尺度分离技术在一次切变线诱发西南涡暴雨个例中的应用
发布时间：2021-03-04
摘要:为探讨次天气尺度系统引发暴雨的主要机制和Shuman-shapiro滤波在盆地暴雨中尺度分离的效果，利用中国气象局逐小时降水加密观测资料、CMORPH融合格点降水资料、GFS全球预报场资料及FY-2E卫星相当黑体亮温(TBB)数据对2018年7月10-11日一次盆地暴雨过程(简称“7.11暴雨”)进行初步分析，结果发现，有利的大气环流形势下，冷空气入侵四川盆地后推动切变线南移并诱发西南涡是“7.11暴雨”产生的主要原因;Shuman-shapiro滤波技术能够很好地分离出“7.11暴雨”中的次天气尺度扰动;热力性质不同的冷暖空气在四川盆地交绥，使大气斜压不稳定增强，对流层低层切变线及其伴随的西南涡为“7.11暴雨”的产生提供了有利的动力条件，同时配合有利的水汽条件，最终导致7.11暴雨的产生。
关键词:气象学;天气诊断;尺度分离;西南涡;低层切变线
0引言
四川盆地是中国夏季暴雨的高发区域[1]，其特殊的地理位置和复杂的地形条件导致了形成西南地区暴雨的天气系统异常复杂[2-4]，同时由暴雨引发的山洪、滑坡、泥石流等次生灾害频发[5]，给川渝地区造成极重的损失，因此四川盆地暴雨的形成机制机理受到了学者的高度关注[6-7]。
四川盆地暴雨常在有利的大尺度环流背景下产生，形成四川盆地暴雨的大尺度系统主要有西南季风、高空急流、西太平洋副热带高压等系统[8-11]。而暴雨往往需要在较强的不稳定能量和充足的水汽条件下才能产生，在西南低空急流的作用下，盆地上空大气不稳定能量增强，也为盆地带来大量水汽，因此盆地暴雨基本在西南低空急流盛行时节出现。与四川盆地暴雨直接相关的次天气尺度系统有西南涡、高原涡、低层切变线、低空急流等[12-15]。2012-2016年，夏季共生成西南涡116例，受西南涡影响，平均每年夏季出现17.8场盆地区域暴雨过程，因此西南涡是形成盆地暴雨的主要影响系统之一[16-22]，而它往往是在有利的大尺度环流与地形相互作用下才能形成[23]。除西南涡外，四川盆地也会在切变线、高原涡、台风、盆地特殊地形抬升等因素影响下，形成盆地大范围的区域暴雨天气过程[24-27]。
一般情况下，天气尺度系统引发的上升运动强度还不能产生暴雨，而在天气尺度系统背景中的次天气尺度系统形成的强烈上升运动才是造成暴雨的直接因素[28]。对于次天气尺度系统，现有的常规观测体系难以对其进行捕捉，因此常借助尺度分离技术将大尺度背景场中的次天气尺度系统挖掘出来，或借助数值模式模拟次天气尺度系统的内部结构和形成机理。在尺度分离技术应用方面，陈忠明[29]利用Barnes滤波函数，对一例西南涡引发的暴雨进行诊断分析，并分离出中α尺度(300～900km)系统，覃丹宇[30]通过shumanshapiro滤波尺度分离技术分离了与对流云团有关的扰动场(220～880km)，取得了较好效果，张虹等[31]利用Barnes滤波函数刻画出盆地内影响暴雨的中α尺度(300～800km)环流特征[31]，并进一步用滤波后的资料进行螺旋度的诊断分析;在数值模拟方面，孙建华等[32]利用WRF模式成功地模拟对流层底层辐合线、西南低涡和雨带分布，并分析了中α尺度系统的结构及其与地形的相互作用;同时还有学者利用资料融合技术[33]和大气遥感再分析场重构技术[34]处理和分析中尺度系统。目前应用尺度分离技术诊断分析四川盆地暴雨过程的相关研究中，大多用到Barnes滤波器[35-37]，然而在众多研究中，应用shuman-shapiro滤波尺度分离技术对四川盆地暴雨进行诊断分析的研究尚不多见[38]，该技术可直接从格点资料中提取出适当格距的扰动信号，文中尝试运用该方法提取一例影响盆地暴雨的次天气尺度扰动信号。
2018年7月，四川盆地接连出现了多场大暴雨，并引发了严重的洪涝灾害，给川渝地区造成了极大的经济损失，其中在10-11日的强降水过程中，四川多地达到暴雨标准，其中彭州日降水量达到253.4mm，突破了当地的历史极值[39]，受此次暴雨过程影响，长江流域上游部分支流出现了50年一遇的特大洪水[40]。“7.11暴雨”是在有利的大气环流形势下，由多个次天气尺度系统共同作用造成的。那么，此次区域暴雨过程中Shuman-shapiro滤波尺度分离技术效果如何?分离出的次天气尺度系统如何影响盆地?其内部机制机理是什么?文中主要围绕这3个问题开展深入研究，以揭示次天气尺度系统引发此次区域暴雨过程主要物理机制。
1资料和方法
采用的资料有:四川盆地106个台站逐小时降水加密观测资料和空间分辨率为0.1°×0.1°逐时CMORPH融合格点降水资料，卫星观测资料为FY-2E的逐时相当黑体亮温(TBB)，美国国家环境预报中心(NCEP)的空间分辨率为0.5°×0.5°的逐6小时GFS全球格点预报场资料。
22018年7月10-11日暴雨过程的降水特征和环流背景
2018年7月10-11日四川盆地西北部至陕西汉中出现一次区域性暴雨天气过程(图3)，雨带呈东北-西南走向，在盆地形成3个独立的中小尺度雨团，中心值都超过100mm，达到大暴雨量级。图4(a)给出了2018年7月10日20时-11日19时四川盆地106个站总降水的时间演变，由图图4(a)可见，10日20时四川盆地已有降水产生，在11日凌晨02时降水量达到峰值，此时盆地总降水量达391.1mm，随后总降水量逐渐减弱;并在11日08时出现一个次峰值，此时盆地总降水量达323.8mm，随后盆地总降水量逐渐减小直至降水停止，可见此次暴雨过程中强降水主要发生在两个时段，具有明显的双峰特征。
由于彭州、德阳和北川是此次区域暴雨过程的3个强降水中心点，图4(b)给出了3个站点的逐时降水实况，由图可见，彭州站的主要降水时段为11日01-07时，雨强最大时刻为11日04时，小时降水量达52.7mm，表现极强的对流性降水特征;位于彭州站东北方向的北川站，主要降水时段为00-11时，雨强最大时刻为11日02时，小时降水量达36.2mm，较彭州站最强降水时刻早2小时;德阳站的主要降水时段为00-13时，雨强最大的时刻为05时，小时降水量达29.2mm，同样在11日02时出现次峰值，小时降水量达23mm，可以看出靠近龙门山脉的彭州站累积降水量大、对流性强。
相关知识推荐：期刊发表论文时间大约多久
暴雨在有利的大尺度环流形势下产生[44]，图5为7月10日20时-11日14时平均环流形势图。降水期间对流层高层(图5a)中高纬环流表现为南亚高压向东伸展到中国东部地区上空，较气候平均而言显著偏强、偏东，青藏高原和四川盆地上空在南亚高压控制下，由散度分布可以看出，四川盆地位于南亚高压北侧高空西风急流入口区右侧强烈的高空辐散区中，高空强辐散有利于高层的动力抽吸作用，增强上升运动。降水期间500hPa(图5b)平均环流场上东亚地区中高纬表现为“一脊一槽”型，中国东北地区为脊区，贝加尔湖地区有低涡形成，中心值达562dgpm，低涡南侧槽线向南延伸至四川盆地，该低槽的维持有利于持续引导冷空气南下从秦岭-大巴山山口处侵入四川盆地。西太平洋副热带高压呈带状分布控制长江中下游流域一带，脊线位于31°N附近，588dgpm西脊点位于108°E附近，抵达川东一带。副高南侧有台风“玛莉亚”活动，加大了副高南侧的气压梯度，风速显著增强，有利于水汽和能量向盆地输送，台风“玛莉亚”在四川盆地降水过程中登陆福建，受台风“玛莉亚”的影响，使副高西脊点位置显著偏西;孟加拉湾有低压气旋活动，有利于水汽从孟加拉湾向盆地输送。700hPa(图5c)上四川盆地西北侧形成风向切变，切变线东侧维持较强的西南低空急流，切变线北侧的冷空气在高空槽的引导下向南入侵四川盆地，起始于孟加拉湾的西南气流、副高南侧的东南气流和偏北冷空气3股气流交绥在盆地北部。
相当黑体亮温(TBB)可以反映对流云顶的高低，数值越小对应云顶越高，对流活动越强，有学者指出相当黑体亮温可以反映从天气尺度到中尺度，再到雷暴尺度各种不同天气系统的活动特征，在研究大气中的动力和热力过程时发挥重要作用[45]。结合红外云图(图略)，从图6可以看出，10日20时四川盆地上空有一条东北-西南走向呈带状分布的叶状云系，推测是由500hPa和700hPa的西风槽前上升运动和地面锋面活动而形成(图5b和图5c);同时在四川盆地南部有对流系统强烈发展，对应的对流云系近似团状，TBB最小值达到-80℃(图6a);11日02时东北-西南向的叶状云系移动缓慢，此时盆地的东北部对流系统强烈发展而形成一个MCS，该云团的TBB最小值小于-80℃，表明对流云的高度已穿透对流层顶，已形成云砧，云团周围的等值线分布密集，反映出MCS正处于发展旺盛阶段，致使02时盆地总降水量达到了最大值(图6b);11日08时此对流云团的对流强度开始减弱，范围比02时小，但依然维持较低的亮温值，表明仍存在一定强度的对流活动，此时对应出现了盆地总降水量的次峰值(图6c);11日14时，呈东北-西南向的云系仍然存在，但是夹杂的对流云团已经减弱消亡，四川盆地转为稳定降水，随后降水强度开始减弱(图6d)。
3暴雨过程中各物理量尺度分离结果分析
3.1流场和高度场的尺度特征
为研究次天气尺度系统在此次盆地暴雨过程中的作用，通过上述尺度分离技术得到造成“7.11暴雨”的次天气尺度扰动流场和扰动高度场(图7)。10日20时四川盆地西北侧边缘有一条长度为4个纬距左右的南北向低层切变线，其东侧伴随有局地涡旋，与之相对应的是高度场扰动低值区，6h降水主要位于扰动场中切变线南侧的低压辐合区内(图7a)。11日02时扰动切变线向南移动进入四川盆地，其南侧的流场开始呈现气旋性环流结构，高度场扰动低值中心在-3gpm以下，此时盆地内降水达到峰值，强降水落区依然位于扰动场中切变线附近的低压辐合区内(图7b)。6h后，扰动切变线位置进一步向南移动，其南侧局地涡旋的位置也随之而移动(图7c)。11日14时扰动切变线的强度明显减弱，局地涡旋的范围显著减小，对应的扰动低压区范围也明显缩小，中心值减弱为-2gpm。此时降水过程基本结束(图7d)。通过尺度分离后在扰动场中出现了低层切变线和局地涡旋，二者均与6h大于20mm降水的区域有较好的对应关系。扰动切变线南移的过程中，在四川盆地诱发局地涡旋，而此刻700hPa天气图上西南涡正强烈发展(图略)，因此推测扰动切变线南压过程中诱发的局地涡旋与西南涡的生成密切相关，强降水和局地涡旋都发生在切变线附近的低压辐合区中。——论文作者：侯劭禹1，巩远发，赵福虎2，刘海文3
