13丁一汇高等天气学 暴雨的形成与中尺度扰动的作用.ppt

第十三讲 暴雨的形成与中尺度扰动的作用,丁一汇 国家气候中心,高等天气学系列讲座 单元四：对流和降水天气系统,,我国位于世界上著名的季风区在夏季风爆发和盛行的时期，是我国暴雨的季节最著名的降雨是长江流域的梅雨，在我国几乎每年都受到突发性洪水或持续性洪水的灾害，在有些年份灾害相当严重，如1963年海河大范围的洪水和1975年淮河灾害性洪水，以及近年来，1991，1998，1999和2003年年江淮地区梅雨季的持续大暴雨1981年7月中旬和2004年9月3~7日四川大暴雨也造成了严重的灾害因而暴雨的研究和预报问题一直是我国气象工作者最关心的问题之一13.1 暴雨的形成,在我国暴雨的发生受三个大尺度方面的因子影响第一是来自印度洋和西太平洋的夏季风，中国大范围的雨季一般开始于夏季风的爆发（华南要更早一些），而结束于夏季风的撤退，降雨强度和变化与夏季风脉动密切相关我国暴雨出现的频率年际变化很大，这也与夏季风状况的年际变率密切有关第二，西太平洋和青藏高原副热带高压的位置决定了中国主要雨季的季节移动暴雨常出现在100hPa高压和120ºE处副高比常年更偏北的位置上，如19621965，1968，1969和1970年，如果100hPa高压位置比常年偏南，则长江流域一般出现干旱。

最后，暴雨的年际变率密切与北半球，尤其是东亚中高纬大气环流的异常有关位于乌拉尔山，贝加尔湖，鄂霍茨克海霍里海的阻塞高压和乌拉尔山与贝加尔湖的长波槽是决定暴雨是否有利的关键环流系统例如在1972年夏季，全球出现许多异常的天气过程这是由于一异常的长波槽维持在亚洲的东岸地区（130º～140ºE）而代替了正常年份的平均高压脊结果冷空气爆发的路径比常年更偏东，同时副热带高压也比常年更弱这种天气形势造成了过去30年中春季和夏季最严重的干旱，这主要是由于在中国冷暖空气交绥的机会大大减少中国暴雨的特点,（1）暴雨强度大和持续时间长如果与相同气候区中的其它国家相比，中国的暴雨强度是很大的如5分钟的暴雨极值是53.1mm（山西梅桐沟，1971年7月1日），1小时暴雨极值是198.3mm（河南林庄，1975年8月5日）24小时降水极值是1672mm（台湾省新寮，1967年10月17日），第二个24小时降水极值是1248mm（台湾省，1963年9月10日）我国暴雨的持续时间从几小时到63天，主要暴雨长度是2天到一周，在表5.20所列的25个例子中，14个暴雨个例持续在3天以上暴雨的持续性是我国暴雨的另一明显特征。

2）暴雨主要分布在华南、长江、华北三个带中，如果我们点出过去1931~1977年近50年中24小时降水量大于200mm的强暴雨位置（图13.1），可以发现，所有这些暴雨分布在三个带中：华南、长江流域和华北此外，也有少数一些暴雨出现在沿岸地区，主要是台风引起在以上三个主要暴雨带之间暴雨出现很少，这种情况与锋区很少在这些地区停滞以及主要环流系统突然的北跳有关更重要的，暴雨的这种特征分布表明，暴雨与起源或移过西藏高原的天气系统的频率有关例如，华南的前汛期暴雨主要由在高原以南通过的南支西风带中的扰动引起长江流域的暴雨经常是由来自高原的低涡和切变线引起但当高空锋区北移时，这些低空涡旋常改变它们的移动路径，由向东变成向北或东北移动，以此造成华北，甚至西北的暴雨图13.1 1931～1977年24小时降水大于1000，800和400mm的降水点分布×：200mm/24h；〇：400/24h；●：800mm/24h；■：1000mm/24h,（3）根据暴雨系统的特征，我国的暴雨可以分为四种类型第一类型是台风暴雨或台风残余及由台风转变成的温带气旋引起的暴雨台风是我国最重要最强烈的暴雨系统沿海15个省份暴雨的统计表明（见蔡则怡的工作，1977年），其中12个省份的最大暴雨是由台风引起。

第二类暴雨是由低涡或与这些低涡有关的切变线引起第三类暴雨由高空槽和相应的冷锋引起，当它们移近一阻塞反气旋区域时，暴雨系统常减速，结果造成长期的雨期暴雨系统在很大程度上受大尺度行星环流型制约因而一场暴雨的发生涉及到不同尺度天气系统的复杂的相互作用尤其是对2天以上的暴雨，行星环流分布具有十分重要的作用图13.2是暴雨中各种天气系统的关系图13.2 暴雨中各种尺度天气系统的关系,,暴雨多是出现在扰动停滞的时期，这时候行星尺度系统经常出现一次调整过程另一种情况是行星尺度系统持续某种形势，这使得在某地区接二连三地有扰动发生发展行星尺度系统并不直接产生暴雨，而是通过制约直接产生暴雨的天气尺度系统的活动来间接对暴雨产生作用的，它可以决定天气尺度系统的移动速度，强度变化、重复出现和系统间的相互作用行星尺度环流还可决定大范围雨区出现的范围及决定暴雨区的水汽来源或水汽通道图13.3给出持续性特大暴雨的两种形势图在经向型情况下，在暴雨区周围为高空高压所包围，即贝加尔湖高压，日本海高压，青藏高压和华南高压这几个高压系统都很稳定，在日本海高压和青藏高压之间是一条南北向的低压带这种形势很有利于西南涡北上，低涡可沿着南北向切变线北上，冷空气由从乌拉尔大槽分裂东移的短波槽携带，沿青藏高原脊前流入低槽区。

另一股冷空气在贝加尔湖前沿极地路径南下低空偏东急流和偏南急流共同输送水汽，这种持续性雨带主要是南北向的，可从西南地区向北延伸到华北纬向型暴雨型有三个主要特征：从西伯利亚宽的低槽中分裂出的冷空气经河西走廊到达长江流域，它们是冷空气的来源，这种冷空气是由东移的西北槽携带，最后受到副高阻塞在长江流域蜕变成东西向切变线第二个特征是副热带高压相对稳定高压西侧的西南气流不断向暴雨输送暖湿空气，并与冷空气交绥于江淮流域第三个特征是高纬在雅库茨克或鄂霍茨克海要有稳定的阻塞高压，使得东亚西风带位置偏南 由上面可见，在持续性大暴雨发生前或发生中，行星尺度长波系统一般会经历一次明显的调整过程，以后表现出异常的稳定性持续性大暴雨即出现在长波系统稳定的时期另一方面，持续性大暴雨的发生实际上是大尺度环流出现异常状况的一种表现，因而与暴雨有关的长波系统的位置和强度必然对平均条件呈现明显的偏离图13.3 （a）经向型特大暴雨形势；（b）纬向型特大暴雨形势,天气尺度系统,天气尺度系统如锋面、气旋、高空槽等并不是直接造成暴雨的天气系统，因为天气尺度系统中的上升运动一般只有几cm·s-1，在水汽供应充分的条件下，降水强度只1~2mm·h-1，日降水量24~48mm，只能造成中－大雨。

天气尺度系统对暴雨起着以下四个作用：（1）制约造成暴雨的中尺度天气系统的活动，即天气尺度系统可以提供中尺度天气系统形成的条件或环境场中尺度天气系统的发生需要一些基本条件，例如大气层结是不稳定的，水汽通量出现辐合，低空风场出现辐合场和气旋性涡度场，这些条件经常伴随着天气尺度系统出现的；,（2）造成暴雨区水汽的集中即使对于热带海洋气团，气柱的含水量只相当于100mm的降水量因而必须有水汽从外区流入暴雨区，计算表明，要使中尺度的暴雨区能够维持，这就要求暴雨外围区外面在大尺度流场上出现水汽通量的辐合，这个大尺度水汽通量辐合区比暴雨区面积至少大10倍以上，这样才能使暴雨区外围区不断有水汽积累用来供应暴雨区中的水源这种大尺度的水汽通量辐合一般出现在天气尺度的系统中，这种水汽辐合也可以造成湿层的增加一般当湿层厚度达到700hPa时，就有利于暴雨的发生；,（3）在天气尺度系统中，上下不同性质空气的平流可造成位势不稳定层结；（4）在天气尺度系统中的风速垂直切变有利于中小尺度系统的发生和维持对于暴雨，要求大尺度有一定程度的风的垂直切变，以使位势不稳定层结建立，并且使积雨云中上升运动变成有组织但如果垂直切变很强，高空的卷云砧伸展甚远，这时积雨云中的大量水滴被高空急流带走，不能降落地面，虽然对流活动甚强烈，降水量也并不很大。

图13.4 表明，暴雨一般发生在较弱的垂直切变环境下，而强风暴发生在较强的环境风垂直切变条件下，这种大的切变差别主要由高层风速差造成，即强风暴经常出现在高空急流轴下方，而暴雨发生在急流轴以南200~500km图13.4 暴雨和局地强风暴环境风垂直切变之比较,中尺度天气系统,中尺度天气系统是直接造成暴雨的天气系统，其地面辐合量级为10-4s-1，上升运动为10cm·s-1~1 m·s-1，降水强度可达或超过10mm·h-1，因此只要连续5小时的降水就可以造成暴雨中尺度系统是在天气尺度环流背景上发展起来的，它对暴雨有两个作用：（1）它是造成暴雨的直接天气系统；（2）中尺度系统对积云对流活动有明显的组织和增强作用图13.5是造成美国一次大暴雨时概括出的风暴群物理模式，它也可以认为是一种中尺度系统可以看到低层强的流入（～1.4km厚的平均混合比为～14.8g·kg-1）造成了在风暴区有强的水汽流入，在接近落基山时，风暴的流入抬升到LCL以上（约2.5km），上升气流很强，并向西倾斜，这可使大雨滴由上升气流之后部落出，从而使系统保持准稳态液态水从云的下部即大量落下，这可以增强云上部的上升气流的速度，同时抑制上升气流的过冷水区内的冰雹增长。

这种暴雨内没有大量雹存在的事实表明，暖雨过程在产生风暴降水中起重要作用，云内较高的0℃层（5.8km）、－25℃等温线和较低的云底（2.5km）都说明在一深厚层次中（3～7km厚）云冲并过程在起作用没有大量的雹和云内强风切变的事实可以抑制有组织对流尺度下沉气流的发展，这可以增加风暴的降水效率图13.5 美国一个雨暴单体的物理模式（Big Tompson）也给出LCL，LFC，风，0℃层高度及－25℃高度,暴雨形成的物理条件,我们讨论暴雨形成的物理条件一般情况下这些条件应包括位势不稳定、逆温层、低空湿舌或水汽辐合、释放不稳定性的机制，如低层辐合区、重力波、密度流、地形抬升等以及低层和高层急流，风的垂直切变、卷入等在上述热力和动力条件中低空急流和边界作用十分重要下一节我们要专门讨论低空急流的作用我们发现，在暴雨时期，水平质量辐合在500m高度达最大值，边界层中冷暖气团之对比比边界层以上要显著在暴雨开始之前，经常可以观测到在边界层中有动量、水汽和热量的迅速积累，以后再向上输送当暴雨加强时，质量辐合最大值在900hPa高度表13.1给出暴雨和强对流风暴物理条件的差别在强风暴情况下，在近地面附近经常存在着逆温层或等温层，而在暴雨情况下，无逆温层存在，在700hPa以上，强风暴的温度比暴雨情况下低得多，400hPa温差达8℃。

因而，由于在强风暴情况下，中上层有冷平流，其7km以下的温度递减率比暴雨情况的大1~3℃·km-1，强风暴的位势不稳定层较深厚，自由对流高度较高，这意味着需要更强的启动机制来使强风暴发生但是，一旦出现强风暴爆发，它们的发展比暴雨更激烈，更迅速水汽含量和输送项差别也很大例如对暴雨，地面到300hPa的水汽水平辐合为强风暴时的三倍暴雨发生时风垂直切变一般比强风暴小比较其它的量如Td850，Td500，T850，T500，θse850，θse500可以得到：暴雨的发展主要与低层暖湿空气团有关，而强风暴的发展与中上层干冷空气团有关，两者温差可达13℃，因而上层冷平流以及与低层暖湿空气的迭置对强风暴的爆发具有很重要的影响表13.1 暴雨和局地强风暴物理条件之比较,对于中国的汛期（5~9月），梅雨的研究和预报是特别重要的，因为大多数严重的旱涝灾害与梅雨活动及其雨量多寡密切相关前面已经指出，1998年夏季长江流域发生了一次仅次于1954年的特大暴雨过程1999年梅雨季（6月22日~7月3日）在长江下游造成了严重的暴雨和洪涝2003年梅雨季（6月21日~7月22日）在淮河全流域发生了一次大暴雨过程，其降水总量和洪水流量皆超过了1991年江淮大暴雨。

对于这些个例将在第十四讲作专门的个例讲解13.2 低空急流在暴雨和强对流天气形成中的作用,低空急流（LLJ）（风速最大值在12或。