2011年长江中下游旱涝急转及汛期暴雨的对流条件研究

黄明策; 沈新勇; 刘会鹏; 李小凡

doi:10.16032/j.issn.1004-4965.2020.054

2011年长江中下游旱涝急转及汛期暴雨的对流条件研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.054

黄明策^{1, 2},
沈新勇^{1, 3, ,},
刘会鹏⁴,
李小凡⁵

1.
南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京 210044
2.
广西壮族自治区气象台，广西南宁 530022
3.
南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东珠海 519082
4.
横县气象局，广西南宁 530300
5.
浙江大学地球科学学院，浙江杭州 310027

基金项目:

国家自然科学基金项目 41790471

国家自然科学基金项目 41975054

国家自然科学基金项目 41530427

国家自然科学基金项目 41930967

国家自然科学基金项目 41775040

中国科学院战略性先导科技专项 XDA20100304

国家重点研发计划项目 2019YFC1510400

广西自然科学基金项目 2016GXNSFAA380184

广西区气象局重点项目桂气科201501

广西区气象局重点项目桂气科2017Z02

详细信息

通讯作者:
沈新勇，男，江苏省人，教授，博士研究生导师，主要从事中尺度气象学研究。Email:shenxy@nuist.edu.cn

中图分类号: P426.6
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出版历程
- 收稿日期: 2020-01-17
- 修回日期: 2020-08-08
- 刊出日期: 2021-01-11

RESEARCH ON THE CONVECTION CONDITION OF SHARP TURNING FROM DROUGHT TO MEIYU FLOOD AND MEIYU RAIN STORM IN THE MIDDLE AND LOWER REACHES OF THE YANGTZE RIVER IN 2011

Ming-ce HUANG^{1, 2},
Xin-yong SHEN^{1, 3
, ,},
Hui-peng LIU⁴,
Xiao-fan LI⁵

1.
Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education/ Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change/ Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
2.
Meteorological Observatory of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530022, China
3.
Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519082, China
4.
Nanning Hengxian Meteorological Bureau, Nanning 530300, China
5.
School of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

摘要

摘要: 利用ERA-Interim及雨量和土壤水分观测资料，对比诊断了2011年5—6月长江中下游梅汛前极旱期急转为梅汛期洪涝的极端天气事件的对流条件（水汽、不稳定、抬升作用）差异及特征，并研究条件性湿位涡垂直通量（CMF）指数与暴雨之间的定量关系。结果表明：在极旱期，干冷的东北气流控制，西太平洋副热带高压偏东，低层水汽通量弱且以偏北风输送为主，中低层为下沉气流，无低空急流，等θ_se线稀疏，边界层抬升机制缺乏，是干旱加剧的主要因子；在梅汛期，西南气流增强，西太平洋副热带高压西伸，低层气流在长江地区辐合，低层水汽通量增加且转为西南和东南风输送为主，伴随高低空急流耦合和深厚的上升运动，等θ_se线密集形成梅雨锋，增强不稳定暖湿空气强迫抬升和垂直输送，造成暴雨频发，引起区域性洪涝。暴雨中心600 hPa以下为负湿位涡的不稳定层，对流不稳定与条件性对称不稳定共同作用是强降水发生的不稳定机制。CMF指数与旱涝变化、暴雨过程演变非常一致，在极旱（梅汛）期，CMF指数低（高），变化平缓（剧烈），CMF指数在暴雨开始时逐步剧增，结束时迅速减小。
- 旱涝急转 /
- 对流条件 /
- 条件性对称不稳定 /
- 梅雨锋 /
- 暴雨增幅
Abstract: The extreme event of the extreme drought in May sharply turning into flood in June 2011 was triggered by heavy rainfall during Meiyu period in the middle and lower reaches of the Yangtze River. With the Era-Interim reanalysis data and rainfall data from regional stations in China, the characteristics and differences of three conditions for convection such as water vapor, instability and lifting mechanism in drought period and in Meiyu period were diagnosed, and the quantitative relationship and characteristics between the conditional moist potential vortex vertical flux(CMF) index and rainstorm were also studied. Results showed that in the extreme drought period, dry and cold northeast air current prevailed, the west Pacific subtropical high(WPSH) located easterly, the water vapor flux in the lower layer was weak and water vapor was mainly transported by northerly wind. Downdraft dominated the lower and middle layers and there were no low level jet. The sparse isometric pseudo-equivalent potential temperature(PEPT) lines led to the lack of boundary uplift mechanism, and they were the main factors that intensified drought. However, in the Meiyu period, the southwest airflow was intensified, the WPSH extended westward, the convergence of the lower level airflow and the water vapor flux in the lower layer were enhanced. Water vapor was mainly transported by southwest and southeast wind, accompanied by the coupling of high and low level jets and deep ascending motion, and the isometric PEPT lines became dense and Meiyu front was formed, which enhanced the forced uplift and vertical transport of unstable warm and humid air, causing frequent rainstorms and regional floods. In the storm center, the middle and lower layers below 600hPa were unstable with being less than 0. The combined action of convective instability and CSI was the unstable mechanisms that induce heavy rainfall. The CMF index changed simoutaneously when drought sharply turned into flood and rainstorms generated. In the extremely drought period, the CMF index was low and changed steadily, whereas in Meiyu period, the opposite was true. CMF index also inceased when rainstorm occured and decreased as it vanished.
- drought sharply turning into flood /
- convection conditions /
- conditional symmetric instability /
- Meiyu front /
- heavy rainfall enhance

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图 1 长江中下游地区总降雨量距平百分率（单位: %，虚线 < 0;实线≥0;粗黑线：长江）

a. 1—5月；b. 6月。

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图 2 2011年5月1日—6月30日降雨量与土壤水分体积含水量变化

a.逐日区域平均雨量（实线，单位：mm）和日降水量≥50 mm以上测站数（柱状，单位：站）；b.湖口县不同深度土壤水分体积含水量(单位：m³/m³)。

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图 3 极旱期（a、c）和梅汛期(b、d) 850 hPa平均流场(a、b)及长江中下游区域平均水平风场时间-高度剖面(c、d)（单位：m/s）

a和b中的阴影为风速大于8 m/s区域，粗实线为切变线位置，细实黑线为588等位势高度线。

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图 4 极旱期（a、c）和梅汛期（b、d）600 hPa以下低层平均水汽通量和水汽通量散度场垂直积分（a、b）及区域平均RH和q时间-高度剖面（c、d）

a和b中黑色箭头为水汽通量矢，单位：kg/（m·s）；填色为水汽通量散度，单位：10^-5 kg/（m²·s）；c和d中填色为RH，单位：%；等值线为q，单位：g/kg。

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图 5 极旱期(a)和梅汛期(b) 850 hPa 110~122 °E纬向平均的假相当位温（等值线，单位：K）和假相当位温的经向梯度（-∂θ_se/∂y，阴影区，单位：10-5 K/m）时间-纬度剖面

两条黑横线为长江中下游所在纬度。

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图 6 极旱期（a）和梅汛期(b)长江中下游区域平均ω时间-高度剖面

Pa/s。ω < 0为上升运动。

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图 7 极旱期(a)和梅汛期(b) 110~122 °E纬向平均的u风分量(单位：m/s，黑实线：u > 0，虚线：u < 0)和假相当位温(红实线，单位：K)纬度-高度剖面（阴影区为大于10 m/s风速区）

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图 8 梅汛期4次暴雨过程沿暴雨中心的假相当位温（黑色实线，单位：K）、比湿（绿虚线，单位：g/kg）、温度(红虚线，单位：℃)平均纬度-高度剖面图

黑色小方块区域为暴雨所在的纬度。a. 4—6日；b. 9—11日；c. 14—15日；d. 17—19日。

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图 9 梅汛期4次暴雨过程沿暴雨中心MPV(阴影区，单位：PVU，1 PVU= 10^-6 m²·K/(s·kg)，只画MPV < 0)和-∂θ/∂p (红虚线，单位: 10^-4 K/Pa，只画-∂θ/∂p > 0，表示对流稳定)以及CSI区域（红色透明填充）纬度-高度剖面

a. 4日08时；b. 10日08时；c. 14日08时；d. 18日08时。

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图 10 长江中下游地区2011年旱涝急转期逐日区域平均CMF指数（实线）与降水量（虚线, 单位：mm）变化图

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参考文献(48)

[1]	丁一汇, 柳俊杰, 孙颖, 等.东亚梅雨系统的天气-气候学研究[J].大气科学, 2007, 31(6): 1 082-1 101.
[2]	朱宵峰, 钱永甫, 宁亮, 等.长江下游地区汛期暴雨气候特征分析[J].热带气象学报, 2008, 24(2): 136-146.
[3]	吴哲珺, 包云轩, 朱霆, 等.长江流域一次大暴雨过程的低空急流形成和影响机制分析[J].热带气象学报, 2019, 35(3):409-422.
[4]	叶笃正, 黄荣辉, 长江黄河流域旱涝规律和成因研究[M].济南:山东科技出版社, 1996.
[5]	陶诗言, 徐淑英.夏季江淮流域持久性旱涝现象的环流特征[J].气象学报, 1962, 30(1): 1-10.
[6]	吴志伟, 李建平, 何金海, 等.大尺度大气环流异常与长江中下游夏季长周期旱涝急转[J].科学通报, 2006, 51(14): 1 717-1 724.
[7]	唐明, 邵东国, 姚成林.沿淮淮北地区旱涝急转的成因及应对措施[J].中国水利水电科学研究院学报, 2007, 5(1): 26-32.
[8]	张顺利, 陶诗言, 张庆云, 等.长江中下游致洪暴雨的多尺度条件[J].科学通报, 2002, 47(6): 467-473.
[9]	张红华, 姚秀萍, 高媛, 等. 2016年江淮地区梅汛期首场持续性暴雨的持续原因初探[J].热带气象学报, 2018, 34(5): 674-684.
[10]	孙晶.梅雨锋暴雨中尺度对流系统研究若干进展[J].气象科技, 2011, 39(3): 257-265.
[11]	宫宇, 罗亚丽.梅雨锋前线状中尺度对流系统成熟阶段的空气垂直运动分析[J].热带气象学报, 2014, 30(4): 687-699.
[12]	陈杨瑞雪, 罗亚丽.不同边界层参数化方案和陆面过程参数化方案对一次梅雨锋暴雨显式对流模拟的影响分析[J].热带气象学报, 2016, 32(5): 656-667.
[13]	JIANG Y Q, WANG Y, CHEN C H, et al. A Numerical study of mesoscale vortex formation in the midlatitudes: the role of moist processes[J]. Adv Atmos Sci, 2019, 36(1): 65-78.
[14]	陈碧莹, 闵锦忠.华北"7·19"暴雨中低涡系统演变及多尺度相互作用机制研究[J].热带气象学报, 2020, 36(1): 85-96.
[15]	GAO S T, LEI T, ZHOU Y S. Moist potential vorticity anomaly with heat and mass forcing in torrential rain system[J]. Chin Phys Lett, 2002, 19(6): 878-880.
[16]	CUI X P, GAO S T, LI X F. Diagnostic analysis of mesoscale rainstorms in the Jiang-Huai valley of China with convection vorticity vector[J]. Progress Natural Sci, 2007, 17(5): 71-80.
[17]	庆涛, 沈新勇, 黄文彦, 等. 2011年梅汛期一次暴雨过程的对流涡度矢量方程诊断分析[J].高原气象, 2015, 34(2): 401-412.
[18]	郭煜, 寿绍文, 岳彩军, 等. 1991年江淮梅雨期对称不稳定与降水关系的诊断分析[J].热带气象学报, 2010, 26(6): 781-789.
[19]	HOSKINS B J. The role of potential vorticity in symmetric stability and instability[J]. Quart J Roy Meteor Soc, 1974, 100(425):480- 482.
[20]	BENNETTS D A, HOSKINS B J. Conditional symmetric instability-a possible explanation for frontal rainbands[J]. Quart J Roy Meteor Soc, 1979, 105(446): 945-962.
[21]	封国林, 杨涵洧, 张世轩, 等. 2011年春末夏初长江中下游地区旱涝急转成因初探[J].大气科学, 2012, 36(5): 1 009-1 026.
[22]	周静, 郑永骏, 苗春生, 等.梅雨锋强降水与低空急流日变化的观测分析和数值模拟[J].热带气象学报, 2017, 33(5): 750-761.
[23]	许金萍, 王文, 蔡晓军, 等.长江中下游地区2011年冬春连旱及2013年夏季高温干旱环流特征及其与Rossby波活动的联系对比分析[J].热带气象学报, 2017, 33(6): 992-999.
[24]	DOSWELL C A. The distinction between large-scale and mesoscale contribution to severe convection: a case study example[J]. Wea Forecasting, 1987, 2(2): 3-16.
[25]	DOSWELL Ⅲ C A, BROOKS H E, MADDOX R A. Flash flood forecasting: An ingredients-based methodology[J]. Wea Forecasting, 1996, 11(4): 560-581.
[26]	SCHULTZ D M, SCHUMACHER P N. The use and misuse of conditional symmetric instability[J]. Mon Wea Rev. 1999, 127(12):2 709- 2 732.
[27]	黄明策, CAO Z H, 沈新勇.中国东部夏季风雨带向北推进与条件对称不稳定的关系研究[J].大气科学, 2019, 43(5): 943-958.
[28]	DEE D P, UPPALA S M, SIMMONS A J, et al. The ERA-Interim reanalysis: Configuration and performance of the data assimilation system[J]. Quart J Roy Meteor Soc, 2011, 137(656): 553-597.
[29]	朱乾根, 林锦瑞, 寿绍文, 等.天气学原理和方法[M].北京:气象出版社, 2007: 649.
[30]	寿绍文, 励申申, 姚秀萍.中尺度气象学[M].北京:气象出版社, 2003: 370.
[31]	张庆云, 陶诗言, 张顺利.夏季长江流域暴雨洪涝灾害的天气气候条件[J].大气科学, 2003, 27(6): 1 018-1 030.
[32]	方欢, 原韦华, 徐幼平.长江中下游地区夏季强降水前期的三维环流结构特征分析[J].大气科学, 2020, 44(4): 761-775
[33]	中国气象局国家气候中心.东亚季风监测快报[R]// cma.net/download/Monsoon/EAExpress/monsoon-201105.doc. 2011, (5).
[34]	丁一汇.高等天气学(第二版)[M].北京:气象出版社, 2005: 117-123.
[35]	GAO S T, YANG S, CHEN B. Diagnostic analyses of dry intrusion and nonuniformly saturated instability during a rainfall event[J]. J Geophys Res, 2010, 115 (D2): D02102.
[36]	高守亭, 周玉淑, 冉令坤.我国暴雨形成机理及预报方法研究进展[J].大气科学, 2018, 42(4): 833-846.
[37]	赵玉春.梅雨锋对引发暴雨的中尺度对流系统发生发展影响的研究[J].大气科学, 2011, 35(1): 81-94.
[38]	查书瑶, 伊兰, 赵平.冬季华南准静止锋的结构和类型特征研究[J].大气科学, 2015, 39(3): 513-525.
[39]	张小玲, 陶诗言, 张庆云. 1998年7月20-21日武汉地区梅雨锋上突发性中β系统的发生发展分析[J].应用气象学报, 2002, 13(4): 385-397.
[40]	朱乾根, 周伟灿, 张海霞.高低空急流对长江中游强暴雨形成的机理研究[J].南京气象学院学报, 2001, 24(3): 308-314.
[41]	张亚妮, 姚秀萍, 于超.高层动力强迫对回流型华南暖区暴雨影响的个例研究[J].热带气象学报, 2019, 35(2):166-176.
[42]	ZHANG J, TAN Z M. A simulation study of the mesoscale convective systems associated with a Meiyu frontal heavy rain event[J]. Acta Meteor Sinica, 2009, 23(4): 438-454.
[43]	陆汉城, 葛晶晶, 钟玮.准平衡流在中尺度深厚湿对流系统中的诊断分析概述[J].暴雨灾害, 2010, 29(2): 105-110, 147.
[44]	周玉淑, 邓国, 黄仪虹.长江流域一次暴雨过程中的不稳定条件分析[J].气象学报, 2003, 61(3): 323-333.
[45]	KATO K. Airmass transformation over the semi-arid region around North China and about change in the structure of the Baiu front in early summer[J]. J Meteor Soc Japan, 1987, 65: 737-750.
[46]	吴国雄, 蔡雅萍, 唐晓菁.湿位涡与倾斜涡度发展[J].气象学报, 1995, 53(4): 387-405.
[47]	张云, 潘晓滨, 暴冬玲, 等.一次特大暴雨中尺度系统结构特征和机理分析[J].解放军理工大学学报(自然科学版), 2006, 7(4): 396- 404.
[48]	DIXON R S, BROWNING K A, SHUTTS G J. The relation of moist symmetric instability and upper-level potential-vorticity anomalies to the observed evolution of cloud heads[J]. Quart J Roy Meteor Soc, 2002, 128(581): 839-859.