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闽西山区“7·22”极端降水过程中尺度对流特征

冯晋勤 刘铭 蔡菁

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闽西山区“7·22”极端降水过程中尺度对流特征

Meso-scale Convective Characteristics of "7·22" Extreme Rain in the West Mountainous Area of Fujian

  • 摘要: 2015年7月22日福建西部山区经历了一次罕见的极端降水过程,6 h降水量高达254.9 mm,24 h最大降水量达295.5 mm。利用常规天气资料、自动气象站、卫星云图、风廓线雷达以及多普勒天气雷达资料,分析此次过程的中尺度对流系统的环境条件及结构演变特征。分析表明:低空季风槽北抬减弱后的切变和高空高压之间的南北向槽缓慢向东北移动是此次强降雨的主要影响系统,不稳定能量加大、抬升凝结高度和自由对流高度低、大气可降水量大及中等到弱的垂直风切变形成有利于中尺度对流系统发展的环境条件。中尺度对流系统在发展过程中结构发生改变,由线状对流伴随层云(TL/AS)的结构转变为静止后向建立的中尺度对流系统,极端降水出现在静止后向传播阶段。高空冷空气入侵,低空西南急流加强并伴风速辐合,冷暖空气交汇导致中尺度对流系统加强发展,边界层西南气流在有利的喇叭口地形作用下加强抬升,北上受到山脉阻挡形成小涡旋,西北侧对流单体移入后不断加强,对流单体的移动方向和传播方向相反,中尺度对流系统形成静止后向传播,产生列车效应,出现极端降水。
  • 图 1  2015年7月21日20:00—22日20:00龙岩降水量分布(单位:mm)

    Fig.1  Observed precipitation at Longyan from 2000 BT 21 Jul to 2000 BT 22 Jul in 2015(unit:mm)

    图 2  2015年21日20:00—22日20:00连城、培田及文亨3站小时降水量柱形图

    Fig.2  Hourly precipitation at Liancheng, Peitian and Wenheng from 2000 BT 21 Jul to 2000 BT 22 Jul in 2015

    图 3  2015年7月21—22日中尺度对流系统龙岩雷达组合反射率因子演变(黑色圆圈代表强中心)

    Fig.3  Evolution of MCS in the composite reflectivity of Longyan radar from 21 Jul to 22 Jul in 2015

    图 4  2015年7月22日01:33,02:03和02:34龙岩雷达0.5°仰角反射率因子(填色)

    (02:03和02:34叠加02:00和03:00降水量(数字),单位:mm)

    Fig.4  The reflectivity(the shaded) of Longyan radar with 0.5° elevation at 0133 BT, 0203 BT and 0234 BT 22 Jul 2015

    (0203 BT and 0234 BT superpose 0200 BT, 0300 BT hourly precipitation(the number), unit:mm)

    图 5  2015年7月22日09:54龙岩雷达组合反射率因子(a)、2.4°(b)及3.4°(c)仰角径向速度

    Fig.5  Composite reflectivity(a) and velocity of Longyan radar with the elevation of 2.4°(b), 3.4°(c) at 0954 BT 22 Jul 2015

    图 6  2015年7月22日01:36—03:18武平风廓线雷达风场随高度变化

    Fig.6  Wind vector of Wuping wind-profiling radar from 0136 BT to 0318 BT on 22 Jul 2015

    图 7  2015年7月22日09:00连城地面风场

    (填色为地形)

    Fig.7  Surface wind field of Liancheng at 0900 BT 22 Jul 2015

    (the shaded denotes terrain)

    表 1  2015年7月21—22日赣县、河源和厦门探空站环境参数

    Table 1.  Enviromental parameters of Ganxian, Heyuan and Xiamen from 21 Jul to 22 Jul in 2015

    时间 站点 对流有效位能/(J·kg-1) 对流抑制能量/(J·kg-1) 抬升凝结高度/hPa 自由对流高度/hPa 地面到500 hPa垂直风切变/(m·s-1)
    21T08:00 赣县 318.9 18.3 963.3 791.3 5.55
    河源 27.9 1.4 988.7 962.7 5.46
    厦门 2130.8 3.0 972.0 952.0 13.96
    21T20:00 赣县 655.7 50.0 947.1 817.1 7.03
    河源 425.3 9.2 983.5 897.5 10.60
    厦门 1340.3 3.3 973.8 947.8 11.10
    22T08:00 赣县 501.8 38.5 946.2 808.2 6.00
    河源 603.2 8.2 976.9 926.9 4.51
    厦门 923.9 1.6 981.9 957.9 6.02
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-26
  • 修回日期:  2018-07-09
  • 刊出日期:  2018-11-30

闽西山区“7·22”极端降水过程中尺度对流特征

  • 1. 福建省龙岩市气象局, 龙岩 364000
  • 2. 福建省气象台, 福州 350001

摘要: 2015年7月22日福建西部山区经历了一次罕见的极端降水过程,6 h降水量高达254.9 mm,24 h最大降水量达295.5 mm。利用常规天气资料、自动气象站、卫星云图、风廓线雷达以及多普勒天气雷达资料,分析此次过程的中尺度对流系统的环境条件及结构演变特征。分析表明:低空季风槽北抬减弱后的切变和高空高压之间的南北向槽缓慢向东北移动是此次强降雨的主要影响系统,不稳定能量加大、抬升凝结高度和自由对流高度低、大气可降水量大及中等到弱的垂直风切变形成有利于中尺度对流系统发展的环境条件。中尺度对流系统在发展过程中结构发生改变,由线状对流伴随层云(TL/AS)的结构转变为静止后向建立的中尺度对流系统,极端降水出现在静止后向传播阶段。高空冷空气入侵,低空西南急流加强并伴风速辐合,冷暖空气交汇导致中尺度对流系统加强发展,边界层西南气流在有利的喇叭口地形作用下加强抬升,北上受到山脉阻挡形成小涡旋,西北侧对流单体移入后不断加强,对流单体的移动方向和传播方向相反,中尺度对流系统形成静止后向传播,产生列车效应,出现极端降水。

English Abstract

    • 暴雨是不同天气尺度系统相互作用的结果,它的发生、发展与中尺度对流系统(mesoscale convective systems, MCS)关系密切。MacGorman等[1]指出, MCS是指一群与环境相互作用并能改变环境的风暴群且随后产生比单个风暴更大的长生命系统。Schumacher等[2]将回波强度大于40 dBZ、范围大于100 km及持续时间为3~24 h的对流系统定义为MCS。随着观测手段改进和获取资料更加精细,国内外对中尺度对流系统类型和结构的研究已取得较多的成果,Schiesser等[3]分析了瑞士多年灾害性中尺度降水系统特征,将成熟阶段中尺度对流系统分为3类。Parker等[4]统计了美国中部地区线状MCS,依照中尺度对流系统的回波组织模态建立了3类MCS:尾随层状MCS、前导层状MCS和平行层状MCS。Schumacher等[2]在Parker等[4]的研究基础上,提出了线状对流伴随层云(TL/AS)和准静止后向建立MCS,TL/AS MCS常形成于地面一个准静止的锋面或辐合线附近,而准静止后向建立的MCS在近地面没有很明显的天气系统对应,有时产生在旧系统的出流边界,单体运动方向与传播方向相反。王晓芳等[5-6]根据文献[4]和文献[2]中的MCS分类方法,分析了长江中下游地区梅雨期中尺度对流系统的类型和活动特征,建立了8类典型的线状中尺度对流系统。易笑园等[7]利用卫星、雷达和加密自动气象站等监测资料,对渤海西岸暴雨中尺度对流系统的结构和成因进行了分析。岳治国等[8]将陕西渭北地区的71次带状MCS个例分为拖曳层状、先导层状、平行层状和断裂带状MCS 4种类型。通过对产生暴雨或是极端降水的中尺度对流系统的演变及结构研究发现[9-16],在有利的环境场条件下,中尺度对流系统移动缓慢或停滞往往会产生大暴雨或特大暴雨等极端降水,中尺度对流系统的后向传播或多单体途径同一区域产生的列车效应常引发极端强降水,是极端暴洪的主要制造者。

      综上所述,国内外对中尺度对流系统的研究多数集中在MCS的分类及结构上,对中尺度对流成因、MCS中对流单体的触发及特征演变研究较少。2015年7月22日福建西部山区出现了一次罕见的特大暴雨过程,这是一次由季风槽北抬减弱的切变和高空两高压之间形成的南北向槽共同影响引发的极端降水天气过程,卫星及天气雷达资料分析显示中尺度对流系统在发展过程中结构发生改变,特大暴雨出现在中尺度对流系统准静止后向传播阶段。本文利用常规观测资料、地面以及探空、卫星、风廓线雷达和多普勒天气雷达等多源观测资料分析此次中尺度对流系统发生的环境条件、结构演变和强降水成因,从观测事实对产生极端强降水的原因进行剖析,以期提高对此类天气的认识,为今后类似天气过程的预报服务提供参考依据。

    • 2015年7月22日福建西部山区龙岩市经历了一次大暴雨天气过程,在连城县城区附近出现特大暴雨(图 1),主要降水时段出现在7月22日02:00—14:00(北京时,下同),降水呈时段集中、局地性强的特点,连城站降水突破了有气象记录(1951年)以来的日降水量最大值225.1 mm(图 2),培田自动气象站1 h最大降水量91.8 mm(图 2),文亨站3 h降水量最大达173.1 mm,6 h降水量高达254.9 mm、24 h降水量达294.5 mm(图 2),短时强降水历史罕见,3 h,6 h,12 h和24 h均达百年一遇标准,龙岩市的59个乡镇受灾(因灾死亡15人、失踪1人),直接经济损失超过40.7887亿元。

      图  1  2015年7月21日20:00—22日20:00龙岩降水量分布(单位:mm)

      Figure 1.  Observed precipitation at Longyan from 2000 BT 21 Jul to 2000 BT 22 Jul in 2015(unit:mm)

      图  2  2015年21日20:00—22日20:00连城、培田及文亨3站小时降水量柱形图

      Figure 2.  Hourly precipitation at Liancheng, Peitian and Wenheng from 2000 BT 21 Jul to 2000 BT 22 Jul in 2015

    • 2015年7月20日500 hPa中高纬度地区为两槽一脊控制,高空冷涡维持在东北地区,青藏高原东部不断有短波槽东移,位于海上的副热带高压于20日夜里西伸加强,广东、福建沿海的季风槽逐渐北抬西移,21日08:00季风槽有所减弱,位于广西和云南交界的高压加强南落,同时位于福建沿海的副热带高压继续加强北扩,21日20:00两高压之间的南北向槽加强发展东移位于福建上空。850 hPa 20日起季风槽北抬至江西、广东一带,21日20:00受副热带高压加强西伸影响,季风槽减弱后的切变北抬至江西与福建交界处(图略),西南急流轴位于广东中部到福建省沿海一带,龙岩处于急流轴左侧辐合区中。200 hPa处于西北风和偏西风的分流区。22日08:00随着500 hPa副热带高压东撤到福建省沿海一带,850 hPa切变向东北方向移入福建中北部,龙岩处于切变附近及西南急流轴左侧,并伴有风速辐合,700 hPa和500 hPa槽缓慢东移,仍位于福建上空,高空三层切变和槽线垂直,并伴有前倾结构,同时,700 hPa和500 hPa在江西、福建和广东交界处有-2℃变温,说明对流层中高层有冷空气南下。200 hPa分流区进一步加强,高空辐散强度明显增强,低层西南急流带来充足的水汽,冷暖空气在暴雨区上空交汇,低层辐合、高层辐散的形势有利于强降水的发生和维持。

      分析中尺度环境场,21日08:00 850 hPa在广西有大于355 K的假相当位温θse高能区向东北方向发展,20:00大于350 K的大值区北扩至江西、福建,龙岩处于高能区的右侧,θse大于350 K。22日08:00强值区北抬西移,龙岩北部的θse仍大于351 K,低层处于高能的湿区,而高空500 hPa θse为346 K的小值区,即θse随高度减小,差值为-6 K,龙岩上空的对流不稳定度加大。同时,22日08:00连城站上空850 hPa水汽通量为14 g·(s·cm·hPa)-1,强的水汽通量散度集中在850 hPa以下,925 hPa达-24×10-8 g·(cm2·hPa·s)-1,700~850 hPa为暖平流,300~500 hPa为冷平流,利于层结不稳定能量的加强。

      利用暴雨区临近的3个探空站(赣县、河源、厦门)分析21日08:00—22日08:00环境参数随时间变化(表 1),暴雨发生前暴雨区的西部及南部(赣县、河源两站)对流有效位能加大,3个站的对流抑制能量小,抬升凝结高度和自由对流高度低,河源和厦门两站均在850 hPa以下,地面到850 hPa为条件不稳定层结,垂直风切变除厦门站为中等强度外均较弱,地面到高空温度和露点曲线接近,整层相对湿度大,大气可降水量大,同时龙岩地面露点为23~24℃,说明暴雨发生前,在西南急流作用下高对流有效位能和水汽输送到暴雨区,抬升凝结高度和自由对流高度低有利于气层整体抬升,深厚的湿层配合较弱的垂直风切变,有利于产生高效率的降水。

      表 1  2015年7月21—22日赣县、河源和厦门探空站环境参数

      Table 1.  Enviromental parameters of Ganxian, Heyuan and Xiamen from 21 Jul to 22 Jul in 2015

      时间 站点 对流有效位能/(J·kg-1) 对流抑制能量/(J·kg-1) 抬升凝结高度/hPa 自由对流高度/hPa 地面到500 hPa垂直风切变/(m·s-1)
      21T08:00 赣县 318.9 18.3 963.3 791.3 5.55
      河源 27.9 1.4 988.7 962.7 5.46
      厦门 2130.8 3.0 972.0 952.0 13.96
      21T20:00 赣县 655.7 50.0 947.1 817.1 7.03
      河源 425.3 9.2 983.5 897.5 10.60
      厦门 1340.3 3.3 973.8 947.8 11.10
      22T08:00 赣县 501.8 38.5 946.2 808.2 6.00
      河源 603.2 8.2 976.9 926.9 4.51
      厦门 923.9 1.6 981.9 957.9 6.02
    • 云图显示2015年7月21日23:00广东东北部有对流云团向东北方向发展,云顶温度小于-52℃的范围不断扩大。22日02:00云团北侧出现指状对流云,随后位于对流云团北侧的带状云系分裂对流云块与指状对流云合并,03:00云团东北侧也发展出指状对流云,对流云团面积迅速扩大,强温度梯度区位于对流云团的东北侧,对流云团移动方向的前沿。08:00对流云团已发展成东北西南向的α中尺度MCS,水平尺度增长到350 km左右,之后MCS形状发生变化,其南北侧云团迅速减弱,强温度梯度区维持在MCS中部,强降水对应的云顶温度小于-70℃。10:00在减弱的MCS的西北部有对流云团发展,MCS西部再次出现指状对流云,云团向西北方向发展,11:00两云团合并,MCS转变为近西北—东南向长条状,强温度梯度区位于两云团合并处,极端降水出现,14:00南北侧云系逐渐减弱分离,16:00云团减弱消失。

      MCS云团维持大约17 h,最小云顶温度小于-70℃,强温度梯度区的移动方向及其停滞对对流云团的移动和发展方向有较好的指示作用,并与强降水区域有很好的对应关系,当两云团合并时首先有指状对流云发展,指状云团出现的方向对应着MCS的发展方向[10-11]

    • 与卫星云图相比,雷达回波能更加清楚地观测MCS的结构发展及演变过程,此次过程中尺度对流系统经历了东北向发展、准静止阶段以及西北—东南后向传播3个阶段,极端降水出现在准静止及后向传播阶段。

      7月21日22:00—22日06:00为东北向发展阶段,对流系统于22:30在广东平远发展并向东北方向移动(图 3),其西北部不断有块状对流单体并入,大于40 dBZ的回波面积不断扩大,22日01:00前后在平远北部的对流单体加强少动,01:00—02:00强回波影响区域降水量分别达92.3 mm和68.9 mm,01:33在单体A的北侧单体B加强发展(图 4),形成西北东南向的短雨带,在02:00前后逐渐融合在一起(图 3),位于单体B西北侧的另一单体C同样加强发展向东南方向移动与单体A,B合并(图 4中02:03和02:34),03:00发展成东北西南向的带状回波,随后在回波带的西北侧不断有对流单体以同样的形式向东南方向移动并入回波带中,05:00强回波带出现在MCS的西侧呈东北—西南向(图 3),自东北向西南有多个强对流单体排列,呈现出合并、成熟、消亡的过程,回波强中心50 dBZ,强回波中心在4 km以下,呈现典型的热带型降水回波特征[17]。03:00—06:00强回波区域1 h降水量维持在20~50 mm,最大为70.1 mm。

      图  3  2015年7月21—22日中尺度对流系统龙岩雷达组合反射率因子演变(黑色圆圈代表强中心)

      Figure 3.  Evolution of MCS in the composite reflectivity of Longyan radar from 21 Jul to 22 Jul in 2015

      图  4  2015年7月22日01:33,02:03和02:34龙岩雷达0.5°仰角反射率因子(填色)

      Figure 4.  The reflectivity(the shaded) of Longyan radar with 0.5° elevation at 0133 BT, 0203 BT and 0234 BT 22 Jul 2015

      Corfidi等[18]指出,对流系统的移动取决于对流系统的平流和传播运动矢量,其中平流矢量与风暴承载层(通常为300~850 hPa)的平均风一致,传播过程与对流单体的新生方向一致。该阶段对流单体不断在对流系统的北侧生成,传播方向为偏北方向,对流单体沿风暴承载层的平均风(西北风)移动,合成后对流系统东北方向移动[19]。回波图上中尺度对流系统由西侧的对流云和东侧稳定降水的层云组成,对流降水区和层状降水区相邻,并一同向东北方向移动,MCS上对流单体呈东北—西南向排列,新单体在MCS的北部产生后移入MCS,对流单体朝东南方向倾斜,与线状对流伴随层云(TL/AS)的中尺度对流系统组织结构相似[2, 6]

      22日06:00—08:00中尺度对流系统逐渐转为准静止阶段(图 3),强回波中心维持在回波带的中部。06:00对流单体仍由回波带西北侧发展,新移入的对流回波块由3个对流单体组成,06:35南侧的对流单体并入回波带中,07:00中部和北部的对流单体融入回波带,北侧对流单体于08:30逐渐减弱,在此期间,多个发展成熟的对流单体影响连城中北部、清流东南部及永安的西南部,呈准静止状态,强降水集中在连城及其北部区域,07:00—08:00降水量维持在30~60 mm,最大为78.5 mm。

      22日08:00—16:00中尺度对流系统转为西北东南后向传播(图 3),在连城城区附近产生极端降水。08:00后随着西北侧对流单体并入回波带,逐渐形成两条西北东南向的对流回波带,回波带上的对流单体不断由西北方向移入,在连城城区及北部加强发展,使得强降水持续。09:00后位于中部对流带减弱(图 3),但南侧对流带从江西东部不断有对流单体生成向东南方向移动,沿西北—东南向做垂直剖面,单体呈新生、成熟、消亡排列。此时对流单体在西北方向生成,生成后在西北风引导下向东南移动,单体移动方向和传播方向近乎相反,对流系统呈准静止状态,MCS发展为准静止后向建立中尺度对流系统[2, 5],后部不断建立的对流单体及其产生的列车效应形成中尺度对流系统组织形态[20-21]。12:00后西北—东南向回波带逐渐断裂(图 3),连城附近的对流单体减弱,长汀东北部对流单体维持到14:00,江西东部的对流回波减弱消失,强降水过程结束。

      分析特大暴雨区上空的雷达回波特征,08:00—12:00强回波区对应速度图上有一零速度折角长时间维持,低层零速度折角西侧的强回波区对应有尺度较大的涡旋或弱的中气旋存在,在连城城区附近维持时间长达4 h。俞小鼎[19]指出在有利于强降水的环境条件下,有时导致降水的中尺度对流系统中含有中气旋或是比中气旋尺度更大的几十公里尺度的涡旋,会明显增加强降水的可能。同时,4~8 km高度上的速度图在强回波附近还存在负速度大值区(大于15 m·s-1),雷达风廓线(VWP)产品也表现为中高层西北气流,低层西南气流,冷暖气流交汇,说明在对流发展旺盛阶段,对流系统后侧入流不断加强,并叠加高空环境场的西北气流,使得高空出现负速度大值区,低层对流系统前侧的入流同样在加强,在环境气流与对流系统共同作用下,后侧入流加强向下扩展,前侧入流加强向上扩展,为对流系统的维持和发展提供了良好的水汽和抬升条件,西北侧源源不断的对流单体移入后在此加强发展,形成列车效应。09:00—10:00产生91.8 mm的强降水区域,对应的雷达回波速度图上有中气旋生成(图 5),从低层(0.5°仰角)到高层(4.3°仰角)涡旋向上发展,低层涡旋强度和范围明显大于中高层(4.3°仰角),中气旋伸展高度达8 km,低层旋转辐合、高层辐散特征明显,且高层辐散高达10 km,50~55 dBZ强回波区发展到5 km以上高度。

      图  5  2015年7月22日09:54龙岩雷达组合反射率因子(a)、2.4°(b)及3.4°(c)仰角径向速度

      Figure 5.  Composite reflectivity(a) and velocity of Longyan radar with the elevation of 2.4°(b), 3.4°(c) at 0954 BT 22 Jul 2015

    • 中尺度对流系统的发生、发展与中尺度影响系统关系密切。分析中高层风向演变、地面中尺度影响系统的形成和发展可以更好地把握中尺度对流系统的加强发展。福建西部山区中小尺度地形复杂,西南面为向南开口喇叭口地形,境内多山脉和河谷,地形对对流系统的加强和强降水维持也起重要作用。极端强降水产生在对流后向建立阶段,对流的主要触发因子及对流系统持续加强是强降水产生的关键,下面从观测角度对中尺度对流系统加强及极端短时强降水成因进行分析。

    • 2015年7月22日22:00前后初始的对流云团在广东福建交界处发展,地面风场对应有弱的偏北风和偏南风辐合,850 hPa西南急流加强并伴有风速辐合,在有利的中尺度环境条件下,对流单体在地面辐合和西南气流的抬升作用下触发加强发展。同时,冷暖空气交汇对中尺度对流系统加强起到关键作用,位于暴雨区西侧的武平风廓线雷达资料显示,从22日01:00开始测站上空中高层(4500 m以下)的西北风不断下传,风速也明显加大,携带大量冷空气向中低层扩展,低层为西南气流,冷暖气流在武平测站上空交汇(图 6),此时地面降水强度开始加强,后西北风的高度不断下降,22日01:00—02:00测站小时降水量为12.1 mm。22日02:00—03:00 1000 m以下西南风风速加大到10~14 m·s-1,说明边界层西南气流加强,带来充足的水汽,表明在对流系统成熟期,后侧入流不断加强并向下扩展,前侧入流不断加强并向上扩展,高空冷空气下沉,冷暖空气交汇使得由西北部移入的对流单体在此得到加强发展,MCS面积不断扩大。22日02:00—08:00 850 hPa切变向东北方向移动,700 hPa切变移动缓慢,高低空的切变和槽线位置更加靠近,良好的动力抬升条件向东北方向移动,500~700 hPa槽线前倾,有利于中高层冷空气下传。多普勒天气雷达0.5°仰角径向速度图同样显示,02:00—06:00在暴雨区上空2 km高度处零速度线呈一折角,说明在中层切变线维持在龙岩上空,强回波区域的中低层对应风速辐合,8 km以上的高度对应辐散,有利于对流降水的加强。

      图  6  2015年7月22日01:36—03:18武平风廓线雷达风场随高度变化

      Figure 6.  Wind vector of Wuping wind-profiling radar from 0136 BT to 0318 BT on 22 Jul 2015

    • 大量观测结果显示,山区特大暴雨通常发生在山地迎风坡、喇叭口地形、气流汇合的河谷等地方[22]。李真光等[23]研究表明,喇叭口地形的辐合作用不仅地形抬升作用明显,且易形成偏南风辐合区和中尺度辐合线,造成暖湿气流上升和对流云发展,有利于暴雨产生和加强。特大暴雨经常在动力抬升与喇叭口地形收缩作用相结合的作用下产生[24-26]

      此次过程闽西山区的地形对西南气流的加强同样起重要作用(图 7),首先对流单体由广东北部进入龙岩的西南侧武平,龙岩的西南部是一向南开口喇叭口地形,对加强的西南气流起到抬升作用,地面自动气象站、风廓线雷达显示,7月22日00:00边界层500~800 m的西南气流逐渐加强并向上向下扩展,02:00对流单体移入喇叭口地形后加强发展产生强降水,地面流场也显示气旋性旋转和风速辐合。之后西南气流沿上杭及连城境内东北—西南向的河谷、或谷地北上,风廓线雷达显示,暴雨区西南侧的武平1000 m以下的西南风大于暴雨区东北部的永安站,说明西南气流沿境内河谷、南北向狭长的谷地北上形成辐合区,对流云团随加强的西南气流沿境内河谷、谷地北上发展,产生强降水。

      图  7  2015年7月22日09:00连城地面风场

      Figure 7.  Surface wind field of Liancheng at 0900 BT 22 Jul 2015

    • 此次过程短时强降水历史罕见,强降水集中在7月22日08:00—14:00,共17个站6 h降水量超过100 mm,其中4个站降水量超过200 mm,文亨站3 h降水量最大达173.1 mm,6 h降水量达254.9 mm。对流的触发加强及强降水的维持是产生极端降水的关键。

      由22日08:00高空资料及风廓线雷达拼图可知,对流单体在850 hPa切变线的南端不断被触发,在西北气流引导下向东南方向移动进入暴雨区后加强发展。新生成的对流单体强度并不强,以35~40 dBZ为主,进入暴雨区上空,对流单体强烈发展成为成熟的对流单体,维持在对流带的中部,回波强度维持在45~55 dBZ,停留近6 h产生极端强降水。强对流单体在天气雷达低层仰角速度图上表现为风速辐合、逆风区、弱中气旋,高仰角5~7 km的高度上速度图出现大值区,9~10 km的高度出现明显的辐散,结合风廓线雷达分析表明,在对流系统的中部,在中高层其后侧入流不断加强,叠加高空环境场的西北气流,使得高空西北气流加大并向低层扩展,携带冷空气向低层扩展,在低层,对流单体的前侧入流西南气流同样在加强并向上扩展,冷暖空气交汇,同时地面小涡旋长时间维持,在环境气流与对流系统共同作用下,使得对流系统持续加强发展,产生极端降水。

      相关研究表明:不同尺度地形对降水作用方式不同,中尺度雨团不能直接翻越1000 m以上的高山,多会减慢停滞,平行于山脉移动或绕山折向[11, 27-28]。22日08:00—14:00对流云团长时间停留在连城北部,也与高山地形阻挡关系密切,结合地形分析地面自动气象站风场可知,08:00边界层加强的西南气流沿着东北—西南向的河谷北上进入到连城北部,由于受到1000 m以上的高山阻挡,西南气流开始转向,转为东南到偏东气流,与南部强盛的西南气流形成小涡旋长时间维持(图 7),08:00环境场显示暴雨区上空边界层处于高能的湿区,不稳定能量加强,使对流单体由西北方向移入暴雨区后强烈发展,与西北方向的对流单体组成西北—东南向的对流回波带,对流云团长时间停滞,中尺度对流系统结构发生改变。与地面涡旋相对应,雷达图上显示,在暴雨区的上空强回波区低仰角(2.6~5.0 km)速度图有尺度较大的涡旋或弱的中气旋存在,其中0.5°仰角(2.6 km)涡旋维持近3.5 h,说明与地面涡旋相对应中低层也存在弱的涡旋,特别是出现91.8 mm·h-1极值降水的区域,中气旋伸展高度达8 km。22日10:30风廓线雷达显示边界层西南气流风速开始减小,850 hPa切变继续向东北方向移动并减弱,江西东部对流单体向东北方向移动,地面涡旋逐渐减弱,西北—东南向对流带断裂,强对流单体维持在连城西部,14:00后对流带进一步减弱,强降水过程结束。

      综上分析,归纳总结极端降水期间中对流尺度系统结构,对流单体在850 hPa切变线南端触发,在西北气流作用下移入暴雨区上空,与此同时,边界层不断加强的西南气流沿南北向狭长的谷地北上,受到东部及北部1000 m以上的高山阻挡转为偏东气流,与南部强盛的西南气流形成小涡旋长时间维持,在有利的环境条件下,对流单体在暴雨区上空加强发展,强降水集中在对流带的中部,即地面小涡旋的上空,停留近6 h产生极端强降水。

    • 研究表明:

      1) 2015年7月22日福建西部山区极端降水过程发生在低空季风槽北抬形成的切变和高空高压之间的南北向槽缓慢向东北移动的天气背景下,高低空系统垂直前倾,西南急流带来充足的水汽,低层辐合、高层分流辐散,θse随高度减小,低层暖平流、高层冷平流加强不稳定能量的积累,对流抑制小,抬升凝结高度和自由对流高度低有利于气层整体抬升,深厚的湿层配合较弱的垂直风切变,为中尺度对流系统发生提供了良好的环境条件。

      2) 初始的对流云团由广东福建交界处发展,在有利的中尺度环境条件下,对流单体加强发展。在东北向发展阶段,对流单体在中尺度对流系统的北侧不断生成,向东南方向移入中尺度对流系统,先后形成多个西北—东南向的短带回波,在平流和传播的共同作用下,对流系统向东北方向移动。在准静止阶段,强温度梯度区位于MCS的中部,其北侧及南侧云团迅速减弱,位于MCS的中部的强温度梯度区呈准静止状态。

      3) 极端降水产生在准静止后向传播阶段,该阶段边界层西南气流加强北上进入暴雨区,受到高山阻挡形成小涡旋长时间维持,MCS的西北部对流单体生成后移入暴雨区加强发展。在对流发展的旺盛阶段,高空西北气流加大向低层扩展,低层对流系统前侧的入流加强并向上扩展,冷暖气流交汇,使对流系统持续加强发展。由于对流单体的移动方向和传播方向相反,MCS结构发生改变,形成静止后向传播,产生列车效应,强降水集中在对流带的中部,即地面小涡旋的上空,停留近6 h产生极端强降水。

      由于暴雨区上空缺乏高时空分辨率的风场资料,本文仅从现有的观测资料出发对产生极端强降水的原因进行剖析,有关对流触发、中尺度对流系统的形成和发展加强分析有一定的局限性,特别是地形对中尺度对流系统发生、发展以及引发强降水的贡献,需要利用高分辨率的数值模拟进行更细致的诊断分析。

参考文献 (28)

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