韓 美 , 廖晨菲 , 林小紅 , 劉通易 , 蔣 滔
福建省氣象臺(tái), 福建 福州 350000
福建是我國(guó)遭受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重的省份之一,年均有6.7個(gè)臺(tái)風(fēng)影響。每年夏、秋季節(jié)的極端暴雨過(guò)程大多與臺(tái)風(fēng)活動(dòng)有關(guān),如何減輕由臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的強(qiáng)降水影響,是福建省主要的氣象研究課題。國(guó)內(nèi)外許多氣象學(xué)者對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨形成機(jī)理和落區(qū)預(yù)報(bào)進(jìn)行了詳盡的研究。陳聯(lián)壽和孟智勇(2001)研究指出,臺(tái)風(fēng)帶來(lái)強(qiáng)降水的方式和機(jī)理有很大差異,強(qiáng)度可能與大尺度環(huán)流背景、中尺度系統(tǒng)、水汽條件、局地地形、層結(jié)穩(wěn)定度、邊界層輻合和高層出流等許多因素關(guān)系密切。其中,冷空氣可以使渦旋獲得斜壓能量,并得以迅速發(fā)展,這種暴雨通常包括由環(huán)流直接引起的和與周?chē)到y(tǒng)相互作用間接造成的,還常常與中尺度系統(tǒng)相聯(lián)系。適當(dāng)冷空氣對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨增幅作用明顯(黃莉等,2018)。張娟娟等(2021)和劉維鑫等(2016)對(duì)臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致的江西暴雨進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),冷空氣侵入暖濕氣流底部而形成冷墊,使得臺(tái)風(fēng)低壓中的暖濕氣流在冷空氣上抬升輻合,從而形成大暴雨。低層冷空氣入侵往往能造成地面鋒生,楊舒楠等(2018)分析“麥德姆”臺(tái)風(fēng)暴雨過(guò)程發(fā)現(xiàn),在冷暖平流交匯處偏向暖平流一側(cè)有明顯鋒生存在,這給降水帶來(lái)了有利的動(dòng)力條件。鋒生可使得切變線上的垂直渦度、輻合快速發(fā)展,觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放,從而導(dǎo)致大暴雨的發(fā)生(王伏村等,2016)。梁軍等(2017)對(duì)1410號(hào)臺(tái)風(fēng)造成的強(qiáng)降水進(jìn)行分析后指出,降水強(qiáng)度的差異與臺(tái)風(fēng)環(huán)流內(nèi)的鋒生強(qiáng)度相關(guān)。地形也對(duì)暴雨的增幅作用明顯,有利于中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展,局地陡峭地形對(duì)大氣的抬升和拖曳作用使得熱帶氣旋環(huán)流強(qiáng)對(duì)流雨帶降水強(qiáng)度有一定影響(趙玉春和王葉紅,2019)。福建東北部地區(qū)外海寬闊,當(dāng)風(fēng)力很強(qiáng)時(shí)海岸對(duì)風(fēng)的摩擦輻合和地形對(duì)低層急流的抬升會(huì)特別顯著,導(dǎo)致暴雨產(chǎn)生增幅(林小紅等,2015;葉龍彬等,2018)。
前人研究已經(jīng)較為詳細(xì)地闡明了暴雨增幅的相關(guān)影響因子,但在實(shí)際預(yù)報(bào)中對(duì)暴雨強(qiáng)度尤其是極端暴雨的把握依然存在較大困難,尤其是福建東北部地形復(fù)雜的情況下,暴雨增幅應(yīng)做多大程度的調(diào)整。受“珊珊”熱帶低壓的影響,2018年8月24—25日福建省東北部地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨,造成了城鄉(xiāng)積澇、山體滑坡等氣象災(zāi)害。文中分析此次熱帶低壓影響下的極端暴雨的形成原因,旨在揭示中尺度鋒生對(duì)局地強(qiáng)降水的作用,以期為暴雨天氣預(yù)報(bào)提供參考。
文中所用資料包括:中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所2018年8月24—25日間隔6 h的臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度資料,福建省氣象信息中心的福建地面自動(dòng)站的逐時(shí)降水、風(fēng)場(chǎng)、氣溫等資料,以及NCEP分辨率為0.25°×0.25°再分析資料。
圖1給出了2018年8月24日20時(shí)—25日20時(shí)實(shí)況降水量和逐小時(shí)降水序列。分析可知,此次福建東北部地區(qū)極端暴雨天氣過(guò)程發(fā)生在“珊珊”熱帶低壓在福建沿海登陸過(guò)程中。熱帶低壓于2018年8月23日08時(shí)(北京時(shí),下同)生成,25日09:40在福建省莆田秀嶼沿海登陸,登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力7級(jí)(13.9—17.1 m/s),而后緩慢西移,在低壓生成到登陸過(guò)程中,最大風(fēng)力維持在7級(jí)。受臺(tái)風(fēng)影響,24日20時(shí)—25日20時(shí)福建省東北部3個(gè)縣(市)出現(xiàn)特大暴雨,共計(jì)14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過(guò)250 mm(圖1a)。分析3個(gè)代表站不同時(shí)段累計(jì)降水量(圖1b)發(fā)現(xiàn),福鼎硤門(mén)鄉(xiāng)1 h降水量為63.6 mm,霞浦牙城鎮(zhèn)6 h降水量為123.8 mm,柘榮乍洋鄉(xiāng)12 h降水量為318.4 mm。分析上述三站的逐時(shí)降水量(圖1b)發(fā)現(xiàn),降水量分布存在明顯的“雙峰”結(jié)構(gòu)(25日03—06時(shí)、08—11時(shí)),且第二階段明顯強(qiáng)于第一階段,降水區(qū)域集中、局地性強(qiáng)、強(qiáng)度大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。
圖1 2018年8月24日20時(shí)—25日20時(shí)實(shí)況降水量(a,填色,單位:mm; 實(shí)線部分為低壓在降水時(shí)段的移動(dòng)路徑)和3個(gè)代表站逐小時(shí)降水序列(b)
圖2給出了2018年8月24日20時(shí)、25日02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)500 hPa層高度場(chǎng)和850 hPa層風(fēng)場(chǎng)。分析發(fā)現(xiàn),8月24—25日500 hPa高度層,我國(guó)東北部有低渦生成并向東移動(dòng),中緯度低槽東移,引導(dǎo)弱冷空氣南下,副熱帶高壓位置偏東,導(dǎo)致熱帶低壓的引導(dǎo)氣流弱,移動(dòng)緩慢,有利于降水的維持;850 hPa高度層,熱帶低壓北側(cè)有切變發(fā)展,并逐漸西移。24日20時(shí)(圖2a),中緯度短波槽東移,結(jié)合熱帶低壓靠近,福建東北部沿海低層偏北風(fēng)較大;25日02時(shí)(圖2b),福建東北部沿海偏北風(fēng)減弱,隨著副熱帶高壓的加強(qiáng)和熱帶低壓的北移,臺(tái)灣以北海面低空偏東氣流加強(qiáng)為急流,925 hPa高度層強(qiáng)于850 hPa層,最大達(dá)到22 m/s,甚至在1 000 hPa層也存在16 m/s的急流,偏東的邊界層急流帶來(lái)海上暖濕氣流與中緯度槽帶來(lái)的弱冷空氣交匯,有利于強(qiáng)降水的發(fā)生,對(duì)應(yīng)于第一強(qiáng)降水時(shí)段。25日08時(shí)(圖2c),熱帶低壓即將登陸,沿岸850 hPa低壓倒槽移至福建東北部地區(qū)產(chǎn)生較強(qiáng)的輻合,繞過(guò)臺(tái)灣的兩股暖濕氣流在臺(tái)灣海峽北部交匯,并在偏東的引導(dǎo)氣流下向福建東北部移動(dòng),產(chǎn)生強(qiáng)降水,對(duì)應(yīng)于第二強(qiáng)降水時(shí)段。對(duì)比兩個(gè)降水階段發(fā)現(xiàn),02時(shí)海上雖有較強(qiáng)的急流發(fā)展,但福建東北部近岸為東北氣流且陸上風(fēng)力較小,而08時(shí)風(fēng)速大值區(qū)已經(jīng)推移到陸上,在近岸為低壓北側(cè)的風(fēng)速切變區(qū),這就為第二階段強(qiáng)降水提供了有利的動(dòng)力條件。25日14時(shí)(圖2d),隨著熱帶低壓登陸減弱,繞過(guò)臺(tái)灣島的兩股氣流減弱,在福建東北部的輻合向西推進(jìn),并逐漸減弱,強(qiáng)降水趨于結(jié)束。
圖2 2018年8月24日20時(shí)(a)、25日02時(shí)(b)、08時(shí)(c)、14時(shí)(d)500 hPa高度場(chǎng)(等值線,單位:dagpm)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)桿)
圖3為2018年8月25日02時(shí)和08時(shí)地面到850 hPa層累積水汽通量和925 hPa層風(fēng)場(chǎng)。分析發(fā)現(xiàn),25日02時(shí)第一降水階段開(kāi)始前,福建東北部以東海面有較強(qiáng)的水汽通道,水汽通量中心值達(dá)到120×10-5g/(m·hPa·s),與海上夜間增強(qiáng)的低空急流相聯(lián)系,較強(qiáng)的水汽通道將水汽源源不斷地向岸上輸送,為強(qiáng)降水形成提供了較好的水汽條件。25日08時(shí),海上有2條水汽通道并在近岸相遇,中心強(qiáng)度可達(dá)90×10-5g/(m·hPa·s),在高空偏東氣流的引導(dǎo)下向岸上輸送,為第二強(qiáng)降水階段提供水汽。因此,兩個(gè)降水階段都有較好的水汽供應(yīng),第二降水階段水汽通量弱于第一階段,說(shuō)明水汽供應(yīng)不是造成兩個(gè)階段降水強(qiáng)度差異的主要原因。
圖3 2018年8月25日02時(shí)(a)和08時(shí)(b)地面到850 hPa累積的水汽通量(填色,單位:10-5 g/(m·hPa·s))和925 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)桿)
暴雨發(fā)生的局地性和突發(fā)性等中小尺度特征與地面中尺度輻合系統(tǒng)密切相關(guān)(周泓等,2015)。地形阻擋和摩擦作用使得迎風(fēng)坡前有明顯的水汽累積,隨著降水系統(tǒng)的移動(dòng)在高地形區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)降水(倪悅等,2017)。由于福建東北部下墊面復(fù)雜,在此次強(qiáng)降水過(guò)程中伴隨較強(qiáng)的對(duì)流。圖4給出了2018年8月24日20時(shí)、25日02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)水平散度、地形和垂直風(fēng)沿27°N的垂直剖面,其中垂直風(fēng)為垂直速度擴(kuò)大100倍與水平風(fēng)的合成。分析發(fā)現(xiàn),24日20時(shí),偏東氣流在地形的迎風(fēng)坡形成輻合上升,產(chǎn)生降水,背風(fēng)坡形成輻散下沉區(qū),上升速度沒(méi)有發(fā)展到很高的高度,降水強(qiáng)度并不大。隨著時(shí)間的推移,25日02時(shí),偏東氣流上岸在低空形成向西傾斜并向上發(fā)展的輻合區(qū),輻合中心離山脈略遠(yuǎn),可能受到海陸下墊面差異的影響,輻合區(qū)上空出現(xiàn)輻散區(qū),抽吸作用加強(qiáng)了垂直上升運(yùn)動(dòng),有利于降水回波的上岸增強(qiáng)并發(fā)展到較高的高度,在此過(guò)程中,高空槽東移提供了主要的動(dòng)力條件。08時(shí),增強(qiáng)的偏東氣流深入內(nèi)陸,在山脈的迎風(fēng)坡形成輻合中心,低層輻合區(qū)減弱,中高空的輻散強(qiáng)度也減弱,此時(shí)地形抬升對(duì)強(qiáng)降水的產(chǎn)生有重要的作用。14時(shí),隨著熱帶低壓的東移,偏東氣流深入內(nèi)陸,福建東北部低層輻合減弱,降水逐漸趨于結(jié)束。
圖4 2018年8月24日20時(shí)(a)、25日02時(shí)(b)、08時(shí)(c)、14時(shí)(d)水平散度(填色,單位:10-5 s-1)、地形(黑色陰影)和垂直風(fēng)(風(fēng)桿)沿27°N的垂直剖面
在傳統(tǒng)鋒生理論中,鋒生過(guò)程表現(xiàn)為水平溫度(位溫)梯度的增大過(guò)程,但在副熱帶鋒面系統(tǒng)中鋒面兩側(cè)露點(diǎn)溫度的差異比溫度本身的差異更為明顯。由于此次過(guò)程中空氣濕度較大,垂直運(yùn)動(dòng)可近似為濕絕熱過(guò)程,考慮假相當(dāng)位溫θse在濕絕熱過(guò)程中守恒,因此選θse計(jì)算鋒生函數(shù)(段旭等,2019),計(jì)算式為
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
式中,F(xiàn)為鋒生函數(shù),若F>0為鋒生,F(xiàn)<0為鋒消;F1、F2、F3、F4分別為非絕熱加熱項(xiàng)、水平輻散項(xiàng)、水平變形項(xiàng)及與垂直運(yùn)動(dòng)有關(guān)的傾斜項(xiàng);θse為假相當(dāng)位溫;Dh為水平散度;Af為伸長(zhǎng)形變;Bf為切變形變;u為緯向風(fēng);v為徑向風(fēng);ω為垂直速度。
圖5給出了2018年25日02時(shí)和08時(shí)近地面鋒生函數(shù)的水平分布。分析可知,25日02時(shí),第一個(gè)強(qiáng)降水階段開(kāi)始之前,950 hPa和925 hPa高度層福建省東北部海岸線附近均存在明顯的冷中心。沿岸冷中心與海上暖氣團(tuán)之間形成假相當(dāng)位溫密集帶,對(duì)應(yīng)鋒生函數(shù)大值中心,與950 hPa高度層相比,925 hPa層鋒生函數(shù)大值區(qū)范圍縮小,最大值由原來(lái)的36.13×10-9K/(m·s)減小為27.64×10-9K/(m·s),說(shuō)明此鋒區(qū)只存在于邊界層中,且尺度較小。25日08時(shí)第二個(gè)降水階段開(kāi)始,由于繞過(guò)臺(tái)灣島的偏南支流的加入,海岸線附近出現(xiàn)增溫,假相當(dāng)位溫等值線更加密集,鋒生函數(shù)值增大,鋒區(qū)加強(qiáng)并向上延伸,高度較上一個(gè)時(shí)次更高。鋒區(qū)的存在有利于層結(jié)不穩(wěn)定能量的釋放,對(duì)強(qiáng)降水的發(fā)生有明顯的促進(jìn)作用。同時(shí)由于鋒區(qū)存在于邊界層內(nèi),高度較低,在沿海地區(qū)的山區(qū)地形對(duì)中尺度鋒區(qū)的形成也有一定的影響。因此,文中將對(duì)鋒生函數(shù)逐項(xiàng)進(jìn)行分析,探討兩個(gè)降水階段的鋒生主要影響因子。
圖5 2018年8月25日02時(shí)(a、b)和08時(shí)(c、d)925 hPa層(左)和950 hPa層(右)鋒生函數(shù)值(填色,單位:10 -9 K/(m·s))和假相當(dāng)位溫θse(等值線,單位:K)分布
此次鋒生發(fā)生在近地層,為了探討鋒生函數(shù)各分項(xiàng)在此次暴雨過(guò)程中發(fā)揮的作用,圖6給出了鋒區(qū)(120°E,27°N)975—850 hPa高度層垂直積分的鋒生函數(shù)各項(xiàng)逐6 h變化。分析發(fā)現(xiàn),對(duì)鋒生貢獻(xiàn)最大的為水平變形項(xiàng)(F3),在兩個(gè)強(qiáng)降水階段均有較大的鋒生作用,但第二階段明顯強(qiáng)于第一階段;起到鋒消作用的為垂直運(yùn)動(dòng)傾斜項(xiàng)(F4);非絕熱加熱項(xiàng)(F1)和水平輻散項(xiàng)(F2)分別在強(qiáng)降水的第一階段和第二階段起到鋒生作用,其余為鋒消作用。
圖6 鋒區(qū)(120°E,27°N)975—850 hPa高度層垂直積分的鋒生函數(shù)各項(xiàng)逐6 h變化
圖7 鋒生函數(shù)分項(xiàng)F1(a)、F2(b)、F3(c)、F4(d)沿27°N線的時(shí)間—經(jīng)度剖面(單位:10-9 K/(m·s))
非絕熱加熱項(xiàng)F1反映了鋒區(qū)附近和外界的熱量交換,主要包括輻射、感熱和潛熱的輸送。從圖7a可知,120°E以西在25日08時(shí)之前均有F1>0,在此之后F1<0,正值區(qū)隨著時(shí)間的變化向東發(fā)展。在25日08時(shí)之前近地面偏北氣流帶來(lái)較冷的空氣導(dǎo)致地面降溫,與海上較暖的空氣相遇有利于鋒生,之后隨著降水帶來(lái)的冷區(qū)潛熱釋放、暖區(qū)蒸發(fā)冷卻以及白天太陽(yáng)輻射造成的大氣和地面升溫,使這種溫度差異逐漸減小,不利于鋒生,但由于F1量值較小,對(duì)總體鋒生影響不大。因此,F(xiàn)1項(xiàng)在降水第一階段有鋒生作用,第二階段發(fā)揮了鋒消作用。
水平輻散項(xiàng)F2是假相當(dāng)位溫梯度和散度的乘積,反映了假相當(dāng)位溫和散度對(duì)鋒生的貢獻(xiàn)。隨著時(shí)間的推移,25日08時(shí)F2由負(fù)轉(zhuǎn)正,對(duì)鋒生產(chǎn)生正的貢獻(xiàn)。結(jié)合圖5中25日08時(shí)與02時(shí)對(duì)比可以明顯看到,在925 hPa層和950 hPa層均有等假相當(dāng)位溫線更密集,梯度增大的現(xiàn)象,強(qiáng)梯度區(qū)向岸上推進(jìn)。25日08時(shí)隨著850 hPa層低壓切變的上岸,東南氣流在山脈迎風(fēng)坡也形成了強(qiáng)輻合中心,較02時(shí)更為靠近內(nèi)陸強(qiáng)降水中心。因此,假相當(dāng)位溫梯度和散度在第二階段的明顯增強(qiáng)造成了鋒生函數(shù)的增大,對(duì)強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了有利的動(dòng)力條件。
水平變形項(xiàng)(F3)的本質(zhì)是由于溫度場(chǎng)和流場(chǎng)之間存在著相互作用,等位溫線分布改變之后,原來(lái)的地轉(zhuǎn)平衡和熱成風(fēng)關(guān)系就遭到破壞,空氣運(yùn)動(dòng)也會(huì)隨之發(fā)生變化,進(jìn)一步對(duì)鋒生產(chǎn)生影響。在對(duì)北京的一次暴雨過(guò)程分析中,變形項(xiàng)對(duì)引發(fā)暴雨的低層鋒生有重要貢獻(xiàn)(李娜,2013),梅雨鋒的鋒生及其維持與形變項(xiàng)和散度項(xiàng)也有更大的關(guān)系(Chen et al,2007)。該項(xiàng)量值最大,對(duì)鋒生的貢獻(xiàn)最大,且在第二階段較第一階段有明顯的躍增(圖6)。在此次過(guò)程中鋒區(qū)走向?yàn)闁|北—西南,第一降水階段鋒區(qū)兩側(cè)風(fēng)向均為東北(圖2b),與鋒區(qū)交角小于45°,而在第二階段,風(fēng)向?yàn)闁|北和東南向(圖2c),暖區(qū)一側(cè)東南風(fēng)幾近垂直鋒區(qū),有利于假相當(dāng)位溫等值線的密集,較第一階段更加有利于鋒生。圖7c中,水平變形項(xiàng)(F3)在25日08時(shí)120°E處存在明顯的大值中心,對(duì)應(yīng)強(qiáng)降水第二階段,因此可以說(shuō)水平變形項(xiàng)在此次暴雨過(guò)程中起到主要的作用。
垂直運(yùn)動(dòng)傾斜項(xiàng)(F4)可以反映出垂直速度的水平梯度產(chǎn)生的鋒生作用。在整個(gè)暴雨過(guò)程中鋒區(qū)上F4均小于0,有鋒消作用。對(duì)假相當(dāng)位溫的垂直剖面分析可知(圖略),偏北氣流帶來(lái)的冷氣團(tuán)逐漸使低層大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定,海岸上近地層穩(wěn)定,且越深入內(nèi)陸越穩(wěn)定,海上為不穩(wěn)定層結(jié),120°E處來(lái)自海上的暖氣團(tuán)上岸沿山脈爬升,F(xiàn)4<0,有利于鋒消,第二階段降水開(kāi)始之后,東南氣流加大,暖氣團(tuán)沿山脈爬升的速度加大,F(xiàn)4值隨之減小。但在119.5°E處為山谷地帶(圖1b),穩(wěn)定層結(jié)下的冷氣團(tuán)沿山脈下沉使得F4>0,海上120°E以東不穩(wěn)定層結(jié)下暖氣團(tuán)的爬升也使得F4>0,F(xiàn)4的這種變化特征在圖7d中有所顯示,因此,雖然在鋒區(qū)上垂直運(yùn)動(dòng)傾斜項(xiàng)對(duì)于鋒生沒(méi)有正貢獻(xiàn),但是在其兩側(cè)存在正貢獻(xiàn)。
文中利用地面觀測(cè)資料和NCEP/FNL再分析資料,對(duì)福建東北部2018年8月24—25日暴雨天氣過(guò)程的大尺度流場(chǎng)、抬升條件以及鋒生過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析,得到以下結(jié)論:
1) 熱帶低壓處于副熱帶高壓主體的西南側(cè),移動(dòng)緩慢,邊界層偏東急流帶來(lái)海上暖濕氣流與中緯度槽帶來(lái)的弱冷空氣交匯,有利于強(qiáng)降水的發(fā)生。兩個(gè)降水階段都有較好的水汽供應(yīng),第二降水階段水汽通量弱于第一階段,說(shuō)明水汽供應(yīng)不是造成兩個(gè)階段降水強(qiáng)度差異的主要原因,而低層風(fēng)速較大,地形抬升對(duì)強(qiáng)降水的產(chǎn)生發(fā)揮了重要的作用。
2) 此次暴雨過(guò)程伴隨中尺度的鋒生現(xiàn)象,且在第二階段明顯強(qiáng)于第一階段,為第二階段的強(qiáng)降水提供有力的動(dòng)熱力條件。冷空氣影響造成了下墊面偏冷,海上暖濕的氣團(tuán)在其上爬升并與冷空氣交匯,形成了較強(qiáng)的中尺度鋒區(qū),鋒區(qū)上垂直渦度、輻合快速發(fā)展,觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放,為暴雨增幅提供了有利的抬升條件。
3) 熱帶低壓的移動(dòng)路徑使氣流在臺(tái)灣島兩側(cè)的繞流輻合,在較強(qiáng)偏東氣流的引導(dǎo)下,上岸爬坡增強(qiáng),造成降水增幅;熱帶低壓的移動(dòng)速度緩慢導(dǎo)致較長(zhǎng)的強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間,有利于降水的累積。