漆梁波,曹曉崗,張吉,馬革蘭,余暉

(1.上海中心氣象臺,上海200030;2.南京信息工程大學,江蘇南京210044;3.中國氣象局上海臺風研究所,上海200030;4.中國氣象局臺風預報技術(shù)重點開放實驗室,上海200030)

0 引言

近年來,在強非線性的框架內(nèi),不同尺度渦旋之間強耦合的問題,已有一系列的結(jié)果給出(Montgomery and Kallenbach,1997;周嘉陵等,2006;周秀驥等,2006;Luo and Liu,2006a,2006b;Ping et al.,2006;羅哲賢和李春虎,2007;Luo,2007;Luo and Liu,2007;Ping and Luo,2007)。在臺風相關研究領域,渦旋相互作用的動力學研究也在廣泛開展(Enagonio and Montgomery,2001;羅哲賢,2005;Ping et al.,2008;Yu et al.,2010)。

相關研究(Enagonio andMontgomery,2001;漆梁波,2002;羅哲賢,2005;漆梁波等,2006;Ping et al.,2008;Yu et al.,2010)表明:中尺度暴雨云團的生成和消散,與更小尺度(20～40 km)的云團合并有著非常密切的聯(lián)系。依據(jù)動力學理論,小尺度云團也對應著一定結(jié)構(gòu)的渦旋運動,從這個意義上講,中尺度暴雨云團的生消也可以看成小渦旋和更大尺度的渦旋之間的組織和分裂。多年以來,半徑小于50 km的小渦一直被渦旋動力學領域的國內(nèi)外同行忽略不計。羅哲賢和李春虎(2007)、周嘉陵等(2006)研究表明:尺度小于50 km的小渦可以構(gòu)成主渦的微環(huán)境場。不同的微環(huán)境場導致不同的渦旋自組織結(jié)果,一定程度上也決定主渦運動的復雜性。

理論研究已經(jīng)取得了矚目的成果,但是,理論結(jié)果的應用還很少。本文主要描述渦旋自組織理論在上海地區(qū)一次中尺度暴雨中的應用,試圖說明該理論在實際業(yè)務中的應用具有很好的前景,并且可以在中小尺度天氣系統(tǒng)(30～50 km)的預報中得到適用,而不僅僅限于臺風的發(fā)生和發(fā)展(臺風是最典型的天氣尺度渦旋系統(tǒng))。

1 天氣實況及背景

2008年8月25日早晨,上海中心城區(qū)出現(xiàn)了一場雨強百年未遇的強雷電和大暴雨天氣,主要降水時段出現(xiàn)在25日05—08時(北京時間,下同)。徐家匯站1 h最大雨量達117.5 mm,有7個自動站總雨量超過100 mm。突發(fā)強降水造成上海大面積道路嚴重積水,部分交通主干道地道被水淹沒,由于正值上班高峰期,大量人員被困上班途中,給城市交通運營和工作生活帶來嚴重影響。

2008年8月下旬初,在東北亞地區(qū)有一個穩(wěn)定而龐大的低壓,24日500 hPa上低壓中心在蒙古東北部,我國淮河以北地區(qū)處在這個大低壓南側(cè)緯向性較大的西風帶中,08時一支低槽在黃河上游秦嶺西側(cè)(圖略)。在較低緯度地區(qū),“0812”號臺風“鸚鵡”繼22日先后在香港和廣東中山市登陸后繼續(xù)西行,24日減弱為低壓,其中心在廣西境內(nèi)。與此同時,副熱帶高壓在前期有一個東撤,此后于24日跟隨“鸚鵡”西進,588 dagpm等值線在福建沿海。24日20時500 hPa上西風淺槽東移到淮河上游,東南沿海副高略向西擠(圖1a)。在低層850 hPa上“鸚鵡”登陸后形成了向東北側(cè)伸展的倒槽,24日20時在此倒槽中,也在500 hPa槽前位置,有誘生低壓生成(圖1b);地面相應位置上有倒槽。25日凌晨地面低壓形成并繼續(xù)東移和增強,10時30分低壓入海,過程結(jié)束。

從云圖演變(圖2)看,自8月25日05時開始,浙江北部和上海北部各有一個云團在發(fā)展,并逐漸靠近。到07時前后,兩個云團合并成一個更大的云團,強度更強,這一點可以從云團的面積和最大云頂亮溫的變化中得到證實。從前人的各種研究成果看,衛(wèi)星云圖上尺度大于30～50 km的云團,往往對應大氣中的一個渦旋。很顯然,在這次個例中,小渦旋合并導致大渦旋的產(chǎn)生或者加強,并帶來了致災的降水。

圖1 2008年8月24日20時500 hPa(a)和850 hPa(b)形勢(圖a中棕色線表示槽;圖b中雙棕色線表示850 hPa高度上的切變,陰影區(qū)表示急流(＞12 m/s);圓點線表示臺風的路徑)Fig.1 (a)500 hPa and(b)850 hPa synoptic situation at 20:00 BST 24 August 2008(The brown line indicates trough in Fig.1a.The double line indicates shear line,and the shaded area indicates jet stream(＞12 m/s)in Fig1.b.The dotted line indicates the typhoon track)

圖2 2008年8月25日04—08時的紅外云圖演變(箭頭指示合并之前的小云團和合并后的大云團)a.04:00;b.05:00;c.06:00;d.07:00;e.07:30;f.08:00Fig.2 FY-3C I R image from 04:00 to 08:00 BST 25 August 2008(Arrows point to s mall cloud masses before combination and large cloud mass after combination) a.04:00 BST;b.05:00 BST;c.06:00 BST;d.07:00 BST;e.07:30 BST;f.08:00 BST

2 雷達、地面自動站觀測結(jié)果分析

由圖3可知,8月25日05時02分位于南通、太湖東側(cè)、嘉興有3個中尺度對流回波單體在形成發(fā)展,編號分別為a、b、c,強度為40～50 dBZ。a、b回波單體向東移動,c回波單體向東北移動,其中b回波單體東移加強明顯,強中心達50 dBZ。06時30分,b、c回波單體已非常接近;06時59分已開始合并,中心強度進一步加強到55 dBZ。這也是徐家匯站降水開始加大的時候,并且a、b回波也有合并趨勢。07時34分,a、b回波也已合并到一起。由于回波的不斷合并、加強,最大回波頂高達15 km,加上雷暴云團移動緩慢,有利于局地強降水的發(fā)生,最終造成了上海市南洋中學1 min最大雨量為5 mm,徐家匯07:17—07:26的10 min雨量達到30 mm。

圖4是上海地區(qū)密集自動站網(wǎng)的風場觀測。可見,上述回波單體由于尺度較小,從地面自動站的風場信息中無法得到體現(xiàn)。但是,與上述回波單體有關的尺度較大的渦旋則可以從圖中分析出來,對應地面有低氣壓中心存在。如前所述,小渦旋(雷達回波單體)的合并時間是在07時左右。圖4表明,07時的低壓環(huán)流較06時明顯加強,這可以從低壓環(huán)流中心附近風向的變化得到證明,在07時的地面風場中,低壓中心附近的風向輻合(入流)更加明顯。此外,低壓中心附近最低氣壓值的變化(圖5)也表明了低壓環(huán)流的加強,即:中心附近最低氣壓值在07時達到最低。這證明小渦旋合并導致大渦旋加強。

圖6為2008年8月25日01:00—08:00徐家匯站(云團合并處附近)的逐時降水變化。由圖6可看出,渦旋合并導致降水集中出現(xiàn)(出現(xiàn)時間為07:00—08:00,1 h降水量達117.5 mm),表明該時段有很強的上升氣流。這從側(cè)面證實了渦旋合并且導致更大的渦旋加強或生成,即小渦旋自組織合并導致大渦旋加強,大渦旋加強使得低氣壓加深,低氣壓加深帶來強上升運動,最終導致強降水的發(fā)生。

圖3 8月25日05時02分—07時34分的雷達回波(圖中a、b、c分別表示3個回波單體)a.05:02;b.05:48;c.06:30;d.06:59;e.07:05;f.07:34Fig.3 Radar echo from 05:02 to 07:34 BST 25 August in Shanghai(a,b and c denote the different echoes,respectively) a.05:02 BST;b.05:48 BST;c.06:30 BST;d.06:59 BST;e.07:05 BST;f.07:34 BST

3 主客觀預報過程分析

3.1 數(shù)值模式的預報表現(xiàn)

圖4 2008年8月25日06時(a)和07時(b)上海地區(qū)地面風場(粗線表示低壓環(huán)流)Fig.4 Surface wind fields at(a)06:00 and(b)07:00 BST 25 August 2008 in Shanghai(Thick line denotes low circulation)

圖5 2008年8月25日02—10時上海地區(qū)低壓環(huán)流中心附近最低地面氣壓值的演變Fig.5 Evolution of the lowest pressure near low depression in Shanghaifrom02:00to10:00BST25 August 2008

圖6 2008年8月25日01—14時徐家匯站的逐小時降水量Fig.6 Evolution of hourly rainfall at Xujiahui station from 01:00 to 14:00 BST 25 August 2008

在8月24日17時預報發(fā)布之前能參考的主要數(shù)值模式有:23日20時起報的T639模式(分辨率約30 km),23日08時和20時歐洲中心的數(shù)值預報(分發(fā)產(chǎn)品,分辨率約250 km),以及23日20時起報的日本數(shù)值預報(分發(fā)產(chǎn)品,分辨率約100 km)。通過對各家數(shù)值模式預報的檢驗來看,數(shù)值預報在短期時效內(nèi)能較好地反映出高低空切變、高空槽及低渦等環(huán)流形勢的特點,但對風場強弱、水汽條件等的預報能力較差,主要雨帶的位置也有偏差。數(shù)值預報模式對25日清晨發(fā)生在上海的強降水過程的預報能力較弱,特別是限于模式輸出產(chǎn)品的時間間隔(3 h)和空間分辨率(30～100 km),對渦旋自組織導致大渦旋加強的過程幾乎無法體現(xiàn)。因此,中小尺度渦旋自組織現(xiàn)象的預報,需要高空間分辨率(＜10 km)和高時間分辨率(＜30 min)輸出的模式資料來支撐。

3.2 預報員應用渦旋自組織理論的主要過程

8月25日04時30分開始,當班預報員發(fā)現(xiàn)太湖東側(cè)淀山湖地區(qū)首先有回波出現(xiàn),但強度不強;05時20分以后回波加強,西部青浦地區(qū)出現(xiàn)雷電和降水,值班預報員根據(jù)回波演變情況,于05時54分發(fā)布雷電黃色預警信號。06時許,雷達上顯示浙北有一回波發(fā)展,有向東北方向移動趨勢,且青浦的降水帶也有緩慢東移跡象。當班預報員判斷兩塊回波很可能在市區(qū)上空合并,而根據(jù)渦旋自組織理論,這種合并將導致更大范圍和更強的對流回波—更有組織的環(huán)流渦旋的出現(xiàn),從而帶來短時的強降水,因此,在06時25分發(fā)布了暴雨黃色預警信號,以后又根據(jù)最新雨情,于07時31分變更暴雨黃色為暴雨橙色預警信號。

4 結(jié)論與討論

從本次上海大暴雨的預報來看,渦旋自組織理論對預報中小尺度天氣系統(tǒng)(30～100 km)的發(fā)生發(fā)展有很好的指導意義。在具體工作實踐中,觀測事實、預報經(jīng)驗與基礎理論的相互結(jié)合和印證既有利于預報準確率的提高,也能促進基礎理論研究的發(fā)展。

從前人的研究和業(yè)務實踐看,中小尺度天氣系統(tǒng)突然生成或發(fā)展的預報仍然是個未解決的問題。而對于上海這樣的特大城市,中小尺度系統(tǒng)在原地的自組織和加強尤其會帶來嚴重的影響。2001年8月5日,上海發(fā)生了類似于本次降水強度的特大暴雨(24 h降水量達到275 mm),其中也涉及到類似的渦旋組織和合并現(xiàn)象(漆梁波,2002;漆梁波等,2006;Yu et al.,2010)。2007年7月18日濟南特大暴雨(雨強達到151 mm/h),也造成了嚴重的人員和財產(chǎn)損失,從相關文獻(楊曉霞等,2008;張少林等,2009)看,渦旋自組織現(xiàn)象在那次特大暴雨的產(chǎn)生之前也有所體現(xiàn)。因此,渦旋自組織理論在預報中小尺度天氣系統(tǒng)中應用前景是非常廣闊的,特別在特大城市突發(fā)暴雨的預報中,可以得到很好的應用。

渦旋自組織理論從全新的科學視角揭示了很多實際天氣過程背后所蘊藏的科學本質(zhì),并能業(yè)務應用。但在今后的研究和業(yè)務應用中,還有更多的領域需要更加深入的探索,比如:渦旋自組織理論如何更好地指導業(yè)務數(shù)值模式的研發(fā);如何得到渦旋自組織過程的更精確觀測事實(更高的觀測分辨率和更多的觀測手段);如何得到業(yè)務中可以比較實用的渦旋發(fā)生發(fā)展預報技術(shù)或判據(jù)等。

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