地形对一次粤北暖区暴雨的影响研究.pdf
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1、梁钟清,张艳霞,钟水新,等.地形对一次粤北暖区暴雨的影响研究J.热带气象学报,2023,39(4):536-550.文章编号:1004-4965(2023)04-0536-15地形对一次粤北暖区暴雨的影响研究梁钟清1,张艳霞2,钟水新2,韦翠1(1.清远市气象局,广东 清远 511500;2.中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室,广东 广州 510641)摘要:地形对暖区暴雨的发生发展有着重要影响。以粤北一次暖区暴雨为例,从大尺度背景、中尺度特征及预报难点等方面分析了地形的作用,并利用CMA-GD模式进行了地形敏感性试验。结果表明:此次暴雨在副高与西风槽之间的双低
2、空急流下发生,南岭地形对低空急流的动力作用、对se舌和水汽的阻滞拦截作用,为暴雨出现在粤北创造有利条件;地形热力作用下产生的中尺度辐合线是对流触发的机制。敏感性试验显示南岭地形对暖区暴雨的落区影响显著,降水落区随南岭地形升高(降低)而往南(北)偏移。西南急流在经过南岭时,低层风速、散度、温度以及垂直速度都会随地形改变而发生明显变化。当南岭地形高度降低时,正面阻挡和摩擦作用减弱,急流、辐合及上升运动区向北推进到西风槽附近,导致雨区往北偏移;南岭地形高度升高时,地形阻挡和摩擦作用增强,辐合及上升运动区被阻隔在南岭南侧,暖区对流提前触发,雨区发生在粤北。可见,此次暴雨过程主要来自大尺度环流背景的影响
3、,但其落区与南岭地形密切相关。关键词:粤北暖区暴雨;南海副高;南岭地形;CMA-GD 模式;敏感性试验中图分类号:P435文献标志码:ADoi:10.16032/j.issn.1004-4965.2023.048收稿日期:2022-11-17;修订日期:2023-06-15基金项目:国家自然科学基金(42175105);国家自然科学基金联合基金(U2142213);清远市气象局科技项目(201904);广东省气象局科技项目(GRMC2021M33)共同资助通讯作者:张艳霞,女,新疆维吾尔自治区人,副研究员,博士,主要从事数值预报和热带天气研究。E-mail:第39卷 第4期2023年8月热 带
4、 气 象 学 报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.39,No.4Aug.,20231 1 引引言言华南地区的暖区暴雨一般是指发生在地面锋面南侧暖区,或是南岭山脉附近至南海北部没有锋面存在、华南未受冷空气影响时产生的暴雨。其中一种情况是冷暖气团都存在时,但暴雨发生在地面锋面南侧较远(200300 km)的位置;另一种情况是发生在单一暖性气团中的暴雨,本区域及其上游均无锋面和冷空气的活动,主要表现为西南风和东南风的渐进式汇合气流中,甚至出现在无切变线的西南气流里1-5。何立富等6提炼出三类华南暖区暴雨类型:(1)边界层辐合线型;(2)偏南风风速辐合型;(3)强西
5、南急流型。林良勋7根据华南当地的预报业务实践,将暖区暴雨按环流特征也分为三类:(1)回流暴雨型;(2)高空槽型;(3)强西南季风型。其中强西南季风型正是属于单一暖性气团中的暖区暴雨。此类暖区暴雨由于对应的天气尺度特征弱,往往很难捕捉,但又多发于西南季风爆发后的“龙舟水”期间,对应的水汽含量极丰富,热动力不稳定性极大,加上华南复杂地形对西南季风、低空急流的强迫作用,导致暴雨突发性强、地域性特征显著、致灾性高等特点。地形产生的阻塞摩擦作用,可导致近地层气流辐合爬升或绕流转向,在一定的条件下会触发中尺度辐合线和涡旋形成8-10;同时还会通过地形重力波影响到更高层的气流11,对暴雨系统的发生发展起着极
6、为重要的作用12。近年来,随着高分辨数值模式的发展以及地形降水观测试验的开展,不少学者针对山脉地形对暖区暴雨的影响开第4期梁钟清等:地形对一次粤北暖区暴雨的影响研究展了研究,其中包括基于观测事实的分析,动力学理论的机理研究、数值模式的模拟和诊断分析。Luo等13利用近三十年的雨量观测资料发现华南前汛期降水量达1 000 mm以上的三大暴雨中心分别位于广东地形迎风坡南侧的粤西沿海、粤东沿海、内陆的佛冈到龙门一带,分别对应云雾山、莲花山、南岭,其中又以粤北的南岭地形最为复杂。汪海恒等14对韶关一次局地暖区特大暴雨的诊断分析发现,南岭南麓的峡谷地形和喇叭口地形加强了偏南气流的汇入及辐合作用,这对对流
7、触发和暴雨的增幅有重要影响。叶桂苓等15采用WRF模式对广东省阳江一次暴雨事件进行了云雾山的地形敏感试验,通过分析地形的动力作用(绕流、爬流、垂直速度)和屏障作用发现地形对暴雨的强度和位置影响显著。王坚红等16利用WRF模式分别研究粤东和粤西山脉对辐合线及其暴雨的影响,结果表明将地形降低80%后辐合线及其降水向北推进,雨带强度减弱且形状改变。李博等17通过数值试验也证实华南地区数百米高的山地可影响环流变化,能引起局地中尺度对流的发展和暴雨增幅。罗娟等18通过分析武陵山区一次暖区强降水发现山体地形与近地面风场作用形成局地小涡旋触发降水,并导致地形性涡旋移速变慢,利于强降水维持。陈子健等19通过使
8、用WRF-Chem模式研究了珠三角地区众多低矮的山脉地形与暖区暴雨强度和分布之间的关联,发现当低矮山脉地形移除后,山脉群对气流的地形抬升以及辐合作用消失,海岸线上的对流活动明显减少。陈芳丽等20分析了一次珠三角北部暖区暴雨中地形的作用,发现南岭南侧地形对边界层暖湿气流的阻挡和拦截等作用,使得气流在珠三角北部形成明显的辐合抬升,并造成该区域内对流单体移速减慢和汇聚,增强了降水强度。付炜等21也采用 WRF模式模拟了一次南岭的暖区大暴雨过程,结果发现当中低层西南气流受到南岭多处山脉地形的阻挡、侧摩擦和峡谷等效应的影响时,会反复出现强烈的辐合区,导致连续出现超强的水汽辐合中心,最终造成湘桂粤边界暖区
9、大暴雨。由此可见,南岭地形作为一种外强迫,可通过与环境场之间的动力、热力相互作用,对粤北地区暖区降水对流的触发、落区和强度有着重要的影响。以往粤北暖区暴雨的研究主要是针对以龙门-佛冈为中心(23.8 N)的雨窝点,而对于发生在更北(24.5 N)区域附近的暴雨,则主要以锋面低槽型、低涡切变型暴雨的研究为主22-23,涉及该区域的暖区暴雨,尤其是西南季风型暖区暴雨的研究相对较少。粤北“6.21”大暴雨过程发生在2022年“龙舟水”收尾阶段,由于与前期的暴雨落区基本重叠,导致本来就处于超警戒水位的粤北出现了多年一遇的特大洪水。本次过程属强西南季风(急流)型暖区暴雨,落区在24.5 N附近,而大多数
10、模式预报的雨量偏小且落区在25 N以北。实际业务中,落区的准确性对于预报服务和防灾减灾非常重要,预报员需要对模式做出合理的主观订正,才能取得良好的预报服务效果,但以往的分析研究参考价值相对有限。因此有必要通过天气学诊断分析此次过程的发生发展的条件,并通过数值模式的地形敏感性试验,从机理上剖析南岭复杂地形在此次过程中的作用,为暖区暴雨预报业务提供参考。2 2 资料和方法资料和方法2.1 资料(1)广东逐时自动站和国家级融合降水数据(分辨率为 0.05 0.05);(2)ECMWF-ERA5 水平分辨率为0.25 0.25 的再分析资料;(3)探空观测资料、广东地面加密自动站风场观测资料、广东S波
11、段双偏振雷达反射率产品。2.2 方法(1)基于观测资料和再分析资料通过天气学诊断方法对该次暴雨过程的大尺度环流背景、中尺度系统演变及暴雨触发条件进行诊断分析。(2)基于CMA-GD 3 km 模式进行地形敏感性数值试验,探讨地形对此次暴雨影响机制。本文采用CMA-GD 3 km模式,是基于GRAPES非静力中尺度模式,采用半隐式-半拉格朗日时间差分方案,经-纬度格点的网格设计,水平方向取Araka-C网格,垂直方向采用Chaney-Philips垂直分层方案,垂直坐标为高度地形追随坐标,借助Helmholtz方程进行隐式求解。在原GRAPES模式的基础上,设计了三维静力参考大气的技术研究方案、
12、改进了半隐式-半拉格朗日时间差分方案中非线性项537热 带 气 象 学 报第39卷分步计算方案、改善了物理过程倾向隐式处理技术及与动力过程耦合技术等24。模式物理过程主要包括:RRTMG长短波辐射方案、WSM6云微物理方案、改进的NSAS对流参数化方案25、考虑了浅层土壤预报的SMS陆面参数化方案以及改进的NMRF边界层方案26和KA95地形重力波拖曳参数化方案27-28,其中物理过程也考虑了对流参数化方案与微物理过程的耦合29,近地层方案中考虑了强风条件下洋面拖曳系数的计算30等。模式的覆盖范围 96.00123.36 E,16.0031.36 N,模式水平格距为0.03 0.03,垂直方向
13、为65层,时间积分步长为30 s。3 3 过程概况与诊断分析过程概况与诊断分析3.1 粤北“6.21”大暴雨过程概况2022年5月21日6月21日广东省出现极端“龙舟水”过程,全省平均雨量高达514 mm,是有气象记录以来第三多,地处粤北南岭山脉南麓的韶关、清远分别录得累积雨量 847 mm、846 mm,均打破历史纪录。6月1821日两广地区出现了持续4天的暴雨,且主要落区重复出现在粤北和桂东北,其中韶关和清远 4天累积雨量达 245 mm。尤其在 6月 20 日 20:0021 日 20:00(北京时间,下同)降雨强度达到最大,韶关、清远出现成片的大暴雨区(图1a玫红色区,占总面积约30%
14、),局部甚至特大暴雨(图1a褐色区,占总面积约4%),且存在东、西两个落区中心(图中A、B标记)。西中心A(清远阳山-连南南部一带)降水时间长但雨强比东中心B(清远英德-韶关曲江一带)稍弱,主降水时段出现在20日20:0023:00、21日04:0007:00和 10:0014:00,最大雨强在 21 日 5:00 前后,达56 mm/h。东中心B降水时间较A中心短但雨强大,主降水时段为21日00:0001:00和07:0013:00,最大雨强在21日10:00前后,达69 mm/h。从 6月 20 日 20:0021 日 20:00三个自动站(连南大麦山黄莲村站、英德市大站镇站、韶关站)的逐
15、时雨量变化(图1b)看,西中心A附近的黄莲村站因为处于中尺度对流系统(MCS)初生和后续新生的位置,最早出现降水且历时最长,并呈现三个峰值;而东中心南端的大站镇站是MCS发展到成熟阶段才影响的区域,因此最晚出现降水且历时最短,呈单峰型分布,但雨强最大;东中心北端的韶关站则介于两者之间,降雨呈双峰型分布。下面就6月20 日20:0021 日20:00这个时段的暴雨过程进行大尺度环境诊断、中尺度特征分析以及数值敏感性试验。图16月20日20:0021日20:00广东雨量分布图(a,单位:mm)及自动站逐时雨量(b,单位:mm)3.2大尺度环境场下南岭地形作用的分析有研究表明31-32,低空急流是影
16、响华南地区夏季降水的主要因素,且经常存在两类低空急流33,一类是出现在 14 km之间与天气系统相关的低空急流,也称为天气尺度低空急流(SLLJ),另一类是出现在1 km以下的边界层急流,也称为超低空25.0N22.5N20.0N110.0E112.5E115.0E(a)(b)2501005025100.1706050403020100连南大麦山黄莲村站英德市大站镇站韶关站逐时雨量/mm20日20时21日00时21日04时21日08时21日12时21日16时21日20时538第4期梁钟清等:地形对一次粤北暖区暴雨的影响研究急流(BLJ)。Zhang等34指出,华南地区的双雨带型暖区暴雨存在双低
17、空急流现象,其中,内陆雨带主要与 SLLJ有关,沿海雨带则与 BLJ关系密切。这次粤北暴雨正是在低空西南急流下形成的暖区暴雨,暴雨来临时(20日20:00)的500 hPa高空,南边有西伸到南海的副热带高压脊,北边有位于湖南的低涡延伸出来的西风槽,而粤北正好处于副高边缘与西风槽之间相互作用的正涡度区(图2a)。正涡度的输送对低层的降压作用配合北涌的西南季风,为低空急流的建立维持创造了有利条件,有利于低层的中尺度幅合系统的发展。从700 hPa的风场(图2b)可见,暴雨初期南海-华南-江南存在一条明显的西南急流带,并且西南急流在垂直方向上存在两个高值中心(图2c),出现双急流特征。925 hPa
18、附近的边界层超低空急流中心位于南海北部到沿海(19.522.0 N),850700 hPa的低空急流中心位于南岭两侧(23.025.5 N)且在湘赣境内具有气旋性弯曲的特征(图 2b)。然而,本次过程双急流并没有对应华南经典的双雨带,雨带仅仅出现在粤北。通过与以往双雨带出现时的西南急流核高度对比发现,本次西南急流核心位置(700 hPa附近)相对于双雨带过程的位置较高。而沿海的云雾山和莲花山海拔相对较低,主要是对大风核在 925 hPa 附近的海洋超低空急流起作用35,当急流核在925 hPa之上时,沿海地形作用不明显。而南岭具有更高的海拔,且东西走向的山脉与西南风存在较大的夹角,则有可能导致
19、本次过程大风核高度以下的气流发生较明显变化,从而影响此次暴雨过程。因此有必要通过沿海和南岭的地形敏感性试验来给予证实。不稳定能量是对流触发和维持的重要条件。而假相当位温(se)、湿位涡36(MPV)可以表征大气温度、湿度层结的综合情况,对气团温湿能和稳定度的判定有较好的指示作用。有研究表明,边界层内较强的se水平梯度对中尺度系统的触发有重要影响37。在暴雨发生前的se垂直剖面上(图3a),1822 N(南海北部到华南沿岸)925 hPa下方存在一条很强的se舌,表明边界层急流承载着南海高温高湿的不稳定气团涌向陆地。但由于850 hPa低空急流非常强,水汽和热量并没有被拦截在沿海,而是快速挺进内
20、陆,之后在2325 N受到海拔更高的南岭地形的阻滞和顶托作用,se舌逐渐上翘,在南岭附近形成明显的水平se梯度,促进了中尺度能量锋形成。从湿正压项 MPV1(反映对流不稳定)、湿斜压项MPV2(反映湿斜压不稳定)的经向垂直剖面(图3b)也可发现,MPV1负值中心(负值越大表示越不稳定)正好对应沿海21 N 附近的se“上低下高”的对流不稳定区,MPV2 的带状负值区则对应了高se舌伸入内陆(21.524.5 N),形成斜压不稳定与对流不稳定的混合不稳定区。由此可见,本次暴雨的热力不稳定条件,本质是边界层内高温高湿的海洋气团深入粤北内陆受地形的阻滞顶托作用,在迎风坡处堆积上翘,在南岭两侧形成明显
21、的se水平梯度所致。图26月20日20:00500 hPa(a,彩色填色为涡度、单位:10-5s-1,红实线为位势高度,单位:10gpm,黑实线为槽线)、700 hPa(b,彩色填色为风速,单位:m/s,蓝实线为850 hPa温度,单位:,黑实线为槽线)形势场和113 E垂直剖面流场(c,彩色填色为风速,单位:m/s)18E20E22E24E26E28E沿海30.0N27.5N25.0N22.5N20.0N105E110E115E120E0510152025300510152025304812 16 20 24 28105E110E115E120E30.0N27.5N25.0N22.5N20.
22、0N粤北 南岭(a)1 000925850700600500400(b)(c)539热 带 气 象 学 报第39卷图36月20日20:00 沿113E经向垂直剖面的se(a,单位:K)、湿位涡(b,单位:10-6m2K/(skg),黑色线为MPV1,彩色填色为MPV2)黑色阴影区为地形。水汽通道的建立和充足的水汽供应也是暴雨发生的重要条件。在暴雨发生前的850 hPa上,强盛的西南季风主要通过孟加拉湾到中南半岛再到北部湾将水汽源源不断地往华南输送(图4a),这条水汽通道在暴雨发生前已经稳定建立,也是本次暴雨过程的主水汽通道。该水汽通道与边界层内(925 hPa)偏南风驱动的南海水汽通道(图4b
23、)共同组成上下两层的水汽双通道。与此同时,在长江以北则稳定维持一个高压坝(图4a红G处),它南侧的偏东气流阻碍了西南暖湿气流进一步北上。此外,南岭山脉对水汽的北上也存在着阻挡作用,925 hPa上南岭南北两侧的水汽通量相差较大(图4b),导致水汽长期在南岭南侧附近上空不断堆积,湿层增厚(南岭地形对水汽拦截堆积作用将在后面的敏感性试验中详细分析)。有研究表明,华南暖区暴雨一般发生在边界层水汽通量大值区附近38,而6月20日20:00(暴雨初期)这两层的水汽通量大值中心(20 g/(scmhPa))都出现在岭南(图4a、4b),表明该区域已经具备暴雨发生的水汽条件。图46月20日20:00 850
24、 hPa(a)、925 hPa(b)风场(箭头)和水汽通量(彩色填色,单位:g/(scmhPa))1 00092585070060050040099590080070060050040018N 19N 20N 21N 22N 23N 24N 25N 26N 27N(a)(b)南岭南岭338338341344346349351353356358-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.500.51.01.52.030N20N30N20N100E110E120E100E110E120E59131721255913172125(a)(b)18N 19N 20N 21N 22N 23N 24N 2
25、5N 26N 27N540第4期梁钟清等:地形对一次粤北暖区暴雨的影响研究综上所述,本次过程南岭山脉地形对se舌起到阻滞顶托、对西南急流输送的水汽起到拦截堆积作用,为南岭附近暴雨的发生提供了不稳定能量和水汽条件。这里通过se舌和水汽北上经过的阳江(沿海)、清远(粤北)、郴州(湖南)三个代表站雨前(20日 08:00)与雨初(20日 20:00)的探空数据(表1)变化趋势来进一步分析。在雨前三个站的对流抑制(CIN)都很小、对流有效位能(CAPE)都较大、K指数(垂直温度递减率和低层水汽含量的综合指标)较高、抬升凝结高度(LCL)都很低,都有利于暴雨对应的中尺度对流系统的发生。但雨初三者的指标变
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