对华北一次特大台风暴雨过程的位涡诊断分析_于玉斌

北侧 , 致使暴雨增幅 。
从以上分析可知 , 在此次暴雨过程中位
涡正压项是主要的 , 即 正压过程是主要的 ,
反映了暴 雨过程位势不 稳定能量的 释放过
程 ;斜压项尽管比正压项量级小 , 但是它对
降水落区的预报起着重要的指导作用 , 随着
斜压性的增强 , 也就是风的垂直切变和位温
的水平 分布达 到最佳 配置时 , 暴雨 出现增
收稿日期 :1998-10-12 ;改回日期 :1999-02-04 中国气象局“ 九·五” 青年气象科学基金资助 第一作者简介 :于玉斌 , 男 , 1968 年 10 月出生 , 硕士 , 副教授 , 主要从事大气科学的教学 、 暴雨和高原及其邻近
地区天气动力学的研究
1 12 高 原 气 象 19 卷
降水达 413 mm(如图 1)。 8 月 3 日 00 :00 ～ 12 :00 的 12 h 降水中心位于保定附近 , 降水量达 84 mm , 3 日 12 :00 ～ 4 日 00 :00 及 4 日 00 :00 ～ 12 :00 的 12 h 降水中心均位于石家庄附近 , 12 h 降水量分别 达 108 mm 和 251 mm(图略)。
幅 , 斜压项的负值区与暴雨的落区相一致 。
此次暴雨增幅的物理机制可以理解为在
高空急流的作用下 , 高位涡空气(代表冷空
气)向南扩展 , 低层的高位涡气流(代表暖空 气)在低空急流的作用下向北输送 , 在冷暖 空气的交汇处形成斜压锋区 , 产生湿斜压不 稳定 , 触发不稳定能量的释放 , 使得暴雨增
图 1 8 月 3 日 00:00 ～ 5 日 00:00 暴雨过程雨量分布(单位 :mm) Fig .1 The precipitation pattern of the torrential process from 00UTC 3 August
to 00UTC 5 August (Unit :mm)
Others are the same as Fig .2
1 期 于玉斌等 :对华北一次特大台风暴雨过程的位涡诊断分析 1 15
大多为负值 , 暴雨的落区与斜压项的负值中
心对应得相当好 , 在各个时段暴雨区总是在
PV2 最大负值中心附近 , 其中心位涡分别达 -0 .05 PVU , -0 .07 PVU , -0 .10 PVU 。 可
2 环流形势及暴雨分布特征
众所周知 , 一次大范围的暴雨天气过程 , 必然依托于有利的大尺度环流形势 , 对于 “96 .8”特大暴雨过程 , 亦是如此 。
9608 号台风登陆北上后 , 3 日 00 :00(世界时 , 下同)减弱为低气压 , 在其北上过程 中 , 副热带高压南压 , 并向西南扩展 , 3 日 12 :00 , 内蒙古中东部西风槽后的小高压并入 副热带高压北部 , 副热带高压进一步向经向发展 , 这种强大的经向型副热带高压与台风 低压之间的气压梯度很大 , 造成了较为宽广的南北向偏南风区直抵河北 、 山西两省 ;4 日经向型副热带高压脊线顺转 , 华北中北部高度场有所降低 , 较强的偏南风进一步加强 北伸(图略), 在这种形势下 , 副热带高压以南的偏南风源源不断地向北输送水汽 , 并向 台风低压倒槽输送能量和动量 , 使得台风倒槽得以维持 , 而河北正处于倒“L” 状的副热 带高压包围之中 , 水汽与能量汇集在此 , 构成十分有利的暴雨形成形势 。
也指出位涡在暴雨的落区和强度的分析中具有重要意义 。 本文借助于位涡及等熵面的分析方法 , 分析 9608 号台风及其减弱后的低气压北上
引起华北地区特大暴雨过程的位涡分布特征及冷空气对暴雨增幅的作用 , 以便更深入地 揭示暴雨增幅的动力学和热力学机制 , 给暴雨落区和强度的短期预报提供有益的参考 。
(a)暴雨初期 , (b)暴雨中期 , (c)暴雨后期 △ 为 12 h 过程暴雨中心(下同)
Fig .2 The horizontal pattern of potential vorticity barotropic term (Unit:PVU)(a)the initial stage , (b)the middle stage , (c)the
第19卷第1期 20 00年 2 月
高 原 气 象
PLATEAU METEOROLOGY
wk.baidu.com
Vol .19, February
No .1 2000
对华北一次特大台风暴雨过程的 位涡诊断分析
于玉斌 姚秀萍
(北京气象学院 北京 100081)
摘 要 通过对 9608 号台风 低压及 其外围暴 雨位涡 和等熵 面上物 理量 场的分 析 , 揭示 了台风低压北上诱发暴雨过 程的位涡场的结构及冷空气对暴雨增幅的作用 , 给出此 次暴雨增 幅过程的图像 。 分析表明 :对流层低层中高纬度冷空气(高位涡)扩散南下 在台风低 压环流区 附近的“ 侵入” 作用是此次特大暴雨过程的最重 要的原因之一 ;等熵面位涡 的分析进 一步说明 了中高纬地区冷空气的活动 状况 ;对流层高层或平流层低层高位涡的下传 有利于位 势不稳定 能量的释放 , 使得暴雨增幅 。 分析也发现 :特大暴雨 落区位于 低层等熵面 位涡高值 区的东北 侧 , 与中低层位涡斜压部分最大负值区相对应 , 并且随着位涡 斜压部分负 值中心强 度的增强 而增幅 , 这为暴雨强度和落区的预报提供了一定的参考 。
的 0 .87 PVU , 减至暴雨后期的 0 .83 PVU , 这 与台风低压环流的减弱相对应 , 并与暴雨增
幅 , 凝结潜热释放有关 , 暴雨区位于位涡高
值区东北侧正位涡小值区附近 。从图上还可
以看到 , 在暴雨中心附近的东北方向存在着 正的高位涡中心 , 它从东北地区向南扩展与
从南方北上的暖湿气流汇合于台风低压的东
PV =-g(ζ+f) pθ+g
v p
θx -
u p
θ y
,
(PV)1 (PV)2
PV 又可以分解成两个部分[ 7] , 即与静力稳定度有关的正压项(PV)1 与风速垂直切变和 位温水平梯度有关的斜压项(PV)2 。位势涡度的单位(PVU)是 10-6m-2s-1k kg -1 , 位涡是 综合反映大气动力学和热力学的物理量 , 它把大气中两种不稳定机制有机地结合在一 起 。 位涡和等熵面的分析能更好地揭示北方冷空气和对流层高层大气“折叠”对此次特大 暴雨的作用 。
见 , 随着 PV2 负值强度的增大伴随着暴雨的 增强 , 尽管位涡的斜压部分数值比正压部分
要小 , 可是 , 它在暴雨的落区和强度方面是
很好的预报参考指标 。
800 hPa 高度上位涡的水平 分布与 PV1 的分布相当类似(图略), 台风低压环流区为
高位势涡度区 , 其强度在暴雨过程中逐渐减
弱 , 即从暴雨初期为 0 .98 PVU 经暴雨中期
later stage .△ is the center of 12 hours
precipitation
图 3 800 hPa 高度上位涡斜压项的水平分布
(单位 :10 -3PVU), 其余说明同图 2 Fig .3 The horizontal pattern of potential vorticity baroclinic term (Unit :10-3PVU).
受台风及其减弱的低气压影响 , 8 月 3 日 00 :00 ～ 5 日 00 :00 从长江中游到华北中部 和东北南部先后普降大雨 , 部分地区大暴雨 , 局部地区特大暴雨 , 其中河北的井径过程
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在这三个时段内 , 暴雨中心位置基本少动 , 且 12 h 降水量最大出现在 4 日 00 :00 ～ 12 :00 。 此后 , 台风低压减弱消失 , 强降水雨带东退减弱 。
3 资料处理和计算方法
本文选取华北特大暴雨过程为 8 月 3 日 00 :00 至 8 月 5 日 00 :00 , 首先采用以 Barnes 空间滤波方法为基础的 Maddox 方案[ 8] , 对常规资料进行客观分析 , 从而形成水平网格距 为 90 km , 垂直分辨率为 100 hPa 的 10 层网格点资料 ;资料中心(16 , 16)的网格点位于 (35 .4°N , 113°E), 48 h 过程降水中心网格点为(19 , 18 )位于 (38°N , 115 .5°E), 8 月 4 日 00 :00 台风低压中心的网格点为(14 , 13)位于 (33°N , 111°E)。 为了更好地分析暴雨落区 与位涡以及中纬度系统之间的关系 , 特别把整个暴雨过程分为三个时段 , 即暴雨初期(3 日 00 :00 ～ 12 :00), 暴雨中期(3 日 12 :00 ～ 4 日 00 :00)和暴雨后期(4 日 00 :00 ～ 12 :00), 此时与暴雨初期 、 中期和后期相对应的时次为 8 月 3 日 12 :00 , 4 日 00 :00 和 12 :00 。等熵 面的制作方法是把标准气压层的资料内插到选定的等熵面上 。本文选取 θ为 310 K , 330 K 和 335 K 的等熵面 , 它们大致分别位于 800 , 500 , 200 hPa 高度上 , 可以代表对流层低 层 、 中层和高层的情况 。位涡 PV 的表达式为
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北侧 , 而不是在位涡高值区内 。 图 3 为低层 800 hPa 高度上位涡斜压项的水平分布图 。 从图上可以看出位涡斜压项
图 2 800 hPa 高度上位涡 正压项的水平分布 (单位 :PVU)
关键词 台风低压 暴 雨增幅 等熵面 位涡 冷空气 分类号 P458.1 +24
1 引 言
众所周知 , 我国是受台风影响最严重的国家之一 , 台风及其外围暴雨引起的灾害对 国民经济造成严重的损失 , 因此 , 台风暴雨一直是气象领域研究的重要课题之一 。 而其 中有一类登陆后北上进入我国中原及华北地区的台风 , 当与中纬度系统相互作用 , 特别 是当北方冷空气向台风低压环流区“挟卷”时 , 往往引起华北地区大范围的暴雨 , 甚至特 大暴雨 , “96 .8”暴雨就是一个很典型的过程 。 因为这类暴雨多是出现在中纬度地区 , 因 此利用位涡分析方法研究台风低压及其暴雨与中纬度系统的相互作用是可行的 。
图 4 θ=310 K 等熵面上位涡和风场的 叠加 (位涡单位 :PVU), 其余说明同图 2
应用位涡理论对天气系统演变和发展的研究最早是建立在 Eliassen 等[ 1] 位涡的基本 思想之上的 , 而后由于等熵面位涡计算较复杂 , 这一方面的研究减少了 。 直到 70 年代末 80 年代初 , Hoskins 等[ 2] 采用位涡动力学框架 , 对切断低压 、 阻塞高压的结构 、 起源及维 持 , Rossby 波的传播 , 斜压 、 正压不稳定机制等基本动力学问题一一给出了清晰的物理 图像 , 重新提出了等熵面位涡分析的方法和意义 。 这几年 , 位涡理论在天气动力学研究 中 , 尤其是在爆发性气旋和锋面研究中得到广泛的应用和发展[ 3～ 5] 。 王建中等[ 6] 的研究
4 结果分析
4 .1 等压面上的位涡分析 分析位涡组成部分的水平分布和垂直分布特征 , 是为了寻找它们与天气系统演变以 及暴雨过程的内在联系 , 从而揭示“96 .8”特大暴雨的落区和强度与位涡之间的关系 。 图 2 为 800 hPa 高度上位涡正压项的水平分布图 。从图上看出 , 台风低压环流区为 位涡高值区 , 暴雨初期中心强度为 0 .99 PVU , 暴雨中 、后期减弱至 0 .85 PVU , 0 .81 PVU , 位涡高值中心强度的减弱体现了台风低压环流是逐渐减弱的 , 暴雨区在位涡高值区的东