“23·8”黑龙江极端强降水过程特征与成因.pdf
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1、齐铎,王承伟,白雪梅,等.“2 38”黑龙江极端强降水过程特征与成因.应用气象学报,2 0 2 4,3 5(3):2 5 7-2 7 1.D O I:1 0.1 1 8 9 8/1 0 0 1-7 3 1 3.2 0 2 4 0 3 0 1“2 38”黑龙江极端强降水过程特征与成因齐 铎1)王承伟1)*白雪梅1)公衍铎1)孙 琪1)栾 晨1)唐 凯1)赵玉洁2)1)(黑龙江省气象台,哈尔滨 1 5 0 0 3 0)2)(黑龙江省大兴安岭气象局,加格达奇 1 6 5 0 0 0)摘 要利用多源观测资料及E R A 5(E CMWF r e a n a l y s i s v e r s i o
2、n 5)再分析资料,从气候统计、天气分析及物理量诊断等角度,分析2 0 2 3年8月24日黑龙江省东南部一次极端强降水过程。高空持续辐散、副热带高压和东北北部冷涡稳定少动、西南低空急流持续水汽输送等有利条件是此次强降水过程持续时间较长的主要原因。该过程可分为两个阶段:第1阶段,经向水汽净收入层和大气饱和层深厚,大气层结为弱对流不稳定;中层受西北气流控制,低层西南急流发展、伴随弱低涡东移,形成水平风速辐合及系统性上升运动,产生大范围持续性降水;该阶段以层积混合云为主,降水效率高,个别时段伴有列车效应,造成极端小时降水量及较大累积降水量。第2阶段,经向水汽净收入集中在对流层低层,且中心强度较大,对
3、流层低层暖湿、饱和,中高层干冷,大气具有较强对流不稳定;在中层槽和低层暖式切变的系统性抬升以及地形辐合抬升的共同作用下,局地有积云发展,引发短时强降水,降水强度分布不均。关键词:极端强降水;西南急流;列车效应;地形效应引 言伴随全球气候变化,极端降水强度和频次双增1-3,2 0 1 2年北京发生“72 1”特大暴雨、2 0 1 7年广州发生“57”大暴雨、2 0 2 1年河南发生“2 17”极端暴雨等,这些暴雨过程具有累积降水量大、降水强度强、强降水持续时间长等特点,打破多项历史极值,预报难度极大4-6。随着观测资料日趋丰富,多源观测尤其是水汽观测能力的提升为暴雨研究提供了丰富的数据7-9,极
4、端暴雨出现在有利的大尺度环流背景下1 0-1 1,副热带高压西侧或北侧持续且强劲的水汽输送为暴雨提供了良好水汽条件,大地形起伏或喇叭口地形有利于水汽辐合抬升,对降水起增幅作用1 2-1 4。极端暴雨可能受到不同触发机制的影响,导致中尺度系统在暴雨区发生发展,冷池对对流触发和维持起重要作用;高层冷空气入侵,低层暖湿空气输送对低层锋生及低涡发展起维持作用,这在对流触发、发展、维持中也至关重要1 5-1 9。另外,还有学者从微物理过程2 0-2 2及数值预报2 3-2 5等角度对极端暴雨开展全面分析。东北暴雨主要集中在78月,区域性暴雨仅占1 2%2 9%,多数暴雨具有强度大、持续时间短、局地性强等
5、特点,可造成严重灾害,其主要影响系统有台风、冷 涡、气 旋 和 切 变 等2 6。任 丽 等2 7、齐 铎等2 8分析东北冷涡背景下区域性暴雨过程,发现在冷涡发展阶段,强降水出现在其前部暖式切变附近辐合最强处,且与低层辐合中心强度及垂直速度成正比;迟静等2 9分析吉林极端暴雨过程环流背景及发展机制,发现冷涡背景下中层干冷空气侵入及高空动量下传与暴雨密切相关;史月琴等3 0分析一次受东北冷涡和地面气旋共同影响的区域性大暴雨特2 0 2 4-0 1-1 1收到,2 0 2 4-0 3-2 6收到再改稿。资助项目:中国气象局创新发展专项(C X F Z 2 0 2 3 0 1 1),黑龙江省自然科学
6、基金项目(L H 2 0 2 2 D 0 2 1),黑龙江省科技厅省院合作项目(Y S 2 0 1 8 Z 0 1),中国气象局2 0 2 4年复盘总结专项(F P Z J 2 0 2 4-0 3 6),黑龙江省气象局“智能网格预报及数值模式释用创新团队”*通信作者:邮箱:b y u a n 3 1 2 3s i n a.c o m 第3 5卷 第3期 2 0 2 4年5月 应 用 气 象 学 报J OUR NA L O F A P P L I E D ME T E O R O L OG I C A L S C I E N C E V o l.3 5,N o.3 M a y 2 0 2 4征及
7、发展机制,发现冷涡发展接近成熟、气旋加深阶段,局地地面辐合型切变线是导致短时强降水的中尺度系统;段云霞等3 1分析冷涡背景的午后强对流降水,发现上午辐射加热升温有利于不稳定能量累积,配合地面高湿环境为降水发生提供了有利条件;任丽等3 2借助中尺度数值模式,对影响黑龙江的冷涡暴雨过程云微物理特征进行分析和诊断,发现雨水的增长主要依赖霰和雪的融化,其次还有暖云中云水的碰并增长。在台风暴雨方面,孙力等3 3分析台风布拉万(1 2 1 5)暴雨及降水非对称性分布,指出强冷空气入侵导致的条件性对称不稳定是降水得以加强的重要不稳定机制;王承伟等3 4分析台风灿鸿(1 5 0 9)降水,认为弱冷空气引起的浅
8、薄大气条件对称不稳定是对流增强的原因;刘硕等3 5研究台风狮子山(1 6 1 0)并入温带气旋引发东北暴雨过程,发现台风并入温带气旋导致温带气旋加强发展,增强动力、水汽和能量输送,是引发东北地区强降水的主要原因。2 0 2 3年8月初黑龙江省发生有气象记录以来最强的一次降水天气,持续时间达8 0 h,全省近1/5站点(包括所有气象站和水文站)过程累积降水量超过1 0 0 mm,尤其是黑龙江省东南部地区,部分站点超过3 0 0 mm,达当地年降水量一半左右3 6,强降水范围广、累积降水量大、持续时间长,多地突破历史极值。这次极端强降水过程并非受冷涡、台风或气旋直接影响,相关研究较少,本文将分析此
9、次强降水过程特点及长时间维持的原因,为未来相似背景下强降水预报提供参考。1 资料与方法观测资料包括:2 0 2 3年8月2日0 2:0 04日2 0:0 0(北京时,下同)东北地区(图1所示范围)经过气象资料业务系统(M e t e o r o l o g i c a l D a t a O p e r-a t i o n a l S y s t e m,MD O S)质量控制的气象站(4 0 0 8个,包括县气象站和区域自动气象站)逐小时观测资料,剔除研究时段内缺测1 h以上的气象站,得到可用气象站共3 7 9 9个(分布如图1所示);1 9 6 12 0 2 3年59月0 8:0 0次日0
10、 8:0 0 4 3.5 4 6 N、1 2 6 1 3 0 E范围内县气象站(2 0个)逐日累积降水量资料(经过MD O S质量控制),剔除缺测超过1年的4个站;2 0 2 3年8月2日0 2:0 04日2 0:0 0 F Y-4 A气象卫星相当黑体温度(b l a c k b o d y t e m p e r-a t u r e,T B B)资 料。采用欧洲中期天气预报中心提图1 2 0 2 3年8月2日0 2:0 04日2 0:0 0区域内气象站累积降水量分布(单位:mm,黑色虚线框为降水量大值区)F i g.1 A c c u m u l a t e d p r e c i p i
11、t a t i o n o f r e g i o n a l r a i n g a u g e s t a t i o n s f r o m 0 2 0 0 B T 2 A u g t o 2 0 0 0 B T 4 A u g i n 2 0 2 3(u n i t:mm,t h e b l a c k d a s h e d r e c t a n g u l a r d e n o t e s t h e b i g-v a l u e a r e a o f p r e c i p i t a t i o n)852 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 供的2 0 2 3年8月2
12、日0 2:0 04日2 0:0 0 E R A 5(E CMWF r e a n a l y s i s v e r s i o n 5)3 7逐时再分析 资料,选择1 0 0 0 h P a至3 0 0 h P a共2 0层的位势高度、温度、纬向风、经向风、垂直速度、比湿、散度等。应用方法主要有天气学分析、气候统计、诊断分析等。2 极端强降水过程及特征2 0 2 3年8月25日黑龙江省中部和东南部发生的强降水主要影响齐齐哈尔、绥化个别市县和黑龙江省东南部地区。其中24日黑龙江省东南部区域性极端强降水(图1)的降水时长超过6 0 h,强降水区(图1虚线框所示范围)过程累积降水量超过2 0 0
13、mm的气象站(包括区域自动气象站和县气象站)共3 3个,占区域总气象站数量的7%以上,超过2 8 0 mm的气象站共4个,均为区域自动气象站,最大 累 积 降 水 量(3 3 6.0 mm,2日0 2:0 04日2 0:0 0)、最大小时降水量(1 0 1.2 mm,2日1 6:0 01 7:0 0)均出现在吉林榆树长发站,其他3站(临河站、龙凤山站、珍珠山乡站)小时降水量均未超过5 0 mm,特别 是 珍 珠 山 乡 站,小 时 降 水 量 基 本 在2 0 mm以下,较大的累积降水量主要由持续时间较长的中等强度降水(小时降水量为52 0 mm)贡献。另外,2日白天区域平均小时降水量最大,但
14、对应强降水占比(不小于2 0 mmh-1气象站数量在不小于0.1 mmh-1气象站数量中占比)与3日午后到前半夜和4日下午到傍晚的相当,说明2日白天较大的平均小 时降水量主 要 由 小 时 降 水 量 为2 0 mm以下气象站贡献(图2)。表1为1 9 6 12 0 2 3年强降水区1 6个县气象站图2 2 0 2 3年8月2日0 2:0 04日2 0:0 0降水量大值区内(图1黑色虚线框所示范围气象站)的区域平均小时降水量及强降水占比的时间变化F i g.2 H o u r l y a v e r a g e p r e c i p i t a t i o n a n d h e a v y
15、 r a i n f a l l r a t i o i n t h e b i g-v a l u e a r e a(r a i n g a u g e s t a t i o n s i n t h e b l a c k d a s h e d r e c t a n g u l a r i n F i g.1)f r o m 0 2 0 0 B T 2 A u g t o 2 0 0 0 B T 4 A u g i n 2 0 2 3降水历史排名。对59月历史日降水量与2 0 2 3年8月24日日降水量进行统计分析,排序为各站24日最大日降水量在本站历史日降水量中排名,仅显示不超过1
16、 0 0位的排名;排序为24日日降水量在本站历史同日排名,取3 d内最高位次;排序为24日累积降水量在本站3 d滑动累积降水量历史排名,只显示不超过3 0位的排名。本次过程有多个县气象站的多项指标超过历史极值(表1):宁安站日降水量超过历史极值,排第1位,尚志站和五常站为历史第2位,还有3站日降水量进入历史前1 0位(排序);有1 0站日降水量(排序)超过本站历史当日极值,其余各站基本在前1 0位;从3 d滑动累积降水量(排序)看,共有1 1站进入1 9 6 1年以来历史排名前3 0位,其中阿城、五常、宁安3站超过历史极值,排在第1位,尚志站排在历史第2位。由3 d累积降水量与8月平均降水95
17、2 第3期 齐 铎等:“2 38”黑龙江极端强降水过程特征与成因 量对比可知,有5站超过当地8月平均降水量,其中五常站达到当地8月平均降水量的2倍以上。自1 9 6 1年该区域与本次过程暴雨站次及持续时间接近的仅有1次,为1 9 9 4年7月1 21 4日,但本次过程县气象站最大累积降水量(2 7 0.7 mm,五常站)超过1 9 9 4年过程(1 9 0.0 mm,扶余站)近1/3,因此,本次降水过程更为极端。另外,本次过程3 d累积降水量历史排名较最大单日降水量历史排名更靠前,也说明本次过程在持续时间及累积降水量极端性更显著。表1 1 9 6 12 0 2 3年降水量大值区内县气象站降水历
18、史排名T a b l e 1 H i s t o r i c a l r a n k i n g o f c o u n t y o b s e r v a t i o n a l s t a t i o n s i n t h e b i g-v a l u e a r e a o f p r e c i p i t a t i o n i n 1 9 6 1-2 0 2 3站名排序排序排序2 0 2 3年8月24日累积降水量/mm过程降水量占8月平均降水量比例/%哈尔滨1 112 28 0.77 1.2双城7151 2 8.91 1 8.4阿城4111 4 3.21 2 4.6宾县7 23
19、2 78 1.86 7.0木兰62 0.61 5.9通河1 11 2.59.7延寿64 9.23 7.4尚志2121 5 4.71 0 7.7扶余6 611 31 0 6.09 5.8榆树12 38 4.77 0.6舒兰6 0151 2 7.38 9.2五常2112 7 0.72 0 2.5牡丹江6151 1 2.89 5.3宁安1111 5 9.61 3 7.5吉林城郊63 6.82 7.0蛟河93 8.52 6.2 根据平均小时降水量变化及强降水占比(图2)可将此过程大致分为两个阶段,第1阶段为8月2日凌晨至3日上午,强降水范围变化与区域平均小时降水量的变化趋势基本一致,小时降水量增大的同
20、时强降水范围扩大;该阶段降水范围广,强降水站数多,最大小时降水量大(图略)。第2阶段为8月3日午后至4日凌晨,该阶段初期平均小时降水量较小,但强降水占比较高,降水强度分布不均,降水局地性强(图略)。两个阶段强降水的位置高度重合,均主要集中在哈尔滨东部及与吉林交界附近,过程累积降水量(图1)较大。3 天气尺度环流特征3.1 天气尺度环流背景2 0 2 3年8月24日环流形势较为稳定(图3),强 降 水 区 位 于 高 空 急 流 右 侧,高 空 辐 散 较 强。5 0 0 h P a高度场上,西北太平洋副热带高压(简称副高)位置偏西偏北2 6,相对稳定,黑龙江北部有冷涡活动,东北地区主要受副高外
21、围与北部冷涡间偏西气流上的波动影响以及台风卡努(2 3 0 6)的远距离作用,强降水系统在黑龙江省东南部稳定维持。以往东北地区持续时间较长的强降水过程一般受冷涡或台风系统直接影响2 7-3 5,而此次过程东北冷涡和副高位置较为稳定,且与强降水区相距较远,不是本次强降水的直接影响系统。第1阶段,东北地区5 0 0 h P a上以西北气流为主(图3),8 5 0 h P a副高与其西北侧低涡(中心位于1 1 5 E以西)间西南低空急流发展,低涡前存在弱波动分裂,在低涡东部形成闭合小低涡并移至强降水区(图4),造成系统性抬升。第2阶段,东北地区5 0 0 h P a上短波槽移过(图3),8 5 0
22、h P a上受低涡(中心位于1 1 5 E以西)前部暖式切变影响(图4),二者共同作用造成强降水区系统性抬升。该阶段副高与低涡间西南急流东移,西南急流始于渤海,有利于海上水汽向北输送,强降水出现在低涡前部西南急流北端,强降水区低层比湿可达1 6 gk g-1。由水汽通量及水汽通量散度演变(图略)可知,第1阶段降水初期,华北强降水区存在与急流相伴的明显水汽通道,强降水区出现明显水汽辐合,最大值可达-1.41 0-5 gc m-2s-1h P a-1,前期影响华北地区的台风杜苏芮(2 3 0 5)残余水汽对此次黑龙江省东南部强降水过程可能存在重要影响;第1阶段后期至第2阶段,黄渤海至强降水区的水汽
23、062 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 图3 2 0 2 3年8月24日5 0 0 h P a位势高度场(蓝色等值线,加粗线条为5 8 8 0 g p m等值线,等值线间隔为4 0 g p m)、3 0 0 h P a风场(风向杆不小于2 0 ms-1)及散度场(填色)(黑色方框为强降水区,下同)F i g.3 5 0 0 h P a g e o p o t e n t i a l h e i g h t(t h e b l u e c o n t o u r,t h e b o l d l i n e i s 5 8 8 0 g p m,t h e i n t e r v a l i s
24、 4 0 g p m),3 0 0 h P a w i n d(t h e r e d b a r b),3 0 0 h P a d i v e r g e n c e(t h e s h a d e d)f r o m 2 A u g t o 4 A u g i n 2 0 2 3(t h e b l a c k r e c t a n g u l a r d e n o t e s t h e b i g-v a l u e a r e a o f p r e c i p i t a t i o n,s i m i l a r l y h e r e i n a f t e r)图4 2
25、0 2 3年8月24日8 5 0 h P a位势高度场(黑等值线,加粗线条为1 5 0 0 g p m等值线,等值线间隔为2 0 g p m)、风场(蓝色、青色矢量分别代表不小于1 2 ms-1和小于1 2 ms-1的风矢量)和比湿场(红色等值线,单位:gk g-1)F i g.4 8 5 0 h P a g e o p o t e n t i a l h e i g h t(t h e b l a c k c o n t o u r,t h e b o l d l i n e i s 1 5 0 0 g p m,t h e i n t e r v a l i s 2 0 g p m),w i
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