中国东部南方暴雨的气候特征及其与对称不稳定指数关系的研究

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本文利用1981~2010年、2011年5月、6月的欧洲中期天气预报中心(ECMWF)ERA-interim再分析资料,全国741个台站逐日降水资料和南海夏季风爆发时间序列,计算湿位涡(MPV)、对流有效位能(CAPE)、倾斜对流有效位能(SCAPE)、水汽通量、水汽通量散度等物理量,运用数理统计结合天气动力学诊断方法,研究夏季风影响下我国南方暴雨的气候特征及其与对称不稳定之间的关系,取得主要结论如下:(1)统计结果表明,南方暴雨中心主要分布在华南沿海大地形东南侧与夏季风相互作用的迎风坡处和江西北部、安徽东南部的山地一带;华南沿海暴雨中心的暴雨量>1000mm,占年总雨量的40~50%。暴雨集中在夏季,夏季暴雨落区与年均暴雨中心一致。雨季期间(4~9月)的逐月暴雨量距平场清晰地反映了暴雨带逐月分布及其向北推进的过程:暴雨带先分别停滞在华南地区(4~6月)和江淮地区(5~7月),然后再向北方推进,暴雨量距平场表征7~8月江淮暴雨向北方暴雨转移的特征比平均场更显著。1981~2010年,南方地区有区域性暴雨日388 d,过程287次,年次数在6~14次之间,年均9.5次,由高空槽、低涡和低层切变线系统引发的比例最高,占73%。(2)雨季期间,负湿位涡垂直通量季节变化对雨带季节移动有很强的指示作用,负湿位涡垂直通量大值区4~6月在华南地区,5~7月移到江淮地区;4、5月和9月雨带中心或附近的条件性对称不稳定(CSI)区主要在925~600 h Pa之间,6~8月则抬升到700~600h Pa,CSI的季节移动与夏季风的北进加强、南撤减弱的过程以及暴雨带的变化趋势一致。在春末夏初,热成风垂直切变作用对SCAPE的贡献比浮力作用项大,为800~1200 J·Kg-1,对4~6月华南地区雨带和5~7月江淮雨带起主要作用;热成风垂直切变作用与暴雨带从4~6月停滞华南,到7~8月北跳至华北并停滞的变化趋势一致,而CAPE高值区的空间变化与雨带移动没有一致变化关系,仅仅随夏季风向北推进,CAPE的高值区范围向北扩展。表征对称不稳定强弱的条件性湿位涡垂直通量指数跟华南前汛期、江淮梅雨期的区域年强降雨多寡相一致。(3)以南海夏季风爆发日为界,将华南前汛期4~6月分成锋面暴雨期和季风暴雨期。锋面暴雨期年均暴雨75站次,年均暴雨量5829 mm;季风暴雨期年均暴雨139站次,年均暴雨量11673 mm,后者几乎是前者的1倍。合成分析发现,两个时期的高层都维持强的辐散气流,但低层辐合和垂直输送后者比前者更强,南亚高压和西太平洋副热带高压的位置是前后期环流主要差异。在锋面暴雨期,华南位于200 h Pa西风急流入口区右后侧,高层辐散由副热带西风急流引起,500 h Pa西太平洋副热带高压控制南海,对孟加拉湾气流起到阻挡作用,孟加拉湾的水汽通道主要在0-10°N,中心通量值仅6 g·cm-1·h Pa-1·s-1,在中南半岛南部与华南的水汽输送通道断裂;850 h Pa华南以北的锋区内等θse陡立,前部呈倒“V”型,比湿也呈倒“V”,且湿度轴随高度向北倾斜。在季风暴雨期,南压高压从90°N北抬上青藏高原,华南处在南压高压东侧西北气流与副热带西风急流入口区右侧的分流区中,500 h Pa西太平洋副热带高压东撤,使孟加拉湾地区水汽与南海水汽连通,水汽通道由0-10°N扩展到0-20°N,在10-15°N的中心值增至14-16 g·cm-1·h Pa-1·s-1,偏南风输送增强;850 h Pa华南θse梯度小,θse随高度先向南倾斜,后再折向北倾斜,有类似梅雨锋的结构。两个时期的大气不稳定都以对流不稳定为主,在锋面暴雨期,条件性对称不稳定对产生暴雨的中尺度系统垂直环流有增强作用;在季风暴雨期,对流不稳定占绝对优势。条件性湿位涡垂直通量指数与暴雨量的年变化一致,且在锋面暴雨期与暴雨相关性比季风暴雨期高。(4)夏季风推进到长江中下游地区与北方冷空气交汇,形成梅汛期暴雨,分析带来极旱转极涝结果的江淮梅雨期暴雨过程产生的机制发现:在极旱期,干冷东北气流控制,西太平洋副热带高压偏东,低层水汽通量弱且以偏北风输送为主,中低层为下沉气流,无低空急流,等θse线稀疏,边界层抬升机制缺乏,是干旱加剧的主要因子;在梅汛期,西南气流增强,西太平洋副热带高压西伸,低层气流在长江地区辐合,低层水汽通量增加且转为西南和东南风输送为主,伴随高低空急流耦合和深厚的上升运动,等θse密集形成梅雨锋,增强了不稳定暖湿空气强迫抬升和垂直输送,造成暴雨频发,引起区域性洪涝。暴雨中心600 h Pa以下为负湿位涡的不稳定层,对流不稳定与条件对称不稳定共同作用是强降水发生的不稳定机制。条件性湿位涡垂直通量指数与旱涝变化、暴雨过程演变非常一致,在极旱(梅汛)期,指数低(高),变化平缓(剧烈),指数在暴雨开始时逐步剧增,结束时迅速减小。
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