黑龍江省沙蘭河上游暴雨中尺度對流系統(tǒng)動力學(xué)結(jié)構(gòu)演變特征

黑龍江省沙蘭河上游暴雨中尺度對流系統(tǒng)動力學(xué)結(jié)構(gòu)演變特征

1關(guān)于中尺度對流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中尺度對稱系統(tǒng)（mcs）的發(fā)生發(fā)展是目前降雨天氣研究的重點之一，包括大量科學(xué)問題，如mcs產(chǎn)生的大環(huán)境場、物理過程、動態(tài)模型等。暴雨中尺度對流系統(tǒng)的動力結(jié)構(gòu)是MCS發(fā)生發(fā)展機理研究中的一個廣受關(guān)注的問題,Cotton等通過研究發(fā)現(xiàn),MCS中存在各種形式不同的對流,對應(yīng)的結(jié)構(gòu)也有較大差異,因此研究中尺度對流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對深入了解系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展機理具有重要意義。對于這個問題的研究在國外開展得較早,對某些類型的中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了相當(dāng)全面的認識。近年來,國內(nèi)也開展了這方面的研究,例如陳力強等用中尺度模式(MM5)作了東北冷渦誘發(fā)的暴雨MCS三維動力結(jié)構(gòu)演變的研究。多普勒雷達和衛(wèi)星是可以獲得具有高時空分辨率資料的兩種主要觀測工具,由其獲得的資料對研究中尺度系統(tǒng)具有很大幫助。我們利用衛(wèi)星資料和常規(guī)資料相結(jié)合的辦法,對2005年6月10日午后發(fā)生在黑龍江省中東部的一次暴雨過程MCSs發(fā)生發(fā)展的大尺度環(huán)境場、下墊面條件及地面中尺度切變線與MCS活動的關(guān)系作了研究,并利用常規(guī)資料對沙蘭河上游暴雨MCS的層結(jié)特征進行了診斷分析。在此基礎(chǔ)上,本文進一步利用雷達和衛(wèi)星資料對沙蘭河上游的中尺度對流系統(tǒng)的三維動力結(jié)構(gòu)特征的演變過程展開深入研究,以提高對東北暴雨MCS的認識。2發(fā)布和處理數(shù)據(jù)2.1不模糊距離和衛(wèi)星資料多普勒雷達資料為牡丹江3830型C波段天氣雷達在立體掃描(VCP21)工作方式下獲得的平均約6min一次的雷達資料。雷達站的地理位置為:44°35′28″N、129°35′59″E;天線海拔高度為:324m。雷達的徑向最大不模糊距離為150km。雷達資料的時間范圍為:2005年6月10日11:17—14:30(北京時,下同)。內(nèi)容包括反射率強度(Z)、徑向速度(V)及譜寬(W),由雷達在9個仰角(0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6°、9.89°、14.6°、19.5°)觀測的數(shù)據(jù)按仰角由低到高的順序排列組成。每個等仰角面上的數(shù)據(jù)以極坐標形式存儲。衛(wèi)星資料為2005年6月10日00:00—09:00UTC1h一次的FY-2C靜止衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)(05:00—06:00UTC為0.5h間隔)。DEM(DigitalElevationModel)數(shù)字高程數(shù)據(jù)的水平范圍:90°S—90°N、20°—180°E,空間分辨率:0.00833°×0.00833°。2.2風(fēng)場反演方法本文將極坐標系下、等仰角面上的雷達反射率強度(Z)轉(zhuǎn)換到笛卡爾坐標系下的等高平面上顯示,并用橢球Cressman插值函數(shù)將坐標轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)插值到等經(jīng)緯度網(wǎng)格上。水平插值范圍為44.1°—44.75°N、128.45°—129.25°E,格距為0.01°×0.01°。垂直范圍取在1.5—12.5km,格距為0.5km。并規(guī)定坐標以向東、向北和垂直向上為正方向。插值函數(shù)的水平和垂直影響半徑分別取為2.5和1.5km。風(fēng)場反演方法選用的是UW風(fēng)場反演技術(shù)。根據(jù)UW方法的假設(shè)條件,取低仰角層上的雷達徑向風(fēng)速進行風(fēng)場反演,并將獲得的水平風(fēng)速用橢球Cressman插值函數(shù)插值到相同范圍的等經(jīng)緯度網(wǎng)格點上,水平格距取為0.01°×0.01°。由于中低層風(fēng)場與MCS發(fā)生發(fā)展關(guān)系十分密切,因此本文重點研究1.5—5.5km(垂直格距為0.5km)的風(fēng)場分布。由UW風(fēng)場反演公式(1)—(3)可知,反演的水平風(fēng)矢量(u,v)是雷達徑向風(fēng)(Vr)和切向風(fēng)(Vt)的矢量合成結(jié)果。u=Vrsinθ+Vtcosθ(1)v=Vrcosθ?Vtsinθ(2)Vt=?Vr?θ(3)u=Vrsinθ+Vtcosθ(1)v=Vrcosθ-Vtsinθ(2)Vt=?Vr?θ(3)在對反演方法進行誤差分析時發(fā)現(xiàn),切向風(fēng)(Vr)對徑向角Δθ的選取十分敏感。當(dāng)Δθ選取過小,如Δθ≤3°時,±1m/s的徑向風(fēng)速變化率會相應(yīng)引起約±20m/s的切向風(fēng)變化,對反演結(jié)果產(chǎn)生很大的干擾。本文通過試驗,選擇Δθ=6°。另外,由于實測多普勒速度資料中可能包含很多小尺度的大氣運動信息,如湍流,這可能造成反演出來的風(fēng)場脈動非常明顯,因此本文對反演出的水平風(fēng)場又進行了二維區(qū)域平滑濾波處理,濾除小尺度的風(fēng)場信息。資料中的缺測點不參與風(fēng)場平滑處理。35年6月10日雷達回波特征云團移動從2005年6月10日11-16時局部衛(wèi)星云圖的連續(xù)演變來看(圖1),圖1a和1b中偏南的對流云團A及圖1c—1f中由南北兩個云團(圖1a和1b中的A,B云團)合并形成的對流云團的尾部在移動過程中經(jīng)過沙蘭河上游雨區(qū)。由圖1a和1b可見,在對流云團形成后1h內(nèi)(11—12時),由西南向東北方向移動,移速較快。從12時開始,對流云團移向不變但移速減慢,12—15時云團的尾部停留在沙蘭河上游雨區(qū)上空,云砧范圍不斷擴大(圖1b—1e)。16時左右(圖1f)云團移速又開始加快,其尾部移動到沙蘭河上游雨帶的東北方。從雷達反演的沙蘭河附近對流云風(fēng)暴總積累降水量(STP)隨時間變化的曲線(圖2)看,2005年6月10日11:22—14:30降水出現(xiàn)3個階段的變化:即11:22—12:13、12:13—13:17以及13:17—14:30。在這3個階段中降水量是呈不斷遞增的趨勢。結(jié)合前面所述的云團移動特征,本文將造成沙蘭河上游暴雨MCS的演變過程大致劃分為4個階段,即11—12時為初生階段,12—13時為發(fā)展階段,13—15時為成熟階段,15時以后為減弱階段。文章下面將從云團的形態(tài)、TBB特征、中低層的三維風(fēng)場等方面,重點研究這個MCS在前3個階段的變化情況,以深入揭示東北暴雨MCS的發(fā)展演變特征。3.1云團和云團a都具有上升和擴散的空間11時在沙蘭河上游雨區(qū)以北地區(qū)上空出現(xiàn)2個對流云團(圖1a、1b),其中圖1a和1b中南側(cè)的云團A靠近沙蘭河上游雨區(qū)。從TBB圖上看,11時云團A的最低云頂亮溫約為262K(圖略)。至12時云團A的最低云頂亮溫降至240K左右,與北側(cè)的云團B相比,云團A的云頂高度較低,冷云頂?shù)姆秶^小。從云砧范圍的演變來看,對流云團A的云砧范圍在11—12時出現(xiàn)明顯的擴張(彩圖3)。根據(jù)流體水平散度的定義計算的云團單位面積膨脹速度顯示,云團A單位面積膨脹速度約為6.3×10-4s-1,達到中尺度散度的量級。根據(jù)云蓋面積膨脹、云頂亮溫與垂直運動這三者的關(guān)系分析,這個階段云團A內(nèi)部開始形成有序的上升運動。另外在可見光云圖上發(fā)現(xiàn),此時云團的尾部出現(xiàn)了一些小的上沖云頂(圖4),但是由于這些風(fēng)暴云頂?shù)某叨群苄?因此在紅外云圖上看不到。從這個階段雷達回波的時序演變來看,與云團B相比,云團A發(fā)展速度較慢。其回波強度明顯弱于云團B,其中40dBz以上的強回波主要集中在云團西南端。但是,對流云團A移動速度較快。在它由西南向東北移動的過程中,其兩端還出現(xiàn)了卷曲現(xiàn)象。11:48(彩圖5a)整個云團呈北側(cè)開口的半包圍回波結(jié)構(gòu)。此時,在雷達反演的1.5km高度上水平風(fēng)場和35dBz回波疊合圖上(彩圖5b),云團A西側(cè)邊緣的強回波區(qū)附近有明顯的速度輻合,對應(yīng)流場上(彩圖5c),這里的流線也較密集。此外,由圖5c還可以看到在該輻合區(qū)的偏東方氣流呈扇形疏散結(jié)構(gòu),它們在強回波區(qū)附近構(gòu)成了一個水平尺度約為10km向北凸起的反氣旋性環(huán)流。沿圖5a中實線方向作剖面圖(彩圖5d)可見,垂直方向上,氣流從偏西方向上升,在偏東方向下沉,上升氣流旺盛的地區(qū)對應(yīng)雷達回波上的強回波區(qū)。這與上面分析的低空氣流輻合輻散的位置是互相配合的。另外,從垂直剖面圖還可以看到,盡管云體內(nèi)部已經(jīng)開始形成有序的上升下沉運動,但是與下沉氣流相比,上升氣流較弱,從云底垂直上升到達強回波柱頂部(4.5km)附近就轉(zhuǎn)為下沉運動。3.2云團a階段的回波特征12—13時,云團A和其北側(cè)的對流云團B的云砧繼續(xù)快速擴展,并向東北方向移動,至13時,兩個云團的云砧完全相連。從云砧廓線圖(圖略)上看,合并后的對流云團水平尺度達到數(shù)百千米。從云團云蓋單位面積膨脹速度大小看,12—13時云團A約為4.81×10-4s-1,與前一階段的膨脹速度基本相當(dāng)。13時的TBB分布圖(圖略)上,冷云頂?shù)姆秶黠@擴大,最低亮溫達到228K以下。此時,對流云團中上沖云頂數(shù)量開始增多,與可見光云圖(圖1c)對比發(fā)現(xiàn),TBB圖(圖略)中云團上亮溫梯度較大的地方上沖云頂?shù)臄?shù)量也較多,其中云團西端亮溫梯度最大處的上沖云頂最集中。由雷達回波的時序圖看,云團A兩端的卷曲現(xiàn)象基本消失,與前一階段相比,整個云團雖然繼續(xù)向東北方向移動,但移速明顯減慢。雷達回波圖上在云團A西端出現(xiàn)了兩個40dBz以上的強回波區(qū),它們由西向東排列,東側(cè)的40dBz以上的強回波區(qū)范圍擴大得較快,位于該回波區(qū)上50dBz以上的強回波區(qū)增多,它們呈準東西向分布在云團的南部邊緣上,沙蘭河上游雨帶就位于這條強回波帶上。12:55,云團A中50dBz以上的強回波區(qū)的前部移動到沙蘭河上游雨帶上的西溝村(圖中標號1)與和盛屯(圖中標號2)兩地(彩圖6a)。沿云團中最強回波區(qū)作西南—東北向(a—b)的垂直剖面(彩圖6b)可以看到,此時對流云團A中層出現(xiàn)了60dBz以上的強回波,50dBz的強回波頂接近8km。從1.5km高度上水平風(fēng)場和強回波區(qū)(大于40dBz)的疊合圖(彩圖6c,6d)上看,與前一階段相比,這個階段低空輻合區(qū)位置變化不大,輻合區(qū)仍在云團A的西側(cè)邊緣。此時輻合區(qū)附近除了有西南風(fēng)和偏西風(fēng),還出現(xiàn)了偏東風(fēng),3個方向的氣流匯合使該處氣流輻合強度增強。此外,圖6c中在位于輻合區(qū)偏東方向的風(fēng)場上,氣流反氣旋性旋轉(zhuǎn)疏散的特征與前一階段相比更為顯著。但隨高度增高,該處風(fēng)場上的這種反氣旋性旋轉(zhuǎn)疏散的特征就變得越來越不明顯。如圖6e所示,在2.5km的高度上,圖6c中反氣旋性環(huán)流所在處氣流呈由西南向東北和東南方向散開的特征。沿圖6a中準東西走向(a*—b*)的實線方向所作的垂直剖面(彩圖6f)上看,由西向東方向上,上升區(qū)和下沉區(qū)呈相間分布。從上升氣流的強弱來看,西側(cè)的上升氣流較弱而東側(cè)的上升氣流較強。上升氣流弱的地區(qū)回波強度也較弱,反之,則較強,如在圖6f中最強回波區(qū)的上升氣流最強。在這個強回波區(qū)東側(cè)為一片下沉氣流區(qū),這個下沉區(qū)的位置正好與圖6c中低空反氣旋性環(huán)流相對應(yīng)。由于降水產(chǎn)生后,降水物在下落過程中蒸發(fā)冷卻會形成下沉氣流,因此降水越大下沉氣流也就會越強。當(dāng)云內(nèi)的下沉氣流沖到地面附近時,氣流會向四周散開,下沉氣流加強時降水區(qū)下方低空氣流就會呈反氣旋式旋轉(zhuǎn)。3.3合并前云團的雷達回波區(qū)范圍進一步加13時以后南北兩個對流云團A、B合并。合并后整個對流云團仍然呈不斷膨脹并緩慢向東北方向移動的趨勢(圖略),計算的云團單位面積膨脹速度在13:30為2.55×10-4s-1,14時為5.70×10-5s-1。但從云圖(圖1c—1e)上看,這個階段的對流云團北部(即原來云團B)的部分是呈逐步消亡減弱的趨勢,因此,云團此時的膨脹主要是由云團南部(即原來云團A)引起的。從TBB分布圖(圖略)上看,云頂亮溫比前一個階段又有所降低,14時最低值為224K,15時最低值達到220K。雷達回波上,云團南部(即合并前云團A)的西南端上40dBz強回波區(qū)范圍進一步加強。13:27(彩圖7a),云團西南部上的幾個40dBz強回波區(qū)依然呈準東西走向排列,以西南角上的回波區(qū)強度最弱范圍最小,而與它緊鄰的那個40dBz回波區(qū)發(fā)展最強范圍最大,該回波區(qū)上出現(xiàn)了60dBz以上的強回波區(qū)。13:58(彩圖7b),位于西端上的40dBz回波區(qū)范圍也開始擴大,并出現(xiàn)50dBz以上的強回波。14:30(彩圖7c),云團南部出現(xiàn)了4個40dBz以上的回波區(qū),它們由西向東方向排列在云團南部邊緣上,回波強度則是呈東、西兩頭弱,中間強的分布特征。而云團北部(即合并前云團B)50dBz以上的強回波區(qū)的數(shù)量不斷減少,大于40dBz的回波區(qū)范圍也在不斷縮小。到13:27(彩圖7a),這個區(qū)域上只剩下幾個50dBz以上的強回波點。14:30(彩圖7c)的雷達回波圖上云團北部的40dBz以上的強回波區(qū)基本消失。從雷達反演的風(fēng)場分布(彩圖8)來看,這個階段的低空風(fēng)場主要特征是降水區(qū)附近的反氣旋和氣旋環(huán)流的水平尺度加大,且受低層風(fēng)場擾動加強的影響,高層風(fēng)場上擾動也明顯增強。如13:27的1.5km高度水平流場(彩圖8a)所示,在云團西南端的強回波區(qū)上形成了一個閉合的反氣旋性環(huán)流,與前一階段相比,此時這個反氣旋性環(huán)流的范圍明顯擴大,而且從1.5km向上至3km高度上的水平流場(圖8c)上,位于圖8a中低空反氣旋性環(huán)流的地方都出現(xiàn)了明顯的反氣旋性環(huán)流。此外,此時除了云團西側(cè)的氣流輻合區(qū)(圖8b)以外,反氣旋性環(huán)流前方(偏東方)還出現(xiàn)了一個氣旋性環(huán)流(圖8a中紅圈標出的位置)。從沿圖8a中東—西走向的實線方向所作的剖面來看,這個氣旋性環(huán)流是由下沉氣流加速到達地面附近產(chǎn)生出的低空輻散氣流引起的,輻散氣流與入流氣流輻合產(chǎn)生上升運動。4對流單體和傳播方向的垂直分布綜合此次暴雨MCS的3個階段特征來看,導(dǎo)致2005年6月10日黑龍江省沙蘭河上游暴雨的MCS是一個具有多單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征的孤立對流系統(tǒng),由對流系統(tǒng)中個別對流單體的強烈發(fā)展導(dǎo)致了沙蘭河上游的雷暴等劇烈天氣過程。此外,通過研究發(fā)現(xiàn),這次過程中還具有以下3個顯著特征。(1)3個階段的低空風(fēng)場顯示出明顯的規(guī)律性。在初生階段,位于強降水區(qū)附近的低空流場上氣流開始出現(xiàn)反氣旋性疏散特征;在發(fā)展階段,低空流場上氣流反氣旋性旋轉(zhuǎn)疏散特征顯著加強,反氣旋性環(huán)流逐漸接近閉合;在成熟階段,降水達到最大,低空流場上出現(xiàn)了一個閉合的反氣旋性環(huán)流,水平尺度達數(shù)十千米,且在3km高度上氣流也出現(xiàn)了明顯的反氣旋性旋轉(zhuǎn)疏散特征。(2)對整個對流云來說,以對流云團移向方向(東北方)為前方,從低空呈西南—東北走向的濕舌上平流過來的暖濕空氣從云團左后方(西南方)入流產(chǎn)生上升運動,而在云團的右前方(偏東方)出流。從目前的研究結(jié)果看,江淮梅雨鋒暴雨和華南暴雨MCS中低空氣流一般都是從對流云團的前方入流上升,后方下沉的。這與本文所分析的東北暴雨MCS的特征是相反的。(3)從雷達回波和衛(wèi)星云圖上看,對流云團整體是朝向東北方向移動的,相對于系統(tǒng)的移動方向,云團中的對流單體則是不斷在云團的左后方新生并在右前方消亡。一般來說,對流系統(tǒng)的運動方向是對流系統(tǒng)中單體的平移速度和由單體新生消亡所產(chǎn)生的風(fēng)暴傳播速度的矢量和。根據(jù)觀測,對流單體平移的方向與云層平均風(fēng)矢量方向一致,當(dāng)平均風(fēng)較強時,對流系統(tǒng)的移向和平均風(fēng)方向基本一致;而當(dāng)平均風(fēng)較弱時,對流系統(tǒng)整體常常會向云層平均風(fēng)矢量方向的左邊或右邊移動。對于本例中的MCS來說(圖略),系統(tǒng)中的單體由偏西向偏東方向平移,即平均風(fēng)的風(fēng)向為西南偏西風(fēng),從雷達回波圖上看,在強降水過程中,即2005年6月10日12—15時期間,這些對流單體的移速較慢。在弱平均風(fēng)的環(huán)境中,新生的雷暴單體不斷在系統(tǒng)左側(cè)翼上產(chǎn)生,并在右前方消亡,即在系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)暴傳播方向為準東—西,從單體平移和傳播方向的合成結(jié)果看,系統(tǒng)總體移向具有偏向平均風(fēng)左側(cè)移動的特征。根據(jù)風(fēng)暴移向的定義,這種偏向平均風(fēng)左側(cè)傳播的風(fēng)暴稱為左移風(fēng)暴。在實際大氣中右移風(fēng)暴較常發(fā)生而左移風(fēng)暴相對罕見,目前研究較多的江淮梅雨鋒暴雨和華南暴雨MCS都屬于右移風(fēng)暴。風(fēng)暴移向受到多方面因素控制,一些學(xué)者研究認為,風(fēng)暴左移是由于風(fēng)暴體內(nèi)部受到指向西風(fēng)左側(cè)的Magnus力的作用;還有一些觀點則認為,較少的低空水汽供應(yīng)使得風(fēng)暴直徑變小,進而導(dǎo)致低空相對風(fēng)變小,是導(dǎo)致風(fēng)暴出現(xiàn)左偏的主要原因。綜合本文前面的分析結(jié)果來看,就本例而言,風(fēng)場的垂直分布是導(dǎo)致風(fēng)暴左移的一個重要影響因素。在我們給出的該對流云團附近風(fēng)場的垂直分布特征可以看到(見文獻的圖14c,d,降水發(fā)生期間,從850hPa至300hPa的高空風(fēng)場上有風(fēng)向明顯隨高度