基于尺度分离的桂东北一次极端暴雨成因分析.pdf

scale decompositionJ.Journal of Meteorological Research and Application,2023,44(1):64-69.Pang Chuanwei,Jiang Rongqun,Li Xianghong,et al.Analysis of the causes of an extreme rainstorm in northeastern Guangxi based on庞传伟，蒋荣群，李向红，等.基于尺度分离的桂东北一次极端暴雨成因分析J.气象研究与应用，2 0 2 3，44（1）：6 4-6 9.2023年3月Mar.2023JOURNALOF METEOROLOGICAL RESEARCH AND APPLICATION应与第1期究象第44卷Vol.44 No.1用研基于尺度分离的桂东北一次极端暴雨成因分析庞传伟1，蒋荣群，李向红3*，侯进4，周希源3，苏圣华5（1.恭城县气象局，广西恭城542 50 0；2.钟山县气象局，广西钟山542 6 0 0；3.桂林市气象局，广西桂林5410 0 1；4.阳朔县气象局，广西阳朔5419 0 0；5.临桂区气象局，广西桂林54110 0）摘要：利用广西降水数据、卫星TBB数据和ERA5再分析资料，基于大气变量物理分解原理，从全球大气分析场中分离出天气尺度扰动场，对2 0 2 2 年6 月17 一2 1日桂东北极端暴雨过程进行了多角度分析。结果表明，此次过程发生在充足的水汽供应和有利去稳环境条件下，存在多种不同尺度的上升运动；长时间维持在2 5N附近的准静止锋是主要的抬升机制和连续暴雨的主要原因，其南北摆动对应着暴雨带的南北移动，暴雨的强弱变化和锋生扰动一致；造成2 0 日极端短时暴雨的MCC，由锋区内9 2 5hPa和8 50 hPa气流辐合线所触发和维持；扰动辐合线能很好地指示出降雨中心，暴雨落区位于9 2 5hPa和8 50 hPa扰动辐合线之间。关键词：极端暴雨；静止锋；MCC；扰动辐合线中图分类号：P458.1+21.1文献标识码：Adoi:10.19849/ki.CN45-1356/P.2023.1.11引言传统暴雨预报采用的天气图，包含了对指示暴雨天气无关的气候分量部分和有关的扰动部分1，当天气扰动信息被气候背景和行星尺度系统所掩盖而变成噪声时，很难准确判断影响系统和形成机制。钱维宏2-3 提出大气变量的物理分解原理，分解得到的天气尺度扰动，去除了与触发极端暴雨无关的气候部分和行星尺度系统，保留天气尺度、次天气尺度的扰动信息，指出低层大气的天气尺度扰动对区域暴雨落区的预报具有比传统天气图更好的指示意义，并发现暴雨带位于低层大气扰动气流的辐合线上，暴雨带两侧扰动气流多呈对峙的辐合状态。对华南或广西前汛期暴雨，特别是端午节前后的暴雨“龙舟水 形成机理已有不少研究：林良勋等4认为强降水与西风槽东移、高空急流加强和低层切变线的南压相关联，低层的辐合抬升为持续性强暴雨的产生提供了稳定的上升运动条件；胡娅敏5 将“龙舟水”进行了分型，认为华南北部型“龙舟水”的影响系统特征为西太平洋副热带高压（下称“副高”）面积偏大、脊线偏北、西伸脊点偏西。王艳兰6 认为无论是暖区暴雨、低涡暴雨还是锋面暴雨都发生在高空急流右侧辐散、低空急流左侧辐合叠加区，暴雨的触发系统可以是西南急流遇迎风坡地形、西南涡与冷空气人侵,以及冷锋；张丁丁等7 、梁依玲等8 发现低空急流遇到喇叭口地形作用形成的地面辐合线可成为暴雨的触发机制；梁嘉颖等9 认为广西强降雨落区与9 2 5hPa水汽辐合区基本吻合。2022年6 月，广西多次出现影响系统不太明显（低层为大范围南风气流、仅在个别时段出现不太明显的风速辐合)的大范围暴雨过程，预报效果并不理想。本文从大气变量物理分解的角度出发，研究其中一次典型过程的成因及落区，以期为提高此类暴雨的预报能力提供思路。1 资料与方法采用的数据包括：2 0 2 2 年6 月16 日2 0 时（北京时，下同）一2 0 2 2 年6 月2 1日2 0 时（此时段下文收稿日期：2 0 2 2-11-2 5基金项目：广西气象科技开发重点项目（桂气科2 0 2 2 Z01、桂气科2 0 2 3M19）作者简介：庞传伟（19 8 6），工程师，主要从事中短期天气预报与研究。E-mail:*通讯作者：李向红（19 6 6 一），正研级高级工程师，主要从事暴雨形成机理研究与预报。E-mail：g l l x h 9 9 16 3.c o m651期庞传伟，蒋荣群，李向红，等：基于尺度分离的桂东北一次极端暴雨成因分析简称为2 0 2 2 年6 月17 一2 1日或连续暴雨期间）广西9 2 个国家级地面气象站降水日数据和广西2 9 36个加密自动站逐小时降水数据、精度为0.0 1x0.01逐小时的风云FY-2G卫星TBB数据、精度为0.2 5x0.25逐小时ERA5全球范围再分析数据，以及19812020年精度为0.2 5x0.25逐3hERA5全球再分析数据研究方法基于大气变量物理分解原理，从全球再分析资料中分离出气候部分和瞬变扰动部分，再进行天气学诊断分析1.1天天气扰动的提取方法钱维宏10 提出了气候钟的概念和全球大气变量的物理分解原理，其中，天气尺度的瞬变扰动A*可等价表示为：A*=A-A-(A-A J)(1)代表取多年气候平均，门代表取纬圈平均。对上式展开到逐日逐时的全球变量，即将A的具体表达式A=A（x,y,z,t)d,x、y、z 表示空间，分别代表经度、纬度、高度或气压层，且A包含全球纬圈值；d为一年中的第几日，t为该日中的某一时刻,代人即可计算瞬变扰动。其中，计算多年气候平均时，采用1981一2 0 2 0 年平均值。从公式中可以看到，因去除了气候平均场和行星尺度的纬圈平均的扰动，保留了行星尺度以下的扰动信息，故适用于分析（次)天气尺度的扰动，相当于对真实大气系统进行了带通滤波处理。保留的尺度范围在4倍的资料网格距离到1/4纬圈周长之间，本文所用ERA5格距为0.25,故包含了部分中-尺度系统的扰动信息，但考虑到天气系统的尺度划分并未统一，以下均简称为天气扰动或扰动。2过程概况2022年6 月17 一2 1日，桂东北出现连续性大暴雨、局部特大暴雨天气过程，5d最大累积雨量达898.2mm，同期全国排名第一。其中，2 0 日暴雨范围最广雨量最大，17 日次之，18 19 日暴雨范围显著北抬收缩，2 1日暴雨区东移明显。暴雨强度大，多次出现小时雨量超过50 mm。小时雨强极值出现在2 0日0 3时临桂宛田十二滩漂流风景区气象观测站（站号N3142，简称宛田站），小时雨量达110.3mm。分析宛田站降雨时序（图1)发现，强降雨主要时段在17日下午和19 日夜间至2 1日白天，2 0 日17 时一2 2时出现降雨停歇期12010080604020山006-20-20时间图12022年6 月16 日2 0 时一6 月2 1日2 0 时临桂宛田N3142站小时雨量时序3环流背景连续暴雨期间，50 0 hPa平均高度场和8 50 hPa平均水汽通量表明，中高纬度维持两槽一脊稳定长波型，为连续暴雨提供了稳定的可重复或持续产生暴雨的天气形势1-12 ;西南到华南地区存在宽广的低槽，槽前正涡度平流利于低层减压和大尺度的动力抬升，同时孟加拉湾北部反复生成的短波槽，不断东移合并到宽槽中，加强了这一机制；两支季风合并于华南南部，来源于孟加拉湾的水汽输送在广西东南部达到极值，为广西暴雨区提供了大尺度水汽供应条件13,水汽通量中心超过2 410 gs-lcmhPa，接近该地区6 月平均值的3倍（桂东南6 月多年平均水汽通量值为8 x10gs-lcm-1.hPa-），为其下游的桂东北和粤西北连续大暴雨提供了充分的水汽供应。同时，伴随着异常强的水汽输送的强西南急流，也带来了足够的不稳定能量和低空天气尺度的抬升机制。4辐合上升与雨强分析连续暴雨期间临桂宛田站上空的垂直速度和散度分布（图2)发现,9 7 5 8 7 5hPa连续5日维持着较强的辐合，为持续性的系统性辐合所造成；17日1316 时、2 0 日0 30 4时9 7 5 50 0 hPa均为辐合且-1pas-较强上升运动贯穿9 0 0 30 0 hPa，宛田出现强雨强；2 0 日13时，9 2 5 7 0 0 hPa为强辐合，伴随7 0 0 hPa达-2.4pas-以上的强上升中心，此时宛田也出现了较强降雨，同时可见无辐散层也在700hPa，在其上下层分别存在40 0 hPa强辐散中心、850hPa强辐合中心，由连续方程可知，7 0 0 hPa异常强的上升速度由上下两个散度中心共同贡献而成，起决定性作用的是距离更近、强度更强（达-15s-）的6644卷气象研究与应用850hPa的强辐合；2 0 日0 511时，9 0 0 hPa附近出现弱辐散降雨有所减弱，14一2 2 时自下而上转为辐散下沉运动对应宛田降雨迅速减弱，当8 50 hPa在17时也转为辐散下沉运动时对应宛田降雨停止。同时可以看到有的上升中心在40 0 hPa附近甚至到达200hPa高度，显然分别来源于中低层的对流不稳定能量和中高层的对称不稳定能量释放，是多种尺度系统相互作用下产生的不同尺度的上升运动1417 。O200 hpa55300400-150006000700800-1一一1900-1100006-17-2006-18-20时间06-19-20图22022年6 月16 日2 0 时一2 1日2 0 时临桂2 0宛田站上空上升速度（等值线，单位：pas-1)和散度（阴影，单位：10-5s-1）的垂直-时间剖面5触发机制5.1扰动信息的掩盖气候上6 月广西低层为较强的西南季风，当存在不足够明显的北风扰动时，传统天气图因没有去除气候部分而表现为一致的南风或仅存在不太明显的风速辐合，因此难以辨认实际抬升触发机制。同理，诸如温度、湿度等要素的扰动信息也会被气候背景和行星尺度系统所掩盖而变成噪声，当强天气发生在弱天气强迫环境（比如MCC)时这种信息掩盖效应尤为明显。如前所述，本文所用资料包含了部分中-尺度系统的扰动信息，利于分析弱天气强迫下的中尺度扰动5.2静止锋的锋生扰动沿110 E作9 2 5hPa的温度扰动和V分量扰动的时间剖面（图3)发现,17 2 1日在2 5N附近，始终存在扰动冷暖气团和扰动南北风的对峙，实为华南静止锋。按锋生理论，作用于同一区域大气的温度梯度若加大即锋生，注意扰动南北风对2 5N南北部扰动冷暖气团的平流，发现在17 日和2 0 日有两次显著锋生，与此次过程暴雨最强的两个日期相同：第一次在17 日下午，近地面暖气团到达南岭南麓因高达2 0 0 0 m海洋山脉阻挡堆积而使温度梯度加大，达10 ms-扰动南风辐合于2 5.2 N，随后在18一19 日继续北上爬坡而减弱,对应此时暴雨区的北抬收缩，但因地形阻挡和暴雨区冷池出流使得静止锋结构仍得以维持；第二次在19 日夜间，因温度扰动中心低于-4k的冷气团伴随着显著扰动北风（-2 ms-）人侵到达2 4.6 N附近，强烈的南北风辐合和冷暖对峙而再次锋生，与此相应的是2 0 日暴雨达到最盛范围也最广，随后在南北摆动中温度梯度趋于减弱（注意北侧延伸到2 6.7 N暖气团的锋消作用)并于2 1日晚移出桂东北，对应2 1日桂东北暴雨减弱东移。29N43212342515224162428-3427Q244021124-125品442B68826662366862868B646106210z-91-9002-L1-90时间06-21-20图3925hPa扰动温度（阴影，单位：k）和扰动v分量（等值线，单位：ms-1)沿110 E的经向-时间剖面5.3MCC的触发和维持分析TBB叠加9 2 5、8 50 hPa扰动场（图4)可知，19日2 3时扰动冷气团从西路率先进入广西，对应的扰动辐合线上，分别在桂西触发出MCS,在柳州附近触发出直径超16 0 km的近圆形MCC,两者云顶亮温均在2 0 0 k以下。注意MCC东南部和西北部边界分别在9 2 5hPa和8 50 hPa扰动辐合线上，以及冷气团达到的位置，不难发现MCC是在锋区内，同时可以看到锋区随高度向冷区明显倾斜。此外，广西境内外的对流云团无论大小均在9 2 5hPa或8 50 hPa扰动风场辐合处，唯一区分是锋前（后)在9 2 5(8 50)hPa扰动风场辐合处。这足以说明锋区的触发作用。值得注意的是，此时9 2 5hPa冷气团已经占据整个桂北，北路冷气团主体尚未进人广西，意味着当锋区继续南推，桂北的辐合将以8 50 hPa为主，故2 0 日凌晨671期庞传伟，蒋荣群，李向红，等：基于尺度分离的桂东北一次极端暴雨成因分析29N29N(a)(b)21219262102621021921021921021023J02.1023.1023232192102020104107110113E104107110113E-0.500.511.522.533.51.5-10.500.511.522.533.54图42022年6 月19 日2 3时TBB(粗虚线，单位：k)叠加低层扰动场（阴影为温度，单位：k）(a)TBB叠加8 50 hPa扰动场；(b)TBB叠加9 2 5hPa扰动场02一0 5时MCC的爆发和极端降雨改用8 50 hPa扰动场(图5)分析。随着北路冷气团的入侵和西南部的暖气团北抬,2 0 日0 2 时（图5a)锋生最盛，锋面略转横，桂西MCS减弱消失，8 50 hPa辐合线上强辐合处，桂北MCC迅猛发展并向桂林中北部扩展而形成分中心，其长轴和中心均在扰动辐合线上，低于2 10 K的冷云顶在3h内范围扩大一倍有余，中心值也下降到190k以下，此次过程桂东北最强的小时降雨就产生于此时；2 0 日0 5时（图5b），随着暖气团北抬和冷气团范围的收缩，冷暖气团的扰动对峙到达河池附近，MCC中心也移到此处，尽管19 0 k中心范围缩小，此时宜州德胜仍出现10 9.5mm的小时降雨，同时低于210K的冷云顶范围已达最大面积，长轴超40 0 km，MCC东部和南部tbb梯度减小，意味着对流减弱MCC趋于消亡，此时MCC东部的桂林降水已大为减弱。可见，在MCC生命周期内,其降水中心均出现在锋区内的气流辐合线上，扰动辐合加强（减弱）时MCC即发展（转弱）,意味着MCC由锋区内的扰动辐合线所触发和维持。和MCC通常产生于弱天气强29N29N(a)(b)21020026102621020810200190190210210232102321022001902102020104107110113E104107110113E-1-0.500.511.522.533.5-0.500.511.522.533.5图52022年6 月2 0 日0 2 时、0 5时TBB（粗虚线，单位：k)叠加8 50 hPa扰动场（阴影为温度，单位：k）(a)02 时;(b)05 时6844卷气象研究与应用迫的环境18-19 有所不同。6结论与讨论本文主要得到以下结论：(1)此次极端暴雨过程发生在异常强盛的季风所带来充足的水汽供应和不稳定能量的环境背景下。(2)华南准静止锋长时间维持和锋生扰动，是桂东北持续5d的大暴雨得以维持的主要原因和抬升机制，其强度与位移对应着雨带的强弱和位移。(3)极端雨强与边界层到中层的深辐合以及强的上升运动相关，边界层内的辐合更重要，当辐散下沉运动向上发展到8 50 hPa高度时，降雨极大地减弱。（4)导致2 0 日桂北地区极端短时降雨的中-尺度MCC，由锋区内的低层扰动气流辐合所触发和维持，极端降雨发生在9 2 5 8 50 hPa扰动辐合线的强辐合处。利用高时空分辨率资料提取的瞬变扰动，可以更好地反映更小尺度的天气扰动信息，更好地揭示极端暴雨的成因并指示出暴雨中心位置，对较大范围的暴雨之类的强扰动信号、高影响天气的预报，特别是“天气系统不明显”时的预报，具有显著效果和应用价值。但孤立的小尺度对流系统存在不同的抬升机制，是否能用更高分辨率的瞬变扰动来反映，尚需进一步研究。此外，计算所需的几十年的数据量十分巨大，不利于基层使用。参考文献：1丑纪范.一个创新研究一一大气数值模式变量的物理分解及其在极端事件预报中的应用J.地球物理学报，2012,55(5):1433-1438.【2 钱维宏，单晓龙，朱亚芬.天气尺度扰动流场对区域暴雨的指示能力J.地球物理学报，2 0 12,55（5)：1513-152 2.【3钱维宏，江漫，单晓龙.大气变量物理分解原理及其在区域暴雨分析中的应用J.气象，2 0 13，39(5）：537-542.【4林良勋，吴乃庚，黄忠，等.广东2 0 0 8 年罕见“龙舟水”特点及成因诊断分析J.气象，2 0 0 9,35（4)：43-50.5胡娅敏，杜尧东，罗晓玲.近49 年华南“龙舟水”的降水分型J.气象,2 0 13,39(8)：10 31-10 41.6 王艳兰,伍静，唐桥义，等.2 0 19 年6 月桂林三次强降水天气成因对比分析J.暴雨灾害,2 0 2 0,39(2）：136-147.7 张丁丁，黄莉，周琰.2 0 2 0 年广西南宁一次极端暴雨特征及预报偏差分析J.气象研究与应用，2 0 2 2,43(3)：72-76.8 梁依玲，覃月凤，陈见.2 0 2 0 年广西开汛暖区暴雨特点及预报偏差分析J.气象研究与应用，2 0 2 2,43(3)：7 7-82.9 梁嘉颖，董良淼,覃月凤，等.2 0 2 0 年广西首场区域性暴雨天气过程分析J.气象研究与应用，2 0 2 2,43(3)：10 3-109.10】钱维宏.天气尺度瞬变扰动的物理分解原理J.地球物理学报，2 0 12，55(5)：1439-1448.11丁一汇.19 9 1年江淮流域持续性特大暴雨的研究M.北京：气象出版社，19 9 3.12林爱兰，李春晖,郑彬，等.广东前汛期持续性暴雨的变化特征及其环流形势J.气象学报，2 0 13（4）：6 2 8-6 42.13王晓芳，黄华丽，黄治勇.2 0 10 年56 月南方持续性暴雨的成因分析J.气象，2 0 11,37（10）：12 0 6-12 15.14李佳颖，翟丽萍，覃月凤，等.广西一次大范围西南涡暴雨过程多尺度特征分析J.气象研究与应用，2 0 18,39(3):7-10.15张凌云，刘蕾.柳州2 0 2 0 年一次“龙舟水”成因及预报偏差分析J.气象研究与应用,2 0 2 2,43(3）：6 7-7 1.16谢家旭，李国平.重力波与对流耦合作用在一次山地突发性暴雨触发中的机理分析J.大气科学,2 0 2 1，45(3)：617-632.17】黄楚惠，李国平，牛金龙，等.2 0 2 0 年8 月10 日四川芦山夜发特大暴雨的动热力结构及地形影响J.大气科学,2 0 2 2,46(4):9 8 9-10 0 1.18】杨本湘，陶祖钰.青藏高原东南部MCC的地域特点分析J.气象学报,2 0 0 5,6 3(2)：2 36-2 42.19吴芳芳，俞小鼎，王慧，等.一次黄海之滨中尺度对流复合体多尺度结构特征观测研究J.气象学报，2 0 19,7 7(5):785-805.691期李向红，等：基于尺度分离的桂东北一次极端暴雨成因分析庞传伟，蒋荣群Analysis of the causes of an extreme rainstorm in northeasternGuangxi based on scale decompositionPang Chuanwei,Jiang Rongqun,Li Xianghong*,Hou Jin,Zhou Xiyuan,Su Shenghua(1.Gongcheng County Meteorological Bureau,Guangxi Gongcheng 542500,China;2.Zhongshan County Meteorological Bureau,Guangxi Zhongshan 542600,China;3.Guilin Meteorological Bureau,Guangxi Guilin 541001,China;4.Yangshuo County Meteorological Bureau,Guangxi Yangshuo 541900,China;5.Lingui District Meteorological Bureau,Guangxi Guilin 541100,China)Abstract:Using the precipitation data of Guangxi,satellite TBB data and ERA5 reanalysis data,based onthe principle of physical decomposition of atmospheric variables,the synoptic scale disturbance field wasseparated from the global atmospheric analysis field,and the extreme rainstorm process in northeast Guangxiduring 17-21 June 2022 was analyzed from multiple angles.The results show that:This process occurred underthe conditions of sufficient water vapor supply and favorable de-stabilizing environment,and there were variousascending motions at different scales.The stationary front which maintained near 25N for a long time was themain cause of the continuous rainstorm and the main lefting mechanism.Its north-south swing corresponded tothe north-south movement of the rainstorm belt,and the variation of the intensity of the rainstorm was consistentwith the frontogenesis disturbance.The system responsible for the extreme short-duration rainstorm on June 20,2022 was the MCC,which was triggered and maintained by the convergence line of the 925hPa and 850hPaairflow in the front area.Disturbance convergence lines can indicate the center of rainfall well,the rainstormfalling zone is located between the 925 hPa and 850 hPa disturbance convergence lines.Key words:extreme rainstorms;stationary fronts;MCC;disturbed convergence lines