热带气象学报  2018, Vol. 34 Issue (4): 507-513  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.04.008
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引用本文  

李向红, 陆虹, 伍静, 等. 孟加拉湾对流对广西秋季暴雨影响分析[J]. 热带气象学报, 2018, 34(4): 507-513. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.04.008.
LI Xiang-hong, LU Hong, WU Jing, et al. Analysis of the impact of the convection over the bay of bengal to autumn heavy rain in guangxi[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2018, 34(4): 507-513. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.04.008.

基金项目

国家自然科学基金项目(41565005);广西自然科学基金项目(2015GXNSFAA139243);桂气科(2016M10、2017Z06)共同资助

通讯作者

李向红,女,广西壮族自治区人,研究员级高级工程师,主要从事灾害性天气预报与研究。E-mail:gllxh99@163.com

文章历史

收稿日期:2017-07-17
修订日期:2018-03-12
孟加拉湾对流对广西秋季暴雨影响分析
李向红 1, 陆虹 2, 伍静 1, 韩慎友 3, 庞传伟 1, 胡静 1, 王军君 1     
1. 桂林市气象局,广西 桂林 541001;
2. 广西壮族自治区气候中心,广西 南宁 530022;
3. 广西壮族自治区气象台,广西 南宁 530022
摘要:利用综合观测数据1 °×1 °FNL和2.5 °×2.5 °NCEP再分析资料、以及卫星云顶黑体辐射温度资料(TBB),对2015年11月广西出现的三次暴雨过程(8日、11—12日和20日)的850 hPa水汽通量散度及水汽输送特征进行了对比分析。8日和20日暴雨的低层水汽主要来自南海,11—12日连续暴雨的水汽来自南海和孟加拉湾。暴雨前后TBB的分析表明,在暴雨发生前2~3 d,孟加拉湾对流发展到最强,孟加拉湾对流对广西秋季暴雨具有前兆信号特征。暴雨前后TBB时空剖面表明,暴雨发生前孟加拉湾对流有向广西波动传播的特征。模式敏感性实验显示,当关闭孟加拉湾对流2~3 d后,广西48 h累计雨量减小。
关键词秋季暴雨    水汽输送    孟加拉湾对流    
ANALYSIS OF THE IMPACT OF THE CONVECTION OVER THE BAY OF BENGAL TO AUTUMN HEAVY RAIN IN GUANGXI
LI Xiang-hong 1, LU Hong 2, WU Jing 1, HAN Sheng-you 3, PANG Chuan-wei 1, HU Jing 1, WANG Jun-jun 1     
1. Guilin Meteorological Observatory, Guilin, 541001 China;
2. Guangxi Climate Centre, Nanning 530022, China;
3. Guangxi Meteorological Observatory, Nanning 530022, China
Abstract: Based on conventional observation data, the 1 °×1 ° FNL and 2.5 °×2.5 ° NCEP reanalysis data and the black body temperature data at the top of the cloud (TBB), a comparative analysis was conducted of the 850 hPa water vapor divergence and vapor fluxes of three heavy rainfall events (on 8, 11—12 and 20 November) in Guangxi in 2015. On 8 and 20 November low-level water vapor was transported from the South China Sea, while water vapor was not only transported from the South China Sea but also from the Bay of Bengal during 11—12 November 2015. The analysis of the TBB data before and after the occurrence of heavy rains showed that 2~3 d before the heavy rainfall, the convection over the Bay of Bengal developed vigorously. The convection over the Bay of Bengal is a precursory signal to the autumn heavy rain in Guangxi. TBB time-space profiles before and after the heavy rainfall showed that the convection of the Bay of Bengal spread in the form of waves from the Bay of Bengal to Guangxi before the autumn heavy rainfall. Model sensitivity experiments showed that 2~3 d after the heat source over the Bay of Bengal was shut off, 24-hour cumulative precipitation was reduced.
Key words: autumn heavy rain    water vapor transport belt    convection over the Bay of Bengal    
1 引言

孟加拉湾地区是全球最大的热源中心之一,而大气热源异常是造成大气环流异常的重要因子,孟加拉湾异常热源可激发向东的定常波列[1]。孟加拉湾异常热源可导致环流变化影响南海季风等的变化,继而影响我国东部降水;也可在低层增强西南季风向我国东部地区的水汽输送,在高层华南上空产生一正的垂直速度差值区,使华南降水增多。孟加拉湾异常热源还是副热带高压西伸的可能机制,孟加拉湾对流发展强烈,可能通过东西向垂直环流诱使西太平洋副高增强西伸,从而对华南暴雨的形成产生影响[2-3]。孟加拉湾热源对亚洲夏季风环流系统的影响研究表明:夏季孟加拉湾热源异常强年,南亚季风加强,在西南到华南西部的部分地区有气流的辐合,有利于该地区降水的发生[4]。孟加拉湾深对流加热对东亚副热带季风环流系统的影响研究表明:孟加拉湾东岸季风于26候开始爆发,孟加拉湾东岸深对流会激发东传Rossby波,数值试验还证实孟加拉湾降水增多,其东侧南海到长江以南区域降水将明显减少。孟加拉湾对流活动的加强和印缅槽的加深对亚洲夏季风的建立产生影响[5]。孟加拉湾风暴主要生成于孟加拉湾中部,登陆点大多为孟加拉湾海岸中段(85~95 °E)[6]。孟加拉湾低涡生成的早晚与赤道西风的增强有密切关系,是南海夏季风的爆发的前兆信号[7]

孟加拉湾地区生成的风暴常常影响西南地区,孟加拉湾风暴高层辐散可以导致南亚高压加强并北上控制西南地区,增强了降水区的高空辐散,有利于上升运动发展。孟加拉湾风暴为降水区提供充足的水汽输送[8-9]。孟加拉湾北上高原的对流云团得到足够的辐合和动力抬升,特别是有横槽影响时,能在高原上进一步发展,影响云南降水[10]。孟加拉湾风暴活动时段存在5月和10—11月两个峰值,孟加拉湾风暴是造成高原地区降水的重要天气系统[11]。孟加拉湾风暴活动期间华南是主要降水分布区之一,孟加拉湾风暴北上过程伴随南亚高压北上,南支槽加深以及青藏高原切变活跃[12]。孟加拉湾与南海环流变化可以导致西南特大秋旱[13]

对春夏季孟加拉湾对流与广西连续暴雨关系有过相关研究,孟加拉湾旺盛对流对广西低涡切变类持续性暴雨具有前兆信号特征[14]。那么对广西秋季的暴雨是否具有类似的特征仍然有必要进一步研究。

2 2015年11月暴雨实况

2015年的11月广西出现了3场大范围的锋面系统暴雨,导致11月份雨量突破历史极值,降水落区主要位于广西北部,即桂林一带,使得桂林站雨量为建站以来最多。桂林站2015年11月月雨量的距平百分率达到518.6%。特别是11月中旬,一旬内出现两场连续性暴雨,使得桂林市永福县的11月中旬雨量的距平百分率达到945.2%,达到平均旬降雨量的7倍。三场暴雨降水落区分布如图 1

图 1 雨量分布(阴影,单位:mm)及850 hPa水汽通量散度分布(等值线,单位:10-5) a. 2015年11月8日08时—9日08时雨量及8日08时散度;b. 2015年11月11日20时—13日20时雨量及12日08时散度;c. 2015年11月19日20时—20日20时雨量及20日08时散度。kg/(m2·s)

导致月雨量突增的原因是出现了三场大范围的暴雨,第一场是11月8日,24 h内90个国家基本站中有13站暴雨以上降水,并且主要出现在8日08—20时(图 2a),影响最大的是位于广西北部的桂林市,8日白天到夜间24 h内时,230个自动监测站中有107个站出现超过50 mm以上降水,24 h最大雨量为临桂区鹿角村155.9 mm。11月12—13日,48 h内广西90个基本站中有57站次出现暴雨以上降水,降雨时段主要出现在11日20时—13日08时共36 h(图 2b),影响最严重的桂林230个自动站中有196站次出现超过50 mm的暴雨以上降水,桂林市地面气象自动站网监测到12日最强降水为灌阳县洞井乡258.5 mm,13日最强降水为恭城县兰洞水库120.9 mm。第三场暴雨出现在11月19日20时—20日20时,24 h内90个基本站中有20站出现超过50 mm的暴雨(图 2c),桂林230个自动站中有120站雨量超过50 mm,24 h最大降水为龙胜花坪乡121 mm。三次暴雨过程比较而言,以11月12—13日连续暴雨过程累计降雨量最大,强降雨日则出现在11月12日。

图 2 2015年11月8日(a)、11日(b)、12日(c)、20日(d)850 hPa日平均水汽通量距平与850 hPa流场(阴影,日水汽通量单位:kg/(s·m) 水汽通量日平均用00、06、12和18(世界时)NCEP资料平均,距平为日平均水汽通量与30年(1981—2010年)日平均之差。

850 hPa的水汽通量散度显示2015年11月8日08时的强散度中心达到-4×10-5 kg/(m2·s)(图 1a),在广西东北部,散度与80 mm雨量中心对应;同样2015年11月12日08时850 hPa的水汽通量散度中心位于广西东部,达到-4×10-5 kg/(m2·s)与140 mm雨量中心对应(图 1b);2015年11月20日08时的850 hPa的强散度中心达到-3×10-5 kg/(m2·s)位于广西北部,与20日的100 mm雨量对应(图 1c)。

3 水汽输送

对秋季孟加拉湾风暴影响云南降水研究表明,低层孟加拉湾风暴西南季风涌动对降水的形成具有重要作用,一方面将风暴中大量的水汽和能量输送到云南,另一方面风速辐合有助于维持必要的动力学条件[15]。广西位于云南的东北面,在云南的下风方向,是否具有这样的特征呢?为分析影响广西秋季暴雨的水汽来源分析了这3次暴雨过程的850 hPa日水汽通量距平分布及流场(图 2)。

2015年11月的三次暴雨过程的850 hPa低层水汽通量都高于历年平均。11月8日和20日的暴雨过程,850 hPa流场显示低层的水汽主要来自南海(图 2),水汽沿着副热带高压边沿,从广西沿海登录北上到广西北部。11月8日在广西上空的水汽通量距平为+3 kg/(m·s),20日在广西上空的水汽通量距平为+5 kg/(m·s),进入广西的风基本上是正南风。分析2015年11月11日和12日的850 hPa日平均水汽通量距平和850 hPa流场显示(图 2),从孟加拉湾到广西存在一西南-东北向的850 hPa水汽通量正距平场,经中南半岛进入广西,11日广西北部的水汽通量正距平达到+8 kg/(m·s),12日广西北部的水汽通量正距平达到+5 kg/(m·s),影响广西的850 hPa气流除了有来自南海的气流,还有来自孟加拉湾的西南气流,可见连续暴雨过程孟加拉湾和南海都有水汽输送。

4 广西上空对流与孟加拉湾对流的关系 4.1 三次暴雨过程TBB演变

分析这三次广西暴雨过程前后TBB的演变发现,暴雨发生前2~3 d孟加拉湾对流发展,孟加拉湾对流可以作为广西暴雨的前期信号。2015年11月8日(图 3a)暴雨发生前5 d,孟加拉湾对流发展,TBB开始下降,到暴雨前2~3 d,孟加拉湾的对流云TBB下降到了230 K。2015年11月12—13日过程(图 3b),暴雨前3 d,孟加拉湾对流下降到了215 K。2015年11月20日过程,暴雨前近2.5 d,孟加拉湾对流下降到了230 K。孟加拉湾对流作为一个广西秋季暴雨的前期信号而存在。

图 3 暴雨发生前5 d到后续4 d广西TBB(实线)和孟加拉湾TBB(虚线)演变 0为暴雨当天。a. 2015年11月8日08时;b. 2015年11月12日08时;c. 2015年11月20日08时。广西范围为106~112 °E,20~26 °N,孟加拉湾范围为88~92 °E,12~16 °N,单位:K。红色箭头表示孟加拉湾TBB下降趋势,蓝色箭头为广西TBB下降趋势。

所以,利用卫星资料分析这三场暴雨前孟加拉湾对流云发展的特征,发现暴雨前2~3 d孟加拉湾确有对流云发展,与广西前汛期锋面暴雨一致[14]。孟加拉湾对流也可以作为11月西风系统暴雨的前兆信号。

4.2 孟加拉湾对流到广西上空的波动东传

为了探讨孟加拉对流向广西传播的可能性,绘制了TBB的时空剖面图。以暴雨开始时刻即2015年11月12日00时为0时刻,选取前后9 d,空间选取孟加拉湾到广西上空,即沿90 °E,10 °N~111.2 °E,24.5 °N方向(图 4a箭头),绘制出TBB的时空剖面图(图 4b)。由图可见,暴雨开始前3 d,在孟加拉湾的位置,即93 °E,12 °N附近,TBB值显示为低值区,低值达到210 K。沿箭头方向,可见TBB逐渐东传,到暴雨发生时刻,在桂林附近(110 °E,25 °N)TBB值再次降低接近210 K以下,说明强对流在桂林附近强烈发展。可见从孟加拉湾到广西北部在暴雨前的确存在对流东传的事实,可能是波动东传。

图 4 2015年11月12日00时TBB分布(a)和暴雨前后9 d沿92 °E,10 °N~111.2 °E,24.5 °N方向的TBB时间剖面图(b) 0时刻为暴雨发生时刻,-4~4表示暴雨前4 d到后续4 d,间隔24 h。

广西地区秋季连续暴雨强水汽输送来自南海和孟加拉湾(2015年11月11—12日),而孟加拉湾对流异常向广西的传播导致广西地区的辐合加强,导致广西上空对流发展,进而造成了广西地区暴雨增幅。

5 孟加拉湾对流的控制试验与敏感性试验

本研究的数值模拟采用WRF_ARW V3.3.1,对2015年11月三次广西秋季暴雨天气过程进行了模拟。模拟的时间是选取暴雨前5 d 00时至暴雨结束日00时(世界时),共96 h。

模拟采用Lambert投影,模拟区域(图 5)的中心经、纬度为(100. 0 °E,20. 0 °N),水平空间点数为151×101个格点,空间分辨率分别是30 km,模式积分步长180 s。模式垂直层为28层。

图 5 WRF模式模拟的孟加拉湾对流的控制实验(a)与敏感性试验(b)的48 h累计雨量及两者之差(c)

模拟采用5阶水平和3阶垂直平流方程、Lin显式云微物理方案、Kain-Fritsch (new Eta)积云参数化方案、RRTM(CAM)长波辐射传输方案、Goddard短波辐射传输方案、YSU边界层方案、Monin-Obukhov近地面层方案、5层热扩散(thermal diffusion scheme)陆面过程方案。

模型所需的初始气象场和边界条件采用美国国家环境预测中心(NCEP)发布的全球预报系统(GFS)分析数据,空间分辨率为1 °×1 °,时间分辨率为6 h。

敏感性试验关闭了孟加拉湾地区(东西方向第1~75网格点,南北方向第1~65个网格点)积云对流参数化方案和显式云微物理过程对大气温度场的反馈。

WRF模式模拟的孟加拉湾对流的控制试验(图 5a)与敏感性试验(图 5b)的48 h累计雨量,可见关闭孟加拉湾热源,广西雨量明显减弱,两者的差值在广西大部分地区达到50 mm以上(图 5c)。

6 结论

(1)研究发现暖区低涡与高空槽共同作用导致的暴雨动力抬升比切变类暴雨更旺盛,范围更广,如有冷空气补充将有可能导致连续暴雨。

(2)三次过程都处于西南气流的强水汽通量传输带上,水汽从孟加拉湾随西南急流向北输送到达广西。12日是暖区低涡与高空槽共同作用导致的暴雨,水汽通量辐合比其它两次更大,暴雨范围更广,强度更强。

(3)利用卫星资料分析了这三场暴雨前孟加拉湾与广西上空的TBB变化,发现暴雨前2~3 d孟加拉湾确有对流云发展。TBB剖面分析表明从孟加拉湾到广西上空存在强对流东传的特征,孟加拉湾对流可以作为广西秋季西风系统暴雨的前兆信号。

(4)暴雨前后从孟加拉湾到广西上空TBB时空剖面显示,从孟加拉湾到广西上空存在波动东传的事实。

(5)利用WRF模式对孟加拉湾热源进行了控制试验和敏感性试验,其中发现对11月12—13日连续暴雨过程,当去除了孟加拉湾对流2~3 d时,广西的48 h雨量有减弱的趋势。

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