低空急流与贺兰山东麓暴雨过程的相关性研究.pdf
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1、书书书苏洋,陈豫英,杨侃,等,低空急流与贺兰山东麓暴雨过程的相关性研究气象,():,():()低空急流与贺兰山东麓暴雨过程的相关性研究苏洋,陈豫英,杨侃,张一星,杨银,中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室,银川 宁夏气象防灾减灾重点实验室,银川 宁夏气象台,银川 宁夏石嘴山市气象局,石嘴山 提要:利用 年逐时降水、常规气象探测、银川 雷达和 高分辨率再分析资料,研究了低空急流与贺兰山东麓暴雨过程的时间和空间的相关性,并初步探讨了低空急流影响暴雨过程发生发展的可能机制。结果表明:影响贺兰山东麓暴雨过程的低空急流有三个关键区,分别为河套南部、宁夏东南部和山西西南部,对应 南风
2、急流、偏南急流和 东南急流;宁夏东南部作为三支低空急流汇合后继续北上西进的关键区域,对贺兰山东麓暴雨过程的发生发展有着更为重要的影响。依据低空急流核所在高度,将影响贺兰山东麓暴雨过程的低空急流分为七类,其中三层急流型出现频率最高,占总过程的 ,其次是 和 急流同时出现的过程,占 。暴雨过程与低空急流在时间上存在一致性:、急流建立较暴雨开始平均提前了、,、急流最大风速较暴雨过程最大雨强平均提前了、,而 急流最大风速较暴雨最大雨强平均滞后了 ;的级急流与 的级急流频率分别对 、的短时暴雨频率指示性更强,而河套南部关键区的 平均风速对暴雨过程的最大雨强量级指示性更强。暴雨过程与低空急流在空间上也存在
3、一致性:随着低空急流建立、加强北抬或西进、减弱东退或南压,贺兰山东麓暴雨开始、增强、减弱;暴雨落区位于急流轴的左前方。低空急流北上西进与贺兰山地形结合,在东坡山前触发多个对流单体、合并加强形成移动缓慢、发展强盛、组织化程度高、列车效应明显的带状线性回波,易在贺兰山区形成局地性强对流暴雨。关键词:低空急流,贺兰山东麓暴雨过程,时空相关性,影响机制中图分类号:文献标志码:犇 犗 犐:,犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,国家自然科学基金项目()、宁夏回族自治区科技创新领军人才培养工程项目()、宁夏回族自治区自然科学基金项目()和宁夏回族自治区重点研发计划项目(、)共同资助 年月 日收稿;年月 日收修
4、定稿第一作者:苏洋,主要从事灾害性天气预报方法及数值模拟研究 :通讯作者:陈豫英,主要从事天气预报及其方法研究 :第 卷 第 期年月气象 ,(),犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊:,引言低空急流与暴雨的关系非常密切,因而得到了广泛关注(陶诗言,;,;,;,;郑婧等,),相关研究可以有效提高暴雨预报的准确率(,)。低空急流对暴雨的影响主要体现在四个方面:()暴雨的日变化特征与低空急流的发展密切相关(王东阡和张耀存,;徐娟和陈勇明,;周静等,),我国东部暖区暴雨和梅雨锋暴雨过程在清晨出现的降水峰值与夜间西南低空急流加强有关(,;,;,);()低空急流为暴雨区输送水汽和不稳定能量(,;顾清源等,;吴海英
5、等,;许 彬 等,;陈 芳 丽 等,;苏 爱 芳 等,),其左前方惯性稳定度大值区的存在有利于低层湿热能量的积累(张文龙和周军,;付炜等,);()低空急流具有的强烈的不稳定性使得急流轴上的风速出现强风速脉动传播现象,从而触发中尺度 低涡 及 暴雨 雨 团 发生(孙 淑 清 和 翟 国 庆,;张京英等,;赵娴婷等,;胡雅君等,气象 第 卷 ),低空急流在地形抬升的作用下造成强烈的垂直上升运动,激发对流云团强烈发展,也能够触发暴雨过程(,;黄小彦等,;汪小康等,;黄美金等,);()低空急流与暴雨是相互促进的,低空急流的存在有利于暴雨的发生,而暴雨的发生又促进了急流的形成和维持(赛瀚和苗峻峰,;刘
6、鸿 波 等,)。孙 继 松()、()分别证明了边界层低空急流和局地暴雨、低空急流和中尺度对流及高空急流存在明显的正反馈作用。地处西北地区东部的贺兰山东麓地区易发生局地性强、突发性强的暴雨过程,部分学者围绕贺兰山东麓地区暴雨的低空急流活动也开展了一些研究。陈豫英等(;)、()对比研究了低空急流对不同类型贺兰山东麓极端暴雨的影响,进一步指出贺兰山东麓暴雨分布与低空偏东南急流夜间增强并配合地形作用在贺兰山东坡山前触发或增强暴雨中小尺度系统造成地形处降水增幅密切相关。杨侃等()研究也表明贺兰山东侧迎风坡阻挡低空急流,强迫暖湿空气抬升,促使低涡切变强烈发展,从而影响贺兰山地区降水强度、落区及中心位置。虽
7、然贺兰山东麓暴雨过程相关的低空急流特征研究取得了一定的成果,但研究仅限于个别极端暴雨过程,尚未开展系统性研究,影响贺兰山东麓暴雨过程的低空急流活动是否存在关键区?贺兰山东麓暴雨过程与低空急流的日变化特征是否存在一致性?低空急流如何影响贺兰山东麓暴雨过程的降水时段、落区和强度?讨论这些问题不仅对了解西北干旱地区复杂地形条件下的低空急流特征有一定意义,也有助于更准确地预报暴雨。本文利用 年的逐时降水、常规气象探测和 高分辨率再分析资料,研究低空急流与贺兰山东麓暴雨过程的时间和空间的相关性,以期为贺兰山东麓暴雨预报提供参考。资料和方法 资料 年贺兰山东麓地区(、)个站逐时降水、常规气象探测、银川 雷
8、达、高分辨率再分析资料。其中,资料时间分辨率为、水平分辨率为 、垂直分辨率为 层(对流层低层垂直分辨率加密,为 层,为 层,为 层)。文中时间均为北京时。暴雨过程标准参照 ()研究,定义贺兰山东麓暴雨过程标准:至少一个测站任意 累计雨量 为一次暴雨过程,否则至少相邻个站,其中至少相邻个站;短时暴雨:雨量。低空急流标准由于低空急流出现的高度、范围、风速及垂直风切变均有一定的差异,迄今为止,对低空急流的定义尚未形 成 统 一 的 标 准(刘 鸿 波 等,)。参 照 ()对华南暖区暴雨过程的低空急流的选取标准,本文对影响贺兰山东麓暴雨过程的低空急流选取标准定义为:在 、范围,以下存在风速 的气流带(
9、长度超过 ),低层风速最大值超出该风速出现高度上方风速最小值至少,且暴雨区与低空急流轴的距离不超过个经距或纬距。考虑到银川平原地区海拔高度在 (大约是 ),选取 资料的 、和 共个高度层进行低空急流的统计分析。定义急流最大频率:贺兰山东麓暴雨过程期间,某个高度层、某个格点上,急流出现的最多次数。依据上述标准,选取了 年贺兰山东麓 次暴雨过程,其中,有 次过程伴随低空急流出现(表),占总暴雨过程的 。对比犈 犚 犃 与探空数据低层风场参考杨程等()对浙江探空数据和 数据评估的方法,选取西北地区东部的个探空站(银川、延安、崆峒、武都、汉中和安康;图),对比探空和 的低层风场(、的风向和风速)。从表
10、中可以看出,两类数据的相关性高,相关系数普遍在 以上(通过了 的显著性水平检验)。风向的绝对误差在 ,均方根第 期苏洋等:低空急流与贺兰山东麓暴雨过程的相关性研究 误差在 ;风速的绝对误差在 ,均方根误差在 。从平均绝对偏差来看,银川站、崆峒站和汉中站的风向为负值,即相对于探空风向,的风向平均偏右,相反 地,对 于 延 安 站、武 都 站 和 安 康 站 而 言,的风向平均偏左;相对于探空风速,的风速普遍略偏大。风向的相对误差均低于,除武都 站 外,其 他 个 站 的 风 速 相 对 误 差 均 低 于,这可能与武都站地形有关。因此,低层风场数据总体上是可信的,可用于研究暴雨过程与低空急流的相
11、关性。表 年 次伴有低空急流出现的贺兰山东麓暴雨过程犜 犪 犫 犾 犲 犜 狑 犲 狀 狋 狔 狋 狑 狅 狉 犪 犻 狀 狊 狋 狅 狉 犿狆 狉 狅 犮 犲 狊 狊 犲 狊 犪 犮 犮 狅 犿 狆 犪 狀 犻 犲 犱犫 狔 犾 狅 狑 犾 犲 狏 犲 犾 犼 犲 狋 犻 狀 狋 犺 犲 犲 犪 狊 狋 犲 狉 狀犳 狅 狅 狋 狅 犳犎 犲 犾 犪 狀犕 狅 狌 狀 狋 犪 犻 狀 狊 犳 狉 狅 犿 狋 狅 序暴雨过程累计雨量最大小时雨强()暴雨站数个短时暴雨站数个急流最大风速()年月 日 时至 日 时 年月 日 时至 日 时 年月日 时至日 时 年月 日 时至 日 时 年月日 时至日
12、时 年月日 时 年月 日 时至 时 年月 日 时至 日 时 年月 日 时至 日 时 年月 日 时至 日 时 年月日 时至日 时 年月日 时 年月 日 时至 日 时 年月日 时至日 时 年月 日 时 年月 日 时至 日 时 年月 日 时 年月日 时至 日 时 年月 日 时至月日 时 年月日 时至日 时 年月 日 时至 日 时 年月 日 时 注:“”表示风速未达到急流强度,即无急流出现。注:红色方框为贺兰山东麓地区。图西北地区东部的探空站(红色圆点)分布和地形高度(填色)()()影响贺兰山东麓暴雨过程的低空急流活动关键区和关键高度图 为 次贺兰山东麓暴雨过程的 急流最大频率分布;因各高度急流发生次
13、数差异较大,选取急流次数最多的高度层(,次)为标准,统计这 个时次内每个格点的急流最大频率,即研究同一个较长时间段内的急流最大频率分布。图 为对应图 中急流最大频率出现的高度分布。由图可见,影响贺兰山东麓暴雨过程的低空急流分布大值区有三个:区位于河套南部、区位于宁夏东南部、区位于山西西南部,其中,区范围最大、频率最高(中心达到 次),区次之(中心为 次),区范围最小、频率也最低(中心为 次);、和区对应的平均高度分 气象 第 卷表 次贺兰山东麓暴雨过程期间 个时次的犈 犚 犃 再分析数据与西北地区东部的个探空站数据的评估结果犜 犪 犫 犾 犲犈 狏 犪 犾 狌 犪 狋 犻 狅 狀狉 犲 狊 狌
14、 犾 狋 狅 犳 狋 犺 犲犈 犚 犃 犱 犪 狋 犪犪 狀 犱狋 犺 犲狅 犫 狊 犲 狉 狏 犲 犱犱 犪 狋 犪犪 狋 狋 犻 犿 犲 狊犫 狔狊 狅 狌 狀 犱 犻 狀 犵 狊 狋 犪 狋 犻 狅 狀 狊 犻 狀狋 犺 犲 犲 犪 狊 狋 犲 狉 狀狅 犳犖 狅 狉 狋 犺 狑 犲 狊 狋犆 犺 犻 狀 犪犱 狌 狉 犻 狀 犵 狋 犺 犲 狉 犪 犻 狀 狊 狋 狅 狉 犿狆 狉 狅 犮 犲 狊 狊 犲 狊 犻 狀狋 犺 犲犲 犪 狊 狋 犲 狉 狀犳 狅 狅 狋 狅 犳犎 犲 犾 犪 狀犕 狅 狌 狀 狋 犪 犻 狀 狊探空站数据平均相对误差平均绝对误差平均绝对偏差均方根误差相关系
15、数风向银川 延安 崆峒 武都 汉中 安康 风速银川 延安 崆峒 武都 汉中 安康 别为 、和 。从各区最大频率中心水平风速的垂直廓线(图)上也可以看出:区低空急流出现的高度最高且强度最强,高度为 ,平均风速达到 ;区低空急流出现在 ,急流强度较强();区低空急流高度为 ,强度最弱,最大风速为 。从图可以看出,急流为南风急流,为偏南急流,为东南急流,且急流注:图,图中黑色方框表示急流关键区,、分别表示三个关键区的最大频率中心,表示最大频率中心位置。图 次贺兰山东麓暴雨过程 的()低空急流最大频率及其()对应高度的分布,()关键区最大频率中心水平风速的垂直廓线 ()(),()第 期苏洋等:低空急流
16、与贺兰山东麓暴雨过程的相关性研究 注:蓝色圆点表示合成平均风速通过了 的显著性水平检验,红色方框为贺兰山东麓地区。图 次贺兰山东麓暴雨过程合成平均的(),()和()低空急流风场(填色和风矢)(),()()()核与频率分布大值区(图)有很好的对应关系,分别位于、和三个关键区。急流区距离贺兰山东麓地区最近,对该地区暴雨有直接影响,而 急流轴最前端恰好处于区 急流核所在位置,急流出口区前方恰好对应 急流入口区;结合图的地形分布可知,急流经地形抬升可造成区 急流加强。由此可见:区是三支低空急流汇合后继续北上西进的中转站,对贺兰山东麓暴雨过程的发生发展有着极其重要的作用。低空急流分类参考 ()、赛瀚和苗
17、峻峰()研究,结合宁夏地形,考虑 区的海拔高度为 (图),急流所在高度低于,依据低空急流最大风速轴所在高度对其进行分类,影响贺兰山东麓暴雨过程的 、急流均为边界层急流,急流为低空急流。在此基础上,进一步将影响贺兰山东麓暴雨过程的低空急流过程分为七类,定义方法及其出现频率统计见表。年 次伴随低空急流出现的贺兰山东麓暴雨过程中有 次过程(约为 )同时伴有低空急流和边界层急流出现,其中,三层低空急流 型 占 比 为 ,双 层 低 空 急 流型 占 比为 ,低空急流型和边界层急流型过程各有次(占),其他类型过程均没有发生(表)。这样 的 分 布 表 明:有 边 界 层 急 流 出 现,边界层急流也一定
18、会出现,可见 急流对 急流的发生发展有着重要的影响。低空急流与贺兰山东麓暴雨过程的相关性 不同高度低空急流与暴雨过程的时间相关性从急流的发生频率来看(图):、三个高度上的急流总频率分布呈单峰变化,峰值出现在 时,时频率最低,其中 急流出现表不同类型低空急流出现的频率犜 犪 犫 犾 犲犉 狉 犲 狇 狌 犲 狀 犮 狔狅 犳犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 狋 狔 狆 犲 狊狅 犳 犾 狅 狑 犾 犲 狏 犲 犾 犼 犲 狋 狊类型定义频率低空急流型仅 出现急流 边界层急流型仅 出现急流 边界层急流型仅 出现急流 边界层急流型 和 同时出现急流,但 没有出现急流 双层低空急流型 和 同时出现急
19、流,但 没有出现急流 双层低空急流型 和 同时出现急流,但 没有出现急流 三层低空急流型 、同时出现急流 气象 第 卷次数最多(时次),急流次之(时次),急流最少(时次),、急流频率的峰值分别出现在 时、时、时,急流频率最低值分别出现在 时和 时、时和 时、时;分时段来看,上午(时)、下午(时)、前半夜(时)和后半夜(时)急流总频率分别为 、时次,各高度急流夜间发生频率均较白天明显偏多,、急流分别偏多、时次。这样的急流日变化表明,急流的夜间增多特征显著,前半夜急流发生最频繁,下午急流出现最少,其中 夜间增多特征最为明显。进一步统计表明,次暴雨过程的平均时长为,、急流的平均持续时间分别为、,可见
20、 、急 流 的 生 命 史 普 遍 较 暴 雨 过 程 更 长,急流持续时间最短。从图 短时暴雨总频率分布可以看出,短时暴雨总频率呈双峰结构,主峰值出现在 时,次峰值出现在 时。时短时暴雨频率急剧增加,与此时低空急流增多有密切关系。下文讨论急流建立、最大风速时间与暴雨开始、最大雨强时间的对应关系。从急流建立时间的频率分布(图)可以看出:低空急流普遍在中午到前半夜建立,其中,和 急流均在 时建立频率最高,急流在 时建立频率最高。图 为低空急流建立相对暴雨过程开始的超前滞后时间关系,可以看到:的低空急流在暴雨过程发生前建立,进一步统计可知 、急流建立较暴雨开始分别平均提前、。值得注意的是,只有 的
21、 急流和 的 急流建立时间滞后于暴雨过程的开始时间,而接近一半的 急流()在 暴 雨 过 程 开 始 后 才 建 立,因 此 和 急流的建立时间相对暴雨过程的开始时间有更好的指示作用。图 为低空急流最大风速时间和暴雨过程最大雨强时间的超前滞后关系。可以看到:的低空急流最大风速较暴雨最大雨强发生时间提前,注:图,图中,表示低空急流与暴雨过程开始时间同步,、分别表示低空急流建立较暴雨过程开始早、晚,以此类推。图 次贺兰山东麓暴雨过程期间不同高度低空急流与暴雨过程的时间相关性()不同高度的低空急流频率和低空急流总频率及短时暴雨总频率分布,()低空急流建立时间的频率分布,()低空急流建立相对暴雨过程开
22、始时间的超前滞后关系,()低空急流最大风速相对暴雨最大雨强时刻的超前滞后关系 :(),(),(),()第 期苏洋等:低空急流与贺兰山东麓暴雨过程的相关性研究 的急流最大风速滞后于最大雨强时刻。结合图,急流分布,表明低空急流与暴雨过程之间存在相互反馈,即急流增强时,不仅促进水汽输送,还使得垂直切变增强,超地转现象明显,不稳定性增大,有利于对流发展,从而造成降水强度增大(陶诗言,);同时,上升运动和凝结潜热释放所诱发的中尺度环流系统对低空急流的最大风速起到了显著的加强作用(斯公望,;,)。总体上,急流最大风速超前最大雨强到滞后的这个时次内出现的频率达到,这与王东阡和张耀存()对中国东部西南低空急流
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