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連陰雨天氣過程環流分析

0 引言 連陰雨是指連續5天以上的連續陰雨天氣現象,中間可以有短暫的日照時間,7天以上則為長連陰雨。如果連陰雨發生在農事活動的關鍵時節,其影響、危害非常大[1,2],例如春季的連陰雨常常伴有低溫災害,有可能造成棉花爛種或水稻爛秧。2012年2~3月我國長江中下游及以
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摘要

  0 引言

  連陰雨是指連續5天以上的連續陰雨天氣現象,中間可以有短暫的日照時間,7天以上則為長連陰雨。如果連陰雨發生在農事活動的關鍵時節,其影響、危害非常大[1,2],例如春季的連陰雨常常伴有低溫災害,有可能造成棉花爛種或水稻爛秧。2012年2~3月我國長江中下游及以南部分地區出現了一次歷史罕見的連陰雨天氣過程,與持續雨雪天氣伴隨低溫冰凍等災害天氣以及因持續降水引發的泥石流、滑坡等地質災害對農業生產和人民生活造成重大影響和巨大的經濟損失。以往研究表明[3-7],春季長江中下游地區連陰雨發生時,我國南方地區常常有一支強勁的西南氣流維持,它與孟加拉灣南支槽、副熱帶高壓外圍以及低緯越赤道氣流的發展有關,而中高緯地區則常出現“巴貝湖寬槽”,此背景又依賴于北半球長波系統以及超長波系統的穩定維持。由此可見,南、北兩支西風帶的相互作用對連陰雨的發生和維持影響甚大。潘旸等[8]研究了2009年2~3月我國南方的連陰雨過程,分析發現歐亞大陸上空阻塞形勢穩定,而在中低緯地區,西太平洋副高穩定在菲律賓海上空,這種環流形勢使得北方干冷空氣和南方暖濕氣流在長江流域長時間對峙,形成了穩定的準靜止鋒,是影響這次連陰雨過程的主要天氣系統。張建海[9]等對2010年的春季連陰雨進行研究,發現此次連陰雨過程低層向南越赤道氣流偏弱,南海至我國東南沿海西南風較常年異常偏強,西南氣流主要由孟加拉灣西北氣流向右越過中南半島轉向形成,為連陰雨天氣輸送了充沛的水汽。

  本文利用所用降水資料為國家氣象中心提供的6 h降水觀測資料,客觀分析資料為NCEP再分析場(歷史同期取1981-2010年同期平均值),分析了2012年早春江南地區連陰雨天氣的大尺度環流特征和動力、熱力學結構,并與歷史同期形勢進行對比,揭示了兩者差異,以期為業務連陰雨天氣預報提供參考依據。

  1 連陰雨天氣過程概況

  2012年早春江南地區出現了歷史罕見的早汛和低溫凍害天氣,這次低溫連陰雨過程從2月20日開始,一直持續到3月10日才結束。其特點一是降水強度強,2月20日~3月10日浙江、江西、福建和廣東北部普遍有150 mm以上的降水,比常年偏多50%~100%;部分200 mm以上,比常年偏多100%~200%;浙、贛、閩三省交界處出現了300 mm以上的降水,局部大于350 mm,比常年偏多250%~300%.特點二是持續時間長,強降水日數明顯偏多。此次連陰雨天氣始于2月20日,一直持續到3月10日,共持續了20天,中間只有2月27日一天的降水間隙期。其中3月2日~7日連續6天出現大雨到暴雨天氣。特點三是溫度偏低。降水區大部分地區平均溫度較常年偏低1~2°C,局部偏低2~4°C.持續的低溫連陰雨天氣對農業生產和人民生活造成了嚴重影響。

  2 連陰雨過程環流分析

  2.1 200 hPa環流特征分析

  副熱帶西風急流對中國地區的降水及異常有著非常重要的影響,它能夠在高空形成有利的輻散環流,并與低空急流發生動力耦合,因而與暴雨區有很好的對應關系[10,11].為了了解連陰雨期間副熱帶西風急流的特征,作200 hPa風場距平圖,從圖1a可見,在連陰雨期間,在我國江淮流域-日本上空為偏西風距平,表明東亞副熱帶西風急流較常年偏強,而同時在低緯地區為偏東風距平,異常強盛的東西風急流在降水區上空構成了一個反氣旋型距平環流,增強了高空的輻散氣流,有利于強降水的出現。分析這次連陰雨期間116°~122°E平均的200 hPa散度場(圖1b)發現,20日前,在30°N附近為輻合區,而2月20日~3月10日期間在降水區上空的對流層高層穩定維持著輻散環流,輻散中心的位置與高層的反氣旋環流異常正好是一致的,在輻散區北側是西風異常,南側東風異常。高空強輻散區正好位于江南地區上空,為該地區的降水提供了非常有利的高空輻散條件。而在對流層低層,高空輻散區南側則穩定維持著氣旋性輻合中心(圖略),其南側的西風距平對應著低層加強的西南氣流。高空急流與低層西南氣流形成高層輻散低層輻合的配置結構,十分有利于該時期降水的維持和加強。

  2.2 500 hPa環流特征分析

  連陰雨是大氣環流相對穩定、長波系統在一定地區停滯的產物,是中高緯西風帶系統和中低緯副熱帶系統共同作用而形成的。圖2a為連陰雨期間500 hPa平均高度場及其距平圖。由圖可見,500 hPa歐亞地區高緯環流具有較大的經向度,為“兩槽一脊”形勢:位于烏拉爾山地區的高壓脊較常年偏強,距平中心為120位勢米;鄂霍次克海和里海分別有兩個低槽,高度距平為-80位勢米以上,高壓脊和低壓槽均較常年偏強。脊前槽后巴爾喀什湖以東至我國東北為一致寬廣的西北氣流,為連陰雨天氣提供了持續的冷空氣。

  在低緯度地區,西太平洋副熱帶高壓脊線位置在15°N附近,較常年平均偏北2~3度。常年平均的586線在低緯地區呈帶狀分布,阻斷了低緯地區水汽的向北輸送,因此常年此階段我國南方地區降水較弱。而2012年連陰雨期間,在孟加拉灣到南海地區為位勢高度的低值區,有利于副高南部的水汽在南海附近向北輸送。位于里海的低槽穩定,其分裂的短波槽不斷東移到達青藏高原以西地區后,由于地形阻擋而分岔,向北的一支經新疆-河西走廊,最后到達華北地區,為連陰雨天氣輸送了西路冷空氣;向南的氣流沿青藏高原南麓向東南移動,到達孟加拉灣后使得南支槽強烈發展,南支槽距平為-40位勢米,表明南支槽較常年偏強。南支槽和副高在這樣的配置下,使得來自孟加拉灣和西太平洋的水汽在南海匯合,并沿著副高西北側輸送到江南和長江中下游地區,為持續的連陰雨天氣提供了源源不斷的水汽。

  由2月19日到3月10日110°~130°E平均的緯度-時間演變圖看出,常年平均副高平均西段的脊線位于13°~14°N附近,584線在21°N附近,2012年副高的脊線位于15~16°N,584線位于22°~24°N,均比常年偏北2~3個緯距,副高的北抬與兩次較明顯的降水過程對應較好,3月4~5日降水最強的階段584線北抬到了24°N 附近,副高的強度也有所加強。由此可以發現連陰雨期間降水的加強都是伴隨著副高的北抬和加強。

  從2012年2月19日~3月12日沿著50°~60°N平均的位勢高度緯向剖面(圖3a)看,在連陰雨期間亞洲中高緯地區高壓活動頻繁,有兩次比較明顯的阻塞高壓建立-東移的過程,在連陰雨期間在70°E附近一直有阻塞存在,為我國南方持續的陰雨天氣提供了一個穩定的阻塞形勢背景。此外青藏高原南側有一支較強的南支鋒區,在鋒區上不斷東移的南支槽是這次陰雨天氣的主要影響系統之一。從20°~30°N 500 hPa平均位勢高度的時間緯向剖面圖(圖5b)上看到,在2月20日~3月10日,100°E附近始終維持低的位勢高度,表明南支槽穩定維持,在此期間,每當南支主槽有分裂小槽東移時,均造成降水的一次加強過程。

  其中2月27日到3月上旬南支槽較前期加強,尤其是3月3日低值中心降到了568 dagpm,達到了最低。從南支槽強度和降水強度的對應關系上發現,強降水前一天南支槽達到最強,分裂的小槽東移,增強降水,之后南支槽開始減弱。南支槽穩定維持,使得暖濕氣流不斷的沿著槽前西南氣流輸送到我國南方地區,為持續的陰雨天氣提供了充沛的水汽。

  綜上所述,造成2012年江南連陰雨天氣的成因有三方面,一方面是烏拉爾山地區長波脊的長久維持起了阻塞作用,使得貝加爾湖以東至鄂霍次克海地區的大低渦穩定維持,脊前槽后的偏北氣流為連陰雨提供了冷空氣條件。另外一方面強盛的西亞低槽不斷從槽中分裂小槽東移,北支越過西北地區,將冷空氣輸送到我國中東部地區;南支到達孟加拉灣后使得西南氣流加強,從而為連陰雨提供能量和充沛的水汽。北方南下冷空氣與南支槽前暖濕氣流在長江流域交匯,形成切變線和靜止鋒,使降水持續,形成連陰雨天氣。對比歷史同期500 hPa高度場(圖略),差異之處在于:一是歷史同期鄂霍次克海地區的低渦位置較偏南,其后部西北氣流已抵達30°N 附近,江南北部地區受偏北氣流控制。二是常年西太副高偏南,且與北印度洋副高打通,呈帶狀分布,我國華南至江南南部盛行偏西風,西南暖濕氣流無法北上到達江南地區。由于冷空氣偏強,歷史同期江南這一時期為少雨期。

  2.3 季風和水汽特征分析

  連陰雨是由冷暖氣流長時間交匯產生的,低層暖濕氣流在連陰雨形成中有著重要作用。從850 hPa平均風場看(圖略),2012年連陰雨期期間阿拉伯海-印度半島盛行偏西氣流,這支氣流在越過孟加拉灣時轉向成為西南氣流,西南氣流將孟加拉灣水汽輸送到我國華南至江南。連陰雨期間另一部分西南氣流是由西太副高南側部分偏東氣流在南海轉向形成的,兩支西南氣流在南海匯合,并沿著副高西側向北輸送,為江南地區的連陰雨天氣輸送了充沛的水汽;攜帶豐富水汽的西南氣流輸送至30°N附近,與北側南下的弱冷空氣在長江流域匯合,構成切變,形成連陰雨天氣,降水基本出現在切變南側。而在常年平均場上,孟加拉灣附近低空偏西氣流大部分在70°~80°E附近向南偏轉,并越過赤道,將水汽向南輸送,減弱了對我國東南沿海的水汽輸送。水平風場距平更能反映低層環流的異常,從風矢量距平分布來看(圖4a),中高緯30°N以北我國東部至蒙古國一帶為弱的東南風,表明連陰雨期間北方冷空氣勢力較常年偏弱,有利于其與南方暖濕氣流在江南北部上空對峙;相反,一旦冷空氣偏強,在偏北氣流控制下江南地區將出現多晴少雨天氣。低緯連陰雨期低空(圖4a)南海至我國東南沿海為顯著的西南風異常,西南風異常加強了來自南海和孟加拉灣的水汽輸送。

  上述分析表明,西南氣流分別由來自孟加拉灣的西南氣流和西太副高南側轉向的西南氣流兩部分組成。風矢量距平顯示,連陰雨期間西南氣流的貢獻主要是來自孟加拉灣的西南氣流。

  從圖中還可看到,在菲律賓以東洋面為偏東風異常,加強了西太副高南側的偏東氣流;而從阿拉伯海至孟加拉灣再到中南半島則為明顯的偏西風異常,兩支氣流的異常對我國東南沿海的西南氣流的加強起了主導作用。追溯氣流來源,孟加拉灣偏西風異常還與里海低槽分裂小槽東移有關。

  低層環流分析表明,連陰雨天氣是由偏強的西南暖濕氣流和偏弱的冷空氣長時間在江南北部交綏所致。圖4b為低層平均經向風隨時間的演變圖。由圖可見,連陰雨開始前即2月20日南風異常強勁,40°N附近經向風速中心值達6m·s-1以上,且南風急流向北一直伸展至中高緯,24日起南風逐漸減小,降水也隨之減弱。27日北方有較強冷空氣南下,降雨出現了短暫的間歇。28日起南風又開始增強,之后在20°~30°N始終維持著一支強勁的偏南氣流,特別是3月4~6日寬廣的偏南風異常強盛,這對水汽輸送的持續和上升運動的產生都十分有利。3月9日起北方強冷空氣大舉南下,偏南氣流迅速減弱,連陰雨結束。

  另外,結合圖4b的雨量演變還可看到:(1)以2月27日為界,總體上第二階段南風強于第一階段,這是第二階段雨勢比第一階段明顯的原因之一;(2)連陰雨第二階段3月4~6日最顯著降水過程與經向風的輻合增強對應,圖4b顯示,伴隨著強勁偏南風維持的同時,對應時段30°N 以北的偏北風也顯著增強,風速分別達到了10m·s-1,輻合上升運動較其他時段加強,使得雨勢也更加明顯。

  綜合上述分析,2012年連陰雨期間20°~30°N地區存在的一支強勁偏南氣流,低層風場呈現“南強北弱”的分布態勢,即南方暖濕氣流偏強,北方冷空氣偏弱,我國東南沿海有充沛的水汽輸送,對江南地區連陰雨的維持和強降水的產生起了重要作用。

  3 連陰雨的水汽及熱力條件

  圖5為連陰雨期間850 hPa水汽通量和假相當位溫平均場及其時間演變圖。由圖5a可見,從我國長江中下游至日本是一條東北-西南向的θse密集帶,為強能量鋒區,該強能量鋒區的形成既與西南氣流的水汽輸送有關,也與北方南下冷空氣活動有關。同時,南海至我國東南沿海為 θse高能區和水汽通量大值帶的輻合區,代表著暖濕的西南氣流,水汽通量大值區分布在西南風強風速帶上,證明低空西南氣流是水汽的輸送帶;而30°N以北為θse低值區,反映了北方干冷空氣的活動,暖濕氣流的持續北上和弱冷空氣不斷南下,形成并加強了能量鋒區的強度,使不穩定能量得以釋放,造成持續陰雨天氣,連陰雨分布與能量鋒區位置相一致。

  從沿116°~122°E水汽通量和θse的隨時間演變可看出,在整個連陰雨過程中,24°~30°N區域長時間維持高通量的水汽輸入,這表明低空偏南氣流水汽輸送在連陰雨天氣中的重要作用,水汽場的變化與降水的變化基本一致:在20日之前,在25~30°N范圍內水汽通量比較小,在4g·(cm·hPa·s)-1以下,降水還未開始。20日開始,水汽通量開始明顯加大,降水增強。2月27日有冷空氣南下,南風減弱,降水出現短暫的間歇。水汽輸送最強出現在3月5日前后,在27°N附近有一個水汽通量高值中心(圖6b),其值在12g·(cm·hPa·s)-1以上,3月4~6日正是連陰雨過程降水最為顯著的時期。另外,3月9日起水汽輸送減弱,這與9日起雨勢減弱十分吻合。從θse演變來看,在連陰雨期間,25°~30°N 之間θse等值線密集,其北部不斷有 θse低值向南輸送,表明頻繁的冷空氣活動在雨勢加劇中也起了重要作用。

  持續性的降水過程需要有充足的水汽供應來維持,因而水汽條件以及與大尺度環流相聯系的水汽輸送對降水的作用十分顯著,要認識造成這次連陰雨過程的原因,有必要弄清楚該時期的水汽條件及輸送特征。基于對2012年2月20日至3月10日平均的整層水汽通量散度的垂直積分(地面至300 hPa)的分析發現,該期間長江中下游以南地區為一個明顯水汽通量輻合區,輻合中心大致位于浙江、江西和福建3省的交界處,與過程累積降水中心的位置比較一致。具體的水汽輸送路徑為:來自西太平洋的水汽沿著副高南部向西輸送,在南海折向北,與青藏高原南麓的一支偏西水汽輸送支匯合后,再轉向東北經云貴高原輸送入我國東部長江中下游及以南部分地區輸送。由此可見,來自西太平洋、南海以及孟加拉灣北部上空的水汽均對這次連陰雨過程造成了影響。從水汽通量的值來看,來自西太平洋副高南側的轉向氣流輸送的水汽更多一些。

  從850 hPa水汽通量散度隨時間的變化可以發現,在2月21日~3月9日期間除了27日前后,在25°~30°之間都維持著水汽通量的輻合。通過與降水的時間演變可以發現,水汽通量輻合中心的位置和強度變化與降水中心的變化基本一致。

  4 連陰雨動力條件分析

  沿雨量中心做散度和上升運動時間演變的垂直剖面圖。從散度場的演變可看到(圖7a),連陰雨過程中呈現了低層輻合,高層輻散的分布特點,高層輻散所造成的抽吸作用能夠導致上升運動和低層輻合的發展,這種配置為連陰雨天氣提供了良好的動力抬升條件。分析表明:(1)高層維持強輻散對降水強度和陰雨持續起著主導作用,高層輻散不僅有利于上升運動的產生和維持,也有利于氣旋性渦度柱上空抽吸作用的加強。縱觀連陰雨過程,輻散中心基本位于200~300 hPa 之間,且輻散強度增強,雨勢也相應加大。(2)低層輻合強度與雨勢有很好的對應關系,由圖可見,2月下旬至3月上旬低層為弱的輻合,而3月4~6日則出現兩次明顯的輻合增強過程,低層散度的這些演變特征與逐日雨勢變化一致。垂直速度的演變亦是如此,除了2月27日出現下沉氣流連陰雨短暫中斷外,其余時段都維持著較強的上升運動,而且上升運動一直伸展至對流層頂,強中心出現在對流層中層。

  5 結論

  本文利用常規觀測資料、necp再分析資料,通過對2012江南地區連陰雨期間的環流特征和物理量場進行分析,并與常年同期進行對比,總結了此次連陰雨天氣的特征及其成因:

  (1)此次連陰雨天氣過程具有降水強度強、持續時間長、過程總雨量大和溫度偏低等特點。

  (2)500 hPa高緯度呈現“兩槽一脊”的環流形勢,烏拉爾山長波脊較常年偏強,脊前西北氣流為連陰雨提供了冷空氣。里海低槽分裂的小槽東移過程中,北支經途徑我國西北地區,輸送了冷空氣至我國中東部地區。西太副高較歷史同期偏北,副高的每次加強和北跳都對應著降水的階段性增強。南支槽穩定維持在100°E,比常年同期偏強,在副高西北側建立了一個穩定持久的水汽通道,在這一環流背景下,北方南下冷空氣與南方北上暖濕氣流在江南北部交匯,促進鋒生,導致連陰雨天氣。

  (3)連陰雨天氣過程中高空的副熱帶西風急流較常年偏強,在江南上空存在著反氣旋型環流距平,降雨區位于急流軸南側的高空輻散區下方,高空輻散與低層輻合區相配合,形成有利于連陰雨天氣的動力抬升條件。

  (4)連陰雨期間低層南海至我國長江流域西南風較常年異常偏強。里海低槽不斷分裂的冷空氣增強了來自孟加拉灣的西南氣流,孟加拉灣的西南氣流和副高南部的偏東氣流在南海匯合并沿著副高的西北側一直輸送到我國華南至江南,為連陰雨天氣提供了充沛的水汽條件。從水汽通量的量值來看,水汽輸送主要來自副高南部的轉向氣流。

  (5)溫濕條件分析表明,雨帶分布于水汽通量濕舌北側,與相當位溫能量鋒區基本重合,水汽場的演變與逐日雨勢變化相一致。同時,頻繁的冷空氣活動使得低層穩定度降低和暖濕空氣抬升,在雨勢加劇中起了重要作用。

  (6)連陰雨期間維持著低層輻合、高層輻散的動力配置,這對上升運動的加強和氣旋性渦度柱上空抽吸作用的加強起了主導作用。

  參考文獻

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