2010年10月朝阳地区一次秋季暴雨过程分析

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  摘要 利用常规天气图及卫星云图等资料对2010年10月朝阳地区一次秋季暴雨过程的成因进行分析总结,从天气尺度系统分析、中尺度分析、地形作用简析、数值预报产品检验(T639)、日本数值预报图等方面分析了此次秋季暴雨过程的成因,总结了预报技术着眼点与难点,并提出了预报建议。在秋季降水的预报中,也要慎重考虑有暴雨的可能,一旦充沛的水汽条件、强烈的上升运动和较长的降水持续时间等条件具备,暴雨也有可能发生。
  关键词 秋季暴雨;天气形势;过程分析;成因;辽宁朝阳;2010年10月
  中图分类号 P458.121.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2014)23-0276-03
  1 天气概况
  2010年10月2日20:00至3日20:00,朝阳地区普降大到暴雨,局部出现了暴雨天气。此次降水出现暴雨的乡镇有七道岭(降水量为52.3 mm)、北四家子(降水量为55.0 mm)、廿十家子(降水量为78.1 mm)和松岭门(降水量为51.4 mm),朝阳站降水量为61.9 mm,其中朝阳站2日7:10—8:10 1 h降水强度最大为17.0 mm,已达到短时暴雨标准。这是朝阳站自1952年有气象历史资料以来在10月出现的第1个暴雨日。
  此次秋季暴雨降水持续时间长达16 h,由于降水缓慢,对生产、生活未造成不利的影响,但该站秋季暴雨出现的频率极低,预报时易被忽略。因此,有必要从气候形势场、天气尺度场、各种数值预报因子等方面进行对比分析。现利用常规天气图及卫星云图等资料对此次过程的成因进行分析总结。
  2 成因分析
  2.1 天气尺度系统分析
  2.1.1 环流背景分析。夏季暴雨的环流特点是中纬度阻塞形势明显,巴尔喀什湖到乌拉尔山地区为强大的低压槽,贝湖附近由较强的高压脊控制,一槽一脊从建立到发生暴雨之前维持少动不变。夏季副高发展强盛,副高脊线在北纬35~40°范围内。588线西伸控制我国东部沿海,水汽主要从副高边缘输送到朝阳地区上空。
  而本次秋季暴雨的环流形势与此相反,2010年10月1日8:00高空图上200~500 hPa高度场贝加尔湖有一低槽,深厚而稳定,槽前地面上有蒙古低压(中心值1 017.5 hPa)相应加深东移;秋季副高脊线南撤至北纬22°,588线已撤到北纬32°以南。从1日20:00 850、700、500 hPa 3层高空图形势分析,朝阳地区整层受偏南和西南气流所控制,在江淮一线风速12 m/s,形成了西南到东北向的急流带,从海上有源源不断的水汽输送,给朝阳地区带来充沛的降水。此次暴雨发生在中秋西风带,依然以经向环流为主而且中纬西风带快速东南移,结合高空的强冷平流(图1),成为触发此次过程的主要天气系统。同时西南风低空急流东北上而不断补充水汽和能量,构成此次朝阳地区暴雨过程有利的环流背景[1-3]。
  (1)500 hPa高空天气形势。2010年10月1日20:00 500 hPa贝加尔湖冷槽进一步南下到河套附近加深成低槽,副热带高压588线已东退。2010年10月1日20:00 500 hPa形势场图见图2。500 hPa 图上在河套附近为大槽,槽后冷平流较强,副热带高压的588线已经东撤,预示着低槽将进一步加强并系统性地向偏东方向移动。西伯利亚暖平流促使乌拉尔山高压脊发展北伸,高压脊线呈东北西南向,中心强度达584 hPa,形成阻塞形,脊前的偏北气流使得河套境内的低压槽不断加深。这种经向型环流为暴雨天气过程提供了大尺度环流背景[4-5]。
  (2)700 hPa高空天气形势。在2010年10月1日8:00 500 hPa图上,河套有一东西向的暖切变线,随着冷空气的侵入,该切变线变性为冷切变,风向由偏南风转偏北风,同时北抬转呈东北—西南向,其中朝阳地区的西南风速为16 m/s,表明已建立起低空急流。而700 hPa切变线稳定维持在济南—合肥一线,为稳定性暴雨的产生提供了动力触发和水汽辐合条件,暴雨正好出现在切变线的右前方及低空急流轴的左前方,恰好是干冷空气和暖湿空气交汇的位置,同时也是水汽辐合及动力上升区,在此产生暴雨完全符合暴雨的天气学模式[6-7]。
  2010年10月2日8:00 700 hPa急流基本上与500 hPa急流相对应,850 hPa将要形成冷涡,在500 hPa槽与700 hPa槽(图3)之间,是不稳定能量积蓄的地区。加之地面上有华北低压相应加深东移,并与700 hPa的切变线及500 hPa的低槽基本重合,朝阳地区处于锋前暖区中,这种结构天气系统的配置有利于形成强对流和强雷电天气而带来明显的降水。
  (3)地面形势。华北低压与海上低压打通,华北低压使西南急流水汽加大输送,造成空气动力抬升作用。
  综上分析,暴雨是各种尺度天气系统相互作用的结果,有利的大尺度环流是产生暴雨的背景。
  2.1.2 探空资料分析。
  (1)K指数和沙氏指数。K指数是确定大气静力稳定度的综合性定量指标。朝阳地区降水开始前K指数逐渐增大,2010年10月1日20:00 K指数在12~16 ℃之间,而2日8:00 K指数稳定在24 ℃左右(图4)。
  从2日8:00 K指数分布图可知:K指数大值区为东北稍偏西向,朝阳地区处于底部偏右,此处为冷暖空气交汇处,有利于不稳定能量的增大与释放,对暴雨中尺度系统的产生极其有利。关于沙氏指数(SI),沙氏指数场的负值越大表示越不稳定,2010年10月1日20:00、2日8:00沙氏指数场由6 ℃降至3 ℃,这些都说明朝阳地区有比较强的不稳定能量堆积。
  (2)假相当位温。暴雨开始前,中低层能量不断积累。2010年10月1日8:00、20:00(图5)中低层假相当位温分别在36~40 ℃和40~44 ℃之间,而降水开始后的2日8:00,朝阳地区在假相当位温数值为44 ℃的中心附近,此中心为能量舌区,使得朝阳地区2日7:08—10:35处于不稳定的大气层中。不稳定能量的连续释放是造成朝阳地区雷暴降水的根本原因之一。   2.1.3 物理量诊断分析。
  (1)动力条件。2010年10月1日20:00 700 hPa的切变线及500 hPa的低槽均在朝阳地区,且各层系统近乎垂直,各层风向切变大,朝阳地区处低层切变附近和500 hPa大槽的前部,即处于中低层系统的辐合叠加区,有利于产生较强上升运动。又由于在朝阳地区附近存在明显的风辐合,会导致地面暖湿空气上升,从而造成对流的发展。1日20:00朝阳地区位于700 hPa急流的左前方,这个区域的上升运动比较强烈。随着700 hPa高空槽的发展加深,上升运动得到了进一步的发展和加强,加之前述原因,导致在此区域内上升运动更强,恰恰朝阳地区就处在这个区域,朝阳地区700 hPa和500 hPa的垂直速度均是-5×10-4 hPa/s,三者的共同作用为2日7:00—8:00的短时强降水提供了强烈动力条件[8-10]。
  (2)热力条件。分析地面图和850 hPa图可知,朝阳地区此次不稳定天气的重要原因之一是冷气团与暖湿气团在华北上空交绥。另外当对流云团移动至朝阳地区时正是早晨,一夜之间所积蓄的大量能量对雷暴云团的发展也起到促进作用。
  (3)水汽条件。此次朝阳地区秋季暴雨与夏季暴雨的重要通道为中西南低空急流不同,10月1日20:00 700 hPa高空图上在东经105°~125°,北纬35°~50°范围内有西南低空急流,最大风速在北京—朝阳为西南风16 m/s,在500 hPa高空图上急流范围更小,东经100°~120°,北纬30°~43°范围内最大风速在朝阳地区附近,西南风16 m/s。可见秋季暴雨西南急流的特点是短轴,急流轴风速大。因为副高西部稳定而狭长的水汽输送带已随季节转变而消失,急流轴短风速大,只能供给少数地区充沛水汽,700 hPa在这条路径上出现一支12 m/s以上的急流。在急流左侧850 hPa低涡右前方的朝阳地区就是暴雨中心所在。
  综上分析,造成恶劣天气的主要原因是冷暖空气势力都很强,且西南低空急流源源不断地有水汽输送到朝阳地区所致。
  2.2 中尺度分析
  2.2.1 高空及地面天气形势场分析。此次降水从蒙古到河套地区所在的西北至东南向的大槽内有闭合的低中心,有大范围的降水区。华北低压与海上低压打通,从贝湖到河套地区形成一个宽大且深的低槽区,使西南水汽加大输送,造成空气动力抬升作用。由于朝阳地区所处地理位置的特殊性,即处于迎风坡位置,从而导致低层偏南气流被迫抬升,上升运动加大,则西南暖湿气流加强,此时西南东北向的降水形势已建立,在这种形势下华北低压的偏北气流与西南气流在朝阳地区交汇。
  2.2.2 卫星云图分析。雷暴云团的发展是造成此次暴雨的直接原因。10月1日20:00,在西风带云系与低空西南气流交汇处,华北地区不断有对流云团生成,并逐渐向朝阳地区方向移动,2日7:00强云团已经移到朝阳地区上空,为层积云和积雨云云团(图6)。由于朝阳地区具备充分的水汽条件和强烈的上升运动条件,云团在向东北方向移动的过程中不断加强,形成的雷暴云团不断发展且持续时间长,从而导致7:00—8:00时段的强降水直至暴雨天气的出现。
  2.2.3 雷达回波分析。10月2日5:00雷达观测发现向东北移动的气旋性降水回波已移动到朝阳站西南方140 km处,其移动速度为25 km/h,在RHI回波中有明显的零度层亮带出现,其强度达40 dBZ,对应地面的降水开始加大,2日7:10是朝阳站降水回波发展最旺盛的时期,朝阳站2日7:08—10:35出现雷暴,7:15以后降水强度逐渐加大,7:10—8:10 1 h降水量为17.0 mm,10:35 回波向东南移动,朝阳站回波开始减弱,最强为20 dBZ,对应的地面降水也明显减弱。
  2.2.4 自动气象站资料分析。分析自动气象站资料,从9月30日至10月2日温度、气压、湿度可看出,天气系统与单站要素变化一致,9月30日朝阳地区处于变性的暖高压控制区,暴雨前1 d开始,朝阳站湿度加大、气压下降,表明朝阳站在暴雨前已积蓄了大量不稳定能量,上升运动时导致强降水过程的发生。
  2.3 地形作用简析
  此次暴雨整个过程盛行偏北风,朝阳地区实属四面环山,西北高东南低的地形,10月1日10:00—11:00以前朝阳站为西北西风,风速为1.3~1.5 m/s,2日15:00西北西风转为北北东风,风速为2.5 m/s,形成风场辐合切变,促成了暴雨云团的发生,由于地形抬升作用,大气辐合上升运动加强,有利于形成暴雨云团。
  2.4 数值预报产品检验(T639)
  2.4.1 温度露点差。10月2日8:00的高空图上200~850 hPa都有湿舌,从西南部伸向朝阳地区,T-Td为2.9~4.8 ℃,暴雨中心与湿度中心基本重合。
  2.4.2 涡度场。从10月1日8:00涡度分布看,500~850 hPa都有湿舌,在朝阳地区的西部有明显的正涡度区。到20:00朝阳地区为正涡度区中心,500 hPa中心已经南压,表明朝阳地区的上升运动较强,暴雨中心的垂直涡度配合作用明显也是朝阳站秋季暴雨的重要原因之一。
  2.4.3 垂直速度。10月1日8:00 850~700 hPa的垂直速度 >0 hPa/s,而从华北至贝加尔湖<0 hPa/s,500 hPa在朝阳地区 <0 hPa/s,说明整个气层以下沉运动为主。1日20:00 500~850 hPa整个气层均为负值,高低层垂直速度均为负值,朝阳地区 <-20 hPa/s。说明上升运动的产生与前面的涡度场变化相一致。
  2.5 日本数值预报图
  在日本数值预报图上,10月1日未来24 h降水量预报为25~33 mm,与实况相差较大,这反映了数值预报的局限性,也说明了暴雨过程中的特殊性及不确定性,目前的数值预报还很难准确把握。尽管如此,数值预报在这场暴雨预报过程中可起到警示作用,有一定的参考价值。   3 预报技术着眼点与难点
  副高的进退及强弱、冷暖空气交汇的位置、是否存在急流和是否生成中尺度系统(如中尺度辐合线或气旋)是预报暴雨的着眼点。冷暖空气交汇的位置适当、存在急流、中低层生成中尺度辐合线或气旋是产生暴雨的环流特征。秋季气候演变趋势是西风带环流由经向型向纬向型转变,但是也不排除在一段时期内经向型显著的可能。朝阳站出现秋季暴雨的概率不大,副高南撤,切断了稳定而狭长的水汽通道,不可能出现暴雨,若有比较有利的天气形势,暴雨出现的概率则较大。单站地面气象要素变化也是暴雨发生的明显征兆。
  4 预报建议
  在秋季降水的预报中,也要慎重考虑有暴雨的可能,一旦具备充沛的水汽条件、强烈的上升运动和较长的降水持续时间,暴雨也有可能发生。值得关注的问题是暴雨前几天的天气实况,此次过程前几天湿度较大,气温较高,最高气温接近历史同期极值,说明前期能量积累非常充分,对此在今后的预报中应给予高度重视,特别是本地前期实况的分析。对于数值预报结果,数值预报中的形势预报基本正确,降水量预报值偏小,但可起到警示作用,有一定参考价值。
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