13丁一汇高等天气学 暴雨的形成与中尺度扰动的作用

图13.3 （a）经向型特大暴雨形势；（b）纬 向型特大暴雨形势
天气尺度系统
天气尺度系统如锋面、气旋、高空槽等并不是直接 造成暴雨的天气系统，因为天气尺度系统中的上升 运动一般只有几cm· -1，在水汽供应充分的条件下， s 降水强度只1~2mm· -1，日降水量24~48mm，只能 h 造成中－大雨。天气尺度系统对暴雨起着以下四个 作用：（1）制约造成暴雨的中尺度天气系统的活动， 即天气尺度系统可以提供中尺度天气系统形成的条 件或环境场。中尺度天气系统的发生需要一些基本 条件，例如大气层结是不稳定的，水汽通量出现辐 合，低空风场出现辐合场和气旋性涡度场，这些条 件经常伴随着天气尺度系统出现的；
图13.4 暴雨和局地强风暴环境风垂直切变之比较
中尺度天气系统
中尺度天气系统是直接造成暴雨的天气系统， 其地面辐合量级为10-4s-1，上升运动为 10cm·-1~1 m·-1，降水强度可达或超过 s s 10mm· -1，因此只要连续5小时的降水就可 h 以造成暴雨。中尺度系统是在天气尺度环流 背景上发展起来的，它对暴雨有两个作用： （1）它是造成暴雨的直接天气系统；（2） 中尺度系统对积云对流活动有明显的组织和 增强作用。
暴雨系统在很大程度上受大尺度行星环流型 制约。因而一场暴雨的发生涉及到不同尺度 天气系统的复杂的相互作用。尤其是对2天以 上的暴雨，行星环流分布具有十分重要的作 用。图13.2是暴雨中各种天气系统的关系。
图13.2 暴雨中各种尺度天气系统的关系
暴雨多是出现在扰动停滞的时期，这时候行星尺度 系统经常出现一次调整过程。另一种情况是行星尺 度系统持续某种形势，这使得在某地区接二连三地 有扰动发生发展。行星尺度系统并不直接产生暴雨， 而是通过制约直接产生暴雨的天气尺度系统的活动 来间接对暴雨产生作用的，它可以决定天气尺度系 统的移动速度，强度变化、重复出现和系统间的相 互作用。行星尺度环流还可决定大范围雨区出现的 范围及决定暴雨区的水汽来源或水汽通道。
表13.1给出暴雨和强对流风暴物理条件的差别。在强风暴情 况下，在近地面附近经常存在着逆温层或等温层，而在暴雨 情况下，无逆温层存在，在700hPa以上，强风暴的温度比 暴雨情况下低得多，400hPa温差达8℃。因而，由于在强风 暴情况下，中上层有冷平流，其7km以下的温度递减率比暴 雨情况的大1~3℃· -1，强风暴的位势不稳定层较深厚，自 km 由对流高度较高，这意味着需要更强的启动机制来使强风暴 发生。但是，一旦出现强风暴爆发，它们的发展比暴雨更激 烈，更迅速。水汽含量和输送项差别也很大。例如对暴雨， 地面到300hPa的水汽水平辐合为强风暴时的三倍。暴雨发 生时风垂直切变一般比强风暴小。比较其它的量如Td850， Td500，T850，T500，θse850，θse500可以得到：暴雨的发展主要 与低层暖湿空气团有关，而强风暴的发展与中上层干冷空气 团有关，两者温差可达13℃，因而上层冷平流以及与低层暖 湿空气的迭置对强风暴的爆发具有很重要的影响。
最后，暴雨的年际变率密切与北半球，尤其是东亚 中高纬大气环流的异常有关。位于乌拉尔山，贝加 尔湖，鄂霍茨克海霍里海的阻塞高压和乌拉尔山与 贝加尔湖的长波槽是决定暴雨是否有利的关键环流 系统。例如在1972年夏季，全球出现许多异常的天 气过程。这是由于一异常的长波槽维持在亚洲的东 岸地区（130º ～140º E）而代替了正常年份的平均 高压脊。结果冷空气爆发的路径比常年更偏东，同 时副热带高压也比常年更弱。这种天气形势造成了 过去30年中春季和夏季最严重的干旱，这主要是由 于在中国冷暖空气交绥的机会大大减少。
高压西侧的西南气流不断向暴雨输送暖湿空气， 并与冷空气交绥于江淮流域。第三个特征是高纬 在雅库茨克或鄂霍茨克海要有稳定的阻塞高压， 使得东亚西风带位置偏南。 由上面可见，在持续性大暴雨发生前或发生中， 行星尺度长波系统一般会经历一次明显的调整过 程，以后表现出异常的稳定性。持续性大暴雨即 出现在长波系统稳定的时期。另一方面，持续性 大暴雨的发生实际上是大尺度环流出现异常状况 的一种表现，因而与暴雨有关的长波系统的位置 和强度必然对平均条件呈现明显的偏离。
图13.3给出持续性特大暴雨的两种形势图。在经向型情况 下，在暴雨区周围为高空高压所包围，即贝加尔湖高压， 日本海高压，青藏高压和华南高压。这几个高压系统都很 稳定，在日本海高压和青藏高压之间是一条南北向的低压 带。这种形势很有利于西南涡北上，低涡可沿着南北向切 变线北上，冷空气由从乌拉尔大槽分裂东移的短波槽携带， 沿青藏高原脊前流入低槽区。另一股冷空气在贝加尔湖前 沿极地路径南下。低空偏东急流和偏南急流共同输送水汽， 这种持续性雨带主要是南北向的，可从西南地区向北延伸 到华北。纬向型暴雨型有三个主要特征：从西伯利亚宽的 低槽中分裂出的冷空气经河西走廊到达长江流域，它们是 冷空气的来源，这种冷空气是由东移的西北槽携带，最后 受到副高阻塞在长江流域蜕变成东西向切变线。第二个特 征是副热带高压相对稳定。
表13.1 暴雨和局地强风暴物理条件之比较
抬升凝 FCL 结高度 (hPa) (hPa) 对流层 顶高度 (hPa) 1～9公 里平均 递减率 （℃/10 0m） 0.63 0.72 10～12 公里平 均递减 率 （℃/10 0m） 0.67 0.40
13.1 暴雨的形成
在我国暴雨的发生受三个大尺度方面的因子影响。 第一是来自印度洋和西太平洋的夏季风，中国大范 围的雨季一般开始于夏季风的爆发（华南要更早一 些），而结束于夏季风的撤退，降雨强度和变化与 夏季风脉动密切相关。我国暴雨出现的频率年际变 化很大，这也与夏季风状况的年际变率密切有关。 第二，西太平洋和青藏高原副热带高压的位置决定 了中国主要雨季的季节移动。暴雨常出现在100hPa 高压和120º E处副高比常年更偏北的位置上，如 1962。1965，1968，1969和1970年，如果100hPa 高压位置比常年偏南，则长江流域一般出现干旱。
图13.1 1931～1977年24小时降水大于1000，800和 400mm的降水点分布。×：>200mm/24h；〇： >400/24h；●：>800mm/24h；■：>1000mm/24h
（3）根据暴雨系统的特征，我国的暴雨可以 分为四种类型。第一类型是台风暴雨或台风 残余及由台风转变成的温带气旋引起的暴雨。 台风是我国最重要。最强烈的暴雨系统。沿 海15个省份暴雨的统计表明（见蔡则怡的工 作，1977年），其中12个省份的最大暴雨是 由台风引起。第二类暴雨是由低涡或与这些 低涡有关的切变线引起。第三类暴雨由高空 槽和相应的冷锋引起，当它们移近一阻塞反 气旋区域时，暴雨系统常减速，结果造成长 期的雨期。
图13.5是造成美国一次大暴雨时概括出的风暴群物理模式， 它也可以认为是一合比为～14.8g· -1）造成了在 kg 风暴区有强的水汽流入，在接近落基山时，风暴的流入 抬升到LCL以上（约2.5km），上升气流很强，并向西倾 斜，这可使大雨滴由上升气流之后部落出，从而使系统 保持准稳态。液态水从云的下部即大量落下，这可以增 强云上部的上升气流的速度，同时抑制上升气流的过冷 水区内的冰雹增长。这种暴雨内没有大量雹存在的事实 表明，暖雨过程在产生风暴降水中起重要作用，云内较 高的0℃层（5.8km）、－25℃等温线和较低的云底 （2.5km）都说明在一深厚层次中（3～7km厚）云冲并 过程在起作用。没有大量的雹和云内强风切变的事实可 以抑制有组织对流尺度下沉气流的发展，这可以增加风 暴的降水效率。
（2）暴雨主要分布在华南、长江、华北三个带中， 如果我们点出过去1931~1977年近50年中24小时降 水量大于200mm的强暴雨位置（图13.1），可以发 现，所有这些暴雨分布在三个带中：华南、长江流 域和华北。此外，也有少数一些暴雨出现在沿岸地 区，主要是台风引起。在以上三个主要暴雨带之间 暴雨出现很少，这种情况与锋区很少在这些地区停 滞以及主要环流系统突然的北跳有关。更重要的， 暴雨的这种特征分布表明，暴雨与起源或移过西藏 高原的天气系统的频率有关。例如，华南的前汛期 暴雨主要由在高原以南通过的南支西风带中的扰动 引起。长江流域的暴雨经常是由来自高原的低涡和 切变线引起。但当高空锋区北移时，这些低空涡旋 常改变它们的移动路径，由向东变成向北或东北移 动，以此造成华北，甚至西北的暴雨。
图13.5 美国一个雨暴单体的物理模式（Big Tompson）。也给出LCL，LFC，风，0℃层高 度及－25℃高度
暴雨形成的物理条件
我们讨论暴雨形成的物理条件。一般情况下这些条 件应包括位势不稳定、逆温层、低空湿舌或水汽辐 合、释放不稳定性的机制，如低层辐合区、重力波、 密度流、地形抬升等以及低层和高层急流，风的垂 直切变、卷入等。在上述热力和动力条件中低空急 流和边界作用十分重要。下一节我们要专门讨论低 空急流的作用。我们发现，在暴雨时期，水平质量 辐合在500m高度达最大值，边界层中冷暖气团之对 比比边界层以上要显著。在暴雨开始之前，经常可 以观测到在边界层中有动量、水汽和热量的迅速积 累，以后再向上输送。当暴雨加强时，质量辐合最 大值在900hPa高度。
高等天气学系列讲座 单元四：对流和降水天气系统
第十三讲
暴雨的形成与中尺度 扰动的作用
丁一汇 国家气候中心
我国位于世界上著名的季风区。在夏季风爆发和盛 行的时期，是我国暴雨的季节。最著名的降雨是长 江流域的梅雨，在我国几乎每年都受到突发性洪水 或持续性洪水的灾害，在有些年份灾害相当严重， 如1963年海河大范围的洪水和1975年淮河灾害性洪 水，以及近年来，1991，1998，1999和2003年年 江淮地区梅雨季的持续大暴雨。1981年7月中旬和 2004年9月3~7日四川大暴雨也造成了严重的灾害。 因而暴雨的研究和预报问题一直是我国气象工作者 最关心的问题之一。
（3）在天气尺度系统中，上下不同性质空气的平流 可造成位势不稳定层结；（4）在天气尺度系统中的 风速垂直切变有利于中小尺度系统的发生和维持。 对于暴雨，要求大尺度有一定程度的风的垂直切变， 以使位势不稳定层结建立，并且使积雨云中上升运 动变成有组织。但如果垂直切变很强，高空的卷云 砧伸展甚远，这时积雨云中的大量水滴被高空急流 带走，不能降落地面，虽然对流活动甚强烈，降水 量也并不很大。图13.4 表明，暴雨一般发生在较弱 的垂直切变环境下，而强风暴发生在较强的环境风 垂直切变条件下，这种大的切变差别主要由高层风 速差造成，即强风暴经常出现在高空急流轴下方， 而暴雨发生在急流轴以南200~500km。