超低空急流形成的爬、绕流对长白山地区一次突发性暴雨的影响.pdf

刘成瀚,王月,阎琦,等.2023.超低空急流形成的爬、绕流对长白山地区一次突发性暴雨的影响J.暴雨灾害,42(3):273-282.LIU Cheng-han,WANG Yue,YAN Qi,et al.2023.Impact of flow over and flow around caused by super low-level jet on a sudden rainstorm over theChangbai Mountains J.Torrential Rain and Disasters,42(3):273-282(in Chinese).doi:10.12406/byzh.2022-035超低空急流形成的爬、绕流对长白山地区一次突发性暴雨的影响刘成瀚1，2，王月3，阎琦1,2，谭政华1,2，刘硕1,2，焦浩然2，金妍4(1.中国气象局沈阳大气环境研究所，沈阳110166；2.辽宁省气象台，沈阳110166；3.沈阳市气象局，沈阳110000；4.上海中心气象台，上海 200030)摘要：为了研究、揭示超低空急流与地形作用对暴雨的增幅机制，以2021年7月14日夜间发生在辽宁东部长白山地区的一次山地突发性暴雨为例，利用辽宁省地面观测降水数据和ERA5再分析数据，针对超低空急流形成的爬流及绕流对此次暴雨的影响进行研究，结果表明：(1)在东北冷涡东南部、副热带高压后部的有利环流背景下，偏南低空、超低空急流建立，为辽宁东部带来充沛的水汽和能量，降水的阶段性变化与低空急流的强度、位置、方向存在一定关系。(2)山地与平原过渡区的地形高度差强迫气流产生爬流运动，爬流所强迫的垂直运动由下至上逐渐减弱，大值区位于山地坡面上，山地区域爬流极值中心处于雨带中心位置，地形的爬流运动对降水范围及强度至关重要。(3)以东西方向为主导的绕流对暴雨区域局地涡旋的形成具有一定贡献，并且绕流对暖湿气流在降水中心起到汇聚的作用，间接为空气抬升提供增幅效果。爬流、绕流共同作用下，坡地区域次级环流上升支触发对流发展，不稳定能量释放，导致山区局地大暴雨的出现。关键词：暴雨；超低空急流；爬流；绕流；地形中图法分类号：P445文献标志码：ADOI:10.12406/byzh.2022-035收稿日期：2022-04-01；定稿日期：2023-05-08资助项目：国家重点研发计划项目(2018YFC1507305);辽宁省气象局科研项目(202302,ZD202224,LNCP202301);中国气象局预报员专项(CMAYBY2019-024)；中国气象局东北冷涡重点开放实验室重点项目(2021SYIAEKFZD02、2021SYIAEKFZD03);环渤海区域科技协同创新基金项目(QYXM2021104)第一作者：刘成瀚，主要从事短期天气预报技术与方法研究。E-mail:liuch_通信作者：阎琦，主要从事短期天气预报技术与方法研究。E-mail：Impact of flow over and flow around caused by super low-level jeton a sudden rainstorm over the Changbai MountainsLIU Chenghan1,2,WANG Yue3,YAN Qi1,2,TAN Zhenghua1,2,LIU Shuo1,2,JIAO Haoran2,JIN Yan4(1.Institute of Atmospheric Environment,China Meteorological Administration,Shenyang 110166；2.Liaoning Meteorological Observatory,Shenyang 110166；3.Shenyang Meteorological Bureau,Shenyang 110000；4.Shanghai Meteorological Center,Shanghai 200030)Abstract：The purpose of the paper is to study the mechanism of the interaction between super low-level jet and terrain to enhance rainstorm.Using the surface observation precipitation data of Liaoning Province and ERA5 reanalysis data,this paper analyzes a sudden mountain rainstorm that occurred in the Changbai Mountains,eastern Liaoning Province on the night of 14 July 2021,focusing on the role of flowaround and flow over in this rain storm.The results show that:(1)under the favorable circulation background of the southeast of the Northeast Cold Vortex and the rear of the Subtropical High,the southward low-level jet and super low-level jet are established,which brings abundant water vapor and energy to the eastern part of Liaoning.The periodic change of precipitation is related to the intensity,location and direction of low-level jet.(2)The terrain height difference in the transition area of the mountain plain forces the airflow to generate the flow over.The vertical ascent forced by the flow over gradually weakens from bottom to top.The maximum value area is located on the mountain slope.The extremum center of regional flow over is located in the center of the rain belt,and the flow over caused by terrain is specially importantto the range and intensity of the precipitation.(3)The east-west direction-dominated flow around has a certain contribution to the formationof the local vortex in the rainstorm area,and the surrounding flow plays a role in converging the warm moist current in the precipitation center,and indirectly provides an amplifica tion effect for the air upraise.Under the combined action of flow over and flow around,the upswingbranch of secondary circulation in the sloping area triggers convective development and releases unstable energy,which leads to the occurrence of local heavy rainstorms in mountainous areas.Key words：Rainstorm；super low-level jet；flow over；flow around；terrain暴雨灾害TORRENTIAL RAIN AND DISASTERSVol.42 No.3Jun.2023第42卷 第3期2023年6月第42卷暴雨灾害引 言地形分布是决定气候特征的重要因子之一，一直以来都是气候学研究的热点问题(樊红芳，2008)。对于我国乃至东亚地区而言，青藏高原的高海拔地形对气候的影响至关重要(叶笃正和顾震潮，1955)。高原的大地形一方面在冬季对西伯利亚冷高压的位置以及强度起到决定性作用，另一方面在夏季对南亚季风的形成及发展有所贡献(Syukuro and Theodore，1974；Douglas et al.,1975)。高原的隆升对大气环流形成扰动进而影响华南以及南亚地区的降水(梁潇云等，2005)，而高原不同子区域的隆升对季风以及降水区域的影响也有所差别(张冉等，2012)。当高原中部地形大范围隆升时，会导致印度降水有所增加(An，2001)，而亚洲80E 以西的区域地形对印度夏季降水影响更甚(Chakraborty et al.，2002)。除了青藏高原大地形之外，中小地形对局地降水的影响也至关重要，地形的高度及尺度的增加对暴雨有一定增幅作用(陈联寿和孟智勇，2001)。王凯等(2021)发现浙东地区山脉对台风“利奇马”通过阻滞及辐合抬升作用造成显著的降水增幅。付双喜等(2021)研究指出，祁连山北麓降水大值区均位于山区或山地北坡，局地小地形对强对流降水过程的阻挡、辐合、抬升作用较为突出。东北地区所生产的商品粮约占全国总量的1/3(赵秀兰，2010)，而暴雨所引起的洪涝灾害对农业影响巨大(谭方颖等，2020)，长白山山脉对东北冷涡暴雨的影响程度大于东北其他山脉地形，一些研究试验发现：若没有长白山地形，则长白山以南区域至朝鲜半岛降水将大幅减少(何博翰等，2020)。若加倍长白山地形高度，则辽宁东部以及长白山西部区域降水有所增强(钟水新，2011)。地形所产生的绕流及爬流运动对降水过程中涡旋产生及垂直运动具有重要意义(丁一汇，2005)。绕流和爬流在地形的隆升过程当中，相对贡献有所变化(谢应齐，1986)。而对绕流和爬流的定量计算可得出在降水过程当中两者的作用大小(黄刚和周连童，2004)。李斐等(2012)通过将高原地表风场分解为绕流和爬流，进而得出不同地形高度层绕流爬流的强度变化。金妍和李国平(2021)通过对一次地形引发突发性降水研究得出绕流及爬流对降水位置及强度有紧密关联。目前已有的爬流绕流研究多集中于青藏高原区域，而有关辽东长白山地形对暴雨的影响机制尚不清晰。2021年7月14日夜间出现在辽南至辽东的山区及坡地的暴雨到大暴雨，数值预报几乎没有预报能力，恰恰这种暴雨容易出现比较严重的次生灾害(狄靖月等，2021；吕新生等，2021；赵娴婷等，2021)，因此本文针对此次位于辽宁东部长白山山地区域暴雨事件，采用将近地面风场分解成爬流绕流方式分析造成此类事件的成因，以期提升山区暴雨的订正能力。1 资料及方法1.1 资料来源本文使用的资料包括地面加密自动站观测资料、欧洲中期天气预报中心发布的第五代全球再分析格点资料(ERA5)和雷达反射率因子数据。资料时段为2021年7月12日08时(北京时，下同)16日08时。其中，ERA5利用先进的模式和数据同化系统将大量的历史观测数据结合到全球预估中，并提供逐小时和逐月的数据来估