c) 13日02时和(d) 13日08时850 hPa水汽通量(风向杆,单位:g∙cm−1∙hPa−1∙s−1)

本次暖区降水过程,水汽来源主要有两个:一是来自印度洋的水汽经孟加拉湾输送到长沙地区;二是从南海输送到长沙区域。水汽通量大值区主要集中在贵州北部、广西南部,最高达到18 g∙cm−1∙hPa−1∙s−1。湖南地区水汽通量分布湘南大于湘北。如图4所示。

4.1.2. 850 hPa水汽通量散度

Figure 5. The 850 hPa vapor flux divergence of 8:00 on May 12th (a), 14:00 on May 12th (b), 20:00 on May 12th (c) and 08:00 on May 13th (d) (10−7 g∙s−1∙cm−2∙hPa−1)

图5. (a) 12日08时、(b) 12日14时、(c) 12日20时和(d) 13日08时850 hPa水汽通量散度(阴影,单位10−7 g∙s−1∙cm−2∙hPa−1)

12日08时(图5(a))强的水汽辐合区位于湘西北、贵州地区,辐合区随着系统东移(图5(b)),12日20时,辐合区移至长沙东部、广西地区,最强辐合中心值大于−8 × 107g∙s1∙cm2∙hPa1 (图5(c))。13日08时,湖南地区水汽辐合中心位于邵阳地区,与低涡冷切位置对应(图5(d))。

通过以上水汽条件的分析,本次暖区暴雨过程具有良好的水汽输送通道,长沙地区存在明显水汽净流入。

4.2. 动力条件

4.2.1. 高低空急流配置

Figure 6. The jet stream of 200 hPa and 850 hPa of 8:00 on May 12th (a) and 20:00 on May 12th (b)

图6. (a) 12日08和(b) 12日20时200 hPa(蓝)和850 hPa(红)的急流分布

本次降水过程低空急流较弱,12日08时(图6(a))和12日20时(图6(b)) 850 hPa低涡南侧暖区有急流存在(贵州及湖南地区),长沙区域没有明显的低空急流。200 hPa高空急流较为稳定,急流轴位于江淮一带,风速为45 m/s左右,长沙位于高空急流南侧。Matsumoto等(1971)研究表明暴雨主要发生在高空急流轴南侧300 km附近,可见高空急流为暴雨的形成提供了有利条件。

4.2.2. 涡度和散度

分析散度场和涡度场纬向(28˚N)剖面特征得出,12日08时在110˚E~110.5˚E范围内,低层为辐合区,850 hPa附近辐合最强(图7(a));中高层600 hPa和350 hPa左右各有一个辐散中心。辐合、辐散中心随着低涡系统向东移动。12日20时辐合、辐散中心移至113˚E~115˚E范围内,低层气旋中心与辐合中心配合较好,在200 hPa附近表现为反气旋(图7(c))。在13日08时,上游系统移至本站,在110˚E~112.5˚E范围内出现三个辐合中心和两个辐散中心(图7(d))。由此看出此次过程表现出明显的“低层辐合,高层辐散”特征,为暴雨源源不断的输送水汽。

Figure 7. Vertical cross-section of vorticity and divergence of 8:00 on May 12th (a), 14:00 on May 12th (b), 20:00 on May 12th (c) and 08:00 on May 13th (d)

图7. (a) 12日08、(b) 12日14时、(c) 12日20时和(d) 13日08时沿28˚N涡度(线条)和散度(色斑)的垂直剖面(长沙位于111˚E ~114˚E)

4.3. 热力条件

Figure 8. Vertical cross-section of potential pseudo-equivalent temperature and vertical velocities of 8:00 on May 12th (a), 14:00 on May 12th (b), 20:00 on May 12th (c) and 08:00 on May 13th (d)

图8. (a) 12日08、(b) 12日14时、(c) 12日20时和(d)13日08时沿28˚N假相当位温(线条)和垂直速度(色斑)的垂直剖面(长沙位于111˚E~114˚E)

垂直速度及假相当位温的纬向剖面分析可见,12日08时在110˚E~110.5˚E范围内有明显的上升运动(图8(a)),随着低涡自西向东移动,上升运动中心也向东移动(图8(b)),12日20时上升运动中心移至112.5˚E~115˚E范围内,假相当位温值达到344 K (图8(c)),与前面分析的强烈辐合区及低涡系统移动有很好的一致性。到了13日08时(图8(d)),随着850 hPa系统东移,110˚E~110.5˚E范围又表现为强烈的上升运动,假相当位温在342 K左右,可看出本次降水过程在整个发展、移动过程中都具有强的上升运动,但整体能量条件不强。

5. 中尺度特征分析

5.1. 对流云团的演变特征

利用FY-2G卫星逐小时的0.1˚ × 0.1˚的TBB的资料,中尺度对流云团活动特点进行分析。

Figure 9. FY-2G satellite hourly TBB from 9:00 to 17:00 on May 12th

图9. 2019年5月12日09时~17时FY-2G的TBB云图演变

第一阶段:从12日08时至18时(共13小时,如图9所示),主要降水区域为TBB小于−20℃的区域,系统自西向东移动,TBB小于−40℃的区域在东移过程中不断增大,可看出系统在东移过程中不断发展。12日13时对流主体(小于−40℃的区域)分裂为两个对流单体,后一个对流单体又分裂出许多小的单体,到17时小于−40℃的区域已基本移出长沙地区。

Figure 10. FY-2G satellite hourly TBB from 19:00 May 12th to 04:00 May 13th

图10. 2019年5月12日19时~13日04时FY-2G的TBB云图演变

第二阶段,从12日19时至13日04时(共10小时,图10所示),主要降水区域为TBB小于−10℃的区域,最低温度小于−30℃,可看出对流活动不强,向上发展高度不高。降水系统呈带状,自北向南移动。

第三阶段,从13日05时至结束(共6小时,图11所示),850 hPa低涡系统东移,02时对流系统(TBB小于−40℃的区域)位于重庆地区南部,自西向东移动,05时开始影响长沙地区,初生时TBB小于−40℃,在东移过程中稍有发展,07时最强区域温度小于−50℃,但范围很小,10时对流系统完全移出湖南地区,转为冷切影响。

Figure 11. FY-2G satellite hourly TBB from 5:00 to 10:00 on May 13th

图11. 2019年5月13日05时~10时FY-2G的TBB云图演变

5.2. 雷达回波特征

Figure 12. Radar graphs at 08:33 (a), 14:35 (b) and 18:40 (c) on May 12th

图12. (a) 12日08:33、(b) 12日14:35、(c) 12日18:40时单站雷达图

第一个阶段从12日08时至18时(共13小时,图12所示),系统呈片状覆盖长沙地区,系统呈自西向东移动,在移动过程中不断加强,与低涡东移的方向一致,系统移动缓慢。

Figure 13. Radar graphs at 20:02 May 12th (a), 00:07 May 13th (b) and 04:00 on May 13th (c)

图13. (a) 12日20:02、(b) 13日00:07、(c) 13日4:00时单站雷达图

第二个阶段从12日19时至13日04时(共10小时,图13所示),系统呈东西带状,宽度约50 km,系统从北向南移动,13日02时后系统很快减弱消散,系统移动速度较慢,约17 km/h。

第三个阶段从13日05时至结束(共6小时) (图略),850 hPa低涡移近后带来新的降水系统,系统主体在长沙北部,呈片状,自西向东移动,低涡移过后转为冷切影响,系统从北向南压,移速加快。

Figure14. Radar graph at 14:06 on May 12th (a): Reflectivity (b): Vertical cross-section of reflectivity in (a) Radar graph at 02:03 on May 13th (c): Reflectivity (d): Vertical cross-section of reflectivity in (c)

图14. 5月12日14:06 雷达反射率因子(a)和沿a中白线的反射率因子垂直剖面(b) 5月13日02:03 雷达反射率因子(c)和沿c中白线的反射率因子垂直剖面(d)

结合图10整个降水过程主要以层积云降水为主,最强反射率因子为45 dbz左右,对流单体的垂直高度位于3 KM以下(图14),且范围很小,没有发展。结合T-lnP图来看,12日08时图中可看出雨带两侧有明显的湿度梯度,雨带压至长沙后湿度从地面至700 hPa基本达到饱和。

6. 结论

利用常规观测资料、自动站资料、FY-2G卫星资料以及NCEP再分析资料,通过对2019年5月12~13日暖区暴雨的分析,得出以下结论:

1、此次暖区暴雨为低层暖平流强迫型,稳定的西南气流及暖平流形成了持续稳定的降水,降水落区主要在低涡暖切南侧。水汽条件好,持续时间长是造成本次暴雨的主要原因。

2、“低层辐合、高层辐散”、强烈的上升运动、明显的高空急流为此次暴雨提供了动力条件,但能量条件较弱,从而形成了稳定而持续的降水。

3、对流云团特征显示此次暖区暴雨主要降水落区与TBB大值区配合较好。

基金项目

湖南省气象局课题(XQKJ19B034)资助。

文章引用

方 韵,王晋宁,陈 婷,兰 娟. 长沙地区一次暖区暴雨特征及成因分析
The Characteristics and Causes of a Warm-Sector Torrential Rainfall in Changsha[J]. 气候变化研究快报, 2020, 09(06): 784-795. https://doi.org/10.12677/CCRL.2020.96085

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