珠江三角洲“9·7”极端暴雨精细观测特征及成因.pdf
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1、书书书陈训来,徐婷,王蕊,等珠江三角洲“”极端暴雨精细观测特征及成因应用气象学报,():珠江三角洲“”极端暴雨精细观测特征及成因陈训来)徐婷)王蕊)李媛)张舒婷)王书欣)王明洁)陈元昭)(深圳市气象局,深圳 )(深圳南方强天气研究重点实验室,深圳 )(深圳市国家气候观象台,深圳 )摘要 年月日珠江三角洲出现极端特大暴雨(简称“”极端暴雨)。应用多源资料分析该过程的精细化观测特征及成因,结果表明:“”极端暴雨由高层辐散、中层弱引导气流、低层西南季风和台风海葵()残涡共同造成,水平尺度约为 的带状中尺度对流复合体长时间维持,列车效应和暖云降水特征显著,雷达回波质心低,最强降水阶段不低于 的强回波质
2、心位于 高度以下,不低于 的强回波在深圳持续时间长达。该天气过程以中小雨滴为主且数浓度较大,当降水强度大于 时,雨滴粒径增大但数浓度明显降低。“”极端暴雨持续时间、强度和落区与边界层低空急流脉动、急流核区位置对应很好,强降水出现在低空急流指数迅速加强后的内,低空急流和低空急流指数变化对强降水具有重要指示意义。台风海葵()残涡在珠江三角洲的长时间滞留是此次极端暴雨的天气尺度原因,深厚的边界层低空急流提供了良好的动力和水汽条件,对流风暴的持续生成和维持是此次极端暴雨的直接原因。关键词:极端暴雨;残涡;雨滴谱;列车效应引言极端暴雨是小概率事件,具有罕见的降水量、极高致灾风险和极低可预报性,极易引发山
3、洪、泥石流等重大灾难性事件,严重威胁人民生命财产安全,难以提前防范,是预报业务的重点和难点。气候变暖背景下我国极 端 强 降水 增 多增 强 已 取 得 广 泛 共识 。近年我国极端暴雨及其引起的灾难性事件频发,如北京 年“”和 年“”极端暴雨、广州 年“”极端强降水、河南 年“”极端暴雨等,均造成严重的经济损失和人员伤亡 。我国南北方极端暴雨在天气尺度系统配置、中低纬度系统相互作用、水汽输送等方面存在显著差异,但台风及其残余环流是影响南北方极端暴雨的主要系统之一 。国内外学者对登陆台风及其残余环流的结构演变、强降水特别是极端暴雨的特征、动力热力成因等开展了深入研究,取得了大量研究成果 。台风
4、降水是多尺度系统相互作用的结果,登陆台风维持时间、水汽输送、台风与季风(涌)的相互作用、中尺度对流系统的活动以及地形效应等是造成台风暴雨的重要因素。台风登陆后的残涡与其他系统相互作用可导致残涡复苏或环流长时间维持,导致持续暴雨。河南“”、“”极端暴雨、华北“”极端暴雨、台风碧利斯()和台风尤特()引发的华南极端暴雨均与台风登陆后的残涡长期维持有关 。登陆后台风残留系 收到,收到再改稿。资助项目:深圳市科技创新可持续发展专项(),国家自然科学基金项目(),广东省气象局科技创新团队项目(),广东省气象局项目(),中国气象局复盘总结专项“海葵残涡极端暴雨中多源观测资料的分析应用”通信作者,邮箱:第
5、卷 第期 年月 应 用 气 象 学 报 ,统长时间维持与西南季风急流卷入的水汽、不稳定能量以及高层辐散密切相关 。程正泉等 指出引发强持续暴雨的登陆台风东南部往往伴有强的水汽输送带。台风极端暴雨常伴有中尺度对流系统,杨舒楠等 指出台风艾云尼()中尺度对流系统活跃,伴随个阶段的中尺度对流雨带的发生、发展,造成广东极端暴雨。降水与后向传播、列车效应或对流雨带合并,导致单体生命周期延长并反复生消有关。何立富等 认为在台风利奇马()影响期间列车效应是导致山东中部远距离暴雨的直接原因。年月日台风海葵()(简称海葵)先后在福建、广东登陆后继续西行,月日停止编号后其残涡长时间滞留广东,导致强降水影响范围广、
6、极端性显著、灾害损失严重。受其影响,月日珠江三角洲(简称珠三角)发生极端暴雨(简称“”极端暴雨),深圳、广州、东莞、佛山等地 站次突破当地历史降水极值,香港天文台降水量达到 ,打破香港 年以来的观测纪录。极端暴雨造成珠三角大范围受灾,出现严重内涝,引发社会广泛关注。登陆台风极端降水的准确预报是业务的重点和难点,全球模式和中尺度模式对此次极端暴雨的预报均明显偏弱。本文分析此次珠三角极端暴雨的精细观测特征并探讨其成因,期望为台风极端暴雨的预报提供参考。资料和方法 资料本文所用观测资料是 年月日珠三角高密度地面自动气象站观测资料(时间分辨率为 )、深圳石岩雨滴谱资料、香港探空资料、广东省雷达反演资料
7、、静止气象卫星逐 高分辨率 ()长波红外通道()相当黑体温度()和欧洲中期天气预报中心(,)再分析资料(),时间分辨率为,空间分辨率为 ,垂直方向为 至 (共 层)。方法华南大暴雨常伴有低空急流的加强,强降水与低空急流轴上风速的脉动密切相关。为了揭示此次极端暴雨过程中低空急流与强降水发生发展的关系,基于广东省风廓线雷达资料计算低空急流指数犐:犐犞犇。()式()中:犞为 高度以下边界层急流中心最大风速(单位:),犇为 风速的最低高度(单位:)。犐可以定量表示低空急流向下扩展的程度和风速脉动的强度,犐越大,低空急流越强,急流高度越低,越容易触发对流不稳定能量的释放,对降水就越有利。本文插图所涉及的
8、国界和行政区域界线基于审图号为 ()号标准地图制作,底图无修改。极端暴雨精细特征 年月日停止编号后的海葵残涡长时间滞留广东,受其影响,月日珠三角出现极端暴雨。选取珠三角地区强降水最为集中的月日:(北京时,下同)日:进行分析,本次降水过程的特点:极端暴雨强降水范围广、降水量大。珠三角普遍发生暴雨到大暴雨局部特大暴雨(图),特大暴雨落区主要在香港、深圳、东莞、广州、佛山等地,形成东南西北走向的特大暴雨带,雨带长 ;珠三角 个站()的降水量超过 ,个站()的降水量超过 ,个站的降水量超过 。降水强度极强,刷新多项当地历史降水纪录。珠三角大部分地区发生降水强度超过 的短时强降水,其中香港、深圳、东莞等
9、地个站次出现强度为 的降水(图),香港天文台月日:日:的降水量达到 ,创下自 年香港有记录以来的小时降水量极值;深圳的降水量打破了自 年有气象记录以来的项历史极值:盐田区正坑站和降水量分别为 和 ,罗湖区东门站降水量为 ,罗湖区小梧桐站 和 降水量分别为 和 ,均创极值纪录;佛山禅城区石湾镇街道月日:日:降水量为 ,打破了佛山历史最大 降水量纪录,珠三角共 站次短历时降水强度突破当地历史降水极值。强降水持续时间长,个站降水强度超过 的累计时间超过,主要出现在深圳、香港、东莞,以及佛山和广州南部地区,最大值是香港跑马地,累计持续,另外深圳罗湖口岸降水强度超过 的持续时间为。应用气象学报 第 卷图
10、 年月日:日:降水量(单位:)()和最大降水强度(单位:)()(:)()(:)()为全面分析此次降水过程的极端性,选取深圳爱联站、深圳小梧桐站、东莞长安职业中学站、广州番禺南村中学站、中山东凤镇政府站和香港天文台站个代表站。图是代表站的逐小时降水量。由图可知,此次极端强降水可分为个阶段:第阶段 是 年月日:,为 强 降 水 初始阶段,强降水主要集中在珠三角东南部(深圳),单点降水强度由不足 加强至 以上;第阶段是月日:日:,为最强降水时段,强降水带自香港深圳向东莞广州扩展并伴随明显列车效应,单点降水强度为 ,其中深圳小梧桐站最大小时降水量达 ,香港最大小时降水量高达 ;第阶段是月日:,为强降水
11、减弱阶段,强降水区西移至珠三角西部(中山),降水强度从 减弱至 以下。本次珠三角极端暴雨过程大致为由南向北、自东到西的推进演变。图 年月日:日:代表站逐小时降水量 第期陈训来等:珠江三角洲“”极端暴雨精细观测特征及成因极端暴雨大气环流特征本次极端暴雨是多尺度天气系统共同作用的结果。西北太平洋副热带高压(简称副高)稳定维持在中国东南部,海葵残涡在副高内缓慢移动,华南上空 为辐散气流,低层 为西南季风卷入。由 环流(图略)可以看到,年月 日海葵在西北太平洋生成,在副高南侧偏东气流引导下以 的速度向偏西方向移动。受日本南面台风鸳鸯()影响,副高逐渐减弱。随着引导气流减弱,月日海葵进入台湾海峡后移速减
12、慢为 。与此同时,位于广西、贵州、四川的大陆高压发展。图为 年月日的环流场。由图可知,月日:大陆副热带高压与海葵东侧的副高叠加,副高加强。日:我国中东部西北太平洋均被副高控制。月日:日:海葵及其残涡在副高内移动,引导气流偏弱导致其在广东境内移动缓慢,造成残涡长时间滞留。在高层(),年月日:我国中北部为两槽一脊环流型(图略),高压脊位于我国新疆东北部到内蒙古东北部,高压脊东西两侧为南北向低槽,华南上空为弱反气旋控制,风速为。月日:中高纬系统东移,东侧低槽移出我国东北地区,槽底位于长江中游一带,华南弱反气旋维持(图略)。由图可知,月日:高压脊顶部东移至我国东北一带,东侧低压槽位于日本海到我国东部地
13、区,槽底位于湖南一带,华南上空维持反气旋环流,且处在东侧低槽底部偏西南气流中,风速达,南海北部到中南半岛为偏东北气流,风速为,华南上空高层辐散明显加强。位于华南的海葵残涡处于高层加强的气流辐散区。在低层(),年月日海葵进入台湾海峡,从台风中心到西北太平洋均为东西向的辐合带控制。辐合带东端发展为台风鸳鸯(),图 年月日风场(风羽)、风速(填色)和位势高度(红色等值线,单位:)(),()(,:)应用气象学报 第 卷续图西侧为海葵残涡。在副高引导下台风鸳鸯()向偏北方向移动趋向日本,海葵残涡移动缓慢,辐合带逐渐转为东北东走向,月日:辐合带西端偏东气流不断卷入海葵残涡,最大风速达 。同时,辐合带南侧的
14、南海中北部不断有低层西南气流卷入,最大风速为。这两条气流是本次极端暴雨的主要水汽来源。月日:残涡中心移至广东云浮境内,午后卷入残涡的气流减弱。综上,大尺度环流背景有利于此次极端暴雨发生。高层辐散为极端暴雨提供了动力条件,弱引导气流导致海葵残涡缓慢移动,在广东中西部长时间滞留。低层卷入的西南气流和偏东气流供应丰富的水汽和能量,致使残涡长时间维持,是极端暴雨的直接参与者。极端特大暴雨对流系统演变和结构特征 对流系统发生发展和演变利用 观测资料可以直观呈现本次极端暴雨过程中尺度对流系统发生发展及结构演变特征(图)。由图可知,年月日傍晚珠江图 年月日 长波红外通道 第期陈训来等:珠江三角洲“”极端暴雨
15、精细观测特征及成因口附近不断有对流单体生成发展,:珠江口东侧 深 圳 龙 岗 有 南 北 长 约 为 、东 西 宽 约 为 的中尺度系统发展,为 ,深圳东部(龙岗)降水强度超过,为第阶段强降水。同时香港及珠江口西南部也有中尺度对流单体发展,年月日:由于急流的建立和中尺度辐合线的形成,位于香港及珠江口西南侧的多个对流单体与深圳东部的系统合并,并随着低空急流加强,对流系统向北推进,于:在香港深圳东莞广州一带形成稳定维持的块状中尺度对流复 合 体,直 径 超 过 ,冷 云 顶 由 快速下降至 。月日夜间日早晨海上不断有中尺度强对流系统新生加强合并,块状中尺度对流复合体控制香港深圳东莞广州,云顶 持续
16、维持在 ,形成列车效应,造成持续强降水,多数站点 的降水强度持续时间达。第阶段降水是本次极端暴雨的主要降水时段。等 表明构成对流系统的中尺度对流单体的移向和移速与最强降水的位置有关。等 指出某地的总降水量严重依赖于产生降水的对流系统类型和移动方式。由图可知,年月日:随着低空急流减弱以及残涡中心西移,中尺度对流单体同步西移,块状中尺度对流复合体覆盖珠海、中山等地区,造成上述地区出现第阶段降水。午后 低值区南落至南海北部,陆地强降水减弱(图略)。对流系统的精细结构特征利用广东波段多普勒天气雷达组合反射率因子分析本次极端暴雨过程个阶段的精细结构特征(图 图)。第阶段是 年月日:图 年月日广东多普勒天
17、气雷达组合反射率因子 图 年月日:日:深圳小梧桐站组合反射率因子时间 高度剖面(填色)和降水强度(黑色实线)()()应用气象学报 第 卷:,为降水初始阶段,海葵残涡中心位于广州附近,距离深圳约为 ;:深圳东部出现分散对流,:发展合并为块状回波,覆盖深圳龙岗大部分地区,强度加强;:深圳罗湖一带发展的块状回波并入(图),:在深圳东部形成南北长约为 、东西宽约为 的对流带,与 卫星观测到的中尺度系统对应,不低于 的强回波在 高度以下,最强 的回波在 高度附近,深圳东部地区记录到级阵风。:对流带移入东莞惠州,:该降水回波在上述地区减弱,第阶段降水结束。第阶段为大陆性和海洋性相结合的降水回波特征,深圳龙
18、岗降 水 强 度 超 过 ,海 葵 残 涡 南 侧 的珠江口近海处生成弧状队列回波,该回波的持续北上及新生加强导致了第、第阶段的持续强降水。第阶段是 年月日:日:,为过程最强降水时段,持续时间约为。该阶段海葵残涡从广州佛山云浮南部以 的速度缓慢移动,距离深圳为 ,其东南侧的中尺度辐合线及南侧暖湿气流触发了降水。月日:珠江口附近东莞广州边界层出现长度约为 的东西向中尺度辐合线,:辐合线南侧的边界层低空东南急流建立,急流轴南侧香港一带南北走向的块状中尺度对流回波(东西水平尺度约为 )不断生成、发展、加强并北抬,不断移向深圳以及东莞、广州南部,:最强回 波 为 (图),深 圳 罗 湖 区 记 录 到
19、 的极端短时强降水,香港记录到超历史纪录的降水强度()。月日:香港南侧珠江口外海的带状对流系统内不断有中尺度回波新生成,并持续移进香港合并加强,强度不小于 的对流单体不断北移影响深圳,经过东莞广州中部后向西扩展,强度明显减弱,期 间降 水 强度 均 在 以 上,:影响深圳、东莞和广州的对流系统减弱。第阶段是 年月日:,海葵残涡中心西移至江门恩平北部,与之对应的对流系统随之西移,持续影响珠海、中山一带,该地区记录到大暴雨。月日:香港附近强度不低于 的回波北抬并持续影响深圳,降水强度为 ,:随着系统减弱消失,持续的极端降水过程趋于结束。与第阶段不同,第、第阶段以海洋性降水回波为主。本次强降水与边界
20、层东南急流的加强发展密切相关,强降水回波在急流附近生成、发展和加强,并不断北移,在香港深圳东莞广州一带聚集、合并、加强、停滞,具有明显的后向传播特征,形成列车效应,使降水长时间维持和增强 。由深圳小梧桐站雷达组合反射率因子演变(图略)可知,深圳小梧桐站持续受到回波影响,不小于 的强回波影响持续时间为,不低于 的降水强度长达,降水持续时间极长、降水量极大。对流系统在珠三角地区的聚集、合并、加强、停滞造成本次极端暴雨过程。由 年月日:日:深圳小梧桐站雷达反射率因子垂直剖面(图)可知,强降水期间不低于 的回波顶高约为。第降水阶段不低于 的强回波质心高度位于 以下,其低层最强回波在 高度以下。由月日:
21、香港探空综合分析(图略)可知,珠三角具有较高的环境相对湿度、湿层深厚、较低的抬升凝 结 高 度 和 自 由 对 流 高 度,层 高 度 接 近,强回波在层高度以下。低的强回波质心高度也反映对流系统内极大的液态水含量和极高的降水效率。俞小鼎等,指出高降水效率降水系统的回波强度一般为 ,这类系统仅需持续 就可导致局地暴雨甚至大暴雨。本次过程雷达回波质心低,具有典型列车效应和暖云降水特点,不低于 的强回波在深圳持续时间长达,是导致本次极端暴雨的直接原因。极端降水的微物理特征研究表明雨滴谱特征因气候区、季节和降水类型不同而存在明显差异,。利用深圳石岩站雨滴谱资料分析本次极端暴雨的微物理演变特征。由图可
22、知,大部分降水时段雨滴谱数浓度 犖(犇)为 ,最大 犖(犇)达到,雨滴直径为,最大雨滴直径达到。犖(犇)与降水强度大体一致,即 年月日:强降水发生前,犖(犇)较低,最大雨滴直径为,日:随着 犖(犇)和最大雨滴直径增大,降水强度随之增大,:深圳石岩站降水强度达到 ,:犖(犇)和雨滴直径均明显减小,降水短暂间歇,日 :日 :犖(犇)持 续 超 过,最大数浓度为,最大雨滴直径超过,是该站本次过程降水最强时段,最大降水强度达 。日:第期陈训来等:珠江三角洲“”极端暴雨精细观测特征及成因:犖(犇)减小,多为 ,最大雨滴直径减小为,降水减弱。日:犖(犇)和雨滴直径有所增大,降水有所增强,:犖(犇)和雨滴直
23、径逐渐减弱,降水过程结束。高雨滴谱数浓度的持续时间越长,最大雨滴直径越大,降水强度也越强。图 年月日:日:深圳石岩站雨滴谱数浓度 犖(犇)(填色)、雨滴直径(填色高度)和降水强度(黑色实线)(),()()图为 年月日:日:深圳石岩站雨滴质量加权平均直径(犇)、标准化参数(犖)与降水强度的散点分布。由图可知,降水强度较小时(不大于),犇为 ,以小雨滴为主且数量较多,当降水强度大于 时,犇普遍超过,且犇随降水强度增大图 年月日:日:深圳石岩站降水强度与雨滴质量加权平均直径()和标准化数浓度()的散点分布 ()()应用气象学报 第 卷而增加,雨滴密度变得稀疏,犇大于 的大粒子数量明显减少,但随着降水
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